6賎 扁絹蹄 軸 ■勢

温 度 ・圧 カ セ ンサ ー の 開発

Developmentofterahertznon‑contactandtransmissiontype sensorfbrtemperatureandpressuremeasurement

首都 大学東京 大学 院

システ ムデザイ ン研 究科 システ ムデザイ ン専攻 情 報通信 システ ム学域

学修 番号:14890509駒 井翔伍 担 当教授:柴 田泰 邦 准 教授

【修 論 目次 】 第1章 は じめ に

第2章 テ ラ ヘ ル ツ波

第3章 吸 収 ス ペ ク トル

第4章 テ ラ ヘ ル ツ 波 式 温 度 ・気 圧 セ ン サ ー

4.1テ ラ ヘ ル ツ波 を 用 い た 温 度 気 圧 セ ンサ ー の 強 み 4.2温 度 お よ び 気 圧 の 原 理

4.3温 度 ・圧 力 測 定 に 要 求 され る 周 波 数 分 解 能 4.4テ ラヘ ル ツ波 発 生 装 置

第5章 エ タ ロ ン フ ィル タ を 用 い た 周 波 数 精 密 制 御 法 の 提 案 5.1エ タ ロ ン フ ィル タ

52エ タ ロ ン 透 過 ピー ク を利 用 した テ ラヘ ル ツ周 波 数 制 御 法 と問 題 点 5.3エ タ ロ ン 透 過 の傾 き を利 用 した テ ラヘ ル ツ周 波 数 制 御 法

第6章 エ タ ロ ン フ ィ ル タ を 用 い た 周 波 数 制 御 法 の 評 価 6.1エ タ ロ ン の 設 計

6.2エ タ ロ ン の 性 能 評 価 6.3m周 波 数 の 揺 ら ぎ 評fllli

第7章 ま とめ ・今 後 の 課 題

謝辞

参考文献

付 録 ① エ タ ロ ン透 過 率 シ ミュ レー シ ョン プ ロ グ ラ ム

付 録 ② 温 調 付 きLD駆 動 装 置 制 御 用AD変 換 器 制 御 プ ロ グ ラ ム

目次

第1章 は じめ に

近 年 、様 々 な分 野 で テ ラヘ ル ツ 波 が 注 目され て い る,テ ラヘ ル ツ波 は 光 の もつ 直 進 性 と 電 波 の もっ 透 過 性 を兼 ね 備 え た 電磁 波 で あ り,様 々 な物 質 が 固 有 に有 して い る透 過 率 分 布 (固有 ス ペ ク トル)が テ ラヘ ル ツ帯 に 多 く存在 して い る,透 過 で き る もの の 例 と して,プ ラス チ ック,セ ラ ミ ッ ク,シ リコ ン,木 材 な どが あ り,電 波やX線 を用 いて 出来 な か っ た化 学 分 析,非 破 壊 検 査 な ど に応 用 が 期 待 され て い る,テ ラヘ ル ツ波 は簡 単 に扱 え る発 生 源 や 検 出器 の 開発 が 遅れ て い た こ と もあ り未 開 の 帯 域 とな っ て い た が,近 年 そ の応 用 の広 が りは, 品質 管理,危 険物 の検 知 な ど多 岐 にわ た って い る,

空 気 中 の 温 度 や 圧 力 を測 定 す るセ ンサ ー と して近 赤 外線 の レー ザ光 を用 い て 水 蒸 気 吸 収 スペ ク トル の温 度 依 存 性 を利 用 す る方 法 が あ る が,テ ラヘ ル ツ波 を利 用 す る こ とで,光 が 使 え な い 不 透 明容 器 内 の温 度 や 圧 力 を測 定す る新 た な 非 接 触 温度 ・気 圧 セ ン サ ー の 実現 が 期 待 で き る.水 蒸 気 の 吸 収 スペ ク トル はO.5‑‑1.OTHzに 複 数 存 在 し,そ の分 布 は 温 度 と圧 力 に 依 存 す る こ とが 知 られ て い る。 そ こ で,先 行 研 究 に お い てテ ラ ヘ ル ツ帯 水 蒸 気 スペ ク トル を利 用 した 非 接 触 計 温 度 ・気 圧 セ ンサ ー の 実現 性 につ い て検 討 した.光 の 領 域 で分 子 スペ ク トル の 吸 収 分 布 計 算 に用 い られ るVoigt関 数 が あ る.こ のVoigt関 数 が テ ラヘ ル ツ帯 の 水 蒸 気 吸 収 スペ ク トル に適 用 可 能 と仮 定 し,吸 収 強度 が 気 圧 変 化 に鈍 感 な 周 波 数(気圧 不 動 点)と非 吸 収 周 波 数 の テ ラヘ ル ツ波 の吸 収 量 の差 か ら温度 を,こ の 温 度 と吸 収 ピー ク及 び 非 吸 収 周 波 数 の テ ラヘ ル ツ 波 の 吸 収 量 の差 か ら気 圧 を求 め る こ とが 可 能 で あ る こ とを 明 ら

か に した,

本 研 究 で は 先 行研 究 の成 果 を実 現 す る た め,テ ラヘ ル ツ帯 水 蒸 気 ス ペ ク トル を利 用 した 非接 触 計 温 度 ・気 圧 セ ン サー の 開発 を行 な っ た.

第2章 テ ラヘ ル ツ 波

第2章 テ ラヘ ル ツ 波

2.1.テ ラ ヘ ル ツ 波 と は

テ ラヘ ル ツ 波 とは 電 波 と光 の 境 界 領 域 付 近 に位 置 す る電 磁 波 で あ る。 電 磁 波 は波 長 の 短 い ほ う,つ ま り周 波 数 の 大 き い 方 か ら γ線,X線,紫 外 線,可 視 光線,赤 外 線,ミ リ波,マ イ ク ロ波 とい うよ うに並 ん で い る.こ れ らの性 質 の違 い は波 長 の 長 さの違 い か ら く る.テ ラヘ ル ツ 波 の 厳 密 な 定 義 は な い が,お よそ0.1〜10THzの 周 波 数 の電 磁 波 の こ と を指 す こ と が 多 い.こ の テ ラヘ ル ツ領 域 の 電 磁 波 の 研 究 は,テ ラヘ ル ツ 波 の 発 生 ・検 出 が 容 易 で な か っ た こ と な どか ら開 発 が遅 れ て お り未 開 拓 の電 磁 波 と呼 ばれ て き た.し か し最 近 に な って 発 生 ・検 出 の研 究 開 発 が急 速 に進 展 し,テ ラヘ ル ツ波 を用 い て物 理,化 学,生 物 な どの 基 礎 化 学 分 野 へ の 応 用 は も とよ り,産 業 分 野 へ の 応 用 も見 え て き て い る.

表1.波 長 、周 波 数 領 域 の 分 類

領 域 分 類 波長 周 波 数(Hz) 周 波 数(cm4)

赤 外 近 赤 外 0.75μm〜2.5ト 巳m 400‑120丁Hz 13.333〜4.000cΩ ゴ1

中 赤 外 2.5匹 乳m‑25腿m 120〜12THz 4,000̲400α ゴ1

テ ラ ヘ ル ツ 帯

遠 赤 外 (サ ブ ミ リ 波)

25μm‑1㎜

(0.ト1㎜)

12〜03THz (3〜0.3THz)

400‑10cm'ヨ (100〜10cガ) マ イ ク

ロ 波

ミ リ 波 1‑10mm ^300〜30GHz 100〜10cm'1

6賎 扁絹蹄 軸 ■勢

10410610810101012101410161018(Hz⊃

ド

1‑目 〜

図1.2テ ラ ヘ ル ツ セ ン シ ン グ に よ る透 過 画 像 の 例[1]

笙2章 テ ラヘ ル ツ 波

2.2.テ ラ ヘ ル ツ 波 の 強 み

テ ラヘ ル ツ 波 は 光 と電 波 の境 界 領 域 の電 磁 波 な の で,以 下 の よ うな 特 徴 が あ る.

