(57)【要約】【課題】レーザ光出力の揺らぎが少なく吸収分光に適した光源を提供する。【解決手段】中赤外レーザ光源は、励起光光源１００と、信号光光源１０１と、信号光光源１０１の波長を変調する信号発生器１０２と、周期的に分極反転された２次非線形光学材料からなる光導波路を備えた波長変換素子１０５と、参照物質が封入された参照セル１１０を透過した光を検出する光検出器１１５と、光検出器１１５の検出信号のうち特定の周波数の成分を取り出すロックイン増幅器１１６と、ロックイン増幅器１１６が取り出した成分を基に信号光光源１０１へフィードバック制御を行うＰＩＤ制御回路１１７とから構成される。波長を変調する光源と参照セル１１０を透過した光信号を基に波長を制御する光源を、波長変換素子１０５の端面反射率が低い方の波長を出力する信号光光源１０１に統一する。【選択図】  図１
2018017989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的に分極反転された２次非線形光学材料からなる光導波路を備えた波長変換素子と、
出力波長が異なる第１、第２の半導体レーザと、
前記第１の半導体レーザの波長を変調する波長変調手段と、
前記第１、第２の半導体レーザから出力されるレーザ光を合波し、前記波長変換素子に入射させる光合波器と、
前記波長変換素子から出力されたレーザ光の波長をロックするための参照物質が封入された参照セルと、
前記波長変換素子から出力されたレーザ光を分岐して、一方を前記参照セルに入射する光路へ導入する光分岐手段と、
前記参照セルを透過した光信号を基に、前記波長変換素子から出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように前記第１の半導体レーザの波長を制御する第１の帰還制御手段とを備え、
波長を変調する半導体レーザと参照セルを透過した光信号出力を基に波長を制御する半導体レーザを、前記波長変換素子の端面反射率が低い方の波長を出力する前記第１の半導体レーザに統一することを特徴とする中赤外レーザ光源。
【請求項２】
請求項１記載の中赤外レーザ光源において、
さらに、前記第２の半導体レーザから出力されたレーザ光の一部を分岐させる光分波器と、
この光分波器によって分岐された光を入力とするエタロンと、
このエタロンを透過した光信号を基に、前記第２の半導体レーザから出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように制御する第２の帰還制御手段とを備えることを特徴とする中赤外レーザ光源。
【請求項３】
周期的に分極反転された２次非線形光学材料からなる光導波路を備え、中赤外レーザ光源の出力光を得るための第１の波長変換素子と、
この第１の波長変換素子と同一構造の第２の波長変換素子と、
出力波長が異なる第１、第２の半導体レーザと、
前記第１の半導体レーザの波長を変調する波長変調手段と、
前記第１、第２の半導体レーザの光出力をそれぞれ分岐させる第１、第２の光分波器と、
前記第１の光分波器によって分岐された前記第１の半導体レーザの一方の光出力と前記第２の光分波器によって分岐された前記第２の半導体レーザの一方の光出力とを合波した光を、前記第１の波長変換素子に入射させる第１の光合波器と、
前記第２の波長変換素子から出力されたレーザ光の波長をロックするための参照物質が封入された参照セルと、
前記第２の光分波器によって分岐された前記第２の半導体レーザの他方の光出力の波長を所定の量変化させる波長シフト手段と、
前記第１の光分波器によって分岐された前記第１の半導体レーザの他方の光出力と前記波長シフト手段の光出力とを合波した光を、前記第２の波長変換素子に入射させる第２の光合波器と、
前記第２の波長変換素子から出力され前記参照セルを透過した光信号を基に、前記第２の波長変換素子から出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように前記第１の半導体レーザの波長を制御する第１の帰還制御手段とを備え、
波長を変調する半導体レーザと参照セルを透過した光信号出力を基に波長を制御する半導体レーザを、前記第２の波長変換素子の端面反射率が低い方の波長を出力する前記第１の半導体レーザに統一することを特徴とする中赤外レーザ光源。
【請求項４】
請求項３記載の中赤外レーザ光源において、
前記波長シフト手段による波長の変化量は、前記第１の波長変換素子から出力されるレーザ光の波長と前記参照物質の吸収線の波長との差が所望の値になるように設定されることを特徴とする中赤外レーザ光源。
【請求項５】
請求項３または４記載の中赤外レーザ光源において、
さらに、前記第２の半導体レーザから出力されたレーザ光の一部を分岐させる第３の光分波器と、
この第３の光分波器によって分岐された光を入力とするエタロンと、
このエタロンを透過した光信号を基に、前記第２の半導体レーザから出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように制御する第２の帰還制御手段とを備えることを特徴とする中赤外レーザ光源。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の中赤外レーザ光源において、
前記第１の帰還制御手段は、
前記参照セルを透過した光信号を検出する光検出器と、
この光検出器から出力される検出信号のうち、前記第１の半導体レーザの変調周波数と同一または３倍の周波数の信号を取り出すロックイン増幅器と、
このロックイン増幅器が取り出した信号を基に前記第１の半導体レーザの注入電流を制御する制御回路とから構成されることを特徴とする中赤外レーザ光源。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の中赤外レーザ光源において、
前記光導波路は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＺｎもしくはＭｇが添加されたニオブ酸リチウム、ＺｎもしくはＭｇが添加されたタンタル酸リチウム、またはこれらの材料の混晶のいずれかから構成されていることを特徴とする中赤外レーザ光源。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の中赤外レーザ光源と、
前記中赤外レーザ光源から出力され測定対象を透過した光信号を基に、前記測定対象の濃度を演算する濃度演算手段とを備えることを特徴とするレーザ分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換素子を用いた中赤外レーザ光源に係り、特にレーザ光出力の揺らぎが少なく吸収分光に適した中赤外レーザ光源、および中赤外レーザ光源を用いたレーザ分光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境保護や安全衛生上の観点からＣＨ4、ＣＯ2、ＣＯ、Ｎ2Ｏなどの温室効果ガス、ＮＯx、ＳＯx、アンモニア類等の環境ガス、多くの有機系ガスまたは残留農薬等の極微量ガス分析技術の確立が強く望まれている。ガス濃度を検出する一手法として、被測定ガスにレーザ光を当て、その吸収特性を観測する手法が知られている。
【０００３】
ガスは、それぞれ特有の吸収線を有しているので、吸収線付近の波長を有するレーザ光を波長掃引し、吸収スペクトルを観測することによりガス濃度を計測することができる。これらの被測定物質の吸収線の多くは波長２μｍ以上の中赤外領域に、原子間結合の振動モードに起因する基本振動またはその低次の倍音として存在している。したがって、特に波長２μｍ以上の中赤外領域において、高感度でガスの吸収線を測定できる光吸収測定への期待が高まっている。
【０００４】
