(57)【要約】【課題】高効率、高安定、小型の３μｍ帯〜５μｍ帯の光源を実現する波長変換装置、およびこの光源を用いた光吸収測定装置、２波長差分吸収ライダーを提供する。【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波長変換装置において、波長λ１は０．９７〜１．１０μｍであり、波長λ２が１．５３〜１．６３μｍまたは１．２５〜１．３７μｍのとき、差周波の波長λ３は、２．７〜５．６μｍである。【選択図】図１
2007193034.tif 000002
【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波長変換装置において、
前記波長λ１は０．９７〜１．１０μｍであり、前記波長λ２が１．５３〜１．６３μｍまたは１．２５〜１．３７μｍのとき、前記差周波の波長λ３は、２．７〜５．６μｍであることを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
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波長変換装置において、
前記第１のレーザは、波長λ１が９８０±１０ｎｍまたは１０３０±１０ｎｍのレーザ光を出力し、
前記第２のレーザは、波長可変光源であり、波長λ２が１．２５〜１．３７μｍの間で変化すると、前記差周波の波長λ３は、３．５〜５．６μｍの間で変化するよう構成されていることを特徴とする波長変換装置。
【請求項３】
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波長変換装置において、
前記第１のレーザは、波長λ１が１０３０±１０ｎｍまたは１０６０±１０ｎｍのレーザ光を出力し、
前記第２のレーザは、波長可変光源であり、波長λ２が１．５３〜１．６３μｍの間で変化すると、前記差周波の波長λ３は、２．７〜３．５μｍの間で変化するよう構成されていることを特徴とする波長変換装置。
【請求項４】
前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、またはその混晶、あるいはＺｎもしくはＭｇが添加されているＬＮ、ＬＴまたはその混晶であり、周期的に分極反転構造が形成されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記非線形光学結晶は、導波路構造を有することを特徴とする請求項４に記載の波長変換装置。
【請求項６】
レーザ光出射手段とガスセルとレーザ光検出手段とを含み、ガス濃度を光学的に測定する光吸収測定装置において、前記レーザ光出射手段は、
波長λ１＝０．９〜１．１μｍのレーザ光を発生する第１のレーザと、
波長λ２＝１．５３〜１．６３μｍまたは１．２５〜１．３７μｍ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の関係にある波長λ３＝２．７〜５．６μｍを有する差周波光を出力する非線形光学結晶と
を備えたことを特徴とする光吸収測定装置。
【請求項７】
前記波長λ１のレーザ光、前記波長λ２のレーザ光または前記差周波光を、周波数ｆで強度変調する手段を備え、
前記レーザ光検出手段は、前記周波数ｆで強度変調された差周波光をロックイン検波することを特徴とする請求項６に記載の光吸収測定装置。
【請求項８】
前記波長λ１のレーザ光、前記波長λ２のレーザ光または前記差周波光を、位相変調を含み、周波数ｆｍで周波数変調する手段を備え、
前記レーザ光検出手段は、前記周波数ｆｍで周波数変調された差周波光をロックイン検波して、位相敏感計測を行うことを特徴とする請求項６に記載の光吸収測定装置。
【請求項９】
前記波長λ１のレーザ光または前記波長λ２のレーザ光を、位相変調を含み周波数ｆｍで周波数変調する手段と、
前記差周波光を、強度変調する手段とを備え、
前記レーザ光検出手段は、前記周波数ｆｍで周波数変調された差周波光をロックイン検波して、位相敏感計測を行うことを特徴とする請求項６に記載の光吸収測定装置。
【請求項１０】
前記波長λ１のレーザ光または前記波長λ２のレーザ光を、強度変調する手段と、
前記差周波光を、位相変調を含み周波数ｆｍで周波数変調する手段とを備え、
前記レーザ光検出手段は、前記周波数ｆｍで周波数変調された差周波光をロックイン検波して、位相敏感計測を行うことを特徴とする請求項６に記載の光吸収測定装置。
【請求項１１】
被測定ガスの吸収波長および非吸収波長を有する２つのレーザ光を出力する２波長光源と、前記被測定ガスからの前記レーザ光による各々の散乱光の強度差を利用してガス濃度を計量する２波長差分吸収ライダーにおいて、前記２波長光源は、
波長λ１＝０．９〜１．１μｍのレーザ光を発生する第１のレーザと、
