JP2005172465A - 粒子測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細な粒子の測定を可能とする粒子測定装置。
【解決手段】測定する粒子を通過させるフローセルと、レーザ共振器を有し誘導放出によりレーザ共振の１次および高次モード波長を含むレーザ光を出射するレーザ発光部と入射するレーザ光の１次モード波長に対応する波長を選択して共振光を出射する第１外部光共振器とレーザ共振器からのレーザ光の一部を第１外部光共振器へ入射させ、第１外部光共振器からの共振光をレーザ共振器へ再入射させる光学系とを含む光源部と、２つの反射鏡を同軸上に対向させて配置し、その軸と一致するように一方の反射鏡の背面から入射させた光源部からのレーザ光が前記反射鏡間を往復し、その光路が前記粒子を照射するように構成された第２外部光共振器とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、粒子測定装置に関する。より詳細には、例えば粒子径が数ナノメートル程度の微小な粒子を測定可能な粒子測定装置に関する。

レーザ光を用いてフローセルを通過する粒子を測定する粒子測定装置および方法は一般に知られている。測定する粒子を照射する光源にコヒーレントな光が得られるレーザ光を使用すれば、ビームを細く絞ることができて高い照射パワー密度を得ることができる。また、コヒーレントな光であるレーザ光を用いれば、粒子から反射される光の検出も干渉を利用した高感度の検出を行うことができる。
粒子測定装置の光源に使用されるレーザは、発光のために共振器を用いるので、その波長特性は、共振器の１次モード共振波長を光強度のピークとし、その整数倍であって共振器内に定在波が存在し得る波長をも含んだスペクトル特性を持つ。図１１は、レーザ共振器内に存在する定在波のうち、１次および２次定在波を示す説明図である。図１１（ａ）は１次定在波、図１１（ｂ）は２次定在波である。また、図１２は、半導体レーザのスペクトル特性の一例を示すグラフである。図に示すように、半導体レーザのスペクトルには、基本発信周波数以外の波長も含まれている。
原理的には、レーザ光のパワーが強いほど、あるいは波長が短いほど微細な粒子を測定することが可能である。また、検出感度を高めると共に安定した検出性能を得るために、フローセルを外部光共振器内に配置する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、外部光共振器内で増幅された強いレーザ光を粒子に照射して検出を高感度にするものである。
特公平６−２１８６０号公報

しかし、検出感度を高めるために、フローセルを外部光共振器内に配置するものでは、粒子の測定に光の干渉を利用するので、レーザの１次モードの共振波長（あるいは、レーザ発振中心波長）のみが有効に利用され、高次モード光の存在はむしろ好ましくない。高次モード光の中には、１次モード光と干渉して光パワーを打ち消すように働くものがあるからである。従って、レーザ光のパワーが複数の波長に分散しているよりも、単一波長に集中して高出力が得られる光源が望まれる。特に、検出用外部光共振器の１次共振波長と一致する波長にパワーの集中したレーザ光源を得ることができれば、高い検出感度が得られて効果的である。この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、単一波長に光パワーの集中した高出力レーザ光をレーザ光源部に用い、その光波長と共振波長が一致する検出用光共振器を備え、前記波長が増幅された光を粒子に照射することによって微細な粒子の測定を可能とする粒子測定装置に関する。

この発明は、測定する粒子を通過させるフローセルと、レーザ共振器を有し誘導放出によりレーザ共振の１次および高次モード波長を含むレーザ光を出射するレーザ発光部と入射するレーザ光の１次モード波長に対応する波長を選択して共振光を出射する第１外部光共振器とレーザ共振器からのレーザ光の一部を第１外部光共振器へ入射させ、第１外部光共振器からの共振光をレーザ共振器へ再入射させる光学系とを含む光源部と、２つの反射鏡を同軸上に対向させて配置し、その軸と一致するように一方の反射鏡の背面から入射させた光源部からのレーザ光が前記反射鏡間を往復し、その光路が前記粒子を照射するように構成された第２外部光共振器とを備える。

この発明の粒子測定装置は、単一波長にパワーを集中させた光源部からのレーザ光を第２外部共振器でさらに増幅して前記粒子に照射することにより微小な粒子を測定可能とするので、従来は安定して測定することがむずかしかった例えば直径が５ナノメートル程度の微小な粒子を精度良く測定することができる。

この発明の粒子測定装置が備えるフローセルは、従来の粒子測定装置で用いられているものと同様であり、測定する粒子にレーザ光を照射して粒子から反射される散乱光を検出するために、レーザ光照射部に粒子を１つずつ通過させる。
この発明の粒子測定装置が備える光源部は、レーザ共振器を有し誘導放出によりレーザ共振の１次および高次モード波長を含むレーザ光を出射するレーザ発光部と入射するレーザ光の特定波長を増幅して共振光を出射する第１外部光共振器とレーザ共振器からのレーザ光を第１外部光共振器へ入射させ、第１外部光共振器からの共振光をレーザ共振器へ再入射させる光学系とを含み前記第１外部共振器は、共振光の波長が前記レーザ光の１次モード波長に対応するように構成されレーザ発光部は、誘導放出が１次モード波長に対応する共振光の波長が選択的に増幅されることによって行われ、前記共振光の波長にパワーの集中したレーザ光を出射する。

ここで、レーザ共振器へ入射する共振光の波長のみが選択的に増幅されるように誘導放出がなされるとは、外部共振器から出射される共振光をレーザ発光部へ戻すことにより、レーザの発振エネルギーが、戻した波長に集中して単一波長の光出力が増幅されることをいう。その結果、単体では図１２に示すようなスペクトル特性の半導体レーザを用いて、図２に示すようなスペクトル特性のレーザ光を得ることができる。

