(57)【要約】      （修正有）【課題】ＰＢＣのレーザビームの波長及び光強度変化を抑えて、ラマン散乱光測定結果の正確性を増加させる半導体レーザ装置の出力制御方法及び半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ（１−１）から出力されるレーザビームを少なくとも２個の対向した反射ミラー（１−２，１−３）で構成される共振器に与える半導体レーザ装置の出力制御方法であって、ＰＢＣからのレーザビームの光強度が設定値以上でかつ波長が設定波長となる前記半導体レーザの電流を、所定の周期毎の一定区間で間歇的に測定する半導体レーザ電流間歇測定ステップと、前記半導体レーザ電流間歇測定ステップで測定された電流を基準値とし、前記所定の周期毎の残りの区間の前記半導体レーザの電流が前記基準値と等しくなるように前記半導体レーザの電流を間歇的に制御する間歇制御ステップと、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザから出力されるレーザビームを少なくとも２個の対向した反射ミラーで構成される共振器に与え、前記レーザビームを増幅するＰＢＣの前記共振器内に配置された被測定気体によるラマン散乱光を測定する半導体レーザ装置の出力制御方法であって、
前記ＰＢＣからのレーザビームの光強度が設定値以上でかつ波長が設定波長となる前記半導体レーザの電流を、所定の周期毎の一定区間で間歇的に測定する半導体レーザ電流間歇測定ステップと、
前記半導体レーザ電流間歇測定ステップで測定された電流を基準値とし、前記所定の周期毎の残りの区間の前記半導体レーザの電流が前記基準値と等しくなるように前記半導体レーザの電流を間歇的に制御する間歇制御ステップと、
を含むことを特徴とする半導体レーザ装置の出力制御方法。
【請求項２】
前記半導体レーザ電流間歇測定ステップでは、
前記所定の周期毎の一定区間において、前記半導体レーザの電流を所定の範囲で変動させ、前記変動時におけるＰＢＣのレーザビームの光強度が設定値以上でかつ波長が設定波長となる電流値を基準値として測定することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置の出力制御方法。
【請求項３】
前記半導体レーザ電流間歇測定ステップでは、
前記ＰＢＣのレーザビームをハーフミラーで分割した一方のレーザビームの入力波長に応じて透過率が連続的に変化するフィルタを介した光強度と、前記ハーフミラーで分割した他方の光強度との比を求めて、レーザビームの波長が設定波長となる前記半導体レーザの電流として測定することを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置の出力制御方法。
【請求項４】
前記被測定気体は、麻酔ガス、環境ガス若しくは呼吸気等の時々刻々変化する気体であることを特徴とする請求項１〜３に記載の半導体レーザ装置の出力制御方法。
【請求項５】
半導体レーザから出力されるレーザビームを少なくとも２個の対向した反射ミラーで構成される共振器に与え、前記半導体レーザからの出力レーザを増幅するＰＢＣの前記共振器内に配置された被測定気体のラマン散乱光を測定する半導体レーザ装置であって、
前記ＰＢＣのレーザビームの光強度が設定値以上でかつ波長が設定波長となる前記半導体レーザの電流を、所定の周期毎の一定区間で間歇的に測定する半導体レーザ電流間歇測定手段と、
前記半導体レーザ電流間歇測定手段で測定された電流を基準値とし、前記所定の周期毎の残りの区間の前記半導体レーザの電流が前記基準値と等しくなるように前記半導体レーザの電流を間歇的に制御する間歇制御手段と、
を含むことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記半導体レーザ電流間歇測定手段には、
前記所定の周期毎の一定区間において、前記半導体レーザの電流を所定の範囲で変動させる電流変動手段を備え、
前記変動時におけるＰＢＣのレーザビームの光強度が設定値以上でかつ波長が設定波長となる電流値を基準値として測定することを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記半導体レーザ電流間歇測定手段には、
