CN100362417C - 激光光源 - Google Patents

Abstract

本发明提供小型激光光源，通过组合高效率的非线性光学晶体和高输出的光通信半导体激光器，可在尚未被半导体激光器实际应用的波长区域中自由地设计波长。在一个实施方式中，包括：第一激光器，产生波长λ₁的激光；第二激光器，产生波长λ₂的激光；非线性光学晶体，输入波长λ₁和波长λ₂的激光，输出相干光，该相干光具有1/λ₁+1/λ₂＝1/λ₃关系的和频波长λ₃，和频波长λ₃为589.3±2nm，相当于钠D线。

Description

激光光源

技术领域

本发明涉及激光光源，更具体地说涉及使用激光器和非线性光学晶体高效率地输出钠D线波长或黄色区域波长的相干光的激光光源、使中红外区域的激光在波长2～3μm的范围内可改变的激光光源、以及输出氧吸收线的波长759nm～768nm的激光的激光光源。

背景技术

现在，在已经实用化的激光器中，已知的有He-Ne激光器和Ar激光器等的气体激光器、Nd:YAG激光器等的固体激光器、染料激光器及半导体激光器。图1表示激光器的波长区域和输出之间的关系。近年来，以可视区域及近红外区域的波段102为中心的小型轻量、低价的半导体激光器较为普及。特别是，在光通信领域中，信号光源用的1.3μm带及1.5μm带半导体激光器和光纤放大激发用的0.98μm带及1.48μm带半导体激光器较为普及。另外，半导体激光器还作为CD用激光器和红色LD使用，在DVD、Blue-ray等的记录媒介的读写所利用的可视区域及紫外区域的波段101中也使用半导体激光器。

但是，半导体激光器在波长为0.5～0.6μm的绿色、黄绿色、黄色区域的波段111和波长2～5μm的中红外区域的波段112尚未实用化，使用着高价且耗电大的气体激光器和固体激光器。

液体、气体等的光学介质的折射率、吸收等光学特性在规定光学仪器的特性方面或者食品、医药品等的精度、纯度等的质量管理方面都是重要的评价项目。在这些光学特性的测量中使用产生钠D线的光源。该钠D线包括在波段111中的黄色区域，其波长为589～590nm。

例如，在液体中的糖度和折射率的关系中，作为Brix值由ICUMSA(International Commission fbr Uniform Methods of Sugars Analysis：国际糖分析统一方法委员会)制定，规定了从测量折射率求出糖度的方法。该方法被应用于水果、酒类的糖度测量，工业上应用很广。

在医药品领域，作为药剂的质量管理的一个方面，溶解药剂的溶液的折射率是由日本药物局规定的。在萨利多胺这样的具有螺旋结构的药品中，“右手螺旋型”是具有药用效果，而“左手螺旋型”可作为有毒物质。这样具有互逆螺旋结构的物质是不可能进行物理化学分离的。但是，已知其具有不同的旋光性，光学上容易识别。因此，萨利多胺这样的药物灾害事故发生后，日本药物局规定了根据钠D线进行旋光度的测量。具有这样的性质的药品除萨利多胺之外，还有很多种，例如薄荷醇、前列腺素、β乳胺类抗生素，喹诺酮类抗菌剂等。

现在，还没有实现产生钠D线的激光光源，而将钠灯或黄色LED作为光源使用。钠灯的光单色性优良，但却是向所有的方向放射的发散光。因此，很难使之成为平行光，其光学特性很难精确测量。另外，因为聚光能量不高，所以需要使用大输出的灯。

另一方面，黄色LED的光谱线宽幅约为20nm。因此，通过使用滤光器切出钠D线附近的光谱，使光谱线宽幅变窄，但是，其程度是有限的。而且，因为没有可干涉性，在提高其测量精度上很有限。

在这样的背景下，在食品、药品的品质管理等产业上的多个领域，需要提高钠D线波长规定的光学评价方法的精度。如果能够实现钠D线激光器，则可以使用光的干涉进行测量。如果使用光的干涉，则以食品、药品为首的各种液体、光学介质的折射率的测量精度能够在现有的程度上提高两位数。另外，低耗电、小型化也成为可能。

下面，对钠原子的结构及其能量迁移而产生的光的特性进行说明(参考非专利文献1)。已知从钠原子发光的波长为589.592nm(D1线)和588.995nm(D2线)。D1线和D2线合起来称为D线，D线的波长取两者的平均值，可为589.3nm。钠原子的能级示于图2。D线是伴随由第一激发态的3P能级向基态的3S能级的迁移而产生。3P具有3P_1/2和3P_3/2的微细结构，D₁线的发光是从3P_1/2向3S_1/2迁移的结果，D₂线的发光是从3P_3/2到3S_1/2迁移的结果。

3S_1/2、3P_1/2、3P_3/2通过电子的磁力矩和原子核的固有磁力矩的相互作用而具有极微细的结构。3S_1/2分离为能量差为7.3μeV的两个能级，3P_1/2分离为相差0.78μeV幅度的两个能级，3P_3/2分离为相差0.48μeV幅度的四个能级。

为了实现D₁线、D₂线波长的激光器，有必要形成相应能级间的反转分布。为了实现反转分布，有必要构成三能级体系或四能级体系。但是，在图2所示的能级中，从3P_3/2到3P_1/2的弛豫是禁止迁移，从3P_1/2到3S_1/2的弛豫时间是15.9ns(非专利文献2)。例如，与TiAl₂O₃激光器的弛豫时间3.2μs比较，相差两个数量级以上。所以在3S_1/2和3P_1/2间很难形成反转分布，还没有实现钠D线波长的激光器振荡。另外，也可考虑使用超微细结构的激光器振荡，但是钠原子中3S_1/2、3P_1/2、3P_3/2的极微细结构的能量差与室温(300K)的能量25.8meV相比小4个数量级。因此，室温的激发几乎均等分布在分离后的极微细结构的两方，不能形成反转分布。因此，目前尚未能实现钠D₁线、D₂线的激光器。

以往，半导体激光器仅在500nm以下或620nm以上的波长区域可实际应用。在500nm～620nm的波长区域中，虽然通过光纤激光器、Nd-YAG激光器的二次谐波发生法实现了特定波长的固体激光器，但是尚未实现任意波长的固体激光器。

另一方面，作为产生可见光区域的相干光的方法，已知使用非线性晶体的二次谐波发生法(SHG法)。根据该方法，为了产生D₁线或D₂线的光，需要波长1179.2nm或1178.0nm的光源。遗憾的是，虽然这些波长能够通过半导体激光器振荡，但是很难得到能获得必要输出的激光器。

另外，也能通过使用非线性晶体产生两个激发激光的和频，得到可见光。在该方法中，和频光的能量由两个激发光的能量的和给出。因为可得到所希望的波长的和频，所以也具有可扩大组合两个激发光的波长的自由度的优点。因此是实现任意的波长的激光器的最实用的方法。但是，一般非线性光学现象具有效率低下的问题。为了解决这个问题，重要的是选择可改善非线性光学晶体的特性的同时得到高激发光强度且小型化、低耗电的现有激光器装置。

本发明的第一目的在于提供可产生线宽幅窄且平行性好、能量效率高的钠D线波长的相干光的激光光源。

现有技术中，已知有通过共焦点激光束扫描试样来获得光学断层图像的激光显微镜。激光显微镜使用于经荧光标识的物质的组织及细胞内分布的分析。而且，已知有对排成一列的细胞流照射激光束，根据荧光强度分析和分离细胞的流体检查窗测量仪。流体检查窗测量仪是采用流体检查窗测量方法作为光学参数对细胞的性质，例如其大小、DNA含有量等进行定性识别的测量装置。

近年来，使用荧光色素作为荧光标志，但是荧光色素对细胞来说是异物，所以存在对细胞的性质有影响或者使细胞死亡等的问题。因此，采用通过从水母等萃取的绿色荧光蛋白质进行荧光标识的方法。另外，根据绿色荧光蛋白质的突变和基因操作也能够得到显示黄色、红色的发光的荧光蛋白质(例如，参考非专利文献3)，通过使用多色荧光可进行详细的测量和分析。

由于红色荧光蛋白质对560～590nm波长吸收最大(例如，参考非专利文献4)，因此希望有在该波段域内具有振荡波长的激光光源。该波段域中有振荡波长的激光器仅为染料激光器等大型激光器，所以代之以使用532nm固体激光器、543nmHe-Ne激光器。但是，这些波长与绿色荧光蛋白质的荧光波长和黄色荧光蛋白质的吸收波长的重叠显著，不适合于使用多色的荧光蛋白质的测量分析。

最近的报告中有通过强绿色激光(波长530～560nm)的照射72小时以上的长时间稳定发出红色荧光的kindling红色荧光蛋白质(例如，参考非专利文献5)。如果利用Kindling红色荧光蛋白质，则可期待能够通过荧光长时间地对细胞分裂的情形进行观察等的效果。但是，以往的532nm固体激光器、543nmHe-Ne激光器与绿色荧光蛋白质的荧光波长和黄色荧光蛋白质的吸收波长重叠显著。因此希望实现具有尽可能接近560nm振荡波长的小型固体激光器。

而且，金属卟啉是在光合代谢、呼吸代谢等的动植物的生命活动中担负重要功能的蛋白质中包含的分子，在波长590nm附近吸收最大。如果为了使这些金属卟啉的发光波长在600nm附近显示出峰值而使用波长为589nm的激光器，则与发光波长的重叠很大，很难测量。因此，需要波长为585.0nm的黄橙色激光器。

另外，相当于水银灯发出的闪烁线之一(e线)的波长546.1nm(黄绿)是人的视觉灵敏度最高的波长，其作为光学玻璃的折射率标准的波长而使用。如图1所示，在包含在波段111中的500nm～600nm的绿色、黄绿色、黄色区域中需要高效率、高稳定的激光光源。

但是，如上所述，半导体激光器仅在500nm以下和620nm以上的波长区域实现实用化。另外，在500nm～620nm的波长区域中尚未实现任意波长的固体激光器。而且，为了根据SHG法产生黄色区域的光，需要波长1092.2nm、1120.0nm或1170.0nm的光源。但是，这些波长虽然能用半导体激光器振荡，但是很难弄到可获得所需输出的激光器。

如上所述，在应用非线性光学现象时，重要的是选择可改善非线性光学晶体的特性的同时得到高激发光强度且小型化、低耗电的现有激光器装置。

本发明的第二目的在于提供产生线宽幅窄、平行性好、能量效率高的、黄色区域的相干光的激光光源。

从环境保护、安全卫生的观点看，希望建立NO_x、SOx、氨等的环境气体、水的吸收峰值、许多有机气体或残留农药的极微量分析技术。极微量分析技术一般使用定量分析和光学方法，在该定量分析中使用将被测量气体吸附在特定的物质上，并利用电化学方法，在该光学方法中测量被测量物质的固有的光学吸收特性。其中，光学方法的特点是能够实时测量，并能够对测量光通过的很大范围进行观测。

被测量物质的吸收峰值起因于原子间结合的振动波形，主要在从2μm到20μm的中红外区域内。但是，图1所示的中红外区域的波段112中，在室温下能够连续振荡的激光器尚未实用化，还停留在量子串级激光器的研究开发层面。虽然在产业上中红外光的必要性很大，但是最大的障碍是还没有实用化的激光光源。

