(57)【要約】【課題】高効率の非線形光学結晶と高出力の光通信用半導体レーザとを組み合わせることによって、半導体レーザでは実用化されていない波長領域において、波長を自由に設計することができる小型のレーザ光源を提供する。【解決手段】レーザ光源は、波長７５９ｎｍから７６８ｎｍに存在する酸素吸収線の中から選択された１つの吸収線の波長の２倍の波長を有するレーザ光を発振する分布帰還型半導体レーザと、二次非線形光学効果を有する光導波路と、分布帰還型半導体レーザの出力と光導波路の一端とを接続する偏波保持ファイバとを備えた。【選択図】図２２
2008009457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長７５９ｎｍから７６８ｎｍに存在する酸素吸収線の中から選択された１つの吸収線の波長の２倍の波長を有するレーザ光を発振する分布帰還型半導体レーザと、
二次非線形光学効果を有する光導波路と、
前記分布帰還型半導体レーザの出力と前記光導波路の一端とを接続する偏波保持ファイバと
を備えたことを特徴とするレーザ光源。
【請求項２】
前記光導波路の他端に配置され、前記光導波路から出射される光を平行光にするレンズと、
該レンズから出射される前記平行光のうち、前記半導体レーザから出力された光を透過せず、前記光導波路で発生した第二高調波の光を透過するフィルタと
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記光導波路の他端に、前記光導波路で発生した第二高調波の光に対してシングルモードで導波可能な構造を有する光ファイバを接続したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記光導波路に接続された温度制御素子と、
該温度制御素子を制御して前記光導波路の温度を制御するための温度制御回路と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１、２または３に記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記光導波路は、二次の非線形光学材料の分極を周期的に反転した構造を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ光源。
【請求項６】
前記二次の非線形光学材料は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、またはニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの混晶のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載のレーザ光源。
【請求項７】
前記二次の非線形光学材料は、亜鉛またはマグネシウムのいずれかが添加されていることを特徴とする請求項６に記載のレーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源に関し、より詳細には、レーザと非線形光学結晶とを用いて、高効率にナトリウムＤ線波長、または黄色領域波長のコヒーレント光を出力するレーザ光源、中赤外領域のレーザ光を波長２〜３μｍの範囲において可変することができるレーザ光源、および酸素吸収線である波長７５９ｎｍ〜７６８ｎｍのレーザ光を出力するレーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、実用化されているレーザには、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ａｒレーザなどのガスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザなどの固体レーザ、色素レーザおよび半導体レーザが知られている。図１に、レーザの波長領域と出力との関係を示す。近年、可視および近赤外領域の波長帯１０２を中心に、小型・軽量、安価な半導体レーザが普及している。特に光通信の分野では、信号光源用の１．３μｍ帯および１．５μｍ帯半導体レーザと、ファイバアンプ励起用の０．９８μｍ帯および１．４８μｍ帯半導体レーザとが普及している。また、ＣＤ用レーザ、赤色ＬＤとしても半導体レーザが用いられ、ＤＶＤ、Ｂｌｕ−ｒａｙなどの記録媒体の読み書きに利用される可視および紫外領域の波長帯１０１にも、半導体レーザが用いられている。
【０００３】
しかしながら、半導体レーザは、波長０．５〜０．６μｍの緑色、黄緑色、黄色領域の波長帯１１１と、波長２〜５μｍの中赤外領域の波長帯１１２とにおいては、実用化がなされておらず、高価で消費電力の大きなガスレーザ、固体レーザが用いられている。
【０００４】
液体、ガラスなどの光学媒質の屈折率、吸収などの光学特性は、光学機器の特性を規定する点で、または食品、医薬品などの精度、純度などの品質管理の点で、重要な評価項目となっている。これら光学特性の測定には、波長帯１１１に含まれる黄色領域の波長５８９〜５９０ｎｍのナトリウムＤ線を発生する光源が用いられている。
【０００５】
例えば、液体中の糖度と屈折率の関係は、Ｂｒｉｘ値としてＩＣＵＭＳＡ（International Commission for Uniform Methods of Sugars Analysis）で定められており、屈折率の測定から糖度を求める方法が規定されている。この方法は、果物や酒類の糖度測定に応用され、産業上、幅広く用いられている。
【０００６】
医薬品の分野では、薬剤の品質管理の１つとして、薬剤を溶かした溶液の屈折率が日本薬局方で定められている。サリドマイドのようなラセン構造をもつ医薬品では、「右手系」は薬用効果があるが、「左手系」は毒物となる場合がある。このような互いに逆ラセン構造を有する物質を、物理化学的に分離することは不可能である。しかし、異なる旋光性を示すことが知られており、光学的に容易に識別することができる。そこで、サリドマイドのような薬害事故後、日本薬局方において、ナトリウムＤ線による旋光度の測定が規定されている。このような性質を示す医薬品としては、サリドマイドのほか、メントール、プロスタグランジン、βラクタム系抗生物質、キノロン系抗菌剤など多数ある。
【０００７】
現在、ナトリウムＤ線を発生するレーザ光源は実現されておらず、ナトリウムランプあるいは黄色ＬＥＤを光源として用いている。ナトリウムランプからの光は、単色性に優れているものの、すべての方向に放射される発散光である。従って、平行光にすることが難しく、光学特性を精度よく測定することが困難である。また、集光エネルギーが高くならないため、大出力ランプを用いる必要がある。
【０００８】
一方、黄色ＬＥＤは、スペクトラム線幅が約２０ｎｍと広い。そこで、光学フィルタを用いて、ナトリウムＤ線近傍のスペクトラムを切り出すことにより、スペクトラム線幅を狭くしているものの、限界があった。また、可干渉性もないことから、測定精度の向上には限界があった。
【０００９】
このような背景のもとに、食料品、医薬品の品質管理など、産業上多くの分野で、ナトリウムＤ線波長で規定されている光学的評価方法の精度向上が求められている。ナトリウムＤ線におけるレーザを実現することができれば、光の干渉を用いた測定が可能となる。光の干渉を用いると、食品、医薬品をはじめとした各種液体、光学媒質の屈折率測定精度を、現在より２桁程度向上することができ、さらに、低消費電力化、小型化も可能となる。
【００１０】
ナトリウム原子の構造およびそのエネルギー遷移から発生する光の特性について説明する（例えば、非特許文献１参照）。ナトリウム原子から発光する波長は、５８９．５９２ｎｍ（Ｄ１線）と、５８８．９９５ｎｍ（Ｄ２線）とであることが知られている。また、Ｄ１線とＤ２線をあわせてＤ線と呼び、Ｄ線の波長は両者の平均を取り５８９．３ｎｍと呼ばれることもある。ナトリウム原子のエネルギー準位を図２に示す。Ｄ線は、第１励起状態である３Ｐ準位から基底状態である３Ｓ準位への遷移に伴い発生する。３Ｐは、３Ｐ１／２と３Ｐ３／２の微細構造を有し、Ｄ１線の発光は、３Ｐ１／２から３Ｓ１／２へ遷移によるものであり、Ｄ２線の発光は、３Ｐ３／２から３Ｓ１／２へ遷移によるものである。
【００１１】
３Ｓ１／２、３Ｐ１／２、３Ｐ３／２は、電子の磁気モーメントと原子核の固有磁気モーメントとの相互作用により極微細構造を有し、３Ｓ１／２は、エネルギー差７．３μｅＶの２つのレベルに分離し、３Ｐ１／２は、０．７８μｅの幅の２つのレベルに分離し、３Ｐ３／２は、０．４８μｅＶの幅の４つのレベルに分離する。
【００１２】
Ｄ１線、Ｄ２線の波長でレーザを実現するためには、それぞれに対応するエネルギーレベル間で反転分布を形成する必要がある。反転分布を実現するためには、３準位系、あるいは４準位系を構成する必要がある。しかし、図２に示したエネルギー準位において、３Ｐ３／２から３Ｐ１／２への緩和は禁制遷移であり、３Ｐ１／２から３Ｓ１／２への緩和時間は１５．９ｎｓ（例えば、非特許文献２参照）である。例えば、ＴｉＡｌ２Ｏ３レーザの緩和時間３．２μｓと比較すると、２桁以上も短いため、３Ｓ１／２と３Ｐ１／２との間で反転分布を形成することが難しく、ナトリウムＤ線波長のレーザ発振が未だ実現されていない。また、超微細構造を用いたレーザ発振も考えられるが、ナトリウム原子における３Ｓ１／２、３Ｐ１／２、３Ｐ３／２の極微細構造のエネルギー差は、室温（３００Ｋ）におけるエネルギー２５．８ｍｅＶに比較すると４桁程度小さい。そのため、室温における励起は、スプリットした極微細構造の両方にほぼ均等に分布し、反転分布を形成することができない。このような理由により、これまで、ナトリウムＤ１線、Ｄ２線におけるレーザを実現することが出来なかった。
【００１３】
従来、半導体レーザは、５００ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上の波長領域でしか実用化されていない。５００ｎｍ〜６２０ｎｍの波長領域においては、ファイバレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザの第二高調波発生法によって、特定の波長の固体レーザが実現されているものの、任意の波長の固体レーザは、未だ実現されていない。
【００１４】
一方、可視域のコヒーレントな光を発生する方法として、非線形結晶を用いた第二高調波発生法（ＳＨＧ法）が知られている。この方法により、Ｄ１線あるいはＤ２線の光を発生するためには、波長１１７９．２ｎｍまたは１１７８．０ｎｍの光源を必要とする。残念ながら、これらの波長は、半導体レーザで発振することができるものの、必要な出力を得ることが出来るレーザを入手することが非常に困難である。
【００１５】
また、非線形結晶を用い２つの励起レーザ光の和周波を発生し、可視光を得ることもできる。この方法では、和周波光のエネルギーは、２つの励起光のエネルギーの和で与えられる。所望の波長の和周波を得るために、２つの励起光の波長の組み合わせの自由度が広がるという利点もある。したがって、任意の波長のレーザを実現するためには、最も実用的な方法である。しかしながら、一般に非線形光学現象は、効率が低いという問題があった。この問題を解決するためには、非線形光学結晶の特性改善と共に、高励起光強度が得られ、さらに、小型化、低消費電力な既存レーザ装置の選択が重要となる。
【００１６】
従来、共焦点レーザービームにより試料を走査し、光学的断層像を得るレーザ顕微鏡が知られている。レーザ顕微鏡は、蛍光標識された物質の組織・細胞内分布解析に用いられている。また、一列に並んだ細胞の流れにレーザービームを照射し、蛍光強度に応じて細胞を分析・分取するフローサイトメータが知られている。フローサイトメータは、細胞の性質、例えば大きさ、ＤＮＡ含有量等を光学的パラメータとして定性的に識別するフローサイトメトリ法を用いた測定装置である。
【００１７】
近年、蛍光標識として蛍光色素が用いられているが、蛍光色素は、細胞にとって異物であるため、細胞の性質に影響を与えたり、細胞が死滅するなどの問題があった。そこで、クラゲなどから抽出した緑色蛍光タンパクにより、蛍光標識を行う方法が用いられている。また、緑色蛍光タンパクの突然変異や遺伝子操作によって、黄色、赤色の発光を示す蛍光タンパクも得られ（例えば、非特許文献３参照）、多色の蛍光を用いたより詳細な測定・分析が行われている。
【００１８】
赤色蛍光タンパクは、波長５６０〜５９０ｎｍに吸収極大を有するため（例えば、非特許文献４参照）、この波長帯域に発振波長を有するレーザ光源が望まれている。この波長帯域に発振波長を有するレーザは、色素レーザなどの大型レーザだけであるため、代わりに５３２ｎｍ固体レーザ、５４３ｎｍＨｅ−Ｎｅレーザが用いられている。しかしながら、これらの波長は、緑色蛍光タンパクの蛍光波長と黄色蛍光タンパクの吸収波長との重なりが顕著であるため、多色の蛍光タンパクを用いた測定・分析には不都合であった。
【００１９】
最近になって、強い緑色レーザ光（波長５３０〜５６０ｎｍ）の照射により、７２時間以上の長時間にわたり赤色蛍光を安定に発光するKindling赤色蛍光タンパクが報告されている（例えば、非特許文献５参照）。Kindling赤色蛍光タンパクを利用すると、細胞分裂の様子を蛍光によって長時間にわたり観測することができるなどの効果が期待される。しかし、従来の５３２ｎｍ固体レーザ、５４３ｎｍＨｅ−Ｎｅレーザは、緑色蛍光タンパクの蛍光波長と黄色蛍光タンパクの吸収波長との重なりが顕著である。したがって、できるだけ５６０ｎｍに近い発振波長を有する小型の固体レーザの実現が望まれている。
【００２０】
