(57)【要約】実施形態の半導体レーザ装置は、複数の第１の単位積層体と、複数の第２の単位積層体と、を有する。複数の第１の単位積層体は、第１量子井戸層を含みサブバンド間遷移により第１の赤外線レーザ光を放出可能な発光領域と、前記発光領域でミニバンド準位へ緩和された電子を下流側の単位積層体へ輸送可能な電子注入領域と、を有する。複数の第２の第２の単位積層体は、第２量子井戸層を含みサブバンド間遷移により第２の赤外線レーザ光を放出可能な発光領域と、第２量子井戸層の発光領域でミニバンド準位へ緩和された電子を下流側の単位積層体へ輸送可能な電子注入領域と、を有する。第２量子井戸層は、第１量子井戸層の井戸幅とは異なる井戸幅を少なくとも１つ有する。第１の単位積層体と第２の単位積層体とは空間的周期性有して積層される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１量子井戸層を含みサブバンド間遷移により第１の赤外光を放出可能な発光領域と、前記発光領域でミニバンド準位へ緩和された電子を下流側の単位積層体に輸送可能な電子注入領域と、を有する複数の第１の単位積層体と、
第２量子井戸層を含みサブバンド間遷移により第２の赤外光を放出可能な発光領域と、前記第２量子井戸層の前記発光領域でミニバンド準位へ緩和された電子を下流側の単位積層体に輸送可能な電子注入領域と、を有する複数の第２の単位積層体であって、前記第２量子井戸層は前記第１量子井戸層の井戸幅とは異なる井戸幅を少なくとも１つ有する、複数の第２の単位積層体と、
を備え、
第１の単位積層体と第２の単位積層体とは、空間的周期性を有して積層された半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１量子井戸層における前記サブバンド間遷移を決める井戸層の井戸幅は、前記第２量子井戸層における前記サブバンド間遷移を決める井戸層の井戸幅とは異なる請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記複数の第１の単位積層体は、前記電子注入領域の下流側に調整量子井戸層を含み、
前記複数の第２の単位積層体は、前記電子注入領域の下流側に調整量子井戸層を含み、
第１の単位積層体と第２の単位積層体とが積層された界面において、上流側の単位積層体の調整量子井戸層は、上流側の電子注入領域のミニバンド準位よりも低い遷移エネルギー準位を、下流側に隣接する単位積層体の発光領域まで連続して生成する、請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記複数の第１の単位積層体および前記複数の第２の単位積層体の少なくともいずれかの前記調整量子井戸層は、井戸層と障壁層とのペアを同一の構造で複数有する請求項３記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記調整量子井戸層の上流側に隣接する電子注入領域は、複数の量子井戸層を含み、
前記調整量子井戸層の前記井戸層の幅および前記障壁層の幅は、前記複数の量子井戸層のうち隣接する量子井戸層を構成する井戸層の幅と障壁層の幅とそれぞれ同一である請求項４記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記複数の第１の単位積層体は、前記第１量子井戸層に電子を注入する注入障壁層と、前記第１量子井戸層から電子を抽出する抽出障壁層と、を有し、
前記複数の第２の単位積層体は、前記第２量子井戸層に電子を注入する注入障壁層と、前記第２量子井戸層から電子を抽出する抽出障壁層と、を有する請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記複数の第１の単位積層体は、前記電子注入領域の下流側に調整量子井戸層を含み、
前記複数の第２の単位積層体は、前記電子注入領域の下流側に調整量子井戸層を含み、
