(57)【要約】【課題】  ファイバレーザもしくはファイバアンプから出力されたレーザ光を励起光として、少ない部品点数で、効率良く波長変換を行うことができるレーザ発振装置とそれを用いた大気汚染物質モニタリング装置を提供すること。【解決手段】  ファイバレーザもしくはファイバアンプからの励起光を受光する位置に配置された光パラメトリック発振器は、２枚の共振器ミラーの間の光軸上に、２つの非線形光学素子を偏光軸を直交して配置する。【選択図】  図１
2005077606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を出射するファイバレーザもしくはファイバアンプと、前記励起光を受光する位置に配置された光パラメトリック共振器とを具えたレーザ発振装置であって、
前記光パラメトリック共振器は、２枚の共振器ミラーの間の光軸上に２つの非線形光学素子が偏光軸を直交して配置されていることを特徴とするレーザ発振装置。
【請求項２】
前記光軸上に配置された２つの前記非線形光学素子は、離間または密接して配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ発振装置。
【請求項３】
計測対象に対する２波長のレーザ光を同時に発生するレーザ光発生手段と、前記レーザ光発生手段で発生した２波長のレーザ光を大気中の計測対象領域に照射する光学系と、前記計測対象領域に存在する浮遊粒子から反射されるレーザ光を受光する集光光学系と、前記集光光学系により集光された反射レーザ光を前記２波長に分光する分光手段と、この分光手段により分光された前記２波長の各々を検出する検出器を具えた大気汚染物質モニタリング装置であって、
前記レーザ光発生手段として請求項１または２記載のレーザ発振装置を用いていることを特徴とする大気汚染物質モニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバレーザもしくはファイバアンプから出力されたレーザ光を励起光としたレーザ発振装置と、それを用いた大気汚染物質モニタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光パラメトリック発振（以下、ＯＰＯ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎという）を利用した光パラメトリック共振器（以下、ＯＰＯ共振器という）は、パラメトリックな利得を持つ非線形光学結晶（波長変換素子）を、ＹＡＧレーザ共振器等と同様に２枚の共振器ミラーからなる光共振器中に配置し、適当なレーザ光によって励起せることによって構成されている。これらのＯＰＯ共振器はシグナル光（信号波光）とアイドラ光（補助波光）の両方、又は、いずれか一方が共振するように構成され、励起光のポンピング入力が一定の閾値を超えると、シグナル光およびアイドラ光によってパラメトリック発振が生じる。
【０００３】
光パラメトリック発振は２次の非線形光学効果を利用したレーザ光の波長変換方法の一つであるから、必要とされるエネルギーの閾値を越え、光パラメトリツク発振を起こさせるためには、高いピークパワーと平均出力（１０Ｗ程度）を持った励起光が必要となる。
【０００４】
他方、ファイバレーザ（又はファイバアンプ）は、ファイバのコア径並びにコアとクラッドの屈折率の差等を適切に選定することで、比較的簡単にレーザ発振の横モードを単一にすることができる。また、光を高密度に閉じこめることでレーザ活性物質と光との相互作用を高められ、かつ、光ファイバの長さを長くすることで相互作用長を大きくとれるので、高い効率で空間的に高品質のレーザ光を発生することができる。従って、質の良いレーザ光を比較的安価に得ることができる。
【０００５】
これらの状況から、励起光源にファイバレーザ（もしくはファイバアンプ）を用いたＯＰＯによるレーザ発振装置が用いられている例がある。ただし、ファイバレーザ（もしくはファイバアンプ）から出力されたレーザ光（ランダムもしくは円偏光）を励起光として波長変換（ＯＰＯ）を行う場合、ＯＰＯ共振器は直線偏光の励起光でしか発振しないため、薄膜偏光子等で直交する直線偏光に分離して、２個のＯＰＯ共振器により別々に波長変換を行いそれをまた合成する手法を用いていた。
