(57)【要約】      （修正有）【課題】光路を２分岐することなく、導波路型波長変換素子での端面の反射によるフリンジの効果を低減する分光装置及び分光検出方法を提供する。【解決手段】信号光と励起光とを入射することにより、２次非線形光学効果により新たな変換光を発生する導波路型波長変換素子１０と、マルチパスセル３１を透過した変換光を受光する受光器２４とを有し、信号光の波長を掃引することで、変換光の波長を掃引することにより、受光器２４で受光した光の分光を行う分光装置において、導波路型波長変換素子１０の温度を周期的に変調させて、導波路型波長変換素子１０の屈折率を周期的に変調させる温度制御部３２を設け、受光器２４の出力を変調の１周期以上に渡って時間平均する、あるいは、出力を複数回統計平均することにより分光スペクトルを得る。【選択図】図４
2016133438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期分極反転構造を有する２次非線形光学媒質からなり、第１の波長の光と第２の波長の光とを入射することにより、２次非線形光学効果によって新たな第３の波長の光を発生させる導波路型波長変換素子と、測定対象を透過した前記第３の波長の光を受光する受光器とを少なくとも備え、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光の少なくとも一方の光の波長を掃引することで、前記第３の光の波長を掃引することにより分光を行う分光装置において、
前記導波路型波長変換素子の温度を周期的に変調させて、前記導波路型波長変換素子の屈折率を周期的に変調させる温度変調手段を設け、
前記受光器の出力を前記変調の１周期以上に渡って時間平均する、あるいは、前記出力を複数回統計平均することにより分光スペクトルを得る
ことを特徴とする分光装置。
【請求項２】
請求項１に記載の分光装置において、
前記温度変調手段は、前記導波路型波長変換素子の温度変調強度として、温度変調の際の温度変化による前記導波路型波長変換素子の位相差が２π以上となる温度変調強度を用いる
ことを特徴とする分光装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の分光装置において、
前記導波路型波長変換素子が、ＬｉＮｂＯ3又はＬｉＮｂＯ3にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ及びＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料からなる
ことを特徴とする分光装置。
【請求項４】
第１の波長の光と第２の波長の光とを周期分極反転構造を有する２次非線形光学媒質からなる導波路型波長変換素子に入射して、前記導波路型波長変換素子の２次非線形光学効果により新たな第３の波長の光を発生させると共に、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光の少なくとも一方の光の波長を掃引することにより、前記第３の光の波長を掃引し、
前記導波路型波長変換素子で発生させた前記第３の波長の光を測定対象に入射し、前記測定対象を透過した前記第３の波長の光を受光器で受光して分光測定を行う分光検出方法において、
前記導波路型波長変換素子の温度を周期的に変調させて、前記導波路型波長変換素子の屈折率を周期的に変調させると共に、
前記受光器の出力を前記変調の１周期以上に渡って時間平均する、あるいは、前記出力を複数回統計平均することにより分光スペクトルを得る
ことを特徴とする分光検出方法。
【請求項５】
請求項４に記載の分光検出方法において、
前記導波路型波長変換素子の温度変調強度として、温度変調の際の温度変化による前記導波路型波長変換素子の位相差が２π以上となる温度変調強度を用いる
ことを特徴とする分光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換光源を用いた分光装置及び分光検出方法に関し、より具体的には、ガスのセンシングや物質の光学分光に好適な波長変換光源を用いた分光装置及び分光検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の問題などがクローズアップされており、高感度にメタンや二酸化炭素などを検出するために、２〜５μｍの波長を出力する中赤外域の光源が必要とされている。このような波長域では、従来から半導体レーザの研究開発がなされている。しかしながら、室温で簡易に使用できるような光源が実現されていないのが現状である。そこで、このような光源から直接発生させることが困難な波長領域の光を、非線形光学効果を用いた波長変換を利用して発生させる技術が知られている。
【０００３】
又、焼却炉のＣＯ2、ＣＯ、Ｏ2等の濃度観測による燃焼制御により、ダイオキシンの発生が抑制できることから、０．７６μｍに存在するＯ2の吸収線観測が注目を浴びている。ガス吸収線に適した０．７６μｍ帯の光を発生させるレーザとして面発光レーザが用いられているが、出力が大きくとれないことから、非線形光学効果を用いた波長変換を利用して、０．７６μｍ帯の光を発生する技術が注目されている。
【０００４】
波長変換素子としては様々な形態のものが利用可能であるが、実用的な観点から、非線形光学定数を周期的に変調した擬似位相整合を用いた導波路型の波長変換素子が最も有望である。非線形光学定数の周期変調構造を形成するためには、非線形光学定数の符号を交互に反転するか、あるいは、非線形光学定数が大きい部分と小さい部分をほぼ交互に配置する方法が考えられる。