第１の単位積層体と第２の単位積層体とが積層された界面において、上流側の単位積層体の調整量子井戸層は、上流側の電子注入領域のミニバンド準位よりも低い遷移エネルギー準位を、下流側に隣接する単位積層体の発光領域まで連続して生成する、請求項２記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記複数の第１の単位積層体および前記複数の第２の単位積層体の少なくともいずれかの前記調整量子井戸層は、井戸層と障壁層とのペアを同一の構造で複数有する請求項７記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記調整量子井戸層の上流側に隣接する電子注入領域は、複数の量子井戸層を含み、
前記調整量子井戸層の前記井戸層の幅および前記障壁層の幅は、前記複数の量子井戸層のうち隣接する量子井戸層を構成する井戸層の幅と障壁層の幅とそれぞれ同一である請求項８記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
第１量子井戸層を含みサブバンド間遷移により第１の赤外光を放出可能な発光領域と、前記発光領域でミニバンド準位へ緩和された電子を下流側の単位積層体へ輸送可能な電子注入領域と、を有する複数の第１の単位積層体と、
第２量子井戸層を含みサブバンド間遷移により第２の赤外光を放出可能な発光領域と、前記第２量子井戸層の前記発光領域でミニバンド準位へ緩和された電子を下流側の単位積層体へ輸送可能な電子注入領域と、を有する複数の第２の半導体積層体であって、前記第２量子井戸層は前記第１量子井戸層の井戸幅とは異なる井戸幅を少なくとも１つ有する、複数の第２の単位積層体と、
第３量子井戸層を含みサブバンド間遷移により第３の赤外光を放出可能な発光領域と、前記第３量子井戸層の前記発光領域でミニバンド準位へ緩和された電子を下流側の単位積層体へ輸送可能な電子注入領域と、を有する複数の第３の単位積層体であって、前記第３量子井戸層は前記第１量子井戸層の前記井戸幅および前記第２量子井戸層の前記井戸幅とは異なる井戸幅を少なくとも１つ有する、複数の第３の単位積層体と、
を備え、
第１の単位積層体と第２の単位積層体と前記第３の単位積層体とは、空間的周期性を有して積層された半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記第１量子井戸層における前記サブバンド間遷移を決める井戸層の井戸幅と、前記第２量子井戸層における前記サブバンド間遷移を決める井戸層の井戸幅と、前記第３量子井戸層における前記サブバンド間遷移を決める井戸層の井戸幅と、はすべて異なる請求項１０記載の半導体レーザ装置。
【請求項１２】
前記複数の第１の単位積層体は、前記電子注入領域の下流側に調整量子井戸層を含み、
前記複数の第２の単位積層体は、前記電子注入領域の下流側に調整量子井戸層を含み、
前記複数の第３の単位積層体は、前記電子注入領域の下流側に調整量子井戸層を含み、
第１の単位積層体、第２の単位積層体、および第３の単位積層体のうちの２つが積層された界面において、上流側の単位積層体の調整量子井戸層は、上流側の電子注入領域のミニバンド準位よりも低い遷移エネルギー準位を、下流側に隣接する単位積層体の発光領域まで連続して生成する、請求項１０記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外光を放出するレーザ装置は、環境測定など広い分野に応用されている。このうち、半導体からなる量子カスケードレーザは、小型で利便性が高く、高精度の測定を可能とする。【０００３】
量子カスケードレーザは、例えばＧａＩｎＡｓとＡｌＩｎＡｓとが交互に積層され、量子井戸層を含む活性層を有する。そして、活性層の両側面が、例えばＩｎＰクラッド層により挟まれた構造を有している。この場合、カスケード接続された量子井戸層は、キャリアのサブバンド間遷移により波長４〜２０μｍの赤外線レーザ光を放出可能である。【０００４】
空気中に含まれる様々なガスは、赤外線照射によりガス固有の吸収スペクトルを有する。このため、赤外線吸収量を測定することにより、ガスの種類とその濃度を知ることができる。この場合、量子カスケードレーザから放出されるレーザ光の波長範囲は、広いことが要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２７８３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
