JPH0954159A

JPH0954159A - レーザドップラー速度計

Info

Publication number: JPH0954159A
Application number: JP7210662A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nakayama; 徹生中山; Yoshio Ohashi; 芳雄大橋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-08-18
Filing date: 1995-08-18
Publication date: 1997-02-25
Anticipated expiration: 2015-08-18
Also published as: JP3605894B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のレーザドップラー速度計は、光学部品
の個数が多いため、低価格、小型化を実現することは困
難であった。【解決手段】レーザ光源から出射されたレーザビーム
Ｌ₀を入力端３ａから一対の出力端３ｃ及び３ｄに導波
させるＹ字分岐型光導波路３を形成してなる光導波路素
子２と、Ｙ字分岐型光導波路３の一方の出力端３ｃから
のレーザビームＬ₁を物体９に照射すると共に、その反
射レーザビームＬ₃と他方の出力端３ｄからのレーザビ
ームＬ₂とを干渉させる光学系５と、この光学系５で干
渉させられたレーザビームから周波数差を検出する光検
出器１２とを備えて成る。光検出器１２は、周波数差を
電気信号に変換してから復調器１３に供給する。復調器
１３は、上記電気信号を復調し、復調速度信号Ｓ₀を出
力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動している物体
にレーザビームを当て、ドップラー効果により変化した
上記レーザビームの周波数に応じて上記物体の速度を測
定するレーザドップラー速度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】振動している被測定物のもつ速度を測定
する装置としては、ドップラ効果を応用したドップラー
速度計が使われてきた。振動現象を含めて動くものすべ
てには、必ず速度がある。このため速度をもった物体に
一定の周波数をもった音や光を当てると、測定媒体のも
つ周波数が変化する。これはドップラーシフトと呼ば
れ、この周波数のシフト分から相手の速度を割り出すこ
とができる。

【０００３】ドップラー速度計のうち、単一の波をもっ
た光であるレーザビームを使用して物体の微小な振動の
速度を測定するのがレーザドップラー速度計である。す
なわち、レーザドップラー速度計は、振動している物体
にレーザビームを照射し、ドップラー現象により変化し
た周波数を利用して振動している物体の速度を測定す
る。このレーザドップラー速度計では、物体の振動現象
の方向性も検出するために光を変調する必要がある。

【０００４】図８にレーザドップラー速度計３０の概略
構成をレーザビームの波形と共に示す。先ず、極めて高
い周波数を持つレーザビームＬ₀は、偏向ビームスプリ
ッタ（ＰＢＳ）３１により２方向に分けられる。その内
の一つは、ＰＢＳ３２と、１／４波長板３３を透過し
て、被測定物である振動物体３４に照射される。振動物
体３４で反射した戻り光Ｌ₁は、ドップラー効果によ
り、振動物体３４の速度に比例した周波数偏移を受けて
いる。戻り光Ｌ₁は再び１／４波長板３３を通過し、Ｐ
ＢＳ３２に入射する。ここで、戻り光Ｌ₁は１／４波長
板３３により偏光方向が９０゜回転されているので、Ｐ
ＢＳ３２により反射される。

【０００５】ＰＢＳ３１で２つに分けられた他方は、変
調部３５により変調を受けて、変調レーザビームＬ₂と
なり、ＰＢＳ３６に入射する。変調レーザビームＬ₂と
ミラー３７で反射された上記戻り光Ｌ₁は、偏光板３８
を通過して、同じ偏光成分が干渉し、ビート信号Ｌ₃が
発生する。このビート信号Ｌ₃を例えばフォトディテク
タのような光検出器３９で検出して電気信号に変換して
から、復調器４０で復調し、復調速度信号Ｓ₀を得る。

【０００６】このレーザドップラー速度計３０は、変調
部３５として、光波が伝搬する媒質内に弾性波である音
響波を用いて歪を発生させ、その歪により生じた屈折率
変化を利用して光を変調する音響光学変調器を用いたバ
ルク型波長変換素子を用いている。

