(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）励起用パルスレーザー（１１）と、
（ｂ）単一基板上に集積化され、発振波長を独立に設定した複数のストライプ構造をもつマルチストライプＤＦＢレーザー（１２）と、
（ｃ）アレイ型光検知器（１６）とを備え、
（ｄ）前記励起用パルスレーザー（１１）からのパルスレーザー光で前記マルチストライプＤＦＢレーザー（１２）の各ストライプを同時に励起させ、異なった波長で発振したＤＦＢレーザー光を試料物質（１４）に通し、それぞれの波長に対する前記試料物質（１４）のスペクトル応答を空間的に分離して前記アレイ型光検知器（１６）で検知することにより、前記試料物質（１４）の吸収スペクトルを計測することを特徴とする分光計測装置。
【請求項２】
（ａ）励起用パルスレーザー（２１）と、
（ｂ）単一基板上に集積化され、発振波長を独立に設定した複数のストライプ構造をもつマルチストライプＤＦＢレーザー（２２）と、
（ｃ）光検知器（２５）と、
（ｄ）オシロスコープ（２６）とを備え、
（ｅ）光学的に遅延させた前記励起用パルスレーザー（２１）からのパルスレーザー光で前記マルチストライプＤＦＢレーザー（２２）の各ストライプを励起させ、時間的な波長掃引がかかったＤＦＢレーザー光を試料物質（２３）に通してその透過光強度を前記光検知器（２５）で検知し、前記試料物質（２３）のスペクトル応答の時間変化を前記オシロスコープ（２６）で観測することにより、前記試料物質（２３）の吸収スペクトルを計測することを特徴とする分光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一基板上に集積化された複数のストライプ構造を持つ分布帰還可変波長レーザーを応用した分光計測装置に係り、特に、マルチストライプ可変波長レーザーを用いた分光計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
可変波長レーザーとは、外部から制御することによりその発振波長を広い範囲にわたって連続的に変化できるレーザーであり、色素レーザー・チタンサファイアレーザー・光パラメトリック発振器等がある。
図７は従来の可変波長レーザー及びそれを用いた分光計測装置の概略構成図である。
【０００３】
この図において、１０１は励起光源、１０２はレーザー媒質、１０３，１０６は鏡、１０４は同調素子、１０５はその同調素子１０４の波長掃引制御装置、１０７は被測定物質、１０８は光検知器、１０９はスペクトル記録装置である。
その構造は、レーザー媒質１０２と、それを励起する光源１０１、２枚の鏡１０３，１０６よりなる光共振器、及び発振波長を制御する同調素子１０４よりなっている。このレーザーで物質の分光スペクトルを計測するには、レーザーの波長を時間的に掃引しながら、そのスペクトル応答を光検知器１０８で測定し、ペンレコーダー等の記録装置１０９で記録する。
【０００４】
一方、集積型ＤＦＢ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ：分布帰還）可変波長レーザーの構造は、図８に示すように、基板２０１上に厚さ約数ミクロンのレーザー媒質で形成された平板導波路２０２を形成し、その導波路２０２に微小な周期的（回折格子）をつけることにより、特定の波長で分布帰還を得るもので、レーザー媒質・光共振器・同調素子を一体化して基板上に集積化できるため、従来より極めてコンパクトに可変波長レーザーを構成できる特徴を持っている。ＤＦＢ発振波長λは媒質の等価屈折率をｎ、凹凸の周期をａ、次数をｍとすると次式で与えられる。なお、２０３は励起光、２０４は結合レンズ、２０５は光ファイバ、２０６は出力光である。
【０００５】
λ＝ａｍｎ