【０００５】
ＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム）のような強誘電体結晶においては、非線形光学定数の正負が自発分極の極性に対応するため、自発分極を反転することにより非線形光学定数の符号を反転することができる。中赤外波長域を発生させるための方法として、非特許文献１に示されるように、２つの半導体レーザ及び擬似位相整合を利用した導波路型波長変換素子による差周波発生による方法が知られている。又、０．７６μｍ帯の光を出す方法としては、非特許文献２に示されるような導波路型波長変換素子による第２高調波発生による方法が知られている。
【０００６】
図７に、差周波発生を基にした波長変換光源の構成を示す。図７に示される光源５０は、光導波路５２が形成されたＬｉＮｂＯ3基板５１と、合波器５５と、信号光５３及び励起光５４をそれぞれ出力する２個の半導体レーザ（図示せず）とから構成される。信号光５３及び励起光５４は、合波器５５で合波され、周期的に分極反転されたＬｉＮｂＯ3基板５１に形成された光導波路５２に入射される。光導波路５２では、信号光５３と励起光５４との差周波光である変換光５６が発生する。信号光５３の信号光波長をλa、変換光５６の変換光波長をλb、励起光５４の励起光波長をλcとすると、これら３つの波長は以下の（式Ａ）を満たす。
１／λc＝１／λb＋１／λa        （式Ａ）
【０００７】
例えば、信号光波長λaを１．５６μｍ、励起光波長λcを１．０６μｍとすれば、変換光波長λb＝３．３１μｍの変換光５６を発生させることができる。信号光波長λaにおける屈折率をｎa、変換光波長λbにおける屈折率をｎb、励起光波長λcにおける屈折率をｎcとするとき、下記の(式Ｂ)で与えられる非線形光学定数の変調周期Λ0を設定すると、効率よく変換光５６が発生する。
ｎc／λc−ｎb／λb−ｎa／λa−１／Λ0＝０        （式Ｂ）
【０００８】
ちなみに、同様にして、２次非線形光学効果である和周波発生と第二高調波発生を利用した場合を説明する。（式Ａ）に即して説明すると、波長λaとλcの光を入力し、新たな光λbが発生する現象を和周波発生と言い、更に、波長λaと波長λcが同じ波長の場合を第二高調波発生と言う。効率よく変換光を発生させるために設定すべき非線形光学定数の変調周期Λ0は（式Ｂ）と同じである。
【０００９】
さて、図８に差周波発生を利用した光源を用いた従来の分光装置を示す。導波路型波長変換素子６１と合波器６２と信号光光源６３と励起光光源６４とからなる中赤外光源６０を有しており、導波路型波長変換素子６１から出た変換光は空気中を空間伝搬し、受光器６５でその強度が測定される。このとき、励起光波長λcを固定し、信号光波長λaを変化させると、（式Ａ）に従い変換光波長λbが変化する。もしくは、信号光波長λaを固定し、励起光波長λcを変化させると、（式Ａ）に従い変換光波長λbが変化する。
【００１０】
このことを利用して、変換光波長λbを変化させ、中赤外域のガスの吸収線の形状を観測する。ここでは励起光波長λcを０．９８μｍに固定し、信号光波長λaを１．５６２６μｍから１．５６３８μｍに変化させ、変換光波長λbを２．６２５μｍから２．６２８５μｍまで変化させた。中赤外光源６０と受光器６５の距離は１ｍである。図９に横軸が変換光波長で縦軸が受光強度のグラフを示す。中央に出力のへこみが見える。これは１ｍの空間の空気中に含まれる水分（水蒸気）の影響で強度が低下したもので、湿度が高いと低下が大きくなり、湿度が低いと低下が小さくなった。即ち、低下具合は水分濃度に従って大きさが変わり、その大きさから水分濃度が分かる。
【００１１】
このように、２．６μｍ帯での水の吸収は非常に強いので、吸収線の形状が容易に観測できる。しかしながら、ガス濃度が低い場合では、吸収強度が中赤外域といえども大きくなく、その吸収強度が１％以下ということが通常である。吸収強度が１％を切ると、吸収の無い場合のベースラインのノイズによる揺らぎによって吸収線強度を正確に把握することは困難になってくる。
【００１２】
そこで、非特許文献３や非特許文献４に記載の吸収線の２次微分成分を観測する波長変調分光法が用いられている。観測のために用いるレーザ光の波長を微小量だけ周波数ｆの正弦波（サイン波）で変調をし、ロックインアンプでその２倍波の周波数２ｆで強度が変化する成分を検波する方法である。多くの場合は、分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）の注入電流を変化させることにより実行される。吸収線形状を観測するためには吸収線の波長依存性も観測する必要があるので、周波数ｆの微小なサイン波に加えて変化量の大きい鋸歯状波もしくは三角波を重畳してＤＦＢ−ＬＤの電流注入量を変調させる。図１０に実際の吸収量と観測される２ｆ成分の形状の模式図を示す。丁度、吸収量が一番大きいところで、２ｆ成分は最大値を取る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, H. Suzuki, "Efficient 3-μｍ difference frequency generation using direct-bonded quasi-phase-matched LiNbO3 ridge waveguides", APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.88, No.6, 2006年, pp.061101-1 - 061101-3.
