JP4568313B2 - Laser light source - Google Patents

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本発明は、レーザ光源に関し、より詳細には、レーザと非線形光学結晶とを用いて、高効率にナトリウムD線波長、または黄色領域波長のコヒーレント光を出力するレーザ光源、中赤外領域のレーザ光を波長2〜3μmの範囲において可変することができるレーザ光源、および酸素吸収線である波長759nm〜768nmのレーザ光を出力するレーザ光源に関する。   The present invention relates to a laser light source, and more particularly, a laser light source that outputs a coherent light having a sodium D-line wavelength or a yellow region wavelength with high efficiency using a laser and a nonlinear optical crystal, and a mid-infrared region laser. The present invention relates to a laser light source that can vary light in a wavelength range of 2 to 3 μm and a laser light source that outputs laser light having a wavelength of 759 nm to 768 nm, which is an oxygen absorption line.

現在、実用化されているレーザには、He−Neレーザ、Arレーザなどのガスレーザ、Nd:YAGレーザなどの固体レーザ、色素レーザおよび半導体レーザが知られている。図1に、レーザの波長領域と出力との関係を示す。近年、可視および近赤外領域の波長帯102を中心に、小型・軽量、安価な半導体レーザが普及している。特に光通信の分野では、信号光源用の1.3μm帯および1.5μm帯半導体レーザと、ファイバアンプ励起用の0.98μm帯および1.48μm帯半導体レーザとが普及している。また、CD用レーザ、赤色LDとしても半導体レーザが用いられ、DVD、Blu−rayなどの記録媒体の読み書きに利用される可視および紫外領域の波長帯101にも、半導体レーザが用いられている。   Currently, gas lasers such as He—Ne laser and Ar laser, solid-state lasers such as Nd: YAG laser, dye lasers and semiconductor lasers are known as lasers in practical use. FIG. 1 shows the relationship between the laser wavelength region and the output. In recent years, small, lightweight, and inexpensive semiconductor lasers have become widespread, mainly in the wavelength band 102 in the visible and near infrared regions. Particularly in the field of optical communication, 1.3 μm band and 1.5 μm band semiconductor lasers for signal light sources and 0.98 μm band and 1.48 μm band semiconductor lasers for exciting fiber amplifiers are widespread. Semiconductor lasers are also used as CD lasers and red LDs, and semiconductor lasers are also used in the visible and ultraviolet wavelength bands 101 used for reading and writing on recording media such as DVDs and Blu-rays.

しかしながら、半導体レーザは、波長0.5〜0.6μmの緑色、黄緑色、黄色領域の波長帯111と、波長2〜5μmの中赤外領域の波長帯112とにおいては、実用化がなされておらず、高価で消費電力の大きなガスレーザ、固体レーザが用いられている。   However, semiconductor lasers have been put to practical use in the wavelength band 111 of green, yellow-green, and yellow regions with wavelengths of 0.5 to 0.6 μm and the wavelength band 112 of mid-infrared region of wavelengths of 2 to 5 μm. Gas lasers and solid-state lasers that are expensive and have high power consumption are used.

液体、ガラスなどの光学媒質の屈折率、吸収などの光学特性は、光学機器の特性を規定する点で、または食品、医薬品などの精度、純度などの品質管理の点で、重要な評価項目となっている。これら光学特性の測定には、波長帯111に含まれる黄色領域の波長589〜590nmのナトリウムD線を発生する光源が用いられている。   Optical properties such as refractive index and absorption of optical media such as liquid and glass are important evaluation items in terms of prescribing the characteristics of optical equipment or quality control such as accuracy and purity of foods and pharmaceuticals. It has become. For the measurement of these optical characteristics, a light source that generates sodium D-rays having a wavelength of 589 to 590 nm in the yellow region included in the wavelength band 111 is used.

例えば、液体中の糖度と屈折率の関係は、Brix値としてICUMSA(International Commission for Uniform Methods of Sugars Analysis)で定められており、屈折率の測定から糖度を求める方法が規定されている。この方法は、果物や酒類の糖度測定に応用され、産業上、幅広く用いられている。   For example, the relationship between the sugar content and the refractive index in the liquid is defined as a Brix value by ICUMSA (International Commission for Uniform Methods of Sugars Analysis), and a method for obtaining the sugar content from the measurement of the refractive index is defined. This method is applied to the measurement of sugar content of fruits and liquors and is widely used in industry.

医薬品の分野では、薬剤の品質管理の1つとして、薬剤を溶かした溶液の屈折率が日本薬局方で定められている。サリドマイドのようなラセン構造をもつ医薬品では、「右手系」は薬用効果があるが、「左手系」は毒物となる場合がある。このような互いに逆ラセン構造を有する物質を、物理化学的に分離することは不可能である。しかし、異なる旋光性を示すことが知られており、光学的に容易に識別することができる。そこで、サリドマイドのような薬害事故後、日本薬局方において、ナトリウムD線による旋光度の測定が規定されている。このような性質を示す医薬品としては、サリドマイドのほか、メントール、プロスタグランジン、βラクタム系抗生物質、キノロン系抗菌剤など多数ある。   In the field of pharmaceuticals, as one of quality control of drugs, the refractive index of a solution in which a drug is dissolved is defined by the Japanese Pharmacopoeia. In drugs with a helical structure such as thalidomide, the “right-handed” system has medicinal effects, but the “left-handed” system can be a poison. It is impossible to physicochemically separate such substances having reverse helical structures. However, it is known to exhibit different optical rotations and can be easily identified optically. Thus, after a phytotoxicity accident such as thalidomide, the Japanese Pharmacopoeia stipulates the measurement of optical rotation using sodium D-line. In addition to thalidomide, there are many other drugs such as menthol, prostaglandins, β-lactam antibiotics, and quinolone antibacterial agents.

現在、ナトリウムD線を発生するレーザ光源は実現されておらず、ナトリウムランプあるいは黄色LEDを光源として用いている。ナトリウムランプからの光は、単色性に優れているものの、すべての方向に放射される発散光である。従って、平行光にすることが難しく、光学特性を精度よく測定することが困難である。また、集光エネルギーが高くならないため、大出力ランプを用いる必要がある。   At present, a laser light source that generates sodium D-line has not been realized, and a sodium lamp or a yellow LED is used as the light source. The light from the sodium lamp is divergent light radiated in all directions although it is excellent in monochromaticity. Therefore, it is difficult to make parallel light, and it is difficult to accurately measure optical characteristics. In addition, since the condensing energy does not increase, it is necessary to use a high output lamp.

一方、黄色LEDは、スペクトラム線幅が約20nmと広い。そこで、光学フィルタを用いて、ナトリウムD線近傍のスペクトラムを切り出すことにより、スペクトラム線幅を狭くしているものの、限界があった。また、可干渉性もないことから、測定精度の向上には限界があった。   On the other hand, the yellow LED has a wide spectrum line width of about 20 nm. Thus, although the spectrum line width is narrowed by cutting out the spectrum near the sodium D line using an optical filter, there is a limit. Further, since there is no coherence, there is a limit to the improvement of measurement accuracy.

このような背景のもとに、食料品、医薬品の品質管理など、産業上多くの分野で、ナトリウムD線波長で規定されている光学的評価方法の精度向上が求められている。ナトリウムD線におけるレーザを実現することができれば、光の干渉を用いた測定が可能となる。光の干渉を用いると、食品、医薬品をはじめとした各種液体、光学媒質の屈折率測定精度を、現在より2桁程度向上することができ、さらに、低消費電力化、小型化も可能となる。   Against this background, in many industrial fields such as food and pharmaceutical quality control, there is a need to improve the accuracy of the optical evaluation method defined by the sodium D-line wavelength. If a laser in the sodium D line can be realized, measurement using light interference becomes possible. By using light interference, the refractive index measurement accuracy of various liquids and optical media including food and pharmaceuticals can be improved by about two orders of magnitude compared to the current level, and further, low power consumption and downsizing can be achieved. .

ナトリウム原子の構造およびそのエネルギー遷移から発生する光の特性について説明する(例えば、非特許文献1参照)。ナトリウム原子から発光する波長は、589.592nm(D線)と、588.995nm(D線)とであることが知られている。また、D線とD線をあわせてD線と呼び、D線の波長は両者の平均を取り589.3nmと呼ばれることもある。ナトリウム原子のエネルギー準位を図2に示す。D線は、第1励起状態である3P準位から基底状態である3S準位への遷移に伴い発生する。3Pは、3P1/2と3P3/2の微細構造を有し、D線の発光は、3P1/2から3S1/2へ遷移によるものであり、D線の発光は、3P3/2から3S1/2へ遷移によるものである。 The structure of sodium atoms and the characteristics of light generated from the energy transition will be described (for example, see Non-Patent Document 1). It is known that the wavelengths of light emitted from sodium atoms are 589.592 nm (D 1 line) and 588.995 nm (D 2 line). The D 1 line and the D 2 line are collectively referred to as a D line, and the wavelength of the D line is sometimes referred to as 589.3 nm taking an average of both. The energy level of the sodium atom is shown in FIG. The D line is generated with a transition from the 3P level that is the first excited state to the 3S level that is the ground state. 3P has a fine structure of 3P 1/2 and 3P 3/2 , the emission of the D 1 line is due to a transition from 3P 1/2 to 3S 1/2 , and the emission of the D 2 line is 3P This is due to the transition from 3/2 to 3S 1/2 .

3S1/2、3P1/2、3P3/2は、電子の磁気モーメントと原子核の固有磁気モーメントとの相互作用により極微細構造を有し、3S1/2は、エネルギー差7.3μeVの2つのレベルに分離し、3P1/2は、0.78μeの幅の2つのレベルに分離し、3P3/2は、0.48μeVの幅の4つのレベルに分離する。 3S 1/2 , 3P 1/2 , 3P 3/2 have a very fine structure due to the interaction between the magnetic moment of electrons and the intrinsic magnetic moment of the nucleus, and 3S 1/2 has an energy difference of 7.3 μeV. Separating into two levels, 3P 1/2 separates into two levels with a width of 0.78 μe and 3P 3/2 separates into four levels with a width of 0.48 μeV.

線、D線の波長でレーザを実現するためには、それぞれに対応するエネルギーレベル間で反転分布を形成する必要がある。反転分布を実現するためには、3準位系、あるいは4準位系を構成する必要がある。しかし、図2に示したエネルギー準位において、3P3/2から3P1/2への緩和は禁制遷移であり、3P1/2から3S1/2への緩和時間は15.9ns(例えば、非特許文献2参照)である。例えば、TiAlレーザの緩和時間3.2μsと比較すると、2桁以上も短いため、3S1/2と3P1/2との間で反転分布を形成することが難しく、ナトリウムD線波長のレーザ発振が未だ実現されていない。また、超微細構造を用いたレーザ発振も考えられるが、ナトリウム原子における3S1/2、3P1/2、3P3/2の極微細構造のエネルギー差は、室温(300K)におけるエネルギー25.8meVに比較すると4桁程度小さい。そのため、室温における励起は、スプリットした極微細構造の両方にほぼ均等に分布し、反転分布を形成することができない。このような理由により、これまで、ナトリウムD線、D線におけるレーザを実現することが出来なかった。 In order to realize a laser with wavelengths of D 1 line and D 2 line, it is necessary to form an inversion distribution between energy levels corresponding to the respective wavelengths. In order to realize the population inversion, it is necessary to configure a three-level system or a four-level system. However, in the energy level shown in FIG. 2, the relaxation from 3P 3/2 to 3P 1/2 is a forbidden transition, and the relaxation time from 3P 1/2 to 3S 1/2 is 15.9 ns (for example, Non-Patent Document 2). For example, compared with the relaxation time of 3.2 μs of TiAl 2 O 3 laser, it is difficult to form an inversion distribution between 3S 1/2 and 3P 1/2 because it is shorter by two orders of magnitude or more. The laser oscillation has not been realized yet. Although laser oscillation using an ultrafine structure is also conceivable, the energy difference between 3S 1/2 , 3P 1/2 , and 3P 3/2 ultrafine structure in a sodium atom is 25.8 meV at room temperature (300 K). Is about 4 digits smaller than. Therefore, the excitation at room temperature is distributed almost evenly in both of the split ultrafine structures, and an inversion distribution cannot be formed. For these reasons, heretofore, sodium D 1 line, it was not possible to realize a laser in D 2 line.

従来、半導体レーザは、500nm以下または620nm以上の波長領域でしか実用化されていない。500nm〜620nmの波長領域においては、ファイバレーザ、Nd−YAGレーザの第二高調波発生法によって、特定の波長の固体レーザが実現されているものの、任意の波長の固体レーザは、未だ実現されていない。   Conventionally, semiconductor lasers have been put into practical use only in a wavelength region of 500 nm or less or 620 nm or more. In the wavelength region of 500 nm to 620 nm, a solid-state laser of a specific wavelength is realized by the second harmonic generation method of the fiber laser and the Nd-YAG laser, but a solid-state laser of an arbitrary wavelength has not been realized yet. Absent.

一方、可視域のコヒーレントな光を発生する方法として、非線形結晶を用いた第二高調波発生法(SHG法)が知られている。この方法により、D線あるいはD線の光を発生するためには、波長1179.2nmまたは1178.0nmの光源を必要とする。残念ながら、これらの波長は、半導体レーザで発振することができるものの、必要な出力を得ることが出来るレーザを入手することが非常に困難である。 On the other hand, a second harmonic generation method (SHG method) using a nonlinear crystal is known as a method for generating coherent light in the visible range. In order to generate D 1 or D 2 light by this method, a light source having a wavelength of 1179.2 nm or 1178.0 nm is required. Unfortunately, although these wavelengths can oscillate with a semiconductor laser, it is very difficult to obtain a laser that can provide the required output.

また、非線形結晶を用い2つの励起レーザ光の和周波を発生し、可視光を得ることもできる。この方法では、和周波光のエネルギーは、2つの励起光のエネルギーの和で与えられる。所望の波長の和周波を得るために、2つの励起光の波長の組み合わせの自由度が広がるという利点もある。したがって、任意の波長のレーザを実現するためには、最も実用的な方法である。しかしながら、一般に非線形光学現象は、効率が低いという問題があった。この問題を解決するためには、非線形光学結晶の特性改善と共に、高励起光強度が得られ、さらに、小型化、低消費電力な既存レーザ装置の選択が重要となる。   Also, visible light can be obtained by generating a sum frequency of two excitation laser beams using a nonlinear crystal. In this method, the energy of the sum frequency light is given by the sum of the energy of the two excitation lights. In order to obtain the sum frequency of the desired wavelength, there is an advantage that the degree of freedom of the combination of the wavelengths of the two excitation lights is expanded. Therefore, it is the most practical method for realizing a laser having an arbitrary wavelength. However, in general, the nonlinear optical phenomenon has a problem of low efficiency. In order to solve this problem, it is important to select an existing laser apparatus that can improve the characteristics of the nonlinear optical crystal, obtain high excitation light intensity, and reduce the size and power consumption.

従来、共焦点レーザービームにより試料を走査し、光学的断層像を得るレーザ顕微鏡が知られている。レーザ顕微鏡は、蛍光標識された物質の組織・細胞内分布解析に用いられている。また、一列に並んだ細胞の流れにレーザービームを照射し、蛍光強度に応じて細胞を分析・分取するフローサイトメータが知られている。フローサイトメータは、細胞の性質、例えば大きさ、DNA含有量等を光学的パラメータとして定性的に識別するフローサイトメトリ法を用いた測定装置である。   Conventionally, a laser microscope that scans a sample with a confocal laser beam and obtains an optical tomographic image is known. Laser microscopes are used for tissue / subcellular distribution analysis of fluorescently labeled substances. In addition, a flow cytometer is known that irradiates a flow of cells arranged in a row with a laser beam and analyzes and sorts the cells according to the fluorescence intensity. A flow cytometer is a measuring device using a flow cytometry method that qualitatively identifies cell properties such as size and DNA content as optical parameters.

近年、蛍光標識として蛍光色素が用いられているが、蛍光色素は、細胞にとって異物であるため、細胞の性質に影響を与えたり、細胞が死滅するなどの問題があった。そこで、クラゲなどから抽出した緑色蛍光タンパクにより、蛍光標識を行う方法が用いられている。また、緑色蛍光タンパクの突然変異や遺伝子操作によって、黄色、赤色の発光を示す蛍光タンパクも得られ(例えば、非特許文献3参照)、多色の蛍光を用いたより詳細な測定・分析が行われている。   In recent years, fluorescent dyes have been used as fluorescent labels. However, since fluorescent dyes are foreign substances for cells, there are problems such as affecting the properties of cells and killing cells. Therefore, a method of performing fluorescent labeling with green fluorescent protein extracted from jellyfish or the like is used. In addition, fluorescent proteins exhibiting yellow and red light emission are obtained by mutation and genetic manipulation of green fluorescent protein (see, for example, Non-Patent Document 3), and more detailed measurement and analysis using multicolor fluorescence is performed. ing.

赤色蛍光タンパクは、波長560〜590nmに吸収極大を有するため(例えば、非特許文献4参照)、この波長帯域に発振波長を有するレーザ光源が望まれている。この波長帯域に発振波長を有するレーザは、色素レーザなどの大型レーザだけであるため、代わりに532nm固体レーザ、543nmHe−Neレーザが用いられている。しかしながら、これらの波長は、緑色蛍光タンパクの蛍光波長と黄色蛍光タンパクの吸収波長との重なりが顕著であるため、多色の蛍光タンパクを用いた測定・分析には不都合であった。   Since the red fluorescent protein has an absorption maximum at a wavelength of 560 to 590 nm (see, for example, Non-Patent Document 4), a laser light source having an oscillation wavelength in this wavelength band is desired. Since lasers having an oscillation wavelength in this wavelength band are only large lasers such as dye lasers, 532 nm solid-state lasers and 543 nm He—Ne lasers are used instead. However, these wavelengths are inconvenient for measurement and analysis using multicolor fluorescent proteins because the overlap between the fluorescence wavelength of green fluorescent protein and the absorption wavelength of yellow fluorescent protein is remarkable.

最近になって、強い緑色レーザ光(波長530〜560nm)の照射により、72時間以上の長時間にわたり赤色蛍光を安定に発光するKindling赤色蛍光タンパクが報告されている(例えば、非特許文献5参照)。Kindling赤色蛍光タンパクを利用すると、細胞分裂の様子を蛍光によって長時間にわたり観測することができるなどの効果が期待される。しかし、従来の532nm固体レーザ、543nmHe−Neレーザは、緑色蛍光タンパクの蛍光波長と黄色蛍光タンパクの吸収波長との重なりが顕著である。したがって、できるだけ560nmに近い発振波長を有する小型の固体レーザの実現が望まれている。   Recently, a Kindling red fluorescent protein that stably emits red fluorescence over a long period of 72 hours or longer by irradiation with intense green laser light (wavelength 530 to 560 nm) has been reported (for example, see Non-Patent Document 5). ). If Kindling red fluorescent protein is used, it is expected that the state of cell division can be observed with fluorescence for a long time. However, in the conventional 532 nm solid laser and 543 nm He—Ne laser, the overlap between the fluorescence wavelength of the green fluorescent protein and the absorption wavelength of the yellow fluorescent protein is remarkable. Therefore, realization of a small solid laser having an oscillation wavelength as close to 560 nm as possible is desired.

また、金属ポルフィリンは、光合成、呼吸代謝などの動植物の生命活動で重要な機能を担うタンパク質に含まれる分子であり、波長590nm付近に吸収極大を有する。これら金属ポルフィリンの発光波長は、600nm付近にピークを示すために、波長589nmのレーザを用いると、発光波長とのオーバーラップが大きく測定が困難である。そこで、波長585.0nmの黄橙色レーザが必要とされている。   Metalloporphyrin is a molecule contained in a protein that plays an important role in animal and plant life activities such as photosynthesis and respiratory metabolism, and has an absorption maximum near a wavelength of 590 nm. Since the emission wavelength of these metal porphyrins shows a peak in the vicinity of 600 nm, when a laser having a wavelength of 589 nm is used, the overlap with the emission wavelength is large and measurement is difficult. Therefore, a yellow-orange laser having a wavelength of 585.0 nm is required.

さらに、水銀ランプの発する輝線の1つ(e線)に相当する波長546.1nm(黄緑)は、人間の視感度が一番高い波長であり、光学ガラスの屈折率標準の波長として使用されている。図1に示したように、波長帯111に含まれる500nm〜600nmの緑色、黄緑色、黄色領域において、高効率、高安定のレーザ光源が必要とされる。   Furthermore, the wavelength 546.1 nm (yellowish green) corresponding to one of the emission lines (e-line) emitted by the mercury lamp is the wavelength with the highest human visibility, and is used as the standard refractive index wavelength of optical glass. ing. As shown in FIG. 1, a highly efficient and highly stable laser light source is required in the green, yellow-green, and yellow regions of 500 nm to 600 nm included in the wavelength band 111.

しかしながら、上述したように、半導体レーザは、500nm以下または620nm以上の波長領域でしか実用化されていない。また、500nm〜620nmの波長領域において、任意の波長の固体レーザも、未だ実現されていない。さらに、SHG法により、黄色領域の光を発生するためには、波長1092.2nm、1120.0nmまたは1170.0nmの光源を必要とする。しかしながら、これらの波長は、半導体レーザで発振することができるものの、必要な出力を得ることが出来るレーザを入手することが非常に困難である。   However, as described above, the semiconductor laser has been put into practical use only in a wavelength region of 500 nm or less or 620 nm or more. In addition, a solid-state laser having an arbitrary wavelength has not been realized in the wavelength region of 500 nm to 620 nm. Furthermore, in order to generate light in the yellow region by the SHG method, a light source having a wavelength of 1092.2 nm, 1120.0 nm, or 1170.0 nm is required. However, although these wavelengths can be oscillated by a semiconductor laser, it is very difficult to obtain a laser capable of obtaining a necessary output.

上述したように、非線形光学現象を応用するにあたっては、非線形光学結晶の特性改善と共に、高励起光強度が得られ、さらに、小型化、低消費電力な既存レーザ装置の選択が重要となる。   As described above, in applying the nonlinear optical phenomenon, it is important to select an existing laser apparatus that can improve the characteristics of the nonlinear optical crystal, obtain high excitation light intensity, and further reduce the size and power consumption.