波長λ２＝１．５３〜１．６３μｍまたは１．２５〜１．３７μｍ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の関係にある波長λ３＝２．７〜５．６μｍを有する差周波光を出力する非線形光学結晶と
を備えたことを特徴とする２波長差分吸収ライダー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換装置および光吸収測定装置に関し、より詳細には、中赤外領域の２．７μｍから５．６μｍのコヒーレント光を発生する波長変換装置および光吸収測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境保護、安全衛生上の観点から、ＣＨ４、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２Ｏなどの温室効果ガス、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。特に３μｍ帯〜５μｍ帯には、ガスの基準振動を代表とする強い吸収線がある。代表的なガスの吸収線の波長領域を下記に示す。  
Ｎ２Ｏ：４．４８〜４．５２μｍ，  ＮＯ：５．０８〜５．５７μｍ
ＮＯ２：３．４０〜３．５２μｍ，  ＮＨ３：２．７５〜３．１９μｍ
ＳＯ２：３．９５〜４．０５μｍ，  Ｈ２Ｓ：３．５７〜４．３５μｍ
ＣＯ２：４．２４〜４．２７μｍ，  ＣＯ：４．４８〜４．８９μｍ
ＣＨ４：３．３０〜３．３４μｍ，  Ｃ２Ｈ２：２．９７〜３．１３μｍ
Ｈ２ＣＯ：３．３３〜３．７０μｍ，ＨＣｌ：３．２２〜３．６９μｍ
ＨＢｒ：３．７３〜４．２３μｍ，  ＨＩ：４．１７〜４．６３μｍ
ＨＣＮ：２．９３〜３．１３μｍ，  ＰＨ３：４．１４〜４．２５μｍ
光学的な吸収線の観測によるガス濃度計、分析機器に適用できる小型で安価な３μｍ帯〜５μｍ帯の光源の需要が高まっている。近年、環境計測の観点からこれらガスの同位体分子種（Isotopomer）の存在率が注目されている。しかし、分子量の変化率が小さいものは質量分析が困難なため、光学的な計測に期待が寄せられている。
【０００４】
【非特許文献１】D. G. Lancaster et al., Opt. Lett., Vol. 24, 1744 (1999)
【非特許文献２】N. Yoshida et al., Nature, Vol. 405, 330 (2000)
【非特許文献３】A. Ubukata et al., Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 40, 6406 (2001)
【非特許文献４】G. Gagliardi et al., Appl. Phys., Vol. B 77, 119 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
２μｍ帯から長波長側で発振する半導体レーザとしては、Ｐｂ塩レーザ、量子カスケードレーザが知られている。しかし、低温動作またはパルス駆動でのみの発振が得られるのみで、実用化の域に達していない。最近、ＩｎＰ系半導体からなり、高歪活性層が形成された２．７μｍ帯半導体レーザが実用化されている。しかし、出力は最大３ｍＷであり、ＤＦＢ（Distributed Feedback）型レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）であるので、注入電流に対する波長可変幅が１０ｐｍ／ｍＡ以下と非常に狭く、１つのレーザの波長可変幅は１ｎｍ以下である。
【０００６】
半導体レーザ以外の３μｍ帯〜５μｍ帯の光源として、ランプ、非線形光学結晶または擬似位相整合（ＱＰＭ）型バルク素子を用いた波長変換装置が知られている。ランプではスペクトル純度が低く、波長変換装置では出力が低いために、ガスの吸収観測法として、圧力幅限界またはドップラー幅限界の線形吸収観測が行えるだけである。ガスの吸収観測法として、高分解能分光、自然幅観測に不可欠なドップラーフリー分光を実現する飽和吸収観測などの非線形吸収観測を行うことができない。
【０００７】
本発明の目的は、高効率、高安定、小型の３μｍ帯〜５μｍ帯の光源を実現する波長変換装置、およびこの光源を用いた光吸収測定装置、２波長差分吸収ライダー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波長変換装置において、前記波長λ１は０．９７〜１．１０μｍであり、前記波長λ２が１．５３〜１．６３μｍまたは１．２５〜１．３７μｍのとき、前記差周波の波長λ３は、２．７〜５．６μｍであることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記第１のレーザは、波長λ１が９８０±１０ｎｍまたは１０３０±１０ｎｍのレーザ光を出力し、前記第２のレーザは、波長可変光源であり、波長λ２が１．２５〜１．３７μｍの間の任意の波長で変化すると、前記差周波の波長λ３は、３．５〜５．６μｍの間の対応する波長が出力されるように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、前記第１のレーザは、波長λ１が１０３０±１０ｎｍまたは１０６０±１０ｎｍのレーザ光を出力し、前記第２のレーザは、波長可変光源であり、波長λ２が１．５３〜１．６３μｍの間で変化すると、前記差周波の波長λ３は、２．７〜３．５μｍの間で変化するよう構成されていることを特徴とする。
