JP2015052586A - 呼気診断装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化かつ低消費電力化が容易な呼気診断装置を提供する。
【解決手段】呼気診断装置は、複数の量子井戸のサブバンド間におけるエネルギー緩和により発光光を放射する半導体発光素子と、前記発光光の波長を、前記複数種類のガスのうちの一種類のガスの吸収スペクトル内にシフトする第１調整機構、前記発光光の波長を、一種類のガスの吸収スペクトル内においてシフトする第２調整機構を有する波長制御部と、呼気吸い込み口と、呼気排出口と、前記発光光の入射窓と、前記発光光の出射窓と、を有する筐体と、前記発光光の強度を検出する検出部と、前記出射窓から放出された前記発光光の前記強度の測定値から、前記複数種類のガスの濃度を算出する信号処理部と、を有する。
【選択図】図１
【解決手段】呼気診断装置は、複数の量子井戸のサブバンド間におけるエネルギー緩和により発光光を放射する半導体発光素子と、前記発光光の波長を、前記複数種類のガスのうちの一種類のガスの吸収スペクトル内にシフトする第１調整機構、前記発光光の波長を、一種類のガスの吸収スペクトル内においてシフトする第２調整機構を有する波長制御部と、呼気吸い込み口と、呼気排出口と、前記発光光の入射窓と、前記発光光の出射窓と、を有する筐体と、前記発光光の強度を検出する検出部と、前記出射窓から放出された前記発光光の前記強度の測定値から、前記複数種類のガスの濃度を算出する信号処理部と、を有する。
【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、呼気診断装置に関する。
赤外光を放出するレーザ装置は、環境測定やガス濃度測定など広い分野に応用されている。
多くのガスは、固有の吸収スペクトルにしたがって赤外線を吸収する。吸光度はガス濃度に依存するが、赤外光の入射強度に対する透過強度を測定することにより求めることができる。このため、濃度を知りたいガスにおいて、赤外光の透過強度を測定することにより、あらかじめ求めた吸光度からガスの濃度を知ることができる。
この応用の１つに、呼気診断装置を考えることができる。すなわち、人間の呼気は種々のガスを含んでいるので、呼気のガス濃度を測定できれば、病気の予防や早期発見が容易になる。
しかしながら、一般に赤外光の光源は、炭酸ガスレーザ装置やラーマンレーザ装置などのように、消費電力が大きくかつ大型装置であり、呼気診断装置も大型化する。
小型化かつ低消費電力化が容易な呼気診断装置を提供する。
実施形態の呼気診断装置は、呼気に含まれる複数種類のガスの濃度を測定可能である。呼気診断装置は、複数の量子井戸のサブバンド間における電子のエネルギー緩和により発光光を放射する半導体発光素子と、前記発光光の波長を、前記複数種類のガスのうちの一種類のガスの吸収スペクトル内にシフトする第１調整機構、前記発光光の波長を、一種類のガスの吸収スペクトル内においてシフトする第２調整機構を有する波長制御部と、呼気吸い込み口と、呼気排出口と、前記発光光の入射窓と、前記発光光の出射窓と、を有する筐体と、前記発光光の強度を検出する検出部と、前記出射窓から放出された前記発光光の前記強度の測定値から、前記複数種類のガスの濃度を算出する信号処理部と、を有する。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる呼気診断装置の構成図、図１（ｂ）は複数のガスの吸収スペクトルの模式図、図１（ｃ）は波長制御部の第１調整機構および第２調整機構を説明する図、である。
呼気診断装置は、量子カスケードレーザ７０などを含む半導体発光素子と、波長制御部と、ガスセル（「筐体」に対応）８０と、検出部８７と、信号処理部８８と、を有する。半導体発光素子と、波長制御部と、は、光源部９１と呼ぶことができる。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる呼気診断装置の構成図、図１（ｂ）は複数のガスの吸収スペクトルの模式図、図１（ｃ）は波長制御部の第１調整機構および第２調整機構を説明する図、である。
