JP2017135314A - 波長可変光源及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広い波長範囲及び高い波長制御性を維持しながら、スキャンレートを高めることができる波長可変光源及びその駆動方法を提供する。
【解決手段】波長可変光源１０は、パルス光Ｌ１を出射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１と共に外部共振器Ｅを構成し、回折光Ｌ２を半導体レーザ１に帰還させる回折格子４と、回折格子４を回転駆動して入射角θを変化させる回転駆動部５と、を備えている。回転駆動部５は、回転シャフト５３を含み、ステップ動作型である第一アクチュエータ５１と、支持部５５と、回折格子４が設けられた可動部５６と、可動部５６を支持部５５に回転可能に連結する連結部５７と、を含む第二アクチュエータ５２と、を有している。第二アクチュエータ５２は、可動部５６の回転軸Ｒ２が回転シャフト５３の中心軸Ｒ１と一致するように回転シャフト５３に取り付けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、波長可変光源及びその駆動方法に関する。

吸光分析等に用いられる光源として、回折格子を回転させることにより、波長の選択を行う外部共振器型の波長可変光源が知られている。回折格子の回転には、ステップ動作型アクチュエータ（例えば、特許文献１参照）、または、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）アクチュエータ（例えば、特許文献２参照）が用いられている。ステップ動作型アクチュエータは、可動範囲が広く、任意の角度で精度よく静止することができる。一方、ＭＥＭＳアクチュエータは、スキャンレートが高く、吸光分析等に用いた場合、積算及び平均化により短時間でＳ／Ｎを向上させることができる。

米国特許明細書７４６６７３４号 米国特許明細書８７８０３４７号

ステップ動作型アクチュエータは、スキャンレートが低いため、吸光分析等に用いた場合、ＭＥＭＳアクチュエータのように短時間でＳ／Ｎを向上させることができない。一方、ＭＥＭＳアクチュエータは、可動範囲が狭く、任意の角度で精度よく回折格子を静止させることができないため、ステップ動作型アクチュエータのように広い波長範囲及び高い波長制御性を実現することができない。

本発明は、広い波長範囲及び高い波長制御性を維持しながら、スキャンレートを高めることができる波長可変光源及びその駆動方法を提供することを目的とする。

本発明に係る波長可変光源は、パルス光を出射する半導体レーザと、半導体レーザと共に外部共振器を構成する回折格子であって、半導体レーザから出射されたパルス光が入射し、パルス光のうち入射角に応じた波長の光を半導体レーザに帰還させる回折格子と、回折格子を回転駆動して入射角を変化させる回転駆動部と、を備え、回転駆動部は、回転シャフトを含み、ステップ動作型である第一アクチュエータと、支持部と、回折格子が設けられた可動部と、可動部を支持部に回転可能に連結する連結部と、を含む第二アクチュエータと、を有し、第二アクチュエータは、可動部の回転軸が回転シャフトの中心軸と一致するように回転シャフトに取り付けられている。

この波長可変光源では、外部共振器を構成する回折格子を回転駆動する回転駆動部が、ステップ動作型である第一アクチュエータに加え、第二アクチュエータを有している。第二アクチュエータは、連結部により支持部に回転可能に連結され、かつ、回折格子が設けられた可動部を含んでいる。このため、第一アクチュエータにより広い波長範囲及び高い波長制御性を維持しながら、第二アクチュエータによりスキャンレートを高めることができる。また、可動部の回転軸が回転シャフトの中心軸と一致しているので、外部共振器の長さが一定に保たれる。これにより、波長の再現性及び安定性が保たれる。

本発明に係る波長可変光源の駆動方法は、上述の波長可変光源の駆動方法であって、第一アクチュエータを駆動するステップと、第一アクチュエータを停止させた状態で、第二アクチュエータを駆動するステップと、を含む。

この波長可変光源の駆動方法では、たとえば、吸光分析に適用した際、第一アクチュエータにより広い波長範囲で粗動スキャンを行った後、より詳細に分析すべき波長範囲を絞り込み、絞り込んだ範囲を第二アクチュエータにより高速で微動スキャンすることができる。これにより、分析可能な波長範囲を広く維持しながら、任意の波長範囲における分析の精度を高めることができる。