【００１１】
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、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、またはその混晶、あるいはＺｎもしくはＭｇが添加されているＬＮ、ＬＴまたはその混晶であり、周期的に分極反転構造が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の前記非線形光学結晶は、導波路構造を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、レーザ光出射手段とガスセルとレーザ光検出手段とを含み、ガス濃度を光学的に測定する光吸収測定装置において、前記レーザ光出射手段は、波長λ１＝０．９〜１．１μｍのレーザ光を発生する第１のレーザと、波長λ２＝１．５３〜１．６３μｍまたは１．２５〜１．３７μｍ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の関係にある波長λ３＝２．７〜５．６μｍを有する差周波光を出力する非線形光学結晶とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の光吸収測定装置において、前記波長λ１のレーザ光、前記波長λ２のレーザ光または前記差周波光を、周波数ｆで強度変調する手段を備え、前記レーザ光検出手段は、前記周波数ｆで強度変調された差周波光をロックイン検波することを特徴とする。
【００１５】
また、前記波長λ１のレーザ光、前記波長λ２のレーザ光または前記差周波光を、位相変調を含み、周波数ｆｍで周波数変調する手段を備え、前記レーザ光検出手段は、前記周波数ｆｍで周波数変調された差周波光をロックイン検波して、位相敏感計測を行うこともできる。さらに、前記波長λ１のレーザ光または前記波長λ２のレーザ光を、位相変調を含み周波数ｆｍで周波数変調する手段と、前記差周波光を、強度変調する手段とを備え、前記レーザ光検出手段は、前記周波数ｆｍで周波数変調された差周波光をロックイン検波して、位相敏感計測を行うこともできる。さらにまた、前記波長λ１のレーザ光または前記波長λ２のレーザ光を、強度変調する手段と、前記差周波光を、位相変調を含み周波数ｆｍで周波数変調する手段とを備え、前記レーザ光検出手段は、前記周波数ｆｍで周波数変調された差周波光をロックイン検波して、位相敏感計測を行うこともできる。
【００１６】
請求項１１に記載の発明は、被測定ガスの吸収波長および非吸収波長を有する２つのレーザ光を出力する２波長光源と、前記被測定ガスからの前記レーザ光による各々の散乱光の強度差を利用してガス濃度を計量する２波長差分吸収ライダーにおいて、前記２波長光源は、波長λ１＝０．９〜１．１μｍのレーザ光を発生する第１のレーザと、波長λ２＝１．５３〜１．６３μｍまたは１．２５〜１．３７μｍ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の関係にある波長λ３＝２．７〜５．６μｍを有する差周波光を出力する非線形光学結晶とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、第１のレーザは、波長λ１が０．９７〜１．１０μｍのレーザ光を出力し、第２のレーが、波長λ２が１．５３〜１．６３μｍまたは１．２５〜１．３７μｍのレーザ光を出力すると、差周波の波長λ３は、波長２．７〜５．６μｍとなるので、高効率、高安定、小型の３μｍ帯〜５μｍ帯の光源を実現する波長変換装置、およびこの光源を用いた光吸収測定装置、２波長差分吸収ライダーを提供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】
【００１８】
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、本発明の第１の実施形態にかかる光吸収測定装置の構成を示す。レーザ１１から出力される信号光とレーザ１２から出力される励起光とは、合波器１３により合波され、非線形光学結晶１４に入射される。非線形光学結晶１４における差周波発生により、３μｍ帯〜５μｍ帯（具体的には、波長２．７μｍ〜５．６μｍ）の差周波光が出射される。非線形光学結晶１４から出力された光は、短波長側を反射し中赤外光を透過する２色ミラー１７，１９およびフィルタ１８により、差周波光のみが取り出される。差周波光は、チョッパの回転円盤１６に形成されたスリットを通過することによりチョッピングされ、被測定ガスを通過して、受光器２２に入射される。ロックインアンプ２１は、回転円盤１６を制御するチョッパの制御部から同期信号を入力し、受光器２２からの電気信号を、ロックイン検波する。このようにして、高効率、高安定、小型の３μｍ帯〜５μｍ帯の光源を用いた光吸収測定装置を実現することができる。