【非特許文献２】O. Tadanaga, M. Asobe, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Yoshino, H. Suzuki, "763-nm Laser Light Source for Oxygen Monitoring Using Second Harmonic Generation in Direct-Bonded Quasi-Phase-Matched LiNbO3 Ridge Waveguide," IEICE Trans. Electron. Vol. E89-C, No.7, 2006年, pp.1115-1117.
【非特許文献３】I. Linnerud, P. Kaspersen, T. Jager, "Gas monitoring in the process industry using diode laser spectroscopy", Appl. Phys. B, Vol. 67, 1998年, pp.297-305.
【非特許文献４】A. Tokura, M. Asobe, K. Enbutsu, T. Yoshihara, S. Hashida, and H. Takenouchi, "Real-Time N2O Gas Detection System for Agricultural Production Using a 4.6-μm-Band Laser Source Based on a Periodically Poled LiNbO3 Ridge Waveguide", Sensors, Vol. 13, 2013年, pp.9999-10013
【非特許文献５】竹本菊郎、他３名、「生体・環境計測へ向けた近赤外光センシング技術」、株式会社サイエンスフォーラム、1999年、pp.257-261, pp.269-276
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
光路中に光学部品を挿入すると、一般に光の多重反射により透過率の波長依存性に周期的な変調が加わる。この多重反射による透過強度の周期的変調のことをフリンジ（干渉縞）という。導波路型波長変換素子も一種の光学部品で、導波路端面による反射の影響が出る。導波路端面の反射の影響を最小にするため、導波路端面を斜めにカットして、反射モードへの結合を強くする、又は、導波路端面に無反射コート（ＡＲコート）を施すが、強度比０．１％程度のフリンジが取りきれない場合がある。このようなフリンジが存在すると、出力の波長依存性に揺らぎが出て、その揺らぎ以下の吸収強度を観測しようとする場合は、フリンジが支配的になるため、２ｆ成分が埋もれてしまい、その判別が難しくなる。
【００１５】
例えば、本来であれば、図１１（ｂ）に示すように、吸収線を示す２ｆ成分がほぼ中央の一点鎖線の位置に存在しているが、周囲のフリンジが大きい場合には、図１１（ａ）に示すように、２ｆ成分がフリンジに埋もれてしまい、吸収線の位置を特定することは困難となる。
【００１６】
そこで、非特許文献５にあるように、一般に出力光を２光路に分岐し、一方はガスの吸収を受けずに受光し、他方はガスの吸収を受けてから受光することにより、その２つの受光強度を引き算あるいは割り算するなどして、フリンジの影響を相殺し、微小な吸収を観測する方法が知られている。しかしながら、このような光路を２分岐すると光源の出力が半減する、もしくは、受光器が２台必要となり光学系が複雑になるという問題があった。
【００１７】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、光路を２分岐することなく、導波路型波長変換素子での端面の反射によるフリンジの効果を低減する分光装置及び分光検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決する第１の発明に係る分光装置は、
周期分極反転構造を有する２次非線形光学媒質からなり、第１の波長の光と第２の波長の光とを入射することにより、２次非線形光学効果によって新たな第３の波長の光を発生させる導波路型波長変換素子と、測定対象を透過した前記第３の波長の光を受光する受光器とを少なくとも備え、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光の少なくとも一方の光の波長を掃引することで、前記第３の光の波長を掃引することにより分光を行う分光装置において、
前記導波路型波長変換素子の温度を周期的に変調させて、前記導波路型波長変換素子の屈折率を周期的に変調させる温度変調手段を設け、
前記受光器の出力を前記変調の１周期以上に渡って時間平均する、あるいは、前記出力を複数回統計平均することにより分光スペクトルを得る