ＤＦＢは現在、半導体レーザーの発振スペクトルを狭帯域化し、安定化する技術として広く使われ、また最近では、波長多重光ファイバー通信用の光源として、マルチストライプ型のＤＦＢ半導体レーザーが開発されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のレーザー分光計測方式では、掃引域は使用するレーザー媒体の持つ利得バンド幅内に限られ、自由な設定はできなかった。また、掃引は機械的な操作でなされるので、スペクトルの取得には数分の時間を要した。一方、上記の集積型ＤＦＢ可変波長レーザーでは、作製時に分布帰還を与える凹凸の周期が決まってしまうので、発振波長の制御ができず、そのままでは分光計測の光源としては適していなかった。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みて、このような波長が固定されたＤＦＢレーザーを、さらに多数同一基板上に集積化することによって、レーザー自体の波長掃引を行うことなく、これまでより広い自由度をもたせ、しかもナノ秒以下の極めて短時間の分光スペクトルの計測を可能にする分光計測装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下の手段を用いる。
〔１〕分光計測装置において、励起用パルスレーザー（１１）と、単一基板上に集積化され、発振波長を独立に設定した複数のストライプ構造をもつマルチストライプＤＦＢレーザー（１２）と、アレイ型光検知器（１６）とを備え、前記励起用パルスレーザー（１１）からのパルスレーザー光で前記マルチストライプＤＦＢレーザー（１２）の各ストライプを同時に励起させ、異なった波長で発振したＤＦＢレーザー光を試料物質（１４）に通し、それぞれの波長に対する前記試料物質（１４）のスペクトル応答を空間的に分離して前記アレイ型光検知器（１６）で検知することにより、前記試料物質（１４）の吸収スペクトルを計測することを特徴とする。
【０００９】
〔２〕分光計測装置において、励起用パルスレーザー（２１）と、単一基板上に集積化され、発振波長を独立に設定した複数のストライプ構造をもつマルチストライプＤＦＢレーザー（２２）と、光検知器（２５）と、オシロスコープ（２６）とを備え、光学的に遅延させた前記励起用パルスレーザー（２１）からのパルスレーザー光で前記マルチストライプＤＦＢレーザー（２２）の各ストライプを励起させ、時間的な波長掃引がかかったＤＦＢレーザー光を試料物質（２３）に通してその透過光強度を前記光検知器（２５）で検知し、前記試料物質（２３）のスペクトル応答の時間変化を前記オシロスコープ（２６）で観測することにより、前記試料物質（２３）の吸収スペクトルを計測することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に従って詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示すＤＦＢマルチストライプ集積型可変波長レーザーの模式図である。
この図において、１は基板、２は並列に並べられたＤＦＢ可変波長レーザー、３は結合レンズ、４は光ファイバー、５は出力光である。
【００１１】
ここで可変波長レーザーとは、色素レーザー、アレキサンドライトレーザー、チタンサファイアレーザー、色中心レーザー、光パラメトリック発振器など、発振する光の波長を数１０ｎｍ以上連続的に変化できるレーザーを総称している。長さ１０〜２０ｍｍの基板１上に上記の可変波長レーザー媒質を幅１０〜５０μｍ、厚さ数μｍのストライプ状に整形して数１０〜数１００本平行にならべ、それぞれに紫外レーザー光を２方向から照射して干渉による縞模様を作り、光エッチング法で周期的な凹凸（回折格子）を作る。その際、干渉縞の周期は露光用紫外レーザーのビーム入射角で変わるので、それぞれのストライプに違った周期の回折格子を付けることができる。
【００１２】
励起光源には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーや半導体レーザーなどパルスレーザーが使われる。その際、図１に示したストライプ全体をカバーするように励起用レーザービームを照射すると、それぞれのストライプはあらかじめ設定した波長で同時に、かつ独立に発振する。
このようなマルチストライプＤＦＢ可変波長レーザーを用い、波長掃引なしに物質の吸収スペクトルを計測する具体例を図２に示す。
【００１３】
図２において、１１は励起用パルスレーザー、１２はマルチストライプＤＦＢレーザー、１３，１５はレンズ、１４は試料物質、１６はアレイ型光検出器、１７はマイクロコンピュータである。
また、励起レーザー光を同時に照射すると、マルチストライプＤＦＢ可変波長レーザー２は上から下に向かって順次異なった波長で発振する。その光を試料物質を通した後、ＣＣＤカメラやフォトダイオードアレイのような場所を区別できるように受光し、コンピューターで画像処理すると、吸収スペクトルを計測することができる。