因为在中红外区域中没有可实用的光源，所以在使用现有的通信用半导体激光器(0.8～2μm)进行各种气体等的微量分析时，利用基本吸收波长的泛频(倍音)(＝基本吸收波长的2分之一)、3泛频(＝基本吸收波长的3分之一)的吸收。如果为泛频，则有时也可得到所需的灵敏度，但是在3泛频以上的高阶吸收峰值的测量中，由于吸收量小，所以检测受限。因此，与原来的基本吸收波长的测量比较，会导致灵敏度降低约三个数量级。

因此，在对环境气体、伴有危险性的气体等进行分析时，为了得到较高的检测灵敏度，中红外激光光源的开发是不可或缺的。最近报告中有在波长3μm附近产生中红外光、作为气体传感器确认动作的内容(例如，参考非专利文献6)。在气体传感器中使用的光源是使用具有周期调制结构的铌酸锂(LiNbO₃)波长变换元件，通过产生差频来产生中红外光。

但是，具有周期调制结构的波长变换元件仅能产生一个固定的波长的中红外光。因此，为了使波长可调以便一次能检测出多种的气体，已知的方法中有：(1)在一个波长变换元件中设置多种周期(例如，参考非专利文献7)的方法；(2)通过称为Fanout Grating的结构改变周期(参考上述非专利文献6)的方法；(3)使激发光向元件倾斜入射，改变有效的周期(例如，参考非专利文献8)的方法等。

这些方法虽然能够在较宽范围内扫描波长，但是必须将具有多种周期的元件束缚，所以存在需要大量的操作工序的问题。另外，在使激发光向元件倾斜入射的方法中，也存在很难在器件中形成波导结构以达到高效率化的问题。

本发明的第三目的在于提供使中红外区域的激光在波长2～3μm范围内可调的激光光源。

近年来，环境问题受到密切关注，特别是对二氧(杂)芑对人体的影响给予很大的关心。在二氧(杂)芑的产生源之一的燃烧炉中通过控制炉的燃烧状态能够抑制二氧(杂)芑的产生。为了监视燃烧状态，需要温度计、CO浓度计、氧浓度计。

检测气体浓度的一个已知方法是，对被测量气体照射激光，观察其吸收特性。由于各气体分别具有特有的吸收线，通过扫描具有吸收线附近的波长的激光，观察吸收光谱，能够检测气体浓度。此时，对激光的要求是：单色光，也就是说单模激光；适用于从几mW到几十mW的气体检测的输出；波长扫描稳定且可行；寿命长等。

使用于氧浓度计的激光在含有从波长759nm到768nm中存在多条的氧吸收线的波长区域113中，使用砷化镓系半导体激光器(例如，参考专利文献1)。砷化镓系半导体激光器是通过下述方式制成：在砷化镓基板上，生长晶格常数与砷化镓几乎相同的半导体晶体。

半导体激光器包括：与基板平行地制作有波导的边缘发光激光器，和与基板垂直地发射光的面发光激光器。在砷化镓系边缘发光激光器方面，已开发出具有较高输出功率的单模激光器，但是不具有控制其振荡波长的结构。因此，砷化镓系边缘发光激光器的振荡波长是由活性层的增益峰值和共振器的共振波形一致来决定的，因此当进行波长扫描时，容易产生纵波形突变，很难进行稳定的波长扫描。

已知的控制振荡波长的结构有：分布反馈(DFB)型，分布布拉格反射(DBR)型等。这些结构在半导体晶体中，需要在与基板平行的方向周期地制作具有不同折射率、即组成不同的半导体晶体。制作方法是，对半导体晶体的表面蚀刻出波型等的周期结构，在其上生成不同组成的半导体晶体。如果为了检测氧的浓度而在波长763nm下使之振荡，则必须抑制对该波长的吸收，需要使用铝浓度较高的晶体。但是，如果铝浓度过高，在制作周期性结构时存在晶体容易氧化等问题。

表面发光激光器是DBR型激光器的一种。表面发光激光器由于发光方向与基板垂直，所以采用在与基板垂直的方向上具有折射率分布的DBR结构就可以。换句话说，只要在基板上周期性地制作平行层状的、不同组分的半导体晶体即可。因为生长一次半导体晶体即可，所以制作很容易。但是，表面发光激光器在活性层的垂直方向有光通过，所以无法获得较大的增益。为了得到足够的输出，考虑了增加发光面积的方法，但是如果增加发光面积，就成为具有多个横波形的振荡，就不是单模了。如果抑制发光面积而进行单模的振荡，试图得到检测氧浓度所必需的mW级的发光强度，则发光所必要的电流集中在微小面积上，电流密度变高。因此，具有面发光激光器的寿命变短到仅为几个月的问题。

本发明的第四目的在于提供为氧吸收线的从759nm到768nm波长的高输出功能且长寿命的激光光源。

专利文献1：日本特开平6-194343号公报

专利文献2：美国专利第5,036,220号

专利文献3：日本特开平4-507299号公报

非专利文献1：久保谦一，鹿取谦二著“スピンと偏極”(旋光和偏振)，培風館，1994年10月31日、第21-24页；

非专利文献2：Harold J.Metcalf和Peter van der Straten“LaserCooling and Trapping”(激光冷却和捕捉)，Springer，1999年，第274页；

非专利文献3：G.Patterson等人，J.Cell Sci.(细胞科学期刊)，No.114，第837-838页(2001)；

非专利文献4：A.F.Fradkov等人，Biochem.J.(生物化学期刊)No.368，第17-21页(2002)；

非专利文献5：D.M.Chudakov等人，Nat.Biotechnol.(国家生物技术)No.21，第191-194页(2003)；

非专利文献6：D.Richter等人，Applied Optics(应用光学)，Vol.39，4444(2000)

非专利文献7：I.B.Zotova等人，Optics Letters(光学学报)，Vol.28，552(2003)

非专利文献8：C.-W.Hsu等人，Optics Letters(光学学报)，Vol.26，1412(2001)

非专利文献9：A.Yariv，“Quantum Electronics”(量子电子学)，3rdEd.(第三版)，第392-398页(1998)

非专利文献10：

http://laserfocusworld.365media，comilaserfocusworld/searchResultasp？cat＝48903/&d＝453&st＝1

非专利文献11：R.M.Schotland，Proc.3^rdSymp.on Remote Sensing ofEnvironment(关于远程环境监测的第三届研讨会)，215(1964)

非专利文献12：IEEE Photonics Technology Letters(IEEE光子学报)vol.11(1999)第653-655页

非专利文献13：Proceedings of the 15^th Annual Meeting of IEEE(第15届IEEE年会汇刊)，Lasers and Electro-Optics Society(激光和电气-光学协会)，2002(LEOS2002)，vol.1，第79-80页(2002)

发明内容

本发明提供了小型激光光源，通过高效率的非线性光学晶体和高输出的光通信用半导体激光器的组合，从而在半导体激光器中尚未被实际应用的波长区域中能够自由设计波长。

为了达到第一目的，根据本发明的激光光源包括：产生波长为λ₁的激光的第一激光器；产生波长为λ₂的激光的第二激光器；非线性光学晶体，其输入波长λ₁的激光和波长λ₂的激光，输出具有1/λ₁+1/λ₂＝1/λ₃关系的和频波长λ₃的相干光，其特征在于，和频波长λ₃等于钠D线的波长，即589.3±2nm。

为了达到第二目的，激光光源包括：产生波长为λ₁的激光的第一激光器；产生波长为λ₂的激光的第二激光器；非线性光学晶体，其输入波长λ₁的激光和波长λ₂的激光，输出具有1/λ₁+1/λ₂＝1/λ₃关系的和频波长λ₃的相干光，其特征在于，波长λ₁为940±10nm，波长λ₂为1320±20nm，和频波长λ₃等于黄色区域的波长，即546.1±5.0nm。

如果波长λ₁为980±10nm，波长λ₂为1320±20nm，则和频波长λ₃等于黄色区域的波长560.0±5.0nm。另外，如果波长λ₁为1064±10nm，波长λ₂为1320±20nm，则和频波长λ₃为相当于黄色区域的波长585.0±5.0nm。如果波长λ₁为940±10nm，波长λ₂为1550±30nm，则和频波长λ₃为相当于黄色区域的波长585.0±5.0nm。

为了达到第三目的，激光光源包括：产生波长为λ₁的激光的第一激光器；产生波长为λ₂的激光的第二激光器；非线性光学晶体，其输入波长λ₁的激光和波长λ₂的激光，输出具有1/λ₁-1/λ₂＝1/λ₃的关系的差频的波长λ₃的相干光，其特征在于，波长λ₁为0.9～1.0μm，非线性光学晶体具有单一的周期性极化反转结构，如果波长λ₂在1.3～1.8μm之间变化，则差频的波长λ₃在波长3.1～2.0μm之间变化。

为了达到第四目的，激光光源的特征在于包括：分布反馈型半导体激光器，其发出的激光具有在从波长759nm到768nm中存在的氧吸收线中选择的一个吸收线的波长的两倍的波长；具有二次非线性光学效果的光波导；偏振保持光纤，用于将分布反馈型半导体激光器的输出和光波导的一端连接。

附图说明

图1表示激光器的波长区域和输出之间关系。

图2表示钠原子的能级。

图3为本发明的一个实施方式的激光光源的方框图。

图4表示通过和频产生得到钠D线波长用激发激光器1和激发激光器2的波长的关系。

图5为根据本发明的实施例1-1的钠D线波长的激光光源的构成图。

图6为根据本发明的实施例1-2的钠D线波长的激光光源的构成图。

图7为根据本发明的实施例1-4的钠D线波长的激光光源的构成图。

图8为根据本发明的实施例1-5的钠D线波长的激光光源的构成图。

图9表示通过和频产生得到黄色区域波长用激发激光器1和激发激光器2的波长的关系图。

图10为根据本发明的实施例2-1的黄色区域的激光光源的构成图。

图11为根据本发明的实施例2-2的黄色区域的激光光源的构成图。

图12为根据本发明的实施例2-4的黄色区域的激光光源的构成图。

图13为根据本发明的实施例2-5的黄色区域的激光光源的构成图。

图14为表示假设周期为Λ，将波长λ₃作为参量而所求得的3dB区域的图。

图15为表示对周期Λ＝27μm，波长λ₁＝1.064μm时的波长λ₂的标准化变换效率η/η_o的图。

图16为表示根据本发明的一实施方式的产生中红外光的激光光源的方框图。

图17为表示实施例3-1的3dB区域的图。

图18为表示实施例3-1中输出的中红外光的偏振依赖关系的图。

图19为根据本发明的一实施方式的光吸收分析装置的方框图。

图20为表示根据实施例3-7的两波长差分吸收激光雷达的测量系统的图。

图21为表示实施例3-8的残留农药测量仪的测量系统的图。

图22为根据本发明的一实施方式的产生氧吸收线的波长的激光光源的方框图。

图23为表示输出具有透镜和滤光器的激光光源的方框图。

图24为输出具有光纤的激光光源的方框图。

图25为实施例4-1的激光光源的方框图。

图26为实施例4-2的激光光源的方框图。

图27表示单模的脊型波导的制作方法。

实施发明的最佳方式

以下参考附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。在本实施方式中，组合了高效率非线性光学晶体和高输出的光通信用半导体激光器。图3表示本发明的一个实施方式的激光光源。激光光源120具有：用于激发非线性光学晶体的两个激发激光器121，122，和产生和频或差频用非线性光学晶体123。根据波长将一个激发激光器的输出光输入到非线性光学晶体，也可利用二次谐波发生。

