JP2006133013A - Semiconductor laser absorption spectroscopic device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser absorption spectroscopic device capable of measuring accurately a gas concentration by enlarging sufficiently a signal-to-noise ratio even when the gas pressure of a gas to be measured is lower than 10 mbar. <P>SOLUTION: This device has two resonators comprising a current excitation type surface light emitting semiconductor laser 21 arranged in a gas cell 24 filled with ammonia gas G1 and driven by current excitation, and a concave mirror 23 arranged on the optical path of semiconductor laser light emitted from the current excitation type surface light emitting semiconductor laser 21 and in a gas cell 24. The device is equipped with the first photodiode 52 for receiving a semiconductor laser L1 irradiated toward the ammonia gas G1 and the second photodiode 55 a semiconductor laser L2 irradiated from the current excitation type surface light emitting semiconductor 21. The ammonia gas G1 concentration is measured from the emission intensities of the semiconductor laser lights L1, L2 received respectively by the first and second photodiodes 52, 55. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体レーザ吸収分光装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser absorption spectrometer.

近赤外領域において吸収強度が大きいガス種が多く存在することから、近赤外半導体レーザによりガス濃度や温度の評価を行う半導体レーザ吸収分光法に関する研究が盛んに行われている。ガス濃度測定を行う際には、特定のガス種が有する吸収線を複数検知し、その吸収量の強度比などの情報からガス濃度を特定するため、1nm以上の波長を掃引できることが望ましい。そのため、従来は分布帰還型(Distributed FeedBack、DFB)レーザの発振波長が注入電流の増加に伴い1nm程度増加することを利用するか、半導体レーザと外部共振器の組み合わせによる波長掃引機能(20nm程度)を利用した半導体レーザ吸収分光が行われてきた(非特許文献1を参照)。しかしながら、前者は波長掃引領域が狭いために室温かつ常圧のガス濃度測定に限られていた。また、後者は、外部共振器を機械的に動かして波長掃引を行うために、掃引速度が原理的に遅いことが問題となっていた。   Since there are many gas species with high absorption intensity in the near-infrared region, research on semiconductor laser absorption spectroscopy in which gas concentration and temperature are evaluated by a near-infrared semiconductor laser has been actively conducted. When performing gas concentration measurement, it is desirable to be able to sweep a wavelength of 1 nm or more in order to detect a plurality of absorption lines of a specific gas type and specify the gas concentration from information such as the intensity ratio of the absorption amount. Therefore, a wavelength sweep function (about 20 nm) using a combination of a semiconductor laser and an external resonator is conventionally used, where the oscillation wavelength of a distributed feedback (DFB) laser increases by about 1 nm as the injection current increases. Has been performed (see Non-Patent Document 1). However, the former is limited to the measurement of gas concentration at room temperature and atmospheric pressure because the wavelength sweep region is narrow. In the latter case, the wavelength sweep is performed by mechanically moving the external resonator, so that the sweep speed is low in principle.

一方、面発光型半導体レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser、VCSEL)は、従来の半導体レーザと比較して活性層体積が小さいことと、電流注入を行う半導体分布ブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector、DBR)層の電気的な抵抗が高いことから、発振波長が注入電力の増加に伴い3〜4nm程度と大きく増加することが知られている。さらに、単位電流当たりの波長の増加量が、従来の半導体レーザが0.01nm/mA程度であるのに対し、面発光型半導体レーザは0.3〜0.4nm/A程度と数十倍大きいため、高速度で波長掃引を行うことが可能となる。そのため、面発光型半導体レーザを用いた半導体レーザ分光吸収によるガス濃度評価は、酸素やアンモニアの濃度測定に利用されている(非特許文献2および非特許文献3を参照)。   On the other hand, a surface emitting semiconductor laser (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) has a smaller active layer volume than a conventional semiconductor laser and a distributed Bragg reflector (DBR) that performs current injection. Since the electrical resistance of the layer is high, it is known that the oscillation wavelength greatly increases to about 3 to 4 nm as the injection power increases. Furthermore, the amount of increase in wavelength per unit current is about 0.01 nm / mA for the conventional semiconductor laser, whereas the surface emitting semiconductor laser is about 0.3 to 0.4 nm / A, which is several tens of times larger. Therefore, it becomes possible to perform wavelength sweeping at a high speed. Therefore, gas concentration evaluation by semiconductor laser spectral absorption using a surface-emitting type semiconductor laser is used for concentration measurement of oxygen and ammonia (see Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3).

図18を用いて従来の面発光型半導体レーザを用いた半導体レーザ分光吸収法について説明を行う。面発光型半導体レーザ101は、レーザドライバ102と温度コントローラ103により、電流値と温度をそれぞれコントロールして、駆動している。面発光型半導体レーザ101から出射したレーザ光L10は、第1のレンズ104によりコリメート(平行)光となりビームスプリッタ105を経てガスセル106の片側の端面からガスセル106内部に充填された10mbar以上の圧力を有する被測定ガスgに入射する。   A conventional semiconductor laser spectral absorption method using a surface emitting semiconductor laser will be described with reference to FIG. The surface emitting semiconductor laser 101 is driven by controlling a current value and a temperature by a laser driver 102 and a temperature controller 103, respectively. The laser light L10 emitted from the surface emitting semiconductor laser 101 is collimated (parallel) light by the first lens 104, passes through the beam splitter 105, and has a pressure of 10 mbar or more filled into the gas cell 106 from one end face of the gas cell 106. It enters the measurement target gas g.

被測定ガスgに入射したレーザ光は一度ガスセル106から外部に出て、第1の反射鏡107により反対方向に反射して再びガスセル106内を通過し、第2の反射鏡108を経て第2のレンズ109により第1のフォトダイオード(Photo Diode、PD)110の受光径に合うようにスポットサイズ変換を受けた後、第1のフォトダイオード110に入射する。   The laser light incident on the measurement gas g once exits from the gas cell 106, is reflected in the opposite direction by the first reflecting mirror 107, passes through the gas cell 106 again, passes through the second reflecting mirror 108, and passes through the second reflecting mirror 108. After being subjected to spot size conversion by the lens 109 so as to match the light receiving diameter of the first photodiode (Photo Diode, PD) 110, the light enters the first photodiode 110.

面発光型半導体レーザ101から出射されたレーザ光L10の光出力Lおよび発振波長λの注入電流Iの依存性を図19に示す。先に述べたように、注入電流Iの増加に伴い発振波長λが増加している様子が分かる。そのため、測定ガスの吸収線波長とレーザ光の波長が一致しない場合は、第1のフォトダイオード110への入射光はほとんど損失を受けないため、受光強度(電流・電圧)は大きい。一方、一致する場合は、レーザ光がガスセル106内を往復する際に強い吸収を受けて損失が大きくなるため、受光強度は小さくなる。   FIG. 19 shows the dependence of the optical output L of the laser beam L10 emitted from the surface emitting semiconductor laser 101 and the injection current I on the oscillation wavelength λ. As described above, it can be seen that the oscillation wavelength λ increases as the injection current I increases. Therefore, when the absorption line wavelength of the measurement gas and the wavelength of the laser beam do not match, the incident light to the first photodiode 110 receives almost no loss, and thus the received light intensity (current / voltage) is high. On the other hand, if the values match, the laser beam receives strong absorption when it reciprocates in the gas cell 106 and the loss increases, so the received light intensity decreases.

図20(a)にガスセル106に圧力100mbarのアンモニアガスを充填したときのI−L特性を示す。先に述べたように、面発光型半導体レーザ101への注入電流の増加に伴い発振波長が長波長側にシフトするため、図20(a)に示すように、I−L特性においてガスの吸収線波長に対応したディップが観測される(実際にはさらに多くの数のディップが観測されるが、ここでは簡便のため省略している)。このディップの面積からガス濃度に対応した光吸収量を評価することが可能となる。   FIG. 20A shows IL characteristics when the gas cell 106 is filled with ammonia gas having a pressure of 100 mbar. As described above, since the oscillation wavelength shifts to the longer wavelength side as the injection current to the surface emitting semiconductor laser 101 increases, as shown in FIG. Dips corresponding to the line wavelengths are observed (actually a larger number of dips are observed, but are omitted here for simplicity). The light absorption amount corresponding to the gas concentration can be evaluated from the area of the dip.

図21(a)と図21(c)には、図20(a)の結果から得られた光吸収量の波長依存性と、アンモニアガスにおける吸収線のシミュレーション結果をそれぞれ示す。図21(a)と図21(c)を比較して分かるように、図20(a)から得られた実験結果とシミュレーションから得られた吸収線が精度良く一致することが分かる。このように比較的狭い波長帯域内に複数の吸収線を検知しなければならない半導体レーザ吸収分光においては、半導体レーザの発振波長を精度良く測定する必要がある。そのため、図18に示したように面発光型半導体レーザ101から出射されたレーザ光L10をビームスプリッタ105で分岐し、エタロン共振器111を通過させて第2のフォトダイオード112で受光している。このときの受光強度(電圧・電流)は、エタロン共振器111の縦モード間隔の周期で強度が大きく変動するため、レーザ光L10の発振波長を高分解能でモニタすることが可能となる。   FIGS. 21A and 21C show the wavelength dependence of the light absorption obtained from the result of FIG. 20A and the simulation result of the absorption line in ammonia gas, respectively. As can be seen by comparing FIG. 21A and FIG. 21C, it can be seen that the experimental result obtained from FIG. 20A and the absorption line obtained from the simulation coincide with each other with high accuracy. Thus, in semiconductor laser absorption spectroscopy in which a plurality of absorption lines must be detected within a relatively narrow wavelength band, it is necessary to accurately measure the oscillation wavelength of the semiconductor laser. Therefore, as shown in FIG. 18, the laser light L10 emitted from the surface-emitting type semiconductor laser 101 is branched by the beam splitter 105, passed through the etalon resonator 111, and received by the second photodiode 112. At this time, the received light intensity (voltage / current) greatly varies with the period of the longitudinal mode interval of the etalon resonator 111, so that the oscillation wavelength of the laser light L10 can be monitored with high resolution.

R.M. Mihalcea et al.,「Diode laser sensor for measurements of CO, CO2, and CH4 in combustion flows」,Applied Optics,1997年11月20日,Vol.36,No.30,8745-8752R.M. Mihalcea et al., “Diode laser sensor for measurements of CO, CO2, and CH4 in combustion flows”, Applied Optics, November 20, 1997, Vol. 36, No. 30, 8745-8552. J. Wang et al,「Oxygen measurements at high pressures with vertical cavity surface-emitting lasers」,Applied Physics B,2001年,B 72,865-872J. Wang et al, “Oxygen measurements at high pressures with vertical cavity surface-emitting lasers”, Applied Physics B, 2001, B 72, 865-872. G. Totschnig et al.,「High-speed vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) absorption spectroscopy of ammonia (NH3) near 1.54μm」,Applied Physics B,2003年,B 76,603-608G. Totschnig et al., “High-speed vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) absorption spectroscopy of ammonia (NH3) near 1.54 μm”, Applied Physics B, 2003, B 76, 603-608. A. Mooradian,「High brightness cavity-controlled surface emitting GaInAs lasers operating at 980 nm」,Optical Fiber Communication,2001年,PD17-1A. Mooradian, “High brightness cavity-controlled surface emitting GaInAs lasers operating at 980 nm”, Optical Fiber Communication, 2001, PD17-1 M. A. Hadley et al,「High single-transverse-mode output from external-cavity surface-emitting laser diodes」,Applied Physics Letters,1993年9月20日,Vol.63,No.20,1607-1609M. A. Hadley et al, “High single-transverse-mode output from external-cavity surface-emitting laser diodes”, Applied Physics Letters, September 20, 1993, Vol. 63, No. 20, 1607-1609.

一方、受光強度の大小によりガス濃度を精度良く評価するためには、受光強度のS/N(信号対雑音)比を十分大きくとることが必要である。特にガスの圧力が10mbar未満と低い場合、面発光型半導体レーザのレーザ光強度が1mW程度(シングルモード)と低いため、高いS/N比を確保することが困難となる。そのため、10mbar未満において面発光型半導体レーザを用いて吸収分光測定を行うと、図20(b)に示したように、I−L特性において観測されるディップが浅くなり、形状になまりが見られる。そのため、図21(b)に示した図20(b)から得られた光吸収線と、図21(c)に示したシミュレーション結果には、吸収線波長のズレが観測され、また光吸収量が全体的に弱く観測されるため、光吸収量の少ない吸収線波長が観測されないことが分かる。よって、ガス圧が10mbar未満になると、面発光型半導体レーザの出射光強度が低いため、吸収分光測定において十分なS/N比を確保できず、ガス濃度に対応した光吸収量を正確に測定することができないばかりか、観測されない吸収線波長も発生するため、ガス種を誤って判断する可能性が生じる。   On the other hand, in order to accurately evaluate the gas concentration based on the magnitude of the received light intensity, it is necessary to make the S / N (signal to noise) ratio of the received light intensity sufficiently large. In particular, when the gas pressure is as low as less than 10 mbar, it is difficult to ensure a high S / N ratio because the laser light intensity of the surface emitting semiconductor laser is as low as about 1 mW (single mode). Therefore, when absorption spectroscopy measurement is performed using a surface-emitting type semiconductor laser at less than 10 mbar, the dip observed in the IL characteristic becomes shallow as shown in FIG. . Therefore, a shift in absorption line wavelength is observed between the light absorption line obtained from FIG. 20B shown in FIG. 21B and the simulation result shown in FIG. Is observed weakly as a whole, it can be seen that an absorption line wavelength with a small amount of light absorption is not observed. Therefore, when the gas pressure is less than 10 mbar, the emitted light intensity of the surface emitting semiconductor laser is low, so that a sufficient S / N ratio cannot be secured in the absorption spectroscopic measurement, and the light absorption amount corresponding to the gas concentration is accurately measured. Not only can it be done, but also the absorption line wavelengths that are not observed are generated, which may cause misjudgment of gas species.