また、金属ポルフィリンは、光合成、呼吸代謝などの動植物の生命活動で重要な機能を担うタンパク質に含まれる分子であり、波長５９０ｎｍ付近に吸収極大を有する。これら金属ポルフィリンの発光波長は、６００ｎｍ付近にピークを示すために、波長５８９ｎｍのレーザを用いると、発光波長とのオーバーラップが大きく測定が困難である。そこで、波長５８５．０ｎｍの黄橙色レーザが必要とされている。
【００２１】
さらに、水銀ランプの発する輝線の１つ（ｅ線）に相当する波長５４６．１ｎｍ（黄緑）は、人間の視感度が一番高い波長であり、光学ガラスの屈折率標準の波長として使用されている。図１に示したように、波長帯１１１に含まれる５００ｎｍ〜６００ｎｍの緑色、黄緑色、黄色領域において、高効率、高安定のレーザ光源が必要とされる。
【００２２】
しかしながら、上述したように、半導体レーザは、５００ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上の波長領域でしか実用化されていない。また、５００ｎｍ〜６２０ｎｍの波長領域において、任意の波長の固体レーザも、未だ実現されていない。さらに、ＳＨＧ法により、黄色領域の光を発生するためには、波長１０９２．２ｎｍ、１１２０．０ｎｍまたは１１７０．０ｎｍの光源を必要とする。しかしながら、これらの波長は、半導体レーザで発振することができるものの、必要な出力を得ることが出来るレーザを入手することが非常に困難である。
【００２３】
上述したように、非線形光学現象を応用するにあたっては、非線形光学結晶の特性改善と共に、高励起光強度が得られ、さらに、小型化、低消費電力な既存レーザ装置の選択が重要となる。
【００２４】
環境保護、安全衛生上の観点から、ＮＯｘ、ＳＯｘ、アンモニア系等の環境ガス、水の吸収ピーク、多くの有機系ガスまた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。極微量分析技術として、被測定ガスを特定の物質に吸着し、電気化学的手法による定量分析と、被測定物質の固有の光学吸収特性を測定する光学的方法とが一般的である。このうち、光学的手法は、実時間測定が可能であり、測定光の通過する広範囲な領域の観測が可能という特徴を有する。
【００２５】
被測定物質の吸収ピークは、原子間結合の振動モードに起因し、主に２μｍから２０μｍの中赤外領域にある。しかし、図１に示した中赤外領域の波長帯１１２において、室温で連続発振が可能なレーザは、未だ実用化されておらず、量子カスケードレーザの研究開発が進められているに留まっている。産業上、中赤外光の必要性は高いものの、実用的なレーザ光源がないことが大きな支障になっている。
【００２６】
中赤外領域における実用可能な光源が存在しないので、既存の通信用半導体レーザ（０．８〜２μｍ）を使用して各種ガスなどの微量分析を行う場合には、基本吸収波長の倍音（＝基本吸収波長の２分の１）、３倍音（＝基本吸収波長の３分の１）における吸収を利用することとなる。倍音であれば必要な感度が得られる場合もあるが、３倍音以上の高次の吸収ピークにおける測定は、吸収量そのものが小さいために検出に限界が生じる。従って、本来の基本吸収波長における測定と比較して、３桁程度の感度低下を招くことになる。
【００２７】
従って、環境ガス、危険性を伴うガスなどを分析する際に、高い検出感度を得るためには、中赤外レーザ光源の開発が不可欠である。近年、波長３μｍ付近において中赤外光を発生させ、ガスセンサとして動作を確認したことが報告されている（例えば、非特許文献６参照）。ガスセンサに用いられた光源は、周期変調構造を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）波長変換素子を用いて、差周波発生により中赤外光を発生する。
【００２８】
しかしながら、周期変調構造を有する波長変換素子からは、１つの固定された波長の中赤外光が発生するのみである。そこで、一度に多種類のガスを検出できるように、波長を可変とするために、（１）１つの波長変換素子の中に多種の周期を設ける（例えば、非特許文献７参照）。（２）Fanout Gratingという構造により周期を変化させる（例えば、非特許文献６参照）。（３）励起光を素子に斜めに入射させて実効的な周期を変える（例えば、非特許文献８参照）などの手法が知られている。
【００２９】
これらの方法は、波長を広範囲に掃引することは可能ではあるが、多種の周期を持つ素子を束ねなければならないことから、多くの作業工程が必要となるという問題があった。また、励起光を素子に斜めに入射させる手法では、高効率化を図るべく素子の構造を導波路構造にすることが困難であるという問題もあった。
【００３０】
近年、環境問題が大きくクローズアップされ、特にダイオキシンが人体に及ぼす影響について、関心が寄せられている。ダイオキシンの発生源のひとつである焼却炉においては、炉の燃焼状態を制御することにより、ダイオキシンの発生を抑制することができる。燃焼状態を監視するためには、温度計、ＣＯ濃度計、酸素濃度計が必要とされる。
【００３１】
ガス濃度を検知する一手法として、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検知することができる。このときレーザ光に要求される点は、単色光、すなわちシングルモードのレーザ光であること、数ｍＷから数十ｍＷのガス検知に適した出力であること、波長スキャンが安定して可能なこと、長寿命であることなどが挙げられる。
【００３２】
酸素濃度計に用いられるレーザ光は、波長７５９ｎｍから７６８ｎｍに複数本存在する酸素吸収線を含む波長領域１１３にあり、砒化ガリウム系半導体レーザが用いられている（例えば、特許文献１参照）。砒化ガリウム系半導体レーザは、砒化ガリウム基板上に砒化ガリウムにほぼ格子定数が一致する半導体結晶を成長して作製される。
【００３３】
半導体レーザには、基板に平行に導波路が作製された端面発光レーザと基板に垂直に光を出射する面発光レーザとがある。砒化ガリウム系端面発光レーザは、比較的高出力のシングルモードレーザが開発されているが、発振波長を制御する構造を有していない。従って、砒化ガリウム系端面発光レーザの発振波長は、活性層の利得ピークと共振器の共振モードの一致する点で決まるため、波長スキャンを行った際に、縦モード飛びが生じやすく安定した波長スキャンを行うことが難しい。
【００３４】
発振波長を制御する構造として、分布帰還（ＤＦＢ）型、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型などがよく知られている。これら構造は、半導体結晶中において、基板に平行な方向に周期的に屈折率の異なる、すなわち組成の異なる半導体結晶を作製する必要がある。作製方法は、半導体結晶の表面を、波型などの周期構造にエッチングし、その上に異なる組成の半導体結晶を成長させる。酸素濃度を検知するために、波長７６３ｎｍで発振させるためには、その波長における吸収を抑える必要があり、アルミ濃度の高い結晶を用いる必要がある。しかしながら、アルミ濃度が高いと、周期構造を作製する際に結晶が酸化しやすいなどの問題を有している。
【００３５】
面発光レーザは、ＤＢＲ型のレーザの一種である。面発光レーザは、発光方向が基板に垂直であるため、基板に垂直な方向に屈折率分布を有するＤＢＲ構造とすればよい。すなわち、基板に平行な層状の、組成の異なる半導体結晶を周期的に作製すればよく、１回の半導体結晶成長で済むために作製が容易である。しかしながら、面発光レーザは、活性層を垂直方向に光が通過するため大きな利得を得ることができない。十分な出力を得るために、発光面積を増やす方法が考えられるが、発光面積を増やすと、横モードを複数有する発振となって、シングルモードではなくなる。発光面積を抑えたままシングルモード発振を行って、酸素濃度の検知に必要なｍＷオーダの発光強度を得ようとすると、発光に必要な電流が微小面積に集中し、電流密度が高くなる。このため、面発光レーザの寿命が、数ヶ月程度の短いものになるという問題があった。
【００３６】
【特許文献１】特開平６−１９４３４３号公報
【特許文献２】米国特許第５，０３６，２２０号明細書（対応する日本国出願は、特公平４−５０７２９９号公報参照）
【非特許文献１】久保謙一、鹿取謙二著「スピンと偏極」培風館、１９９４年１０月３１日、ｐ．２１−２４
【非特許文献２】Harold J. Metcalf and Peter van der Straten ”Laser Cooling and Trapping”, Springer, 1999, pp.274
【非特許文献３】G.Patterson et al., J. Cell Sci. No.114, pp.837-838 (2001)
【非特許文献４】A.F.Fradkov et al., Biochem. J. No.368, pp.17-21 (2002)
【非特許文献５】D.M.Chudakov et al., Nat. Biotechnol. No.21, pp.191-194 (2003)
【非特許文献６】D.Richter, et al., Applied Optics, Vol.39, 4444 (2000)
【非特許文献７】I.B.Zotova et al., Optics Letters, Vol.28, 552 (2003)
【非特許文献８】C.-W.Hsu et al., Optics Letters, Vol.26, 1412 (2001)
【非特許文献９】A.Yariv, ”Quantum Electronics”, 3rd Ed., pp.392-398 (1988)
【非特許文献１０】http://laserfocusworld.365media,comilaserfocusworld/search Result asp? cat=48903/&d=453&st=1
【非特許文献１１】R.M.Schotland， Proc. 3rd Symp. on Remote Sensing of Environment, 215 (1964)
【非特許文献１２】IEEE Photonics Technology Letters vol.11 (1999) pp.653-655
【非特許文献１３】Proceedings of the 15th Annual Meeting of IEEE, Lasers and Electro-Optics Society, 2002 (LEOS2002), vol.1, pp.79-80 (2202)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
本発明の第１の目的は、線幅が狭く平行性に優れ、エネルギー効率が高い、ナトリウムＤ線波長のコヒーレント光を発生するレーザ光源を提供することにある。
【００３８】
本発明の第２の目的は、線幅が狭く平行性に優れ、エネルギー効率が高い、黄色領域のコヒーレント光を発生するレーザ光源を提供することにある。
【００３９】
本発明の第３の目的は、中赤外領域のレーザ光を波長２〜３μｍの範囲において可変することができるレーザ光源を提供することにある。
【００４０】
本発明の第４の目的は、酸素吸収線である波長７５９ｎｍから７６８ｎｍにおいて高出力かつ長寿命のレーザ光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
本発明は、第１の目的を達成するために、波長λ１のレーザ光を発生する第１のレーザと、波長λ２のレーザ光を発生する第２のレーザと、波長λ１のレーザ光と波長λ２のレーザ光とを入力し、１／λ１＋１／λ２＝１／λ３の関係にある和周波の波長λ３を有するコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含むレーザ光源において、和周波の波長λ３は、ナトリウムＤ線に相当する波長５８９．３±２ｎｍであることを特徴とする。
【００４２】
また、第２の目的を達成するために、波長λ１のレーザ光を発生する第１のレーザと、波長λ２のレーザ光を発生する第２のレーザと、波長λ１のレーザ光と波長λ２のレーザ光とを入力し、１／λ１＋１／λ２＝１／λ３の関係にある和周波の波長λ３を有するコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含むレーザ光源において、波長λ１は９４０±１０ｎｍであり、波長λ２は１３２０±２０ｎｍであり、和周波の波長λ３は、黄色領域に相当する波長５４６．１±５．０ｎｍであることを特徴とする。
【００４３】
波長λ１を９８０±１０ｎｍとし、波長λ２を１３２０±２０ｎｍとすれば、和周波の波長λ３は、黄色領域に相当する波長５６０．０±５．０ｎｍとなる。また、波長λ１を１０６４±１０ｎｍとし、波長λ２を１３２０±２０ｎｍとすれば、和周波の波長λ３は、黄色領域に相当する波長５８５．０±５．０ｎｍとなる。さらに、波長λ１を９４０±１０ｎｍとし、波長λ２を１５５０±３０ｎｍとすれば、和周波の波長λ３は、黄色領域に相当する波長５８５．０±５．０ｎｍとなる。
【００４４】
さらに、第３の目的を達成するために、波長λ１のレーザ光を発生する第１のレーザと、波長λ２のレーザ光を発生する第２のレーザと、波長λ１のレーザ光と波長λ２のレーザ光とを入力し、１／λ１−１／λ２＝１／λ３の関係にある差周波の波長λ３を有するコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含むレーザ光源において、波長λ１は０．９〜１．０μｍであり、非線形光学結晶は、１の周期の分極反転構造を有し、波長λ２が１．３〜１．８μｍの間で変化すると、差周波の波長λ３は、波長３．１〜２．０μｍの間で変化するよう構成されていることを特徴とする。