呼気診断装置は、量子カスケードレーザ７０などを含む半導体発光素子と、波長制御部と、ガスセル（「筐体」に対応）８０と、検出部８７と、信号処理部８８と、を有する。半導体発光素子と、波長制御部と、は、光源部９１と呼ぶことができる。
波長制御部は、赤外線レーザ光などを含む発光光の波長を、ヒトなどの呼気に含まれる複数種類のガスのうちの一種類のガスの吸収スペクトル内にシフトする第１調整機構と、一種類のガスの吸収スペクトル内においてシフトする第２調整機構と、を有する。
第１の実施形態において、第１調整機構は回折格子７１を含む。回折格子７１は、量子カスケードレーザ７０の光軸６２と交差するように設けられ、外部共振器を構成する。図１（ｃ）に表すように、複数のガスを含む呼気ＢＲにおいて、それぞれのガスの吸収スペクトルに応じて赤外線レーザ光の入射角をβ１〜β４などに変化させ、赤外線レーザ光の波長を変化させる（粗調整）。この回折格子７１は、ステッピングモータ９９、およびそれを制御するコントローラ９８により、光軸６２と交差する軸を中心に回転制御される。なお、量子カスケードレーザ７０の回折格子７１の側の端面には、無反射コート膜ＡＲを設けることが好ましい。さらに、無反射コート膜ＡＲとは反対の側に、部分反射(Partial Reflection）コート膜ＰＲ を設けると、回折格子７１との間で外部共振器を構成することができる。
分子の吸収スペクトルは離散的で測定精度を向上するには、吸収ピークに波長を精度よく合わせる必要がある。また、呼気中の主成分である二酸化炭素や水の吸収をさけ、測定対象分子の吸収を測定するには、吸収ピークに波長を精度よく合わせる必要がある。しかし、分子の吸収ピークや光源の波長は測定環境に影響を受けシフトすることがある。そのため、第２調整機構による微調することが好ましい。また、図１（ｃ）に表すように、第２調整機構は、回折格子７１を回転させずに一定とする。波長調整は、量子カスケードレーザ７０の動作電流値ＩＬＤまたはデューティを変化するか、量子カスケードレーザ７０の動作温度をペルチェ素子９０などを用いて変化させるか、外部共振器長をピエゾ素子などにより変化させるか、などにより実現できる。または、第２調整機構は、チラー、ヒーター および冷媒のうちのいずれかまたは併用により、量子カスケードレーザ７０の動作温度を変化させてもよい。冷媒は、たとえば、液体窒素、水、エタノール水、液体ヘリウムのいずれかとすることができる。
図１（ｂ）に表すように、たとえば、アセトン（縦軸に表す吸収量のピークが７．３７μｍ近傍）とメタン（吸収量のピークが７．７μｍ近傍）とのガス濃度を測定するものとする。異なるガスの吸収スペクトルは、たとえば、略０．３μｍなどと大きく離間している。このため、短時間（たとえば、１分など）で複数のガスを測定するには、第１調整機構により、赤外線レーザ光の波長を素早く、かつシフト幅を大きくすることが好ましい。
他方、第２調整機構において、１つのガスの吸収スペクトル内で波長調整をする場合、シフトする幅は第１調整機構における波長範囲よりも狭くてもよい。但し、調整精度を高めることが要求される。すなわち、主として粗調整である第１調整機構と、主として微調整である第２調整機構とを、同一の波長制御機構で実現することは容易ではない。
ガスセル８０は、呼気吸い込み口８１と、呼気排出口８２と、赤外線レーザ光の入射窓８３と、赤外線レーザ光の出射窓８４と、を有する。なお、量子カスケードレーザ７０からのレーザ光は広がり角を有する。このため、量子カスケードレーザ７０と、入射窓８３と、の間に、コリメートする光学系７２を設けるとい。また、出射窓８４と、検出器８７と、の間に、集光光学系８６を設けるとよい。