本発明に係る波長可変光源の駆動方法は、上述の波長可変光源の駆動方法であって、第一アクチュエータとして、ステッピングモータを用い、入射角が１ステップで第一角度ずつ変化するように第一アクチュエータを第一周波数で駆動すると共に、入射角が第二角度を最大振幅として増減するように第二アクチュエータを第二周波数で駆動し、第一周波数と第二周波数とは互いに等しく、第一角度をΔθとすると、第二角度はΔθ／８である。

この波長可変光源の駆動方法では、第一アクチュエータを用いた場合に生じる回折格子の角速度のムラを、第二アクチュエータにより打ち消すことができる。これにより、波長可変光源から出射される光の波長の変化速度を一定とすることができる。

本発明に係る波長可変光源の駆動方法は、上述の波長可変光源の駆動方法であって、第一アクチュエータとして、超音波モータを用い、入射角が１ステップで第一角度ずつ変化するように第一アクチュエータを第一周波数で駆動すると共に、入射角が第二角度を最大振幅として増減するように第二アクチュエータを第二周波数で駆動し、第一周波数をｆとすると、第二周波数は２ｆであり、第一角度をΔθとすると、第二角度はΔθ／１６である。

この波長可変光源の駆動方法では、第一アクチュエータを用いた場合に生じる回折格子の角速度のムラを、第二アクチュエータにより打ち消すことができる。これにより、波長可変光源から出射される光の波長の変化速度を一定とすることができる。

本発明によれば、広い波長範囲及び高い波長制御性を維持しながら、スキャンレートを高めることができる。

本実施形態に係る波長可変光源を用いた吸光分析装置の構成図である。 本実施形態に係る波長可変光源の構成図である。 第二アクチュエータの構成図である。 粗動スキャンにより得られたメタンの吸光度のグラフである。 メタンの規格化吸光度のグラフである。 微動スキャンにより得られたメタンの吸光度のグラフである。 第一アクチュエータのみを駆動した場合のタイミングチャートである。 波長可変光源の別の駆動方法における回転量の時間波形である。 超音波モータの場合のタイミングチャートである。 超音波モータの場合の別の駆動方法における回転量の時間波形である。 回転軸がオフセットしている場合について説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る波長可変光源を用いた吸光分析装置の構成図である。図１に示されるように、吸光分析装置１００は、ガスの成分を分析する装置であって、波長可変光源１０と、回転制御部１２と、ガスセル１６と、レンズ１８と、ディテクタ２０と、ロックインアンプ２２と、オシロスコープ２４と、を備えている。

図２は、本実施形態に係る波長可変光源の構成図である。図１及び図２に示されるように、波長可変光源１０は、半導体レーザ１と、レーザ駆動部２と、レンズ３と、回折格子４と、回転駆動部５と、レンズ７と、筐体８と、を備えている。なお、筐体８は図２では省略されている。

半導体レーザ１は、互いに対向する第一端１ａ及び第二端１ｂを有している。本実施形態では、半導体レーザ１は、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）である。量子カスケードレーザは、中心波長が互いに異なる複数の活性層をスタック状に積層した構造を有することで、中赤外領域の広帯域の光を出射することができる。半導体レーザ１は、レーザ駆動部２から駆動電流信号Ｓ０が入力（印加）されることによりパルス光Ｌ１を発生（点灯）させ、第一端１ａからパルス光Ｌ１を出射する。なお、半導体レーザ１は、量子カスケードレーザに限られない。

第一端１ａは反射低減膜（不図示）を含んでいる。これにより、第一端１ａから外部へ光が出射する際の反射率がたとえば５％以下に低減され、また、外部から第一端１ａへ光が入射する際の反射率がたとえば５％以下に低減される。第二端１ｂは、発振に適した端面反射率を得るための反射制御膜（不図示）を含んでいる。これにより、第二端１ｂから外部へ光が出射する際の反射率が５０％〜９０％とされる。

レーザ駆動部２は、半導体レーザ１を駆動する。レーザ駆動部２は、駆動電流信号Ｓ０を半導体レーザ１に出力するレーザ駆動用電源である。レーザ駆動部２は、他の装置（不図示）から入力した信号を外部トリガをとし、駆動電流信号Ｓ０を出力してもよい。駆動電流信号Ｓ０は、たとえばパルス信号であって、駆動電流信号Ｓ０のデューティー比は、たとえば１％〜１０％である。

