ヘテロダインダブルパス干渉計を用いた海水の塩分測定に関する基礎的研究

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25610143
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 研究機関: 独立行政法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 浅川 賢一 独立行政法人海洋研究開発機構, 海洋工学センター, シニアスタッフ (40344288)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 光塩分センサ / 海洋 / ヘテロダイン干渉計

研究概要

海洋の水温や塩分分布などの環境変動は、地球環境変動に大きな影響を与えることが知られている。従来塩分は電気電導度を測定して求めてきた。この電気電導度センサは、十分な精度と分解能が得られており、低消費電力化も進んでいるものの、長期的な安定性は不十分で、毎年の校正が必要である。そのため、海洋環境観測用のブイシステムでは、毎年メインテナンスのために大型観測船の航海が必要とされている。観測コストを下げて観測箇所を拡大し、より高密度の観測網を実現するためには、より高い長期的安定度を持つ塩分センサを実現する必要がある。
一方、屈折率と塩分の間には、ローレンツ・ローレンツの式で表される直接的な関係があることが知られている。そのため、屈折率を用いた塩分測定が新しい測定方法として注目されている。本研究では半導体レーザと音響／光周波数変換器を組み合わせたヘテロダイン光源とダブルパス・ヘテロダイン干渉計を用いて、塩分の測定を行い、電気電導度センサ以上の高い測定分解能と短期的・長期的安定性が実現できることを実証することを目的としている。
ヘテロダイン光源を作るためには、100kHz程度の周波数差を持つとともに、その周波数差が安定した２つの100MHz 程度の信号源を用意する必要がある。そこで、平成25年度はその信号源を準備した。さらに、２つの信号源のビート信号の周波数と位相安定度を評価するために、ダブルバランストミキサを利用したビート信号検出器を設計し、部品を手配した。現在、回路の組立と測定の準備を進めている。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

前述したように、現在までにヘテロダイン信号を作成するための信号源と、その信号源のビート信号の周波数と位相安定度を評価するためのビート信号検出器を設計し、部品を手配した。
一方、当初の初年度の計画では、（１）半導体レーザと音響／光周波数変換器を用いたヘテロダイン光源を導入することと、（２）厚さ2.4mm のダブルパス干渉計用のセルを準備して、ヘテロダイン・ダブルパス干渉計による食塩水の屈折率測定を行い、その分解能と再現性、安定性等を検証することを目標とした。すなわち、（１）については、その準備が整のったところである。（２）については計画が遅れているが、２年目に実施できるものと考えている。遅れた原因は信号源の準備に予想以上の費用が必要となったため、セルの製作ができなかったためである。

今後の研究の推進方策

今後の研究は、当初の提案に沿って進める予定である。すなわち、まず、（１）ヘテロダイン信号源のビート信号の周波数と位相安定度を評価するためのビート信号検出器を作成し、ビート信号の周波数と位相安定度を評価する。周波数・位相安定度の評価は、既存のロックインアンプを用いる。必要な機器や部品等はすべて用意できたので、早い時期に進める予定である。次に、（２）厚さ2.4mm のダブルパス干渉計用のセルを準備して、ヘテロダイン・ダブルパス干渉計による食塩水の屈折率測定を行なう。干渉計は、光学定盤の上に組み立てて、基礎的な実験を行ない、測定の再現性の評価、温度変動の影響、半導体レーザの偏光安定度、音響／光周波数変換器の出力光パワーと偏光状態の安定度とその位相差測定への影響など、種々の誤差要因を評価する。変動が大きい場合にはその原因を分析し、対策を検討する。以上により、当初提案した目標を達成する予定である。
さらに、本研究終了後は、測定の再現性や長期安定性の評価を続けるほか、海水に対するセルの耐久性などの評価を行う。さらに、実用に供することができるように、熱膨張係数が小さいインバーや低熱膨張ガラスを基板とした小型光塩分センサを開発し、実用化する計画である。

次年度の研究費の使用計画

セルの製作が遅れたために、その製作に予定していた費用の一部を次年度使用することとなった。
セルの作成費用の一部に当てる予定である。