【０００７】このレーザドップラー速度計３０の動作原
理を説明する。レーザ光源より出射された周波数ｆ₀の
レーザビームＬ₀は、ＰＢＳ３１を介して振動物体３４
への入射ビーム系と、機器内部で戻される参照ビーム系
の２系統に分割される。入射ビーム系側に進んだレーザ
ビームＬ₀は、さらにＰＢＳ３２を介して振動物体３４
に照射され、振動物体３４の持つ速度に応じてドップラ
ーシフトを起こした戻り光Ｌ₁となり、１／４波長板３
３、ＰＢＳ３２を介してミラー３７に供給される。ここ
で、シフト周波数をｆ_Dとすると、ドップラーシフトは
ｆ₀±ｆ_Dとなる。一方、参照ビーム系側に進んだレーザ
ビームＬ₀は、レーザビームそのものの持つ周波数ｆ₀が
極めて高く直接測定が困難なことから、検出しやすいよ
うに変調部３５を介して周波数がｆ₀±ｆ_Mと変調され変
調レーザビームＬ₂となる。

【０００８】振動物体３４に当たって反射してきた戻り
光Ｌ₁は、ドップラーシフトを起こしているので、参照
光となる上記変調レーザビームＬ₂と干渉させると、ｆ_M
＋ｆ_Dのビート周波数のビート信号Ｌ₃が発生するため、
ドップラー周波数の正負すなわち往復運動である振動速
度と振動方向が判別できる。

【０００９】ビート信号Ｌ₃は、さらに光検出器３９で
ドップラーシフトした周波数分（ｆ_D）だけ取り出さ
れ、復調器４０でＦＭ復調されて振動物体の振動速度に
応じた電気信号とされた後、電圧出力として出力され
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記バルク
型波長変換素子は、音響光学変調器を用いているため高
価であり、小型化も困難であった。このため、上記レー
ザドップラー速度計３０は、高価であり、大型化してし
まっていた。

【００１１】そこで、結晶中に結晶よりも屈折率の大き
い光導波路を作製し、そのなかに光波を閉じこめ、該光
導波路近傍に形成された一対の金属薄膜電極からなる電
気光学変調器を用いて該光導波路に電界を印加し、屈折
率を変化させて光を変調する光導波路型波長変換素子
（以下、光導波路素子という。）を変調部３５に用いる
ことが考えられる。光導波路と一対の金属薄膜電極は、
フォトリソグラフィーにより作製できるため、安価で小
型化が可能なためである。

【００１２】しかし、それでも光学部品の個数が多いた
め、低価格、小型化を実現することは困難であった。

【００１３】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、光学部品を減少させ、低価格、小型化を実現で
きるレーザドップラー速度計の提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザドッ
プラー速度計は、上記課題を解決するために、レーザビ
ームを少なくとも一つの入力端から少なくとも一対の出
力端に導波させる分岐型光導波路の一方の出力端からの
レーザビームを物体に照射すると共に、その反射レーザ
ビームと他方の出力端からのレーザビームを干渉させ、
この干渉させられたレーザビームから周波数差を検出し
ている。

【００１５】ここで、上記光導波路素子は、上記分岐型
光導波路の分岐部から一方の出力端にかけての光導波路
の上記入力端から上記分岐部までの分岐前の光導波路部
分と平行な直線部分に、該直線部分の光導波路を挟み込
むように一対の金属電極を形成してなる。

【００１６】また、上記分岐型光導波路の分岐部上に金
属被覆部を形成してなることを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るレーザドップ
ラー速度計の実施の形態について図面を参照しながら説
明する。この実施の形態は、図１に示すように、振動し
ている物体８にレーザビームＬ₁を当て、ドップラー効
果により変化した上記レーザビームの周波数に応じて上
記物体９の速度を測定する図１に示すようなレーザドッ
プラー速度計１である。

