知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ 独立行政法人情報通信研究機構の特許一覧 ▶ 独立行政法人国立環境研究所の特許一覧
特開2024-116843固体パルスレーザー装置およびそれを用いたライダー装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024116843
(43)【公開日】2024-08-28
(54)【発明の名称】固体パルスレーザー装置およびそれを用いたライダー装置
(51)【国際特許分類】
H01S 3/117 20060101AFI20240821BHJP
H01S 3/00 20060101ALI20240821BHJP
G02F 1/01 20060101ALI20240821BHJP
G01N 21/49 20060101ALI20240821BHJP
G02F 1/37 20060101ALN20240821BHJP
【ＦＩ】
H01S3/117
H01S3/00 A
G02F1/01 B
G01N21/49 C
G02F1/37
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023022663
(22)【出願日】2023-02-16
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度 独立行政法人環境再生保全機構環境研究総合推進費「大気モニタリングネットワーク用低コスト高スペクトル分解ライダーの開発」による委託研究業務 産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】301022471
【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構
(71)【出願人】
【識別番号】501273886
【氏名又は名称】国立研究開発法人国立環境研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】青木 誠
(72)【発明者】
【氏名】神 慶孝
【テーマコード（参考）】
2G059
2K102
5F172
【Ｆターム（参考）】
2G059AA05
2G059BB02
2G059CC19
2G059EE02
2G059EE10
2G059GG01
2G059GG05
2G059GG08
2G059HH09
2G059JJ15
2G059JJ17
2G059JJ18
2G059KK01
2G059LL01
2G059NN05
2K102AA07
2K102AA08
2K102AA30
2K102AA32
2K102BA01
2K102BA18
2K102BB01
2K102BB02
2K102BC01
2K102BC02
2K102BC04
2K102BC06
2K102BC07
2K102BD09
2K102DA01
2K102DC07
2K102EA21
2K102EB02
2K102EB10
2K102EB16
2K102EB20
2K102EB22
2K102EB25
5F172AE03
5F172AF02
5F172EE13
5F172NQ09
5F172NQ25
5F172NR22
5F172ZA01
5F172ZA04
5F172ZZ04
(57)【要約】
【課題】短い共振器長と長い時間パルス幅との両立を図る固体パルスレーザー装置および安定して高い観測精度を示すライダー装置を提供する。
【解決手段】固体パルスレーザー装置２０の主発振器２１は、誘導放出光を発する固体レーザー媒質１と、固体レーザー媒質１を通るように誘導放出光を往復させる共振光路ＬＰを形成する共振器２と、共振光路ＬＰに配置され、光損失の大きい閉状態から光損失の小さい開状態への切替えによってレーザー発振を生じさせるＱスイッチ３と、切替えにおけるＱスイッチ３の光損失の遷移時間を長くすることによって、光損失が矩形波状に立ち下がるように変化する場合よりもレーザー発振の時間パルス幅を長くする制御部４と、を有する。
【選択図】図１
【解決手段】固体パルスレーザー装置２０の主発振器２１は、誘導放出光を発する固体レーザー媒質１と、固体レーザー媒質１を通るように誘導放出光を往復させる共振光路ＬＰを形成する共振器２と、共振光路ＬＰに配置され、光損失の大きい閉状態から光損失の小さい開状態への切替えによってレーザー発振を生じさせるＱスイッチ３と、切替えにおけるＱスイッチ３の光損失の遷移時間を長くすることによって、光損失が矩形波状に立ち下がるように変化する場合よりもレーザー発振の時間パルス幅を長くする制御部４と、を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
主発振器を備える固体パルスレーザー装置であって、
前記主発振器は、
誘導放出光を発する固体レーザー媒質と、
前記固体レーザー媒質を通るように前記誘導放出光を往復させる共振光路を形成する共振器と、
前記共振光路に配置され、光損失の大きい閉状態から光損失の小さい開状態への切替えによってレーザー発振を生じさせるＱスイッチと、
前記切替えにおける前記Ｑスイッチの光損失の遷移時間を長くすることによって、前記光損失が矩形波状に立ち下がるように変化する場合よりも前記レーザー発振の時間パルス幅を長くする制御部と、を有する固体パルスレーザー装置。
前記主発振器は、
誘導放出光を発する固体レーザー媒質と、
前記固体レーザー媒質を通るように前記誘導放出光を往復させる共振光路を形成する共振器と、
前記共振光路に配置され、光損失の大きい閉状態から光損失の小さい開状態への切替えによってレーザー発振を生じさせるＱスイッチと、
前記切替えにおける前記Ｑスイッチの光損失の遷移時間を長くすることによって、前記光損失が矩形波状に立ち下がるように変化する場合よりも前記レーザー発振の時間パルス幅を長くする制御部と、を有する固体パルスレーザー装置。
【請求項2】
前記Ｑスイッチは、所定の周波数及び振幅のＲＦ信号の入力で前記閉状態、前記ＲＦ信号の非入力で前記開状態となり、
前記制御部は、前記ＲＦ信号の振幅を制御することによって、前記切替えにおける前記光損失を指数関数的に減少させる請求項１に記載の固体パルスレーザー装置。
前記制御部は、前記ＲＦ信号の振幅を制御することによって、前記切替えにおける前記光損失を指数関数的に減少させる請求項１に記載の固体パルスレーザー装置。
【請求項3】
前記主発振器の出力光を増幅する増幅器をさらに備え、
前記時間パルス幅を保ちながら強度のピークを高くする請求項２に記載の固体パルスレーザー装置。
前記時間パルス幅を保ちながら強度のピークを高くする請求項２に記載の固体パルスレーザー装置。
【請求項4】
前記主発振器は、前記共振光路の片道の光学的距離である共振器長を調整する調整機構を有する請求項１から請求項３の何れか一項に記載の固体パルスレーザー装置。
【請求項5】
請求項４に記載の固体パルスレーザー装置を有し、その出力光を大気に照射する光送信部と、
