JP2018017989A - Middle infrared laser source and laser spectroscopy apparatus - Google Patents

Middle infrared laser source and laser spectroscopy apparatus Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light source causing less fluctuations in laser beam output and suitable for absorption spectrum.SOLUTION: A middle infrared laser source comprises: an excitation light source 100; a signal light source 101; a signal generator 102 modulating the wavelength of the signal light source 101; a wavelength conversion element 105 including an optical waveguide composed of a periodically polarization-inverted two-dimensional nonlinear optical material; a photodetector 115 detecting light passing through a reference cell 110 filled with reference substance; a lock-in amplifier 116 extracting a specific frequency component from the detection signal of the photodetector 115; and a PID control circuit 117 performing feedback control to the signal light source 101 based on the component extracted by the lock-in amplifier 116. The light source modulating the wavelength and the light source controlling the wavelength based on the optical signal passing through the reference cell 110 are unified into the signal light source 101 outputting the wavelength with lower end surface reflection rate of the wavelength conversion element 105.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、波長変換素子を用いた中赤外レーザ光源に係り、特にレーザ光出力の揺らぎが少なく吸収分光に適した中赤外レーザ光源、および中赤外レーザ光源を用いたレーザ分光装置に関するものである。   The present invention relates to a mid-infrared laser light source using a wavelength conversion element, and more particularly to a mid-infrared laser light source suitable for absorption spectroscopy with little fluctuation in laser light output, and a laser spectroscopic device using the mid-infrared laser light source. Is.

環境保護や安全衛生上の観点からCH4、CO2、CO、N2Oなどの温室効果ガス、NOx、SOx、アンモニア類等の環境ガス、多くの有機系ガスまたは残留農薬等の極微量ガス分析技術の確立が強く望まれている。ガス濃度を検出する一手法として、被測定ガスにレーザ光を当て、その吸収特性を観測する手法が知られている。 From the viewpoint of environmental protection and health and safety, greenhouse gases such as CH 4 , CO 2 , CO, N 2 O, environmental gases such as NO x , SO x , ammonia, many organic gases, or residual agricultural chemicals The establishment of trace gas analysis technology is strongly desired. As a technique for detecting the gas concentration, a technique is known in which laser light is applied to a gas to be measured and its absorption characteristics are observed.

ガスは、それぞれ特有の吸収線を有しているので、吸収線付近の波長を有するレーザ光を波長掃引し、吸収スペクトルを観測することによりガス濃度を計測することができる。これらの被測定物質の吸収線の多くは波長2μm以上の中赤外領域に、原子間結合の振動モードに起因する基本振動またはその低次の倍音として存在している。したがって、特に波長2μm以上の中赤外領域において、高感度でガスの吸収線を測定できる光吸収測定への期待が高まっている。   Since each gas has its own absorption line, the gas concentration can be measured by sweeping the wavelength of a laser beam having a wavelength near the absorption line and observing the absorption spectrum. Most of the absorption lines of these substances to be measured exist in the mid-infrared region of a wavelength of 2 μm or more as fundamental vibrations or lower harmonics due to vibration modes of interatomic bonds. Therefore, in particular, in the mid-infrared region having a wavelength of 2 μm or more, there is an increasing expectation for optical absorption measurement capable of measuring gas absorption lines with high sensitivity.

2μm帯〜5μm帯の波長領域において室温で安定にCW(Continuous Wave)光を出力できる光源として、非線形光学定数を周期的に変調する擬似位相整合型波長変換素子による差周波発生を利用した光源が多数発表されている(例えば、非特許文献1参照)。この光源は、波長変換素子に入力する励起光、および信号光として、技術的に安定した波長2μm以下の半導体レーザを用いることができるので、実用化が容易である。   As a light source capable of stably outputting CW (Continuous Wave) light at room temperature in a wavelength region of 2 μm band to 5 μm band, a light source using difference frequency generation by a quasi-phase matching wavelength conversion element that periodically modulates a nonlinear optical constant is used. Many publications have been made (for example, see Non-Patent Document 1). Since this light source can use a technically stable semiconductor laser having a wavelength of 2 μm or less as excitation light and signal light input to the wavelength conversion element, it can be easily put to practical use.

非線形定数の周期変調構造を形成するためには、非線形定数の符号を交互に反転するか、あるいは非線形定数が大きい部分と小さい部分をほぼ交互に配置する方法が考えられる。LiNbO3のような強誘電体結晶においては、非線形定数の正負は自発分極の極性に対応するため、自発分極を反転することにより非線形定数の符号を反転することができる。 In order to form a periodic modulation structure with a nonlinear constant, a method of alternately inverting the sign of the nonlinear constant, or substantially alternately arranging a portion with a large nonlinear constant and a portion with a small nonlinear constant can be considered. In a ferroelectric crystal such as LiNbO 3 , the sign of the nonlinear constant can be reversed by inverting the spontaneous polarization because the sign of the nonlinear constant corresponds to the polarity of the spontaneous polarization.

図12に、差周波発生を基にした波長変換素子の構成を示す。図12に示される波長変換素子10は、光導波路12が形成されたLiNbO3基板11と、光合波器15と、信号光13及び励起光14をそれぞれ出力する2個の半導体レーザ(図示せず)とから構成される。信号光13と励起光14は光合波器15で合波され、周期的に分極反転されたLiNbO3基板11に形成された光導波路12に入射される。光導波路12では、信号光13と励起光14との差周波光である変換光(idler光)16が発生する。励起光の波長をλa、信号光の波長をλb、変換光の波長をλcとすると、これら3つの波長は以下の式(1)を満たす。
1/λc=1/λa−1/λb ・・・(1)
FIG. 12 shows a configuration of a wavelength conversion element based on difference frequency generation. A wavelength conversion element 10 shown in FIG. 12 includes a LiNbO 3 substrate 11 on which an optical waveguide 12 is formed, an optical multiplexer 15, and two semiconductor lasers (not shown) that output signal light 13 and pump light 14, respectively. ). The signal light 13 and the excitation light 14 are multiplexed by the optical multiplexer 15 and are incident on the optical waveguide 12 formed on the LiNbO 3 substrate 11 whose polarization is periodically inverted. In the optical waveguide 12, converted light (idler light) 16 that is a difference frequency light between the signal light 13 and the excitation light 14 is generated. Assuming that the wavelength of the excitation light is λa, the wavelength of the signal light is λb, and the wavelength of the converted light is λc, these three wavelengths satisfy the following formula (1).
1 / λc = 1 / λa−1 / λb (1)

例えば、励起光波長λaを1.06μm、信号光波長λbを1.56μmとすれば、変換光波長λc=3.31μmの中赤外光を発生させることができる。
図13に波長変換素子を用いた従来の差周波発生(波長変換)光源を示す。この光源は、図12で説明した波長変換素子10と、光合波器15と、励起光光源17と、信号光光源18とから構成されている。励起光波長λaを固定し、信号光波長λbを変化させると、式(1)に従い変換光波長λcが変化する。もしくは信号光波長λbを固定し、励起光波長λaを変化させると、同様に変換光波長λcが変化する。この事を利用して、変換光波長λcを変化させ、中赤外域における測定対象の吸収線形状を観測する。
For example, if the excitation light wavelength λa is 1.06 μm and the signal light wavelength λb is 1.56 μm, mid-infrared light with a converted light wavelength λc = 3.31 μm can be generated.
FIG. 13 shows a conventional difference frequency generation (wavelength conversion) light source using a wavelength conversion element. This light source is composed of the wavelength conversion element 10, the optical multiplexer 15, the excitation light source 17, and the signal light source 18 described with reference to FIG. When the pumping light wavelength λa is fixed and the signal light wavelength λb is changed, the converted light wavelength λc changes according to the equation (1). Alternatively, when the signal light wavelength λb is fixed and the pumping light wavelength λa is changed, the converted light wavelength λc is similarly changed. Utilizing this fact, the converted light wavelength λc is varied to observe the shape of the absorption line to be measured in the mid-infrared region.

微小濃度のガスを観測する場合、その吸収強度が1%以下という事もある。吸収強度が1%を切ると、ノイズやベースラインの揺らぎによって吸収線強度を正確に把握することは困難になってくる。そこで、非特許文献2や非特許文献3に記載の吸収線の2次微分成分を観測する波長変調分光法(WMS:wavelength modulation spectroscopy)等が用いられる。この方法は、観測のために用いるレーザ光の波長に周波数fの微小な正弦波変調を施し、ロックイン増幅器で変調周波数の2倍の周波数2fで変調に対して応答する成分を観測する方法である。   When observing a gas with a minute concentration, the absorption intensity may be 1% or less. If the absorption intensity falls below 1%, it becomes difficult to accurately grasp the absorption line intensity due to noise and fluctuations in the baseline. Therefore, wavelength modulation spectroscopy (WMS) for observing the second derivative component of the absorption line described in Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 is used. In this method, a minute sine wave modulation of the frequency f is applied to the wavelength of the laser beam used for observation, and a component that responds to the modulation at a frequency 2f that is twice the modulation frequency is observed by a lock-in amplifier. is there.

多くの場合、レーザ光の変調は、分布帰還型レーザダイオード(DFB−LD:Distributed FeedBack Laser Diode)の注入電流を変化させることにより実行される。吸収線形状を観測するためには、吸収線の波長依存性を観測する必要があるので、周波数fの微小な正弦波に加えて、変化量の大きい鋸歯状波もしくは三角波を重畳してDFB−LDの電流注入量を変調させる。   In many cases, the modulation of laser light is performed by changing the injection current of a distributed feedback laser diode (DFB-LD). In order to observe the absorption line shape, it is necessary to observe the wavelength dependence of the absorption line. Therefore, in addition to a minute sine wave of frequency f, a sawtooth wave or a triangular wave having a large amount of change is superimposed and DFB- Modulates the current injection amount of the LD.

図14、図15に差周波光源において波長変調分光法を行う場合の一般的な光源構成を示す。この光源は、波長変換素子10と、光合波器15と、励起光光源17と、信号光光源18と、ファイバアンプ19と、信号発生器21と、光検出器22と、ロックイン増幅器23と、濃度演算・表示器24とから構成されている。励起光光源17には、光出力の増強のため、ファイバアンプ19が設けられている。   14 and 15 show a general light source configuration when wavelength modulation spectroscopy is performed in a difference frequency light source. The light source includes a wavelength conversion element 10, an optical multiplexer 15, an excitation light source 17, a signal light source 18, a fiber amplifier 19, a signal generator 21, a photodetector 22, and a lock-in amplifier 23. , And a density calculation / display unit 24. The excitation light source 17 is provided with a fiber amplifier 19 for enhancing the light output.

図14の構成では、信号発生器21は、励起光光源17への注入電流を周波数fの正弦波信号で変調することにより、励起光光源17から出力される励起光に周波数fの微小な正弦波変調を施す。光合波器15は、ファイバアンプ19によって増幅された励起光と信号光光源18からの信号光とを合波する。励起光と信号光の合波光が波長変換素子10に入射すると、上記のとおり励起光と信号光との差周波光である変換光が発生し、この変換光が測定対象20(ガス)に照射される。   In the configuration of FIG. 14, the signal generator 21 modulates the injection current to the pumping light source 17 with a sine wave signal of the frequency f, so that the pumping light output from the pumping light source 17 has a minute sine of the frequency f. Apply wave modulation. The optical multiplexer 15 multiplexes the excitation light amplified by the fiber amplifier 19 and the signal light from the signal light source 18. When the combined light of the excitation light and the signal light is incident on the wavelength conversion element 10, converted light that is the difference frequency light between the excitation light and the signal light is generated as described above, and this converted light is applied to the measurement target 20 (gas). Is done.

光検出器22は、測定対象20を透過した光を検出して電気信号に変換する。ロックイン増幅器23は、光検出器22から出力される検出信号のうち、信号発生器21から出力される周波数2fの参照信号に応じて周波数2fの成分を取り出す。濃度演算・表示器24は、ロックイン増幅器23が取り出した成分を基に測定対象20の濃度を演算して、演算結果を表示する。   The photodetector 22 detects the light transmitted through the measuring object 20 and converts it into an electrical signal. The lock-in amplifier 23 extracts a frequency 2f component from the detection signal output from the photodetector 22 in accordance with the frequency 2f reference signal output from the signal generator 21. The concentration calculation / display unit 24 calculates the concentration of the measurement target 20 based on the component extracted by the lock-in amplifier 23 and displays the calculation result.

一方、図15の例では、信号発生器21は、信号光光源18への注入電流を周波数fの正弦波信号で変調することにより、信号光光源18から出力される信号光に周波数fの微小な正弦波変調を施す。このように、変調可能な光源が2つある場合はどちらか一方に変調を施せばよい。   On the other hand, in the example of FIG. 15, the signal generator 21 modulates the current injected into the signal light source 18 with a sine wave signal having the frequency f, so that the signal light output from the signal light source 18 has a minute frequency f. Apply sine wave modulation. Thus, when there are two light sources that can be modulated, either one may be modulated.

また、上記のとおり、測定対象20の吸収線の波長依存性を測定する必要があるので、励起光光源17への注入電流または信号光光源18への注入電流のいずれかを変化量の大きい鋸歯状波もしくは三角波で変調することにより、励起光または信号光のいずれかを波長掃引する。このように、測定対象20の吸収線の波長依存性を測定するための鋸歯状波もしくは三角波に関しても2つの光源のどちらかの注入電流に重畳させるようにすればよく、正弦波変調と同じ光源であってもよいし、異なる光源であってもよい。   Further, as described above, since it is necessary to measure the wavelength dependence of the absorption line of the measurement target 20, either the injection current to the excitation light source 17 or the injection current to the signal light source 18 is a sawtooth having a large amount of change. Either the excitation light or the signal light is swept in wavelength by modulating with a wave or a triangular wave. As described above, the sawtooth wave or the triangular wave for measuring the wavelength dependence of the absorption line of the measurement target 20 may be superimposed on the injection current of one of the two light sources, and the same light source as the sine wave modulation. It may be a different light source.

