(57)【要約】【課題】      被測定ガスのガス圧が１０ｍｂａｒ未満であっても、信号対雑音比を十分大きくして、精度良くガス濃度を測定することができる半導体レーザ吸収分光装置を提供することを目的とする。【解決手段】  アンモニアガスＧ１が充填されるガスセル２４内に配置され、電流励起により駆動する電流励起型面発光半導体レーザ２１と、電流励起型面発光半導体レーザ２１から出射される半導体レーザ光の光路上に、且つガスセル２４内に配置される凹面鏡２３とからなる２つの共振器を有し、アンモニアガスＧ１に照射された半導体レーザＬ１を受光する第１のフォトダイオード５２と、電流励起型面発光半導体２１から照射された半導体レーザＬ２を受光する第２のフォトダイオード５５とを備えて、第１及び第２のフォトダイオード５２，５５にそれぞれ受光した半導体レーザ光Ｌ１，Ｌ２の発光強度からアンモニアガスＧ１の濃度を測定するようにした。【選択図】        図４
2006133013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ光による吸収分光法を用いてガス濃度を評価する半導体レーザ吸収分光装置において、
半導体レーザから出射された前記半導体レーザ光が伝搬する光路上に３つの反射鏡が設置され、隣接する２つの反射鏡からなる２つの共振器を有し、前記２つの共振器のうち一方に被測定ガスを配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスが配置された共振器側から出射した前記半導体レーザ光を受光する第１のフォトダイオードと、
前記共振器とは別の共振器側から出射した前記半導体レーザを受光する第２のフォトダイオードとを備える
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記半導体レーザは、電流励起により駆動する電流励起型面発光半導体レーザである
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスを封入するガス容器の内部に、前記３つの反射鏡を配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
【請求項５】
請求項３に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスを封入するガス容器の外部に、前記３つの反射鏡を配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記半導体レーザは、光励起によりレーザ発振する光励起型面発光半導体レーザである
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスを封入するガス容器の内部に、前記３つの反射鏡を配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
【請求項８】
請求項６に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスを封入するガス容器の外部に、前記３つの反射鏡を配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
【請求項９】
請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記半導体レーザは、端面発光型半導体レーザである
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスを封入するガス容器の内部に、前記３つの反射鏡を配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスを封入するガス容器の外部に、前記３つの反射鏡を配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ吸収分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近赤外領域において吸収強度が大きいガス種が多く存在することから、近赤外半導体レーザによりガス濃度や温度の評価を行う半導体レーザ吸収分光法に関する研究が盛んに行われている。ガス濃度測定を行う際には、特定のガス種が有する吸収線を複数検知し、その吸収量の強度比などの情報からガス濃度を特定するため、１ｎｍ以上の波長を掃引できることが望ましい。そのため、従来は分布帰還型（Distributed FeedBack、ＤＦＢ）レーザの発振波長が注入電流の増加に伴い１ｎｍ程度増加することを利用するか、半導体レーザと外部共振器の組み合わせによる波長掃引機能（２０ｎｍ程度）を利用した半導体レーザ吸収分光が行われてきた（非特許文献１を参照）。しかしながら、前者は波長掃引領域が狭いために室温かつ常圧のガス濃度測定に限られていた。また、後者は、外部共振器を機械的に動かして波長掃引を行うために、掃引速度が原理的に遅いことが問題となっていた。
【０００３】
一方、面発光型半導体レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser、ＶＣＳＥＬ）は、従来の半導体レーザと比較して活性層体積が小さいことと、電流注入を行う半導体分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector、ＤＢＲ）層の電気的な抵抗が高いことから、発振波長が注入電力の増加に伴い３〜４ｎｍ程度と大きく増加することが知られている。さらに、単位電流当たりの波長の増加量が、従来の半導体レーザが０．０１ｎｍ／ｍＡ程度であるのに対し、面発光型半導体レーザは０．３〜０．４ｎｍ／Ａ程度と数十倍大きいため、高速度で波長掃引を行うことが可能となる。そのため、面発光型半導体レーザを用いた半導体レーザ分光吸収によるガス濃度評価は、酸素やアンモニアの濃度測定に利用されている（非特許文献２および非特許文献３を参照）。
【０００４】
図1８を用いて従来の面発光型半導体レーザを用いた半導体レーザ分光吸収法について説明を行う。面発光型半導体レーザ１０１は、レーザドライバ１０２と温度コントローラ１０３により、電流値と温度をそれぞれコントロールして、駆動している。面発光型半導体レーザ１０１から出射したレーザ光Ｌ１０は、第１のレンズ1０４によりコリメート（平行）光となりビームスプリッタ１０５を経てガスセル１０６の片側の端面からガスセル１０６内部に充填された１０mbar以上の圧力を有する被測定ガスｇに入射する。
【０００５】
被測定ガスｇに入射したレーザ光は一度ガスセル１０６から外部に出て、第１の反射鏡1０７により反対方向に反射して再びガスセル１０６内を通過し、第２の反射鏡１０８を経て第２のレンズ１０９により第１のフォトダイオード（Photo Diode、ＰＤ）１１０の受光径に合うようにスポットサイズ変換を受けた後、第１のフォトダイオード１１０に入射する。
【０００６】
面発光型半導体レーザ１０１から出射されたレーザ光Ｌ１０の光出力Ｌおよび発振波長λの注入電流Ｉの依存性を図１９に示す。先に述べたように、注入電流Ｉの増加に伴い発振波長λが増加している様子が分かる。そのため、測定ガスの吸収線波長とレーザ光の波長が一致しない場合は、第１のフォトダイオード１１０への入射光はほとんど損失を受けないため、受光強度（電流・電圧）は大きい。一方、一致する場合は、レーザ光がガスセル１０６内を往復する際に強い吸収を受けて損失が大きくなるため、受光強度は小さくなる。
【０００７】
図２０（ａ）にガスセル１０６に圧力１００mbarのアンモニアガスを充填したときのＩ−Ｌ特性を示す。先に述べたように、面発光型半導体レーザ１０１への注入電流の増加に伴い発振波長が長波長側にシフトするため、図２０（ａ）に示すように、Ｉ−Ｌ特性においてガスの吸収線波長に対応したディップが観測される（実際にはさらに多くの数のディップが観測されるが、ここでは簡便のため省略している）。このディップの面積からガス濃度に対応した光吸収量を評価することが可能となる。
【０００８】
