JP2019015563A - 流体分析装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】分析対象の流体について高感度且つ高精度に分析することができる流体分析装置を提供する。【解決手段】流体分析装置１Ａは、基板２と、基板２の表面２ａに形成され、表面２ａに平行な所定方向において互いに対向する第１光出射面２０ａ及び第２光出射面２０ｂを有する量子カスケードレーザ２０と、表面２ａに形成され、量子カスケードレーザ２０と同一の層構造、及び所定方向において第２光出射面２０ｂに対向する光入射面３０ａを有する量子カスケード検出器３０と、第１光出射面２０ａから出射されたレーザ光の光路上に、分析対象の流体が配置される検査領域Ｒを介して配置され、レーザ光を反射することにより、レーザ光を第１光出射面２０ａに帰還させる反射部材５０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、流体分析装置に関する。
非特許文献１には、量子カスケードレーザから出射された光を対象物体に照射して、対象物体で反射された光を量子カスケードレーザに帰還させ、量子カスケードレーザの電気特性の変化を測定することで、対象物体の撮像情報を取得するイメージング装置が記載されている。
Paul Dean, et al., "Terahertz imaging through self-mixing in aquantum cascade laser", OPTICS LETTERS, Optical Society of America, July 12011, Vol. 36, No.13, p. 2587-2589
量子カスケードレーザは、流体の分析に適した光源の一つとして知られている。例えば、分析対象の流体について、量子カスケードレーザが出射した光の差分吸収測定を実施することで、流体の分析が行われる。そのため、分析対象の流体による光の吸収又は散乱を高感度且つ高精度に計測することが重要である。ここで、上述した従来装置の手法を流体の分析に適用することも考えられるが、量子カスケードレーザの電気特性の変化に対する外的要因（例えば量子カスケードレーザの温度及び電気的なノイズといった外的環境の揺らぎ等）の影響を無視できない場合があるため、分析の感度及び精度が低下してしまうおそれがある。
そこで、本発明は、分析対象の流体について高感度且つ高精度に分析することができる流体分析装置を提供することを目的とする。
本発明の流体分析装置は、基板と、基板の表面に形成され、表面に平行な所定方向において互いに対向する第１光出射面及び第２光出射面を有する量子カスケードレーザと、表面に形成され、量子カスケードレーザと同一の層構造、及び所定方向において第２光出射面に対向する光入射面を有する量子カスケード検出器と、第１光出射面から出射された光の光路上に、分析対象の流体が配置される検査領域を介して配置され、光を反射することにより、光を第１光出射面に帰還させる光学素子と、を備える。
この流体分析装置では、第１光出射面から出射された光が光学素子で反射され、反射された光が第１光出射面に帰還する。第１光出射面に光が帰還すると、第１光出射面に帰還した光の強度に応じた強度の光が第２光出射面から出射される。分析対象の流体が検査領域に配置されている場合には、流体による光の吸収又は散乱が生じるため、流体が検査領域に配置されていない場合と比較して、第２光出射面から出射される光の強度が変化する。ここで、第２光出射面から出射される光は、第２光出射面を光共振器の一端面として発振され、第１光出射面に帰還した光の強度に応じた強度を有するレーザ光であるため、量子カスケードレーザの電気特性の変化よりも、第１光出射面に帰還した光の強度に応じて顕著な変化となり易い。そこで、第２光出射面から出射される光の強度の変化を量子カスケード検出器で測定することで、外的要因の影響により感度及び精度が左右されることを抑制しつつ、第１光出射面に帰還した光の強度の変化を測定することができる。よって、この流体分析装置によれば、分析対象の流体について高感度且つ高精度に分析することができる。
本発明の流体分析装置では、第１光出射面と第２光出射面との間で光共振器が構成されていてもよい。この構成によれば、量子カスケードレーザがレーザ発振する光共振器として機能するため、分析対象の流体の種類に応じて量子カスケードレーザの発振波長を設定することで、検査領域における当該流体の存在の分析（いわゆるモニタリング）を高感度且つ高精度に実施することができる。
本発明の流体分析装置では、量子カスケードレーザは、マルチモードで発振するファブリペロー型素子として構成されていてもよい。この構成によれば、量子カスケードレーザの第１光出射面からシングルモードと比べてブロードな光が出射されるため、多様な流体を分析対象として分析することができる。また、光学素子を配置する位置によって量子カスケードレーザの発振及び量子カスケード検出器での光の検出が影響を受けにくいため、光学素子のレイアウトの自由度が向上し、量子カスケードレーザと光学素子とのアライメントが容易となる。
本発明の流体分析装置では、量子カスケードレーザは、シングルモードで発振する分布帰還型素子として構成されており、第１光出射面から光学素子までの光の光路長は、量子カスケードレーザの発振波長の半波長の整数倍であってもよい。この構成によれば、例えば分析対象の流体の種類が予め特定されている場合、当該流体が吸収又は散乱する光の波長に一致するように量子カスケードレーザの発振波長を設定することで、当該流体が検査領域に配置されている場合において第１光出射面に帰還する光の強度を顕著に変化させることができる。これにより、第２光出射面から出射される光の強度を一層顕著に変化させることができる。また、第１光出射面から光学素子までの光の光路長が発振波長の半波長の整数倍であることにより、第１光出射面に帰還して量子カスケードレーザ内部に入射した光と量子カスケードレーザ内部の光とが干渉する。この干渉に伴って光共振器の発振特性が顕著に影響されるため、第２光出射面から出射される光の強度の変化が顕著となる。よって、流体の分析を一層高感度で実施することができる。
本発明の流体分析装置では、光学素子は、第１光出射面から出射された光を回折すると共に反射する回折格子であり、回折格子は、光のうち、光の入射角に応じた波長の光を反射させることにより、当該波長の光を第１光出射面に帰還させるように駆動され、第２光出射面と回折格子との間で光共振器が構成されていてもよい。この構成によれば、第２光出射面と回折格子との間では、第１光出射面から出射された光のうち回折格子への入射角に応じた波長を発振波長としてシングルモードで発振する光共振器が構成される。これにより、回折格子への入射角を変更することでシングルモード発振を維持したままで発振波長を積極的に変化させながら、検査領域における分析対象の流体の組成の分析（いわゆるセンシング）を、高感度且つ高精度に実施することができる。また、この構成では、第２光出射面と回折格子との間で光が往復する外部共振器型の光共振器が構成されており、光共振器の内部に検査領域が存在している。そのため、光は、分析対象の流体により吸収又は散乱されながら第２光出射面と回折格子との間で往復することを繰り返す。これにより、光共振器の内部における光の強度の変化に伴って光共振器の発振特性が直接的に影響されるため、光共振器の外部に検査領域が存在している場合と比べて、第２光出射面から出射される光の強度の変化が顕著となる。その結果、流体の分析を一層高感度で実施することができる。
