JP2008026397A

JP2008026397A - 光源およびガス計測装置

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Publication number: JP2008026397A
Application number: JP2006195928A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Magari; 克明曲; Tsutomu Yanagawa; 勉柳川; Yoshiki Nishida; 好毅西田; Osamu Tadanaga; 修忠永; Masao Yube; 雅生遊部; Takeshi Umeki; 毅伺梅木; Hiroyuki Suzuki; 博之鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2008-02-07
Also published as: US20090303486A1; EP2042918A1; CN101484850A; EP2042918A4; WO2008010380A1

Abstract

【課題】半値幅１ＭＨｚ以下の単一なスペクトル線幅を実現し、使用環境温度の変化の影響を受けない光源を提供する。
【解決手段】第１のレーザ光を発生する第１のレーザ７１と、第２のレーザ光を発生する第２のレーザ１２と、第１のレーザ光と第２のレーザ光とを入力し、差周波発生または和周波発生によりコヒーレント光を出力する非線形光学結晶１３とを含む光源において、第２のレーザ１２は、回折格子を内蔵し、第２のレーザ光の波長を掃引することができる波長可変光源であり、第１のレーザ７１は、半導体レーザと、半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとから構成され、第１のレーザ光は、半値幅１ＭＨｚ以下の単一なスペクトル線幅を有する。
【選択図】図１４

Description

本発明は、光源およびガス計測装置に関し、より詳細には、単一なスペクトル線幅を有する中赤外光を出力する光源、およびこの光源を用いたガス計測装置に関する。

近年、環境問題が大きくクローズアップされ環境ガスの計測が重要となっている。環境ガスの多くは、波長２μｍ以上の中赤外域に基本振動またはその低次の倍音の吸収線を有している。従って、中赤外域において高出力のコヒーレント光を発生する中赤外光光源の需要が高まっている。このような光源として、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子等が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換装置の構成を示す。波長変換装置は、波長λ_Ａの励起光Ａを出力する半導体レーザ１１と、波長λ_Ｂの信号光Ｂを出力する半導体レーザ１２と、励起光Ａと信号光Ｂとを合波して出力する光カプラ１４と、合波された励起光Ａと信号光Ｂとを入力し、波長λ_Ｃの変換光Ｃを出力する非線形光学結晶からなる波長変換素子１３とから構成されている。半導体レーザ１１，１２には、それぞれ駆動回路１１ａ，１２ａと温度制御回路１１ｂ，１２ｂとが接続されている。さらに、半導体レーザ１１と光カプラ１４との間には、ファイバグレーティング１５が挿入されている。

変換光Ｃの強度は、励起光Ａと信号光Ｂの強度の積に比例するので、励起光Ａを一定強度にしておけば、信号光Ｂから変換光Ｃへ波長のみを変換することができる。例えば、λ_Ａ＝０．９７６μｍ、λ_Ｂ＝１．３０７μｍのとき、和周波としてλ_Ｃ＝０．５５９μｍが得られる。また、λ_Ａ＝１．０６４μｍ、λ_Ｂ＝１．５６７μｍのとき、差周波としてλ_Ｃ＝３．３１μｍが得られる。従って、特定の波長を得るためには、励起光Ａと信号光Ｂの波長を厳密に制御する必要がある。

また、図２に、差周波発生により３．３１μｍの中赤外光を得るために、波長変換を行う場合の位相整合曲線を示す。波長変換素子の位相整合帯域は、非常に狭いために、変換光を安定して出力させるためには、単一モードで発振する半導体レーザであることが望ましい。

１．５５μｍ、１．３１μｍの波長は、光通信の分野で使われている長波長帯であり、半導体レーザとして、回折格子を内蔵し、単一波長で発振するＤＦＢレーザダイオードを用いることができる。一方、０．９８μｍ、１．０６μｍ、０．７７μｍの短波長帯の波長は、ＤＦＢレーザダイオードを作製するのは大変難しくかつ需要も少ないので、半導体レーザとして通常多モード発振のレーザダイオードを用いている。そこで、特定の波長のみを一部反射するファイバグレーティングを、半導体レーザの出力に接続し、出力光の一部を半導体レーザに再注入することにより、発振波長をグレーティング波長で発振するように制御している。