レンズ３は、第一端１ａから出射されるパルス光Ｌ１をコリメートする。レンズ３は、発振波長において透明な材料（たとえばＺｎＳｅ）からなる。レンズ３は、球面収差低減のために非球面レンズであってもよい。レンズ３は、発振波長において反射率をたとえば５％以下に低減する反射低減膜が両面に設けられていてもよい。

回折格子４は、たとえば、格子の断面が鋸歯形状であるブレーズド回折格子である。回折格子４には、第一端１ａから出射され、レンズ３によりコリメートされたパルス光Ｌ１が入射する。回折格子４の格子面には、高反射率の反射膜４ａが設けられている。これにより、回折格子４は、入射したパルス光Ｌ１のうち、入射角θに応じた波長λの光を入射方向と逆方向に回折させて、回折光Ｌ２として第一端１ａに帰還させる。入射角θは、パルス光Ｌ１の光軸Ａと格子面の法線とがなす角度である。

回折格子４の格子周期（刻み間隔）ｄを決定すれば、下記（１）式によって、帰還させるべき波長λに対する入射角θが一意に決まる。リトロー配置であるから、回折次数ｍは１とする。入射角と回折角とは等しい。
ｍλ＝２ｄ・sinθ …（１）

回折格子４と、半導体レーザ１の特に第二端１ｂとは、リトロー型の外部共振器（ＥＣ：ExternalCavity）Ｅを構成している。すなわち、半導体レーザ１は、外部共振型量子カスケードレーザ（ＥＣ−ＱＣＬ）であり、広い波長可変幅を実現し、複数物質（特に有機物質）の吸光分析を行うことができる。回折格子４と第二端１ｂとは、回折光Ｌ２を多重反射させて増幅する。回折格子４と第二端１ｂとは、これにより得られたパルス状のレーザ光Ｌ３を第二端１ｂから出射する。

回転駆動部５は、ステップ動作型である第一アクチュエータ５１と、ＭＥＭＳアクチュエータである第二アクチュエータ５２と、を有するハイブリッドアクチュエータである。回転駆動部５は、回転制御部１２から制御信号Ｓ１，Ｓ２を入力し、入力した制御信号Ｓ１，Ｓ２に基づき、回折格子４を回転駆動して入射角θを変化させる。回転駆動部５による回折格子４の回転角は、パルス光Ｌ１の光軸Ａと格子面の法線とがなす角度であって、入射角θに等しい。

第一アクチュエータ５１は、回転シャフト５３（図３参照）を含んでいる。回転シャフト５３には、第二アクチュエータ５２が取り付けられている。第一アクチュエータ５１は、たとえば超音波モータ及びステッピングモータである。本実施形態では、第一アクチュエータ５１はステッピングモータである。

図３は、格子面の法線方向から見た第二アクチュエータの構成図である。図３に示されるように、第二アクチュエータ５２は、支持部５５と、可動部５６と、一対の連結部５７と、を含んでいる。支持部５５は、外側輪郭が矩形状を呈する枠体である。可動部５６は、外側輪郭が矩形状を呈する平板であり、支持部５５の内側に支持部５５から離間して配置されている。可動部５６には、回折格子４が設けられている。

一対の連結部５７は、可動部５６を支持部５５に回転可能に連結している。本実施形態では、支持部５５、可動部５６、及び一対の連結部５７は、一体に形成されており、たとえばＳｉからなっている。第二アクチュエータ５２は、可動部５６の回転軸Ｒ２が回転シャフト５３の中心軸Ｒ１と一致するように回転シャフト５３に取り付けられている。

第二アクチュエータ５２は、制御信号Ｓ２に基づき、一対の連結部５７の中心軸を回転軸Ｒ２として、所定の振り角（最大で±１５°程度）及び所定の周波数（たとえば１ｋＨｚ）で可動部５６を回転させることにより、回折格子４（図２参照）を回転駆動する。すなわち、第二アクチュエータ５２は、所定の振り角を最大振幅として入射角θを所定の周波数で増減させる。第二アクチュエータ５２の駆動方式は、電磁方式、静電方式及び圧電方式等である。