【００１８】このレーザドップラー速度計１は、レーザ
光源から出射されたレーザビームＬ₀を入力端３ａから
一対の出力端３ｃ及び３ｄに導波させるＹ字分岐型光導
波路３を形成してなる光導波路素子２と、Ｙ字分岐型光
導波路３の一方の出力端３ｃからのレーザビームＬ₁を
物体９に照射すると共に、その反射レーザビームＬ₃と
他方の出力端３ｄからのレーザビームＬ₂とを干渉させ
る光学系５と、この光学系５で干渉させられたレーザビ
ームから周波数差を検出する光検出器１２とを備えて成
る。光検出器１２は、周波数差を電気信号に変換してか
ら復調器１３に供給する。復調器１３は、上記電気信号
を復調し、復調速度信号Ｓ₀を出力する。

【００１９】光学系５は、レンズ６と、偏光ビームスプ
リッタ（以下、ＰＢＳという。）７と、１／４波長板８
と、ミラー１０と、偏光板１１からなる。

【００２０】光導波路素子２は、図２に示すように、例
えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃、以下ＬＮとい
う。）よりなる結晶基板に例えばチタン（Ｔｉ）を熱拡
散して一つの入力端３ａと一対の出力端３ｃ及び３ｄを
持つＹ字分岐型光導波路３を形成し、このＹ字分岐型光
導波路３を挟み込むように結晶基板表面に例えば一対の
アルミニウム（Ａｌ）薄膜電極よりなる光変調器４を設
けてなる。

【００２１】ここで、上記光導波路素子２における光導
波路３の形成工程について図３を参照しながら説明す
る。先ず、図３の（ａ）に示す結晶基板２０上に液状レ
ジストをスピンコーディングし、熱乾燥させて図３の
（ｂ）に示すようにレジスト膜２１を形成する。このレ
ジスト膜２１に図３の（ｃ）に示すようにフォトマスク
２２を通して光Ｌを照射する。フォトマスク２２を通し
て光Ｌが照射されたレジスト膜２１を現像すると、図３
の（ｄ）に示すようなレジストパターンが得られる。こ
のレジストパターンの全面に蒸着法により図３の（ｅ）
に示すようにＴｉ膜２３を形成する。レジストパターン
の全面に形成されたＴｉ膜２３は、レジスト膜２１上の
Ｔｉ膜２３がリフトオフ法により剥離されることによ
り、図３の（ｆ）に示すようにＴｉパターン２３’とし
て所望の位置のみに残る。そして、最後にＴｉパターン
２３’を１０００℃以上の温度で数時間熱拡散すること
によりＴｉ拡散された光導波路３を形成することができ
る。

【００２２】次に、光変調器４の形成工程について図４
を参照しながら説明する。先ず、図４の（ａ）に示すよ
うにＹ字分岐型光導波路３が形成された結晶基板２０上
に液状レジストをスピンコーディングし、熱乾燥させて
図４の（ｂ）に示すようにレジスト膜２４を形成する。
このレジスト膜２４に図４の（ｃ）に示すようにフォト
マクス２５を通して光Ｌを照射する。フォトマスク２５
を通して光Ｌが照射されたレジスト膜２４を現像する
と、図４の（ｄ）に示すようなレジストパターンが得ら
れる。このレジストパターンの全面に蒸着法により図４
の（ｅ）に示すようにＡｌ膜２５を形成する。レジスト
パターンの全面に形成されたＡｌ膜２５は、レジスト膜
２４上のＡｌ膜２５がリフトオフ法により剥離されるこ
とにより、図４の（ｆ）に示すようにＡｌパターン２
５’として所望の位置のみに残る。ここでは、光導波路
３の一方（出力端３ｃ側）を挟み込むような位置にＡｌ
パターン２５’を残して光変調器４を形成している。す
なわち、一対のＡｌ薄膜電極よりなる光変調器４は、Ｙ
字分岐型光導波路３の分岐部３ｂから一方の出力端３ｃ
にかけての光導波路の入力端３ａから分岐部３ｂまでの
分岐前の光導波路部分と平行な直線部分に、該直線部分
の光導波路を挟み込むように形成されている。