●●●●

光 の もつ 直 進 性 電 波 の もっ 透 過 性

X線 よ りエネ ル ギ ー が 小 さ く,人 体 に安 全

多 くの 物 質 が テ ラヘ ル ツ領 域 に 固有 スペ ク トル を有 して い る

これ ま で の 研 究 か ら,テ ラ ヘ ル ツ 波 は 金 属 以 外 の い ろ い ろ な 物 質 に 対 し て 比 較 的 透 過 し や す い こ と が わ か っ て き て い る.例 を あ げ る と プ ラ ス チ ッ ク,セ ラ ミ ッ ク,シ リ コ ン(ケ イ 素:Si),衣 類,木 材,紙,タ イ ル な どは 透 過 す る こ とが 確 認 され て い る.

ま た,テ ラ ヘ ル ツ 領 域 に は,多 く の 物 質 が 固 有 の 吸 収 線,い わ ゆ る 指 紋 ス ペ ク トル が 存 在 し て お り,赤 外 分 光 の よ うな 物 質 の 検 出 に 応 用 で き る.

こ の テ ラヘ ル ツ波 の透 過 性 や 物 質 の検 出 が で き る とい うこ と を利 用 す る と,電 波 やX線 を 用 い て で きな か っ た 化 学 分 析 や 非 破 壊 検査 な どに応 用 で き る.具 体 例 を あ げ る と,半 導 体 の 電 気 特 性 の 非 接 触 評 価,ポ リマ ーや ナ ノ コ ンポ ジ ッ トの 誘 電 率 の評 価,医 薬 品 の 品 質 評 価,美 術 品 ・文 化 財 の 調 査,製 造 ライ ンに お け る 品 質 管 理,建 築 物 の診 断,危 険 物 の検 知,災 害 現 場 で の 危 険 ガ ス の 検 知,生 体 分子 分 光,バ イ オ セ ン シ ン グ,が ん の 判 別 な どで あ る.

第3章 吸 収 ス ペ ク トル

光 や 電 波 が 物 質 を透 過 す る際,あ る周 波 数 領 域 で吸 収 され る.こ の領 域 は 物 質 に よ っ て 固 有 で あ る.そ の た め,連 続 的 な波 長 で物 質 に 光 を当 て,通 過 量 を計 測 す る こ とで透 過 率 分 布 を得 る と,そ れ らは物 質 に よ っ て 固 有 の ス ペ ク トル を描 く.吸 収 スペ ク トル とは 物 質 固

有 の 透 過 率 分 布 の こ とで あ る.

吸 収 ス ペ ク トル は物 質 固 有 の 形 状 な た め,物 質 の 特 定 に応 用 で き る.

物 質 の 透 過 率 は吸 収 断 面積 σを用 い て 以 下 の 式 に 変 形す る こ とが で き る.

τ=・xp(一 σ[m2]×nH、 。[個 加3]xx[凋)(3・1)

こ こ で,xは 経 路 長,で あ る.nH、oはlm3中 の 水 分 子 の 個 数

吸 収 断 面 積 とは,気 体 分 子 に よ る吸 収 の 強 度 を表 す 量 で あ る.吸 収 断 面 積 は 光 の 波 長 や 気 体 分 子 の状 態 に よ って 変 化 す る.こ こ で は,吸 収 断 面積 を求 め る た め の計 算 式 を示 す.

大 気 中 で は 気 体 分子 の 吸 収 線 が スペ ク トル 拡 が りを生 じる,そ の要 因 と して 分 子 同 士 の 衝 突 の圧 力 に よる スペ ク トル 拡 が り と ドップ ラー 効 果 に よ るス ペ ク トル 拡 が りが 挙 げ られ る.し た が っ て,吸 収 断 面 積 を計 算 す る に あ た り,こ の 吸 収 線 の スペ ク トル 拡 が りを考 え な けれ ば な らな い.吸 収 断 面 積 の値 は,吸 収 線 の強 度 お よび 吸 収 線 の スペ ク トル 拡 が りか

ら決 定 され る.

こ こ か ら,吸 収 断 面 積 の 導 出 に 入 る.中 心 波 数7。[cm一 ユ】とす る と,こ の 吸 収 線 の ス ペ ク ト ル 拡 が りは,気 温 と気 圧 に よ っ て 変 化 す る,こ の 吸 収 線 の ス ペ ク トル 拡 が り に よ る 波 数 v[cm‑1]で の 吸 収 断 面 積 は 次 の 式 で 表 せ る.

σ=SxF(3.2)

こ こ で,σ[cm2]は 吸 収 断 面 積,s[cm‑1/(molecule・cm‑2)]は 吸 収 線 の 強 度,F[cm]は 吸 収 線 の ス ペ ク トル 拡 が り で あ る.

第3章 吸 収 ス ペ ク トル と気 圧 不動 点

波 数 は 波 長 の 逆 数 に よ っ て 定 義 さ れ る 量 で あ る.波 数 をv[cm‑1】,波 長 を λ[nm]と す れ ば, 次 の 関 係 が 成 り 立 っ.

v[cm‑1]=(3.3) λ[107 nm】

吸 収 線 の 強 度S[cm‑1/(molecule・cm‑2)】S[cm‑1/(molecule・cm‑2)]は 以 下 の 式 で 表 せ る.

s‑Sv,[丁 器)]'・xp{一漏 一 尭B(3・4)

こ こ で,

To:基 準 気 温[ld

Sv。:Toに お け る 吸 収 線 強 度[cm‑1/(molecule・cm‑2)】S[cm"'1/(molecule・cm‑2)]

ε:吸 収 に 伴 う エ ネ ル ギ ー 遷 移 の 下 位 順 位 エ ネ ル ギ ー T(R):高 度Rに お け る 気 温[K]

k:ボ ル ツ マ ン 定 数[JIK】

で あ る.

吸 収 線 の 拡 が りFは,Voigt関 数 を 用 い て 以 下 の 式 で 表 せ る.

F一 β議 α…砦 ゾd亡(3・5)

こ こ で,

1〆‑VO ε=

β

り 一 りO κ=

β y= ヱβ

2kT(R)Vo2

β= mc2

先 行 研 究 で は,0.5〜1.OTHzに 存 在 す る 水 蒸 気 吸 収 ス ペ ク トル の 吸 収 断 面 積 を 計 算 した.

テ ラ ヘ ル ツ 帯 の 水 蒸 気 ス ペ ク トル を 計 算 す る た め の 各 パ ラ メ ー タ は 未 知 の も の が 多 い が, テ ラ ヘ ル ツ 帯 の 吸 収 ス ペ ク トル と し てVoigt関 数 が 適 応 で き る と 仮 定 し,参 考 文 献[2]を も

と に 計 算 に 必 要 な 各 パ ラ メ ー タ を 推 定 し た,Fig.3ユ に 文 献 記 載 の 水 蒸 気 の 吸 収 ス ペ ク トル と 、 推 定 した パ ラ メ ー タ を 用 い て 再 現 し た 水 蒸 気 の 吸 収 ス ペ ク トル を 示 す.ま た,推 定 値 をTable3.1に 示 す.