２μｍ帯〜５μｍ帯の波長領域において室温で安定にＣＷ（Continuous Wave）光を出力できる光源として、非線形光学定数を周期的に変調する擬似位相整合型波長変換素子による差周波発生を利用した光源が多数発表されている（例えば、非特許文献１参照）。この光源は、波長変換素子に入力する励起光、および信号光として、技術的に安定した波長２μｍ以下の半導体レーザを用いることができるので、実用化が容易である。
【０００５】
非線形定数の周期変調構造を形成するためには、非線形定数の符号を交互に反転するか、あるいは非線形定数が大きい部分と小さい部分をほぼ交互に配置する方法が考えられる。ＬｉＮｂＯ3のような強誘電体結晶においては、非線形定数の正負は自発分極の極性に対応するため、自発分極を反転することにより非線形定数の符号を反転することができる。
【０００６】
図１２に、差周波発生を基にした波長変換素子の構成を示す。図１２に示される波長変換素子１０は、光導波路１２が形成されたＬｉＮｂＯ3基板１１と、光合波器１５と、信号光１３及び励起光１４をそれぞれ出力する２個の半導体レーザ（図示せず）とから構成される。信号光１３と励起光１４は光合波器１５で合波され、周期的に分極反転されたＬｉＮｂＯ3基板１１に形成された光導波路１２に入射される。光導波路１２では、信号光１３と励起光１４との差周波光である変換光（idler光）１６が発生する。励起光の波長をλａ、信号光の波長をλｂ、変換光の波長をλｃとすると、これら３つの波長は以下の式（１）を満たす。
１／λｃ＝１／λａ−１／λｂ                                    ・・・（１）
【０００７】
例えば、励起光波長λａを１．０６μｍ、信号光波長λｂを１．５６μｍとすれば、変換光波長λｃ＝３．３１μｍの中赤外光を発生させることができる。
図１３に波長変換素子を用いた従来の差周波発生（波長変換）光源を示す。この光源は、図１２で説明した波長変換素子１０と、光合波器１５と、励起光光源１７と、信号光光源１８とから構成されている。励起光波長λａを固定し、信号光波長λｂを変化させると、式（１）に従い変換光波長λｃが変化する。もしくは信号光波長λｂを固定し、励起光波長λａを変化させると、同様に変換光波長λｃが変化する。この事を利用して、変換光波長λｃを変化させ、中赤外域における測定対象の吸収線形状を観測する。
【０００８】
微小濃度のガスを観測する場合、その吸収強度が１％以下という事もある。吸収強度が１％を切ると、ノイズやベースラインの揺らぎによって吸収線強度を正確に把握することは困難になってくる。そこで、非特許文献２や非特許文献３に記載の吸収線の２次微分成分を観測する波長変調分光法（ＷＭＳ：wavelength modulation spectroscopy）等が用いられる。この方法は、観測のために用いるレーザ光の波長に周波数ｆの微小な正弦波変調を施し、ロックイン増幅器で変調周波数の２倍の周波数２ｆで変調に対して応答する成分を観測する方法である。
【０００９】
多くの場合、レーザ光の変調は、分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ：Distributed FeedBack Laser Diode）の注入電流を変化させることにより実行される。吸収線形状を観測するためには、吸収線の波長依存性を観測する必要があるので、周波数ｆの微小な正弦波に加えて、変化量の大きい鋸歯状波もしくは三角波を重畳してＤＦＢ−ＬＤの電流注入量を変調させる。
【００１０】
図１４、図１５に差周波光源において波長変調分光法を行う場合の一般的な光源構成を示す。この光源は、波長変換素子１０と、光合波器１５と、励起光光源１７と、信号光光源１８と、ファイバアンプ１９と、信号発生器２１と、光検出器２２と、ロックイン増幅器２３と、濃度演算・表示器２４とから構成されている。励起光光源１７には、光出力の増強のため、ファイバアンプ１９が設けられている。
【００１１】
図１４の構成では、信号発生器２１は、励起光光源１７への注入電流を周波数ｆの正弦波信号で変調することにより、励起光光源１７から出力される励起光に周波数ｆの微小な正弦波変調を施す。光合波器１５は、ファイバアンプ１９によって増幅された励起光と信号光光源１８からの信号光とを合波する。励起光と信号光の合波光が波長変換素子１０に入射すると、上記のとおり励起光と信号光との差周波光である変換光が発生し、この変換光が測定対象２０（ガス）に照射される。
【００１２】
光検出器２２は、測定対象２０を透過した光を検出して電気信号に変換する。ロックイン増幅器２３は、光検出器２２から出力される検出信号のうち、信号発生器２１から出力される周波数２ｆの参照信号に応じて周波数２ｆの成分を取り出す。濃度演算・表示器２４は、ロックイン増幅器２３が取り出した成分を基に測定対象２０の濃度を演算して、演算結果を表示する。
【００１３】
一方、図１５の例では、信号発生器２１は、信号光光源１８への注入電流を周波数ｆの正弦波信号で変調することにより、信号光光源１８から出力される信号光に周波数ｆの微小な正弦波変調を施す。このように、変調可能な光源が２つある場合はどちらか一方に変調を施せばよい。
【００１４】
また、上記のとおり、測定対象２０の吸収線の波長依存性を測定する必要があるので、励起光光源１７への注入電流または信号光光源１８への注入電流のいずれかを変化量の大きい鋸歯状波もしくは三角波で変調することにより、励起光または信号光のいずれかを波長掃引する。このように、測定対象２０の吸収線の波長依存性を測定するための鋸歯状波もしくは三角波に関しても２つの光源のどちらかの注入電流に重畳させるようにすればよく、正弦波変調と同じ光源であってもよいし、異なる光源であってもよい。
【００１５】
前述したように光源の波長を掃引して対象の吸収スペクトルを取得し、吸収線のピーク値を検出する方法とは別の濃度測定の例として、光源の波長をロックする方法がある。図１４、図１５で説明したスペクトル方式が、吸収線形状の変化を捉えて吸収線のピーク位置を特定するのに対し、波長ロック方式は、吸収線のピーク位置をあらかじめ調べておき、レーザ波長をピークの位置にロック（固定）してピークの値をモニタし続ける方式である。
【００１６】
この波長ロック方式は、スペクトル方式と比較して、吸収線のピーク値のみをモニタするためデータの積算に有利であり、統計処理によりランダムノイズを低減しやすいというメリットを有する。この場合、レーザ波長がピーク位置からずれない事が重要となるが、この波長ずれに対する対策の例としては、特許文献１に開示されているように各々の構成ＬＤの波長を、エタロンを用いてロックするエタロンロック方法がある。エタロンを透過した光は、エタロン媒質の屈折率と共振器長で決定される周波数（波長）周期で強度変化するため、特定の強度を維持するようにフィードバック制御を行うことで波長を固定する方法である。エタロンロック方法を採用した光源構成を図１６に示す。
【００１７】
図１６の構成では、励起光光源１７から出力される励起光の一部を光分波器２５で取り出し、この光をエタロン２６に入射させる。ＰＩＤ／制御ドライバ２７は、エタロン２６を透過した光の強度を基に励起光の波長が安定するように、励起光光源１７への注入電流を制御する。同様に、信号光光源１８から出力される信号光の一部を光分波器２８で取り出し、この光をエタロン２９に入射させる。ＰＩＤ／制御ドライバ３０は、エタロン２９を透過した光の強度を基に信号光の波長が安定するように、信号光光源１８への注入電流を制御する。また、図１６の構成では、位相変調器３１が、信号発生器２１からの周波数ｆの正弦波信号に応じて、信号光に周波数ｆの正弦波変調を施す。
【００１８】
しかしながら、図１６に示した構成では、測定対象のガスの吸収線の波長に合うように励起光光源１７と信号光光源１８の波長ロック点を調整するために手間がかかる。また、波長のロック点はエタロン２６，２９により決められるため、万一エタロン２６，２９の特性が変化し、波長ロック点が対象とするガスの吸収線から外れてしまっても、波長ロック点のずれを検知して修正することが不可能となる。