検出部８７は、赤外線レーザ光の強度を検出する。なお、ガスセル８０の入射窓８３に入射する赤外線レーザ光の入射光強度をＩ０とし、出射窓８４から出射するレーザ光の透過強度をＩとするとき、吸光度Ａは、式（１）で表すことができる。なお、入射光強度Ｉｏは、ガスセル８０内を大気で置換し、赤外線レーザ光を照射して測定することができる。
透過強度Ｉを検出器８７で測定することにより、信号処理部８８が式（１）からガスの分圧Ｐａ（すなわちガス濃度）を算出する。
人間の呼気ＢＲには、主成分として、窒素、酸素、二酸化炭素、水などが含まれる。また、同時に、１０００種類以上の異なる分子がごく微量に含まれ、微量ガスの変化が疾患の指標となる。このため、呼気に含まれる微量ガスＧ１を測定すると、病気の早期発見や予防が可能となる。このように呼気診断装置を用いると、血液検査などを行うよりも、短時間で、かつ容易に診断ができる。
たとえば、アセトンを微量ガスＧ１として検出できると、糖尿病などが発見できる。この場合、７〜８μｍの波長の赤外線を用いてｐｐｍ程度の検出感度が必要である。また、アンモニアを微量ガスとして検出できると、肝炎が発見できる。この場合、１０.３μｍの波長の赤外線を用いて、ｐｐｂ程度の検出感度が必要である。また、エタノールやアセトアルデヒドを微量ガスとして検出できると、飲酒量が測定できる。
図２は、微量ガスを検出するのに必要な赤外線光の波長と、赤外線光の吸収量との関係を表す図である。
量子カスケードレーザの波長を４〜１１μｍとすると、微量ガスの光吸収スペクトルの多くを検出可能である。
量子カスケードレーザの波長を４〜１１μｍとすると、微量ガスの光吸収スペクトルの多くを検出可能である。
図３は、アンモニア、二酸化炭素、および水の波数（波長の逆数）に対する吸収度の依存性を表すグラフ図である。
縦軸は、Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ（吸収量）×１０−３（％）、横軸は波数（波長の逆数）（ｃｍ−１）である。たとえば、１０ｐｐｂのＮＨ３、５％のＣＯ２、５％のＨ２Ｏ混合ガスなどは、量子カスケードレーザの狭いスペクトルでアンモニアの吸収波長に光源を微調することで、アンモニアのみの光吸収を求めることが可能である。
縦軸は、Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ（吸収量）×１０−３（％）、横軸は波数（波長の逆数）（ｃｍ−１）である。たとえば、１０ｐｐｂのＮＨ３、５％のＣＯ２、５％のＨ２Ｏ混合ガスなどは、量子カスケードレーザの狭いスペクトルでアンモニアの吸収波長に光源を微調することで、アンモニアのみの光吸収を求めることが可能である。
図４は、呼気測定のフロー図である。
まず、呼気診断装置のスイッチをオンする。このとき、量子カスケードレーザ７０もオンとすることができる。次に、ガスセル８０内を排気し、たとえば、大気で置換する（Ｓ１００）。
まず、呼気診断装置のスイッチをオンする。このとき、量子カスケードレーザ７０もオンとすることができる。次に、ガスセル８０内を排気し、たとえば、大気で置換する（Ｓ１００）。
続いて、第１調整機構により、量子カスケードレーザ７０の波長を、第１のガスの吸収スペクトル内に粗調整する（Ｓ１０２）。
続いて、第２調整機構により、量子カスケードレーザ７０の波長を、第１のガスの吸収スペクトルの吸収ピーク値近傍に微調整する。検出器８７は、大気を透過した赤外線レーザ光の透過強度（入射窓８３に入射する入射光強度Ｉｏに等しい）を測定し、基準信号値とする（Ｓ１０４）。
続いて、次に測定するガスがあるかを判別する。もしＹＥＳであれば、ステップＳ１０２に戻り第２のガスの基準信号値を測定する。ＮＯであれば、基準信号値の測定を終了する（Ｓ１０６）。
続いて、呼気を吹き込む（Ｓ１０８）。
続いて、第１調整機構により、量子カスケードレーザ７０の波長を、被測定ガス吸収スペクトル内に粗調整する（Ｓ１１０）。