(第一实施方式)

在用非线性晶体产生和频中，如果两个激发光的波长为λ₁，λ₂，则和频波长λ₃由下式给出。

1/λ₃＝1/λ₁+1/λ₂    (1)

为了产生相当于钠D1线、D2线的和频光，需要在(1)式中选择λ₁，λ₂，使λ₃＝589.592nm或588.995nm，并组合两个波长的激发激光器121，122和非线性光学晶体123。

另外，为提高和频的产生效率，在非线性晶体内的两个入射光(λ₁，λ₂)及和频光(λ₃)的传播常数k_i＝2πn_i/λ_i(i＝1，2，3)之间须满足：

k₃＝k₁+k₂    (2)

这里，n_i是λ_i的非线性晶体的折射率。但是，由于光学介质存在分散特性，(2)式仅在特定情况下才能满足。具体的方法有：改变入射光和和频光中的任一偏光方向，采用寻常光折射率和异常光折射率的方法(例如，非专利文献9)。另外还有在非线性光学晶体中形成周期性极化结构，通过准相位匹配达到变换效率的高效率化的方法。

和频光的产生强度与两个激发激光器强度之积成正比，因此两个激发激光器的选择要使得其波长的组合满足(1)式，而且使用高强度的激光器。现有的半导体激光器(例如，非专利文献10中所总结的)中，实现大输出功率的波段为(1)940nm带，(2)980nm带，(3)1060nm带，(5)1480nm带。另外，(4)1300nm带，(6)1550nm带也开发了100mW级的半导体激光器。特别是在(4)、(5)、(6)的区域中开发有DFB(Distributed FeedBack：分布反馈)激光器，实现了单纵模振荡和波长稳定化。另外，在800nm～880nm区域也开发了高输出半导体激光器，如果将该区域的半导体激光器用作激发激光器1，则激发激光器2的波长为1780nm以上。在这样的波长区域中，很难实现大输出且可靠性高的半导体激光器，因此被排除。

图4表示通过和频产生得到钠D线的波长用的激发激光器1和激发激光器2的波长的关系。激发激光器1的波长取λ₁，激发激光器2的波长取λ₂，得到和频光的关系由曲线30表示。另外，将从上述(1)到(6)的激发激光器1的区域做成1-(1)、1-(2)、1-(3)、1-(4)、1-(5)、1-(6)，并进行了阴影处理。同时，将上述(1)到(6)的激发激光器2的区域做成2-(1)、2-(2)、2-(3)、2-(4)、2-(5)、2-(6)，并进行了阴影处理。根据图4，利用激发激光器1和激发激光器2从1-(1)至1-(6)的任一个与2-(1)到2-(6)的任一个在曲线30上相交的组合，可以提高和频产生的效率。

从(1)到(6)的区域做成：

(1)940±10nm；

(2)980±10nm；

(3)1060±10nm；

(4)1280nm～1350nm；

(5)1480±10nm；

(6)1530nm～1600nm。

这里，(5)是光通信O带，(6)是C带。这两个波段在波分复用通信技术(WDM)中是用的最广的区域，很容易得到大输出功率且可靠性高的半导体激光器等光学部件。

应该知道，即使是将激发激光器1和激发激光器2的波长颠倒，从1-(1)到1-(6)的任一个和2-(1)到2-(6)的任一个在曲线30上相交的组合的和频的波长仍为相同。根据其结果，如果(1)和(6)、(2)和(5)、(3)和(4)的组合在曲线30上交叉且使用该组合，则可知能够有效地产生钠D线的波长。

一般激光器的形式中有单模振荡和多模振荡，和频产生光的特性是由两个激发半导体激光器的特性决定的。为了进行单模振荡，需要使两个激发半导体激光器也进行单模振荡。为此，需要使用具有DFB结构的半导体激光器或者将光纤布拉格光栅用作共振器结构的激光器。另外，在多模振荡的情况下，能够通过使用光纤法布里-佩洛型半导体激光器、和将具有半值全幅0.1nm～0.5nm程度的反射光谱的光纤布拉格光栅用作共振器结构的半导体激光器来实现。

作为非线性光学晶体，只要是非线性光学常数大且用作激发的两个激光器波长和钠D线波长透明就行，可列举出铌酸锂(LiNbO₃、LN)、钽酸锂(LiTaO₃、LT)等。而且，这些非线性光学晶体为了高效地产生和频，最好具有周期性的极化结构和波导结构。

周期性极化结构是指按照周期Λ将极化的方向相对于光的行进方向反转180度的光栅结构。利用该结构，可满足相位不匹配量为0的准相位匹配条件。波长λ₁，λ₂，λ₃中的非线性光学晶体的折射率分别取n₁，n₂，n₃，如果形成满足

2πn₃/λ₃＝2πn₁/λ₁+2πn₂/λ₂+2πn₂/Λ    (3)

的周期Λ的周期性极化结构，则可使和频光的产生效率最大。

另外，在非线性光学晶体中如果形成波导，则能够有效封闭来自激发激光器的入射光，能够高效率地产生和频光。周期性极化结构可利用电场施加法实现，波导结构能够用质子交换法、干法腐蚀、或切割锯的机械加工法实现。对于波导的制作方法，在后面的第五实施方式中进行描述。

为了产生和频光，需要两个半导体激光的结合和LN波导的结合。这些技术已经确立为光通信用设备技术，在实现上没有大的障碍。

例如，现有的半导体DFB激光器的线宽是1MHz，使用了光纤布拉格光栅的外部镜共振器型半导体激光器的线宽是100kHz程度。这些用作激发激光器的情况下的和频光的线宽是由两个激发光线宽的积分给出的，为几个MHz以下。用干涉法测量钠D线(波长589.3nm，频率约为500THz)的折射率时，其测量精度由使用的激光的频率和线宽的比给出的，如果线宽为5MHz，则测量精度为10^-8。因此，根据本实施方式，钠D线的折射率测量可比现在情况提高两个数量级。

如上所述，在改善非线性光学晶体的特性的同时，通过现有激光器装置的选择，能够高效率、稳定地产生钠D₁线、D₂线波长的相干光，可实现激光光源的小型化，提高折射率测量精度。

(实施例1-1)

图5表示本发明的实施例1-1的钠D线波长的激光光源。该激光光源包括：两个激发激光器140，141；周期性地极化的LN 144；对激发激光器140，141的激光进行校准的透镜142a，142b；对两个激光进行合波的合波器143；将透过LN 144的激发激光器140，141的激光和在LN 144产生的和频光进行分离的滤光器145。

激发激光器140的波长λ₁，激发激光器141的波长λ₂的组合满足：

1/λ₁+1/λ₂＝1/(589.3±2.0)

而且λ₁，λ₂的范围为满足

λ₁＝976±10nm、λ₂＝1485±20nm

λ₁＝1064±10nm、λ₂＝1320±20nm

λ₁＝940±10nm、λ₂＝1565±35nm

中的任一种。λ₂的半导体激光器也可以是DFB激光器。

当激发激光器140的波长λ₁＝1064nm、向LN 144的入射强度为50mW，激发激光器141的λ₂＝1320nm、向LN 144的入射强度为70mW时，可得到波长λ₃＝589.1nm、输出为20μW的和频光。

(实施例1-2)

图6表示根据本发明的实施例1-2的钠D线波长的激光光源。与实施例1-1的激光光源的区别在于非线性光学晶体。非线性光学晶体使用了在LN晶体中形成了波导的周期性极化LN波导151。另外，还具有：透镜150，将入射光高效率地连接至周期性极化LN波导151；透镜152，对周期性极化LN波导151发出的出射光进行校准。

当激发激光器140的波长λ₁＝1064nm、向LN144的入射强度为50mW，激发激光器141的λ₂＝1320nm、向LN 144的入射强度为70mW时，可得到波长λ₃＝589.1nm、输出为10mW的和频光。

(实施例1-3)

在实施例1-1及实施例1-2的构成(图4、图5)中，将激发激光器140改用波长1064nm附近的Nd离子的激光器(例如：Nd:YAG激光器)，将激发激光器141改用1300±10nm的半导体激光器。

(实施例1-4)

图7表示根据本发明的实施例1-4的钠D线波长的激光光源。在实施例1-2的构成中，为了将两个激光连接至周期性极化LN波导151，使用了偏振保持光纤(或单模光纤)161a和161b、163和合波器162。从偏振保持光纤163发出的光直接入射到周期性极化LN波导151的端面，或通过透镜164与该端面相接。

(实施例1-5)

图8表示根据本发明的实施例1-5的钠D线波长的激光光源。是实施例1-4的进一步的应用例。激发激光器170，171对射出侧端面170a，171a施加反射率为2％以下的AR涂覆，对相反侧的端面170b，171b施加反射率为90％以上的HR涂覆。激发激光器170，171的输出通过透镜172在端面或光纤的中途与形成了光纤布拉格光栅的偏振保持光纤(或者单模光纤)173，174相接。这样，在端面170b，171b的HR涂覆和光纤布拉格光栅之间形成共振器。

这些激光器的振荡波长通过光纤布拉格光栅的反射光谱来控制。这时，光纤布拉格光栅的反射光谱的中心波长是：

976±10nm、1485±20nm

1064±10nm、1320±20nm

940±10nm、1565±35nm

中的任一种，其线宽(整个宽度为最大值的一半)是0.3nm以下。

(第二实施方式)

根据本发明的一个实施方式的黄色区域的激光光源的构成如图3所示。为了产生相当于黄色区域的和频光，需要选择λ₁，λ₂，使(1)式中λ₃＝546.1nm、560.0nm或585.0nm，将两个波长的激发激光器21，22和非线性光学晶体23进行组合。

图9中表示通过和频产生得到黄色区域波长用激发激光器1和激发激光器2的波长的关系。激发用激光器1的波长为λ₁，激发用激光器2的波长为λ₂，用曲线30表示用于得到和频光的关系。另外，将上述(1)到(6)的激发激光器1的区域1-(1)，1-(2)，1-(3)，1-(4)，1-(5)，1-(6)加上阴影。同时，将上述(1)到(6)的激发激光器2的区域2-(1)，2-(2)，2-(3)，2-(4)，2-(5)，2-(6)加上阴影。(1)到(6)的区域与图4相同。

根据图9，通过1-(1)到1-(6)的任一个和2-(1)到2-(6)的任一个在λ₃＝546.1nm的曲线21上交差的组合、在λ₃＝560.0nm的曲线22上交差的组合、或者在λ₃＝585.0nm的曲线23上交差的组合，激发激光器1和激发激光器2能够高效率地产生和频。

对于1-(1)至1-(6)中的任一个和2-(1)至2-(6)中的任一个在曲线21～23上交差的组合，应当考虑到即使将激发激光器1和激发激光器2的波长颠倒，其和频的波长也是相同的。根据其结果，如果用(1)和(4)，(2)和(4)，(3)和(4)，(1)和(6)的组合，可知能够有效地产生黄色区域的波长。