Table3.1.テ ラ ヘ ル ツ 帯 水 蒸 気 吸 収 ス ペ ク トル の パ ラ メ ー タ 推 定 値

中心周 波数(THz) So[cm・1/(molecule*cm・2)] γ。ε。[cm'1/atm] E"【cm・1] η αεγ

0.56(537.63μm) 4.5E・20 0.15 100 0.72

0.75(397.87Fm) 5E‑20 0.1 100 0.72

0.98(303.35戸m) 2.7E‑20 0.15 100 0.72

笙3章 吸 収 スペ ク トル と気 圧 不 動 点

1。t

80;

0壽毎

蕎 。s

05﹂ト

0

0.

030SOA

Fig.3.1

OAseβOAsOβOJesO.70.750』eNO』OJSN51

Frequency(THz)

湿 度 ご と の テ ラヘ ル ツ 帯 水 蒸 気 ス ペ ク トル[2】

第4章 テ ラヘ ル ツ 波 式 温 度 ・気 圧 セ ン サ ー

4.1.テ ラヘ ル ツ 波 を 用 い た 温 度 ・気 圧 セ ン サ ー の 強 み

温 度 セ ン サ ー お よ び 気 圧 セ ン サ ー の 種 類 と測 定 原 理 を ま と め た 表 をtable4.1,table4.2 に そ れ ぞ れ 示 す.

温 度 セ ン サ ー で 代 表 的 な も の を挙 げ る と赤 外線 を利 用 した サ ー モ グ ラ フ ィが あ る.サ ー モ グ ラ フ ィ は観 測 物 か ら放 射 され る赤 外線 量 を測 定 し,温 度 を算 出 す る とい う もの で あ る.

主 に観 測 物 の 表 面 温 度 分布 を測 定す る際 に 用 い られ る,表 面 温 度 分 布 で は な く,サ ー モ グ ラ フ ィ同 様 に,1点 の 温 度 を測 定す る放 射 温 度 計 とい う もの もあ る.主 に溶 接 部 分 の 計 測 な どで 用 い られ て い る.こ れ らは赤 外 線 を 用 い た 温 度 計 あ る.な の で,赤 外 線 が使 用 で き な い場 面 で は機 能 しない 温度 計 で あ る.

気 圧 セ ンサ ー で は,工 業 用 圧 力 計や 気 圧 計 が あ る が.ど ち らも測 定 原 理 と して は,計 測 器 自体 にか か る圧 力 を 測 定 す る もの で あ る,つ ま り接 触型 の 測 定 で あ る.

こ こで,テ ラヘ ル ツ波 を 用 い た 温 度 お よび 気 圧 セ ン サ ー につ い て 考 え てみ る,テ ラヘ ル ツ波 を用 い た 温 度 お よび 気 圧 の 測 定 原 理 と して は,テ ラヘ ル ツ帯 水 蒸 気 スペ ク トル の 温 度 お よ び気 圧 依 存 性 を 用 い る.つ ま りテ ラヘ ル ツ波 を 用 い る.な の で,テ ラヘ ル ツ波 の 特徴 で あ る透 過 性 を活 か し,観 測 物 付 近 に遮 蔽 物 が存 在 して も透 過 す る こ と が で き る.こ れ は 赤 外 線 が使 用 で き な い 場 面 で もテ ラヘ ル ツ波 を用 いれ ば 温 度 測 定 可 能 とい うこ とで あ る, 気 圧 セ ンサ ー にっ い て は,テ ラヘ ル ツ気 圧 セ ン サ ー で は,水 蒸 気 ス ペ ク トル の 気 圧 依 存 性 を用 い る の で,非 接 触 測 定 が 可能 で あ る.

以 上 の こ と よ り,テ ラ ヘ ル ツ 温 度 ・気 圧 セ ン サ ー は 非 接 触 透 過 型 の 温 度 気 圧 セ ン サ ー と い う新 た な 付 加 価 値 を も っ た 温 度 ・気 圧 セ ン サ ー に な る.

第4章 テ ラ ヘ ル ツ 波 式 温 度 ・気 圧 セ ン サ ー

Table.4.1温 度 セ ン サ ー の 種 類 と測 定 方 法

観 測 物 か ら放 射 され る赤 外線 量 から算 出

囲 翻 騰鐸

観 測 物 か ら放 射 され る赤 外 線 テラヘル ツ帯 の 水 蒸 気 透 過 量 から算出 率分 布 の 温度 依 存 性 か ら算

出 観 測物 の表面 温度分 布

(2次 元)

観 測 物 の表 面 および内 部 の 温度 分 布(3次 元)

Table.4.2気 圧 セ ン サ ー の 種 類 と 測 定 方 法

囲 弾性体が受ける圧力

㍊ 鯉 ・ 識̀誹 一 ■■

弾 性 体 を媒 体 として.そ の弾 液 体 を媒体 として,そ テラヘ ル ツ帯 の 水 蒸 気 透 過 性 体 が 受 ける圧 力を媒 体 の の 液 体 が 受 ける圧 力 率 分 布 の 気 圧 依 存 性 か ら算 弾 性 変 形 の 歪 み に 釣 り合 わ を液柱 の重 さに釣 り合 出

せ て測定 わせ て測 定

液柱 が受 ける圧 力 観 測 物 の 表 面 および 内部 の 気圧 分布(3次 元)

テ ラヘ ル ツ 波

型 曳イー

凸 ρ飼」

顎

巨巫=ト ー 一 一 滋 ⑧ ⑧

,̲.̲o

!一 一 ・一 一一.『 一{・ ぐL

{こ 透過しない 二

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〜

國

Fig.4.1.1テ ラ ヘ ル ツ 波 の 透 過 イ メ ー ジ

4.2.温 度 お よ び 気 圧 の 測 定 原 理

テ ラ ヘ ル ツ 帯 水 蒸 気 透 過 率 が,Voigt関 数 適 用 可 能 と仮 定 して,温 度 を300Kに 固 定 し様 々 な 気 圧 に お け る 水 蒸 気 透 過 率 分 布 をFig.42.1に,気 圧 を1.Oatmに 固 定 し様 々 な 温 度 に お

け る 水 蒸 気 透 過 率 分 布 をFig.4.2.3に 示 す,

Fig.4.2.1に お い て,気 圧 変 化 に 鈍 感 な 周 波 数 が 存 在 す る こ と が わ か る.以 降 こ の 周 波 数 を,気 圧 不 動 点 と 呼 ぶ こ と に す る.Fig.4.2.3に お い て,気 圧 不 動 点 を 見 て み る と,温 度 に よ っ て 透 過 率 が 変 化 し て い る こ と が わ か る,つ ま り,気 圧 不 動 点 の 透 過 率 を 測 定 す れ ば, 温 度 を 算 出 す る こ と が で き る.ま た,Fig4.2.3の 透 過 率 分 布 を 見 る と,吸 収 の ピ ー ク 部 分 で

は 気 圧 に よ っ て 透 過 率 が 変 化 して い る こ と が わ か る.っ ま り,温 度 が 測 定 で き れ ば 吸 収 ピ ー ク と 気 圧 不 動 点 の 透 過 率 の 比 か ら気 圧 も算 出 す る こ とが で き る .以 上 の こ と よ り,気 圧 不 動 点 の 透 過 率 分 布 を 測 定 し温 度 を 算 出,温 度 特 定 後 に 吸 収 ピ ー ク の 透 過 率 を 測 定 し,気 圧 を 算 出 す る こ と で 気 圧 お よ び 温 度 の 測 定 が 可 能 で あ る,つ ま り,気 圧 不 動 点 と 吸 収 ピー

ク の 透 過 率 が 測 定 で き れ ば い い.