図３に、従来の半導体レーザモジュールの構成を示す。半導体レーザダイオード（以下、ＬＤという）とファイバグレーティング（以下、ＦＢＧという）とを組み合わせると、ＦＢＧをＬＤより１ｍ程度以上離れた場所に設置して用いられることが多い（例えば、非特許文献１参照）。半導体レーザモジュールは、レーザダイオード３１と、ＦＢＧ３５が形成された偏波保持ファイバ３６とから構成されている。レーザダイオード３１からの出射光は、レンズ３２，３３を介して、フェルール３４に内包された偏波保持ファイバ３６に結合される。レーザダイオード３１は、１０６４ｎｍ帯のレーザ光を出射し、ＦＢＧ３５の反射帯域は、６０ｐｍである。レーザダイオード３１とＦＢＧ３５との間隔を１．２ｍとした場合、反射帯域の中に波長間隔０．２７ｐｍ（これは上記１．２ｍの共振間隔に相当する）で繰り返し反射ピークが表れることになる。

図４に、従来のレーザダイオードとファイバグレーティングとを組み合わせた光源の出力スペクトルを示す。分解能１０ｐｍの光スペクトラムアナライザで評価すると、図４に示すように、中心波長λ_１＝１０６４ｎｍで半値幅約１０ｐｍの単一なスペクトルとして測定される。しかし、実際には、時間的な出力変動が不連続な出力スペクトルとして表れ、半値幅約１０ｐｍのスペクトルの中には、３５本ものピークを有したマルチモード状態になっている。

図５に、出力スペクトルを電気スペクトラムアナライザで測定した結果を示す。波長間隔０．２７ｐｍに相当する約８５ＭＨｚの倍数の位置に反射ピークを有している。図６に、出力スペクトルをエタロンで測定した結果を示す。高分解能観測が可能なファブリ・ペロー・エタロン（ＦＳＲ＝８ＧＨｚ、フィネス＝３５９）を用いてスペクトルを観測する。出力スペクトル全体がＯＦＦレベルよりも持ち上がった状態になっており、単一モードが複数折り重なって１つのモードに見えている擬似単一モードであることがわかる。半値幅を概算するために点線にて外挿線を引くと、半値幅６ＧＨｚ程度（〜２０ｐｍ）になっており、擬似単一モードであることが電気的にも光学的にも観測される。

特開２００３−１４０２１４号公報 A. Ferrari, et al., "Subkilohertz Fluctuations and Mode Hopping in High-Power Grating-Stabilized 980-nm Pumps," IEEE J. of Lightwave Tech., vol.20, pp.515-518, 2002/3

環境ガスの計測に用いるガス計測装置は、隣接してシャープに表れるガスの吸収スペクトルを分析する必要がある。例えば、ガスの圧力によって変動する吸収スペクトル幅（以下、圧力幅という）を直接観測する場合、中赤外光光源は、半値幅０．８ｐｍ（２５０ＭＨｚ）程度の擬似単一モードのスペクトル線幅を有していればよい。そこで、図１に示した波長変換装置を光源として、ガス計測装置を構成する。

図７に、従来のガス計測装置の構成を示す。半導体レーザ１１には、波長λ_Ａ＝１０６４ｎｍのレーザダイオードを用い、半導体レーザ１２には、波長λ_Ｂ＝１５６７ｎｍのＤＦＢレーザを用いる。波長変換素子１３から出射された変換光Ｃである波長λ_ｃ＝３３１４ｎｍの中赤外光は、レンズ２５でコリメート化され、励起光Ａと信号光Ｂとをカットするフィルタ２７を透過後、２つのパスに分岐される。一方のビームは、ガスの封入されていないレファレンスセル２０を透過後に、受光器２２で透過光強度が測定される。他方のビームは、メタンガス（９Ｔｏｒｒ）の封入されたガスセル２１を透過後に、受光器２３で透過光強度が測定される。２つの受光器２２，２３の測定結果は、演算装置で規格化演算される。