ことを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決する第２の発明に係る分光装置は、
上記第１の発明に記載の分光装置において、
前記温度変調手段は、前記導波路型波長変換素子の温度変調強度として、温度変調の際の温度変化による前記導波路型波長変換素子の位相差が２π以上となる温度変調強度を用いる
ことを特徴とする。
【００２０】
上記課題を解決する第３の発明に係る分光装置は、
上記第１又は第２の発明に記載の分光装置において、
前記導波路型波長変換素子が、ＬｉＮｂＯ3又はＬｉＮｂＯ3にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ及びＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料からなる
ことを特徴とする。
【００２１】
上記課題を解決する第４の発明に係る分光検出方法は、
第１の波長の光と第２の波長の光とを周期分極反転構造を有する２次非線形光学媒質からなる導波路型波長変換素子に入射して、前記導波路型波長変換素子の２次非線形光学効果により新たな第３の波長の光を発生させると共に、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光の少なくとも一方の光の波長を掃引することにより、前記第３の光の波長を掃引し、
前記導波路型波長変換素子で発生させた前記第３の波長の光を測定対象に入射し、前記測定対象を透過した前記第３の波長の光を受光器で受光して分光測定を行う分光検出方法において、
前記導波路型波長変換素子の温度を周期的に変調させて、前記導波路型波長変換素子の屈折率を周期的に変調させると共に、
前記受光器の出力を前記変調の１周期以上に渡って時間平均する、あるいは、前記出力を複数回統計平均することにより分光スペクトルを得る
ことを特徴とする。
【００２２】
上記課題を解決する第５の発明に係る分光検出方法は、
上記第４の発明に記載の分光検出方法において、
前記導波路型波長変換素子の温度変調強度として、温度変調の際の温度変化による前記導波路型波長変換素子の位相差が２π以上となる温度変調強度を用いる
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、導波路型波長変換素子の温度変調による屈折率変調により、導波路型波長変換素子のフリンジに起因する受光器出力の周期的な波長依存性が時間的に変化することになる。そして、受光器出力を変調の１周期以上に渡って時間平均する、あるいは、複数回の出力を統計平均することにより、受光器出力の周期的な波長依存性を平均化（相殺）し、導波路型波長変換素子の端面の反射に起因する波長依存の強度振動成分（一定周期のフリンジ）を相殺して、分光スペクトルの信号対雑音比を改善することになり、微小な吸収線を観測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】フリンジ強度成分の温度変調振幅依存性のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は、位相差１／４π分の温度変調振幅のときのフリンジ強度成分の変化を示し、（ｂ）は、位相差１／２π分の温度変調振幅のときのフリンジ強度成分の変化を示し、（ｃ）は、位相差π分の温度変調振幅のときのフリンジ強度成分の変化を示し、（ｄ）は、位相差３／２π分の温度変調振幅のときのフリンジ強度成分の変化を示し、（ｅ）は、位相差２π分の温度変調振幅のときのフリンジ強度成分の変化を示し、（ｆ）は、位相差３π分の温度変調振幅のときのフリンジ強度成分の変化を示す。
【図２】本発明に係る分光装置に用いる波長変換光源の導波路型波長変換素子において、その温度制御用の素子の構成の一例を示す構成図であり、（ａ）は、その側面図、（ｂ）は、上面図である。
【図３】本発明に係る分光装置に用いる波長変換光源の導波路型波長変換素子において、その温度制御用の素子の構成の別の一例を示す構成図であり、（ａ）は、その側面図、（ｂ）は、上面図であり、（ｃ）及び（ｄ）は、導波路型波長変換素子の断面図である。
【図４】本発明に係る分光装置の一例を示す構成図である。
【図５】実施例１の分光装置で観測された吸収線の観測結果を示す波形図であり、（ａ）は、温度変調が無い場合、（ｂ）は、温度変調がある場合である。
【図６】実施例３の分光装置で観測された吸収線の観測結果を示す波形図であり、（ａ）は、温度変調が無い場合、（ｂ）は、温度変調がある場合である。
【図７】従来の波長変換光源を示す構成図である。
【図８】従来の波長変換光源を用いた分光装置を示す構成図である。