前記大気から反射して戻ってきた散乱光を集光し、前記出力光の一部である参照光を前記散乱光に合流させて観測光とする受光部と、
前記観測光を分割して、前記固体パルスレーザー装置の共振器長の２倍に相当する光路差によって干渉させた干渉光を出力する分光部と、
前記干渉光を光電変換して受信信号を出力する光検出部と、
前記受信信号の前記参照光に係る信号から前記干渉光の干渉鮮明度を算出し、前記受信信号の前記散乱光に係る信号からミー散乱成分とレイリー散乱成分とを分離して抽出する信号処理部と、を備えるライダー装置。
前記大気から反射して戻ってきた散乱光を集光し、前記出力光の一部である参照光を前記散乱光に合流させて観測光とする受光部と、
前記観測光を分割して、前記固体パルスレーザー装置の共振器長の２倍に相当する光路差によって干渉させた干渉光を出力する分光部と、
前記干渉光を光電変換して受信信号を出力する光検出部と、
前記受信信号の前記参照光に係る信号から前記干渉光の干渉鮮明度を算出し、前記受信信号の前記散乱光に係る信号からミー散乱成分とレイリー散乱成分とを分離して抽出する信号処理部と、を備えるライダー装置。
【請求項6】
前記信号処理部は、前記干渉鮮明度が大きくなる方向である調整方向を示す調整信号を生成する信号生成部をさらに有し、
前記調整機構は、前記調整信号が入力されて、前記調整方向に前記共振器長を調整する請求項５に記載のライダー装置。
前記調整機構は、前記調整信号が入力されて、前記調整方向に前記共振器長を調整する請求項５に記載のライダー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体パルスレーザー装置およびそれを用いたライダー装置に関する。
【背景技術】
【0002】
大気微粒子（エアロゾル）は日傘効果や雲形成等を通じて地球の気候に影響を与える一方で、吸入ばく露を通じてヒトの健康にも影響を与えている。エアロゾルの構成は複雑で、黄砂や海塩粒子、ブラックカーボンやその他の大気汚染性粒子など多種にわたり、実大気中ではそれらが混在している。エアロゾルの構成を分類できる手法として、高スペクトル分解ライダー（ＨＳＲＬ：Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｌｉｄａｒ）が知られている。例えば特許文献１や非特許文献１には、マルチモードレーザーを用いるＨＳＲＬについて記載されている。ＨＳＲＬによれば、エアロゾルによるミー散乱光と大気構成分子によるレイリー散乱光とを分離して検出することで、エアロゾルに係る消散係数及び後方散乱係数を独立に求めることが可能である。なお、ライダーとは、測定対象となるターゲットにレーザー光を照射して、そのターゲットによって反射及び散乱されたレーザー光を観測し、その観測結果をもとに距離、速度、物性、温度等のターゲットに関する情報を取得する装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開第２０１６／２０８０１３号
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Y. Jin, et al., “Measurement method of high spectral resolution lidar with a multimode laser and a scanning Mach-Zehnder interferometer,” Appl. Opt. 56, 5990 (2017).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
マルチモードレーザーを用いるＨＳＲＬでは、マルチモードレーザーの縦モード間隔と同じ周波数間隔の透過率スペクトルを持つ干渉計を用いることが好ましい。これにより、全散乱信号からミー散乱とレイリー散乱の信号を精度良く分離することができる。しかし、非特許文献１のマルチモードレーザーは共振器長が長いため、干渉計の光路差が約１２０ｃｍと長くなっている。光路差が長い干渉計を使う場合、干渉縞の鮮明度が悪く、受信視野を狭くするため非効率的であり、安定性にも優れない。一方、共振器長を短くすると、マルチモードレーザーの時間パルス幅が狭くなり、周波数スペクトルが拡がるために、ミー散乱とレイリー散乱の信号を分離する際に、ミー散乱成分がレイリー散乱成分に混入して測定精度が悪くなってしまう。また、レーザーの時間パルス幅とパルスエネルギーには反比例の関係があり、高い干渉鮮明度を得るために時間パルス幅を長くすると、レーザーのパルスエネルギーが低くなり、観測の精度が悪くなってしまう。
【0006】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、短い共振器長と長い時間パルス幅との両立を図る固体パルスレーザー装置およびその固体パルスレーザー装置を用いた安定して高い観測精度を示すライダー装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
かかる課題を解決するために、本発明に係る固体パルスレーザー装置は、主発振器を備える固体パルスレーザー装置であって、前記主発振器は、誘導放出光を発する固体レーザー媒質と、前記固体レーザー媒質を通るように前記誘導放出光を往復させる共振光路を形成する共振器と、前記共振光路に配置され、光損失の大きい閉状態から光損失の小さい開状態への切替えによってレーザー発振を生じさせるＱスイッチと、前記切替えにおける前記Ｑスイッチの光損失の遷移時間を長くすることによって、前記光損失が矩形波状に立ち下がるように変化する場合よりも前記レーザー発振の時間パルス幅を長くする制御部と、を有する。
【0008】
また、本発明に係るライダー装置は、実施形態に係る固体パルスレーザー装置を有し、その出力光を大気に照射する光送信部と、前記大気から反射して戻ってきた散乱光を集光し、前記出力光の一部である参照光を前記散乱光に合流させて観測光とする受光部と、前記観測光を分割して、前記固体パルスレーザー装置の共振器長の２倍に相当する光路差によって干渉させた干渉光を出力する分光部と、前記干渉光を光電変換して受信信号を出力する光検出部と、前記受信信号の前記参照光に係る信号から前記干渉光の干渉鮮明度を算出し、前記受信信号の前記散乱光に係る信号からミー散乱成分とレイリー散乱成分とを分離して抽出する信号処理部と、を備える。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、短い共振器長と長い時間パルス幅との両立を図る固体パルスレーザー装置およびその固体パルスレーザー装置を用いた安定して高い観測精度を示すライダー装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】実施形態に係る固体パルスレーザー装置の概略を示すブロック図である。
【図2】実施形態に係る固体パルスレーザー装置の出力光のスペクトルを例示するグラフである。
【図3A】実施形態に係る固体パルスレーザー装置のＱスイッチの光損失の遷移を例示するグラフである。