前記ＰＢＣのレーザビームをハーフミラーで分割した一方のレーザビームの入力波長に応じて透過率が連続的に変化するフィルタを介した光強度と、前記ハーフミラーで分割した他方の光強度との比を求める光強度比測定手段を備え、
前記光強度比測定手段の出力によって、レーザビームの波長が設定波長となる前記半導体装置の電流を測定することを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記半導体レーザの電流を所定周期毎の一定区間で所定範囲に亘って変動させている間には、被測定気体のラマン散乱光測定を実行しないことを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、麻酔ガス等の時々刻々変化する被測定気体分子の測定に使用する半導体レーザ装置の出力制御方法及び半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体分子（ガス）の測定には、従来から赤外線吸収やラマン散乱を利用した方法が知られている。ラマン散乱は、被測定ガスの各分子がそれ自体の特徴的な散乱信号を提供するが、ラマン散乱は、光ビームの励起出力に対して、きわめて弱いラマン散乱光しか生成しないという問題点を有している。（例えば、１Ｗの励起出力は、１ｐＷのラマン散乱光を生成する。）
【０００３】
そこで、半導体レーザから出力されるレーザビームを少なくとも２個の対向した反射ミラーで構成される共振器に与えて前記半導体レーザからのレーザビームを増幅するＰＢＣ（Power Build-up Cavity）を構成し、当該ＰＢＣの共振器内に配置された被測定気体のラマン散乱光を測定する半導体レーザ装置が知られている。（特許文献１参照）
【０００４】
出力レーザを増幅するＰＢＣを用いたラマン測定装置の例として、図８に記載の結合型レーザ・システムがある。  
図８は、結合型レーザ・システム８０を原理的に示す。
結合型レーザ・システム８０は、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間のレーザ・キャビティ２０と、レーザ・ビーム６０を提供し増幅する増幅媒体５０とを含む。外部キャビティ９０が、第２のミラー４０と第３のミラー９５の間に提供され、レーザ・キャビティ２０と光学的に結合される。レーザ・ビーム６０は、外部キャビティ９０の気体分析セル７０内の励起ビームとして働く。
ミラー３０、４０および９５に、反射率が異なる低損失ミラーを利用することによって、外部キャビティ９０の共振器内にきわめて高い光強度を達成することができる。例えば、１０ｍＷの半導体レーザ・ビーム６０が、外部キャビティ９０を数百ワットまでポンピングすることができる。
【０００５】
図８のレーザ・システム８０では、外部キャビティ９０内の未知の気体サンプルを調査するために、外部励起共振器（ＰＢＣ）を使用すると、光センサの感度限界を十分に超えるラマン散乱光を励起するのに十分な光強度が提供される。
【０００６】
図８のレーザ・システムでは、受動構成要素と能動構成要素の変化がなく、且つ、環境条件（被測定ガスの状態）が変化しない限り、レーザビーム６０（図８の外部キャビティ９０内の）は、光強度及び波長が実質上一定出力に維持される。
【０００７】
しかし、利用するレーザ・システムの受動構成要素（たとえば光路長）の変化が起こったり環境条件（被測定ガスの状態）が変化すると、レーザビーム６０の光強度及び波長が急変することがある。
【０００８】
図９は、図８による構成における外部キャビティ９０内の時間の経過に伴う光強度の経時変化の例を示す。
図９の光強度の変化は、レーザ・システム８０の光学長を変化させる温度やその他の環境的変化によって引き起こされた可能性がある。また、同様の理由で外部キャビティ９０内のレーザビームの波長も時々刻々変化することが知られている。
このような光強度変化及びレーザビームの波長変化は、ラマン散乱光測定に適用されたとき、励起出力の変化によりラマン散乱光測定結果に不測の誤差をもたらす。
【０００９】
