(57)【要約】【課題】導波路型の非線形光学結晶を用いた、中赤外光を発生する波長変換光源において、励起光強度を抑えて低消費電力化を図ることにある。【解決手段】非線形光学結晶３０１に導波路３０２の構造が施されている。導波路３０２の両端面には、波長λ2に対して高反射率になっている第１及び第２の高反射率膜３０３、３０４が施されている。波長λ1の励起光を発する励起光源３０５からの入射光は、ファイバ３０６から供給され、第１及び第２のレンズ３０７、３０８を介して、高反射率膜３０３を通して導波路３０２に結合されている。一方、波長λ2の信号光のシード光を発するシード光源３０９からの入射光は、ファイバ３１０から供給され、第３のレンズ３１１とミラー３１２を介して、高反射率膜３０４を通して導波路３０２に結合されている。ミラー３１２はシード光に対して反射し、中赤外光に対して透過をする特性を持っている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中赤外光を発生する波長変換光源において、
第１の波長λ1の励起光を発する励起光源と、
前記第１の波長λ1と異なる第２の波長λ2のシード光を発するシード光源と、
非線形光学結晶導波路と
を備え、
前記非線形光学結晶導波路の両端面に、前記シード光に対して反射率が７０％以上の反射膜が設置されており、
前記励起光源が発する前記励起光は、前記非線形光学導波路の一端からレンズを介して前記非線形光学結晶導波路に入射され、
前記シード光源が発する前記シード光は、前記非線形光学導波路の他端からレンズ及びミラーを介して前記非線形光学結晶導波路に入射され、
前記中赤外光は、前記非線形光学結晶導波路において光パラメトリック発振によって発生する、１／λ1−１／λ2＝１／λ3を満たす第３の波長λ3の中赤外光であることを特徴とする波長変換光源。
【請求項２】
前記ミラーは、前記シード光に対して反射し、前記中赤外光に対して透過する特性を有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換光源。
【請求項３】
前記ミラーは、前記シード光に対して透過し、前記中赤外光に対して反射する特性を有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換光源。
【請求項４】
前記非線形光学結晶導波路のコア層に分極反転構造が施されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の波長変換光源。
【請求項５】
前記コア層の材料は、ニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項４に記載の波長変換光源。
【請求項６】
前記励起光源および前記シード光源からの光はファイバを介して前記非線形光学結晶導波路に結合していることを特徴とする請求項２又は３に記載の波長変換光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換光源に関し、より詳細には、環境ガス計測等に用いる中赤外光を発生する波長変換素子を備える波長変換光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境保護や安全衛生上の観点から、ＣＨ4、ＣＯ2、ＣＯ、Ｎ2Ｏ等の温室効果ガス、ＮＯx、ＳＯx、アンモニア系等の環境ガス、水の吸収ピーク、多くの有機系ガス、又は残留農薬の極微量分析技術の確立が強く望まれている。ガス濃度を計測する一手法として、被測定ガスにレーザ光を当て、その吸収特性を観測する方法が知られている。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スキャンし、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。
【０００３】
環境ガスの多くは、波長２μｍ以上の中赤外光領域に基本振動またはその低次の倍音の吸収線を有している。従って、波長２μｍ以上の中赤外領域において、室温で連続発振が可能な中赤外光光源の需要が高まっている。このような光源として、擬似位相整合型波長変換素子による差周波発生により、ガスの吸収線波長である中赤外領域のレーザ光を出力する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、波長変換素子に励起光および信号光を入力するレーザ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。