広い波長帯域で赤外発光が可能な半導体レーザ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の半導体レーザ装置は、複数の第１の単位積層体と、複数の第２の単位積層体と、を有する。前記複数の第１の単位積層体は、第１量子井戸層を含みサブバンド間遷移により第１の赤外光を放出可能な発光領域と、前記発光領域でミニバンド準位へ緩和された電子を下流側の単位積層体へ輸送可能な電子注入領域と、を有する。前記複数の第２の単位積層体は、第２量子井戸層を含みサブバンド間遷移により第２の赤外光を放出可能な発光領域と、前記第２量子井戸層の前記発光領域でミニバンド準位へ緩和された電子を下流側の単位積層体へ輸送可能な電子注入領域と、を有する。前記第２量子井戸層は、前記第１量子井戸層の井戸幅とは異なる井戸幅を少なくとも１つ有する。第１の単位積層体と第２の単位積層体とは空間的周期性を有して積層される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置を部分切断した模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図２】第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の作用を説明するエネルギーバンド図である。
【図３】第１井戸層の幅の変化させたときの、発光波長に対する利得のグラフ図である。
【図４】図４（ａ）は第２の実施形態の例Ｉのエネルギーバンド図、図４（ｂ）その破線領域の拡大図、図４（ｃ）は例IIのエネルギーバンド図、図４（ｄ）はその破線領域の拡大図、図４（ｅ）は例３のエネルギーバンド図、図（ｆ）はその破線領域の拡大図、である。
【図５】第２の実施形態にかかる半導体レーザ装置の発光波長に対する利得のグラフ図である。
【図６】図６（ａ）は比較例（Ｗ１＝６．４μｍ）にかかるエネルギーバンド図、図６（ｂ）はその破線領域の拡大図、図６（ｃ）は比較例（Ｗ１＝６．５μｍ）にかかるエネルギーバンド図、図６（ｄ）はその破線領域の拡大図、図６（ｅ）は比較例（Ｗ１＝６．６μｍ）にかかるエネルギーバンド図、図６（ｆ）はその破線領域の拡大図、である。
【図７】図７（ａ）は本実施形態にかかる半導体レーザ装置を用いた呼気診断装置の構成図、図７（ｂ）は複数のガスの吸収スペクトルの模式図、図７（ｃ）は波長制御部の第１調整機構および第２調整機構を説明する図、である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置を部分切断した模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
半導体レーザ装置は、基板１０と、基板１０の上に設けられた積層体２０と、誘電体層４０と、を少なくとも有する。図１（ａ）では、第１電極５０と、第２電極５２と、絶縁膜４２と、をさらに有している。
【００１０】
積層体２０は、第１クラッド層２２と、第１ガイド層２３と、活性層２４と、第２ガイド層２５と、第２クラッド層２８と、を有している。第１クラッド層２２の屈折率と、第２クラッド層２８の屈折率と、は、第１ガイド層２３、活性層２４、および第２ガイド層２５、の屈折率のいずれよりもそれぞれ低くし、活性層２４の積層方向に赤外線レーザ光６０を適正に閉じ込めるようにする。
【００１１】
また、積層体２０は、ストライプの形状を有しており、リッジ導波路ＲＧと呼ぶことができる。リッジ導波路ＲＧの２つの端面をミラー面とすると、誘導放出された光は、赤外線レーザ光６２として、光出射面から放出される。この場合、光軸６２は、ミラー面を共振面とする光共振器の断面の中心を結ぶ線と定義する。すなわち、光軸６２は、リッジ導波路ＲＧの延在する方向と一致する。
【００１２】