図２１（ａ）と図２１（ｃ）には、図２０（ａ）の結果から得られた光吸収量の波長依存性と、アンモニアガスにおける吸収線のシミュレーション結果をそれぞれ示す。図２１（ａ）と図２１（ｃ）を比較して分かるように、図２０（ａ）から得られた実験結果とシミュレーションから得られた吸収線が精度良く一致することが分かる。このように比較的狭い波長帯域内に複数の吸収線を検知しなければならない半導体レーザ吸収分光においては、半導体レーザの発振波長を精度良く測定する必要がある。そのため、図１８に示したように面発光型半導体レーザ１０１から出射されたレーザ光Ｌ１０をビームスプリッタ１０５で分岐し、エタロン共振器１１１を通過させて第２のフォトダイオード１１２で受光している。このときの受光強度（電圧・電流）は、エタロン共振器１１１の縦モード間隔の周期で強度が大きく変動するため、レーザ光Ｌ１０の発振波長を高分解能でモニタすることが可能となる。
【０００９】
【非特許文献１】R.M. Mihalcea et al.，「Diode laser sensor for measurements of CO, CO2, and CH4 in combustion flows」，Applied Optics，1997年11月20日，Vol.36，No.30，8745-8752
【非特許文献２】J. Wang et al，「Oxygen measurements at high pressures with vertical cavity surface-emitting lasers」，Applied Physics B，2001年，B 72，865-872
【非特許文献３】G. Totschnig et al.，「High-speed vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) absorption spectroscopy of ammonia (NH3) near 1.54μm」，Applied Physics B，2003年，B 76，603-608
【非特許文献４】A. Mooradian，「High brightness cavity-controlled surface emitting GaInAs lasers operating at 980 nm」，Optical Fiber Communication，2001年，PD17-1
【非特許文献５】M. A. Hadley et al，「High single-transverse-mode output from external-cavity surface-emitting laser diodes」，Applied Physics Letters，1993年9月20日，Vol.63，No.20，1607-1609
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一方、受光強度の大小によりガス濃度を精度良く評価するためには、受光強度のＳ／Ｎ（信号対雑音）比を十分大きくとることが必要である。特にガスの圧力が１０mbar未満と低い場合、面発光型半導体レーザのレーザ光強度が１ｍＷ程度（シングルモード）と低いため、高いＳ／Ｎ比を確保することが困難となる。そのため、１０mbar未満において面発光型半導体レーザを用いて吸収分光測定を行うと、図２０（ｂ）に示したように、Ｉ−Ｌ特性において観測されるディップが浅くなり、形状になまりが見られる。そのため、図２１（ｂ）に示した図２０（ｂ）から得られた光吸収線と、図２１（ｃ）に示したシミュレーション結果には、吸収線波長のズレが観測され、また光吸収量が全体的に弱く観測されるため、光吸収量の少ない吸収線波長が観測されないことが分かる。よって、ガス圧が１０mbar未満になると、面発光型半導体レーザの出射光強度が低いため、吸収分光測定において十分なＳ／Ｎ比を確保できず、ガス濃度に対応した光吸収量を正確に測定することができないばかりか、観測されない吸収線波長も発生するため、ガス種を誤って判断する可能性が生じる。
【００１１】
十分なＳ／Ｎ比を確保する別の手段として、レーザ光をガスセル内で２回以上往復させる方法も考えられるが、レーザ光をガスセル内で複数回往復させるためには、ガスセルの両端に設置する反射鏡の数が増加するため、装置が複雑で高コストになり、光軸調整箇所も増加するため、測定効率が著しく低下する。このように、従来の面発光型半導体レーザを用いた半導体レーザ吸収分光装置ではガス圧が１０mbar未満の場合、Ｓ／Ｎ比が小さく（悪く）、高精度な測定値が得られないばかりか誤った測定結果が得られてしまうという問題があり、重大な課題となっていた。
【００１２】
そこで、本発明は、上述した問題に鑑み提案されたものであり、被測定ガスのガス圧が１０mbar未満であっても、信号対雑音比を十分大きくして、精度良くガス濃度を測定することができる半導体レーザ吸収分光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決する第１の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、半導体レーザ光による吸収分光法を用いてガス濃度を評価する半導体レーザ吸収分光装置において、半導体レーザから出射された前記半導体レーザ光が伝搬する光路上に３つの反射鏡が設置され、隣接する２つの反射鏡からなる２つの共振器を有し、前記２つの共振器のうち一方に被測定ガスを配置したことを特徴とする。
【００１４】
上述した課題を解決する第２の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第１の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスが配置された共振器側から出射した前記半導体レーザ光を受光する第１のフォトダイオードと、前記共振器とは別の共振器側から出射した前記半導体レーザを受光する第２のフォトダイオードとを備えることを特徴とする。
【００１５】
上述した課題を解決する第３の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第１の発明または第２の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記半導体レーザが、電流励起により駆動する電流励起型面発光半導体レーザであることを特徴とする。
【００１６】
上述した課題を解決する第４の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第３の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスを封入するガス容器の内部に、前記３つの反射鏡を配置したことを特徴とする。
【００１７】
上述した課題を解決する第５の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第３の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスを封入するガス容器の外部に、前記３つの反射鏡を配置したことを特徴とする。
【００１８】
上述した課題を解決する第６の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第１の発明または第２の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記半導体レーザが、光励起によりレーザ発振する光励起型面発光半導体レーザであることを特徴とする。
【００１９】
上述した課題を解決する第７の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第６の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスを封入するガス容器の内部に、前記３つの反射鏡を配置したことを特徴とする。
【００２０】
上述した課題を解決する第８の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第６の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスを封入するガス容器の外部に、前記３つの反射鏡を配置したことを特徴とする。
【００２１】
上述した課題を解決する第９の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第１の発明または第２の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記半導体レーザが、端面発光型半導体レーザであることを特徴とする。
