(57)【要約】【課題】反応速度が速く、戸外での使用やリモート制御が可能であり、かつ、歩留まりが高い光検出装置を提供する。【解決手段】この光検出装置は、試料から導光された被分析光を分析するための光検出装置であって、擬似位相整合素子２００、ポンプ光源１００、及び光検出部３００を備える。擬似位相整合素子２００は、一端に被分析光を入射する。ポンプ光源１００は、擬似位相整合素子２００の一端にポンプ光を入射する。光検出部３００は、擬似位相整合素子２００の他端側に設けられ、擬似位相整合素子２００で生成した、被分析光とポンプ光の和周波光を検出して電気信号に変換する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料から導光された被分析光を分析するための光検出装置であって、
一端に前記被分析光が入射する擬似位相整合素子と、
前記擬似位相整合素子の前記一端にポンプ光を入射するポンプ光源と、
前記擬似位相整合素子の他端側に設けられ、前記擬似位相整合素子で生成した、前記被分析光と前記ポンプ光の和周波光を検出して電気信号に変換する光検出部と、
を備える光検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光検出装置において、
前記被分析光は前記試料が発した光であり、
前記被分析光を分光分析する光検出装置
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光検出装置において、
前記ポンプ光源を制御して、前記ポンプ光の強度を周期的に変化させることにより、前記和周波光の強度を周期的に変化させるポンプ光制御部と、
前記光検出部が出力した前記電気信号を位相検波する位相検波処理部と、
を備える光検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光検出装置において、
前記ポンプ光制御部は、前記ポンプ光をパルス発振させる光検出装置。
【請求項５】
請求項３に記載の光検出装置において、
前記ポンプ光制御部は、チョッパ制御により、連続光としての前記ポンプ光の強度を周期的に変化させる光検出装置。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の光検出装置において、
前記擬似位相整合素子の上面に設けられた上面電極と、
前記擬似位相整合素子の下面に設けられた下面電極と、
前記上面電極及び前記下面電極に周期的に電圧を印加することにより、前記ポンプ光の偏光方向を周期的に変化させ、前記和周波光の強度を周期的に変化させる交流電源と、
前記光検出部が出力した前記電気信号を位相検波する位相検波処理部と、
を備える光検出装置。
【請求項７】
試料から導光された被分析光を分析するための光検出方法であって、
強誘電体結晶に分極反転領域を周期的に設けた擬似位相整合素子の一端に前記被分析光及びポンプ光を入射することにより、前記被分析光と前記ポンプ光の和周波光を前記擬似位相整合素子内で生成させ、
前記擬似位相整合素子の他端側から出射した前記和周波光を光検出部により電気信号に変換する、光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料から導光した被分析光の分析に用いられる光検出装置及び光検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料を透過した透過光や、試料が発した光（以下、被分析光と記載）を分析することは、試料の組成等を分析する上で有用である。被分析光には中赤外光が含まれている。中赤外光の検出には、通常、焦電素子（パイロメーター）やＰｂＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＴｅ、ＩｎＡｓなどのナローバンドギャップ半導体を用いた半導体検出器などが用いられる。
【０００３】