【図９】吸収率の大きいガスの吸収線を観測した場合の例を示すグラフである。
【図１０】吸収率の小さいガスの吸収線を観測した場合の例を示す模式図である。
【図１１】（ａ）は、フリンジがある場合の２ｆ成分の観測結果を示す波形図であり、（ｂ）は、フリンジがない場合の２ｆ成分の観測結果を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
屈折率ｎ、長さＬの光学部品に波長λの光を通した場合に、透過光と両端面を反射して透過した光の光路差δは、以下の式（１）で表すことができる。
δ＝４πｎＬｃｏｓθ／λ      （１）
【００２６】
ここで、θは光学部品の屈折角である。導波路型波長変換素子の場合には、光は特定の方向に伝搬するため、θ＝０とすることができる。
δ＝４πｎＬ／λ＝２ｍπ（ｍ：整数）      （２）
【００２７】
上記式（２）の条件のとき、位相差が１波長分生じることにより、同じ位相で重ね合わせが生じるため、透過光が最大となる。従って、フリンジの山の位置になる関係は、ｍを整数として、以下の式（３）と書ける。
λ＝２ｎＬ／ｍ      （３）
【００２８】
さて、光学素子の温度が変化すると、それに伴って屈折率が変化することが知られており、熱光学効果と呼ばれている。温度を変化させて１次の項までとると、上記式（２）は、以下の式（４）と書ける。
δ＝４πｎＬ／λ×（１＋Δｎ／ｎ）      （４）
【００２９】
Δｔを温度差、ｄｎ／ｄｔを屈折率の温度微分とすると、Δｎは、以下の式（５）となる。
Δｎ＝ｄｎ／ｄｔ×Δｔ      （５）
【００３０】
そのため、温度変化による位相差Δδは、以下の式（６）で表される。
Δδ＝４πＬ／λ×ｄｎ／ｄｔ×Δｔ      （６）
【００３１】
Δδが２πだけ変化すれば、即ち、以下の式（７）で表される値だけ温度変化が生じれば、フリンジが１周期分移動するため、Δｔ2πの温度変調幅で温度を変化させることができれば、干渉強度を制御可能となる。なお、Δｔ2πは、Δδが２π変化したときの温度変調幅である。
Δｔ2π＝λ／（２Ｌｄｎ／ｄｔ）      （７）
【００３２】
例えば、λ＝１．３９μｍで、素子温度４０℃、素子長４８ｍｍの場合、Δｔ2π＝０．３６℃である。ここで、屈折率の温度微分ｄｎ／ｄｔは、波長及び温度に依存する数値であり、ニオブ酸リチウム（バルク）のｄｎ／ｄｔは既に知られている。ここでは、波長１．３９μｍ及び温度４０℃でのニオブ酸リチウムのｄｎ／ｄｔを用いて、Δｔ2πを計算した。導波路におけるｄｎ／ｄｔはバルクの値とは異なるが、導波路構造が決まればバルクの値を用いて計算することができる。
【００３３】
図１（ａ）〜（ｆ）に、様々な温度変調振幅Δｔで温度変調周波数Ｆ［Ｈｚ］の周期的な変調を行った場合に、波長を掃引してフリンジの強度を測定したシミュレーション結果を示す。横軸は波長掃引時間を表しており、波長に対応する。縦軸の値が１の値となるようにフリンジの強度振幅を規格化してある。振幅がΔｔの場合、±Δｔの変調を与えているので変調強度は２Δｔである。これらの結果からもわかるように、位相差が２π未満となる変調強度（変調幅）で温度変調を行うと、周期性が残っているように見えるが、位相差が２π以上となる変調強度で、即ち、式（７）で求められる温度変調振幅以上で温度変調を行うと、ほぼランダムな信号と見なせるような結果を得た。このような場合、変調の１周期以上の時間平均、あるいは、複数のスペクトルの統計平均によって、フリンジの成分を取り除くことができる。
【００３４】
２次非線形光学効果による波長変換の場合、最も効率的に波長変換が起こる波長を位相整合波長λPMと言う。素子の温度が変わり、屈折率が変化すると、この値も変化し、波長変換効率が変化する。即ち、出力が揺らぐことになる。このため、位相整合波長λPMを大きく変化させない範囲で、温度を変調させることが望ましい。λPMの温度依存性は、中赤外領域で素子長が５０ｍｍ前後の場合、励起光波長あるいは信号光波長を変化させた場合においても、概ね以下の式（８）であることが知られている。なお、λPM0は、Δｔ＝０のとき、つまり、温度変調の際の基準温度のときの位相整合波長である。
λPM［ｎｍ］≒λPM0＋０．１×Δｔ      （８）
【００３５】
λPMの変化幅として、０．１ｎｍ前後に収まっていれば、出力に悪影響が出ることが少ないため、Δｔ＝０を中心として正負に変調する場合は、Δｔとして±０．５℃程度を上限とすることが望ましい。
【００３６】
次に、本発明に係る分光装置で用いる波長変換光源の構成について、図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。波長変換光源には、導波路型波長変換素子１０を用いており、導波路型波長変換素子１０には、コア層がニオブ酸リチウムからなり、クラッド層がタンタル酸リチウムからなる直接接合法を用いたリッジ型導波路を作製し、このリッジ型導波路には、周期的に分極反転された周期分極反転構造を作製している。