本 研 究 で は,気 圧 不 動 点 を0,751THz,吸 収 ピ ー ク を0.754THzと 設 定 し て い る,

気 圧 不 動 点 に つ い て だ が,気 圧 変 化 に鈍 感 な 周 波 数 とい うだ けで あ っ て,厳 密 に は 気 圧 変 化 の 影 響 は 受 け て い る,な の で,セ ンサ ー と して 使 う場 合 に は,気 圧 不 動 点 の 決 定 方 法 も検 討 しな けれ ば な らな い.

笙4章 テ ラヘ ル ツ 波式 温度 ・気 圧 セ ンサ ー

1

0.1

0.01

0.001

0.740.7450.750.7550.760.7650.77

周 波 数rnHz】

‑0 .8atm‑一 一 ・1.aatm… ・…1.2atm

Fig.4.2.1温 度300Kに 固 定 し た 様 々 な 気 圧 の 水 蒸 気 ス ペ ク トル

1

0.1

0.Ol

O.001・

0.740.7450.750.7550.760.7650.77

周 波 数[THzl

‑T̀250K,一 一T{300K)‑o‑・T{350κ ⊃

Fig.4.2.3気 圧1.Oatmに 固 定 し た 様 々 な 温 度 の 水 蒸 気 ス ペ ク トル

「 『 一,

● ● .・

帽 冠 冠

● や φ

㍗㍗

一一 一 一 一 一 一 一 一 一

気圧不動点 ^●● ●^●●

『     山一

氾 ^.弓

、 '●'

̲斗 ノ

.,『 噛『一,噌 一一 曹一一,,一,一 一一一 一 一 一 一 一   , 一一 一

3GRz <→ _{吸収 ピー ク}

,一曹一 冒 一一 幽曾 一一‑o一 皿… 噌 一一一雪 一 一 }曹一 噌, 雫一,曾}一 吻冒 曹一 一 一.曹 一一 一一 一 一‑一 一,一 一 一一 一一→

'6

一 冬 ミ

k、,拶'の"

、,ニ ウ

.一 、 臥..〃

気圧不動点 も 汐

..一 鮎 ケ.

吸 収 ピ ー ク

3GHz⇔

争}一 』.一邑一一一← 』 一}一 一,一̀,一

4.3.温 度 ・圧 力 測 定 に 要 求 され る テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 分 解 能

本 研 究 で は,水 蒸 気 ス ペ ク トル の 気 圧 不 動 点 で 温 度 を,吸 収 ピー ク で 気 圧 を 測 定 す る の で,テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 分 解 能 に 対 す る 水 蒸 気 ス ペ ク トル の 気 圧 不 動 点 に お け る 温 度 誤 差 と 吸 収 ピ ー ク に お け る 気 圧 誤 差 を 求 め た い.光 路 長 に 対 す る テ ラ ヘ ル ツ 帯 水 蒸 気 ス ペ ク トル の 気 圧 不 動 点 で の 温 度 依 存 性 お よ び 吸 収 ピ ー ク で の 気 圧 依 存 性Fig.4.3.1,Fig.4.3.2に そ れ ぞ れ 示 す.

本 研 究 の 透 過 率 の 計 算 で は,湿 度20%,温 度300Kの と き のlm3中 に 存 在 す る 水 蒸 気 量 をnH、oと し て お り,水 蒸 気 量 は 常 にnH、。で 一 定 と仮 定 し て い る.式(3.1)よ り,光 路 長 の 違 い は 水 蒸 気 量 の 違 い に 相 当 す る.

Fig.4.3.1よ り,光 路 長 に よ っ て 水 蒸 気 透 過 率 の 温 度 依 存 性 が 変 化 し て い る こ と が わ か る.

っ ま り,温 度 依 存 性 は 水 蒸 気 の 量 に よ っ て も変 化 す る こ と が わ か る.

Fig.4.3.2よ り,水 蒸 気 透 過 率 の 気 圧 依 存 性 に つ い て も,温 度 依 存 性 同 様 に 光 路 長 に よ っ て 変 化 し て い る.

温 度 お よ び 気 圧 の 測 定 に お い て,光 路 長 が 変 化 し て も 温 度 依 存 性 が 見 込 め る の で,そ の 依 存 性 を 測 定 す る こ と が で き れ ば,温 度 測 定 は 可 能 で あ る.同 様 にFig.4.3.2か ら,気 圧 依 存 性 が 測 定 で き る の で あ れ ば,気 圧 の 測 定 は 可 能 で あ る.本 研 究 で は 温 度 お よ び 気 圧 依 存 性 が 最 も 見 込 め る 光 路 長0.4mを 設 定 す る.そ の 時 の 水 蒸 気 透 過 率 の 気 圧 不 動 点 で の 温 度 依 存 性 は1.1%1K,水 蒸 気 透 過 率 の 吸 収 ピー ク で の 気 圧 依 存 性 は4%ノatmで あ る こ と が わ か っ た.

以 上 の こ と を 踏 ま え,温 度 お よ び 圧 力 測 定 に 必 要 な 周 波 数 分 解 能 を 求 め る た め に,水 蒸 気 ス ペ ク トル の 周 波 数 分 解 能 に 対 す る 温 度 お よ び 気 圧 誤 差 を 求 め る.Fig.4.3.3にo.74〜

0.77THz付 近 の 水 蒸 気 ス ペ ク トル と周 波 数 分 解 能 △fに 対 す る 透 過 率 変 化 △Tを 示 す.ま た, Table4.3に 水 蒸 気 ス ペ ク トル の 周 波 数 分 解 能Afに 対 す る 温 度 お よ び 気 圧 誤 差 を 示 す.

Table4.3よ り,周 波 数 分 解 能 が0.025GHzの 場 合,0.1℃ の 温 度 誤 差,0.76hPaの 気 圧 誤 差 と な る こ と が わ か る.市 販 の 赤 外 温 度 セ ン サ ー の 温 度 分 解 能 は0.1℃ な の で,温 度 誤 差 に つ い て は 市 販 の 赤 外 温 計 セ ン サ ー と 同 等 の 精 度 が 得 られ る こ と が わ か っ た.そ こ で 本 研 究 で は,テ ラ ヘ ル ツ 温 度 ・気 圧 セ ン サ ー の 性 能 の 目標 と して,約0.1℃ の 温 度 誤 差,0.76hPa の 気 圧 誤 差 を 設 定 した.そ の た め に は テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 を0.025GHz(25MHz)の 周 波 数 分 解 能 で 制 御 す る 必 要 が あ る こ と が わ か っ た.

