JP2002181705A - 分光計測装置 - Google Patents
分光計測装置Info
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Abstract
多数同一基板上に集積化することによって、レーザー自
体の波長掃引を行うことなく、これまでより広い自由度
をもたせ、しかもナノ秒以下の極めて短時間の分光スペ
クトルの計測を可能にする分光計測装置を提供する。 【解決手段】 長さ10〜20mmの基板1上に可変波
長レーザー媒質を幅10〜50μm、厚さ数μmのスト
ライプ状に整形して数10〜数100本平行にならべ、
それぞれに紫外レーザー光を2方向から照射して干渉に
よる縞模様を作り、光エッチング法で周期的な凹凸(回
折格子)を作る。その際、干渉縞の周期は露光用紫外レ
ーザーのビーム入射角で変わるので、それぞれのストラ
イプに違った周期の回折格子を付けることができる。励
起光源には、Nd:YAGレーザーや半導体レーザーな
どパルスレーザーが使われる。その際、ストライプ全体
をカバーするように励起用レーザービームを照射する
と、それぞれのストライプはあらかじめ設定した波長で
同時に、かつ独立に発振する。
Description
化された複数のストライプ構造を持つ分布帰還可変波長
レーザーを応用した分光計測装置に係り、特に、マルチ
ストライプ可変波長レーザーを用いた分光計測装置に関
するものである。
ることによりその発振波長を広い範囲にわたって連続的
に変化できるレーザーであり、色素レーザー・チタンサ
ファイアレーザー・光パラメトリック発振器等がある。
用いた分光計測装置の概略構成図である。
2はレーザー媒質、103,106は鏡、104は同調
素子、105はその同調素子104の波長掃引制御装
置、107は被測定物質、108は光検知器、109は
スペクトル記録装置である。
を励起する光源101、2枚の鏡103,106よりな
る光共振器、及び発振波長を制御する同調素子104よ
りなっている。このレーザーで物質の分光スペクトルを
計測するには、レーザーの波長を時間的に掃引しなが
ら、そのスペクトル応答を光検知器108で測定し、ペ
ンレコーダー等の記録装置109で記録する。
ed feedback:分布帰還)可変波長レーザー
の構造は、図8に示すように、基板201上に厚さ約数
ミクロンのレーザー媒質で形成された平板導波路202
を形成し、その導波路202に微小な周期的(回折格
子)をつけることにより、特定の波長で分布帰還を得る
もので、レーザー媒質・光共振器・同調素子を一体化し
て基板上に集積化できるため、従来より極めてコンパク
トに可変波長レーザーを構成できる特徴を持っている。
DFB発振波長λは媒質の等価屈折率をn、凹凸の周期
をa、次数をmとすると次式で与えられる。なお、20
3は励起光、204は結合レンズ、205は光ファイ
バ、206は出力光である。
の発振スペクトルを狭帯域化し、安定化する技術として
広く使われ、また最近では、波長多重光ファイバー通信
用の光源として、マルチストライプ型のDFB半導体レ
ーザーが開発されている。
レーザー分光計測方式では、掃引域は使用するレーザー
媒体の持つ利得バンド幅内に限られ、自由な設定はでき
なかった。また、掃引は機械的な操作でなされるので、
スペクトルの取得には数分の時間を要した。一方、上記
の集積型DFB可変波長レーザーでは、作製時に分布帰
還を与える凹凸の周期が決まってしまうので、発振波長
の制御ができず、そのままでは分光計測の光源としては
適していなかった。
波長が固定されたDFBレーザーを、さらに多数同一基
板上に集積化することによって、レーザー自体の波長掃
引を行うことなく、これまでより広い自由度をもたせ、
しかもナノ秒以下の極めて短時間の分光スペクトルの計
測を可能にする分光計測装置を提供することを目的とす
る。
成するために以下の手段を用いる。
イプ型導波路を持つDFB可変波長レーザーを製作す
る。それぞれのDFB発振波長を独立に設定し、その励
起も独立に設定できるようにする。
プのDFB波長を順次段階的に設定する。その際、各ス
トライプに発振帯域の異なるレーザー媒質を集積化すれ
ば、掃引域を任意に広く取ることができる。
にパルスレーザー光で励起し、それぞれのストライプが
発するレーザー光の波長に対する物質のスペクトル応答
を空間的に分離してアレイ型光検知器で検知することに
より、レーザー自体の波長掃引なしにスペクトル取得が
できる。
的に光学的遅延をかけたパルスレーザー光で励起する
と、極めて高速で波長掃引したレーザー光が発生でき
る。その光を物質に当て、スペクトル応答の時間変化を
オシロスコープ等の高速波形計測装置で記録すれば、ス
ペクトルを取得することができる。
に説明する。