【００３７】
そして、金属板のキャリア１１に、電流により温度制御ができる温度制御素子であるペルチェ素子１２を接着剤等により貼りつける。そのペルチェ素子１２上に金属板のベース１３を接着し、ベース１３の上に導波路型波長変換素子１０を接着する。ベース１３の上には、抵抗値から温度を参照できるサーミスタ１４を設置しており、この素子を利用して、温度をモニタリングし、温度制御及び温度変調を行う。なお、図中の符号１２ａ、１２ｂは、ペルチェ素子配線を示し、符号１４ａ、１４ｂは、サーミスタ配線を示している。
【００３８】
図３（ａ）〜（ｄ）は、導波路型波長変換素子１０の上に、更に、金属板のベース１５を介して、ペルチェ素子１６、サーミスタ１７を備えた構成である。この場合、導波路型波長変換素子１０の上面にある導波路に近い上部のペルチェ素子１６で微小な温度変調を行い、下部のペルチェ素子１２で全体の平均的な温度制御を行う。モニタリング用の素子が独立しているため、フィードバックのための周波数を最適な値に割り当てることができ、より精密な制御に適している。なお、図中の符号１６ａ、１６ｂは、ペルチェ素子配線を示し、符号１７ａ、１７ｂは、サーミスタ配線を示している。
【００３９】
導波路型波長変換素子１０の作製に当って、図３（ｃ）に示すように、ダイシングで基板１０ａに溝１０ｂを形成して導波路を作製した場合には、導波路の上部にペルチェ素子１６等を貼りつけるのは、強度的に困難であるが、図３（ｄ）に示すように、溝１０ｂに樹脂１０ｃ等を充填して、強度を補強することにより、導波路の上部にペルチェ素子１６等を貼りつけることが可能になる。
【００４０】
［実施例１］
本実施例を、図２、図４及び図５を参照して説明する。
【００４１】
本実施例において、導波路型波長変換素子１０には、コア層がニオブ酸リチウムからなり、クラッド層がタンタル酸リチウムからなる直接接合法を用いたリッジ型導波路を作製している。このリッジ型導波路において、反転周期Λ0＝２６．１μｍの周期分極反転構造を４８ｍｍ作製した。リッジ型導波路のコア層の厚みと幅はそれぞれ１３μｍと２０μｍである。導波路型波長変換素子１０の端面は斜めに６度カットされ、ＡＲコートが施されている。
【００４２】
本実施例の分光装置の実験系を図４に示す。この実験系は、導波路型波長変換素子１０と合波器２１と信号光（第１の波長の光）を出力する信号光光源２２と励起光（第２の波長の光）を出力する励起光光源２３とからなる中赤外光源２０を有している。信号光光源２２として、１．３９μｍのＤＦＢ−ＬＤを用い、励起光光源２３として、１．０６４μｍのＤＦＢ−ＬＤを用い、各々の出力光は、ファイバ型のカプラである合波器２１で合波され、導波路型波長変換素子１０に入力される。導波路型波長変換素子１０では、差周波発生により、変換光（第３の波長の光）である４．５４μｍの中赤外光が発生する。導波路型波長変換素子１０からの出力光はＧｅフィルタにより中赤外光のみ取り出され、外気である空気で満たされ、かつ、１０ｍＴｏｒｒまで減圧された１０ｍのマルチパスセル３１（測定対象）に通して受光器２４で受光する。
【００４３】
そして、上述した図２で説明したように、導波路型波長変換素子１０を接着したベース１３には、ペルチェ素子１２と共にサーミスタ１４が設けられており、サーミスタ１４を利用して、温度をモニタリングし、温度制御部３２及び電源３３を用い、ペルチェ素子１２により、導波路型波長変換素子１０の温度制御及び温度変調を行っている（温度変調手段）。
【００４４】
信号光光源２２にはシグナルジェネレータ２５からの電圧入力で光源内部のＬＤの注入電流が制御されており、２ｆ強度を測定するため、シグナルジェネレータ２５では、信号光光源２２への注入電流を１Ｈｚの鋸歯状波で変調しつつ、周波数ｆが１５ｋＨｚのサイン波を重畳しており、信号光光源２２で入力光である信号光を変調及び掃引できるようにしている。一方、励起光光源２３では、入力光である励起光の波長を固定している。このような信号光及び励起光により、導波路型波長変換素子１０から出た変換光の波長を変調及び掃引できるようにしている。
【００４５】
受光器２４で受光した光信号はロックインアンプ２６に入力されており、ロックインアンプ２６では、２ｆ強度を検波しており、検波した２ｆ強度の時間依存性をオシロスコープ２７で観測できるようにしている。なお、シグナルジェネレータ２５からロックインアンプ２６へは、周波数ｆの同期信号が入力されており、又、シグナルジェネレータ２５からオシロスコープ２７へは、鋸歯状波の同期信号が入力されている。
【００４６】