【０００６】
すなわち、図６に模式図を示したように、ファイバレーザ４１（もしくはファイバアンプ）の光軸上の前方には、薄膜偏光子４２が配置されている。薄膜偏光子８はファイバレーザ４１から出射したれランダム偏光の励起光のうち入射面に平行方向の偏光を透過し、これに直交する方向の偏光を反射する。この薄膜偏光子４２の透過光軸の前方には、レンズ４３を介して第１のＯＰＯ共振器４４が配置されている。一方、薄膜偏光子８の反射光軸の前方にはミラー４５とレンズ４６を介して第２のＯＰＯ共振器４７が配置されている。第１および第２のＯＰＯ共振器４４、４７はいずれも、２枚の共振器ミラー４８、４９の間に非線形光学結晶５０（波長変換素子、例えばＫＴＰ等）を配置して光共振器を形成している。それにより、薄膜偏光子４２により、非線形光学結晶５０の偏光方向に合わせた偏光の光がそれぞれのＯＰＯ共振器４４、４７に入力される。また、第１のＯＰＯ共振器４４の出力側の光軸上にはミラー５１が配置され、第２のＯＰＯ共振器４７の出力側の光軸上には薄膜偏光子５２が配置されている。
【０００７】
それらの構成により、ファイバレーザ４１（もしくはファイバアンプ）から出射した励起光が各ＯＰＯ共振器４４、４７に入力され、各ＯＰＯ共振器４４、４７でシグナル光およびアイドラ光によってパラメトリック発振し、その出力が同一光軸上で合成されてレーザ発振装置の出力としてアウトプットされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の図６に示したようなレーザ発振装置は、２個のＯＰＯ共振器４４、４７が必要であり、かつ、それらに入出力する光を分離したり、重ね合わせたりしているので、高価な薄膜偏光子４２を用いており、また、部品の点数も多くなる。しかも、光の損失も増加するために、変換効率の低下を抑制するのが困難である。
【０００９】
本発明は、それらの事情にもとづいてなされたもので、ファイバレーザもしくはファイバアンプから出力されたレーザ光を励起光として、少ない部品点数で、効率良く波長変換（ＯＰＯ）を行うことができるレーザ発振装置とそれを用いた大気汚染物質モニタリング装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、励起光を出射するファイバレーザもしくはファイバアンプと、前記励起光を受光する位置に配置された光パラメトリック共振器とを具えたレーザ発振装置であって、
前記光パラメトリック共振器は、２枚の共振器ミラーの間の光軸上に２つの非線形光学素子が偏光軸を直交して配置されていることを特徴とするレーザ発振装置である。
【００１１】
また本発明によれば、前記光軸上に配置された２つの前記非線形光学素子は、離間または密接して配置されていることを特徴とするレーザ発振装置である。
【００１２】
また本発明によれば、計測対象に対する２波長のレーザ光を同時に発生するレーザ光発生手段と、前記レーザ光発生手段で発生した２波長のレーザ光を大気中の計測対象領域に照射する光学系と、前記計測対象領域に存在する浮遊粒子から反射されるレーザ光を受光する集光光学系と、前記集光光学系により集光された反射レーザ光を前記２波長に分光する分光手段と、この分光手段により分光された前記２波長の各々を検出する検出器を具えた大気汚染物質モニタリング装置であって、
前記レーザ光発生手段として上記のレーザ発振装置を用いていることを特徴とする大気汚染物質モニタリング装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ファイバレーザもしくはファイバアンプから出力されたレーザ光を励起光として、少ない部品点数で、効率良く波長変換を行うことができるレーザ発振装置が実現できる。
【００１４】
また、そのレーザ発振装置を用いた大気汚染物質モニタリング装置は、一台のレーザ装置であっても、汚染物質の濃度を高精度で、かつ高感度で計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明のレーザ発振装置の構成を示す模式図である。
【００１７】
すなわち、レーザ発振装置は、ファイバレーザ１（もしくはファイバアンプ）の光軸上の前方に、レンズ２を介してＯＰＯ共振器３を配置している。