前述したように光源の波長を掃引して対象の吸収スペクトルを取得し、吸収線のピーク値を検出する方法とは別の濃度測定の例として、光源の波長をロックする方法がある。図14、図15で説明したスペクトル方式が、吸収線形状の変化を捉えて吸収線のピーク位置を特定するのに対し、波長ロック方式は、吸収線のピーク位置をあらかじめ調べておき、レーザ波長をピークの位置にロック(固定)してピークの値をモニタし続ける方式である。   As described above, there is a method of locking the wavelength of the light source as an example of concentration measurement different from the method of acquiring the target absorption spectrum by sweeping the wavelength of the light source and detecting the peak value of the absorption line. The spectral method described in FIG. 14 and FIG. 15 captures a change in the shape of the absorption line and identifies the peak position of the absorption line. On the other hand, the wavelength lock method checks the peak position of the absorption line in advance and determines the laser wavelength. Is locked (fixed) at the peak position and the peak value is continuously monitored.

この波長ロック方式は、スペクトル方式と比較して、吸収線のピーク値のみをモニタするためデータの積算に有利であり、統計処理によりランダムノイズを低減しやすいというメリットを有する。この場合、レーザ波長がピーク位置からずれない事が重要となるが、この波長ずれに対する対策の例としては、特許文献1に開示されているように各々の構成LDの波長を、エタロンを用いてロックするエタロンロック方法がある。エタロンを透過した光は、エタロン媒質の屈折率と共振器長で決定される周波数(波長)周期で強度変化するため、特定の強度を維持するようにフィードバック制御を行うことで波長を固定する方法である。エタロンロック方法を採用した光源構成を図16に示す。   Compared with the spectrum method, this wavelength lock method is advantageous for data integration because only the peak value of the absorption line is monitored, and has an advantage that random noise can be easily reduced by statistical processing. In this case, it is important that the laser wavelength does not deviate from the peak position. As an example of countermeasures against this wavelength deviation, as disclosed in Patent Document 1, the wavelength of each component LD is set using an etalon. There is an etalon lock method to lock. Since the intensity of the light transmitted through the etalon changes at a frequency (wavelength) period determined by the refractive index of the etalon medium and the resonator length, a method of fixing the wavelength by performing feedback control to maintain a specific intensity It is. A light source configuration employing the etalon locking method is shown in FIG.

図16の構成では、励起光光源17から出力される励起光の一部を光分波器25で取り出し、この光をエタロン26に入射させる。PID/制御ドライバ27は、エタロン26を透過した光の強度を基に励起光の波長が安定するように、励起光光源17への注入電流を制御する。同様に、信号光光源18から出力される信号光の一部を光分波器28で取り出し、この光をエタロン29に入射させる。PID/制御ドライバ30は、エタロン29を透過した光の強度を基に信号光の波長が安定するように、信号光光源18への注入電流を制御する。また、図16の構成では、位相変調器31が、信号発生器21からの周波数fの正弦波信号に応じて、信号光に周波数fの正弦波変調を施す。   In the configuration of FIG. 16, a part of the excitation light output from the excitation light source 17 is extracted by the optical demultiplexer 25, and this light is incident on the etalon 26. The PID / control driver 27 controls the injection current to the excitation light source 17 so that the wavelength of the excitation light is stabilized based on the intensity of the light transmitted through the etalon 26. Similarly, part of the signal light output from the signal light source 18 is taken out by the optical demultiplexer 28, and this light is incident on the etalon 29. The PID / control driver 30 controls the injection current to the signal light source 18 so that the wavelength of the signal light is stabilized based on the intensity of the light transmitted through the etalon 29. In the configuration of FIG. 16, the phase modulator 31 performs sine wave modulation of the frequency f on the signal light in accordance with the sine wave signal of the frequency f from the signal generator 21.

しかしながら、図16に示した構成では、測定対象のガスの吸収線の波長に合うように励起光光源17と信号光光源18の波長ロック点を調整するために手間がかかる。また、波長のロック点はエタロン26,29により決められるため、万一エタロン26,29の特性が変化し、波長ロック点が対象とするガスの吸収線から外れてしまっても、波長ロック点のずれを検知して修正することが不可能となる。   However, in the configuration shown in FIG. 16, it takes time to adjust the wavelength lock points of the excitation light source 17 and the signal light source 18 so as to match the wavelength of the absorption line of the gas to be measured. In addition, since the wavelength lock point is determined by the etalons 26 and 29, even if the characteristics of the etalons 26 and 29 change and the wavelength lock point deviates from the target gas absorption line, It becomes impossible to detect and correct the deviation.

このような問題を回避するために、ガスの吸収線に合わせて光源の波長をロックする事が望ましい。そのための方法としては、非特許文献4に記載のように光路を2分岐し、一方を測定対象のガスを透過する光路とし、もう一方を既知の参照ガスを透過する光路とした上で参照ガスの吸収線を利用してフィードバック制御を行い、光源の波長をロックする方法が知られている。   In order to avoid such a problem, it is desirable to lock the wavelength of the light source in accordance with the absorption line of the gas. As a method for that purpose, as described in Non-Patent Document 4, the optical path is branched into two, one is an optical path that transmits the gas to be measured, and the other is an optical path that transmits a known reference gas, and then the reference gas A method is known in which feedback control is performed using the absorption line of the light to lock the wavelength of the light source.

特開2015−76467号公報JP, 2015-76467, A

D.G.Lancaster et al.,“High-power continuous-wave mid-infrared radiation generated by difference frequency mixing of diode-laser-seeded fiber amplifiers and its application to dual-beam spectroscopy”,Optics Letters,Vol.24,No.23,p.1744-1746,1999DGLancaster et al., “High-power continuous-wave mid-infrared radiation generated by difference frequency mixing of diode-laser-seeded fiber amplifiers and its application to dual-beam spectroscopy”, Optics Letters, Vol. 24, No. 23 , P.1744-1746, 1999 O.Tadanaga,M.Asobe,Y.Nishida,H.Miyazawa,K.Yoshino,H.Suzuki,“763-nm Laser Light Source for Oxygen Monitoring Using Second Harmonic Generation in Direct-Bonded Quasi-Phase-Matched LiNbO3 Ridge Waveguide”,IEICE Trans.Electron,Vol.E89-C,No.7,p.1115-1117,2006O.Tadanaga, M.Asobe, Y.Nishida, H.Miyazawa, K.Yoshino, H.Suzuki, “763-nm Laser Light Source for Oxygen Monitoring Using Second Harmonic Generation in Direct-Bonded Quasi-Phase-Matched LiNbO3 Ridge Waveguide ”IEICE Trans. Electron, Vol. E89-C, No. 7, p. 1115-1117, 2006 I.Linnerud et al.,“Gas monitoring in the process industry using diode laser spectroscopy”,Applied Physics B,Vol.67,p.297-305,1998I. Linnerud et al., “Gas monitoring in the process industry using diode laser spectroscopy”, Applied Physics B, Vol. 67, p.297-305, 1998. “生体・環境計測へ向けた近赤外光センシング技術”,株式会社サイエンスフォーラム発行,ISBN4−916164−24−5,pp.269−276,1999年“Near-infrared light sensing technology for biological / environmental measurement”, published by Science Forum Inc., ISBN4-916164-24-5, pp. 269-276, 1999

近赤外領域で広く用いられている光源では、光源を構成しているDFB−LDが1つであり、光源の構成の仕方は分かりやすく容易である。しかしながら、差周波発生を利用した波長変換光源では、光源を構成しているDFB−LDが複数であるため、非特許文献4のように簡単な波長ロック方法を採用することはできない。複数のLDをどのように用いてレーザ光波長を吸収線のピークの位置に固定すると吸収分光にとって望ましいかについての知見は従来明らかになっていなかった。   In the light source widely used in the near infrared region, there is one DFB-LD constituting the light source, and the configuration of the light source is easy to understand and easy. However, in the wavelength conversion light source using difference frequency generation, since there are a plurality of DFB-LDs constituting the light source, it is not possible to employ a simple wavelength locking method as in Non-Patent Document 4. The knowledge about how to use a plurality of LDs to fix the laser light wavelength at the peak position of the absorption line is desirable for absorption spectroscopy.

本発明の目的は、上記のような従来技術の問題を鑑みて、データの積算に有利な、測定対象吸収線の波長に出力波長をロックする方式を採用した光源であって、波長ロック時のレーザ光出力の揺らぎが少なく吸収分光に適した中赤外レーザ光源を提供することである。
また、本発明の目的は、従来に比してより高感度な濃度計測が可能なレーザ分光装置を提供することである。
An object of the present invention is a light source that employs a method of locking the output wavelength to the wavelength of the absorption line to be measured, which is advantageous for data integration in view of the above-described problems of the prior art. It is an object of the present invention to provide a mid-infrared laser light source suitable for absorption spectroscopy with little fluctuation in laser light output.
It is another object of the present invention to provide a laser spectroscopic device capable of measuring density with higher sensitivity than conventional.

本発明の中赤外レーザ光源は、周期的に分極反転された2次非線形光学材料からなる光導波路を備えた波長変換素子と、出力波長が異なる第1、第2の半導体レーザと、前記第1の半導体レーザの波長を変調する波長変調手段と、前記第1、第2の半導体レーザから出力されるレーザ光を合波し、前記波長変換素子に入射させる光合波器と、前記波長変換素子から出力されたレーザ光の波長をロックするための参照物質が封入された参照セルと、前記波長変換素子から出力されたレーザ光を分岐して、一方を前記参照セルに入射する光路へ導入する光分岐手段と、前記参照セルを透過した光信号を基に、前記波長変換素子から出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように前記第1の半導体レーザの波長を制御する第1の帰還制御手段とを備え、波長を変調する半導体レーザと参照セルを透過した光信号出力を基に波長を制御する半導体レーザを、前記波長変換素子の端面反射率が低い方の波長を出力する前記第1の半導体レーザに統一することを特徴とするものである。
また、本発明の中赤外レーザ光源の1構成例は、さらに、前記第2の半導体レーザから出力されたレーザ光の一部を分岐させる光分波器と、この光分波器によって分岐された光を入力とするエタロンと、このエタロンを透過した光信号を基に、前記第2の半導体レーザから出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように制御する第2の帰還制御手段とを備えることを特徴とするものである。
The mid-infrared laser light source of the present invention includes a wavelength conversion element including an optical waveguide made of a second-order nonlinear optical material whose polarization is periodically inverted, first and second semiconductor lasers having different output wavelengths, and the first A wavelength modulation unit that modulates the wavelength of one semiconductor laser; an optical multiplexer that multiplexes laser beams output from the first and second semiconductor lasers and enters the wavelength conversion element; and the wavelength conversion element A reference cell in which a reference material for locking the wavelength of the laser beam output from the laser beam is enclosed, and the laser beam output from the wavelength conversion element are branched and one of them is introduced into an optical path incident on the reference cell. Based on the optical branching means and the optical signal transmitted through the reference cell, a first wavelength for controlling the wavelength of the first semiconductor laser so that the wavelength of the laser light output from the wavelength conversion element becomes a desired wavelength. Feedback control means A semiconductor laser that modulates the wavelength and a semiconductor laser that controls the wavelength based on an optical signal output that has passed through the reference cell, and outputs the wavelength with the lower end face reflectance of the wavelength conversion element. It is characterized by unifying lasers.
In addition, one configuration example of the mid-infrared laser light source of the present invention is further branched by an optical demultiplexer for branching a part of the laser light output from the second semiconductor laser, and the optical demultiplexer. Second feedback control means for controlling the wavelength of the laser light output from the second semiconductor laser to be a desired wavelength based on the etalon having the input light as input and the optical signal transmitted through the etalon Are provided.