【００４５】
さらにまた、第４の目的を達成するために、レーザ光源は、波長７５９ｎｍから７６８ｎｍに存在する酸素吸収線の中から選択された１つの吸収線の波長の２倍の波長を有するレーザ光を発振する分布帰還型半導体レーザと、二次非線形光学効果を有する光導波路と、分布帰還型半導体レーザの出力と光導波路の一端とを接続する偏波保持ファイバとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４６】
本発明は、高効率の非線形光学結晶と高出力の光通信用半導体レーザとを組み合わせることによって、半導体レーザでは実用化されていない波長領域において、波長を自由に設計することができる小型のレーザ光源を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態においては、高効率の非線形光学結晶と高出力の光通信用半導体レーザとを組み合わせる。図３に、本発明の一実施形態にかかるレーザ光源を示す。レーザ光源１２０は、非線形光学結晶を励起するための２つの励起レーザ１２１，１２２と、和周波光または差周波光を発生するための非線形光学結晶１２３とからなる。なお、波長によっては、１つの励起レーザからの出力光を非線形光学結晶に入力し、第二高調波発生を利用してもよい。
【００４８】
（第１の実施形態）
非線形結晶を用いた和周波発生では、和周波光の波長λ３は、２つの励起光の波長λ１、λ２とすると、  
１／λ３＝１／λ１＋１／λ２            （１）  
で与えられる。ナトリウムＤ１線、Ｄ２線に相当する和周波光を発生するためには、（１）式においてλ３＝５８９．５９２ｎｍまたは５８８．９９５ｎｍとなるλ１、λ２を選び、２つの波長の励起レーザ１２１，１２２と非線形光学結晶１２３とを組み合わせる必要がある。
【００４９】
また、和周波光の発生効率を高めるためには、非線形結晶内における２つの入射光（λ１、λ２）と和周波光（λ３）の伝搬定数ｋｉ＝２πｎｉ／λｉ（ｉ＝１，２，３）の間に、
ｋ３＝ｋ１＋ｋ２                        （２）  
が成立しなければならない。ここで、ｎｉはλｉにおける非線形結晶の屈折率である。しかし、光学媒質に分散特性が存在するために、特定の条件の場合のみ（２）式を満足する。具体的には、入射光あるいは和周波光の何れか１つの偏光方向を変え、常光屈折率と異常光屈折率とを用いる方法がある（例えば、非特許文献９参照）。また、非線形光学結晶に周期的な分極反転構造を形成し、擬似位相整合によって変換効率の高効率化を図る方法が用いられている（例えば、特許文献２参照）。
【００５０】
和周波光の発生強度は、２つの励起レーザ強度の積に比例するため、２つの励起レーザの選択は、それらの波長の組み合わせが（１）式を満足し、さらにより高強度のレーザを用いる。既存の半導体レーザ（例えば、非特許文献１０に参照）のうち、大出力が実現されている波長帯は、（１）９４０ｎｍ帯、（２）９８０ｎｍ帯、（３）１０６０ｎｍ帯、（５）１４８０ｎｍ帯である。また、（４）１３００ｎｍ帯、（６）１５５０ｎｍ帯でも１００ｍＷ級の半導体レーザが開発されている。特に、（４）、（５）、（６）の領域では、ＤＦＢ（Distributed FeedBack）レーザが開発されており、シングル縦モード発振、波長安定化が実現されている。また、８００ｎｍ〜８８０ｎｍの領域でも高出力半導体レーザが開発されているが、この領域の半導体レーザを励起レーザ１として用いると、励起レーザ２の波長は、１７８０ｎｍ以上となる。このような長波長領域で、大出力かつ信頼性の高い半導体レーザの実現は困難であることから、除外する。
【００５１】
図４に、ナトリウムＤ線の波長を和周波発生により得るための励起レーザ１と励起レーザ２の波長の関係を示す。励起用レーザ１の波長をλ１とし、励起用レーザ２の波長をλ２とし、和周波光を得るための関係を曲線３０で示した。また、上記（１）から（６）の励起レーザ１の領域を１−（１）、１−（２）、１−（３）、１−（４）、１−（５）、１−（６）としてハッチングを施した。併せて、上記（１）から（６）の励起レーザ２の領域を２−（１）、２−（２）、２−（３）、２−（４）、２−（５）、２−（６）としてハッチングを施して示した。図４より、励起レーザ１と励起レーザ２とは、１−（１）から１−（６）のいずれかと２−（１）から２−（６）のいずれかが、曲線３０上で交差する組み合わせを用いることにより、和周波発生の高効率化が可能となる。
【００５２】
なお、（１）から（６）の領域は、  
（１）  ９４０±１０ｎｍ
（２）  ９８０±１０ｎｍ
（３）  １０６０±１０ｎｍ
（４）  １２８０ｎｍ〜１３５０ｎｍ
（５）  １４８０±１０ｎｍ
（６）  １５３０ｎｍ〜１６００ｎｍ
とした。ここで、（５）は光通信におけるＯ帯であり、（６）はＣ帯である。この２つの波長帯は、波長多重通信技術（ＷＤＭ）において、最も、広く使われている領域であり、大出力かつ高信頼性の半導体レーザなどの光部品の入手が容易である。
【００５３】
１−（１）から１−（６）のいずれかと２−（１）から２−（６）のいずれかが、曲線３０上で交差する組み合わせは、励起レーザ１と励起レーザ２の波長を逆にしても、和周波波長は同じであることを考慮に入れる。その結果、（１）および（６）と、（２）および（５）と、（３）および（４）との組み合わせが、曲線３０上で交差し、この組み合わせを用いれば、ナトリウムＤ線の波長を効率的に発生できることがわかる。
【００５４】
一般に、レーザの形態として、シングルモード発振、マルチモード発振があるが、和周波発生光の特性は、２つの励起半導体レーザの特性で決まる。シングルモード発振を行うためには、２つの励起用半導体レーザもシングルモード発振させる必要がある。そのためには、ＤＦＢ構造を有する半導体レーザ、またはファイバブラッググレーティングを共振器構造に用いたレーザの使用が必要となる。また、マルチモード発振の場合には、ファブリペロー型半導体レーザ、半値全幅０．１ｎｍ〜０．５ｎｍ程度の反射スペクトラムを有するファイバグレーティングを共振器構造に適応した半導体レーザを用いることで実現することができる。
【００５５】
非線形光学結晶としては、非線形光学定数が大きく、また励起に用いる２つのレーザ波長とナトリウムＤ線波長において透明であれば何でも良いが、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３、ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３、ＬＴ）などを具体例として挙げることができる。また、これらの非線形光学結晶は、高効率に和周波発生を行うために、周期的な分極反転構造と導波路構造とを有することが望ましい。
【００５６】
周期的な分極反転構造とは、光の進行方向に対して、周期Λで分極の向きを１８０度反転させたグレーティング構造である。この構造によって、位相不整合量が０となる擬似位相整合条件を満足させる。波長λ１、λ２、λ３における非線形光学結晶の屈折率を、それぞれｎ１、ｎ２、ｎ３とすると、  
２πｎ３／λ３＝２πｎ１／λ１＋２πｎ２／λ２＋２πｎ２／Λ      （３）
を満たすような周期Λの周期的分極反転構造とすれば、和周波光の発生効率を最大にすることができる。
【００５７】
また、非線形光学結晶に導波路を形成すれば、励起レーザからの入射光を効果的に閉じ込めることができるので、高効率に和周波光を発生することができる。周期的分極反転構造は、電界印加法により実現することができ、導波路構造は、プロトン交換法、ドライエッチング法、またはダイシングソーによる機械加工法などによって実現することができる。導波路の作製方法については、第５の実施形態として後述する。
【００５８】
また、和周波光を発生するために、２つの半導体レーザ光の結合、ＬＮ導波路への結合が必要になるが、これらの技術は、光通信用デバイス技術として確立しており、実現上大きな支障がないことも特徴である。
【００５９】
例えば、既存の半導体ＤＦＢレーザの線幅は１ＭＨｚであり、ファイバブラッググレーティングを用いた外部鏡共振器型半導体レーザの線幅は、１００ｋＨｚ程度である。これらを励起レーザとして用いた場合の和周波光の線幅は、２つの励起光線幅の繰り込み積分で与えられることから数ＭＨｚ以下である。ナトリウムＤ線（波長５８９．３ｎｍ、周波数約５００ＴＨｚ）における屈折率を干渉法で測定する場合、その測定精度は、使用するレーザ光の周波数と線幅の比で与えられ、線幅を５ＭＨｚとすると、測定精度は１０−８となる。したがって、本実施形態によれば、ナトリウムＤ線における屈折率測定は、現状より２桁程度の精度向上が可能となる。
【００６０】
以上説明したように、非線形光学結晶の特性改善と共に、既存レーザ装置の選択により、ナトリウムＤ１線、Ｄ２線波長のコヒーレント光を、高効率、高安定で発生させることができ、レーザ光源の小型化、屈折率測定の精度向上を図ることが可能となる。
【００６１】
（実施例１−１）
図５に、本発明の実施例１−１にかかるナトリウムＤ線波長のレーザ光源を示す。レーザ光源は、２つの励起レーザ１４０，１４１と、周期的に分極反転させたＬＮ１４４と、励起レーザ１４０，１４１のレーザ光をコリメートするレンズ１４２ａ，１４２ｂと、２つのレーザ光を合波する合波器１４３と、ＬＮ１４４を透過した励起レーザ１４０、１４１のレーザ光とＬＮ１４４で発生した和周波光とを分離するフィルタ１４５とから構成されている。
【００６２】
励起レーザ１４０の波長λ１と、励起レーザ１４１の波長λ２とは、  
１／λ１＋１／λ２＝１／（５８９．３±２．０）
を満足するような組み合わせとする。さらにλ１、λ２は、  
λ１＝９７６±１０ｎｍ、λ２＝１４８５±２０ｎｍ
λ１＝１０６４±１０ｎｍ、λ２＝１３２０±２０ｎｍ
λ１＝９４０±１０ｎｍ、λ２＝１５６５±３５ｎｍ
のいずれかを満足する範囲とする。λ２の半導体レーザはＤＦＢレーザでもよい。
【００６３】
励起レーザ１４０の波長λ１＝１０６４ｎｍ、ＬＮ１４４への入射強度を５０ｍＷとし、励起レーザ１４１のλ２＝１３２０ｎｍ、ＬＮ１４４への入射強度を７０ｍＷとしたとき、波長λ３＝５８９．１ｎｍ、出力２０μＷの和周波光が得られた。
【００６４】
（実施例１−２）
図６に、本発明の実施例１−２にかかるナトリウムＤ線波長のレーザ光源を示す。実施例１−１のレーザ光源との相違は、非線形光学結晶にある。非線形光学結晶は、ＬＮ結晶を導波路化された周期的分極反転ＬＮ導波路１５１を用いる。また、入射レーザ光を周期的分極反転ＬＮ導波路１５１に効率よく結合するためのレンズ１５０と、および周期的分極反転ＬＮ導波路１５１からの出射光をコリメートするレンズ１５２とを有している。
【００６５】
励起レーザ１４０の波長λ１＝１０６４ｎｍ、ＬＮ１４４への入射強度を５０ｍＷとし、励起レーザ１４１のλ２＝１３２０ｎｍ、ＬＮ１４４への入射強度を７０ｍＷとしたとき、波長λ３＝５８９．１ｎｍ、出力１０ｍＷの和周波光が得られた。
【００６６】
（実施例１−３）
実施例１−１および実施例１−２の構成（図４、図５）において、励起レーザ１４０を、波長１０６４ｎｍ近傍のＮｄイオンを用いたレーザ（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）とし、励起レーザ１４１を１３００±１０ｎｍの半導体レーザとする。
【００６７】
（実施例１−４）
図７に、本発明の実施例１−４にかかるナトリウムＤ線波長のレーザ光源を示す。実施例１−２の構成において、２つのレーザ光を周期的分極反転ＬＮ導波路１５１に結合するために、偏波面保持ファイバ（またはシングルモードファイバ）１６１，１６３と、合波器１６２とを用いた。偏波面保持ファイバ１６３からの放射される光は、周期的分極反転ＬＮ導波路１５１の端面に直接入射するか、またはレンズ１６４によって結合する。
【００６８】
（実施例１−５）
図８に、本発明の実施例１−５にかかるナトリウムＤ線波長のレーザ光源を示す。実施例１−４のさらなる応用例である。励起レーザ１７０，１７１は、出射側端面１７０ａ，１７１ａに反射率２％以下のＡＲコートを施し、反対側の端面１７０ｂ，１７１ｂに反射率９０％以上のＨＲコートを施す。励起レーザ１７０，１７１の出力は、レンズ１７２ａ，１７２ｂを介して、端面あるいはファイバの途中にファイバブラッググレーティングを形成した偏波面保持ファイバ（またはシングルモードファイバ）１７３、１７４に結合される。このようにして、端面１７０ｂ，１７１ｂのＨＲコーティングとファイバブラッググレーティングとの間で共振器を構成する。
【００６９】
それぞれのレーザの発振波長は、ファイバブラッググレーティングの反射スペクトラムによって制御する。このとき、ファイバブラッググレーティング反射スペクトラムの中心波長は、  
９７６±１０ｎｍ、１４８５±２０ｎｍ
１０６４±１０ｎｍ、１３２０±２０ｎｍ
９４０±１０ｎｍ、１５６５±３５ｎｍ
のいずれかとし、その線幅（半値全幅）は０．３ｎｍ以下とする。
【００７０】
（第２の実施形態）
本発明の一実施形態にかかる黄色領域のレーザ光源の構成は、図３に示したとおりである。黄色領域に相当する和周波光を発生するためには、（１）式においてλ３＝５４６．１ｎｍ、５６０．０ｎｍまたは５８５．０ｎｍとなるλ１、λ２を選び、２つの波長の励起レーザ２１，２２と非線形光学結晶２３とを組み合わせる必要がある。
【００７１】