また特許文献１には、光パラメトリック相互作用器を用いて、赤外光波長の信号光を可視光ないし近赤外光に変換して検出することが記載されている。具体的には、光パラメトリック相互作用器は、ニオブ酸リチウムなどの分極反転可能な非線形光学材料からなる基板に希土類元素を添加ないし拡散させ、この基板に光導波路を形成した上で、光導波路に直交する状態に分極反転周期構造を設けることにより形成されている。また、光導波路の両端には、レーザ共振器が設けられている。そして、信号光とは別のレーザ（ポンプ光）を光パラメトリック相互作用器に入射させると、このレーザによって希土類元素が励起して蛍光を発する。そして、発生した蛍光がレーザ共振器によって光導波路内に閉じ込められてレーザ発振する。蛍光により発生したレーザは、信号光と混合することにより、短波長の光に変換される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−９２９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、パイロメーターは反応速度が遅い。また、ナローバンドギャップを用いた半導体検出器は、熱ノイズを減少させる必要があり、液体窒素を付属するデュワーに注入して冷却するか、またはペルチェ素子を用い、多段電子冷却などを行わなければならない。このため、光検出装置を戸外で使用したり、遠隔地でリモート制御することはできない。
【０００６】
また特許文献１に記載の技術は、上記したように、希土類元素の励起によるレーザと信号光とが混合することにより、信号光を短波長の光に変換するものである。変換した光の強度を十分に高くするためには、希土類元素をある程度以上の濃度で均一に添加する必要がある。しかし、このような添加は技術的に難しく、歩留まりが低下する可能性が高い。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、反応速度が速く、戸外での使用やリモート制御が可能であり、かつ、歩留まりが高い光検出装置及び光検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、試料から導光された被分析光を分析するための光検出装置であって、
一端に前記被分析光が入射する擬似位相整合素子と、
前記擬似位相整合素子の前記一端にポンプ光を入射するポンプ光源と、
前記擬似位相整合素子の他端側に設けられ、前記擬似位相整合素子で生成した、前記被分析光と前記ポンプ光の和周波光を検出して電気信号に変換する光検出部と、
を備える光検出装置が提供される。
【０００９】
本発明によれば、試料から導光された被分析光を分析するための光検出方法であって、
強誘電体結晶に分極反転領域を周期的に設けた擬似位相整合素子の一端に前記被分析光及びポンプ光を入射することにより、前記被分析光と前記ポンプ光の和周波光を前記擬似位相整合素子内で生成させ、
前記擬似位相整合素子の他端側から出射した前記和周波光を光検出部により電気信号に変換する、光検出方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、反応速度が速く、戸外での使用やリモート制御が可能であり、かつ、歩留まりが高い光検出装置及び光検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る光検出装置の構成を示す図である。
【図２】第２の実施形態に係る光検出装置の構成を示す図である。
【図３】第３の実施形態に係る光検出装置の構成を示す図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は位相検波処理部の動作を説明するための図である。
【図５】第４の実施形態に係る光検出装置の構成を示す図である。
【図６】第５の実施形態に係る光検出装置の構成を示す図である。
【図７】実施例に用いた実験装置の構成を示す図である。
【図８】実施例における被分析光の強度と光検出部の出力電圧の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１３】
図１は、第１の実施形態に係る光検出装置の構成を示す図である。この光検出装置は、試料から導光された被分析光を分析するための光検出装置であって、擬似位相整合素子２００、ポンプ光源１００、及び光検出部３００を備える。擬似位相整合素子２００は、一端に被分析光が入射する。ポンプ光源１００は、擬似位相整合素子２００の一端にポンプ光を入射する。光検出部３００は、擬似位相整合素子２００の他端側に設けられ、擬似位相整合素子２００で生成した、被分析光とポンプ光の和周波光を検出して電気信号に変換する。
【００１４】
和周波光の周波数λoutは、以下の（１）式により算出することができる。
１／λout＝(ｎpump／λpump−ｎsig／λsig−１／Λ)／ｎout・・・（１）