上述した実験系において、信号光と励起光を合波器２１で合波し、導波路型波長変換素子１０に入力する。そして、受光器２４で受光した光信号をロックインアンプ２６に入力し、２ｆ強度をロックインアンプ２６で検波する。２ｆ強度の時間依存性をオシロスコープ２７で観測すると、温度変調によるフリンジ強度変化の揺らぎをロックインアンプ２６の時定数でなまらせることができ（時定数が長いため、変調の１周期以上の時間平均の出力を得ることができ）、フリンジによる強度変化が減少する。あるいは、複数回のスペクトルの統計平均をとることにより、フリンジによる強度変化を低減させる。このようにして、吸収線信号が明確に観測できる。
【００４７】
この例では、主に、信号光のフリンジに起因する強度変化の波長依存性が、差周波光である中赤外光の出力に影響を与えており、信号光のフリンジ成分を除去する必要がある。導波路型波長変換素子１０を温度変調しなかった場合のオシロスコープ波形を図５（ａ）に示す。中央に乱れはあるが、出力光のフリンジが原因となるほぼサイン波型の出力波形が得られた。なお、図５（ａ）及び後述の図５（ｂ）において、横軸は波長に相当する時間を示し、縦軸は２ｆ成分の信号強度を示している。
【００４８】
この実験系においては、導波路型波長変換素子１０の温度変調を行っている。温度制御部３２は、電源３３を用い、ベース１３上のサーミスタ１４の温度表示をもとに、ペルチェ素子１２に流す電流量をフィードバック制御して、全体の温度制御に加えて、Δｔの微小な温度変調をΔｔｓｉｎ（２πＦＴ）で示される正弦波形状で施した（Ｔは時間）。微小な温度変調は、上述した式（７）の計算により、温度変調振幅として０．２℃（変調強度は０．４℃）であればよく、この振幅で温度変調を加えた。温度変調周波数Ｆとしては１０３．７Ｈｚで変調を行った。なお、本実施例では図２に示したような、各々１つのペルチェ素子１２及びサーミスタ１４によりフィードバック制御を行っているが、図３で示したような、各々２つのペルチェ素子１２、１６及びサーミスタ１４、１７により、より精密に制御を行うこともできる。
【００４９】
導波路型波長変換素子１０の温度変調を行い、得られたスペクトルを統計平均した所、図５（ｂ）に示すように、ほぼ中央付近にピークが観測され、理論予測されるＮ2Ｏの吸収線の位置と一致した。ロックインアンプ２６の時定数によるなまりにより、フリンジの変動強度は減少していたが、更に、スペクトルの統計平均を行うことにより、効果的にフリンジを除去することができた。以上のように、温度変調によりに周期的な屈折率変調を施すことにより、フリンジの影響を抑えることに成功した。
【００５０】
なお、ここでは、４．５４μｍ付近のＮ2Ｏの吸収線を観測したが、他の波長帯の異なるガスにおいても同様の効果が得られる。
【００５１】
［実施例２］
本実施例では、導波路型波長変換素子として、実施例１で用いたものと同じものを用い、又、分光装置のシステムとしても、基本的に同様のものを用いているので、図２及び図４を参照して、異なる部分のみ説明する。
【００５２】
実施例１では、励起光光源２３の波長は固定され、信号光光源２２の波長はシグナルジェネレータ２５から発せられた周波数１Ｈｚの鋸歯状波と周波数１５ｋＨｚのサイン波が重畳された信号により変調されたが、本実施例では、励起光光源２３を周波数１５ｋＨｚのサイン波で変調し、信号光光源２２を周波数１Ｈｚの鋸歯状波で変調した。このように、実施例１では信号光にサイン波と鋸歯状波を重畳した信号で変調を行ったが、本実施例では、励起光と信号光に役割を分担させて変調及び掃引を行っている。この場合でも、（式Ａ）に示すように、変換光の波長自体は実施例１も本実施例も同じく重畳された変調が施されることになる。
【００５３】
本実施例の場合、波長掃引は励起光で行っているため、上述した式（７）の計算により、温度変調振幅は０．１５℃（変調強度は０．３℃）で十分であった。温度変調周波数は２０５．３Ｈｚであった。
【００５４】
実施例１と同様にして、オシロスコープ２７で波形を観測したところ、導波路型波長変換素子１０の温度変調を行わなかった場合は、中央に乱れはあるが、出力光のフリンジが原因であるほぼサイン波型の出力波形が得られ、温度変調を行った場合には、ほぼ中央付近に理論予測されるＮ2Ｏの吸収線の位置と一致するピークが観測された。
【００５５】
［実施例３］
本実施例も、図２及び図４を参照して説明する。
【００５６】
本実施例において、導波路型波長変換素子１０には、コア層がニオブ酸リチウムからなり、クラッド層がタンタル酸リチウムからなる直接接合法を用いたリッジ型導波路を作製している。このリッジ型導波路において、反転周期Λ0＝１７．６μｍの周期分極反転構造を４８ｍｍ作製した。リッジ型導波路のコア層の厚みと幅はそれぞれ８μｍと１４μｍである。導波路型波長変換素子１０の端面は斜めに６度カットされ、ＡＲコートが施されている。