ストライプ集積型可変波長レーザーの模式図である。
べられたDFB可変波長レーザー、3は結合レンズ、4
は光ファイバー、5は出力光である。
ー、アレキサンドライトレーザー、チタンサファイアレ
ーザー、色中心レーザー、光パラメトリック発振器な
ど、発振する光の波長を数10nm以上連続的に変化で
きるレーザーを総称している。長さ10〜20mmの基
板1上に上記の可変波長レーザー媒質を幅10〜50μ
m、厚さ数μmのストライプ状に整形して数10〜数1
00本平行にならべ、それぞれに紫外レーザー光を2方
向から照射して干渉による縞模様を作り、光エッチング
法で周期的な凹凸(回折格子)を作る。その際、干渉縞
の周期は露光用紫外レーザーのビーム入射角で変わるの
で、それぞれのストライプに違った周期の回折格子を付
けることができる。
導体レーザーなどパルスレーザーが使われる。その際、
図1に示したストライプ全体をカバーするように励起用
レーザービームを照射すると、それぞれのストライプは
あらかじめ設定した波長で同時に、かつ独立に発振す
る。
長レーザーを用い、波長掃引なしに物質の吸収スペクト
ルを計測する具体例を図2に示す。
ー、12はマルチストライプDFBレーザー、13,1
5はレンズ、14は試料物質、16はアレイ型光検出
器、17はマイクロコンピュータである。
と、マルチストライプDFB可変波長レーザー2は上か
ら下に向かって順次異なった波長で発振する。その光を
試料物質を通した後、CCDカメラやフォトダイオード
アレイのような場所を区別できるように受光し、コンピ
ューターで画像処理すると、吸収スペクトルを計測する
ことができる。
単一レーザーショットでスペクトルの取得が可能であ
る。したがって、励起レーザーにナノ秒オーダーのパル
ス幅を持つNd:YAGレーザーなどを用いれば、これ
までになく非常に速い時間分解能で物質のスペクトル計
測が可能となる。
ザーの励起に時間的な遅延をかける方法により物質の吸
収スペクトルを計測する具体例である。
ザー、22はマルチストライプDFBレーザー、23は
試料物質、24はレンズ、25は光検出器、26はオシ
ロスコープである。
から下に向かって光学的に遅延させることで、マルチス
トライプDFBレーザーに時間的な波長掃引がかかる。
したがって、その光を試料物質に通し、透過光強度を光
電子倍増管やフォトダイオードのような光検知器で計測
し、その強度の時間変化をオシロスコープ等で観測する
ことにより、吸収スペクトルを計測することができる。
ーや色中心レーザー、セリウムLiSAFレーザーな
ど、速い緩和時間をもつ可変波長レーザーの場合には、
数10psのオーダーまで応答することが確かめられて
いる。
よる励起パルスの光学的遅延を得る一方法を示す図であ
る。
ーザー(パルス幅10〜100ps)、32は鏡、33
はマルチストライプDFBレーザーである。
sの場合には、光学遅延をかけるための光路差は30m
m程度で済むので、この図に示すように、単に鏡32を
傾けるだけで達成できる。
プDFB可変波長レーザーの特性と、それを用いた分光
計測の実施例を述べる。
ル(PMMA)に有機色素ローダミン6Gをドープした
ものを使用した。基盤もPMMAで、その上に厚さ3μ
mの膜をスピンコートしたとき、単一伝搬モードで動作
した。導波路の長さは20mmとした。励起源はQスイ
ッチNd:YAGレーザーの第2高調波(波長532n
m、パルス幅6ns)である。
ングは、Nd:YAGレーザーの第4高調波(波長26
6nm)光を2方向から導波路表面に入射させて露光
後、ウエットエッチング法により作製した。凹凸は導波
路の表面に付ける場合と、基盤表面に付ける場合とを試
みたが、大きな差はなかった。
Gレーザー光で励起したときのDFB色素レーザーの発
振スペクトルの例である。図5において、横軸に波長
(nm)、縦軸に分布帰還出力(相対単位)である。
はなっておらず、励起ビームを20×0.5mmに整形
して照射した。すると、図5のように、DFB動作によ
って、約0.1nmの狭いスペクトルで発振しているこ
とが確認された。しきい値エネルギーは40μJ、スロ
ープ効率は36%であった。
使って、ストライプの形式を試みた。作製したマルチス
トライプDFB色素レーザーは5種類でそのサイズは、
表1に示す通りである。全体のサイズはいずれも20×
0.5mmである。
ザーで励起すると、各ストライプは同時にDFBレーザ
ーを発振し、そのスペクトルは図5と同様に狭帯域化し
ているのが確認された。ストライプ幅が狭まると著しく
閾値は減少し、幅10mmの場合には0.4μJという
極めて低い値になった。
FBレーザーを用いたナトリウム原子D線の蛍光スペク
トルの計測例を示す図である。
ー(パルス幅5ns、第2高調波)、42はマルチスト
ライプDFBレーザー、43は定温槽、44はレンズ、