レーザ発光部には半導体レーザを用いるのが好適である。一般に市販されている半導体レーザ素子が適用可能である。ＧａＡｓ、ＩｎＰなど特に材料を問わない。また、発光構造、発光波長も特に限定されることはない。半導体レーザの一例を図３に示す。半導体レーザ１は、レーザ素子３１、透過膜３２および反射膜３３から構成される。レーザ素子３１は、内部に図示しない活性層を有し、駆動電流の供給によって発光する。また、レーザ素子３１の長手方向の一端面には反射率５％以下の透過膜３２と、レーザ素子３１の他端面には反射膜３３が形成される。この透過膜３２と反射膜３３とによって光共振器が形成されることになる。レーザ素子３１内部で発生した光は、この光共振器内を往復伝播し、誘導放出によって増幅され、透過膜３２からレーザ光として出射される。外部からの光をレーザ共振器内に入射できるものであれば、半導体レーザ以外の気体レーザ、固体レーザなども適用することができる。適用できる気体レーザの一例は、Ａｒ⁺、Ｈｅ−Ｎｅである。適用できる固体レーザの一例は、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ、ＹＡＧレーザＳＨＧ、ＹＡＧレーザ（ＳＨＧ＋ＳＦＧ）、ＹＬＦ（イットリウム・リチウム・フッ化物）レーザ、ＹＬＦレーザ＋ＳＨＧ、ＹＬＦレーザ（ＳＨＧ＋ＳＦＧ）である。

レーザ発光部の出力を安定に保つために、発光レーザ光のパワーを検出して一定に保つＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御回路が設けられていてもよい。

第１外部光共振器は、２枚の凹面鏡を同軸に対向させてなるファブリ−ペロ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）共振器で構成することができる。一方の凹面鏡は、レーザ光をほぼ完全に反射し、他方は、部分透過性を有する高反射性の凹面鏡で構成すれば、部分透過性を有する凹面鏡の側から光を入射および出射させることができ、入射するレーザ光が内部で干渉して定在波として第１外部光共振器内に存在し得る波長のみの光パワーが内部に蓄積される。その一部が部分透過性を有する凹面鏡を透過して外部へ出射される。この発明では、第１外部光共振器から出射される光をレーザ発光部へ戻すように光源部を構成する。

レーザ発光部、光学系および第１外部光共振器は、恒温槽の中に配置され、恒温槽内部温度を制御するための温度制御部が設けられていてもよい。こうすれば、温度変化によるレーザ発信波長のゆらぎや光学系および第１外部光共振器の膨張／収縮による共振波長のゆらぎが抑制されて、安定した光強度および波長を得ることができる。
また、外部からの振動を抑制する防振構造を有していてもよい。これによって、外部からの振動による光学系や第１外部光共振器のぶれあるいは歪みが抑制され、レーザ光の強度や波長が安定する。

第２外部光共振器は、第１外部光共振器と同様に、２枚の凹面鏡を同軸に対向させて構成することができる。一方の凹面鏡は、レーザ光をほぼ完全に反射し、他方は、部分透過性を有する高反射性の凹面鏡で構成すれば、部分透過性を有する凹面鏡の側から光を入射させることができる。
入射するレーザ光の波長と第２外部光共振器の共振波長を一致させれば、前記波長の光が第２外部光共振器内部で増幅されるので、さらに強いレーザ光を得ることができる。
第２外部光共振器内に、前記フローセルを配置し、フローセルを通過する粒子に前記の光パワーが増幅されたレーザ光を照射するように構成すれば、光強度の強いレーザ光で粒子を照射することができるので高い検出感度を得ることができる。

フローセルおよび第２外部共振器は、恒温槽の中に配置されてもよく、恒温槽内部温度を制御するための温度制御部が設けられていてもよい。こうすれば、温度変化による第２外部光共振器の膨張／収縮が抑制され、従って、共振波長のゆらぎが抑制されて安定した光強度および波長を得ることができる。
また、外部からの振動を抑制する防振構造を有していてもよい。これによって、外部からの振動による第２外部光共振器のぶれあるいは歪みが抑制され、共振波長が安定する。

また、第１外部光共振器が、焦点距離の等しい２つの凹面反射鏡からなり、前記凹面反射鏡は、互いの焦点が一致するよう同軸上に配置され、焦点を通り軸と平行でない角度で一方の凹面反射鏡の背面からレーザ光を入射して透過させることにより凹面反射鏡間を往復する光路が焦点以外で交差あるいは一致しないように構成されていてもよい。
第１外部光共振器をこのように構成すれば、第１外部光共振器を構成する凹面反射鏡間を往復する光路が焦点以外で交差あるいは一致しないように構成されるので、軸方向に対して直角の歪に対して平行四辺形状の光路の平行が保たれて共振波長が安定するとともに、進行型定在波のモード間競合が発生せずに位相ゆらぎを小さくすることができ、振動や歪に対して安定した光源部を得ることができる。

この発明の粒子測定装置が備える光源部は、第１外部光共振器からの共振光の強度を検出して出力する第１共振光検出器と、第１共振光検出器からの出力に基づいて共振光の波長とレーザ光の１次モード波長との偏差に関する信号を帰還する波長偏差帰還部と、所望の波長が得られるようにレーザ発光部を駆動するレーザ駆動部とをさらに備え、レーザ駆動部は、波長偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ光の１次モード波長と共振光の波長とが一致するようにレーザ発光部を駆動するように構成されていてもよい。
第１共振光検出器と波長偏差帰還部とレーザ駆動部とをさらに備えることによって、振動や温度変化の外乱に対してより安定化したレーザ光を得ることができ、あるいは防振機構や温度制御を比較的簡易に構成することができて装置を安価に実現することが可能になる。