如上所述，在改善非线性光学晶体特性的同时，通过选择现有激光器装置，能够高效率且稳定地产生黄色区域的相干光，可实现激光光源的小型化，提高折射率测量的精度。

(实施例2-1)

图10表示本发明的实施例2-1的黄色区域的激光光源。该激光光源包括：两个激发激光器240，241；周期性极化的LN 244；对激发激光器240，241的激光进行校准的透镜242a，242b；对两个激光进行合波的合波器243；对激发激光器240和241的透过LN 244的激光和在LN244产生的和频光进行分离的滤光器245。

激发激光器240的波长λ₁和激发激光器241的波长λ₂的组合满足：

1/λ₁+1/λ₂＝1/(546.1±5.0)

而且，λ₁，λ₂为上述(1)和(4)的组合，满足

λ₁＝940±10nm、λ₂＝1320±20nm

的范围，λ₂的半导体激光器也可以是DFB。

当激发激光器240的波长λ₁＝940nm、向LN 244入射强度为40mW，激发激光器241的λ₂＝1320nm、向LN244入射强度为70mW，可得到波长λ₃＝546.1nm、输出为20μW的和频光。

(实施例2-2)

图11表示本发明的实施例2-2的黄色区域的激光光源。与实施例2-1的激光光源的区别在于非线性光学晶体。非线性光学晶体使用了在LN晶体中形成波导的周期性极化LN波导251。另外，还包括能使入射激光与周期性极化LN波导251有效地相连接的透镜250，以及用于对周期性极化LN波导251射出的光进行校准的透镜252。

当激发激光器240的波长λ1＝940nm、向LN 251的入射强度为40mW，激发激光器241的λ2＝1320nm、向LN 251的入射强度为70mW时，可得到波长λ₃＝546.1nm、输出为10mW的和频光。

(实施例2-3)

在实施例2-1和实施例2-2的构成(图10，图11)中，激发激光器240采用使用波长1064nm附近的Nd离子的激光器(例如，Nd:YAG激光器)，激发激光器241采用1320±20nm的半导体激光器。因此，形成上述(3)和(4)的组合，能够得到波长λ₃＝585.0nm的黄色区域的和频光。

(实施例2-4)

图12表示本发明的实施例2-4的黄色区域的激光光源。在实施例2-2的构成中，为了将两个激光与周期性极化LN波导251相连接而使用了偏振保持光纤(或者单模光纤)261，263和合波器262。偏振保持光纤263放射的光直接入射到周期性极化LN波导251的端面，或者通过透镜264而连接到该端面。

(实施例2-5)

图13中表示本发明的实施例2-5的黄色区域的激光光源。是实施例2-4的进一步的应用例。在激发激光器270，271中，在其出射侧端面270a，271a实施了反射率为2％以下的AR涂覆，在其反射侧的端面270b，271b实施了反射率为90％以上的HR涂覆。激发激光器270，271的输出通过透镜272a，272b与在端面或者光纤的中途形成光纤布拉格光栅的偏振保持光纤(或者单模光纤)273，274连接。这样，在端面270b，271b的HR涂覆和光纤布拉格光栅之间形成共振器。

根据光纤布拉格光栅的反射光谱对各激光器的共振波长进行控制。此时，光纤布拉格光栅的反射光谱的中心波长取：

940±10nm，1320±20nm

980±10nm，1320±20nm

1064±10nm，1320±20nm

940±10nm，1550±30nm

中的任一种，其线宽(最大值一半的总宽度)取0.3nm以下。

(第三实施方式)

在通过使用非线性光学晶体和两个激发激光的差频产生来产生中红外光的方法中，两个激发激光的波长λ₁，λ₂和产生的中红外光的波长λ₃的关系由：

[公式1]

1/λ₃＝1/λ₁-1/λ₂    (3)

给出。这里，没有限定λ₁和λ₂的大小关系，但是为了方便起见，为使λ₃＞0，取λ₁＜λ₂。为了高效率地产生差频光λ₃，需满足

[公式2]

k₃＝k₁-k₂    (4)

的相位匹配条件。在(4)式中，k_i(i＝1，2，3)是非线性晶体内传播的各激光的传播常数，如果将k_i的非线性光学晶体的折射率取n_i，则

[公式3]

$k_i=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_i}{n}_i---\left(5\right)$

但是，根据晶体所具有的分散特性一般很难满足(4)式。

为了解决这个问题，使用着使非线性晶体周期性地极化的准相位匹配法。准相位匹配法对LiNbO₃那样的强介质晶体有利，这些非线性光学常数的符号对应于自发极化的极性。将该自发极化向光的传播方向以周期Λ进行调制时，相位匹配条件可用下式表示：

[公式4]

$k_3=k_1-k_2-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}---\left(6\right)$

在激发光使用特定的波长λ₁，λ₂时，能够同时满足(3)、(6)式，高效率地产生差频光λ₃。

但是，在改变波长λ₁，λ₂而想得到不同波长λ₃的差频光时，在波长λ₁，λ₂有变动的情况下，不能满足(6)式，差频光λ₃的强度降低。这里，考虑波长λ₁，λ₂，λ₃和周期Λ和差频光的产生效率η之间的关系。首先，相位不匹配量Δk定义为：

[公式5]

$\mathrm{\Δk}=k_3-k_1+k_2+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}---\left(7\right)$

此时，试样长度取1，差频光的产生效率取η，根据Δk和1的积定义为：

[公式6]

$\mathrm{\η}={\mathrm{\η}}_0\frac{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\Δkl}}{2}\right)}{{\left(\frac{\mathrm{\Δkl}}{2}\right)}^2}---\left(8\right)$

在(8)式中，η₀是Δk＝0时的差频光的产生效率，由LiNbO₃等晶体的非线性光学常数、激发光强度、试样长度等决定。因此，在同一试样中，因为周期Λ已经固定，波长λ₁或λ₂的变化使Δk进行增减，带来产生效率η的降低。对给定的周期Λ，η≥0.5η₀，即，满足

[公式7]

$\frac{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\Δkl}}{2}\right)}{{\left(\frac{\mathrm{\Δkl}}{2}\right)}^2}\≥0.5---\left(9\right)$

的波长λ₁，λ₂的区域称作周期Λ的3dB区域。如果该3dB区域能取得很大，则能使差频光λ₃的波长改变而不会降低产生效率η。

在下面的讨论中涉及使用了z-cut(Z-切割)LiNbO₃并且两个激发光和差频光的偏光方向均为晶体的c轴方向的情况。此时，两个激发光、差频光的传播特性由异常光折射率n_e决定。n_e由赛米尔方程式(与折射率相关的方程式)给出：

[公式8]

${n_e}^2\left(\mathrm{\λ}\right)=4.5567-2.605\×{10}^{-7}{T}^2+\frac{0.097+2.7\×{10}^{-8}{T}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{(0.201+5.4\×{10}^{-8}{T}^2)}^2}-2.24\×{10}^{-2}{\mathrm{\λ}}^2---\left(10\right)$

这里，T是温度(K)，波长λ的单位是μm。

图1 4表示假设周期为Λ、波长λ₃作为参量所求得的3dB区域。对波长λ₁，λ₂的3dB区域根据(1)，(5)和(7)式给出。室温下，从(3)式计算的差频光波长λ₃＝2.0μm，2.5μm，3.0μm，3.5μm，4.0μm，4.5μm，5.0μm，5.5μm，6.0μm的波长λ₁，λ₂的关系用虚线表示。另外，周期Λ＝26μm，27μm，28μm，29μm，30μm所对应的3dB区域根据(7)和(9)式来求，各区域用阴影来表示。元件长度为10mm。

完全满足相位匹配的η＝η_o位于3dB区域的大致中央的部分。也就是说，在具有周期Λ的周期性极化结构的LiNbO₃的差频光产生中，使用周期Λ的准相位匹配元件。在得到所期望的差频光λ₃时，可知η＝0.5η_o时的波长λ₁，λ₂是从(3)，(7)和(9)式得到，并在周期Λ的3dB区域和给出所期望的差频光λ₃的(3)式的曲线的交点上给出。

作为一个例子，可考虑使用具有周期Λ＝28μm的周期极化结构的LiNbO₃，产生波长λ₃＝3.0μm的差频光的情况。波长λ₃＝3.0μm的虚线和周期Λ＝28μm的3dB区域交叉的波长λ₁，λ₂的区域(图中用A的O所圈住的部分)是η＝0.5η_o。

下面说明具体的条件。差频光产生中的产生强度与两个激发光强度之积成比例。因此，在至今为止的报告中，主要使用了容易得到高强度的Nd:YAG激光器(波长1.064μm)。这里，考虑波长λ₁＝1.064μm，通过改变波长λ₂来实现波长可调的差频光λ₃。在使用具有周期Λ的周期性极化结构的LiNbO₃试样时，在图14中用阴影表示的周期Λ的3dB区域，和波长λ₁＝1.064μm的直线B交叉的区域的波长λ₂处，η＝0.5η_o。

图15表示对周期Λ＝27μm、波长λ₁＝1.064μm时的标准化变换效率η/η_o。满足η＝0.5η_o的波长λ₂的宽幅只有2nm左右，因此差频光λ₃的波长的可调量限制在20nm左右。在将周期Λ改为28μm，29μm，30μm时，如果波长λ₁＝1.064μm，则在任何情况下满足η＝0.5η_o的波长λ₂的宽幅也只有2nm，差频光λ₃的波长可调量也同样受到限制。

但是，参见图14，可知道如果固定波长λ₁而改变波长λ₂，则存在能够大幅度扩大差频光λ₃的波长可变区的区域。即，如果波长λ₁恒定的直线和周期Λ的3dB区域在更广范围交叉，则差频光λ₃的波长可变区的宽幅急增。周期Λ＝25.5μm～29μm的3dB区域在波长λ₁＝0.9μm～1.0μm处几乎与纵轴平行，并在该波长0.9μm～1.0μm区域与波长λ₁一定的直线广范围交叉。即，即使使用具有单一的周期Λ的极化结构LiNbO₃，如果将波长λ₁固定在0.9μm～1.0μm的范围而使波长λ₂在1.3μm～1.8μm的区域变化，则差频光λ₃在波长1.3μm＜λ₂＜1.8μm的几乎所有的范围内满足相位匹配条件，能够高效率地使波长可调。

例如，当周期Λ＝27μm、波长λ₁＝0.94μm时，对波长λ₂的标准化变换效率在波长λ₂＞1.43μm的区域中η＝0.5η_o，在波长基本为2μm-3μm的较广波长范围内可产生差频光。另外，在波长λ₃＝3μm附近，如后述那样，通过温度的调整，在一个周期Λ就能够使之产生。

如上所述，通过包括第一激光器、第二激光器、具有一个周期的极化结构的非线性光学晶体，在1.3～1.8μm之间改变一个激光器的波长，由此，可使中红外区域的激光在波长2～3μm的范围内可调。

(实施例3-1)