十分なS/N比を確保する別の手段として、レーザ光をガスセル内で2回以上往復させる方法も考えられるが、レーザ光をガスセル内で複数回往復させるためには、ガスセルの両端に設置する反射鏡の数が増加するため、装置が複雑で高コストになり、光軸調整箇所も増加するため、測定効率が著しく低下する。このように、従来の面発光型半導体レーザを用いた半導体レーザ吸収分光装置ではガス圧が10mbar未満の場合、S/N比が小さく(悪く)、高精度な測定値が得られないばかりか誤った測定結果が得られてしまうという問題があり、重大な課題となっていた。   As another means of ensuring a sufficient S / N ratio, a method of reciprocating the laser beam twice or more in the gas cell is conceivable. However, in order to reciprocate the laser beam multiple times in the gas cell, it is installed at both ends of the gas cell. Since the number of reflecting mirrors increases, the apparatus becomes complicated and expensive, and the number of optical axis adjustment points also increases, so that the measurement efficiency is significantly reduced. As described above, in the conventional semiconductor laser absorption spectrometer using the surface emitting semiconductor laser, when the gas pressure is less than 10 mbar, the S / N ratio is small (bad), and a high-accuracy measurement value cannot be obtained. As a result, there was a problem that the measurement results could be obtained.

そこで、本発明は、上述した問題に鑑み提案されたものであり、被測定ガスのガス圧が10mbar未満であっても、信号対雑音比を十分大きくして、精度良くガス濃度を測定することができる半導体レーザ吸収分光装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described problems, and even when the gas pressure of the gas to be measured is less than 10 mbar, the signal-to-noise ratio is sufficiently increased to accurately measure the gas concentration. An object of the present invention is to provide a semiconductor laser absorption spectroscopic device capable of performing

上述した課題を解決する第1の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、半導体レーザ光による吸収分光法を用いてガス濃度を評価する半導体レーザ吸収分光装置において、半導体レーザから出射された前記半導体レーザ光が伝搬する光路上に3つの反射鏡が設置され、隣接する2つの反射鏡からなる2つの共振器を有し、前記2つの共振器のうち一方に被測定ガスを配置したことを特徴とする。   A semiconductor laser absorption spectrometer according to a first aspect of the present invention for solving the above-described problem is a semiconductor laser absorption spectrometer that evaluates a gas concentration using absorption spectroscopy using semiconductor laser light. The semiconductor laser emitted from the semiconductor laser is used. It is characterized in that three reflecting mirrors are installed on an optical path through which light propagates, two resonators composed of two adjacent reflecting mirrors are provided, and a gas to be measured is arranged in one of the two resonators. To do.

上述した課題を解決する第2の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第1の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスが配置された共振器側から出射した前記半導体レーザ光を受光する第1のフォトダイオードと、前記共振器とは別の共振器側から出射した前記半導体レーザを受光する第2のフォトダイオードとを備えることを特徴とする。   A semiconductor laser absorption spectroscopic device according to a second invention for solving the above-described problem is the semiconductor laser absorption spectroscopic device according to the first invention, wherein the semiconductor laser emitted from the resonator side where the measurement gas is arranged. A first photodiode for receiving light and a second photodiode for receiving the semiconductor laser emitted from a resonator side different from the resonator are provided.

上述した課題を解決する第3の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第1の発明または第2の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記半導体レーザが、電流励起により駆動する電流励起型面発光半導体レーザであることを特徴とする。   A semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus according to a third invention for solving the above-described problem is the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus according to the first or second invention, wherein the semiconductor laser is driven by current excitation. It is a mold surface emitting semiconductor laser.

上述した課題を解決する第4の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第3の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスを封入するガス容器の内部に、前記3つの反射鏡を配置したことを特徴とする。   A semiconductor laser absorption spectroscopic device according to a fourth invention for solving the above-described problem is the semiconductor laser absorption spectroscopic device according to the third invention, wherein the three reflections are provided in a gas container enclosing the gas to be measured. It is characterized by arranging a mirror.

上述した課題を解決する第5の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第3の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスを封入するガス容器の外部に、前記3つの反射鏡を配置したことを特徴とする。   A semiconductor laser absorption spectroscopic device according to a fifth invention for solving the above-described problems is the semiconductor laser absorption spectroscopic device according to the third invention, wherein the three reflections are provided outside a gas container enclosing the gas to be measured. It is characterized by arranging a mirror.

上述した課題を解決する第6の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第1の発明または第2の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記半導体レーザが、光励起によりレーザ発振する光励起型面発光半導体レーザであることを特徴とする。   A semiconductor laser absorption spectroscopic device according to a sixth invention for solving the above-described problem is a semiconductor laser absorption spectroscopic device according to the first invention or the second invention, wherein the semiconductor laser is laser-excited by optical excitation. It is a surface emitting semiconductor laser.

上述した課題を解決する第7の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第6の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスを封入するガス容器の内部に、前記3つの反射鏡を配置したことを特徴とする。   A semiconductor laser absorption spectrometer according to a seventh aspect of the present invention for solving the above-described problem is the semiconductor laser absorption spectrometer according to the sixth aspect of the invention, wherein the three reflections are disposed inside a gas container that encloses the gas to be measured. It is characterized by arranging a mirror.

上述した課題を解決する第8の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第6の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスを封入するガス容器の外部に、前記3つの反射鏡を配置したことを特徴とする。   A semiconductor laser absorption spectroscopic device according to an eighth invention for solving the above-described problem is the semiconductor laser absorption spectroscopic device according to the sixth invention, wherein the three reflections are provided outside a gas container enclosing the gas to be measured. It is characterized by arranging a mirror.

上述した課題を解決する第9の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第1の発明または第2の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記半導体レーザが、端面発光型半導体レーザであることを特徴とする。   A semiconductor laser absorption spectrometer according to a ninth invention for solving the above-described problems is the semiconductor laser absorption spectrometer according to the first or second invention, wherein the semiconductor laser is an edge-emitting semiconductor laser. It is characterized by that.

上述した課題を解決する第10の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第9の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスを封入するガス容器の内部に、前記3つの反射鏡を配置したことを特徴とする。   A semiconductor laser absorption spectrometer according to a tenth aspect of the invention for solving the above-described problem is the semiconductor laser absorption spectrometer according to the ninth aspect of the invention, wherein the three reflections are provided inside a gas container enclosing the gas to be measured. It is characterized by arranging a mirror.

上述した課題を解決する第11の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置は、第9の発明に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、前記被測定ガスを封入するガス容器の外部に、前記3つの反射鏡を配置したことを特徴とする。   A semiconductor laser absorption spectrometer according to an eleventh aspect of the invention for solving the above-described problem is the semiconductor laser absorption spectrometer according to the ninth aspect of the invention, wherein the three reflections are provided outside the gas container enclosing the gas to be measured. It is characterized by arranging a mirror.

[作用]
上記の構成を有する本発明においては問題点が以下のように解決されている。以下、本発明に係る半導体レーザ吸収分光装置に用いる面発光型半導体レーザの原理について図1を用いて説明する。同図に示すように、面発光型半導体レーザ1は、従来型の面発光型半導体レーザの出射方向に、光学絞り2と凹面鏡3を備えた複合共振器型面発光半導体レーザとなっている。面発光型半導体レーザ1は、例えば、1.55μm帯に発振波長を有し、n−InP基板4上には、n型にドープされた高反射率を有するn−DBR層(屈折率の異なる材料を交互に積層した構造)5、多重量子井戸(Multiple Quantum Wells、MQW)活性層6、高反射率のp−DBR層7、およびp−InGaAsコンタクト層8が順次積層されている。n−InP基板4の下側にはn電極12が積層されており、p−InGaAsコンタクト層8の上には、電流注入を行うためのp電極11が積層されている。また、p−DBR層7におけるp−InGaAsコンタクト層8で囲まれる領域には、反射防止膜9が積層されている。
[Action]
In the present invention having the above-described configuration, the problems are solved as follows. The principle of the surface emitting semiconductor laser used in the semiconductor laser absorption spectrometer according to the present invention will be described below with reference to FIG. As shown in the figure, the surface emitting semiconductor laser 1 is a compound resonator type surface emitting semiconductor laser having an optical aperture 2 and a concave mirror 3 in the emission direction of a conventional surface emitting semiconductor laser. The surface emitting semiconductor laser 1 has, for example, an oscillation wavelength in a 1.55 μm band, and an n-DBR layer (having a different refractive index) having high reflectivity doped n-type on an n-InP substrate 4. A structure in which materials are alternately stacked) 5, a multiple quantum well (MQW) active layer 6, a p-DBR layer 7 having a high reflectivity, and a p-InGaAs contact layer 8 are sequentially stacked. An n-electrode 12 is stacked below the n-InP substrate 4, and a p-electrode 11 for current injection is stacked on the p-InGaAs contact layer 8. Further, an antireflection film 9 is laminated in a region surrounded by the p-InGaAs contact layer 8 in the p-DBR layer 7.

この面発光型半導体レーザ1に電流注入を行うと、n−DBR層5とp−DBR層7とから構成された第1の共振器13によりレーザ発振が行われるが、発振波長およびモードプロファイルは、p−DBR層7と凹面鏡3で構成された第2の共振器14との相互作用により決定される。そのため、凹面鏡3と光学絞り2の位置調整および光学絞り2の開口径の調整を行うことで、単一横および縦モードを維持しながら出力光強度の向上が可能であることが一般的に知られている(非特許文献4、および非特許文献5を参照)。   When current is injected into the surface emitting semiconductor laser 1, laser oscillation is performed by the first resonator 13 composed of the n-DBR layer 5 and the p-DBR layer 7, and the oscillation wavelength and mode profile are as follows. , Determined by the interaction between the p-DBR layer 7 and the second resonator 14 composed of the concave mirror 3. Therefore, it is generally known that the output light intensity can be improved while maintaining the single transverse and longitudinal modes by adjusting the position of the concave mirror 3 and the optical aperture 2 and adjusting the aperture diameter of the optical aperture 2. (See Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5).

一般に第2の共振器14の空間は、通常レーザ発振波長に対し透明な大気や窒素ガスなどで満たされている。これは、レーザ発振波長に対する吸収媒質(固体、気体など)で満たすと、多重量子井戸活性層6の光学利得よりも、該空間における光学損失が大きくなり、レーザ発振が全く得られなくなってしまうためである。本発明に係る半導体レーザ吸収分光装置における面発光型半導体レーザ1においては、図2に示したように、該空間をレーザ発振波長付近に吸収線を有するガスGによって満たすことを最大の特徴とする。   In general, the space of the second resonator 14 is usually filled with air or nitrogen gas that is transparent to the laser oscillation wavelength. This is because, when filled with an absorbing medium (solid, gas, etc.) for the laser oscillation wavelength, the optical loss in the space becomes larger than the optical gain of the multiple quantum well active layer 6, and laser oscillation cannot be obtained at all. It is. The surface-emitting type semiconductor laser 1 in the semiconductor laser absorption spectrometer according to the present invention is characterized in that, as shown in FIG. 2, the space is filled with a gas G having an absorption line near the laser oscillation wavelength. .

そのため、先に述べたように面発光型半導体レーザ1の発振波長が電流の増加に伴って増加することを利用してI−L特性を評価すると、図3に示したように、ガスの吸収線に対応した波長においては、第2の共振器14における光学損失が大きくなりレーザ発振が得られないため、発光強度が得られない。一方、吸収線に対応しない波長においては、第2の共振器14における光学損失は無いため、従来の面発光型半導体レーザよりも大きな発光強度が得られる。そのため、本発明の装置において面発光型半導体レーザ1を用いれば、ガスセルの両端に設置する反射鏡の数量を増加させることなく、従来よりも飛躍的に高いS/N比(信号対雑音比)を得ることができるため、高精度なガス濃度測定が可能となる。   Therefore, as described above, when the IL characteristic is evaluated using the fact that the oscillation wavelength of the surface emitting semiconductor laser 1 increases as the current increases, as shown in FIG. At the wavelength corresponding to the line, the optical loss in the second resonator 14 becomes large and laser oscillation cannot be obtained, so that the emission intensity cannot be obtained. On the other hand, since there is no optical loss in the second resonator 14 at a wavelength that does not correspond to the absorption line, a larger emission intensity than that of the conventional surface emitting semiconductor laser can be obtained. Therefore, when the surface emitting semiconductor laser 1 is used in the apparatus of the present invention, the signal-to-noise ratio (signal-to-noise ratio) is dramatically higher than before without increasing the number of reflectors installed at both ends of the gas cell. Therefore, highly accurate gas concentration measurement can be performed.