ここで、λpumpはポンプ光の波長であり、λsigは被分析光の波長であり、Λは擬似位相整合素子２００の分極反転構造の周期（間隔）である。またｎpump、ｎsig、ｎoutは、それぞれポンプ光、被分析光、及び和周波光の波長における擬似位相整合素子２００の屈折率である。
【００１５】
被分析光は、例えば中赤外光であり、和周波光は、例えば近赤外光である。また被分析光は、試料が発した光であってもよいし、試料を透過した光であってもよい。また被分析光は、例えば、図１に示した光検出装置を用いて分光分析される。
【００１６】
擬似位相整合素子２００は、強誘電体結晶に周期的な分極反転構造を設けたものである。分極反転構造の周期Λは、上記した（１）式に基づいて定められる。強誘電体結晶としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）を用いることができる。擬似位相整合素子２００は、光導波路を設けた導波路型であっても良いし、全体が導波路となるバルク型であってもよい。ただし、バルク型の擬似位相整合素子２００を用いた場合、導波路型の擬似位相整合素子２００を用いた場合と比較して、被分析光やポンプ光の入射角度の許容範囲が広くなり、光検出装置の製造が容易になる。
【００１７】
擬似位相整合素子２００は、一端に誘電体層２１０が設けられており、他端に誘電体層２２０が設けられている。誘電体層２１０は、信号光及びポンプ光が反射することを抑制する反射防止膜として機能するように、膜厚や積層構造が設計されている。誘電体層２２０は、ポンプ光が擬似位相整合素子２００の他端から出射することを抑制するバンドカットフィルターとして機能するように、膜厚や積層構造が設計されている。ただし、誘電体層２２０において、和周波光の透過率を高くする必要がある。
【００１８】
ポンプ光源１００は、レーザ光源であり、ポンプ光の波長は、上記した（１）式に従って定められる。ポンプ光源１００から発せられたポンプ光は、ハーフミラー１０５の一面で反射することにより、擬似位相整合素子２００の一端に入射する。なお被分析光は、ハーフミラー１０５を他面側から透過して、ポンプ光とともに擬似位相整合素子２００の一端に入射する。
【００１９】
なお、ハーフミラー１０５と擬似位相整合素子２００の間にはレンズ１２０が配置されており、擬似位相整合素子２００と光検出部３００の間にはレンズ３１０が配置されている。
【００２０】
図１に示した光検出装置は、以下のようにして使用される。まず、擬似位相整合素子２００の一端に被分析光及びポンプ光を入射することにより、被分析光とポンプ光の和周波光を擬似位相整合素子２００内で生成させる。発生した和周波光は、擬似位相整合素子２００の他端から出射する。出射した和周波光は、光検出部３００により電気信号に変換される。
【００２１】
なお、光検出部３００の出力電圧と被分析光の強度は相関を有している。このため、光検出部３００の出力電圧と被分析光の強度の相関を予め調べておき、この相関を示すデータを演算処理部（図示せず）が保持しておくことにより、光検出部３００の出力電圧から被分析光の強度を算出することができる。
【００２２】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。本実施形態によれば、擬似位相整合素子２００による和周波光を光検出部３００で検出している。このため、反応速度が速い。また、冷却などを必要としないため、戸外での使用やリモート制御が可能である。また、擬似位相整合素子２００の製造歩留まりは高いため、光検出装置の歩留まりは高くなる。
【００２３】
また、擬似位相整合素子２００の入射側の端面（一端）に反射防止膜としての誘電体層２１０を形成しているため、擬似位相整合素子２００にポンプ光や被分析光が入射するときに、ポンプ光や被分析光が反射することを抑制できる。また、擬似位相整合素子２００の出射側の端面（他端）に、バンドカットフィルターとして機能する誘電体層２２０を形成しているため、擬似位相整合素子２００からポンプ光が出射して光検出部３００の検出信号にノイズが発生することを抑制できる。
【００２４】
また、バルク型の擬似位相整合素子２００を用いた場合、入射角に対する許容範囲が広くなる。例えば導波路型の擬似位相整合素子２００を用いた場合、被分析光及びポンプ光の光軸が１μｍずれた場合、光検出部３００の出力電圧が約８５％低下するが、バルク型の擬似位相整合素子２００を用いた場合、光検出部３００の出力電圧の低下はほとんどない。
【００２５】