【０００４】
波長変換により中赤外光を得る方法として差周波発生以外に光パラメトリック発振がある（例えば、非特許文献２参照）。光パラメトリック発振の構成図を図１に示す。光パラメトリック発振ではバルク型の非線形光学結晶がこれまで用いられてきたので、バルク型非線形光学結晶を用いて説明をする。非線形光学結晶１１が、凹面型のミラー１２、１３の間に挟まれるように配置する。波長λ1の励起光を光軸１４に沿って入力すると、非線形光学結晶１１内で非線形光学効果により１／λ1＝１／λ2＋１／λ3を満たす波長λ2とλ3の光が発生する。ミラー１２、１３は少なくとも波長λ2の光に対して高反射となっており、波長λ2の光はミラー１２、１３間を光軸１５に沿って往復する。実際の光は、点線で示した光形状１６の様に非線形光学結晶１１内で光が絞られた軌跡をたどる。非線形光学結晶１１内では波長λ2とλ3の光が発生するが、これはいわゆる利得媒質として働き、ミラー１２、１３の間に挟まれることによって光発振器の構成になっている。非線形光学結晶１１内の利得がミラー１２、１３での損失を超えた時に発振をはじめ波長λ2の発振光が光軸１７に沿って得られる。この場合、強い波長λ2の光に誘発されて同時に強い波長λ3の光も得られる。
【０００５】
ここでは波長λ2の光に対してミラー１２、１３が共振器を構成するミラーとなっている場合について説明したが、ミラー１２、１３が波長λ3の光に対して共振器を構成するミラーとなっていてもかまわない。
【０００６】
このような光パラメトリック発振では、光軸１５内で定在波となり、ミラー１２、１３での損失を超える非線形光学結晶１１の利得波長領域内の全ての波長で発振が可能であり、複数波長で発振する可能性がある。そこで、波長λ1の励起光以外に利得領域内の固定した波長λ2のレーザ光をシード光として非線形光学結晶１１に入射すると安定したシングルモード発振が可能であることが良く知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】D. G. Lancaster et al., Optics Lett., Vol .24, No. 23, 1744 (1999).
【非特許文献２】L. E. Myers et al., J. Opt. Soc. Am. B., Vol .12, No. 11, 2102 (1995).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のようなバルク型の非線形光学結晶を用いた光パラメトリック発振では、非線形光学効果が小さく、発振に必要な励起光強度が数Ｗと非常に大きく消費電力が大きい。光密度を高めて、高い変換効率の得られる導波路型の非線形光学結晶を用いるのが最善だと考えられる。
【０００９】
図２に、導波路型の非線形光学結晶を用いた場合の構成図を示す。本構成図では、入力光を光ファイバから供給する場合について説明を行う。非線形光学結晶２１に導波路２２の構造が施されている。導波路２２の両端面には高反射率膜２３、２４が施されている。入射光はファイバ２５から供給され、レンズ２６、２７を介して導波路２２に結合されている。このような構造に対して、波長λ1の励起光と波長λ2のシード光の２波をファイバ２５により入力する場合、この２波は波長が異なるので、レンズ２６、２７の色収差のために２つの光において同時に最適な結合効率が取れないという問題が存在する。