第1の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、常圧のガス圧はもちろんのこと従来の半導体レーザ吸収分光装置では測定できなかった低いガス圧においても、高い信号対雑音比を確保することができるため、高精度且つ正確なガス濃度を測定することが可能となる。   According to the semiconductor laser absorption spectrometer of the first invention, a high signal-to-noise ratio is ensured not only at a normal gas pressure but also at a low gas pressure that cannot be measured by a conventional semiconductor laser absorption spectrometer. Therefore, it is possible to measure the gas concentration with high accuracy and accuracy.

第2の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第1の発明と同様な作用効果を奏する。   The semiconductor laser absorption spectroscopic device according to the second aspect of the invention has the same operational effects as the first aspect of the invention.

第3の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第1の発明と同様な作用効果を奏する。   The semiconductor laser absorption spectroscopic device according to the third aspect of the present invention has the same operational effects as the first aspect of the invention.

第4の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第1の発明と同様な作用効果を奏する。   According to the semiconductor laser absorption spectroscopic device of the fourth invention, the same operational effects as the first invention can be obtained.

第5の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第3の発明と同様な作用効果を奏する他、被測定ガスを充填するガス容器の温度を制御するヒータの影響を受けずに、前記電流励起型面発光型半導体レーザの駆動温度を制御することができる。   According to the semiconductor laser absorption spectrometer according to the fifth aspect of the invention, the same effect as the third aspect of the invention can be obtained, and without being affected by the heater that controls the temperature of the gas container filled with the gas to be measured. The driving temperature of the current excitation type surface emitting semiconductor laser can be controlled.

第6の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第1の発明と同様な作用効果を奏する他、電流励起型面発光半導体レーザのような電極や電流狭窄構造が不要となるので、前記光励起型面発光半導体レーザの作製が簡便になるという効果がある。   According to the semiconductor laser absorption spectroscopic device of the sixth invention, the same effect as the first invention can be obtained, and an electrode and a current confinement structure such as a current excitation type surface emitting semiconductor laser are not required. There is an effect that the fabrication of the photoexcited surface emitting semiconductor laser is simplified.

第7の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第6の発明と同様な作用効果を奏する。   According to the semiconductor laser absorption spectroscopic device of the seventh invention, the same function and effect as the sixth invention are achieved.

第8の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第6の発明と同様な作用効果を奏する他、被測定ガスを充填するガス容器の温度を制御するヒータの影響を受けずに、前記光励起型面発光半導体レーザの駆動温度を制御することができる。   According to the semiconductor laser absorption spectroscopic device of the eighth invention, the same effect as the sixth invention can be obtained, and without being affected by the heater that controls the temperature of the gas container filled with the gas to be measured, The driving temperature of the photoexcited surface emitting semiconductor laser can be controlled.

第9の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第1の発明と同様な作用効果を奏する。   According to the semiconductor laser absorption spectroscopic device of the ninth invention, the same function and effect as the first invention are achieved.

第10の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第9の発明と同様な作用効果を奏する。   According to the semiconductor laser absorption spectroscopic device of the tenth aspect, the same function and effect as the ninth aspect are achieved.

第11の発明に係る半導体レーザ吸収分光装置によれば、第9の発明と同様な作用効果を奏する他、被測定ガスを充填するガス容器の温度を制御するヒータの影響を受けずに、前記端面発光型半導体レーザの駆動温度を制御することができる。   According to the semiconductor laser absorption spectrometer of the eleventh aspect of the invention, the same effect as that of the ninth aspect of the invention can be obtained, and without being affected by the heater that controls the temperature of the gas container filled with the gas to be measured. The driving temperature of the edge emitting semiconductor laser can be controlled.

以下に、本発明に係る半導体レーザ吸収分光装置を実施するための最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。   The best mode for carrying out the semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus according to the present invention will be specifically described below based on examples.

図4は、本発明の第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図であり、図5は、その装置における電流励起型面発光半導体レーザの説明図であり、図5(a)にその構造、図5(b)にそれを複合共振器としたときの概念を示す。図6は、本発明の第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における光出力と発振波長の電流依存性を示すグラフであり、図7は、その装置による測定結果を示すグラフであり、図8は、光吸収量と発振波長との関係を示すグラフであり、図8(a)にその装置における光吸収量の測定結果を示し、図8(b)に光吸収量のシミュレーション結果を示す。   FIG. 4 is a schematic view of a semiconductor laser absorption spectrometer according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is an explanatory diagram of a current-excitation surface-emitting semiconductor laser in the apparatus, and FIG. Fig. 5 (b) shows the concept when the structure is a composite resonator. FIG. 6 is a graph showing the current dependence of the optical output and oscillation wavelength in the semiconductor laser absorption spectrometer according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a graph showing the measurement results of the apparatus, FIG. 8 is a graph showing the relationship between the light absorption amount and the oscillation wavelength. FIG. 8A shows the measurement result of the light absorption amount in the apparatus, and FIG. 8B shows the simulation result of the light absorption amount. Show.

ここでは、1mbarのガス圧を有する被測定ガスであるアンモニアガスの濃度計測について詳細に説明する。
図4に示すように、本発明の第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置20は、電流励起により駆動する電流励起型面発光半導体レーザ(以下、電流励起型VCSELと略す)21と、電流励起型VCSEL21から発振された半導体レーザ光の光路上に配置された光学絞り22と、前記光路上に配置されると共に、光学絞り22に相対して配置された凹面鏡23とを有する。ただし、電流励起型VCSEL21と光学絞り22と凹面鏡23とは、後述するレーザ発振波長付近に吸収線波長を有する被測定ガスであるアンモニアガスG1を封入するガス容器であるガスセル24内に配置されている。
Here, the concentration measurement of ammonia gas, which is a gas to be measured having a gas pressure of 1 mbar, will be described in detail.
As shown in FIG. 4, a semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus 20 according to the first embodiment of the present invention includes a current excitation type surface emitting semiconductor laser (hereinafter abbreviated as current excitation type VCSEL) 21 driven by current excitation, The optical diaphragm 22 is disposed on the optical path of the semiconductor laser light oscillated from the current excitation type VCSEL 21, and the concave mirror 23 is disposed on the optical path and is opposed to the optical diaphragm 22. However, the current excitation type VCSEL 21, the optical diaphragm 22 and the concave mirror 23 are arranged in a gas cell 24 which is a gas container in which ammonia gas G1, which is a measurement gas having an absorption line wavelength near the laser oscillation wavelength described later, is sealed. Yes.

電流励起型VCSEL21と、電流励起型VCSEL21に隣接して配置されるヒートシンク25とは、AuSnはんだ(図示せず)等により可動ステージ26上に固定されており、電流励起型VCSEL21には、レーザドライバ27が接続されている。電流励起型VCSEL21は、可動ステージ26に内蔵された電子冷却装置(図示せず)とレーザドライバ27により、温度と電流値をそれぞれコントロールして、駆動が行われる。前記電子冷却装置には、温度コントローラ28が接続されており、ヒートシンク25および可動ステージ26の温度は、室温と同じ温度に設定されている。   The current excitation type VCSEL 21 and the heat sink 25 disposed adjacent to the current excitation type VCSEL 21 are fixed on the movable stage 26 by AuSn solder (not shown) or the like. The current excitation type VCSEL 21 includes a laser driver. 27 is connected. The current excitation type VCSEL 21 is driven by controlling a temperature and a current value by an electronic cooling device (not shown) built in the movable stage 26 and a laser driver 27, respectively. A temperature controller 28 is connected to the electronic cooling device, and the temperatures of the heat sink 25 and the movable stage 26 are set to the same temperature as the room temperature.

図5(a)に示すように、電流励起型VCSEL21は、n−InP基板(図示せず)上に、n−InP系DBR層29、InGaAsP/InGaAsP多重量子井戸(Multiple Quantum Wells、MQW)活性層(以下、MQW活性層と略す)30、p−InP系DBR層31を順次積層して形成し、MQW活性層30をn−InP系DBR層29とp−InP系DBR層31で挟んだ構造となっている。   As shown in FIG. 5A, the current excitation type VCSEL 21 has an n-InP-based DBR layer 29, InGaAsP / InGaAsP multiple quantum wells (MQW) activity on an n-InP substrate (not shown). A layer (hereinafter abbreviated as MQW active layer) 30 and a p-InP DBR layer 31 are sequentially stacked, and the MQW active layer 30 is sandwiched between an n-InP DBR layer 29 and a p-InP DBR layer 31. It has a structure.

n−InP系DBR層29は、1.55μm光学波長の1/4となる膜厚のn−InP層(図示せず)とn−InGaAsP(バンドギャップ波長1.3μm)層(図示せず)を交互に5対積層したDBR構造となっており、p−InP系DBR層31も同様にp−InP層(図示せず)とp−InGaAsP層(図示せず)を交互に5対積層したDBR構造となっている。このようなMQW活性層30を半導体DBR層で挟んだ構造は、発振波長を精度良く設定するのに有利な構造となっている。   The n-InP-based DBR layer 29 includes an n-InP layer (not shown) and an n-InGaAsP (band gap wavelength 1.3 μm) layer (not shown) each having a thickness of ¼ of the 1.55 μm optical wavelength. The p-InP DBR layer 31 has five p-InP layers (not shown) and five p-InGaAsP layers (not shown) alternately stacked. It has a DBR structure. Such a structure in which the MQW active layer 30 is sandwiched between the semiconductor DBR layers is an advantageous structure for setting the oscillation wavelength with high accuracy.

また、電流狭窄構造を形成するために、MQW活性層30の周囲を半絶縁性のFe−InP層32で埋め込み、発光径を直径15μmとした。この基板と、熱伝導率の高いn−GaAs系DBR層33、すなわち、1.55μm光学波長の1/4となる膜厚のn−GaAs層とn−AlAs層を交互に積層した構造が形成されたn−GaAs基板34を薄膜化Wafer-fusion技術(前記InP基板を除去して薄膜化する技術)により貼り合わせることにより、レーザ駆動時の発熱により出力特性の劣化を抑制する構造となる。   In addition, in order to form a current confinement structure, the periphery of the MQW active layer 30 was buried with a semi-insulating Fe—InP layer 32, and the emission diameter was set to 15 μm. A structure in which this substrate and an n-GaAs DBR layer 33 having a high thermal conductivity, that is, an n-GaAs layer and an n-AlAs layer having a thickness of 1/4 of an optical wavelength of 1.55 μm are alternately laminated is formed. By bonding the n-GaAs substrate 34 formed by thin film Wafer-fusion technology (technique for removing the InP substrate to form a thin film), it is possible to suppress a deterioration in output characteristics due to heat generated during laser driving.

埋め込み構造の上部に電流ブロック層であるn−InP層35と電流パス層であるp−InGaAs層36を順次積層して形成した後、1.55μm光学波長の1/4となる膜厚のTiO2とSiO2を交互に積層した誘電体DBR層37を形成することにより、MQW活性層30の両側に高反射鏡がそれぞれ形成される。また、n−GaAs基板34側にはn電極38を形成し、p−InGaAs層31の上部にはp電極39を形成しており、電流注入により半導体レーザが発振する。n−GaAs基板34には、反射防止膜40が形成されている。 An n-InP layer 35 that is a current blocking layer and a p-InGaAs layer 36 that is a current path layer are sequentially stacked on the buried structure, and then a TiO film having a thickness of 1/4 of an optical wavelength of 1.55 μm. By forming the dielectric DBR layer 37 in which 2 and SiO 2 are alternately stacked, high reflecting mirrors are respectively formed on both sides of the MQW active layer 30. An n-electrode 38 is formed on the n-GaAs substrate 34 side, and a p-electrode 39 is formed on the p-InGaAs layer 31. The semiconductor laser oscillates by current injection. An antireflection film 40 is formed on the n-GaAs substrate 34.