環境保護、安全衛生上の観点から、NOx、SOx、アンモニア系等の環境ガス、水の吸収ピーク、多くの有機系ガスまたは残留農薬の極微量分析技術の確立が強く望まれている。極微量分析技術として、被測定ガスを特定の物質に吸着し、電気化学的手法による定量分析と、被測定物質の固有の光学吸収特性を測定する光学的方法とが一般的である。このうち、光学的手法は、実時間測定が可能であり、測定光の通過する広範囲な領域の観測が可能という特徴を有する。   From the viewpoints of environmental protection and safety and health, establishment of trace analysis techniques for environmental gases such as NOx, SOx, and ammonia, water absorption peaks, many organic gases, and residual agricultural chemicals is strongly desired. As trace analysis techniques, a gas to be measured is adsorbed on a specific substance, a quantitative analysis by an electrochemical method, and an optical method for measuring a specific optical absorption characteristic of the substance to be measured are generally used. Among these, the optical method has a feature that real-time measurement is possible and observation of a wide area through which the measurement light passes is possible.

被測定物質の吸収ピークは、原子間結合の振動モードに起因し、主に2μmから20μmの中赤外領域にある。しかし、図1に示した中赤外領域の波長帯112において、室温で連続発振が可能なレーザは、未だ実用化されておらず、量子カスケードレーザの研究開発が進められているに留まっている。産業上、中赤外光の必要性は高いものの、実用的なレーザ光源がないことが大きな支障になっている。   The absorption peak of the substance to be measured is mainly in the mid-infrared region of 2 μm to 20 μm due to the vibration mode of interatomic bonding. However, a laser capable of continuous oscillation at room temperature in the mid-infrared wavelength band 112 shown in FIG. 1 has not yet been put into practical use, and research and development of quantum cascade lasers have only been promoted. . Although the necessity of mid-infrared light is high in industry, the lack of a practical laser light source is a major obstacle.

中赤外領域における実用可能な光源が存在しないので、既存の通信用半導体レーザ(0.8〜2μm)を使用して各種ガスなどの微量分析を行う場合には、基本吸収波長の倍音(=基本吸収波長の2分の1)、3倍音(=基本吸収波長の3分の1)における吸収を利用することとなる。倍音であれば必要な感度が得られる場合もあるが、3倍音以上の高次の吸収ピークにおける測定は、吸収量そのものが小さいために検出に限界が生じる。従って、本来の基本吸収波長における測定と比較して、3桁程度の感度低下を招くことになる。   Since there is no practical light source in the mid-infrared region, when performing microanalysis of various gases using an existing communication semiconductor laser (0.8 to 2 μm), harmonics of the fundamental absorption wavelength (= The absorption at half the fundamental absorption wavelength and the third overtone (= one third of the fundamental absorption wavelength) is used. In the case of overtones, the necessary sensitivity may be obtained, but the measurement at the higher-order absorption peak of the third overtone or higher is limited in detection because the amount of absorption itself is small. Therefore, compared with the measurement at the original fundamental absorption wavelength, the sensitivity is reduced by about 3 digits.

従って、環境ガス、危険性を伴うガスなどを分析する際に、高い検出感度を得るためには、中赤外レーザ光源の開発が不可欠である。近年、波長3μm付近において中赤外光を発生させ、ガスセンサとして動作を確認したことが報告されている(例えば、非特許文献6参照)。ガスセンサに用いられた光源は、周期変調構造を有するニオブ酸リチウム(LiNbO)波長変換素子を用いて、差周波発生により中赤外光を発生する。 Therefore, development of a mid-infrared laser light source is indispensable for obtaining high detection sensitivity when analyzing environmental gases, dangerous gases, and the like. In recent years, it has been reported that mid-infrared light is generated in the vicinity of a wavelength of 3 μm and its operation as a gas sensor has been confirmed (for example, see Non-Patent Document 6). The light source used for the gas sensor uses a lithium niobate (LiNbO 3 ) wavelength conversion element having a periodic modulation structure to generate mid-infrared light by difference frequency generation.

しかしながら、周期変調構造を有する波長変換素子からは、1つの固定された波長の中赤外光が発生するのみである。そこで、一度に多種類のガスを検出できるように、波長を可変とするために、(1)1つの波長変換素子の中に多種の周期を設ける(例えば、非特許文献7参照)。(2)Fanout Gratingという構造により周期を変化させる(例えば、非特許文献6参照)。(3)励起光を素子に斜めに入射させて実効的な周期を変える(例えば、非特許文献8参照)などの手法が知られている。   However, the wavelength conversion element having the periodic modulation structure only generates mid-infrared light having one fixed wavelength. Therefore, in order to make the wavelength variable so that many kinds of gases can be detected at one time, (1) various periods are provided in one wavelength conversion element (see, for example, Non-Patent Document 7). (2) The period is changed by a structure called Fanout Grating (see, for example, Non-Patent Document 6). (3) A technique is known in which excitation light is incident on an element obliquely to change an effective period (see, for example, Non-Patent Document 8).

これらの方法は、波長を広範囲に掃引することは可能ではあるが、多種の周期を持つ素子を束ねなければならないことから、多くの作業工程が必要となるという問題があった。また、励起光を素子に斜めに入射させる手法では、高効率化を図るべく素子の構造を導波路構造にすることが困難であるという問題もあった。   Although these methods can sweep the wavelength over a wide range, there is a problem that many working steps are required because elements having various periods must be bundled. In addition, the method of causing the excitation light to enter the element obliquely has a problem that it is difficult to make the element structure a waveguide structure in order to achieve high efficiency.

近年、環境問題が大きくクローズアップされ、特にダイオキシンが人体に及ぼす影響について、関心が寄せられている。ダイオキシンの発生源のひとつである焼却炉においては、炉の燃焼状態を制御することにより、ダイオキシンの発生を抑制することができる。燃焼状態を監視するためには、温度計、CO濃度計、酸素濃度計が必要とされる。   In recent years, environmental problems have been greatly highlighted, and in particular, there is interest in the effects of dioxins on the human body. In an incinerator, which is one of the sources of dioxins, the generation of dioxins can be suppressed by controlling the combustion state of the furnace. In order to monitor the combustion state, a thermometer, a CO concentration meter, and an oxygen concentration meter are required.

ガス濃度を検知する一手法として、被測定ガスにレーザ光を当て、その吸収特性を観測する方法が知られている。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スキャンし、吸収スペクトルを観測することによりガス濃度を検知することができる。このときレーザ光に要求される点は、単色光、すなわちシングルモードのレーザ光であること、数mWから数十mWのガス検知に適した出力であること、波長スキャンが安定して可能なこと、長寿命であることなどが挙げられる。   As a method for detecting the gas concentration, a method is known in which laser light is applied to a gas to be measured and its absorption characteristics are observed. Since each gas has its own absorption line, the gas concentration can be detected by scanning a laser beam having a wavelength near the absorption line and observing the absorption spectrum. The points required for laser light at this time are monochromatic light, that is, single-mode laser light, output suitable for gas detection of several mW to several tens of mW, and stable wavelength scanning. And long life.

酸素濃度計に用いられるレーザ光は、波長759nmから768nmに複数本存在する酸素吸収線を含む波長領域113にあり、砒化ガリウム系半導体レーザが用いられている(例えば、特許文献1参照)。砒化ガリウム系半導体レーザは、砒化ガリウム基板上に砒化ガリウムにほぼ格子定数が一致する半導体結晶を成長して作製される。   The laser light used in the oximeter is in a wavelength region 113 including a plurality of oxygen absorption lines existing in a wavelength range of 759 nm to 768 nm, and a gallium arsenide semiconductor laser is used (see, for example, Patent Document 1). A gallium arsenide-based semiconductor laser is manufactured by growing a semiconductor crystal having a lattice constant substantially equal to that of gallium arsenide on a gallium arsenide substrate.

半導体レーザには、基板に平行に導波路が作製された端面発光レーザと基板に垂直に光を出射する面発光レーザとがある。砒化ガリウム系端面発光レーザは、比較的高出力のシングルモードレーザが開発されているが、発振波長を制御する構造を有していない。従って、砒化ガリウム系端面発光レーザの発振波長は、活性層の利得ピークと共振器の共振モードの一致する点で決まるため、波長スキャンを行った際に、縦モード飛びが生じやすく安定した波長スキャンを行うことが難しい。   Semiconductor lasers include an edge-emitting laser in which a waveguide is formed in parallel with a substrate and a surface-emitting laser that emits light perpendicular to the substrate. As a gallium arsenide-based edge emitting laser, a single mode laser having a relatively high output has been developed, but it does not have a structure for controlling an oscillation wavelength. Therefore, the oscillation wavelength of a gallium arsenide-based edge-emitting laser is determined by the point where the gain peak of the active layer and the resonance mode of the resonator coincide with each other. Difficult to do.

発振波長を制御する構造として、分布帰還(DFB)型、分布ブラッグ反射(DBR)型などがよく知られている。これら構造は、半導体結晶中において、基板に平行な方向に周期的に屈折率の異なる、すなわち組成の異なる半導体結晶を作製する必要がある。作製方法は、半導体結晶の表面を、波型などの周期構造にエッチングし、その上に異なる組成の半導体結晶を成長させる。酸素濃度を検知するために、波長763nmで発振させるためには、その波長における吸収を抑える必要があり、アルミ濃度の高い結晶を用いる必要がある。しかしながら、アルミ濃度が高いと、周期構造を作製する際に結晶が酸化しやすいなどの問題を有している。   As a structure for controlling the oscillation wavelength, a distributed feedback (DFB) type, a distributed Bragg reflection (DBR) type, and the like are well known. In these structures, it is necessary to produce semiconductor crystals having different refractive indexes, that is, different compositions periodically in a direction parallel to the substrate. In the manufacturing method, the surface of a semiconductor crystal is etched into a wave-like periodic structure, and semiconductor crystals having different compositions are grown thereon. In order to oscillate at a wavelength of 763 nm in order to detect the oxygen concentration, it is necessary to suppress absorption at that wavelength, and it is necessary to use a crystal with a high aluminum concentration. However, when the aluminum concentration is high, there is a problem that crystals are easily oxidized when a periodic structure is manufactured.

面発光レーザは、DBR型のレーザの一種である。面発光レーザは、発光方向が基板に垂直であるため、基板に垂直な方向に屈折率分布を有するDBR構造とすればよい。すなわち、基板に平行な層状の、組成の異なる半導体結晶を周期的に作製すればよく、1回の半導体結晶成長で済むために作製が容易である。しかしながら、面発光レーザは、活性層を垂直方向に光が通過するため大きな利得を得ることができない。十分な出力を得るために、発光面積を増やす方法が考えられるが、発光面積を増やすと、横モードを複数有する発振となって、シングルモードではなくなる。発光面積を抑えたままシングルモード発振を行って、酸素濃度の検知に必要なmWオーダの発光強度を得ようとすると、発光に必要な電流が微小面積に集中し、電流密度が高くなる。このため、面発光レーザの寿命が、数ヶ月程度の短いものになるという問題があった。   The surface emitting laser is a kind of DBR type laser. Since the surface emitting laser has a light emitting direction perpendicular to the substrate, the surface emitting laser may have a DBR structure having a refractive index distribution in a direction perpendicular to the substrate. That is, it is only necessary to periodically produce semiconductor crystals having different compositions in parallel with the substrate, and the production is easy because only one semiconductor crystal growth is required. However, the surface emitting laser cannot obtain a large gain because light passes through the active layer in the vertical direction. In order to obtain a sufficient output, a method of increasing the light emission area is conceivable. However, when the light emission area is increased, oscillation having a plurality of transverse modes occurs and the mode is not single mode. If single mode oscillation is performed while suppressing the light emission area to obtain light emission intensity on the order of mW necessary for detecting the oxygen concentration, the current required for light emission is concentrated in a small area and the current density is increased. For this reason, there has been a problem that the lifetime of the surface-emitting laser becomes as short as several months.

特開平6−194343号公報JP-A-6-194343 米国特許第5,036,220号明細書(対応する日本国出願は、特公平4−507299号公報参照)US Pat. No. 5,036,220 (refer to Japanese Patent Publication No. 4-507299 for the corresponding Japanese application) 久保謙一、鹿取謙二著「スピンと偏極」培風館、1994年10月31日、p.21−24Kenichi Kubo and Kenji Katori, “Spin and Polarization”, Baifukan, October 31, 1994, p. 21-24 Harold J. Metcalf and Peter van der Straten ”Laser Cooling and Trapping”, Springer, 1999, pp.274Harold J. Metcalf and Peter van der Straten “Laser Cooling and Trapping”, Springer, 1999, pp.274 G.Patterson et al., J. Cell Sci. No.114, pp.837-838 (2001)G. Patterson et al., J. Cell Sci. No. 114, pp.837-838 (2001) A.F.Fradkov et al., Biochem. J. No.368, pp.17-21 (2002)A.F.Fradkov et al., Biochem.J.No.368, pp.17-21 (2002) D.M.Chudakov et al., Nat. Biotechnol. No.21, pp.191-194 (2003)D.M.Chudakov et al., Nat.Biotechnol.No.21, pp.191-194 (2003) D.Richter, et al., Applied Optics, Vol.39, 4444 (2000)D. Richter, et al., Applied Optics, Vol. 39, 4444 (2000) I.B.Zotova et al., Optics Letters, Vol.28, 552 (2003)I.B.Zotova et al., Optics Letters, Vol.28, 552 (2003) C.-W.Hsu et al., Optics Letters, Vol.26, 1412 (2001)C.-W.Hsu et al., Optics Letters, Vol.26, 1412 (2001) A.Yariv, ”Quantum Electronics”, 3rd Ed., pp.392-398 (1988)A. Yariv, “Quantum Electronics”, 3rd Ed., Pp.392-398 (1988) http://laserfocusworld.365media,comilaserfocusworld/search Result asp? cat=48903/&d=453&st=1http: //laserfocusworld.365media,comilaserfocusworld/search Result asp? cat = 48903 / & d = 453 & st = 1 R.M.Schotland, Proc. 3rd Symp. on Remote Sensing of Environment, 215 (1964)R.M.Schotland, Proc. 3rd Symp. On Remote Sensing of Environment, 215 (1964) IEEE Photonics Technology Letters vol.11 (1999) pp.653-655IEEE Photonics Technology Letters vol.11 (1999) pp.653-655 Proceedings of the 15th Annual Meeting of IEEE, Lasers and Electro-Optics Society, 2002 (LEOS2002), vol.1, pp.79-80 (2202)Proceedings of the 15th Annual Meeting of IEEE, Lasers and Electro-Optics Society, 2002 (LEOS2002), vol.1, pp.79-80 (2202)

本発明の第1の目的は、線幅が狭く平行性に優れ、エネルギー効率が高い、ナトリウムD線波長のコヒーレント光を発生するレーザ光源を提供することにある。   A first object of the present invention is to provide a laser light source that generates coherent light having a sodium D line wavelength, which has a narrow line width, excellent parallelism, and high energy efficiency.

本発明の第2の目的は、線幅が狭く平行性に優れ、エネルギー効率が高い、黄色領域のコヒーレント光を発生するレーザ光源を提供することにある。   A second object of the present invention is to provide a laser light source that generates coherent light in a yellow region with a narrow line width, excellent parallelism, and high energy efficiency.

本発明の第3の目的は、中赤外領域のレーザ光を波長2〜3μmの範囲において可変することができるレーザ光源を提供することにある。   A third object of the present invention is to provide a laser light source capable of changing the laser light in the mid-infrared region in the wavelength range of 2 to 3 μm.

本発明の第4の目的は、酸素吸収線である波長759nmから768nmにおいて高出力かつ長寿命のレーザ光源を提供することにある。   The fourth object of the present invention is to provide a laser light source having a high output and a long life at a wavelength of 759 nm to 768 nm which is an oxygen absorption line.

本発明は、第1の目的を達成するために、波長λのレーザ光を発生する第1のレーザと、波長λのレーザ光を発生する第2のレーザと、波長λのレーザ光と波長λのレーザ光とを入力し、1/λ+1/λ=1/λの関係にある和周波の波長λを有するコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含むレーザ光源において、和周波の波長λは、ナトリウムD線に相当する波長589.3±2nmであることを特徴とする。 The present invention, in order to achieve the first object, a first laser for generating a laser beam having a wavelength lambda 1, a second laser for generating a laser beam having a wavelength lambda 2, the laser beam having a wavelength lambda 1 And a laser beam having a wavelength λ 2 and a non-linear optical crystal that outputs a coherent light having a wavelength λ 3 of a sum frequency having a relationship of 1 / λ 1 + 1 / λ 2 = 1 / λ 3 The wavelength λ 3 of the sum frequency is a wavelength of 589.3 ± 2 nm corresponding to the sodium D line.

また、第2の目的を達成するために、波長λのレーザ光を発生する第1のレーザと、波長λのレーザ光を発生する第2のレーザと、波長λのレーザ光と波長λのレーザ光とを入力し、1/λ+1/λ=1/λの関係にある和周波の波長λを有するコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含むレーザ光源において、波長λは940±10nmであり、波長λは1320±20nmであり、和周波の波長λは、黄色領域に相当する波長546.1±5.0nmであることを特徴とする。 In order to achieve the second object, a first laser that generates laser light having a wavelength λ 1, a second laser that generates laser light having a wavelength λ 2, a laser beam having a wavelength λ 1 , and a wavelength type and lambda 2 of the laser beam, the laser light source and a nonlinear optical crystal for outputting coherent light having a 1 / λ 1 + 1 / λ 2 = 1 / λ wavelength lambda 3 of the sum frequency in the third relationship, The wavelength λ 1 is 940 ± 10 nm, the wavelength λ 2 is 1320 ± 20 nm, and the sum frequency wavelength λ 3 is a wavelength 546.1 ± 5.0 nm corresponding to the yellow region.

波長λを980±10nmとし、波長λを1320±20nmとすれば、和周波の波長λは、黄色領域に相当する波長560.0±5.0nmとなる。また、波長λを1064±10nmとし、波長λを1320±20nmとすれば、和周波の波長λは、黄色領域に相当する波長585.0±5.0nmとなる。さらに、波長λを940±10nmとし、波長λを1550±30nmとすれば、和周波の波長λは、黄色領域に相当する波長585.0±5.0nmとなる。 If the wavelength λ 1 is 980 ± 10 nm and the wavelength λ 2 is 1320 ± 20 nm, the sum frequency wavelength λ 3 becomes the wavelength 560.0 ± 5.0 nm corresponding to the yellow region. If the wavelength λ 1 is 1064 ± 10 nm and the wavelength λ 2 is 1320 ± 20 nm, the sum frequency wavelength λ 3 becomes the wavelength 585.0 ± 5.0 nm corresponding to the yellow region. Further, if the wavelength λ 1 is 940 ± 10 nm and the wavelength λ 2 is 1550 ± 30 nm, the sum frequency wavelength λ 3 becomes the wavelength 585.0 ± 5.0 nm corresponding to the yellow region.

さらに、第3の目的を達成するために、波長λのレーザ光を発生する第1のレーザと、波長λのレーザ光を発生する第2のレーザと、波長λのレーザ光と波長λのレーザ光とを入力し、1/λ−1/λ=1/λの関係にある差周波の波長λを有するコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含むレーザ光源において、波長λは0.9〜1.0μmであり、非線形光学結晶は、1の周期の分極反転構造を有し、波長λが1.3〜1.8μmの間で変化すると、差周波の波長λは、波長3.1〜2.0μmの間で変化するよう構成されていることを特徴とする。 Further, in order to achieve the third object, a first laser that generates a laser beam having a wavelength λ 1, a second laser that generates a laser beam having a wavelength λ 2, a laser beam having a wavelength λ 1 , and a wavelength type and lambda 2 of the laser beam, the laser light source and a nonlinear optical crystal for outputting coherent light having a 1 / λ 1 -1 / λ 2 = 1 / λ wavelength lambda 3 of frequency in the third relationship The wavelength λ 1 is 0.9 to 1.0 μm, and the nonlinear optical crystal has a polarization inversion structure with a period of 1. When the wavelength λ 2 changes between 1.3 and 1.8 μm, the difference frequency The wavelength λ 3 is configured to vary between wavelengths 3.1 to 2.0 μm.

さらにまた、第4の目的を達成するために、レーザ光源は、波長759nmから768nmに存在する酸素吸収線の中から選択された1つの吸収線の波長の2倍の波長を有するレーザ光を発振する分布帰還型半導体レーザと、二次非線形光学効果を有する光導波路と、分布帰還型半導体レーザの出力と光導波路の一端とを接続する偏波保持ファイバとを備え、前記光導波路の他端に、前記光導波路で発生した第二高調波の光に対してシングルモードで導波可能な構造を有する光ファイバを接続し、前記光導波路は、二次の非線形光学材料の分極を周期的に反転した構造であって、前記吸収線の波長をλ 、前記吸収線の波長の2倍の波長を有するレーザ光の波長をλ とし、波長λ 、λ における前記非線形光学材料の屈折率を、それぞれn 、n とすると、
2πn /λ =2πn /λ +2πn /λ +2π/Λ
を満たす周期Λにより周期的に反転した構造であることを特徴とする。
Furthermore, in order to achieve the fourth object, the laser light source oscillates a laser beam having a wavelength twice the wavelength of one absorption line selected from oxygen absorption lines existing at wavelengths of 759 nm to 768 nm. A distributed feedback semiconductor laser, an optical waveguide having a second-order nonlinear optical effect, and a polarization maintaining fiber connecting the output of the distributed feedback semiconductor laser and one end of the optical waveguide, and the other end of the optical waveguide An optical fiber having a structure capable of guiding in a single mode with respect to the second harmonic light generated in the optical waveguide is connected, and the optical waveguide periodically inverts the polarization of the second-order nonlinear optical material. The wavelength of the absorption line is λ 1 , the wavelength of the laser light having a wavelength twice the wavelength of the absorption line is λ 3, and the refractive index of the nonlinear optical material at wavelengths λ 1 and λ 3 , It When n 1, n 3,
2πn 3 / λ 3 = 2πn 1 / λ 1 + 2πn 1 / λ 1 + 2π / Λ
It is characterized by a structure that is periodically inverted by a period Λ that satisfies

本発明は、高効率の非線形光学結晶と高出力の光通信用半導体レーザとを組み合わせることによって、半導体レーザでは実用化されていない波長領域において、波長を自由に設計することができる小型のレーザ光源を提供することができる。   The present invention provides a compact laser light source capable of freely designing the wavelength in a wavelength region not practically used in a semiconductor laser by combining a high-efficiency nonlinear optical crystal and a high-power semiconductor laser for optical communication. Can be provided.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態においては、高効率の非線形光学結晶と高出力の光通信用半導体レーザとを組み合わせる。図3に、本発明の一実施形態にかかるレーザ光源を示す。レーザ光源120は、非線形光学結晶を励起するための2つの励起レーザ121,122と、和周波光または差周波光を発生するための非線形光学結晶123とからなる。なお、波長によっては、1つの励起レーザからの出力光を非線形光学結晶に入力し、第二高調波発生を利用してもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, a high-efficiency nonlinear optical crystal and a high-power semiconductor laser for optical communication are combined. FIG. 3 shows a laser light source according to an embodiment of the present invention. The laser light source 120 includes two excitation lasers 121 and 122 for exciting the nonlinear optical crystal and a nonlinear optical crystal 123 for generating sum frequency light or difference frequency light. Depending on the wavelength, the output light from one excitation laser may be input to the nonlinear optical crystal and second harmonic generation may be used.