45はCCDカメラ、46はマイクロコンピュータであ
る。
の蛍光スペクトルの取得を試みた。使用したマルチスト
ライプDFB色素レーザーは、25ストライプでナトリ
ウム原子のD線(波長約590nm)を横切るように作
られている。励起源はパルスのNd:YAGレーザー
で、パルス幅は5nsである。試料は金属ナトリウムを
減圧したパイレックス(登録商標)容器に封じきったも
ので、このセルを70〜100℃に熱することで、10
8 〜109 /cm3 程度の金属蒸気を生成した。このセ
ルに色素レーザー光を入射すると、ナトリウム原子は励
起波長と同じ波長で蛍光(いわゆるレーザー誘起蛍光L
IF)を発する。この蛍光を直角方向からCCDカメラ
で撮り、その画像をコンピューターで空間分解すること
によって、ナトリウムD線のスペクトルを単一レーザー
ショット(約5ns)で取得できた。
る分子原子のスペクトル観察に利用でき、たとえば、大
気中のNOx 、SOx 等の高感度高速モニタリングに応
用できる。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
よれば、以下のような効果を奏することができる。
レーザーを用いた分光計測装置によれば、集積化された
マルチストライプDFB可変波長レーザーを用いるよう
にしたので、分光計測装置の大幅な小型化、低コスト化
を図ることができる。
よれば、波長掃引をすることなく物質の分光スペクトル
を計測することができ、パルスレーザーで励起すると、
ナノ秒オーダーの短時間でスペクトルを得ることができ
る。
用するレーザー媒質の利得バンド幅で制限されていた
が、各ストライプに発振波長が大幅に異なる媒質をドー
プすることにより、例えば、可視部全域を瞬時にカバー
できるような、従来にない広帯域スペクトルの取得が可
能である。
4参照〕を用いれば、ピコ秒オーダーでの高速掃引が可
能となり、これまで計測できなかった短寿命の反応生成
体の分析等にも応用できる。
集積型可変波長レーザーの模式図である。
ザーを用い、波長掃引なしに物質の吸収スペクトルを計
測する具体例を示す図である。
起に時間的な遅延をかける方法により物質の吸収スペク
トルを計測する具体例を示す図である。
る励起パルスの光学的遅延を得る一方法を示す図であ
る。
光で励起したときのDFB色素レーザーの発振スペクト
ルの例である。
ーを用いたナトリウム原子D線の蛍光スペクトルの計測
例を示す図である。
計測装置の概略構成図である。
成図である。
ーザー 13,15,24,44 レンズ 14,23 試料物質 16 アレイ型光検出器 17,46 マイクロコンピュータ 25 光検出器 26 オシロスコープ 31 励起用短パルスレーザー(パルス幅10〜10
0ps) 32 鏡 41 Nd:YAGレーザー(パルス幅5ns、第2
高調波) 43 定温槽 45 CCDカメラ
Claims (2)
- 【請求項1】 単一基板上に集積化された複数のストラ
イプ構造を持つ分布帰還可変波長レーザーとアレイ型光
検知器とを組み合わせ、波長掃引なしに物質の分光スペ
クトルを取得可能にすることを特徴とする分光計測装
置。 - 【請求項2】 請求項1記載の分光計測装置において、
前記分布帰還可変波長レーザーにおいて、その励起時間
に順次遅延をかけることによって得られる高速波長掃引
可能なレーザー装置を具備することを特徴とする分光計
測装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000379889A JP4489282B2 (ja) | 2000-12-14 | 2000-12-14 | 分光計測装置 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
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- 2000-12-14 JP JP2000379889A patent/JP4489282B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Title |
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バサ レニシ 外6名: "導波型分布帰還固体色素レーザーの出力特性", 電子情報通信学会技術研究報告. OCS, 光通信システム, vol. 100, no. 427, JPN6010012794, 9 November 2000 (2000-11-09), pages 73 - 77, ISSN: 0001561605 * |
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