图16表示本发明的一个实施例的产生中红外光的激光光源。激光光源包括：波长为λ₁的半导体激光器(λ₁＝0.94带)310；波长为λ₂(在λ₂＝1.45～1.60μm带波长可调)的半导体激光器311；将半导体激光器310，311的输出光合波的合波器318；LiNbO₃晶体块(bulk)321，对合波的输出光进行输入，并具有可产生差频光即中红外光的单个周期的极化结构。半导体激光器310的输出通过连接透镜312，313和偏振保持光纤316连接到合波器318。半导体激光器311的输出通过连接透镜系统314，315和偏振保持光纤317连接到合波器318。

半导体激光器310在其端面310A上形成90％以上的高反射膜，相反侧的端面310B上形成反射率为2％以下的低反射膜。偏振保持光纤316设置了光纤布拉格光栅316A，提高了波长稳定性。另外，根据需要，可在偏振保持光纤317的中途连接光纤放大器而增大半导体激光器311的输出光。

另外，合波器318的输出通过光纤319和连接透镜系统320连接到LiNbO₃晶体块321。另外，为了测量作为中红外光的输出光，LiNbO₃晶体块321的输出通过连接透镜322，324和光纤323与分光器325连接。

如图1 4的直线所示，如果波长λ₁＝0.94μm带，则当LiNbO₃晶体块321的周期Λ为27μm时，即使在1.45～1.60μm的范围改变半导体激光器3 11的波长，也可在一个周期Λ得到上述的3dB区域。换言之，通过一个周期Λ能够在较宽的波长范围内得到中红外光。如果在波长λ₁＝0.94μm的带中，在1.45～1.60μm的范围内改变波长λ₂，则产生的中红外光的波长λ₃可达到2.3～2.7μm的宽范围。

图17中表示实施例1的3dB区域。纵轴是中红外光强度，横轴是半导体激光器311的波长λ₂。从图14的计算结果可预见，通过由一个周期Λ构成的LiNbO₃晶体块321，在1.45μm＜λ₂＜1.60μm的较宽波长范围内，能够得到具有几乎一定强度的中红外光。半导体激光器311的输出在所有的波长区域都是一定的。1.45μm＜λ₂＜1.60μm的变化对应于中红外光的2.7μm＞λ₃＞2.3μm的变化。产生的中红外光的波长通过分光器325来确认。本实施例中，使用了元件长度10mm的LiNbO₃晶体块321，在所有的波长域的变换效率都是1％/W。

在进行本实施例的差频产生实验时，当两个激发光的偏光方向一致时产生最大的中红外光。这里，如果固定半导体激光器310的偏光方向，将半导体激光器311的偏光方向倾斜角度θ，半导体激光器310的光强度为I₁，半导体激光器311的光强度为I₂，则中红外光的光强度I₃成为：

[公式9]

I₃∝I₁I₂cos²θ    (11)

(11)式是确认中红外光的产生的手段。图18表示实施例3-1中输出的中红外光的偏振依赖关系。通过实验确认了与计算结果几乎一致的结果。

(实施例3-2)

在实施例3-1中输出的中红外光的波长范围是2.3～2.7μm，但是可通过改变LiNbO₃晶体的周期Λ来再扩大波长区域。在实施例3-2中，将图16所示的LiNbO₃晶体块321的周期Λ取为26μm。将半导体激光器310做成在波长0.91μm带中在微小范围内波长可调的装置，将半导体激光器311做成在波长1.30～1.68μm带的较宽范围内波长可调的装置。

3dB区域通过由一个周期Λ构成的LiNbO₃晶体块321在1.30μm＜λ₂＜1.68μm的较宽范围内能够得到具有基本一定强度的中红外光。通过使波长λ₂在1.30～1.68μm内变化，能够得到中红外光的波长λ₃为3.1～2.0μm。本实施例中，使用了元件长度为10mm的LiNbO₃晶体块321。变换效率在整个波长区域为1％/W。

另外，从(10)式可知，LiNbO₃晶体的折射率随温度而变化，所以有效的周期Λ也随，产生变化。因此，如果细微调整LiNbO₃晶体的温度，则即使用具有一个周期Λ的LiNbO₃晶体产生差频，也能够改变有效的一个周期Λ，所以能够保持高变换率。如图14所示，在固定半导体激光器310的波长的情况下，存在不能将变换效率保持较高的区域(例如，周期Λ＝28，29μm，特性曲线与纵轴不完全平行的区域)。因此，调整LiNbO₃晶体块321的温度，可经常将使半导体激光器310的波长有效的周期Λ最优化，能够保持高的变换效率。

在实施例3-2中，通过适当的温度调整，周期Λ在25.5～29.3μm之间以0.1μm的间隔变化，使用具有周期Λ的LiNbO₃晶体块321产生差频。其结果，每个周期Λ在波长0.9～1.0μm的范围内适当选择波长λ₁，如果与此配合，使波长λ₂在1.27～1.80μm的范围内变化，则在3.1～2.0μm的范围内可连续得到中红外光的波长λ₃。但是，如图14所示，周期Λ超过28.5μm处开始特性曲线与纵轴平行的部分减少，因此，得到一定强度的差频光所需要的温度控制的作用随之变大。温度变化100度相当于波长λ₁的0.005μm的变化量。

(实施例3-3)

如果将波长变换元件从块状的LiNbO₃晶体变成波导型，与实施例3-1，3-2采用同样构成，则能够效率更高地得到中红外光。在实施例3-3中，使用了将图16所示的LiNbO₃晶体块321变成波导元件的光学系统。LiNbO₃波导的元件长度取10mm、芯的截面尺寸为8μm×8μm，周期Λ为26μm。半导体激光器310在0.91μm带的微小范围内波长可调，半导体激光器311在1.3～1.65μm带的大范围内波长可调。

波导元件的3dB区域在适当的温度调整下，相对于波长λ₁＝0.91μm带，在1.3μm＜λ₂＜1.65μm的较宽的波长范围内，在波长范围3.1～2.0μm能够得到强度基本恒定的中红外光λ₃。变换效率在全波长区域提高，与块状元件相比，显示出提高了两个数量级。

另外，在25.5～29.3μm之间以间隔0.1μm改变周期Λ，在适当的温度调整下，用具有周期Λ的LiNbO₃波导产生中红外光。结果，每隔周期Λ在0.9～1.0μm的范围内适当选择波长λ₁，与此配合，如果使波长λ₂在1.27～1.80μm变化，则在3.1～2.0μm范围内能够连续得到中红外光的波长λ₃。

(实施例3-4)

如图14所示，相位匹配曲线具有产生急剧弯曲的区域。如果利用该区域，则从波长可调性方面来看没有大的优点。但是，在产生差频时，可大大改善对两个激发光的波长稳定性的偏差容许度，特别是对短波长侧的半导体激光器的偏差容许度的改善有效果。例如，图14中，周期Λ＝27μm时，半导体激光器11的λ₂在1.45～1.8μm的区域，波长λ₂即使变化，也不会离开3dB区域，半导体激光器310的波长λ₁成为由于其微小变动离开3dB区域的原因。但是，当波长λ₂在1.35μm附近的弯曲部中时，具有即使是在半波长侧的波长λ₁，也可将对于3dB区域的波长变动的容许量增加到两倍的优点。LiNbO₃晶体块321的温度调整量也减少。这里，对波长λ₂容许量减少，但是尽管如此，从通常市场中销售的激光光源的稳定性来看，宽度也是足够的。

在实施例3-4中，使用了除去半导体激光器310的端面310A，310B的反射膜和偏振保持光纤316的光纤布拉格光栅316A的光学系统。光纤布拉格光栅是能够选择得到所设计波长的光的装置。在实施例3-1中，由此抑制了波长λ₁的变动。因此，如果除去光纤布拉格光栅316A，则有时也很难得到稳定的3dB区域。因此，在实施例3-4中，即使没有这样的稳定波长的构成，也不会超出3dB区域以外，能够十分稳定地动作。这里，LiNbO₃晶体块321的周期Λ取为27μm，半导体激光器310的波长取为0.945μm，半导体激光器311的波长取为1.35μm。

(实施例3-5)

根据本发明的产生中红外光的激光光源，能够精确地检测出环境气体中的NO_x。NO_x气体的基本吸收是波长5μm以上，考虑LiNbO₃的吸收特性(波长5.4μm以上的光很难透射)，很方便利用下面的反应式：

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O   (12)

6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O    (13)

即，NO_x在催化剂下通过NH₃分解，通过调节消耗的NH₃或者新产生的H₂O能够间接地计算出NO、NO₂的浓度。另外，也能利用NO、NO₂的基本吸收的泛频在波长为2～3μm这一点来检测。因此，只要是在波长2～3μm内可调波长的激光光源，均可检查出上述气体的吸收。各气体的波长2～3μm的主要的基本吸收波长、波数、吸收的名称如下。

H₂O 2.662μm 3756cm^-1反对称伸缩振动

H₂O 2.734μm 3657cm^-1全对称伸缩振动

NH₃ 2.904μm 3444cm^-1二次简并振动(二重縮重振動)

NH₃ 2.997μm 3337cm^-1全对称振动

NO 5.330μm 1876cm^-1反对称伸缩振动 泛频＝2.665μm

NO₂ 6.180μm 1618cm^-1反对称伸缩振动 泛频＝3.090μm

图19表示本发明的一实施方式的光吸收分析装置。特别是表示检测NO_x气体浓度用光学系统。封入了被检测气体的气体单元344利用了两端的反射镜而具有最大18m的光路长度。反应气体通过泵345从气体除去管346向气体单元344引导，通过泵347排出到排气管348。如果利用泵，则能够改变气体单元内的压力。气体除去管346根据(12)式或(13)式的反应，除去NO_x。检测器349是中红外光用的HgCdTe检测器。

激光光源包括：波长为λ₁的半导体激光器(固定在λ₁＝0.91μm带)330；波长为λ₂(在λ₂＝1.28～1.46μm范围波长可调)的半导体激光器331；对半导体激光器330，331的输出光合波的合波器338；输入合波的输出光，产生中红外光的周期Λ＝26μm的LiNbO₃晶体块341。半导体激光器330的输出通过连接透镜系统332，333和偏振保持光纤336与合波器338连接，半导体激光器331的输出通过连接透镜系统334，335和偏振保持光纤337与合波器338连接。

半导体激光器330在其端面330A上形成90％以上的高反射膜，在相反侧的端面330B上形成反射率为2％以下的低反射膜。在偏振保持光纤336中设置有光纤布拉格光栅336A，提高了波长稳定性。合波器338的输出通过光纤339和连接透镜340与LiNbO₃晶体块341连接。LiNbO₃晶体块341的输出通过连接透镜系统342和光纤343连接到气体单元344。

在实施例3-5中，表示最初伴随NO₂气体的除去的测量结果。测量分成下面三个步骤进行。

(i)不加入催化剂、NH₃气体，仅将NO₂气体导入气体除去管；

(ii)不加入催化剂、加入NH₃气体，将NO₂气体导入气体除去管；

(iii)加入催化剂和NH₃气体，将NO₂气体导入气体除去管。

在步骤(i)中调整半导体激光器331的波长，在波长调整到1.290μm时，根据还没有产生化学反应，在波长3.090μm中能够检测出NO₂的反对称伸缩振动的谐音吸收。另一方面，即使再次调整半导体激光器331的波长而与NH₃或H2O的吸收波长配合，也观察不到这两个吸收。