(第1の実施形態)
非線形結晶を用いた和周波発生では、和周波光の波長λは、2つの励起光の波長λ、λとすると、
1/λ=1/λ+1/λ (1)
で与えられる。ナトリウムD線、D線に相当する和周波光を発生するためには、(1)式においてλ=589.592nmまたは588.995nmとなるλ、λを選び、2つの波長の励起レーザ121,122と非線形光学結晶123とを組み合わせる必要がある。
(First embodiment)
In sum frequency generation using a non-linear crystal, if the wavelength λ 3 of the sum frequency light is two wavelengths λ 1 and λ 2 of the excitation light,
1 / λ 3 = 1 / λ 1 + 1 / λ 2 (1)
Given in. In order to generate the sum frequency light corresponding to the sodium D 1 line and the D 2 line, λ 1 and λ 2 that satisfy λ 3 = 5899.592 nm or 588.995 nm are selected in the equation (1), and two wavelengths of It is necessary to combine the excitation lasers 121 and 122 and the nonlinear optical crystal 123.

また、和周波光の発生効率を高めるためには、非線形結晶内における2つの入射光(λ、λ)と和周波光(λ)の伝搬定数k=2πn/λ(i=1,2,3)の間に、
=k+k (2)
が成立しなければならない。ここで、nはλにおける非線形結晶の屈折率である。しかし、光学媒質に分散特性が存在するために、特定の条件の場合のみ(2)式を満足する。具体的には、入射光あるいは和周波光の何れか1つの偏光方向を変え、常光屈折率と異常光屈折率とを用いる方法がある(例えば、非特許文献9参照)。また、非線形光学結晶に周期的な分極反転構造を形成し、擬似位相整合によって変換効率の高効率化を図る方法が用いられている(例えば、特許文献2参照)。
In order to increase the generation efficiency of the sum frequency light, the propagation constants k i = 2πn i / λ i (i) of the two incident light (λ 1 , λ 2 ) and the sum frequency light (λ 3 ) in the nonlinear crystal. = 1, 2, 3)
k 3 = k 1 + k 2 (2)
Must hold. Here, n i is the refractive index of the nonlinear crystal at λ i . However, since dispersion characteristics exist in the optical medium, equation (2) is satisfied only under specific conditions. Specifically, there is a method of changing the polarization direction of one of incident light and sum frequency light and using an ordinary light refractive index and an extraordinary light refractive index (for example, see Non-Patent Document 9). In addition, a method is employed in which a periodic polarization inversion structure is formed in a nonlinear optical crystal and conversion efficiency is improved by quasi phase matching (see, for example, Patent Document 2).

和周波光の発生強度は、2つの励起レーザ強度の積に比例するため、2つの励起レーザの選択は、それらの波長の組み合わせが(1)式を満足し、さらにより高強度のレーザを用いる。既存の半導体レーザ(例えば、非特許文献10に参照)のうち、大出力が実現されている波長帯は、(1)940nm帯、(2)980nm帯、(3)1060nm帯、(5)1480nm帯である。また、(4)1300nm帯、(6)1550nm帯でも100mW級の半導体レーザが開発されている。特に、(4)、(5)、(6)の領域では、DFB(Distributed FeedBack)レーザが開発されており、シングル縦モード発振、波長安定化が実現されている。また、800nm〜880nmの領域でも高出力半導体レーザが開発されているが、この領域の半導体レーザを励起レーザ1として用いると、励起レーザ2の波長は、1780nm以上となる。このような長波長領域で、大出力かつ信頼性の高い半導体レーザの実現は困難であることから、除外する。   Since the generation intensity of the sum frequency light is proportional to the product of the two excitation laser intensities, the selection of the two excitation lasers uses a combination of wavelengths satisfying the formula (1) and a higher intensity laser. . Among the existing semiconductor lasers (for example, see Non-Patent Document 10), the wavelength bands where high output is realized are (1) 940 nm band, (2) 980 nm band, (3) 1060 nm band, and (5) 1480 nm. It is a belt. Also, (4) 100 mW class semiconductor lasers have been developed in the 1300 nm band and (6) 1550 nm band. In particular, in the regions (4), (5), and (6), DFB (Distributed FeedBack) lasers have been developed, and single longitudinal mode oscillation and wavelength stabilization are realized. High-power semiconductor lasers have also been developed in the 800 nm to 880 nm region. When a semiconductor laser in this region is used as the excitation laser 1, the wavelength of the excitation laser 2 is 1780 nm or more. Since it is difficult to realize a semiconductor laser with high output and high reliability in such a long wavelength region, it is excluded.

図4に、ナトリウムD線の波長を和周波発生により得るための励起レーザ1と励起レーザ2の波長の関係を示す。励起用レーザ1の波長をλとし、励起用レーザ2の波長をλとし、和周波光を得るための関係を曲線30で示した。また、上記(1)から(6)の励起レーザ1の領域を1−(1)、1−(2)、1−(3)、1−(4)、1−(5)、1−(6)としてハッチングを施した。併せて、上記(1)から(6)の励起レーザ2の領域を2−(1)、2−(2)、2−(3)、2−(4)、2−(5)、2−(6)としてハッチングを施して示した。図4より、励起レーザ1と励起レーザ2とは、1−(1)から1−(6)のいずれかと2−(1)から2−(6)のいずれかが、曲線30上で交差する組み合わせを用いることにより、和周波発生の高効率化が可能となる。 FIG. 4 shows the relationship between the wavelengths of the excitation laser 1 and the excitation laser 2 for obtaining the wavelength of the sodium D line by sum frequency generation. The relationship for obtaining the sum frequency light with the wavelength of the excitation laser 1 being λ 1 and the wavelength of the excitation laser 2 being λ 2 is shown by a curve 30. Further, the regions of the excitation laser 1 of (1) to (6) above are defined as 1- (1), 1- (2), 1- (3), 1- (4), 1- (5), 1- ( Hatching was applied as 6). In addition, the regions of the excitation laser 2 of (1) to (6) above are defined as 2- (1), 2- (2), 2- (3), 2- (4), 2- (5), 2- (6) shows hatching. From FIG. 4, the excitation laser 1 and the excitation laser 2 intersect on the curve 30 either one of 1- (1) to 1- (6) and one of 2- (1) to 2- (6). By using the combination, it is possible to increase the efficiency of sum frequency generation.

なお、(1)から(6)の領域は、
(1) 940±10nm
(2) 980±10nm
(3) 1060±10nm
(4) 1280nm〜1350nm
(5) 1480±10nm
(6) 1530nm〜1600nm
とした。ここで、(5)は光通信におけるO帯であり、(6)はC帯である。この2つの波長帯は、波長多重通信技術(WDM)において、最も、広く使われている領域であり、大出力かつ高信頼性の半導体レーザなどの光部品の入手が容易である。
The areas (1) to (6) are
(1) 940 ± 10 nm
(2) 980 ± 10 nm
(3) 1060 ± 10 nm
(4) 1280 nm to 1350 nm
(5) 1480 ± 10 nm
(6) 1530 nm to 1600 nm
It was. Here, (5) is the O band in optical communication, and (6) is the C band. These two wavelength bands are the most widely used regions in wavelength division multiplexing (WDM) technology, and it is easy to obtain optical components such as high-power and high-reliability semiconductor lasers.

1−(1)から1−(6)のいずれかと2−(1)から2−(6)のいずれかが、曲線30上で交差する組み合わせは、励起レーザ1と励起レーザ2の波長を逆にしても、和周波波長は同じであることを考慮に入れる。その結果、(1)および(6)と、(2)および(5)と、(3)および(4)との組み合わせが、曲線30上で交差し、この組み合わせを用いれば、ナトリウムD線の波長を効率的に発生できることがわかる。   The combination of any one of 1- (1) to 1- (6) and any one of 2- (1) to 2- (6) on the curve 30 reverses the wavelengths of the pump laser 1 and the pump laser 2 Nevertheless, take into account that the sum frequency is the same. As a result, the combinations of (1) and (6), (2) and (5), and (3) and (4) intersect on the curve 30, and using this combination, It can be seen that the wavelength can be generated efficiently.

一般に、レーザの形態として、シングルモード発振、マルチモード発振があるが、和周波発生光の特性は、2つの励起半導体レーザの特性で決まる。シングルモード発振を行うためには、2つの励起用半導体レーザもシングルモード発振させる必要がある。そのためには、DFB構造を有する半導体レーザ、またはファイバブラッググレーティングを共振器構造に用いたレーザの使用が必要となる。また、マルチモード発振の場合には、ファブリペロー型半導体レーザ、半値全幅0.1nm〜0.5nm程度の反射スペクトラムを有するファイバグレーティングを共振器構造に適応した半導体レーザを用いることで実現することができる。   In general, there are single mode oscillation and multimode oscillation as laser forms, but the characteristics of the sum frequency generated light are determined by the characteristics of the two pumping semiconductor lasers. In order to perform single mode oscillation, it is necessary to oscillate two pumping semiconductor lasers in single mode. For this purpose, it is necessary to use a semiconductor laser having a DFB structure or a laser using a fiber Bragg grating as a resonator structure. In the case of multimode oscillation, a Fabry-Perot semiconductor laser, a fiber grating having a reflection spectrum with a full width at half maximum of about 0.1 nm to 0.5 nm, can be realized by using a semiconductor laser adapted to the resonator structure. it can.

非線形光学結晶としては、非線形光学定数が大きく、また励起に用いる2つのレーザ波長とナトリウムD線波長において透明であれば何でも良いが、ニオブ酸リチウム(LiNbO、LN)、タンタル酸リチウム(LiTaO、LT)などを具体例として挙げることができる。また、これらの非線形光学結晶は、高効率に和周波発生を行うために、周期的な分極反転構造と導波路構造とを有することが望ましい。 The nonlinear optical crystal may be anything as long as it has a large nonlinear optical constant and is transparent at the two laser wavelengths used for excitation and the sodium D-line wavelength, but is lithium niobate (LiNbO 3 , LN), lithium tantalate (LiTaO 3). , LT) can be given as specific examples. In addition, these nonlinear optical crystals desirably have a periodic domain-inverted structure and a waveguide structure in order to generate sum frequency with high efficiency.

周期的な分極反転構造とは、光の進行方向に対して、周期Λで分極の向きを180度反転させたグレーティング構造である。この構造によって、位相不整合量が0となる擬似位相整合条件を満足させる。波長λ、λ、λにおける非線形光学結晶の屈折率を、それぞれn、n、nとすると、
2πn/λ=2πn/λ+2πn/λ+2π/Λ (3)
を満たすような周期Λの周期的分極反転構造とすれば、和周波光の発生効率を最大にすることができる。
The periodic polarization reversal structure is a grating structure in which the polarization direction is reversed by 180 degrees with a period Λ with respect to the traveling direction of light. This structure satisfies the quasi phase matching condition in which the phase mismatch amount is zero. If the refractive indices of the nonlinear optical crystals at wavelengths λ 1 , λ 2 , and λ 3 are n 1 , n 2 , and n 3 , respectively,
2πn 3 / λ 3 = 2πn 1 / λ 1 + 2πn 2 / λ 2 + 2π / Λ (3)
If the periodic domain-inverted structure with a period Λ satisfying the above is satisfied, the generation efficiency of the sum frequency light can be maximized.

また、非線形光学結晶に導波路を形成すれば、励起レーザからの入射光を効果的に閉じ込めることができるので、高効率に和周波光を発生することができる。周期的分極反転構造は、電界印加法により実現することができ、導波路構造は、プロトン交換法、ドライエッチング法、またはダイシングソーによる機械加工法などによって実現することができる。導波路の作製方法については、第5の実施形態として後述する。   Further, if a waveguide is formed in the nonlinear optical crystal, incident light from the excitation laser can be effectively confined, so that sum frequency light can be generated with high efficiency. The periodic domain-inverted structure can be realized by an electric field application method, and the waveguide structure can be realized by a proton exchange method, a dry etching method, a machining method using a dicing saw, or the like. A method for manufacturing the waveguide will be described later as a fifth embodiment.

また、和周波光を発生するために、2つの半導体レーザ光の結合、LN導波路への結合が必要になるが、これらの技術は、光通信用デバイス技術として確立しており、実現上大きな支障がないことも特徴である。   In addition, in order to generate sum frequency light, it is necessary to combine two semiconductor laser beams and an LN waveguide. These technologies have been established as device technologies for optical communication, and are large in realization. It is also characterized by no hindrance.

例えば、既存の半導体DFBレーザの線幅は1MHzであり、ファイバブラッググレーティングを用いた外部鏡共振器型半導体レーザの線幅は、100kHz程度である。これらを励起レーザとして用いた場合の和周波光の線幅は、2つの励起光線幅の繰り込み積分で与えられることから数MHz以下である。ナトリウムD線(波長589.3nm、周波数約500THz)における屈折率を干渉法で測定する場合、その測定精度は、使用するレーザ光の周波数と線幅の比で与えられ、線幅を5MHzとすると、測定精度は10−8となる。したがって、本実施形態によれば、ナトリウムD線における屈折率測定は、現状より2桁程度の精度向上が可能となる。 For example, the line width of an existing semiconductor DFB laser is 1 MHz, and the line width of an external mirror resonator type semiconductor laser using a fiber Bragg grating is about 100 kHz. When these are used as the excitation laser, the line width of the sum frequency light is several MHz or less because it is given by the renormalization integral of the two excitation light beam widths. When measuring the refractive index of sodium D line (wavelength 589.3 nm, frequency of about 500 THz) by the interferometry, the measurement accuracy is given by the ratio of the frequency and the line width of the laser beam to be used, and the line width is 5 MHz. The measurement accuracy is 10 −8 . Therefore, according to the present embodiment, it is possible to improve the accuracy of the refractive index measurement for the sodium D line by about two digits from the current level.

以上説明したように、非線形光学結晶の特性改善と共に、既存レーザ装置の選択により、ナトリウムD線、D線波長のコヒーレント光を、高効率、高安定で発生させることができ、レーザ光源の小型化、屈折率測定の精度向上を図ることが可能となる。 As described above, along with the improvement of the characteristics of the nonlinear optical crystal, by selecting an existing laser device, it is possible to generate sodium D 1 line and D 2 line wavelength coherent light with high efficiency and high stability. It becomes possible to reduce the size and improve the accuracy of refractive index measurement.

(実施例1−1)
図5に、本発明の実施例1−1にかかるナトリウムD線波長のレーザ光源を示す。レーザ光源は、2つの励起レーザ140,141と、周期的に分極反転させたLN144と、励起レーザ140,141のレーザ光をコリメートするレンズ142a,142bと、2つのレーザ光を合波する合波器143と、LN144を透過した励起レーザ140、141のレーザ光とLN144で発生した和周波光とを分離するフィルタ145とから構成されている。
(Example 1-1)
FIG. 5 shows a sodium D-line laser light source according to Example 1-1 of the present invention. The laser light source includes two excitation lasers 140 and 141, LN 144 periodically poled, lenses 142a and 142b for collimating the laser beams of the excitation lasers 140 and 141, and multiplexing for combining the two laser beams. And a filter 145 that separates the laser light of the excitation lasers 140 and 141 transmitted through the LN 144 and the sum frequency light generated by the LN 144.

励起レーザ140の波長λと、励起レーザ141の波長λとは、
1/λ+1/λ=1/(589.3±2.0)
を満足するような組み合わせとする。さらにλ、λは、
λ=976±10nm、λ=1485±20nm
λ=1064±10nm、λ=1320±20nm
λ=940±10nm、λ=1565±35nm
のいずれかを満足する範囲とする。λの半導体レーザはDFBレーザでもよい。
The wavelength lambda 1 of the excitation laser 140, the wavelength lambda 2 of the excitation laser 141,
1 / λ 1 + 1 / λ 2 = 1 / (589.3 ± 2.0)
Is a combination that satisfies Furthermore, λ 1 and λ 2 are
λ 1 = 976 ± 10 nm, λ 2 = 1485 ± 20 nm
λ 1 = 1064 ± 10 nm, λ 2 = 1320 ± 20 nm
λ 1 = 940 ± 10 nm, λ 2 = 1565 ± 35 nm
It is set as the range which satisfies either of these. The λ 2 semiconductor laser may be a DFB laser.

励起レーザ140の波長λ=1064nm、LN144への入射強度を50mWとし、励起レーザ141のλ=1320nm、LN144への入射強度を70mWとしたとき、波長λ=589.1nm、出力20μWの和周波光が得られた。 When the wavelength λ 1 of the excitation laser 140 is 1064 nm, the incident intensity to the LN 144 is 50 mW, the incident intensity of the excitation laser 141 to λ 2 = 1320 nm and the LN 144 is 70 mW, the wavelength λ 3 is 589.1 nm and the output is 20 μW. Sum frequency light was obtained.

(実施例1−2)
図6に、本発明の実施例1−2にかかるナトリウムD線波長のレーザ光源を示す。実施例1−1のレーザ光源との相違は、非線形光学結晶にある。非線形光学結晶は、LN結晶を導波路化された周期的分極反転LN導波路151を用いる。また、入射レーザ光を周期的分極反転LN導波路151に効率よく結合するためのレンズ150と、および周期的分極反転LN導波路151からの出射光をコリメートするレンズ152とを有している。
(Example 1-2)
FIG. 6 shows a laser light source with a sodium D-line wavelength according to Example 1-2 of the present invention. The difference from the laser light source of Example 1-1 is in the nonlinear optical crystal. As the nonlinear optical crystal, a periodically poled LN waveguide 151 in which an LN crystal is made into a waveguide is used. In addition, a lens 150 for efficiently coupling incident laser light to the periodically poled LN waveguide 151 and a lens 152 for collimating light emitted from the periodically poled LN waveguide 151 are provided.

励起レーザ140の波長λ=1064nm、LN144への入射強度を50mWとし、励起レーザ141のλ=1320nm、LN144への入射強度を70mWとしたとき、波長λ=589.1nm、出力10mWの和周波光が得られた。 When the wavelength λ 1 = 1064 nm of the pump laser 140 and the incident intensity to the LN 144 are 50 mW, and the wavelength λ 2 = 1320 nm of the pump laser 141 and the incident intensity to the LN 144 are 70 mW, the wavelength λ 3 = 589.1 nm and the output 10 mW. Sum frequency light was obtained.

(実施例1−3)
実施例1−1および実施例1−2の構成(図4、図5)において、励起レーザ140を、波長1064nm近傍のNdイオンを用いたレーザ(例えば、Nd:YAGレーザ)とし、励起レーザ141を1300±10nmの半導体レーザとする。
(Example 1-3)
In the configurations of Example 1-1 and Example 1-2 (FIGS. 4 and 5), the excitation laser 140 is a laser using Nd ions in the vicinity of a wavelength of 1064 nm (for example, an Nd: YAG laser), and the excitation laser 141 is used. Is a 1300 ± 10 nm semiconductor laser.

(実施例1−4)
図7に、本発明の実施例1−4にかかるナトリウムD線波長のレーザ光源を示す。実施例1−2の構成において、2つのレーザ光を周期的分極反転LN導波路151に結合するために、偏波面保持ファイバ(またはシングルモードファイバ)161,163と、合波器162とを用いた。偏波面保持ファイバ163からの放射される光は、周期的分極反転LN導波路151の端面に直接入射するか、またはレンズ164によって結合する。
(Example 1-4)
FIG. 7 shows a laser light source having a sodium D-line wavelength according to Example 1-4 of the present invention. In the configuration of Example 1-2, in order to couple two laser beams to the periodically poled LN waveguide 151, polarization-maintaining fibers (or single mode fibers) 161 and 163 and a multiplexer 162 are used. It was. The light emitted from the polarization-maintaining fiber 163 directly enters the end face of the periodically poled LN waveguide 151 or is coupled by the lens 164.

(実施例1−5)
図8に、本発明の実施例1−5にかかるナトリウムD線波長のレーザ光源を示す。実施例1−4のさらなる応用例である。励起レーザ170,171は、出射側端面170a,171aに反射率2%以下のARコートを施し、反対側の端面170b,171bに反射率90%以上のHRコートを施す。励起レーザ170,171の出力は、レンズ172a,172bを介して、端面あるいはファイバの途中にファイバブラッググレーティングを形成した偏波面保持ファイバ(またはシングルモードファイバ)173、174に結合される。このようにして、端面170b,171bのHRコーティングとファイバブラッググレーティングとの間で共振器を構成する。
(Example 1-5)
FIG. 8 shows a laser light source with a sodium D-line wavelength according to Example 1-5 of the present invention. This is a further application example of Example 1-4. In the excitation lasers 170 and 171, an AR coating having a reflectance of 2% or less is applied to the emission side end surfaces 170 a and 171 a, and an HR coating having a reflectance of 90% or more is applied to the opposite end surfaces 170 b and 171 b. The outputs of the excitation lasers 170 and 171 are coupled via lenses 172a and 172b to polarization plane maintaining fibers (or single mode fibers) 173 and 174 in which a fiber Bragg grating is formed on the end face or in the middle of the fiber. In this way, a resonator is configured between the HR coating on the end faces 170b and 171b and the fiber Bragg grating.

それぞれのレーザの発振波長は、ファイバブラッググレーティングの反射スペクトラムによって制御する。このとき、ファイバブラッググレーティング反射スペクトラムの中心波長は、
976±10nm、1485±20nm
1064±10nm、1320±20nm
940±10nm、1565±35nm
のいずれかとし、その線幅(半値全幅)は0.3nm以下とする。
The oscillation wavelength of each laser is controlled by the reflection spectrum of the fiber Bragg grating. At this time, the center wavelength of the fiber Bragg grating reflection spectrum is
976 ± 10 nm, 1485 ± 20 nm
1064 ± 10nm, 1320 ± 20nm
940 ± 10nm, 1565 ± 35nm
The line width (full width at half maximum) is 0.3 nm or less.

(第2の実施形態)
本発明の一実施形態にかかる黄色領域のレーザ光源の構成は、図3に示したとおりである。黄色領域に相当する和周波光を発生するためには、(1)式においてλ=546.1nm、560.0nmまたは585.0nmとなるλ、λを選び、2つの波長の励起レーザ21,22と非線形光学結晶23とを組み合わせる必要がある。
(Second Embodiment)
The configuration of the laser light source in the yellow region according to the embodiment of the present invention is as shown in FIG. In order to generate the sum frequency light corresponding to the yellow region, λ 1 and λ 2 that satisfy λ 3 = 546.1 nm, 560.0 nm, or 585.0 nm are selected in the equation (1), and excitation lasers of two wavelengths are used. 21 and 22 and the nonlinear optical crystal 23 need to be combined.