さらに、光源部が、レーザ発光部の波長を所定周波数で微小変動させる波長変動信号を重畳する波長変動重畳部をさらに備え、第１共振光検出器は、波長変動に応答する共振光の強度を検出して出力し、波長偏差帰還部は、波長変動信号と第１共振光検出器の出力とに基づく処理によって共振光の波長とレーザ光の１次モード波長との偏差に関する信号を生成して帰還し、レーザ駆動部は、波長偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ光の１次モード波長と共振光の波長とが一致するようにレーザ発光部を駆動するようにしてもよい。
このようにすることによって、レーザ光の１次モード波長に対して外部共振器の共振波長が長短のどちらにずれているかを検出して補正することが容易にできる。

あるいは、この発明の光源部は、前記光学系のレーザ共振器と第１外部光共振器との間の光路長を変えて第１外部光共振器からレーザ共振器へ入射する共振光の位相を変える光路長調節部と、第１外部光共振器からの共振光の強度を検出して出力する第１共振光検出器と、第１共振光検出器の出力に基づいてレーザ共振器へ入射する位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相との偏差に関する信号を帰還する位相偏差帰還部とをさらに備え、光路調節部は、位相偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ共振器に入射する共振光の位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相とが一致するように光学系の光路長を調節するように構成してもよい。
光路長調節部と第１共振光検出器と位相偏差帰還部とをさらに備えることによって、振動や温度変化の外乱に対して光強度および発光波長の安定した光源部を得ることができる。

さらに、光源部が、前記光学系の光路長を所定周波数で微小変動させる光路長変動信号を重畳する位相変動重畳部をさらに備え、第１共振光検出器は、光路長変動に応答する共振光の強度を検出して出力し、位相偏差帰還部は、光路長変動信号と第１共振光検出器の出力とに基づく処理によってレーザ共振器に入射する共振光の位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相との偏差に関する信号を生成して帰還し、光路長調整部は、位相偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ共振器に入射する共振光の位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相とを一致させるように光路長を調節するようにしてもよい。
このようにすることによって、レーザ共振器に入射する共振光の位相がレーザ共振器内の１次定在波の位相に対してどちらにずれているかを検出して補正することが容易にできる。

この発明の粒子測定装置は、第２外部光共振器の鏡間距離を変えることによって第２外部光共振器の共振波長を変える鏡間距離調節部と、第２外部光共振器からの共振光の強度を検出して出力する第２共振光検出器と、第２共振光検出器の出力に基づいて第２外部光共振器の共振波長とレーザ発光部の波長との偏差に関する信号を帰還する第２波長偏差帰還部とをさらに備え、鏡間距離調節部は、第２波長偏差帰還部からの信号に基づいて第２外部光共振器の共振波長とレーザ発光部の波長とが一致するように鏡間距離を調節するように構成してもよい。
こうすれば、第２外部光共振器の共振波長とレーザ発光部の波長とが一致するように調節されるので、粒子に照射するレーザ光が安定して増幅され、高精度の検出結果が得られる。

また、粒子測定装置が、第２外部共振器の鏡間距離を所定周波数で微小変動させる鏡間距離変動信号を重畳する鏡間距離変動重畳部をさらに備え、第２共振光検出器は、鏡間距離変動に応答する共振光の強度を検出して出力し、第２波長偏差帰還部は、鏡間距離変動信号と第２共振光検出器の出力とに基づく処理によって第２外部光共振器の共振波長とレーザ発光部の波長との偏差に関する信号を生成して帰還し、鏡間距離調節部は、第２外部光共振器の共振波長とレーザ発光部の波長とを一致させるように鏡間距離を調節するようにしてもよい。
こうすれば、第２外部光共振器の共振波長がレーザ発光部の波長に対して長短どちらにずれているかを検出できるので、正確に補正をすることができる。
以下、図面に示す実施形態に基づいてこの発明の実施形態を説明する。

（実施の形態１）
図１は、この発明の粒子測定装置の一実施形態を示すブロック図ある。この実施形態は、外部光共振器３からの共振光を半導体レーザ１へ戻すことにより単一波長の高出力レーザ光を得るように構成した光源部を用い、光源部から出射されたレーザ光を検出用の第２外部光共振器へ導いて測定する粒子に照射する粒子測定装置である。図において、１は半導体レーザである。半導体レーザ１から出射された光のうち、大部分はウェッジ板２を透過し、光アイソレータ１７を透過して検出部へ導かれる。しかし、一部の光はウェッジ板２で反射され第１外部光共振器３へ導かれる。
第１外部光共振器３は、２枚の凹面鏡３ａおよび３ｂを同軸に対向させてなり、一方の凹面鏡３ｂは、レーザ光をほぼ完全に反射し、他方の凹面鏡３ａは、部分透過性を有する高反射性の凹面鏡からなる。一実施形態では、凹面鏡３ａの部分透過率は１／１００であり、従って、第１外部光共振器３に蓄積される光パワーは平衡状態において入射光の約１００倍になる。即ち、半導体レーザ１から出射された１００ｍＷのレーザ光の１／１０がウェッジ板２で反射され、１０ｍＷが外部光共振器２へ入射する場合、第１外部光共振器３内には入射光の１００倍である１Ｗの光パワーが蓄積される。そして、蓄積された光パワーの１／１００が第１外部光共振器３から出射される。ただし、ここで反射および透過時の損失は無視できるものとしている。