前記特許文献１には、上記レーザ・システム８０の温度変化やその他の環境的変化によって引き起こされた光強度の変化によるラマン散乱光測定結果の影響を除去するために、「光共振器内のレーザ・ビームを提供し増幅するための増幅媒体を含むレーザ装置であって、レーザ・ビームを安定させるために複数の異なる光学モードを能動的に提供する手段を備えて成ることを特徴とする。」（請求項１）が開示されている。
具体的には、ＰＢＣの光強度を安定化するために、ミラーの位置を周期的に振動させたり、半導体レーザの電流を周期的に変動させたりして、ＰＢＣの光強度の最大出力は減少するが、安定な発振状態を保つ方法が提案されている。
【特許文献１】特開２０００−２０８８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、レーザ・システムの受動構成要素（例えば、光路長）の変化や被測定ガスの状態変化等の環境的変化によって引き起こされたＰＢＣのレーザビームの波長及び光強度変化を抑えて、ラマン散乱光測定結果の正確性を増加させる半導体レーザ装置の出力制御方法及び半導体レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、半導体レーザから出力されるレーザビームを少なくとも２個の対向した反射ミラーで構成される共振器に与え、前記レーザビームを増幅するＰＢＣの前記共振器内に配置された被測定気体によるラマン散乱光を測定する半導体レーザ装置の出力制御方法であって、前記ＰＢＣからのレーザビームの光強度が設定値以上でかつ波長が設定波長となる前記半導体レーザの電流を、所定の周期毎の一定区間で間歇的に測定する半導体レーザ電流間歇測定ステップと、前記半導体レーザ電流間歇測定ステップで測定された電流を基準値とし、前記所定の周期毎の残りの区間の前記半導体レーザの電流が前記基準値と等しくなるように前記半導体レーザの電流を間歇的に制御する間歇制御ステップと、を含むことを特徴とする。（請求項１）
【００１２】
また、前記半導体レーザ電流間歇測定ステップでは、前記所定の周期毎の一定区間において、前記半導体レーザの電流を所定の範囲で変動させ、前記変動時におけるＰＢＣのレーザビームの光強度が設定値以上でかつ波長が設定波長となる電流値を基準値として測定することを特徴とする。（請求項２）
また、前記半導体レーザ電流間歇測定ステップでは、前記ＰＢＣのレーザビームをハーフミラーで分割した一方のレーザビームの入力波長に応じて透過率が連続的に変化するフィルタを介した光強度と、前記ハーフミラーで分割した他方の光強度との比を求めて、レーザビームの波長が設定波長となる前記半導体レーザの電流として測定することを特徴とする。（請求項３）
また、前記被測定気体は、麻酔ガス、環境ガス若しくは呼吸気等の時々刻々変化する気体であることを特徴とする。（請求項４）
【００１３】
また、半導体レーザから出力されるレーザビームを少なくとも２個の対向した反射ミラーで構成される共振器に与え、前記半導体レーザからの出力レーザを増幅するＰＢＣの前記共振器内に配置された被測定気体のラマン散乱光を測定する半導体レーザ装置であって、前記ＰＢＣのレーザビームの光強度が設定値以上でかつ波長が設定波長となる前記半導体レーザの電流を、所定の周期毎の一定区間で間歇的に測定する半導体レーザ電流間歇測定手段と、前記半導体レーザ電流間歇測定手段で測定された電流を基準値とし、前記所定の周期毎の残りの区間の前記半導体レーザの電流が前記基準値と等しくなるように前記半導体レーザの電流を間歇的に制御する間歇制御手段と、を含むことを特徴とする。（請求項５）
【００１４】
また、前記半導体レーザ電流間歇測定手段には、前記所定の周期毎の一定区間において、前記半導体レーザの電流を所定の範囲で変動させる電流変動手段を備え、前記変動時におけるＰＢＣのレーザビームの光強度が設定値以上でかつ波長が設定波長となる電流値を基準値として測定することを特徴とする。（請求項６）
また、前記半導体レーザ電流間歇測定手段には、前記ＰＢＣのレーザビームをハーフミラーで分割した一方のレーザビームの入力波長に応じて透過率が連続的に変化するフィルタを介した光強度と、前記ハーフミラーで分割した他方の光強度との比を求める光強度比測定手段を備え、前記光強度比測定手段の出力によって、レーザビームの波長が設定波長となる前記半導体装置の電流を測定することを特徴とする。（請求項７）