【００１９】
図２に、本発明の第２の実施形態にかかる光吸収測定装置の構成を示す。差周波光のエネルギーは、信号光と励起光のエネルギー差で与えられるため、信号光と励起光の組み合わせにより、様々な波長の差周波光を出力することができる。信号光として用いる１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯の光源には、外部共振器型の半導体レーザ（ＥＣＬＤ）を含む波長可変光源３１を用いることができる。ＥＣＬＤは、広いスペクトルを測定する分光応用に適し、波長掃引により、所望の波長可変幅の差周波光を得ることができる。さらに、ファイバアンプ３３を併用することにより、高出力化が可能であり、非線形吸収観測を行うことが可能となる。なお、１本の吸収線から濃度計測を行うのに適したＤＦＢ−ＬＤを用いることもできる。
【００２０】
励起光として用いる波長０．９７μｍ〜１．１μｍを出力する光源には、ファイバアンプの励起光源として用いられている半導体レーザ３２を適用する。線幅の狭窄化、単一縦モード化のために、ファイバブラックグレーティング（ＦＢＧ）３４を半導体レーザ３２の出力に接続する。半導体レーザ３２から出力される励起光は、ＦＢＧ３４およびアイソレータ３５を介して合波器３６に入力され、ファイバアンプ３３から出力された信号光と合波され、非線形光学結晶３７に入射される。
【００２１】
半導体レーザ３２が、波長λ１が９８０±１０ｎｍまたは１０３０±１０ｎｍの励起光を出力し、波長可変光源３１が、波長λ２が１．２５〜１．３７μｍの信号光を出力すると、波長λ３が３．５〜５．６μｍの差周波光を出力する。半導体レーザ３２が、波長λ１が１０３０±１０ｎｍまたは１０６０±１０ｎｍのレーザ光を出力し、波長可変光源３１が、波長λ２が１．５３〜１．６３μｍの信号光を出力すると、波長λ３が、２．７〜３．５μｍの差周波光を出力する。
【００２２】
非線形光学結晶３７から出力された光は、レンズ３８、２色ミラー４０，４２およびフィルタ４１により、差周波光のみが取り出される。差周波光は、チョッパの回転円盤３９に形成されたスリットを通過することによりチョッピングされ、被測定ガスを通過して、受光器４４に入射される。ロックインアンプ４３は、回転円盤３９を制御するチョッパの制御部から同期信号を入力し、受光器４４からの電気信号を、ロックイン検波する。このようにして、高効率、高安定、小型の３μｍ帯〜５μｍ帯の光源を用いた光吸収測定装置を実現することができる。
【００２３】
擬似位相整合（ＱＰＭ）を用いない非線形光学結晶の波長変換は、結晶材料のコヒーレント長を上限とした効率しか得られない。一方、ＱＰＭ型バルク素子に信号光および励起光を平行ビームで入射する場合、またはＱＰＭ型バルク素子に導波路が形成された素子を用いる場合には、出力飽和として観測される逆変換が起こらない限り、原理的には波長変換効率が無限となる。従って、非線形光学結晶は、ＱＰＭ型の素子であることが好ましく、さらには、光の閉じ込めに優れた導波路が形成された素子であることが好ましい。
【００２４】
非線形光学結晶３７として、長さ５ｃｍのＬｉＮｂＯ３（以下、ＬＮという）結晶を用いて、導波路を形成しておく。図３に、３μｍ帯の差周波光を出力する光源の波長可変幅を示す。５ｎｍ程度の波長可変幅が得られ、上述した従来の光源と比較して、一桁以上広い波長可変幅を実現することができる。また、導波路を形成した素子は、ＱＰＭ型バルク素子に平行ビームを入力する場合と比較して、上述したように、光の閉じ込めが改善されており、素子長を短くすることができ、広帯域化が可能である。
【００２５】
以上述べたように、本実施形態によれば、高効率、高安定、小型の３μｍ帯〜５μｍ帯の光源を実現することができ、直接光吸収を観測するだけでなく、発光過程を示す遷移には吸収発光観測、非発光過程を示す遷移には光音響分光が可能になる。また、自然幅観測に不可欠なドップラーフリー分光を実現する飽和吸収観測などの非線形吸収観測も可能になる。さらに、散乱光、ソフトターゲットからの反射を利用するフィールドにおけるガス吸収分光、またはライダー計測にも応用することができる。
【実施例１】
【００２６】
図４に、実施例１にかかる波長変換装置の構成を示す。波長可変光源５１から出力される信号光と半導体レーザ５２−１〜５２−ｎのうち選択されたレーザから出力される励起光とは、ミラーＭ１〜Ｍｎ，Ｍｐにより合波され、非線形光学結晶５４に入射される。非線形光学結晶５４における差周波発生により、３μｍ帯〜５μｍ帯の差周波光が出射される。非線形光学結晶５４から出力された光は、レンズ５５およびフィルタ５６により、差周波光のみが取り出される。