第１外部光共振器３へ入射したレーザ光は、凹面鏡３ａ、３ｂの焦点を通過した後、凹面鏡３ｂに反射して前記の軸と平行に進み、入射側の凹面鏡３ａに反射する。凹面鏡３ａは部分透過性を有するので、一部のレーザ光は凹面鏡３ａを透過するが、他の光は反射して前記焦点を通り対向する凹面鏡３ｂで反射する。そして、軸と平行に進んで入射側の凹面鏡３ａに反射する。一部の光は凹面鏡３ａを透過して第１外部光共振器３から出射される。出射される光路は、入射するレーザ光の光路と一致するように構成される。従って、第１外部光共振器３から出射された戻り光はウェッジ板２で反射して半導体レーザ１へ入射する。
第１外部光共振器３内の光路を前記のように構成することにより、軸方向に対して直角の歪に対して共振波長が安定する。

図４は、この発明の光源部に用いる外部光共振器において、歪に対して光路が変形する様子を示す説明図である。図４（ｂ）に示すように、軸に対して直角方向にひずんだ場合でも、平行四辺形状の光路の対向する辺同士の平行が保たれ、共振器内の光路長がほとんど変化しないので、定在波の波長も変化せず、従って歪に対して共振波長が安定する。また、共振器内を往復する光路の経路が往復で異なるので進行型定在波のモード間競合が発生しない。従って、位相ゆらぎを小さくすることができる。

外部からレーザ共振器に戻されたレーザ光は、誘導放出に影響を与える。一般に、レーザ共振器への戻り光はレーザ発振に対して外乱となるため、光を戻さないように構成される。しかし、この発明においては、戻り光の影響を積極的に利用して、単一波長に光強度が集中した高出力レーザ光を得るようにしている。即ち、レーザ発振中心波長と実質的に一致する波長のレーザ光をレーザ共振器に戻すと、その波長に誘導放出が集中するので、その特性を利用して単一波長に光強度が集中した高出力レーザ光を得るようにしている。

半導体レーザ１から出射され、ウェッジ板２を透過した光は、全反射ミラー１６ａで反射した後、光アイソレータ１７を透過する。光アイソレータ１７は、半導体レーザ１から出射する方向のレーザ光を透過し、逆方向からのレーザ光を透過させない。従って、例えば第２外部光共振器で反射したレーザ光が半導体レーザ１へ戻り、レーザ共振器１５内の誘導放出に影響を与えないようにするために設けられている。

光アイソレータ１７を透過したレーザ光は、全反射ミラー１６ｂで反射した後に粒子検出用の第２外部光共振器へ導かれる。
第２外部光共振器１８は、第１外部光共振器３と同様に、２枚の凹面鏡１８ａおよび１８ｂを同軸に対向させてなり、一方の凹面鏡１８ｂは、レーザ光をほぼ完全に反射し、他方の凹面鏡１８ａは、部分透過性を有する高反射性の凹面鏡からなる。一実施形態では、凹面鏡１８ａの部分透過率は１／３０であり、従って、第２外部光共振器１８に蓄積される光パワーは平衡状態において入射光の約３０倍になる。即ち、第１外部光共振器３の共振波長が増幅されて半導体レーザ１から出射された１０Ｗのレーザ光の９／１０がウェッジ板２を透過し、光アイソレータ１７の損失を除いた１Ｗのレーザ光が第２外部光共振器１８へ入射した場合、第２外部光共振器１８内では入射光の３０倍である３０Ｗの光パワーが蓄積される。

レーザ光は、第２外部光共振器１８の２枚の凹面反射鏡のうち、部分透過性を有する凹面反射鏡１８ａの背面側から軸と一致するようにレーザ光を入射させる。このようすれば、凹面反射鏡１８ａおよび１８ｂ間を往復し、干渉によって増幅されたレーザ光の光路を軸と一致させることができる。
測定する粒子を通過させるフローセル１９は、第２外部光共振器１８の前記光路内に配置し、フローセルを通過する粒子に前記のレーザ光を照射する。
第２外部光共振器１８内には、各凹面反射鏡１８ａ、１８ｂはレーザ光のビームを絞る効果をもつ。粒子を照射する位置をビームが絞られる焦点付近に配置すれば、より強い光で粒子を照射して検出感度を上げることができ微細な粒子が測定できる。

また、第２外部光共振器１８内に存在するレーザ光の強度は、共振器内に存在する定在波の性質上、反射鏡からの距離に依存して変わるので強い強度が得られる位置にフローセルを配置すればよい。その場合、フローセルの位置に各凹面鏡１８ａ、１８ｂの焦点が一致するようにそれぞれの焦点距離が設定されている。こうすることによって、さらに強い光で粒子を照射して検出感度を上げることができ微細な粒子を安定して測定することができる。

フローセル付近には、通過する粒子に照射されて乱反射したレーザ光を検出するための粒子測定用光検出器２０が設けられている。これによって、フローセルを通過するときに粒子から反射されるレーザ光の光強度が測定される。粒子測定用光検出器２０からの出力は、測定データ処理装置２７へ入力され、前記出力が処理されて、フローセルを通過した粒子の数や、粒径などの特性が求められる。

フローセル、第２外部光共振器、第２共振光検出器は１つの恒温槽に収められて温度を一定に保つように制御され、温度変化による第２外部光共振器の共振波長の変動が安定に保たれるようになっている。

半導体レーザ１、ウェッジ板２、外部光検出器３、光検出器７は環境温度を一定に保つために１つの恒温槽６の中に設けられる。そして、恒温槽内の温度を一定に保つために温度制御回路５を有するペルチェ素子４が設けられる。あるいは、これによって、半導体レーザ自身の発熱、周囲温度の変化に対して内部の温度が一定に保たれ、半導体レーザ１の温度依存性に起因する発振波長のゆらぎ、外部光共振器３の熱膨張／収縮による共振波長のゆらぎ、半導体レーザ１から外部光共振器３までの光路長の変化による位相ゆらぎが抑制される。さらに、恒温槽は防振構造を有し、外部からの振動を抑制して系を安定に保つように構成される。