【００１９】
このような問題を回避するために、ガスの吸収線に合わせて光源の波長をロックする事が望ましい。そのための方法としては、非特許文献４に記載のように光路を２分岐し、一方を測定対象のガスを透過する光路とし、もう一方を既知の参照ガスを透過する光路とした上で参照ガスの吸収線を利用してフィードバック制御を行い、光源の波長をロックする方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２０１５−７６４６７号公報
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】D.G.Lancaster et al.，“High-power continuous-wave mid-infrared radiation generated by difference frequency mixing of diode-laser-seeded fiber amplifiers and its application to dual-beam spectroscopy”，Optics Letters，Vol.24，No.23，p.1744-1746，1999
【非特許文献２】O.Tadanaga，M.Asobe，Y.Nishida，H.Miyazawa，K.Yoshino，H.Suzuki，“763-nm Laser Light Source for Oxygen Monitoring Using Second Harmonic Generation in Direct-Bonded Quasi-Phase-Matched LiNbO3 Ridge Waveguide”，IEICE Trans.Electron，Vol.E89-C，No.7，p.1115-1117，2006
【非特許文献３】I.Linnerud et al.，“Gas monitoring in the process industry using diode laser spectroscopy”，Applied Physics B，Vol.67，p.297-305，1998
【非特許文献４】“生体・環境計測へ向けた近赤外光センシング技術”，株式会社サイエンスフォーラム発行，ＩＳＢＮ４−９１６１６４−２４−５，ｐｐ．２６９−２７６，１９９９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
近赤外領域で広く用いられている光源では、光源を構成しているＤＦＢ−ＬＤが１つであり、光源の構成の仕方は分かりやすく容易である。しかしながら、差周波発生を利用した波長変換光源では、光源を構成しているＤＦＢ−ＬＤが複数であるため、非特許文献４のように簡単な波長ロック方法を採用することはできない。複数のＬＤをどのように用いてレーザ光波長を吸収線のピークの位置に固定すると吸収分光にとって望ましいかについての知見は従来明らかになっていなかった。
【００２３】
本発明の目的は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、データの積算に有利な、測定対象吸収線の波長に出力波長をロックする方式を採用した光源であって、波長ロック時のレーザ光出力の揺らぎが少なく吸収分光に適した中赤外レーザ光源を提供することである。
また、本発明の目的は、従来に比してより高感度な濃度計測が可能なレーザ分光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の中赤外レーザ光源は、周期的に分極反転された２次非線形光学材料からなる光導波路を備えた波長変換素子と、出力波長が異なる第１、第２の半導体レーザと、前記第１の半導体レーザの波長を変調する波長変調手段と、前記第１、第２の半導体レーザから出力されるレーザ光を合波し、前記波長変換素子に入射させる光合波器と、前記波長変換素子から出力されたレーザ光の波長をロックするための参照物質が封入された参照セルと、前記波長変換素子から出力されたレーザ光を分岐して、一方を前記参照セルに入射する光路へ導入する光分岐手段と、前記参照セルを透過した光信号を基に、前記波長変換素子から出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように前記第１の半導体レーザの波長を制御する第１の帰還制御手段とを備え、波長を変調する半導体レーザと参照セルを透過した光信号出力を基に波長を制御する半導体レーザを、前記波長変換素子の端面反射率が低い方の波長を出力する前記第１の半導体レーザに統一することを特徴とするものである。
また、本発明の中赤外レーザ光源の１構成例は、さらに、前記第２の半導体レーザから出力されたレーザ光の一部を分岐させる光分波器と、この光分波器によって分岐された光を入力とするエタロンと、このエタロンを透過した光信号を基に、前記第２の半導体レーザから出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように制御する第２の帰還制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明の中赤外レーザ光源は、周期的に分極反転された２次非線形光学材料からなる光導波路を備え、中赤外レーザ光源の出力光を得るための第１の波長変換素子と、この第１の波長変換素子と同一構造の第２の波長変換素子と、出力波長が異なる第１、第２の半導体レーザと、前記第１の半導体レーザの波長を変調する波長変調手段と、前記第１、第２の半導体レーザの光出力をそれぞれ分岐させる第１、第２の光分波器と、前記第１の光分波器によって分岐された前記第１の半導体レーザの一方の光出力と前記第２の光分波器によって分岐された前記第２の半導体レーザの一方の光出力とを合波した光を、前記第１の波長変換素子に入射させる第１の光合波器と、前記第２の波長変換素子から出力されたレーザ光の波長をロックするための参照物質が封入された参照セルと、前記第２の光分波器によって分岐された前記第２の半導体レーザの他方の光出力の波長を所定の量変化させる波長シフト手段と、前記第１の光分波器によって分岐された前記第１の半導体レーザの他方の光出力と前記波長シフト手段の光出力とを合波した光を、前記第２の波長変換素子に入射させる第２の光合波器と、前記第２の波長変換素子から出力され前記参照セルを透過した光信号を基に、前記第２の波長変換素子から出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように前記第１の半導体レーザの波長を制御する第１の帰還制御手段とを備え、波長を変調する半導体レーザと参照セルを透過した光信号出力を基に波長を制御する半導体レーザを、前記第２の波長変換素子の端面反射率が低い方の波長を出力する前記第１の半導体レーザに統一することを特徴とするものである。
また、本発明の中赤外レーザ光源の１構成例において、前記波長シフト手段による波長の変化量は、前記第１の波長変換素子から出力されるレーザ光の波長と前記参照物質の吸収線の波長との差が所望の値になるように設定される。
また、本発明の中赤外レーザ光源の１構成例は、さらに、前記第２の半導体レーザから出力されたレーザ光の一部を分岐させる第３の光分波器と、この第３の光分波器によって分岐された光を入力とするエタロンと、このエタロンを透過した光信号を基に、前記第２の半導体レーザから出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように制御する第２の帰還制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【００２６】