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、導波路型の非線形光学結晶を用いた、中赤外光を発生する波長変換光源において、励起光強度を抑えて低消費電力化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、中赤外光を発生する波長変換光源において、第１の波長λ1の励起光を発する励起光源と、前記第１の波長λ1と異なる第２の波長λ2のシード光を発するシード光源と、非線形光学結晶導波路とを備え、前記非線形光学結晶導波路の両端面に、前記シード光に対して反射率が７０％以上の反射膜が設置されており、前記励起光源が発する前記励起光は、前記非線形光学導波路の一端からレンズを介して前記非線形光学結晶導波路に入射され、前記シード光源が発する前記シード光は、前記非線形光学導波路の他端からレンズ及びミラーを介して前記非線形光学結晶導波路に入射され、前記中赤外光は、前記非線形光学結晶導波路において光パラメトリック発振によって発生する、１／λ1−１／λ2＝１／λ3を満たす第３の波長λ3の中赤外光であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記ミラーが、前記シード光に対して反射し、前記中赤外光に対して透過する特性を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第３の態様は、第１の態様において、前記ミラーが、前記シード光に対して透過し、前記中赤外光に対して反射する特性を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第４の態様は、第２又は第３の態様において、前記非線形光学結晶導波路のコア層に分極反転構造が施されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記コア層の材料がニオブ酸リチウムであることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第６の態様は、第２又は第３の態様において、前記励起光源および前記シード光源からの光はファイバを介して前記非線形光学結晶導波路に結合していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、第１の波長λ1の励起光と第１の波長λ1と異なる第２の波長λ2のシード光とを非線形光学結晶導波路端の別方向から入射することにより、非線形光学結晶導波路に最適に第１の波長λ1及び第２の波長λ2の光を入射することが可能となる。これは、従来のバルク型結晶から導波路素子に置き換えることによる波長変換効率の向上とともに、結合損失の低下をもたらす。したがって、励起光源の出力を抑えて、消費電力の小さな波長変換光源が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の光パラメトリック発振の構成図である。
【図２】導波路型の非線形光学結晶を用いた場合の従来の構成図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる波長変換光源の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかる波長変換光源の構成を示す図である。
【図５】実施例１にかかる波長変換光源の構成を示す図である。
【図６】実施例２にかかる波長変換光源の構成を示す図である。
【図７】実施例３にかかる波長変換光源の構成を示す図である。
【図８】実施例４にかかる波長変換光源の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。まず、第１及び第２の実施形態について説明し、その後に実施例を示す。
【００２０】
（第１の実施形態）
図３に、本発明の第１の実施形態にかかる波長変換光源の構成を示す。非線形光学結晶３０１に導波路３０２（以下「非線形光学結晶導波路」とも呼ぶ。）の構造が施されている。導波路３０２の両端面には、波長λ2（「第２の波長」に対応）に対して９０％以上の反射率を有する第１の高反射率膜３０３及び７０％以上の反射率を有する第２の高反射率膜３０４が施されている。波長λ1（「第１の波長」に対応）の励起光を発する励起光源３０５からの入射光は、ファイバ３０６から供給され、第１及び第２のレンズ３０７、３０８を介して、高反射率膜３０３を通して導波路３０２に結合されている。一方、波長λ2の信号光のシード光を発するシード光源３０９からの入射光は、ファイバ３１０から供給され、第３のレンズ３１１とミラー３１２を介して、高反射率膜３０４を通して導波路３０２に結合されている。ミラー３１２はシード光に対して反射し、中赤外光に対して透過をする特性を持っている。