続いて、第２調整機構により、量子カスケードレーザ７０の波長を、第１のガスの吸収スペクトルの吸収ピーク値近傍に微調整する。検出器８７は、ガスセル８０内の呼気を透過した赤外線レーザ光の透過強度Ｉを測定し、被測定ガス信号値とする（Ｓ１１２）。
続いて、次に測定するガスがあるかを判別する、もしＹＥＳであれば、ステップ１１０に戻る。ＮＯであれば、被測定ガス信号値の測定を終了する（Ｓ１１４）。
図５は、被測定ガスの吸収スペクトルの一例を表すグラフ図である。
縦軸は相対吸収量、横軸は波長（μｍ）、である。第１のガスはアセトン、第２のガスはメタン、とする。アセトンの吸収ピークは、波長が７．３５μｍ近傍にある。また、メタンの吸収ピークは、波長が７．６３μｍ近傍にある。したがって、呼気のようにアセトンとメタンが含まれる場合、両方が加算された吸収スペクトルとなる。
縦軸は相対吸収量、横軸は波長（μｍ）、である。第１のガスはアセトン、第２のガスはメタン、とする。アセトンの吸収ピークは、波長が７．３５μｍ近傍にある。また、メタンの吸収ピークは、波長が７．６３μｍ近傍にある。したがって、呼気のようにアセトンとメタンが含まれる場合、両方が加算された吸収スペクトルとなる。
たとえば、第２調整機構により７．３５μｍ近傍に微調整して測定したアセトンガス信号値とアセトン基準信号値とを用いて、式（１）によりアセトンガス吸光度Ａを算出できる（Ｓ１１６））。また、第２調整機構により、７．６３μｍ近傍に微調整して測定したメタンガス信号値とメタンガス基準信号値とを用いて、式（１）によりメタンガス吸光度Ａを算出できる（Ｓ１１６）。吸光度Ａとガス分圧Ｐ（すなわちガス濃度）とが比例関係にあることを用いて、ガス濃度を算出する。最後に、ガスセル８０内の大気で置換し（Ｓ１１８）、呼気測定を終了する。
アセトンとメタンのように、吸収ピーク波長が０．２８μｍと離間していても、第１調整機構により素早く波長をシフトし次の測定を行うことができる。このため、複数の被測定ガスを短時間で測定できる。また、第２調整機構により吸収ピーク値近傍で波長の微調整ができるので、測定精度を高めることができる。
図６は、呼気測定の第１変形例にかかるフロー図である。
変形例では、図４のフロー図とは測定順序を変えて、最初にガスセル８０内に呼気を吹き込み（Ｓ２００）、ガス信号値を測定した（Ｓ２０４）のち、大気で置換し（Ｓ２０８）、基準信号値を測定しても（Ｓ２１２）よい。
変形例では、図４のフロー図とは測定順序を変えて、最初にガスセル８０内に呼気を吹き込み（Ｓ２００）、ガス信号値を測定した（Ｓ２０４）のち、大気で置換し（Ｓ２０８）、基準信号値を測定しても（Ｓ２１２）よい。
図７は、呼気測定の第２変形例にかかるフロー図である。
まず、呼気診断装置のスイッチをオンする。次に、ガスセル８０内を排気し、たとえば、大気で置換する（Ｓ３００）。
まず、呼気診断装置のスイッチをオンする。次に、ガスセル８０内を排気し、たとえば、大気で置換する（Ｓ３００）。
続いて、第１調整機構により、量子カスケードレーザ７０の波長を、第１のガスの吸収スペクトル内に粗調整する（Ｓ３０２）。
続いて、第２調整機構により、量子カスケードレーザ７０の波長を、第１のガスの吸収スペクトルの吸収ピーク値近傍に微調整したのち固定する。検出器８７は、大気を透過した赤外線レーザ光の透過強度（入射光強度Ｉｏに等しい）を測定し、基準信号値とする（Ｓ３０４）。
続いて、呼気を吹き込み（Ｓ３０６）、第１のガスの信号値を測定する（Ｓ３０８）。
続いて、第１調整機構により、量子カスケードレーザ７０の波長を、第２のガスの吸収スペクトル内に粗調整する（Ｓ３１０）。
続いて、第２調整機構により、量子カスケードレーザ７０の波長を、第２のガスの吸収スペクトルの吸収ピーク値を含む範囲でスキャンする。ピーク領域で第２のガスの信号値を測定し、ベース領域で基準信号値を測定する（Ｓ３１２）。