【００１８】
図２に断面図示すように、ファイバレーザ１は、一例を挙げれば、２重クラッド型のファイバレーザ１で、コア部４の周りに、コア部４より屈折率の低い第１のクラッド部５を設け、その外側にさらに屈折率の低い第２のクラッド部６を設けたものである。これにより、第１のクラッド部５に導入された励起光は、第１のクラッド部５と第２のクラッド部６の屈折率差による全反射により、第１のクラッド部５内に閉じこめられた状態を保ちながら伝搬する。この伝搬の際に、励起光はコア部４を繰り返し通過し、コア部４のレーザ活性物質を励起することになる。第１のクラッド部５はコア部４よりも数十倍程度の大きな面積を持つため、より多くの励起光を導入することが可能になり高出力化が可能になる。この２重クラッド型のファイバレーザ１は、発振効率が高く、また、発振横モードが単一で、しかも安定であるという利点を持ち、レーザダイオード（不図示）を使った場合、数ワットから１０ワット程度の高出力が得られる。
【００１９】
ＯＰＯ共振器３は、図１に示したように、２枚の共振器ミラー７ａ、７ｂの間の光軸上に、２個の非線形結晶８、９［例えば、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）あるいは、ＺｎＧｅＰ２等］である第１の非線形結晶８、９と第２の非線形結晶８、９とが配置されている。なお、ＯＰＯ共振器３は直線偏光の励起光でしか発振しないために、それに対応させて、２個の非線形結晶８、９は偏光軸が直交しているように配置されている。その際、２個の非線形結晶８、９の配置は、光軸上であれば、図１では離間して配置した状態を示しているが、離間せずに相互の端面同士を密接して配置してもよい。
【００２０】
また、２個の非線形結晶８、９は、互いに切り出し方位の異なるものを使用することもでき、さらに、異なる種類の結晶を用いることもできる。
【００２１】
また、２枚の共振器ミラー７ａ、７ｂのうち、ファイバレーザ１からの励起光入力側の共振器ミラー７ａは、励起光を全透過し、ＯＰＯ光を全反射する。他方、出力側の共振器ミラー７ｂは、励起光を全反射し、ＯＰＯ光を部分透過するものを用いている。
【００２２】
これらの構成により、ファイバレーザ１（もしくはファイバアンプ）から出力されたランダム偏光の励起光は、レンズ２で集光されて第１の非線形結晶８に入射される。入射されたランダム偏光の励起光のうち、第１の非線形結晶８は偏光方向が一致した励起光の偏光成分の光により励起されて、２枚の共振器ミラー７ａ、７ｂとにより形成したＯＰＯ共振器３として機能して波長変換が行われる。この場合、第１の非線形結晶８は偏光方向と一致しない励起光は、第１の非線形結晶８を透過する。他方、第１の非線形結晶８を透過した励起光は、第２の非線形結晶９に入光する。それにより、入光した光のうち、第２の非線形結晶９は偏光方向が一致した励起光の偏光成分の光により励起されて、２枚の共振器ミラー７ａ、７ｂとにより形成したＯＰＯ共振器３として機能して波長変換が行われる。
【００２３】
それぞれの非線形結晶８、９の偏光方向に一致した偏光成分の光が、それぞれの非線形結晶８、９に作用してＯＰＯ共振器３として機能して波長変換が行われた際、ＯＰＯ共振器３は共通の光軸であるため、２個の非線形結晶８、９によるＯＰＯ共振器３でシグナル光およびアイドラ光によってパラメトリック発振し波長変換された光は、その出力が合成されてレーザ発振器の出力として同一光軸から出力される。
【００２４】
したがって、この実施の形態では、共振器ミラー７ａ、７ｂの間の同一光軸上に、偏光軸を直交させて２個の非線形結晶８、９を配置しているので、ファイバレーザ１（もしくはファイバアンプ）から出力されたランダム偏光のレーザ光が入力された場合、それぞれの非線形結晶８、９の偏光方向と一致した偏光成分のレーザ光のみが非線形結晶８、９に作用して波長変換が行われる。それにより、従来のように、ＯＰＯ共振器３に入力する以前に薄膜偏光子等で、励起光を２つの直線偏光に分離する必要が無くなる。
【００２５】
また同じ光軸の共振器で発振するため、出力光は同軸となり、発振後に２つの出力光を重ね合わせる必要がなくなる。
【００２６】