図９に、黄色領域の波長を和周波発生により得るための励起レーザ１と励起レーザ２の波長の関係を示す。励起用レーザ１の波長をλ１とし、励起用レーザ２の波長をλ２とし、和周波光を得るための関係を曲線３０で示した。また、上記（１）から（６）の励起レーザ１の領域を１−（１）、１−（２）、１−（３）、１−（４）、１−（５）、１−（６）としてハッチングを施した。併せて、上記（１）から（６）の励起レーザ２の領域を２−（１）、２−（２）、２−（３）、２−（４）、２−（５）、２−（６）としてハッチングを施して示した。なお、（１）から（６）の領域は、図４とおなじである。
【００７２】
図９より、励起レーザ１と励起レーザ２とは、１−（１）から１−（６）のいずれかと２−（１）から２−（６）のいずれかが、λ３＝５４６．１ｎｍとなる曲線２１上で交差する組み合わせ、λ３＝５６０．０ｎｍとなる曲線２２上で交差する組み合わせ、またはλ３＝５８５．０ｎｍとなる曲線２３上で交差する組み合わせを用いることにより、和周波発生の高効率化が可能となる。
【００７３】
１−（１）から１−（６）のいずれかと２−（１）から２−（６）のいずれかが、曲線２１〜２３上で交差する組み合わせは、励起レーザ１と励起レーザ２の波長を逆にしても、和周波波長は同じであることを考慮に入れる。その結果、（１）および（４）と、（２）および（４）と、（３）および（４）と、（１）および（６）との組み合わせを用いれば、黄色領域の波長を効率的に発生できることがわかる。
【００７４】
以上説明したように、非線形光学結晶の特性改善と共に、既存レーザ装置の選択により、黄色領域のコヒーレント光を、高効率、高安定で発生させることができ、レーザ光源の小型化、屈折率測定の精度向上を図ることが可能となる。
【００７５】
（実施例２−１）
図１０に、本発明の実施例２−１にかかる黄色領域のレーザ光源を示す。レーザ光源は、２つの励起レーザ２４０，２４１と、周期的に分極反転させたＬＮ２４４と、励起レーザ２４０，２４１のレーザ光をコリメートするレンズ２４２ａ，２４２ｂと、２つのレーザ光を合波する合波器２４３と、ＬＮ２４４を透過した励起レーザ２４０、２４１のレーザ光とＬＮ２４４で発生した和周波光とを分離するフィルタ２４５とから構成されている。
【００７６】
励起レーザ２４０の波長λ１と、励起レーザ２４１の波長λ２とは、  
１／λ１＋１／λ２＝１／（５４６．１±５．０）
を満足するような組み合わせとする。さらにλ１、λ２は、上述の（１）および（４）の組み合わせであり、  
λ１＝９４０±１０ｎｍ、λ２＝１３２０±２０ｎｍ
を満足する範囲とする。λ２の半導体レーザはＤＦＢレーザでもよい。
【００７７】
励起レーザ２４０の波長λ１＝９４０ｎｍ、ＬＮ２４４への入射強度を４０ｍＷとし、励起レーザ２４１のλ２＝１３２０ｎｍ、ＬＮ２４４への入射強度を７０ｍＷとしたとき、波長λ３＝５４６．１ｎｍ、出力２０μＷの和周波光が得られた。
【００７８】
（実施例２−２）
図１１に、本発明の実施例２−２にかかる黄色領域のレーザ光源を示す。実施例２−１のレーザ光源との相違は、非線形光学結晶にある。非線形光学結晶は、ＬＮ結晶を導波路化された周期的分極反転ＬＮ導波路２５１を用いる。また、入射レーザ光を周期的分極反転ＬＮ導波路２５１に効率よく結合するためのレンズ２５０と、および周期的分極反転ＬＮ導波路２５１からの出射光をコリメートするレンズ２５２とを有している。
【００７９】
励起レーザ２４０の波長λ１＝９４０ｎｍ、ＬＮ２４４への入射強度を４０ｍＷとし、励起レーザ２４１のλ２＝１３２０ｎｍ、ＬＮ２４４への入射強度を７０ｍＷとしたとき、波長λ３＝５４６．１ｎｍ、出力１０ｍＷの和周波光が得られた。
【００８０】
（実施例２−３）
実施例２−１および実施例２−２の構成（図１０、図１１）において、励起レーザ２４０を、波長１０６４ｎｍ近傍のＮｄイオンを用いたレーザ（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）とし、励起レーザ２４１を１３２０±２０ｎｍの半導体レーザとする。従って、上述した（３）および（４）の組み合わせとなって、波長λ３＝５８５．０ｎｍの黄色領域の和周波光を得ることができる。
【００８１】
（実施例２−４）
図１２に、本発明の実施例２−４にかかる黄色領域のレーザ光源を示す。実施例２−２の構成において、２つのレーザ光を周期的分極反転ＬＮ導波路２５１に結合するために、偏波面保持ファイバ（またはシングルモードファイバ）２６１，２６３と、合波器２６２とを用いた。偏波面保持ファイバ２６３からの放射される光は、周期的分極反転ＬＮ導波路２５１の端面に直接入射するか、またはレンズ２６４によって結合する。
【００８２】
（実施例２−５）
図１３に、本発明の実施例２−５にかかる黄色領域のレーザ光源を示す。実施例２−４のさらなる応用例である。励起レーザ２７０，２７１は、出射側端面２７０ａ，２７１ａに反射率２％以下のＡＲコートを施し、反対側の端面２７０ｂ，２７１ｂに反射率９０％以上のＨＲコートを施す。励起レーザ２７０，２７１の出力は、レンズ２７２ａ，２７２ｂを介して、端面あるいはファイバの途中にファイバブラッググレーティングを形成した偏波面保持ファイバ（またはシングルモードファイバ）２７３、２７４に結合される。このようにして、端面２７０ｂ，２７１ｂのＨＲコーティングとファイバブラッググレーティングとの間で共振器を構成する。
【００８３】
それぞれのレーザの発振波長は、ファイバブラッググレーティングの反射スペクトラムによって制御する。このとき、ファイバブラッググレーティング反射スペクトラムの中心波長は、  
９４０±１０ｎｍ、１３２０±２０ｎｍ
９８０±１０ｎｍ、１３２０±２０ｎｍ
１０６４±１０ｎｍ、１３２０±２０ｎｍ
９４０±１０ｎｍ、１５５０±３０ｎｍ
のいずれかとし、その線幅（半値全幅）は０．３ｎｍ以下とする。
【００８４】
（第３の実施形態）
非線形光学結晶と２つの励起レーザ光とを用いた差周波発生により中赤外光を発生する方法において、２つの励起レーザ光の波長をλ１、λ２と、発生する中赤外光の波長をλ３との関係は、  
【００８５】
【数１】
2008009457.tif 000003
で与えられる。ここで、波長λ１、λ２の大小関係は問わないが、便宜上λ３＞０とするため、λ１＜λ２とする。差周波光λ３を効率よく発生させるために、  
【００８６】
【数２】
2008009457.tif 000004
となる位相整合条件を満足する必要がある。（４）式において、ｋｉ（ｉ＝１，２，３）は、非線形結晶内を伝搬する各レーザ光の伝搬定数であり、ｋｉにおける非線形光学結晶の屈折率をｎｉとすると、  
【００８７】
【数３】
2008009457.tif 000005
となる。しかし、結晶のもつ分散特性により、一般的には（４）式を満足することは難しい。
【００８８】
これを解決する方法として、非線形結晶を周期的に分極反転させた擬似位相整合法が用いられている。擬似位相整合法には、ＬｉＮｂＯ３のような強誘電体結晶が有利であるが、これらの非線形光学定数の符号は自発分極の極性に対応する。この自発分極を、光の伝搬方向に周期Λで変調した場合、位相整合条件は、  
【００８９】
【数４】
2008009457.tif 000006
で表される。特定の波長λ１、λ２を励起光として用いた場合には、（３）、（６）式を同時に満足し、高効率に差周波光λ３を発生することができる。
【００９０】
しかしながら、波長λ１、λ２を変化させて異なる波長λ３の差周波光を得ようとする場合、波長λ１、λ２に変動がある場合には、（６）式を満足することができず、差周波光λ３の強度は低下する。ここで、波長λ１、λ２、λ３および周期Λと差周波光の発生効率ηとの関係について考える。まず、位相不整合量Δｋを  
【００９１】
【数５】
2008009457.tif 000007
と定義する。このとき、試料長をｌとすると、差周波光の発生効率ηは、Δｋとｌの積に依存し、
【００９２】
【数６】
2008009457.tif 000008
と表される。（８）式において、ηｏは、Δｋ＝０の時の差周波光の発生効率であり、ＬｉＮｂＯ３など結晶の非線形光学定数、励起光強度、試料長などで決まる。したがって、同一の試料においては、周期Λが固定されているため、波長λ１またはλ２の変化は、Δｋを増減させ、発生効率ηの低下をもたらす。与えられた周期Λに対して、η≧０．５ηｏ、すなわち  
【００９３】
【数７】
2008009457.tif 000009
となる波長λ１、λ２の領域を周期Λにおける３ｄＢ領域という。この３ｄＢ領域を広く取ることができれば、発生効率ηを低下させることなく、差周波光λ３の波長を可変にすることができる。
【００９４】
以下の議論では、ｚ−ｃｕｔ  ＬｉＮｂＯ３を用い、２つの励起光および差周波光の偏光方向が、共に結晶のｃ軸方向の場合について取り扱う。このとき、２つの励起光、差周波光の伝搬特性は、異常光屈折率ｎｅで決まる。ｎｅは、セルマイヤー方程式より、  
【００９５】
【数８】
2008009457.tif 000010
で与えられる。ここで、Ｔは温度（Ｋ）、波長λの単位はμｍである。
【００９６】
図１４に、周期Λと仮定し、波長λ３を助変数として求めた３ｄＢ領域を示す。波長λ１、λ２に対する３ｄＢ領域は、（１）、（５）および（７）式より与えられる。室温において、（３）式から計算される差周波光波長λ３＝２．０μｍ、２．５μｍ、３．０μｍ、３．５μｍ、４．０μｍ、４．５μｍ、５．０μｍ、５．５μｍ、６．０μｍを与える波長λ１、λ２の関係を点線で示した。また、周期Λ＝２６μｍ，２７μｍ，２８μｍ，２９μｍ，３０μｍに対する３ｄＢ領域を、（７）および（９）式より求め、それぞれの領域をハッチングによって示した。素子長は１０ｍｍとした。
【００９７】
完全に位相整合を満足するη＝ηｏは、３ｄＢ領域のほぼ中央部に存在する。すなわち、周期Λの周期的分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ３における差周波光発生では、周期Λの擬似位相整合素子を用いる。所望の差周波光λ３を得る場合、η＝０．５ηｏとなる波長λ１、λ２は、（３）、（７）および（９）式から得られ、周期Λの３ｄＢ領域と所望の差周波光λ３を与える（３）式の曲線との交点で与えられることがわかる。
【００９８】
一例として、周期Λ＝２８μｍの周期分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ３を用い、波長λ３＝３．０μｍの差周波光を発生させる場合を考える。波長λ３＝３．０μｍの点線と、周期Λ＝２８μｍの３ｄＢ領域とが交差する波長λ１、λ２の領域（図中Ａの○で囲った部分）は、η＝０．５ηｏとなる。
【００９９】
次に、具体的な条件を示す。差周波光発生における発生強度は、２つの励起光強度の積に比例する。したがって、これまで報告された例では、高強度が得られやすいＮｄ：ＹＡＧレーザ（波長１．０６４μｍ）が主に用いられている。ここでは、波長λ１＝１．０６４μｍとし、波長λ２を変化させることにより、波長可変な差周波光λ３を実現する場合を考える。周期Λの周期的分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ３の試料を用いた場合、図１４においてハッチングで示した周期Λの３ｄＢ領域と、波長λ１＝１．０６４μｍの直線Ｂとが交差する領域の波長λ２においてη＝０．５ηｏとなる。
【０１００】
図１５に、周期Λ＝２７μｍ、波長λ１＝１．０６４μｍとした時の波長λ２に対する規格化変換効率η／ηｏを示す。η＝０．５ηｏを満足する波長λ２の幅は、２ｎｍ程度しかなく、したがって、差周波光λ３の波長可変量は、２０ｎｍ程度に制限される。周期Λを２８μｍ、２９μｍ、３０μｍに変えた場合も、波長λ１＝１．０６４μｍとすると、いずれの場合でも、η＝０．５ηｏを満足する波長λ２の幅は、２ｎｍ程度しかなく、差周波光λ３の波長可変量も同じように制限される。
【０１０１】
しかし、図１４を見ると、波長λ１を固定し波長λ２を変化させれば、差周波光λ３の波長可変域を大幅に拡大できる領域があることが分かる。すなわち、波長λ１が一定となる直線と周期Λの３ｄＢ領域とが、より広範囲で交差すれば差周波光λ３の波長可変域幅が飛躍的に増大する。周期Λ＝２５．５μｍ〜２９μｍの３ｄＢ領域は、波長λ１＝０．９μｍ〜１．０μｍでほぼ縦軸に平行になっており、この波長０．９μｍ〜１．０μｍ領域で波長λ１が一定となる直線と広範囲で交差している。すなわち、単一の周期Λを有する分極反転構造ＬｉＮｂＯ３を用いても、波長λ１を０．９μｍ〜１．０μｍの範囲で固定し、波長λ２を１．３μｍ〜１．８μｍの領域で変化させると、差周波光λ３は、波長１．３μｍ＜λ２＜１．８μｍのほぼすべての範囲で位相整合条件を満足し、高効率で波長を可変にすることができる。
【０１０２】
例えば、周期Λ＝２７μｍ、波長λ１＝０．９４μｍとしたとき、波長λ２に対する規格化変換効率は、波長λ２＞１．４３μｍの領域においてη＝０．５ηｏとなり、ほぼ波長２μｍ〜３μｍの広い波長範囲で差周波光の発生が可能である。なお、波長λ３＝３μｍ近傍においては、後述するように、温度調整により１つの周期Λで発生させることが可能となる。
【０１０３】
以上説明したように、第１のレーザと、第２のレーザと、１の周期の分極反転構造を有する非線形光学結晶とを備え、レーザの一方の波長を１．３〜１．８μｍの間で変化させることにより、中赤外領域のレーザ光を波長２〜３μｍの範囲において可変することが可能となる。
【０１０４】
（実施例３−１）