【図3B】実施形態に係る固体パルスレーザー装置の主発振器の出力光のパルス波形を例示するグラフである。
【図4】制御部の構成の一例を示すブロック図である。
【図5】Ｑスイッチの光損失の減少に係る遷移時間と出力光のパルス幅との関係を例示するグラフである。
【図6】増幅器の出力光のパルスエネルギーとパルス幅との関係を例示するグラフである。
【図7】実施形態に係るライダー装置の概略を示すブロック図である。
【図8】実施形態に係るライダー装置における観測光の波形を例示するグラフである。
【図9】実施形態に係るライダー装置における散乱光のスペクトルを例示するグラフである。
【図10A】実施形態に係るライダー装置における参照光に係る干渉信号を例示するグラフである。
【図10B】実施形態に係るライダー装置の分光部における干渉鮮明度を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0011】
［固体パルスレーザー装置］
実施形態に係る固体パルスレーザー装置２０について、図面を参照しながら説明する。固体パルスレーザー装置２０は、等間隔に並ぶ複数の周波数で発振するマルチモード発振の主発振器出力増幅器（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＭＯＰＡ）方式の固体パルスレーザー装置である。図１に例示するように、固体パルスレーザー装置２０は、主発振器２１と、増幅器２２と、波長変換器２３と、を備えている。
実施形態に係る固体パルスレーザー装置２０について、図面を参照しながら説明する。固体パルスレーザー装置２０は、等間隔に並ぶ複数の周波数で発振するマルチモード発振の主発振器出力増幅器（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＭＯＰＡ）方式の固体パルスレーザー装置である。図１に例示するように、固体パルスレーザー装置２０は、主発振器２１と、増幅器２２と、波長変換器２３と、を備えている。
【0012】
（主発振器）
主発振器２１はレーザー発振を生成する装置である。主発振器２１は、レーザー発振を起こす共振光路ＬＰに光損失を挿入し、その光損失を急速に小さくすることで、エネルギーピークが連続発振よりも高いパルス状のレーザー光Ｌ１を出力する。主発振器２１は、固体レーザー媒質１と、共振器２と、Ｑスイッチ３と、制御部４と、を有している。
主発振器２１はレーザー発振を生成する装置である。主発振器２１は、レーザー発振を起こす共振光路ＬＰに光損失を挿入し、その光損失を急速に小さくすることで、エネルギーピークが連続発振よりも高いパルス状のレーザー光Ｌ１を出力する。主発振器２１は、固体レーザー媒質１と、共振器２と、Ｑスイッチ３と、制御部４と、を有している。
【0013】
（固体レーザー媒質）
固体レーザー媒質１は、励起光を照射されて誘導放出光を発する結晶体である。固体レーザー媒質１は、一例として、Ｎｄを添加したＹ３Ａｌ５Ｏ１２の結晶（以下、Ｎｄ：ＹＡＧと表記する）とすることができる。Ｎｄ：ＹＡＧの励起光ＬＥ１の波長は８０８ｎｍであり、レーザー光Ｌ１の基本波長は１０６４ｎｍである。
励起光ＬＥ１は、励起光源１６から発せられる。励起光源１６は、レーザーダイオード（ＬＤ）が好ましく、例えばキセノンランプを用いることもできる。
固体レーザー媒質１は、励起光を照射されて誘導放出光を発する結晶体である。固体レーザー媒質１は、一例として、Ｎｄを添加したＹ３Ａｌ５Ｏ１２の結晶（以下、Ｎｄ：ＹＡＧと表記する）とすることができる。Ｎｄ：ＹＡＧの励起光ＬＥ１の波長は８０８ｎｍであり、レーザー光Ｌ１の基本波長は１０６４ｎｍである。
励起光ＬＥ１は、励起光源１６から発せられる。励起光源１６は、レーザーダイオード（ＬＤ）が好ましく、例えばキセノンランプを用いることもできる。
【0014】
（共振器）
共振器２は、向かい合わせた反射鏡の間で光を往復させる装置である。共振器２は、固体レーザー媒質１を通るように誘導放出光を何度も往復させる共振光路ＬＰを形成する。励起光ＬＥ１が入力される側の反射鏡は第一反射鏡１１であり、共振光路ＬＰの光に対する全反射鏡である。レーザー光Ｌ１を出力する側の反射鏡は第二反射鏡１２であり、共振光路ＬＰの光の一部を透過して出力する部分反射鏡である。第二反射鏡１２の反射率は、８０％以上９５％以下とすることが好ましい。レーザー光Ｌ１のスペクトル幅を狭くするためには、第二反射鏡１２の反射率は高い方が有利である。一方、第二反射鏡１２の高い反射率は、レーザー光Ｌ１の強度の低下及び共振器２内の光学素子の損傷の原因となる場合がある。共振器２は、第二反射鏡１２の反射率を８０％以上９５％以下とすることで、高い出力光の強度と安定動作とを両立させることができる。
共振器２は、向かい合わせた反射鏡の間で光を往復させる装置である。共振器２は、固体レーザー媒質１を通るように誘導放出光を何度も往復させる共振光路ＬＰを形成する。励起光ＬＥ１が入力される側の反射鏡は第一反射鏡１１であり、共振光路ＬＰの光に対する全反射鏡である。レーザー光Ｌ１を出力する側の反射鏡は第二反射鏡１２であり、共振光路ＬＰの光の一部を透過して出力する部分反射鏡である。第二反射鏡１２の反射率は、８０％以上９５％以下とすることが好ましい。レーザー光Ｌ１のスペクトル幅を狭くするためには、第二反射鏡１２の反射率は高い方が有利である。一方、第二反射鏡１２の高い反射率は、レーザー光Ｌ１の強度の低下及び共振器２内の光学素子の損傷の原因となる場合がある。共振器２は、第二反射鏡１２の反射率を８０％以上９５％以下とすることで、高い出力光の強度と安定動作とを両立させることができる。
【0015】
共振器２はマルチモード発振を行う。図２に例示するように、主発振器２１の出力光のスペクトルは、周波数のピークが縦モード間隔Δｆ１で等間隔に並んでいる。なお、縦モード間隔Δｆ１は、共振器長Ｄ１及び光速ｃを用いて、Δｆ１＝ｃ／２Ｄ１と表すことができる。共振器長Ｄ１は、第一反射鏡１１及び第二反射鏡１２の向かい合う反射面の間の光学的距離であり、共振光路ＬＰの片道に相当する光学的距離である。
共振器長Ｄ１は、所望の縦モード間隔Δｆ１となるように設定することができる。一例として、共振器長Ｄ１は１００ｍｍである。
共振器長Ｄ１は、所望の縦モード間隔Δｆ１となるように設定することができる。一例として、共振器長Ｄ１は１００ｍｍである。
【0016】
（調整機構）
共振器２は、共振器長Ｄ１を調整する調整機構５を有している。調整機構５は、設定された共振器長Ｄ１の微調整を行うことができる。ここでは、第二反射鏡１２の位置を調整することで共振器長Ｄ１を調整している。調整機構５は、例えば位置決め用のステージに第二反射鏡１２を配置している。ステージの位置は、電気信号によって調整してもよく、ネジ等を使用して手動で調整してもよい。電気信号による調整は、ステッピングモータや圧電素子によって行うことができる。調整機構５は、少なくとも０．５ｍｍ以下の単位で５ｍｍ以上の範囲に亘って、共振光路ＬＰ方向における第二反射鏡１２の位置を調整できることが好ましい。