次に、上述のＯＰＯ共振器３を用いた例として、大気中あるいは煤煙等に含まれる例えばＣＯ（一酸化炭素）、ＣＯ２（二酸化炭素）等のガス濃度を計測するための大気汚染物質モニタリング装置について説明する。
【００２７】
大気中あるいは煤煙等に含まれる例えばＣＯ（一酸化炭素）、ＣＯ２（二酸化炭素）等のガス濃度を計測する方法として、レーザ光源から先ず、計測対象ガスに吸収され易い（吸収の大きい）波長（以下、ＯＮ波長という）のレーザ光を計測対象ガスに照射し、次いで計測対象ガスに吸収され難い（吸収の小さい）波長（以下、ＯＦＦ波長という）のレーザ光を計測対象ガスに照射し、計測対象ガスにより反射されたレーザ光を受光装置により受光し、データ解析装置に入力して計測対象ガスの構成成分の濃度計測を行なう方法が用いられている。
【００２８】
ただし、この計測方法では、計測対象ガスの状態変化が激しい場合には、高精度の計測結果を得ることができない。例えば火力発電プラント等において、煙突から排出される煙に含まれる汚染物質を計測するような場合、煙突の上端部付近は風が強く、煙の状態変化が激しいので、最初ＯＮ波長のレーザ光を照射してから次にＯＦＦ波長のレーザ光を照射するまでの間に排出された煙の状態が変化してしまい、正しい計測を行なうことが困難になる。そのため、ＯＮ波長とＯＦＦ波長用のレーザ光を同時に照射する必要がある。しかも、それは、一台のレーザ発振装置でおこなえることが経済的にも好ましい。
【００２９】
図３は、本発明の実施形態に係る大気汚染物質モニタリング装置の構成図である。図３において、ブロードバンドのレーザ光を発生すレーザ発生部１１は、レーザ光源であるファイバレーザ１２と、このファイバレーザ１２からの励起光を入力として波長可変の光波を発生する例えばＯＰＯ共振器１３とで構成し、さらに、ＯＰＯ共振器１３から出力されるレーザ光の光軸上に、所定の波長を通過させるフィルタ素子として、例えばエタロン板１４を配置している。
【００３０】
エタロン板１４は、第１エタロン板１４ａと第２エタロン板１４ｂから構成されている。第１エタロン板１４ａは、例えば０．２５ｍｍの厚さに設定され、図４（ａ）のフィルタ特性に示すように３．８ｃｍ−１の通過帯域幅を有し、計測対象に対するＯＮ波長及びＯＦＦ波長を含むレーザ光を通過させる。また、第２エタロン板１４ｂは、例えば２．１ｍｍの厚さに設定され、図４（ｂ）のフィルタ特性に示すように０．４ｃｍ−１程度の狭い通過帯域幅を有している。
【００３１】
第１エタロン板１４ａは、ＯＰＯ共振器１３から出力されるブロードバンドなレーザ光を３．８ｃｍ−１まで狭帯域化し、第２エタロン板１４ｂは、更に狭帯域化して線幅を０．４ｃｍ−１とする。この場合、第２エタロン板１４ｂは、図４（ｂ）のフィルタ特性に示すように線幅の細い波数の異なる波長が多数存在するが、第１エタロン板１４ａ及び第２エタロン板１４ｂの総合的な作用により、エタロン板１４からは図４（ｃ）に示すようにＯＮ波長及びＯＦＦ波長の２波長のシングルモードレーザ光が同時に出力される。そして、エタロン板１４を介して出力されるＯＮ波長は、計測対象である目的のガスに吸収されるＯＮ波長となるようにＯＰＯ共振器１３にて微調整する。
【００３２】
レーザ発生部１１からＯＮ波長及びＯＦＦ波長のレーザ光がパルス光として出力されるもので、このレーザ光は、光学系１６を介して例えば火力発電プラントの煙突から排出される煙等の計測対象１７に向けて照射される。
【００３３】
そして、レーザ発生部１１から計測対象１７に照射されたレーザ光は、計測対象１７で反射され、その反射光が集光光学系２１で受光される。この集光光学系２１で受光された反射レーザ光は、波長分離用光学素子例えばダイクロイックミラー２２に導かれる。このダイクロイックミラー２２は、反射レーザ光に含まれるＯＮ波長とＯＦＦ波長とを分光し、ＯＮ波長をＯＮ波長用検出器２３に入射し、ＯＦＦ波長をＯＦＦ波長用検出器２４に入射する。
【００３４】
ＯＮ波長用検出器２３及びＯＦＦ波長用検出器２４から出力される検出信号は、処理装置２５に入力される。この処理装置２５は、例えばＣＰＵを用いて構成され、上記ＯＮ波長用検出器２３及びＯＦＦ波長用検出器２４の検出信号から計測対象１７に含まれる例えばＣＯガス等の汚染物質の濃度を算出し、その結果をモニタ装置２６に出力し、例えばＯＮ波長検出信号、ＯＦＦ波長検出信号、汚染物質の濃度等をモニタ表示する。