【００５７】
ここでは、信号光光源２２及び励起光光源２３を同じ入力光源とし、１．５２６μｍのＤＦＢ−ＬＤを用いており、この出力光が導波路型波長変換素子１０に入力される。導波路型波長変換素子１０では、第二高調波発生により、変換光である０．７６３μｍの赤色光が発生する。導波路型波長変換素子１０からの出力光は外気である空気（測定対象）を１ｍ伝搬し、Ｓｉ受光器（受光器２４）で受光する。
【００５８】
入力光源の波長は、シグナルジェネレータ２５から発せられた周波数１Ｈｚの鋸歯状波と周波数１５ｋＨｚのサイン波が重畳された信号により変調及び掃引されている。受光器２４からの出力をロックインアンプ２６に入力し、１５ｋＨｚのサイン波の倍成分である３０ｋＨｚの成分を検波し、出力をオシロスコープ２７に入力する。オシロスコープ２７は１Ｈｚの鋸歯状波と同期されており、鋸歯状波により発生波長が変調されているので、時間軸が波長の変化に相当し、ロックインアンプ２６からの２ｆ成分のスペクトルを観測している。
【００５９】
温度変調を行わなかった場合のオシロスコープ波形を図６（ａ）に示す。中央に乱れはあるが、出力光のフリンジが原因となるほぼサイン波型の出力波形が得られた。なお、図６（ａ）及び後述の図６（ｂ）においても、横軸は波長に相当する時間を示し、縦軸は２ｆ成分の信号強度を示している。
【００６０】
次に、ベース１３上のサーミスタ１４の温度表示をもとに、ペルチェ素子１２に流す電流量をフィードバック制御して、全体の温度制御に加えて、Δｔの微小な温度変調をΔｔｓｉｎ（２πＦＴ）で示される正弦波形状で施した（Ｔは時間）。微小な温度変調は、上述した式（７）の計算により、温度変調振幅として０．２２５℃（変調強度は０．４５℃）であればよく、この振幅で温度変調を加えた。温度変調周波数Ｆとしては９２．３Ｈｚで変調を行った。なお、本実施例でも、図２に示したような、１つのペルチェ素子１２及びサーミスタ１４によりフィードバック制御を行っているが、図３で示したような、２つのペルチェ素子１２、１６及びサーミスタ１４、１７により、より精密に制御を行うこともできる。
【００６１】
温度変調を行い、得られたスペクトルを統計平均した所、図６（ｂ）に示すように、ほぼ中央付近にピークが観測され、理論予測されるＯ2の吸収線の位置と一致した。ロックインアンプ２６の時定数によるなまりにより、フリンジの変動強度は減少していたが、更に、スペクトルの統計平均を行うことにより、効果的にフリンジを除去することができた。以上のように、温度変調によりに周期的な屈折率変調を施すことにより、フリンジの影響を抑えることに成功した。
【００６２】
［他の変形例］
上記実施例１〜３では、コア層に２次非線形光学結晶であるニオブ酸リチウムを用いたが、ニオブ酸リチウムにプロトンが拡散されたものや他の２次非線形光学媒質を用いても良い。特に、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムを用いたり、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ及びＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料を用いたりすることが望ましい。又、上記実施例１〜３では、差周波発生と第二高調波発生に関して示したが、和周波発生などの他の２次非線形光学効果を用いて波長変換をしても、同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、ガスのセンシングや物質の光学分光に好適なものである。
【符号の説明】
【００６４】
１０  導波路型波長変換素子
１２、１６  ペルチェ素子
１４、１７  サーミスタ
２０  中赤外光源
２１  合波器
２２  信号光光源
２３  励起光光源
２４  受光器
２５  シグナルジェネレータ
２６  ロックインアンプ
２７  オシロスコープ
３２  温度制御部
３３  電源
【図１】
2016133438.tif 000003
【図２】
2016133438.tif 000004
【図３】
2016133438.tif 000005
【図４】
2016133438.tif 000006
【図５】
2016133438.tif 000007
【図６】
2016133438.tif 000008
【図７】
2016133438.tif 000009
【図８】
2016133438.tif 000010
【図９】
2016133438.tif 000011
【図１０】
2016133438.tif 000012
【図１１】
2016133438.tif 000013