調整機構５は、外部信号の入力端子ＩＮ１を設けて、外部から入力される調整信号に基づいて共振器長Ｄ１を調整してもよい。共振器長Ｄ１を調整することで、縦モード間隔Δｆ１を調整することができる。また、例えば、固体パルスレーザー装置２０がＨＳＲＬ装置に使用される場合には、干渉計の透過率スペクトルの周波数間隔に縦モード間隔Δｆ１を一致させるように微調整することができる。
共振器２は、共振器長Ｄ１を調整する調整機構５を有している。調整機構５は、設定された共振器長Ｄ１の微調整を行うことができる。ここでは、第二反射鏡１２の位置を調整することで共振器長Ｄ１を調整している。調整機構５は、例えば位置決め用のステージに第二反射鏡１２を配置している。ステージの位置は、電気信号によって調整してもよく、ネジ等を使用して手動で調整してもよい。電気信号による調整は、ステッピングモータや圧電素子によって行うことができる。調整機構５は、少なくとも０．５ｍｍ以下の単位で５ｍｍ以上の範囲に亘って、共振光路ＬＰ方向における第二反射鏡１２の位置を調整できることが好ましい。
調整機構５は、外部信号の入力端子ＩＮ１を設けて、外部から入力される調整信号に基づいて共振器長Ｄ１を調整してもよい。共振器長Ｄ１を調整することで、縦モード間隔Δｆ１を調整することができる。また、例えば、固体パルスレーザー装置２０がＨＳＲＬ装置に使用される場合には、干渉計の透過率スペクトルの周波数間隔に縦モード間隔Δｆ１を一致させるように微調整することができる。
【0017】
（Ｑスイッチ）
Ｑスイッチ３は、光損失を切り替えるスイッチである。Ｑスイッチ３は、誘導放出光がＱスイッチ３を通って共振光路ＬＰを往復するように共振光路ＬＰに配置される。Ｑスイッチ３は、光損失の大きい閉状態から光損失の小さい開状態に急速に切り替わることによって、エネルギーピークの高いレーザー発振を生じさせる。Ｑスイッチ３の閉状態と開状態との切替えを交互に繰り返すことで、主発振器２１はパルス状のレーザー光Ｌ１を繰り返し出力する。パルスの繰り返し周波数は、例えば１００Ｈｚとすることができる。
Ｑスイッチ３は、光損失を切り替えるスイッチである。Ｑスイッチ３は、誘導放出光がＱスイッチ３を通って共振光路ＬＰを往復するように共振光路ＬＰに配置される。Ｑスイッチ３は、光損失の大きい閉状態から光損失の小さい開状態に急速に切り替わることによって、エネルギーピークの高いレーザー発振を生じさせる。Ｑスイッチ３の閉状態と開状態との切替えを交互に繰り返すことで、主発振器２１はパルス状のレーザー光Ｌ１を繰り返し出力する。パルスの繰り返し周波数は、例えば１００Ｈｚとすることができる。
【0018】
ここでは、Ｑスイッチ３は、音響光学効果によって光損失が変化する音響光学素子と、音響光学素子に接合されている圧電素子とを有する。Ｑスイッチ３の光損失は、入力されるＲＦ信号によって変化する。ＲＦ信号は、圧電素子によって超音波に変換され、超音波によって音響光学素子の光損失が変化する。ＲＦ信号は、所定の周波数及び振幅の正弦波状の電気信号であり、その周波数及び振幅は、音響光学素子及び圧電素子の種類に合わせて適宜設定される。ＲＦ信号の周波数は、例えば２４ＭＨｚから８０ＭＨｚである。
Ｑスイッチ３は、所定の周波数及び振幅のＲＦ信号が入力されている間は光損失の大きい閉状態となり、ＲＦ信号が入力されていない間は光損失の小さい開状態となる。Ｑスイッチ３は、ＲＦ信号が入力されている状態から非入力の状態とすることで閉状態から開状態に切り替わる。
Ｑスイッチ３は、所定の周波数及び振幅のＲＦ信号が入力されている間は光損失の大きい閉状態となり、ＲＦ信号が入力されていない間は光損失の小さい開状態となる。Ｑスイッチ３は、ＲＦ信号が入力されている状態から非入力の状態とすることで閉状態から開状態に切り替わる。
【0019】
（制御部）
制御部４は、Ｑスイッチ３に入力するＲＦ信号を生成し、制御する装置である。制御部４は、Ｑスイッチ３の閉状態から開状態への切替えにおける光損失εの遷移時間を長くすることによって、レーザー発振の時間パルス幅（以下、パルス幅とする場合がある）を長くする。
制御部４は、例えば図３Ａに実線で示す遷移Ｔ１のように光損失εを変化させる。点線で示す遷移Ｔ２は、光損失εが矩形波状の立ち下がりとなるように変化する場合であり、比較のために示している。図３Ａにおいて、縦軸は光損失ε、横軸は時間ｔであり、光損失εは、閉状態の光損失εを１、開状態の光損失εを０とする相対値で表示している。Ｑスイッチ３は、時間ｔ＜０において光損失εの大きい閉状態であり、遷移Ｔ１、Ｔ２において、ｔ＝０で閉状態から開状態への切替えが開始されている。
制御部４は、Ｑスイッチ３に入力するＲＦ信号を生成し、制御する装置である。制御部４は、Ｑスイッチ３の閉状態から開状態への切替えにおける光損失εの遷移時間を長くすることによって、レーザー発振の時間パルス幅（以下、パルス幅とする場合がある）を長くする。
制御部４は、例えば図３Ａに実線で示す遷移Ｔ１のように光損失εを変化させる。点線で示す遷移Ｔ２は、光損失εが矩形波状の立ち下がりとなるように変化する場合であり、比較のために示している。図３Ａにおいて、縦軸は光損失ε、横軸は時間ｔであり、光損失εは、閉状態の光損失εを１、開状態の光損失εを０とする相対値で表示している。Ｑスイッチ３は、時間ｔ＜０において光損失εの大きい閉状態であり、遷移Ｔ１、Ｔ２において、ｔ＝０で閉状態から開状態への切替えが開始されている。
【0020】
遷移Ｔ１において、光損失εは、時間ｔ＝０からｅｘｐ（－ｔ／τ）の曲線に沿って指数関数的に減少している。なお、時定数τは、光損失εの相対値が１から０．３７に減少するのにかかる時間である、遷移時間は、閉状態から開状態への切替えを開始してから開状態となるまでの時間であり、遷移Ｔ１のように光損失εを指数関数的に減少させる場合には、時定数τで代用することができる。制御部４は、時定数τで、光損失εの遷移時間を長くしている。時定数τは、例えば１０ｎｓ以上１０００ｎｓ以下とすることができ、１００ｎｓ以上３００ｎｓ以下であることが好ましい。これにより、制御部４は、出力光のエネルギーピークの低下を抑えながら、光損失εの遷移時間を長くすることができる。なお、遷移Ｔ２は、ほぼｔ＝０において光損失εが０となっており、τ≒０である。
【0021】
一般に、遷移時間が短いほどエネルギーピークの高いレーザー発振を生じるため、Ｑスイッチによるパルスレーザー装置では、遷移Ｔ２のように、矩形波状の立ち下がりとなるように光損失εを変化させる。これに対し、制御部４は、エネルギーピークの低下が許容されるように、遷移時間を長くすると共に所定の長さの範囲に制御している。後記するように、固体パルスレーザー装置２０は増幅器２２を有しており、増幅器２２によってエネルギーピークの低下を補うことができる範囲であれば、エネルギーピークの低下が許容される。
【0022】
図３Ｂに例示するように、Ｑスイッチ３の閉状態から開状態への切替えによって、主発振器２１からレーザー光の１つのパルスが出力される。図３Ｂにおいて、縦軸はパルスの強度であり、横軸は図３Ａと共通である。実線で示すパルスＰ１は、図３Ａの遷移Ｔ１に対応し、点線で示すパルスＰ２は図３Ａの遷移Ｔ２の場合に対応している。すなわち、光損失εの遷移時間が長い遷移Ｔ１によるパルスＰ１は、光損失εが矩形波状に立ち下がるように変化する遷移Ｔ２によるパルスＰ２よりもパルス幅ｔｐが長くなっている。