第２変形例は、第１のガスをアセトンなどとし、第２のガスがアセトンの吸収スペクトルよりも幅が狭いメタンなどとする場合に有効である。すなわち、吸収スペクトルが狭いメタンなどでは、吸収ピークを含む波長範囲をスキャンすることにより、基準信号値とガス信号値とをステップＳ３１２内で測定でき、測定フローを簡素化できる。
図８（ａ）は第１調整機構の第１変形例、図８（ｂ）はその第２変形例、図８（ｃ）はその第３変形例である。
図８（ａ）において、第１調整機構は、反射ミラー９２と、反射ミラー９２と量子カスケードレーザ７０との間に設けられ、回転により赤外線レーザ光の透過率を変化し、複数のガスのうちのそれぞれのガスの吸収スペクトルに応じて赤外線レーザ光の波長を変化するエタロン９３を有している。
図８（ａ）において、第１調整機構は、反射ミラー９２と、反射ミラー９２と量子カスケードレーザ７０との間に設けられ、回転により赤外線レーザ光の透過率を変化し、複数のガスのうちのそれぞれのガスの吸収スペクトルに応じて赤外線レーザ光の波長を変化するエタロン９３を有している。
また、図８（ｂ）において、第１調整機構は、反射ミラー９２と、反射ミラー９２と量子カスケードレーザ７０との間に設けられ、回転または並進移動により赤外線レーザ光の入射角を変化し、複数のガスのうちのそれぞれのガスの吸収スペクトルに応じて赤外線レーザ光の波長を変化するプリズム９４を有している。また、図８（ａ）、（ｂ）において、反射ミラー９２と、量子カスケードレーザ７０との距離を変化するための、ピエゾ素子やステッピングモータをさらに有していてもよい。
さらに、図８（ｃ）に表すように、第１調整機構は、反射ミラー９２と量子カスケードレーザ７０との間に設けられ、帯域の異なる複数のバンドパスフィルタ９５を有してもよい。Ｂ−Ｂ線に沿って、バンドパスフィルタ９５をみたとき、バンドパスフィルタ９５は光軸６２の周りを回転し、複数のバンドパスフィルタ６５のうちから１つを選択することができる。
図９（ａ）は第２の実施形態にかかる呼気診断装置の構成図、図９（ｂ）は第３の実施形態にかかる呼気診断装置の構成図、である。
図９（ａ）に表すように、ガスセルは中空ファイバ９６とすることができる。また、ガスセルに排気用のポンプ９７を設けることができる。また、図９（ｂ）に表すように、ガスセル８０の内部に、赤外線レーザ光を多重反射するミラー８５を設けると、マルチパスとなり感度を高めることができる。
図９（ａ）に表すように、ガスセルは中空ファイバ９６とすることができる。また、ガスセルに排気用のポンプ９７を設けることができる。また、図９（ｂ）に表すように、ガスセル８０の内部に、赤外線レーザ光を多重反射するミラー８５を設けると、マルチパスとなり感度を高めることができる。
図１０（ａ）は量子カスケードレーザを部分切断した模式斜視図、図１０（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
量子カスケードレーザは、基板１０と、基板１０の上に設けられた積層体２０と、誘電体層４０と、を少なくとも有する。図１（ａ）では、第１電極５０と、第２電極５２と、絶縁膜４２と、をさらに有している。
量子カスケードレーザは、基板１０と、基板１０の上に設けられた積層体２０と、誘電体層４０と、を少なくとも有する。図１（ａ）では、第１電極５０と、第２電極５２と、絶縁膜４２と、をさらに有している。
積層体２０は、第１クラッド層２２と、第１ガイド層２３と、活性層２４と、第２ガイド層２５と、第２クラッド層２８と、を有している。第１クラッド層２２の屈折率と、第２クラッド層２８の屈折率と、は、第１ガイド層２３、活性層２４、および第２ガイド層２５、の屈折率のいずれよりもそれぞれ低くし、活性層２４の積層方向に赤外線レーザ光６０を適正に閉じ込めるようにする。なお、第１ガイド層２３と第１クラッド層２２とを合わせて、クラッド層と呼ぶことができる。また、第２ガイド層２５と第２クラッド層２８とを合わせて、クラッド層と呼ぶことができる。