図１〜図３に示されるように、第一アクチュエータ５１は、移動命令信号である制御信号Ｓ１に基づき動作し、回転シャフト５３に取り付けられた第二アクチュエータ５２を回転駆動する。第二アクチュエータ５２には回折格子４が設けられているため、第一アクチュエータ５１は、回折格子４を第二アクチュエータ５２ごと回転駆動する。第一アクチュエータ５１は、ステップ動作型であるため、最小移動ステップ（最小回転量）が離散的となる。第一アクチュエータ５１の最小移動ステップは、たとえば０．００２５°である。第一アクチュエータ５１の回転速度は、０．５ｒｐｍ〜数ｒｐｍ程度であり、スキャンレート（１秒間あたりの波長スキャン回数）は最大で１０Ｈｚ程度である。

レンズ７は、第二端１ｂから出射されるレーザ光Ｌ３をコリメートする。レンズ７は、発振波長において透明な材料（たとえばＺｎＳｅ）からなる。レンズ７は、球面収差低減のために非球面レンズであってもよい。レンズ７は、発振波長において反射率をたとえば５％以下に低減する反射低減膜が両面に設けられていてもよい。

筐体８は、半導体レーザ１と、レンズ３と、回折格子４と、回転駆動部５と、レンズ７とを内部に収容する。筐体８は、窓８ａを有している。窓８ａからは、第二端１ｂから出射されレンズ７によりコリメートされたレーザ光Ｌ３が外部へ出射される。窓８ａは、発振波長において透明な材料（たとえばＺｎＳｅ）からなり、発振波長において反射率をたとえば５％以下に低減する反射低減膜が両面に設けられていてもよい。

回転制御部１２は、制御信号Ｓ１，Ｓ２を回転駆動部５に出力して、回転駆動部５の回転を制御する。具体的には、回転制御部１２は、制御信号Ｓ１を第一アクチュエータ５１に出力し、制御信号Ｓ２を第二アクチュエータ５２に出力する。

ガスセル１６は、筒状の容器であり、気体の流入口１６ａ及び流出口１６ｂを有している。ガスセル１６は、ガス分析の対象となる気体がガスセル１６の軸方向に沿って内部を流れるように構成されている。ガスセル１６は、レーザ光Ｌ３をガスセル１６内に入射させる第一窓１６ｃを軸方向の一端に有し、気体を通過したレーザ光Ｌ４をガスセル１６外に出射させる第二窓１６ｄを軸方向の他端に有している。

レンズ１８は、レーザ光Ｌ４を集光し、集光された光をディテクタ２０に受光させる。ディテクタ２０は、レンズ１８により集光された光を受光し、受光した光の強度を電気信号Ｓ３に変換する。ディテクタ２０は、たとえばフォトダイオードである。ディテクタ２０は、電気信号Ｓ３をロックインアンプに出力する。

ロックインアンプ２２は、ディテクタ２０から電気信号Ｓ３を入力すると共に、レーザ駆動部２から駆動電流信号Ｓ０を参照信号として入力する。ロックインアンプ２２は、駆動電流信号Ｓ０に基づいて、電気信号Ｓ３から不要なノイズを取り除き、光出力（強度）を示す信号として電気信号Ｓ４をオシロスコープ２４に出力する。

オシロスコープ２４は、ロックインアンプ２２から電気信号Ｓ４を入力し、電気信号Ｓ４に基づき、たとえばガス吸収線を分析結果として出力する。ガス吸収線は、横軸を時間（波長）、縦軸を光出力としたグラフである。

続いて、吸光分析装置１００の駆動方法、具体的には波長可変光源１０の駆動方法について説明する。まず、制御信号Ｓ１，Ｓ２を回転制御部１２から出力し、回転駆動部５に入力する。これにより回転駆動部５を駆動する。この結果、回折格子４が回転駆動部５により回転駆動されて入射角θが変化する。

このとき、まず、第二アクチュエータ５２を停止させた状態で、入射角θが連続的に変化するように第一アクチュエータ５１を駆動する（粗動スキャン）。続いて、入射角θが所定角度αとなるように第一アクチュエータ５１を駆動する。次に、第一アクチュエータ５１を停止させた状態で、入射角θが所定角度αを中心として増減するように第二アクチュエータ５２を駆動する（微動スキャン）。すなわち、この駆動方法は、回転駆動部５のうち第一アクチュエータ５１のみ駆動するステップと、第二アクチュエータ５２のみを駆動するステップと、を含んでいる。