さらに、チョッパー２６を用いて、セル２０，２１を透過するビームをＯＮ／ＯＦＦ変調する。受光器２２，２３の出力を、ロックインアンプ２４において、変調周波数でロックイン検波することにより、測定感度の向上を図っている。半導体レーザ１２の発振波長を温度により掃引することで、約２００ｐｍ（波長３３１４ｎｍで５．６ＧＨｚ）の分解能で吸収スペクトルを測定することができる。図８に、従来のガス計測装置によって得られたメタンガスの吸収線スペクトルを示す。

図１に示した波長変換装置は、半導体レーザを用いることにより、小型、堅牢で、使い勝手の良い光源であるが、分解能が十分でない。すなわち、上述したように、圧力幅を観測できる程度の擬似単一モードであるため、スペクトル線幅としては太い。医療応用の分野では、例えば、呼気の吸収線を大気圧で観測・評価するため、およそ２．２ｐｍ（６００ＭＨｚ）以上の線幅が必要となる。産業応用の分野では、パイプライン中を流れるガスのインラインモニタが考えられる。この場合は真空度を高めていることから圧力が低くなっており、１００ＭＨｚを切るような吸収線幅を評価する必要がある。これらの応用分野に適用するには、現状の励起光を出力する半導体レーザの線幅では、対象とするガス吸収線幅を正しく評価することができなかった。

変換光のスペクトル線幅は、励起光と信号光の２つのレーザ光の発振線幅に大きく依存する。信号光として用いる１．５５μｍ帯の半導体レーザは、発振線幅が１ＭＨｚ以下の半導体レーザが実用化されており、励起光を出力する半導体レーザの発振線幅も１ＭＨｚ以下に低減することが必要となる。

このように線幅を狭帯域化したとして、使用環境温度の変化により励起光を出力する半導体レーザの発振波長がシフトしてしまう。その結果、変換光の波長もシフトしてしまうという問題点があった。被測定対象は、波長が固定されている吸収線なので、このような波長シフトは、測定制度に大きな影響を与える。従って、使用環境温度の変化に影響することなく、変換光の波長を発生させる必要がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、半値幅０．００４ｐｍ（１ＭＨｚ）以下の単一なスペクトル線幅を実現し、使用環境温度の変化の影響を受けない光源およびガス計測装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１のレーザ光を発生する第１のレーザと、第２のレーザ光を発生する第２のレーザと、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、差周波発生または和周波発生によりコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む光源において、前記第２のレーザは、回折格子を内蔵し、前記第２のレーザ光の波長を掃引することができる波長可変光源であり、前記第１のレーザは、半導体レーザと、該半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとから構成され、前記第１のレーザ光は、半値幅１ＭＨｚ以下の単一なスペクトル線幅を有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光源において、使用環境温度を測定するモニタと、該モニタで測定された使用環境温度に基づいて、前記第２のレーザの設定温度を制御する温度制御回路とをさらに備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光源において、使用環境温度を測定するモニタと、該モニタで測定された使用環境温度に基づいて、前記第２のレーザの駆動電流を制御する駆動回路とをさらに備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記第１のレーザは、前記ファイバグレーティングの設定温度を制御する温度制御回路をさらに含むことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の光源において、前記第１のレーザから出力される前記第１のレーザ光の波長を測定する波長計と、前記第１のレーザ光の波長が所望の波長となるように、前記波長計で測定された波長に基づいて、前記第２のレーザの設定温度を制御する温度制御回路とをさらに備えたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の光源において、前記第１のレーザから出力される前記第１のレーザ光の波長を測定する波長計と、前記第１のレーザ光の波長が所望の波長となるように、前記波長計で測定された波長に基づいて、前記第２のレーザの駆動電流を制御する駆動回路とをさらに備えたことを特徴とする。

請求項７に記載のガス計測装置は、請求項１ないし６に記載のいずれかの光源と、該光源から出力されたビームを分岐して、レファレンスセルとガスセルとを透過させる手段と、前記レファレンスセルと前記ガスセルとを透過してビームを受光する受光器とを備えたことを特徴とする。