【００２３】先ず、レーザ光源から出射された極めて高
い周波数を持つレーザビームＬ₀は、Ｙ字分岐型光導波
路３の入力端３ａから入射し、分岐部３ｂで分岐され、
一方の出力端３ｃ及び他方の出力端３ｄに導波される。
一方の出力端３ｃ側には、上述したような一対のＡｌ薄
膜電極よりなる光変調器４が形成されているので、出力
端子３ｃからは変調レーザビームＬ₁が出射される。他
方の出力端３ｄからは変調されないレーザビームＬ₂が
出射される。

【００２４】上記変調レーザビームＬ₁は、レンズ６、
ＰＢＳ７及び１／４波長板８を透過し、振動物体９に照
射される。振動物体９からの反射レーザビームＬ₃は、
ドップラー効果により、振動物体の速度に比例した周波
数偏移を受けている。この反射レーザビームＬ₃は、１
／４波長板８で偏光方向が９０゜回転されるので、ＰＢ
Ｓ７により反射される。

【００２５】上記レーザビームＬ₂は、レンズ６により
光路を曲げられ、ミラー１０で反射され、ＰＢＳ７を透
過する。

【００２６】偏光板１１を通過した上記反射レーザビー
ムＬ₃と上記レーザビームＬ₂は、同偏光成分が干渉す
る。そして、ビート信号Ｌ₄が発生する。このビート信
号Ｌ₄をフォトディテクタのような光検出器１２で検出
して電気信号に変換してから、復調器１３で復調し、復
調速度信号Ｓ₀を得ることができる。

【００２７】なお、ここでは、Ｙ字分岐型光導波路３の
一方の出力端３ｃから出力された変調レーザビームを被
測定物９に照射し、他方の出力端３ｄから出力されたレ
ーザビームをミラー１０を介して参照光としたが、レン
ズ６の機能を変え、変調レーザビームの光路を折り曲げ
てミラー１０に照射して参照光とし、出力端３ｄから出
力されたレーザビームを被測定物９に照射してもよい。

【００２８】以上より、本実施の形態となるレーザドッ
プラー速度計１は、レーザビームを少なくとも一つの入
力端３ａから少なくとも一対の出力端３ｃ及び３ｄに導
波させるＹ字分岐型光導波路３の一方の出力端３ｃから
のレーザビームを被測定物９に照射すると共に、その反
射レーザビームと他方の出力端３ｄからのレーザビーム
を干渉させ、この干渉させられたレーザビームから周波
数差を検出しているので、光学部品を減少させ、低価
格、小型化を実現できる。

【００２９】なお、上記実施の形態では、入力１チャン
ネル、出力２チャンネルのＹ字分岐型光導波路３を形成
した光導波路素子２を用いたが、光導波路素子として
は、入力チャンネル数及び出力チャンネル数を増やして
もよい。例えば、図５に１チャンネル入力で４チャンネ
ル出力の光導波路３１を形成した光導波路素子３０を示
す。入力端３１ａから入射したレーザビームは、分岐部
３１ｂで分岐され、さらに分岐部３１ｃ及び３１ｄで分
岐された後、出力端３１ｅ、３１ｆ、３１ｇ及び３１ｈ
から出力される。分岐部３１ｃと出力端３１ｅの間の光
導波路には、該光導波路を挟み込むように一対のＡｌ薄
膜電極からなる光変調器３２が形成されている。また、
分岐部３１ｄと出力端３１ｇの間の光導波路には、該光
導波路を挟み込むように一対のＡｌ薄膜電極からなる光
変調器３３が形成されている。この光導波路素子３０を
上述したようなレーザドップラー速度計に適用すれば、
二つの被測定物の速度を計測することが可能となる。