在步骤(ii)中，即使加入NH₃，由于没有催化剂，所以不能进行反应，观察到未反应的NO₂和NH₃的吸收。但是，到步骤(iii)，由于加入催化剂，所以开始进行化学反应，NO₂被除去，消耗了NH₃，由此NO₂和NH₃的吸收开始减少，取而代之，可观察新生成的H₂O的吸收。进而，在加入了过多的NH₃的情况下，NO₂的吸收完全消失，过量加入的NH₃和新生成的H₂O的吸收增大。

这里，利用(13)式，在步骤(iii)，能够定量地测量NO₂的浓度。也就是说，如果加入多量的NH₃，则NO₂的吸收减少，出现多加入的NH₃和新生成的H₂O的吸收。通过计算直到NO₂的吸收为零时、过量的NH₃的吸收的开始时、或者H₂O的吸收强度增大后开始获得一定值时的任一种情况为止加入的NH₃量，则根据(13)式可计算出气体除去管中所包括的NO₂的浓度。

由于对于NH₃的浓度，仅测量加入的量就行了，所以能够正确测量。在实施例3-5中，使用整体长度为10mm的LiNbO₃晶体块341时，NO₂的最少检测浓度是在100托(Torr)时为1ppm。另外，使用10mm长的波导时，NO₂的最少检测浓度能够降低到10ppb状态。

NO气体的检测利用(12)式也很方便，在气体除去管346加入NH₃和O2，如果计算NO的吸收为零时、过量的NH₃的吸收的开始点、或者H₂O的吸收强度增大后开始获得一定值时的NH₃量，可算出NO的浓度(这里，看不到O₂的吸收)。但是，NO的谐音吸收和H₂O的反对称伸缩振动吸收的波长极为接近，所以主要利用H₂O的全对称伸缩振动吸收和NH₃的吸收。NO气体的最少检测浓度也与NO₂几乎相同。

在实施例3-5中，因为对LiNbO₃晶体整体314只用一个周期Λ就行，测量极为简便、迅速。另外，只要是能检查是否有NO、NO₂气体，可以不测量NH₃的量，可仅查出吸收峰值的有无。因此，测量更加简便、迅速。

(实施例3-6)

如果使用在2～3μm范围内波长可调的中红外区域的激光光源，构成NO_x、CO₂、CO等气体计，则可用一台光源测量多种类的气体浓度。这里，对同时检测NO、NO₂、CO、CO₂四种气体的情况进行描述。所涉及的各气体的基本吸收波长、波数、吸收的名称、泛频吸收波长如下：

CO₂ 4.257μm 2349cm^-1反对称伸缩振动泛频＝2.129μm；

CO 4.666μm 2143cm^-1伸缩振动 泛频＝2.333μm；

NO 5.330μm 1876cm^-1反对称伸缩振动 泛频＝2.665μm；

NO₂ 6.180μm 1618cm^-1反对称伸缩振动 泛频＝3.090μm；

H₂O 2.662μm 3756cm^-1反对称伸缩振动；

H₂O 2.734μm 3657cm^-1全对称伸缩振动；

NH₃ 2.904μm 3444cm^-1二次简并振动；

NH₃ 2.997μm 3337cm^-1全对称振动。

本实施例中，通过下述三个步骤依次除去各种气体，测量气体浓度。其构成与图19所示的实施例3-5相同。

(a)不加入催化剂和除去用气体，将NO、NO₂、CO₂、CO导入气体除去管；

(b)加入催化剂和NH₃、O₂气体，除去NO，NO₂；

(c)在上述(b)中，在NO、NO₂除去后，加入O₂气体，使CO燃烧。

在步骤(a)中，气体除去管346中没有进行任何化学反应，在波长为2～3μm的条件下，观测NO、NO₂、CO₂、CO气体的泛频吸收。

进入步骤(b)，NO、NO₂被除去，对应于NH₃的消费，这些气体的吸收开始减少，取而代之的是，观察新生成的H₂O的吸收。最后，在加入了过量的NH₃、O₂的情况下，NO、NO₂的吸收完全消失，过量的NH₃和新生成的H₂O的吸收增大(这里，看不到O₂的吸收)。在步骤(c)中，根据下述反应式(14)，随着CO的燃烧，CO₂的吸收增大。

2CO+O₂→2CO₂    (14)

在步骤(b)中，能够定量地测量NO和NO₂的合计浓度。即，加入多量的NH₃、O₂，则NO、NO₂的吸收减少，出现过量加入的NH₃和新生成的H₂O的吸收。如果测量直到NO、NO₂的吸收为零时、过量的NH₃的吸收开始时、或者H₂O的吸收强度增大后开始取一定值时为止的NH₃的加入量，则根据(12)、(13)式，能够计算出气体除去管中所含的NO和NO₂的合计浓度。对于NO、NO₂的个别浓度的确定可参照实施例3-5的处理。

在步骤(c)，能够测量CO的浓度。也就是说，当O₂存在时，如果燃烧CO，则生成CO₂。因此，如果在加入O₂后，在CO的吸收消失的时候、或者CO₂的吸收量增大到峰值后开始为一定值的时候的任一情况时计算加入的O₂量，则根据(12)式，能够算出气体除去管中所含的CO的浓度。只要可测量所加的O₂量，则能够正确测量。在实施例3-6中，使用整体长度为10mm的LiNbO₃晶体块341时，NO₂的最少检测浓度在100Torr时为1ppm。另外，使用10mm长的波导时，NO₂的最少检测浓度能够降低到10ppb状态。

(实施例3-7)

使用本发明的产生中红外光的激光光源，通过远距离操作能够检测对波长2～3μm有吸收的NO_x、CO₂、CO等气体。在实施例3-7中，通过两波长差分吸收激光雷达(例如，参考非专利文献11)进行了环境气体的检测。两波长差分吸收激光雷达使用了被测量气体的吸收波长和非吸收波长，吸收波长的激光雷达信号比非吸收波长的衰减大，因此能够利用这两个波长的信号差测量气体分子的浓度。

在实施例3-7中，根据两波长差分吸收激光雷达检测NO、NO₂、CO、CO₂的四种气体。各气体的基本吸收波长、波数、吸收的名称、泛频吸收波长如下：

CO₂ 4.257μm 2349cm^-1反对称伸缩振动泛频＝2.129μm

CO 4.666μm 2143cm^-1伸缩振动泛频＝2.333μm

NO 5.330μm 1876cm^-1反对称伸缩振动泛频＝2.665μm

NO₂ 6.180μm 1618cm^-1反对称伸缩振动泛频＝3.090μm

为了得到正确的数据，需要尽量在短时间进行两波长的测量，而本发明的激光光源能够瞬时发出目标的两波长，对LiNbO₃晶体仅用一个周期Λ就行，波长为2～3μm带的四种气体的测量也能够快速进行。

图20表示两波长差分吸收激光雷达的测量系统。两波长差分吸收激光雷达360包括激光发射部360A和激光检测部360B。激光发射部360A所包括的激光光源使用了元件长度为10mm的LiNbO₃晶体波导，周期Λ＝26μm。半导体激光器330的波长为0.91μm带，半导体激光器331的波长在1.28～1.46μm之间可调。在适当的温度调整下，激光器射出口361输出波长为2～3μm的中红外光。

中红外光364朝向检测气体366发出，将来自检测气体366的散射光(瑞利散射、Mie散射)365由激光检测部360B内部的反射镜362接受。聚集的光被作为HgCdTe检测器的检测器363检测到。

在测量中，非吸收波长设定为从检测气体的泛频吸收波长到2～10nm低波长侧。因为产生的中红外光的强度越大，能测量的距离越长，所以中红外光为强度10mW的高功率输出。如果在相距3米的空间(＝直径1米以上的球状空间)以浓度1ppm扩散上述四种气体，就能够观测所有气体的吸收。如果使气体浓度上升到10ppm，即使计量空间相距10米也能检测到。

(实施例3-8)

本发明的产生中红外光的激光光源对农作物残留的农药的检测也很有用。农药中所含的CN基或NO₂基是特别有害的官能基团的代表例，如果能检测出来，就能够知道残留农药浓度的量。CN基或NO₂基含有在拟除虫菊酯系农药的甲氰菊酯、氨基甲酸盐系农药的1-萘-N-甲基氨基甲酸盐中。吸收波长是对CN基＝4.44μm(2250cm^-1，伸缩振动)，对NO₂基＝6.15μm(1625cm^-1，伸缩振动)。

图21表示残留农药测量器的测量系统。残留农药测量器380包括激光发射部380A和激光检测部380B。通过各自的末端设置的光纤381，382，向农作物被测量体383射出光，其散射光由激光检测部380B检测。在激光检测部380B内部设置的检测器中使用了HgCdTe检测器和PbSe检测器。激光发射部380A所包括的激光光源在适度的温度调整下，使用元件长度为10mm、周期Λ＝26μm的LiNbO₃晶体波导。一个半导体激光器的波长是0.91μm带，另一个半导体激光器的波长在1.30～1.65μm波段可调。

在被测量体的苹果的表皮涂上甲氰菊酯及1-萘-N-甲基氨基甲酸盐(浓度为1％)，并照射输出10mW的中红外光。其结果，能充分观测到波长2.22μm的CN基的泛频吸收和波长3.08μm的NO₂基的泛频吸收。根据实施例3-8，在残留农药的检测中也能够通过由单个的周期Λ所构成的LiNbO₃晶体来确认多个官能基团的存在。

如果要检测出的官能基团只是NO₂基，则还能显示出有其他的优点。也就是说，如果LiNbO₃晶体波导的周期Λ＝27μm(周期Λ＝26μm也可以，但是为了显示效果的大小以周期Λ＝27μm来讨论)，如实施例3-4所说明的那样，如果检测体的吸收波长稍微超过3.0μm的区域，则对使用的两个半导体激光器的波长稳定性都得到提高。即使使用去除半导体激光器的端面的反射膜和光纤的光纤布拉格光栅的光学系统，也能够充分地观测到NO₂基的泛频吸收(然而，在上述NO₂气体的检测中也同样能看到这个效果)。

(第四实施方式)

在图22中显示了本发明的一个实施方式的产生氧吸收线的波长的激光光源。产生氧吸收线的波长的激光光源包括：对从波长759nm到768nm存在的氧吸收线中选择的一个吸收线的波长产生具有两倍波长的激光的分布反馈型半导体激光器模块401；具有二次非线性光学效果的光波导403；连接半导体激光器模块401及具有二次非线性光学效果的光波导403的一端的偏振保持型光纤402。

与以往不同，因为是在759nm到768nm的两倍波长的1518nm到1536nm的振荡，所以半导体激光器使用磷化铟系材料。磷化铟与砷化镓相比，没有所谓的器件顿死现象，可知器件寿命方面的可靠性高。另外，从1518nm到1536nm的波长属于通信波段的S带和C带，根据近年的光通信领域的发展，DFB型的制作技术也很容易。而且，能够制作40mW的高输出功率的元件。

在磷化铟系的半导体激光器中，通过改变器件的温度或注入电流能够改变波长，通过采用DFB型结构能够进行没有波形突变的稳定的波长扫描。从波长1518nm到1536nm的激光利用根据二次非线性光学效果的二次谐波产生，输出从波长759nm到768nm的光。