電流励起型VCSEL21は、図5に示すように、n−GaAs系DBR層33とn−InP系DBR層29からなる反射率99.6%を有する第1の反射鏡R1と、p−InP系DBR層31と誘電体DBR層37からなる反射率90%を有する第2の反射鏡R2により、利得媒質であるMQW活性層30を挟んだ第1の共振器41を形成している。一方、第3の反射鏡R3として反射率99.8%を有する凹面鏡23を第2の反射鏡R2と相対する位置に設置することで第2の共振器42を形成している。第1の共振器41と第2の共振器42は結合しており、結合共振器構造を形成している。   As shown in FIG. 5, the current-excited VCSEL 21 includes a first reflector R1 having a reflectivity of 99.6%, which includes an n-GaAs DBR layer 33 and an n-InP DBR layer 29, and a p-InP system. A first resonator 41 sandwiching an MQW active layer 30 as a gain medium is formed by a second reflecting mirror R2 having a reflectivity of 90%, which is composed of a DBR layer 31 and a dielectric DBR layer 37. On the other hand, the second resonator 42 is formed by installing a concave mirror 23 having a reflectance of 99.8% as the third reflecting mirror R3 at a position opposite to the second reflecting mirror R2. The first resonator 41 and the second resonator 42 are coupled to form a coupled resonator structure.

半導体レーザ光は第1の反射鏡R1の一側部、第3の反射鏡R3の一側部からそれぞれ出射しており、第3の反射鏡R3から第1のフォトダイオード52(図4参照)側に出射する半導体レーザ光L1は、第1の反射鏡R1から第2のフォトダイオード55(図4参照)側に出射する半導体レーザ光L2の20倍程度の出力光強度となるように調整されている。   The semiconductor laser light is emitted from one side of the first reflecting mirror R1 and one side of the third reflecting mirror R3, and the first photodiode 52 (see FIG. 4) is output from the third reflecting mirror R3. The semiconductor laser light L1 emitted to the side is adjusted so that the output light intensity is about 20 times that of the semiconductor laser light L2 emitted from the first reflecting mirror R1 to the second photodiode 55 (see FIG. 4) side. ing.

一方、ガスセル24は長さ約40cmであり、1000℃以上の高い温度の耐性がある石英などの材料で構成されており、かつ電流励起型VCSEL21から出射される半導体レーザ光に対し透明である材質を用いている。ガスセル24の両端面は、1〜7度程度の角度をつけて斜めに加工しており、端面における半導体レーザ光の反射による影響が極力少なくなるようになっている。また、ガスセル24内のアンモニアガスG1の温度は、図4に示すように、ガスセル24の周りに設けられたヒータ43により一定となるよう調整されており、ガスセル24内のアンモニアガスG1のガス圧は、ガスセル24のガス出口24aに設けられたガス圧力計44によりモニタされている。   On the other hand, the gas cell 24 has a length of about 40 cm, is made of a material such as quartz having a high temperature resistance of 1000 ° C. or higher, and is transparent to the semiconductor laser light emitted from the current excitation type VCSEL 21. Is used. Both end surfaces of the gas cell 24 are processed obliquely at an angle of about 1 to 7 degrees so that the influence of the reflection of the semiconductor laser light on the end surface is minimized. Further, as shown in FIG. 4, the temperature of the ammonia gas G1 in the gas cell 24 is adjusted to be constant by a heater 43 provided around the gas cell 24, and the gas pressure of the ammonia gas G1 in the gas cell 24 is adjusted. Is monitored by a gas pressure gauge 44 provided at the gas outlet 24 a of the gas cell 24.

アンモニアガスG1のガスセル24への充填は、最初に、ガスセル24のガス入口24bを閉じた状態で、ガス出口24aに真空ポンプ(図示せず)を接続してガスセル24内を真空引きした後、ガス出口24aを閉じる。続いて、ガス入口24bにアンモニアガスG1の入った容器(ボンベ)等を接続し、ガス入口24bを開け、ガス圧力計44にて1mbarのガス圧となるまでアンモニアガスG1を充填して、ガス入口24bを閉じる。ヒータ43の温度は、室温と同じ温度に設定されている。   First, the gas cell 24 is filled with the ammonia gas G1 after the gas inlet 24b of the gas cell 24 is closed and a vacuum pump (not shown) is connected to the gas outlet 24a to evacuate the gas cell 24. Close the gas outlet 24a. Subsequently, a container (cylinder) containing ammonia gas G1 is connected to the gas inlet 24b, the gas inlet 24b is opened, and the gas pressure gauge 44 is filled with the ammonia gas G1 until a gas pressure of 1 mbar is obtained. Close the inlet 24b. The temperature of the heater 43 is set to the same temperature as the room temperature.

光学絞り22および凹面鏡23は、それぞれ可動ステージ45,46上に設置されている。各可動ステージ26,45,46には、XYZ軸ステージコントローラ47,48,49がそれぞれ接続されており、電流励起型VCSEL21、光学絞り22および凹面鏡23の位置がそれぞれ調整可能になっている。電流励起型VCSEL21、光学絞り22および凹面鏡23からなる2つの共振器が結合した複合共振器50が形成され、結合共振器50では、各位置を調整することにより、単一横モード化および単一縦モード化が行われている。曲率半径10cmの凹面鏡23を用いたため、凹面鏡23と電流励起型VCSEL21間の距離を、10cm程度を目安としてXYZ軸ステージコントローラ47,48,49により、可動ステージ26、45および46を微動調整して、半導体レーザ光の単一横及び縦モード化を実現している。   The optical aperture 22 and the concave mirror 23 are installed on movable stages 45 and 46, respectively. XYZ axis stage controllers 47, 48, and 49 are connected to the movable stages 26, 45, and 46, respectively, and the positions of the current excitation type VCSEL 21, the optical diaphragm 22, and the concave mirror 23 can be adjusted. A composite resonator 50 in which two resonators including a current excitation type VCSEL 21, an optical aperture 22 and a concave mirror 23 are coupled is formed. In the coupled resonator 50, a single transverse mode can be realized by adjusting each position. Vertical mode has been implemented. Since the concave mirror 23 having a curvature radius of 10 cm is used, the movable stages 26, 45, and 46 are finely adjusted by the XYZ axis stage controllers 47, 48, and 49 with the distance between the concave mirror 23 and the current excitation type VCSEL 21 being about 10 cm as a guide. A single transverse and longitudinal mode of the semiconductor laser light is realized.

電流励起型VCSEL21から出射された半導体レーザ光が伝搬する光路におけるガスセル24の一方の端部に相対してレンズ51が配置されており、レンズ51に相対して第1のフォトダイオード(Photo Diode、PD)52が配置されている。前記光路におけるガスセル24の他方の端部に相対してレンズ53が配置され、レンズ53に相対してエタロン共振器54が配置されており、エタロン共振器54に相対して第2のフォトダイオード55が配置されている。   A lens 51 is disposed relative to one end of the gas cell 24 in the optical path through which the semiconductor laser light emitted from the current excitation type VCSEL 21 propagates, and a first photodiode (Photo Diode, PD) 52 is arranged. A lens 53 is disposed relative to the other end of the gas cell 24 in the optical path, an etalon resonator 54 is disposed relative to the lens 53, and a second photodiode 55 is disposed relative to the etalon resonator 54. Is arranged.

電流励起型VCSEL21から出射した半導体レーザ光L1は、アンモニアガスG1の吸収線と波長が一致しない場合には、ガスセル24の一方の端部、レンズ51を経て第1のフォトダイオード52に入射しており、このフォトダイオード52に発光強度(電圧・電流)が記録される。アンモニアガスG1の吸収線と波長が一致する場合には、アンモニアガスG1に前記半導体レーザ光L1は吸収される。電流励起型VCSEL21の反対側からは、半導体レーザ光L1の1/20程度の出力光強度を有する半導体レーザ光L2が、同一の波長で出射される。この半導体レーザ光L2をヒートシンク25および可動ステージ26の貫通孔25a,26aと、レンズ53、エタロン共振器54を経て第2のフォトダイオード55に入射しており、高分解能で発振波長がモニタされる。   When the wavelength of the semiconductor laser light L1 emitted from the current excitation type VCSEL 21 does not coincide with the absorption line of the ammonia gas G1, it enters the first photodiode 52 through one end of the gas cell 24 and the lens 51. The light emission intensity (voltage / current) is recorded in the photodiode 52. When the absorption line of the ammonia gas G1 has the same wavelength, the semiconductor laser light L1 is absorbed by the ammonia gas G1. From the opposite side of the current excitation type VCSEL 21, semiconductor laser light L2 having an output light intensity of about 1/20 of the semiconductor laser light L1 is emitted at the same wavelength. The semiconductor laser light L2 is incident on the second photodiode 55 through the heat sink 25 and the through holes 25a and 26a of the movable stage 26, the lens 53, and the etalon resonator 54, and the oscillation wavelength is monitored with high resolution. .

図6に示すように、半導体レーザ吸収分光装置20では、電流の増加に比例して半導体レーザ光の発振波長が漸増し、半導体レーザ光の出力強度が所定の割合で変化している。また光スペクトル測定とファーフィールドパターン測定により、電流励起型VCSEL21からの出射光が、良好な単一横モードと縦モード性を得ていることを確認した。図7(実際には図示した以上のディップが観測されたが、ここでは吸収量の多い代表的なディップのみを示した図)に示すように、半導体レーザ吸収分光装置20では、ディップが非常に深く、その形状も鋭角となっているため、ガス圧が1mbarと低いにもかかわらず、高いS/N比と波長精度を有するデータが得られたことが分かる。図8に示すように、半導体レーザ吸収分光装置20により得られた光吸収量とシミュレーションにより得られた光吸収量とは、吸収線波長のズレはなく、非常に良く一致し、全ての吸収線波長が観測されたことが分かる。   As shown in FIG. 6, in the semiconductor laser absorption spectroscopic device 20, the oscillation wavelength of the semiconductor laser light gradually increases in proportion to the increase in current, and the output intensity of the semiconductor laser light changes at a predetermined rate. Moreover, it was confirmed by the optical spectrum measurement and the far field pattern measurement that the emitted light from the current excitation type VCSEL 21 has a good single transverse mode and longitudinal mode property. As shown in FIG. 7 (actually, a dip larger than that shown in the figure was observed, but only a representative dip having a large amount of absorption is shown here), the semiconductor laser absorption spectrometer 20 has a very large dip. It is deep and its shape is acute, so it can be seen that data having a high S / N ratio and wavelength accuracy were obtained even though the gas pressure was as low as 1 mbar. As shown in FIG. 8, the light absorption amount obtained by the semiconductor laser absorption spectroscopic device 20 and the light absorption amount obtained by the simulation are in good agreement with each other without any deviation of the absorption line wavelength. It can be seen that the wavelength was observed.

このように、複合共振器50を有する半導体レーザ吸収分光装置20によれば、アンモニアガス圧が10mbar未満においても、高いS/N比を確保できるため、精度の良いガス濃度測定を実現することが可能となる。   Thus, according to the semiconductor laser absorption spectrometer 20 having the composite resonator 50, a high S / N ratio can be ensured even when the ammonia gas pressure is less than 10 mbar, so that accurate gas concentration measurement can be realized. It becomes possible.

上記では、被測定ガスとしてアンモニアガスG1を用いて説明したが、半導体レーザ光の発振波長付近に吸収線波長を有するガスであれば、どのようなガスに適用しても良く、上述したアンモニアガスの濃度測定と同様な作用効果を奏する。   In the above description, the ammonia gas G1 is used as the gas to be measured. However, any gas may be used as long as it has an absorption line wavelength near the oscillation wavelength of the semiconductor laser light. The same effect as that of the concentration measurement is obtained.

以下に、第2の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置について、図を用いて説明する。   The semiconductor laser absorption spectrometer according to the second embodiment will be described below with reference to the drawings.

図9は、本発明の第2の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。第2の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置は、上述した第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における電流励起型VCSEL、光学絞りおよび凹面鏡の配置位置を変えたものであり、これ以外は前記半導体レーザ吸収分光装置と同じ構成を有する。これらの構成については、上記第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置と同じ符号を付記し、同一符号については、その説明を省略する。   FIG. 9 is a schematic diagram of a semiconductor laser absorption spectrometer according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus according to the second embodiment is obtained by changing the arrangement positions of the current excitation type VCSEL, the optical diaphragm and the concave mirror in the semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus according to the first embodiment described above. Has the same configuration as the semiconductor laser absorption spectrometer. About these structures, the code | symbol same as the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus which concerns on the said 1st Example is attached, and the description is abbreviate | omitted about the same code | symbol.

本発明の第2の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置56は、ガスセル57の外側に電流励起型VCSEL21、光学絞り22および凹面鏡23を配置したものであり、電流励起型VCSEL21の一方から出射した半導体レーザ光L1は、ガスセル54、光学絞り22、凹面鏡23、レンズ51を通って、第1のフォトダイオード52に入射する。電流励起型VCSEL21の他方から出射した半導体レーザ光L2は、ヒートシンク25および可動ステージ26の貫通孔25a,26a、レンズ53、エタロン共振器54を通って、第2のフォトダイオード55に入射する。   The semiconductor laser absorption spectrometer 56 according to the second embodiment of the present invention has a current excitation type VCSEL 21, an optical aperture 22 and a concave mirror 23 arranged outside the gas cell 57, and is emitted from one of the current excitation type VCSELs 21. The semiconductor laser light L1 enters the first photodiode 52 through the gas cell 54, the optical aperture 22, the concave mirror 23, and the lens 51. The semiconductor laser light L2 emitted from the other side of the current excitation type VCSEL 21 enters the second photodiode 55 through the heat sink 25 and the through holes 25a and 26a of the movable stage 26, the lens 53, and the etalon resonator 54.