図9に、黄色領域の波長を和周波発生により得るための励起レーザ1と励起レーザ2の波長の関係を示す。励起用レーザ1の波長をλとし、励起用レーザ2の波長をλとし、和周波光を得るための関係を曲線30で示した。また、上記(1)から(6)の励起レーザ1の領域を1−(1)、1−(2)、1−(3)、1−(4)、1−(5)、1−(6)としてハッチングを施した。併せて、上記(1)から(6)の励起レーザ2の領域を2−(1)、2−(2)、2−(3)、2−(4)、2−(5)、2−(6)としてハッチングを施して示した。なお、(1)から(6)の領域は、図4とおなじである。 FIG. 9 shows the relationship between the wavelengths of the excitation laser 1 and the excitation laser 2 for obtaining the wavelength in the yellow region by generating the sum frequency. The relationship for obtaining the sum frequency light with the wavelength of the excitation laser 1 being λ 1 and the wavelength of the excitation laser 2 being λ 2 is shown by a curve 30. Further, the regions of the excitation laser 1 of (1) to (6) above are defined as 1- (1), 1- (2), 1- (3), 1- (4), 1- (5), 1- ( Hatching was applied as 6). In addition, the regions of the excitation laser 2 of (1) to (6) above are defined as 2- (1), 2- (2), 2- (3), 2- (4), 2- (5), 2- (6) shows hatching. The areas (1) to (6) are the same as those in FIG.

図9より、励起レーザ1と励起レーザ2とは、1−(1)から1−(6)のいずれかと2−(1)から2−(6)のいずれかが、λ=546.1nmとなる曲線21上で交差する組み合わせ、λ=560.0nmとなる曲線22上で交差する組み合わせ、またはλ=585.0nmとなる曲線23上で交差する組み合わせを用いることにより、和周波発生の高効率化が可能となる。 From FIG. 9, the excitation laser 1 and the excitation laser 2 are any one of 1- (1) to 1- (6) and any of 2- (1) to 2- (6), λ 3 = 546.1 nm. become a combination of cross on the curve 21, by using a combination of cross on the curve 23 which is a combination or λ 3 = 585.0nm, intersect on a curve 22 which is a λ 3 = 560.0nm, sum frequency generation High efficiency can be achieved.

1−(1)から1−(6)のいずれかと2−(1)から2−(6)のいずれかが、曲線21〜23上で交差する組み合わせは、励起レーザ1と励起レーザ2の波長を逆にしても、和周波波長は同じであることを考慮に入れる。その結果、(1)および(4)と、(2)および(4)と、(3)および(4)と、(1)および(6)との組み合わせを用いれば、黄色領域の波長を効率的に発生できることがわかる。   The combination of any one of 1- (1) to 1- (6) and any one of 2- (1) to 2- (6) on the curves 21 to 23 is the wavelength of pump laser 1 and pump laser 2 Taking into account that the sum frequency wavelength is the same even if is reversed. As a result, when the combinations of (1) and (4), (2) and (4), (3) and (4), and (1) and (6) are used, the wavelength in the yellow region is efficiently converted. It can be seen that it can occur automatically.

以上説明したように、非線形光学結晶の特性改善と共に、既存レーザ装置の選択により、黄色領域のコヒーレント光を、高効率、高安定で発生させることができ、レーザ光源の小型化、屈折率測定の精度向上を図ることが可能となる。   As explained above, along with improving the characteristics of the nonlinear optical crystal, by selecting an existing laser device, it is possible to generate coherent light in the yellow region with high efficiency and high stability. The accuracy can be improved.

(実施例2−1)
図10に、本発明の実施例2−1にかかる黄色領域のレーザ光源を示す。レーザ光源は、2つの励起レーザ240,241と、周期的に分極反転させたLN244と、励起レーザ240,241のレーザ光をコリメートするレンズ242a,242bと、2つのレーザ光を合波する合波器243と、LN244を透過した励起レーザ240、241のレーザ光とLN244で発生した和周波光とを分離するフィルタ245とから構成されている。
(Example 2-1)
FIG. 10 shows a laser light source in a yellow region according to Example 2-1 of the present invention. The laser light source includes two pump lasers 240 and 241, LN 244 whose polarization is periodically inverted, lenses 242a and 242b that collimate the laser beams of the pump lasers 240 and 241, and multiplexing that combines the two laser beams. And a filter 245 that separates the laser light of the excitation lasers 240 and 241 transmitted through the LN 244 and the sum frequency light generated by the LN 244.

励起レーザ240の波長λと、励起レーザ241の波長λとは、
1/λ+1/λ=1/(546.1±5.0)
を満足するような組み合わせとする。さらにλ、λは、上述の(1)および(4)の組み合わせであり、
λ=940±10nm、λ=1320±20nm
を満足する範囲とする。λの半導体レーザはDFBレーザでもよい。
The wavelength λ 1 of the excitation laser 240, and the wavelength λ 2 of the excitation laser 241,
1 / λ 1 + 1 / λ 2 = 1 / (546.1 ± 5.0)
Is a combination that satisfies Further, λ 1 and λ 2 are combinations of the above (1) and (4),
λ 1 = 940 ± 10 nm, λ 2 = 1320 ± 20 nm
To a range that satisfies The λ 2 semiconductor laser may be a DFB laser.

励起レーザ240の波長λ=940nm、LN244への入射強度を40mWとし、励起レーザ241のλ=1320nm、LN244への入射強度を70mWとしたとき、波長λ=546.1nm、出力20μWの和周波光が得られた。 When the wavelength λ 1 = 940 nm of the pump laser 240 and the incident intensity to the LN 244 are 40 mW, and λ 2 = 1320 nm of the pump laser 241 and the incident intensity to the LN 244 are 70 mW, the wavelength λ 3 = 546.1 nm and the output 20 μW. Sum frequency light was obtained.

(実施例2−2)
図11に、本発明の実施例2−2にかかる黄色領域のレーザ光源を示す。実施例2−1のレーザ光源との相違は、非線形光学結晶にある。非線形光学結晶は、LN結晶を導波路化された周期的分極反転LN導波路251を用いる。また、入射レーザ光を周期的分極反転LN導波路251に効率よく結合するためのレンズ250と、および周期的分極反転LN導波路251からの出射光をコリメートするレンズ252とを有している。
(Example 2-2)
FIG. 11 shows a laser light source in the yellow region according to Example 2-2 of the present invention. The difference from the laser light source of Example 2-1 is in the nonlinear optical crystal. As the nonlinear optical crystal, a periodically poled LN waveguide 251 in which an LN crystal is made into a waveguide is used. In addition, a lens 250 for efficiently coupling incident laser light to the periodically poled LN waveguide 251 and a lens 252 for collimating light emitted from the periodically poled LN waveguide 251 are provided.

励起レーザ240の波長λ=940nm、LN244への入射強度を40mWとし、励起レーザ241のλ=1320nm、LN244への入射強度を70mWとしたとき、波長λ=546.1nm、出力10mWの和周波光が得られた。 When the wavelength λ 1 = 940 nm of the excitation laser 240 and the incident intensity to the LN 244 are 40 mW, and λ 2 = 1320 nm of the excitation laser 241 and the incident intensity to the LN 244 are 70 mW, the wavelength λ 3 = 546.1 nm and the output 10 mW. Sum frequency light was obtained.

(実施例2−3)
実施例2−1および実施例2−2の構成(図10、図11)において、励起レーザ240を、波長1064nm近傍のNdイオンを用いたレーザ(例えば、Nd:YAGレーザ)とし、励起レーザ241を1320±20nmの半導体レーザとする。従って、上述した(3)および(4)の組み合わせとなって、波長λ=585.0nmの黄色領域の和周波光を得ることができる。
(Example 2-3)
In the configurations of Example 2-1 and Example 2-2 (FIGS. 10 and 11), the excitation laser 240 is a laser using Nd ions in the vicinity of a wavelength of 1064 nm (for example, Nd: YAG laser), and the excitation laser 241 is used. Is a semiconductor laser of 1320 ± 20 nm. Therefore, the combination of (3) and (4) described above makes it possible to obtain a yellow frequency sum frequency light having a wavelength λ 3 = 585.0 nm.

(実施例2−4)
図12に、本発明の実施例2−4にかかる黄色領域のレーザ光源を示す。実施例2−2の構成において、2つのレーザ光を周期的分極反転LN導波路251に結合するために、偏波面保持ファイバ(またはシングルモードファイバ)261,263と、合波器262とを用いた。偏波面保持ファイバ263からの放射される光は、周期的分極反転LN導波路251の端面に直接入射するか、またはレンズ264によって結合する。
(Example 2-4)
FIG. 12 shows a laser light source in the yellow region according to Example 2-4 of the present invention. In the configuration of Example 2-2, in order to couple two laser beams to the periodically poled LN waveguide 251, polarization plane maintaining fibers (or single mode fibers) 261 and 263 and a multiplexer 262 are used. It was. The light emitted from the polarization-maintaining fiber 263 is directly incident on the end face of the periodically poled LN waveguide 251 or is coupled by the lens 264.

(実施例2−5)
図13に、本発明の実施例2−5にかかる黄色領域のレーザ光源を示す。実施例2−4のさらなる応用例である。励起レーザ270,271は、出射側端面270a,271aに反射率2%以下のARコートを施し、反対側の端面270b,271bに反射率90%以上のHRコートを施す。励起レーザ270,271の出力は、レンズ272a,272bを介して、端面あるいはファイバの途中にファイバブラッググレーティングを形成した偏波面保持ファイバ(またはシングルモードファイバ)273、274に結合される。このようにして、端面270b,271bのHRコーティングとファイバブラッググレーティングとの間で共振器を構成する。
(Example 2-5)
FIG. 13 shows a laser light source in the yellow region according to Example 2-5 of the present invention. This is a further application example of Example 2-4. In the excitation lasers 270 and 271, the emission-side end surfaces 270 a and 271 a are subjected to AR coating with a reflectance of 2% or less, and the opposite end surfaces 270 b and 271 b are subjected to HR coating with a reflectance of 90% or more. Outputs of the pump lasers 270 and 271 are coupled to polarization plane holding fibers (or single mode fibers) 273 and 274 in which a fiber Bragg grating is formed in the end face or in the middle of the fiber via lenses 272a and 272b. In this way, a resonator is configured between the HR coating on the end faces 270b and 271b and the fiber Bragg grating.

それぞれのレーザの発振波長は、ファイバブラッググレーティングの反射スペクトラムによって制御する。このとき、ファイバブラッググレーティング反射スペクトラムの中心波長は、
940±10nm、1320±20nm
980±10nm、1320±20nm
1064±10nm、1320±20nm
940±10nm、1550±30nm
のいずれかとし、その線幅(半値全幅)は0.3nm以下とする。
The oscillation wavelength of each laser is controlled by the reflection spectrum of the fiber Bragg grating. At this time, the center wavelength of the fiber Bragg grating reflection spectrum is
940 ± 10nm, 1320 ± 20nm
980 ± 10nm, 1320 ± 20nm
1064 ± 10nm, 1320 ± 20nm
940 ± 10nm, 1550 ± 30nm
The line width (full width at half maximum) is 0.3 nm or less.

(第3の実施形態)
非線形光学結晶と2つの励起レーザ光とを用いた差周波発生により中赤外光を発生する方法において、2つの励起レーザ光の波長をλ、λと、発生する中赤外光の波長をλとの関係は、
(Third embodiment)
In the method of generating mid-infrared light by difference frequency generation using a nonlinear optical crystal and two excitation laser beams, the wavelengths of the two excitation laser beams are λ 1 and λ 2 and the wavelength of the generated mid-infrared light With λ 3 is

Figure 0004568313
で与えられる。ここで、波長λ、λの大小関係は問わないが、便宜上λ>0とするため、λ<λとする。差周波光λを効率よく発生させるために、
Figure 0004568313
Given in. Here, the magnitude relationship between the wavelengths λ 1 and λ 2 does not matter, but for the sake of convenience, λ 3 > 0, so that λ 12 . The difference frequency light lambda 3 in order to generate efficiently,

Figure 0004568313
となる位相整合条件を満足する必要がある。(4)式において、k(i=1,2,3)は、非線形結晶内を伝搬する各レーザ光の伝搬定数であり、kにおける非線形光学結晶の屈折率をnとすると、
Figure 0004568313
It is necessary to satisfy the phase matching condition. In equation (4), k i (i = 1, 2, 3) is a propagation constant of each laser beam propagating in the nonlinear crystal, and the refractive index of the nonlinear optical crystal at k i is n i .

Figure 0004568313
となる。しかし、結晶のもつ分散特性により、一般的には(4)式を満足することは難しい。
Figure 0004568313
It becomes. However, it is generally difficult to satisfy the formula (4) due to the dispersion characteristics of the crystal.

これを解決する方法として、非線形結晶を周期的に分極反転させた擬似位相整合法が用いられている。擬似位相整合法には、LiNbOのような強誘電体結晶が有利であるが、これらの非線形光学定数の符号は自発分極の極性に対応する。この自発分極を、光の伝搬方向に周期Λで変調した場合、位相整合条件は、 As a method for solving this, a quasi-phase matching method in which a nonlinear crystal is periodically poled is used. For the quasi-phase matching method, a ferroelectric crystal such as LiNbO 3 is advantageous, but the sign of these nonlinear optical constants corresponds to the polarity of spontaneous polarization. When this spontaneous polarization is modulated with a period Λ in the light propagation direction, the phase matching condition is

Figure 0004568313
で表される。特定の波長λ、λを励起光として用いた場合には、(3)、(6)式を同時に満足し、高効率に差周波光λを発生することができる。
Figure 0004568313
It is represented by When specific wavelengths λ 1 and λ 2 are used as excitation light, the equations (3) and (6) can be satisfied simultaneously, and the difference frequency light λ 3 can be generated with high efficiency.

しかしながら、波長λ、λを変化させて異なる波長λの差周波光を得ようとする場合、波長λ、λに変動がある場合には、(6)式を満足することができず、差周波光λの強度は低下する。ここで、波長λ、λ、λおよび周期Λと差周波光の発生効率ηとの関係について考える。まず、位相不整合量Δkを However, when changing the wavelengths λ 1 and λ 2 to obtain difference frequency light having different wavelengths λ 3 , if the wavelengths λ 1 and λ 2 vary, the equation (6) may be satisfied. The intensity of the difference frequency light λ 3 is reduced. Here, the relationship between the wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 and the period Λ and the generation efficiency η of the difference frequency light will be considered. First, the phase mismatch amount Δk is

Figure 0004568313
と定義する。このとき、試料長をlとすると、差周波光の発生効率ηは、Δkとlの積に依存し、
Figure 0004568313
It is defined as At this time, assuming that the sample length is l, the generation efficiency η of the difference frequency light depends on the product of Δk and l,

Figure 0004568313
と表される。(8)式において、ηは、Δk=0の時の差周波光の発生効率であり、LiNbOなど結晶の非線形光学定数、励起光強度、試料長などで決まる。したがって、同一の試料においては、周期Λが固定されているため、波長λまたはλの変化は、Δkを増減させ、発生効率ηの低下をもたらす。与えられた周期Λに対して、η≧0.5η、すなわち
Figure 0004568313
It is expressed. In equation (8), η o is the generation efficiency of the difference frequency light when Δk = 0, and is determined by the nonlinear optical constant of the crystal such as LiNbO 3 , the excitation light intensity, and the sample length. Therefore, since the period Λ is fixed in the same sample, a change in the wavelength λ 1 or λ 2 increases or decreases Δk, resulting in a decrease in generation efficiency η. For a given period Λ, η ≧ 0.5η o , ie

Figure 0004568313
となる波長λ、λの領域を周期Λにおける3dB領域という。この3dB領域を広く取ることができれば、発生効率ηを低下させることなく、差周波光λの波長を可変にすることができる。
Figure 0004568313
The region of the wavelengths λ 1 and λ 2 is called a 3 dB region in the period Λ. If this 3 dB region can be widened, the wavelength of the difference frequency light λ 3 can be made variable without reducing the generation efficiency η.

以下の議論では、z−cut LiNbOを用い、2つの励起光および差周波光の偏光方向が、共に結晶のc軸方向の場合について取り扱う。このとき、2つの励起光、差周波光の伝搬特性は、異常光屈折率nで決まる。nは、セルマイヤー方程式より、 In the following discussion, z-cut LiNbO 3 is used, and the case where the polarization directions of the two excitation light and difference frequency light are both in the c-axis direction of the crystal will be dealt with. At this time, two excitation light propagation characteristics of the difference frequency light is determined by the extraordinary refractive index n e. ne is from the Selmeier equation:

Figure 0004568313
で与えられる。ここで、Tは温度(K)、波長λの単位はμmである。
Figure 0004568313
Given in. Here, T is temperature (K), and the unit of wavelength λ is μm.

図14に、周期Λと仮定し、波長λを助変数として求めた3dB領域を示す。波長λ、λに対する3dB領域は、(1)、(5)および(7)式より与えられる。室温において、(3)式から計算される差周波光波長λ=2.0μm、2.5μm、3.0μm、3.5μm、4.0μm、4.5μm、5.0μm、5.5μm、6.0μmを与える波長λ、λの関係を点線で示した。また、周期Λ=26μm,27μm,28μm,29μm,30μmに対する3dB領域を、(7)および(9)式より求め、それぞれの領域をハッチングによって示した。素子長は10mmとした。 FIG. 14 shows a 3 dB region obtained by assuming the period Λ and using the wavelength λ 3 as an auxiliary variable. The 3 dB region for the wavelengths λ 1 and λ 2 is given by the equations (1), (5), and (7). At room temperature, the difference frequency light wavelength λ 3 calculated from the formula (3) = 2.0 μm, 2.5 μm, 3.0 μm, 3.5 μm, 4.0 μm, 4.5 μm, 5.0 μm, 5.5 μm, The relationship between wavelengths λ 1 and λ 2 giving 6.0 μm is indicated by a dotted line. In addition, 3 dB regions with respect to the period Λ = 26 μm, 27 μm, 28 μm, 29 μm, and 30 μm were obtained from the equations (7) and (9), and each region was indicated by hatching. The element length was 10 mm.

完全に位相整合を満足するη=ηは、3dB領域のほぼ中央部に存在する。すなわち、周期Λの周期的分極反転構造を有するLiNbOにおける差周波光発生では、周期Λの擬似位相整合素子を用いる。所望の差周波光λを得る場合、η=0.5ηとなる波長λ、λは、(3)、(7)および(9)式から得られ、周期Λの3dB領域と所望の差周波光λを与える(3)式の曲線との交点で与えられることがわかる。 [Eta] = [eta] o that completely satisfies phase matching is present at substantially the center of the 3 dB region. That is, in the generation of difference frequency light in LiNbO 3 having a periodically poled structure with a period Λ, a quasi phase matching element with a period Λ is used. When obtaining the desired difference frequency light λ 3 , the wavelengths λ 1 and λ 2 at which η = 0.5η o are obtained from the equations (3), (7), and (9), and the 3 dB region of the period Λ and the desired It can be seen that the difference frequency light λ 3 is given at the intersection with the curve of the equation (3).

一例として、周期Λ=28μmの周期分極反転構造を有するLiNbOを用い、波長λ=3.0μmの差周波光を発生させる場合を考える。波長λ=3.0μmの点線と、周期Λ=28μmの3dB領域とが交差する波長λ、λの領域(図中Aの○で囲った部分)は、η=0.5ηとなる。 As an example, consider a case where LiNbO 3 having a periodically poled structure with a period Λ = 28 μm is used to generate difference frequency light with a wavelength λ 3 = 3.0 μm. The regions of wavelengths λ 1 and λ 2 where the dotted line of wavelength λ 3 = 3.0 μm and the 3 dB region of period Λ = 28 μm intersect (the portion surrounded by circles in A in the figure) are η = 0.5η o Become.

次に、具体的な条件を示す。差周波光発生における発生強度は、2つの励起光強度の積に比例する。したがって、これまで報告された例では、高強度が得られやすいNd:YAGレーザ(波長1.064μm)が主に用いられている。ここでは、波長λ=1.064μmとし、波長λを変化させることにより、波長可変な差周波光λを実現する場合を考える。周期Λの周期的分極反転構造を有するLiNbOの試料を用いた場合、図14においてハッチングで示した周期Λの3dB領域と、波長λ=1.064μmの直線Bとが交差する領域の波長λにおいてη=0.5ηとなる。 Next, specific conditions are shown. The generation intensity in the difference frequency light generation is proportional to the product of the two excitation light intensities. Therefore, in the examples reported so far, an Nd: YAG laser (wavelength: 1.064 μm) in which high intensity is easily obtained is mainly used. Here, it is assumed that the wavelength λ 1 = 1.064 μm and the wavelength λ 2 is changed to realize the wavelength-variable difference frequency light λ 3 . When a sample of LiNbO 3 having a periodic domain-inverted structure with period Λ is used, the wavelength of the region where the 3 dB region with period Λ shown by hatching in FIG. 14 intersects with the straight line B with wavelength λ 1 = 1.064 μm the η = 0.5η o at λ 2.

図15に、周期Λ=27μm、波長λ=1.064μmとした時の波長λに対する規格化変換効率η/ηを示す。η=0.5ηを満足する波長λの幅は、2nm程度しかなく、したがって、差周波光λの波長可変量は、20nm程度に制限される。周期Λを28μm、29μm、30μmに変えた場合も、波長λ=1.064μmとすると、いずれの場合でも、η=0.5ηを満足する波長λの幅は、2nm程度しかなく、差周波光λの波長可変量も同じように制限される。 FIG. 15 shows the normalized conversion efficiency η / η o with respect to the wavelength λ 2 when the period Λ = 27 μm and the wavelength λ 1 = 1.064 μm. The width of the wavelength λ 2 that satisfies η = 0.5η o is only about 2 nm, and therefore the wavelength variable amount of the difference frequency light λ 3 is limited to about 20 nm. Even when the period Λ is changed to 28 μm, 29 μm, and 30 μm, if the wavelength λ 1 = 1.064 μm, in any case, the width of the wavelength λ 2 that satisfies η = 0.5η o is only about 2 nm, The wavelength variable amount of the difference frequency light λ 3 is also limited in the same manner.