【００２２】
上述した課題を解決する第１０の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第９の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスを封入するガス容器の内部に、前記３つの反射鏡を配置したことを特徴とする。
【００２３】
上述した課題を解決する第１１の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第９の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスを封入するガス容器の外部に、前記３つの反射鏡を配置したことを特徴とする。
【００２４】
［作用］
上記の構成を有する本発明においては問題点が以下のように解決されている。以下、本発明に係る半導体レーザ吸収分光装置に用いる面発光型半導体レーザの原理について図１を用いて説明する。同図に示すように、面発光型半導体レーザ１は、従来型の面発光型半導体レーザの出射方向に、光学絞り２と凹面鏡３を備えた複合共振器型面発光半導体レーザとなっている。面発光型半導体レーザ１は、例えば、１．５５μｍ帯に発振波長を有し、ｎ−ＩｎＰ基板４上には、ｎ型にドープされた高反射率を有するｎ−ＤＢＲ層（屈折率の異なる材料を交互に積層した構造）５、多重量子井戸（Multiple Quantum Wells、ＭＱＷ）活性層６、高反射率のｐ−ＤＢＲ層７、およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８が順次積層されている。ｎ−ＩｎＰ基板４の下側にはｎ電極１２が積層されており、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８の上には、電流注入を行うためのｐ電極１１が積層されている。また、ｐ−ＤＢＲ層７におけるｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８で囲まれる領域には、反射防止膜９が積層されている。
【００２５】
この面発光型半導体レーザ１に電流注入を行うと、ｎ−ＤＢＲ層５とｐ−ＤＢＲ層７とから構成された第１の共振器１３によりレーザ発振が行われるが、発振波長およびモードプロファイルは、ｐ−ＤＢＲ層７と凹面鏡３で構成された第２の共振器１４との相互作用により決定される。そのため、凹面鏡３と光学絞り２の位置調整および光学絞り２の開口径の調整を行うことで、単一横および縦モードを維持しながら出力光強度の向上が可能であることが一般的に知られている（非特許文献４、および非特許文献５を参照）。
【００２６】
一般に第２の共振器１４の空間は、通常レーザ発振波長に対し透明な大気や窒素ガスなどで満たされている。これは、レーザ発振波長に対する吸収媒質（固体、気体など）で満たすと、多重量子井戸活性層６の光学利得よりも、該空間における光学損失が大きくなり、レーザ発振が全く得られなくなってしまうためである。本発明に係る半導体レーザ吸収分光装置における面発光型半導体レーザ１においては、図２に示したように、該空間をレーザ発振波長付近に吸収線を有するガスＧによって満たすことを最大の特徴とする。
【００２７】
そのため、先に述べたように面発光型半導体レーザ１の発振波長が電流の増加に伴って増加することを利用してＩ−Ｌ特性を評価すると、図３に示したように、ガスの吸収線に対応した波長においては、第２の共振器１４における光学損失が大きくなりレーザ発振が得られないため、発光強度が得られない。一方、吸収線に対応しない波長においては、第２の共振器１４における光学損失は無いため、従来の面発光型半導体レーザよりも大きな発光強度が得られる。そのため、本発明の装置において面発光型半導体レーザ１を用いれば、ガスセルの両端に設置する反射鏡の数量を増加させることなく、従来よりも飛躍的に高いＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を得ることができるため、高精度なガス濃度測定が可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
第１の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、常圧のガス圧はもちろんのこと従来の半導体レーザ吸収分光装置では測定できなかった低いガス圧においても、高い信号対雑音比を確保することができるため、高精度且つ正確なガス濃度を測定することが可能となる。
【００２９】
第２の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第１の発明と同様な作用効果を奏する。
【００３０】
第３の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第１の発明と同様な作用効果を奏する。
【００３１】
第４の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第１の発明と同様な作用効果を奏する。
【００３２】
第５の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第３の発明と同様な作用効果を奏する他、被測定ガスを充填するガス容器の温度を制御するヒータの影響を受けずに、前記電流励起型面発光型半導体レーザの駆動温度を制御することができる。
【００３３】
第６の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第１の発明と同様な作用効果を奏する他、電流励起型面発光半導体レーザのような電極や電流狭窄構造が不要となるので、前記光励起型面発光半導体レーザの作製が簡便になるという効果がある。
【００３４】
第７の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第６の発明と同様な作用効果を奏する。
【００３５】
第８の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第６の発明と同様な作用効果を奏する他、被測定ガスを充填するガス容器の温度を制御するヒータの影響を受けずに、前記光励起型面発光半導体レーザの駆動温度を制御することができる。
【００３６】
第９の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第１の発明と同様な作用効果を奏する。
【００３７】
第１０の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第９の発明と同様な作用効果を奏する。
【００３８】
第１１の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第９の発明と同様な作用効果を奏する他、被測定ガスを充填するガス容器の温度を制御するヒータの影響を受けずに、前記端面発光型半導体レーザの駆動温度を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下に、本発明に係る半導体レーザ吸収分光装置を実施するための最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。
【実施例１】
【００４０】
図４は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図であり、図５は、その装置における電流励起型面発光半導体レーザの説明図であり、図５（ａ）にその構造、図５（ｂ）にそれを複合共振器としたときの概念を示す。図６は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における光出力と発振波長の電流依存性を示すグラフであり、図７は、その装置による測定結果を示すグラフであり、図８は、光吸収量と発振波長との関係を示すグラフであり、図８（ａ）にその装置における光吸収量の測定結果を示し、図８（ｂ）に光吸収量のシミュレーション結果を示す。
【００４１】
ここでは、１mbarのガス圧を有する被測定ガスであるアンモニアガスの濃度計測について詳細に説明する。