制御部４は、光損失εの遷移時間を長くすることによって、パルス幅ｔｐを長くすることができる。そして、制御部４は、光損失εを指数関数的に減少させることで、パルスのピークの低下を抑えることができる。
制御部４は、光損失εの遷移時間を長くすることによって、パルス幅ｔｐを長くすることができる。そして、制御部４は、光損失εを指数関数的に減少させることで、パルスのピークの低下を抑えることができる。
【0023】
制御部４は、ＲＦ信号によって光損失を制御することができる。図４は、制御部４の構成の一例である。制御部４は、繰り返し信号発生器１３と、ＲＦ信号発生器１４と、ＣＲ回路１５とを有する。繰り返し信号発生器１３は、パルスの繰り返し周波数の矩形波状の信号を出力する。ＲＦ信号発生器１４はＲＦ信号を出力し、ＲＦ信号の振幅は制御電圧ＶＭで制御される。ＲＦ信号の振幅は、例えば、制御電圧ＶＭを大きくすると大きくなり、ＶＭ＝５Ｖで最大、ＶＭ＝０Ｖで０となる。ＲＦ信号の周波数は固定されている。ＣＲ回路１５によって、制御電圧ＶＭの変化は遅くなり、制御電圧ＶＭの立ち下がりにおいて、ＲＦ信号の振幅は徐々に小さくなる。
【0024】
図５は、ＣＲ回路１５の容量Ｃ及び抵抗Ｒの値を変えた場合の主発振器２１の出力光のパルス幅と励起光ＬＥ１との関係の一例である。図５において、縦軸はパルス幅であり、横軸は励起光ＬＥ１のエネルギーである。パルスの繰り返し周波数は１００Ｈｚであり、パルス幅は半値全幅（ＦＷＨＭ）の値である。時定数τの３つの値は、容量Ｃ及び抵抗Ｒの値を変えることで設定している。時定数τが大きいほどパルス幅は長くなっており、制御部４は、時定数τを調整することで、パルス幅を調整することができる。すなわち、制御部４は、光損失の遷移時間を調整することで、パルス幅を調整することができる。
【0025】
主発振器２１は、固体レーザー媒質１及びＱスイッチ３を冷却する冷却器１８を有することが好ましい。冷却器１８によって、レーザー発振に伴う発熱による温度上昇を抑え、動作温度を一定の範囲に保つことで、出力光の特性を安定化することができる。冷却器１８は、ペルチェ素子によるものが好ましい。冷却器１８は、固体レーザー媒質１及びＱスイッチ３に対して１つでもよく、それぞれに別々に設けてもよい。冷却器１８は、水冷や空冷によるものとすることもできる。
なお、共振器２は、単一の周波数で発振するシングルモード発振を行うものでもよい。
また、制御部４は、ＲＦ信号の周波数を制御してもよく、周波数と振幅の両方を制御するようにしてもよい。
なお、共振器２は、単一の周波数で発振するシングルモード発振を行うものでもよい。
また、制御部４は、ＲＦ信号の周波数を制御してもよく、周波数と振幅の両方を制御するようにしてもよい。
【0026】
（増幅器）
増幅器２２は、レーザー光のエネルギーを高めて出力する装置である。増幅器２２は、主発振器２１の固体レーザー媒質１と同じ種類の固体レーザー媒質６を有する。固体レーザー媒質６は、主発振器２１の出力光の光路中に配置され、入力される主発振器２１の出力光によって誘導放出光を発する。ここでは、固体レーザー媒質６は、Ｎｄ：ＹＡＧである。また、増幅器２２は、主発振器２１と同様に、励起光ＬＥ２を発する励起光源１７を有する。励起光ＬＥ２の波長は、励起光ＬＥ１の波長と同じである。
増幅器２２は、レーザー光のエネルギーを高めて出力する装置である。増幅器２２は、主発振器２１の固体レーザー媒質１と同じ種類の固体レーザー媒質６を有する。固体レーザー媒質６は、主発振器２１の出力光の光路中に配置され、入力される主発振器２１の出力光によって誘導放出光を発する。ここでは、固体レーザー媒質６は、Ｎｄ：ＹＡＧである。また、増幅器２２は、主発振器２１と同様に、励起光ＬＥ２を発する励起光源１７を有する。励起光ＬＥ２の波長は、励起光ＬＥ１の波長と同じである。
【0027】
図６に例示するように、増幅器２２は、励起光ＬＥ２のエネルギーを大きくすることによって、パルス幅を保ったまま強度を高めることができる。図６において、左の縦軸は増幅器２２から出力されるパルスのピークにおけるエネルギーであり、横軸は励起光ＬＥ２のエネルギーである。右の縦軸はパルス幅である。なお、主発振器２１の励起光ＬＥ１のエネルギーは２．５ｍＪ、パルスの繰り返し周波数は１００Ｈｚである。
主発振器２１の出力光は、パルス幅を長くしたことで、出力光の強度のピークが低くなっている。増幅器２２は、長いパルス幅を保ちながらピークを高くして、出力光の強度の低下を補償し、さらに出力光の強度を大きくすることができる。
主発振器２１の出力光は、パルス幅を長くしたことで、出力光の強度のピークが低くなっている。増幅器２２は、長いパルス幅を保ちながらピークを高くして、出力光の強度の低下を補償し、さらに出力光の強度を大きくすることができる。
【0028】
（波長変換器）
波長変換器２３は、入力される光の高調波を生成する装置である。波長変換器２３は、増幅器２２の出力光Ｌ２の光路に、第二高調波を発生する結晶７と第三高調波を生成する結晶８とをこの順に配置している。結晶７、８は非線形光学結晶である。ここでは、増幅器２２の出力光Ｌ２の波長は１０６４ｎｍであり、結晶７によって波長５３２ｎｍの第二高調波が生成され、結晶８によって波長３５５ｎｍの第三高調波が生成される。このため、固体パルスレーザー装置２０の出力光Ｌ３は、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ及び３５５ｎｍの３波長を含んでいる。
波長変換器２３は、入力される光の高調波を生成する装置である。波長変換器２３は、増幅器２２の出力光Ｌ２の光路に、第二高調波を発生する結晶７と第三高調波を生成する結晶８とをこの順に配置している。結晶７、８は非線形光学結晶である。ここでは、増幅器２２の出力光Ｌ２の波長は１０６４ｎｍであり、結晶７によって波長５３２ｎｍの第二高調波が生成され、結晶８によって波長３５５ｎｍの第三高調波が生成される。このため、固体パルスレーザー装置２０の出力光Ｌ３は、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ及び３５５ｎｍの３波長を含んでいる。
【0029】
一般に、レーザー装置の小型化や安定性の向上のためには、共振器長は短い方が有利である。また、レーザー装置がライダー装置１００に使用される場合には、光路差の短い干渉計に合わせて共振器長を短くできることが求められる。しかし、Ｑスイッチによるパルスレーザー装置では、共振器長を短くすると出力光のパルス幅は狭くなる傾向がある。パルス幅が狭くなると、出力光の周波数スペクトルの拡がりが大きくなり、パルスレーザー装置を用いる測定における測定精度の低下を招く場合がある。