这里对二次非线性光学效果进行说明。非线性光学效果是指，为了使物质中的电极化P具有除了如下述那样与光的电场E成比例的项以外，还具有E²，E³的高次项而起到的效果。

P＝x⁽¹⁾E+x⁽²⁾E²+x⁽³⁾E³+...(15)

特别是第二项是中心对称性消失的物质中强烈出现的效果，角频率不同的三个光ω₁、ω₂、ω₃具有ω₁+ω₂＝ω₃的关系时，产生下述效果：

1)输入ω₁和ω₂的光时，产生ω₃的光(产生和频)；

2)产生和频时，当角频率相同时，产生二次谐波；

3)输入ω₁和ω₃的光时，产生ω₂(＝ω₃-ω₁)的光(产生差频)，即，输入的激光的波长可以变换为别的波长。

通过周期性地反转二次非线性光学材料的极化，可实现高效率的波长变换器。该结构可通过将取决于材料的折射率分散的影响通过周期性的反转极化来模拟地匹配输入光和变换光的相位。使用该原理的例子，例如，已知的有对作为二次非线性光学材料的铌酸锂的极化进行周期性的反转、并且通过质子交换形成波导的波长变换器(参考非专利文献12)。具有这样的周期极化结构的铌酸锂光波导中，显示了可产生90％以上的二次谐波。

在具有这样的二次非线性光学效果的光波导中，存在因光折射效果引起的所谓二次谐波产生的效率低下的、有关寿命的问题。在从波长1518nm到1536nm的光中不会引起这样的问题，所以利用二次谐波即从波长759nm到768nm的光强度而产生。但是，已知通过具有二次非线性光学效果的光波导的温度从50℃上升到100℃左右，或者使用掺杂了锌或镁的二次非线性光学材料来避免效率降低(例如，参考非专利文献13)，能够容易地得到长寿命的光波导。

具有这样的二次非线性光学效果的光波导针对于相对晶体方位朝向某特有的方向偏光的光，其效果很大。例如，铌酸锂是z轴方向。半导体激光器也相对于基板以某个一定的偏振光振荡。因此，当将半导体激光器模块401和具有二次非线性光学效果的光波导403与光纤连接时，为了抑制向光波导入射的光在偏振光方向的变动，优选使用偏振保持型光纤402。另外，即使是用非偏振保持型的光纤连接，并将偏光控制元件插入光纤中也可以产生二次谐波。但是，随着温度等外部环境的变化，光纤中的偏振光发生变动，所以很难长期稳定地产生二次谐波。

图23表示输出具有透镜和滤光器的激光光源。除了图22的激光光源外，在具有二次非线性光学效果的光波导413的另一端具有：透镜414，将射出的光变成平行光；滤光器415，在射出的光中使波长1518nm到1536nm的光不透射，而使波长759nm到768nm的光透射。这样，在氧吸收线的波长759nm到768nm中，可以取出可用于进行没有波形突变的稳定的波长扫描的光。

图24表示在输出处具有光纤的激光光源。与图23的实施方式不同，在具有二次非线性光学效果的光波导423的另一端连接了光纤424。如果光纤424结构是能够以单模方式对从波长759nm到768nm的光进行导波的结构，则可通过在光纤424上加稍微的弯曲，就能够只取氧吸收线的波长759nm到768nm的光。这是因为从波长1518nm到1536nm的光在光纤424中作为宽波形进行传播，只要有一点弯曲部分，则在该部分进行散射，在光纤424中产生衰减。

如上面所说明的那样，利用基于光波导的二次非线性光学效果的二次谐波的产生，输出氧吸收线的波长759nm到768nm的激光，能够进行没有波形突变的稳定的波长扫描，能够提供高输出且长寿命的激光光源。

(实施例4-1)

图25表示实施例4-1的激光光源。实施例4-1的激光光源包括：振荡激光的分布反馈型半导体激光器模块431；具有非线性光学效果的光波导433；在半导体激光器模块431及具有二次非线性光学效果的光波导433的一端433a之间连接的偏振保持型光纤432。在具有二次非线性光学效果的光波导433的另一端433b设置有：透镜435，将射出的光变成平行光；滤光器436，在射出的光中不透过1526nm附近的光，而透过763nm附近的光。

半导体激光器模块431振荡发出1526.08nm附近的激光，该激光的波长为通过偏振保持型光纤432输出的氧吸收线之一的763.04nm波长的两倍。在半导体激光器模块431的内部安装有珀耳帖效应元件(图中未示出)，可以改变元件的温度。另外，半导体激光器模块431的内部安装有绝缘体(图中未示出)。光波导433的端面等中的反射光不会对激光器振荡带来不好的影响。

对于具有二次非线性光学效果的光波导433，在铌酸锂基板上施加了周期极化结构，使用第五实施方式的方法或者热处理质子交换法形成波导。光波导433的一端433a上施加了对波长1526nm没有反射的涂层。另外，光波导433的另一端433b上施加了对波长763nm的波长没有反射的涂层。而且，光波导433的下面设置了控制光波导433的温度的珀耳帖效应元件434，将光波导433的温度保持在90℃，使光波导433的入射光波长1526.08nm的二次谐波产生的效率最好。

半导体激光器模块431的温度设定为25℃，以波长1526.08nm、输出30mW来操作时，观测到输出光437的波长为763.04nm、输出5mW的光。如果使半导体激光器模块431的温度从24℃到26℃连续变化的同时观测输出光437，使波长从762.99nm到763.09nm连续变化，没有看到波形突变的现象。输出光437的光强度显示出从4.7mW到5.0mW稳定的动作。在一年间连续进行该操作，没有观测到输出的降低及波长的突变。

(实施例4-2)

图26表示实施例4-2的激光光源。实施例4-2的激光光源包括：振荡激光的分布反馈型半导体激光器模块441；具有二次非线性光学效果的光波导445；在半导体激光器模块441和具有二次非线性光学效果的光波导445的一端445a之间连接的偏振保持型光纤442，444；以及光连接器443。在具有二次非线性光学效果的光波导445的另一端445b中设置有透镜449，其与光纤447连接，将射出的光变成平行光。

半导体激光器模块441使用了和实施例4-1的半导体激光器模块431相同的模块。具有二次非线性光学效果的光波导445在掺杂Zn的铌酸锂基板上施加了周期性的极化结构，使用第五实施方式的方法或者热处理质子交换法形成波导。光波导445的一端445a上施加了对波长1526nm没有反射的涂层，连接了使波长1526nm附近的光变成单模的偏振保持型光纤444。另外，光波导445的另一端445b上施加了对波长763nm没有反射的涂层，连接了使波长763nm附近的光变成单模的光纤447。

在光波导445的下方设置了温度控制用的珀耳帖效应元件446，保持光波导445的温度为25.0℃，使光波导445的入射光波长1526.08nm的二次谐波产生的效率最好。通过连接器443连接光纤442和光纤444，通过透镜448将光纤447的光输出变成平行光。

将半导体激光器模块441的温度设定为25℃，以波长1526.08nm、输出30mW来操作时，观测到输出光449的波长为763.04nm、输出7mW的光。使半导体激光器模块的温度从24℃到26℃连续变化，且使光波导445的温度通过珀耳帖效应元件446从24℃到26℃连续变化，观测输出光449。显示出波长从762.99nm到763.09nm连续地变化、输出光449的光强度从6.9mW到7.0mW的非常稳定的动作。

此时，在输出光449中没有变换成二次谐波而透过的波长为1526nm的光处在观测界限以下。这是因为1526nm附近的光在光纤447中以宽模式传播，如果光纤447有一点弯曲的部分，则在该部分散射而在光纤447中衰减。但是，为安全起见，也可以在透镜448后面安装除去波长1526nm的滤光器。另外，在实施例4-2中，虽然通过连接器443连接了偏振保持型光纤，但也可以用熔融方式连接。

本实施例是关注氧吸收线之一的763.04nm而选择半导体激光器，但是也可以选择其两倍波长1520.8nm，以产生从759nm到768nm中存在的其他吸收线，例如，760.4nm。

本实施方式中，使用了在具有二次非线性光学效果的光波导中具有周期性极化结构的材料，但是即使使用其他的相位匹配方法也能得到相同的效果。另外，基板上虽然使用了铌酸锂或其中掺杂锌的材料，但是使用铌酸锂和钽酸锂的混晶或者在其中加入微量元素，或者使用其他的二次非线性光学材料也能够得到相同的效果。而且，波导制作方法虽然使用了第五实施方式的方法或者热处理质子交换法，但是即使使用Ti扩散等的金属扩散波导、带脊波导、掩埋型波导也能得到相同的效果。

在具有二次非线性光学效果的光波导的两端附近也可以改变波导结构，以使在各端面连接的光纤更容易与光连接，或者对空间放射时的光的形状最优化。半导体激光器模块内部安装了绝缘体，但是也可以在具有二次非线性光学效果的光波导的端面涂上无反射涂层，或者斜切出具有二次非线性光学效果的光波导而设置光纤或透镜，或者组合使用这些方法，防止反射回的光。

(第五实施方式)

下面，说明非线性光学晶体中形成波导的方法。本实施方式中，采用了脊型波导，该脊型波导使用直接与晶片接合的基板。在晶片直接接合法中，将具有与工作波长配合的极化结构的LiNbO₃基板和表面处理完了的基板不通过粘结剂而在室温直接接合，进行退火处理。该波导是对接合基板的极化结构进行磨削或者形成为薄膜，然后用切割锯形成脊型波导。

作为具有LiNbO₃基板的课题在于提高光损伤耐受性。光损伤是指下述的现象：因入射到波导的光而使得从晶体中所存在的缺陷激发载波，其后，因在晶体中陷波而产生折射率变化(光折射效果)，由此导致工作波长偏移。因LiNbO₃基板波导的工作波段区域为1nm，较狭小，所以如果有光损伤，则会大幅度减少输出光的功率，或者完全不输出光。在无掺杂LiNbO₃基板上使用质子交换法做成的波导元件中，为了实现充分的光损伤耐性，有必要将波导元件的工作温度设置为100℃以上，但是存在因为该加热引起质子再扩散而不能保持长期稳定性的问题。当不使用无掺杂LiNbO₃基板，而是在采用掺杂有Mg或Zn的LiNbO₃基板上使用质子交换法做成的波导元件时，虽然可以表现出对光损伤耐受性具有一定的改善，但是需要将波导元件加热到50℃以上。

另一方面，使用了直接接合基板的脊型波导是不会恶化LiNbO₃本来的晶体性的制作方法，能够抑制新的缺陷生成，能够大幅度提高光损伤耐受性。

这里，波长变换效率、和频光或差频光的功率Pa为：

Pa＝ηL²P₁P₂/100

二次谐波的功率Pb为：

Pb＝ηL²P₃ ²/100

η是单位长度的效率(％/W/cm²)，L是元件长度，P₁P₂P₃是激发激光器的输出光功率。

在本实施方式中，能够在光通信用的波段以外工作，通过与10～100W程度的高输出半导体激光器的组合，能够得到10mW以上的稳定的输出。这样，LiNbO₃可在透明的区域450nm～5μm中产生任意波长的激光。

(实施例5-1)