また、積層体２０は、ストライプの形状を有しており、リッジ導波路ＲＧと呼ぶことができる。リッジ導波路ＲＧの２つの端面をミラー面とすると、誘導放出された光は、赤外線レーザ光６０として、光出射面から放出される。この場合、光軸６２は、ミラー面を共振面とする光共振器の断面の中心を結ぶ線と定義する。すなわち、光軸６２は、リッジ導波路ＲＧの延在する方向と一致する。
光軸６２に対して垂直な断面において、活性層２４の第１の面２４ａ、第２の面２４ｂ、に平行な方向の幅ＷＡが広すぎると、水平横方向に高次モードを生じ、高出力とすることが困難となる。活性層２４の幅ＷＡは、例えば５〜２０μｍなどとすると、水平横方向モードの制御が容易となる。誘電体層４０の屈折率が活性層２４を構成するいずれの層の屈折率よりも低いものとすると、積層体２０の側面２０ａ、２０ｂを挟むように設けられた誘電体層４０により、光軸６２に沿ってリッジ導波路ＲＧを構成することができる。
図１１（ａ）は第４の実施形態にかかる呼気診断装置の構成図、図１１（ｂ）は外部共振器近傍の模式図、図１１（ｃ）は部分反射コート膜の反射率に対する相対出力電力の依存性を説明するグラフ図、である。
第１調整機構は、光軸６２に対して所定の入射角γで交差し、ＸＹ面内で１次元または２次元的に並進移動可能な回折格子７１ａとする。回折格子７１ａは、ステッピングモータ９９、およびそれを制御するコントローラ９８により、並進運動が可能である。回折格子７１ａと、量子カスケードレーザ７０の部分反射コート膜ＰＲ（反射率：Ｒ２）と、は、外部共振器（ＥＣ）を構成する。部分反射コート膜ＰＲから放出された赤外線レーザ光は、光軸６２に沿ってガスセル８０に入射する。
第１調整機構は、光軸６２に対して所定の入射角γで交差し、ＸＹ面内で１次元または２次元的に並進移動可能な回折格子７１ａとする。回折格子７１ａは、ステッピングモータ９９、およびそれを制御するコントローラ９８により、並進運動が可能である。回折格子７１ａと、量子カスケードレーザ７０の部分反射コート膜ＰＲ（反射率：Ｒ２）と、は、外部共振器（ＥＣ）を構成する。部分反射コート膜ＰＲから放出された赤外線レーザ光は、光軸６２に沿ってガスセル８０に入射する。
図１２（ａ）および（ｂ）は、回折格子の模式平面図、である。
図１２（ａ）において、回折格子７１ａは、Ｘ方向に沿って異なるピッチを有する複数の領域を有する。共振波長は、領域Ｂ＞領域Ａ＞領域Ｃであり、Ｘ方向に移動することにより、波長を粗調整できる。また、図１２（ｂ）において、共振波長は、領域Ｅ＞領域Ｆ＞領域Ｈ＞領域Ｄであり、たとえば、破線の方向ＳＤに沿って移動することにより、波長を粗調整できる。なお、回折格子７１ａの断面形状は、非対称であってもよい。
図１２（ａ）において、回折格子７１ａは、Ｘ方向に沿って異なるピッチを有する複数の領域を有する。共振波長は、領域Ｂ＞領域Ａ＞領域Ｃであり、Ｘ方向に移動することにより、波長を粗調整できる。また、図１２（ｂ）において、共振波長は、領域Ｅ＞領域Ｆ＞領域Ｈ＞領域Ｄであり、たとえば、破線の方向ＳＤに沿って移動することにより、波長を粗調整できる。なお、回折格子７１ａの断面形状は、非対称であってもよい。
部分反射コート膜ＰＲの反射率Ｒ２が高いほど、共振器内の光の往復回数が増えるため、波長制御性が高まりかつ安定する。
他方、図１１（ｃ）に表すように、光出力Ｐｏｕｔは、反射率Ｒ２がゼロと１００％との間の反射率Ｒｐで最大となり、Ｒｐ≦Ｒ＜１００％の間で反射率Ｒ２の増加とともに低下する。すなわち、反射率Ｒ２を、たとえば、Ｒｐ以上、かつ光出力が３ｄＢ低下する反射率Ｒ−３ｄＢ以下などとすると、線幅を安定に保ちつつ光出力を維持できるのでより好ましい。
図１３は、量子カスケードレーザの作用を説明するバンド図である。