請求項８に記載のガス計測装置は、前記レファレンスセルと前記ガスセルとを保持するセル保持装置を備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、第１のレーザを、半導体レーザと、半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとから構成したので、半値幅０．００４ｐｍ（１ＭＨｚ）以下の単一なスペクトル線幅を実現することができる。また、使用環境温度に基づいて、第２のレーザの設定温度を制御する温度制御回路を備えたので、使用環境温度の変化の影響を受けない。従って、環境温度が大きく変化する場所においても、レーザの波長を変えることなく、高分解能のガス検出を行うことが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図９に、本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す。半導体レーザモジュールは、レーザダイオード５１と、ＦＢＧ５５が形成された偏波保持ファイバ５６とから構成されている。レーザダイオード５１からの出射光は、レンズ５２，５３を介して、フェルール５４に内包された偏波保持ファイバ５６に結合される。レーザダイオード５１は、ペルチエ素子５７により一定の温度に保たれている。

レーザダイオード５１は、１０６４ｎｍ帯のレーザ光を出射する。素子長は１２００μｍであり、共振波長間隔は１２４ｐｍである。レーザダイオード５１の端面反射率は、偏波保持ファイバ５６のある側の反射率を０．１％、反対側を９０％とする。ＦＢＧ５５は、フェルール５４とともにモジュールの筐体５８内に設置されており、レーザダイオード５１とＦＢＧ５５との間隔は２ｃｍである。ＦＢＧ５５の反射帯域は６０ｐｍ、反射率２０％であり、レーザダイオード５１の素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有する。これにより、レーザダイオード５１の両端面間の反射によって規定される共振モードは１本しか選択されないため、単一モードでの発振が可能となる。

図１０に、本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールの出力スペクトルを示す。分解能１０ｐｍの光スペクトラムアナライザで評価すると、図１０に示すように、中心波長λ＝１０６４ｎｍで半値幅約１０ｐｍの単一なスペクトルとして測定される。図４と比較すると、スペクトルの裾の広がり方が異なり、本実施形態の方が、全体的にシャープなスペクトルになっている。

図１１に、出力スペクトルを電気スペクトラムアナライザで測定した結果を示す。レーザダイオード５１の後面（ＦＢＧと反対側）とＦＢＧ５５との間隔の光学長が約２．４ｃｍとなるため、反射帯域の中に波長間隔２３ｐｍ（約６ＧＨｚ）で繰り返し反射ピークが表れることになる。しかし、電気スペクトラムアナライザの測定帯域が０〜２ＧＨｚであるため、この反射ピークに相当するモードは観測されていない。

なお、この波長間隔はＦＢＧ５５の反射帯域より狭いため、２本のモードが選択される可能性がある。しかし、一方のモードがレーザダイオード５１の両端面間による共振モードと一致すると発振しやすくなる（発振閾値が低くなる）ため、レーザダイオード５１の前面（ＦＢＧ側）反射率を０．１％以下へ十分に低めておくことにより、実質的に単一モードで発振させることができる。

図１２に、出力スペクトルをエタロンで測定した結果を示す。半値幅約６４ＭＨｚ（０．２４ｐｍ）の完全な単一モードのスペクトルとなっていることが電気的にも光学的にも観測できる。ファブリ・ペロー・エタロン（ＦＳＲ＝８ＧＨｚ、フィネス＝３５９）の分解能は、約２３ＭＨｚであり、ほぼ同程度のオーダであることから、実際の線幅はさらに狭いことも考えられる。

図１３に、出力スペクトルを遅延自己ヘテロダイン法で測定した結果を示す。遅延自己ヘテロダイン法では、半導体レーザモジュールの出力を２つに分け、一方に５ｋｍの光ファイバを接続する。他方には、ＡＯ（Acoust-Optical）変調器を接続して、発振周波数を１００ＭＨｚシフトする。これらの２つの出力を再び合波することにより、１００ＭＨｚに生じたビート光を観測すると、約３００ｋＨｚの線幅が得られる。