【００１４】
この方法では、波長掃引が必要ないために単一レーザーショットでスペクトルの取得が可能である。したがって、励起レーザーにナノ秒オーダーのパルス幅を持つＮｄ：ＹＡＧレーザーなどを用いれば、これまでになく非常に速い時間分解能で物質のスペクトル計測が可能となる。
一方、図３はマルチストライプＤＦＢレーザーの励起に時間的な遅延をかける方法により物質の吸収スペクトルを計測する具体例である。
【００１５】
この図において、２１は励起用パルスレーザー、２２はマルチストライプＤＦＢレーザー、２３は試料物質、２４はレンズ、２５は光検出器、２６はオシロスコープである。
この場合には、励起レーザーのビームを上から下に向かって光学的に遅延させることで、マルチストライプＤＦＢレーザーに時間的な波長掃引がかかる。したがって、その光を試料物質に通し、透過光強度を光電子倍増管やフォトダイオードのような光検知器で計測し、その強度の時間変化をオシロスコープ等で観測することにより、吸収スペクトルを計測することができる。
【００１６】
上記の方法を可能にするためには、色素レーザーや色中心レーザー、セリウムＬｉＳＡＦレーザーなどを用い、速い緩和時間をもつ可変波長レーザーの場合には、数１０ｐｓのオーダーまで応答することが確かめられている。
図４はマルチストライプＤＦＢレーザーによる励起パルスの光学的遅延を得る一方法を示す図である。
【００１７】
この図において、３１は励起用短パルスレーザー（パルス幅１０〜１００ｐｓ）、３２は鏡、３３はマルチストライプＤＦＢレーザーである。
この図に示すように、遅延時間が１００ｐｓの場合には、光学遅延をかけるための光路差は３０ｍｍ程度で済むので、この図に示すように、単に鏡３２を傾けるだけで達成できる。
【００１８】
【実証実験例】
本発明に基づき試作したマルチストライプＤＦＢ可変波長レーザーの特性と、それを用いた分光計測の実施例を述べる。
レーザー媒質には、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）に有機色素ローダミン６Ｇをドープしたものを使用した。基盤もＰＭＭＡで、その上に厚さ３μｍの膜をスピンコートしたとき、単一伝搬モードで動作した。導波路の長さは２０ｍｍとした。励起源はＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波（波長５３２ｎｍ、パルス幅６ｎｓ）である。
【００１９】
ＤＦＢ動作させるための回折格子パターニングは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第４高調波（波長２６６ｎｍ）光を２方向から導波路表面に入射させて露光後、ウエットエッチング法により作製した。凹凸は導波路の表面に付ける場合と、基盤表面に付ける場合とを試みたが、大きな差はなかった。
図５は本発明にかかる側面からＮｄ：ＹＡＧレーザー光で励起したときのＤＦＢ色素レーザーの発振スペクトルの例である。図５において、横軸に波長（ｎｍ）、縦軸に分布帰還出力（相対単位）である。
【００２０】
この場合には、レーザーはストライプ状にはなっておらず、励起ビームを２０×０．５ｍｍに整形して照射した。すると、図５のように、ＤＦＢ動作によって、約０．１ｎｍの狭いスペクトルで発振していることが確認された。しきい値エネルギーは４０μＪ、スロープ効率は３６％であった。
次に、電子ビーム加工したフォトマスクを使って、ストライプの形式を試みた。作製したマルチストライプＤＦＢ色素レーザーは５種類でそのサイズは、表１に示す通りである。全体のサイズはいずれも２０×０．５ｍｍである。
【００２１】
【表１】
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このレーザーを側面からＮｄ：ＹＡＧレーザーで励起すると、各ストライプは同時にＤＦＢレーザーを発振し、そのスペクトルは図５と同様に狭帯域化しているのが確認された。ストライプ幅が狭まると著しく閾値は減少し、幅１０ｍｍの場合には０．４μＪという極めて低い値になった。
【００２２】
図６は本発明にかかるマルチストライプＤＦＢレーザーを用いたナトリウム原子Ｄ線の蛍光スペクトルの計測例を示す図である。