活性層２４は、第１領域２５と、第２領域２６と、が交互に積層されたカスケード構造を有する。第１領域２５は、量子井戸層７２のサブバンド間光学遷移により、例えば３μｍ以上、１８μｍ以下の波長の赤外線レーザ光６０を放出可能である。また、第２領域２６は、第１領域２５から注入されたキャリア（例えば電子）Ｅのエネルギーを緩和可能である。
活性層２４は、第１領域２５と、第２領域２６と、が交互に積層されたカスケード構造を有する。第１領域２５は、量子井戸層７２のサブバンド間光学遷移により、例えば３μｍ以上、１８μｍ以下の波長の赤外線レーザ光６０を放出可能である。また、第２領域２６は、第１領域２５から注入されたキャリア（例えば電子）Ｅのエネルギーを緩和可能である。
量子井戸層７２において、井戸幅ＷＴを、例えば数ｎｍ以下のように狭くしていくとエネルギー準位が離散して、サブバンド７２ａ（高準位Ｌｕ）、サブバンド７２ｂ（低準位Ｌｌ）、などを生じる。注入障壁層７３から注入された電子Ｅは、量子井戸層７２に効果的に閉じ込めることができる。高準位Ｌｕから低準位Ｌｌへキャリアが遷移する場合、エネルギー差（Ｌｕ−Ｌｌ）に対応した光（ｈn）を放出する（光学遷移）。なお、量子井戸層７２は、波動関数が重なり合う複数の井戸を有し、共通の準位ＬｕおよびＬｌを有していてもよい。
サブバンド間遷移は、伝導帯および価電子帯のいずれかにおいて生じる。すなわち、ｐｎ接合によるホールと電子との再結合が必要ではなく、いずれかのキャリアのみの光学遷移により発光する。本図の場合、積層体２０は、第１電極５０と、第２電極５２と、の間に印加された電圧により、注入障壁層７３を介して電子Ｅを量子井戸層７２へ注入し、サブバンド間遷移を生じる。
第２領域２６は、複数のサブバンド（ミニバンドともいう）を有している。サブバンドにおけるエネルギー差は小さく連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。この結果、電子のエネルギーが緩和されるので、第２領域２６では、３〜１８μｍの波長の赤外線レーザ光を生じない。第１領域２５の低準位Ｌｌの電子は、抽出障壁層７４を通過して、第２領域２６へ注入され、緩和されて、カスケード接続された次段の第１領域２５へ注入され（電子Ｅ）次の光学遷移を生じる。すなわち、カスケード構造では、電子Ｅが単位構造２７内で光学遷移をそれぞれ行うので、活性層２４の全体において高い光出力を取り出すことが容易となる。
量子井戸層７２はＧａＡｓを含み、障壁層はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）を含むものとすることができる。この場合、基板１０をＧａＡｓとすると、量子井戸層および障壁層との格子整合が良好にできる。第１クラッド層２２および第２クラッド層２８は、Ｓｉドープにより、例えば６×１０１８ｃｍ−３のｎ形不純物濃度を有し、例えば１μｍの厚さとすることができる。また、第１ガイド層２３および第２ガイド層２５は、Ｓｉドープにより、例えば４×１０１６ｃｍ−３のｎ形不純物濃度を有し、３．５μｍの厚さとすることができる。また、活性層２４の幅ＷＡは１４μｍ、リッジ導波路ＲＧの長さＬは、３ｍｍなどとすることができる。量子カスケードレーザは、たとえば、１０Ｖ以下の動作電圧で動作可能であり、消費電流も炭酸ガスレーザ装置などに比べて低く、低消費電力とできる。
第１〜第４の実施形態によれば、３〜１２μｍの波長範囲を有する赤外線レーザ光を用いて呼気に含まれる複数のガスの濃度を測定できる。これらの呼気診断装置は、人間の呼気ＢＲのような、主成分として、窒素、酸素、二酸化炭素、水などが含まれ、温度変化等、分子の吸収ピークや光源の波長のシフトの生じうる測定雰囲気である場合であっても、測定対象分子の吸収ピークに赤外線レーザの波長を精度よく合わせることができる。また、炭酸ガスレーザ装置やラマンレーザ装置などを赤外線レーザ光の光源とする装置よりも小型化でき、かつ低消費電力にできる。また、量子カスケードレーザの波長を、第１調整機構で粗調整し、その後第２調整機構で微調整することにより、複数のガスの濃度を、迅速かつ精度よく算出することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