図１４に、本発明の実施例１にかかるガス計測装置の構成を示す。図７に示したガス計測装置において、波長変換装置の半導体レーザ１１とＦＢＧ１５とを組み合わせた光源を、図９に示した半導体レーザモジュール７１に置き換えた装置である。第１のレーザに相当する半導体レーザ１２は、ＤＦＢレーザであり、波長を掃引することができる。第２のレーザに相当する半導体レーザモジュール７１は、上述したように、半値幅２５０ＭＨｚＭＨｚ以下の単一なスペクトル線幅を有する非線形光学結晶からなる波長変換素子１３の素子長は５０ｍｍ、反転周期は２８．４μｍ、変換効率は４０％／Ｗである。

波長変換素子１３から出射された変換光Ｃである中赤外光は、レンズ２５でコリメート化され、励起光Ａと信号光Ｂとをカットするフィルタ２７を透過後、２つのパスに分岐される。一方のビームは、ガスの封入されていないレファレンスセル２０を透過後に、受光器２２で透過光強度が測定される。他方のビームは、メタンガス（９Ｔｏｒｒ、２０ｃｍ）の封入されたガスセル２１を透過後に、受光器２３で透過光強度が測定される。２つの受光器２２，２３の測定結果は、演算装置で規格化演算される。なお、受光器２２，２３として、ＰｂＳｅ光導電素子を用いる。測定感度を向上するため、ロックイン検波を行う点は、従来と同じである。

図１５に、実施例１にかかるガス計測装置によって得られたメタンガスの吸収線スペクトルを示す。半導体レーザ１２の発振波長を温度により掃引することで、波長を１ｐｍ刻みで１ｎｍ掃引する。図８の従来のガス計測装置と比較すると、２０ｐｍ以下のスペクトル構造を、はっきりと分離して観測することができる。定量的には、分解能を約２５倍改善できることがわかる。

半導体レーザ１２として用いるＤＦＢレーザの発振波長（λ_１＝１５６７ｎｍ）のシフトをΔλ_１とすると、変換光である中赤外光の波長λ_３のシフトΔλ_３が生じる。このとき変換光の波長λ_３は、
１／λ_３＝１／λ_１−１／λ_２（式１）
で与えられる（λ_３＝３３１４ｎｍ）。ここで、半導体レーザモジュール７１の発振波長λ_２＝１０６４ｎｍとする。式１から変換光の波長シフトΔλ_３は、
Δλ_３〜Δλ_１ｘ（λ_３／λ_１）^２（式２）
で与えられる。Δλ_１＝１ｐｍとすればΔλ_３＝４．５ｐｍと見積もられる。従って、反射ピークをピークとして判別するためには、およそ５つの測定ポイントを必要とするため、分解能が２０ｐｍに制限されている。半導体レーザ１２の波長を１ｐｍ刻みより狭くできれば、中赤外光の波長ステップがさらに細かくなり、分解能を低減することが可能となることは言うまでもない。

図１６に、本発明の実施例２にかかるガス計測装置の構成を示す。図１４に示した実施例１にかかるガス計測装置に、使用環境温度モニタ７２を追加する。使用環境温度モニタ７２は、駆動回路１２ａおよび温度制御回路１２ｂに接続され、測定された光源の使用環境温度の情報をフィードバックする。

図１７に、信号光を出力する半導体レーザにおける発振波長の使用環境温度依存性を示す。半導体レーザ１２として用いるＤＦＢレーザの発振波長λ_１＝１５６７ｎｍは、内蔵されているブラッググレーティングで決まる。使用環境温度範囲を１５℃〜４５℃として変化させた場合、半導体レーザ１２の発振波長シフトΔλ_１＝−４ｐｍを生じる。このとき、変換光の波長シフトΔλ_３は、
Δλ_３〜−Δλ_２ｘ（λ_３／λ₂）^２（式３）
により、長波長側に１７．９ｐｍと見積もられる。

図１８に、励起光を出力する半導体レーザモジュールにおける発振波長の使用環境温度依存性を示す。半導体レーザモジュール７１の発振波長λ_２＝１０６４ｎｍは、ＦＢＧ５５で決まる。使用環境温度を１５℃〜４５℃として変化させた場合、ＦＢＧ５５の選択波長Δλ₁が０．２１ｎｍだけほぼ直線的に比例して長波長側に変化する。すなわち、使用環境温度変化によりΔλ_３への影響は非常に大きい。このとき、変換光の波長シフトΔλ_３は（式２）で与えられ、長波長側に２．０４ｎｍと見積もられる。すなわち、変換光の波長は、長波長側に（２．０４＋０．０１７９）nm≒２．０６nmシフトする。