（実施の形態２）
図５は、この発明の粒子測定装置が備える光源部の、異なる実施形態を示すブロック図ある。この実施形態は、実施の形態１に示す光源部の外部光共振器３の共振光をさらに検出して帰還することにより半導体レーザ１の発振中心波長を共振波長に追従させるように構成した光源部である。

半導体レーザ１の駆動電流を変化させると、発振波長が変化することが知られている。そこで、半導体レーザ１の駆動電流に第１発振器９からの微小な高周波ＡＣ成分を重畳する。図５の実施形態では、バイアス−Ｔ１２を用いて半導体レーザ電源７からの駆動電流に第１発振器９からの高周波電流成分を重畳している。

重畳する高周波電流成分の振幅は、それに対応して変化する半導体レーザの発振波長変動幅が絞り込みたいレーザ光のスペクトル幅に対して十分小さくなるように設定し、帰還制御系が目標とする制御精度に比べて無視し得る程度の小さい幅に選択される。一実施形態では、レーザ発光中心波長は６５０ｎｍ（光周波数で約２１６．７ＴＨｚ）であり、レーザ発光の発振波長変動幅は光周波数で１００Ｈｚ程度である。また、前記重畳する高周波電流成分の変動周波数は、温度変化や外部振動に対して波長を安定化させることを目標としているので、これらのゆらぎあるいは変動に比べて十分高い周波数に選択される。一実施形態では、重畳する高周波電流成分の変動周波数は１００ｋＨｚ程度に選択され、温度変化や振動に対して十分速い応答が得られる。

外部光共振器３の共振光を検出するために、光検出器８が設けられている。外部光共振器３へ入射し、凹面鏡３ｂに反射して軸と平行に進む光の一部は、凹面鏡３ａを透過する。光検出器８は、この凹面鏡３ａを透過した共振光を検出する。検出された共振光の強度に関する信号は、被測定信号として第１ロックインアンプ１０へ入力される。一方、第１発振器９からの信号が参照信号として第１ロックインアンプ１０へ入力される。第１ロックインアンプ１０の基本動作は、スイッチを用いて被測定信号と参照信号の方形波との積を演算し、その結果をローパスフィルタで平均化して出力する。つまり、第１発振器９からの信号によって重畳されたレーザ発光波長のＡＣ変動１周期のうちプラス（あるいは短波長）側半周期との共振光の応答とマイナス（あるいは長波長）側半周期の共振光の応答との差分（平均）を出力する。従って、第１ロックインアンプ１０から出力される信号は、半導体レーザ１の発光中心波長に対して外部光共振器３の共振波長が長短どちらにずれているかに応じて正負の極性をもち、絶対値が波長のずれ量と相関を持つ電圧である。

図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、この発明の実施の形態で用いる、第１ロックインアンプ１０の動作原理を説明する波形のグラフである。図において、矩形波Ｒは、第１発振器９が出力する波形を示す。その周期はｔ１で、１／２周期で極性が反転する。Ｑは半導体レーザ１の発光波長λに対する外部光共振器３の出力光強度特性である。

図６（ａ）は、半導体レーザ１のレーザ発光中心波長が外部光共振器３の共振波長の中心と完全に一致している場合に、第１ロックインアンプ１０に入力される光検出器８からの信号Ｓと、第１ロックインアンプ１０の出力信号を示す図である。半導体レーザ１のレーザ発光中心波長が外部光共振器３の共振波長の中心と一致しているので、外部光共振器３へ入射するレーザ光の波長はＱのピークを中心に振れ、長波長側の半周期の光検出器８からの出力光強度はＡ、短波長側の半周期の光検出器８からの出力光強度はＢである。Ｑの波形がピークを中心に左右対称とすると、Ａ＝Ｂである。したがって、第１ロックインアンプ１０への被測定信号波形Ｓは、Ａ＝Ｂで一定となり、これと矩形波との積を一周期間に渡って平均した値、即ち第１ロックインアンプ１０の出力はゼロになる。

図６（ｂ）は、半導体レーザ１のレーザ発光中心波長が外部光共振器３の共振波長の中心よりも短波長側にずれている場合の例である。この場合、矩形波のマイナス（長波長）側半周期の被測定信号ＳのレベルはＤ、プラス（短波長）側半周期の被測定信号ＳのレベルはＣ（ただしＣ＞Ｄ）であり、これと矩形波との積を一周期間に渡って平均した値、即ち第１ロックインアンプ１０の出力はＤ−Ｃ＜０となって負の値をとる。

図６（ｃ）は、半導体レーザ１のレーザ発光中心波長が外部光共振器３の共振波長の中心よりも長波長側にずれている場合の例である。この場合、矩形波のマイナス（長波長）側半周期の被測定信号ＳのレベルはＥ、プラス（短波長）側半周期の被測定信号ＳのレベルはＦ（ただしＥ＜Ｆ）であり、これと矩形波との積を一周期の間に渡って平均した値、即ち第１ロックインアンプ１０の出力はＦ−Ｅ＞０となって正の値をとる。

前記のように、第１ロックインアンプ１０の出力は、外部光共振器３の共振波長の中心に対する半導体レーザ１のレーザ発光中心波長のずれ方向に応じて正負の値をとり、両波長が一致している場合にはゼロになる。図６は、第１ロックインアンプ１０の入出力特性を示すグラフである。図７において入力に対応する横軸Δλは、外部光共振器３の共振波長の中心に対する半導体レーザ１のレーザ発光中心波長のずれであり、出力に対応する縦軸Ｖは、出力信号のレベルである。この実施形態の説明では、単純化するために発振器の波形は矩形波としたが、適用可能な波形はこれに限定されず、たとえば、矩形波よりも高調波成分の少ない正弦波や擬似正弦波などでもよい。これらの波形でも、前記と同様の帰還制御を実現することができる。第１ロックインアンプ１０は、市販の装置、（例えば、エヌエフ回路設計ブロック社製ロックインアンプ、型名ＬＩ５６４０）を用いることができる。