また、本発明の中赤外レーザ光源は、周期的に分極反転された2次非線形光学材料からなる光導波路を備え、中赤外レーザ光源の出力光を得るための第1の波長変換素子と、この第1の波長変換素子と同一構造の第2の波長変換素子と、出力波長が異なる第1、第2の半導体レーザと、前記第1の半導体レーザの波長を変調する波長変調手段と、前記第1、第2の半導体レーザの光出力をそれぞれ分岐させる第1、第2の光分波器と、前記第1の光分波器によって分岐された前記第1の半導体レーザの一方の光出力と前記第2の光分波器によって分岐された前記第2の半導体レーザの一方の光出力とを合波した光を、前記第1の波長変換素子に入射させる第1の光合波器と、前記第2の波長変換素子から出力されたレーザ光の波長をロックするための参照物質が封入された参照セルと、前記第2の光分波器によって分岐された前記第2の半導体レーザの他方の光出力の波長を所定の量変化させる波長シフト手段と、前記第1の光分波器によって分岐された前記第1の半導体レーザの他方の光出力と前記波長シフト手段の光出力とを合波した光を、前記第2の波長変換素子に入射させる第2の光合波器と、前記第2の波長変換素子から出力され前記参照セルを透過した光信号を基に、前記第2の波長変換素子から出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように前記第1の半導体レーザの波長を制御する第1の帰還制御手段とを備え、波長を変調する半導体レーザと参照セルを透過した光信号出力を基に波長を制御する半導体レーザを、前記第2の波長変換素子の端面反射率が低い方の波長を出力する前記第1の半導体レーザに統一することを特徴とするものである。
また、本発明の中赤外レーザ光源の1構成例において、前記波長シフト手段による波長の変化量は、前記第1の波長変換素子から出力されるレーザ光の波長と前記参照物質の吸収線の波長との差が所望の値になるように設定される。
また、本発明の中赤外レーザ光源の1構成例は、さらに、前記第2の半導体レーザから出力されたレーザ光の一部を分岐させる第3の光分波器と、この第3の光分波器によって分岐された光を入力とするエタロンと、このエタロンを透過した光信号を基に、前記第2の半導体レーザから出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように制御する第2の帰還制御手段とを備えることを特徴とするものである。
In addition, a mid-infrared laser light source of the present invention includes an optical waveguide made of a second-order nonlinear optical material whose polarization is periodically inverted, and a first wavelength conversion element for obtaining output light of the mid-infrared laser light source; A second wavelength conversion element having the same structure as the first wavelength conversion element, first and second semiconductor lasers having different output wavelengths, and wavelength modulation means for modulating the wavelength of the first semiconductor laser; First and second optical demultiplexers for branching the optical outputs of the first and second semiconductor lasers, respectively, and one light of the first semiconductor laser branched by the first optical demultiplexer A first optical multiplexer that causes the light combined with the output and one optical output of the second semiconductor laser branched by the second optical demultiplexer to be incident on the first wavelength conversion element; The wavelength of the laser beam output from the second wavelength conversion element is locked. A reference cell in which a reference material for sealing is encapsulated, wavelength shift means for changing a wavelength of the other optical output of the second semiconductor laser branched by the second optical demultiplexer by a predetermined amount, and the first A second wavelength conversion element that makes the second wavelength conversion element incident light that combines the other optical output of the first semiconductor laser branched by the first optical demultiplexer and the optical output of the wavelength shift means; Based on an optical multiplexer and an optical signal output from the second wavelength conversion element and transmitted through the reference cell, the wavelength of the laser light output from the second wavelength conversion element becomes a desired wavelength. First feedback control means for controlling the wavelength of the first semiconductor laser, and a semiconductor laser for controlling the wavelength based on an optical signal output transmitted through a reference cell and a semiconductor laser for modulating the wavelength. Low end face reflectance of wavelength conversion element Is characterized in that unifying said first semiconductor laser for outputting a square wave of.
Moreover, in one configuration example of the mid-infrared laser light source of the present invention, the amount of change in wavelength by the wavelength shift means is the wavelength of the laser light output from the first wavelength conversion element and the absorption line of the reference substance. The difference from the wavelength is set to a desired value.
In addition, one configuration example of the mid-infrared laser light source of the present invention further includes a third optical demultiplexer for branching a part of the laser light output from the second semiconductor laser, and the third light. Based on the etalon that receives the light branched by the branching filter and the optical signal transmitted through the etalon, control is performed so that the wavelength of the laser light output from the second semiconductor laser becomes a desired wavelength. And a second feedback control means.

また、本発明の中赤外レーザ光源の1構成例において、前記第1の帰還制御手段は、前記参照セルを透過した光信号を検出する光検出器と、この光検出器から出力される検出信号のうち、前記第1の半導体レーザの変調周波数と同一または3倍の周波数の信号を取り出すロックイン増幅器と、このロックイン増幅器が取り出した信号を基に前記第1の半導体レーザの注入電流を制御する制御回路とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の中赤外レーザ光源の1構成例において、前記光導波路は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ZnもしくはMgが添加されたニオブ酸リチウム、ZnもしくはMgが添加されたタンタル酸リチウム、またはこれらの材料の混晶のいずれかから構成されていることを特徴とするものである。
また、本発明のレーザ分光装置は、中赤外レーザ光源と、前記中赤外レーザ光源から出力され測定対象を透過した光信号を基に、前記測定対象の濃度を演算する濃度演算手段とを備えることを特徴とするものである。
In one configuration example of the mid-infrared laser light source of the present invention, the first feedback control means includes a photodetector that detects an optical signal transmitted through the reference cell, and a detection output from the photodetector. Of the signals, a lock-in amplifier that extracts a signal having the same or three times the modulation frequency of the first semiconductor laser, and an injection current of the first semiconductor laser based on the signal extracted by the lock-in amplifier. And a control circuit for controlling.
In one configuration example of the mid-infrared laser light source of the present invention, the optical waveguide includes lithium niobate, lithium tantalate, lithium niobate to which Zn or Mg is added, and lithium tantalate to which Zn or Mg is added. Or a mixed crystal of these materials.
Further, the laser spectroscopic device of the present invention comprises a mid-infrared laser light source and a concentration calculation means for calculating the concentration of the measurement object based on an optical signal output from the mid-infrared laser light source and transmitted through the measurement object. It is characterized by comprising.

本発明によれば、波長変換素子と第1、第2の半導体レーザと波長変調手段と光合波器と参照セルと光分岐手段と第1の帰還制御手段とを設け、波長を変調する半導体レーザと参照セルを透過した光信号出力を基に波長を制御する半導体レーザを、波長変換素子の端面反射率が低い方の波長を出力する第1の半導体レーザに統一することにより、測定データの積算に有利な、測定対象吸収線の波長にレーザ波長をロックする方式を採用した中赤外レーザ光源において、波長ロック時のレーザ光出力の揺らぎが少なく吸収分光に適した構成を実現することができる。その結果、本発明の中赤外レーザ光源を用いることで、従来に比してより高感度な濃度計測が可能なレーザ分光装置を実現することができ、従来測定できなかった微量な物質の検出やより狭い空間における測定が可能となる。   According to the present invention, a wavelength conversion element, a first and a second semiconductor laser, a wavelength modulation means, an optical multiplexer, a reference cell, an optical branching means, and a first feedback control means are provided, and the semiconductor laser modulates the wavelength. And integrating the measurement data by unifying the semiconductor laser that controls the wavelength based on the optical signal output transmitted through the reference cell into the first semiconductor laser that outputs the wavelength having the lower end face reflectance of the wavelength conversion element. In a mid-infrared laser light source that employs a method that locks the laser wavelength to the wavelength of the absorption line to be measured, it is possible to realize a configuration suitable for absorption spectroscopy with little fluctuation of the laser light output when the wavelength is locked. . As a result, by using the mid-infrared laser light source of the present invention, it is possible to realize a laser spectroscopic device that can measure the concentration with higher sensitivity than before, and detect a minute amount of material that could not be measured conventionally. Measurement in a narrower space is possible.

また、本発明では、光分波器とエタロンと第2の帰還制御手段とを設けることにより、より高精度の濃度計測が可能なレーザ分光装置を実現することができる。   Further, in the present invention, by providing the optical demultiplexer, the etalon, and the second feedback control means, it is possible to realize a laser spectroscopic device capable of measuring the concentration with higher accuracy.

また、本発明では、第1、第2の波長変換素子と第1、第2の半導体レーザと波長変調手段と第1、第2の光分波器と第1、第2の光合波器と参照セルと波長シフト手段と第1の帰還制御手段とを設け、波長を変調する半導体レーザと参照セルを透過した光信号出力を基に波長を制御する半導体レーザを、第2の波長変換素子の端面反射率が低い方の波長を出力する第1の半導体レーザに統一することにより、参照セル内の参照物質が測定対象と異なる場合でも、中赤外レーザ光源の波長を測定対象の吸収線の波長にロックすることが可能となり、波長ロック時のレーザ光出力の揺らぎが少なく吸収分光に適した中赤外レーザ光源を実現することができる。その結果、本発明の中赤外レーザ光源を用いることで、従来に比してより高感度な濃度計測が可能なレーザ分光装置を実現することができ、従来測定できなかった微量な物質の検出やより狭い空間における測定が可能となる。   In the present invention, the first and second wavelength conversion elements, the first and second semiconductor lasers, the wavelength modulating means, the first and second optical demultiplexers, the first and second optical multiplexers, A reference cell, a wavelength shift unit, and a first feedback control unit are provided, and a semiconductor laser that modulates the wavelength and a semiconductor laser that controls the wavelength based on the optical signal output transmitted through the reference cell are connected to the second wavelength conversion element. By unifying the first semiconductor laser that outputs the wavelength with the lower end face reflectivity, even if the reference material in the reference cell is different from the measurement target, the wavelength of the mid-infrared laser light source is adjusted to the absorption line of the measurement target. It becomes possible to lock to the wavelength, and it is possible to realize a mid-infrared laser light source suitable for absorption spectroscopy with less fluctuation of the laser light output at the time of wavelength locking. As a result, by using the mid-infrared laser light source of the present invention, it is possible to realize a laser spectroscopic device that can measure the concentration with higher sensitivity than before, and detect a minute amount of material that could not be measured conventionally. Measurement in a narrower space is possible.

本発明の第1の実施の形態に係るレーザ分光装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the laser spectrometer which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態におけるレーザ光源の波長ロックのための信号のスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of the signal for the wavelength lock | rock of the laser light source in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態においてフィードバック制御が行われない側の励起光の波長がずれた場合の2f信号のスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of 2f signal when the wavelength of the excitation light by the side where feedback control is not performed in the 1st Embodiment of this invention has shifted | deviated. 本発明の第1の実施の形態において波長ロックを行った場合の2f信号の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of 2f signal at the time of performing wavelength lock in the 1st Embodiment of this invention. 波長変調を施す光源とフィードバック制御を施す光源を分離した場合においてフィードバック制御が行われない側の励起光の波長がずれた場合の2f信号のスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of 2f signal when the wavelength of the excitation light by which the feedback control is not performed shifts in the case where the light source that performs wavelength modulation and the light source that performs feedback control are separated. 波長変調を施す光源とフィードバック制御を施す光源を分離した場合において波長ロックを行った場合の2f信号の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of 2f signal at the time of performing a wavelength lock in the case where the light source which performs wavelength modulation, and the light source which performs feedback control are isolate | separated. 本発明の第1の実施の形態に係るレーザ分光装置を用いて様々な濃度のガスを測定して作成した検量線を示す図である。It is a figure which shows the analytical curve created by measuring various concentrations of gas using the laser spectrometer according to the first embodiment of the present invention. 波長変調を施す光源とフィードバック制御を施す光源を分離したレーザ分光装置を用いて様々な濃度のガスを測定して作成した検量線を示す図である。It is a figure which shows the analytical curve produced by measuring gas of various density | concentrations using the laser spectrometer which isolate | separated the light source which performs wavelength modulation, and the light source which performs feedback control. 本発明の第2の実施の形態に係るレーザ分光装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the laser spectrometer which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. エタロンに入射する光の波長とエタロン透過後の光を検出する光検出器の出力との関係の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the relationship between the wavelength of the light which injects into an etalon, and the output of the photodetector which detects the light after etalon transmission. 本発明の第3の実施の形態に係るレーザ分光装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the laser spectrometer which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 差周波発生を基にした波長変換素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the wavelength conversion element based on difference frequency generation | occurrence | production. 波長変換素子を用いた従来の差周波発生光源の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional difference frequency generation light source using a wavelength conversion element. 差周波光源において波長変調分光法を行う場合の一般的な光源構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the general light source structure in the case of performing wavelength modulation spectroscopy in a difference frequency light source. 差周波光源において波長変調分光法を行う場合の一般的な光源の他の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other structure of the general light source in the case of performing wavelength modulation spectroscopy in a difference frequency light source. エタロンを使った波長ロック方法を採用した従来の光源の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional light source which employ | adopted the wavelength locking method using an etalon.

[第1の実施の形態]
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1に本発明の第1の実施の形態に係るレーザ分光装置の構成を示す。
レーザ分光装置は、中赤外レーザ光源と、測定対象のガスが封入された測定対象セル109を透過した光を集光する集光レンズ112と、集光レンズ112によって集光された光を検出する光検出器114と、光検出器114から出力される検出信号のうち、後述する信号発生器から出力される周波数2fの参照信号に応じて周波数2fの成分を取り出すロックイン増幅器118と、ロックイン増幅器118が取り出した成分を基に測定対象のガスの濃度を演算して、演算結果を表示する濃度演算・表示器119(濃度演算手段)とを備えている。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of a laser spectroscopic apparatus according to the first embodiment of the present invention.
The laser spectroscopic device detects a light collected by the condensing lens 112, a condensing lens 112 that condenses light transmitted through the measurement target cell 109 in which a gas to be measured is sealed, and a mid-infrared laser light source. And a lock-in amplifier 118 for extracting a component of frequency 2f in accordance with a reference signal of frequency 2f output from a signal generator, which will be described later, among the detection signals output from the photodetector 114, and a lock A concentration calculation / display device 119 (concentration calculation means) is provided that calculates the concentration of the gas to be measured based on the component extracted by the in-amplifier 118 and displays the calculation result.