光軸６２に対して垂直な断面において、活性層２４の第１の面２４ａ、第２の面２４ｂ、に平行な方向の幅ＷＡが広すぎると、水平横方向に高次モードを生じ、高出力とすることが困難となる。活性層２４の幅ＷＡは、例えば５〜２０μｍなどとすると、水平横方向モードの制御が容易となる。誘電体層４０の屈折率が活性層２４を構成するいずれの層の屈折率よりも低いものとすると、積層体２０の側面２０ａ、２０ｂを挟むように設けられた誘電体層４０により、光軸６２に沿ってリッジ導波路ＲＧを構成することができる。
【００１３】
図２は、第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の作用を説明するエネルギーバンド図である。
活性層２４は、発光領域と、注入領域と、が交互に積層されたカスケード構造を有する。このような半導体レーザを、量子カスケードレーザと呼ぶことができる。第１の単位積層体８０は、第１発光領域８２と、第１注入領域８４と、有する。第１注入領域８４は、電子注入領域８８と、抽出障壁層ＢＥと、を有する。また、第１注入領域８４は、下流側に調整量子井戸層９０をさらに有することができる。第１発光領域８２は、第１量子井戸層８６のサブバンド間遷移により、第１の赤外線レーザ光を放出可能である。第１注入領域８４から第２発光領域９４にキャリア（本図では電子）が注入され、サブバンド間遷移ののち、第２発光領域９４から第２注入領域９６に電子が引き抜かれる。キャリアは、上流側から下流側に移動する。すなわち、第１の単位積層体８０は上流側に位置する。他方、第２の単位積層体９２は下流側に位置する。たとえば、第１注入領域８４は、キャリア（電子）を、下流側に位置する第２の単位積層体９２の第２発光領域９３に輸送（注入）すると言うことができる。
【００１４】
第２の単位積層体９２は、第２発光領域９３と、第２注入領域９５と、を有する。第２注入領域９５は、電子注入領域９６と、抽出障壁層ＢＥと、を有する。また、第２注入領域９５は、下流側に調整量子井戸層９８をさらに有することができる。第２発光領域９３は、第２量子井戸層９４のサブバンド間遷移により、赤外線レーザ光などを含む第２の赤外光を放出可能である。また、第２注入領域９５は、第２発光領域９３から注入されたキャリア（本図では電子）のエネルギーをミニバンド準位Ｌｍ２へ緩和可能である。
【００１５】
第１量子井戸層８６および第２量子井戸層９４において、井戸幅Ｗ１を、例えば１０ｎｍ以下のように狭くしていくとエネルギー準位が離散して、サブバンド（高準位Ｌｕ）、サブバンド（低準位Ｌｌ）、などを生じる。注入障壁層ＢＩから注入された電子などのキャリアは、量子井戸層に効果的に閉じ込めることができる。このため、高準位Ｌｕから低準位Ｌｌへキャリアが遷移する場合、エネルギー差（Ｌｕ１−Ｌｌ１）、（Ｌｕ２−Ｌｌ２）などに対応した光（ｈn）を放出する（電子などのキャリアの遷移）。
【００１６】
サブバンド間遷移は、伝導帯および価電子帯のいずれにかにおいて生じる。すなわち、ｐｎ接合によるホールと電子との再結合が必要ではなく、いずれかのキャリアのみの遷移により発光する。本図の場合、半導体積層体は、第１電極５０と、第２電極５２と、の間に印加された電圧により、注入障壁層ＢＩを介して電子７０を量子井戸層へ注入し、サブバンド間遷移を生じる。
【００１７】
単位積層体は、複数のミニバンド（サブバンドともいう）を有している。ミニバンドにおけるエネルギー差は小さく連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。第１発光領域８６の低準位Ｌｌ１の電子は、ミニバンド準位Ｌｍ１に緩和され、抽出障壁層ＢＥを通過して、第１注入領域８８へ注入され、下流側の単位積層体へ輸送（注入）される。また、第２発光領域９３の低準位Ｌｌ２の電子は、ミニバンド準位Ｌｍ２に緩和され、抽出障壁層ＢＥを通過して、第２注入領域９５へ注入され、下流側の単位積層体へ輸送（注入）される。
【００１８】
発光領域の量子井戸層のうちでサブバンド間遷移を決める井戸層を、第１井戸層と呼びその幅をＷ１で表す。第１の実施形態では、第２量子井戸層９４における発光を伴う電子遷移を生じる井戸層幅Ｗ１と第１量子井戸層８６における発光を伴う電子遷移を生じる井戸幅Ｗ１とは異なる。