第１ロックインアンプ１０の出力信号は、平均化のためにローパスフィルタがかけられており、出力信号の応答速度は、第１発振器９のＡＣ信号の周波数に比べると十分遅い。帰還制御系が帰還により安定化させようとしている変動要素は、前記のように振動や温度変化の外乱である。これらの外乱に対して、第１ロックインアンプ１０からの出力信号は十分速い速度で応答するように選択されている。この実施形態では、帰還系は、１ｋＨｚの変動に対して応答することができる。

第１ロックインアンプ１０の出力は、ＰＩＤ制御増幅器１１へ入力される。ＰＩＤ制御増幅器１１は、負帰還制御に適用される一般的なものであり、偏差の比例分に加えて、定常偏差や応答の遅いゆらぎ成分の誤差を抑制するための積分要素と、系の応答速度を改善するための微分要素を帰還して、系の制御性能を向上させるために使用している。系の性能向上のためには、ＰＩＤ制御を用いることが好ましいが、積分（ＩあるいはＩｎｔｅｇｒａｌ）要素および微分（ＤあるいはＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）要素は必ずしも帰還する必要はない。

ＰＩＤ制御増幅器１１の出力信号は、半導体レーザ電源７へ入力される。半導体レーザ電源７は、ＰＩＤ制御増幅器１１から入力された信号レベルに応じて半導体レーザ１の駆動電流を変化させることにより、半導体レーザの発光中心波長を変化させる。半導体レーザには、一定の範囲において駆動電流の変化により発振波長が変化する性質がある。この実施形態において、光源部は恒温槽や防振機構を有し、帰還制御系がなくても外乱に対してかなり安定に保たれている。帰還制御系で変化させるべき半導体レーザの波長範囲は狭く、駆動電流を変化させて発振波長が制御できる範囲は、必要とする制御範囲よりも十分広い。

（実施の形態３）
図８は、この発明の粒子測定装置が備える光源部のさらに異なる実施形態を示すブロック図ある。この実施形態では、ウェッジ板２の取り付け部分に光路長調節ＰＺＴ素子１４を配置し、そのピエゾ効果によって半導体レーザ１から外部光共振器３までの光路長を変化させることができるように構成されている。実施の形態３と同様に外部光共振器３の共振光を検出する。そして、検出信号を帰還することにより外部光共振器３から半導体レーザ１へ入射する１次共振光の位相を半導体レーザ１中のレーザ共振器に存在する１次定在波の位相に追従させる。
図８に示すように、光路長調節ＰＺＴ素子１４を駆動する光路長調節ＰＺＴドライバ１３の駆動電圧に第１発振器９からの微小な高周波ＡＣ成分をバイアス−Ｔ１２を用いて重畳する。

重畳するＡＣ成分の振幅は、それに対応して変化する光路長、即ちレーザ共振器へ戻る１次共振光の位相ずれが、合わせこみたいレーザ共振器の１次定在波に対して適当な量になるよう選択される。一実施形態では、ＡＣ成分の振幅は±１５ｍＶであり、これに対応する光路長の変化は６ｎｍである。また、ＡＣ成分の周波数は、温度変化や外部振動に対して波長を安定化させることを目標としているので、これらのゆらぎあるいは変動に比べて十分高く、ＰＺＴが応答できるように選択される。一実施形態では、ＡＣ成分の周波数は３０ｋＨｚであり、温度変化や振動に対して十分速い応答が得られる。

光検出器８によって検出された共振光の強度に関する信号は、被測定信号として第１ロックインアンプ１０へ入力される。一方、第１発振器９からの信号が参照信号として第１ロックインアンプ１０へ入力される。これによって、第１ロックインアンプ１０から出力される信号は、半導体レーザ１中のレーザ共振器に存在する１次定在波の位相に対して、外部光共振器３から戻される１次共振光の位相がどちらの方向にずれているかに応じて正負の極性をもち、絶対値が波長のずれ量と相関を持つ。第１ロックインアンプ１０の出力は、ＰＺＴドライバ１３へ入力される。

帰還制御系が帰還により安定化させようとしている振動や温度変化の外乱に対して帰還制御系は十分速い速度で応答するように選択されている。こ実施の形態では、ＰＺＴの機械系が制御に含まれるために、帰還制御系の応答は、実施の形態２に比べると遅いが、それでも１００Ｈｚの変動に対して応答することができ、外乱を十分に抑制することができる。

実施形態３の帰還制御系は、レーザ光の位相を整合させるので実施形態２に比べて位相雑音を少なくすることができ、波長幅がより狭いレーザ光が得られる。逆に、実施形態２の帰還制御系は、位相のみの調整を行う実施形態３に比べると調整できる幅が大きく、また機械系を含まないために応答速度が速い。いずれの帰還制御系を採用するかは、光源部に求められるスペクトル特性などの要求性能、価格などの条件に応じて選択すればよい。

前記実施形態２の波長偏差帰還部および実施形態３の位相偏差帰還部は、ハードウェアで構成されてもよい。あるいはその一部もしくは全部を、例えばＤＳＰなどを用いてソフトウェアで処理することも当業者にとって容易に考え得ることであり、本発明の範囲に含まれる。いずれの構成を採用するかは制御に要求される応答速度、制御精度、コストなどの要因に応じて適宜選択すればよい。