また、本発明の中赤外レーザ光源の１構成例において、前記第１の帰還制御手段は、前記参照セルを透過した光信号を検出する光検出器と、この光検出器から出力される検出信号のうち、前記第１の半導体レーザの変調周波数と同一または３倍の周波数の信号を取り出すロックイン増幅器と、このロックイン増幅器が取り出した信号を基に前記第１の半導体レーザの注入電流を制御する制御回路とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の中赤外レーザ光源の１構成例において、前記光導波路は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＺｎもしくはＭｇが添加されたニオブ酸リチウム、ＺｎもしくはＭｇが添加されたタンタル酸リチウム、またはこれらの材料の混晶のいずれかから構成されていることを特徴とするものである。
また、本発明のレーザ分光装置は、中赤外レーザ光源と、前記中赤外レーザ光源から出力され測定対象を透過した光信号を基に、前記測定対象の濃度を演算する濃度演算手段とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、波長変換素子と第１、第２の半導体レーザと波長変調手段と光合波器と参照セルと光分岐手段と第１の帰還制御手段とを設け、波長を変調する半導体レーザと参照セルを透過した光信号出力を基に波長を制御する半導体レーザを、波長変換素子の端面反射率が低い方の波長を出力する第１の半導体レーザに統一することにより、測定データの積算に有利な、測定対象吸収線の波長にレーザ波長をロックする方式を採用した中赤外レーザ光源において、波長ロック時のレーザ光出力の揺らぎが少なく吸収分光に適した構成を実現することができる。その結果、本発明の中赤外レーザ光源を用いることで、従来に比してより高感度な濃度計測が可能なレーザ分光装置を実現することができ、従来測定できなかった微量な物質の検出やより狭い空間における測定が可能となる。
【００２８】
また、本発明では、光分波器とエタロンと第２の帰還制御手段とを設けることにより、より高精度の濃度計測が可能なレーザ分光装置を実現することができる。
【００２９】
また、本発明では、第１、第２の波長変換素子と第１、第２の半導体レーザと波長変調手段と第１、第２の光分波器と第１、第２の光合波器と参照セルと波長シフト手段と第１の帰還制御手段とを設け、波長を変調する半導体レーザと参照セルを透過した光信号出力を基に波長を制御する半導体レーザを、第２の波長変換素子の端面反射率が低い方の波長を出力する第１の半導体レーザに統一することにより、参照セル内の参照物質が測定対象と異なる場合でも、中赤外レーザ光源の波長を測定対象の吸収線の波長にロックすることが可能となり、波長ロック時のレーザ光出力の揺らぎが少なく吸収分光に適した中赤外レーザ光源を実現することができる。その結果、本発明の中赤外レーザ光源を用いることで、従来に比してより高感度な濃度計測が可能なレーザ分光装置を実現することができ、従来測定できなかった微量な物質の検出やより狭い空間における測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ分光装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるレーザ光源の波長ロックのための信号のスペクトルを示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態においてフィードバック制御が行われない側の励起光の波長がずれた場合の２ｆ信号のスペクトルを示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態において波長ロックを行った場合の２ｆ信号の時間変化を示す図である。
【図５】波長変調を施す光源とフィードバック制御を施す光源を分離した場合においてフィードバック制御が行われない側の励起光の波長がずれた場合の２ｆ信号のスペクトルを示す図である。
【図６】波長変調を施す光源とフィードバック制御を施す光源を分離した場合において波長ロックを行った場合の２ｆ信号の時間変化を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ分光装置を用いて様々な濃度のガスを測定して作成した検量線を示す図である。
【図８】波長変調を施す光源とフィードバック制御を施す光源を分離したレーザ分光装置を用いて様々な濃度のガスを測定して作成した検量線を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ分光装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】エタロンに入射する光の波長とエタロン透過後の光を検出する光検出器の出力との関係の１例を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係るレーザ分光装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】差周波発生を基にした波長変換素子の構成を示す図である。
【図１３】波長変換素子を用いた従来の差周波発生光源の構成を示すブロック図である。
【図１４】差周波光源において波長変調分光法を行う場合の一般的な光源構成を示すブロック図である。
【図１５】差周波光源において波長変調分光法を行う場合の一般的な光源の他の構成を示すブロック図である。
【図１６】エタロンを使った波長ロック方法を採用した従来の光源の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
［第１の実施の形態］
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１に本発明の第１の実施の形態に係るレーザ分光装置の構成を示す。
レーザ分光装置は、中赤外レーザ光源と、測定対象のガスが封入された測定対象セル１０９を透過した光を集光する集光レンズ１１２と、集光レンズ１１２によって集光された光を検出する光検出器１１４と、光検出器１１４から出力される検出信号のうち、後述する信号発生器から出力される周波数２ｆの参照信号に応じて周波数２ｆの成分を取り出すロックイン増幅器１１８と、ロックイン増幅器１１８が取り出した成分を基に測定対象のガスの濃度を演算して、演算結果を表示する濃度演算・表示器１１９（濃度演算手段）とを備えている。
【００３２】
本実施の形態の中赤外レーザ光源は、ＤＦＢ型半導体レーザからなる励起光光源１００と、同じくＤＦＢ型半導体レーザからなる信号光光源１０１と、周波数ｆの正弦波信号を信号光光源１０１への注入電流に重畳させる信号発生器１０２（波長変調手段）と、励起光光源１００からの励起光を増幅するファイバアンプ１０３と、光カプラ等からなる光合波器１０４と、周期的に分極反転された２次非線形光学材料からなる光導波路を備えた波長変換素子１０５と、波長変換素子１０５から出力された光を平行光化するコリメータ１０６と、不要な光を除去するための光学フィルタ１０７と、波長変換素子１０５から出力された光を分岐させる分岐ミラー１０８と、分岐ミラー１０８によって分岐された一方の光を反射するミラー１１１と、参照物質が封入された参照セル１１０を透過した光を集光する集光レンズ１１３と、集光レンズ１１３によって集光された光を検出する光検出器１１５と、光検出器１１５から出力される検出信号のうち、信号発生器１０２から出力される周波数３ｆの参照信号に応じて周波数３ｆの成分を取り出すロックイン増幅器１１６と、ロックイン増幅器１１６が取り出した成分を基に信号光光源１０１へフィードバック（帰還）制御を行うＰＩＤ制御回路１１７とから構成される。
【００３３】
分岐ミラー１０８は、光分岐手段を構成している。光検出器１１５とロックイン増幅器１１６とＰＩＤ制御回路１１７とは、第１の帰還制御手段を構成している。
【００３４】