しかし、図14を見ると、波長λを固定し波長λを変化させれば、差周波光λの波長可変域を大幅に拡大できる領域があることが分かる。すなわち、波長λが一定となる直線と周期Λの3dB領域とが、より広範囲で交差すれば差周波光λの波長可変域幅が飛躍的に増大する。周期Λ=25.5μm〜29μmの3dB領域は、波長λ=0.9μm〜1.0μmでほぼ縦軸に平行になっており、この波長0.9μm〜1.0μm領域で波長λが一定となる直線と広範囲で交差している。すなわち、単一の周期Λを有する分極反転構造LiNbOを用いても、波長λを0.9μm〜1.0μmの範囲で固定し、波長λを1.3μm〜1.8μmの領域で変化させると、差周波光λは、波長1.3μm<λ<1.8μmのほぼすべての範囲で位相整合条件を満足し、高効率で波長を可変にすることができる。 However, it can be seen from FIG. 14 that there is a region where the wavelength variable region of the difference frequency light λ 3 can be greatly expanded by fixing the wavelength λ 1 and changing the wavelength λ 2 . That is, if the straight line in which the wavelength λ 1 is constant and the 3 dB region having the period Λ intersect in a wider range, the wavelength variable region width of the difference frequency light λ 3 increases dramatically. A 3 dB region with a period Λ = 25.5 μm to 29 μm has a wavelength λ 1 = 0.9 μm to 1.0 μm and is substantially parallel to the vertical axis. In this wavelength region of 0.9 μm to 1.0 μm, the wavelength λ 1 is It intersects with a straight line over a wide range. That is, even when the domain-inverted structure LiNbO 3 having a single period Λ is used, the wavelength λ 1 is fixed in the range of 0.9 μm to 1.0 μm, and the wavelength λ 2 is set in the region of 1.3 μm to 1.8 μm. When changed, the difference frequency light λ 3 satisfies the phase matching condition in almost the entire range of wavelengths 1.3 μm <λ 2 <1.8 μm, and can make the wavelength variable with high efficiency.

例えば、周期Λ=27μm、波長λ=0.94μmとしたとき、波長λに対する規格化変換効率は、波長λ>1.43μmの領域においてη=0.5ηとなり、ほぼ波長2μm〜3μmの広い波長範囲で差周波光の発生が可能である。なお、波長λ=3μm近傍においては、後述するように、温度調整により1つの周期Λで発生させることが可能となる。 For example, the period lambda = 27 [mu] m, when the wavelength lambda 1 = 0.94 .mu.m, normalized conversion efficiency for the wavelength lambda 2, the wavelength lambda 2> in the region of 1.43μm η = 0.5η o becomes substantially wavelength 2μm~ Difference frequency light can be generated in a wide wavelength range of 3 μm. In the vicinity of the wavelength λ 3 = 3 μm, as will be described later, it can be generated with one period Λ by temperature adjustment.

以上説明したように、第1のレーザと、第2のレーザと、1の周期の分極反転構造を有する非線形光学結晶とを備え、レーザの一方の波長を1.3〜1.8μmの間で変化させることにより、中赤外領域のレーザ光を波長2〜3μmの範囲において可変することが可能となる。   As described above, the first laser, the second laser, and the nonlinear optical crystal having a polarization inversion structure with one period are provided, and one of the wavelengths of the laser is between 1.3 and 1.8 μm. By changing it, the laser beam in the mid-infrared region can be varied in the wavelength range of 2 to 3 μm.

(実施例3−1)
図3に、本発明の一実施形態にかかる中赤外光を発生するレーザ光源を示す。レーザ光源は、波長λの半導体レーザ(λ=0.94帯とする)310と、波長λ(λ=1.45〜1.60μm帯で波長可変とする)の半導体レーザ311と、半導体レーザ310,311の出力光を合波する合波器318と、合波された出力光を入力し差周波光、すなわち中赤外光を発生する1の周期の分極反転構造を有するLiNbO結晶バルク321とを備えている。半導体レーザ310の出力は、結合レンズ系312,313と偏波面保持ファイバ316とを介して合波器318に接続される。半導体レーザ311の出力は、結合レンズ系314,315と偏波面保持ファイバ317とを介して合波器318に接続される。
(Example 3-1)
FIG. 3 shows a laser light source that generates mid-infrared light according to an embodiment of the present invention. The laser light source includes a semiconductor laser having a wavelength λ 11 = 0.94 band) 310, and a semiconductor laser 311 having a wavelength λ 22 = 1.45 to 1.60 μm). , A multiplexer 318 that combines the output lights of the semiconductor lasers 310 and 311, and a LiNbO having a domain-inverted structure of one period that inputs the combined output light and generates difference frequency light, that is, mid-infrared light 3 crystal bulk 321. The output of the semiconductor laser 310 is connected to the multiplexer 318 via the coupled lens systems 312 and 313 and the polarization plane holding fiber 316. The output of the semiconductor laser 311 is connected to the multiplexer 318 via the coupling lens systems 314 and 315 and the polarization plane holding fiber 317.

半導体レーザ310は、その端面310Aに90%以上の高反射膜が形成され、反対側の端面310Bは、反射率2%以下の低反射膜が形成されている。偏波面保持ファイバ316には、ファイバブラッググレーティング316Aを設けて、波長安定性を向上させている。また、偏波面保持ファイバ317には、必要に応じて、その途中にファイバアンプを結合して半導体レーザ311の出力光を増大させることもできる。   In the semiconductor laser 310, a high reflection film of 90% or more is formed on the end face 310A, and a low reflection film having a reflectance of 2% or less is formed on the opposite end face 310B. The polarization maintaining fiber 316 is provided with a fiber Bragg grating 316A to improve the wavelength stability. Further, if necessary, a fiber amplifier can be coupled to the polarization plane holding fiber 317 in the middle thereof to increase the output light of the semiconductor laser 311.

また、合波器318の出力は、光ファイバ319と結合レンズ系320とを介してLiNbO結晶バルク321に接続される。なお、LiNbO結晶バルク321の出力は、中赤外光である出力光を測定するために結合レンズ系322,324と光ファイバ323とを介して分光器325に接続してある。 The output of the multiplexer 318 is connected to the LiNbO 3 crystal bulk 321 through the optical fiber 319 and the coupling lens system 320. The output of the LiNbO 3 crystal bulk 321 is connected to the spectroscope 325 via the coupling lens systems 322 and 324 and the optical fiber 323 in order to measure the output light that is mid-infrared light.

図14の直線Cで示したように、波長λ=0.94μm帯とすれば、LiNbO結晶バルク321の周期Λが27μmのとき、半導体レーザ311の波長を1.45〜1.60μmの範囲で変化させても、1つの周期Λで、上述の3dB領域を得ることができる。言い換えれば、1つの周期Λにより、広い波長範囲で中赤外光を得ることができる。波長λ=0.94μm帯において、波長λを1.45〜1.60μmの範囲で変化させると、発生する中赤外光の波長λは、2.3〜2.7μmの広い範囲に及ぶことが分かる。 As shown by the straight line C in FIG. 14, when the wavelength λ 1 is 0.94 μm, the wavelength of the semiconductor laser 311 is 1.45 to 1.60 μm when the period Λ of the LiNbO 3 crystal bulk 321 is 27 μm. Even if the range is changed, the above-described 3 dB region can be obtained in one period Λ. In other words, mid-infrared light can be obtained in a wide wavelength range by one period Λ. In the wavelength lambda 1 = 0.94 .mu.m band, when changing the wavelength lambda 2 in a range of 1.45~1.60Myuemu, the wavelength lambda 3 of the mid-infrared light generated, a wide range of 2.3~2.7μm It can be seen that

図17に、実施例1における3dB領域を示す。縦軸は中赤外光強度、横軸は半導体レーザ311の波長λである。図14の計算結果から予想される通り、1つの周期ΛからなるLiNbO結晶バルク321により、1.45μm<λ<1.60μmの広い波長範囲で、ほぼ一定の強度を持つ中赤外光を得ることができる。半導体レーザ311の出力は、すべての波長域で一定である。1.45μm<λ<1.60μmの変化は、中赤外光の2.7μm>λ>2.3μmの変化に対応する。発生した中赤外光の波長は、分光器325により確認する。本実施例では、素子長10mmのLiNbO結晶バルク321を使ったが、変換効率は全ての波長域で1%/Wであった。 FIG. 17 shows a 3 dB region in the first embodiment. The vertical axis represents the mid-infrared light intensity, and the horizontal axis represents the wavelength λ 2 of the semiconductor laser 311. As expected from the calculation results of FIG. 14, mid-infrared light having a substantially constant intensity in a wide wavelength range of 1.45 μm <λ 2 <1.60 μm by the LiNbO 3 crystal bulk 321 having one period Λ. Can be obtained. The output of the semiconductor laser 311 is constant in all wavelength regions. A change of 1.45 μm <λ 2 <1.60 μm corresponds to a change of 2.7 μm> λ 3 > 2.3 μm of mid-infrared light. The wavelength of the generated mid-infrared light is confirmed by the spectroscope 325. In this example, a LiNbO 3 crystal bulk 321 having an element length of 10 mm was used, but the conversion efficiency was 1% / W in all wavelength regions.

本実施例のような差周波発生実験を行う際には、2つの励起光の偏光方向が一致するときに最大の中赤外光が発生する。ここで、半導体レーザ310の偏光方向を固定し、半導体レーザ311の偏光方向を、角度θだけ傾けたとすると、中赤外光の光強度Iは、半導体レーザ310の光強度をIとし、半導体レーザ311の光強度をIとすると、 When performing the difference frequency generation experiment as in the present embodiment, the maximum mid-infrared light is generated when the polarization directions of the two excitation lights coincide. Here, if the polarization direction of the semiconductor laser 310 is fixed and the polarization direction of the semiconductor laser 311 is tilted by an angle θ, the light intensity I 3 of the mid-infrared light is set to I 1 . When the light intensity of the semiconductor laser 311 is I 2 ,

Figure 0004568313
となる。(11)式は、中赤外光の発生を確認する手段となる。図18に、実施例3−1において出力された中赤外光の偏波依存性を示す。実験結果は、計算によるものとほぼ一致することが確かめられた。
Figure 0004568313
It becomes. Equation (11) is a means for confirming the generation of mid-infrared light. FIG. 18 shows the polarization dependence of the mid-infrared light output in Example 3-1. It was confirmed that the experimental results were almost the same as those calculated.

(実施例3−2)
実施例3−1では、出力された中赤外光の波長範囲は、2.3〜2.7μmであったが、LiNbO結晶の周期Λを変えることにより、波長域をさらに拡大することができる。実施例3−2では、図16に示したLiNbO結晶バルク321の周期Λを26μmとした。半導体レーザ310は、波長0.91μm帯において微少範囲で波長可変な装置とし、半導体レーザ311は、波長1.30〜1.68μm帯の広い範囲で波長可変な装置とした。
(Example 3-2)
In Example 3-1, the wavelength range of the output mid-infrared light was 2.3 to 2.7 μm. However, by changing the period Λ of the LiNbO 3 crystal, the wavelength range can be further expanded. it can. In Example 3-2, the period Λ of the LiNbO 3 crystal bulk 321 shown in FIG. 16 was set to 26 μm. The semiconductor laser 310 is a device that is tunable in a minute range in the wavelength range of 0.91 μm, and the semiconductor laser 311 is a device that is tunable in a wide range of wavelengths of 1.30 to 1.68 μm.

3dB領域は、1つの周期ΛからなるLiNbO結晶バルク321により、1.30μm<λ<1.68μmの広い波長範囲で、ほぼ一定の強度を持つ中赤外光を得ることができる。波長λを1.30〜1.68μmで変化させたことから、中赤外光の波長λは、3.1〜2.0μmを得ることができた。本実施例では、素子長10mmのLiNbO結晶バルク321を使ったが、変換効率は全ての波長域で1%/Wであった。 In the 3 dB region, mid-infrared light having substantially constant intensity can be obtained in a wide wavelength range of 1.30 μm <λ 2 <1.68 μm by the LiNbO 3 crystal bulk 321 having one period Λ. Since the wavelength λ 2 was changed from 1.30 to 1.68 μm, the wavelength λ 3 of the mid-infrared light was 3.1 to 2.0 μm. In this example, a LiNbO 3 crystal bulk 321 having an element length of 10 mm was used, but the conversion efficiency was 1% / W in all wavelength regions.

なお、LiNbO結晶は、(10)式から分かるように、屈折率が温度とともに変化するので、それに伴って実効的な周期Λも変わる。したがって、LiNbO結晶の温度を微細に調整すれば、1つの周期Λを有するLiNbO結晶で差周波発生を行っても、実効的な1つの周期Λを変えることができるので、高い変換効率を保つことができる。図14に示したとおり、半導体レーザ310の波長を固定したままでは、変換効率を高く保てない領域(例えば、周期Λ=28,29μmのように、特性曲線が縦軸に完全に平行でない領域)がある。そこで、LiNbO結晶バルク321の温度を調整し、常に、半導体レーザ310の波長に対する実効的な周期Λを最適化し、高い変換効率を保つことができる。 As can be seen from the equation (10), the refractive index of the LiNbO 3 crystal changes with temperature, so that the effective period Λ also changes accordingly. Therefore, if the temperature of the LiNbO 3 crystal is finely adjusted, even if the difference frequency is generated with the LiNbO 3 crystal having one period Λ, the effective one period Λ can be changed, so that high conversion efficiency can be achieved. Can keep. As shown in FIG. 14, a region where the conversion efficiency cannot be kept high if the wavelength of the semiconductor laser 310 is fixed (for example, a region where the characteristic curve is not completely parallel to the vertical axis, such as a period Λ = 28, 29 μm. ) Therefore, the temperature of the LiNbO 3 crystal bulk 321 can be adjusted to always optimize the effective period Λ with respect to the wavelength of the semiconductor laser 310 and maintain high conversion efficiency.

実施例3−2においては、適当な温度調整の下、周期Λを25.5〜29.3μmの間を0.1μm間隔で変え、周期Λを有するLiNbO結晶バルク321を用いて差周波を発生させる。その結果、周期Λ毎に波長λを波長0.9〜1.0μmの範囲で適当に選び、これに合わせて、波長λを1.27〜1.80μmの範囲で変化させると、中赤外光の波長λを3.1〜2.0μmの範囲で連続的に得ることができる。ただし、周期Λが28.5μmを越えたところから、図14に示したとおり、特性曲線が縦軸に平行な部分が減少することから、一定強度の差周波光を得るために必要な温度制御の寄与が次第に大きくなった。温度変化100度は、波長λの0.005μmの変化分に相当した。 In Example 3-2, under an appropriate temperature adjustment, the period Λ is changed between 25.5 to 29.3 μm at intervals of 0.1 μm, and the difference frequency is calculated using the LiNbO 3 crystal bulk 321 having the period Λ. generate. As a result, when the wavelength λ 1 is appropriately selected in the wavelength range of 0.9 to 1.0 μm for each period Λ, and the wavelength λ 2 is changed in the range of 1.27 to 1.80 μm accordingly, The wavelength λ 3 of infrared light can be continuously obtained in the range of 3.1 to 2.0 μm. However, since the period Λ exceeds 28.5 μm and the portion of the characteristic curve parallel to the vertical axis decreases as shown in FIG. 14, the temperature control necessary to obtain the difference frequency light with a constant intensity. The contribution of gradually increased. Temperature changes 100 degrees, and corresponds to a change amount of 0.005μm wavelength lambda 1.

(実施例3−3)
波長変換素子をバルク型のLiNbO結晶から導波路型に変えて、実施例3−1,3−2と同様の構成とすると、より高効率に中赤外光を得ることができる。実施例3−3では、図16に示したLiNbO結晶バルク321を導波路素子に変えた光学系を用いる。LiNbO導波路の素子長は10mm、コアの断面サイズは8μm×8μm、周期Λは26μmとした。半導体レーザ310は、0.91μm帯の微少範囲で波長可変とし、半導体レーザ311は、1.3〜1.65μm帯の広い範囲で波長可変とした。
(Example 3-3)
If the wavelength conversion element is changed from a bulk type LiNbO 3 crystal to a waveguide type and has the same configuration as in Examples 3-1 and 3-2, mid-infrared light can be obtained with higher efficiency. In Example 3-3, an optical system in which the LiNbO 3 crystal bulk 321 shown in FIG. 16 is replaced with a waveguide element is used. The element length of the LiNbO 3 waveguide was 10 mm, the core cross-sectional size was 8 μm × 8 μm, and the period Λ was 26 μm. The semiconductor laser 310 is tunable over a very small range of 0.91 μm band, and the semiconductor laser 311 is tunable over a wide range of 1.3 to 1.65 μm band.

導波路素子における3dB領域は、適当な温度調整の下、波長λ=0.91μm帯に対して、1.3μm<λ<1.65μmの広い波長範囲で、ほぼ一定の強度を持つ中赤外光λが波長範囲3.1〜2.0μmにおいて得られる。変換効率は全ての波長域で向上し、バルク素子に比べて、2桁の向上が見られた。 The 3 dB region in the waveguide element has a substantially constant intensity over a wide wavelength range of 1.3 μm <λ 2 <1.65 μm with respect to the wavelength λ 1 = 0.91 μm band under appropriate temperature adjustment. Infrared light λ 3 is obtained in the wavelength range 3.1-2.0 μm. Conversion efficiency was improved in all wavelength regions, and an improvement of two orders of magnitude was seen compared to bulk devices.

また、周期Λを25.5〜29.3μmの間を0.1μm間隔で変え、適当な温度調整の下、周期Λを有するLiNbO導波路を用いて中赤外光を発生させる。その結果、周期Λ毎に波長λを0.9〜1.0μmの範囲で適当に選び、これに合わせて、波長λを1.27〜1.80μmで変化させると、中赤外光の波長λを3.1〜2.0μmの範囲で連続的に得ることができる。 Further, the period Λ is changed between 25.5 to 29.3 μm at intervals of 0.1 μm, and mid-infrared light is generated using a LiNbO 3 waveguide having the period Λ under appropriate temperature adjustment. As a result, the wavelength lambda 1 in each period Λ appropriately select a range of 0.9~1.0Myuemu, In accordance with this, when changing the wavelength lambda 2 in 1.27~1.80Myuemu, mid-infrared light The wavelength λ 3 can be continuously obtained in the range of 3.1 to 2.0 μm.

(実施例3−4)
図14に示したように、位相整合曲線は、急激に湾曲を生じる領域がある。この領域を利用すると、波長可変性の点から大きなメリットはない。しかしながら、差周波発生を行う際に、2つの励起光の波長安定性における許容度が大きく改善され、特に短波長側の半導体レーザの許容度の改善に効果をもたらす。例えば、図14において、周期Λ=27μmの場合、半導体レーザ11のλが1.45〜1.8μmの領域では、波長λが変動しても3dB領域から外れることはないが、半導体レーザ310の波長λは、その僅かな変動により3dB領域から外れる原因となる。しかし、波長λが1.35μm近辺の湾曲部では、半波長側の波長λにも、3dB領域に対する波長変動の許容量が2倍に増えるという利点が生じる。LiNbO結晶バルク321の温度調整量も減少する。ここで、波長λに対しては、許容量は減少しているが、それでも通常の市販されているレーザ光源の安定性から見れば十分な幅である。
(Example 3-4)
As shown in FIG. 14, the phase matching curve has a region where the curve suddenly occurs. When this region is used, there is no significant advantage in terms of wavelength variability. However, when the difference frequency is generated, the tolerance in the wavelength stability of the two excitation lights is greatly improved, and in particular, the tolerance of the semiconductor laser on the short wavelength side is improved. For example, in FIG. 14, when the period Λ = 27 μm, in the region where λ 2 of the semiconductor laser 11 is 1.45 to 1.8 μm, even if the wavelength λ 2 fluctuates, it does not deviate from the 3 dB region. The wavelength λ 1 of 310 is caused to deviate from the 3 dB region by the slight fluctuation. However, in the curved portion where the wavelength λ 2 is near 1.35 μm, the wavelength variation λ 1 on the half-wavelength side also has the advantage that the allowable amount of wavelength variation with respect to the 3 dB region is doubled. The temperature adjustment amount of the LiNbO 3 crystal bulk 321 also decreases. Here, although the permissible amount for the wavelength λ 2 is reduced, it is still a sufficient width in view of the stability of an ordinary commercially available laser light source.

実施例3−4では、半導体レーザ310の端面310A,310Bにおける反射膜と偏波面保持ファイバ316のファイバブラッググレーティング316Aとを取り除いた光学系を用いる。ファイバブラッググレーティングは、設計された波長の光を選択的に得ることができるデバイスであり、実施例3−1では、これによって波長λの変動を抑えていた。したがって、ファイバブラッググレーティング316Aを除くと、安定な3dB領域を得るのが難しい場面もある。しかしながら、実施例3−4では、このような波長を安定化するための構成を有さなくても、3dB領域を外れないで十分安定な動作をすることができる。ここで、LiNbO結晶バルク321の周期Λを27μmとし、半導体レーザ310の波長を0.945μmとし、半導体レーザ311の波長を1.35μmとした。 In Example 3-4, an optical system is used in which the reflection film on the end faces 310A and 310B of the semiconductor laser 310 and the fiber Bragg grating 316A of the polarization plane holding fiber 316 are removed. Fiber Bragg grating is a device that can obtain light having a wavelength that is designed to selectively, in Example 3-1, thereby had suppressed variation of wavelength lambda 1. Therefore, there is a case where it is difficult to obtain a stable 3 dB region except for the fiber Bragg grating 316A. However, in Example 3-4, a sufficiently stable operation can be performed without deviating from the 3 dB region without having a configuration for stabilizing such a wavelength. Here, the period Λ of the LiNbO 3 crystal bulk 321 was 27 μm, the wavelength of the semiconductor laser 310 was 0.945 μm, and the wavelength of the semiconductor laser 311 was 1.35 μm.