（実施の形態４）
図９は、この発明の粒子測定装置が備える第２外部光共振器１８の凹面反射鏡１８ａ、１８ｂの鏡間距離を調整可能に構成し、半導体レーザ１からのレーザ光の１次モード波長に対応して第２外部光共振器１８の共振波長を調整できるようにした例である。

この実施形態では、第２外部光共振器１８の一方の凹面鏡１８ａの取り付け部分に鏡間距離調節用ＰＺＴ素子２６を配置し、そのピエゾ効果によって円筒方向の厚みが変化して第２外部光共振器１８の鏡間距離を調節することができるように構成されている。図１０は、第２外部光共振器の構造を示す斜視図である。図に示すように、フローセルが直角方向に貫通するように穴が設けられた胴部材２９の一方の端に部分透過性を有する凹面反射鏡１８ｂが取り付けられ、他方の端には、ＰＺＴ素子２６を介して部分透過性を有する凹面反射鏡１８ａが取り付けられている。図８に示すように凹面反射鏡１８ａの中心の背面からレーザ光が入射される。このレーザ光は凹面反射鏡１８ａを透過して第２外部光共振器１８の内部へ入り、対抗する凹面反射鏡１８ｂにレーザ光の一部が反射し、対向する凹面反射鏡１８ａおよび１８ｂの間を往復して増幅される。フローセルがレーザ光は、共振器内を貫通するフローセル１９を透過して往復する。フローセル１９内を粒子が通過するとき、粒子はそれまで第２外部共振器１８内を往復しているレーザ光によって照射される。粒子が通過する間に前記レーザ光は粒子に反射されて減衰するが、その粒子がレーザ光の往復路を通過すると凹面反射鏡１８ａの背面から新たに入射するレーザ光によって再び第２外部共振器１８内をレーザ光が往復し、光パワーが蓄積される。第２外部共振器１８内を往復するレーザ光の内の一部は、凹面反射鏡１８ｂを透過して外部へ透過する。透過したレーザ光は外部に設けられた第２共振光検出器２１によって検出される。ただし、図示しないフローセル中を粒子が通過している間は１８ｂを透過するレーザ光は粒子によって遮られる。凹面反射鏡１８ｂを透過して外部に設けられた第２共振光検出器２１によって検出された信号を帰還することにより半導体レーザ１からのレーザ光の１次モード波長に対応して第２外部光共振器１８の鏡間距離を調節してその共振波長を１次モード波長に追従させる。

図９に示すように、鏡間距離調節ＰＺＴ素子２６を駆動する鏡間距離調節ＰＺＴドライバ２５の駆動電圧に、ＡＣ成分を重畳するための第２発振器２２が設けられる。ＡＣ成分の振幅は、それに対応して変化する鏡間距離、即ち第２外部光共振器１８の共振波長のスペクトル幅に対して適当な量になるように選択される。一実施形態では、ＡＣ成分の振幅は、±１５ｍＶであり、これに対応する鏡間距離の変化は６ｎｍである。また、ＡＣ成分の周波数は、温度変化や外部振動に対するレーザ発振波長のゆらぎ、第２外部光共振器１８の共振波長のゆらぎを安定化させることを目標としているので、これらのゆらぎに比べて十分高く、鏡間距離調節ＰＺＴ素子２６が応答できる周波数に選択される。また、実施の形態２、３の光源部は、光源部の帰還制御系によってレーザ光の波長が微小に変動しているが、この影響を受けない程度に低い周波数を選択している。
一実施形態では、ＡＣ成分の周波数は３０ｋＨｚであり、温度変化や振動に対して十分速い応答が得られる。

第２共振光検出器２１によって検出された信号は、ＡＣ成分に応答して鏡間距離が変動することによる共振光の強度変動分を含んでいる。この信号は、第２ロックインアンプ２３へ入力される。一方、第２発振器２２からの信号が、参照信号として第２ロックインアンプ２３へ入力される。これによって、第２ロックインアンプ２３から出力される信号は、半導体レーザ１の１次モード波長に対して、第２外部光共振器２１の共振波長が長短どちらにずれているかに応じて正負の極性を持ち、絶対値が波長のズレ量と相関を持つ。
第２ロックインアンプ２３の出力信号は、平均化のためにローパスフィルタがかけられており、出力信号の応答は、第２発振器２２のＡＣ信号の周波数に比べると十分遅い。しかし、温度変化や振動などの外乱に対しては十分な応答速度をもっている。

第２ロックインアンプ２３の出力は、第２ＰＩＤ制御増幅器２４へ入力される。第２ＰＩＤ制御増幅器２４の構成は第１ＰＩＤ制御増幅器１１と同様であり、系の定常偏差およびゆらぎの制御精度や応答速度を改善する。第２ＰＩＤ制御増幅器２４からの出力は鏡間調節ＰＺＴドライバ２５へ帰還される。
鏡間調節ＰＺＴドライバ２５は、帰還された信号に応答して鏡間距離調節ＰＺＴ素子を駆動し、半導体レーザ１の１次モード波長に、第２外部光共振器２１の共振波長が追従するようにその凹面反射鏡１８ａと１８ｂの鏡間距離が調節される。