固体パルスレーザー装置２０は、Ｑスイッチ３の光損失の遷移時間を長くすることで、短い共振器長であってもパルス幅の長いレーザー光を出力し、短い共振器長と長い時間パルス幅との両立を図ることができる。そして、増幅器２２を備えることで、長いパルス幅を保ったまま、必要なパルスエネルギーまで増幅することができる。さらに、波長変換器２３によって、第二高調波及び第三高調波を発生させて多波長化を行い、多波長の測定にも対応することができる。
固体パルスレーザー装置２０は、Ｑスイッチ３の光損失の遷移時間を長くすることで、短い共振器長であってもパルス幅の長いレーザー光を出力し、短い共振器長と長い時間パルス幅との両立を図ることができる。そして、増幅器２２を備えることで、長いパルス幅を保ったまま、必要なパルスエネルギーまで増幅することができる。さらに、波長変換器２３によって、第二高調波及び第三高調波を発生させて多波長化を行い、多波長の測定にも対応することができる。
【0030】
［ライダー装置］
次に、実施形態に係るライダー装置１００について、図面を参照しながら説明する。ライダー装置１００は、固体パルスレーザー装置２０を組み込んだＨＳＲＬ装置である。図７に例示するように、ライダー装置１００は、光送信部３０と、受光部４０と、分光部５０と、光検出部６０と、信号処理部７０と、を備えている。
次に、実施形態に係るライダー装置１００について、図面を参照しながら説明する。ライダー装置１００は、固体パルスレーザー装置２０を組み込んだＨＳＲＬ装置である。図７に例示するように、ライダー装置１００は、光送信部３０と、受光部４０と、分光部５０と、光検出部６０と、信号処理部７０と、を備えている。
【0031】
（光送信部）
光送信部３０は、固体パルスレーザー装置２０を有し、レーザー光を観測対象である大気に照射する。また、光送信部３０はエキスパンダ３１を有している。エキスパンダ３１は、ビーム径を大きくし、ビームの拡がり角を小さくし、その他の特性を保って出力する。エキスパンダ３１の出力光は、ミラー３２に反射されて大気への照射光Ｌ５となり、一部はミラー３２を透過して参照光Ｌ４となる。
光送信部３０は、固体パルスレーザー装置２０を有し、レーザー光を観測対象である大気に照射する。また、光送信部３０はエキスパンダ３１を有している。エキスパンダ３１は、ビーム径を大きくし、ビームの拡がり角を小さくし、その他の特性を保って出力する。エキスパンダ３１の出力光は、ミラー３２に反射されて大気への照射光Ｌ５となり、一部はミラー３２を透過して参照光Ｌ４となる。
【0032】
（受光部）
受光部４０は、照射光Ｌ５に対する大気から反射して戻ってきた散乱光Ｌ６を集光し、散乱光Ｌ６にエキスパンダ３１の出力光の一部である参照光Ｌ４を合流させて観測光Ｌ７とする。受光部４０は望遠鏡４１を有し、大気に向けて設置する望遠鏡４１に入射される散乱光Ｌ６を集光する。
望遠鏡４１で集光された散乱光Ｌ６は、望遠鏡４１からマルチモードファイバＭＦに入射される。一方、参照光Ｌ４は積分球ＩＳで集光され、ファイバカプラＦＣで散乱光Ｌ６と合流する。そして、散乱光Ｌ６と参照光Ｌ４とが合流した観測光Ｌ７は、コリメートレンズ４２及びミラー４３、４４を経由して、受光部４０から出力される。
受光部４０は、照射光Ｌ５に対する大気から反射して戻ってきた散乱光Ｌ６を集光し、散乱光Ｌ６にエキスパンダ３１の出力光の一部である参照光Ｌ４を合流させて観測光Ｌ７とする。受光部４０は望遠鏡４１を有し、大気に向けて設置する望遠鏡４１に入射される散乱光Ｌ６を集光する。
望遠鏡４１で集光された散乱光Ｌ６は、望遠鏡４１からマルチモードファイバＭＦに入射される。一方、参照光Ｌ４は積分球ＩＳで集光され、ファイバカプラＦＣで散乱光Ｌ６と合流する。そして、散乱光Ｌ６と参照光Ｌ４とが合流した観測光Ｌ７は、コリメートレンズ４２及びミラー４３、４４を経由して、受光部４０から出力される。
【0033】
（分光部）
分光部５０は、観測光Ｌ７を分割して干渉させた結果である干渉光Ｌ８を出力する。分光部５０は干渉計とすることができる。干渉計としては、例えばマイケルソン干渉計やマッハツェンダ干渉計、ファブリペロ干渉計等を挙げることができる。ここでは、分光部５０は、マイケルソン干渉計を構成している。分光部５０は、入射光を直交する２つの方向に分割する分割手段５１と、光を反射する第一反射手段５２及び第二反射手段５３とを有している。分割手段５１は、例えばハーフミラーやビームスプリッタとすることができる。第一反射手段５２及び第二反射手段５３は、光を反射するミラーであり、光を進んできた方向に反射するルーフミラーやレトロリフレクタであってもよい。
観測光Ｌ７は、分割手段５１で反射されて進む光Ｌ７Ａと、反射されずに進む光Ｌ７Ｂとに分割される。そして、光Ｌ７Ａと光Ｌ７Ｂとが再び合流して干渉し、干渉光Ｌ８となって分光部５０から出力される。
分光部５０は、観測光Ｌ７を分割して干渉させた結果である干渉光Ｌ８を出力する。分光部５０は干渉計とすることができる。干渉計としては、例えばマイケルソン干渉計やマッハツェンダ干渉計、ファブリペロ干渉計等を挙げることができる。ここでは、分光部５０は、マイケルソン干渉計を構成している。分光部５０は、入射光を直交する２つの方向に分割する分割手段５１と、光を反射する第一反射手段５２及び第二反射手段５３とを有している。分割手段５１は、例えばハーフミラーやビームスプリッタとすることができる。第一反射手段５２及び第二反射手段５３は、光を反射するミラーであり、光を進んできた方向に反射するルーフミラーやレトロリフレクタであってもよい。
観測光Ｌ７は、分割手段５１で反射されて進む光Ｌ７Ａと、反射されずに進む光Ｌ７Ｂとに分割される。そして、光Ｌ７Ａと光Ｌ７Ｂとが再び合流して干渉し、干渉光Ｌ８となって分光部５０から出力される。
【0034】
分割手段５１から第一反射手段５２までの光学的距離Ｄ２と、分割手段５１から第二反射手段５３までの光学的距離Ｄ３とは、光学的距離差ΔＤだけ異なっている。すなわち、ΔＤ＝｜Ｄ２－Ｄ３｜であり、光Ｌ７Ａと光Ｌ７Ｂとは光路差２ΔＤを生じている。光Ｌ７Ａと光Ｌ７Ｂとが強め合う周波数間隔Δｆ２は、Δｆ２＝ｃ／２ΔＤとなる。従って、光学的距離差ΔＤと固体パルスレーザー装置２０の共振器長Ｄ１とを一致させれば、すなわち、共振器長Ｄ１の２倍に相当する光路差２ΔＤとすれば、周波数間隔Δｆ２は固体パルスレーザー装置２０の縦モード間隔Δｆ１と一致し、ミー散乱成分とレイリー散乱成分との分離の精度を向上させることができる。
光路差２ΔＤが長いと、干渉縞の鮮明度が低下し、受信視野が狭くなり、光学系の安定性が低下するといった傾向がある。このため、光路差２ΔＤは、観測に適する範囲で短くすることが好ましい。そして、パルスレーザー装置の共振器長は、短い光路差に対応するように短く設定される。観測精度や安定性の観点から、例えば、照射光Ｌ５の波長λが５３２ｎｍの場合、約２００ｍｍの光路差２ΔＤが好ましい。ここでは一例として、光路差２ΔＤは２００ｍｍであり、固体パルスレーザー装置２０の共振器長Ｄ１を１００ｍｍに設定することで、周波数間隔Δｆ２と縦モード間隔Δｆ１とを一致させることができる。