【００２７】
波長可変光源５１は、ＥＣＬＤを用いて、発振波長λ２が１．５３μｍ〜１．６３μｍまたは１．２５μｍ〜１．３７μｍの信号光を出力する。半導体レーザ５２は、発振波長λ１が０．９７μｍ〜１．１μｍの励起光を出力する。非線形光学結晶５４は、差周波発生らより、
１／λ３＝１／λ１−１／λ２ 
の関係を有する波長λ３が２．７μｍ〜５．６μｍの変換光を出力する。
【００２８】
特に、波長λ１が９８０ｎｍ±１０ｎｍまたは１０３０±１０ｎｍの励起光と、波長λ２が１．２５μｍ〜１．３７μｍの信号光とを用いれば、波長λ３が３．５μｍ〜５．６μｍの差周波光が得られる。また、波長λ１が１０３０±１０ｎｍまたは１０６０ｎｍ±１０ｎｍの励起光と、波長λ２が１．５３μｍ〜１．６３μｍの信号光とを用いれば、波長λ３が２．７〜３．５μｍの差周波光が得られる。
【００２９】
非線形光学結晶５４は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）、またはその混晶、あるいはＺｎもしくはＭｇが添加されているＬＮ、ＬＴまたはその混晶を用いることができる。非線形光学結晶５４には、周期的に分極反転構造が形成されており、これに加えて、導波路構造を有することにより、波長変換効率を高くすることができる。上述した３μｍ帯の差周波光を出力する場合、導波路構造を有する場合に、４０％／Ｗという波長変換効率を得ることができる。
【００３０】
実施例１では、非線形光学結晶５４への入射光は、レンズ５３を用いて、非線形光学結晶５４に入射される。しかし、レンズ結合に固執する必要はなく、ファイバカップラ、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）を用いて、複数の入射光を１本のファイバ出力とし、バッティングによる結合手法を用いて、非線形光学結晶５４に入射するのが便利である。
【００３１】
非線形光学結晶５４からの出射光は、レンズ５５によりコリメートされる。レンズ５５は、出射光の波長に応じて無水石英、ＣａＦ２を用いる。特に、中赤外領域の全域で吸収のないＣａＦ２が好ましい。フィルタ５６は、Ｇｅを用いた波長フィルタであり、信号光および励起光をカットして、差周波光のみを取り出す。
【実施例２】
【００３２】
実施例１にかかる波長変換装置をレーザ光出射手段として用いて、ガス濃度を光学的に計量する光吸収測定装置を構成する。波長変換装置の出力光をチョッパでオンオフ（強度変調）してガスセルに透過させ、受光器で検波した後、ロックインアンプに入力する。温室効果ガスに代表される環境ガスでは、濃度が希薄な場合にも測定できるようにマルチパスセルを用いる。
【００３３】
図５に、実施例２にかかる光吸収測定装置の構成を示す。波長可変光源６１から出力される信号光は、ファイバアンプ６３を介して合波器６６に入力され、半導体レーザ６２から出力される励起光は、アイソレータ６５を介して合波器６６に入力される。合波器６６により信号光と励起光とが合波され、非線形光学結晶６７に入射される。非線形光学結晶６７における差周波発生により、３．３μｍ帯の差周波光が出射される。波長可変光源６１は、１．５４μｍ〜１．６０μｍの間で信号光を掃引することができる。半導体レーザ６２は、１．０６４μｍの励起光を出力する。非線形光学結晶６７は、導波路構造を有するＬＮからなる。
【００３４】
非線形光学結晶６７から出力された光は、ＣａＦ２からなるレンズ６８によりコリメートされ、Ｇｅを用いた波長フィルタ７１により、差周波光のみが取り出される。差周波光は、ビームスプリッタ７０で２分され、ＣＨ４が充填されたガスセル７５と参照セル７６とを通過して、ＰｂＳｅからなる受光器７４，７７で検波される。差周波光は、チョッパの回転円盤６９に形成されたスリットを通過することによりチョッピングされ、受光器７４，７７に入射される。ロックインアンプ７３−１，７３−２は、回転円盤６９を制御するチョッパの制御部から同期信号を入力し、受光器７４，７７からの電気信号を、ロックイン検波する。
【００３５】
図６に、実施例２にかかる光吸収測定装置の測定結果を示す。図６（ａ）はメタンセルの透過光、図６（ｂ）は参照セルの透過光である。各々１０ｎｍの掃引幅にわたってセル内の吸収を含む出力光を検出している。図６（ａ）の結果を図６（ｂ）の結果で除算すると、図６（ｃ）の透過特性が得られる。
【実施例３】
【００３６】