本実施の形態の中赤外レーザ光源は、DFB型半導体レーザからなる励起光光源100と、同じくDFB型半導体レーザからなる信号光光源101と、周波数fの正弦波信号を信号光光源101への注入電流に重畳させる信号発生器102(波長変調手段)と、励起光光源100からの励起光を増幅するファイバアンプ103と、光カプラ等からなる光合波器104と、周期的に分極反転された2次非線形光学材料からなる光導波路を備えた波長変換素子105と、波長変換素子105から出力された光を平行光化するコリメータ106と、不要な光を除去するための光学フィルタ107と、波長変換素子105から出力された光を分岐させる分岐ミラー108と、分岐ミラー108によって分岐された一方の光を反射するミラー111と、参照物質が封入された参照セル110を透過した光を集光する集光レンズ113と、集光レンズ113によって集光された光を検出する光検出器115と、光検出器115から出力される検出信号のうち、信号発生器102から出力される周波数3fの参照信号に応じて周波数3fの成分を取り出すロックイン増幅器116と、ロックイン増幅器116が取り出した成分を基に信号光光源101へフィードバック(帰還)制御を行うPID制御回路117とから構成される。   The mid-infrared laser light source of this embodiment includes an excitation light source 100 made of a DFB type semiconductor laser, a signal light source 101 also made of a DFB type semiconductor laser, and a sine wave signal having a frequency f to the signal light source 101. The signal generator 102 (wavelength modulation means) to be superimposed on the injection current, the fiber amplifier 103 that amplifies the pumping light from the pumping light source 100, the optical multiplexer 104 including an optical coupler, and the like are periodically poled. A wavelength conversion element 105 having an optical waveguide made of a second-order nonlinear optical material, a collimator 106 that collimates the light output from the wavelength conversion element 105, an optical filter 107 for removing unnecessary light, and a wavelength A branch mirror 108 for branching the light output from the conversion element 105, a mirror 111 for reflecting one light branched by the branch mirror 108, A light collecting lens 113 that condenses the light transmitted through the reference cell 110 encapsulating the reference material, a light detector 115 that detects light collected by the light condensing lens 113, and the light output from the light detector 115. Of the detection signals, a lock-in amplifier 116 that extracts a frequency 3f component in accordance with a frequency 3f reference signal output from the signal generator 102, and feedback to the signal light source 101 based on the component extracted by the lock-in amplifier 116. And a PID control circuit 117 that performs (feedback) control.

分岐ミラー108は、光分岐手段を構成している。光検出器115とロックイン増幅器116とPID制御回路117とは、第1の帰還制御手段を構成している。   The branch mirror 108 constitutes an optical branching unit. The photodetector 115, the lock-in amplifier 116, and the PID control circuit 117 constitute a first feedback control means.

励起光光源100から出力される励起光は、ファイバアンプ103によって増幅される。信号発生器102は、信号光用のレーザドライバ(不図示)を介して、信号光光源101の注入電流を周波数fの正弦波信号で変調することにより、信号光光源101から出力される信号光に周波数fの微小な正弦波変調を施す。光合波器104は、ファイバアンプ103によって増幅された励起光と信号光光源101からの信号光とを合波する。励起光と信号光の合波光が波長変換素子105に入射すると、非線形光学効果により励起光と信号光との差周波光である変換光が発生する。波長変換素子105の構造は図12と同様である。   Excitation light output from the excitation light source 100 is amplified by the fiber amplifier 103. The signal generator 102 modulates the injection current of the signal light source 101 with a sine wave signal having a frequency f via a signal light laser driver (not shown), thereby outputting the signal light output from the signal light source 101. Is subjected to minute sine wave modulation of frequency f. The optical multiplexer 104 multiplexes the excitation light amplified by the fiber amplifier 103 and the signal light from the signal light source 101. When the combined light of the excitation light and the signal light enters the wavelength conversion element 105, converted light that is a difference frequency light between the excitation light and the signal light is generated due to the nonlinear optical effect. The structure of the wavelength conversion element 105 is the same as that shown in FIG.

コリメータ106は、波長変換素子105の出力光を絞って平行光化する。光学フィルタ107は、波長変換素子105の出力光から、不要となる信号光および励起光を除去する。分岐ミラー108は、光学フィルタ107を通過した変換光を分岐させ、一方の光を測定対象セル109に入射させる。ミラー111は、分岐ミラー108によって分岐された他方の光を反射させ、参照セル110に入射させる。   The collimator 106 squeezes the output light of the wavelength conversion element 105 into parallel light. The optical filter 107 removes unnecessary signal light and excitation light from the output light of the wavelength conversion element 105. The branching mirror 108 branches the converted light that has passed through the optical filter 107 and makes one light incident on the measurement target cell 109. The mirror 111 reflects the other light branched by the branch mirror 108 and makes it incident on the reference cell 110.

参照セル110は、波長ロックを行う吸収線を測定するためのセルであり、通常、参照物質として、測定対象と同じガスが充填されているが、参照物質は、測定対象と等しい波長位置に吸収線をもつガスであればよく、測定対象と異なるガスであってもよい。
集光レンズ112は、測定対象セル109を透過した光を集光して光検出器114に入射させる。集光レンズ113は、参照セル110を透過した光を集光して光検出器115に入射させる。光検出器114,115は、それぞれ入射光を電気信号に変換する。
The reference cell 110 is a cell for measuring an absorption line that performs wavelength locking, and is usually filled with the same gas as the measurement target as a reference substance, but the reference substance is absorbed at the same wavelength position as the measurement target. A gas having a line may be used, and a gas different from the measurement target may be used.
The condenser lens 112 collects the light transmitted through the measurement target cell 109 and causes the light to enter the photodetector 114. The condenser lens 113 collects the light transmitted through the reference cell 110 and causes the light to enter the photodetector 115. The photodetectors 114 and 115 each convert incident light into an electrical signal.

なお、図1の例では、光増幅器として、励起光を増幅するためのファイバアンプ103を設けているが、信号光を増幅するための光増幅器を設けてもよい。また、図1の例では、波長変換素子105の後にコリメータ106と光学フィルタ107を設け、光検出器114,115の前に集光レンズ112,113を設けているが、これらは必須の構成ではなく、これらの構成を設けなくてもよい。   In the example of FIG. 1, the fiber amplifier 103 for amplifying the pumping light is provided as the optical amplifier, but an optical amplifier for amplifying the signal light may be provided. In the example of FIG. 1, the collimator 106 and the optical filter 107 are provided after the wavelength conversion element 105, and the condensing lenses 112 and 113 are provided in front of the photodetectors 114 and 115. However, these are indispensable configurations. There is no need to provide these configurations.

図1の構成では、中赤外レーザ光源の波長をロックするために信号光光源101の波長を制御し、この制御のために参照セル光路の信号を利用する。参照セル光路の信号は光検出器115によって検出される。ロックイン増幅器116は、光検出器115から出力される検出信号のうち、信号発生器102から出力される参照信号に応じた周波数の成分を取り出す。PID制御回路117は、ロックイン増幅器116が取り出した成分を基に信号光光源101の注入電流を制御することによって、信号光光源101の波長をロックするためのフィードバック制御を行う。   In the configuration of FIG. 1, the wavelength of the signal light source 101 is controlled to lock the wavelength of the mid-infrared laser light source, and the signal of the reference cell optical path is used for this control. The signal in the reference cell optical path is detected by the photodetector 115. The lock-in amplifier 116 extracts a frequency component corresponding to the reference signal output from the signal generator 102 from the detection signal output from the photodetector 115. The PID control circuit 117 performs feedback control for locking the wavelength of the signal light source 101 by controlling the injection current of the signal light source 101 based on the component extracted by the lock-in amplifier 116.

通常良く用いられるフィードバック制御の方法を説明する。微小な吸収の測定では、変調周波数fの2倍波である2fの周波数応答成分をロックイン増幅器で検出する2f検波が広く用いられる。2f信号はガスの吸収線の波長位置で上に凸のピーク構造を持つ。一方、中赤外レーザ光源の波長ロックのためのフィードバック制御には、変調周波数fで検波する1f検波、あるいはその3倍波である3fの周波数応答成分を検出する3f検波が用いられる。1f検波は信号が大きいため検出しやすいが、オフセットの調整が必須であり、そのための工夫を別途必要とするため、3f検波も広く用いられる。   A feedback control method that is usually used frequently will be described. In the measurement of minute absorption, 2f detection in which a frequency response component of 2f that is a second harmonic of the modulation frequency f is detected by a lock-in amplifier is widely used. The 2f signal has an upwardly convex peak structure at the wavelength position of the gas absorption line. On the other hand, for feedback control for wavelength locking of the mid-infrared laser light source, 1f detection for detecting at the modulation frequency f or 3f detection for detecting a frequency response component of 3f that is a third harmonic thereof is used. Although 1f detection is easy to detect because the signal is large, it is essential to adjust the offset, and 3f detection is also widely used because it requires a separate device.

以下、測定対象の吸収測定では2f検波を、フィードバック制御では3f検波を行うものとして波長ロックの仕組みを説明する。すなわち、信号発生器102からロックイン増幅器118に周波数2fの参照信号が供給されることにより、ロックイン増幅器118は、光検出器114から出力される検出信号のうち周波数2fの成分を取り出す。また、信号発生器102からロックイン増幅器116に周波数3fの参照信号が供給されることにより、ロックイン増幅器116は、光検出器115から出力される検出信号のうち周波数3fの成分を取り出す。なお、1fの成分を取り出す場合には、信号発生器102からロックイン増幅器116に周波数1fの参照信号を供給して、ロックイン増幅器116が、光検出器115から出力される検出信号のうち周波数1fの成分を取り出すようにすればよい。   Hereinafter, the mechanism of wavelength locking will be described assuming that 2f detection is performed in the absorption measurement of the measurement target and 3f detection is performed in the feedback control. That is, when the reference signal of the frequency 2f is supplied from the signal generator 102 to the lock-in amplifier 118, the lock-in amplifier 118 extracts the component of the frequency 2f from the detection signal output from the photodetector 114. In addition, when the reference signal of frequency 3f is supplied from the signal generator 102 to the lock-in amplifier 116, the lock-in amplifier 116 extracts the component of frequency 3f from the detection signal output from the photodetector 115. When the 1f component is extracted, a reference signal having a frequency of 1f is supplied from the signal generator 102 to the lock-in amplifier 116, and the lock-in amplifier 116 has a frequency out of the detection signals output from the photodetector 115. What is necessary is just to take out the 1f component.

本実施の形態では、装置構成を簡単にするために参照セル110には測定対象と同じガス種が封入されているとする。図2にロックイン増幅器118によって取り出される2f信号、およびロックイン増幅器116によって取り出される3f信号のスペクトルを示す。図2の200が2f信号のスペクトル、201が3f信号のスペクトルである。図2の縦軸は信号強度、横軸は波長である。   In the present embodiment, it is assumed that the same gas type as that of the measurement object is sealed in the reference cell 110 in order to simplify the apparatus configuration. FIG. 2 shows the spectrum of the 2f signal extracted by the lock-in amplifier 118 and the 3f signal extracted by the lock-in amplifier 116. In FIG. 2, 200 is the spectrum of the 2f signal, and 201 is the spectrum of the 3f signal. In FIG. 2, the vertical axis represents signal intensity, and the horizontal axis represents wavelength.

202は測定対象の吸収線の波長を表している。この吸収線の波長において、2f信号は上記のとおりピークを生じ、3f信号の強度は零となる。すなわち、中赤外レーザ光源の波長が測定対象の吸収線の波長と等しいならば、3f信号は零となり、中赤外レーザ光源の波長が測定対象の吸収線の波長に対して長波側あるいは短波側にずれると、このずれた量に比例して3f信号は正あるいは負の値をとる。したがって、3f信号の値を基にしてフィードバック制御を行うようにすれば、中赤外レーザ光源の波長のずれに比例した制御を実現できるため、測定対象の吸収線の波長位置に中赤外レーザ光源の波長をロックすることができる。   Reference numeral 202 denotes the wavelength of the absorption line to be measured. At the wavelength of this absorption line, the 2f signal peaks as described above, and the intensity of the 3f signal is zero. That is, if the wavelength of the mid-infrared laser light source is equal to the wavelength of the absorption line to be measured, the 3f signal is zero, and the wavelength of the mid-infrared laser light source is longer or shorter than the wavelength of the absorption line to be measured. When shifted to the side, the 3f signal takes a positive or negative value in proportion to the amount of shift. Therefore, if feedback control is performed based on the value of the 3f signal, control proportional to the wavelength shift of the mid-infrared laser light source can be realized, so that the mid-infrared laser is positioned at the wavelength position of the absorption line to be measured. The wavelength of the light source can be locked.

上述したように、差周波発生を利用する場合は励起光用と信号光用の2種類の半導体レーザが存在するため、どちらの半導体レーザに変調を施し、どちらの半導体レーザにフィードバック制御を施すかの任意性が生じるため、中赤外レーザ光源の構成方法は一意には定まらない。   As described above, when using difference frequency generation, there are two types of semiconductor lasers for excitation light and signal light. Which semiconductor laser is modulated and which is subjected to feedback control? Therefore, the configuration method of the mid-infrared laser light source is not uniquely determined.

本実施の形態においては、中赤外レーザ光源の構成の仕方として、周波数fの波長変調を施す半導体レーザとフィードバック制御を施す半導体レーザを、波長変換素子105の端面反射率が低い側の半導体レーザに統一するという特徴を有する。すなわち、励起光光源側、信号光光源側のどちらでも構わないが、波長変換素子105の端面反射率が低い方の半導体レーザに周波数fの波長変調を施し、同時に波長をロックするためのフィードバック制御を施す。   In the present embodiment, as a configuration of the mid-infrared laser light source, a semiconductor laser that performs wavelength modulation of frequency f and a semiconductor laser that performs feedback control are a semiconductor laser having a low end face reflectance of the wavelength conversion element 105. It has the characteristic of unifying. In other words, either the pumping light source side or the signal light source side may be used, but the semiconductor laser having the lower end face reflectivity of the wavelength conversion element 105 is subjected to wavelength modulation of the frequency f and simultaneously feedback control for locking the wavelength. Apply.