光路差２ΔＤが長いと、干渉縞の鮮明度が低下し、受信視野が狭くなり、光学系の安定性が低下するといった傾向がある。このため、光路差２ΔＤは、観測に適する範囲で短くすることが好ましい。そして、パルスレーザー装置の共振器長は、短い光路差に対応するように短く設定される。観測精度や安定性の観点から、例えば、照射光Ｌ５の波長λが５３２ｎｍの場合、約２００ｍｍの光路差２ΔＤが好ましい。ここでは一例として、光路差２ΔＤは２００ｍｍであり、固体パルスレーザー装置２０の共振器長Ｄ１を１００ｍｍに設定することで、周波数間隔Δｆ２と縦モード間隔Δｆ１とを一致させることができる。
【0035】
一方、周波数間隔Δｆ２と縦モード間隔Δｆ１とが一致している状態を維持するのは難しいという問題がある。分光部５０は、干渉縞の１フリンジ以上に相当する幅で光路差２ΔＤが変化するように繰り返し掃引することで、その問題を解決している。１フリンジは干渉縞のピークの間隔であり、照射光Ｌ５の波長λに対応する。光路差２ΔＤの掃引幅をλとするためには、光学的距離差ΔＤをλ／２の幅で掃引すればよい。なお、波長λが複数ある場合には、光路差２ΔＤの掃引幅は最も長い波長λ以上とする。
掃引は、第二反射手段５３を光Ｌ７Ｂの方向に往復させて、分割手段５１との光学的距離Ｄ３を変化させて行うことができる。ここでは、第二反射手段５３は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電素子によって駆動されるステージＳＴ１に配置されている。掃引は、パルスの繰り返し周波数が１００Ｈｚの場合、例えば最も速くて１秒間に１２．５往復（１２．５Ｈｚ）で行うことができる。掃引の周波数をパルスの繰り返し周波数の１／８以下とすることで、１フリンジにおいて４点（往復で８点）以上の位相で測定することができ、一定の鮮明度の干渉縞を得ることができる。
掃引は、第二反射手段５３を光Ｌ７Ｂの方向に往復させて、分割手段５１との光学的距離Ｄ３を変化させて行うことができる。ここでは、第二反射手段５３は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電素子によって駆動されるステージＳＴ１に配置されている。掃引は、パルスの繰り返し周波数が１００Ｈｚの場合、例えば最も速くて１秒間に１２．５往復（１２．５Ｈｚ）で行うことができる。掃引の周波数をパルスの繰り返し周波数の１／８以下とすることで、１フリンジにおいて４点（往復で８点）以上の位相で測定することができ、一定の鮮明度の干渉縞を得ることができる。
【0036】
（光検出部）
光検出部６０は、光電変換を行う光検出器６１を有し、分光部５０からの干渉光Ｌ８を光電変換して、電気信号である受信信号ＥＡを出力する。受信信号ＥＡは、時間の経過に伴う干渉光Ｌ８の強さを示す信号である。干渉光Ｌ８は、干渉フィルタ６２及び集光レンズ６３を通って光検出器６１に入射される。光検出器６１は、フォトダイオードや光電子増倍管とすることができる。
光検出部６０は、光電変換を行う光検出器６１を有し、分光部５０からの干渉光Ｌ８を光電変換して、電気信号である受信信号ＥＡを出力する。受信信号ＥＡは、時間の経過に伴う干渉光Ｌ８の強さを示す信号である。干渉光Ｌ８は、干渉フィルタ６２及び集光レンズ６３を通って光検出器６１に入射される。光検出器６１は、フォトダイオードや光電子増倍管とすることができる。
【0037】
（信号処理部）
信号処理部７０は、受信信号ＥＡの信号処理を行う。信号処理部７０は、ＡＤコンバータ７１と、演算部７２と、記憶部７３とを有する。ＡＤコンバータ７１は受信信号ＥＡを数値化して出力する。記憶部７３は、時間に対する受信信号ＥＡの値としてデータを記憶することができる。
図８は、照射光Ｌ５の１パルスに対応する受信信号ＥＡの波形を例示している。図８において、縦軸は受信信号ＥＡの強度であり、横軸は時間である。受信信号ＥＡは、参照光Ｌ４に係る信号ＥＲと、遅れて到達する散乱光Ｌ６に係る信号ＥＳとに分かれている。散乱光Ｌ６に係る信号ＥＳには、ミー散乱成分とレイリー散乱成分とが含まれている。
信号処理部７０は、受信信号ＥＡの信号処理を行う。信号処理部７０は、ＡＤコンバータ７１と、演算部７２と、記憶部７３とを有する。ＡＤコンバータ７１は受信信号ＥＡを数値化して出力する。記憶部７３は、時間に対する受信信号ＥＡの値としてデータを記憶することができる。
図８は、照射光Ｌ５の１パルスに対応する受信信号ＥＡの波形を例示している。図８において、縦軸は受信信号ＥＡの強度であり、横軸は時間である。受信信号ＥＡは、参照光Ｌ４に係る信号ＥＲと、遅れて到達する散乱光Ｌ６に係る信号ＥＳとに分かれている。散乱光Ｌ６に係る信号ＥＳには、ミー散乱成分とレイリー散乱成分とが含まれている。
【0038】
図９は、散乱光Ｌ６のスペクトルの一例であり、点線で示すレイリー散乱の拡がったスペクトルに、実線で示すミー散乱の尖ったスペクトルが重なっている。演算部７２は、ミー散乱が照射光Ｌ５とほぼ同じスペクトルを示すことから、参照光Ｌ４の干渉を手掛かりにしてミー散乱成分を除去する。前述した分光部５０の掃引によって、干渉の強め合う条件と弱め合う条件とが繰り返し生じ、図８の受信信号ＥＡの波形は、波形Ｅ１と波形Ｅ２との間で変化を繰り返す。波形Ｅ１は参照光Ｌ４が強め合う条件、波形Ｅ２は弱め合う条件に対応している。すなわち、波形Ｅ２でミー散乱成分が最も弱くなっており、波形Ｅ２における信号ＥＳからレイリー散乱成分を抽出することができる。これにより、演算部７２は、ミー散乱成分とレイリー散乱成分とを分離することができ、エアロゾルに係る消散係数及び後方散乱係数を独立に求めることができる。
なお、波形Ｅ３は、波形Ｅ２におけるミー散乱のバイアス成分であり、信号ＥＲから計算される干渉鮮明度を使って推定される。波形Ｅ３を波形Ｅ２から差し引くことで、バイアス成分を取り除いたレイリー散乱成分を抽出することができる。ミー散乱成分とレイリー散乱成分の分離及び抽出は、掃引を繰り返して受信信号ＥＡを取得することで、精度を高めることができる。
なお、波形Ｅ３は、波形Ｅ２におけるミー散乱のバイアス成分であり、信号ＥＲから計算される干渉鮮明度を使って推定される。波形Ｅ３を波形Ｅ２から差し引くことで、バイアス成分を取り除いたレイリー散乱成分を抽出することができる。ミー散乱成分とレイリー散乱成分の分離及び抽出は、掃引を繰り返して受信信号ＥＡを取得することで、精度を高めることができる。
【0039】
また、演算部７２は、参照光Ｌ４に係る信号ＥＲから干渉信号を取得し、分光部５０の干渉鮮明度ＶＢを算出する。図１０Ａは、分光部５０の掃引に伴う信号ＥＲのピークの変化である干渉信号を例示している。図１０Ａにおいて、縦軸は干渉信号の強度である。横軸は約１フリンジ分の位相であり、λ／２の掃引範囲における第二反射手段５３の位置に対応する。干渉鮮明度ＶＢは、干渉信号の強度の最大値をＩｍａｘ、最小値をＩｍｉｎとして、ＶＢ＝（Ｉｍａｘ－Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）により算出される。干渉鮮明度ＶＢは、掃引を繰り返して信号ＥＲを取得することで、精度を高めて算出することができる。
【0040】