ガスセル57の両端面は、1度〜7度程度の角度をつけて斜めに加工してあり、端面における半導体レーザ光の反射による影響を極力少なくするようにしてある。よって、第2の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置56によれば、第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置20と同様な作用効果を奏する。さらに、ガスセル57の外部に電流励起型VCSEL21が配置されるので、ガスセル57の温度を制御するヒータ43の影響を受けずに、電流励起型VCSEL21の駆動温度を制御することができるという利点がある。   Both end faces of the gas cell 57 are processed obliquely at an angle of about 1 to 7 degrees so as to minimize the influence of reflection of the semiconductor laser light on the end faces. Therefore, according to the semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus 56 according to the second embodiment, the same operational effects as the semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus 20 according to the first embodiment are exhibited. Further, since the current excitation type VCSEL 21 is disposed outside the gas cell 57, there is an advantage that the driving temperature of the current excitation type VCSEL 21 can be controlled without being affected by the heater 43 that controls the temperature of the gas cell 57. .

以下に、第3の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置について、図を用いて説明する。   The semiconductor laser absorption spectrometer according to the third embodiment will be described below with reference to the drawings.

図10は、本発明の第3の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図であり、図11は、その装置における光励起型面発光半導体レーザの構造図である。第3の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置は、上述した第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における電流励起型VCSELを光励起型面発光半導体レーザに代えたものであり、これ以外は前記半導体レーザ吸収分光装置と同じ構成を有する。これらの構成については、上記第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置と同じ符号を付記する。   FIG. 10 is a schematic view of a semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a structural diagram of an optically pumped surface emitting semiconductor laser in the apparatus. The semiconductor laser absorption spectroscopic device according to the third embodiment is obtained by replacing the current excitation type VCSEL in the semiconductor laser absorption spectroscopic device according to the first embodiment described above with a light excitation type surface emitting semiconductor laser. It has the same configuration as the semiconductor laser absorption spectrometer. About these structures, the same code | symbol as the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus which concerns on the said 1st Example is appended.

ここでは、1mbarのガス圧を有する被測定ガスであるアンモニアガスの濃度計測について詳細に説明する。
図10に示すように、本発明の第3の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置58は、発振波長より短い波長を有する励起光によりレーザ発振する光励起型面発光半導体レーザ(以下、光励起型VCSELと略す)59と、光励起型VCSEL59により発振された半導体レーザ光の光路上に配置された光学絞り22と、前記光路上に配置されると共に、光学絞り22に相対して配置された凹面鏡23とを有する。ただし、光励起型VCSEL59と光学絞り22と凹面鏡23とは、後述するレーザ発振波長付近に吸収線波長を有する被測定ガスであるアンモニアガスG1を封入するガス容器であるガスセル24内に配置されている。
Here, the concentration measurement of ammonia gas, which is a gas to be measured having a gas pressure of 1 mbar, will be described in detail.
As shown in FIG. 10, a semiconductor laser absorption spectroscopic device 58 according to a third embodiment of the present invention includes an optically pumped surface emitting semiconductor laser (hereinafter, optically pumped VCSEL) that oscillates with pumping light having a wavelength shorter than the oscillation wavelength. 59, an optical diaphragm 22 disposed on the optical path of the semiconductor laser light oscillated by the optically pumped VCSEL 59, and a concave mirror 23 disposed on the optical path and opposed to the optical diaphragm 22. Have However, the photoexcited VCSEL 59, the optical aperture 22, and the concave mirror 23 are disposed in a gas cell 24 that is a gas container that encloses ammonia gas G1, which is a measurement gas having an absorption line wavelength near a laser oscillation wavelength, which will be described later. .

光励起型VCSEL59と、光励起型VCSEL59に隣接して配置されるヒートシンク25とは、AuSnはんだ(図示せず)等により可動ステージ26上に固定されており、光励起型VCSEL59には、レーザドライバ60が接続されている。光励起型VCSEL59は、可動ステージ26に内蔵された電子冷却装置(図示せず)とレーザドライバ60により、温度と電流値をそれぞれコントロールして、駆動が行われる。ヒートシンク25および可動ステージ26の温度は、室温と同じ温度に設定されている。   The photoexcited VCSEL 59 and the heat sink 25 disposed adjacent to the photoexcited VCSEL 59 are fixed on the movable stage 26 by AuSn solder (not shown) or the like, and a laser driver 60 is connected to the photoexcited VCSEL 59. Has been. The photoexcited VCSEL 59 is driven by controlling the temperature and the current value by an electronic cooling device (not shown) built in the movable stage 26 and a laser driver 60, respectively. The temperatures of the heat sink 25 and the movable stage 26 are set to the same temperature as the room temperature.

図11に示すように、光励起型VCSEL59では、InP基板(図示せず)上に、InP層61、InGaAsP/InGaAsP多重量子井戸活性層(MQW活性層)62、InP層61、InP系DBR層63を順次形成されている。InP系DBR層63は、1.55μm光学波長の1/4となる膜厚のn−InP層(図示せず)とn−InGaAsP(バンドギャップ波長1.3μm)層(図示せず)を交互に5対積層したDBR構造となっている。   As shown in FIG. 11, in the photoexcited VCSEL 59, an InP layer 61, an InGaAsP / InGaAsP multiple quantum well active layer (MQW active layer) 62, an InP layer 61, and an InP-based DBR layer 63 are formed on an InP substrate (not shown). Are formed sequentially. The InP-based DBR layer 63 includes an n-InP layer (not shown) and an n-InGaAsP (band gap wavelength 1.3 μm) layer (not shown) each having a thickness of ¼ of the 1.55 μm optical wavelength. It has a DBR structure in which five pairs are stacked.

前記InP基板を除去して薄膜化した基板と、熱伝導率の高いGaAs系DBR層64(1.55μm光学波長の1/4となる膜厚のGaAs層とAlAs層を交互に積層した層)が形成されたGaAs基板65とを、薄膜化Wafer-fusion技術により貼り合わせることにより、レーザ駆動時の発熱により出力特性の劣化を抑制する構造となる。InP系DBR層63の上部に、1.55μm光学波長の1/4となる膜厚のTiO2とSiO2を交互に積層した誘電体DBR層66を形成して、MQW活性層62の両側に高反射鏡が形成される。また、GaAs基板65には反射防止膜67が形成されている。 The thinned substrate by removing the InP substrate and the high thermal conductivity GaAs-based DBR layer 64 (a layer in which GaAs layers and AlAs layers having a thickness of 1/4 of the optical wavelength of 1.55 μm are alternately laminated) By bonding the GaAs substrate 65 on which is formed by thin film Wafer-fusion technology, it becomes a structure that suppresses deterioration of output characteristics due to heat generation during laser driving. A dielectric DBR layer 66 in which TiO 2 and SiO 2 having a thickness of 1/4 of the 1.55 μm optical wavelength are alternately formed is formed on the InP-based DBR layer 63, and is formed on both sides of the MQW active layer 62. A highly reflective mirror is formed. Further, an antireflection film 67 is formed on the GaAs substrate 65.

光励起型VCSEL59は、GaAs系DBR層64からなる反射率99.6%を有する第1の反射鏡R4と、InP系DBR層63と誘電体DBR層66からなる反射率90%を有する第2の反射鏡R5により、利得媒質であるMQW活性層62を挟んだ第1の共振器を形成している。一方、第3の反射鏡R6として反射率99.8%を有する凹面鏡23を第2の反射鏡R5と相対する位置に設置することで第2の共振器を形成している。前記第1の共振器と前記第2の共振器は結合しており、結合共振器構造を形成している。   The photoexcited VCSEL 59 includes a first reflecting mirror R4 having a reflectance of 99.6% made of a GaAs-based DBR layer 64, and a second reflecting mirror having a reflectance of 90% made of an InP-based DBR layer 63 and a dielectric DBR layer 66. The first resonator sandwiching the MQW active layer 62 as a gain medium is formed by the reflecting mirror R5. On the other hand, a concave mirror 23 having a reflectance of 99.8% is installed as a third reflecting mirror R6 at a position facing the second reflecting mirror R5, thereby forming a second resonator. The first resonator and the second resonator are coupled to form a coupled resonator structure.

光励起による半導体レーザ光の発振は、図10に示すように、光励起型VCSEL59の発振波長より短い波長を有し、光励起光源68から発振される励起光L3により励起されて半導体レーザ光が発振される。ここでは、光励起光源68として、980nmで発振する端面発光型半導体レーザが用いられている。光励起光源68から発振された励起光L3は、波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing、WDM)フィルタ69の第1のポート69a、およびWDMフィルタ69の第2のポート69bに接続されている光ファイバ70(図11参照)を経て、レンズ53によりスポットサイズが直径20μmに変換されて光励起型VCSEL59に照射される。   As shown in FIG. 10, the oscillation of the semiconductor laser light by optical excitation has a wavelength shorter than the oscillation wavelength of the optical excitation type VCSEL 59 and is excited by the excitation light L3 oscillated from the optical excitation light source 68 to oscillate the semiconductor laser light. . Here, an edge-emitting semiconductor laser that oscillates at 980 nm is used as the optical excitation light source 68. The pumping light L3 oscillated from the optical pumping light source 68 is an optical fiber 70 (connected to a first port 69a of a wavelength division multiplexing (WDM) filter 69 and a second port 69b of the WDM filter 69 ( 11), the lens 53 converts the spot size into a diameter of 20 μm and irradiates the photoexcited VCSEL 59.

励起光L3によりレーザ発振が起こり、凹面鏡23側から半導体レーザ光L4が出射しており、反対側のGaAs基板61(図11参照)側からは半導体レーザ光L5が出射している。半導体レーザ光L5は、光ファイバ70を経由してWDMフィルタ69の第2のポート69bに入射し、第3のポート69cを経てエタロン共振器54を通過して、第2のフォトダイオード52に入射する。このとき、WDMフィルタ67の作用により、第2のポート67bから入射した半導体レーザ光L5は、第1のポート67aから出射することはない。また、第1のポート67aから入射した励起光L3も、第3のポート67cから出射することはない。   Laser oscillation is generated by the excitation light L3, the semiconductor laser light L4 is emitted from the concave mirror 23 side, and the semiconductor laser light L5 is emitted from the opposite GaAs substrate 61 (see FIG. 11) side. The semiconductor laser light L5 enters the second port 69b of the WDM filter 69 through the optical fiber 70, passes through the etalon resonator 54 through the third port 69c, and enters the second photodiode 52. To do. At this time, due to the action of the WDM filter 67, the semiconductor laser light L5 incident from the second port 67b is not emitted from the first port 67a. Further, the excitation light L3 incident from the first port 67a is not emitted from the third port 67c.

このような光励起型VCSEL59では、電流駆動のために必要な電極形成や電流狭窄構造の形成が不要となるため、作製工程が大幅に省略でき、簡便に作製することが可能となる。半導体レーザ光は第1の反射鏡R4と第2の反射鏡R5の両側からそれぞれ出射しており、第3の反射鏡R6から出射する半導体レーザ光L4は、第1の反射鏡R4から出射する半導体レーザ光L5の20倍程度の出力光強度となるように調整されている。   In such a photo-excited VCSEL 59, it is not necessary to form an electrode and a current confinement structure necessary for current driving, so that the manufacturing process can be greatly omitted, and it can be easily manufactured. The semiconductor laser light is emitted from both sides of the first reflecting mirror R4 and the second reflecting mirror R5, and the semiconductor laser light L4 emitted from the third reflecting mirror R6 is emitted from the first reflecting mirror R4. The output light intensity is adjusted to about 20 times that of the semiconductor laser light L5.

一方、ガスセル24は長さ約40cmであり、1000℃以上の高い温度の耐性がある石英などの材料で構成されており、かつ光励起型VCSEL59から出射される半導体レーザ光に対し透明である材質を用いている。ガスセル24の両端面は、1〜7度程度の角度をつけて斜めに加工されており、端面における半導体レーザ光の反射による影響が極力少なくなるようになっている。また、ガスセル24内のアンモニアガスG1の温度は、ガスセル24の周りに設けられたヒータ43により一定になるよう調整されており、ガスセル24内のアンモニアガスG1のガス圧は、ガスセル24のガス出口24aに設けられたガス圧力計44によりモニタされている。   On the other hand, the gas cell 24 has a length of about 40 cm, is made of a material such as quartz having a high temperature resistance of 1000 ° C. or higher, and is made of a material that is transparent to the semiconductor laser light emitted from the photoexcited VCSEL 59. Used. Both end faces of the gas cell 24 are processed obliquely at an angle of about 1 to 7 degrees so that the influence of the reflection of the semiconductor laser light on the end face is minimized. The temperature of the ammonia gas G1 in the gas cell 24 is adjusted to be constant by a heater 43 provided around the gas cell 24, and the gas pressure of the ammonia gas G1 in the gas cell 24 is adjusted to the gas outlet of the gas cell 24. It is monitored by a gas pressure gauge 44 provided at 24a.