図４に示すように、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置２０は、電流励起により駆動する電流励起型面発光半導体レーザ（以下、電流励起型ＶＣＳＥＬと略す）２１と、電流励起型ＶＣＳＥＬ２１から発振された半導体レーザ光の光路上に配置された光学絞り２２と、前記光路上に配置されると共に、光学絞り２２に相対して配置された凹面鏡２３とを有する。ただし、電流励起型ＶＣＳＥＬ２１と光学絞り２２と凹面鏡２３とは、後述するレーザ発振波長付近に吸収線波長を有する被測定ガスであるアンモニアガスＧ１を封入するガス容器であるガスセル２４内に配置されている。
【００４２】
電流励起型ＶＣＳＥＬ２１と、電流励起型ＶＣＳＥＬ２１に隣接して配置されるヒートシンク２５とは、ＡｕＳｎはんだ（図示せず）等により可動ステージ２６上に固定されており、電流励起型ＶＣＳＥＬ２１には、レーザドライバ２７が接続されている。電流励起型ＶＣＳＥＬ２１は、可動ステージ２６に内蔵された電子冷却装置（図示せず）とレーザドライバ２７により、温度と電流値をそれぞれコントロールして、駆動が行われる。前記電子冷却装置には、温度コントローラ２８が接続されており、ヒートシンク２５および可動ステージ２６の温度は、室温と同じ温度に設定されている。
【００４３】
図５（ａ）に示すように、電流励起型ＶＣＳＥＬ２１は、ｎ−ＩｎＰ基板（図示せず）上に、ｎ−ＩｎＰ系ＤＢＲ層２９、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（Multiple Quantum Wells、ＭＱＷ）活性層（以下、ＭＱＷ活性層と略す）３０、ｐ−ＩｎＰ系ＤＢＲ層３１を順次積層して形成し、ＭＱＷ活性層３０をｎ−ＩｎＰ系ＤＢＲ層２９とｐ−ＩｎＰ系ＤＢＲ層３１で挟んだ構造となっている。
【００４４】
ｎ−ＩｎＰ系ＤＢＲ層２９は、１．５５μｍ光学波長の１／４となる膜厚のｎ−ＩｎＰ層（図示せず）とｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．３μｍ）層（図示せず）を交互に５対積層したＤＢＲ構造となっており、ｐ−ＩｎＰ系ＤＢＲ層３１も同様にｐ−ＩｎＰ層（図示せず）とｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層（図示せず）を交互に５対積層したＤＢＲ構造となっている。このようなＭＱＷ活性層３０を半導体ＤＢＲ層で挟んだ構造は、発振波長を精度良く設定するのに有利な構造となっている。
【００４５】
また、電流狭窄構造を形成するために、ＭＱＷ活性層３０の周囲を半絶縁性のＦｅ−ＩｎＰ層３２で埋め込み、発光径を直径１５μｍとした。この基板と、熱伝導率の高いｎ−ＧａＡｓ系ＤＢＲ層３３、すなわち、１．５５μｍ光学波長の１／４となる膜厚のｎ−ＧａＡｓ層とｎ−ＡｌＡｓ層を交互に積層した構造が形成されたｎ−ＧａＡｓ基板３４を薄膜化Wafer-fusion技術（前記ＩｎＰ基板を除去して薄膜化する技術）により貼り合わせることにより、レーザ駆動時の発熱により出力特性の劣化を抑制する構造となる。
【００４６】
埋め込み構造の上部に電流ブロック層であるｎ−ＩｎＰ層３５と電流パス層であるｐ−ＩｎＧａＡｓ層３６を順次積層して形成した後、１．５５μｍ光学波長の１／４となる膜厚のＴｉＯ2とＳｉＯ2を交互に積層した誘電体ＤＢＲ層３７を形成することにより、ＭＱＷ活性層３０の両側に高反射鏡がそれぞれ形成される。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３４側にはｎ電極３８を形成し、ｐ−ＩｎＧａＡｓ層３１の上部にはｐ電極３９を形成しており、電流注入により半導体レーザが発振する。ｎ−ＧａＡｓ基板３４には、反射防止膜４０が形成されている。
【００４７】
電流励起型ＶＣＳＥＬ２１は、図５に示すように、ｎ−ＧａＡｓ系ＤＢＲ層３３とｎ−ＩｎＰ系ＤＢＲ層２９からなる反射率９９．６％を有する第１の反射鏡Ｒ１と、ｐ−ＩｎＰ系ＤＢＲ層３１と誘電体ＤＢＲ層３７からなる反射率９０％を有する第２の反射鏡Ｒ２により、利得媒質であるＭＱＷ活性層３０を挟んだ第１の共振器４１を形成している。一方、第３の反射鏡Ｒ３として反射率９９．８％を有する凹面鏡２３を第２の反射鏡Ｒ２と相対する位置に設置することで第２の共振器４２を形成している。第１の共振器４１と第２の共振器４２は結合しており、結合共振器構造を形成している。
【００４８】
半導体レーザ光は第１の反射鏡Ｒ１の一側部、第３の反射鏡Ｒ３の一側部からそれぞれ出射しており、第３の反射鏡Ｒ３から第１のフォトダイオード５２（図４参照）側に出射する半導体レーザ光Ｌ１は、第１の反射鏡Ｒ１から第２のフォトダイオード５５（図４参照）側に出射する半導体レーザ光Ｌ２の２０倍程度の出力光強度となるように調整されている。
【００４９】
一方、ガスセル２４は長さ約４０ｃｍであり、１０００℃以上の高い温度の耐性がある石英などの材料で構成されており、かつ電流励起型ＶＣＳＥＬ２１から出射される半導体レーザ光に対し透明である材質を用いている。ガスセル２４の両端面は、１〜７度程度の角度をつけて斜めに加工しており、端面における半導体レーザ光の反射による影響が極力少なくなるようになっている。また、ガスセル２４内のアンモニアガスＧ１の温度は、図４に示すように、ガスセル２４の周りに設けられたヒータ４３により一定となるよう調整されており、ガスセル２４内のアンモニアガスＧ１のガス圧は、ガスセル２４のガス出口２４ａに設けられたガス圧力計４４によりモニタされている。
【００５０】
アンモニアガスＧ１のガスセル２４への充填は、最初に、ガスセル２４のガス入口２４ｂを閉じた状態で、ガス出口２４ａに真空ポンプ（図示せず）を接続してガスセル２４内を真空引きした後、ガス出口２４ａを閉じる。続いて、ガス入口２４ｂにアンモニアガスＧ１の入った容器（ボンベ）等を接続し、ガス入口２４ｂを開け、ガス圧力計４４にて１mbarのガス圧となるまでアンモニアガスＧ１を充填して、ガス入口２４ｂを閉じる。ヒータ４３の温度は、室温と同じ温度に設定されている。
【００５１】
光学絞り２２および凹面鏡２３は、それぞれ可動ステージ４５，４６上に設置されている。各可動ステージ２６，４５，４６には、ＸＹＺ軸ステージコントローラ４７，４８，４９がそれぞれ接続されており、電流励起型ＶＣＳＥＬ２１、光学絞り２２および凹面鏡２３の位置がそれぞれ調整可能になっている。電流励起型ＶＣＳＥＬ２１、光学絞り２２および凹面鏡２３からなる２つの共振器が結合した複合共振器５０が形成され、結合共振器５０では、各位置を調整することにより、単一横モード化および単一縦モード化が行われている。曲率半径１０ｃｍの凹面鏡２３を用いたため、凹面鏡２３と電流励起型ＶＣＳＥＬ２１間の距離を、１０ｃｍ程度を目安としてＸＹＺ軸ステージコントローラ４７，４８，４９により、可動ステージ２６、４５および４６を微動調整して、半導体レーザ光の単一横及び縦モード化を実現している。
【００５２】
電流励起型ＶＣＳＥＬ２１から出射された半導体レーザ光が伝搬する光路におけるガスセル２４の一方の端部に相対してレンズ５１が配置されており、レンズ５１に相対して第１のフォトダイオード（Photo Diode、ＰＤ）５２が配置されている。前記光路におけるガスセル２４の他方の端部に相対してレンズ５３が配置され、レンズ５３に相対してエタロン共振器５４が配置されており、エタロン共振器５４に相対して第２のフォトダイオード５５が配置されている。
【００５３】
電流励起型ＶＣＳＥＬ２１から出射した半導体レーザ光Ｌ１は、アンモニアガスＧ１の吸収線と波長が一致しない場合には、ガスセル２４の一方の端部、レンズ５１を経て第１のフォトダイオード５２に入射しており、このフォトダイオード５２に発光強度（電圧・電流）が記録される。アンモニアガスＧ１の吸収線と波長が一致する場合には、アンモニアガスＧ１に前記半導体レーザ光Ｌ１は吸収される。電流励起型ＶＣＳＥＬ２１の反対側からは、半導体レーザ光Ｌ１の１／２０程度の出力光強度を有する半導体レーザ光Ｌ２が、同一の波長で出射される。この半導体レーザ光Ｌ２をヒートシンク２５および可動ステージ２６の貫通孔２５ａ，２６ａと、レンズ５３、エタロン共振器５４を経て第２のフォトダイオード５５に入射しており、高分解能で発振波長がモニタされる。
【００５４】