図７に、実施例３にかかる光吸収測定装置の構成を示す。実施例２の構成において、受光器７４，７７の代わりに、透過光の検出手段としてコンデンサマイクロフォン７８−１，７８−２を用いる。ガスが光を吸収することによって熱が発生し、チョッピングによる粗密波が発生する。この粗密波をコンデンサマイクロフォン７８−１，７８−２によって検出し、非発光遷移を捉えることができる。コンデンサマイクロフォンの代わりに、歪ゲージを用いてもよい。実施例３では、３．３μｍ帯の差周波光の出力が３００μＷ以上のとき、図６に示した実施例２と同じ結果を得ることができる。光音響分光の手法では、中赤外光の出力パワーが、一定値以上を確保できる場合には、希薄ガス濃度の検知感度は直接吸収観測より高い性能が得られる。
【実施例４】
【００３７】
図８に、実施例４にかかる光吸収測定装置の構成を示す。実施例２の構成において、受光器７４，７７の代わりに、透過光の検出手段としてピンホールを通過した微弱光の反射を用いる。非線形光学結晶６７から出力された光は、レンズ６８によりコリメートされ、波長フィルタ７１により、差周波光のみが取り出される。差周波光は、ビームスプリッタ７０を通過し、ＣＨ４が充填されたガスセル７５を通過して、ピンホール８１を介してミラー８２で反射される。反射光は、ガスセル７５を通過して、ビームスプリッタ７０を介して、受光器７７で検波される。
【００３８】
実施例４では、飽和吸収のプローブビームはピンホールを通過した微弱光を用いたが、飽和吸収を得るための強度の大きな励起ビームと、自然幅観測のための微弱なプローブビームとを、互いに対向ビームとなるように構成すれば、いかなる配置であってもよい。また、ガスの吸収は等方性であるため、偏光を直行させ、偏光ビームスプリッタを用いて合分波することもできる。さらに、不用な線形吸収を取り除くために、セル側面から光を入射させて得られる線形吸収の量を利用することもできる。
【実施例５】
【００３９】
図９に、実施例５にかかる光吸収測定装置の構成を示す。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。
【００４０】
２波長差分吸収ライダー９１は、レーザ光出射部９２とレーザ光検出部９３とからなる。レーザ光出射部９２に含まれるレーザ光源は、波長２〜３μｍの中赤外光をレーザ出射口９４より出射する。中赤外光は、検出ガス９５に向けて出射され、検出ガス９５からの散乱光（レイリー散乱、ミー散乱）をレーザ光検出部９３内部にある反射鏡９６により受光する。集光された光は、ＰｂＳｅからなる検出器９７により検出される。
【００４１】
なお、検出器９７は、波長に応じて、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＨｇＣｄＴｅディテクタを用いることができる。実施例５にかかる２波長差分吸収ライダーを用いれば、温室効果ガスの濃度検出を含む環境測定、主として、環境ガス濃度測定、粒子測定、風速測定などを行うことができる。
【実施例６】
【００４２】
図１０に、実施例６にかかる光吸収測定装置の構成を示す。上述したように、光吸収測定装置において、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を改善するために、励起光と信号光のいずれか、または変換光を強度変調し、ロックイン検波することが有効である。実施例６では、複数の信号光にチョッパによる強度変調を行い、２種類のガスを同時に計測する。
【００４３】
光源として、励起光を出力する励起光レーザ１０１と、２種類のガスの吸収線波長に応じた波長を、それぞれ出力する２個の信号光レーザ１０２−１，１０２−２とを備えている。信号光レーザ１０２−１，１０２−２から出力された光は、レンズ１０３−１，１０３−２により平行光となり、チョッパの回転円盤１１１に形成された２種類のスリットをそれぞれ通過することにより、周波数ｆ１，ｆ２にチョッピングされる。
【００４４】
信号光１，２は、ミラーＭ１，Ｍ２により合波され、さらにミラーＭｐにより励起光と合波されて、非線形光学結晶１０４に入射される。非線形光学結晶１０４では、励起光と信号光１との差周波数の光、および励起光と信号光２との差周波数の光が発生する。非線形光学結晶１０４から出力された２つの差周波光は、レンズ１０５を介して、励起光と信号光１，２とをカットするフィルタ１０６に入射される。フィルタ１０６から２つの差周波光のみが透過し、被測定ガスが充填されたマルチパスセル１０７に入射される。
【００４５】
マルチパスセル１０７において被測定ガスを透過した２つの差周波光を、受光器１０８で検出し、電気信号としてロックインアンプ１０９−１，１０９−２に出力する。ロックインアンプ１０９−１，１０９−２は、回転円盤１１１を制御するチョッパの制御部１１２から、周波数ｆ１，ｆ２に応じた同期信号を入力し、ロックイン検波を行う。ロックインアンプ１０９−１，１０９−２のそれぞれは、被測定ガスを透過したそれぞれの差周波光の強度に応じた出力値を得る。このようにして得られた２つの出力値を換算することにより、２種類のガス濃度を同時に測定することができる。
【実施例７】
【００４６】