アンモニアガスG1のガスセル24への充填は、上述した第1の実施例と同様に、最初に、ガスセル24のガス入口24bを閉じた状態で、ガス出口24aに真空ポンプ(図示せず)を接続してガスセル24内を真空引きした後、ガス出口24aを閉じる。続いて、ガス入口24bにアンモニアガスG1の入った容器(ボンベ)等を接続し、ガス入口24bを開け、ガス圧力計44にて1mbarのガス圧となるまでアンモニアガスG1を充填して、ガス入口24bを閉じる。ヒータ43の温度は、室温に設定されている。   For filling the gas cell 24 with the ammonia gas G1, as in the first embodiment, a vacuum pump (not shown) is first connected to the gas outlet 24a with the gas inlet 24b of the gas cell 24 closed. After evacuating the gas cell 24, the gas outlet 24a is closed. Subsequently, a container (cylinder) containing ammonia gas G1 is connected to the gas inlet 24b, the gas inlet 24b is opened, and the gas pressure gauge 44 is filled with the ammonia gas G1 until a gas pressure of 1 mbar is obtained. Close the inlet 24b. The temperature of the heater 43 is set to room temperature.

光学絞り22および凹面鏡23には、それぞれ可動ステージ45,46上に設置されている。各可動ステージ26,45,46には、XYZ軸ステージコントローラ47,48,49が接続されており、光励起型VCSEL59、光学絞り22および凹面鏡23の位置がそれぞれ調整可能になっている。光励起型VCSEL59、光学絞り22および凹面鏡23からなる2つの共振器が結合した複合共振器71が形成され、複合共振器71では、各位置を調整することにより、単一横モード化および単一縦モード化が行われている。曲率半径10cmの凹面鏡23を用いたため、凹面鏡23と光励起型VCSEL59間の距離を、10cm程度を目安としてXYZ軸ステージコントローラ47,48,49により、可動ステージ26、45および46を微動調整して、半導体レーザ光の単一横及び縦モード化を実現している。   The optical diaphragm 22 and the concave mirror 23 are installed on movable stages 45 and 46, respectively. XYZ axis stage controllers 47, 48, and 49 are connected to the movable stages 26, 45, and 46, and the positions of the light excitation type VCSEL 59, the optical diaphragm 22, and the concave mirror 23 can be adjusted. A composite resonator 71 is formed by combining two resonators including an optically pumped VCSEL 59, an optical aperture 22, and a concave mirror 23. In the composite resonator 71, by adjusting each position, a single transverse mode and a single longitudinal mode are formed. Mode is being performed. Since the concave mirror 23 having a curvature radius of 10 cm is used, the movable stages 26, 45, and 46 are finely adjusted by the XYZ axis stage controllers 47, 48, and 49 with the distance between the concave mirror 23 and the photoexcited VCSEL 59 as a guideline. A single transverse and longitudinal mode of the semiconductor laser light is realized.

光励起型VCSEL59から出射された半導体レーザ光が伝搬する光路におけるガスセル24の一方の端部に相対してレンズ51が配置されており、レンズ51に相対してガスセル24の第1のフォトダイオード52が配置されている。前記光路におけるガスセル24の他方の端部に相対してレンズ53が配置され、レンズ53に相対してエタロン共振器54が配置されており、エタロン共振器54に相対して第2のフォトダイオード55が配置されている。   A lens 51 is disposed opposite to one end of the gas cell 24 in the optical path through which the semiconductor laser light emitted from the optically pumped VCSEL 59 propagates, and the first photodiode 52 of the gas cell 24 faces the lens 51. Has been placed. A lens 53 is disposed relative to the other end of the gas cell 24 in the optical path, an etalon resonator 54 is disposed relative to the lens 53, and a second photodiode 55 is disposed relative to the etalon resonator 54. Is arranged.

光励起型VCSEL59から出射された半導体レーザ光L4は、アンモニアガスG1の吸収線と波長が一致しない場合には、ガスセル24の一方の端部、レンズ48を経て第1のフォトダイオード52に入射しており、このフォトダイオード52に発光強度(電圧・電流)が記録されている。アンモニアガスG1の吸収線と波長が一致する場合には、アンモニアガスG1に前記半導体レーザ光L4は吸収される。光励起型VCSEL59の反対側からは、半導体レーザ光L4の1/20程度の出力光強度を有する半導体レーザ光L5が、同一の波長で出射されている。この半導体レーザ光L5をヒートシンク25および可動ステージ26の貫通孔25a,26a、レンズ53、光ファイバ70、WDMフィルタ69、エタロン共振器54を経て第2のフォトダイオード55に入射しており、高分解能で発振波長がモニタされる。   The semiconductor laser light L4 emitted from the photoexcited VCSEL 59 enters the first photodiode 52 through one end of the gas cell 24 and the lens 48 when the wavelength does not match the absorption line of the ammonia gas G1. The light emission intensity (voltage / current) is recorded in the photodiode 52. When the wavelength of the absorption line of the ammonia gas G1 matches, the semiconductor laser light L4 is absorbed by the ammonia gas G1. From the opposite side of the photoexcited VCSEL 59, the semiconductor laser light L5 having an output light intensity of about 1/20 of the semiconductor laser light L4 is emitted at the same wavelength. The semiconductor laser light L5 is incident on the second photodiode 55 through the heat sink 25 and the through holes 25a and 26a of the movable stage 26, the lens 53, the optical fiber 70, the WDM filter 69, and the etalon resonator 54, and has high resolution. The oscillation wavelength is monitored at.

半導体レーザ吸収分光装置58では、図6に示すように、電流の増加に比例して光の発振波長が漸増し、光の出力強度が所定の割合で変化している。また光スペクトル測定とファーフィールドパターン測定により、光励起型VCSEL59からの出射光が、良好な単一横モードと縦モード性を得ていることを確認した。図7(実際には図示した以上のディップが観測されたが、ここでは吸収量の多い代表的なディップのみを示した図)に示すように、半導体レーザ吸収分光装置58では、ディップが非常に深く、その形状も鋭角となっているため、ガス圧が1mbarと低いにもかかわらず、高いS/N比と波長精度を有するデータが得られたことが分かる。図8に示すように、半導体レーザ吸収分光装置58により得られた光吸収量とシミュレーションにより得られた光吸収量とは、吸収線波長のズレがなく、非常に良く一致し、全ての吸収線が観測されたことが分かる。   In the semiconductor laser absorption spectroscopic device 58, as shown in FIG. 6, the oscillation wavelength of light gradually increases in proportion to the increase in current, and the output intensity of light changes at a predetermined rate. Moreover, it was confirmed by the optical spectrum measurement and the far field pattern measurement that the emitted light from the photoexcited VCSEL 59 has a good single transverse mode and longitudinal mode property. As shown in FIG. 7 (in fact, a dip larger than that shown in the figure was observed, but here, only a representative dip having a large amount of absorption is shown), the semiconductor laser absorption spectrometer 58 has a very large dip. It is deep and its shape is acute, so it can be seen that data having a high S / N ratio and wavelength accuracy were obtained even though the gas pressure was as low as 1 mbar. As shown in FIG. 8, the light absorption amount obtained by the semiconductor laser absorption spectroscopic device 58 and the light absorption amount obtained by the simulation are in good agreement with each other without any deviation of the absorption line wavelength. It can be seen that.

このように、複合共振器71を有する半導体レーザ吸収分光装置58によれば、アンモニアガス圧が10mbar未満においても、高いS/N比を確保できるため、精度の良いガス濃度測定を実現することが可能となる。また、光励起型VCSEL59を用いることにより、電極や電流狭窄構造が不要となるため、面発光型半導体レーザの作製が簡便になるという効果がある。   As described above, according to the semiconductor laser absorption spectroscopic device 58 having the composite resonator 71, a high S / N ratio can be ensured even when the ammonia gas pressure is less than 10 mbar, so that accurate gas concentration measurement can be realized. It becomes possible. Further, the use of the photoexcited VCSEL 59 eliminates the need for an electrode and a current confinement structure, and thus has an effect of simplifying the fabrication of the surface emitting semiconductor laser.

上記では、被測定ガスとしてアンモニアガスを用いて説明したが、半導体レーザ光の発振波長付近に吸収線波長を有するガスであれば、どのようなガスに用いても良く、上述したアンモニアガスの濃度測定と同様な作用効果を奏する。   In the above description, ammonia gas is used as the measurement gas. However, any gas may be used as long as it has an absorption line wavelength near the oscillation wavelength of the semiconductor laser light. Has the same effect as measurement.

以下に、第4の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置について、図を用いて説明する。   The semiconductor laser absorption spectrometer according to the fourth embodiment will be described below with reference to the drawings.

図12は、本発明の第4の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。第4の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置は、上述した第3の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における光励起型VCSEL、光学絞りおよび凹面鏡の配置位置を変えたものであり、これ以外は前記半導体レーザ吸収分光装置と同じ構成を有する。これらの構成については、上記第3の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置と同じ符号を付記し、同一符号については、その説明を省略する。   FIG. 12 is a schematic diagram of a semiconductor laser absorption spectrometer according to the fourth embodiment of the present invention. The semiconductor laser absorption spectrometer according to the fourth embodiment is obtained by changing the arrangement positions of the optically pumped VCSEL, the optical diaphragm, and the concave mirror in the semiconductor laser absorption spectrometer according to the third embodiment described above. It has the same configuration as the semiconductor laser absorption spectrometer. About these structures, the same code | symbol as the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus which concerns on the said 3rd Example is attached, and the description is abbreviate | omitted about the same code | symbol.

本発明の第4の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置72は、ガスセル73の外側に光励起型VCSEL59、光学絞り22および凹面鏡23を配置したものであり、光励起型VCSEL59の一方から出射した半導体レーザ光L4は、ガスセル73、光学絞り22、凹面鏡23、レンズ51を通って、第1のフォトダイオード52に入射する。光励起型VCSEL59の他方から出射した半導体レーザ光L5は、ヒートシンク25および可動ステージ26の貫通孔25a,26a、レンズ53、WDMフィルタ69、およびエタロン共振器54を通って、第2のフォトダイオード55に入射する。   A semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus 72 according to the fourth embodiment of the present invention has a light-excited VCSEL 59, an optical diaphragm 22 and a concave mirror 23 arranged outside a gas cell 73, and a semiconductor laser emitted from one of the light-excited VCSELs 59. The light L4 enters the first photodiode 52 through the gas cell 73, the optical diaphragm 22, the concave mirror 23, and the lens 51. The semiconductor laser light L5 emitted from the other of the optically pumped VCSEL 59 passes through the heat sink 25 and the through holes 25a and 26a of the movable stage 26, the lens 53, the WDM filter 69, and the etalon resonator 54, and then enters the second photodiode 55. Incident.

ガスセル73の両端面は、1度〜7度程度の角度をつけて斜めに加工してあり、端面における半導体レーザ光の反射による影響を極力少なくするようにしてある。よって、第4の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置72によれば、第3の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置58と同様な作用効果を奏する。さらに、ガスセル73の外部に光励起型VCSEL59が配置されるので、ガスセル73の温度を制御するヒータ43の影響を受けずに、光励起型VCSEL59の駆動温度を制御することができるという利点がある。   Both end faces of the gas cell 73 are processed obliquely at an angle of about 1 to 7 degrees so as to minimize the influence of reflection of the semiconductor laser light on the end faces. Therefore, according to the semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus 72 according to the fourth embodiment, the same operational effects as the semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus 58 according to the third embodiment are exhibited. Further, since the photoexcited VCSEL 59 is disposed outside the gas cell 73, there is an advantage that the driving temperature of the photoexcited VCSEL 59 can be controlled without being affected by the heater 43 that controls the temperature of the gas cell 73.

以下に、第5の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置について、図を用いて説明する。   The semiconductor laser absorption spectrometer according to the fifth embodiment will be described below with reference to the drawings.

図13は、本発明の第5の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図であり、図14は、その装置における光出力と発振波長の電流依存性を示すグラフであり、図15は、この装置による測定結果を示すグラフであり、図16は、光吸収量と発振波長との関係を示すグラフであり、図16(a)にその装置における光吸収量の測定結果を示し、図16(b)に光吸収量のシミュレーション結果を示す。第5の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置は、上述した第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における電流励起型VCSELを、端面発光型半導体レーザに代えたものであり、これ以外は前記半導体レーザ吸収分光装置と同じ構成を有する。これらの構成については、上記第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置と同じ符号を付記する。   FIG. 13 is a schematic diagram of a semiconductor laser absorption spectrometer according to a fifth embodiment of the present invention, FIG. 14 is a graph showing the current dependence of the optical output and oscillation wavelength in the device, and FIG. FIG. 16 is a graph showing the relationship between the light absorption amount and the oscillation wavelength, and FIG. 16A shows the measurement result of the light absorption amount in the device. 16 (b) shows the simulation result of the light absorption amount. The semiconductor laser absorption spectrometer according to the fifth embodiment is obtained by replacing the current-excited VCSEL in the semiconductor laser absorption spectrometer according to the first embodiment described above with an edge-emitting semiconductor laser. It has the same configuration as the semiconductor laser absorption spectrometer. About these structures, the same code | symbol as the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus which concerns on the said 1st Example is appended.