第4章 テ ラ ヘ ル ツ波 式 温 度 ・気 圧 セ ンサー

4、0%

3.5%

冒3 .。%

態2.5%

llzoelo

∈}1.5%

類1.0%

0.5%

0.0%

00.20.40.60.811.21.41,6

光 路 長[血1

◆T(250)・T(280)口T(280)・T(290)▲T(290)・T(300)×T(300)・T(310)xT(310)・T(320)

ー

◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆

寧 ◆

◆

◆

◆ ◆

◆

◆

◆

團 ● 圏 囲 働 嵐 肖 出 「Ll'

園 一

爾 ^一 巴 臨 営 肖 護

爾

1 」 隣1 L F 1 曜

Fig.4.3.1光 路 長 に 対 す る 水 蒸 気 透 過 率 の 温 度 依 存 性

5.0%

4,5%

94.o%

S3・5%

麺3.0%

琶2.5%

娠2.0%

e 甚1・5%

顛1 .0%

0.5%

0.0%

◆ ◆

◆ ■ ■

曝 斐 斐 蓼 婆

◆ 孟

× 翼

■ ●

導6x

▲

× '緊

論 峯 〉

▼ 琴6盃 溢

▼,曝 ×

1 II ■1 .III

0 020,4

◆0.9・0.8

0.60.81121.4

光 路 長 圓

■1.O・O.9▲1.1・1.0×1,2・1.1

1,6 1.8

Fig.4.3.2光 路 長 に 対 す る 水 蒸 気 透 過 率 の 気 圧 依 存 性

1 0.9 0.8 0.7 0.6 璽0.5園 0.4 0.3 0.2 0.1

0△Tr(M)

周 波 数[個

Fig.4.3.30.74〜o.77THz付 近 の 水 蒸 気 ス ペ ク トル と 周 波 数 分 解 能 △fに 対 す る 透 過 率 変 化 △T

Table4.3水 蒸 気 吸 収 ス ペ ク トル の 周 波 数 分 解 能4に 対 す る温 度 お よ び 気 圧 誤 差

気 圧 不 動 点 吸収 ピー ク ムf[GHz]温 度 誤 差rq気 圧 誤 差[hPa]

0.562.217.2 0.2517.59 0.0250.10.76

闘

一

馴

酬

一

輔

一

一

一

棚

酬 聡 〜 へκ乃←

●● ● ●

・ ●● ●

、 グ

㌔ ダ

姐 鰯

・./!

限 誕!↑ △乃(△η↓△

745α レ5"755α 弓6癬65

第4章 テ ラヘ ル ツ 波 式 温 度 ・気 圧 セ ンサ ー

4.4.テ ラ ヘ ル ツ 発 生 装 置

テ ラ ヘ ル ツ 発 生 装 置 の ブ ロ ッ ク 図 をFig.4に 示 す.

テ ラ ヘ ル ツ 波 の 発 生 原 理 と して は,2つ のDFBレ ー ザ を ミ キ シ ン グ し,差 周 波 が テ ラ ヘ ル ツ ア ン テ ナ で あ る フ ォ ト ミ キ サ か ら テ ラ ヘ ル ツ 波 と して 発 振 す る と い う も の で あ る.テ

ラ ヘ ル ツ 送 信 ア ン テ ナ か ら テ ラ ヘ ル ツ 受 信 ア ン テ ナ ま で の 光 路 長 は0.41m(41cm)で あ る.

DFBレ ー ザ に つ い て は,波 長1550nmの も の と 波 長1546nmの も の を 用 い る.DFBレ ー ザ は 電 流 や 温 度 に よ っ て レ ー ザ 周 波 数 を 安 定 さ せ る が,テ ラ ヘ ル ツ セ ン サ ー の 性 能 目標 を 満 た す テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 分 解 能25MHzの 精 度 で 周 波 数 安 定 さ せ る こ と が 困 難 で あ る.な の

で,新 た な 周 波 数 制 御 法 に つ い て 検 討 す る 必 要 が あ る.

ACBias

温度制御

lDFB…e・#21

Fig.テ ラ ヘ ル ツ 発 生 装 置

翠

‑,＼

.D

Fig.フ ォ ト ミ キ サ と 集 光 ミ ラ ー の 外 観

第5章 エ タ ロ ン フ ィル タ を 用 い た 周波 数 精 密 制 御 法 の 提 案

第5章 エ タ ロ ン フ ィル タ を用 い た

周 波数精密制御 法 の提案

5.1.エ タ ロ ン と は

エ タ ロ ン フ ィ ル タ と は,周 期 的 な 透 過 ピー ク を も っ た 半 値 半 幅 の 鋭 い 透 過 波 形 が 得 ら れ る 特 徴 が あ り ま す.バ ン ドパ ス フ ィ ル タ の 一 種 で す.こ の 特 性 を 活 か し,光 通 信 用 半 導 体

レ ー ザ の 波 長 モ ニ タ ー な ど に 用 い られ ま す.

エ タ ロ ン の 性 能 を 表 す 指 標 と し て,FSRとFinessが あ りま す .FSRは エ タ ロ ン 透 過 波 形 に お け る透 過 ピ ー ク 間 の 距 離 を 表 す 指 標,Finessは エ タ ロ ン 透 過 波 形 に お け る 透 過 ピ ー ク の 鋭 さ を 表 す 指 標 で あ る.そ れ ぞ れ 以 下 の 式 で 表 す こ と が で き る.

●FSR(FreeSpectralRange)

ミ ラ ー 問 距 離dに 依 存 す る

共振器波数間隔

ご

FSR=i扁 …(5・1)

n:屈 折 率,o:光 速,d:ミ ラ ー 間 距 離

●Finess(フ ィ ネ ス) 反 射 率Rに 依 存 す る

通過 帯 域 の鋭 さ

π〉展

...(5.2)Finess=1

‑R

R:反 射 率

エ タ ロ ンの 透 過 率 は以 下 の 式 で 表 され ます.

1

...(5.3)T=

・+(4R1 ‑R)・si・(ZZtliu1d… θ)

100

80

60

§ 唄40

20

0

1548,0 1548,51549.01549,51550,01550.51551.01551.51552.0 波 長(nm)

Fig.5.1エ タ ロ ン の 透 過 波 形[XX】

入射光一

屈 折 率:η

一 →

ミラー反射率=R

Fig.5.2エ タ ロ ン フ ィ ル タ の ミ ラ ー と 入 射 光 の 関 係

第5章 エ タ ロ ン フ ィル タ を用 いた 周 波 数精 密制 御 法 の提 案

飛 ＼b軸

ぐよ1「」附

、 /

一

だ

Fig.5.エ タ ロ ン フ ィ ル タ の 外 観

5.2.エ タ ロ ン 透 過 ピ ー ク を 利 用 し た テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 制 御

と問題 点

テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 を0.5GHz刻 み で 制 御 す る 手 法 が 提 案 され て い る.Fig.5.2.1に エ タ ロ ン透 過 特 性 と テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 の 関 係 図,Fig.5.2.2に0。5GHzの 周 波 数 分 解 能 で 測 定 し た 水 蒸 気 ス ペ ク トル を 示 す.こ の 制 御 方 法 は エ タ ロ ン の 透 過 ピ ー ク に 同 調 させ た 周 波 数 を 制 御 す る も の で あ る.水 蒸 気 ス ペ ク トル の 形 状 が あ る 程 度 測 定 で き て い る が,本 研 究 の 目標 性 能 を 満 た す た め の テ ラヘ ル ツ 周 波 数 分 解 能25MHzを 実 現 す る こ と が で き な い[XX】.

そ こ で次 章 で は,エ タ ロ ン の透 過 ピー クだ けで は な く,エ タ ロ ン透 過 の傾 き部 分 も利 用 す る こ とで 連 続 的 に絶 対周 波 数 で テ ラヘル ツ波 を制 御 す る新 た な方 法 を提 案 す る.