本発明の流体分析装置は、第１光出射面から出射された光を回折すると共に反射する回折格子と、回折格子により回折されると共に反射された光を反射するミラーと、を更に備え、ミラーは、光のうち、光の入射角に応じた波長の光を反射させることにより、回折格子を介して第１光出射面に当該波長の光を帰還させるように駆動され、第２光出射面とミラーとの間で光共振器が構成されており、光学素子は、回折格子により反射された光の０次の反射光の光路上に、分析対象の流体が配置される検査領域を介して配置され、０次の反射光を反射させることにより、回折格子を介して第１光出射面に光を帰還させてもよい。この構成によれば、第２光出射面とミラーとの間では、回折格子により回折されると共に反射された光のうちミラーへの入射角に応じた波長を発振波長として、シングルモードで発振する光共振器が構成される。これにより、ミラーへの入射角を変更することでシングルモード発振を維持したままで発振波長を積極的に変化させながら、検査領域における分析対象の流体の組成の分析（いわゆるセンシング）を、高感度且つ高精度に実施することができる。
本発明の流体分析装置では、光入射面は、第２光出射面と鋭角を成す位置関係となるように傾斜していてもよい。この構成によれば、第２光出射面から出射された光が光入射面において反射され、反射された光が第２光出射面に戻ることが抑制される。これにより、光入射面と第１光出射面との間で複合共振器が構成されることによって第２光出射面から出射される光の強度に影響が及ぼされることが抑制される。そのため、第２光出射面から出射される光の強度の変化を、第１光出射面に帰還した光の強度に応じて精度良く測定することができる。よって、流体の分析を一層高精度で実施することができる。
本発明の流体分析装置では、光入射面は、第２光出射面と鋭角を成す位置関係となるように傾斜すると共に、基板の表面に垂直であって所定方向に沿う仮想面と直角を成し且つ基板の表面と４５°以上の角度を成すように傾斜していてもよい。この構成によれば、第２光出射面から出射された光が光入射面で反射することを十分に抑えることができ、第２光出射面から出射された光を効率良く量子カスケード検出器の内部へと導入することができる。これにより、光入射面と第１光出射面との間で複合共振器が構成されることによって第２光出射面から出射される光の強度に影響が及ぼされることを一層抑制すると共に、第２光出射面から出射される光を量子カスケード検出器でより確実に吸収させることができる。
本発明の流体分析装置は、第１光出射面と検査領域との間に配置され、第１光出射面から出射された光をコリメートするレンズを更に備えてもよい。この構成によれば、光がコリメートされることで、第１光出射面から光学素子までの光の光路長を容易に長くすることができるため、検査領域に配置された流体による光の吸収又は散乱を一層促進させることができる。よって、流体の分析を更に高精度で実施することができる。
本発明の流体分析装置は、検査領域を内部に有するマルチパスセルを更に備えていてもよい。この構成によれば、マルチパスセルにより検査領域における光の光路長が長くなるため、分析対象の流体が検査領域に配置されている場合における光の強度の変化をより大きくすることができる。
本発明の流体分析装置では、量子カスケード検出器は、所定方向において光入射面に対向する光反射面を有し、光反射面には、第２光出射面から出射された光を反射する反射膜が形成されていてもよい。この構成によれば、量子カスケード検出器の内部の光が反射膜により反射され、量子カスケード検出器の外部に出難くなるため、量子カスケード検出器において光を一層吸収させることができる。
本発明によれば、分析対象の流体について高感度且つ高精度に分析することができる流体分析装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態の流体分析装置の概略平面図である。 図１のII−IIに沿っての断面図である。 図１の流体分析装置におけるＱＣＬへの注入電流とＱＣＤによる検出信号の強度との関係を示すグラフである。 （ａ）は、光の光路上にＮ２Ｏを噴射した場合におけるＱＣＤによる検出信号の強度の時間変化を示すグラフである。（ｂ）は、光の光路を物理的に遮断した場合におけるＱＣＤによる検出信号の強度の時間変化を示すグラフである。 本発明の第２実施形態の流体分析装置の概略平面図である。 本発明の第３実施形態の流体分析装置の概略平面図である。 本発明の第４実施形態の流体分析装置の概略平面図である。 本発明の第５実施形態の流体分析装置の概略平面図である。 変形例に係るＱＣＤの概略側面図である。 図９の角度θに対する光入射面での反射率を示すグラフである。 他の変形例に係るＱＣＤの概略平面図である。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
図１に示されるように、流体分析装置１Ａは、基板２と、量子カスケードレーザ２０（以下、「ＱＣＬ２０」という）と、量子カスケード検出器３０（以下、「ＱＣＤ３０」という）と、レンズ４０と、反射部材（光学素子）５０と、を備えている。
基板２は、例えばＩｎＰ等の半絶縁性半導体材料からなる。基板２の表面２ａに垂直なＺ軸方向から見た場合に、Ｚ軸方向に垂直なＹ軸方向における基板２の幅は、例えば数百μｍ程度であり、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に垂直なＸ軸方向（基板２の表面２ａに平行な所定方向）における基板２の長さは、例えば数ｍｍ程度である。
ＱＣＬ２０は、基板２の表面２ａに形成されている。Ｙ軸方向におけるＱＣＬ２０の幅は、例えば数μｍ〜数十μｍ程度であり、Ｘ軸方向におけるＱＣＬ２０の長さは、例えば数ｍｍ程度である。図２に示されるように、ＱＣＬ２０は、層構造１０を有している。
層構造１０は、活性層１１、上部ガイド層１２ａ及び下部ガイド層１２ｂ、上部クラッド層１３ａ及び下部クラッド層１３ｂ、並びに、上部コンタクト層１４ａ及び下部コンタクト層１４ｂからなるリッジストライプ構造である。下部コンタクト層１４ｂは、例えばＩｎＧａＡｓからなり、基板２の表面２ａに形成されている。下部クラッド層１３ｂは、例えばＩｎＰからなり、下部コンタクト層１４ｂ上に形成されている。下部ガイド層１２ｂは、例えばＩｎＧａＡｓからなり、下部クラッド層１３ｂ上に形成されている。活性層１１は、量子カスケード構造を有し、下部ガイド層１２ｂ上に形成されている。上部ガイド層１２ａは、例えばＩｎＧａＡｓからなり、活性層１１上に形成されている。上部クラッド層１３ａは、例えばＩｎＰからなり、上部ガイド層１２ａ上に形成されている。上部コンタクト層１４ａは、例えばＩｎＧａＡｓからなり、上部クラッド層１３ａ上に形成されている。層構造１０は、例えば分子線エピタキシー法又は有機金属気相成長法等により、順次エピタキシャル成長させられる。
活性層１１における１周期当たりの量子カスケード構造の一例は、表１のとおりである。活性層１１における量子カスケード構造では、例えば表１の量子カスケード構造が３５周期繰り返されると共に互いにカスケード結合されている。
Figure 2019015563
ＱＣＬ２０では、Ｙ軸方向における下部コンタクト層１４ｂの幅が、Ｙ軸方向における基板２の幅と同一となっており、Ｙ軸方向における下部クラッド層１３ｂ、下部ガイド層１２ｂ、活性層１１、上部ガイド層１２ａ、上部クラッド層１３ａ及び上部コンタクト層１４ａの幅が、Ｙ軸方向における基板２の幅よりも小さくなっている。これにより、Ｙ軸方向における下部コンタクト層１４ｂの両縁部が、Ｙ軸方向における下部クラッド層１３ｂ、下部ガイド層１２ｂ、活性層１１、上部ガイド層１２ａ、上部クラッド層１３ａ及び上部コンタクト層１４ａの両側面に対して、Ｙ軸方向における両側に突出している。
Ｙ軸方向における下部クラッド層１３ｂ、下部ガイド層１２ｂ、活性層１１、上部ガイド層１２ａ、上部クラッド層１３ａ及び上部コンタクト層１４ａの両側面には、例えばＳｉＮからなる絶縁膜２１が形成されている。上部コンタクト層１４ａ上には、例えばＡｕからなる上部電極２２が形成されている。Ｙ軸方向における下部コンタクト層１４ｂの両縁部上には、例えばＡｕからなる下部電極２３が形成されている。