【００２１】
入射された波長λ2のシード光は、導波路３０２の両端面の第１及び第２の高反射率膜３０３、３０４により反射を受けて導波路３０２内を往復する。第１の高反射率膜３０３から第２の高反射率膜３０４の方向へ進行する導波路内３０２の波長λ1の励起光により、同方向に進行する波長λ2のシード光が増幅作用を受ける。波長λ2のシード光において、第１及び第２の高反射率膜３０３、３０４における損失と導波路３０２の導波による導波損失との和を増幅が上回るときにレーザ発振が起こる。この信号光のレーザ発振に伴い、１／λ1−１／λ2＝１／λ3をみたす高強度の波長λ3（「第３の波長」に対応）の中赤外光を取り出すことができる。このとき、波長λ3の中赤外光はミラー３１２を透過し、レンズ３１３を介して取り出す。
【００２２】
以上の第１の実施形態では、第１及び第２のレンズ３０７、３０８のファイバ３０６及び導波路３０２に対する設置位置により、最適に波長λ1の励起光を導波路３０２に結合可能である。一方、シード光源３０９からの光は、独立した第３のレンズ３１１により導波路３０２に結合され、シード光源３０９からの光と導波路３０２との結合のみを考慮して第３のレンズ３１１の位置を設置可能である。
【００２３】
なお、上述の構成では、励起光源およびシード光源からの光をファイバを介して導波路に結合しているが、ファイバを介さずに半導体LDチップからの出力をレンズを介して導波路に結合させてもよい。
【００２４】
また、非線形光学結晶に周期的な分極反転を施してもよい。通常、励起光、シード光、中赤外光の３つの光の間には位相整合が取れず中赤外光の発生効率が低くなるが、分極反転構造を取ることにより擬似的に位相整合を満たす事が可能となり、非線形光学導波路内での中赤外光の発生効率が高まるという利点がある。
【００２５】
（第２の実施形態）
図４に、本発明の第２の実施形態にかかる波長変換光源の構成を示す。非線形光学結晶４０１に導波路４０２（以下「非線形光学結晶導波路」とも呼ぶ。）の構造が施されている。導波路４０２の両端面には波長λ2（「第２の波長」に対応）に対して９０％以上の反射率を有する第１の高反射率膜４０３及び７０％以上の反射率を有する第２の高反射率膜４０４が施されている。波長λ1（「第１の波長」に対応）の励起光を発する励起光源４０５からの入射光は、ファイバ４０６から供給され、第１及び第２のレンズ４０７、４０８を介して第１の高反射率膜４０３を通して導波路４０２に結合されている。一方、波長λ2の信号光のシード光を発するシード光源４０９からの入射光は、ファイバ４１０から供給され、第３のレンズ４１１、ミラー４１２、及び第４のレンズ４１３を介して、第２の高反射率膜４０４を通して導波路４０２に結合されている。ミラー４１２は、信号光に対して透過し、中赤外光に対して反射をする特性を持っている。
【００２６】
入射された波長λ2のシード光は、導波路４０２の両端面の第１及び第２の高反射率膜４０３、４０４により反射を受けて導波路４０２内を往復する。第１の高反射率膜４０３から第２の高反射率膜４０４の方向へ進行する導波路内４０２の波長λ1の励起光により、同方向に進行する波長λ2のシード光が増幅作用を受ける。波長λ2のシード光において、第１及び第２の高反射率膜４０３、４０４における損失と導波路４０２の導波による導波損失との和を増幅が上回るときにレーザ発振が起こる。このシード光のレーザ発振に伴い、１／λ1−１／λ2＝１／λ3を満たす高強度の波長λ3（「第３の波長」に対応）の中赤外光を取り出すことができる。このとき、波長λ3の中赤外光はミラー４１３を反射して取り出す。
【００２７】
以上の第２の実施形態では、第１及び第２のレンズ４０７、４０８のファイバ４０６及び導波路４０２に対する設置位置により最適に波長λ1の励起光を導波路４０２に結合可能である。一方、光源４０９からの光は、独立した第３及び第４のレンズ４１１、４１３により導波路４０２に結合され、シード光源４０９からの光と導波路４０２との結合のみを考慮して第３及び第４のレンズ４１１、４１３の位置を設置可能である。
【００２８】