粗動スキャン及び微動スキャンの際、駆動電流信号Ｓ０をレーザ駆動部２から出力し、半導体レーザ１及びロックインアンプ２２に入力する。駆動電流信号Ｓ０を半導体レーザ１に入力することにより、半導体レーザ１ではパルス光Ｌ１が発生する。発生したパルス光Ｌ１は、第一端１ａから出射される。

パルス光Ｌ１は、レンズ３によりコリメートされた後、回折格子４に入射する。回折格子４では、パルス光Ｌ１の入射角θに応じた波長λの光が回折され、回折光Ｌ２として第一端１ａに帰還する。回折光Ｌ２は、回折格子４と第二端１ｂとの間で多重反射されて増幅される。回折光Ｌ２は、閾値電流に達した時点で発振し、第二端１ｂからレーザ光Ｌ３として出射される。レーザ光Ｌ３は、レンズ７によりコリメートされた後、窓８ａを通って筐体８の外部に出射される。

波長可変光源１０から出射されたレーザ光Ｌ３は、第一窓１６ｃを通って、ガスセル１６内に入射する。ガスセル１６内の気体を通過したレーザ光Ｌ４は、第二窓１６ｄを通って、ガスセル１６外に出射する。レーザ光Ｌ４は、レンズ１８により集光された後、ディテクタ２０に受光され、電気信号Ｓ３に変換される。電気信号Ｓ３は、ロックインアンプ２２により不要なノイズ成分が除去され、電気信号Ｓ４に変換される。

電気信号Ｓ４は、レーザ光Ｌ４の光出力を示す信号としてオシロスコープ２４に出力される。電気信号Ｓ４は、駆動電流信号Ｓ０と同期して出力されるので、電気信号Ｓ４の周期は駆動電流信号Ｓ０の周期と同じとなる。電気信号Ｓ４がオシロスコープ２４で分析されることにより、吸光分析結果が得られる。

図４は、粗動スキャンにより得られたメタン（ＣＨ_４）の波数１３００ｃｍ^−１付近における吸光度のグラフである。スキャンレートを１Ｈｚとし、吸光度を１０スキャン（１０秒間）の平均値とした。図５は、ＮＩＳＴ（National Institute of Standards and Technology）データベースより引用したメタンの波数１３００ｃｍ^−１付近における吸光度（規格化吸光度）のグラフである。

図５の規格化吸光度のグラフに近いほど、吸光分析の精度が高いと考えられる。図４の吸光度のグラフは、図５の規格化吸光度のグラフと比較して、グラフ中央のピーク部分で鈍った形状となっており、ピーク部分について詳細な情報が得られていないことが分かる。これは、ステップ動作型である第一アクチュエータ５１では、スキャン回数を稼ぐのに不向きであり、積算及び平均化によりＳ／Ｎを高め難いためである。

図６は、微動スキャンにより得られたメタンの波数１３００ｃｍ^−１付近における吸光度のグラフである。微動スキャンの中心となる所定角度αは、粗動スキャンにより得られたピークの中心波長に対応する角度とした。つまり、入射角θを所定角度αとすることにより、波長可変光源１０から出力されるレーザ光Ｌ３の波長が、粗動スキャンにより得られたピークの中心波長と重なる。この状態で、振り角を±２°として第二アクチュエータ５２を周波数約７００Ｈｚで駆動した。吸光度を７００スキャン（１秒間）の平均値とした。

図４〜図６の比較により、波長可変光源１０によれば、微動スキャンを行うことで、より精度の互い吸光分析が可能となり、粗動スキャンでは測定できなかったピーク部分の細かい形状まで測定できることが分かる。高速スキャンにより積算回数を増やしＳ／Ｎを高める手法自体は、ＭＥＭＳアクチュエータを用いる従来の外部共振器型の波長可変光源でも可能である。

しかしながら、このような従来の波長可変光源は、第一アクチュエータ５１のような粗動機構を有していない。このため、中心波長の変更ができず、限られた範囲（たとえば±５０ｃｍ^−１）の吸収ピークにしか図６のような分析結果を得ることができない。これに対して、波長可変光源１０はハイブリッドアクチュエータを備えるため、１３００ｃｍ^−１付近のピークだけでなく、たとえば１３５０ｃｍ^−１付近のピークに対しても同様の分析結果を得ることができる。