【００１９】
図３は、第１井戸層の幅変化させたときの、発光波長に対する利得のグラフ図である。
縦軸は利得（１／ｃｍ）、横軸は発光波長（μｍ）、である。
第１の井戸層の幅Ｗ１を、６．３ｎｍ（Ａ）、６．４ｎｍ（Ｂ）、６．５ｎｍ（Ｃ）、６．６ｎｍ（Ｄ）と広くするのに応じて、発光波長のピークは、６．１μｍ、６．１５μｍ、６．２μｍ、６．２５μｍと長くなる。また、単位積層体の第１の井戸層の幅Ｗ１を変えることにより、発光波長のピークを変えることができる。
【００２０】
第１の実施形態では、第１の単位積層体８０と第２の単位積層体９２とは空間的周期性を有して積層される。このため、第１の井戸層の幅Ｗ１が異なる単位積層体を複数備え、広い発光波長帯域を有する量子カスケードレーザを得ることができる。
【００２１】
また、第１の単位積層体８０と第２の単位積層体９２とを交互に積層することができる。または、３種類以上の単位積層体を、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ａ−Ｂ−Ｃ・・・のように周期的に積層してもよい。さらに、Ａ−Ａ−Ｂ−Ａ−Ａ−Ｂ・・・などとしてもよい。積層数は、たとえば、２０〜５０などとすることができる。
【００２２】
第１の実施形態において、基板１０は、ＩｎＰなどとすることができる。第１クラッド層２２および第２クラッド層２８は、ＩｎＰなどとすることができる。第１ガイド層２３および第２ガイド層２５は、ＩｎＧａＡｓなどとすることができる。活性層２４は、ＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓなど）／Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓなどとすることができる。
【００２３】
第１クラッド層２２および第２クラッド層２８は、Ｓｉドープにより、例えば６×１０１８ｃｍ−３のｎ形不純物濃度を有し、例えば１μｍの厚さとすることができる。また、第１ガイド層２３および第２ガイド層２５は、Ｓｉドープにより、例えば４×１０１６ｃｍ−３のｎ形不純物濃度を有し、３．５μｍの厚さとすることができる。なお、注入領域を構成する量子井戸層の一部にＳｉドープをしてもよい。
【００２４】
（表１）は、第２の実施形態にかかる量子カスケードレーザを構成する単位積層体構造の例である。
【００２５】
【表１】
2015136739.tif 000003
【００２６】
第１井戸層の幅Ｗ１が異なる２つの単位積層体の間では、エネルギー差（Ｌｕ−Ｌｌ）が異なる。このため、電子注入効率が低下し、光出力が低下することがある。第２の実施形態では、上流側の第１の単位積層体８０の調整量子井戸層９０は、ミニバンド準位Ｌｍ１よりも低い遷移エネルギー準位Ｌｔ１を、下流側に隣接しかつ発光波長が異なる第２の単位積層体９２の第２量子井戸層９４まで連続して生成する。
【００２７】
比較例（構造Ａ）は、第１の井戸層の幅Ｗ１が６．３ｎｍであり、調整量子井戸層を有していない。第２の実施形態の例Ｉ（構造Ｂ＋調整層１）は、１つの井戸層／障壁層ペアからなる調整量子井戸層９０を有する。例IIは、（構造Ｃ＋２つの井戸層／障壁層ペア）２つの井戸層／障壁層ペアからなる調整量子井戸層を有する。例IIIは、（構造Ｄ＋３つの井戸層／障壁層ペア）３つの井戸層／障壁層ペアからなる調整量子井戸層を有する。
【００２８】
図４（ａ）は第２の実施形態の例Ｉのエネルギーバンド図、図４（ｂ）はその破線領域の拡大図、図４（ｃ）は例IIのエネルギーバンド図、図４（ｄ）はその破線領域の拡大図、図４（ｅ）は例３のエネルギーバンド図、図４（ｆ）はその破線領域の拡大図、である。
例I、例II、例IIIにおいて、第１の単位積層体８０の調整量子井戸層９０は、ミニバンド準位Ｌｍ１よりも低い遷移エネルギー準位Ｌｔ１を第２発光領域９４まで連続して生成する。このため、異なる構成の単位積層体をカスケード構造にしても電子注入効率を高く保つことができる。
【００２９】