【００３０】ところで、上記レーザドップラー速度計１
では、光の干渉性を良くするために例えばＹ字分岐型光
導波路３に入射させるレーザビームを単一の偏光成分を
持つレーザビームとしている。光導波路素子２の場合、
用いているレーザビームの偏光成分は結晶基板の表面と
平行なＴＥモードとなる。したがって、結晶基板の厚さ
方向に偏光しているＴＭモードは不要光となる。このよ
うな不要光が存在するとそれらが干渉してしまい、不要
干渉光が発生する。不要干渉光はレーザドップラー速度
計１で復調する光に含まれるので、復調して得られる速
度信号を制限し、レーザドップラー速度計１の性能を劣
化させる。しかし、上述したようなＹ字分岐型光導波路
３では単一な偏光をもつ光を光導波路に入射しても出力
光には偏光が変わった不要光が含まれてしまう。例え
ば、ＴＥモードを入射した場合の直線導波路と分岐型光
導波路でのＴＥモードとＴＭモードの消光比の差は約１
０ｄＢ位になってしまう。

【００３１】そこで、本発明に係るレーザドップラー速
度計では、Ｙ字分岐型光導波路３上に金属被覆（金属ク
ラッディング）を形成し不要な偏光成分を持つ光を減衰
させるような図６に示す光導波路素子４０を用いてもよ
い。

【００３２】この光導波路素子４０は、例えばＬＮより
なる結晶基板に例えばＴｉを熱拡散して一つの入力端３
ａと一対の出力端３ｃ及び３ｄを持つＹ字分岐型光導波
路３を形成し、このＹ字分岐型光導波路３を挟み込むよ
うに結晶基板表面に例えば一対のＡｌ薄膜電極よりなる
光変調器４を設け、さらにＹ字分岐型光導波路３の分岐
部３ｂ上にＡｌよりなる金属クラッディング４１を装荷
している。

【００３３】一般に、光波長領域では、金属中における
電荷の慣性効果によって、金属は誘電率が負でかつ損失
の大きい誘電体としてふるまうので、光波は金属クラッ
ディング４１により伝搬損失を受ける。ＴＭモードはＴ
Ｅモードよりもより深く電磁界分布が金属中に浸透する
ので、より多く金属クラッディング４１の影響を受け、
伝搬損失が大きくなる。例えば、Ａｌの金属クラッディ
ング４１を装荷しない場合のＴＥモードとＴＭモードの
消光比は１２ｄＢ程度であるが、Ａｌの金属クラッディ
ング４１を装荷した場合の消光比は１７ｄＢ程度とな
り、Ａｌの金属クラッディング４１により不要な偏光成
分を持つ光を減衰できることが分かる。

【００３４】この金属クラッディング４１の形成工程に
ついて図７を参照しながら説明する。先ず、図７の
（ａ）に示すようにＹ字分岐型光導波路３が形成された
結晶基板２０上に液状レジストをスピンコーディング
し、熱乾燥させて図７の（ｂ）に示すようにレジスト膜
４２を形成する。このレジスト膜４２に図７の（ｃ）に
示すようにフォトマスス４３を通して光Ｌを照射する。
フォトマスク４３を通して光Ｌが照射されたレジスト膜
４２を現像すると、図７の（ｄ）に示すようなレジスト
パターンが得られる。このレジストパターンの全面に蒸
着法により図７の（ｅ）に示すようにＡｌ膜４４を形成
する。レジストパターンの全面に形成されたＡｌ膜４４
は、レジスト膜４２上のＡｌ膜４４がリフトオフ法によ
り剥離されることにより、図７の（ｆ）に示すようにＡ
ｌパターン４４’として所望の位置のみに残る。このＡ
ｌパターン４４’が金属クラッディング４１となる。な
お、この金属クラッディング４１は、Ａｌ以外に、Ｎ
ｉ、Ｃｕなどを用いて熱拡散してもよい。