また、前記半導体レーザの電流を所定周期毎の一定区間で所定範囲に亘って変動させている間には、被測定気体のラマン散乱光測定を実行しないことを特徴とする。（請求項８）
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、被測定ガスの状態変化等の環境的変化によって引き起こされたＰＢＣのレーザビームの波長及び光強度変化を抑えて、ラマン散乱光の測定結果の正確性を増加させることが可能な半導体レーザ装置の出力制御方法及び半導体レーザ装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の半導体レーザ装置の構成を図１を用いて説明する。
図１において、１は半導体レーザ１−１から出力されるレーザビームをレンズ１−４を介して、２個の対向した高反射ミラー１−２，１−３で構成される共振器に与えて前記半導体レーザ装置からのレーザビームを増幅するＰＢＣ（Power Build-up Cavity）である。
【００１７】
図１のＰＢＣでは、２枚の高反射ミラーで構成される共振器で増幅された半導体レーザからのレーザビームによって励起された、共振器内の被測定気体の状態（気体の種類及び流量等）に応じて変化するラマン散乱光を測定する。
【００１８】
また、図１における受光部５及び受光部６は、ＰＢＣのレーザビームの光強度及び波長を検出するための検出部である。
前記検出部を構成する第１の受光部５は、前記半導体レーザビームをハーフミラー４を介して分割されたＰＢＣのレーザビームの光強度を直接検出し、第２の受光部６は、ハーフミラー４を介して分割されたＰＢＣのレーザビームの光強度をフィルタ３を介して前記半導体レーザ出力を検出している。
【００１９】
図２は、図１の第２の受光部６の前段に配置されるフィルタ３の特性（透過率）（相対値）の１例を示す図である。
図２のフィルタ特性は、半導体レーザの波長付近（図２では、６５５〜６６５ｎｍ）で透過率が１００〜０％に変化する特性で、本発明の実施例では、図２のフィルタを用いてＰＢＣのレーザの波長を６５９ｎｍで安定するように半導体レーザ電流が制御される。（なお、このフィルタ特性は、あくまでも１例であって、使用する半導体レーザの発振波長に応じて最適のものを選択するのが望ましい。）
【００２０】
次に、検出部で検出したＰＢＣのレーザビームの光強度の測定結果を用いて、半導体レーザ電流を制御して、ＰＢＣのレーザビームの波長及び光強度を安定化させる制御について図３〜６を用いて説明する。
図３は、半導体レーザ電流（ＬＤ電流）を所定の周期毎に間歇的に制御する態様を模式的に表した図であり、図４は、図３の一部を拡大して表した図である。
【００２１】
図３の上段の信号は、所定周期毎の制御のための同期信号を示している。
同期信号は、半導体レーザ電流を間歇的に制御するタイミング信号であって、図３の例では４０msec毎であるが、必ずしも４０msecである必要はない。  
【００２２】
図３の中段の信号は、同期信号のタイミング以降における半導体レーザ電流を決定するために同期信号の直前で、半導体レーザ電流を所定の幅で変化させた時の電流を示している。
【００２３】
図３の下段の信号は、同期信号のタイミング以降における半導体レーザ電流を決定するために同期信号の直前で、半導体レーザ電流を所定の幅で変化させた時の、第１の受光部５で検出したＰＢＣの光強度及び、第２の受光部６のフィルタ付ＰＢＣの光強度を示している。（図３では、説明のために、ＰＢＣの光強度とフィルタ付ＰＢＣの光強度とが大きな差があるように示しているが、同期信号以降における両者の差は、実際には僅かである。）
【００２４】
図４は、同期信号のタイミング以降における半導体レーザ電流を決定するためにの同期信号の直前で、半導体レーザ電流を所定の幅で変化させた時の状態を時間的に拡大して示した図である。
【００２５】