図３に、本発明の一実施形態にかかる中赤外光を発生するレーザ光源を示す。レーザ光源は、波長λ１の半導体レーザ（λ１＝０．９４帯とする）３１０と、波長λ２（λ２＝１．４５〜１．６０μｍ帯で波長可変とする）の半導体レーザ３１１と、半導体レーザ３１０，３１１の出力光を合波する合波器３１８と、合波された出力光を入力し差周波光、すなわち中赤外光を発生する１の周期の分極反転構造を有するＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１とを備えている。半導体レーザ３１０の出力は、結合レンズ系３１２，３１３と偏波面保持ファイバ３１６とを介して合波器３１８に接続される。半導体レーザ３１１の出力は、結合レンズ系３１４，３１５と偏波面保持ファイバ３１７とを介して合波器３１８に接続される。
【０１０５】
半導体レーザ３１０は、その端面３１０Ａに９０％以上の高反射膜が形成され、反対側の端面３１０Ｂは、反射率２％以下の低反射膜が形成されている。偏波面保持ファイバ３１６には、ファイバブラッググレーティング３１６Ａを設けて、波長安定性を向上させている。また、偏波面保持ファイバ３１７には、必要に応じて、その途中にファイバアンプを結合して半導体レーザ３１１の出力光を増大させることもできる。
【０１０６】
また、合波器３１８の出力は、光ファイバ３１９と結合レンズ系３２０とを介してＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１に接続される。なお、ＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１の出力は、中赤外光である出力光を測定するために結合レンズ系３２２，３２４と光ファイバ３２３とを介して分光器３２５に接続してある。
【０１０７】
図１４の直線Ｃで示したように、波長λ１＝０．９４μｍ帯とすれば、ＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１の周期Λが２７μｍのとき、半導体レーザ３１１の波長を１．４５〜１．６０μｍの範囲で変化させても、１つの周期Λで、上述の３ｄＢ領域を得ることができる。言い換えれば、１つの周期Λにより、広い波長範囲で中赤外光を得ることができる。波長λ１＝０．９４μｍ帯において、波長λ２を１．４５〜１．６０μｍの範囲で変化させると、発生する中赤外光の波長λ３は、２．３〜２．７μｍの広い範囲に及ぶことが分かる。
【０１０８】
図１７に、実施例１における３ｄＢ領域を示す。縦軸は中赤外光強度、横軸は半導体レーザ３１１の波長λ２である。図１４の計算結果から予想される通り、１つの周期ΛからなるＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１により、１．４５μｍ＜λ２＜１．６０μｍの広い波長範囲で、ほぼ一定の強度を持つ中赤外光を得ることができる。半導体レーザ３１１の出力は、すべての波長域で一定である。１．４５μｍ＜λ２＜１．６０μｍの変化は、中赤外光の２．７μｍ＞λ３＞２．３μｍの変化に対応する。発生した中赤外光の波長は、分光器３２５により確認する。本実施例では、素子長１０ｍｍのＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１を使ったが、変換効率は全ての波長域で１％／Ｗであった。
【０１０９】
本実施例のような差周波発生実験を行う際には、２つの励起光の偏光方向が一致するときに最大の中赤外光が発生する。ここで、半導体レーザ３１０の偏光方向を固定し、半導体レーザ３１１の偏光方向を、角度θだけ傾けたとすると、中赤外光の光強度Ｉ３は、半導体レーザ３１０の光強度をＩ１とし、半導体レーザ３１１の光強度をＩ２とすると、  
【０１１０】
【数９】
2008009457.tif 000011
となる。（１１）式は、中赤外光の発生を確認する手段となる。図１８に、実施例３−１において出力された中赤外光の偏波依存性を示す。実験結果は、計算によるものとほぼ一致することが確かめられた。
【０１１１】
（実施例３−２）
実施例３−１では、出力された中赤外光の波長範囲は、２．３〜２．７μｍであったが、ＬｉＮｂＯ３結晶の周期Λを変えることにより、波長域をさらに拡大することができる。実施例３−２では、図１６に示したＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１の周期Λを２６μｍとした。半導体レーザ３１０は、波長０．９１μｍ帯において微少範囲で波長可変な装置とし、半導体レーザ３１１は、波長１．３０〜１．６８μｍ帯の広い範囲で波長可変な装置とした。
【０１１２】
３ｄＢ領域は、１つの周期ΛからなるＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１により、１．３０μｍ＜λ２＜１．６８μｍの広い波長範囲で、ほぼ一定の強度を持つ中赤外光を得ることができる。波長λ２を１．３０〜１．６８μｍで変化させたことから、中赤外光の波長λ３は、３．１〜２．０μｍを得ることができた。本実施例では、素子長１０ｍｍのＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１を使ったが、変換効率は全ての波長域で１％／Ｗであった。
【０１１３】
なお、ＬｉＮｂＯ３結晶は、（１０）式から分かるように、屈折率が温度とともに変化するので、それに伴って実効的な周期Λも変わる。したがって、ＬｉＮｂＯ３結晶の温度を微細に調整すれば、１つの周期Λを有するＬｉＮｂＯ３結晶で差周波発生を行っても、実効的な１つの周期Λを変えることができるので、高い変換効率を保つことができる。図１４に示したとおり、半導体レーザ３１０の波長を固定したままでは、変換効率を高く保てない領域（例えば、周期Λ＝２８，２９μｍのように、特性曲線が縦軸に完全に平行でない領域）がある。そこで、ＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１の温度を調整し、常に、半導体レーザ３１０の波長に対する実効的な周期Λを最適化し、高い変換効率を保つことができる。
【０１１４】
実施例３−２においては、適当な温度調整の下、周期Λを２５．５〜２９．３μｍの間を０．１μｍ間隔で変え、周期Λを有するＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１を用いて差周波を発生させる。その結果、周期Λ毎に波長λ１を波長０．９〜１．０μｍの範囲で適当に選び、これに合わせて、波長λ２を１．２７〜１．８０μｍの範囲で変化させると、中赤外光の波長λ３を３．１〜２．０μｍの範囲で連続的に得ることができる。ただし、周期Λが２８．５μｍを越えたところから、図１４に示したとおり、特性曲線が縦軸に平行な部分が減少することから、一定強度の差周波光を得るために必要な温度制御の寄与が次第に大きくなった。温度変化１００度は、波長λ１の０．００５μｍの変化分に相当した。
【０１１５】
（実施例３−３）
波長変換素子をバルク型のＬｉＮｂＯ３結晶から導波路型に変えて、実施例３−１，３−２と同様の構成とすると、より高効率に中赤外光を得ることができる。実施例３−３では、図１６に示したＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１を導波路素子に変えた光学系を用いる。ＬｉＮｂＯ３導波路の素子長は１０ｍｍ、コアの断面サイズは８μｍ×８μｍ、周期Λは２６μｍとした。半導体レーザ３１０は、０．９１μｍ帯の微少範囲で波長可変とし、半導体レーザ３１１は、１．３〜１．６５μｍ帯の広い範囲で波長可変とした。
【０１１６】
導波路素子における３ｄＢ領域は、適当な温度調整の下、波長λ１＝０．９１μｍ帯に対して、１．３μｍ＜λ２＜１．６５μｍの広い波長範囲で、ほぼ一定の強度を持つ中赤外光λ３が波長範囲３．１〜２．０μｍにおいて得られる。変換効率は全ての波長域で向上し、バルク素子に比べて、２桁の向上が見られた。
【０１１７】
また、周期Λを２５．５〜２９．３μｍの間を０．１μｍ間隔で変え、適当な温度調整の下、周期Λを有するＬｉＮｂＯ３導波路を用いて中赤外光を発生させる。その結果、周期Λ毎に波長λ１を０．９〜１．０μｍの範囲で適当に選び、これに合わせて、波長λ２を１．２７〜１．８０μｍで変化させると、中赤外光の波長λ３を３．１〜２．０μｍの範囲で連続的に得ることができる。
【０１１８】
（実施例３−４）
図１４に示したように、位相整合曲線は、急激に湾曲を生じる領域がある。この領域を利用すると、波長可変性の点から大きなメリットはない。しかしながら、差周波発生を行う際に、２つの励起光の波長安定性における許容度が大きく改善され、特に短波長側の半導体レーザの許容度の改善に効果をもたらす。例えば、図１４において、周期Λ＝２７μｍの場合、半導体レーザ１１のλ２が１．４５〜１．８μｍの領域では、波長λ２が変動しても３ｄＢ領域から外れることはないが、半導体レーザ３１０の波長λ１は、その僅かな変動により３ｄＢ領域から外れる原因となる。しかし、波長λ２が１．３５μｍ近辺の湾曲部では、半波長側の波長λ１にも、３ｄＢ領域に対する波長変動の許容量が２倍に増えるという利点が生じる。ＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１の温度調整量も減少する。ここで、波長λ２に対しては、許容量は減少しているが、それでも通常の市販されているレーザ光源の安定性から見れば十分な幅である。
【０１１９】
実施例３−４では、半導体レーザ３１０の端面３１０Ａ，３１０Ｂにおける反射膜と偏波面保持ファイバ３１６のファイバブラッググレーティング３１６Ａとを取り除いた光学系を用いる。ファイバブラッググレーティングは、設計された波長の光を選択的に得ることができるデバイスであり、実施例３−１では、これによって波長λ１の変動を抑えていた。したがって、ファイバブラッググレーティング３１６Ａを除くと、安定な３ｄＢ領域を得るのが難しい場面もある。しかしながら、実施例３−４では、このような波長を安定化するための構成を有さなくても、３ｄＢ領域を外れないで十分安定な動作をすることができる。ここで、ＬｉＮｂＯ３結晶バルク３２１の周期Λを２７μｍとし、半導体レーザ３１０の波長を０．９４５μｍとし、半導体レーザ３１１の波長を１．３５μｍとした。
【０１２０】
（実施例３−５）
本発明にかかる中赤外光を発生するレーザ光源によれば、環境ガスのＮＯｘを精度よく検出することができる。ＮＯｘガスの基本吸収は、波長５μｍ以上であるため、ＬｉＮｂＯ３の吸収特性（波長５．４μｍ以上の光は透過し難い）を考えると、下記反応式を利用するのが便利である。  
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ    （１２）
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋１２Ｈ２Ｏ        （１３）
すなわち、ＮＯｘは、触媒下においてＮＨ３により分解されることから、消費されたＮＨ３、または新たに発生するＨ２Ｏを調べることにより、ＮＯ、ＮＯ２濃度を間接的に算出することができる。また、ＮＯ、ＮＯ２の基本吸収の倍音が、波長２〜３μｍにあることを活用して検出することもできる。そこで、波長２〜３μｍにおいて波長を可変することができるレーザ光源があれば、上述のガスの吸収を一括して調べることができる。各ガスの波長２〜３μｍにおける主な基本吸収波長、波数、吸収の名称は、以下の通りである。  
Ｈ２Ｏ  ２．６６２μｍ  ３７５６ｃｍ−１  逆対称伸縮振動
Ｈ２Ｏ  ２．７３４μｍ  ３６５７ｃｍ−１  全対称伸縮振動
ＮＨ３  ２．９０４μｍ  ３４４４ｃｍ−１  二重縮重振動
ＮＨ３  ２．９９７μｍ  ３３３７ｃｍ−１  全対称振動
ＮＯ    ５．３３０μｍ  １８７６ｃｍ−１  逆対称伸縮振動  倍音＝２．６６５μｍ
ＮＯ２  ６．１８０μｍ  １６１８ｃｍ−１        逆対称伸縮振動  倍音＝３．０９０μｍ
図１９に、本発明の一実施形態にかかる光吸収分析装置を示す。特に、ＮＯｘガス濃度を検出するための光学系を示す。被測定ガスが封入されるガスセル３４４は、両端にある反射鏡を利用して、最大１８ｍの光路長を有する。反応ガスは、ポンプ３４５によりガス除去管３４６から、ガスセル３４４に導かれ、ポンプ３４７によりガス排気管３４８に排出される。ポンプを活用するとガスセル内の圧力を変えることができる。ガス除去管３４６は、（１２）式または（１３）式の反応により、ＮＯｘが除去される。検出器３４９は、中赤外光用のＨｇＣｄＴｅディテクタである。
【０１２１】
レーザ光源は、波長λ１の半導体レーザ（λ１＝０．９１μｍ帯固定）３３０と、波長λ２（λ２＝１．２８〜１．４６μｍで波長可変とする）の半導体レーザ３３１と、半導体レーザ３３０，３３１の出力光を合波する合波器３３８と、合波された出力光を入力し、中赤外光を発生する周期Λ＝２６μｍのＬｉＮｂＯ３結晶バルク３４１とを備えている。半導体レーザ３３０の出力は、結合レンズ系３３２，３３３と偏波面保持ファイバ３３６とを介して、半導体レーザ３３１の出力は、結合レンズ系３３４，３３５と偏波面保持ファイバ３３７とを介してそれぞれ合波器３３８に接続される。
【０１２２】
半導体レーザ３３０は、その端面３３０Ａに９０％以上の高反射膜が形成され、反対側の端面３３０Ｂは、反射率２％以下の低反射膜が形成されている。偏波面保持ファイバ３３６には、ファイバブラッググレーティング３３６Ａを設けて、波長安定性を向上させている。合波器３３８の出力は、光ファイバ３３９と結合レンズ系３４０とを介してＬｉＮｂＯ３結晶バルク３４１に接続される。ＬｉＮｂＯ３結晶バルク３４１の出力は、結合レンズ系３４２と光ファイバ３４３とを介してガスセル３４４に接続される。
【０１２３】
実施例３−５では、最初に、ＮＯ２ガスの除去に伴う計測結果を示す。測定は、下記の３ステージに分けて行う。  