ここでは、1mbarのガス圧を有する被測定ガスであるアンモニアガスの濃度計測について詳細に説明する。
図13に示すように、本発明の第5の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置74は、現在の光ファイバ通信網に用いられている端面発光型半導体レーザ75と、端面発光型半導体レーザ75により発振された半導体レーザ光の光路上に配置された光学絞り22と、前記光路上に配置されると共に、光学絞り22に相対して配置された凹面鏡23とを有する。ただし、端面発光型半導体レーザ75と光学絞り22と凹面鏡23とは、後述するレーザ発振波長付近に吸収線波長を有する被測定ガスであるアンモニアガスG1を封入するガス容器であるガスセル24内に配置されている。
Here, the concentration measurement of ammonia gas, which is a gas to be measured having a gas pressure of 1 mbar, will be described in detail.
As shown in FIG. 13, a semiconductor laser absorption spectrometer 74 according to a fifth embodiment of the present invention includes an edge-emitting semiconductor laser 75 and an edge-emitting semiconductor laser 75 that are used in the current optical fiber communication network. The optical aperture 22 is disposed on the optical path of the semiconductor laser light oscillated by the optical path, and the concave mirror 23 is disposed on the optical path and is disposed opposite to the optical aperture 22. However, the edge-emitting semiconductor laser 75, the optical aperture 22, and the concave mirror 23 are disposed in a gas cell 24, which is a gas container that encloses ammonia gas G1, which is a measurement gas having an absorption line wavelength near a laser oscillation wavelength, which will be described later. Has been.

端面発光型半導体レーザ75と、端面発光型半導体レーザ75に隣接して配置されるヒートシンク25とは、AuSnはんだ(図示せず)等により可動ステージ26上に固定されており、端面発光型半導体レーザ75には、レーザドライバ76が接続されている。端面発光型半導体レーザ75は、可動ステージ26に内蔵された電子冷却装置(図示せず)とレーザドライバ76により、温度と電流値をそれぞれコントロールして、駆動が行われる。前記電子冷却装置には、温度コントローラ28が接続されており、ヒートシンク25および可動ステージ26の温度は、室温と同じ温度に設定されている。   The edge-emitting semiconductor laser 75 and the heat sink 25 disposed adjacent to the edge-emitting semiconductor laser 75 are fixed on the movable stage 26 by AuSn solder (not shown), and the edge-emitting semiconductor laser. A laser driver 76 is connected to 75. The edge-emitting semiconductor laser 75 is driven by controlling the temperature and the current value by an electronic cooling device (not shown) built in the movable stage 26 and a laser driver 76, respectively. A temperature controller 28 is connected to the electronic cooling device, and the temperatures of the heat sink 25 and the movable stage 26 are set to the same temperature as the room temperature.

端面発光型半導体レーザ75は、n−InP基板上にn−InPクラッド層、InGaAsP/InGaAsP多重量子井戸活性層(MWQ活性層)、p−InPクラッド層、コンタクト層を順次形成した後、誘電体マスクとフォトリソグラフィーにより幅1μmのメサストライプに加工し、メサストライプに加工してなる突起部の周囲を半絶縁性のInp層で埋め込んだ構造となっている。前記n−InP基板側にn電極を、また前記コンタクト層の上部にはp電極を形成し、凹面鏡23側の端面には反射防止膜を形成しており、もう一方の端面には、反射率95%の高反射膜であるファブリペロー型の半導体レーザ(共振器長500μm)を形成して、電流注入によりレーザ発振するようになっている。   The edge-emitting semiconductor laser 75 is formed by sequentially forming an n-InP clad layer, an InGaAsP / InGaAsP multiple quantum well active layer (MWQ active layer), a p-InP clad layer, and a contact layer on an n-InP substrate. A mesa stripe having a width of 1 μm is processed by a mask and photolithography, and the periphery of the protrusion formed by the mesa stripe is buried with a semi-insulating Inp layer. An n-electrode is formed on the n-InP substrate side, a p-electrode is formed on the contact layer, an antireflection film is formed on the end surface on the concave mirror 23 side, and a reflectance is formed on the other end surface. A Fabry-Perot type semiconductor laser (resonator length: 500 μm), which is a 95% highly reflective film, is formed, and laser oscillation occurs by current injection.

端面発光型半導体レーザ75は、端面発光型半導体レーザ75の端面に形成された高反射膜からなる第1の反射鏡と、もう一方の端面に形成された反射防止膜からなる反射率1%を有する第2の反射鏡により、利得媒質である前記MQW活性層を挟んだ第1の共振器を形成している。一方、第3の反射鏡として反射率90%を有する凹面鏡23を、前記第2の反射鏡と相対する位置に設置することで第2の共振器を形成している。前記第1の共振器と前記第2の共振器とは結合しており、結合共振器構造を形成している。   The edge-emitting semiconductor laser 75 has a reflectivity of 1% consisting of a first reflecting mirror made of a highly reflective film formed on the end face of the edge-emitting semiconductor laser 75 and an antireflection film formed on the other end face. The second reflector has a first resonator sandwiching the MQW active layer as a gain medium. On the other hand, a second resonator is formed by installing a concave mirror 23 having a reflectivity of 90% as a third reflecting mirror at a position opposite to the second reflecting mirror. The first resonator and the second resonator are coupled to form a coupled resonator structure.

半導体レーザ光は前記第1の反射鏡の一側部、前記第3の反射鏡の一側部からそれぞれ出射しており、前記第3の反射鏡の一側部から出射する半導体レーザ光L6は、前記第1の反射鏡から出射する半導体レーザ光L7の20倍程度の出力光強度となるように調整されている。   Semiconductor laser light is emitted from one side of the first reflecting mirror and one side of the third reflecting mirror, respectively, and the semiconductor laser light L6 emitted from one side of the third reflecting mirror is The output light intensity is adjusted to about 20 times that of the semiconductor laser light L7 emitted from the first reflecting mirror.

一方、ガスセル24は長さ約40cmであり、1000℃以上の高い温度の耐性がある石英などの材料で構成されており、かつ端面発光型半導体レーザ75から出射される半導体レーザ光に対し透明である材質を用いている。ガスセル24の両端面は、1〜7度程度の角度をつけて斜めに加工されており、端面における半導体レーザ光の反射による影響が極力少なくなるようになっている。また、ガスセル24内のアンモニアガスG1の温度は、ガスセル24の周りに設けられたヒータ43により一定になるよう調整されており、ガスセル24内のアンモニアガスG1のガス圧は、ガスセル24のガス出口24aに設けられたガス圧力計44によりモニタされている。   On the other hand, the gas cell 24 has a length of about 40 cm, is made of a material such as quartz having a high temperature resistance of 1000 ° C. or higher, and is transparent to the semiconductor laser light emitted from the edge-emitting semiconductor laser 75. A certain material is used. Both end faces of the gas cell 24 are processed obliquely at an angle of about 1 to 7 degrees so that the influence of the reflection of the semiconductor laser light on the end face is minimized. The temperature of the ammonia gas G1 in the gas cell 24 is adjusted to be constant by a heater 43 provided around the gas cell 24, and the gas pressure of the ammonia gas G1 in the gas cell 24 is adjusted to the gas outlet of the gas cell 24. It is monitored by a gas pressure gauge 44 provided at 24a.

アンモニアガスG1のガスセル24への充填は、上述した実施例1と同様に、最初に、ガスセル24のガス入口24bを閉じた状態で、ガス出口24aに真空ポンプ(図示せず)を接続してガスセル24内を真空引きした後、ガス出口24aを閉じる。続いて、ガス入口24bにアンモニアガスG1の入った容器(ボンベ)等を接続し、ガス入口24bを開け、ガス圧力計44にて1mbarのガス圧となるまでアンモニアガスG1を充填して、ガス入口24bを閉じる。ヒータ43の温度は、室温に設定されている。   As in Example 1 described above, the ammonia gas G1 is charged into the gas cell 24 by first connecting a vacuum pump (not shown) to the gas outlet 24a with the gas inlet 24b of the gas cell 24 closed. After evacuating the gas cell 24, the gas outlet 24a is closed. Subsequently, a container (cylinder) containing ammonia gas G1 is connected to the gas inlet 24b, the gas inlet 24b is opened, and the gas pressure gauge 44 is filled with the ammonia gas G1 until a gas pressure of 1 mbar is obtained. Close the inlet 24b. The temperature of the heater 43 is set to room temperature.

光学絞り22および凹面鏡23には、それぞれ可動ステージ45,46上に設置されている。各可動ステージ26,45,46には、XYZ軸ステージコントローラ47,48,49が接続されており、端面発光型半導体レーザ75、光学絞り22および凹面鏡23の位置がそれぞれ調整可能になっている。端面発光型半導体レーザ75、光学絞り22および凹面鏡23からなる2つの共振器が結合した複合共振器79が形成され、複合共振器79では、各位置を調整することにより、単一横モード化および単一縦モード化が行われている。曲率半径10cmの凹面鏡23を用いたため、凹面鏡23と端面発光型半導体レーザ75間の距離を、10cm程度を目安としてXYZ軸ステージコントローラ47,48,49により、可動ステージ26、45および46を微動調整して、単一横及び縦モード化を実現している。   The optical diaphragm 22 and the concave mirror 23 are installed on movable stages 45 and 46, respectively. XYZ axis stage controllers 47, 48, and 49 are connected to the movable stages 26, 45, and 46, and the positions of the edge-emitting semiconductor laser 75, the optical diaphragm 22, and the concave mirror 23 can be adjusted. A composite resonator 79 in which two resonators composed of an edge-emitting semiconductor laser 75, an optical aperture 22, and a concave mirror 23 are coupled is formed. In the composite resonator 79, by adjusting each position, a single transverse mode is obtained. Single vertical mode has been implemented. Since the concave mirror 23 having a radius of curvature of 10 cm is used, the movable stages 26, 45 and 46 are finely adjusted by the XYZ axis stage controllers 47, 48, and 49 with the distance between the concave mirror 23 and the edge-emitting semiconductor laser 75 as a guideline of about 10 cm. Thus, single horizontal and vertical modes are realized.

端面発光型半導体レーザ75から出射された半導体レーザ光が伝搬する光路におけるガスセル24の一方の端部に相対してレンズ51が配置されており、レンズ51に相対してガスセル24の第1のフォトダイオード52が配置されている。前記光路におけるガスセル24の他方の端部に相対してレンズ53が配置され、レンズ53に相対してエタロン共振器54が配置されており、エタロン共振器54に相対して第2のフォトダイオード55が配置されている。   A lens 51 is disposed opposite to one end of the gas cell 24 in the optical path in which the semiconductor laser light emitted from the edge-emitting semiconductor laser 75 propagates, and the first photo of the gas cell 24 is opposed to the lens 51. A diode 52 is disposed. A lens 53 is disposed relative to the other end of the gas cell 24 in the optical path, an etalon resonator 54 is disposed relative to the lens 53, and a second photodiode 55 is disposed relative to the etalon resonator 54. Is arranged.

端面発光型半導体レーザ75から出射した半導体レーザ光L6は、アンモニアガスG1の吸収線と波長が一致しない場合には、ガスセル24の一方の端部、レンズ51を経て第1のフォトダイオード52に入射しており、このフォトダイオード52に発光強度(電圧・電流)が記録される。アンモニアガスG1の吸収線と波長が一致する場合には、アンモニアガスG1に前記レーザ光は吸収される。端面発光型半導体レーザ75の反対側からは、半導体レーザ光L6の1/20程度の出力光強度を有する半導体レーザ光L7が、同一の波長で出射される。この半導体レーザ光L7は、レンズ53、エタロン共振器54を経て第2のフォトダイオード55に入射しており、高分解能で発振波長がモニタされる。   The semiconductor laser light L6 emitted from the edge emitting semiconductor laser 75 is incident on the first photodiode 52 through the lens 51 and one end of the gas cell 24 when the wavelength does not match the absorption line of the ammonia gas G1. The light emission intensity (voltage / current) is recorded in the photodiode 52. When the wavelength matches the absorption line of the ammonia gas G1, the laser light is absorbed by the ammonia gas G1. From the opposite side of the edge emitting semiconductor laser 75, the semiconductor laser light L7 having an output light intensity of about 1/20 of the semiconductor laser light L6 is emitted at the same wavelength. The semiconductor laser light L7 enters the second photodiode 55 through the lens 53 and the etalon resonator 54, and the oscillation wavelength is monitored with high resolution.