図１に示されるように、ＱＣＬ２０は、Ｘ軸方向において互いに対向する第１光出射面２０ａ及び第２光出射面２０ｂを有している。
第１光出射面２０ａは、Ｘ軸方向におけるＱＣＬ２０の一方側の端面である。第１光出射面２０ａは、Ｘ軸方向に垂直なＹＺ平面に平行である。第１光出射面２０ａは、例えばダイシング時における劈開面等の切断面である。第１光出射面２０ａは、第１光出射面２０ａから出射されるレーザ光Ｌ１の一部を反射させ残部を透過させる。
第２光出射面２０ｂは、Ｘ軸方向におけるＱＣＬ２０の他方側の端面である。第２光出射面２０ｂは、Ｘ軸方向に垂直なＹＺ平面に平行である。第２光出射面２０ｂは、例えばフォトリソグラフィー技術及びドライエッチング技術を用いて形成されている。第２光出射面２０ｂは、第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の一部を反射させ残部を透過させる。本実施形態では、第１光出射面２０ａと第２光出射面２０ｂとの間において光共振器が構成されている。すなわち、ＱＣＬ２０は、マルチモードで発振するファブリペロー型素子として構成されている。
ＱＣＤ３０は、基板２の表面２ａに形成されている。ＱＣＤ３０は、ＱＣＬ２０に対してＸ軸方向における他方側に位置している。Ｙ軸方向におけるＱＣＤ３０の幅は、例えば数十μｍ（例えば５０μｍ）程度であり、Ｘ軸方向におけるＱＣＤ３０の長さは、例えば数百μｍ〜数ｍｍ（例えば５００μｍ）程度である。
ＱＣＤ３０は、ＱＣＬ２０と同一の層構造１０を有しており、ＱＣＤ３０の活性層１１は、ＱＣＬ２０の活性層１１と同一の量子カスケード構造を有している。ＱＣＤ３０は、ＱＣＬ２０の絶縁膜２１、上部電極２２及び下部電極２３に代えて、それらに相当する絶縁膜、上部電極及び下部電極（それぞれ図示省略）を有している。
ＱＣＤ３０は、Ｘ軸方向において互いに対向する光入射面３０ａ及び光反射面３０ｂを有している。
光入射面３０ａは、Ｘ軸方向におけるＱＣＤ３０の一方側の端面である。光入射面３０ａは、Ｘ軸方向においてＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂと対向している。光入射面３０ａは、第２光出射面２０ｂと鋭角を成す位置関係となるように傾斜している。一例として、光入射面３０ａは、Ｚ軸方向に垂直なＸＹ平面と直角を成し且つＸ軸方向に垂直なＹＺ平面と４５°を成すように傾斜している。これにより、レーザ光Ｌ２のうち光入射面３０ａにより反射された光が戻り光となって第２光出射面２０ｂに入射することが抑制される。光入射面３０ａは、例えばフォトリソグラフィー技術及びドライエッチング技術を用いて形成されている。光入射面３０ａと第２光出射面２０ｂとの距離は、例えば数十μｍ程度である。この場合、光入射面３０ａに例えば誘電体多層膜からなる無反射コーティングを施すことは極めて困難である。光入射面３０ａを傾斜させることは、光入射面３０ａと第１光出射面２０ａとの間で複合共振器が構成されることによってレーザ光Ｌ２の強度に影響が及ぼされることを抑制する上で重要である。なお、光入射面３０ａと第２光出射面２０ｂとの距離が、例えば１００μｍ以上の場合には、光入射面３０ａに誘電体多層膜からなる無反射コーティングが施されると共にＸ軸方向に垂直なＹＺ平面に平行であってもよい。
光反射面３０ｂは、Ｘ軸方向におけるＱＣＤ３０の他方側の端面である。光反射面３０ｂは、ＹＺ平面に平行である。光反射面３０ｂは、例えばダイシング時における劈開面等の切断面である。光反射面３０ｂには、高反射膜３が形成されている。高反射膜３は、例えば誘電体多層膜又は金属蒸着膜である。高反射膜３は、ＱＣＤ３０の内部を導波した光が光反射面３０ｂを透過して外部に出射されることを抑制する。高反射膜３は、例えば第２光出射面２０ｂから出射されて光入射面３０ａから入射したレーザ光Ｌ２を反射率９０％以上の反射率で反射する。
流体分析装置１Ａでは、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａから出射されたレーザ光Ｌ１の光路上にレンズ４０及び反射部材５０が配置されている。レンズ４０と反射部材５０との間には、分析対象の流体（例えばガス）が配置される検査領域Ｒが設けられている。第１光出射面２０ａと反射部材５０との間の距離は、ＱＣＬ２０が出力するレーザ光Ｌ１の強度及び分析対象のガスの状況に合わせて適宜設定することができる。なお、「分析対象のガスが検査領域Ｒに配置されている」とは、分析対象のガスが例えばガスセル等を用いて検査領域Ｒに意図的に配置されていること、及び、分析対象のガスが検査領域Ｒを含む空間（例えば流体分析装置１Ａが配置されている空間）に存在していることにより結果的に分析対象のガスが検査領域Ｒに配置されていること、を含む。
レンズ４０は、第１光出射面２０ａと検査領域Ｒとの間に配置されている。レンズ４０は、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａから出射されたレーザ光Ｌ１をコリメートする。レンズ４０は、例えば発振波長において透明な材料（例えばＺｎＳｅ、Ｇｅ等）からなる非球面レンズである。レンズ４０には、誘電体多層膜によって形成された反射低減膜（図示省略）が両面に設けられていてもよい。この反射低減膜は、例えばＱＣＬ２０の発振波長においてレーザ光Ｌ１の反射率を１％以下に低減する。レンズ４０は、平凸レンズ等、種々のレンズであってもよいし、複合レンズ又は放物面鏡であってもよい。レンズ４０は、第１光出射面２０ａに接して設けられていてもよいし、第１光出射面２０ａと一体的に形成されていてもよい。
反射部材５０は、第１光出射面２０ａから出射されたレーザ光Ｌ１の光路上において、検査領域Ｒを介して配置されている。レンズ４０と反射部材５０の間の距離は、例えば数ｃｍ〜数十ｃｍ（例えば２０ｃｍ）程度である。反射部材５０には、レンズ４０によりコリメートされたレーザ光Ｌ１ａが検査領域Ｒを介して入射する。反射部材５０は、入射されたレーザ光Ｌ１ａを反射することにより、検査領域Ｒを介して第１光出射面２０ａに戻り光Ｌ１ｂを帰還させる。反射部材５０は、例えば平面ミラーである。反射部材５０には、反射率９０％以上の反射率でレーザ光Ｌ１ａを反射する金属蒸着膜又は誘電体多層膜が形成されている。反射部材５０は、その焦点距離がレンズ４０と反射部材５０の間の距離よりも長い凹面ミラーであってもよい。反射部材５０は、レーザ光Ｌ１ａをＸ軸方向に反射可能なコーナーキューブであってもよい。この場合、コーナーキューブでレーザ光Ｌ１ａを反射させるため、反射部材５０のアライメントが容易となる。反射部材５０は、レーザ光Ｌ１ａをＸ軸方向に反射可能な空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）であってもよい。
以上のように構成された流体分析装置１Ａは、例えば配線基板に実装された状態で、次のように使用される。すなわち、流体分析装置１Ａが分析対象の流体（ここでは、ＱＣＬ２０が発振するレーザ光を吸収するガス）を含まない気体雰囲気中に暴露され、検査領域Ｒに分析対象のガスが配置されていない状態で、上部電極２２及び下部電極２３を介してＱＣＬ２０にバイアス電圧が印加され、ＱＣＬ２０に電流が注入されることで、ＱＣＬ２０においてレーザ発振が起こされる。これにより、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａからレーザ光Ｌ１が出射されると共に、第２光出射面２０ｂからレーザ光Ｌ２が出射される。
ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａから出射されたレーザ光Ｌ１は、レンズ４０によりコリメートされる。レーザ光Ｌ１ａは、検査領域Ｒを介して反射部材５０により反射される。戻り光Ｌ１ｂは、検査領域Ｒを介して第１光出射面２０ａに帰還する。戻り光Ｌ１ｂが第１光出射面２０ａに帰還すると、分析対象のガスに吸収又は散乱されていない戻り光Ｌ１ｂの強度に応じた強度のレーザ光Ｌ２が第２光出射面２０ｂから出射される。レーザ光Ｌ２は、光入射面３０ａに入射する。
活性層１１の構造がＱＣＬ２０と同一であるＱＣＤ３０は、バイアス電圧が印加されないことにより、ＱＣＤ３０は、光入射面３０ａに入射したレーザ光Ｌ２を検出する検出器として動作する。レーザ光Ｌ２が光入射面３０ａに入射すると、上部電極及び下部電極を介してＱＣＤ３０から信号が出力される。この信号は、分析対象のガスについて実施する差分吸収測定におけるリファレンス信号として用いられる。なお、リファレンス信号は、後段の処理回路に設けられた記憶部に記憶されてもよい。
一方、流体分析装置１Ａが分析対象のガス雰囲気中に暴露され、検査領域Ｒに分析対象のガスが配置される。この状態で、上部電極２２及び下部電極２３を介してＱＣＬ２０にバイアス電圧が印加され、ＱＣＬ２０に電流が注入されることで、ＱＣＬ２０においてレーザ発振が起こされる。これにより、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａからレーザ光Ｌ１が出射されると共に、第２光出射面２０ｂからレーザ光Ｌ２が出射される。
ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａから出射されたレーザ光Ｌ１は、レンズ４０によりコリメートされる。レーザ光Ｌ１ａは、検査領域Ｒに配置された分析対象のガスを介して反射部材５０により反射される。戻り光Ｌ１ｂは、分析対象のガスを介して第１光出射面２０ａに帰還する。戻り光Ｌ１ｂが第１光出射面２０ａに帰還すると、分析対象のガスに吸収又は散乱された戻り光Ｌ１ｂの強度に応じた強度のレーザ光Ｌ２が第２光出射面２０ｂから出射される。レーザ光Ｌ２は、光入射面３０ａに入射する。ＱＣＤ３０の光入射面３０ａにレーザ光Ｌ２が入射され、上部電極及び下部電極を介してＱＣＤ３０から信号が出力される。
ここで、分析対象のガスが検査領域Ｒに配置されている場合には、ガスによるレーザ光Ｌ１（レーザ光Ｌ１ａ及び戻り光Ｌ１ｂ）の吸収又は散乱が生じるため、戻り光Ｌ１ｂの強度の変化に応じてＱＣＬ２０の発振特性に変化が生じる。すなわち、分析対象のガスが検査領域Ｒに配置されていない場合と比較して、第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度が低下する。そこで、後段の処理回路では、分析対象のガスを分析するために、ＱＣＤ３０から出力された信号と、上述のリファレンス信号との差分が取られる。このように、ＱＣＤ３０から出力される信号及びリファレンス信号を比較することにより、分析対象のガスについて差分吸収測定が実施される。
図３は、図１の流体分析装置１ＡにおけるＱＣＬ２０への注入電流とＱＣＤ３０での検出信号の強度との関係を示すグラフである。図３において、実線は、レーザ光Ｌ１ａが反射部材５０により反射されて第１光出射面２０ａに戻り光Ｌ１ｂとして帰還する場合のＱＣＬ２０への注入電流に対するＱＣＤ３０によるレーザ光Ｌ２の検出信号の強度を示している。破線は、レーザ光Ｌ１ａが反射部材５０により反射されない（戻り光Ｌ１ｂが第１光出射面２０ａに帰還しない）場合のＱＣＬ２０への注入電流に対するＱＣＤ３０での検出信号の強度を示している。図３の例では、レンズ４０として、焦点距離３ｍｍ、開口数０．８５のＺｎＳｅ製非球面レンズを用い、反射部材５０としてＡｕ膜が形成されている平面ミラーを用いた。レンズ４０と反射部材５０との間の距離は、２０ｃｍとした。
図３において、反射部材５０によりレーザ光Ｌ１ａが反射されない場合のＱＣＤ３０によるレーザ光Ｌ２の検出信号の強度は、戻り光Ｌ１ｂによるＱＣＬ２０への発振特性の変化が生じていないときのレーザ光Ｌ２の強度に相当する。反射部材５０によりレーザ光Ｌ１ａが帰還する場合のＱＣＤ３０によるレーザ光Ｌ２の検出信号の強度は、戻り光Ｌ１ｂの強度の変化に応じてＱＣＬ２０の発振特性に変化が生じているときのレーザ光Ｌ２の強度に相当する。図３に示されるように、反射部材５０によりレーザ光Ｌ１ａが反射されることにより、反射部材５０によりレーザ光Ｌ１ａが反射されない場合と比較して、ＱＣＬ２０への注入電流が約０．７Ａ以上の範囲において、ＱＣＤ３０によるレーザ光Ｌ２の検出信号の強度（第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度）が約２倍程度増加していることが判る。
図４の（ａ）は、レーザ光Ｌ１ａの光路上にＮ２Ｏを噴射した場合におけるＱＣＤ３０による検出信号の強度の時間変化を示すグラフである。図４の（ａ）の例では、ＱＣＬ２０への注入電流を所定値に固定した。第１光出射面２０ａに戻り光Ｌ１ｂが帰還しており、ＱＣＤ３０によりレーザ光Ｌ２が連続的に検出されている状態で、所定のタイミングでレーザ光Ｌ１ａの光路上にＮ２Ｏを噴射した。Ｎ２Ｏは、ここでのＱＣＬ２０が発振するレーザ光Ｌ１ａを吸収し易いガスである。図４の（ａ）に示されるように、Ｎ２Ｏが噴射されたタイミングにおいて、戻り光Ｌ１ｂの強度が変化してＱＣＬ２０の発振特性に変化が生じ、ＱＣＤ３０によるレーザ光Ｌ２の検出信号の強度が著しく低下している。このことから、レーザ光Ｌ１（レーザ光Ｌ１ａ及び戻り光Ｌ１ｂ）の波長を吸収するガス（ここではＮ２Ｏ）が検査領域Ｒに配置されていることが、ＱＣＤ３０によるレーザ光Ｌ２の検出信号の強度の低下として現れていることが判る。
図４の（ｂ）は、レーザ光Ｌ１ａの光路を物理的に遮断した場合におけるＱＣＤ３０による検出信号の強度の時間変化を示すグラフである。図４の（ｂ）の例では、ＱＣＤ３０によりレーザ光Ｌ２が連続的に検出されている状態で、所定のタイミングでレーザ光Ｌ１ａの光路を紙等の物体を用いて物理的に遮断した。図４の（ｂ）に示されるように、レーザ光Ｌ１ａの光路を遮断したタイミング又は期間において、戻り光Ｌ１ｂの強度が変化してＱＣＬ２０の発振特性に変化が生じ、ＱＣＤ３０によるレーザ光Ｌ２の検出信号の強度が著しく低下している。このことから、戻り光Ｌ１ｂの強度を変化させる物体が検査領域Ｒに配置されていることが、ＱＣＤ３０によるレーザ光Ｌ２の検出信号の強度の低下として現れていることが判る。
以上説明したように、流体分析装置１Ａでは、第１光出射面２０ａから出射されたレーザ光Ｌ１が反射部材５０で反射され、反射された戻り光Ｌ１ｂが第１光出射面２０ａに帰還する。第１光出射面２０ａに戻り光Ｌ１ｂが帰還すると、第１光出射面２０ａに帰還した戻り光Ｌ１ｂの強度に応じた強度のレーザ光Ｌ２が第２光出射面２０ｂから出射される。分析対象のガスが検査領域Ｒに配置されている場合には、ガスによるレーザ光Ｌ１の吸収又は散乱が生じるため、ガスが検査領域Ｒに配置されていない場合と比較して、レーザ光Ｌ２の強度が変化する。ここで、第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２は、第２光出射面２０ｂを光共振器の一端面として発振され、第１光出射面２０ａに帰還した戻り光Ｌ１ｂの強度に応じた強度を有するレーザ光であるため、ＱＣＬ２０の電気特性の変化よりも、第１光出射面２０ａに帰還した戻り光Ｌ１ｂの強度に応じて顕著な変化となり易い。そこで、第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度の変化をＱＣＤ３０で測定することで、外的要因の影響により感度及び精度が左右されることを抑制しつつ、第１光出射面２０ａに帰還した戻り光Ｌ１ｂの強度の変化を測定することができる。よって、この流体分析装置によれば、分析対象の流体について高感度且つ高精度に分析することができる。