（ｉ）触媒もＮＨ３ガスも与えないで、ＮＯ２ガスのみをガス除去管に導入する  
（ｉｉ）触媒を与えずＮＨ３ガスを与えて、ＮＯ２ガスをガス除去管に導入する  
（ｉｉｉ）触媒とＮＨ３ガスとを与えて、ＮＯ２ガスをガス除去管に導入する  
ステージ（ｉ）では、半導体レーザ３３１の波長を調整し、波長を１．２９０μｍにしたところ、化学反応が起こっていないことに相応し、波長３．０９０μｍにおいてＮＯ２の逆対称伸縮振動の倍音吸収を検出することができる。一方で、半導体レーザ３３１の波長を再度調整しＮＨ３やＨ２Ｏの吸収波長に合わせても、これら二つの吸収は観測されない。
【０１２４】
ステージ（ｉｉ）では、ＮＨ３を与えても触媒がないので化学反応が進まず、未反応のＮＯ２とＮＨ３の吸収を観測することになる。ところが、ステージ（ｉｉｉ）になると、触媒が与えられているので化学反応が進み、ＮＯ２が除去されＮＨ３が消費されることから、ＮＯ２とＮＨ３の吸収が減少し始め、代わって、新たに生成したＨ２Ｏの吸収が観測されるようになる。さらに、多くのＮＨ３を加えた場合、ＮＯ２の吸収が完全に消失し、過剰に加えたＮＨ３と新たに生成したＨ２Ｏの吸収が増大するようになる。
【０１２５】
ここで、（１３）式を利用すると、ステージ（ｉｉｉ）において、ＮＯ２の濃度を定量的に計量することができる。すなわち、多量のＮＨ３を加えていくとＮＯ２の吸収が減少し、過剰に加えられたＮＨ３と新たに生成したＨ２Ｏの吸収が出現する。ＮＯ２の吸収がゼロになる点、過剰となったＮＨ３の吸収が出始める点、または、Ｈ２Ｏの吸収強度が増大した後一定値をとり始める点の何れかまでに加えたＮＨ３量を計れば、（１３）式により、ガス除去管に含まれていたＮＯ２の濃度を算出することができる。
【０１２６】
ＮＨ３濃度は、加えた量だけを測ればよいから、正確に計量することができる。実施例３−５では、バルク長１０ｍｍのＬｉＮｂＯ３結晶バルク３４１を用いた場合、ＮＯ２の最少検出濃度が、１００Ｔｏｒｒにおいて、１ｐｐｍである。また、１０ｍｍ長の導波路を用いた場合には、ＮＯ２の最少検出濃度は、１０ｐｐｂオーダにまで低減させることができた。
【０１２７】
ＮＯガスの検出も、（１２）式を利用すると便利であり、ガス除去管３４６にＮＨ３とＯ２を加えて行き、ＮＯの吸収がゼロになる点、過剰のＮＨ３の吸収が出始める点、または、Ｈ２Ｏの吸収強度が増大した後一定値をとり始める点でのＮＨ３量を計れば、ＮＯの濃度を算出できる（ここでは、Ｏ２の吸収は見ない）。ただし、ＮＯの倍音吸収とＨ２Ｏの逆対称伸縮振動吸収の波長が極めて近いので、Ｈ２Ｏの全対称伸縮振動吸収とＮＨ３の吸収とを主に活用することになる。ＮＯガスの最少検出濃度もＮＯ２とほぼ同等であった。
【０１２８】
なお、実施例３−５では、ＬｉＮｂＯ３結晶バルク３４１に対して１つの周期Λだけを用意すればよいことから、測定は極めて簡便、迅速である。また、ＮＯ、ＮＯ２ガスが、存在するか否かを調べるだけであれば、吸収ピークの有無だけを調べ、ＮＨ３量を計量しなくてもよいことから、さらに測定は簡便、迅速となる。
【０１２９】
（実施例３−６）
波長２〜３μｍにおいて波長可変の中赤外領域のレーザ光源を用いて、ＮＯｘ、ＣＯ２、ＣＯなどのガス計を構成すると、一台の光源で多種類のガス濃度を測定することができる。ここでは、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ、ＣＯ２の４種のガスを同時に検出することについて述べる。対象となる各ガスの基本吸収波長、波数、吸収の名称、倍音吸収波長は、以下の通りである。  
ＣＯ２  ４．２５７μｍ  ２３４９ｃｍ−１  逆対称伸縮振動  倍音＝２．１２９μｍ
ＣＯ    ４．６６６μｍ  ２１４３ｃｍ−１    伸縮振動  倍音＝２．３３３μｍ
ＮＯ    ５．３３０μｍ  １８７６ｃｍ−１  逆対称伸縮振動  倍音＝２．６６５μｍ
ＮＯ２  ６．１８０μｍ  １６１８ｃｍ−１  逆対称伸縮振動  倍音＝３．０９０μｍ
Ｈ２Ｏ  ２．６６２μｍ  ３７５６ｃｍ−１        逆対称伸縮振動
Ｈ２Ｏ  ２．７３４μｍ  ３６５７ｃｍ−１        全対称伸縮振動
ＮＨ３  ２．９０４μｍ  ３４４４ｃｍ−１        二重縮重振動
ＮＨ３  ２．９９７μｍ  ３３３７ｃｍ−１        全対称振動
本実施例では、下記の３ステージを通して、各ガスを順番に除去して行き、ガス濃度を計量した。構成は、図１９に示した実施例３−５と同じである。  
（ａ）触媒や除去用ガスを与えないで、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ２、ＣＯをガス除去管に導入する  
（ｂ）触媒とＮＨ３、Ｏ２ガスを与えて、ＮＯ、ＮＯ２を除去する  
（ｃ）上記（ｂ）でＮＯ、ＮＯ２が除去された後、Ｏ２ガスを与えて、ＣＯを燃焼させる  
ステージ（ａ）では、ガス除去管３４６において、何の化学反応も進まないので、波長２〜３μｍにおいて、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ２、ＣＯガスの倍音吸収が観測される。
【０１３０】
ステージ（ｂ）になると、ＮＯ、ＮＯ２が除去され、ＮＨ３が消費されることに呼応して、これらの吸収が減少し始め、代わって、新たに生成したＨ２Ｏの吸収が観測されるようになる。さらに、過剰のＮＨ３、Ｏ２を加えた場合、ＮＯ、ＮＯ２の吸収が完全に消失し、過剰のＮＨ３と新たに生成したＨ２Ｏの吸収が増大するようになる（ここでも、Ｏ２の吸収は見ない）。ステージ（ｃ）では、下記反応式（１４）に従って、ＣＯが燃焼させるに連れて、ＣＯ２の吸収が増大することになる。
【０１３１】
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２        （１４）
ステージ（ｂ）において、ＮＯとＮＯ２の合計濃度を定量的に計量することができる。すなわち、多量のＮＨ３、Ｏ２を加えていくとＮＯ、ＮＯ２の吸収が減少し、過剰に加えられたＮＨ３と新たに生成したＨ２Ｏの吸収が出現する。ＮＯ、ＮＯ２の吸収がゼロになる点、過剰となったＮＨ３の吸収が出始める点、または、Ｈ２Ｏの吸収強度が増大した後一定値をとり始める点の何れかまでに加えたＮＨ３量を計れば、（１２）、（１３）式により、ガス除去管に含まれていたＮＯとＮＯ２の合計濃度を算出することができる。ＮＯ、ＮＯ２の個別の濃度を知るには実施例３−５に拠ればよい。
【０１３２】
ステージ（ｃ）においては、ＣＯの濃度を計量することができる。すなわち、Ｏ２存在下、ＣＯを燃焼させるとＣＯ２が生じるから、Ｏ２を加えて行って、ＣＯの吸収が消失する点、またはＣＯ２の吸収が増大しピークを迎えた後一定値を取り始める点のいずれかに加えたＯ２量を計れば、（１２）式により、ガス除去管に含まれていたＣＯの濃度を算出することができる。Ｏ２は加えた量だけを測ればよいから、正確に計量することができる。実施例３−６では、バルク長１０ｍｍのＬｉＮｂＯ３結晶バルク３４１を用いた場合、ＮＯ２の最少検出濃度が、１００Ｔｏｒｒにおいて、１ｐｐｍであった。また、１０ｍｍ長の導波路を用いた場合には、ＮＯ２の最少検出濃度は１０ｐｐｂオーダにまで低減させることができた。
【０１３３】
（実施例３−７）
本発明にかかる中赤外光を発生するレーザ光源を用いれば、波長２〜３μｍに吸収のあるＮＯｘ、ＣＯ２、ＣＯなどのガスを遠隔操作によって検出することができる。実施例３−７では、２波長差分吸収ライダー（例えば、非特許文献１１参照）により環境ガスの検出を行った。２波長差分吸収ライダーは、被測定ガスの吸収波長と非吸収波長とを用いるが、吸収波長のライダー信号は、非吸収波長に比べて減衰が大きいことから、この２波長の信号差を利用してガス分子の濃度を計量することができる。
【０１３４】
実施例３−７では、ＮＯ、ＮＯ２、ＣＯ、ＣＯ２の４種のガスを、２波長差分吸収ライダーにより検出する。各ガスの基本吸収波長、波数、吸収の名称、倍音吸収波長は、以下の通りである。  
ＣＯ２  ４．２５７μｍ  ２３４９ｃｍ−１  逆対称伸縮振動  倍音＝２．１２９μｍ
ＣＯ    ４．６６６μｍ  ２１４３ｃｍ−１    伸縮振動  倍音＝２．３３３μｍ
ＮＯ    ５．３３０μｍ  １８７６ｃｍ−１  逆対称伸縮振動  倍音＝２．６６５μｍ
ＮＯ２  ６．１８０μｍ  １６１８ｃｍ−１        逆対称伸縮振動  倍音＝３．０９０μｍ
測定にあたっては、なるべく近い時間に２波長の測定を行うことが正確なデータを得るために必要であるが、本発明にかかるレーザ光源は、瞬時に目的の２波長を出すことができ、ＬｉＮｂＯ３結晶に対して１つの周期Λだけを用意すればよいことから、波長２〜３μｍ帯での４種ガスの測定も極めて迅速に行える。
【０１３５】
図２０に、２波長差分吸収ライダーの測定系を示す。２波長差分吸収ライダー３６０は、レーザ光出射部３６０Ａとレーザ光検出部３６０Ｂとからなる。レーザ光出射部３６０Ａに含まれるレーザ光源は、素子長１０ｍｍのＬｉＮｂＯ３結晶導波路を用い、周期Λ＝２６μｍとした。半導体レーザ３３０の波長は、０．９１μｍ帯とし、半導体レーザ３３１の波長は、１．２８〜１．４６μｍの間において可変とした。適当な温度調整の下、波長２〜３μｍの中赤外光をレーザ出射口３６１より出力する。
【０１３６】
中赤外光３６４は、検出ガス３６６に向けて出射され、検出ガス３６６からの散乱光（レイリー散乱、ミー散乱）３６５をレーザ光検出部３６０Ｂ内部にある反射鏡３６２により受光する。集光された光は、ＨｇＣｄＴｅディテクタである検出器３６３により検出される。
【０１３７】
測定において、非吸収波長としては、検出ガスの倍音吸収波長から２〜１０ｎｍ低波長側に設定する。発生する中赤外光の強度が大きいほど測定可能な距離が伸びるため、中赤外光強度は、１０ｍＷの高出力とする。距離３メートル離れた空間（＝直径１メートル以上の球状空間）に、上述の４つのガスを濃度１ｐｐｍで拡散させると、全てのガスの吸収を観測することができる。ガス濃度を１０ｐｐｍに上昇させると、計測する空間が１０メートル離れても検出することができる。
【０１３８】
（実施例３−８）
本発明にかかる中赤外光を発生するレーザ光源は、農作物に残留する農薬の検出にも有益である。農薬に含まれるＣＮ基やＮＯ２基は、特に有害な官能基の代表例であり、これらが検出できれば、残留農薬の濃度の目安を知ることができる。ＣＮ基やＮＯ２基は、ピレスロイド系農薬のフェンプロパトリン、カーバメイト系農薬の１−ナフチル−Ｎ−メチルカーバメートに含有されている。吸収波長は、ＣＮ基＝４．４４μｍ（２２５０ｃｍ−１、伸縮振動）、ＮＯ２基＝６．１５μｍ（１６２５ｃｍ−１、伸縮振動）である。
【０１３９】
図２１に、残留農薬測定器の測定系を示す。残留農薬測定器３８０は、レーザ光出射部３８０Ａとレーザ光検出部３８０Ｂとからなる。各々の先端に設けた光ファイバ３８１，３８２により、農作物からなる被測定体３８３に光を出射し、その散乱光をレーザ光検出部３８０Ｂにて検出する。レーザ光検出部３８０Ｂ内部に設けた検出器には、ＨｇＣｄＴｅディテクタとＰｂＳｅディテクタを使用する。レーザ光出射部３８０Ａに含まれるレーザ光源は、適度な温度調整の下、素子長１０ｍｍ、周期Λ＝２６μｍのＬｉＮｂＯ３結晶導波路を用いる。一方の半導体レーザの波長は、０．９１μｍ帯とし、他方の半導体レーザの波長は、１．３０〜１．６５μｍ帯で可変とした。
【０１４０】
被測定体のリンゴの表皮にフェンプロパトリンおよび１−ナフチル−Ｎ−メチルカーバメートを塗布し（濃度１‰）、これに出力１０ｍＷの中赤外光を照射する。その結果、波長２．２２μｍにおいてＣＮ基の倍音吸収を、波長３．０８μｍにおいてＮＯ２基の倍音吸収を十分観測することができる。実施例３−８により、残留農薬の検出においても、１つの周期ΛからなるＬｉＮｂＯ３結晶によって複数の官能基の存在を確認することができる。
【０１４１】
なお、検出すべき官能基がＮＯ２基だけであれば、その他の利点も示すことができる。すなわち、ＬｉＮｂＯ３結晶導波路の周期Λ＝２７μｍとするならば（周期Λ＝２６μｍでもよいが、効果の大きさを示すべく周期Λ＝２７μｍで議論する）、実施例３−４で説明したように、検出体の吸収波長が３．０μｍを少し超えた領域だと、使用する半導体レーザ双方に対しての波長安定性が向上する。半導体レーザの端面の反射膜と光ファイバのファイバブラッググレーティングとを取り除いた光学系を用いても、十分なＮＯ２基の倍音吸収を観測することができる（なお、この効果は、上述のＮＯ２ガスの検出においても同様に見られる）。
【０１４２】
（第４の実施形態）
図２２に、本発明の一実施形態にかかる酸素吸収線の波長を発生するレーザ光源を示す。酸素吸収線の波長を発生するレーザ光源は、波長７５９ｎｍから７６８ｎｍに存在する酸素吸収線の中から選択された１つの吸収線の波長に対して、２倍の波長を有するレーザ光を発振する分布帰還型半導体レーザモジュール４０１と、二次非線形光学効果を有する光導波路４０３と、半導体レーザモジュール４０１および二次非線形光学効果を有する光導波路４０３の一端を接続する偏波保持型ファイバ４０２とを備えている。
【０１４３】
従来と異なり、７５９ｎｍから７６８ｎｍの２倍の波長である１５１８ｎｍから１５３６ｎｍで発振するので、半導体レーザとしてリン化インジウム系材料を使用する。リン化インジウムは、砒化ガリウムに比べて素子のいわゆる頓死現象がなく、素子寿命に対する信頼性が高いことが知られている。また、１５１８ｎｍから１５３６ｎｍの波長は、通信波長帯のＳ帯とＣ帯に属し、近年の光通信分野の発展により、ＤＦＢ型の作製技術も容易である。さらに、４０ｍＷという高出力の素子を作製することができる。
