超小型固体レーザーを用いた広域環境汚染微量分子センサーの開発

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12558058
• Research Institution: Fukui University
• Principal Investigator: 小林 喬郎 福井大学, 工学部, 教授 (90006247)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 杉本 伸夫 独立行政法人・国立環境研究所, 大気環境部, 室長 (90132852) ; 川戸 栄 福井大学, 工学部, 助手 (60313730)
• Keywords: 差分吸収レーザレーダー / マイクロチップレーザー / 光パラメトリック発振器 / 環境汚染ガス / 温室効果ガス

Research Abstract

近年、地球環境の温度化や大気汚染問題の深刻化が進んでおり、その解明のため、広域にわたる大気汚染物質の濃度を実時間で捉える高感度で高機能の光センサーの実現が期待されている。本研究は超小型の光パラメトリック発振器(OPO)による赤外域波長可変レーザー光源を試作し、多種類の大気汚染分子濃度の室内平均値や分布値を地形物散乱体ターゲットからの反射光を利用して遠隔計測する新しい吸収型レーザーレーダーの開発を行うことを目的としている。
研究成果は次の通りである。
(1)赤外域波長可変の超小型、全固体OPO光源の開発
LDの直接結合励起によるNd : YAGマイクロチップレーザーのCr^<4+> : YAG可飽和吸収素子によるQスイッチ動作で、パルスエネルギー30μJ、パルス繰返し10KHz、平均出力300mWを得た。つぎに、励起光源としてPPMgLN擬似位相整合結晶を用いた光パラメトリック発振器(OPO)を構成し、波長3.3μm帯で出力約30mWが得られた。さらに1.6μm帯の単一周波数LD光を外部より注入することにより3.3μm帯の赤外光出力を単一モードで周波数可変にすることができた。
(2)汚染分子の最適波長の選定と分光実験
測定分子としてメタンCH_4分子を取り上げ、HITRANデタベースを用いて最適波長などの解析を行った。特に、水蒸気やC0_2など大気構成主要分子のスペクトルとの干渉を小さくすること及び光路長により吸収強度を最適にするスペクトルの選択条件などについて検討を加えた。
(3)吸収型レーザーレーダーの開発と測定実験
超小型、全固体OPO光源を用いて、地形物に出力光を照射し、反射光を集光鏡で集めてInAs検出器で検出する小型のレーザーレーダーを組み立てた。さらに、大気中のCH_4分子を測定する室内実験を行い、検出特性を求めた。その結果、最少検出濃度と光路長の積の値として約100ppmmで測定可能となった。しかし、予想値より約一桁大きく、感度が低下しており、その原因として3.3μm帯の赤外光出力の周波数変動に起因していることが判明した。そのため、今後励起用のNd : YAGマイクロチップレーザーとOPOの周波数の安定度の改良が必要となった。また、広域でのガスの濃度の検出までは到達できなかったが、今後これらの点を追究したい。

Research Products

• [Publications] D.Shen, S.Tam, T.Kobayashi: "Diode-Pumped Passively Q-switched Single-Frequency Nd : YAG Lasers"Optical Review. Vol.7・No.5. 451-454 (2000)
• [Publications] T.Kobayashi: "Overview of Lidar Technology for Industrial and Environmental Monitoring in Japan"Proc. of SPIE Second International Asia-Pacific Symposium on Remote Sensing of the Atmosphere, Environment, and Space. 1-4 (2000)
• [Publications] D.Sun, S.Kawato, T.Kobayashi: "Ultraviolet Rayleigh Lidar for Wind and Temperature Measurements"Optical Review. Vol.7・No.6. 555-560 (2000)
• [Publications] D.Shen, T.Kobayashi: "Periodically poled MgO : LiNb0_3 optical parametric oscillator pumped by a single-frequency passively Q-switched microchip Nd : YAG Laser"Technical Digest of Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO2000). CThH2. 425 (2000)
• [Publications] T.Kobayashi, K.Takeuchi, M.Morimoto, T.Tada, S.Kawato: "Compact tunable absorption laser radar for sensing global warming molecules"Technical Digest of CRL International Symposium on Light Propagation and Sensing Technologies for Future Application. p-14. (2002)
• [Publications] 小林 喬郎: "レーザレーダで大気環境を観る"電子情報通信学会誌. Vol.84 No.10. 696-698 (2001)