本実施の形態が優れた特徴をもつ仕組みを以下に説明する。以下、図1に示すように変調とフィードバック制御とを信号光光源101に対して行うものとして説明するが、励起光光源100の場合であっても同じ説明が当てはまる。   A mechanism in which the present embodiment has excellent features will be described below. In the following description, modulation and feedback control are performed on the signal light source 101 as shown in FIG. 1, but the same description applies to the case of the excitation light source 100.

中赤外レーザ光源の波長が測定対象の吸収線の波長に対してずれた影響を考慮すると、2f信号に及ぼされる影響は以下のとおりとなる。非線形光学結晶を使った波長変換素子105を用いる場合、この素子の両端面の間で反射が発生し、これによってフリンジ(干渉縞)と呼ばれる波長依存性を持つ光信号の変動が生じる。フリンジは、励起光、信号光、変換光である差周波(idler)光すべての波長帯において、波長が変化すると生じるものである。このフリンジの影響は、光信号そのものの変動としては小さくても、波長変調を施して微分信号として検出されると大きな影響となる。信号光に変調を加えている場合、微分信号(2f信号あるいは3f信号)が大きな影響をうけるフリンジは、差周波光由来のフリンジと、信号光由来のフリンジが差周波光に変換されて生じるフリンジ成分である。   Considering the influence that the wavelength of the mid-infrared laser light source is shifted with respect to the wavelength of the absorption line to be measured, the influence on the 2f signal is as follows. When the wavelength conversion element 105 using a nonlinear optical crystal is used, reflection occurs between both end faces of the element, thereby causing a variation in an optical signal having a wavelength dependency called fringe (interference fringe). Fringe is generated when the wavelength changes in all wavelength bands of pump light, signal light, and converted frequency (idler) light. Even if the influence of the fringe is small as the fluctuation of the optical signal itself, it has a large influence when it is detected as a differential signal after wavelength modulation. When modulation is applied to the signal light, the fringe that the differential signal (2f signal or 3f signal) is greatly affected is the fringe derived from the difference frequency light and the fringe generated by converting the fringe derived from the signal light into the difference frequency light. It is an ingredient.

まず、波長をロックするためのフィードバック制御が行われる側の信号光の波長が所望の波長からずれてしまった場合、そのずれを補正するように信号光光源101へのフィードバック制御が行われるため特徴的な現象は生じない。しかしながら、フィードバック制御が行われる半導体レーザとは異なる半導体レーザの波長がずれた場合に、微分信号に特徴が生じる。   First, when the wavelength of the signal light on the side on which feedback control for locking the wavelength is deviated from a desired wavelength, the feedback control to the signal light source 101 is performed so as to correct the deviation. Does not occur. However, when the wavelength of a semiconductor laser different from the semiconductor laser for which feedback control is performed is shifted, the differential signal is characterized.

図3(A)は本実施の形態においてフィードバック制御が行われない側の励起光の波長が適正である場合の2f信号のスペクトルを示す図、図3(B)は励起光の波長が所望の波長に対して長波側にずれた場合の2f信号のスペクトルを示す図、図3(C)は励起光の波長が所望の波長に対して短波側にずれた場合の2f信号のスペクトルを示す図である。横軸に平行な直線300はピーク位置を示すガイド線である。   FIG. 3A is a diagram illustrating a spectrum of the 2f signal when the wavelength of the excitation light on the side where feedback control is not performed in this embodiment is appropriate, and FIG. 3B is a diagram in which the wavelength of the excitation light is desired. FIG. 3C is a diagram showing the spectrum of the 2f signal when the wavelength of the excitation light is shifted to the short wave side with respect to the desired wavelength. It is. A straight line 300 parallel to the horizontal axis is a guide line indicating a peak position.

測定対象の吸収線の波長は温度・圧力が一定であれば不変である。励起光光源100の波長がずれた場合、式(1)の関係に基づいて、フィードバック制御が行われる側の信号光光源101の波長を変化させて元と同じ差周波光(idler光)を発生させることになるため、差周波光を基準に考えると波長は同一であるが、信号光を基準に考えると2f信号のピークの位置は元々の信号光の波長とは異なっている。したがって、信号光波長で2f信号のスペクトルを表した場合、2f信号にピークが生じる信号光波長は、励起光波長にずれが生じたときに図3(A)の状態から図3(B)の状態または図3(C)の状態のようにずれることとなる。   The wavelength of the absorption line to be measured is unchanged if the temperature and pressure are constant. When the wavelength of the excitation light source 100 is deviated, the same difference frequency light (idler light) as the original is generated by changing the wavelength of the signal light source 101 on the side where feedback control is performed based on the relationship of the expression (1). Therefore, the wavelength is the same when the difference frequency light is considered as a reference, but the peak position of the 2f signal is different from the wavelength of the original signal light when the signal light is considered as a reference. Therefore, when the spectrum of the 2f signal is represented by the signal light wavelength, the signal light wavelength at which the peak occurs in the 2f signal is changed from the state of FIG. 3A to the state of FIG. The state or the state shown in FIG.

ここで、波長ずれによる影響を考察する。励起光の波長がずれたことによる影響は光信号がフリンジにより揺らぐことであるが、励起光には波長変調が施されていないため、2f信号あるいは3f信号への影響は少ない。また、信号光光源101へのフィードバック制御により、差周波光の波長はずれていないため、差周波光由来のフリンジによる影響は受けない。   Here, the effect of wavelength shift will be considered. The influence of the shift of the wavelength of the pumping light is that the optical signal fluctuates due to fringe, but since the pumping light is not subjected to wavelength modulation, the influence on the 2f signal or the 3f signal is small. Further, since the wavelength of the difference frequency light is not shifted by feedback control to the signal light source 101, it is not affected by the fringe derived from the difference frequency light.

信号光波長は、フィードバック制御により、図3(B)または図3(C)のようにずれるが、このとき、波長変調が施されているために信号光由来のフリンジ(信号光由来のフリンジが差周波光に変換されて生じるフリンジ)により2f信号および3f信号出力に影響を受ける。すなわち、信号のピーク位置とフリンジによる出力揺らぎの重なり方によって、2f信号または3f信号出力が揺らぐことになる。3f信号の揺らぎはロック波長のずれ、すなわち吸収線ピーク波長に対する中赤外レーザ光源の波長のずれにつながり、検出信号である2f信号の揺れは計測濃度の揺れに繋がる。したがって、それぞれのずれが計測誤差の原因となる。   The signal light wavelength is shifted as shown in FIG. 3B or FIG. 3C by feedback control. At this time, since the wavelength modulation is performed, the fringe derived from the signal light (the fringe derived from the signal light is The 2f signal and the 3f signal output are affected by the fringe generated by the conversion to the difference frequency light. That is, the 2f signal or the 3f signal output fluctuates depending on how the signal peak position and the output fluctuation due to fringe overlap. The fluctuation of the 3f signal leads to the shift of the lock wavelength, that is, the shift of the wavelength of the mid-infrared laser light source with respect to the absorption line peak wavelength, and the fluctuation of the 2f signal as the detection signal leads to the fluctuation of the measured concentration. Therefore, each deviation causes a measurement error.

しかしながら、本実施の形態では、波長変換素子105での端面反射率が低い側の半導体レーザ(本実施の形態の例では信号光光源101)に変調およびフィードバック制御を施しているため、差周波光に変換されるフリンジによる影響は最小限度に抑えられている。図4は波長ロックを行った場合の測定対象光路の入射光パワーで規格化した2f信号出力の時間変化を示す図である。図4によれば、励起光の波長の揺れによる若干の出力変動がみられるものの、2f信号の強度はほぼ一定に保たれており、信号光光源101へのフィードバック制御により中赤外レーザ光源の波長をロックした効果が表れている。   However, in the present embodiment, modulation and feedback control are performed on the semiconductor laser (the signal light source 101 in the example of the present embodiment) on the side having the lower end face reflectance of the wavelength conversion element 105, so that the difference frequency light The effect of fringes converted to is minimized. FIG. 4 is a diagram showing a time change of the 2f signal output normalized by the incident light power of the measurement target optical path when wavelength locking is performed. According to FIG. 4, although the output fluctuation due to the fluctuation of the wavelength of the excitation light is seen, the intensity of the 2f signal is kept almost constant, and the mid-infrared laser light source is controlled by feedback control to the signal light source 101. The effect of locking the wavelength appears.

次に、本実施の形態とは異なり、周波数fの波長変調を施す半導体レーザと波長ロックのフィードバック制御を施す半導体レーザを分離した場合について説明する。ここでは波長変調を励起光光源に施し、フィードバック制御を信号光光源に施すこととするが、逆に波長変調を信号光光源に施し、フィードバック制御を励起光光源に施す場合であっても同様の説明が当てはまる。   Next, unlike the present embodiment, a case will be described in which a semiconductor laser that performs wavelength modulation at a frequency f and a semiconductor laser that performs feedback control of wavelength lock are separated. Here, the wavelength modulation is applied to the excitation light source and the feedback control is applied to the signal light source. Conversely, the same applies to the case where the wavelength modulation is applied to the signal light source and the feedback control is applied to the excitation light source. The explanation applies.

波長変調を施す半導体レーザと波長ロックのフィードバック制御を施す半導体レーザを分離した場合、フィードバック制御が行われる光源ではない励起光光源の波長がずれた場合に本実施の形態との差異が生じる。図5(A)は波長変調を施す半導体レーザとフィードバック制御を施す半導体レーザを分離した場合においてフィードバック制御が行われない側の励起光の波長が適正である場合の2f信号のスペクトルを示す図、図5(B)は励起光の波長が所望の波長に対して長波側にずれた場合の2f信号のスペクトルを示す図、図5(C)は励起光の波長が所望の波長に対して短波側にずれた場合の2f信号のスペクトルを示す図である。図3(A)〜図3(C)の場合と同様に、横軸に平行な直線300はピーク位置を示すガイド線である。   When a semiconductor laser that performs wavelength modulation and a semiconductor laser that performs feedback control of wavelength lock are separated, a difference from the present embodiment occurs when the wavelength of an excitation light source that is not a light source for which feedback control is performed is shifted. FIG. 5A is a diagram showing the spectrum of the 2f signal when the wavelength of the excitation light on the side where feedback control is not performed is appropriate when the semiconductor laser that performs wavelength modulation and the semiconductor laser that performs feedback control are separated. FIG. 5B is a diagram showing the spectrum of the 2f signal when the wavelength of the excitation light is shifted to the long wave side with respect to the desired wavelength, and FIG. 5C is a short wave with respect to the desired wavelength of the excitation light. It is a figure which shows the spectrum of 2f signal at the time of shifting to the side. As in the case of FIGS. 3A to 3C, the straight line 300 parallel to the horizontal axis is a guide line indicating the peak position.

測定対象の吸収線の波長は温度・圧力が一定であれば不変である。本実施の形態と同様に、励起光光源の波長がずれた場合、式(1)の関係に基づいて、フィードバック制御が行われる側の信号光光源の波長を変化させて元と同じ差周波光(idler光)を発生させることになるため、差周波光を基準に考えると波長は同一であるが、信号光を基準に考えると2f信号のピークの位置は元々の信号光の波長とは異なっている。したがって、信号光波長で2f信号のスペクトルを表した場合、2f信号にピークが生じる信号光波長は、励起光波長にずれが生じたときに図5(A)の状態から図5(B)の状態または図5(C)の状態のようにずれることとなる。   The wavelength of the absorption line to be measured is unchanged if the temperature and pressure are constant. Similar to the present embodiment, when the wavelength of the excitation light source is shifted, based on the relationship of Expression (1), the wavelength of the signal light source on the side where feedback control is performed is changed to obtain the same difference frequency light as the original. (Idler light) is generated, so the wavelength is the same when considering the difference frequency light, but the peak position of the 2f signal is different from the wavelength of the original signal light when considering the signal light as a reference. ing. Therefore, when the spectrum of the 2f signal is represented by the signal light wavelength, the signal light wavelength at which the 2f signal has a peak is changed from the state of FIG. 5A to the state of FIG. 5B when the excitation light wavelength is shifted. The state or the state shown in FIG.

ここで、波長変調を施す半導体レーザと波長ロックのフィードバック制御を施す半導体レーザを分離した場合の波長ずれによる影響を考察する。励起光の波長がずれたことによる影響は、励起光光源に波長変調を施しているために本実施の形態とは状況が異なる。すなわち、この場合は励起光光源に波長変調が施されているため、差周波光に変換されるフリンジ成分により2f信号あるいは3f信号への影響が生じるようになる。波長変調は、励起光光源への注入電流の固定点を中心として行うことになるため、信号光波長とは無相関であり、2f信号あるいは3f信号への影響は信号光波長に依存しない。   Here, the influence of wavelength shift when a semiconductor laser that performs wavelength modulation and a semiconductor laser that performs feedback control of wavelength lock are separated will be considered. The influence of the shift of the wavelength of the excitation light is different from the present embodiment because the excitation light source is subjected to wavelength modulation. That is, in this case, since the excitation light source is subjected to wavelength modulation, the fringe component converted into the difference frequency light affects the 2f signal or the 3f signal. Since the wavelength modulation is performed around the fixed point of the injection current to the excitation light source, it is uncorrelated with the signal light wavelength, and the influence on the 2f signal or the 3f signal does not depend on the signal light wavelength.