09

OB

'654▼鳳UOOO透過率

03

02

01

軌 一一

fl

一 .5GH2

・1

∫

殴 ノ_{馬 一一9}

Lノ

● ●

L

吻、 一 一

f2f3周 波数

Fig.5.2.1エ タ ロ ン の 透 過 ピー ク を 用 い た テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 制 御 法 に お け る DFBレ ー ザ 周 波 数 とエ タ ロ ン 透 過 特 性 の 関 係 図

第5章 エ タ ロ ン フ ィル タ を 用 い た 周波 数 精 密 制 御 法 の 提 案

㎜10 1

︻紹§.O﹂・5︼﹄婁￡

0.552 0.556 0.560 0.564

Frequency【THz]

Fig.5.22テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 分 解 能o.5GHzで 得 られ た 水 蒸 気 透 過 率 分 布

5.3.エ タ ロ ン の 透 過 ピ ー ク お よび 透 過 特 性 の 傾 き部 分 を

利 用 した テ ラヘ ル ツ周 波 数 制 御

テ ラヘ ル ツ 周 波 数 制 御 装 概 の ブ ロ ッ ク 図 をFig.5.3.1に,2つ の レ ー ザ の 差 周 波 と エ タ ロ ン 透 過 率 の 関 係 をFig.5.32に 示 す,

本 研 究 で は,テ ラ ヘ ル ツ 波 は2つ のDFBレ ー ザ の 差 周 波 に よ っ て 決 定 さ れ る が,2つ の DFBレ ー ザ を そ れ ぞ れ 独 立 に 制 御 す る こ と は 困 難 で あ る.そ こ で1つ の エ タ ロ ン フ ィル タ を 用 い て,2つ のDFBレ ー ザ に お い て 一 方 の 周 波 数 を エ タ ロ ン の 透 過 ピ ー ク に,も う一 方 のDFBレ ー ザ 周 波 数 を エ タ ロ ン の 傾 き 部 分 に そ れ ぞ れ 同 調 す る.工 タ ロ ン の 透 過 ピー ク に 固 定 して い る レ ー ザ 周 波 数 は 固 定 し,エ タ ロ ン透 過 の 傾 き 部 分 に 同 調 さ せ て い る レー ザ 周 波 数 を 制 御 す る.エ タ ロ ン 透 過 の 傾 き 部 分 の 透 過 率 が わ か れ ば,そ の 周 期 性 か ら2つ の レ

ー ザ 周 波 数 差 を 正 確 に 求 め る こ と が で き る .

ま た,本 研 究 で の 気 圧 不 動 点 お よ び 吸 収 ピー クの透 過 率 を 測 定 す る た め に は,気 圧 不動 点 と吸 収 ピー ク をエ タ ロン傾 き部 分 に 同調 させ る 必要 が あ る.

この 提 案 手 法 で は差 周 波 が わ かれ ば い い た め,DFBレ ー ザ 自身 の発 振 周 波 数 は未 知 で も 構 わ な い とい う利 点 が あ る.

Fig.5.3.1テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 制 御 の ブ ロ ッ ク 図

第5章 エ タ ロ ン フ ィル タ を 用 い た周 波 数 精 密 制御 法 の提 案

曾

09

08周 波 数 制91に 馳 ・る

エ タ ロ ン,過 捧

07

透 。・

過 。,ア ツ ル ツ 波

率 。4‑・'一 ・一 ・・‑

e3

02

01

Ω

周波数制御 周波数 周波数固定

Fig.5.3.22つ の レー ザ 周 波 数 とエ タ ロ ン 透 過 特 性 の 関 係 図

第6章 数値 分析

6.1.必 要 な エ タ ロ ン 性 能 の 検 討

エ タ ロ ン透 過 率 は式(5 .3)から ミラーの反射率,ミ ラー 間距離,光 の入射角度,屈 折率 に 依 存 して い る こ とが わ か っ て い る.エ タ ロ ン透 過 率 変 化 は 読 み 取 りや す い 透 過 波 形 の 線 形 な 部 分 が 透 過 率30〜90%部 分 で あ る と し,水 蒸 気 スペ ク トル の気 圧 不 動 点 と吸 収 ピー ク間 が この 傾 き 部 分 に相 当 す る よ うな エ タ ロ ンの性 能 を計 算 に よ り求 め た.計 算 に 用 い た アル ゴ リズ ム は 付 録 ① に掲 載 して い る.

ミ ラ ー 透 過 率60%,エ ア ギ ャ ッ プ 間 隔5.Omm,入 射 角0。 と し た エ タ ロ ン の 透 過 特 性 を 計 算 した 結 果 をFig.6.1.1に 示 す.

ギ ャ ッ プ 問 の 温 度 変 化(屈 折 率 変 化)に よ る透 過 特 性 の 変 動 が0.265G且z1℃ で あ る こ と が 分 か っ た.ギ ャ ップ 間 の 温 度 揺 ら ぎ1.OoCに よ る エ タ ロ ン透 過 特 性 の0.265GHzの 変 動 は, 水 蒸 気 ス ペ ク トル か ら 求 め る 温 度 誤 差0.1℃ に す る た め の テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 分 解 能25MHz

に 換 算 す る と,

0.025[GHz】

orO.094[。C]

0.265[GHz/OC】

よ っ て,テ ラヘ ル ツ 周 波 数 分 解 能25MHzに 対 す る エ タ ロ ン 透 過 特 性 の 温 度 揺 ら ぎ0.09℃

と な る.よ っ て,温 度 セ ン サ ー と し て0.1℃ 分 解 能 を 実 現 す る た め に は,ギ ャ ッ プ 問 温 度 を 0.09℃ 程 度 で 制 御 す る 必 要 が あ る.

こ こ で,大 気 屈 折 率 の 温 度,気 圧,湿 度 依 存 性 に つ い て 文 献[10】 よ り以 下 の こ と が わ か っ て い る.

●●●

大 気 屈 折 率 は 大 体1.000270(真 空 は1.0)と して, 温 度1℃ で 約 ・1ppm

気 圧1hPaで 約0.3ppm 湿 度10%で 約 ・0.1ppm

変 化 す る こ とが わ か っ て い る.

第6章 エ タ ロ ン フ ィル タ を用 い た周 波 数 精 密 制御 の評 価

温 度1℃ の 屈 折 率 変 化 は,気 圧 に変 換 す る と

一1ppm

l^O.3Pρm 1‑3・33…

っ ま り,3.3hPaの 気 圧 変 化 に よ る屈 折 率 変化 が温 度1℃ 変 化 に対 す る屈 折 率 変 化 に相 当 す る.

エ タ ロ ン 透 過 特 性 の ギ ャ ッ プ 問 温 度 変 化 を0.09℃ に 抑 え る 必 要 が あ る こ と か ら,

0.09×3.3=0.297[hPa]

同 様 に して,湿 度10%変 化 に対 す る屈 折 率 変 化 と温度1℃ に対 す る屈 折 率 変化 の 関 係 を調 べ る と,湿度100%変 化 に よ る 屈折 率変 化 が.温 度1℃ 変 化 に対 す る屈 折 率 変 化 に 相 当す る.

よ っ て,

0.09×100=9[%】

以 上 の こ と か ら,温 度 を0.09℃ で 制 御 す る こ と に 加 え て,気 圧 変 化 を0.297hPa,湿 度 変 化 を9%で 抑 え る 必 要 が あ る.室 内 で の 気 圧 変 化 の 原 因 に エ ア コ ン が 挙 げ られ る が,0.29hPa も 変 化 す る こ と は 考 え に く い,一 方,湿 度 変 化 に 対 して だ が,エ ア コ ン や 加 湿 器 の 影 響 を 受 け る こ と が 考 え られ る.な の で,エ タ ロ ン 透 過 特 性 を 利 用 す る 際 は,湿 度 変 化 を9%で 抑 え られ る よ う に す る 必 要 が あ る.解 決 策 の 一 つ と して,エ タ ロ ン を 密 閉 容 器 で 覆 う とい う 方 法 が あ る.こ れ に よ り,気 圧 変 化,湿 度 変 化,さ ら に は 温 度 変 化 に よ る影 響 は な い も の

とす る こ と が で き る.