また、流体分析装置１Ａでは、第１光出射面２０ａと第２光出射面２０ｂとの間で光共振器が構成されている。これにより、ＱＣＬ２０がレーザ発振する光共振器として機能するため、分析対象のガスの種類に応じてＱＣＬ２０の発振波長を設定することで、検査領域Ｒにおける当該ガスの存在の分析（いわゆるモニタリング）を高感度且つ高精度に実施することができる。
また、流体分析装置１Ａでは、ＱＣＬ２０が、マルチモードで発振するファブリペロー型素子として構成されている。これにより、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａからシングルモードと比べてブロードな光が出射されるため、多様なガスを分析対象として分析することができる。また、反射部材５０を配置する位置によってＱＣＬ２０の発振及びＱＣＤ３０でのレーザ光Ｌ２の検出が影響を受けにくいため、反射部材５０のレイアウトの自由度が向上し、ＱＣＬ２０と反射部材５０とのアライメントが容易となる。
また、流体分析装置１Ａでは、光入射面３０ａが、第２光出射面２０ｂと鋭角を成す位置関係となるように傾斜している。これにより、第２光出射面２０ｂから出射されたレーザ光Ｌ２が光入射面３０ａにおいて反射され、反射されたレーザ光Ｌ２が第２光出射面２０ｂに戻ることが抑制される。これにより、光入射面３０ａと第１光出射面２０ａとの間で複合共振器が構成されることによって第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度に影響が及ぼされることが抑制される。そのため、第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度の変化を、第１光出射面２０ａに帰還した戻り光Ｌ１ｂの強度に応じて精度良く測定することができる。よって、流体の分析を一層高精度で実施することができる。
また、流体分析装置１Ａは、第１光出射面２０ａと検査領域Ｒとの間に配置され、第１光出射面２０ａから出射されたレーザ光Ｌ１をコリメートするレンズ４０を更に備えている。これにより、レーザ光Ｌ１がコリメートされることで、第１光出射面２０ａから反射部材５０までのレーザ光Ｌ１ａ及び戻り光Ｌ１ｂの光路長を容易に長くすることができるため、検査領域Ｒに配置されたガスによるレーザ光Ｌ１ａ及び戻り光Ｌ１ｂの吸収又は散乱を一層促進させることができる。よって、流体の分析を更に高精度で実施することができる。
また、流体分析装置１Ａでは、ＱＣＤ３０が、Ｘ軸方向において光入射面３０ａに対向する光反射面３０ｂを有し、光反射面３０ｂには、第２光出射面２０ｂから出射されたレーザ光Ｌ２を反射する高反射膜３が形成されている。これにより、ＱＣＤ３０の内部の光が高反射膜３により反射され、ＱＣＤ３０の外部に出難くなるため、ＱＣＤ３０において光を一層吸収させることができる。
［第２実施形態］
図５に示されるように、流体分析装置１Ｂは、ＱＣＬ２０に代えて量子カスケードレーザ２０Ｂ（以下、「ＱＣＬ２０Ｂ」という）を備えている点、及び、ＱＣＬ２０Ｂの第１光出射面２０ａから反射部材５０までのレーザ光Ｌ１（レーザ光Ｌ１ａ及び戻り光Ｌ１ｂ）の光路長（以下、本実施形態において単に「レーザ光Ｌ１の光路長」という）が、ＱＣＬ２０Ｂの発振波長の半波長の整数倍とされている点において、上述した流体分析装置１Ａと主に相違している。
ＱＣＬ２０Ｂは、基本的にＱＣＬ２０と同様に構成されている。ＱＣＬ２０Ｂは、層構造１０に回折格子層を設けて、分布帰還（ＤＦＢ：Distributed Feedback）型素子として構成されている点で、ＱＣＬ２０と異なっている。ＱＣＬ２０Ｂは、シングルモードで発振する。ＱＣＬ２０Ｂの発振波長は、ＱＣＬ２０Ｂが有するゲインの範囲内において任意に選択することができる。ＱＣＬ２０Ｂの発振波長は、分析対象のガスが吸収又は散乱し易い光の波長であることが好ましい。これにより、レンズ４０によりコリメートされたレーザ光Ｌ１ａのビーム品質が改善され、レーザ光Ｌ１の光路長をより長い距離に設定することができる。更に、レンズ４０における戻り光Ｌ１ｂの集光径が縮小し、レンズ４０とＱＣＬ２０Ｂとの結合効率が改善され、第１光出射面２０ａに帰還する戻り光Ｌ１ｂの強度が増加する。
レーザ光Ｌ１の光路長は、ＱＣＬ２０Ｂの発振波長の半波長の整数倍とされている。レーザ光Ｌ１の光路長を発振波長の半波長の整数倍とするためには、例えばピエゾアクチュエータ等を用いて反射部材５０の位置が高精度に制御されてもよいし、ＱＣＬ２０Ｂの温度変化により発振波長が微調整されてもよい。これにより、戻り光Ｌ１ｂとして第１光出射面２０ａに帰還してＱＣＬ２０Ｂ内部に入射した光とＱＣＬ２０Ｂ内部の光とが干渉（共振）する自己干渉が生じる。この干渉に伴って光共振器の発振特性が顕著に影響されるため、第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度の変化が顕著となる。
レーザ光Ｌ１の光路長は、例えば流体分析装置１Ｂにおいて要求される分析性能（感度）に応じて設定される。レーザ光Ｌ１の光路長は、反射部材５０として平面ミラーを用いる場合には５０ｃｍ以下であってもよい。例えばレーザ光Ｌ１の光路長が５０ｃｍよりも長い距離に設定された場合、ＱＣＬ２０Ｂがシングルモードで発振するとしても、レンズ４０によりコリメートされたレーザ光Ｌ１ａがフレネル回折に起因して広がることで生じる影響が無視できなくなる。この場合には、反射部材５０として平面ミラーに代えて、所定の曲率を有する凹面ミラーを使うことが好ましい。
以上のように構成された流体分析装置１Ｂでは、分析対象のガスが吸収又は散乱し易い光の波長にＱＣＬ２０Ｂの発振波長が設定され、ＱＣＬ２０Ｂのレーザ出力(ＱＣＬ２０Ｂへの注入電流)が固定された状態で、流体分析装置１Ａと同様にして分析対象のガスについて差分吸収測定が実施される。
以上説明したように、流体分析装置１Ｂによれば、例えば分析対象のガスの種類が予め特定されている場合、当該ガスが吸収又は散乱する光の波長に一致するようにＱＣＬ２０Ｂの発振波長を設定することで、当該ガスが検査領域Ｒに配置されている場合において第１光出射面２０ａに帰還する戻り光Ｌ１ｂの強度を顕著に変化させることができる。これにより、第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度を一層顕著に変化させることができる。また、第１光出射面２０ａから反射部材５０までのレーザ光Ｌ１ａ及び戻り光Ｌ１ｂの光路長（レーザ光Ｌ１の光路長）が発振波長の半波長の整数倍であることにより、戻り光Ｌ１ｂとして第１光出射面２０ａに帰還してＱＣＬ２０Ｂ内部に入射した光とＱＣＬ２０Ｂ内部の光とが干渉する。この干渉に伴って光共振器の発振特性が顕著に影響されるため、第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度の変化が顕著となる。よって、流体の分析を一層高感度で実施することができる。特に、流体分析装置１Ｂによれば、分析対象のガスの種類に応じてＱＣＬ２０Ｂの発振波長を設定することで、検査領域Ｒにおける当該ガスの存在の分析（いわゆるモニタリング）を高感度且つ高精度に実施することができる。また、流体分析装置１Ｂは、例えば、距離計、段差計や速度計の用途に用いられることも期待される。
［第３実施形態］
図６に示されるように、流体分析装置１Ｃは、反射部材５０に代えて回折格子５１を備えている点、及び、第１光出射面２０ａに反射低減膜４が形成されている点において、上述した流体分析装置１Ａと主に相違している。