半導体レーザ吸収分光装置74では、図14に示すように、電流の増加に比例して半導体レーザ光の発振波長が漸増すると共に、半導体レーザ光の出力強度が漸増している。また光スペクトル測定とファーフィールドパターン測定により、端面発光型半導体レーザ75からの出射光が、良好な単一横モードと縦モード性を得ていることを確認した。図15(実際には図示した以上のディップが観測されたが、ここでは吸収量の多い代表的なディップのみを示した図)に示すように、半導体レーザ吸収分光装置74では、ディップが非常に深く、その形状も鋭角となっているため、ガス圧が1mbarと低いにもかかわらず、高いS/N比と波長精度を有するデータが得られたことが分かる。図16に示すように、半導体レーザ吸収分光装置74により得られた光吸収量とシミュレーションにより得られた光吸収量とは、吸収線波長のズレがなく、非常に良く一致し、全ての吸収線が観測されたことが分かる。   In the semiconductor laser absorption spectrometer 74, as shown in FIG. 14, the oscillation wavelength of the semiconductor laser light gradually increases in proportion to the increase in current, and the output intensity of the semiconductor laser light gradually increases. Moreover, it was confirmed by the optical spectrum measurement and the far field pattern measurement that the emitted light from the edge-emitting semiconductor laser 75 has a good single transverse mode and longitudinal mode property. As shown in FIG. 15 (actually, a dip larger than that shown in the figure was observed, but only a representative dip having a large amount of absorption is shown here), the semiconductor laser absorption spectrometer 74 has a very large dip. It is deep and its shape is acute, so it can be seen that data having a high S / N ratio and wavelength accuracy were obtained even though the gas pressure was as low as 1 mbar. As shown in FIG. 16, the light absorption amount obtained by the semiconductor laser absorption spectroscopic device 74 and the light absorption amount obtained by the simulation are in good agreement with each other without any deviation of the absorption line wavelength. It can be seen that.

このように、複合共振器79を有する半導体レーザ吸収分光装置74によれば、アンモニアガスG1が10mbar未満においても、高いS/N比を確保できるため、精度の良いガス濃度測定を実現することが可能となる。   As described above, according to the semiconductor laser absorption spectroscopic device 74 having the composite resonator 79, even when the ammonia gas G1 is less than 10 mbar, a high S / N ratio can be ensured, so that accurate gas concentration measurement can be realized. It becomes possible.

上記では、被測定ガスとしてアンモニアガスを用いて説明したが、レーザ発振波長付近に吸収線波長を有するガスであれば、どのようなガスに用いても良く、上述したアンモニアガスの濃度測定と同様な作用効果を奏する。   In the above description, ammonia gas is used as the gas to be measured. However, any gas may be used as long as it has an absorption line wavelength near the laser oscillation wavelength. There are various effects.

以下に、第6の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置について、図を用いて説明する。   The semiconductor laser absorption spectrometer according to the sixth embodiment will be described below with reference to the drawings.

図17は、本発明の第6の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。第6の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置は、上述した第5の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における端面発光型半導体レーザ、光学絞りおよび凹面鏡の配置位置を変えたものであり、これ以外は前記半導体レーザ吸収分光装置と同じ構成を有する。これらの構成については、上記第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置と同じ符号を付記し、同一符号については、その説明を省略する。   FIG. 17 is a schematic view of a semiconductor laser absorption spectrometer according to the sixth embodiment of the present invention. The semiconductor laser absorption spectrometer according to the sixth embodiment is obtained by changing the arrangement positions of the edge-emitting semiconductor laser, the optical diaphragm, and the concave mirror in the semiconductor laser absorption spectrometer according to the fifth embodiment described above. Other than that, it has the same configuration as the semiconductor laser absorption spectrometer. About these structures, the code | symbol same as the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus which concerns on the said 1st Example is attached, and the description is abbreviate | omitted about the same code | symbol.

本発明の第6の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置77は、ガスセル78の外側に端面発光型半導体レーザ75、光学絞り22および凹面鏡23を配置したものであり、端面発光型半導体レーザ75の一方から出射した半導体レーザ光L6は、ガスセル78、光学絞り22、凹面鏡23、レンズ51を通って、第1のフォトダイオード52に入射する。端面発光型半導体レーザ75の他方から出射した半導体レーザ光L7は、レンズ53、エタロン共振器54を通って、第2のフォトダイオード55に入射する。   A semiconductor laser absorption spectroscopic device 77 according to the sixth embodiment of the present invention has an edge emitting semiconductor laser 75, an optical aperture 22 and a concave mirror 23 arranged outside a gas cell 78. The semiconductor laser light L6 emitted from one side passes through the gas cell 78, the optical aperture 22, the concave mirror 23, and the lens 51 and enters the first photodiode 52. The semiconductor laser light L 7 emitted from the other of the edge-emitting semiconductor laser 75 enters the second photodiode 55 through the lens 53 and the etalon resonator 54.

ガスセル76の両端面は、1度〜7度程度の角度をつけて斜めに加工してあり、端面における半導体レーザ光の反射による影響を極力少なくするようにしてある。よって、第6の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置77によれば、第5の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置74と同様な作用効果を奏する。さらに、ガスセル78の外部に端面発光型半導体レーザ75が配置されるので、ガスセル78の温度を制御するヒータ43の影響を受けずに、端面発光型半導体レーザ75の駆動温度を制御することができるという利点がある。   Both end surfaces of the gas cell 76 are processed obliquely at an angle of about 1 to 7 degrees so as to minimize the influence of reflection of the semiconductor laser light on the end surface. Therefore, according to the semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus 77 according to the sixth embodiment, the same operational effects as the semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus 74 according to the fifth embodiment are exhibited. Furthermore, since the edge-emitting semiconductor laser 75 is disposed outside the gas cell 78, the driving temperature of the edge-emitting semiconductor laser 75 can be controlled without being affected by the heater 43 that controls the temperature of the gas cell 78. There is an advantage.

本発明は、半導体レーザ吸収分光装置に利用することが可能である。   The present invention can be used in a semiconductor laser absorption spectrometer.

本発明の一実施形態に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。1 is a schematic view of a semiconductor laser absorption spectrometer according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ吸収分光装置における複合共振器構造の説明図である。It is explanatory drawing of the composite resonator structure in the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ吸収分光装置における注入電流と光出力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the injection current and the optical output in the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。1 is a schematic diagram of a semiconductor laser absorption spectrometer according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における電流励起型面発光半導体レーザの説明図である。It is explanatory drawing of the current excitation type | mold surface emitting semiconductor laser in the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus based on 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における光出力と発振波長の電流依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the current dependence of the optical output and oscillation wavelength in the semiconductor laser absorption spectrometer which concerns on the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置による測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result by the semiconductor laser absorption spectrometer which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置による測定結果およびシミュレーションにおける光吸収量と発振波長との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the light absorption amount and oscillation wavelength in the measurement result by the semiconductor laser absorption spectrometer which concerns on 1st Example of this invention, and simulation. 本発明の第2の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。It is the schematic of the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus which concerns on the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。It is the schematic of the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus which concerns on the 3rd Example of this invention. 本発明の第3の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における光励起型面発光半導体レーザの構造図である。FIG. 6 is a structural diagram of an optically pumped surface emitting semiconductor laser in a semiconductor laser absorption spectrometer according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第4の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。It is the schematic of the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus which concerns on the 4th Example of this invention. 本発明の第5の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。It is the schematic of the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus which concerns on the 5th Example of this invention. 本発明の第5の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置における光出力と発振波長の電流依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the current dependence of the optical output and oscillation wavelength in the semiconductor laser absorption spectrometer which concerns on the 5th Example of this invention. 本発明の第5の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置による測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result by the semiconductor laser absorption spectrometer which concerns on the 5th Example of this invention. 本発明の第5の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置による測定結果およびシミュレーションにおける光吸収量と発振波長との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result by the semiconductor laser absorption spectrometer which concerns on the 5th Example of this invention, and the relationship between the light absorption amount and oscillation wavelength in simulation. 本発明の第6の実施例に係る半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。It is the schematic of the semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus which concerns on the 6th Example of this invention. 従来の半導体レーザ吸収分光装置の概略図である。It is the schematic of the conventional semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus. 従来の半導体レーザ吸収分光装置における注入電流と光出力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the injection current and optical output in the conventional semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus. 従来の半導体レーザ吸収分光装置による測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result by the conventional semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus. 従来の半導体レーザ吸収分光装置による測定結果およびシミュレーションにおける光吸収量と発振波長との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result by the conventional semiconductor laser absorption spectroscopy apparatus, and the relationship between the light absorption amount and oscillation wavelength in simulation.

符号の説明Explanation of symbols

1 面発光型半導体レーザ
2 光学絞り
3 凹面鏡
4 n−InP基板
5 n−DBR層
6 多重量子井戸活性層(MQW活性層)
7 p−DBR層
8 p−InGaAsコンタクト層
9 反射防止膜
11 p電極
12 n電極
13 第1の共振器
14 第2の共振器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Surface emitting semiconductor laser 2 Optical aperture 3 Concave mirror 4 n-InP substrate 5 n-DBR layer 6 Multiple quantum well active layer (MQW active layer)
7 p-DBR layer 8 p-InGaAs contact layer 9 antireflection film 11 p electrode 12 n electrode 13 first resonator 14 second resonator

Claims (11)

半導体レーザ光による吸収分光法を用いてガス濃度を評価する半導体レーザ吸収分光装置において、
半導体レーザから出射された前記半導体レーザ光が伝搬する光路上に3つの反射鏡が設置され、隣接する2つの反射鏡からなる2つの共振器を有し、前記2つの共振器のうち一方に被測定ガスを配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
In a semiconductor laser absorption spectrometer that evaluates gas concentration using absorption spectroscopy using semiconductor laser light,
Three reflecting mirrors are installed on an optical path through which the semiconductor laser light emitted from the semiconductor laser propagates, and two resonators composed of two adjacent reflecting mirrors are provided, and one of the two resonators is covered. A semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus, characterized in that a measurement gas is arranged.
請求項1に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスが配置された共振器側から出射した前記半導体レーザ光を受光する第1のフォトダイオードと、
前記共振器とは別の共振器側から出射した前記半導体レーザを受光する第2のフォトダイオードとを備える
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
The semiconductor laser absorption spectrometer according to claim 1.
A first photodiode for receiving the semiconductor laser light emitted from the resonator side where the measurement gas is disposed;
A semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus comprising: a second photodiode that receives the semiconductor laser emitted from a resonator side different from the resonator.
請求項1または請求項2に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記半導体レーザは、電流励起により駆動する電流励起型面発光半導体レーザである
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
The semiconductor laser absorption spectrometer according to claim 1 or 2,
The semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus, wherein the semiconductor laser is a current excitation type surface emitting semiconductor laser driven by current excitation.
請求項3に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスを封入するガス容器の内部に、前記3つの反射鏡を配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
The semiconductor laser absorption spectrometer according to claim 3,
3. A semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus, wherein the three reflecting mirrors are arranged inside a gas container that encloses the gas to be measured.
請求項3に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスを封入するガス容器の外部に、前記3つの反射鏡を配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
The semiconductor laser absorption spectrometer according to claim 3,
3. A semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus, wherein the three reflecting mirrors are arranged outside a gas container that encloses the gas to be measured.
請求項1または請求項2に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記半導体レーザは、光励起によりレーザ発振する光励起型面発光半導体レーザである
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
The semiconductor laser absorption spectrometer according to claim 1 or 2,
The semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus, wherein the semiconductor laser is an optically pumped surface emitting semiconductor laser that oscillates by optical excitation.
請求項6に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスを封入するガス容器の内部に、前記3つの反射鏡を配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
The semiconductor laser absorption spectrometer according to claim 6,
A semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus, wherein the three reflecting mirrors are arranged inside a gas container that encloses the gas to be measured.
請求項6に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスを封入するガス容器の外部に、前記3つの反射鏡を配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
The semiconductor laser absorption spectrometer according to claim 6,
3. A semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus, wherein the three reflecting mirrors are arranged outside a gas container that encloses the gas to be measured.
請求項1または請求項2に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記半導体レーザは、端面発光型半導体レーザである
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
The semiconductor laser absorption spectrometer according to claim 1 or 2,
The semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus, wherein the semiconductor laser is an edge-emitting semiconductor laser.
請求項9に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスを封入するガス容器の内部に、前記3つの反射鏡を配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
The semiconductor laser absorption spectrometer according to claim 9,
A semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus, wherein the three reflecting mirrors are arranged inside a gas container that encloses the gas to be measured.
請求項9に記載の半導体レーザ吸収分光装置において、
前記被測定ガスを封入するガス容器の外部に、前記3つの反射鏡を配置した
ことを特徴とする半導体レーザ吸収分光装置。
The semiconductor laser absorption spectrometer according to claim 9,
3. A semiconductor laser absorption spectroscopic apparatus, wherein the three reflecting mirrors are arranged outside a gas container that encloses the gas to be measured.
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