信号処理部７０は、干渉鮮明度ＶＢが大きくなるように共振器長Ｄ１を調整するための調整信号を生成する信号生成部７４をさらに有してもよい。調整信号は、干渉鮮明度ＶＢが大きくなる方向である調整方向を少なくとも示す。図１０Ｂは、共振器長Ｄ１を変化させたときの干渉鮮明度ＶＢを例示している。図１０Ｂにおいて、縦軸は干渉鮮明度ＶＢであり、横軸は共振器長Ｄ１である。共振器長Ｄ１が分光部５０の光学的距離差ΔＤと一致するときに、干渉鮮明度ＶＢが最も大きくなっている。共振器長Ｄ１は、干渉鮮明度ＶＢが最大となるように最適化することが好ましい。ライダー装置１００は、干渉鮮明度ＶＢが最大となるように共振器長Ｄ１を調整しながら観測を行うことで、さらなる観測精度の向上を図ることができる。
【0041】
例えば、信号生成部７４は、算出された干渉鮮明度ＶＢをモニタし、干渉鮮明度ＶＢが低下する傾向にあるときに、共振器長Ｄ１の調整方向を示す調整信号を生成する。調整方向は、共振器長Ｄ１を長く又は短くする方向であり、干渉鮮明度ＶＢを大きくする方向である。信号生成部７４は、例えば共振器長Ｄ１を長くする調整信号を生成し、その調整の結果、干渉鮮明度ＶＢが大きくなる傾向の場合には共振器長Ｄ１を長くする方向を調整方向とし、小さくなる傾向の場合には共振器長Ｄ１を逆に短くする方向を調整方向とすることができる。
共振器長Ｄ１は、調整の結果をフィードバックして、大きい干渉鮮明度ＶＢを保つように制御されることが好ましい。フィードバックは、固体パルスレーザー装置２０の調整機構５の入力端子ＩＮ１に調整信号を入力して行うことができる。調整機構５は、調整信号が示す調整方向に共振器長Ｄ１を調整する。なお、フィードバックは、調整信号を確認しながら手動で行ってもよい。
共振器長Ｄ１は、調整の結果をフィードバックして、大きい干渉鮮明度ＶＢを保つように制御されることが好ましい。フィードバックは、固体パルスレーザー装置２０の調整機構５の入力端子ＩＮ１に調整信号を入力して行うことができる。調整機構５は、調整信号が示す調整方向に共振器長Ｄ１を調整する。なお、フィードバックは、調整信号を確認しながら手動で行ってもよい。
【0042】
ライダー装置１００によれば、長い時間パルス幅と高パルスエネルギーを両立したマルチモード発振の固体パルスレーザー装置２０の利用により、高い計測性能を持つＨＳＲＬシステムが実現可能である。また、励起光の光源として長寿命なレーザーダイオードを使用し、固体レーザー媒質１の冷却に水冷ではなく機械的・電気的に安定なペルチェ素子を用いることで、長期間に渡り安定して動作可能なＨＳＲＬシステムが実現できる。
【0043】
マルチモードレーザーを用いるＨＳＲＬ手法によって安定して高い観測精度を実現するためには、ＨＳＲＬ装置の干渉計の光路差に対応させて共振器長を短くしながら、時間パルス幅が長く、パルスエネルギーが高いパルスレーザーが必要となる。ライダー装置１００の固体パルスレーザー装置２０は、パルス発振のための能動的なＱスイッチとして音響光学素子を共振器２内に挿入し、音響光学素子に印加する超音波信号の振幅の遷移時間を制御することで、短い共振器長及び長い時間パルス幅を実現する。
【0044】
固体パルスレーザー装置２０の短い共振器長は、ライダー装置１００の干渉鮮明度を向上させ、受信視野が狭くなることを抑え、長期安定性を向上させる。また、出力光の長い時間パルス幅は、照射光のスペクトルの拡がりを小さくし、観測精度を向上させる。固体パルスレーザー装置２０は、増幅器によってパルスエネルギーを大きくして観測精度をさらに向上させ、波長変換器によって多波長のＨＳＲＬにも対応することができる。
【0045】
ライダー装置１００は、縦モード間隔Δｆ１を分光部５０の周波数間隔Δｆ２と一致させるための共振器長Ｄ１の調整機構５を有する固体パルスレーザー装置２０を光源とする。そして、干渉鮮明度ＶＢの情報をフィードバックすることで共振器長Ｄ１を最適化することができる。
分光部５０の掃引の起点となる光路差２ΔＤは、ライダー装置１００の精度が高くなる値に設計される。ライダー装置１００は、分光部５０の光路差は固定したままで、固体パルスレーザー装置２０の共振器長Ｄ１を調整して縦モード間隔Δｆ１と分光部５０の周波数間隔Δｆ２とを一致させることができる。
分光部５０の掃引の起点となる光路差２ΔＤは、ライダー装置１００の精度が高くなる値に設計される。ライダー装置１００は、分光部５０の光路差は固定したままで、固体パルスレーザー装置２０の共振器長Ｄ１を調整して縦モード間隔Δｆ１と分光部５０の周波数間隔Δｆ２とを一致させることができる。
【0046】
なお、信号処理部７０の機能の全部又は一部は、ＣＰＵ及び記憶装置を有するコンピュータに実行させることができる。また、ＡＤコンバータ７１、演算部７２、記憶部７３及び信号生成部７４という構成は一例であり、この構成と同じでなくても信号処理部７０の機能が実現できればよい。
また、共振器長Ｄ１の調整は、干渉鮮明度ＶＢに基づいて手動で行ってもよい。
また、共振器長Ｄ１の調整は、干渉鮮明度ＶＢに基づいて手動で行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【0047】
本発明を用いることにより、昼夜で多種類のエアロゾルの定量観測ができる低コストで簡易的なＨＳＲＬシステムを開発することが可能である。現在、黄砂飛来情報にライダーデータが活用されているが、本発明を利用したライダーをネットワーク展開することで、黄砂のみならずブラックカーボンや海塩粒子、大気汚染性粒子など、種々のエアロゾル情報を提供することができる。また、これらのデータは化学輸送モデルの改良や疫学研究への活用も期待できる。
【符号の説明】
【0048】
１ 固体レーザー媒質（主発振器）
２ 共振器
３ Ｑスイッチ
４ 制御部
５ 調整機構
７ 結晶（第二高調波生成）
８ 結晶（第三高調波生成）
１１ 第一反射鏡
１２ 第二反射鏡
１４ ＲＦ信号発生器
１５ ＣＲ回路
１６ 励起光源（主発振器）
１８ 冷却器
２０ 固体パルスレーザー装置
２１ 主発振器
２２ 増幅器
２３ 波長変換器
３０ 光送信部
３１ エキスパンダ
４０ 受光部
４１ 望遠鏡
５０ 分光部
５１ 分割手段
５２ 第一反射手段
５３ 第二反射手段
６０ 光検出部
６１ 光検出器
７０ 信号処理部
７１ ＡＤコンバータ
７２ 演算部
７３ 記憶部
７４ 信号生成部
１００ ライダー装置
２ 共振器
３ Ｑスイッチ
４ 制御部
５ 調整機構
７ 結晶（第二高調波生成）
８ 結晶（第三高調波生成）
１１ 第一反射鏡
１２ 第二反射鏡
１４ ＲＦ信号発生器
１５ ＣＲ回路
１６ 励起光源（主発振器）
１８ 冷却器
２０ 固体パルスレーザー装置
２１ 主発振器
２２ 増幅器
２３ 波長変換器
３０ 光送信部
３１ エキスパンダ
４０ 受光部
４１ 望遠鏡
５０ 分光部
５１ 分割手段
５２ 第一反射手段
５３ 第二反射手段
６０ 光検出部
６１ 光検出器
７０ 信号処理部
７１ ＡＤコンバータ
７２ 演算部
７３ 記憶部
７４ 信号生成部
１００ ライダー装置
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