６２ 光軸、７０ 量子カスケードレーザ、７１、７１ａ 回折格子、８０ ガスセル（筐体）、８１ 呼気吸い込み口、８２ 呼気排出口、８３ 入射窓、８４ 出射窓、８５ 多重反射ミラー、８７ 検出部、８８ 信号処理部、９０ ペルチェ素子、９１ 光源部、９２ 反射ミラー、９３ エタロン、９４ プリズム、９５ バンドパスフィルタ、γ 所定の入射角
Claims (13)
- 呼気に含まれる複数種類のガスの濃度を測定可能な呼気診断装置であって、
複数の量子井戸のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により発光光を放射する半導体発光素子と、
前記発光光の波長を前記複数種類のガスのうちの一種類のガスの吸収スペクトル内にシフトする第１調整機構、および前記発光光の波長を一種類のガスの吸収スペクトル内においてシフトする第２調整機構を有する波長制御部と、
呼気吸い込み口と、呼気排出口と、前記発光光の入射窓と、前記発光光の出射窓と、を有する筐体と、
前記発光光の強度を検出する検出部と、
前記出射窓から放出された前記発光光の前記強度の測定値から、前記複数種類のガスの濃度を算出する信号処理部と、
を備えた呼気診断装置。 - 前記前記第１調整機構は、反射ミラーと、前記半導体発光素子と前記反射ミラーとの間に設けられ、回転により前記発光光の透過率を変化させそれぞれのガスの種類に特有の吸収スペクトルに応じて前記発光光の波長を変化させるエタロンならびに回転または並進移動により前記発光光の入射角を変化しそれぞれのガスの種類に特有の吸収スペクトルに応じて前記発光光の波長を変化させるプリズムもしくは回折格子のうちのいずれかと、を有する請求項１記載の呼気診断装置。
- 前記反射ミラーと前記半導体発光素子との距離が変化する請求項２記載の呼気診断装置。
- ピエゾ素子を有する請求項３記載の呼気診断装置。
- ステッピングモータを有する請求項３または４に記載の呼気診断装置。
- 前記第１調整機構は、反射ミラーと、前記半導体発光素子と前記反射ミラーとの間に設けられ、帯域の異なる複数のバンドパスフィルタと、を有する請求項１記載の呼気診断装置。
- 前記第１調整機構は、回折格子を含み、
前記回折格子は、ピッチの異なる複数の領域を有し、前記発光光の光軸と所定の入射角を保ちつつ前記複数の領域を移動可能な請求項１記載の呼気診断装置。 - 前記回折格子は、一次元または２次元的に移動可能な請求項７記載の呼気診断装置。
- 前記第２調整機構は、半導体発光素子の動作電流値またはデューティを変化させる請求項１〜８いずれか１つに記載の呼気診断装置。
- 前記第２調整機構は、前記半導体発光素子の動作温度を変化させるペルチェ素子を有する請求項１〜８のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
- 前記第２調整機構は、チラー、ヒーター、および冷媒のいずれかまたは併用により前記半導体発光素子の動作温度を変化させる請求項１〜８のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
- 前記冷媒は、液体窒素、水、エタノール水、液体ヘリウムのうちのいずれかである請求項１１記載の呼気診断装置。
- 前記筐体は、前記入射窓に入射した前記発光光を多重反射したのち前記出射窓から放出する多重反射ミラーをさらに有する請求項１〜１２のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
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