図６に示すように、半導体レーザ吸収分光装置２０では、電流の増加に比例して半導体レーザ光の発振波長が漸増し、半導体レーザ光の出力強度が所定の割合で変化している。また光スペクトル測定とファーフィールドパターン測定により、電流励起型ＶＣＳＥＬ２１からの出射光が、良好な単一横モードと縦モード性を得ていることを確認した。図７（実際には図示した以上のディップが観測されたが、ここでは吸収量の多い代表的なディップのみを示した図）に示すように、半導体レーザ吸収分光装置２０では、ディップが非常に深く、その形状も鋭角となっているため、ガス圧が１mbarと低いにもかかわらず、高いＳ／Ｎ比と波長精度を有するデータが得られたことが分かる。図８に示すように、半導体レーザ吸収分光装置２０により得られた光吸収量とシミュレーションにより得られた光吸収量とは、吸収線波長のズレはなく、非常に良く一致し、全ての吸収線波長が観測されたことが分かる。
【００５５】
このように、複合共振器５０を有する半導体レーザ吸収分光装置２０によれば、アンモニアガス圧が１０mbar未満においても、高いＳ／Ｎ比を確保できるため、精度の良いガス濃度測定を実現することが可能となる。
【００５６】
上記では、被測定ガスとしてアンモニアガスＧ１を用いて説明したが、半導体レーザ光の発振波長付近に吸収線波長を有するガスであれば、どのようなガスに適用しても良く、上述したアンモニアガスの濃度測定と同様な作用効果を奏する。
【実施例２】
【００５７】
以下に、第２の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置について、図を用いて説明する。
【００５８】
図９は、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。第２の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置は、上述した第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における電流励起型ＶＣＳＥＬ、光学絞りおよび凹面鏡の配置位置を変えたものであり、これ以外は前記半導体レーザ吸収分光装置と同じ構成を有する。これらの構成については、上記第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置と同じ符号を付記し、同一符号については、その説明を省略する。
【００５９】
本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置５６は、ガスセル５７の外側に電流励起型ＶＣＳＥＬ２１、光学絞り２２および凹面鏡２３を配置したものであり、電流励起型ＶＣＳＥＬ２１の一方から出射した半導体レーザ光Ｌ１は、ガスセル５４、光学絞り２２、凹面鏡２３、レンズ５１を通って、第１のフォトダイオード５２に入射する。電流励起型ＶＣＳＥＬ２１の他方から出射した半導体レーザ光Ｌ２は、ヒートシンク２５および可動ステージ２６の貫通孔２５ａ，２６ａ、レンズ５３、エタロン共振器５４を通って、第２のフォトダイオード５５に入射する。
【００６０】
ガスセル５７の両端面は、１度〜７度程度の角度をつけて斜めに加工してあり、端面における半導体レーザ光の反射による影響を極力少なくするようにしてある。よって、第２の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置５６によれば、第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置２０と同様な作用効果を奏する。さらに、ガスセル５７の外部に電流励起型ＶＣＳＥＬ２１が配置されるので、ガスセル５７の温度を制御するヒータ４３の影響を受けずに、電流励起型ＶＣＳＥＬ２１の駆動温度を制御することができるという利点がある。
【実施例３】
【００６１】
以下に、第３の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置について、図を用いて説明する。
【００６２】
図１０は、本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図であり、図１１は、その装置における光励起型面発光半導体レーザの構造図である。第３の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置は、上述した第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における電流励起型ＶＣＳＥＬを光励起型面発光半導体レーザに代えたものであり、これ以外は前記半導体レーザ吸収分光装置と同じ構成を有する。これらの構成については、上記第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置と同じ符号を付記する。
【００６３】
ここでは、１mbarのガス圧を有する被測定ガスであるアンモニアガスの濃度計測について詳細に説明する。
図１０に示すように、本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置５８は、発振波長より短い波長を有する励起光によりレーザ発振する光励起型面発光半導体レーザ（以下、光励起型ＶＣＳＥＬと略す）５９と、光励起型ＶＣＳＥＬ５９により発振された半導体レーザ光の光路上に配置された光学絞り２２と、前記光路上に配置されると共に、光学絞り２２に相対して配置された凹面鏡２３とを有する。ただし、光励起型ＶＣＳＥＬ５９と光学絞り２２と凹面鏡２３とは、後述するレーザ発振波長付近に吸収線波長を有する被測定ガスであるアンモニアガスＧ１を封入するガス容器であるガスセル２４内に配置されている。
【００６４】
光励起型ＶＣＳＥＬ５９と、光励起型ＶＣＳＥＬ５９に隣接して配置されるヒートシンク２５とは、ＡｕＳｎはんだ（図示せず）等により可動ステージ２６上に固定されており、光励起型ＶＣＳＥＬ５９には、レーザドライバ６０が接続されている。光励起型ＶＣＳＥＬ５９は、可動ステージ２６に内蔵された電子冷却装置（図示せず）とレーザドライバ６０により、温度と電流値をそれぞれコントロールして、駆動が行われる。ヒートシンク２５および可動ステージ２６の温度は、室温と同じ温度に設定されている。
【００６５】
図１１に示すように、光励起型ＶＣＳＥＬ５９では、ＩｎＰ基板（図示せず）上に、ＩｎＰ層６１、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層（ＭＱＷ活性層）６２、ＩｎＰ層６１、ＩｎＰ系ＤＢＲ層６３を順次形成されている。ＩｎＰ系ＤＢＲ層６３は、１．５５μｍ光学波長の１／４となる膜厚のｎ−ＩｎＰ層（図示せず）とｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．３μｍ）層（図示せず）を交互に５対積層したＤＢＲ構造となっている。
【００６６】
前記ＩｎＰ基板を除去して薄膜化した基板と、熱伝導率の高いＧａＡｓ系ＤＢＲ層６４（１．５５μｍ光学波長の１／４となる膜厚のＧａＡｓ層とＡｌＡｓ層を交互に積層した層）が形成されたＧａＡｓ基板６５とを、薄膜化Wafer-fusion技術により貼り合わせることにより、レーザ駆動時の発熱により出力特性の劣化を抑制する構造となる。ＩｎＰ系ＤＢＲ層６３の上部に、１．５５μｍ光学波長の１／４となる膜厚のＴｉＯ2とＳｉＯ2を交互に積層した誘電体ＤＢＲ層６６を形成して、ＭＱＷ活性層６２の両側に高反射鏡が形成される。また、ＧａＡｓ基板６５には反射防止膜６７が形成されている。
【００６７】
光励起型ＶＣＳＥＬ５９は、ＧａＡｓ系ＤＢＲ層６４からなる反射率９９．６％を有する第１の反射鏡Ｒ４と、ＩｎＰ系ＤＢＲ層６３と誘電体ＤＢＲ層６６からなる反射率９０％を有する第２の反射鏡Ｒ５により、利得媒質であるＭＱＷ活性層６２を挟んだ第１の共振器を形成している。一方、第３の反射鏡Ｒ６として反射率９９．８％を有する凹面鏡２３を第２の反射鏡Ｒ５と相対する位置に設置することで第２の共振器を形成している。前記第１の共振器と前記第２の共振器は結合しており、結合共振器構造を形成している。
【００６８】