また、励起光の波長のずれによる影響は、変調によって変動している波長間に存在する、差周波光に変換される励起光由来のフリンジの影響を平均した形で2f信号あるいは3f信号へ重畳されるため、信号光波長でみたスペクトル上への影響はスペクトルの強度のオフセットに現れる。励起光の波長がずれると、フリンジの平均のされ方が変化するために、この波長のずれはオフセットの上下変動(スペクトルの強度の平行移動)という形で現れることになる。図5(A)〜図5(C)のスペクトルに、励起光の波長のずれによる影響が表れている。   Also, the influence of the wavelength shift of the excitation light is superimposed on the 2f signal or 3f signal in the form of averaging the influence of the fringe derived from the excitation light that is converted into the difference frequency light that exists between the wavelengths that are fluctuating due to the modulation. Therefore, the influence on the spectrum in terms of the signal light wavelength appears in the offset of the spectrum intensity. When the wavelength of the excitation light is deviated, the fringe average is changed, and this wavelength deviation appears in the form of vertical fluctuation of the offset (translation of the spectral intensity). In the spectra of FIGS. 5A to 5C, the influence of the wavelength shift of the excitation light appears.

したがって、2f信号あるいは3f信号のオフセットが変動する、すなわち一定値、上下変動することになるが、3f信号の変動はロック波長のずれにつながり、検出信号である2f信号の変動は計測濃度の揺れに繋がるため、計測誤差が大きな値になってしまう。一方で、信号光光源へのフィードバック制御により、差周波光の波長は、ずれていないため差周波光由来のフリンジによる影響は受けない。また、信号光には波長変調が施されていないため、2f信号にピークが生じる信号光波長のずれの影響は僅かである。   Therefore, the offset of the 2f signal or 3f signal fluctuates, that is, fluctuates up and down by a constant value. However, the fluctuation of the 3f signal leads to the shift of the lock wavelength, and the fluctuation of the 2f signal as the detection signal fluctuates the measured concentration. As a result, the measurement error becomes a large value. On the other hand, since the wavelength of the difference frequency light is not shifted by feedback control to the signal light source, it is not affected by the fringe derived from the difference frequency light. Further, since the signal light is not subjected to wavelength modulation, the influence of the shift of the signal light wavelength that causes a peak in the 2f signal is slight.

図6は、波長変調を施す半導体レーザと波長ロックのフィードバック制御を施す半導体レーザを分離した場合において波長ロックを行った場合の測定対象光路の入射光パワーで規格化した2f信号出力の時間変化を示した図である。励起光の波長の揺れにより、2f信号および3f信号が変動するために、ロック波長のずれと2f信号変動の影響が重なり、2f信号に大きな強度変動が見られる。つまり、信号光光源へのフィードバック制御により中赤外レーザ光源の波長をロックした効果があまり大きくないことが分かる。   FIG. 6 shows the time change of the 2f signal output normalized by the incident light power of the optical path to be measured when wavelength locking is performed when the semiconductor laser that performs wavelength modulation and the semiconductor laser that performs wavelength lock feedback control are separated. FIG. Since the 2f signal and the 3f signal fluctuate due to the fluctuation of the wavelength of the pumping light, the influence of the shift wavelength shift and the 2f signal fluctuation overlaps, and a large intensity fluctuation is observed in the 2f signal. That is, it can be seen that the effect of locking the wavelength of the mid-infrared laser light source by feedback control to the signal light source is not so great.

波長ずれが信号の出力値に及ぼす影響であるが、通常、波長変調とフィードバック制御を別の半導体レーザに施した方が大きな出力変動となる。これは、以下の理由による。波長変調を施す半導体レーザとフィードバック制御を施す半導体レーザを分離した場合、波長変調の変調振幅は中赤外光(差周波光)由来のフリンジの出力変動が小さくなる値に調整するが、その変調振幅では近赤外光である励起光あるいは信号光の波長帯におけるフリンジの出力変動を小さくできない。また、この調整では近赤外光由来のフリンジの影響を知る方法が無く、近赤外光由来と中赤外光由来両方のフリンジの出力変動を同時に小さく調整するのは困難である。そのため、波長がすれた際にフリンジの影響を大きく検出してしまうことになり、信号の出力変動が大きくなってしまう。一方、波長変調とフィードバック制御を同じ半導体レーザに施す場合は、波長変調の変調振幅を、中赤外光由来のフリンジと近赤外光由来のフリンジ両方の出力変動を小さくする値に調整することが比較的容易である。   This is an effect of the wavelength shift on the output value of the signal. Usually, a larger output fluctuation occurs when wavelength modulation and feedback control are performed on different semiconductor lasers. This is due to the following reason. When a semiconductor laser that performs wavelength modulation and a semiconductor laser that performs feedback control are separated, the modulation amplitude of wavelength modulation is adjusted to a value that reduces the output fluctuation of fringes derived from mid-infrared light (difference frequency light). In terms of amplitude, fluctuations in fringe output in the wavelength band of excitation light or signal light, which is near infrared light, cannot be reduced. Further, in this adjustment, there is no method for knowing the influence of fringes derived from near-infrared light, and it is difficult to simultaneously adjust the output fluctuations of fringes derived from both near-infrared light and mid-infrared light to be small. For this reason, when the wavelength is shifted, the influence of the fringe is greatly detected, and the output fluctuation of the signal becomes large. On the other hand, when wavelength modulation and feedback control are applied to the same semiconductor laser, the modulation amplitude of wavelength modulation should be adjusted to a value that reduces the output fluctuation of both the fringe derived from mid-infrared light and the fringe derived from near-infrared light. Is relatively easy.

次に、本実施の形態の具体例について説明する。本実施の形態では、レーザ光源は、例えば2μmから20μm帯の波長のレーザ光を出力することを想定しているが、ここでは測定対象としてN2O(亜酸化窒素)の濃度を測定するための4.6μm帯の中赤外光を出力する構成とした。 Next, a specific example of the present embodiment will be described. In this embodiment, it is assumed that the laser light source outputs laser light having a wavelength of, for example, 2 μm to 20 μm, but here, in order to measure the concentration of N 2 O (nitrous oxide) as a measurement target. The 4.6 μm band mid-infrared light is output.

励起光光源100としては、1.06μm付近の波長のレーザ光を出力するDFB型半導体レーザを使用し、信号光光源101としては、1.39μm付近の波長のレーザ光を出力するDFB型半導体レーザを使用した。今回、波長変換素子105の信号光波長帯における端面反射率が励起光波長帯における端面反射率よりも低かったため、波長変調と波長ロックのためのフィードバック制御は信号光光源101に対して行うこととした。   As the excitation light source 100, a DFB semiconductor laser that outputs laser light having a wavelength near 1.06 μm is used. As the signal light source 101, a DFB semiconductor laser that outputs laser light having a wavelength near 1.39 μm is used. It was used. Since the end face reflectance of the wavelength conversion element 105 in the signal light wavelength band is lower than the end face reflectance in the excitation light wavelength band, feedback control for wavelength modulation and wavelength lock is performed on the signal light source 101. did.

1.06μmの励起光を増幅するためのファイバアンプ103として、YbドープのファイバアンプであるYDFA(Ytterbium Doped Fiber Amplifier)を用いた。励起光と信号光は、例えばファイバ融着タイプの光カプラ等からなる光合波器104で合波され、波長変換素子105に導入される。合波された光は波長変換素子105内でレンズにより光導波路に結合され、差周波発生により4.6μm帯の変換光に変換される。   A YDFA (Ytterbium Doped Fiber Amplifier), which is a Yb-doped fiber amplifier, was used as the fiber amplifier 103 for amplifying 1.06 μm excitation light. The excitation light and the signal light are combined by an optical multiplexer 104 made of, for example, a fiber fusion type optical coupler, and introduced into the wavelength conversion element 105. The combined light is coupled to the optical waveguide by a lens in the wavelength conversion element 105, and is converted into converted light in the 4.6 μm band by the difference frequency generation.

波長変換素子105は、Znをドープしたニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなる、幅20μm、高さ15μm、長さ50mm、分極反転周期26μmの光導波路を備えている。この光導波路は、ベース基板となるタンタル酸リチウムと熱拡散を用いた直接接合により接合されており、ダイシングソーにより導波路構造を作製した。素子の材料、サイズ、作製方法は一例であり、この例に限定されるものではない。 The wavelength conversion element 105 includes an optical waveguide made of Zn-doped lithium niobate (LiNbO 3 ) having a width of 20 μm, a height of 15 μm, a length of 50 mm, and a polarization inversion period of 26 μm. This optical waveguide was joined with lithium tantalate serving as a base substrate by direct joining using thermal diffusion, and a waveguide structure was produced by a dicing saw. The material, size, and manufacturing method of the element are examples, and are not limited to this example.

光導波路は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ZnもしくはMgが添加されたニオブ酸リチウム、ZnもしくはMgが添加されたタンタル酸リチウム、またはこれらの材料の混晶のいずれかから構成すればよい。   The optical waveguide may be composed of any one of lithium niobate, lithium tantalate, lithium niobate to which Zn or Mg is added, lithium tantalate to which Zn or Mg is added, or a mixed crystal of these materials.

分岐ミラー108は、ペリクルビームスプリッター等のハーフミラーからなる。例えば石英からなる参照セル110には、圧力100Torr、濃度5%のN2Oが封入されている。同様に、測定対象セル109内にもN2Oが封入されている。 The branch mirror 108 is a half mirror such as a pellicle beam splitter. For example, a reference cell 110 made of quartz is filled with N 2 O having a pressure of 100 Torr and a concentration of 5%. Similarly, N 2 O is enclosed in the measurement target cell 109.

波長変換素子105から出力された変換光は、光学フィルタ107(本実施の形態の例ではGeフィルタ)によって不要な近赤外光が除去され、分岐ミラー108により分岐され、分岐した一方の光は測定対象セル109を透過し、他方の光は参照セル110を透過する。   From the converted light output from the wavelength conversion element 105, unnecessary near-infrared light is removed by the optical filter 107 (Ge filter in the example of the present embodiment), branched by the branch mirror 108, and one branched light is The light passing through the measurement target cell 109 is transmitted through the reference cell 110.

本実施の形態では、光検出器114,115として、電子冷却型のInSb検出器を用いた。コリメータ106および集光レンズ112,113としては、中赤外用のフッ化カルシウム(CaF2)製レンズを用いた。
波長変調のための正弦波信号を信号発生器102(ファンクションジェネレータ)によって発生させ、信号光用のレーザドライバ(不図示)を介して信号光の波長変調を行った。変調周波数は15kHzであった。
In this embodiment, an electronically cooled InSb detector is used as the photodetectors 114 and 115. As the collimator 106 and the condensing lenses 112 and 113, mid-infrared calcium fluoride (CaF 2 ) lenses were used.
A sine wave signal for wavelength modulation was generated by a signal generator 102 (function generator), and wavelength modulation of the signal light was performed via a laser driver for signal light (not shown). The modulation frequency was 15 kHz.

上記のとおり、ロックイン増幅器118は、光検出器114から出力される検出信号のうち周波数2fの成分を取り出す。濃度演算・表示器119は、ロックイン増幅器118が取り出した成分を基に測定対象のガスの濃度を演算する。濃度演算・表示器119は、例えばマイクロコンピュータからなり、メモリに予め格納されたプログラムに従って濃度の演算処理を実施する。なお、濃度の演算処理は周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。   As described above, the lock-in amplifier 118 extracts the frequency 2f component from the detection signal output from the photodetector 114. The concentration calculation / display device 119 calculates the concentration of the gas to be measured based on the components extracted by the lock-in amplifier 118. The density calculation / display unit 119 is formed of, for example, a microcomputer, and performs density calculation processing according to a program stored in advance in a memory. Since the density calculation process is a well-known technique, a detailed description thereof is omitted.

ロックイン増幅器116は、光検出器115から出力される検出信号のうち周波数3fの成分を取り出す。PID制御回路117は、ロックイン増幅器116が取り出した成分を基に信号光光源101の注入電流を制御する。具体的には、PID制御回路117は、3f信号の強度が零になるようにフィードバック制御を行う。   The lock-in amplifier 116 extracts a frequency 3f component from the detection signal output from the photodetector 115. The PID control circuit 117 controls the injection current of the signal light source 101 based on the component extracted by the lock-in amplifier 116. Specifically, the PID control circuit 117 performs feedback control so that the intensity of the 3f signal becomes zero.

励起光光源100の出力にアンプを用いることにより、励起光として500mWの光を波長変換素子に入力し、信号光光源101から信号光として50mWの光を波長変換素子に入力したところ、波長変換素子105からの出力として1mWの変換光を得た。今回、波数2205.69cm-1(波長4533.7nm)の吸収線を測定するため、信号光および励起光の波長を調整した。対象とする吸収線に波長を合わせ込んだ後、波長ロックを行い、中赤外レーザ光源の波長を吸収線の波長に固定した。 When an amplifier is used as the output of the excitation light source 100, 500 mW of light is input to the wavelength conversion element as excitation light, and 50 mW of light as the signal light is input from the signal light source 101 to the wavelength conversion element. As an output from 105, 1 mW of converted light was obtained. This time, in order to measure an absorption line having a wave number of 2205.69 cm −1 (wavelength 4533.7 nm), the wavelengths of the signal light and the excitation light were adjusted. After adjusting the wavelength to the target absorption line, wavelength locking was performed, and the wavelength of the mid-infrared laser light source was fixed to the wavelength of the absorption line.