【０１４４】
リン化インジウム系の半導体レーザにおいては、素子の温度や注入電流を変化させることにより波長を変えることができ、ＤＦＢ型の構造を採用することにより、モード飛びのない安定した波長スキャンを行うことができる。波長１５１８ｎｍから１５３６ｎｍのレーザ光を、二次非線形光学効果に基づく第二高調波発生を利用して、波長７５９ｎｍから７６８ｎｍの光を出力する。
【０１４５】
ここで二次非線形光学効果について説明する。非線形光学効果とは、物質中の電気分極Ｐが下記のように光の電界Ｅに比例する項以外に、Ｅ２、Ｅ３の高次項をもつために起こる効果である。  
Ｐ＝χ（１）Ｅ＋χ（２）Ｅ２＋χ（３）Ｅ３＋・・                    （１５）
特に第２項は、中心対照性のくずれた物質において強く現れる効果で、角周波数の違う３つの光ω１、ω２、ω３が、ω１＋ω２＝ω３の関係にあるとき、  
１）ω１とω２の光を入力したときに、ω３の光を発生（和周波発生）
２）和周波発生時にω１とω２が同じ角周波数の場合には、第二次高調波を発生
３）ω１とω３の光を入力したときに、ω２（＝ω３−ω１）の光を発生（差周波発生）
という効果を生じる。すなわち、入力されたレーザ光の波長を、別の波長へと変換することができる。
【０１４６】
二次の非線形光学材料の分極を周期的に反転することにより、高効率の波長変換器が実現されている。この構造は、材料による屈折率分散の影響を、周期的に分極を反転することにより、入力光と変換光の位相を擬似的に整合させるものである。この原理を用いた例として、例えば、二次非線形光学材料であるニオブ酸リチウムの分極を周期的に反転し、プロトン交換により導波路を形成した波長変換器が知られている（例えば、非特許文献１２参照）。このような周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウム光導波路において、９０％以上の第二高調波発生が可能であることが示されている。
【０１４７】
この様な二次非線形光学効果を有する光導波路においては、フォトリフラクティブ効果による第二高調波発生の効率低下という、寿命に関する問題を有している。波長１５１８ｎｍから１５３６ｎｍの光ではこのような問題は起こらないので、その第二高調波である波長７５９ｎｍから７６８ｎｍの光強度によって起こる。しかしながら、二次非線形光学効果を有する光導波路の温度を５０℃から１００℃程度に上げること、または亜鉛やマグネシウムを添加した二次非線形光学材料を用いることにより、効率低下を回避できることが知られており（例えば、非特許文献１３参照）、長寿命な光導波路を得ることは容易である。
【０１４８】
この様な二次非線形光学効果を有する光導波路は、結晶方位に対してある特有の方向に偏光した光に対して、その効果を大きく生じる。例えば、ニオブ酸リチウムではｚ軸方向である。半導体レーザも基板に対してある一定の偏波で発振している。そこで、半導体レーザモジュール４０１と二次非線形光学効果を有する光導波路４０３とを光ファイバで接続する場合、光導波路に入射する光の偏光方向の変動を抑えるために偏波保持型ファイバ４０２を用いることが好ましい。なお、偏波保持型ではない光ファイバで接続し、偏光制御素子を光ファイバ中に挿入しても第二高調波発生は可能である。しかしながら、温度などの外部環境の変化により光ファイバ中の偏光が変動するため、長期的に安定して第二高調波を発生させることは困難である。
【０１４９】
図２３に、出力にレンズとフィルタを備えたレーザ光源を示す。図２２のレーザ光源に加えて、二次非線形光学効果を有する光導波路４１３の他端には、出射される光を平行光にするレンズ４１４と、出射された光のうち波長１５１８ｎｍから１５３６ｎｍの光を透過せず、波長７５９ｎｍから７６８ｎｍの光を透過させるフィルタ４１５とを備えた。このようにして、酸素吸収線である波長７５９ｎｍから７６８ｎｍにおいて、モード飛びのない安定した波長スキャンを行うための光を取り出すことができる。
【０１５０】
図２４に、出力に光ファイバを備えたレーザ光源を示す。図２３の実施形態に代えて、二次非線形光学効果を有する光導波路４２３の他端に光ファイバ４２４を接続する。光ファイバ４２４を、波長７５９ｎｍから７６８ｎｍの光に対して、シングルモードで導波可能な構造とすれば、光ファイバ４２４に若干の曲げを加えるだけで、酸素吸収線である波長７５９ｎｍから７６８ｎｍの光のみを取り出すことができる。これは、波長１５１８ｎｍから１５３６ｎｍの光が、光ファイバ４２４の中では広いモードとして伝播し、少しでも曲げが加えられた部分があると、その部分で散乱されて光ファイバ４２４中で減衰するからである。
【０１５１】
以上説明したように、光導波路の二次非線形光学効果に基づく第二高調波発生を利用して、酸素吸収線である波長７５９ｎｍから７６８ｎｍのレーザ光を出力し、モード飛びのない安定した波長スキャンを行うことができ、高出力かつ長寿命のレーザ光源を提供することが可能となる。
【０１５２】
（実施例４−１）
図２５に、実施例４−１にかかるレーザ光源を示す。実施例４−１にかかるレーザ光源は、レーザ光を発振する分布帰還型半導体レーザモジュール４３１と、二次非線形光学効果を有する光導波路４３３と、半導体レーザモジュール４３１および二次非線形光学効果を有する光導波路４３３の一端４３３ａを接続する偏波保持型ファイバ４３２とを備えている。二次非線形光学効果を有する光導波路４３３の他端４３３ｂには、出射される光を平行光にするレンズ４３５と、出射された光のうち１５２６ｎｍ付近の光を透過せず、７６３ｎｍ付近の光を透過させるフィルタ４３６とを配置している。
【０１５３】
半導体レーザモジュール４３１は、偏波保持型ファイバ４３２によって出力される酸素吸収線のひとつである７６３．０４ｎｍの２倍の波長である１５２６．０８ｎｍ付近のレーザ光を発振する。半導体レーザモジュール４３１には、ペルチェ素子（不図示）が内蔵されており、素子の温度を変えることができるようになっている。また、半導体レーザモジュール４３１には、アイソレータ（不図示）が内蔵されており、光導波路４３３の端面等における反射光が、レーザ発振に悪影響を及ぼさないようにする。
【０１５４】
二次非線形光学効果を有する光導波路４３３は、ニオブ酸リチウム基板に周期分極反転構造が施され、第５の実施形態にかかる方法または熱処理プロトン交換法を用いて導波路が形成されている。光導波路４３３の一端４３３ａには、波長１５２６ｎｍに対して無反射となるコーティングを施している。また、光導波路４３３の他端４３３ｂには、波長７６３ｎｍの波長に対して無反射となるコーティングを施している。さらに、光導波路４３３の下には、光導波路４３３の温度を制御するためのペルチェ素子４３４を配置し、光導波路４３３の入射光波長１５２６．０８ｎｍにおける第二高調波発生の効率が最も良いように、光導波路４３３を９０℃の温度に保つ。
【０１５５】
半導体レーザモジュール４３１を２５℃に設定し、波長１５２６．０８ｎｍ、出力３０ｍＷで動作させたところ、出力光４３７として波長７６３．０４ｎｍ、出力５ｍＷの光を観測した。半導体レーザモジュール４３１の温度を、２４℃から２６℃に連続的に変化させながら、出力光４３７を観測したところ、波長は７６２．９９ｎｍから７６３．０９ｎｍへ連続的に変化し、モード飛びの様な現象は見られなかった。出力光４３７の光強度は４．７ｍＷから５．０ｍＷと安定した動作を示した。この動作を１年間通して連続して行ったが、出力の低下および波長の飛びは観測されなかった。
【０１５６】
（実施例４−２）
図２６に、実施例４−２にかかるレーザ光源を示す。実施例４−２にかかるレーザ光源は、レーザ光を発振する分布帰還型半導体レーザモジュール４４１と、二次非線形光学効果を有する光導波路４４５と、半導体レーザモジュール４４１および二次非線形光学効果を有する光導波路４４５の一端４４５ａを接続する偏波保持型ファイバ４４２，４４４および光コネクタ４４３とを備えている。二次非線形光学効果を有する光導波路４４５の他端４４５ｂには、光ファイバ４４７が接続され、出射される光を平行光にするレンズ４４８を配置している。
【０１５７】
半導体レーザモジュール４４１は、実施例４−１の半導体レーザモジュール４３１と同じものを用いた。二次非線形光学効果を有する光導波路４４５は、Ｚｎのドープされたニオブ酸リチウム基板に周期分極反転構造が施され、第５の実施形態にかかる方法または熱処理プロトン交換法を用いて導波路が形成されている。光導波路４４５の一端４４５ａには、波長１５２６ｎｍに対して無反射となるコーティングを施し、波長１５２６ｎｍ付近の光に対しシングルモードになる偏波保持型ファイバ４４４を接続する。また、光導波路４４５の他端４４５ｂには、波長７６３ｎｍに対して無反射となるコーティングを施し、波長７６３ｎｍ付近の光でシングルモードとなる光ファイバ４４７を接続する。
【０１５８】
光導波路４４５の下には、温度制御用のペルチェ素子４４６を配置し、光導波路４４５の入射光波長１５２６．０８ｎｍにおける第二高調波発生の効率が最も良いように、光導波路４４５を２５．０℃の温度に保つ。光ファイバ４４２と光ファイバ４４４とを、コネクタ４４３によって接続し、光ファイバ４４７の光出力を、レンズ４４８により平行光にする。
【０１５９】
半導体レーザモジュール４４１を２５℃に設定し、波長１５２６．０８ｎｍ、出力３０ｍＷで動作させたところ、出力光４４９として波長７６３．０４ｎｍ、出力７ｍＷの光を観測した。半導体レーザモジュールの温度を、２４℃から２６℃に連続的に変化させ、かつ光導波路４４５の温度をペルチェ素子４４６によって２４℃から２６℃に連続的に変化させながら出力光４４９を観測した。波長は７６２．９９ｎｍから７６３．０９ｎｍへ連続的に変化し、出力光４４９の光強度は６．９ｍＷから７．０ｍＷと非常に安定した動作を示した。
【０１６０】
このとき、出力光４４９において、第二高調波に変換されずに透過してきた波長１５２６ｎｍの光は観測限界以下であった。これは、１５２６ｎｍ付近の光が光ファイバ４４７の中では広いモードとして伝播し、少しでも光ファイバ４４７に曲げが加えられた部分があると、その部分で散乱されて光ファイバ４４７中で減衰するからである。なお、安全のために、レンズ４４８の後に波長１５２６ｎｍを除去するフィルタを取り付けてもよい。また、実施例４−２では、コネクタ４４３によって偏波保持型ファイバを接続したが、融着によっても良いことは言うまでも無い。
【０１６１】
本実施例では、酸素吸収線のひとつである７６３．０４ｎｍに注目して半導体レーザを選んで構成したが、７５９ｎｍから７６８ｎｍにかけて存在する他の吸収線、例えば７６０．４ｎｍを発生するように、その２倍の波長である１５２０．８ｎｍを選んでも良い。
【０１６２】
本実施形態では、二次非線形光学効果を有する光導波路に周期分極反転構造を有するものを用いたが、他の位相整合方法を用いても同様の効果が得られる。また、基板には、ニオブ酸リチウムまたはこれに亜鉛をドープしたものを用いたが、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶、またはこれに元素を微量に添加したものを用いたり、他の二次非線形光学材料を用いても同様の効果が得られる。さらに、導波路作製方法として第５の実施形態にかかる方法または熱処理プロトン交換法を用いたが、Ｔｉ拡散などの金属拡散導波路、リッジ導波路、埋め込み導波路などを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【０１６３】
二次非線形光学効果を有する光導波路の両端付近において、それぞれの端面に接続される光ファイバに光が結合しやすいように、または空間放射するときの光の形状を最適にするように導波路構造を変化させても良いことは言うまでも無い。また、半導体レーザモジュールにアイソレータを内蔵したが、二次非線形光学効果を有する光導波路の端面に無反射コートを付すこと、二次非線形光学効果を有する光導波路を斜めに切り出し光ファイバやレンズを配置すること、またはこれらを組み合わせて反射戻り光を防止してもよい。
【０１６４】
（第５の実施形態）
次に、非線形光学結晶に導波路を形成する方法について説明する。本実施形態においては、ウエハ直接接合基板を用いたリッジ型導波路を用いる。ウエハ直接接合法は、動作波長に合わせた分極反転構造を有したＬｉＮｂＯ３基板と、表面処理済みの基板とを接着剤を介さずに、室温で直接的に接合し、アニール処理を行う。導波路は、接合基板の分極反転構造を研削または薄膜化し、ダイシングソーを用いてリッジ型導波路を形成する。
【０１６５】
ＬｉＮｂＯ３基板の有する課題として光損傷耐性の向上がある。光損傷は、導波路中に入射された光によって結晶中に存在する欠陥からキャリアが励起され、その後結晶中にトラップされることにより誘起される屈折率変化（フォトリフラクティブ効果）の結果、動作波長がずれてしまう現象である。ＬｉＮｂＯ３基板により導波路の動作波長帯域は、１ｎｍと狭いため、光損傷が存在すると出力光のパワーが大幅に減少したり、全く出力されない結果となる。ノンドープＬｉＮｂＯ３基板に、プロトン交換法を用いて作成した導波路素子では、十分な光損傷耐性を実現するために、導波路素子の動作温度を１００℃以上にする必要があるが、この加熱によるプロトン再拡散のため長期安定性を保てないという問題があった。ノンドープＬｉＮｂＯ３基板の代わりに、ＭｇまたはＺｎをドープしたＬｉＮｂＯ３基板に、プロトン交換法を用いて作成した導波路素子では、光損傷耐性に一定の改善が見られるが、導波路素子を５０℃以上に加熱する必要がある。
【０１６６】