【００３５】
これらの構成により、計測対象１７に含まれる汚染物質として例えばＣＯガスを検出する場合、レーザ発生部１１のエタロン板１４を介して出力されるＯＮ波長とＯＦＦ波長をＣＯガスの波長吸収特性に合わせる。図５（ａ）はＣＯガスにレーザ光を照射した場合の波長吸収特性を示したもので、横軸はレーザ光の波長、縦軸はＣＯガスの吸収量である。ＣＯガスの場合、レーザ光の波長が２．３３μｍの付近で最大の吸収量を示し、その幅は０．１ｃｍ−１程度であり、また、隣接する吸収波長との間隔は４ｃｍ−１程度である。従って、エタロン板１４を介して出力されるＯＮ波長は、図５（ｂ）に示すようにＣＯガスの最大吸収波長である２．３３μｍに一致させ、ＯＦＦ波長は隣接するＯＮ波長に一致しないように、２．３３μｍから３ｃｍ−１離れた所に設定する。
【００３６】
レーザ発生部１１から計測対象１７に照射されるレーザ光のＯＮ波長及びＯＦＦ波長をＣＯガスの特性に合わせて設定することにより、計測対象１７に含まれるＣＯガスの濃度を効率良く計測することが可能となる。
【００３７】
そして、レーザ発生部１１から出力されるＯＮ波長及びＯＦＦ波長を含むレーザ光は、光学系１６を介して計測対象１７に向けて照射され、計測対象１７に含まれるＣＯガスの濃度に応じて反射される。この場合、ＯＮ波長はＣＯガスによって吸収されるので、ＣＯガスの濃度に応じてレーザ光の反射量が変化する。すなわち、ＣＯガスの濃度が高いほどレーザ光の反射量が減少する。一方、ＯＦＦ波長はＣＯガスによって吸収されないので、ＣＯガスの濃度に関係なく、一定量が反射される。
【００３８】
上述の大気汚染物質モニタリング装置は、レーザ光源からＯＮ波長及びＯＦＦ波長を含むレーザ光を計測対象に同時に照射することにより、計測対象の状態が風等の影響を受けて大きく変動している場合でも、計測時間の遅れによる外乱の影響を大幅に削減でき、汚染物質の濃度を高精度で、かつ高感度で計測することができる。
【００３９】
以上に説明したように、上述の実施の形態で説明したＯＰＯ共振器を用いたレーザ発振装置で、共振器ミラーの間の同一光軸上に、偏光軸を直交させて２個の非線形結晶を配置することにより、ファイバレーザもしくはファイバアンプから出力されたランダム偏光のレーザ光が入力された場合、それぞれの非線形結晶の偏光方向と一致した偏光成分のレーザ光のみが非線形結晶に作用して波長変換が行われる。それにより、ＯＰＯ共振器に入力する以前に薄膜偏光子等で、励起光を２つの直線偏光に分離する必要が無くなる。
【００４０】
また同じ共振器で発振するため、出力光は同軸となり、発振後の２つの光を結合する必要がなくなる。
【００４１】
また、それらのレーザ発振装置を用いた大気汚染物質モニタリング装置は、一台のレーザ装置であっても、計測対象の状態が風等の影響を受けて大きく変動している場合でも、計測時間の遅れによる外乱の影響を大幅に削減でき、汚染物質の濃度を高精度で、かつ高感度で計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明のレーザ発振装置の構成を示す模式図。
【図２】ファイバレーザの断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る大気汚染物質モニタリング装置の構成図。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、エタロン板のフィルタ特性のグラフ、（ｃ）は、エタロン板のＯＮ波長及びＯＦＦ波長のグラフ。
【図５】（ａ）は、ＣＯガスにレーザ光を照射した場合の波長吸収特性のグラフ、（ｂ）は、エタロン板を介して出力されるＯＮ波長のグラフ。
【図６】従来のレーザ発振装置の構成を示す模式図。
【符号の説明】
【００４３】
１…ファイバレーザ、２…レンズ、３…ＯＰＯ共振器、４…コア部、５…第１のクラッド部、６…第２のクラッド部、７ａ、７ｂ…共振器ミラー、８…第１の非線形結晶、９…第２の非線形結晶、１４…レーザ発生部
【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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