励起光光源１００から出力される励起光は、ファイバアンプ１０３によって増幅される。信号発生器１０２は、信号光用のレーザドライバ（不図示）を介して、信号光光源１０１の注入電流を周波数ｆの正弦波信号で変調することにより、信号光光源１０１から出力される信号光に周波数ｆの微小な正弦波変調を施す。光合波器１０４は、ファイバアンプ１０３によって増幅された励起光と信号光光源１０１からの信号光とを合波する。励起光と信号光の合波光が波長変換素子１０５に入射すると、非線形光学効果により励起光と信号光との差周波光である変換光が発生する。波長変換素子１０５の構造は図１２と同様である。
【００３５】
コリメータ１０６は、波長変換素子１０５の出力光を絞って平行光化する。光学フィルタ１０７は、波長変換素子１０５の出力光から、不要となる信号光および励起光を除去する。分岐ミラー１０８は、光学フィルタ１０７を通過した変換光を分岐させ、一方の光を測定対象セル１０９に入射させる。ミラー１１１は、分岐ミラー１０８によって分岐された他方の光を反射させ、参照セル１１０に入射させる。
【００３６】
参照セル１１０は、波長ロックを行う吸収線を測定するためのセルであり、通常、参照物質として、測定対象と同じガスが充填されているが、参照物質は、測定対象と等しい波長位置に吸収線をもつガスであればよく、測定対象と異なるガスであってもよい。
集光レンズ１１２は、測定対象セル１０９を透過した光を集光して光検出器１１４に入射させる。集光レンズ１１３は、参照セル１１０を透過した光を集光して光検出器１１５に入射させる。光検出器１１４，１１５は、それぞれ入射光を電気信号に変換する。
【００３７】
なお、図１の例では、光増幅器として、励起光を増幅するためのファイバアンプ１０３を設けているが、信号光を増幅するための光増幅器を設けてもよい。また、図１の例では、波長変換素子１０５の後にコリメータ１０６と光学フィルタ１０７を設け、光検出器１１４，１１５の前に集光レンズ１１２，１１３を設けているが、これらは必須の構成ではなく、これらの構成を設けなくてもよい。
【００３８】
図１の構成では、中赤外レーザ光源の波長をロックするために信号光光源１０１の波長を制御し、この制御のために参照セル光路の信号を利用する。参照セル光路の信号は光検出器１１５によって検出される。ロックイン増幅器１１６は、光検出器１１５から出力される検出信号のうち、信号発生器１０２から出力される参照信号に応じた周波数の成分を取り出す。ＰＩＤ制御回路１１７は、ロックイン増幅器１１６が取り出した成分を基に信号光光源１０１の注入電流を制御することによって、信号光光源１０１の波長をロックするためのフィードバック制御を行う。
【００３９】
通常良く用いられるフィードバック制御の方法を説明する。微小な吸収の測定では、変調周波数ｆの２倍波である２ｆの周波数応答成分をロックイン増幅器で検出する２ｆ検波が広く用いられる。２ｆ信号はガスの吸収線の波長位置で上に凸のピーク構造を持つ。一方、中赤外レーザ光源の波長ロックのためのフィードバック制御には、変調周波数ｆで検波する１ｆ検波、あるいはその３倍波である３ｆの周波数応答成分を検出する３ｆ検波が用いられる。１ｆ検波は信号が大きいため検出しやすいが、オフセットの調整が必須であり、そのための工夫を別途必要とするため、３ｆ検波も広く用いられる。
【００４０】
以下、測定対象の吸収測定では２ｆ検波を、フィードバック制御では３ｆ検波を行うものとして波長ロックの仕組みを説明する。すなわち、信号発生器１０２からロックイン増幅器１１８に周波数２ｆの参照信号が供給されることにより、ロックイン増幅器１１８は、光検出器１１４から出力される検出信号のうち周波数２ｆの成分を取り出す。また、信号発生器１０２からロックイン増幅器１１６に周波数３ｆの参照信号が供給されることにより、ロックイン増幅器１１６は、光検出器１１５から出力される検出信号のうち周波数３ｆの成分を取り出す。なお、１ｆの成分を取り出す場合には、信号発生器１０２からロックイン増幅器１１６に周波数１ｆの参照信号を供給して、ロックイン増幅器１１６が、光検出器１１５から出力される検出信号のうち周波数１ｆの成分を取り出すようにすればよい。
【００４１】
本実施の形態では、装置構成を簡単にするために参照セル１１０には測定対象と同じガス種が封入されているとする。図２にロックイン増幅器１１８によって取り出される２ｆ信号、およびロックイン増幅器１１６によって取り出される３ｆ信号のスペクトルを示す。図２の２００が２ｆ信号のスペクトル、２０１が３ｆ信号のスペクトルである。図２の縦軸は信号強度、横軸は波長である。
【００４２】
２０２は測定対象の吸収線の波長を表している。この吸収線の波長において、２ｆ信号は上記のとおりピークを生じ、３ｆ信号の強度は零となる。すなわち、中赤外レーザ光源の波長が測定対象の吸収線の波長と等しいならば、３ｆ信号は零となり、中赤外レーザ光源の波長が測定対象の吸収線の波長に対して長波側あるいは短波側にずれると、このずれた量に比例して３ｆ信号は正あるいは負の値をとる。したがって、３ｆ信号の値を基にしてフィードバック制御を行うようにすれば、中赤外レーザ光源の波長のずれに比例した制御を実現できるため、測定対象の吸収線の波長位置に中赤外レーザ光源の波長をロックすることができる。
【００４３】
上述したように、差周波発生を利用する場合は励起光用と信号光用の２種類の半導体レーザが存在するため、どちらの半導体レーザに変調を施し、どちらの半導体レーザにフィードバック制御を施すかの任意性が生じるため、中赤外レーザ光源の構成方法は一意には定まらない。
【００４４】
本実施の形態においては、中赤外レーザ光源の構成の仕方として、周波数ｆの波長変調を施す半導体レーザとフィードバック制御を施す半導体レーザを、波長変換素子１０５の端面反射率が低い側の半導体レーザに統一するという特徴を有する。すなわち、励起光光源側、信号光光源側のどちらでも構わないが、波長変換素子１０５の端面反射率が低い方の半導体レーザに周波数ｆの波長変調を施し、同時に波長をロックするためのフィードバック制御を施す。
【００４５】
本実施の形態が優れた特徴をもつ仕組みを以下に説明する。以下、図１に示すように変調とフィードバック制御とを信号光光源１０１に対して行うものとして説明するが、励起光光源１００の場合であっても同じ説明が当てはまる。
【００４６】
中赤外レーザ光源の波長が測定対象の吸収線の波長に対してずれた影響を考慮すると、２ｆ信号に及ぼされる影響は以下のとおりとなる。非線形光学結晶を使った波長変換素子１０５を用いる場合、この素子の両端面の間で反射が発生し、これによってフリンジ（干渉縞）と呼ばれる波長依存性を持つ光信号の変動が生じる。フリンジは、励起光、信号光、変換光である差周波（idler）光すべての波長帯において、波長が変化すると生じるものである。このフリンジの影響は、光信号そのものの変動としては小さくても、波長変調を施して微分信号として検出されると大きな影響となる。信号光に変調を加えている場合、微分信号（２ｆ信号あるいは３ｆ信号）が大きな影響をうけるフリンジは、差周波光由来のフリンジと、信号光由来のフリンジが差周波光に変換されて生じるフリンジ成分である。
【００４７】
まず、波長をロックするためのフィードバック制御が行われる側の信号光の波長が所望の波長からずれてしまった場合、そのずれを補正するように信号光光源１０１へのフィードバック制御が行われるため特徴的な現象は生じない。しかしながら、フィードバック制御が行われる半導体レーザとは異なる半導体レーザの波長がずれた場合に、微分信号に特徴が生じる。
【００４８】
図３（Ａ）は本実施の形態においてフィードバック制御が行われない側の励起光の波長が適正である場合の２ｆ信号のスペクトルを示す図、図３（Ｂ）は励起光の波長が所望の波長に対して長波側にずれた場合の２ｆ信号のスペクトルを示す図、図３（Ｃ）は励起光の波長が所望の波長に対して短波側にずれた場合の２ｆ信号のスペクトルを示す図である。横軸に平行な直線３００はピーク位置を示すガイド線である。
【００４９】