図４に示す如く、半導体レーザ電流（ＬＤ電流）の間歇的制御が開始されるタイミングである同期信号の直前に、次の所定周期の間に基準となる半導体レーザ電流を測定するために、所定の区間（図４では３．５msecであるが、必ずしも３．５msecである必要はない。）に亘って半導体レーザ電流を所定の幅（例えば、前の周期の半導体レーザ電流に所定の電流をプラス及びマイナスした幅）で変動させる。
【００２６】
上記の如く、半導体レーザ電流を所定の幅で変動させると、前記第１の受光部５及び第２の受光部６で測定されたＰＢＣの光強度及びフィルタ付ＰＢＣの光強度は図４の下段に示すように変化する。
この半導体レーザ電流を所定の幅で変動させた期間における、前記第１の受光部５及第２の受光部６の光強度が等しい（又は、その差が小さい）時（ｔ１）の、半導体レーザ電流（ｉ１）を次の同期信号以降の半導体レーザ電流の基準値として採用して、同期信号から次の半導体レーザ電流を所定の幅で変動させるまでの期間に亘って、半導体レーザ電流が前記基準値に等しくなるように制御する。
【００２７】
図３及び図４は、本発明の機能（作用・効果）を説明するための模式図であって、実際の本発明の半導体レーザ装置における測定値は、図５（図３に対応）及び図６（図４に対応）に示す如く、各時間毎に細かく変動している。（この変動は、光路長を変化させる温度変化や被測定気体の状態変化等の環境的変化による。）
【００２８】
図４（図６）に示す如く、半導体レーザ電流を所定の幅で変化させている区間では、前記第１の受光部５及第２の受光部６の光強度のみでなく、共振器内のレーザビームの波長及び光強度変動しているので、より正確な測定結果を得るために当該区間を除外して被測定気体の測定をするのが望ましい。
【００２９】
次に、本発明の間歇的な半導体レーザ電流の制御と実行したときのＰＢＣのレーザビーム波長の変化状況を間歇的な制御をしていない場合との比較を図７に示す。
図７（ｂ）は、横軸に時間（Ｔ）をとり、縦軸にＰＢＣのレーザビーム波長（ｎｍ）の変化をとったグラフであって、時間の変化に応じて大きくＰＢＣのレーザビーム波長が変化している。しかし、図７（ａ）に示す如く、本発明の間歇的制御を実行した場合には、時間の変化に対して、レーザビーム波長の変化が抑制されているのが理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の半導体レーザ装置の構成を示す図である。
【図２】図１の第２の受光部６の前段に配置されるフィルタ３の特性である透過率（相対値）の１例を示す図である。
【図３】半導体レーザ電流（ＬＤ電流）を所定の周期毎に間歇的に制御する態様を模式的に表した図である。
【図４】図３の一部を拡大した図である。
【図５】本発明の半導体レーザ装置における図３に対応する実際の測定値の１例を示す図である。
【図６】本発明の半導体レーザ装置における図４に対応する実際の測定値の１例を示す図である。
【図７】本発明の間歇的な半導体レーザ電流の制御を実行したときのＰＢＣのレーザビーム波長の変化状況と間歇的な制御をしていない場合との比較を示す図である。
【図８】従来の結合型レーザ・システム８０の原理を示す図である。
【図９】図８による構成における外部キャビティ９０内の光強度の経時変化の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１：ＰＢＣ
１−１：半導体レーザ
１−２：高反射ミラー
１−３：高反射ミラー
１−４：レンズ
３：フィルタ
４：ハーフミラー
５：第１の受光部
６：第２の受光部
【図１】
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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８】
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【図９】
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【図２】
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【図７】
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