(57)【要約】【課題】  中赤外領域の２．７μｍ帯におけるガス吸収線波長において、高効率にコヒーレント光を発生することができるレーザ光源を提供する。【解決手段】  波長λ１のレーザ光を発生する第１のレーザ３１と、波長λ２のレーザ光を発生する第２のレーザ３２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３６とを含むレーザ光源において、波長λ１は９８０±１０ｎｍであり、波長λ２は１５３０〜１６３０ｎｍであり、差周波の波長λ３は波長２．４〜２．８μｍである。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記波長λ１のレーザ光と前記波長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、
前記波長λ１は９８０±１０ｎｍであり、前記波長λ２は１５３０〜１６３０ｎｍであり、前記差周波の波長λ３は波長２．４〜２．８μｍであることを特徴とするレーザ光源。
【請求項２】
前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたはその混晶のいずれかである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】
前記非線形光学結晶は、ＺｎまたはＭｇのいずれかが添加されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造と導波路構造とを有する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】
前記第１および第２のレーザの各々の出力に結合される２つの偏波面保持ファイバと、
該２つの偏波面保持ファイバの出力を合波し、前記非線形光学結晶に結合する合波器と
を備えた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。
【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、中赤外領域の２．７μｍ帯におけるガス吸収線波長において、高効率にコヒーレント光を発生することができるレーザ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、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レーザは、未だ実用化されておらず、Ｐｂ塩レーザ、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。
【０００４】
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。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。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，０３６，２２０号明細書（対応する日本国出願の特公平４−５０７２９９号公報）
【非特許文献１】A. Yariv,“ Quantum Electronics”, 3rd Ed., pp.392-398 (1988)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
２．７μｍ帯におけるガス吸収線波長は、ＣＯ２：２．６７〜２．８μｍ、Ｈ２Ｏ：２．５５〜２．８μｍ、ＨＦ：２．４〜２．７μｍ、ＮＯ：２．６４〜２．７４μｍなどである。上述したＰｂ塩レーザの発振波長は３μｍ以上であり、量子カスケードレーザの発振波長は５μｍ以上であり、２．７μｍ帯よりも長く、低温動作を行う必要があるという問題があった。また、パルス駆動により発振させなければならず、レーザ光源として実用化が困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、中赤外領域の２．７μｍ帯におけるガス吸収線波長において、高効率にコヒーレント光を発生することができる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】
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、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、前記波長λ１のレーザ光と前記波長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、前記波長λ１は９８０±１０ｎｍであり、前記波長λ２は１５３０〜１６３０ｎｍであり、前記差周波の波長λ３は波長２．４〜２．８μｍであることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、１の周期の分極反転構造を有する非線形光学結晶に２つのレーザ光を入射し、差周波のレーザ光を発生させ、中赤外領域の２．７μｍ帯において、高効率にコヒーレント光を発生することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたはその混晶のいずれかであることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の前記非線形光学結晶は、ＺｎまたはＭｇのいずれかが添加されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造と導波路構造とを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ光源において、前記第１および第２のレーザの各々の出力に結合される２つの偏波面保持ファイバと、該２つの偏波面保持ファイバの出力を合波し、前記非線形光学結晶に結合する合波器とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、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、差周波のレーザ光を発生させ、中赤外領域の２．７μｍ帯において、高効率にコヒーレント光を発生することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。  