測定対象の吸収線の波長は温度・圧力が一定であれば不変である。励起光光源１００の波長がずれた場合、式（１）の関係に基づいて、フィードバック制御が行われる側の信号光光源１０１の波長を変化させて元と同じ差周波光（idler光）を発生させることになるため、差周波光を基準に考えると波長は同一であるが、信号光を基準に考えると２ｆ信号のピークの位置は元々の信号光の波長とは異なっている。したがって、信号光波長で２ｆ信号のスペクトルを表した場合、２ｆ信号にピークが生じる信号光波長は、励起光波長にずれが生じたときに図３（Ａ）の状態から図３（Ｂ）の状態または図３（Ｃ）の状態のようにずれることとなる。
【００５０】
ここで、波長ずれによる影響を考察する。励起光の波長がずれたことによる影響は光信号がフリンジにより揺らぐことであるが、励起光には波長変調が施されていないため、２ｆ信号あるいは３ｆ信号への影響は少ない。また、信号光光源１０１へのフィードバック制御により、差周波光の波長はずれていないため、差周波光由来のフリンジによる影響は受けない。
【００５１】
信号光波長は、フィードバック制御により、図３（Ｂ）または図３（Ｃ）のようにずれるが、このとき、波長変調が施されているために信号光由来のフリンジ（信号光由来のフリンジが差周波光に変換されて生じるフリンジ）により２ｆ信号および３ｆ信号出力に影響を受ける。すなわち、信号のピーク位置とフリンジによる出力揺らぎの重なり方によって、２ｆ信号または３ｆ信号出力が揺らぐことになる。３ｆ信号の揺らぎはロック波長のずれ、すなわち吸収線ピーク波長に対する中赤外レーザ光源の波長のずれにつながり、検出信号である２ｆ信号の揺れは計測濃度の揺れに繋がる。したがって、それぞれのずれが計測誤差の原因となる。
【００５２】
しかしながら、本実施の形態では、波長変換素子１０５での端面反射率が低い側の半導体レーザ（本実施の形態の例では信号光光源１０１）に変調およびフィードバック制御を施しているため、差周波光に変換されるフリンジによる影響は最小限度に抑えられている。図４は波長ロックを行った場合の測定対象光路の入射光パワーで規格化した２ｆ信号出力の時間変化を示す図である。図４によれば、励起光の波長の揺れによる若干の出力変動がみられるものの、２ｆ信号の強度はほぼ一定に保たれており、信号光光源１０１へのフィードバック制御により中赤外レーザ光源の波長をロックした効果が表れている。
【００５３】
次に、本実施の形態とは異なり、周波数ｆの波長変調を施す半導体レーザと波長ロックのフィードバック制御を施す半導体レーザを分離した場合について説明する。ここでは波長変調を励起光光源に施し、フィードバック制御を信号光光源に施すこととするが、逆に波長変調を信号光光源に施し、フィードバック制御を励起光光源に施す場合であっても同様の説明が当てはまる。
【００５４】
波長変調を施す半導体レーザと波長ロックのフィードバック制御を施す半導体レーザを分離した場合、フィードバック制御が行われる光源ではない励起光光源の波長がずれた場合に本実施の形態との差異が生じる。図５（Ａ）は波長変調を施す半導体レーザとフィードバック制御を施す半導体レーザを分離した場合においてフィードバック制御が行われない側の励起光の波長が適正である場合の２ｆ信号のスペクトルを示す図、図５（Ｂ）は励起光の波長が所望の波長に対して長波側にずれた場合の２ｆ信号のスペクトルを示す図、図５（Ｃ）は励起光の波長が所望の波長に対して短波側にずれた場合の２ｆ信号のスペクトルを示す図である。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）の場合と同様に、横軸に平行な直線３００はピーク位置を示すガイド線である。
【００５５】
測定対象の吸収線の波長は温度・圧力が一定であれば不変である。本実施の形態と同様に、励起光光源の波長がずれた場合、式（１）の関係に基づいて、フィードバック制御が行われる側の信号光光源の波長を変化させて元と同じ差周波光（idler光）を発生させることになるため、差周波光を基準に考えると波長は同一であるが、信号光を基準に考えると２ｆ信号のピークの位置は元々の信号光の波長とは異なっている。したがって、信号光波長で２ｆ信号のスペクトルを表した場合、２ｆ信号にピークが生じる信号光波長は、励起光波長にずれが生じたときに図５（Ａ）の状態から図５（Ｂ）の状態または図５（Ｃ）の状態のようにずれることとなる。
【００５６】
ここで、波長変調を施す半導体レーザと波長ロックのフィードバック制御を施す半導体レーザを分離した場合の波長ずれによる影響を考察する。励起光の波長がずれたことによる影響は、励起光光源に波長変調を施しているために本実施の形態とは状況が異なる。すなわち、この場合は励起光光源に波長変調が施されているため、差周波光に変換されるフリンジ成分により２ｆ信号あるいは３ｆ信号への影響が生じるようになる。波長変調は、励起光光源への注入電流の固定点を中心として行うことになるため、信号光波長とは無相関であり、２ｆ信号あるいは３ｆ信号への影響は信号光波長に依存しない。
【００５７】
また、励起光の波長のずれによる影響は、変調によって変動している波長間に存在する、差周波光に変換される励起光由来のフリンジの影響を平均した形で２ｆ信号あるいは３ｆ信号へ重畳されるため、信号光波長でみたスペクトル上への影響はスペクトルの強度のオフセットに現れる。励起光の波長がずれると、フリンジの平均のされ方が変化するために、この波長のずれはオフセットの上下変動（スペクトルの強度の平行移動）という形で現れることになる。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）のスペクトルに、励起光の波長のずれによる影響が表れている。
【００５８】
したがって、２ｆ信号あるいは３ｆ信号のオフセットが変動する、すなわち一定値、上下変動することになるが、３ｆ信号の変動はロック波長のずれにつながり、検出信号である２ｆ信号の変動は計測濃度の揺れに繋がるため、計測誤差が大きな値になってしまう。一方で、信号光光源へのフィードバック制御により、差周波光の波長は、ずれていないため差周波光由来のフリンジによる影響は受けない。また、信号光には波長変調が施されていないため、２ｆ信号にピークが生じる信号光波長のずれの影響は僅かである。
【００５９】
図６は、波長変調を施す半導体レーザと波長ロックのフィードバック制御を施す半導体レーザを分離した場合において波長ロックを行った場合の測定対象光路の入射光パワーで規格化した２ｆ信号出力の時間変化を示した図である。励起光の波長の揺れにより、２ｆ信号および３ｆ信号が変動するために、ロック波長のずれと２ｆ信号変動の影響が重なり、２ｆ信号に大きな強度変動が見られる。つまり、信号光光源へのフィードバック制御により中赤外レーザ光源の波長をロックした効果があまり大きくないことが分かる。
【００６０】
波長ずれが信号の出力値に及ぼす影響であるが、通常、波長変調とフィードバック制御を別の半導体レーザに施した方が大きな出力変動となる。これは、以下の理由による。波長変調を施す半導体レーザとフィードバック制御を施す半導体レーザを分離した場合、波長変調の変調振幅は中赤外光（差周波光）由来のフリンジの出力変動が小さくなる値に調整するが、その変調振幅では近赤外光である励起光あるいは信号光の波長帯におけるフリンジの出力変動を小さくできない。また、この調整では近赤外光由来のフリンジの影響を知る方法が無く、近赤外光由来と中赤外光由来両方のフリンジの出力変動を同時に小さく調整するのは困難である。そのため、波長がすれた際にフリンジの影響を大きく検出してしまうことになり、信号の出力変動が大きくなってしまう。一方、波長変調とフィードバック制御を同じ半導体レーザに施す場合は、波長変調の変調振幅を、中赤外光由来のフリンジと近赤外光由来のフリンジ両方の出力変動を小さくする値に調整することが比較的容易である。
【００６１】