また、バルク型の擬似位相整合素子２００を用いた場合、導波路型の擬似位相整合素子２００を用いた場合と比較して、レンズ１２０を大きくすることができるため、微弱な被分析光を検出することができる。すなわち導波路型の擬似位相整合素子２００を用いた場合、導波路内における伝播モードとの結合を考慮すると、レンズ１２０の大きさを導波路の開口数以下にしなければならない。これに対して、バルク型の擬似位相整合素子２００を用いると、導波路内における伝播モードとの結合を考慮する必要がないため、レンズ１２０を大きくすることができる。
【００２６】
図２は、第２の実施形態に係る光検出装置の構成を示す図である。この光検出装置は、ハーフミラー１０５の代わりに光ファイバ型の偏波合成器１１５を用いてポンプ光と被分析光とが同一光路を進むようにしている点を除いて、第１の実施形態に係る光検出器と同様の構成である。偏波合成器１１５は、ポンプ光の偏光状態を維持したままポンプ光と被分析光とが同一光路を進むようにすることができる。
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２７】
図３は、第３の実施形態に係る光検出装置の構成を示す図である。この光検出装置は、ポンプ光制御部１１０及び位相検波処理部３２０を備える点を除いて、第１の実施形態と同様の構成である。
【００２８】
ポンプ光制御部１１０は、ポンプ光源１００を制御して、ポンプ光の強度を周期的に変化させることにより、和周波光の強度を周期的に変化させる。ポンプ光制御部１１０は、例えばポンプ光をパルス発振させることにより、和周波光の強度をパルス状に周期的に変化させる。
【００２９】
そして、光検出部３００は、周期的に強度が変化している和周波光を光電変換することにより、周期的に強度が変化している電気信号を生成して位相検波処理部３２０に出力する。
【００３０】
位相検波処理部３２０は、光検出部３００が出力した電気信号を位相検波する。具体的には、位相検波処理部３２０は、光検出部３００が出力した電気信号と周波数及び位相が同じである参照信号を発生する参照信号発生部と、この参照信号と光検出部３００が出力した電気信号の掛け算の結果を示す合成波を生成する合成回路と、合成波から直流成分を取り出すローパスフィルタとを備えている。合成波を生成することにより、光検出部３００が出力した電気信号に含まれるノイズ成分は高周波領域に移動するため、ローパスフィルタにより除去可能になる。そして、ローパスフィルタが取り出した信号の直流成分が、被分析光の強度を示すデータになる。
【００３１】
図４（ａ）は、光検出部３００が検出した光の強度の一例を示す図である。本図に示すように、光検出部３００が検出した信号そのものには、信号光の周波数成分のほかにノイズが含まれている。
【００３２】
図４（ｂ）は、位相検波処理部３２０としてロックインアンプを用いたときの、ロックインアンプの出力の一例を示す図である。本図に示すように、ローパスフィルタを透過することにより、光検出器３００が検出した信号に含まれるノイズ成分が除去される。そして、被分析光の強度を示すデータである直流成分は、振幅に変換された上で表示されている。
【００３３】
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、被分析光の強度を位相検波処理によって検出しているため、検出した信号に含まれるノイズが少なくなり、光検出装置の感度が高くなる。
【００３４】
図５は、第４の実施形態に係る光検出器の構成を示す図である。この光検出器は、ポンプ光源１００とハーフミラー１０５の間に光チョッパ１１２を有している点、及びポンプ光制御部１１０が光チョッパ１１２を制御する点を除いて、第３の実施形態に係る光検出器と同様の構成である。
【００３５】
すなわち本実施形態では、光チョッパ１１２が、ポンプ光源１００が発した光をチョッピングしてパルス状の光にする。チョッピングにより生成したパルス状の光の周波数は、光制御部１１０が光チョッパ１１２を介して制御する。そしてこのパルス状の光の周波数を変調することにより、ポンプ光源１００が発した光は、擬似的に正弦波になる。
【００３６】
従って、本実施形態によっても、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