測定対象セル109に測定対象として、様々な濃度のN2Oガスを封入して測定を行い、検量線を作成した。封入したガスの濃度は十分に校正されたガスクロマトグラフィーで確認した。結果を図7に示す。横軸はガスクロマトグラフィーで確認した封入ガス濃度、縦軸は本実施の形態のレーザ分光装置で測定したN2Oガスの濃度である。本実施の形態では、波長ロックの効果が大きいため、データを平均している間の測定値の揺れが少なく、精度の高い濃度測定が可能であり、その結果としてばらつきの少ない検量線を得ることができた。 A measurement curve was created by encapsulating various concentrations of N 2 O gas in the measurement target cell 109 as the measurement target. The concentration of the enclosed gas was confirmed by fully calibrated gas chromatography. The results are shown in FIG. The horizontal axis represents the concentration of the sealed gas confirmed by gas chromatography, and the vertical axis represents the concentration of N 2 O gas measured by the laser spectrometer of the present embodiment. In this embodiment, since the effect of wavelength lock is large, there is little fluctuation of the measured value while averaging the data, and highly accurate concentration measurement is possible, and as a result, a calibration curve with little variation is obtained. I was able to.

比較例として、励起光光源に波長変調を施し、信号光光源にフィードバック制御を施した場合のレーザ分光装置の構成で同様の検量線測定を行った結果を図8に示す。この構成では、データを平均している間の測定値の揺れが大きいため、精度の高いデータを得ることができず、その結果としてばらつきの大きい検量線となった。ばらつきは本実施の形態のレーザ分光装置の場合よりも25%程度大きかった。   As a comparative example, FIG. 8 shows the result of performing the same calibration curve measurement with the configuration of the laser spectroscopic apparatus when the excitation light source is subjected to wavelength modulation and the signal light source is subjected to feedback control. In this configuration, since the fluctuation of the measured value during the averaging of the data is large, highly accurate data cannot be obtained, and as a result, the calibration curve has a large variation. The variation was about 25% larger than that of the laser spectrometer according to the present embodiment.

以上のように本実施の形態によれば、測定データの積算に有利な、測定対象吸収線の波長にレーザ波長をロックする方式を採用した中赤外レーザ光源において、波長ロック時のレーザ光出力の揺らぎが少なく吸収分光に適した構成を実現することができる。その結果、本実施の形態の中赤外レーザ光源を用いることで、従来に比してより高感度な濃度計測が可能なレーザ分光装置を実現することができる。   As described above, according to the present embodiment, in the mid-infrared laser light source adopting the method of locking the laser wavelength to the wavelength of the absorption line to be measured, which is advantageous for integrating measurement data, the laser light output at the time of wavelength locking Therefore, it is possible to realize a configuration suitable for absorption spectroscopy. As a result, by using the mid-infrared laser light source of the present embodiment, it is possible to realize a laser spectroscopic device capable of measuring concentration with higher sensitivity than conventional.

[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図9は本発明の第2の実施の形態に係るレーザ分光装置の構成を示す図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態においても、N2O(亜酸化窒素)の濃度を測定するための4.6μm帯の中赤外光を出力する構成とし、第1の実施の形態と同様に、波長変換素子105の信号光波長帯における端面反射率が励起光波長帯における端面反射率よりも低かったため、波長変調と波長ロックのためのフィードバック制御は信号光光源101に対して行うこととした。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a laser spectrometer according to the second embodiment of the present invention, and the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Also in the present embodiment, the configuration is such that a 4.6 μm band mid-infrared light for measuring the concentration of N 2 O (nitrous oxide) is output, and, similarly to the first embodiment, a wavelength conversion element Since the end face reflectance in the signal light wavelength band 105 was lower than the end face reflectance in the excitation light wavelength band, feedback control for wavelength modulation and wavelength lock was performed on the signal light source 101.

レーザ分光装置としての基本構成は第1の実施の形態と同じであるが、第1の実施の形態で説明したように、フィードバック制御が行われない励起光光源100の波長が揺らぐと信号光光源101の波長もそれに合わせて変化してしまうため、信号光のフリンジの影響によりレーザ光出力に揺らぎが出易くなってしまう。   The basic configuration of the laser spectroscopic device is the same as that of the first embodiment. However, as described in the first embodiment, when the wavelength of the excitation light source 100 where feedback control is not performed fluctuates, the signal light source Since the wavelength of 101 also changes accordingly, the laser light output is likely to fluctuate due to the influence of the fringe of the signal light.

そこで、本実施の形態では、第1の実施の形態の中赤外レーザ光源に、光分波器120と、光検出器付のエタロン121と、PID/制御ドライバ122とを追加し、励起光光源100の波長をロックする構成とした。エタロン121に設けられた光検出器とPID/制御ドライバ122とは、第2の帰還制御手段を構成している。   Therefore, in this embodiment, an optical demultiplexer 120, an etalon 121 with a photodetector, and a PID / control driver 122 are added to the mid-infrared laser light source of the first embodiment, and pump light The wavelength of the light source 100 is locked. The photodetector provided in the etalon 121 and the PID / control driver 122 constitute second feedback control means.

例えば分岐比が1:10の光分波器120は、励起光光源100からの励起光を僅かな量だけ分岐させて、エタロン121に導入する。エタロン121は、共振器構造を有している。エタロン121を透過した光は、干渉効果により、エタロン121の長さ、共振器内屈折率、およびエタロン121の温度により決まる周波数(波長)周期の出力変動を示す。このエタロン121を透過した光をエタロン121に固定された光検出器(不図示)で検出する。図10にエタロン121に入射する光の波長とエタロン透過後の光を検出する光検出器の出力との関係の1例を示す。   For example, the optical demultiplexer 120 having a branching ratio of 1:10 branches the pumping light from the pumping light source 100 by a small amount and introduces it into the etalon 121. The etalon 121 has a resonator structure. The light transmitted through the etalon 121 exhibits an output fluctuation of a frequency (wavelength) period determined by the length of the etalon 121, the refractive index in the resonator, and the temperature of the etalon 121 due to the interference effect. The light transmitted through the etalon 121 is detected by a photodetector (not shown) fixed to the etalon 121. FIG. 10 shows an example of the relationship between the wavelength of light incident on the etalon 121 and the output of the photodetector that detects the light after transmission through the etalon.

図10に示したような波長透過特性において光検出器の出力変動の一部分(例えば図10の400の部分)の傾きを利用してPID制御を行うようにすれば、励起光の波長を所望の波長にロックすることができる。具体的には、PID/制御ドライバ122は、光検出器の出力が所望の値になるように、励起光光源100の注入電流を制御すればよい。
その他の構成は第1の実施の形態で説明したとおりである。
If PID control is performed using the slope of a part of the output fluctuation of the photodetector (for example, 400 in FIG. 10) in the wavelength transmission characteristic as shown in FIG. 10, the wavelength of the excitation light is set to a desired value. Can be locked to wavelength. Specifically, the PID / control driver 122 may control the injection current of the excitation light source 100 so that the output of the photodetector becomes a desired value.
Other configurations are the same as those described in the first embodiment.

第1の実施の形態と同様の方法でN2Oガスの濃度を測定して検量線を作成したところ、第1の実施の形態よりも高精度の測定が可能であり、検量線のばらつきは第1の実施の形態のレーザ分光装置よりもさらに5%程度小さかった。 When a calibration curve was created by measuring the concentration of N 2 O gas by the same method as in the first embodiment, it was possible to measure with higher accuracy than in the first embodiment. It was about 5% smaller than the laser spectroscopic device of the first embodiment.

[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図11は本発明の第3の実施の形態に係るレーザ分光装置の構成を示す図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態においても、N2O(亜酸化窒素)の濃度を測定するための4.6μm帯の中赤外光を出力する構成とし、波長変換素子128の信号光波長帯における端面反射率が励起光波長帯における端面反射率よりも低かったため、波長変調と波長ロックのためのフィードバック制御は信号光光源101に対して行うこととした。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a laser spectroscopic device according to the third embodiment of the present invention. The same components as those in FIG. Also in the present embodiment, the configuration is such that a mid-infrared light of 4.6 μm band for measuring the concentration of N 2 O (nitrous oxide) is output, and the end face reflectance of the wavelength conversion element 128 in the signal light wavelength band. Is lower than the end face reflectance in the excitation light wavelength band, and therefore, feedback control for wavelength modulation and wavelength lock is performed on the signal light source 101.

レーザ分光装置としての基本構成は第1の実施の形態と同じであるが、本実施の形態においては参照セル110内のガス種が測定対象と異なる。ここでは、参照セル110に、圧力100Torr、濃度50%のCO2を封入した。 The basic configuration of the laser spectroscopic device is the same as that of the first embodiment, but in this embodiment, the gas type in the reference cell 110 is different from the measurement target. Here, CO 2 having a pressure of 100 Torr and a concentration of 50% was sealed in the reference cell 110.

今回、測定対象の波数2187.096cm-1(波長4572.27nm)の吸収線を測定するものとし、信号光および励起光の波長を調整した。ところが、CO2の吸収線の内、波数2187.096cm-1の吸収線に最も近いものは波数2187.156cm-1(波長4572.15nm)の吸収線である。CO2の吸収線の波長で中赤外レーザ光源の波長をロックしてしまうと、測定したいN2Oの吸収線の波長とずれた場所にロックしてしまうことになる。 This time, the absorption line having a wave number of 21877.096 cm −1 (wavelength 4572.27 nm) is measured, and the wavelengths of the signal light and the excitation light are adjusted. However, the absorption line closest to the absorption line with a wave number of 21877.096 cm -1 among the absorption lines of CO 2 is the absorption line with a wave number of 2187.156 cm -1 (wavelength 4572.15 nm). If the wavelength of the mid-infrared laser light source is locked with the wavelength of the CO 2 absorption line, it will be locked at a location deviated from the wavelength of the N 2 O absorption line to be measured.

そこで、本実施の形態の中赤外レーザ光源では、波長変換素子105から出力された光を、測定対象セル109を透過する光と参照セル110を透過する光とに分岐させる代わりに、レーザの波長を変化させる波長シフタ125と、参照光路用の新たな波長変換素子128とを設け、測定対象のガスと参照ガスの吸収線の波長が異なっている場合でも計測可能な構成とした。波長変換素子128の構造は、波長変換素子105と同じである。   Therefore, in the mid-infrared laser light source of the present embodiment, instead of branching the light output from the wavelength conversion element 105 into light that passes through the measurement target cell 109 and light that passes through the reference cell 110, A wavelength shifter 125 that changes the wavelength and a new wavelength conversion element 128 for the reference optical path are provided so that measurement is possible even when the wavelengths of absorption lines of the measurement target gas and the reference gas are different. The structure of the wavelength conversion element 128 is the same as that of the wavelength conversion element 105.

例えば分岐比1:1の光分波器124は、信号光光源101からの信号光を2つに分岐させる。例えば分岐比10:1の光分波器123は、励起光光源100からの励起光を2つに分岐させる。分岐比が小さい方の励起光は、ファイバアンプ103により増幅される。光合波器104は、ファイバアンプ103によって増幅された励起光と光分波器124によって分岐された一方の信号光とを合波して、合波光を波長変換素子105に導入する。   For example, the optical demultiplexer 124 having a branching ratio of 1: 1 branches the signal light from the signal light source 101 into two. For example, the optical demultiplexer 123 having a branching ratio of 10: 1 branches the excitation light from the excitation light source 100 into two. The excitation light having the smaller branching ratio is amplified by the fiber amplifier 103. The optical multiplexer 104 combines the excitation light amplified by the fiber amplifier 103 and one signal light branched by the optical demultiplexer 124 and introduces the combined light to the wavelength conversion element 105.

一方、分岐比が大きい方の励起光は、N2Oの吸収線とCO2の吸収線の波長差分だけ波長を変化させる波長シフタ125に導入される。これにより、波長シフタ125から出射された励起光を用いて波長変換された変換光(idler光)の波長は、CO2の吸収線の波長と同一になる。波長シフタ125から出射された励起光は、ファイバアンプ126により増幅される。光合波器127は、ファイバアンプ126によって増幅された励起光と光分波器124によって分岐された他方の信号光とを合波して、合波光を波長変換素子128に導入する。分岐比が大きい方の励起光を波長シフタ125に導入する理由は、励起光を波長シフタ125に導入すると光出力に損失が生じるためである。 On the other hand, the excitation light having the larger branching ratio is introduced into the wavelength shifter 125 that changes the wavelength by the wavelength difference between the N 2 O absorption line and the CO 2 absorption line. Thereby, the wavelength of the converted light (idler light) that has been wavelength-converted using the excitation light emitted from the wavelength shifter 125 becomes the same as the wavelength of the CO 2 absorption line. The excitation light emitted from the wavelength shifter 125 is amplified by the fiber amplifier 126. The optical multiplexer 127 combines the excitation light amplified by the fiber amplifier 126 and the other signal light branched by the optical demultiplexer 124, and introduces the combined light to the wavelength conversion element 128. The reason why the excitation light having the larger branching ratio is introduced into the wavelength shifter 125 is that when the excitation light is introduced into the wavelength shifter 125, a loss occurs in the optical output.

本実施の形態の場合、N2Oの吸収線とCO2の吸収線の波長差は0.12nmである。信号光として1.3866935μmの波長の光を用いるとすると、波長変換素子128に導入する励起光を0.0065nmだけ短波長側へシフトさせればよいことになる。したがって、本実施の形態では、波長シフタ125による波長変化量を、−0.0065nmとした。 In the present embodiment, the wavelength difference between the N 2 O absorption line and the CO 2 absorption line is 0.12 nm. If light having a wavelength of 1.38666935 μm is used as the signal light, the excitation light introduced into the wavelength conversion element 128 may be shifted to the short wavelength side by 0.0065 nm. Therefore, in this embodiment, the amount of wavelength change by the wavelength shifter 125 is set to −0.0065 nm.