なお、上述の構成では、励起光源およびシード光源からの光をファイバを介して導波路に結合しているが、ファイバを介さずに半導体LDチップからの出力をレンズを介して導波路に結合させてもよい。
【００２９】
また、非線形光学結晶に周期的な分極反転を施してもよい。第１の実施形態と同様に、非線形光学導波路内での中赤外光の発生効率が高まるという利点がある。
【実施例１】
【００３０】
図５に、実施例１にかかる波長変換光源の構成を示す。本波長変換光源は第１の実施形態の一例である。導波路５０２を有し、周期的な分極反転を施したＬｉＮｂＯ3で構成された非線形光学結晶５０１を用意した。分極反転周期は２８．４μｍであり、導波路長は５ｃｍであった。非線形光学結晶５０１の導波路両端面に、波長１５５０ｎｍに対して高反射率の第１及び第２の高反射率膜５０３、５０４を施した。第１の高反射率膜５０３の１５５０ｎｍでの反射率は９９％、第２の高反射率膜５０４の１５５０ｎｍでの反射率は７０％であった。
【００３１】
波長１０６４ｎｍの励起光源５０５は、ファイバ５０６を出力ポートとして有する。励起光源５０５からの出力を、導波路５０２に、高反射率膜５０３の施してある側から、第１及び第２のレンズ５０７、５０８を介して結合した。このとき、ファイバ５０６と導波路５０２の光結合は１０６４ｎｍだけを考慮すればよく、第１及び第２のレンズ５０７、５０８の焦点距離は色収差を考慮する必要がなく、波長１０６４ｎｍの光に関してファイバ５０６内でのモード径と導波路５０２内でのモード径の比率を補償するように焦点距離比率を持つ第１及び第２のレンズ５０７、５０８を選定可能である。また、設置場所も波長による屈折角の違いを考慮する必要がなく１０６４ｎｍにおいてのみ第１及び第２のレンズ５０７、５０８の設置位置を決定できるので、シード光を考慮する場合よりも効率よく１０６４ｎｍの光を結合することが出来る。
【００３２】
また、シード光源５０９には、波長１５５０ｎｍの発振波長を持つ半導体レーザモジュールを用いた。シード光源５０９は、ファイバ５１０を出力ポートとして有する。シード光源５０９からの出力を、導波路５０２に、高反射率膜５０４の施してある側から最適に結合するように第３のレンズ５１１及びミラー５１２を設置した。ミラー５１２は、波長１５５０ｎｍを反射し、３〜４μｍの中赤外光を透過する特性を持つものを用いた。第２の高反射率膜５０４の施してある側の導波路５０２の端からの光軸上にミラー５１２を通して第３のレンズ５１３を配置し、中赤外光出力を測定した。
【００３３】
励起光源５０５の出力強度が１００ｍＷ付近で中赤外光出力を観測し始めた。励起光源５０５の出力強度が１Ｗにおいて中赤外光出力６ｍＷを観測した。
【実施例２】
【００３４】
図６に、実施例２にかかる波長変換光源の構成を示す。本波長変換光源は第２の実施形態の一例である。導波路６０２を有し、周期的な分極反転を施したＬｉＮｂＯ3で構成された非線形光学結晶６０１を用意した。分極反転周期は28.4μｍであり、導波路長は５ｃｍであった。非線形光学結晶６０１の導波路両端面に、波長１５５０ｎｍに対して高反射率の第１及び第２の高反射率膜６０３、６０４を施した。第１の高反射率膜６０３の１５５０ｎｍでの反射率は９９％、第２の高反射率膜６０４の１５５０ｎｍでの反射率は８０％であった。
【００３５】
波長１０６４ｎｍの励起光源６０５は、ファイバ６０６を出力ポートとして有する。励起光源６０５からの出力を、導波路６０２に、第１の高反射率膜６０３の施してある側から最適に結合するように第１及び第２のレンズ６０７、６０８を設置した。
【００３６】
また、シード光源６０９には、波長１５５０ｎｍの発振波長を持つ半導体レーザモジュールを用いた。シード光源６０９は、ファイバ６１０を出力ポートとして有する。シード光源６０９からの出力を、導波路６０２に、第２の高反射率膜６０４の施してある側から最適に結合するように第３のレンズ６１１、ミラー６１２、及び第４のレンズ６１３を設置した。ミラー６１２は波長１５５０ｎｍを透過し、３〜４μｍの中赤外光を反射する特性を持つものを用いた。ミラー６１２で反射された中赤外光出力を測定した。
【００３７】
励起光源５０５の出力強度が９０ｍＷ付近で中赤外光出力を観測し始めた。励起光源５０５の出力強度が１Ｗにおいて中赤外光出力４ｍＷを観測した。
【実施例３】
【００３８】