図１１に、実施例７にかかる光吸収測定装置の構成を示す。実施例６では、チョッパを用いた強度変調を行ったが、実施例７では、信号光レーザの注入電流による変調の例を示す。光源として、励起光を出力する励起光レーザ１２１と、２種類のガスの吸収線波長に応じた波長を、それぞれ出力する２個の信号光レーザ１２２−１，１２２−２とを備えている。信号光レーザ１２２−１，１２２−２は、ＤＦＢ−ＬＤを用いて、電流制御部１３２−１，１３２−２により注入電流を制御する。電流制御部１３２−１，１３２−２は、発振器１３３−１，１３３−２の変調周波数ｆ１，ｆ２に応じて、信号光１，２を正弦波変調する。さらに、発振器１３１から出力された変調信号により、周波数ｆ１，ｆ２（変調周波数）で変調された注入電流の中心電流値に対して、周波数ｆ（第２の変調周波数）のノコギリ波で周期的に掃引する。
【００４７】
信号光１，２は、合波器１２３−１により合波され、さらに合波器１２３−２により励起光と合波されて、非線形光学結晶１２４に入射される。非線形光学結晶１２４では、励起光と信号光１との差周波数の光、および励起光と信号光２との差周波数の光が発生する。非線形光学結晶１２４から出力された２つの差周波光は、レンズ１２５を介して、励起光と信号光１，２とをカットするフィルタ１２６に入射される。フィルタ１２６から２つの差周波光のみが透過し、被測定ガスが充填されたガスセル１２７に入射される。
【００４８】
ガスセル１２７において被測定ガスを透過した２つの差周波光を、受光器１２８で検出し、電気信号としてロックインアンプ１２９−１，１２９−２に出力する。発振器１３３−１，１３３−２から出力された変調信号を、逓倍器１３４−１，１３４−２により逓倍し、ロックインアンプ１２９−１，１２９−２に入力して、例えば、周波数ｆ１，ｆ２の２倍波成分を観測する。ロックインアンプ１２９−１，１２９−２の出力をオシロスコープ１３５−１，１３５−２に入力し、発振器１３１から出力された変調信号の周期で、スペクトルを計測する。このようにして得られた２つのスペクトルから濃度を換算することにより、２種類のガス濃度を同時に測定することができる。
【実施例８】
【００４９】
図１２に、実施例８にかかる光吸収測定装置の構成を示す。実施例６では、チョッパを用いた強度変調を行ったが、実施例８では、外部変調器による強度変調の例を示す。光源として、励起光を出力する励起光レーザ１４１と、２種類のガスの吸収線波長に応じた波長を、それぞれ出力する２個の信号光レーザ１４２−１，１４２−２とを備えている。信号光レーザ１４２−１，１４２−２から出力された光は、変調器１５１−１，１５１−２により変調される。発振器１５３−１，１５３−２から出力された変調信号は、制御部１５２−１，１５２−２に入力され、制御部１５２−１，１５２−２は、発振器１５３−１，１５３−２の変調周波数ｆ１，ｆ２に応じて、変調器１５１−１，１５１−２を制御する。
【００５０】
信号光１，２は、合波器１４３−１により合波され、さらに合波器１４３−２により励起光と合波されて、非線形光学結晶１４４に入射される。非線形光学結晶１４４では、励起光と信号光１との差周波数の光、および励起光と信号光２との差周波数の光が発生する。非線形光学結晶１４４から出力された２つの差周波光は、レンズ１４５を介して、励起光と信号光１，２とをカットするフィルタ１４６に入射される。フィルタ１４６から２つの差周波光のみが透過し、被測定ガスが充填されたガスセル１４７に入射される。
【００５１】
ガスセル１４７において被測定ガスを透過した２つの差周波光を、受光器１４８で検出し、電気信号としてロックインアンプ１４９−１，１４９−２に出力する。ロックインアンプ１４９−１，１４９−２は、発振器１５３−１，１５３−２から出力された周波数ｆ１，ｆ２の変調信号を入力し、ロックイン検波を行う。ロックインアンプ１４９−１，１４９−２のそれぞれは、被測定ガスを透過したそれぞれの差周波光の強度に応じた出力値を得る。このようにして得られた２つの出力値を換算することにより、２種類のガス濃度を同時に測定することができる。
【００５２】
（光吸収測定装置の応用）
光吸収測定装置において、ガスの吸収スペクトルの精密な計測には、ガスに入射する光に対して位相変調を含む周波数変調を行い、ロックイン検出などの位相敏感計測を行うのがよい。励起光、信号光または変換光に正弦波の微小な位相変調を含む周波数変調を行ってロックイン検出を実施すると、微分検波が可能になり、吸収線の微分計数の周波数依存性を測定することができる。従って、上述した線形吸収を直接測定する場合と比較して、さらに高感度な吸収線測定が可能となる。ロックイン検出の参照信号として、変調信号の倍波、３倍波を用いると、２次微分、３次微分波形が得られ、さらに高感度な測定が可能となる。
【００５３】