(実施例3−5)
本発明にかかる中赤外光を発生するレーザ光源によれば、環境ガスのNOxを精度よく検出することができる。NOxガスの基本吸収は、波長5μm以上であるため、LiNbOの吸収特性(波長5.4μm以上の光は透過し難い)を考えると、下記反応式を利用するのが便利である。
4NO+4NH+O→4N+6HO (12)
6NO+8NH→7N+12HO (13)
すなわち、NOxは、触媒下においてNHにより分解されることから、消費されたNH、または新たに発生するHOを調べることにより、NO、NO濃度を間接的に算出することができる。また、NO、NOの基本吸収の倍音が、波長2〜3μmにあることを活用して検出することもできる。そこで、波長2〜3μmにおいて波長を可変することができるレーザ光源があれば、上述のガスの吸収を一括して調べることができる。各ガスの波長2〜3μmにおける主な基本吸収波長、波数、吸収の名称は、以下の通りである。
O 2.662μm 3756cm−1 逆対称伸縮振動
O 2.734μm 3657cm−1 全対称伸縮振動
NH 2.904μm 3444cm−1 二重縮重振動
NH 2.997μm 3337cm−1 全対称振動
NO 5.330μm 1876cm−1 逆対称伸縮振動 倍音=2.665μm
NO 6.180μm 1618cm−1 逆対称伸縮振動 倍音=3.090μm
図19に、本発明の一実施形態にかかる光吸収分析装置を示す。特に、NOxガス濃度を検出するための光学系を示す。被測定ガスが封入されるガスセル344は、両端にある反射鏡を利用して、最大18mの光路長を有する。反応ガスは、ポンプ345によりガス除去管346から、ガスセル344に導かれ、ポンプ347によりガス排気管348に排出される。ポンプを活用するとガスセル内の圧力を変えることができる。ガス除去管346は、(12)式または(13)式の反応により、NOxが除去される。検出器349は、中赤外光用のHgCdTeディテクタである。
(Example 3-5)
According to the laser light source that generates mid-infrared light according to the present invention, it is possible to accurately detect NOx of environmental gas. Since the basic absorption of NOx gas is 5 μm or more, considering the absorption characteristics of LiNbO 3 (it is difficult to transmit light having a wavelength of 5.4 μm or more), it is convenient to use the following reaction formula.
4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O (12)
6NO 2 + 8NH 3 → 7N 2 + 12H 2 O (13)
That is, since NOx is decomposed by NH 3 under the catalyst, the concentration of NO and NO 2 can be indirectly calculated by examining consumed NH 3 or newly generated H 2 O. . It is also possible to detect by utilizing the fact that the harmonics of basic absorption of NO and NO 2 are at a wavelength of 2 to 3 μm. Therefore, if there is a laser light source capable of changing the wavelength at a wavelength of 2 to 3 μm, the above-mentioned gas absorption can be examined collectively. The names of main fundamental absorption wavelengths, wave numbers, and absorptions at wavelengths of 2 to 3 μm for the respective gases are as follows.
H 2 O 2.662 μm 3756 cm −1 reverse symmetric stretching vibration H 2 O 2.734 μm 3657 cm −1 fully symmetric stretching vibration NH 3 2.904 μm 3444 cm −1 double degenerate vibration NH 3 2.997 μm 3337 cm −1 total symmetric vibration NO 5.330 μm 1876 cm −1 Inverse symmetric stretching vibration Overtone = 2.665 μm
NO 2 6.180 μm 1618 cm −1 Inverse symmetrical stretching vibration Overtone = 3.090 μm
FIG. 19 shows a light absorption analyzer according to an embodiment of the present invention. In particular, an optical system for detecting the NOx gas concentration is shown. The gas cell 344 in which the gas to be measured is sealed has a maximum optical path length of 18 m using the reflecting mirrors at both ends. The reaction gas is guided from the gas removal pipe 346 to the gas cell 344 by the pump 345 and discharged to the gas exhaust pipe 348 by the pump 347. The pressure in the gas cell can be changed by using the pump. The gas removal pipe 346 removes NOx by the reaction of the formula (12) or the formula (13). The detector 349 is a HgCdTe detector for mid-infrared light.

レーザ光源は、波長λの半導体レーザ(λ=0.91μm帯固定)330と、波長λ(λ=1.28〜1.46μmで波長可変とする)の半導体レーザ331と、半導体レーザ330,331の出力光を合波する合波器338と、合波された出力光を入力し、中赤外光を発生する周期Λ=26μmのLiNbO結晶バルク341とを備えている。半導体レーザ330の出力は、結合レンズ系332,333と偏波面保持ファイバ336とを介して、半導体レーザ331の出力は、結合レンズ系334,335と偏波面保持ファイバ337とを介してそれぞれ合波器338に接続される。 The laser light source includes a semiconductor laser λ 1 having a wavelength λ 11 = 0.91 μm band fixed) 330, a semiconductor laser 331 having a wavelength λ 22 = 1.28 to 1.46 μm), and a semiconductor A multiplexer 338 that combines the output lights of the lasers 330 and 331, and a LiNbO 3 crystal bulk 341 having a period Λ = 26 μm that receives the combined output light and generates mid-infrared light are provided. The output of the semiconductor laser 330 is combined via the coupling lens systems 332 and 333 and the polarization plane holding fiber 336, and the output of the semiconductor laser 331 is combined via the coupling lens systems 334 and 335 and the polarization plane holding fiber 337, respectively. Connected to the device 338.

半導体レーザ330は、その端面330Aに90%以上の高反射膜が形成され、反対側の端面330Bは、反射率2%以下の低反射膜が形成されている。偏波面保持ファイバ336には、ファイバブラッググレーティング336Aを設けて、波長安定性を向上させている。合波器338の出力は、光ファイバ339と結合レンズ系340とを介してLiNbO結晶バルク341に接続される。LiNbO結晶バルク341の出力は、結合レンズ系342と光ファイバ343とを介してガスセル344に接続される。 The semiconductor laser 330 has a high reflection film of 90% or more formed on its end face 330A, and a low reflection film having a reflectance of 2% or less is formed on the opposite end face 330B. The polarization maintaining fiber 336 is provided with a fiber Bragg grating 336A to improve the wavelength stability. The output of the multiplexer 338 is connected to the LiNbO 3 crystal bulk 341 via the optical fiber 339 and the coupling lens system 340. The output of the LiNbO 3 crystal bulk 341 is connected to the gas cell 344 via the coupling lens system 342 and the optical fiber 343.

実施例3−5では、最初に、NOガスの除去に伴う計測結果を示す。測定は、下記の3ステージに分けて行う。
(i)触媒もNHガスも与えないで、NOガスのみをガス除去管に導入する
(ii)触媒を与えずNHガスを与えて、NOガスをガス除去管に導入する
(iii)触媒とNHガスとを与えて、NOガスをガス除去管に導入する
ステージ(i)では、半導体レーザ331の波長を調整し、波長を1.290μmにしたところ、化学反応が起こっていないことに相応し、波長3.090μmにおいてNOの逆対称伸縮振動の倍音吸収を検出することができる。一方で、半導体レーザ331の波長を再度調整しNHやHOの吸収波長に合わせても、これら二つの吸収は観測されない。
In Example 3-5, the measurement result accompanying the removal of NO 2 gas is shown first. Measurement is performed in the following three stages.
(I) Introducing only the NO 2 gas into the gas removal pipe without supplying any catalyst or NH 3 gas
(Ii) NH 3 gas is supplied without supplying a catalyst, and NO 2 gas is introduced into the gas removal pipe.
(Iii) Provide catalyst and NH 3 gas and introduce NO 2 gas into gas removal pipe
In stage (i), the wavelength of the semiconductor laser 331 is adjusted to 1.290 μm, which corresponds to the absence of a chemical reaction, and the harmonic overtone absorption of NO 2 antisymmetric stretching vibration at a wavelength of 3.090 μm. Can be detected. On the other hand, even if the wavelength of the semiconductor laser 331 is adjusted again to match the absorption wavelength of NH 3 or H 2 O, these two absorptions are not observed.

ステージ(ii)では、NHを与えても触媒がないので化学反応が進まず、未反応のNOとNHの吸収を観測することになる。ところが、ステージ(iii)になると、触媒が与えられているので化学反応が進み、NOが除去されNHが消費されることから、NOとNHの吸収が減少し始め、代わって、新たに生成したHOの吸収が観測されるようになる。さらに、多くのNHを加えた場合、NOの吸収が完全に消失し、過剰に加えたNHと新たに生成したHOの吸収が増大するようになる。 In stage (ii), even if NH 3 is supplied, there is no catalyst, so that the chemical reaction does not proceed, and absorption of unreacted NO 2 and NH 3 is observed. However, in the stage (iii), since the catalyst is given, the chemical reaction proceeds, and NO 2 is removed and NH 3 is consumed. Therefore, the absorption of NO 2 and NH 3 begins to decrease, instead, Absorption of newly generated H 2 O is observed. Further, when a large amount of NH 3 is added, the absorption of NO 2 completely disappears, and the absorption of excess NH 3 and newly generated H 2 O increases.

ここで、(13)式を利用すると、ステージ(iii)において、NOの濃度を定量的に計量することができる。すなわち、多量のNHを加えていくとNOの吸収が減少し、過剰に加えられたNHと新たに生成したHOの吸収が出現する。NOの吸収がゼロになる点、過剰となったNHの吸収が出始める点、または、HOの吸収強度が増大した後一定値をとり始める点の何れかまでに加えたNH量を計れば、(13)式により、ガス除去管に含まれていたNOの濃度を算出することができる。 Here, using the equation (13), the concentration of NO 2 can be quantitatively measured in the stage (iii). That is, when a large amount of NH 3 is added, absorption of NO 2 decreases, and absorption of NH 3 added excessively and newly generated H 2 O appears. NH 3 added up to either the point at which NO 2 absorption becomes zero, the point at which excessive NH 3 absorption begins to take place, or the point at which the absorption intensity of H 2 O begins to increase and then takes a constant value If the amount is measured, the concentration of NO 2 contained in the gas removal pipe can be calculated by equation (13).

NH濃度は、加えた量だけを測ればよいから、正確に計量することができる。実施例3−5では、バルク長10mmのLiNbO結晶バルク341を用いた場合、NOの最少検出濃度が、100Torrにおいて、1ppmである。また、10mm長の導波路を用いた場合には、NOの最少検出濃度は、10ppbオーダにまで低減させることができた。 The NH 3 concentration can be accurately measured because it is only necessary to measure the added amount. In Example 3-5, when the LiNbO 3 crystal bulk 341 having a bulk length of 10 mm is used, the minimum detected concentration of NO 2 is 1 ppm at 100 Torr. When a 10 mm long waveguide was used, the minimum detected concentration of NO 2 could be reduced to the order of 10 ppb.

NOガスの検出も、(12)式を利用すると便利であり、ガス除去管346にNHとOを加えて行き、NOの吸収がゼロになる点、過剰のNHの吸収が出始める点、または、HOの吸収強度が増大した後一定値をとり始める点でのNH量を計れば、NOの濃度を算出できる(ここでは、Oの吸収は見ない)。ただし、NOの倍音吸収とHOの逆対称伸縮振動吸収の波長が極めて近いので、HOの全対称伸縮振動吸収とNHの吸収とを主に活用することになる。NOガスの最少検出濃度もNOとほぼ同等であった。 It is convenient to use the equation (12) for the detection of NO gas. NH 3 and O 2 are added to the gas removal pipe 346, the point at which NO absorption becomes zero, and excessive NH 3 absorption begins to occur. The concentration of NO can be calculated by measuring the amount of NH 3 at the point or the point at which the absorption intensity of H 2 O increases and then starting to take a constant value (here, no absorption of O 2 is seen). However, since the wavelength of absorption of harmonic overtone of NO and absorption of inversely symmetric stretching vibration of H 2 O are very close, absorption of total symmetry stretching vibration of H 2 O and absorption of NH 3 are mainly utilized. The minimum detected concentration of NO gas was almost the same as NO 2 .

なお、実施例3−5では、LiNbO結晶バルク341に対して1つの周期Λだけを用意すればよいことから、測定は極めて簡便、迅速である。また、NO、NOガスが、存在するか否かを調べるだけであれば、吸収ピークの有無だけを調べ、NH量を計量しなくてもよいことから、さらに測定は簡便、迅速となる。 In Example 3-5, since only one period Λ needs to be prepared for the LiNbO 3 crystal bulk 341, the measurement is extremely simple and quick. Further, if it is only to check whether or not NO and NO 2 gas are present, it is not necessary to check only the presence or absence of an absorption peak and to measure the amount of NH 3 , so that the measurement is simpler and quicker. .

(実施例3−6)
波長2〜3μmにおいて波長可変の中赤外領域のレーザ光源を用いて、NOx、CO、COなどのガス計を構成すると、一台の光源で多種類のガス濃度を測定することができる。ここでは、NO、NO、CO、COの4種のガスを同時に検出することについて述べる。対象となる各ガスの基本吸収波長、波数、吸収の名称、倍音吸収波長は、以下の通りである。
CO 4.257μm 2349cm−1 逆対称伸縮振動 倍音=2.129μm
CO 4.666μm 2143cm−1 伸縮振動 倍音=2.333μm
NO 5.330μm 1876cm−1 逆対称伸縮振動 倍音=2.665μm
NO 6.180μm 1618cm−1 逆対称伸縮振動 倍音=3.090μm
O 2.662μm 3756cm−1 逆対称伸縮振動
O 2.734μm 3657cm−1 全対称伸縮振動
NH 2.904μm 3444cm−1 二重縮重振動
NH 2.997μm 3337cm−1 全対称振動
本実施例では、下記の3ステージを通して、各ガスを順番に除去して行き、ガス濃度を計量した。構成は、図19に示した実施例3−5と同じである。
(a)触媒や除去用ガスを与えないで、NO、NO、CO、COをガス除去管に導入する
(b)触媒とNH、Oガスを与えて、NO、NOを除去する
(c)上記(b)でNO、NOが除去された後、Oガスを与えて、COを燃焼させる
ステージ(a)では、ガス除去管346において、何の化学反応も進まないので、波長2〜3μmにおいて、NO、NO、CO、COガスの倍音吸収が観測される。
(Example 3-6)
If a gas meter such as NOx, CO 2 , and CO is configured using a laser light source in the wavelength range of 2 to 3 μm and a variable wavelength mid-infrared region, various types of gas concentrations can be measured with one light source. Here, the simultaneous detection of four types of gases, NO, NO 2 , CO, and CO 2 will be described. The fundamental absorption wavelength, wave number, absorption name, and harmonic overtone absorption wavelength of each target gas are as follows.
CO 2 4.257 μm 2349 cm −1 inverse symmetrical stretching vibration overtone = 2.129 μm
CO 4.666 μm 2143 cm −1 stretching vibration overtone = 2.333 μm
NO 5.330 μm 1876 cm −1 Inverse symmetric stretching vibration Overtone = 2.665 μm
NO 2 6.180 μm 1618 cm −1 Inverse symmetrical stretching vibration Overtone = 3.090 μm
H 2 O 2.662 μm 3756 cm −1 reverse symmetric stretching vibration H 2 O 2.734 μm 3657 cm −1 fully symmetric stretching vibration NH 3 2.904 μm 3444 cm −1 double degenerate vibration NH 3 2.997 μm 3337 cm −1 total symmetric vibration In this example, each gas was sequentially removed through the following three stages, and the gas concentration was measured. The configuration is the same as that of Example 3-5 shown in FIG.
(A) Introduce NO, NO 2 , CO 2 , and CO into the gas removal pipe without giving a catalyst or a removal gas
(B) Remove NO and NO 2 by supplying catalyst and NH 3 and O 2 gas
(C) After NO and NO 2 are removed in (b) above, CO gas is burned by supplying O 2 gas
In stage (a), since no chemical reaction proceeds in the gas removal pipe 346, overtone absorption of NO, NO 2 , CO 2 , and CO gas is observed at a wavelength of 2 to 3 μm.

ステージ(b)になると、NO、NOが除去され、NHが消費されることに呼応して、これらの吸収が減少し始め、代わって、新たに生成したHOの吸収が観測されるようになる。さらに、過剰のNH、Oを加えた場合、NO、NOの吸収が完全に消失し、過剰のNHと新たに生成したHOの吸収が増大するようになる(ここでも、Oの吸収は見ない)。ステージ(c)では、下記反応式(14)に従って、COが燃焼させるに連れて、COの吸収が増大することになる。 In stage (b), in response to the removal of NO and NO 2 and the consumption of NH 3 , these absorptions begin to decrease, and instead the absorption of newly generated H 2 O is observed. Become so. Furthermore, when excess NH 3 and O 2 are added, absorption of NO and NO 2 disappears completely, and absorption of excess NH 3 and newly generated H 2 O increases (again, No absorption of O 2 is seen). In the stage (c), the absorption of CO 2 increases as the CO burns according to the following reaction formula (14).

2CO+O→2CO (14)
ステージ(b)において、NOとNOの合計濃度を定量的に計量することができる。すなわち、多量のNH、Oを加えていくとNO、NOの吸収が減少し、過剰に加えられたNHと新たに生成したHOの吸収が出現する。NO、NOの吸収がゼロになる点、過剰となったNHの吸収が出始める点、または、HOの吸収強度が増大した後一定値をとり始める点の何れかまでに加えたNH量を計れば、(12)、(13)式により、ガス除去管に含まれていたNOとNOの合計濃度を算出することができる。NO、NOの個別の濃度を知るには実施例3−5に拠ればよい。
2CO + O 2 → 2CO 2 (14)
In stage (b), the total concentration of NO and NO 2 can be quantitatively measured. That is, when a large amount of NH 3 and O 2 are added, absorption of NO and NO 2 decreases, and absorption of NH 3 added excessively and newly generated H 2 O appears. Added to the point at which absorption of NO and NO 2 becomes zero, the point at which absorption of excess NH 3 begins to appear, or the point at which the absorption intensity of H 2 O increases and starts to take a constant value If the amount of NH 3 is measured, the total concentration of NO and NO 2 contained in the gas removal pipe can be calculated from the equations (12) and (13). To know the individual concentrations of NO and NO 2 , it may be based on Example 3-5.

ステージ(c)においては、COの濃度を計量することができる。すなわち、O存在下、COを燃焼させるとCOが生じるから、Oを加えて行って、COの吸収が消失する点、またはCOの吸収が増大しピークを迎えた後一定値を取り始める点のいずれかに加えたO量を計れば、(12)式により、ガス除去管に含まれていたCOの濃度を算出することができる。Oは加えた量だけを測ればよいから、正確に計量することができる。実施例3−6では、バルク長10mmのLiNbO結晶バルク341を用いた場合、NOの最少検出濃度が、100Torrにおいて、1ppmであった。また、10mm長の導波路を用いた場合には、NOの最少検出濃度は10ppbオーダにまで低減させることができた。 In stage (c), the concentration of CO can be measured. That is, when CO is burned in the presence of O 2 , CO 2 is generated. Therefore, when O 2 is added, the absorption of CO disappears, or the CO 2 absorption increases and reaches a peak after reaching a peak. If the amount of O 2 added to any of the points to start taking is measured, the concentration of CO contained in the gas removal pipe can be calculated by the equation (12). Since it is only necessary to measure the amount of O 2 added, it can be accurately measured. In Example 3-6, when the LiNbO 3 crystal bulk 341 having a bulk length of 10 mm was used, the minimum detected concentration of NO 2 was 1 ppm at 100 Torr. When a 10 mm long waveguide was used, the minimum detected concentration of NO 2 could be reduced to the order of 10 ppb.

(実施例3−7)
本発明にかかる中赤外光を発生するレーザ光源を用いれば、波長2〜3μmに吸収のあるNOx、CO、COなどのガスを遠隔操作によって検出することができる。実施例3−7では、2波長差分吸収ライダー(例えば、非特許文献11参照)により環境ガスの検出を行った。2波長差分吸収ライダーは、被測定ガスの吸収波長と非吸収波長とを用いるが、吸収波長のライダー信号は、非吸収波長に比べて減衰が大きいことから、この2波長の信号差を利用してガス分子の濃度を計量することができる。
(Example 3-7)
If a laser light source that generates mid-infrared light according to the present invention is used, gases such as NOx, CO 2 , and CO that absorb at a wavelength of 2 to 3 μm can be detected by remote control. In Example 3-7, environmental gas was detected by a two-wavelength differential absorption lidar (see, for example, Non-Patent Document 11). The two-wavelength differential absorption lidar uses the absorption wavelength and non-absorption wavelength of the gas to be measured. Since the absorption wavelength of the lidar signal is more attenuated than the non-absorption wavelength, the signal difference between the two wavelengths is used. The concentration of gas molecules can be measured.

実施例3−7では、NO、NO、CO、COの4種のガスを、2波長差分吸収ライダーにより検出する。各ガスの基本吸収波長、波数、吸収の名称、倍音吸収波長は、以下の通りである。
CO 4.257μm 2349cm−1 逆対称伸縮振動 倍音=2.129μm
CO 4.666μm 2143cm−1 伸縮振動 倍音=2.333μm
NO 5.330μm 1876cm−1 逆対称伸縮振動 倍音=2.665μm
NO 6.180μm 1618cm−1 逆対称伸縮振動 倍音=3.090μm
測定にあたっては、なるべく近い時間に2波長の測定を行うことが正確なデータを得るために必要であるが、本発明にかかるレーザ光源は、瞬時に目的の2波長を出すことができ、LiNbO結晶に対して1つの周期Λだけを用意すればよいことから、波長2〜3μm帯での4種ガスの測定も極めて迅速に行える。
In Example 3-7, four gases of NO, NO 2 , CO, and CO 2 are detected by a two-wavelength differential absorption lidar. The fundamental absorption wavelength, wave number, name of absorption, and overtone absorption wavelength of each gas are as follows.
CO 2 4.257 μm 2349 cm −1 inverse symmetrical stretching vibration overtone = 2.129 μm
CO 4.666 μm 2143 cm −1 stretching vibration overtone = 2.333 μm
NO 5.330 μm 1876 cm −1 Inverse symmetric stretching vibration Overtone = 2.665 μm
NO 2 6.180 μm 1618 cm −1 Inverse symmetrical stretching vibration Overtone = 3.090 μm
In the measurement, it is necessary to measure two wavelengths as close as possible in order to obtain accurate data. However, the laser light source according to the present invention can instantaneously emit the target two wavelengths, and LiNbO 3 Since only one period Λ needs to be prepared for the crystal, the measurement of the four gases in the wavelength band of 2 to 3 μm can be performed very quickly.

図20に、2波長差分吸収ライダーの測定系を示す。2波長差分吸収ライダー360は、レーザ光出射部360Aとレーザ光検出部360Bとからなる。レーザ光出射部360Aに含まれるレーザ光源は、素子長10mmのLiNbO結晶導波路を用い、周期Λ=26μmとした。半導体レーザ330の波長は、0.91μm帯とし、半導体レーザ331の波長は、1.28〜1.46μmの間において可変とした。適当な温度調整の下、波長2〜3μmの中赤外光をレーザ出射口361より出力する。 FIG. 20 shows a measurement system for a two-wavelength differential absorption lidar. The two-wavelength differential absorption lidar 360 includes a laser beam emitting unit 360A and a laser beam detecting unit 360B. The laser light source included in the laser beam emitting portion 360A used a LiNbO 3 crystal waveguide with an element length of 10 mm and had a period Λ = 26 μm. The wavelength of the semiconductor laser 330 was 0.91 μm, and the wavelength of the semiconductor laser 331 was variable between 1.28 and 1.46 μm. Under appropriate temperature adjustment, mid-infrared light having a wavelength of 2 to 3 μm is output from the laser emission port 361.