図６は、第５の実施形態に係る光検出装置の構成を示す図である。この光検出装置は、ポンプ光制御部１１０の代わりに上面電極２３０、下面電極２４０、交流電源２５０、及び電源制御部２５２を有している点を除いて、第３の実施形態に係る光検出装置と同様の構成である。本実施形態において、擬似位相整合素子２００はバルク型であるのが好ましい。またポンプ光源１００は、ポンプ光として偏光（例えば直線偏光）を有する光（たとえばレーザ光）を発生させる。
【００３８】
上面電極２３０は、擬似位相整合素子２００の上面に設けられた電極であり、下面電極２４０は擬似位相整合素子２００の下面に設けられた電極である。上面電極２３０及び下面電極２４０は、例えばスパッタリング法や真空蒸着法により形成される。
【００３９】
交流電源２５０は、上面電極２３０及び下面電極２４０に周期的に電圧を印加する。上面電極２３０及び下面電極２４０の間に電圧が印加されると、ポンプ光の偏向方向がシフトする。このため、上面電極２３０及び下面電極２４０に周期的に変化する電圧を印加すると、ポンプ光の偏光方向が周期的に変化する。ポンプ光の偏光方向が周期的に変化すると、和周波光の生成効率が周期的に変化し、和周波光の強度が周期的に変化する。このため、位相検波処理部３２０は、第３の実施形態と同様に、光検出部３００が出力した電気信号を位相検波することができる。
【００４０】
従って、本実施形態によっても、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００４２】
（実施例）
図７に示すように、第１の実施形態に係る光検出装置を作製し、被分析光及びポンプ光の入射及び和周波光の検出を行った。被分析光として波長４．３μｍの直線偏光コヒーレント光を使用し、ポンプ光として波長１．４８μｍの直線偏光コヒーレント光を用いた。また被分析光の光源４００としては、ＣＷ−ＯＰＯレーザを用いた。光源４００とハーフミラー１０５の間には、ガスセル４２０を設けた。ガスセル４２０には二酸化炭素が導入されているが、ガスセル４２０内における二酸化炭素濃度は、可変である。なお、二酸化炭素は、波長４．３μｍの光を吸収する。このため、ガスセル４２０内における二酸化炭素濃度を変化させることにより、被分析光の強度を変化させることができる。
【００４３】
擬似位相整合素子２００を構成する強誘電体結晶には、ニオブ酸リチウムを使用した。擬似位相整合素子２００の分極反転周期Λは、３０μｍとした。この条件において、被分析光とポンプ光の和周波の波長は１．１μｍである。
【００４４】
また擬似位相整合素子２００の入射側の端部の誘電体層２１０は、被分析光及びポンプ光に対して反射率が０．５％以下になるように成膜し、出射側の端部の誘電体層２２０は、和周波光に対する反射率が１％以下であり、かつポンプ光に対する反射率が９９％以上となるように成膜した。
【００４５】
そして、ポンプ光の出力を一定に保ったまま、ガスセル４２０内の二酸化炭素濃度を変化させることにより被分析光の出力を変化させ、光検出部３００の出力電圧を測定した。
【００４６】
図８に、被分析光の強度と光検出部３００の出力電圧の関係を示す。ここで、被分析光の光源となるＣＷ−ＯＰＯレーザの出力電力を、被分析光の強度として用いた。被分析光の強度が２０ｍＶのとき、光検出器の出力電圧は０．４２Ｖであった。そして、被分析光の強度が２０ｍＶ〜１００ｍＶの範囲において、被分析光の強度が上がるにつれて、光検出部３００の出力電圧も上昇することが確認された。このため、光検出部３００の出力電圧を被分析光の強度に変換するためのデータを予め保持しておくことにより、光検出部３００の出力電圧から被分析光の強度を算出することができる。
【００４７】
以上から、実施形態に係る光検出装置によって、中赤外光である被分析光を近赤外光に変換して検出できることが示された。また、検出された電圧の大きさに基づいて、被分析光の強度を算出できることが示された。
【符号の説明】
【００４８】
１００ ポンプ光源
１０５ ハーフミラー
１１０ ポンプ光制御部
１１２  光チョッパ
１１５ 偏波合成器
１２０ レンズ
２００ 擬似位相整合素子
２１０ 誘電体層
２２０ 誘電体層
２３０ 上面電極
２４０ 下面電極
２５０ 交流電源
２５２ 電源制御部
３００ 光検出部
３１０ レンズ
３２０ 位相検波処理部
４００  光源
４２０  ガスセル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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