図７に、実施例３にかかる波長変換光源の構成を示す。本波長変換光源は第１の実施形態の一例である。導波路７０２を有し、周期的な分極反転を施したＬｉＮｂＯ3で構成された非線形光学結晶７０１を用意した。分極反転周期は28.4μｍで導波路長は５ｃｍであった。非線形光学結晶７０１の導波路両端面に、波長１５５０ｎｍに対して高反射率の第１及び第２の高反射率膜７０３、７０４を施した。第１の高反射率膜７０３の１５５０ｎｍでの反射率は９９％、第２の高反射率膜７０４の１５５０ｎｍでの反射率は９０％であった。
【００３９】
波長１０６４ｎｍの励起光源７０５は、分布帰還型の半導体レーザチップを用いた。励起光源７０５からの出力を、導波路７０２に、高反射率膜７０３の施してある側から最適に結合するように第１及び第２のレンズ７０６、７０７を設置した。
【００４０】
シード光源７０８には、波長１５５０ｎｍの発振波長を持つ分布帰還型半導体レーザチップを用いた。また、シード光源７０８からの出力を、導波路７０２に、高反射率膜７０４の施してある側から最適に結合するように第３のレンズ７０９及びミラー７１０を設置した。ミラー７１０は、波長１５５０ｎｍを反射し、３〜４μｍの中赤外光を透過する特性を持つものを用いた。第２の高反射率膜７０４の施してある側の導波路７０２の端からの光軸上にミラー７１０を通して第３のレンズ７１１を配置し、中赤外光出力を測定した。
【００４１】
励起光源７０５の出力強度が６０ｍＷ付近で中赤外光出力を観測し始めた。励起光源７０５の出力強度が８００ｍＷにおいて中赤外光出力４ｍＷを観測した。
【実施例４】
【００４２】
図８に、実施例４にかかる波長変換光源の構成を示す。本波長変換光源は第２の実施形態の一例である。導波路８０２を有し、周期的な分極反転を施したＬｉＮｂＯ3で構成された非線形光学結晶８０１を用意した。分極反転周期は28.4μｍで導波路長は５ｃｍであった。非線形光学結晶８０１の導波路両端面に、波長１５５０に対して高反射率の第１及び第２の高反射率膜８０３、８０４を施した。第１の高反射率膜８０３の１５５０ｎｍでの反射率は９９％、第２の高反射率膜８０４の１５５０ｎｍでの反射率は７０％であった。
【００４３】
波長１０６４ｎｍの励起光源８０５は、分布帰還型の半導体レーザチップを用いた。励起光源８０５からの出力を、導波路８０２に、高反射率膜８０３の施してある側から最適に結合するように第１及び第２のレンズ８０６、８０７を設置した。
【００４４】
シード光源８０８には、波長１５５０ｎｍの発振波長を持つ分布帰還型半導体レーザチップを用いた。また、シード光源８０８からの出力を、導波路８０２に、高反射率膜８０４の施してある側から最適に結合するように第３のレンズ８０９、ミラー８１０、及び第４のレンズ８１１を設置した。ミラー８１０は波長１５５０ｎｍを透過し、３〜４μｍの中赤外光を反射する特性を持つものを用いた。ミラー８１０で反射された中赤外光出力を測定した。
【００４５】
励起光源８０５の出力強度が１２０ｍＷ付近で中赤外光出力を観測し始めた。励起光源８０５の出力強度が１Ｗにおいて中赤外光出力1２ｍＷを観測した。
【符号の説明】
【００４６】
３０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８０２  非線形光学結晶導波路
３０３、３０４、４０３、４０４、５０３、５０４、６０３、６０４、７０３、７０４、８０３、８０４  高反射率膜
３０６、３１０、４０６、４１０、５０６、５１０、６０６、６１０  ファイバ
３０７、３０８、３１１、３１３、４０７、４０８、４１１、４１３、５０７、５０８、５１１、５１３、６０７、６０８、６１１、６１３、７０６、７０７、７０９、７１１、８０６、８０７、８０９、８１１  レンズ
３０５、４０５、５０５、６０５、７０５、８０５  励起光源
３０９、４０９、５０９、６０９、７０８、８０８  シード光源
３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１  非線形光学結晶
【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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