ここで、図１５に示した吸収線スペクトルに、この波長シフトを適用すると、−２．０６ｎｍ長波長側に、光源の波長が可変になるので、図１５のスケール範囲を超えてしまう。メタンガスの吸収線スペクトル自体は変わらないので、使用環境温度が変われば、ＤＦＢレーザの発振波長λ_１を変える必要がある。そこで、光源の波長が、図１５のスケール範囲に入るようにするためには、
Δλ₂〜−Δλ₃ｘ（λ₂／λ₃）^２（式４）
より、ＤＦＢレーザの波長シフトΔλ₂＝０．４２９ｎｍと見積もられる。使用環境温度が１５℃の場合と４５℃の場合とで、ＤＦＢレーザの発振波長を４２９ｐｍだけ短波長側に移動させる必要がある。半導体レーザ１２として用いるＤＦＢレーザの温度係数は０．１ｎｍ／℃なので、半導体レーザ１２の設定温度を４．３℃高くすることで、ガス計測装置の光源の波長をほぼ一定にすることができる。評価結果がスケール範囲内に入っていれば、ガス固有の吸収線波長スペクトルを基準として補正を行うことができる。

また、信号光を出力するＤＦＢレーザの温度に加えて、設定電流を変化させることにより、１０ｐｍ／ｍＡの割合で波長を設定することができる。この方法によれば、温度を１℃変えるよりも、設定電流を１ｍＡ変える方が１桁程度微細な調整ができることを表している。

このようにして、使用環境温度が変動した場合でも、使用環境温度モニタ７２から駆動回路１２ａまたは温度制御回路１２ｂにフィードバックをかけることにより、駆動電流または設定温度を併用して変えることで、ガス検出装置の光源からの出力光の波長λ_３を、一定の波長範囲、安定したパワーでスキャンすることができる。

図１９に、本発明の実施例３にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す。半導体レーザモジュールは、レーザダイオード９１と、ＦＢＧ９５が形成された偏波保持ファイバ９６とから構成されている。レーザダイオード９１からの出射光は、レンズ９２，９３を介して、フェルール９４に内包された偏波保持ファイバ９６に結合される。レーザダイオード９１は、ペルチエ素子９７により一定の温度に保たれ、ＦＢＧ９５は、ペルチエ素子９９により一定の温度に保たれている。

レーザダイオード９１は、１０６４ｎｍ帯のレーザ光を出射する。ＦＢＧ９５は、フェルール９４とともにモジュールの筐体９８内に設置されており、レーザダイオード９１とＦＢＧ９５との間隔は２ｃｍである。ＦＢＧ９５の反射帯域は６０ｐｍ、反射率２０％である。使用環境温度が１５℃〜４５℃まで変わると、図１８に示したように、発振波長が０．２１ｎｍだけシフトしてしまう。そこで、ＦＢＧ９５のみの温度を制御できるように、ペルチエ素子９９を実装した。

図２０に、励起光を出力するレーザダイオードにおける発振波長の使用環境温度依存性を示す。使用環境温度を１５℃〜４５℃として変化させた場合、ＦＢＧ９５の選択波長Δλ_２の変化は、２ｐｍだけであり、図１８と比較すると、１／１００に低減することができる。このようにして、使用環境温度が変動した場合でも、一定の波長範囲で吸収線スペクトルを測定することができる。

図２１に、本発明の実施例４にかかるガス計測装置の構成を示す。図１４に示したガス計測装置において、図９に示した半導体レーザモジュール７１を、図１９に示した半導体レーザモジュール１０１に置き換えた装置である。また、レファレンスセル２０とガスセル２１とを、それぞれガスセル保持装置１１１，１１２に保持する。ガスセル保持装置１１１，１１２により、光軸等の調整をすることなく、セルの交換を行うことができる。従って、任意のガスの吸収線スペクトルを評価することができる。