【■ タロン の 周 波 数 特 性 】Finess=4.4429反 射 串=O.5.d=O.OO36376[司.デ ー タ 敗=100000 1

09

0,8

0.7

§06 釜05塗

ト04

0.3

02

0.1

193.1819320 193221932419326193281933193.32 Frequencyl=THz】

Fig.6.1.1エ タ ロ ン 透 過 特 性

第6章 エ タ ロ ン フ ィル タ を 用 い た周 波 数 精 密 制御 の 評価

6.2.設 計 した エ タ ロ ン の 性 能 評 価

実 際 に 前 述 の 仕 様 を 参 考 に エ タ ロ ン フ ィ ル タ を 製 作 し,波 長1550nmのDFBレ ー ザ を 周 波 数 掃 引 す る こ と で エ タ ロ ン 透 過 特 性 を 測 定 し た.結 果 をFig.6.2.1に 示 す.エ タ ロ ン透 過 率30〜90%部 分 の 傾 き 部 分 は7.8G且zの 周 波 数 帯 域 が あ る.よ っ て,1GHzあ た りの 透 過 率 変 化 は,

130‑901[%】

==7.7[%/GHz】

7.8[GHz】

よ っ て,テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 分 解 能25MHzを 得 る た め に は, 7.7[%/GHz]×0.025[GHz】=0.194̲zO.19[%】

っ ま り,0.19%の エ タ ロ ン 透 過 変 化 が 測 定 で き れ ば,テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 分 解 能25MHzで 制 御 可 能 で あ る と い う結 果 が 得 られ た.0.19%の 透 過 率 変 化 は 汎 用 の 光 検 出 器 で 十 分 測 定 可 能 で あ る.例 え ば,エ タ ロ ン 透 過 率100%がDFBレ ー ザ 出 力2Vに 相 当 す る 場 合,

2[V】 ×0.19[%】=3,8[mV】

本 研 究 で エ タ ロ ン透 過 率 測 定 に用 いた16bitAD変 換 器 の分 解 能 は

嬰=・ ・・…3[V】 一 …3岡

よ っ て,エ タ ロ ン 透 過 率0.19%を 測 定 す る こ と は 可 能 で あ る.

以 上 の こ と よ り,こ の 制 作 した エ タ ロ ン透 過 率 の傾 き 部 分 に 同調 させ た 周 波 数 制 御 に よ っ て,気 圧 不 動 点 と吸 収 ピー クに 同調 した テ ラヘ ル ツ周 波 数 を25MHzの 分 解 能 で制 御 す る こ とが 可能 で あ る こ とを 明 らか に した.

100 90 80

竃70

16・

{5・ 一

§40

葭 30 20 10 0

‑50‑40‑30‑20‑1001020

0ffsetFrequen￠y[GHz】

Fig.6.2,1制 作 し た エ タ ロ ン の 透 過 特 性

ノ 、

(42GHz( ^{〈i> 7.8GHz〈}

1＼1、

1.1 、 1、

1.1 、 11

匪 、1

1.1 ^、

、

1 ノ

、1 、 1

、/

1

＼/

,＼)∠ )

1 111[ 1」II

30 40 50

第6章 エ タ ロ ン フ ィル タ を用 い た 周 波 数精 密 制御 の評 価

6.3.DFBレ ー ザ 周 波 数 の 安 定 評 価

エ タ ロ ン透 過 率50%に 波 長1550nmのDFBレ ー ザ 周 波 数 をLD電 流 とLD温 度 を 長 性 し て 同 調 さ せ,フ ォ トダ イ オ ー ドで 受 光 した エ タ ロ ン 透 過 強 度 を16bitAD変 換 器 で300秒 間 を 取 得 した.計 測 の 間,LD電 流 とLD温 度 は 設 定 値 の ま ま で,計 測 の タ イ ミ ン グ は レ ー ザ を 約30秒 出 力 させ た 後 行 っ て い る.DFBレ ー ザ 発 振 直 後 は 機 器 の 温度 条 件 等 安 定 させ る た め の 時 間 を 十 分 確 保 す る た め で あ る.AD変 換 器 の ア ナ ロ グ 入 力 範 囲 は0.0〜2.OV(分 解 能0.03mV)で 、O.OVが エ タ ロ ン 透 過 率0.0%に,1.85Vが 透 過 率100%に 相 当 す る。 取 得 した フ ォ トダ イ オ ー ド出 力 をFig.6.3.1に 示 す.Fig.6.3.1よ り,フ ォ トダ イ オ ー ド出 力 の 平 均 値 は0.9997Vで あ っ た,

0.9997Vを 周 波 数 誤 差0と して,測 定 し た エ タ ロ ン 透 過 強 度 か ら レ ー ザ 周 波 数 変 動 分 に 変 換 した 結 果 をFig.6.32に 示 す.

Fig.6.3.2よ り,周 波 数 変 動 分 の 揺 ら ぎ は 約 ±2MHzで あ っ た.こ れ は,設 計 し た エ タ ロ ン 透 過 率 の 揺 ら ぎ ±0.015%に 相 当 す る.よ っ て,要 求 精 度0.025GHz(25MHz)を 下 回 る 精 度 で 周 波 数 測 定 で き た,

DFBレ ー ザ の 発 振 周 波 数 は 長 時 問 発 振 す る と,機 器 の 温 度 条 件 な ど が 変 わ る た め,時 間 と と も に 周 波 数 が ず れ て し ま うが,フ ィ ー ドバ ッ ク 制 御 に よ る 温 度,電 流 制 御 に よ っ て 周 波 数 を 安 定 さ せ る こ と が で き る.な の で,フ ィ ー ドバ ッ ク 機 構 に つ い て も 制 作 す る 必 要 が あ る.

1.001

10008

10006

1.0004

10002

Σ

§1

2

09998

09996

09994

09992

0999 0

約30秒 後 ②xlsx

一1‑‑u鐸f1'ir

蔓,̲,‑r‑一 一一 整9i∴‑rrir‑ll;P̲… 一一'‑rr̲r‑…rl ・・r目 「'▼ 罪li'w等 ^{'燭 「} i珊

Lw・nnl旧

16‑・L・ 」h酬 塁IAIi,ti'}塵 ・曲 艦 ・ ・h・

'1"…'11ド

ll・ 甲'■ 「1「

㌃・1.k.'i己 ∴

50100150200250

時 間[sj

Fig.6.3.1エ タ ロ ン 透 過300sのPD出 力

300

第6章 エ タ ロ ン フ ィル タ を用 い た 周 波 数精 密 制 御 の評 価

4

3

1舳 」 、}L」[L闘1.1、1」 止̲,  1、翫L,

2牙 鮒i「 可II岬 門li[WII糊lilnl  ・1117w門GII,,1,11・T…IT'1】11

.ll旧 …・

ーハU‑・

﹃=Σ]綱踏嶽瑛踵

一2

一3

一4 0

L・撫1川 ・紳IIIII⊥'1しil幽 晶 鱒Lqii∵ 晦 伽 咀i・.・組

甲1目111r咀1

「JO 100 150

時 間[s]

290 25e 300

Fig.6.3.21550nmLDの 周 波 数 誤 差

第7章 ま と め ・今 後 の 課 題

本 研 究 の 目 的 は,非 接 触 ・透 過 型 テ ラ ヘ ル ツ 波 式 温 度 ・圧 力 セ ン サ ー の 開 発 で あ る.そ して 湿 度20%で は 光 路 長0.4mの 時 が 温 度 依 存 性1,101・K,気 圧 依 存 性4%ノhPaと な り,O.1℃

お よ び0.76hPaの 測 定 を 実 現 す る た め に,テ ラヘ ル ツ 波 の 周 波 数 分 解 能 は025MHzが 要 求 され る こ とが わ か っ た,

テ ラ ヘ ル ツ 波 は,波 長 の 異 な る2つ のDFBレ ー ザ の 差 周 波 か ら 生 成 さ れ る.そ こ で,1 つ の エ タ ロ ン を 透 過 す る2つ のDFBレ ー ザ の 透 過 強 度 の 関 係 か ら差 周 波 数 つ ま りテ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 の 絶 対 値 を 決 定 す る 新 た な 機 構 を 開 発 し た.そ の 結 果,要 求 制 度 を 上 回 る 精 度 で テ ラ ヘ ル ツ 波 周 波 数 を 制 御 す る 目 処 が っ い た.ま た,光 路 長0.4〜1mま で は 温度 依 存 性 は ほ ぼ 変 わ ら な い.な の で,光 路 長 に つ い て は1mま で 測 定 可 能 で あ る.