回折格子５１は、第１光出射面２０ａから出射されたレーザ光Ｌ３を回折すると共に反射する。回折格子５１は、例えば、各格子の断面が鋸歯形状であるブレーズド回折格子である。回折格子５１には、レンズ４０によりコリメートされたレーザ光Ｌ３ａが入射される。回折格子５１は、例えばＺ軸周りに揺動されるＭＥＭＳデバイスとして構成されており、その格子面の向きが高速に変化させられるように駆動される。回折格子５１は、レーザ光Ｌ３ａのうち、回折格子５１の溝周期及びレーザ光Ｌ３ａの回折格子５１への入射角に応じた波長のレーザ光Ｌ３ｂを反射させることにより、当該波長のレーザ光Ｌ３ｂを第１光出射面２０ａに帰還させるように駆動される。これにより、レーザ光Ｌ３ａの回折格子５１への入射角を高速に変化させられるため、回折格子５１から第１光出射面２０ａに帰還するレーザ光Ｌ３ｂの波長掃引（スキャン）を高速に行うことができる。第１光出射面２０ａと回折格子５１との間の距離は、実用的には、例えば１０ｃｍ〜２０ｃｍである。これにより、回折格子５１での波長選択における波長分解能が向上される。
反射低減膜４は、第１光出射面２０ａから外部にレーザ光Ｌ３が出射する際の反射率を低減する。反射低減膜４は、第１光出射面２０ａから出射されるレーザ光Ｌ３の一部を反射させ残部を透過させる。反射低減膜４は、第１光出射面２０ａから外部へレーザ光Ｌ３が出射する際、例えば反射率１０％以下の反射率でレーザ光Ｌ３を反射する。
第２光出射面２０ｂと回折格子５１との間では、リトロー型の外部共振器（光共振器）が構成されている。この外部共振器は、レーザ光Ｌ３ａの回折格子５１への入射角に応じた波長を共振波長としてシングルモードで発振する。回折格子５１により反射されたレーザ光Ｌ３ｂは、当該外部共振器の内部の光であることから、当該外部共振器の外部からの戻り光とは異なり、当該外部共振器において自己干渉を生じさせない。そのため、この外部共振器では、シングルモードを維持した状態で波長をスキャンする波長掃引を容易に行うことができる。なお、外部共振器の構成はリトロー型に限定されず、リットマン型であってもよい。
以上のように構成された流体分析装置１Ｃでは、流体分析装置１Ｃが分析対象のガスを含む気体雰囲気中に暴露されると、上記外部共振器の内部に位置する検査領域Ｒに分析対象のガスが配置された状態となる。この状態で、上部電極２２及び下部電極２３を介してＱＣＬ２０にバイアス電圧が印加され、ＱＣＬ２０に電流が注入されることで、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａから自然放出光が出射される。ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａから出射された自然放出光は、レンズ４０によりコリメートされる。レンズ４０によりコリメートされた光は、検査領域Ｒを介して回折格子５１により回折されると共に反射される。コリメートされた光のうち、回折格子５１の溝周期及び回折格子５１への入射角に応じた波長の光は、回折格子５１で反射されて、検査領域Ｒを介して第１光出射面２０ａに帰還する。ここで、ＱＣＬ２０に注入される電流の増加等により、第１光出射面２０ａに帰還する光の強度が所定の閾値を超えた場合に、第２光出射面２０ｂと回折格子５１との間で構成される光共振器においてレーザ発振が起こされる。光共振器においてレーザ発振が起こされている場合、レーザ光Ｌ２が第２光出射面２０ｂから出射される。レーザ光Ｌ２は、光入射面３０ａに入射する。ＱＣＤ３０の光入射面３０ａにレーザ光Ｌ２が入射され、上部電極及び下部電極を介してＱＣＤ３０から信号が出力される。
ここで、回折格子５１の格子面の向きを変化させるように駆動することで、回折格子５１から第１光出射面２０ａに帰還するレーザ光Ｌ３ｂの波長掃引（スキャン）が行われる。これにより、検査領域Ｒに配置されているガスによりレーザ光Ｌ３ａ及びレーザ光Ｌ３ｂが吸収又は散乱される波長において、レーザ光Ｌ３ｂの強度に低下が生じ、ＱＣＬ２０の発振特性に変化が生じる。すなわち、検査領域Ｒに配置されているガスによりレーザ光Ｌ３ａ及びレーザ光Ｌ３ｂが吸収又は散乱されない場合と比較して、第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度が低下する。そこで、後段の処理回路では、分析対象のガスを分析するために、ＱＣＤ３０から出力された信号と、検査領域Ｒに配置されているガスによりレーザ光Ｌ３ａ及びレーザ光Ｌ３ｂが吸収又は散乱されない場合の信号（リファレンス信号）との差分が取られる。このように、ＱＣＤ３０から出力される信号及びリファレンス信号を比較することにより、分析対象のガスについて差分吸収測定が実施される。特に、流体分析装置１Ｃによれば、回折格子５１への入射角を変更することでシングルモード発振を維持したままで発振波長を積極的に変化させながら、検査領域Ｒにおける分析対象のガスの組成の分析（いわゆるセンシング）を実施することができる。
以上説明したように、流体分析装置１Ｃによれば、第２光出射面２０ｂと回折格子５１との間では、第１光出射面２０ａから出射されたレーザ光Ｌ３のうち回折格子５１への入射角に応じた波長を発振波長としてシングルモードで発振する光共振器が構成される。これにより、回折格子５１への入射角を変更することでシングルモード発振を維持したままで発振波長を積極的に変化させながら、検査領域Ｒにおける分析対象のガスの組成の分析（いわゆるセンシング）を、高感度且つ高精度に実施することができる。また、この構成では、第２光出射面２０ｂと回折格子５１との間でレーザ光Ｌ３ａ及びレーザ光Ｌ３ｂが往復する外部共振器型の光共振器が構成されており、光共振器の内部に検査領域Ｒが存在している。そのため、レーザ光Ｌ３ａ及びレーザ光Ｌ３ｂは、分析対象のガスにより吸収又は散乱されながら第２光出射面２０ｂと回折格子５１との間で往復することを繰り返す。これにより、光共振器の内部におけるレーザ光Ｌ３ｂの強度の変化に伴って光共振器の発振特性が直接的に影響されるため、光共振器の外部に検査領域Ｒが存在している場合と比べて、第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度の変化が顕著となる。その結果、流体の分析を一層高感度で実施することができる。
［第４実施形態］
図７に示されるように、流体分析装置１Ｄは、回折格子５２及びミラー５３を更に備えている点、及び、回折格子５１に代えて反射部材５４を備えている点、において、上述した流体分析装置１Ｃと主に相違している。
回折格子５２は、第１光出射面２０ａから出射されたレーザ光Ｌ４を回折すると共に反射する。回折格子５２は、例えば、各格子の断面が鋸歯形状であるブレーズド回折格子である。回折格子５２には、レンズ４０によりコリメートされたレーザ光Ｌ４ａの光路上に配置されている。回折格子５２は、レーザ光Ｌ４ａが入射される。回折格子５２は、回折格子５１と異なりＭＥＭＳデバイスとしては構成されておらず、レーザ光Ｌ４ａの回折格子５２への入射角が所定の角度となるように固定されている。
ミラー５３は、回折格子５２により回折されると共に反射されたレーザ光Ｌ５ａの光路上に配置されている。ミラー５３には、レーザ光Ｌ５ａが入射される。ミラー５３は、例えばＺ軸周りに揺動されるＭＥＭＳデバイスとして構成されており、その反射面の向きが高速に変化させられるように駆動される。ミラー５３は、レーザ光Ｌ５ａのうち、レーザ光Ｌ５ａのミラー５３への入射角に応じた波長のレーザ光Ｌ５ｂを反射させることにより、当該波長のレーザ光Ｌ５ｂを回折格子５２を介してレーザ光Ｌ４ｂとして第１光出射面２０ａに帰還させるように駆動される。これにより、レーザ光Ｌ５ａのミラー５３への入射角を高速に変化させられるため、ミラー５３から第１光出射面２０ａに帰還するレーザ光Ｌ５ｂの波長掃引（スキャン）を高速に行うことができる。