中赤外光364は、検出ガス366に向けて出射され、検出ガス366からの散乱光(レイリー散乱、ミー散乱)365をレーザ光検出部360B内部にある反射鏡362により受光する。集光された光は、HgCdTeディテクタである検出器363により検出される。   The mid-infrared light 364 is emitted toward the detection gas 366, and scattered light (Rayleigh scattering, Mie scattering) 365 from the detection gas 366 is received by the reflecting mirror 362 inside the laser light detection unit 360B. The collected light is detected by a detector 363 that is a HgCdTe detector.

測定において、非吸収波長としては、検出ガスの倍音吸収波長から2〜10nm低波長側に設定する。発生する中赤外光の強度が大きいほど測定可能な距離が伸びるため、中赤外光強度は、10mWの高出力とする。距離3メートル離れた空間(=直径1メートル以上の球状空間)に、上述の4つのガスを濃度1ppmで拡散させると、全てのガスの吸収を観測することができる。ガス濃度を10ppmに上昇させると、計測する空間が10メートル離れても検出することができる。   In the measurement, the non-absorption wavelength is set to the 2-10 nm lower wavelength side from the harmonic absorption wavelength of the detection gas. Since the measurable distance increases as the intensity of the generated mid-infrared light increases, the intensity of the mid-infrared light is set to a high output of 10 mW. When the above four gases are diffused at a concentration of 1 ppm in a space 3 meters away (= spherical space having a diameter of 1 meter or more), absorption of all the gases can be observed. If the gas concentration is increased to 10 ppm, it can be detected even if the measurement space is 10 meters away.

(実施例3−8)
本発明にかかる中赤外光を発生するレーザ光源は、農作物に残留する農薬の検出にも有益である。農薬に含まれるCN基やNO基は、特に有害な官能基の代表例であり、これらが検出できれば、残留農薬の濃度の目安を知ることができる。CN基やNO基は、ピレスロイド系農薬のフェンプロパトリン、カーバメイト系農薬の1−ナフチル−N−メチルカーバメートに含有されている。吸収波長は、CN基=4.44μm(2250cm−1、伸縮振動)、NO基=6.15μm(1625cm−1、伸縮振動)である。
(Example 3-8)
The laser light source that generates mid-infrared light according to the present invention is also useful for detecting agricultural chemicals remaining in agricultural products. CN groups and NO 2 groups contained in pesticides are representative examples of particularly harmful functional groups, and if these can be detected, a guideline for residual pesticide concentration can be obtained. The CN group and NO 2 group are contained in the pyrethroid pesticide fenpropatoline and the carbamate pesticide 1-naphthyl-N-methylcarbamate. The absorption wavelength is CN group = 4.44 μm (2250 cm −1 , stretching vibration), NO 2 group = 6.15 μm (1625 cm −1 , stretching vibration).

図21に、残留農薬測定器の測定系を示す。残留農薬測定器380は、レーザ光出射部380Aとレーザ光検出部380Bとからなる。各々の先端に設けた光ファイバ381,382により、農作物からなる被測定体383に光を出射し、その散乱光をレーザ光検出部380Bにて検出する。レーザ光検出部380B内部に設けた検出器には、HgCdTeディテクタとPbSeディテクタを使用する。レーザ光出射部380Aに含まれるレーザ光源は、適度な温度調整の下、素子長10mm、周期Λ=26μmのLiNbO結晶導波路を用いる。一方の半導体レーザの波長は、0.91μm帯とし、他方の半導体レーザの波長は、1.30〜1.65μm帯で可変とした。 FIG. 21 shows a measurement system of the residual pesticide measuring instrument. The residual pesticide measuring instrument 380 includes a laser beam emission unit 380A and a laser beam detection unit 380B. Light is emitted to the measurement object 383 made of agricultural products by the optical fibers 381 and 382 provided at the respective ends, and the scattered light is detected by the laser light detection unit 380B. As a detector provided in the laser beam detector 380B, an HgCdTe detector and a PbSe detector are used. The laser light source included in the laser beam emitting portion 380A uses a LiNbO 3 crystal waveguide having an element length of 10 mm and a period Λ = 26 μm under moderate temperature adjustment. The wavelength of one semiconductor laser was 0.91 μm band, and the wavelength of the other semiconductor laser was variable in the 1.30 to 1.65 μm band.

被測定体のリンゴの表皮にフェンプロパトリンおよび1−ナフチル−N−メチルカーバメートを塗布し(濃度1‰)、これに出力10mWの中赤外光を照射する。その結果、波長2.22μmにおいてCN基の倍音吸収を、波長3.08μmにおいてNO基の倍音吸収を十分観測することができる。実施例3−8により、残留農薬の検出においても、1つの周期ΛからなるLiNbO結晶によって複数の官能基の存在を確認することができる。 Fenpropatoline and 1-naphthyl-N-methylcarbamate are applied to the skin of the apple to be measured (concentration: 1 ‰), and this is irradiated with mid-infrared light with an output of 10 mW. As a result, it is possible to sufficiently observe the overtone absorption of the CN group at a wavelength of 2.22 μm and the overtone absorption of the NO 2 group at a wavelength of 3.08 μm. According to Example 3-8, the presence of a plurality of functional groups can be confirmed by the LiNbO 3 crystal having one period Λ even in the detection of residual agricultural chemicals.

なお、検出すべき官能基がNO基だけであれば、その他の利点も示すことができる。すなわち、LiNbO結晶導波路の周期Λ=27μmとするならば(周期Λ=26μmでもよいが、効果の大きさを示すべく周期Λ=27μmで議論する)、実施例3−4で説明したように、検出体の吸収波長が3.0μmを少し超えた領域だと、使用する半導体レーザ双方に対しての波長安定性が向上する。半導体レーザの端面の反射膜と光ファイバのファイバブラッググレーティングとを取り除いた光学系を用いても、十分なNO基の倍音吸収を観測することができる(なお、この効果は、上述のNOガスの検出においても同様に見られる)。 If the functional group to be detected is only the NO 2 group, other advantages can be shown. That is, if the period Λ = 27 μm of the LiNbO 3 crystal waveguide (the period Λ = 26 μm may be used, but will be discussed with the period Λ = 27 μm to show the magnitude of the effect), as described in Example 3-4 In addition, when the absorption wavelength of the detection body is in a region slightly exceeding 3.0 μm, the wavelength stability for both of the semiconductor lasers used is improved. Even using an optical system has been removed and a fiber Bragg grating of the reflection film and the optical fiber end face of the semiconductor laser, it is possible to observe the overtone absorption of sufficient NO 2 group (Note that this effect is the aforementioned NO 2 The same applies to gas detection).

(第4の実施形態)
図22に、本発明の一実施形態にかかる酸素吸収線の波長を発生するレーザ光源を示す。酸素吸収線の波長を発生するレーザ光源は、波長759nmから768nmに存在する酸素吸収線の中から選択された1つの吸収線の波長に対して、2倍の波長を有するレーザ光を発振する分布帰還型半導体レーザモジュール401と、二次非線形光学効果を有する光導波路403と、半導体レーザモジュール401および二次非線形光学効果を有する光導波路403の一端を接続する偏波保持型ファイバ402とを備えている。
(Fourth embodiment)
FIG. 22 shows a laser light source that generates a wavelength of an oxygen absorption line according to an embodiment of the present invention. A laser light source that generates a wavelength of an oxygen absorption line is a distribution that oscillates a laser beam having a wavelength twice as large as the wavelength of one absorption line selected from oxygen absorption lines existing at wavelengths of 759 nm to 768 nm. A feedback semiconductor laser module 401, an optical waveguide 403 having a second-order nonlinear optical effect, and a polarization maintaining fiber 402 that connects one end of the semiconductor laser module 401 and the optical waveguide 403 having a second-order nonlinear optical effect are provided. Yes.

従来と異なり、759nmから768nmの2倍の波長である1518nmから1536nmで発振するので、半導体レーザとしてリン化インジウム系材料を使用する。リン化インジウムは、砒化ガリウムに比べて素子のいわゆる頓死現象がなく、素子寿命に対する信頼性が高いことが知られている。また、1518nmから1536nmの波長は、通信波長帯のS帯とC帯に属し、近年の光通信分野の発展により、DFB型の作製技術も容易である。さらに、40mWという高出力の素子を作製することができる。   Unlike the prior art, since it oscillates at 1518 nm to 1536 nm, which is twice the wavelength of 759 nm to 768 nm, an indium phosphide-based material is used as the semiconductor laser. It is known that indium phosphide does not cause a so-called death phenomenon of the device as compared with gallium arsenide and has high reliability with respect to the device lifetime. Further, wavelengths from 1518 nm to 1536 nm belong to the S and C bands of the communication wavelength band, and due to recent developments in the optical communication field, a DFB type manufacturing technique is easy. Furthermore, a device with a high output of 40 mW can be manufactured.

リン化インジウム系の半導体レーザにおいては、素子の温度や注入電流を変化させることにより波長を変えることができ、DFB型の構造を採用することにより、モード飛びのない安定した波長スキャンを行うことができる。波長1518nmから1536nmのレーザ光を、二次非線形光学効果に基づく第二高調波発生を利用して、波長759nmから768nmの光を出力する。   In an indium phosphide-based semiconductor laser, the wavelength can be changed by changing the temperature of the element and the injection current, and a stable wavelength scan without mode skipping can be performed by adopting a DFB type structure. it can. Laser light having a wavelength of 1518 nm to 1536 nm is output from light having a wavelength of 759 nm to 768 nm using second harmonic generation based on the second-order nonlinear optical effect.

ここで二次非線形光学効果について説明する。非線形光学効果とは、物質中の電気分極Pが下記のように光の電界Eに比例する項以外に、E、Eの高次項をもつために起こる効果である。
P=χ(1)E+χ(2)+χ(3)+・・ (15)
特に第2項は、中心対照性のくずれた物質において強く現れる効果で、角周波数の違う3つの光ω、ω、ωが、ω+ω=ωの関係にあるとき、
1)ωとωの光を入力したときに、ωの光を発生(和周波発生)
2)和周波発生時にωとωが同じ角周波数の場合には、第二次高調波を発生
3)ωとωの光を入力したときに、ω(=ω−ω)の光を発生(差周波発生)
という効果を生じる。すなわち、入力されたレーザ光の波長を、別の波長へと変換することができる。
Here, the second-order nonlinear optical effect will be described. The nonlinear optical effect is an effect that occurs because the electric polarization P in a substance has higher-order terms E 2 and E 3 in addition to the term proportional to the electric field E of light as described below.
P = χ (1) E + χ (2) E 2 + χ (3) E 3 + (15)
In particular, the second term is an effect that appears strongly in a material that is out of central contrast. When three lights ω 1 , ω 2 , and ω 3 having different angular frequencies are in a relationship of ω 1 + ω 2 = ω 3 ,
1) When ω 1 and ω 2 lights are input, ω 3 light is generated (sum frequency generation)
2) When ω 1 and ω 2 have the same angular frequency during sum frequency generation, second harmonics are generated. 3) When ω 1 and ω 3 lights are input, ω 2 (= ω 3 −ω 1 ) Generate light (difference frequency generation)
This produces the effect. That is, the wavelength of the input laser beam can be converted to another wavelength.

二次の非線形光学材料の分極を周期的に反転することにより、高効率の波長変換器が実現されている。この構造は、材料による屈折率分散の影響を、周期的に分極を反転することにより、入力光と変換光の位相を擬似的に整合させるものである。この原理を用いた例として、例えば、二次非線形光学材料であるニオブ酸リチウムの分極を周期的に反転し、プロトン交換により導波路を形成した波長変換器が知られている(例えば、非特許文献12参照)。このような周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウム光導波路において、90%以上の第二高調波発生が可能であることが示されている。   A highly efficient wavelength converter is realized by periodically inverting the polarization of the secondary nonlinear optical material. This structure artificially matches the phases of the input light and the converted light by periodically inverting the influence of the refractive index dispersion caused by the material. As an example using this principle, for example, a wavelength converter is known in which the polarization of lithium niobate, which is a second-order nonlinear optical material, is periodically reversed and a waveguide is formed by proton exchange (for example, non-patented). Reference 12). It has been shown that in the lithium niobate optical waveguide having such a periodically poled structure, 90% or more of second harmonic generation is possible.

この様な二次非線形光学効果を有する光導波路においては、フォトリフラクティブ効果による第二高調波発生の効率低下という、寿命に関する問題を有している。波長1518nmから1536nmの光ではこのような問題は起こらないので、その第二高調波である波長759nmから768nmの光強度によって起こる。しかしながら、二次非線形光学効果を有する光導波路の温度を50℃から100℃程度に上げること、または亜鉛やマグネシウムを添加した二次非線形光学材料を用いることにより、効率低下を回避できることが知られており(例えば、非特許文献13参照)、長寿命な光導波路を得ることは容易である。   An optical waveguide having such a second-order nonlinear optical effect has a problem relating to the lifetime, that is, the efficiency of second harmonic generation is reduced due to the photorefractive effect. Since such a problem does not occur with light having a wavelength of 1518 nm to 1536 nm, it is caused by the light intensity of wavelengths 759 nm to 768 nm which is the second harmonic. However, it is known that a decrease in efficiency can be avoided by raising the temperature of the optical waveguide having a second-order nonlinear optical effect from about 50 ° C. to about 100 ° C. or using a second-order nonlinear optical material to which zinc or magnesium is added. Therefore, it is easy to obtain a long-life optical waveguide (for example, see Non-Patent Document 13).

この様な二次非線形光学効果を有する光導波路は、結晶方位に対してある特有の方向に偏光した光に対して、その効果を大きく生じる。例えば、ニオブ酸リチウムではz軸方向である。半導体レーザも基板に対してある一定の偏波で発振している。そこで、半導体レーザモジュール401と二次非線形光学効果を有する光導波路403とを光ファイバで接続する場合、光導波路に入射する光の偏光方向の変動を抑えるために偏波保持型ファイバ402を用いることが好ましい。なお、偏波保持型ではない光ファイバで接続し、偏光制御素子を光ファイバ中に挿入しても第二高調波発生は可能である。しかしながら、温度などの外部環境の変化により光ファイバ中の偏光が変動するため、長期的に安定して第二高調波を発生させることは困難である。   An optical waveguide having such a second-order nonlinear optical effect produces a large effect on light polarized in a specific direction with respect to the crystal orientation. For example, in the case of lithium niobate, it is the z-axis direction. The semiconductor laser also oscillates with a certain polarization with respect to the substrate. Therefore, when the semiconductor laser module 401 and the optical waveguide 403 having the second-order nonlinear optical effect are connected by an optical fiber, the polarization maintaining fiber 402 is used in order to suppress fluctuations in the polarization direction of light incident on the optical waveguide. Is preferred. The second harmonic can be generated even if the polarization control element is inserted into the optical fiber by connecting with an optical fiber that is not a polarization maintaining type. However, since the polarization in the optical fiber fluctuates due to changes in the external environment such as temperature, it is difficult to stably generate the second harmonic in the long term.

図23に、出力にレンズとフィルタを備えたレーザ光源を示す。図22のレーザ光源に加えて、二次非線形光学効果を有する光導波路413の他端には、出射される光を平行光にするレンズ414と、出射された光のうち波長1518nmから1536nmの光を透過せず、波長759nmから768nmの光を透過させるフィルタ415とを備えた。このようにして、酸素吸収線である波長759nmから768nmにおいて、モード飛びのない安定した波長スキャンを行うための光を取り出すことができる。   FIG. 23 shows a laser light source provided with a lens and a filter at the output. In addition to the laser light source of FIG. 22, at the other end of the optical waveguide 413 having a second-order nonlinear optical effect, a lens 414 that converts emitted light into parallel light, and light having a wavelength of 1518 nm to 1536 nm among the emitted light. And a filter 415 that transmits light having a wavelength of 759 nm to 768 nm. In this way, it is possible to extract light for performing stable wavelength scanning without mode skipping at wavelengths of 759 nm to 768 nm, which are oxygen absorption lines.

図24に、出力に光ファイバを備えたレーザ光源を示す。図23の実施形態に代えて、二次非線形光学効果を有する光導波路423の他端に光ファイバ424を接続する。光ファイバ424を、波長759nmから768nmの光に対して、シングルモードで導波可能な構造とすれば、光ファイバ424に若干の曲げを加えるだけで、酸素吸収線である波長759nmから768nmの光のみを取り出すことができる。これは、波長1518nmから1536nmの光が、光ファイバ424の中では広いモードとして伝播し、少しでも曲げが加えられた部分があると、その部分で散乱されて光ファイバ424中で減衰するからである。   FIG. 24 shows a laser light source provided with an optical fiber at the output. Instead of the embodiment of FIG. 23, an optical fiber 424 is connected to the other end of the optical waveguide 423 having a second-order nonlinear optical effect. If the optical fiber 424 has a structure capable of guiding in a single mode with respect to light with a wavelength of 759 nm to 768 nm, light having a wavelength of 759 nm to 768 nm, which is an oxygen absorption line, can be obtained by slightly bending the optical fiber 424. Can only be taken out. This is because light having a wavelength of 1518 nm to 1536 nm propagates as a wide mode in the optical fiber 424, and if there is a portion where bending is applied, the light is scattered and attenuated in the optical fiber 424. is there.

以上説明したように、光導波路の二次非線形光学効果に基づく第二高調波発生を利用して、酸素吸収線である波長759nmから768nmのレーザ光を出力し、モード飛びのない安定した波長スキャンを行うことができ、高出力かつ長寿命のレーザ光源を提供することが可能となる。   As described above, the second harmonic generation based on the second-order nonlinear optical effect of the optical waveguide is used to output a laser beam having a wavelength of 759 nm to 768 nm, which is an oxygen absorption line, and a stable wavelength scan without mode skipping. Therefore, it is possible to provide a laser light source with high output and long life.

(実施例4−1)
図25に、実施例4−1にかかるレーザ光源を示す。実施例4−1にかかるレーザ光源は、レーザ光を発振する分布帰還型半導体レーザモジュール431と、二次非線形光学効果を有する光導波路433と、半導体レーザモジュール431および二次非線形光学効果を有する光導波路433の一端433aを接続する偏波保持型ファイバ432とを備えている。二次非線形光学効果を有する光導波路433の他端433bには、出射される光を平行光にするレンズ435と、出射された光のうち1526nm付近の光を透過せず、763nm付近の光を透過させるフィルタ436とを配置している。
(Example 4-1)
FIG. 25 shows a laser light source according to Example 4-1. The laser light source according to Example 4-1 includes a distributed feedback semiconductor laser module 431 that oscillates laser light, an optical waveguide 433 having a second-order nonlinear optical effect, a semiconductor laser module 431, and an optical light having a second-order nonlinear optical effect. A polarization maintaining fiber 432 connecting one end 433a of the waveguide 433. The other end 433b of the optical waveguide 433 having a second-order nonlinear optical effect has a lens 435 that collimates the emitted light and does not transmit light near 1526 nm of the emitted light, and transmits light near 763 nm. A filter 436 for transmitting light is disposed.

半導体レーザモジュール431は、偏波保持型ファイバ432によって出力される酸素吸収線のひとつである763.04nmの2倍の波長である1526.08nm付近のレーザ光を発振する。半導体レーザモジュール431には、ペルチェ素子(不図示)が内蔵されており、素子の温度を変えることができるようになっている。また、半導体レーザモジュール431には、アイソレータ(不図示)が内蔵されており、光導波路433の端面等における反射光が、レーザ発振に悪影響を及ぼさないようにする。   The semiconductor laser module 431 oscillates laser light in the vicinity of 1526.08 nm, which is twice the wavelength of 763.04 nm, which is one of the oxygen absorption lines output from the polarization maintaining fiber 432. The semiconductor laser module 431 has a built-in Peltier element (not shown) so that the temperature of the element can be changed. Further, the semiconductor laser module 431 includes an isolator (not shown) so that the reflected light on the end face of the optical waveguide 433 does not adversely affect the laser oscillation.

二次非線形光学効果を有する光導波路433は、ニオブ酸リチウム基板に周期分極反転構造が施され、第5の実施形態にかかる方法または熱処理プロトン交換法を用いて導波路が形成されている。光導波路433の一端433aには、波長1526nmに対して無反射となるコーティングを施している。また、光導波路433の他端433bには、波長763nmの波長に対して無反射となるコーティングを施している。さらに、光導波路433の下には、光導波路433の温度を制御するためのペルチェ素子434を配置し、光導波路433の入射光波長1526.08nmにおける第二高調波発生の効率が最も良いように、光導波路433を90℃の温度に保つ。   The optical waveguide 433 having a second-order nonlinear optical effect has a periodically poled structure on a lithium niobate substrate, and a waveguide is formed using the method according to the fifth embodiment or the heat treatment proton exchange method. One end 433a of the optical waveguide 433 is provided with a coating that is non-reflective with respect to a wavelength of 1526 nm. Further, the other end 433b of the optical waveguide 433 is provided with a coating that does not reflect light with respect to a wavelength of 763 nm. Further, a Peltier element 434 for controlling the temperature of the optical waveguide 433 is disposed under the optical waveguide 433 so that the second harmonic generation efficiency at the incident light wavelength of 156.08 nm of the optical waveguide 433 is the best. The optical waveguide 433 is kept at a temperature of 90 ° C.

半導体レーザモジュール431を25℃に設定し、波長1526.08nm、出力30mWで動作させたところ、出力光437として波長763.04nm、出力5mWの光を観測した。半導体レーザモジュール431の温度を、24℃から26℃に連続的に変化させながら、出力光437を観測したところ、波長は762.99nmから763.09nmへ連続的に変化し、モード飛びの様な現象は見られなかった。出力光437の光強度は4.7mWから5.0mWと安定した動作を示した。この動作を1年間通して連続して行ったが、出力の低下および波長の飛びは観測されなかった。   When the semiconductor laser module 431 was set to 25 ° C. and operated at a wavelength of 1526.08 nm and an output of 30 mW, light having a wavelength of 763.04 nm and an output of 5 mW was observed as the output light 437. When the output light 437 was observed while the temperature of the semiconductor laser module 431 was continuously changed from 24 ° C. to 26 ° C., the wavelength was continuously changed from 762.99 nm to 762.09 nm, like a mode skip. The phenomenon was not seen. The light intensity of the output light 437 showed a stable operation from 4.7 mW to 5.0 mW. This operation was continuously performed for one year, but no decrease in output and wavelength jump were observed.