図５は、第２の実施形態にかかる半導体レーザ装置の発光波長に対する利得のグラフ図である。    
（表１）に表す第２の実施形態の例Ｉ、例II、例IIIの注入領域は、井戸層（厚さ２．５ｎｍ）と障壁層（厚さ３ｎｍ）とのペアを１、２、３層とそれぞれ積層した調整量子井戸層９０を有する。第２の実施形態では、電子注入効率を高める、利得や光出力を高めることができる。このため、発光波長帯域を広げることが容易となる。なお、調整量子井戸層９０の構成はこれらに限定されない。キャリアの下流側にカスケード接続される発光領域の第１井戸層の幅Ｗ１に応じて、調整量子井戸層９０を構成する井戸層／障壁層の幅や繰り返し周期を決めることができる。なお、活性層２４の断面は、ＴＥＭ（Transmission  Electron  Microscope）により分析可能である。
【００３０】
たとえば、例Ｉの単位積層体と例IIIの単位積層体とを交互に積層すると、両方の利得が加算され、さらに広い利得帯域とすることができる。また、２つの単位積層体にまたがって、遷移エネルギー準位Ｌｔ１、Ｌｔ２が生成されるので電子注入効率を高くできる。
【００３１】
図６（ａ）は比較例（Ｗ１＝６．４μｍ）にかかるエネルギーバンド図、図６（ｂ）はその破線領域の拡大図、図６（ｃ）は比較例（Ｗ１＝６．５μｍ）にかかるエネルギーバンド図、図６（ｄ）はその破線領域の拡大図、図６（ｅ）は比較例（Ｗ１＝６．６μｍ）にかかるエネルギーバンド図、図６（ｆ）はその破線領域の拡大図、である。
比較例は、調整量子井戸層が設けられない単位積層体のエネルギーバンド図である。Ｗ１＝６．４、６．５、６．６μｍのいずれにおいても、単位積層体１８０ミニバンド準位Ｌｍ１は、そのまま次の単位積層体（同じ構成１８０）の量子井戸層１８６に引き継がれ高準位Ｌｕ２となる。すなわち、界面近傍に電子注入を容易にするようなミニバンド準位Ｌｍ１よりも低い遷移エネルギー準位が存在しない。このため、単位積層体の界面で、電子注入効率が低下しやすく、光出力が低下する。
【００３２】
これに対して、第１および第２の実施形態では、異なる井戸層幅を有する少なくとも２つの単位積層体が、周期性を保って積層される。このため、広い波長帯域で赤外発光が可能な発光素子（量子カスケードレーザを含む）が提供される。
【００３３】
図７（ａ）は本実施形態にかかる半導体レーザ装置を用いた呼気診断装置の構成図、図７（ｂ）は複数のガスの吸収スペクトルの模式図、図７（ｃ）は波長制御部の第１調整機構および第２調整機構を説明する図、である。
呼気診断装置は、量子カスケードレーザ１７０などと、波長制御部と、ガスセル（「筐体」に対応）２８０と、検出部２８７と、信号処理部２８８と、を有する。量子カスケードレーザ１７０と、波長制御部と、は、光源部１９１と呼ぶことができる。
【００３４】
波長制御部は、赤外線レーザ光などの波長を、ヒトなどの呼気に含まれる複数種類のガスのうちの一種類のガスの吸収スペクトル内にシフトする第１調整機構と、一種類のガスの吸収スペクトル内においてシフトする第２調整機構と、を有する。
【００３５】
呼気診断装置において、第１調整機構は回折格子１７１などを含む。回折格子１７１は、量子カスケードレーザ１７０の光軸１６２と交差するように設けられ、外部共振器を構成する。図７（ｃ）に表すように、複数のガスを含む呼気ＢＲにおいて、それぞれのガスの吸収スペクトルに応じて赤外線レーザ光の入射角をβ１〜β４などに変化させ、赤外線レーザ光の波長を変化させる（粗調整）。
【００３６】
この回折格子１７１は、ステッピングモータ１９９、およびそれを制御するコントローラ１９８により、光軸１６２と交差する軸を中心に回転制御される。なお、量子カスケードレーザ７０の回折格子１７１の側の端面には、無反射コート膜ＡＲを設けることが好ましい。さらに、無反射コート膜ＡＲとは反対の側に、部分反射(Partial Reflection）コート膜ＰＲを設けると、回折格子１７１との間で外部共振器を構成することができる。
【００３７】