今 後,セ ン サ ー と し て の 温 度 ・気 圧 測 定 方 法 と し て 実 現 す る に は,以 下 の 項 目 に つ い て 議 論 す る こ と が 必 要 で あ る.

● 開 発 した テ ラヘ ル ツ波 周 波 数 制 御機 構 を 用 い た水 蒸 気 透 過 率 の 温 度 ・気 圧 依 存 性 に つ い て

テ ラヘ ル ツ周 波 数 精 密 制 御 法 に よっ て テ ラヘ ル ツ帯 水 蒸 気 スペ ク トル の 温 度 お よ び 気 圧 依 存 性 を 測 定 し,温 度 お よび 気 圧 の 算 出 が 可 能 で あ るか 評 価 をす る必 要 が あ る.

本研 究 で は,DFBレ ー ザ周 波 数 制御 の機 構 に 注 目 した が,テ ラヘ ル ツ ア ン テ ナや ア ン プ の 制御 につ い て も検 討す る必 要 が あ る可能 性 が あ る,

●DFBレ ー ザ 周 波 数 を長 時 間安 定 させ るた め の フ ィー ドバ ック機 構

本 研 究 の テ ラ ヘ ル ツ 周 波 数 制 御 法 で は,一 方 のDFBレ ー ザ 周 波 数 は 固 定 す る.し か し,DFBレ ー ザ を 長 時 間 発 振 す る と,DFBレ ー ザ の 温 度 条 件 等 が 変 化 し周 波 数 が 安 定 し な い.周 波 数 を よ り安 定 さ せ る た め に は フ ィー ドバ ッ ク 機 構 に よ る 制 御 が 必 要 で あ る.

● 様 々 な条 件 下 に 対 す る吸 収 スペ ク トル の温 度 依 存 性

水 蒸 気 透 過 率 は 式(3.1)よ り,lm3中 に 存 在 す る 水 蒸 気 量 に よ っ て 影 響 す る,本 研 究 の 透 過 率 の 計 算 で は,湿 度20%で の 水 蒸 気 量[個/m3】 と仮 定 し て 透 過 率 を 計 算 し た が,光 路 長 に よ っ て 温 度 依 存 性 が 変 化 して い る こ と か ら,湿 度 に 対 す る影 響 も あ る と考 え ら

第7章 ま とめ ・今 後 の課 題

31加9 ﹃加9

欝

卜隅度湿

飽 和 水 蒸 気 量 は 温 度 に 依 存 して い る.水 蒸 気 量 は 湿 度 と飽 和 水 蒸 気 量 に よっ て 決 ま る.っ ま り,水 蒸 気 量 も温 度 に依 存 して い る.な の で,湿 度 に よ る影 響 も議 論 す るべ き で あ る.ま たFig.4.3.2よ り,高 温,低 温 の場 合 に よっ て気 圧 依存 性 の 変 化 に違 いが 見 られ た の で,観 測 条 件 に合 わ せ て温 度 気 圧 測 定 に 用 い る スペ ク トル を選 ぶ こ と も必 要 で あ る.テ ラヘ ル ツ 温 度 気 圧 セ ン サー で は,高 温,低 温,高 圧,低 圧 な ど様 々 な条 件 下 で の 測 定 が 想 定 され るの で,測 定対 象 の 条件 に応 じて,適 切 な 吸 収 スペ ク トル の 選 定 が 今 後 の 課 題 で あ る.

研 究 の 反 省 と して,エ タ ロ ン透 過 特 性 は式(5.3)よ り,エ ア ギ ャ ップ 間 隔,反 射 率 に よ っ て 変化 す る の で,設 計 した エ タ ロン透 過 特性 と制 作 した エ タ ロン透 過 特 性 の誤 差 を 少 な く す る た め に制 作 した エ タ ロ ンの構 成 は正 確 に把 握 して お く必 要 が あ った.

研 究 の 応 用 と して は,テ ラヘ ル ツ 温度 ・気 圧 セ ン サ ー に 距 離 分 解 能 を持 た せ る こ とで, テ ラヘ ル ツ波 が 透 過 で き る観 測物 な らば,温 度 お よび 圧 力 分 布 を3次 元 的 に測 定 で き る よ

うに な る.こ れ は,光 が使 え な い場 合 に あ る物 体 の 内 部 温 度 分 布 や 圧 力 分 布 を測 定 した い 場 面,例 を挙 げ る と,製 造 ライ ンな どで の活 躍 が 期 待 で き る.

謝辞

本 研 究 を進 め る に あ た り,指 導 教 員 の 柴 田泰 邦 准 教 授 か ら熱 心 な ご指 導 を 賜 りま した.

こ こ に感 謝 の意 を 表 しま す.

そ して,柴 田研 究 室 の 大 学 院 生,学 部 生 と して共 に研 究 に取 り組 ん で き た 同 輩,後 輩 に 感 謝 します.

参考文献

参考 文献

[1】.谷 正 彦 「テ ラ ヘ ル ツ 電 磁 波 の 発 生 ・検 出 と そ の 応 用 」 [2].小 川 雄 一 「食 品 検 査 へ の テ ラ ヘ ル ツ 波 の 応 用 」 [3】.AndriyDanylov,"THzLaboratoryMeasurementsofAtmosphericAbsorption

Between6%and52%RelativeHumidity,"Submillimeter'WaveTechnology LaboratoryUniversityofMassachusettsLoweU,175CabotStreet,Suite130, Lowell,MAO1854,http:〃stl.uml.edu,September2006

[4].深 澤 良 一,分 析 ・セ ン シ ン グ の た め の テ ラ ヘ ル ツ 波 技 術,日 刊 工 業 新 聞 者,2013 [5】.小 宮 山 他 日 本 機 械 学 会 論 文 集(B編)68巻666号(2002・2)

[6】.駒 井,柴 田,第62回 応 用 物 理 学 会 春 季 学 術 講 演 会,No.11p・P3・12,2015.

[7].駒 井,柴 田,第33回 レ ー ザ セ ン シ ン グ シ ン ポ ジ ウ ム,p44‑p45,2015.

[8】.飯 塚 他,第62回 応 用 物 理 学 会 春 …季 学 術 講 演 会,11p・P3・17,2015.

[9】.株 式 会 社 第 一 計 測 器 製 作 所,圧 力 測 定 の 基 礎,2.圧 力 の 測 定 方 法 htt:〃www.daiichikeiki.co.'1ressurelressureO2.html

[10】.寺 田 聡 一,産 業 技 術 総 合 研 究 所,測 距 技 術 ・2波 長 干 渉 計 に よ る 歪 計 測 一 http:〃www.icrr.u・tokyo.ac.jp1〜telada!Chikyubuturi2005!DistanceMeasurements.pd

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