続いて、図７及び図８を参照して、本実施形態に係る波長可変光源の別の駆動方法について説明する。この駆動方法では、粗動スキャンの際、第一アクチュエータ５１だけでなく第二アクチュエータ５２も駆動する点で、上述の駆動方法と異なっている。具体的には、入射角θが１ステップでΔθずつ変化するように第一アクチュエータ５１を周波数ｆで駆動すると共に、入射角θがΔθ／８を最大振幅として増減するように第二アクチュエータ５２を周波数ｆで駆動する。

ここで、第二アクチュエータ５２を停止させた状態で、第一アクチュエータ５１のみを駆動した場合の問題について説明した後、第一アクチュエータ５１及び第二アクチュエータ５２を上述のように駆動する理由について説明する。図７は、第一アクチュエータのみを駆動した場合のタイミングチャートである。このタイミングチャートでは、（ａ）移動命令信号（すなわち、制御信号Ｓ１）、（ｂ）回転量（すなわち、入射角θの変化量）、（ｃ）回折格子の角速度（回転量の微分値）が示されている。

図７に示されるように、回転制御部１２から出力される制御信号Ｓ１は、デューティー比がたとえば５０％であり、ｔ／２ごとに立ち上りおよび立ち下りを繰り返す矩形波の信号である。制御信号Ｓ１は、たとえば、周波数が１００ｋＨｚ（周期ｔが０．０１０ｍｓｅｃ）のパルス信号である。

上述のように、本実施形態では、第一アクチュエータ５１はステッピングモータである。第一アクチュエータ５１は、制御信号Ｓ１が１パルス入力される度に、最小移動ステップずつ回転する。第一アクチュエータ５１は、制御信号Ｓ１をトリガとして回転する。本実施形態では、第一アクチュエータ５１は、制御信号Ｓ１の立ち上りをトリガとして回転する。これにより、回折格子４の角速度が周期的に変化するように回折格子４が第二アクチュエータ５２ごと回転駆動されて入射角θが変化する。角速度の変化の周期は、制御信号Ｓ１の周期ｔと等しくなる。

制御信号Ｓ１の立ち上りにおける角速度は、最小値ω１である。制御信号Ｓ１の立ち上りから約ｔ／２経過後における角速度は、最大値ω２である。角速度の時間波形は、正弦波状であり、角速度がω１となる点から角速度が次にω１となる点まで、連続的に（滑らかに）変化する。言い換えると、角速度はω１とω２との間で周期的に変化する。

角速度がこのように変化することにより、回転量は階段状に変化する。ここでは、回転量は、単調増加する。なお、単調増加とは減少傾向とならないことを意味し、広義の単調増加を意味する。図７（ｂ）では、角速度が変化しない（角速度が一定である）理想的な場合の回転量が一点鎖線で示されている。

理想的な場合の回転駆動部５の動作は、正比例の直線動作である。第一アクチュエータ５１の動作は、ステップ動作であるため、第一アクチュエータ５１による回転量は、理想的な場合の回転量よりも小さくなったり大きくなったりを繰り返す。制御信号Ｓ１の立ち上り、及び制御信号Ｓ１の立ち上りから約ｔ／２経過後において、第一アクチュエータ５１による回転量と理想的な場合の回転量とは等しくなる。

このように、第一アクチュエータ５１のみを駆動した場合、回折格子４の角速度にはムラが生じ、回折格子４の角速度は一定にはならない。このため、第一アクチュエータ５１のみを駆動して波長掃引を行うと、回折格子４の角速度のムラにより波長変化速度のムラが発生する。この結果、吸光分析で得られる吸収曲線の吸収線幅が安定しなくなり、分析結果の精度を向上させることができない。

図８は、波長可変光源の別の駆動方法における回転量の時間波形である。図８の横軸は時間、縦軸は回転量となっている。図８には、１ステップでΔθずつ入射角θが変化するように、第一アクチュエータ５１のみを周波数ｆ（すなわち、周期１／ｆ）で駆動した場合の回転量の時間波形が一点鎖線で示されている。Δθ／８を最大振幅として入射角θが増減するように、第二アクチュエータ５２のみを周波数ｆ（すなわち、周期１／ｆ）で駆動した場合の回転量の時間波形が二点鎖線で示されている。第一アクチュエータ５１による回転量の時間波形と、第二アクチュエータ５２による回転量の時間波形との合成波形が実線で示されている。