次に、本実施の形態の具体例について説明する。本実施の形態では、レーザ光源は、例えば２μｍから２０μｍ帯の波長のレーザ光を出力することを想定しているが、ここでは測定対象としてＮ2Ｏ（亜酸化窒素）の濃度を測定するための４．６μｍ帯の中赤外光を出力する構成とした。
【００６２】
励起光光源１００としては、１．０６μｍ付近の波長のレーザ光を出力するＤＦＢ型半導体レーザを使用し、信号光光源１０１としては、１．３９μｍ付近の波長のレーザ光を出力するＤＦＢ型半導体レーザを使用した。今回、波長変換素子１０５の信号光波長帯における端面反射率が励起光波長帯における端面反射率よりも低かったため、波長変調と波長ロックのためのフィードバック制御は信号光光源１０１に対して行うこととした。
【００６３】
１．０６μｍの励起光を増幅するためのファイバアンプ１０３として、ＹｂドープのファイバアンプであるＹＤＦＡ（Ytterbium Doped Fiber Amplifier）を用いた。励起光と信号光は、例えばファイバ融着タイプの光カプラ等からなる光合波器１０４で合波され、波長変換素子１０５に導入される。合波された光は波長変換素子１０５内でレンズにより光導波路に結合され、差周波発生により４．６μｍ帯の変換光に変換される。
【００６４】
波長変換素子１０５は、Ｚｎをドープしたニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）からなる、幅２０μｍ、高さ１５μｍ、長さ５０ｍｍ、分極反転周期２６μｍの光導波路を備えている。この光導波路は、ベース基板となるタンタル酸リチウムと熱拡散を用いた直接接合により接合されており、ダイシングソーにより導波路構造を作製した。素子の材料、サイズ、作製方法は一例であり、この例に限定されるものではない。
【００６５】
光導波路は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＺｎもしくはＭｇが添加されたニオブ酸リチウム、ＺｎもしくはＭｇが添加されたタンタル酸リチウム、またはこれらの材料の混晶のいずれかから構成すればよい。
【００６６】
分岐ミラー１０８は、ペリクルビームスプリッター等のハーフミラーからなる。例えば石英からなる参照セル１１０には、圧力１００Ｔｏｒｒ、濃度５％のＮ2Ｏが封入されている。同様に、測定対象セル１０９内にもＮ2Ｏが封入されている。
【００６７】
波長変換素子１０５から出力された変換光は、光学フィルタ１０７（本実施の形態の例ではＧｅフィルタ）によって不要な近赤外光が除去され、分岐ミラー１０８により分岐され、分岐した一方の光は測定対象セル１０９を透過し、他方の光は参照セル１１０を透過する。
【００６８】
本実施の形態では、光検出器１１４，１１５として、電子冷却型のＩｎＳｂ検出器を用いた。コリメータ１０６および集光レンズ１１２，１１３としては、中赤外用のフッ化カルシウム（ＣａＦ2）製レンズを用いた。
波長変調のための正弦波信号を信号発生器１０２（ファンクションジェネレータ）によって発生させ、信号光用のレーザドライバ（不図示）を介して信号光の波長変調を行った。変調周波数は１５ｋＨｚであった。
【００６９】
上記のとおり、ロックイン増幅器１１８は、光検出器１１４から出力される検出信号のうち周波数２ｆの成分を取り出す。濃度演算・表示器１１９は、ロックイン増幅器１１８が取り出した成分を基に測定対象のガスの濃度を演算する。濃度演算・表示器１１９は、例えばマイクロコンピュータからなり、メモリに予め格納されたプログラムに従って濃度の演算処理を実施する。なお、濃度の演算処理は周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。
【００７０】
ロックイン増幅器１１６は、光検出器１１５から出力される検出信号のうち周波数３ｆの成分を取り出す。ＰＩＤ制御回路１１７は、ロックイン増幅器１１６が取り出した成分を基に信号光光源１０１の注入電流を制御する。具体的には、ＰＩＤ制御回路１１７は、３ｆ信号の強度が零になるようにフィードバック制御を行う。
【００７１】
励起光光源１００の出力にアンプを用いることにより、励起光として５００ｍＷの光を波長変換素子に入力し、信号光光源１０１から信号光として５０ｍＷの光を波長変換素子に入力したところ、波長変換素子１０５からの出力として１ｍＷの変換光を得た。今回、波数２２０５．６９ｃｍ-1（波長４５３３．７ｎｍ）の吸収線を測定するため、信号光および励起光の波長を調整した。対象とする吸収線に波長を合わせ込んだ後、波長ロックを行い、中赤外レーザ光源の波長を吸収線の波長に固定した。
【００７２】
測定対象セル１０９に測定対象として、様々な濃度のＮ2Ｏガスを封入して測定を行い、検量線を作成した。封入したガスの濃度は十分に校正されたガスクロマトグラフィーで確認した。結果を図７に示す。横軸はガスクロマトグラフィーで確認した封入ガス濃度、縦軸は本実施の形態のレーザ分光装置で測定したＮ2Ｏガスの濃度である。本実施の形態では、波長ロックの効果が大きいため、データを平均している間の測定値の揺れが少なく、精度の高い濃度測定が可能であり、その結果としてばらつきの少ない検量線を得ることができた。
【００７３】
比較例として、励起光光源に波長変調を施し、信号光光源にフィードバック制御を施した場合のレーザ分光装置の構成で同様の検量線測定を行った結果を図８に示す。この構成では、データを平均している間の測定値の揺れが大きいため、精度の高いデータを得ることができず、その結果としてばらつきの大きい検量線となった。ばらつきは本実施の形態のレーザ分光装置の場合よりも２５％程度大きかった。
【００７４】
以上のように本実施の形態によれば、測定データの積算に有利な、測定対象吸収線の波長にレーザ波長をロックする方式を採用した中赤外レーザ光源において、波長ロック時のレーザ光出力の揺らぎが少なく吸収分光に適した構成を実現することができる。その結果、本実施の形態の中赤外レーザ光源を用いることで、従来に比してより高感度な濃度計測が可能なレーザ分光装置を実現することができる。
【００７５】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図９は本発明の第２の実施の形態に係るレーザ分光装置の構成を示す図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態においても、Ｎ2Ｏ（亜酸化窒素）の濃度を測定するための４．６μｍ帯の中赤外光を出力する構成とし、第１の実施の形態と同様に、波長変換素子１０５の信号光波長帯における端面反射率が励起光波長帯における端面反射率よりも低かったため、波長変調と波長ロックのためのフィードバック制御は信号光光源１０１に対して行うこととした。
【００７６】
レーザ分光装置としての基本構成は第１の実施の形態と同じであるが、第１の実施の形態で説明したように、フィードバック制御が行われない励起光光源１００の波長が揺らぐと信号光光源１０１の波長もそれに合わせて変化してしまうため、信号光のフリンジの影響によりレーザ光出力に揺らぎが出易くなってしまう。
【００７７】
そこで、本実施の形態では、第１の実施の形態の中赤外レーザ光源に、光分波器１２０と、光検出器付のエタロン１２１と、ＰＩＤ／制御ドライバ１２２とを追加し、励起光光源１００の波長をロックする構成とした。エタロン１２１に設けられた光検出器とＰＩＤ／制御ドライバ１２２とは、第２の帰還制御手段を構成している。
【００７８】
例えば分岐比が１：１０の光分波器１２０は、励起光光源１００からの励起光を僅かな量だけ分岐させて、エタロン１２１に導入する。エタロン１２１は、共振器構造を有している。エタロン１２１を透過した光は、干渉効果により、エタロン１２１の長さ、共振器内屈折率、およびエタロン１２１の温度により決まる周波数（波長）周期の出力変動を示す。このエタロン１２１を透過した光をエタロン１２１に固定された光検出器（不図示）で検出する。図１０にエタロン１２１に入射する光の波長とエタロン透過後の光を検出する光検出器の出力との関係の１例を示す。