図１に、本発明の一実施形態にかかる２．７μｍ帯波長のレーザ光源を示す。レーザ光源１０は、非線形光学結晶を励起するための励起光レーザ１１および信号光レーザ１２と、差周波を発生するための非線形光学結晶１３とからなる。
【００１６】
非線形結晶を用いた差周波発生では、中赤外光の波長λ３は、励起光の波長λ１、信号光のλ２とすると、  
１／λ３＝１／λ１−１／λ２            （１）  
で与えられる。ここで、λ３＞０であるので、λ１＜λ２とする。差周波光λ３を効率よく発生させるために、  
ｋ３＝ｋ１−ｋ２                        （２）  
となる位相整合条件を満足する必要がある。（２）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、  
ｋｉ＝２πｎｉ／λｉ（ｉ＝１，２，３）
となる。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、入射光あるいは出射光の何れか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１参照）。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１参照）。
【００１７】
差周波光の発生強度は、２つのレーザの出力光の強度の積に比例するため、励起光レーザおよび信号光レーザの選択は、それらの波長の組み合わせが（１）式を満足し、さらにより高出力強度のレーザを用いる。既存の半導体レーザのうち、大出力が実現されている波長帯は、（１）８００ｎｍ帯、（２）９４０ｎｍ帯、（３）９８０ｎｍ帯、（４）１０６０ｎｍ帯である。また、（５）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。
【００１８】
図２に、２．７μｍ帯波長を差周波発生により得るための励起光レーザと信号光レーザの波長の関係を示す。励起光レーザ１１の波長をλ１とし、信号光レーザ１２の波長をλ２とし、波長２．４μｍの差周波光を得るための関係を曲線２１で、波長２．８μｍの差周波光を得るための関係を曲線２２で示した。また、上記（１）から（４）の励起光レーザ１１の領域を１−（１）、１−（２）、１−（３）、１−（４）としてハッチングを施した。併せて、上記（５）から（６）の信号光レーザ１２の領域を２−（５）、２−（６）としてハッチングを施して示した。図２より、励起光レーザ１１と信号光レーザ１２とは、１−（１）から１−（４）のいずれかと２−（５）と２−（６）のいずれかが、曲線２１，２２上で交差する組み合わせを用いることにより、差周波発生の高効率化が可能となる。
【００１９】
なお、（１）から（６）の領域は、
（１）  ８００ｎｍ〜８８０ｎｍ
（２）  ９４０±１０ｎｍ
（３）  ９８０±１０ｎｍ
（４）  １０６０±１０ｎｍ
（５）  １２８０ｎｍ〜１３５０ｎｍ
（６）  １５３０ｎｍ〜１６３０ｎｍ
とした。ここで、（５）は光通信におけるＯ帯であり、（６）はＣ帯およびＬ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。この結果、１−（３）と、２−（６）との組み合わせが、曲線２１，２２に挟まれた部分と交差し、この組み合わせを用いれば、２．７μｍ帯の波長を効率的に発生できることがわかる。
【００２０】
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、差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。
【００２１】
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２．７μｍ帯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）、またはその混晶などを具体例として挙げることができる。また、これらＬＮ，ＬＴにＺｎまたはＭｇを添加してもよい。
【００２２】
これらの非線形光学結晶は、高効率に差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。すなわち、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／λ２−２π／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、差周波光の発生効率を最大にすることができる。
【００２３】
また、非線形光学結晶に導波路を形成すれば、レーザからの入射光を周期的分極反転構造内に閉じ込めることができるので、高効率に差周波光を発生することができる。分極反転構造は、電界印加法など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。
【００２４】
また、差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。
【００２５】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
【実施例１】
【００２６】