この発明の粒子測定装置の一実施形態を示すブロック図ある。 この発明の光源部で得られるレーザ光のスペクトル特性の一例を示すグラフである。 この発明の光源部で用いられる半導体レーザの一例を示す斜視図である。 この発明の光源部に用いる第１外部光共振器において、歪に対して光路が変形する様子を示す説明図である。 この発明の粒子測定装置が備える光源部の異なる実施形態を示すブロック図ある。 この発明の実施の形態２で用いる、ロックインアンプの動作原理を説明する波形のグラフである。 この発明の実施の形態２で用いる、ロックインアンプの入出力特性を示すグラフである。 この発明の粒子測定装置が備える光源部のさらに異なる実施形態を示すブロック図ある。 この発明の粒子測定装置の、第２外部共振器の鏡間距離を調整するようにした実施形態を示すブロック図である。 この発明の第２外部光共振器の構造を示す斜視図である。 レーザ共振器内に存在する定在波のうち、１次および２次定在波を示す説明図である。 市販されている半導体レーザのスペクトル特性の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ 半導体レーザ
２ ウェッジ板
３ 第１外部光共振器
３ａ、３ｂ 凹面反射鏡
４ ペルチェ素子
５ 温度制御回路
６、２８ 恒温槽
７ 半導体レーザ駆動回路
８ 第１共振光検出器
９ 第１発振器
１０ 第１ロックインアンプ
１１ 第１ＰＩＤ制御増幅器
１２ バイアス−Ｔ
１３ 光路長調節ＰＺＴドライバ
１４ 光路長調節ＰＺＴ素子
１５ レーザ共振器
１６ａ、１６ｂ 全反射ミラー
１７ 光アイソレータ
１８ 第２外部光共振器
１８ａ、１８ｂ 凹面反射鏡
１９ フローセル
２０ 粒子測定用光検出器
２１ 第２共振光検出器
２２ 第２発振器
２３ 第２ロックインアンプ
２４ 第２ＰＩＤ制御増幅器
２５ 鏡間距離調節ＰＺＴドライバ
２６ 鏡間距離調節ＰＺＴ素子
２７ 測定データ処理装置
２９ 胴部材
３０ レーザ光
３１ レーザ素子
３２ 透過膜
３３ 反射膜

Claims (8)

1. 測定する粒子を通過させるフローセルと、
   レーザ共振器を有し誘導放出によりレーザ共振の１次および高次モード波長を含むレーザ光を出射するレーザ発光部と入射するレーザ光の１次モード波長に対応する波長を選択して共振光を出射する第１外部光共振器とレーザ共振器からのレーザ光の一部を第１外部光共振器へ入射させ、第１外部光共振器からの共振光をレーザ共振器へ再入射させる光学系とを含む光源部と、
   ２つの反射鏡を同軸上に対向させて配置し、その軸と一致するように一方の反射鏡の背面から入射させた光源部からのレーザ光が前記反射鏡間を往復し、その光路が前記粒子を照射するように構成された第２外部光共振器とを備える粒子測定装置。
2. 反射鏡が、凹面反射鏡であることを特徴とする請求項１記載の粒子測定装置。
3. 光源部が、
   第１外部光共振器からの共振光の強度を検出して出力する第１共振光検出器と、
   第１共振光検出器からの出力に基づいて共振光の波長とレーザ光の１次モード波長との偏差に関する信号を帰還する波長偏差帰還部と、
   所望の波長が得られるようにレーザ発光部を駆動するレーザ駆動部とをさらに備え、
   レーザ駆動部は、波長偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ光の１次モード波長と共振光の波長とが一致するようにレーザ発光部を駆動する請求項１または２記載の粒子測定装置。
4. 光源部が、
   前記光学系のレーザ共振器と第１外部光共振器との間の光路長を変えて第１外部光共振器からレーザ共振器へ入射する共振光の位相を変える光路長調節部と、
   第１外部光共振器からの共振光の強度を検出して出力する第１共振光検出器と、
   第１共振光検出器の出力に基づいてレーザ共振器へ入射する位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相との偏差に関する信号を帰還する位相偏差帰還部とをさらに備え、
   光路調節部は、位相偏差帰還部からの信号に基づいてレーザ共振器に入射する共振光の位相とレーザ共振器内の１次定在波の位相とが一致するように光学系の光路長を調節する請求項１〜３いずれかに記載の粒子測定装置。
5. 第２外部光共振器の鏡間距離を変えることによって第２外部光共振器の共振波長を変える鏡間距離調節部と、
   第２外部光共振器からの共振光の強度を検出して出力する第２共振光検出器と、
   第２共振光検出器の出力に基づいて第２外部光共振器の共振波長とレーザ発光部の波長との偏差に関する信号を帰還する第２波長偏差帰還部とをさらに備え、
   鏡間距離調節部は、第２波長偏差帰還部からの信号に基づいて第２外部光共振器の共振波長とレーザ発光部の波長とが一致するように鏡間距離を調節する請求項１〜４いずれかに記載の粒子測定装置。
6. 第２外部共振器の鏡間距離を所定周波数で微小変動させる鏡間距離変動信号を重畳する鏡間距離変動重畳部をさらに備え、
   第２共振光検出器は、鏡間距離変動に応答する共振光の強度を検出して出力し、
   第２波長偏差帰還部は、鏡間距離変動信号と第２共振光検出器の出力とに基づく処理によって第２外部光共振器の共振波長とレーザ発光部の波長との偏差に関する信号を生成して帰還し、
   鏡間距離調節部は、第２外部光共振器の共振波長とレーザ発光部の波長とを一致させるように鏡間距離を調節する請求項５記載の粒子測定装置。
7. 第１外部光共振器が、焦点距離の等しい２つの凹面反射鏡からなり、前記凹面反射鏡は、互いの焦点が一致するよう同軸上に配置され、焦点を通り軸と平行でない角度で一方の凹面反射鏡の背面からレーザ光を入射して透過させることにより凹面反射鏡間を往復する光路が焦点以外で交差あるいは一致しないように構成される請求項１〜６いずれかに記載の粒子測定装置。
8. 前記光学系から出射した光を透過し、その逆方向の光を阻止する光アイソレータを備える請求項１〜７いずれかに記載の粒子測定装置。

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