【００３５】また、Ｙ字分岐型光導波路３は、Ｔｉを熱
拡散して形成したが、Ｎｉ、Ｃｕを熱拡散して形成して
もよい。

【００３６】また、熱拡散法によりＹ字分岐型光導波路
３を作製する以外にも、加熱した安息香酸溶液中にＬＮ
を浸してＬｉ＋→Ｈ＋の交換を起こし高屈折率層を形成
し光導波路を得るプロトン交換法や、イオン交換法やイ
オン注入法などを用いて光導波路を作製してもよい。

【００３７】また、結晶基板２０にＬＮを用いたが、Ｌ
Ｎ以外にリチウム酸タンタル（ＬｉＴａＯ₂）やＫＴｉ
ＯＰＯ₄を用いてもよい。

【００３８】また、光変調器４をＡｌで作製している
が、Ａｌ以外にＴｉ−ＡｕやＣｒ−Ａｕなどを用いて作
製してもよい。

【００３９】また、Ｙ字分岐型光導波路３、光変調器４
及び金属クラッディング４１の金属パターンの堆積を蒸
着法により作製しているが、蒸着法以外にスパッタリン
グ法を用いて作製してもよい。

【００４０】また、Ｙ字分岐型光導波路３、光変調器４
及び金属クラッディング４１の金属パターンの形成をリ
フトオフ法により作製しているが、リフトオフ法以外に
エッチング法を用いて作製してもよい。

【００４１】

【発明の効果】本発明に係るレーザドップラー速度計
は、レーザビームを少なくとも一つの入力端から少なく
とも一対の出力端に導波させる分岐型光導波路の一方の
出力端からのレーザビームを物体に照射すると共に、そ
の反射レーザビームと他方の出力端からのレーザビーム
を干渉させ、この干渉させた信号から周波数差を検出し
ているので光学部品を減少させ、低価格、小型化を実現
できる。

【００４２】また、分岐型光導波路の分岐部上に金属被
覆部を装荷することにより、光導波路素子の不要光を減
衰させることができ、レーザドップラー速度計の性能の
劣化を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザドップラー速度計の実施の
形態の概略構成図である。

【図２】上記実施の形態で使われる光導波路素子の模式
図である。

【図３】上記光導波路素子で使われるＹ字分岐型光導波
路の形成工程図である。

【図４】上記光導波路素子で使われる光変調器の形成工
程図である。

【図５】上記光導波路素子の変形例の模式図である。

【図６】金属クラッディングを形成した光導波路素子の
模式図である。

【図７】上記金属クラッディグの形成工程図である。

【図８】従来のレーザドップラー速度計の概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１レーザドップラー速度計２光導波路素子３Ｙ字分岐型光導波路４光変調器５光学系１２光検出器１３復調器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動している物体にレーザビームを当
て、ドップラー効果により変化した上記レーザビームの
周波数に応じて上記物体の速度を測定するレーザドップ
ラー速度計において、上記レーザビームを少なくとも一つの入力端から少なく
とも一対の出力端に導波させる分岐型光導波路を結晶基
板に形成してなる光導波路素子と、上記分岐型光導波路の一方の出力端からのレーザビーム
を上記物体に照射すると共に、その反射レーザビームと
他方の出力端からのレーザビームとを干渉させる光学系
と、上記光学系による干渉で得られた信号から周波数差を検
出する検出手段とを備えることを特徴とするレーザドッ
プラー速度計。
【請求項２】上記分岐型光導波路の分岐部から一方の
出力端にかけての光導波路の上記入力端から上記分岐部
までの分岐前の光導波路部分と平行な直線部分に、該直
線部分の光導波路を挟み込むように一対の金属電極を形
成してなる光導波路素子を備えることを特徴とする請求
項１記載のレーザドップラー速度計。
【請求項３】上記分岐型光導波路の分岐部上に金属被
覆部を形成してなることを特徴とする請求項１記載のレ
ーザドップラー速度計。