励起光または信号光の周波数変調には、半導体レーザへの注入電流の直接変調が便利である。しかし、この場合は、強度も同時に変調されるため、外部変調器として電気光学変調器または音響光学変調器による周波数変調を行うこともできる。ＥＣＬＤは、外部共振器の位置を制御することもできるため、信号光の周波数変調には、外部共振器ミラーの位置を変調する方法も利用することができる。変換光の変調は、励起光または信号光を変調するか、外部変調器を用いた外部変調を実施する。
【００５４】
中赤外領域での光検出器は、光導電性受光器、熱検出器が主流であり、温度の影響が大きく、背景雑音に対する対策が不可欠である。このため、通常は、チョッピングによるオンオフ信号を参照信号とし、ロックイン検出が利用されている。
【００５５】
上述したように、励起光または信号光に位相変調を含む周波数変調を行い、差周波光に強度変調を行うと、いずれの受光器を用いても位相敏感計測を行うことができる。強度変調はあくまで背景雑音回避の手段として差周波光に施し、信号光または励起光に施す位相変調を含む周波数変調による位相敏感検出をロックイン検出によって行えば、熱検出器を用いても微分検波を実現することができる。強度変調は外部変調器を用いることも考えられるが、チョッピングが簡便である。具体的には、実施例７，８において、励起光または信号光に周波数変調を施し、差周波光の出射側にチョッパを追加すればよい。なお、差周波光に対して位相変調を含む周波数変調を行い、励起光または信号光に対して強度変調を行っても、受光器に左右されることのない位相敏感検出を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明によれば、環境ガス、工業プロセスガスなどガスの計測・分析機器への応用が可能な波長変換装置および光吸収測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる光吸収測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態にかかる光吸収測定装置の構成を示す図である。
【図３】光吸収測定装置に用いた光源の波長可変幅を示す図である。
【図４】実施例１にかかる波長変換装置の構成を示す図である。
【図５】実施例２にかかる光吸収測定装置の構成を示す図である。
【図６】実施例２にかかる光吸収測定装置の測定結果を示す図である。
【図７】実施例３にかかる光吸収測定装置の構成を示す図である。
【図８】実施例４にかかる光吸収測定装置の構成を示す図である。
【図９】実施例５にかかる光吸収測定装置の構成を示す図である。
【図１０】実施例６にかかる光吸収測定装置の構成を示す図である。
【図１１】実施例７にかかる光吸収測定装置の構成を示す図である。
【図１２】実施例８にかかる光吸収測定装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１１，１２  レーザ
１３，３６，６６，１２３，１４３  合波器
１４，３７，５４，６７，１０４，１２４，１４４  非線形光学結晶
１５，３８，５３，５５，６８，１０３，１０５，１２５，１４５  レンズ
１６，３９，６９，１１１  回転円盤
１７，１９，４０，４２，８２  ミラー
１８，４１，５６，７１，１０６，１２６，１４６  フィルタ
２１，４３，７３，１０９，１２９，１４９  ロックインアンプ
２２，４４，７４，７７，１０８，１２８，１４８  受光器
３１，５１，６１  波長可変光源
３２，５２，６２  半導体レーザ
３３，６３  ファイバアンプ
３４  ファイバブラックグレーティング（ＦＢＧ）
３５，６５  アイソレータ
７０  ビームスプリッタ
７５，１２７，１４７  ガスセル
７６  参照セル
７８  コンデンサマイクロフォン
８１  ピンホール
９１  ２波長差分吸収ライダー
９２  レーザ光出射部
９３  レーザ光検出部
９４  レーザ出射口
９５  検出ガス
９６  反射鏡
９７  検出器
１０１，１２１，１４１  励起光レーザ
１０２，１２２，１４２  信号光レーザ
１０７  マルチパスセル
１１２  チョッパの制御部
１３１，１３３，１５３  発振器
１３２  電流制御部
１３４  逓倍器
１３５  オシロスコープ
１５１  変調器
１５２  制御部
【図１】
2007193034.tif 000003
【図２】
2007193034.tif 000004
【図３】
2007193034.tif 000005
【図４】
2007193034.tif 000006
【図５】
2007193034.tif 000007
【図６】
2007193034.tif 000008
【図７】
2007193034.tif 000009
【図８】
2007193034.tif 000010
【図９】
2007193034.tif 000011
【図１０】
2007193034.tif 000012
【図１１】
2007193034.tif 000013
【図１２】
2007193034.tif 000014