このような構成をとることで、波長変換素子105から出力される差周波光と波長変換素子128から出力される差周波光との間で0.12nmの波長差が常に生じる事となるため、波長変換素子128から出力される差周波光の波長をCO2の吸収線の波長でロックすれば、波長変換素子105から出力される差周波光の波長はN2Oの所望の吸収線の波長にロックされることになる。 By taking such a configuration, a wavelength difference of 0.12 nm is always generated between the difference frequency light output from the wavelength conversion element 105 and the difference frequency light output from the wavelength conversion element 128. If the wavelength of the difference frequency light output from the wavelength conversion element 128 is locked by the wavelength of the CO 2 absorption line, the wavelength of the difference frequency light output from the wavelength conversion element 105 is the wavelength of the desired absorption line of N 2 O. Will be locked.

本実施の形態のフィードバック制御を具体的に説明すると、コリメータ129は、波長変換素子128の出力光を絞って平行光化する。光学フィルタ130は、波長変換素子128の出力光から、不要となる信号光および励起光を除去する。集光レンズ113は、参照セル110を透過した光を集光して光検出器115に入射させる。ロックイン増幅器116は、光検出器115から出力される検出信号のうち周波数3fの成分を取り出す。PID制御回路117は、3f信号の強度が零になるように、信号光用のレーザドライバ(不図示)を介して信号光光源101の注入電流を制御する。
その他の構成は第1の実施の形態で説明したとおりである。
The feedback control according to the present embodiment will be specifically described. The collimator 129 narrows the output light of the wavelength conversion element 128 into parallel light. The optical filter 130 removes unnecessary signal light and excitation light from the output light of the wavelength conversion element 128. The condenser lens 113 collects the light transmitted through the reference cell 110 and causes the light to enter the photodetector 115. The lock-in amplifier 116 extracts a frequency 3f component from the detection signal output from the photodetector 115. The PID control circuit 117 controls the injection current of the signal light source 101 via a signal light laser driver (not shown) so that the intensity of the 3f signal becomes zero.
Other configurations are the same as those described in the first embodiment.

第1の実施の形態と同様の方法でN2Oガスの濃度を測定して検量線を作成したところ、第1の実施の形態と同様に波長ロックの効果が大きいため、データを平均している間の測定値の揺れが少なく、精度の高い測定が可能であり、その結果としてばらつきの少ない検量線を得ることができた。 A calibration curve was created by measuring the concentration of N 2 O gas in the same manner as in the first embodiment. As in the first embodiment, the effect of wavelength locking is great, so the data is averaged. During measurement, the measurement value fluctuated little and accurate measurement was possible. As a result, a calibration curve with little variation was obtained.

なお、本実施の形態に、図9に示した光分波器120と光検出器付のエタロン121とPID/制御ドライバ122とを追加し、第2の実施の形態を適用してもよい。   Note that the second embodiment may be applied by adding the optical demultiplexer 120, the etalon 121 with a photodetector, and the PID / control driver 122 shown in FIG. 9 to the present embodiment.

本発明は、吸収分光の技術に適用することができる。   The present invention can be applied to the technique of absorption spectroscopy.

100…励起光光源、101…信号光光源、102…信号発生器、103,126…ファイバアンプ、104,127…光合波器、105,128…波長変換素子、106,129…コリメータ、107,130…光学フィルタ、108…分岐ミラー、109…測定対象セル、110…参照セル、111…ミラー、112,113…集光レンズ、114,115…光検出器、116,118…ロックイン増幅器、117…PID制御回路、119…濃度演算・表示器、120,123,124…光分波器、121…エタロン、122…PID/制御ドライバ、125…波長シフタ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Excitation light source, 101 ... Signal light source, 102 ... Signal generator, 103, 126 ... Fiber amplifier, 104, 127 ... Optical multiplexer, 105, 128 ... Wavelength conversion element, 106, 129 ... Collimator, 107, 130 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Optical filter, 108 ... Branch mirror, 109 ... Measurement object cell, 110 ... Reference cell, 111 ... Mirror, 112, 113 ... Condensing lens, 114, 115 ... Photo detector, 116, 118 ... Lock-in amplifier, 117 ... PID control circuit, 119... Concentration calculator / display unit, 120, 123, 124, optical demultiplexer, 121, etalon, 122, PID / control driver, 125, wavelength shifter.

Claims (8)

周期的に分極反転された2次非線形光学材料からなる光導波路を備えた波長変換素子と、
出力波長が異なる第1、第2の半導体レーザと、
前記第1の半導体レーザの波長を変調する波長変調手段と、
前記第1、第2の半導体レーザから出力されるレーザ光を合波し、前記波長変換素子に入射させる光合波器と、
前記波長変換素子から出力されたレーザ光の波長をロックするための参照物質が封入された参照セルと、
前記波長変換素子から出力されたレーザ光を分岐して、一方を前記参照セルに入射する光路へ導入する光分岐手段と、
前記参照セルを透過した光信号を基に、前記波長変換素子から出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように前記第1の半導体レーザの波長を制御する第1の帰還制御手段とを備え、
波長を変調する半導体レーザと参照セルを透過した光信号出力を基に波長を制御する半導体レーザを、前記波長変換素子の端面反射率が低い方の波長を出力する前記第1の半導体レーザに統一することを特徴とする中赤外レーザ光源。
A wavelength conversion element including an optical waveguide made of a second-order nonlinear optical material periodically poled;
First and second semiconductor lasers having different output wavelengths;
Wavelength modulating means for modulating the wavelength of the first semiconductor laser;
An optical multiplexer that multiplexes the laser beams output from the first and second semiconductor lasers and enters the wavelength conversion element;
A reference cell in which a reference material for locking the wavelength of the laser beam output from the wavelength conversion element is enclosed;
A light branching means for branching the laser light output from the wavelength conversion element and introducing one into an optical path incident on the reference cell;
First feedback control means for controlling the wavelength of the first semiconductor laser based on an optical signal transmitted through the reference cell so that the wavelength of the laser light output from the wavelength conversion element becomes a desired wavelength; With
The semiconductor laser that modulates the wavelength and the semiconductor laser that controls the wavelength based on the optical signal output transmitted through the reference cell are unified into the first semiconductor laser that outputs the wavelength having the lower end face reflectance of the wavelength conversion element. A mid-infrared laser light source.
請求項1記載の中赤外レーザ光源において、
さらに、前記第2の半導体レーザから出力されたレーザ光の一部を分岐させる光分波器と、
この光分波器によって分岐された光を入力とするエタロンと、
このエタロンを透過した光信号を基に、前記第2の半導体レーザから出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように制御する第2の帰還制御手段とを備えることを特徴とする中赤外レーザ光源。
The mid-infrared laser light source according to claim 1,
An optical demultiplexer for branching a part of the laser light output from the second semiconductor laser;
An etalon with the light branched by this optical demultiplexer as input,
And second feedback control means for controlling the wavelength of the laser light output from the second semiconductor laser to a desired wavelength based on the optical signal transmitted through the etalon. Infrared laser light source.
周期的に分極反転された2次非線形光学材料からなる光導波路を備え、中赤外レーザ光源の出力光を得るための第1の波長変換素子と、
この第1の波長変換素子と同一構造の第2の波長変換素子と、
出力波長が異なる第1、第2の半導体レーザと、
前記第1の半導体レーザの波長を変調する波長変調手段と、
前記第1、第2の半導体レーザの光出力をそれぞれ分岐させる第1、第2の光分波器と、
前記第1の光分波器によって分岐された前記第1の半導体レーザの一方の光出力と前記第2の光分波器によって分岐された前記第2の半導体レーザの一方の光出力とを合波した光を、前記第1の波長変換素子に入射させる第1の光合波器と、
前記第2の波長変換素子から出力されたレーザ光の波長をロックするための参照物質が封入された参照セルと、
前記第2の光分波器によって分岐された前記第2の半導体レーザの他方の光出力の波長を所定の量変化させる波長シフト手段と、
前記第1の光分波器によって分岐された前記第1の半導体レーザの他方の光出力と前記波長シフト手段の光出力とを合波した光を、前記第2の波長変換素子に入射させる第2の光合波器と、
前記第2の波長変換素子から出力され前記参照セルを透過した光信号を基に、前記第2の波長変換素子から出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように前記第1の半導体レーザの波長を制御する第1の帰還制御手段とを備え、
波長を変調する半導体レーザと参照セルを透過した光信号出力を基に波長を制御する半導体レーザを、前記第2の波長変換素子の端面反射率が低い方の波長を出力する前記第1の半導体レーザに統一することを特徴とする中赤外レーザ光源。
A first wavelength conversion element comprising an optical waveguide made of a second-order nonlinear optical material whose polarization is periodically inverted, and for obtaining output light of a mid-infrared laser light source;
A second wavelength conversion element having the same structure as the first wavelength conversion element;
First and second semiconductor lasers having different output wavelengths;
Wavelength modulating means for modulating the wavelength of the first semiconductor laser;
First and second optical demultiplexers for branching the optical outputs of the first and second semiconductor lasers, respectively;
One optical output of the first semiconductor laser branched by the first optical demultiplexer and one optical output of the second semiconductor laser branched by the second optical demultiplexer are combined. A first optical multiplexer for causing the waved light to enter the first wavelength conversion element;
A reference cell in which a reference material for locking the wavelength of the laser beam output from the second wavelength conversion element is enclosed;
Wavelength shifting means for changing a wavelength of the other optical output of the second semiconductor laser branched by the second optical demultiplexer by a predetermined amount;
A first light that combines the other optical output of the first semiconductor laser branched by the first optical demultiplexer and the optical output of the wavelength shift means is incident on the second wavelength conversion element. 2 optical multiplexers,
Based on the optical signal output from the second wavelength conversion element and transmitted through the reference cell, the first semiconductor has a desired wavelength so that the wavelength of the laser light output from the second wavelength conversion element becomes a desired wavelength. First feedback control means for controlling the wavelength of the laser,
The first semiconductor that outputs a wavelength having a lower end face reflectance of the second wavelength conversion element, a semiconductor laser that modulates the wavelength, and a semiconductor laser that controls the wavelength based on an optical signal output transmitted through the reference cell. A mid-infrared laser light source characterized by unifying lasers.
請求項3記載の中赤外レーザ光源において、
前記波長シフト手段による波長の変化量は、前記第1の波長変換素子から出力されるレーザ光の波長と前記参照物質の吸収線の波長との差が所望の値になるように設定されることを特徴とする中赤外レーザ光源。
The mid-infrared laser light source according to claim 3,
The amount of change in wavelength by the wavelength shift means is set so that the difference between the wavelength of the laser beam output from the first wavelength conversion element and the wavelength of the absorption line of the reference substance becomes a desired value. A mid-infrared laser light source.
請求項3または4記載の中赤外レーザ光源において、
さらに、前記第2の半導体レーザから出力されたレーザ光の一部を分岐させる第3の光分波器と、
この第3の光分波器によって分岐された光を入力とするエタロンと、
このエタロンを透過した光信号を基に、前記第2の半導体レーザから出力されたレーザ光の波長が所望の波長になるように制御する第2の帰還制御手段とを備えることを特徴とする中赤外レーザ光源。
The mid-infrared laser light source according to claim 3 or 4,
A third optical demultiplexer for branching a part of the laser light output from the second semiconductor laser;
An etalon that receives light branched by the third optical demultiplexer;
And second feedback control means for controlling the wavelength of the laser light output from the second semiconductor laser to a desired wavelength based on the optical signal transmitted through the etalon. Infrared laser light source.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の中赤外レーザ光源において、
前記第1の帰還制御手段は、
前記参照セルを透過した光信号を検出する光検出器と、
この光検出器から出力される検出信号のうち、前記第1の半導体レーザの変調周波数と同一または3倍の周波数の信号を取り出すロックイン増幅器と、
このロックイン増幅器が取り出した信号を基に前記第1の半導体レーザの注入電流を制御する制御回路とから構成されることを特徴とする中赤外レーザ光源。
The mid-infrared laser light source according to any one of claims 1 to 5,
The first feedback control means includes
A photodetector for detecting an optical signal transmitted through the reference cell;
A lock-in amplifier that extracts a signal having the same or three times the modulation frequency of the first semiconductor laser among the detection signals output from the photodetector;
A mid-infrared laser light source comprising a control circuit for controlling an injection current of the first semiconductor laser based on a signal taken out by the lock-in amplifier.
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の中赤外レーザ光源において、
前記光導波路は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ZnもしくはMgが添加されたニオブ酸リチウム、ZnもしくはMgが添加されたタンタル酸リチウム、またはこれらの材料の混晶のいずれかから構成されていることを特徴とする中赤外レーザ光源。
The mid-infrared laser light source according to any one of claims 1 to 6,
The optical waveguide is composed of any one of lithium niobate, lithium tantalate, lithium niobate to which Zn or Mg is added, lithium tantalate to which Zn or Mg is added, or a mixed crystal of these materials. A mid-infrared laser light source.
請求項1乃至7のいずれか1項に記載の中赤外レーザ光源と、
前記中赤外レーザ光源から出力され測定対象を透過した光信号を基に、前記測定対象の濃度を演算する濃度演算手段とを備えることを特徴とするレーザ分光装置。
The mid-infrared laser light source according to any one of claims 1 to 7,
A laser spectroscopic apparatus comprising: a concentration calculation means for calculating a concentration of the measurement target based on an optical signal output from the mid-infrared laser light source and transmitted through the measurement target.
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