图27表示单模的带脊波导的制作方法。第一基板501是预先制作周期性极化结构的Z切割的掺杂Zn的LiNbO₃基板，第二基板502是Z切割的掺杂Mg的LiNbO₃基板。基板501，502的两面是经光学研磨的3英寸晶片，基板的厚度是300μm。将第一基板501和第二基板502的表面通过通常的酸洗净或碱洗净使之具有亲水性后，在清洁的环境中重新叠置基板501，502。将重新叠置后的基板501，502放入电炉中，通过在400℃经过3小时的热处理进行扩散接合(第一工序)。接合的基板501，502无空隙，回到室温时没有产生破裂等。

接着，使用其用于研磨的水平块(硏磨定盤)在平坦度方面受到控制的研磨装置，将接合的基板501，502的第一基板501的厚度研磨加工到5～10μm。在研磨加工后，通过进行抛光加工，得到镜面的研磨表面(第二工序)。用光学平行度测量仪测量基板的平行度时，除了3英寸晶片的周围外，几乎整体上得到了亚微米的平行度，能够制作适合波导制作的薄膜基板。也可以第一基板501使用X切割的掺杂Zn的LiNbO₃基板，第二基板502使用X切割的掺杂Mg的LiNbO₃基板。

在制作的薄膜基板表面通过通常的光刻工序制作波导图形后，在干法蚀刻装置上设置基板，通过将CF₄作为蚀刻气体而对基板表面进行蚀刻，由此形成宽度为6～20μm的芯，制作脊型波导(第三工序)。通过从晶片切出脊型波导，对波导端面进行光学研磨，由此能够得到长10～60mm的非线性光学晶体的波导元件。

(实施例5-2)

第一基板501是预先制作周期性极化结构的Z切割的掺杂Zn的LiNbO₃基板，第二基板502是Z切割的LiTaO₃基板。基板501，502为其两面均经过光学研磨的3英寸晶片，基板的厚度是300μm。将第一基板501和第二基板502的表面通过通常的酸洗净或者碱洗净使之具有亲水性后，在清洁的环境中叠置基板501，502。将叠置后的基板501，502放入电炉中，通过在400℃下经过3小时的热处理进行扩散接合(第一工序)。接合的基板501，502无空隙，回到室温后没有发生破裂等情况。

接着，使用其研磨定盘在平坦度方面受到控制的研磨装置，将接合的基板501，502的第一基板501的厚度研磨加工到6～10μm。研磨加工后，通过进行抛光加工得到镜面的研磨表面(第二工序)。用光学平行度测量仪测量基板的平行度时，除了3英寸晶片的周围外，几乎整体上得到亚微米的平行度，能够制作适合波导制作的薄膜基板。另外，也可以第一基板501使用X切割的掺杂Zn的LiNbO₃基板，第二基板502使用X切割LiTaO₃基板。

在制作的薄膜基板表面通过通常的光刻工序制作波导图形后，在干蚀刻装置上设置基板，通过将CF₄作为蚀刻气体而对基板表面进行蚀刻，由此形成宽幅6～20μm的芯，制作成脊型波导(第三工序)。从晶片中切出脊型的波导，通过对波导端面进行光学研磨，由此能够得到长10～60mm的非线性光学晶体的波导元件。

(实施例5-3)

第一基板501是预先制作周期性极化结构的LiNbO₃基板，第二基板502是水晶基板。与水晶的Z轴垂直的面内方向的热膨胀系数是13.6×10^-6/K，接近LiNbO₃的热膨胀系数，与LiNbO₃的折射率为2.1相比，水晶的折射率是1.53，较小，所以适合波导的制作。根据与实施例5-1相同的制造方法，能够得到非线性光学晶体的波导元件。

第一基板501除了使用掺杂Zn的LiNbO₃基板之外，也可使用掺杂Mg的LiNbO₃基板；掺杂Sc的LiNbO₃基板、掺杂In的LiNbO₃基板、LiTaO₃基板、LiNb_xTa_1-xO₃基板、KNbO₃基板、KTiNbO₃基板等。

(实施例5-4)

对制作到实施例5-1的第二工序的基板采用切割锯的精密磨削加工技术，来制作波导。将研磨后的基板设置在切割锯上，通过使用粒子半径为4微米以下的钻刀进行的精密加工，制作成具有宽度为6μm的芯的脊型波导(第三工序)。从晶片中切出脊型波导，通过对波导端面进行光学研磨，能够得到长10～60mm的非线性光学晶体的波导元件。此外，也可使用实施例5-2和实施例5-3制作的基板。

产业上利用的可能性

根据本实施方式，钠D线的折射率测量能够比原有的提高两位数程度的精度。因此，不仅可改善食品或医药品的品质管理，而且通过提高异物、有毒物质混入的监视精度，可大幅度地提高安全性。另外，对折射率和密度的关系已知的物质，也可从折射率的测量得到密度，可大大提高密度测量的精度。

另外，根据本实施方式，通过采用能量效率高、小型化且低耗电的激光光源，能够实现小型且经济的激光显微镜、流体检查窗测量仪等。

而且，通过本实施方式的产生中红外光的激光光源，能够精确地检测出环境气体，适用于检测农作物上残留的农药的测量装置。

另外，可作为用于氧浓度计的光源，输出氧吸收线的波长759nm到768nm的激光。

Claims (18)

1.一种激光光源，包括：第一激光器，产生波长为λ₁的激光；第二激光器，产生波长为λ₂的激光；非线性光学晶体，其输入所述波长λ₁的激光和所述波长λ₂的激光，输出相干光，该相干光具有1/λ₁+1/λ₂＝1/λ₃关系的和频波长λ₃，其特征在于：

所述第一和第二激光器为半导体激光器，并且所述第一激光器是多模振荡的；

当波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别取n₁、n₂、n₃时，所述非线性光学晶体具有周期Λ满足2πn₃/λ₃＝2πn₁/λ₁+2πn₂/λ₂+2πn₂/Λ的周期性极化结构；

所述非线性光学晶体还具有波导结构；并且所述和频波长λ₃为589.3±2nm，相当于钠D线的波长。

2.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述波长λ₁为976±10nm，所述波长λ₂为1485±20nm。

3.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述波长λ₁为1064±10nm，所述波长λ₂为1320±20nm。

4.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述波长λ₁为940±10nm，所述波长λ₂为1565±35nm。

5.如权利要求2所述的激光光源，其特征在于，输出所述波长λ₂＝1485±20nm的所述第二激光器是DFB激光器。

6.如权利要求3所述的激光光源，其特征在于，输出所述波长λ₂＝1320±20nm的所述第二激光器是DFB激光器。

7.如权利要求4所述的激光光源，其特征在于，输出所述波长λ₂＝1565±35nm的所述第二激光器是DFB激光器。

8.如权利要求1至7的任一项所述的激光光源，其特征在于，包括：两个偏振保持光纤，与所述第一和第二激光器的各输出连接；合波器，将该两个偏振保持光纤的输出进行合波，并连接至所述非线性光学晶体。

9.如权利要求8所述的激光光源，其特征在于，与所述第一激光器的输出相连接的偏振保持光纤具有光纤布拉格光栅。

10.如权利要求9所述的激光光源，其特征在于，所述第一和第二激光器中的至少一个激光器的与所述偏振保持光纤连接的端面的反射率为2％以下，该端面的相反侧的端面的反射率为90％以上。

11.一种激光光源，包括：第一激光器，产生波长λ₁的激光；第二激光器，产生波长λ₂的激光；非线性光学晶体，其输入所述波长λ₁的激光和所述波长λ₂的激光，并输出相干光，该相干光具有1/λ₁+1/λ₂＝1/λ₃关系的和频波长λ₃，其特征在于：

所述第一和第二激光器为半导体激光器，并且所述第一激光器是多模振荡的；

当波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别取n₁、n₂、n₃时，所述非线性光学晶体具有周期Λ满足2πn₃/λ₃＝2πn₁/λ₁+2πn₂/λ₂+2πn₂/Λ的周期性极化结构；

所述非线性光学晶体还具有波导结构；并且所述波长λ₁为940±10nm，所述波长λ₂为1320±20nm，所述和频波长λ₃为相当于黄色区域的波长546.1±5.0nm。

12.一种激光光源，包括：第一激光器，产生波长为λ₁的激光；第二激光器，产生波长为λ₂的激光；非线性光学晶体，其输入所述波长为λ₁的激光和所述波长为λ₂的激光，并输出相干光，该相干光具有1/λ₁+1/λ₂＝1/λ₃关系的和频波长λ₃，其特征在于：

所述第一和第二激光器为半导体激光器，并且所述第一激光器是多模振荡的；

当波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别取n₁、n₂、n₃时，所述非线性光学晶体具有周期Λ满足2πn₃/λ₃＝2πn₁/λ₁+2πn₂/λ₂+2πn₂/Λ的周期性极化结构；

所述非线性光学晶体还具有波导结构；并且所述波长λ₁为980±10nm，所述波长λ₂为1320±20nm，所述和频波长λ₃为相当于黄色区域的波长560.0±5.0nm。

13.一种激光光源，包括：第一激光器，产生波长λ₁的激光；第二激光器，产生波长λ₂的激光；非线性光学晶体，其输入所述波长λ₁的激光和所述波长λ₂的激光，输出相干光，该相干光具有1/λ₁+1/λ₂＝1/λ₃关系的和频波长λ₃，其特征在于：

所述第一和第二激光器为半导体激光器，并且所述第一激光器是多模振荡的；

当波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别取n₁、n₂、n₃时，所述非线性光学晶体具有周期Λ满足2πn₃/λ₃＝2πn₁/λ₁+2πn₂/λ₂+2πn₂/Λ的周期性极化结构；

所述非线性光学晶体还具有波导结构；并且所述波长λ₁为1064±10nm，所述波长λ₂为1320±20nm，所述和频波长λ₃为相当于黄色区域的波长585.0±5.0nm。

14.一种激光光源，包括：第一激光器，产生波长为λ₁的激光；第二激光器，产生波长为λ₂的激光；非线性光学晶体，其输入所述波长λ₁的激光和所述波长λ₂的激光，并输出相干光，该相干光具有满足1/λ₁+1/λ₂＝1/λ₃关系的和频波长λ₃，其特征在于，

所述第一和第二激光器为半导体激光器，并且所述第一激光器是多模振荡的；

当波长λ₁、λ₂、λ₃的折射率分别取n₁、n₂、n₃时，所述非线性光学晶体具有周期Λ满足2πn₃/λ₃＝2πn₁/λ₁+2πn₂/λ₂+2πn₂/Λ的周期性极化结构；

所述非线性光学晶体还具有波导结构；并且所述波长λ₁为940±10nm，所述波长λ₂为1550±30nm，所述和频波长λ₃为相当于黄色区域的波长585.0±5.0nm。

15.如权利要求11至14任一项所述的激光光源，其特征在于，所述第二激光器是DFB激光器。

16.如权利要求11至14任一项所述的激光光源，其特征在于，包括：两个偏振保持光纤，与所述第一和第二激光器的各输出连接；合波器，对该两个偏振保持光纤的输出进行合波，并连接至所述非线性光学晶体。

17.如权利要求16所述的激光光源，其特征在于，与所述第一激光器的输出相连接的偏振保持光纤具有光纤布拉格光栅。

18.如权利要求17所述的激光光源，其特征在于，所述第一和第二激光器中的至少一个激光器的与所述偏振保持光纤连接的端面的反射率为2％以下，该端面的相反侧的端面的反射率为90％以上。

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