図２２に、本発明の実施例５にかかるガス計測装置の構成を示す。半導体レーザモジュール１０１の発振波長を測定するため、半導体レーザモジュール１０１と光カプラ１４との間に１０：１の分岐比を有する光カプラ１２１を挿入する。光カプラ１２１の１／１０に分岐された側に、波長計１２３を接続する。また、半導体レーザ１２の発振波長を測定するため、半導体レーザ１２と光カプラ１４との間に１０：１の分岐比を有する光カプラ１２２を挿入する。光カプラ１２２の１／１０に分岐された側に、波長計１２４を接続する。

波長計１２３および波長計１２４により、所望の波長からの変化を検出し、駆動回路１０１ａ、温度制御回路１０１ｂ，１０１ｃ、および駆動回路１２ａ、温度制御回路１２ｂのそれぞれにフィードバックする。これにより、使用環境温度が変化して、半導体レーザモジュール１０１、半導体レーザ１２の発振波長が変化しても、駆動電流、設定温度を変えることにより、所望の波長となるように制御することができ、一定の波長範囲で吸収線スペクトルを測定することができる。

図２３に、本発明の実施例６にかかるガス計測装置の構成を示す。半導体レーザモジュール１０１と光カプラ１４との間に、光スイッチ１３３を挿入し、擬似マルチモードで動作する半導体レーザ１３１とＦＢＧ１３２とを組み合わせた光源を接続する。擬似マルチモードの場合は帯域が広いので、分解能が大きくなる。使用環境温度が変動した場合に、大きな包絡線を観測できるので、温度変動に伴う光源の波長のずれが、どの程度あるかを予め測定しておく。

例えば、ある環境にて測定されたガスの吸収線スペクトルを図２４に示す。本来ならば、図８に示した結果が得られるはずだが、環境温度の変動を考慮せずに、励起光、信号光を出力する半導体レーザを使用したためである。ガスの吸収線波長を直接測定可能な測定器が開発されていないため、ガスの吸収線波長を、ＨＩＴＲＡＮデータベースなどを参照し、補正を加える。図２４に矢印で示した波長が、約０．３nmずれていたと考えられる。すなわち、環境温度が５℃程度ずれており、励起光の波長が３０ｐｍ程度シフトしたと予想される。この環境温度の変動を考慮し、高分解能のレーザ１０１でスキャンする場合には、信号光の波長を式４に基づいてシフトしておくことにより、図１５に示した結果を得ることができる。

使用環境温度に応じて、駆動回路１０１ａまたは温度制御回路１０１ｂ，１０１ｃにより、半導体レーザモジュール１０１の駆動電流または設定温度を変えることにより、ガス検出装置の光源からの出力光の波長λ_３を、一定の波長範囲、安定したパワーでスキャンすることができる。

（その他の応用例）
半導体レーザモジュール７１，１０１の代わりに、波長可変光源を用いれば、ガス計測装置としては大きくなるが、波長掃引幅を拡大して吸収スペクトルを測定することができることは言うまでもない。本実施形態においては、メタンガスの３．３μｍ帯の波長で評価を行ったが、例えば、非線形光学結晶としてニオブ酸リチウムを用いれば、その透明領域である０．３５〜５μｍ帯において、任意の波長の変換光を発生させることができる。

本実施形態の半導体レーザモジュールでは、レーザダイオードとＦＢＧとを、２枚のレンズを用いて結合している。しかし、レンズの枚数やレンズを使わない結合方法（例えば、先球ファイバ、Ｖ溝などを用いた結合方法）によっても実現可能であることは言うまでもない。