第２光出射面２０ｂとミラー５３との間では、回折格子５２を介してリットマン型の外部共振器（光共振器）が構成されている。この外部共振器は、レーザ光Ｌ５ａのミラー５３への入射角に応じた波長を共振波長としてシングルモードで発振する。この外部共振器は、反射部材５４への出力光に０次の反射光であるレーザ光Ｌ６ａを用いた際に波長掃引に伴う光軸のずれが生じないリットマン型であることが好適である。なお、外部共振器の構成はリットマン型に限定されず、リトロー型であってもよい。
反射部材５４は、回折格子５２により反射された光のレーザ光Ｌ６ａの光路上に、分析対象のガスが配置される検査領域Ｒを介して配置されている。反射部材５４は、レーザ光Ｌ６ａを反射させることにより、回折格子５２を介して第１光出射面２０ａに戻り光Ｌ６ｂを帰還させる。流体分析装置１Ｄでは、外部共振器から外部に出射されるレーザ光Ｌ６ａが、反射部材５４で反射されて再び外部共振器に戻される。
以上のように構成された流体分析装置１Ｄでは、流体分析装置１Ｄが分析対象のガスを含む気体雰囲気中に暴露されると、検査領域Ｒに分析対象のガスが配置された状態となる。この状態で、上部電極２２及び下部電極２３を介してＱＣＬ２０にバイアス電圧が印加され、ＱＣＬ２０に電流が注入されることで、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａから自然放出光が出射される。ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａから出射された自然放出光は、レンズ４０によりコリメートされる。コリメートされた光は、回折格子５２により回折されると共に反射される。回折格子５２で回折されると共に反射された光のうち、ミラー５３への入射角に応じた波長の光が、ミラー５３で反射される。これにより、当該波長の光が回折格子５２を介して第１光出射面２０ａに帰還する。ここで、ＱＣＬ２０に注入される電流の増加等により、第１光出射面２０ａに帰還する光の強度が所定の閾値を超えた場合に、第２光出射面２０ｂとミラー５３との間で構成される光共振器においてレーザ発振が起こされる。光共振器においてレーザ発振が起こされている場合、レーザ光Ｌ６ａが反射部材５４へ出力される。
レーザ光Ｌ６ａは、検査領域Ｒを介して反射部材５４により反射される。戻り光Ｌ６ｂは、検査領域Ｒを介してレーザ光Ｌ４ｂとして第１光出射面２０ａに帰還する。レーザ光Ｌ４ｂが第１光出射面２０ａに帰還すると、分析対象のガスに吸収又は散乱された戻り光Ｌ６ｂの強度に応じた強度のレーザ光Ｌ２が第２光出射面２０ｂから出射される。レーザ光Ｌ２は、光入射面３０ａに入射する。ＱＣＤ３０の光入射面３０ａにレーザ光Ｌ２が入射され、上部電極及び下部電極を介してＱＣＤ３０から信号が出力される。
ここで、ミラー５３の向きを変化させるように駆動することで、ミラー５３から回折格子５２を介して第１光出射面２０ａに帰還するレーザ光Ｌ４ｂの波長掃引（スキャン）が行われる。これにより、レーザ光Ｌ６ａが、レーザ光Ｌ５ａのミラー５３への入射角に応じた波長で反射部材５４へ出力される。検査領域Ｒに配置されているガスによりレーザ光Ｌ６ａ及び戻り光Ｌ６ｂが吸収又は散乱される波長において、戻り光Ｌ６ｂの強度に低下が生じ、ＱＣＬ２０の発振特性に変化が生じる。すなわち、検査領域Ｒに配置されているガスによりレーザ光Ｌ６ａ及び戻り光Ｌ６ｂが吸収又は散乱されない場合と比較して、第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度が低下する。そこで、後段の処理回路では、分析対象のガスを分析するために、ＱＣＤ３０から出力された信号と、検査領域Ｒに配置されているガスによりレーザ光Ｌ６ａ及び戻り光Ｌ６ｂが吸収又は散乱されない場合の信号（リファレンス信号）との差分が取られる。このように、ＱＣＤ３０から出力される信号及びリファレンス信号を比較することにより、分析対象のガスについて差分吸収測定が実施される。特に、流体分析装置１Ｄによれば、ミラー５３への入射角を変更することでシングルモード発振を維持したままで発振波長を積極的に変化させながら、検査領域Ｒにおける分析対象のガスの組成の分析（いわゆるセンシング）を実施することができる。
以上説明したように、流体分析装置１Ｄによれば、第２光出射面２０ｂとミラー５３との間では、回折格子５２により回折されると共に反射されたレーザ光Ｌ５ａのうちミラー５３への入射角に応じた波長を発振波長として、シングルモードで発振する光共振器が構成される。よって、ミラー５３への入射角を変更することでシングルモード発振を維持したままで発振波長を積極的に変化させながら、検査領域Ｒにおける分析対象のガスの組成の分析（いわゆるセンシング）を、高感度且つ高精度に実施することができる。
［第５実施形態］
図８に示されるように、流体分析装置１Ｅは、検査領域Ｒを内部に有するマルチパスセル６０を更に備えている点、及び、反射部材５０として凹面ミラー５５を備えている点において、上述した流体分析装置１Ｂと主に相違している。
マルチパスセル６０は、例えば内部の検査領域Ｒにおいて複数のミラーを用いた多重反射機構を有している。マルチパスセル６０では、例えば片道の光路長（レーザ光Ｌ１ａの光路長又は戻り光Ｌ１ｂの光路長）が少なくとも１ｍ以上であることが好ましい。これにより、検査領域Ｒのガスによる光の吸収長が長くなるため、流体の分析を更に高感度で実施することができる。あるいは、検査領域Ｒのガスによる光の吸収長を維持したまま、流体分析装置１Ｅのサイズを縮小することができる。なお、流体分析装置１Ｅでは、マルチパスセル６０により光路長が長くなるため、シングルモードで発振するＱＣＬ２０Ｂが用いられていることが好ましい。
凹面ミラー５５は、例えばマルチパスセル６０の構成に応じた曲率半径を有する。曲率半径は、例えば１〜５ｍの範囲内の曲率半径であってもよい。
以上説明したように、流体分析装置１Ｅによれば、マルチパスセル６０により検査領域Ｒにおけるレーザ光Ｌ１ａ及び戻り光Ｌ１ｂの光路長が長くなるため、分析対象のガスが検査領域Ｒに配置されている場合におけるレーザ光Ｌ１ａ及び戻り光Ｌ１ｂの強度の変化をより大きくすることができる。
［変形例］
以上、本発明の第１〜５実施形態について説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、ＱＣＬ２０、ＱＣＬ２０Ｂ及びＱＣＤ３０のそれぞれの層構造１０は、上述したものに限定されない。また、層構造１０における活性層１１の量子カスケード構造も、上述したものに限定されない。
検査領域Ｒに配置される流体は、ガスに限定されず、第１光出射面２０ａから出射される光を吸収又は散乱し得る流体であればよい。
上記第１実施形態では、検査領域Ｒに配置されたガスによる光の吸収によって第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度が低下するように、ＱＣＬ２０の発振波長が設定される例を示したが、検査領域Ｒに流体が配置されている場合に第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度が増加するように、ＱＣＬ２０の発振波長が設定されていてもよい。この場合においても、第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２をＱＣＤ３０により検出することで、分析対象の流体について高感度且つ高精度に分析することができる。
上記第１〜第５実施形態では、ＱＣＤ３０の光入射面３０ａが、第２光出射面２０ｂと鋭角を成す位置関係となるように傾斜しており、Ｚ軸方向に垂直なＸＹ平面と直角を成し且つＸ軸方向に垂直なＹＺ平面と４５°を成すように傾斜していたが、これに限定されるものではない。例えば、図９に示されるように、ＱＣＤ３０に代えて量子カスケード検出器３０Ｕ（以下、「ＱＣＤ３０Ｕ」という）が基板２の表面２ａに形成されていてもよい。