光励起による半導体レーザ光の発振は、図１０に示すように、光励起型ＶＣＳＥＬ５９の発振波長より短い波長を有し、光励起光源６８から発振される励起光Ｌ３により励起されて半導体レーザ光が発振される。ここでは、光励起光源６８として、９８０ｎｍで発振する端面発光型半導体レーザが用いられている。光励起光源６８から発振された励起光Ｌ３は、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing、ＷＤＭ）フィルタ６９の第１のポート６９ａ、およびＷＤＭフィルタ６９の第２のポート６９ｂに接続されている光ファイバ７０（図１１参照）を経て、レンズ５３によりスポットサイズが直径２０μｍに変換されて光励起型ＶＣＳＥＬ５９に照射される。
【００６９】
励起光Ｌ３によりレーザ発振が起こり、凹面鏡２３側から半導体レーザ光Ｌ４が出射しており、反対側のＧａＡｓ基板６１（図１１参照）側からは半導体レーザ光Ｌ５が出射している。半導体レーザ光Ｌ５は、光ファイバ７０を経由してＷＤＭフィルタ６９の第２のポート６９ｂに入射し、第３のポート６９ｃを経てエタロン共振器５４を通過して、第２のフォトダイオード５２に入射する。このとき、ＷＤＭフィルタ６７の作用により、第２のポート６７ｂから入射した半導体レーザ光Ｌ５は、第１のポート６７ａから出射することはない。また、第１のポート６７ａから入射した励起光Ｌ３も、第３のポート６７ｃから出射することはない。
【００７０】
このような光励起型ＶＣＳＥＬ５９では、電流駆動のために必要な電極形成や電流狭窄構造の形成が不要となるため、作製工程が大幅に省略でき、簡便に作製することが可能となる。半導体レーザ光は第１の反射鏡Ｒ４と第２の反射鏡Ｒ５の両側からそれぞれ出射しており、第３の反射鏡Ｒ６から出射する半導体レーザ光Ｌ４は、第１の反射鏡Ｒ４から出射する半導体レーザ光Ｌ５の２０倍程度の出力光強度となるように調整されている。
【００７１】
一方、ガスセル２４は長さ約４０ｃｍであり、１０００℃以上の高い温度の耐性がある石英などの材料で構成されており、かつ光励起型ＶＣＳＥＬ５９から出射される半導体レーザ光に対し透明である材質を用いている。ガスセル２４の両端面は、１〜７度程度の角度をつけて斜めに加工されており、端面における半導体レーザ光の反射による影響が極力少なくなるようになっている。また、ガスセル２４内のアンモニアガスＧ１の温度は、ガスセル２４の周りに設けられたヒータ４３により一定になるよう調整されており、ガスセル２４内のアンモニアガスＧ１のガス圧は、ガスセル２４のガス出口２４ａに設けられたガス圧力計４４によりモニタされている。
【００７２】
アンモニアガスＧ１のガスセル２４への充填は、上述した第１の実施例と同様に、最初に、ガスセル２４のガス入口２４ｂを閉じた状態で、ガス出口２４ａに真空ポンプ（図示せず）を接続してガスセル２４内を真空引きした後、ガス出口２４ａを閉じる。続いて、ガス入口２４ｂにアンモニアガスＧ１の入った容器（ボンベ）等を接続し、ガス入口２４ｂを開け、ガス圧力計４４にて１mbarのガス圧となるまでアンモニアガスＧ１を充填して、ガス入口２４ｂを閉じる。ヒータ４３の温度は、室温に設定されている。
【００７３】
光学絞り２２および凹面鏡２３には、それぞれ可動ステージ４５，４６上に設置されている。各可動ステージ２６，４５，４６には、ＸＹＺ軸ステージコントローラ４７，４８，４９が接続されており、光励起型ＶＣＳＥＬ５９、光学絞り２２および凹面鏡２３の位置がそれぞれ調整可能になっている。光励起型ＶＣＳＥＬ５９、光学絞り２２および凹面鏡２３からなる２つの共振器が結合した複合共振器７１が形成され、複合共振器７１では、各位置を調整することにより、単一横モード化および単一縦モード化が行われている。曲率半径１０ｃｍの凹面鏡２３を用いたため、凹面鏡２３と光励起型ＶＣＳＥＬ５９間の距離を、１０ｃｍ程度を目安としてＸＹＺ軸ステージコントローラ４７，４８，４９により、可動ステージ２６、４５および４６を微動調整して、半導体レーザ光の単一横及び縦モード化を実現している。
【００７４】
光励起型ＶＣＳＥＬ５９から出射された半導体レーザ光が伝搬する光路におけるガスセル２４の一方の端部に相対してレンズ５１が配置されており、レンズ５１に相対してガスセル２４の第１のフォトダイオード５２が配置されている。前記光路におけるガスセル２４の他方の端部に相対してレンズ５３が配置され、レンズ５３に相対してエタロン共振器５４が配置されており、エタロン共振器５４に相対して第２のフォトダイオード５５が配置されている。
【００７５】
光励起型ＶＣＳＥＬ５９から出射された半導体レーザ光Ｌ４は、アンモニアガスＧ１の吸収線と波長が一致しない場合には、ガスセル２４の一方の端部、レンズ４８を経て第１のフォトダイオード５２に入射しており、このフォトダイオード５２に発光強度（電圧・電流）が記録されている。アンモニアガスＧ１の吸収線と波長が一致する場合には、アンモニアガスＧ１に前記半導体レーザ光Ｌ４は吸収される。光励起型ＶＣＳＥＬ５９の反対側からは、半導体レーザ光Ｌ４の１／２０程度の出力光強度を有する半導体レーザ光Ｌ５が、同一の波長で出射されている。この半導体レーザ光Ｌ５をヒートシンク２５および可動ステージ２６の貫通孔２５ａ，２６ａ、レンズ５３、光ファイバ７０、ＷＤＭフィルタ６９、エタロン共振器５４を経て第２のフォトダイオード５５に入射しており、高分解能で発振波長がモニタされる。
【００７６】
半導体レーザ吸収分光装置５８では、図６に示すように、電流の増加に比例して光の発振波長が漸増し、光の出力強度が所定の割合で変化している。また光スペクトル測定とファーフィールドパターン測定により、光励起型ＶＣＳＥＬ５９からの出射光が、良好な単一横モードと縦モード性を得ていることを確認した。図７（実際には図示した以上のディップが観測されたが、ここでは吸収量の多い代表的なディップのみを示した図）に示すように、半導体レーザ吸収分光装置５８では、ディップが非常に深く、その形状も鋭角となっているため、ガス圧が１mbarと低いにもかかわらず、高いＳ／Ｎ比と波長精度を有するデータが得られたことが分かる。図８に示すように、半導体レーザ吸収分光装置５８により得られた光吸収量とシミュレーションにより得られた光吸収量とは、吸収線波長のズレがなく、非常に良く一致し、全ての吸収線が観測されたことが分かる。
【００７７】
このように、複合共振器７１を有する半導体レーザ吸収分光装置５８によれば、アンモニアガス圧が１０mbar未満においても、高いＳ／Ｎ比を確保できるため、精度の良いガス濃度測定を実現することが可能となる。また、光励起型ＶＣＳＥＬ５９を用いることにより、電極や電流狭窄構造が不要となるため、面発光型半導体レーザの作製が簡便になるという効果がある。
【００７８】
上記では、被測定ガスとしてアンモニアガスを用いて説明したが、半導体レーザ光の発振波長付近に吸収線波長を有するガスであれば、どのようなガスに用いても良く、上述したアンモニアガスの濃度測定と同様な作用効果を奏する。
【実施例４】
【００７９】
以下に、第４の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置について、図を用いて説明する。
【００８０】
図１２は、本発明の第４の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。第４の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置は、上述した第３の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における光励起型ＶＣＳＥＬ、光学絞りおよび凹面鏡の配置位置を変えたものであり、これ以外は前記半導体レーザ吸収分光装置と同じ構成を有する。これらの構成については、上記第３の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置と同じ符号を付記し、同一符号については、その説明を省略する。
【００８１】
本発明の第４の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置７２は、ガスセル７３の外側に光励起型ＶＣＳＥＬ５９、光学絞り２２および凹面鏡２３を配置したものであり、光励起型ＶＣＳＥＬ５９の一方から出射した半導体レーザ光Ｌ４は、ガスセル７３、光学絞り２２、凹面鏡２３、レンズ５１を通って、第１のフォトダイオード５２に入射する。光励起型ＶＣＳＥＬ５９の他方から出射した半導体レーザ光Ｌ５は、ヒートシンク２５および可動ステージ２６の貫通孔２５ａ，２６ａ、レンズ５３、ＷＤＭフィルタ６９、およびエタロン共振器５４を通って、第２のフォトダイオード５５に入射する。