図３に、本発明の実施例１にかかる２．７μｍ帯波長のレーザ光源を示す。レーザ光源は、励起光レーザ３１と、信号光レーザ３２と、励起光レーザ３１および信号光レーザ３２のレーザ光をコリメートするレンズ３３，３４と、２つのレーザ光を合波する合波器３５と、周期的に分極反転させたＬＮ結晶３６と、ＬＮ結晶３６を透過した光のうち、ＬＮ結晶３６で発生した差周波光のみを透過するフィルタ３７とから構成されている。
【００２７】
励起光レーザ３１の波長λ１と、信号光レーザ３２の波長λ２とは、  
１／λ１−１／λ２＝１／（２．６０±０．２μｍ）  
を満足するような組み合わせとする。さらに、λ１、λ２は、  
λ１＝９８０±１０ｎｍ、λ２＝１５８０±５０ｎｍ  
を満足する範囲とする。なお、λ２の半導体レーザはＤＦＢレーザでもよい。
【００２８】
励起光レーザ３１の波長λ１＝９８０ｎｍ、ＬＮ結晶３６への入射強度を５０ｍＷとし、信号光レーザ３２のλ２＝１５３８ｎｍ、ＬＮ結晶３６への入射強度を７０ｍＷとしたとき、波長λ３＝２．７０μｍ、出力８μＷの差周波光が得られた。
【実施例２】
【００２９】
図４に、本発明の実施例２にかかる２．７μｍ帯波長のレーザ光源を示す。実施例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結晶を導波路化したＬＮ導波路４６を用いる。レーザ光源は、励起光レーザ４１と、信号光レーザ４２と、励起光レーザ４１および信号光レーザ４２のレーザ光をコリメートするレンズ４３，４４と、２つのレーザ光を合波する合波器４５と、レーザ光をＬＮ導波路４６に効率よく結合するためのレンズ４８と、ＬＮ導波路４６と、ＬＮ導波路４６からの出射光をコリメートするレンズ４９と、ＬＮ導波路４６を透過した光のうち、ＬＮ導波路４６で発生した差周波光のみを透過するフィルタ４７とから構成されている。
【００３０】
励起光レーザ４１の波長λ１＝９８０ｎｍ、ＬＮ導波路４６への入射強度を５０ｍＷとし、信号光レーザ４２のλ２＝１５３８ｎｍ、ＬＮ導波路４６への入射強度を７０ｍＷとしたとき、波長λ３＝２．７０μｍ、出力４０μＷの差周波光が得られた。
【実施例３】
【００３１】
図５に、本発明の実施例３にかかる２．７μｍ帯波長のレーザ光源を示す。実施例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５６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）５３，５４と、合波器５５とを用いる。レーザ光源は、励起光レーザ５１と、信号光レーザ５２と、２つのレーザ光を合波する合波器５５と、励起光レーザ５１、信号光レーザ５２および合波器５５をそれぞれ接続する偏波面保持ファイバ５３，５４と、レーザ光をＬＮ導波路５６に効率よく結合するための結合レンズ系５８と、ＬＮ導波路５６と、ＬＮ導波路５６からの出射光をコリメートするレンズ５９と、ＬＮ導波路５６を透過した光のうち、ＬＮ導波路５６で発生した差周波光のみを透過するフィルタ５７とから構成されている。
【実施例４】
【００３２】
図６に、本発明の実施例４にかかる２．７μｍ帯波長のレーザ光源を示す。実施例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５６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）５３，５４と、合波器５５とを用いる。実施例４では、合波器５５の出力に接続された光ファイバ６０から放射される光を、ＬＮ導波路５６の端面に直接入射する。
【００３３】
実施例２〜４においても、実施例１において示したように、励起光レーザの波長λ１と、信号光レーザの波長λ２とを、  
λ１＝９８０±１０ｎｍ、λ２＝１５８０±５０ｎｍ  
の範囲で変化させれば、
１／λ１−１／λ２＝１／λ３ 
を満足する波長λ３＝２．４μｍ〜２．８μｍの差周波光を得ることができる。このとき、非線形光学結晶の周期的な分極反転構造は、式（３）を満足するような波長の組み合わせとすればよい。
【００３４】
なお、実施例１〜４において、信号光レーザは、一波長の光のみを出力するレーザを用いたが、信号光レーザに波長可変光源を用いることもできる。信号光レーザの波長を掃引することにより、差周波光の波長を変化させて、２．７μｍ帯の波長可変光源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる２．７μｍ帯波長のレーザ光源を示すブロック図である。
【図２】２．７μｍ帯波長を差周波発生により得るための励起光レーザと信号光レーザの波長の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施例１にかかる２．７μｍ帯波長のレーザ光源を示す図である。
【図４】本発明の実施例２にかかる２．７μｍ帯波長のレーザ光源を示す図である。
【図５】本発明の実施例３にかかる２．７μｍ帯波長のレーザ光源を示す図である。
【図６】本発明の実施例４にかかる２．７μｍ帯波長のレーザ光源を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  レーザ光源
１１，３１，４１，５１  励起光レーザ
１２，３２，４２，５２  信号光レーザ
１３  非線形光学結晶
３３，３４，４３，４４，４８，４９，５９  レンズ
３５，４５，５５    合波器
３６  ＬＮ結晶
３７，４７，５７  フィルタ
４６，５６  ＬＮ導波路
５３，５４  偏波面保持ファイバ
５８  結合レンズ系
６０  光ファイバ
【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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