従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換装置の構成を示す図である。差周波発生により波長変換を行う場合の位相整合曲線を示す図である。従来の半導体レーザモジュールの構成を示す図である。従来のレーザダイオードとファイバグレーティングとを組み合わせた光源の出力スペクトルを示す図である。出力スペクトルを電気スペクトラムアナライザで測定した結果を示す図である。出力スペクトルをエタロンで測定した結果を示す図である。従来のガス計測装置の構成を示す図である。従来のガス計測装置によって得られたメタンガスの吸収線スペクトルを示す図である。本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す図である。本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールの出力スペクトルを示す図である。出力スペクトルを電気スペクトラムアナライザで測定した結果を示す図である。出力スペクトルをエタロンで測定した結果を示す図である。出力スペクトルを遅延自己ヘテロダイン法で測定した結果を示す図である。本発明の実施例１にかかるガス計測装置の構成を示す図である。実施例１にかかるガス計測装置によって得られたメタンガスの吸収線スペクトルを示す図である。本発明の実施例２にかかるガス計測装置の構成を示す図である。信号光を出力する半導体レーザにおける発振波長の使用環境温度依存性を示す図である。励起光を出力する半導体レーザモジュールにおける発振波長の使用環境温度依存性を示す図である。本発明の実施例３にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す図である。励起光を出力するレーザダイオードにおける発振波長の使用環境温度依存性を示す図である。本発明の実施例４にかかるガス計測装置の構成を示す図である。本発明の実施例５にかかるガス計測装置の構成を示す図である。本発明の実施例６にかかるガス計測装置の構成を示す図である。ガス計測装置によって得られたガスの吸収線スペクトルを示す図である。

符号の説明

１１、１２，１３１半導体レーザ
１１ａ，１２ａ，７１ａ，１０１ａ，１３１ａ駆動回路
１１ｂ，１２ｂ，７１ｂ，１０１ｂ，１０１ｃ，１３１ｂ温度制御回路
１３波長変換素子
１４，１２１，１２２光カップラ
１５，３５，５５，９５，１３２ファイバグレーティング（ＦＢＧ）
２０レファレンスセル
２１ガスセル
２２、２３受光器
２４ロックインアンプ
２５，３２，３３，５２，５３，９２，９３レンズ
２６チョッパー
２７フィルタ
３１，５１，９１レーザダイオード
３４，５４，９４フェルール
３６，５６，９６偏波保持ファイバ
５７，９７，９９ペルチエ素子
５８，９８筐体
７１，１０１半導体レーザモジュール
７２使用環境温度モニタ
１１１，１１２ガスセル保持装置
１２３，１２４波長計
１３３，１３４光スイッチ

Claims

第１のレーザ光を発生する第１のレーザと、第２のレーザ光を発生する第２のレーザと、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、差周波発生または和周波発生によりコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む光源において、
前記第２のレーザは、回折格子を内蔵し、前記第２のレーザ光の波長を掃引することができる波長可変光源であり、
前記第１のレーザは、半導体レーザと、該半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとから構成され、
前記第１のレーザ光は、半値幅１ＭＨｚ以下の単一なスペクトル線幅を有することを特徴とする光源。
使用環境温度を測定するモニタと、
該モニタで測定された使用環境温度に基づいて、前記第２のレーザの設定温度を制御する温度制御回路と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光源。
使用環境温度を測定するモニタと、
該モニタで測定された使用環境温度に基づいて、前記第２のレーザの駆動電流を制御する駆動回路と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光源。
前記第１のレーザは、前記ファイバグレーティングの設定温度を制御する温度制御回路をさらに含むことを特徴とする請求項１、２または３に記載の光源。
前記第１のレーザから出力される前記第１のレーザ光の波長を測定する波長計と、
前記第１のレーザ光の波長が所望の波長となるように、前記波長計で測定された波長に基づいて、前記第２のレーザの設定温度を制御する温度制御回路と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光源。
前記第１のレーザから出力される前記第１のレーザ光の波長を測定する波長計と、
前記第１のレーザ光の波長が所望の波長となるように、前記波長計で測定された波長に基づいて、前記第２のレーザの駆動電流を制御する駆動回路と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光源。
請求項１ないし６に記載のいずれかの光源と、
該光源から出力されたビームを分岐して、レファレンスセルとガスセルとを透過させる手段と、
前記レファレンスセルと前記ガスセルとを透過してビームを受光する受光器と
を備えたことを特徴とするガス計測装置。
前記レファレンスセルと前記ガスセルとを保持するセル保持装置を備えたことを特徴とする請求項７に記載のガス計測装置。