【００８２】
ガスセル７３の両端面は、１度〜７度程度の角度をつけて斜めに加工してあり、端面における半導体レーザ光の反射による影響を極力少なくするようにしてある。よって、第４の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置７２によれば、第３の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置５８と同様な作用効果を奏する。さらに、ガスセル７３の外部に光励起型ＶＣＳＥＬ５９が配置されるので、ガスセル７３の温度を制御するヒータ４３の影響を受けずに、光励起型ＶＣＳＥＬ５９の駆動温度を制御することができるという利点がある。
【実施例５】
【００８３】
以下に、第５の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置について、図を用いて説明する。
【００８４】
図１３は、本発明の第５の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図であり、図１４は、その装置における光出力と発振波長の電流依存性を示すグラフであり、図１５は、この装置による測定結果を示すグラフであり、図１６は、光吸収量と発振波長との関係を示すグラフであり、図１６（ａ）にその装置における光吸収量の測定結果を示し、図１６（ｂ）に光吸収量のシミュレーション結果を示す。第５の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置は、上述した第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における電流励起型ＶＣＳＥＬを、端面発光型半導体レーザに代えたものであり、これ以外は前記半導体レーザ吸収分光装置と同じ構成を有する。これらの構成については、上記第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置と同じ符号を付記する。
【００８５】
ここでは、１mbarのガス圧を有する被測定ガスであるアンモニアガスの濃度計測について詳細に説明する。
図１３に示すように、本発明の第５の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置７４は、現在の光ファイバ通信網に用いられている端面発光型半導体レーザ７５と、端面発光型半導体レーザ７５により発振された半導体レーザ光の光路上に配置された光学絞り２２と、前記光路上に配置されると共に、光学絞り２２に相対して配置された凹面鏡２３とを有する。ただし、端面発光型半導体レーザ７５と光学絞り２２と凹面鏡２３とは、後述するレーザ発振波長付近に吸収線波長を有する被測定ガスであるアンモニアガスＧ１を封入するガス容器であるガスセル２４内に配置されている。
【００８６】
端面発光型半導体レーザ７５と、端面発光型半導体レーザ７５に隣接して配置されるヒートシンク２５とは、ＡｕＳｎはんだ（図示せず）等により可動ステージ２６上に固定されており、端面発光型半導体レーザ７５には、レーザドライバ７６が接続されている。端面発光型半導体レーザ７５は、可動ステージ２６に内蔵された電子冷却装置（図示せず）とレーザドライバ７６により、温度と電流値をそれぞれコントロールして、駆動が行われる。前記電子冷却装置には、温度コントローラ２８が接続されており、ヒートシンク２５および可動ステージ２６の温度は、室温と同じ温度に設定されている。
【００８７】
端面発光型半導体レーザ７５は、ｎ−ＩｎＰ基板上にｎ−ＩｎＰクラッド層、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層（ＭＷＱ活性層）、ｐ−ＩｎＰクラッド層、コンタクト層を順次形成した後、誘電体マスクとフォトリソグラフィーにより幅１μｍのメサストライプに加工し、メサストライプに加工してなる突起部の周囲を半絶縁性のＩｎｐ層で埋め込んだ構造となっている。前記ｎ−ＩｎＰ基板側にｎ電極を、また前記コンタクト層の上部にはｐ電極を形成し、凹面鏡２３側の端面には反射防止膜を形成しており、もう一方の端面には、反射率９５％の高反射膜であるファブリペロー型の半導体レーザ（共振器長５００μｍ）を形成して、電流注入によりレーザ発振するようになっている。
【００８８】
端面発光型半導体レーザ７５は、端面発光型半導体レーザ７５の端面に形成された高反射膜からなる第１の反射鏡と、もう一方の端面に形成された反射防止膜からなる反射率１％を有する第２の反射鏡により、利得媒質である前記ＭＱＷ活性層を挟んだ第１の共振器を形成している。一方、第３の反射鏡として反射率９０％を有する凹面鏡２３を、前記第２の反射鏡と相対する位置に設置することで第２の共振器を形成している。前記第１の共振器と前記第２の共振器とは結合しており、結合共振器構造を形成している。
【００８９】
半導体レーザ光は前記第１の反射鏡の一側部、前記第３の反射鏡の一側部からそれぞれ出射しており、前記第３の反射鏡の一側部から出射する半導体レーザ光Ｌ６は、前記第１の反射鏡から出射する半導体レーザ光Ｌ７の２０倍程度の出力光強度となるように調整されている。
【００９０】
一方、ガスセル２４は長さ約４０ｃｍであり、１０００℃以上の高い温度の耐性がある石英などの材料で構成されており、かつ端面発光型半導体レーザ７５から出射される半導体レーザ光に対し透明である材質を用いている。ガスセル２４の両端面は、１〜７度程度の角度をつけて斜めに加工されており、端面における半導体レーザ光の反射による影響が極力少なくなるようになっている。また、ガスセル２４内のアンモニアガスＧ１の温度は、ガスセル２４の周りに設けられたヒータ４３により一定になるよう調整されており、ガスセル２４内のアンモニアガスＧ１のガス圧は、ガスセル２４のガス出口２４ａに設けられたガス圧力計４４によりモニタされている。
【００９１】
アンモニアガスＧ１のガスセル２４への充填は、上述した実施例１と同様に、最初に、ガスセル２４のガス入口２４ｂを閉じた状態で、ガス出口２４ａに真空ポンプ（図示せず）を接続してガスセル２４内を真空引きした後、ガス出口２４ａを閉じる。続いて、ガス入口２４ｂにアンモニアガスＧ１の入った容器（ボンベ）等を接続し、ガス入口２４ｂを開け、ガス圧力計４４にて１mbarのガス圧となるまでアンモニアガスＧ１を充填して、ガス入口２４ｂを閉じる。ヒータ４３の温度は、室温に設定されている。
【００９２】
光学絞り２２および凹面鏡２３には、それぞれ可動ステージ４５，４６上に設置されている。各可動ステージ２６，４５，４６には、ＸＹＺ軸ステージコントローラ４７，４８，４９が接続されており、端面発光型半導体レーザ７５、光学絞り２２および凹面鏡２３の位置がそれぞれ調整可能になっている。端面発光型半導体レーザ７５、光学絞り２２および凹面鏡２３からなる２つの共振器が結合した複合共振器７９が形成され、複合共振器７９では、各位置を調整することにより、単一横モード化および単一縦モード化が行われている。曲率半径１０ｃｍの凹面鏡２３を用いたため、凹面鏡２３と端面発光型半導体レーザ７５間の距離を、１０ｃｍ程度を目安としてＸＹＺ軸ステージコントローラ４７，４８，４９により、可動ステージ２６、４５および４６を微動調整して、単一横及び縦モード化を実現している。
【００９３】
端面発光型半導体レーザ７５から出射された半導体レーザ光が伝搬する光路におけるガスセル２４の一方の端部に相対してレンズ５１が配置されており、レンズ５１に相対してガスセル２４の第１のフォトダイオード５２が配置されている。前記光路におけるガスセル２４の他方の端部に相対してレンズ５３が配置され、レンズ５３に相対してエタロン共振器５４が配置されており、エタロン共振器５４に相対して第２のフォトダイオード５５が配置されている。
【００９４】
端面発光型半導体レーザ７５から出射した半導体レーザ光Ｌ６は、アンモニアガスＧ１の吸収線と波長が一致しない場合には、ガスセル２４の一方の端部、レンズ５１を経て第１のフォトダイオード５２に入射しており、このフォトダイオード５２に発光強度（電圧・電流）が記録される。アンモニアガスＧ１の吸収線と波長が一致する場合には、アンモニアガスＧ１に前記レーザ光は吸収される。端面発光型半導体レーザ７５の反対側からは、半導体レーザ光Ｌ６の１／２０程度の出力光強度を有する半導体レーザ光Ｌ７が、同一の波長で出射される。この半導体レーザ光Ｌ７は、レンズ５３、エタロン共振器５４を経て第２のフォトダイオード５５に入射しており、高分解能で発振波長がモニタされる。