図８に示されるように、第一アクチュエータ５１のみを駆動した場合に生じる回折格子４の角速度のムラが、第二アクチュエータ５２により打ち消され、合成波形が略正比例の直線形状となる。したがって、この駆動方法によれば、回折格子４の角速度を略等速とすることができる。

続いて、図９及び図１０を参照して、第一アクチュエータ５１が超音波モータである場合についても説明する。図９は、超音波モータの場合に第一アクチュエータのみを駆動したときのタイミングチャートである。図１０は、超音波モータの場合の別の駆動方法における回転量の時間波形である。図９に示されるように、超音波モータは、圧電素子を利用した圧電アクチュエータであり、制御信号Ｓ１の立ち上りおよび立ち下りに合わせて、圧電素子に与えられる電圧の極性を所定時間ごとに反転させることにより動作する。したがって、超音波モータの場合、角速度の変化の周期は、制御信号Ｓ１の周期ｔの１／２となり、超音波モータは、制御信号Ｓ１が１パルス入力される度に、ステッピングモータの２ステップ分を最小移動ステップとして回転する。

そこで、超音波モータの場合は、図１０に示されるように、入射角θが１ステップでΔθずつ変化するように第一アクチュエータ５１を周波数ｆで駆動すると共に、入射角θがΔθ／１６を最大振幅として増減するように第二アクチュエータ５２を周波数２ｆで駆動する。これにより、第一アクチュエータ５１のみを駆動した場合に生じる回折格子４の角速度のムラが、第二アクチュエータ５２により打ち消され、合成波形が略正比例の直線形状となる。したがって、この駆動方法によれば、ステッピングモータの場合と同様に、回折格子４の角速度を略等速とすることができる。

以上説明したように、波長可変光源１０では、回転駆動部５が、ステップ動作型である第一アクチュエータ５１と、ＭＥＭＳアクチュエータである第二アクチュエータ５２とを有するハイブリッドアクチュエータである。このため、第一アクチュエータ５１により広い波長範囲、及び高い波長制御性を維持しながら、第二アクチュエータ５２により高速スキャンを行うことができる。

また、第一アクチュエータ５１の回転シャフト５３の中心軸Ｒ１と、第二アクチュエータ５２の可動部５６の回転軸Ｒ２とが、同軸となっている。図１１に示されるように、中心軸Ｒ１及び回転軸Ｒ２が同軸でなくオフセットしている場合、第一アクチュエータ５１の回転角が変わると、外部共振器Ｅの長さＬＥが変わってしまう。具体的には、図１１（ａ）よりも図１１（ｂ）では、第一アクチュエータ５１の回転角が大きく、長さＬＥが短い。

図１１では、第二アクチュエータ５２は停止した状態であり、第二アクチュエータ５２の回転角は０°である。このため、長さＬＥは、第一アクチュエータ５１の回転角により一意に定まる。しかしながら、第二アクチュエータ５２の回転を考慮すると、長さＬＥは、第一アクチュエータ５１の回転角と第二アクチュエータ５２の回転角との組み合わせにより変動する。すなわち、所望の波長を実現する入射角θに対し、モード次数の異なる複数の長さＬＥが存在する。

例えば、第二アクチュエータ５２を停止させ、第二アクチュエータ５２の回転角を０°とした状態で第一アクチュエータ５１を駆動させる粗動スキャン中と、第一アクチュエータ５１を所定の回転角で停止させた状態で第二アクチュエータ５２を回転させる微動スキャン中とでは、入射角θが等しくても長さＬＥが互いに異なり、モード次数が異なる結果、波長が異なってしまう場合がある。

このように、粗動スキャン中と微動スキャン中とでモード次数が異なる結果、波長の再現性及び安定性が損なわれる懼れがある。これに対して、波長可変光源１０では、第一アクチュエータ５１の中心軸Ｒ１と第二アクチュエータ５２の回転軸Ｒ２とが、同軸となっている。これにより、所望の波長を実現する入射角θに対し、長さＬＥが一意に定まる結果、波長の再現性及び安定性が保たれる。なお、所望の波長を実現する入射角θに対し、長さＬＥが一意に定まれば、入射角θに応じて長さＬＥが変化しても問題はないが、波長可変光源１０における長さＬＥは全ての入射角θに対して一定に保たれている。