分子の吸収スペクトルは離散的で測定精度を向上するには、吸収ピークに波長を精度よく合わせる必要がある。また、呼気中の主成分である二酸化炭素や水の吸収をさけ、測定対象分子の吸収を測定するには、吸収ピークに波長を精度よく合わせる必要がある。しかし、分子の吸収ピークや光源の波長は測定環境に影響を受けシフトすることがある。そのため、第２調整機構による微調することが好ましい。
【００３８】
また、図７（ｃ）に表すように、第２調整機構は、回折格子１７１を回転させずに一定とする。波長調整は、量子カスケードレーザ１７０の動作電流値ＩＬＤまたはデューティを変化するか、量子カスケードレーザ１７０の動作温度をペルチェ素子２９０などを用いて変化させるか、外部共振器長をピエゾ素子などにより変化させるか、などにより実現できる。または、第２調整機構は、チラー、ヒーター、および冷媒のうちのいずれかまたは併用により、量子カスケードレーザ１７０の動作温度を変化させてもよい。冷媒は、たとえば、液体窒素、水、エタノール水、液体ヘリウムのいずれかとすることができる。
【００３９】
図７（ｂ）に表すように、たとえば、アセトン（縦軸に表す吸収量のピークが７．３７μｍ近傍）とメタン（吸収量のピークが７．７μｍ近傍）とのガス濃度を測定するものとする。異なるガスの吸収スペクトルは、たとえば、略０．３μｍなどと大きく離間している。このため、短時間（たとえば、１分など）で複数のガスを測定するには、第１調整機構により、赤外線レーザ光の波長を素早く、かつシフト幅を大きくすることが好ましい。
【００４０】
他方、第２調整機構において、１つのガスの吸収スペクトル内で波長調整をする場合、シフトする幅は第１調整機構における波長範囲よりも狭くてもよい。但し、調整精度を高めることが要求される。すなわち、主として粗調整である第１調整機構と、主として微調整である第２調整機構とを、同一の波長制御機構で実現することは容易ではない。
【００４１】
ガスセル２８０は、呼気吸い込み口２８１と、呼気排出口２８２と、赤外線レーザ光の入射窓２８３と、赤外線レーザ光の出射窓２８４と、を有する。なお、量子カスケードレーザ１７０からのレーザ光は広がり角を有する。このため、量子カスケードレーザ１７０と、入射窓２８３と、の間に、コリメートする光学系２７２を設けるとよい。また、出射窓２８４と、検出器２８７と、の間に、集光光学系２８６を設けるとよい。
【００４２】
人間の呼気ＢＲには、主成分として、窒素、酸素、二酸化炭素、水などが含まれる。また、同時に、１０００種類以上の異なる分子がごく微量に含まれ、微量ガスの変化が疾患の指標となる。このため、呼気に含まれる微量ガスＧ１を測定すると、病気の早期発見や予防が可能となる。このように呼気診断装置を用いると、血液検査などを行うよりも、短時間で、かつ容易に診断ができる。
【００４３】
たとえば、アセトンを微量ガスＧ１として検出できると、糖尿病などが発見できる。この場合、７〜８μｍの波長の赤外線を用いてｐｐｍ程度の検出感度が必要である。また、アンモニアを微量ガスとして検出できると、肝炎が発見できる。この場合、１０.３μｍの波長の赤外線を用いて、ｐｐｂ程度の検出感度が必要である。また、エタノールやアセトアルデヒドを微量ガスとして検出できると、飲酒量が測定できる。
【００４４】
もし、量子カスケードレーザー１７０の発光波長帯域が狭いと、広い波長範囲の赤外線レーザ光を生成するために、複数の量子カスケードレーザー１７０と、それぞれの量子カスケードレーザに対応する複数の外部共振器と、が必要になる。このため、装置が大型化する。これに対して、本実施形態にかかる量子カスケードレーザは、広い発光波長帯域を有する。このため、１つの量子カスケードレーザで、広い範囲の波長の赤外線レーザ光を誘導放出でき、装置の小型化が容易である。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【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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【国際調査報告】
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