【００９５】
半導体レーザ吸収分光装置７４では、図１４に示すように、電流の増加に比例して半導体レーザ光の発振波長が漸増すると共に、半導体レーザ光の出力強度が漸増している。また光スペクトル測定とファーフィールドパターン測定により、端面発光型半導体レーザ７５からの出射光が、良好な単一横モードと縦モード性を得ていることを確認した。図１５（実際には図示した以上のディップが観測されたが、ここでは吸収量の多い代表的なディップのみを示した図）に示すように、半導体レーザ吸収分光装置７４では、ディップが非常に深く、その形状も鋭角となっているため、ガス圧が１mbarと低いにもかかわらず、高いＳ／Ｎ比と波長精度を有するデータが得られたことが分かる。図１６に示すように、半導体レーザ吸収分光装置７４により得られた光吸収量とシミュレーションにより得られた光吸収量とは、吸収線波長のズレがなく、非常に良く一致し、全ての吸収線が観測されたことが分かる。
【００９６】
このように、複合共振器７９を有する半導体レーザ吸収分光装置７４によれば、アンモニアガスＧ１が１０mbar未満においても、高いＳ／Ｎ比を確保できるため、精度の良いガス濃度測定を実現することが可能となる。
【００９７】
上記では、被測定ガスとしてアンモニアガスを用いて説明したが、レーザ発振波長付近に吸収線波長を有するガスであれば、どのようなガスに用いても良く、上述したアンモニアガスの濃度測定と同様な作用効果を奏する。
【実施例６】
【００９８】
以下に、第６の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置について、図を用いて説明する。
【００９９】
図１７は、本発明の第６の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。第６の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置は、上述した第５の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における端面発光型半導体レーザ、光学絞りおよび凹面鏡の配置位置を変えたものであり、これ以外は前記半導体レーザ吸収分光装置と同じ構成を有する。これらの構成については、上記第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置と同じ符号を付記し、同一符号については、その説明を省略する。
【０１００】
本発明の第６の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置７７は、ガスセル７８の外側に端面発光型半導体レーザ７５、光学絞り２２および凹面鏡２３を配置したものであり、端面発光型半導体レーザ７５の一方から出射した半導体レーザ光Ｌ６は、ガスセル７８、光学絞り２２、凹面鏡２３、レンズ５１を通って、第１のフォトダイオード５２に入射する。端面発光型半導体レーザ７５の他方から出射した半導体レーザ光Ｌ７は、レンズ５３、エタロン共振器５４を通って、第２のフォトダイオード５５に入射する。
【０１０１】
ガスセル７６の両端面は、１度〜７度程度の角度をつけて斜めに加工してあり、端面における半導体レーザ光の反射による影響を極力少なくするようにしてある。よって、第６の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置７７によれば、第５の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置７４と同様な作用効果を奏する。さらに、ガスセル７８の外部に端面発光型半導体レーザ７５が配置されるので、ガスセル７８の温度を制御するヒータ４３の影響を受けずに、端面発光型半導体レーザ７５の駆動温度を制御することができるという利点がある。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明は、半導体レーザ吸収分光装置に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ吸収分光装置における複合共振器構造の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ吸収分光装置における注入電流と光出力との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。
【図５】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における電流励起型面発光半導体レーザの説明図である。
【図６】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における光出力と発振波長の電流依存性を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置による測定結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置による測定結果およびシミュレーションにおける光吸収量と発振波長との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。
【図１０】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。
【図１１】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における光励起型面発光半導体レーザの構造図である。
【図１２】本発明の第４の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。
【図１３】本発明の第５の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。
【図１４】本発明の第５の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における光出力と発振波長の電流依存性を示すグラフである。
【図１５】本発明の第５の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置による測定結果を示すグラフである。
【図１６】本発明の第５の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置による測定結果およびシミュレーションにおける光吸収量と発振波長との関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の第６の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。
【図１８】従来の半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。
【図１９】従来の半導体レーザ吸収分光装置における注入電流と光出力との関係を示すグラフである。
【図２０】従来の半導体レーザ吸収分光装置による測定結果を示すグラフである。
【図２１】従来の半導体レーザ吸収分光装置による測定結果およびシミュレーションにおける光吸収量と発振波長との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０４】
１      面発光型半導体レーザ
２      光学絞り
３      凹面鏡
４      ｎ−ＩｎＰ基板
５      ｎ−ＤＢＲ層
６      多重量子井戸活性層（ＭＱＷ活性層）
７      ｐ−ＤＢＲ層
８      ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
９      反射防止膜
１１    ｐ電極
１２    ｎ電極
１３    第１の共振器
１４    第２の共振器
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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