図６において、４１はＮｄ：ＹＡＧレーザー（パルス幅５ｎｓ、第２高調波）、４２はマルチストライプＤＦＢレーザー、４３は定温槽、４４はレンズ、４５はＣＣＤカメラ、４６はマイクロコンピュータである。
【００２３】
図６に示した装置により、ナトリウム原子の蛍光スペクトルの取得を試みた。使用したマルチストライプＤＦＢ色素レーザーは、２５ストライプでナトリウム原子のＤ線（波長約５９０ｎｍ）を横切るように作られている。励起源はパルスのＮｄ：ＹＡＧレーザーで、パルス幅は５ｎｓである。試料は金属ナトリウムを減圧したパイレックス容器に封じきったもので、このセルを７０〜１００℃に熱することで、１０8 〜１０9 ／ｃｍ3 程度の金属蒸気を生成した。このセルに色素レーザー光を入射すると、ナトリウム原子は励起波長と同じ波長で蛍光（いわゆるレーザー誘起蛍光ＬＩＦ）を発する。この蛍光を直角方向からＣＣＤカメラで撮り、その画像をコンピューターで空間分解することによって、ナトリウムＤ線のスペクトルを単一レーザーショット（約５ｎｓ）で取得できた。
【００２４】
同様の手法は可視・紫外部に吸収帯を有する分子原子のスペクトル観察に利用でき、たとえば、大気中のＮＯx 、ＳＯx 等の高感度高速モニタリングに応用できる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（Ａ）本発明のマルチストライプ可変波長レーザーを用いた分光計測装置によれば、集積化されたマルチストライプＤＦＢ可変波長レーザーを用いるようにしたので、分光計測装置の大幅な小型化、低コスト化を図ることができる。
【００２６】
（Ｂ）本発明によるスペクトル計測方法によれば、波長掃引をすることなく物質の分光スペクトルを計測することができ、パルスレーザーで励起すると、ナノ秒オーダーの短時間でスペクトルを得ることができる。
（Ｃ）これまでのスペクトル掃引域は、使用するレーザー媒質の利得バンド幅で制限されていたが、各ストライプに発振波長が大幅に異なる媒質をドープすることにより、例えば、可視部全域を瞬時にカバーできるような、従来にない広帯域スペクトルの取得が可能である。
【００２７】
（Ｄ）励起時間をずらす方法〔図３及び図４参照〕を用いれば、ピコ秒オーダーでの高速掃引が可能となり、これまで計測できなかった短寿命の反応生成体の分析等にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示すＤＦＢマルチストライプ集積型可変波長レーザーの模式図である。
【図２】  本発明のマルチストライプＤＦＢ可変波長レーザーを用い、波長掃引なしに物質の吸収スペクトルを計測する具体例を示す図である。
【図３】  本発明のマルチストライプＤＦＢレーザーの励起に時間的な遅延をかける方法により物質の吸収スペクトルを計測する具体例を示す図である。
【図４】  本発明のマルチストライプＤＦＢレーザーによる励起パルスの光学的遅延を得る一方法を示す図である。
【図５】  本発明にかかる側面からＮｄ：ＹＡＧレーザー光で励起したときのＤＦＢ色素レーザーの発振スペクトルの例である。
【図６】  本発明にかかるマルチストライプＤＦＢレーザーを用いたナトリウム原子Ｄ線の蛍光スペクトルの計測例を示す図である。
【図７】  従来の可変波長レーザー及びそれを用いた分光計測装置の概略構成図である。
【図８】  従来のＤＦＢ集積型可変波長レーザーの概略構成図である。
【符号の説明】
１    基板
２    並列に並べられたＤＦＢ可変波長レーザー
３    結合レンズ
４    光ファイバー
５    出力光
１１，２１    励起用パルスレーザー
１２，２２，３３，４２    マルチストライプＤＦＢレーザー
１３，１５，２４，４４    レンズ
１４，２３    試料物質
１６    アレイ型光検出器
１７，４６    マイクロコンピュータ
２５    光検出器
２６    オシロスコープ
３１    励起用短パルスレーザー（パルス幅１０〜１００ｐｓ）
３２    鏡
４１    Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（パルス幅５ｎｓ、第２高調波）
４３    定温槽
４５    ＣＣＤカメラ
【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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