波長可変光源１０の駆動方法は、回転駆動部５のうち第一アクチュエータ５１のみ駆動するステップと、第二アクチュエータ５２のみを駆動するステップと、を含んでいる。これにより、吸光分析装置１００では、たとえば第一アクチュエータ５１により広い波長範囲で粗動スキャンを行った後、より詳細に分析すべき波長範囲を絞り込み、絞り込んだ波長範囲を第二アクチュエータ５２により高速で微動スキャンすることができる。この結果、分析可能な波長範囲を広く維持しながら、任意の波長範囲における分析の精度を高めることができる。

波長可変光源１０の別の駆動方法では、第一アクチュエータ５１がステッピングモータの場合、粗動スキャンの際、入射角θが１ステップでΔθずつ変化するように第一アクチュエータ５１を周波数ｆで駆動すると共に、入射角θがΔθ／８を最大振幅として増減するように第二アクチュエータ５２を周波数ｆで駆動する。また、第一アクチュエータ５１が超音波モータの場合、粗動スキャンの際、入射角θが１ステップでΔθずつ変化するように第一アクチュエータ５１を周波数ｆで駆動すると共に、入射角θがΔθ／１６を最大振幅として増減するように第二アクチュエータ５２を周波数２ｆで駆動する。

この駆動方法では、ステップ動作型である第一アクチュエータ５１を用いた場合に生じる角速度のムラを、第二アクチュエータ５２により打ち消すことができる。これにより、レーザ光Ｌ３の波長変化速度の変動が抑制される。この結果、吸光分析で得られる吸収曲線の吸収線幅が安定し、分析結果の精度を向上させることができる。

１…半導体レーザ、２…レーザ駆動部、４…回折格子、５…回転駆動部、１０…波長可変光源、５１…第一アクチュエータ、５２…第二アクチュエータ、５３…回転シャフト、５５…支持部、５６…可動部、５７…連結部、Ｅ…外部共振器、Ｌ１…パルス光、Ｌ２…回折光、Ｒ１…中心軸、Ｒ２…回転軸、θ…入射角。

Claims (4)

1. パルス光を出射する半導体レーザと、
   前記半導体レーザと共に外部共振器を構成する回折格子であって、前記半導体レーザから出射された前記パルス光が入射し、前記パルス光のうち入射角に応じた波長の光を前記半導体レーザに帰還させる回折格子と、
   前記回折格子を回転駆動して前記入射角を変化させる回転駆動部と、を備え、
   前記回転駆動部は、
   回転シャフトを含み、ステップ動作型である第一アクチュエータと、
   支持部と、前記回折格子が設けられた可動部と、前記可動部を前記支持部に回転可能に連結する連結部と、を含む第二アクチュエータと、を有し、
   前記第二アクチュエータは、前記可動部の回転軸が前記回転シャフトの中心軸と一致するように前記回転シャフトに取り付けられている、波長可変光源。
2. 請求項１に記載の波長可変光源の駆動方法であって、
   前記第一アクチュエータを駆動するステップと、
   前記第一アクチュエータを停止させた状態で、前記第二アクチュエータを駆動するステップと、を含む、波長可変光源の駆動方法。
3. 請求項１記載の波長可変光源の駆動方法であって、
   前記第一アクチュエータとして、ステッピングモータを用い、
   前記入射角が１ステップで第一角度ずつ変化するように前記第一アクチュエータを第一周波数で駆動すると共に、前記入射角が第二角度を最大振幅として増減するように前記第二アクチュエータを第二周波数で駆動し、
   前記第一周波数と前記第二周波数とは互いに等しく、前記第一角度をΔθとすると、前記第二角度はΔθ／８である、波長可変光源の駆動方法。
4. 請求項１に記載の波長可変光源の駆動方法であって、
   前記第一アクチュエータとして、超音波モータを用い、
   前記入射角が１ステップで第一角度ずつ変化するように前記第一アクチュエータを第一周波数で駆動すると共に、前記入射角が第二角度を最大振幅として増減するように前記第二アクチュエータを第二周波数で駆動し、
   前記第一周波数をｆとすると、前記第二周波数は２ｆであり、前記第一角度をΔθとすると、前記第二角度はΔθ／１６である、波長可変光源の駆動方法。

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