一方、直接接合基板を用いたリッジ型導波路では、ＬｉＮｂＯ３本来の結晶性を劣化させることのない作製方法であり、新たな欠陥生成を抑制することができるため、光損傷耐性を大幅に向上させることができる。
【０１６７】
ここで、波長変換効率は、和周波光または差周波光のパワーＰａは、
Ｐ＝ηＬ２Ｐ１Ｐ２／１００  
となり、第二高調波のパワーＰｂは、
Ｐｂ＝ηＬ２Ｐ３２／１００  
となる。ηは、単位長さ当たりの効率（％／Ｗ／ｃｍ２）であり、Ｌは素子長であり、Ｐ１Ｐ２Ｐ３は、励起レーザの出力光パワーである。
【０１６８】
本実施形態では、光通信用の波長帯以外で動作することができ、１０〜１００Ｗ程度の高出力半導体レーザと組み合わせることにより、１０ｍＷ以上の安定した出力を得ることができる。このようにして、ＬｉＮｂＯ３が透明である４５０ｎｍ〜５μｍの領域で、任意の波長のレーザ光を発生させることができる。
【０１６９】
（実施例５−１）
図２７に、単一モードのリッジ導波路の作製方法を示す。第１の基板５０１は、予め周期的な分極反転構造が作製されているＺカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ３基板であり、第２の基板５０２は、ＺカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ３基板である。基板５０１，５０２は、いずれも両面が光学研磨されている３インチウエハであり、基板の厚さは３００μｍである。第１の基板５０１と第２の基板５０２の表面を、通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、基板５０１，５０２を清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板５０１，５０２を電気炉に入れ、４００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行う（第１の工程）。接着された基板５０１，５０２はボイドフリーであり、室温に戻したときにクラックなどは発生しなかった。
【０１７０】
次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板５０１，５０２の第１の基板５０１の厚さが５〜１０μｍになるまで研磨加工を施す。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得る（第２の工程）。基板の平行度を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、導波路の作成に好適な薄膜基板を作製することができる。なお、第１の基板５０１としてＸカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ３基板を用い、第２の基板５０２としてＸカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ３基板を用いてもよい。
【０１７１】
作製した薄膜基板表面に、通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製した後、ドライエッチング装置に基板をセットし、ＣＦ４ガスをエッチングガスとして基板表面をエッチングすることにより幅６〜２０μｍのコアを形成し、リッジ型導波路を作製した（第３の工程）。ウエハからリッジ型導波路を切り出し、導波路端面を光学研磨することにより、長さ１０〜６０ｍｍの非線形光学結晶の導波路素子を得ることができる。
【０１７２】
（実施例５−２）
第１の基板５０１は、予め周期的な分極反転構造が作製されているＺカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ３基板であり、第２の基板５０２は、ＺカットＬｉＴａＯ３基板である。基板５０１，５０２は、いずれも両面が光学研磨されている３インチウエハであり、基板の厚さは３００μｍである。第１の基板５０１と第２の基板５０２の表面を、通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、基板５０１，５０２を清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板５０１，５０２を電気炉に入れ、４００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行う（第１の工程）。接着された基板５０１，５０２はボイドフリーであり、室温に戻したときにクラックなどは発生しなかった。
【０１７３】
次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板５０１，５０２の第１の基板５０１の厚さが６〜１０μｍになるまで研磨加工を施す。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得る（第２の工程）。基板の平行度を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、導波路の作成に好適な薄膜基板を作製することができる。なお、第１の基板５０１としてＸカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ３基板を用い、第２の基板５０２としてＸカットＬｉＴａＯ３基板を用いてもよい。
【０１７４】
作製した薄膜基板表面に、通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製した後、ドライエッチング装置に基板をセットし、ＣＦ４ガスをエッチングガスとして基板表面をエッチングすることにより幅６〜２０μｍのコアを形成し、リッジ型導波路を作製した（第３の工程）。ウエハからリッジ型導波路を切り出し、導波路端面を光学研磨することにより、長さ１０〜６０ｍｍの非線形光学結晶の導波路素子を得ることができる。
【０１７５】
（実施例５−３）
第１の基板５０１は、予め周期的な分極反転構造が作製されているＬｉＮｂＯ３基板であり、第２の基板５０２は、水晶基板である。水晶のＺ軸に垂直な面内方向の熱膨張係数は、１３．６×１０−６／Ｋであり、ＬｉＮｂＯ３の熱膨張係数に近く、ＬｉＮｂＯ３の屈折率が２．１であるのに対して、水晶の屈折率は１．５３と小さいために、導波路の作製に好適である。実施例５−１と同様の製造方法により、非線形光学結晶の導波路素子を得ることができる。
【０１７６】
なお、第１の基板５０１としてＺｎ添加ＬｉＮｂＯ３基板のほか、Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ３基板、Ｓｃ添加ＬｉＮｂＯ３基板、Ｉｎ添加ＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３基板、ＫＮｂＯ３基板、ＫＴｉＮｂＯ３基板などを用いてもよい。
【０１７７】
（実施例５−４）
実施例５−１の第２の工程までに作製された基板を、ダイシングソーによる精密研削加工技術を用いて導波路を作製する。研磨された基板をダイシングソーにセットし、粒子径が４ミクロン以下のダイアモンドブレードを用いた精密加工により、幅６μｍのコアを有するリッジ導波路を作製する（第３の工程）。ウエハからリッジ型導波路を切り出し、導波路端面を光学研磨することにより、長さ１０〜６０ｍｍの非線形光学結晶の導波路素子を得ることができる。なお、実施例５−２および実施例５−３で作製した基板を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１７８】
本実施形態によれば、ナトリウムＤ線における屈折率測定は、現状より２桁程度の精度向上が可能となる。したがって、食料品あるいは医薬品の品質管理の大きな改善が図れるばかりでなく、異物、毒物混入の監視精度の向上により安全性を大幅に改善することが可能となる。また、屈折率と密度との関係が既知の物質に関しては、屈折率の測定から密度を得ることも可能となり、この密度測定での精度向上も飛躍的に改善される。
【０１７９】
また、本実施形態によれば、エネルギー効率が高く、小型化、低消費電力なレーザ光源を採用することにより、小型で経済的なレーザ顕微鏡、フローサイトメータなどを実現することができる。
【０１８０】
さらに、本実施形態にかかる中赤外光を発生するレーザ光源によれば、環境ガスを精度よく検出し、農作物に残留する農薬を検出する測定装置に適用することができる。
【０１８１】
さらにまた、酸素濃度計に用いる光源であって、酸素吸収線である波長７５９ｎｍから７６８ｎｍのレーザ光を出力するレーザ光源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１８２】
【図１】レーザの波長領域と出力との関係を示す図である。
【図２】ナトリウム原子のエネルギー準位を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるレーザ光源のブロック図である。
【図４】ナトリウムＤ線の波長を和周波発生により得るための励起レーザ１と励起レーザ２の波長の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例１−１にかかるナトリウムＤ線波長のレーザ光源の構成図である。
【図６】本発明の実施例１−２にかかるナトリウムＤ線波長のレーザ光源の構成図である。
【図７】本発明の実施例１−４にかかるナトリウムＤ線波長のレーザ光源の構成図である。
【図８】本発明の実施例１−５にかかるナトリウムＤ線波長のレーザ光源の構成図である。
【図９】黄色領域の波長を和周波発生により得るための励起レーザ１と励起レーザ２の波長の関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２−１にかかる黄色領域のレーザ光源の構成図である。
【図１１】本発明の実施例２−２にかかる黄色領域のレーザ光源の構成図である。
【図１２】本発明の実施例２−４にかかる黄色領域のレーザ光源の構成図である。
【図１３】本発明の実施例２−５にかかる黄色領域のレーザ光源の構成図である。
【図１４】周期Λと仮定し、波長λ３を助変数として求めた３ｄＢ領域を示す図である。
【図１５】周期Λ＝２７μｍ、波長λ１＝１．０６４μｍとした時の波長λ２に対する規格化変換効率η／ηｏを示す図である。
【図１６】本発明の一実施形態にかかる中赤外光を発生するレーザ光源を示すブロック図である。
【図１７】実施例３−１における３ｄＢ領域を示す図である。
【図１８】実施例３−１において出力された中赤外光の偏波依存性を示す図である。
【図１９】本発明の一実施形態にかかる光吸収分析装置を示すブロック図である。
【図２０】実施例３−７にかかる２波長差分吸収ライダーの測定系を示す図である。
【図２１】実施例３−８にかかる残留農薬測定器の測定系を示す図である。
【図２２】本発明の一実施形態にかかる酸素吸収線の波長を発生するレーザ光源を示すブロック図である。
【図２３】出力にレンズとフィルタを備えたレーザ光源を示すブロック図である。
【図２４】出力に光ファイバを備えたレーザ光源を示すブロック図である。
【図２５】実施例４−１にかかるレーザ光源を示すブロック図である。
【図２６】実施例４−２にかかるレーザ光源を示すブロック図である。
【図２７】単一モードのリッジ型導波路の作製方法を示す図である。
【符号の説明】
【０１８３】
４０１，４１１，４２１，４３１，４４１    半導体レーザモジュール
４０２，４１２，４２２，４３２，４４２，４４４    偏波保存型光ファイバ
４０３，４１３，４２３，４３３，４４５    二次非線形光学効果を有する光導波路
４１４，４３５，４４８    レンズ
４１５，４３６    フィルタ
４１６，４３７，４４９    光出力
４２４，４４７    光ファイバ
４３４，４４６    温度制御素子
４４３    光コネクタ
【図１】
2008009457.tif 000012
【図２】
2008009457.tif 000013
【図３】
2008009457.tif 000014
【図４】
2008009457.tif 000015
【図５】
2008009457.tif 000016
【図６】
2008009457.tif 000017
【図７】
2008009457.tif 000018
【図８】
2008009457.tif 000019
【図９】
2008009457.tif 000020
【図１０】
2008009457.tif 000021
【図１１】
2008009457.tif 000022
【図１２】
2008009457.tif 000023
【図１３】
2008009457.tif 000024
【図１４】
2008009457.tif 000025
【図１５】
2008009457.tif 000026
【図１６】
2008009457.tif 000027
【図１７】
2008009457.tif 000028
【図１８】
2008009457.tif 000029
【図１９】
2008009457.tif 000030
【図２０】
2008009457.tif 000031
【図２１】
2008009457.tif 000032
【図２２】
2008009457.tif 000033
【図２３】
2008009457.tif 000034
【図２４】
2008009457.tif 000035
【図２５】
2008009457.tif 000036
【図２６】
2008009457.tif 000037
【図２７】
2008009457.tif 000038