【００７９】
図１０に示したような波長透過特性において光検出器の出力変動の一部分（例えば図１０の４００の部分）の傾きを利用してＰＩＤ制御を行うようにすれば、励起光の波長を所望の波長にロックすることができる。具体的には、ＰＩＤ／制御ドライバ１２２は、光検出器の出力が所望の値になるように、励起光光源１００の注入電流を制御すればよい。
その他の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。
【００８０】
第１の実施の形態と同様の方法でＮ2Ｏガスの濃度を測定して検量線を作成したところ、第１の実施の形態よりも高精度の測定が可能であり、検量線のばらつきは第１の実施の形態のレーザ分光装置よりもさらに５％程度小さかった。
【００８１】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図１１は本発明の第３の実施の形態に係るレーザ分光装置の構成を示す図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態においても、Ｎ2Ｏ（亜酸化窒素）の濃度を測定するための４．６μｍ帯の中赤外光を出力する構成とし、波長変換素子１２８の信号光波長帯における端面反射率が励起光波長帯における端面反射率よりも低かったため、波長変調と波長ロックのためのフィードバック制御は信号光光源１０１に対して行うこととした。
【００８２】
レーザ分光装置としての基本構成は第１の実施の形態と同じであるが、本実施の形態においては参照セル１１０内のガス種が測定対象と異なる。ここでは、参照セル１１０に、圧力１００Ｔｏｒｒ、濃度５０％のＣＯ2を封入した。
【００８３】
今回、測定対象の波数２１８７．０９６ｃｍ-1（波長４５７２．２７ｎｍ）の吸収線を測定するものとし、信号光および励起光の波長を調整した。ところが、ＣＯ2の吸収線の内、波数２１８７．０９６ｃｍ-1の吸収線に最も近いものは波数２１８７．１５６ｃｍ-1（波長４５７２．１５ｎｍ）の吸収線である。ＣＯ2の吸収線の波長で中赤外レーザ光源の波長をロックしてしまうと、測定したいＮ2Ｏの吸収線の波長とずれた場所にロックしてしまうことになる。
【００８４】
そこで、本実施の形態の中赤外レーザ光源では、波長変換素子１０５から出力された光を、測定対象セル１０９を透過する光と参照セル１１０を透過する光とに分岐させる代わりに、レーザの波長を変化させる波長シフタ１２５と、参照光路用の新たな波長変換素子１２８とを設け、測定対象のガスと参照ガスの吸収線の波長が異なっている場合でも計測可能な構成とした。波長変換素子１２８の構造は、波長変換素子１０５と同じである。
【００８５】
例えば分岐比１：１の光分波器１２４は、信号光光源１０１からの信号光を２つに分岐させる。例えば分岐比１０：１の光分波器１２３は、励起光光源１００からの励起光を２つに分岐させる。分岐比が小さい方の励起光は、ファイバアンプ１０３により増幅される。光合波器１０４は、ファイバアンプ１０３によって増幅された励起光と光分波器１２４によって分岐された一方の信号光とを合波して、合波光を波長変換素子１０５に導入する。
【００８６】
一方、分岐比が大きい方の励起光は、Ｎ2Ｏの吸収線とＣＯ2の吸収線の波長差分だけ波長を変化させる波長シフタ１２５に導入される。これにより、波長シフタ１２５から出射された励起光を用いて波長変換された変換光（idler光）の波長は、ＣＯ2の吸収線の波長と同一になる。波長シフタ１２５から出射された励起光は、ファイバアンプ１２６により増幅される。光合波器１２７は、ファイバアンプ１２６によって増幅された励起光と光分波器１２４によって分岐された他方の信号光とを合波して、合波光を波長変換素子１２８に導入する。分岐比が大きい方の励起光を波長シフタ１２５に導入する理由は、励起光を波長シフタ１２５に導入すると光出力に損失が生じるためである。
【００８７】
本実施の形態の場合、Ｎ2Ｏの吸収線とＣＯ2の吸収線の波長差は０．１２ｎｍである。信号光として１．３８６６９３５μｍの波長の光を用いるとすると、波長変換素子１２８に導入する励起光を０．００６５ｎｍだけ短波長側へシフトさせればよいことになる。したがって、本実施の形態では、波長シフタ１２５による波長変化量を、−０．００６５ｎｍとした。
【００８８】
このような構成をとることで、波長変換素子１０５から出力される差周波光と波長変換素子１２８から出力される差周波光との間で０．１２ｎｍの波長差が常に生じる事となるため、波長変換素子１２８から出力される差周波光の波長をＣＯ2の吸収線の波長でロックすれば、波長変換素子１０５から出力される差周波光の波長はＮ2Ｏの所望の吸収線の波長にロックされることになる。
【００８９】
本実施の形態のフィードバック制御を具体的に説明すると、コリメータ１２９は、波長変換素子１２８の出力光を絞って平行光化する。光学フィルタ１３０は、波長変換素子１２８の出力光から、不要となる信号光および励起光を除去する。集光レンズ１１３は、参照セル１１０を透過した光を集光して光検出器１１５に入射させる。ロックイン増幅器１１６は、光検出器１１５から出力される検出信号のうち周波数３ｆの成分を取り出す。ＰＩＤ制御回路１１７は、３ｆ信号の強度が零になるように、信号光用のレーザドライバ（不図示）を介して信号光光源１０１の注入電流を制御する。
その他の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。
【００９０】
第１の実施の形態と同様の方法でＮ2Ｏガスの濃度を測定して検量線を作成したところ、第１の実施の形態と同様に波長ロックの効果が大きいため、データを平均している間の測定値の揺れが少なく、精度の高い測定が可能であり、その結果としてばらつきの少ない検量線を得ることができた。
【００９１】
なお、本実施の形態に、図９に示した光分波器１２０と光検出器付のエタロン１２１とＰＩＤ／制御ドライバ１２２とを追加し、第２の実施の形態を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、吸収分光の技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１００…励起光光源、１０１…信号光光源、１０２…信号発生器、１０３，１２６…ファイバアンプ、１０４，１２７…光合波器、１０５，１２８…波長変換素子、１０６，１２９…コリメータ、１０７，１３０…光学フィルタ、１０８…分岐ミラー、１０９…測定対象セル、１１０…参照セル、１１１…ミラー、１１２，１１３…集光レンズ、１１４，１１５…光検出器、１１６，１１８…ロックイン増幅器、１１７…ＰＩＤ制御回路、１１９…濃度演算・表示器、１２０，１２３，１２４…光分波器、１２１…エタロン、１２２…ＰＩＤ／制御ドライバ、１２５…波長シフタ。
【図１】
2018017989.tif 000003
【図２】
2018017989.tif 000004
【図３】
2018017989.tif 000005
【図４】
2018017989.tif 000006
【図５】
2018017989.tif 000007
【図６】
2018017989.tif 000008
【図７】
2018017989.tif 000009
【図８】
2018017989.tif 000010
【図９】
2018017989.tif 000011
【図１０】
2018017989.tif 000012
【図１１】
2018017989.tif 000013
【図１２】
2018017989.tif 000014
【図１３】
2018017989.tif 000015
【図１４】
2018017989.tif 000016
【図１５】
2018017989.tif 000017
【図１６】
2018017989.tif 000018