ＱＣＤ３０Ｕは、光入射面３０ａの構成を除き、基本的にＱＣＤ３０と同様に構成されている。ＱＣＤ３０Ｕの光入射面３０ａは、第２光出射面２０ｂと鋭角を成す位置関係となるように傾斜すると共に、Ｙ軸方向に垂直なＺＸ平面（基板２の表面２ａに垂直であって所定方向に沿う仮想面）と直角を成し且つＺ軸方向に垂直なＸＹ平面（基板２の表面２ａ）と角度θを成すように傾斜している。このような光入射面３０ａは、例えば、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）又はＱＣＤ３０ＵからＱＣＬ２０に向かって段階的に厚さが減少するマスクを用いたドライエッチングによって形成することができる。
ここで、第２光出射面２０ｂに対して光入射面３０ａを上述のように傾斜させた場合、光入射面３０ａで反射されたレーザ光Ｌ２の戻り光が第２光出射面２０ｂに戻ることを抑制する効果に加えて、光入射面３０ａでの反射率自体を、光入射面３０ａにレーザ光Ｌ２が垂直に入射する場合と比較して低減させることができる。特に、ＱＣＬ２０からＱＣＤ３０Ｕへの光の入射が、ＴＭ偏光での入射となっていることから、角度θをブリュースター角とすることによって、光入射面３０ａでの反射率を限りなくゼロに近づけることができる。
図１０は、図９の角度θに対する光入射面３０ａでの反射率を示すグラフである。図１０のグラフの横軸は、光入射面３０ａと基板２の表面２ａとがなす角度θであり、縦軸は、光入射面３０ａでのレーザ光Ｌ２の反射率である。図１０の例では、活性層１１の屈折率を３．３とし、空気の屈折率を１として、反射率を計算した。図１０に示されるように、角度θが０°以上７５°以下である場合、反射率が約２８％以下となる。また、角度θが４５°以上７５°以下である場合、反射率が約１７％以下となる。また、角度θが６９°以上７５°以下である場合、反射率が約１％以下となる。また、角度θが約７３°（ブリュースター角）である場合、反射率が０．００１％以下となり、ゼロに限りなく近くなる。
この構成によれば、レーザ光Ｌ２が光入射面３０ａで反射することを十分に抑えることができ、レーザ光Ｌ２を効率良くＱＣＤ３０Ｕの内部へと導入することができる。これにより、光入射面３０ａと第１光出射面２０ａとの間で複合共振器が構成されることによって第２光出射面２０ｂから出射されるレーザ光Ｌ２の強度に影響が及ぼされることを一層抑制すると共に、ＱＣＤ３０Ｕによりレーザ光Ｌ２をより確実に吸収させることができる。
また例えば、図１１に示されるように、ＱＣＤ３０に代えて量子カスケード検出器３０Ｖ（以下、「ＱＣＤ３０Ｖ」という）が基板２の表面２ａに形成されていてもよい。
ＱＣＤ３０Ｖは、光入射面３０ａの形状を除き、基本的にＱＣＤ３０と同様に構成されている。光入射面３０ａは、第２光出射面２０ｂから出射されたレーザ光Ｌ２の光軸ＬＡに関して対称である一対の第１平面３０ｃ及び第２平面３０ｄを有している。第１平面３０ｃ及び第２平面３０ｄは、第２光出射面２０ｂから遠ざかるほど互いに近接している。これにより、第１平面３０ｃ及び第２平面３０ｄは、平面視でＶ字をなしている。
この構成によれば、実質的にレーザ光Ｌ２が入射可能な光入射面３０ａの面積を増加させることができる。また、Ｖ字をなす第１平面３０ｃと第２平面３０ｄとの間でレーザ光Ｌ２の反射が複数回繰り返されることにより、レーザ光Ｌ２がＱＣＤ３０Ｖの内部に進入する可能性が高まると考えられる。よって、ＱＣＤ３０Ｖによれば、ＱＣＤ３０よりも、より効率良くレーザ光Ｌ２を受光することができる可能性がある。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…流体分析装置、２…基板、２ａ…表面、３…高反射膜（反射膜）、１０…層構造、２０，２０Ｂ…ＱＣＬ（量子カスケードレーザ）、２０ａ…第１光出射面、２０ｂ…第２光出射面、３０，３０Ｕ，３０Ｖ…ＱＣＤ（量子カスケード検出器）、３０ａ…光入射面、３０ｂ…光反射面、３０ｃ…第１平面、３０ｄ…第２平面、４０…レンズ、５０…反射部材（光学素子）、５１…回折格子（光学素子）、５２…回折格子、５３…ミラー、５４…反射部材（光学素子）、５５…凹面ミラー（光学素子）、６０…マルチパスセル、ＬＡ…光軸、Ｒ…検査領域。

Claims (11)

  1. 基板と、
    前記基板の表面に形成され、前記表面に平行な所定方向において互いに対向する第１光出射面及び第２光出射面を有する量子カスケードレーザと、
    前記表面に形成され、前記量子カスケードレーザと同一の層構造、及び前記所定方向において前記第２光出射面に対向する光入射面を有する量子カスケード検出器と、
    前記第１光出射面から出射された光の光路上に、分析対象の流体が配置される検査領域を介して配置され、前記光を反射することにより、前記光を前記第１光出射面に帰還させる光学素子と、を備える、流体分析装置。
  2. 前記第１光出射面と前記第２光出射面との間で光共振器が構成されている、請求項１記載の流体分析装置。
  3. 前記量子カスケードレーザは、マルチモードで発振するファブリペロー型素子として構成されている、請求項２記載の流体分析装置。
  4. 前記量子カスケードレーザは、シングルモードで発振する分布帰還型素子として構成されており、
    前記第１光出射面から前記光学素子までの前記光の光路長は、前記量子カスケードレーザの発振波長の半波長の整数倍である、請求項２記載の流体分析装置。
  5. 前記光学素子は、前記第１光出射面から出射された前記光を回折すると共に反射する回折格子であり、
    前記回折格子は、前記光のうち、前記光の入射角に応じた波長の光を反射させることにより、当該波長の光を前記第１光出射面に帰還させるように駆動され、
    前記第２光出射面と前記回折格子との間で光共振器が構成されている、請求項１記載の流体分析装置。
  6. 前記第１光出射面から出射された前記光を回折すると共に反射する回折格子と、
    前記回折格子により回折されると共に反射された前記光を反射するミラーと、を更に備え、
    前記ミラーは、前記光のうち、前記光の入射角に応じた波長の光を反射させることにより、前記回折格子を介して前記第１光出射面に当該波長の光を帰還させるように駆動され、
    前記第２光出射面と前記ミラーとの間で光共振器が構成されており、
    前記光学素子は、前記回折格子により反射された前記光の０次の反射光の光路上に、前記分析対象の流体が配置される前記検査領域を介して配置され、前記０次の反射光を反射させることにより、前記回折格子を介して前記第１光出射面に前記光を帰還させる、請求項１記載の流体分析装置。
  7. 前記光入射面は、前記第２光出射面と鋭角を成す位置関係となるように傾斜している、請求項１〜６のいずれか一項記載の流体分析装置。
  8. 前記光入射面は、前記第２光出射面と鋭角を成す位置関係となるように傾斜すると共に、前記基板の前記表面に垂直であって前記所定方向に沿う仮想面と直角を成し且つ前記基板の前記表面と４５°以上の角度を成すように傾斜している、請求項１〜７のいずれか一項記載の流体分析装置。
  9. 前記第１光出射面と前記検査領域との間に配置され、前記第１光出射面から出射された前記光をコリメートするレンズを更に備える、請求項１〜８のいずれか一項記載の流体分析装置。
  10. 前記検査領域を内部に有するマルチパスセルを更に備える、請求項１〜９のいずれか一項記載の流体分析装置。
  11. 前記量子カスケード検出器は、前記所定方向において前記光入射面に対向する光反射面を有し、
    前記光反射面には、前記第２光出射面から出射された光を反射する反射膜が形成されている、請求項１〜１０のいずれか一項記載の流体分析装置。
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