(実施例4−2)
図26に、実施例4−2にかかるレーザ光源を示す。実施例4−2にかかるレーザ光源は、レーザ光を発振する分布帰還型半導体レーザモジュール441と、二次非線形光学効果を有する光導波路445と、半導体レーザモジュール441および二次非線形光学効果を有する光導波路445の一端445aを接続する偏波保持型ファイバ442,444および光コネクタ443とを備えている。二次非線形光学効果を有する光導波路445の他端445bには、光ファイバ447が接続され、出射される光を平行光にするレンズ448を配置している。
(Example 4-2)
FIG. 26 shows a laser light source according to Example 4-2. The laser light source according to Example 4-2 includes a distributed feedback semiconductor laser module 441 that oscillates laser light, an optical waveguide 445 having a second-order nonlinear optical effect, a semiconductor laser module 441, and an optical light having a second-order nonlinear optical effect. Polarization maintaining fibers 442 and 444 and an optical connector 443 that connect one end 445a of the waveguide 445 are provided. An optical fiber 447 is connected to the other end 445b of the optical waveguide 445 having a second-order nonlinear optical effect, and a lens 448 that converts emitted light into parallel light is disposed.

半導体レーザモジュール441は、実施例4−1の半導体レーザモジュール431と同じものを用いた。二次非線形光学効果を有する光導波路445は、Znのドープされたニオブ酸リチウム基板に周期分極反転構造が施され、第5の実施形態にかかる方法または熱処理プロトン交換法を用いて導波路が形成されている。光導波路445の一端445aには、波長1526nmに対して無反射となるコーティングを施し、波長1526nm付近の光に対しシングルモードになる偏波保持型ファイバ444を接続する。また、光導波路445の他端445bには、波長763nmに対して無反射となるコーティングを施し、波長763nm付近の光でシングルモードとなる光ファイバ447を接続する。   The same semiconductor laser module 441 as that of the semiconductor laser module 431 of Example 4-1 was used. An optical waveguide 445 having a second-order nonlinear optical effect is obtained by forming a periodically poled structure on a Zn-doped lithium niobate substrate and forming the waveguide using the method according to the fifth embodiment or the heat treatment proton exchange method. Has been. One end 445 a of the optical waveguide 445 is coated with a coating that is non-reflective with respect to a wavelength of 1526 nm, and a polarization maintaining fiber 444 that is in a single mode with respect to light having a wavelength of about 1526 nm is connected. Further, the other end 445b of the optical waveguide 445 is provided with a coating that is non-reflective with respect to a wavelength of 763 nm, and an optical fiber 447 that is in a single mode with light near a wavelength of 763 nm is connected.

光導波路445の下には、温度制御用のペルチェ素子446を配置し、光導波路445の入射光波長1526.08nmにおける第二高調波発生の効率が最も良いように、光導波路445を25.0℃の温度に保つ。光ファイバ442と光ファイバ444とを、コネクタ443によって接続し、光ファイバ447の光出力を、レンズ448により平行光にする。   A Peltier element 446 for temperature control is arranged under the optical waveguide 445, and the optical waveguide 445 is 25.0 so that the second harmonic generation efficiency at the incident light wavelength 1526.08 nm of the optical waveguide 445 is the best. Keep temperature at ℃. The optical fiber 442 and the optical fiber 444 are connected by the connector 443, and the light output of the optical fiber 447 is converted into parallel light by the lens 448.

半導体レーザモジュール441を25℃に設定し、波長1526.08nm、出力30mWで動作させたところ、出力光449として波長763.04nm、出力7mWの光を観測した。半導体レーザモジュールの温度を、24℃から26℃に連続的に変化させ、かつ光導波路445の温度をペルチェ素子446によって24℃から26℃に連続的に変化させながら出力光449を観測した。波長は762.99nmから763.09nmへ連続的に変化し、出力光449の光強度は6.9mWから7.0mWと非常に安定した動作を示した。   When the semiconductor laser module 441 was set to 25 ° C. and operated at a wavelength of 156.08 nm and an output of 30 mW, light having a wavelength of 763.04 nm and an output of 7 mW was observed as the output light 449. The output light 449 was observed while the temperature of the semiconductor laser module was continuously changed from 24 ° C. to 26 ° C., and the temperature of the optical waveguide 445 was continuously changed from 24 ° C. to 26 ° C. by the Peltier element 446. The wavelength continuously changed from 762.99 nm to 763.09 nm, and the light intensity of the output light 449 showed a very stable operation from 6.9 mW to 7.0 mW.

このとき、出力光449において、第二高調波に変換されずに透過してきた波長1526nmの光は観測限界以下であった。これは、1526nm付近の光が光ファイバ447の中では広いモードとして伝播し、少しでも光ファイバ447に曲げが加えられた部分があると、その部分で散乱されて光ファイバ447中で減衰するからである。なお、安全のために、レンズ448の後に波長1526nmを除去するフィルタを取り付けてもよい。また、実施例4−2では、コネクタ443によって偏波保持型ファイバを接続したが、融着によっても良いことは言うまでも無い。   At this time, in the output light 449, the light having a wavelength of 1526 nm that was transmitted without being converted into the second harmonic was below the observation limit. This is because light near 1526 nm propagates as a wide mode in the optical fiber 447, and if there is a portion where the optical fiber 447 is bent, the light is scattered and attenuated in the optical fiber 447. It is. For safety, a filter that removes the wavelength of 1526 nm may be attached after the lens 448. In Example 4-2, the polarization maintaining fiber is connected by the connector 443, but it goes without saying that it may be fused.

本実施例では、酸素吸収線のひとつである763.04nmに注目して半導体レーザを選んで構成したが、759nmから768nmにかけて存在する他の吸収線、例えば760.4nmを発生するように、その2倍の波長である1520.8nmを選んでも良い。   In this example, a semiconductor laser was selected and focused on one of the oxygen absorption lines, 763.04 nm, but other absorption lines existing from 759 nm to 768 nm, for example, 760.4 nm, You may choose 1520.8nm which is a double wavelength.

本実施形態では、二次非線形光学効果を有する光導波路に周期分極反転構造を有するものを用いたが、他の位相整合方法を用いても同様の効果が得られる。また、基板には、ニオブ酸リチウムまたはこれに亜鉛をドープしたものを用いたが、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの混晶、またはこれに元素を微量に添加したものを用いたり、他の二次非線形光学材料を用いても同様の効果が得られる。さらに、導波路作製方法として第5の実施形態にかかる方法または熱処理プロトン交換法を用いたが、Ti拡散などの金属拡散導波路、リッジ導波路、埋め込み導波路などを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。   In the present embodiment, an optical waveguide having a second-order nonlinear optical effect having a periodically poled structure is used, but the same effect can be obtained by using another phase matching method. Also, the substrate used was lithium niobate or zinc doped with this, but a mixed crystal of lithium niobate and lithium tantalate, or a material with a small amount of elements added thereto, or other two Similar effects can be obtained by using a second-order nonlinear optical material. Further, the method according to the fifth embodiment or the heat treatment proton exchange method is used as a waveguide manufacturing method, but the same effect can be obtained by using a metal diffusion waveguide such as Ti diffusion, a ridge waveguide, or a buried waveguide. It goes without saying that it is obtained.

二次非線形光学効果を有する光導波路の両端付近において、それぞれの端面に接続される光ファイバに光が結合しやすいように、または空間放射するときの光の形状を最適にするように導波路構造を変化させても良いことは言うまでも無い。また、半導体レーザモジュールにアイソレータを内蔵したが、二次非線形光学効果を有する光導波路の端面に無反射コートを付すこと、二次非線形光学効果を有する光導波路を斜めに切り出し光ファイバやレンズを配置すること、またはこれらを組み合わせて反射戻り光を防止してもよい。   A waveguide structure in the vicinity of both ends of an optical waveguide having a second-order nonlinear optical effect so that light can be easily coupled to an optical fiber connected to each end face, or to optimize the shape of light when spatially radiating Needless to say, it may be changed. In addition, an isolator is built in the semiconductor laser module, but the end face of the optical waveguide having the second-order nonlinear optical effect is attached to the end face, and the optical waveguide having the second-order nonlinear optical effect is cut out obliquely and an optical fiber and a lens are arranged. Or a combination of these may prevent reflected return light.

(第5の実施形態)
次に、非線形光学結晶に導波路を形成する方法について説明する。本実施形態においては、ウエハ直接接合基板を用いたリッジ型導波路を用いる。ウエハ直接接合法は、動作波長に合わせた分極反転構造を有したLiNbO基板と、表面処理済みの基板とを接着剤を介さずに、室温で直接的に接合し、アニール処理を行う。導波路は、接合基板の分極反転構造を研削または薄膜化し、ダイシングソーを用いてリッジ型導波路を形成する。
(Fifth embodiment)
Next, a method for forming a waveguide in the nonlinear optical crystal will be described. In the present embodiment, a ridge type waveguide using a wafer direct bonding substrate is used. In the wafer direct bonding method, an LiNbO 3 substrate having a polarization inversion structure matched to an operating wavelength and a surface-treated substrate are directly bonded at room temperature without using an adhesive, and an annealing process is performed. For the waveguide, the domain-inverted structure of the bonded substrate is ground or thinned, and a ridge-type waveguide is formed using a dicing saw.

LiNbO基板の有する課題として光損傷耐性の向上がある。光損傷は、導波路中に入射された光によって結晶中に存在する欠陥からキャリアが励起され、その後結晶中にトラップされることにより誘起される屈折率変化(フォトリフラクティブ効果)の結果、動作波長がずれてしまう現象である。LiNbO基板により導波路の動作波長帯域は、1nmと狭いため、光損傷が存在すると出力光のパワーが大幅に減少したり、全く出力されない結果となる。ノンドープLiNbO基板に、プロトン交換法を用いて作成した導波路素子では、十分な光損傷耐性を実現するために、導波路素子の動作温度を100℃以上にする必要があるが、この加熱によるプロトン再拡散のため長期安定性を保てないという問題があった。ノンドープLiNbO基板の代わりに、MgまたはZnをドープしたLiNbO基板に、プロトン交換法を用いて作成した導波路素子では、光損傷耐性に一定の改善が見られるが、導波路素子を50℃以上に加熱する必要がある。 As a problem of the LiNbO 3 substrate, there is an improvement in light damage resistance. Optical damage is the result of a change in refractive index (photorefractive effect) that is induced by the excitation of carriers from defects present in the crystal by light incident on the waveguide and subsequent trapping in the crystal. Is a phenomenon that shifts. Since the operating wavelength band of the waveguide is as narrow as 1 nm due to the LiNbO 3 substrate, the power of the output light is greatly reduced or not output at all if there is optical damage. In order to realize sufficient optical damage resistance in a waveguide element produced on a non-doped LiNbO 3 substrate using a proton exchange method, the operating temperature of the waveguide element needs to be 100 ° C. or higher. There was a problem that long-term stability could not be maintained due to proton re-diffusion. In the waveguide element prepared by using the proton exchange method on the LiNbO 3 substrate doped with Mg or Zn instead of the non-doped LiNbO 3 substrate, a certain improvement in optical damage resistance can be seen. It is necessary to heat more.

一方、直接接合基板を用いたリッジ型導波路では、LiNbO本来の結晶性を劣化させることのない作製方法であり、新たな欠陥生成を抑制することができるため、光損傷耐性を大幅に向上させることができる。 On the other hand, the ridge-type waveguide using a directly bonded substrate is a manufacturing method that does not degrade the original crystallinity of LiNbO 3 and can suppress the generation of new defects, thus greatly improving optical damage resistance. Can be made.

ここで、波長変換効率は、和周波光または差周波光のパワーPaは、
P=ηL/100
となり、第二高調波のパワーPbは、
Pb=ηL /100
となる。ηは、単位長さ当たりの効率(%/W/cm)であり、Lは素子長であり、Pは、励起レーザの出力光パワーである。
Here, the wavelength conversion efficiency is the power Pa of the sum frequency light or difference frequency light.
P = ηL 2 P 1 P 2 /100
The second harmonic power Pb is
Pb = ηL 2 P 3 2/ 100
It becomes. η is the efficiency per unit length (% / W / cm 2 ), L is the element length, and P 1 P 2 P 3 is the output light power of the excitation laser.

本実施形態では、光通信用の波長帯以外で動作することができ、10〜100W程度の高出力半導体レーザと組み合わせることにより、10mW以上の安定した出力を得ることができる。このようにして、LiNbOが透明である450nm〜5μmの領域で、任意の波長のレーザ光を発生させることができる。 In this embodiment, it can operate outside the wavelength band for optical communication, and a stable output of 10 mW or more can be obtained by combining with a high-power semiconductor laser of about 10 to 100 W. In this way, laser light having an arbitrary wavelength can be generated in the region of 450 nm to 5 μm where LiNbO 3 is transparent.

(実施例5−1)
図27に、単一モードのリッジ導波路の作製方法を示す。第1の基板501は、予め周期的な分極反転構造が作製されているZカットZn添加LiNbO基板であり、第2の基板502は、ZカットMg添加LiNbO基板である。基板501,502は、いずれも両面が光学研磨されている3インチウエハであり、基板の厚さは300μmである。第1の基板501と第2の基板502の表面を、通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、基板501,502を清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板501,502を電気炉に入れ、400℃で3時間熱処理することにより拡散接合を行う(第1の工程)。接着された基板501,502はボイドフリーであり、室温に戻したときにクラックなどは発生しなかった。
(Example 5-1)
FIG. 27 shows a method for manufacturing a single-mode ridge waveguide. The first substrate 501 is a Z-cut Zn-added LiNbO 3 substrate in which a periodic domain-inverted structure is prepared in advance, and the second substrate 502 is a Z-cut Mg-added LiNbO 3 substrate. Each of the substrates 501 and 502 is a 3-inch wafer whose both surfaces are optically polished, and the thickness of the substrate is 300 μm. After the surfaces of the first substrate 501 and the second substrate 502 are made hydrophilic by normal acid cleaning or alkali cleaning, the substrates 501 and 502 are superposed in a clean atmosphere. The superposed substrates 501 and 502 are put into an electric furnace and subjected to diffusion bonding by heat treatment at 400 ° C. for 3 hours (first step). The bonded substrates 501 and 502 were void-free, and no cracks or the like occurred when returned to room temperature.

次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板501,502の第1の基板501の厚さが5〜10μmになるまで研磨加工を施す。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得る(第2の工程)。基板の平行度を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、3インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、導波路の作成に好適な薄膜基板を作製することができる。なお、第1の基板501としてXカットZn添加LiNbO基板を用い、第2の基板502としてXカットMg添加LiNbO基板を用いてもよい。 Next, using a polishing apparatus in which the flatness of the polishing surface plate is controlled, polishing is performed until the thickness of the first substrate 501 of the bonded substrates 501 and 502 becomes 5 to 10 μm. After the polishing process, a mirror-polished polishing surface is obtained by performing a polishing process (second step). When the parallelism of the substrate was measured using an optical parallelism measuring instrument, submicron parallelism was obtained almost entirely except for the periphery of a 3-inch wafer, and a thin film substrate suitable for making a waveguide was produced. can do. Note that an X-cut Zn-added LiNbO 3 substrate may be used as the first substrate 501, and an X-cut Mg-added LiNbO 3 substrate may be used as the second substrate 502.

作製した薄膜基板表面に、通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製した後、ドライエッチング装置に基板をセットし、CFガスをエッチングガスとして基板表面をエッチングすることにより幅6〜20μmのコアを形成し、リッジ型導波路を作製した(第3の工程)。ウエハからリッジ型導波路を切り出し、導波路端面を光学研磨することにより、長さ10〜60mmの非線形光学結晶の導波路素子を得ることができる。 A waveguide pattern is produced on the produced thin film substrate surface by a normal photolithography process, and then the substrate is set in a dry etching apparatus, and the substrate surface is etched using CF 4 gas as an etching gas to have a width of 6 to 20 μm. A core was formed to produce a ridge-type waveguide (third step). A waveguide element of a nonlinear optical crystal having a length of 10 to 60 mm can be obtained by cutting out a ridge-type waveguide from a wafer and optically polishing the end face of the waveguide.

(実施例5−2)
第1の基板501は、予め周期的な分極反転構造が作製されているZカットZn添加LiNbO基板であり、第2の基板502は、ZカットLiTaO基板である。基板501,502は、いずれも両面が光学研磨されている3インチウエハであり、基板の厚さは300μmである。第1の基板501と第2の基板502の表面を、通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、基板501,502を清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた基板501,502を電気炉に入れ、400℃で3時間熱処理することにより拡散接合を行う(第1の工程)。接着された基板501,502はボイドフリーであり、室温に戻したときにクラックなどは発生しなかった。
(Example 5-2)
The first substrate 501 is a Z-cut Zn-added LiNbO 3 substrate in which a periodic domain-inverted structure is prepared in advance, and the second substrate 502 is a Z-cut LiTaO 3 substrate. Each of the substrates 501 and 502 is a 3-inch wafer whose both surfaces are optically polished, and the thickness of the substrate is 300 μm. After the surfaces of the first substrate 501 and the second substrate 502 are made hydrophilic by normal acid cleaning or alkali cleaning, the substrates 501 and 502 are superposed in a clean atmosphere. The superposed substrates 501 and 502 are put into an electric furnace and subjected to diffusion bonding by heat treatment at 400 ° C. for 3 hours (first step). The bonded substrates 501 and 502 were void-free, and no cracks or the like occurred when returned to room temperature.

次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板501,502の第1の基板501の厚さが6〜10μmになるまで研磨加工を施す。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得る(第2の工程)。基板の平行度を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、3インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、導波路の作成に好適な薄膜基板を作製することができる。なお、第1の基板501としてXカットZn添加LiNbO基板を用い、第2の基板502としてXカットLiTaO基板を用いてもよい。 Next, using a polishing apparatus in which the flatness of the polishing surface plate is controlled, polishing is performed until the thickness of the first substrate 501 of the bonded substrates 501 and 502 becomes 6 to 10 μm. After the polishing process, a mirror-polished polishing surface is obtained by performing a polishing process (second step). When the parallelism of the substrate was measured using an optical parallelism measuring instrument, submicron parallelism was obtained almost entirely except for the periphery of a 3-inch wafer, and a thin film substrate suitable for making a waveguide was produced. can do. Note that an X-cut Zn-added LiNbO 3 substrate may be used as the first substrate 501, and an X-cut LiTaO 3 substrate may be used as the second substrate 502.

作製した薄膜基板表面に、通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製した後、ドライエッチング装置に基板をセットし、CFガスをエッチングガスとして基板表面をエッチングすることにより幅6〜20μmのコアを形成し、リッジ型導波路を作製した(第3の工程)。ウエハからリッジ型導波路を切り出し、導波路端面を光学研磨することにより、長さ10〜60mmの非線形光学結晶の導波路素子を得ることができる。 A waveguide pattern is produced on the produced thin film substrate surface by a normal photolithography process, and then the substrate is set in a dry etching apparatus, and the substrate surface is etched using CF 4 gas as an etching gas to have a width of 6 to 20 μm. A core was formed to produce a ridge-type waveguide (third step). A waveguide element of a nonlinear optical crystal having a length of 10 to 60 mm can be obtained by cutting out a ridge-type waveguide from a wafer and optically polishing the end face of the waveguide.

(実施例5−3)
第1の基板501は、予め周期的な分極反転構造が作製されているLiNbO基板であり、第2の基板502は、水晶基板である。水晶のZ軸に垂直な面内方向の熱膨張係数は、13.6×10−6/Kであり、LiNbOの熱膨張係数に近く、LiNbOの屈折率が2.1であるのに対して、水晶の屈折率は1.53と小さいために、導波路の作製に好適である。実施例5−1と同様の製造方法により、非線形光学結晶の導波路素子を得ることができる。
(Example 5-3)
The first substrate 501 is a LiNbO 3 substrate on which a periodic domain-inverted structure is prepared in advance, and the second substrate 502 is a quartz substrate. Thermal expansion coefficient of the plane perpendicular to the Z axis of the crystal is 13.6 × 10 -6 / K, close to the thermal expansion coefficient of the LiNbO 3, although the refractive index of the LiNbO 3 is 2.1 On the other hand, since the refractive index of quartz is as small as 1.53, it is suitable for manufacturing a waveguide. A waveguide element of a nonlinear optical crystal can be obtained by the same manufacturing method as in Example 5-1.

なお、第1の基板501としてZn添加LiNbO基板のほか、Mg添加LiNbO基板、Sc添加LiNbO基板、In添加LiNbO基板、LiTaO基板、LiNbTa1−x基板、KNbO基板、KTiNbO基板などを用いてもよい。 In addition to the Zn-doped LiNbO 3 substrate, the Mg-doped LiNbO 3 substrate, the Sc-doped LiNbO 3 substrate, the In-doped LiNbO 3 substrate, the LiTaO 3 substrate, the LiNb x Ta 1-x O 3 substrate, and the KNbO 3 as the first substrate 501 A substrate, a KTiNbO 3 substrate, or the like may be used.

(実施例5−4)
実施例5−1の第2の工程までに作製された基板を、ダイシングソーによる精密研削加工技術を用いて導波路を作製する。研磨された基板をダイシングソーにセットし、粒子径が4ミクロン以下のダイアモンドブレードを用いた精密加工により、幅6μmのコアを有するリッジ導波路を作製する(第3の工程)。ウエハからリッジ型導波路を切り出し、導波路端面を光学研磨することにより、長さ10〜60mmの非線形光学結晶の導波路素子を得ることができる。なお、実施例5−2および実施例5−3で作製した基板を用いることもできる。
(Example 5-4)
A waveguide is produced from the substrate produced up to the second step of Example 5-1 using a precision grinding technique using a dicing saw. The polished substrate is set on a dicing saw, and a ridge waveguide having a core having a width of 6 μm is produced by precision processing using a diamond blade having a particle diameter of 4 microns or less (third step). A waveguide element of a nonlinear optical crystal having a length of 10 to 60 mm can be obtained by cutting out a ridge-type waveguide from a wafer and optically polishing the end face of the waveguide. In addition, the board | substrate produced in Example 5-2 and Example 5-3 can also be used.

本実施形態によれば、ナトリウムD線における屈折率測定は、現状より2桁程度の精度向上が可能となる。したがって、食料品あるいは医薬品の品質管理の大きな改善が図れるばかりでなく、異物、毒物混入の監視精度の向上により安全性を大幅に改善することが可能となる。また、屈折率と密度との関係が既知の物質に関しては、屈折率の測定から密度を得ることも可能となり、この密度測定での精度向上も飛躍的に改善される。   According to the present embodiment, the refractive index measurement for the sodium D line can improve the accuracy by about two digits from the current level. Therefore, not only the quality control of foodstuffs or pharmaceuticals can be greatly improved, but also the safety can be greatly improved by improving the monitoring accuracy of contamination of foreign substances and poisons. In addition, with respect to a substance whose relationship between the refractive index and the density is known, it is possible to obtain the density from the measurement of the refractive index, and the accuracy improvement in the density measurement is also drastically improved.

また、本実施形態によれば、エネルギー効率が高く、小型化、低消費電力なレーザ光源を採用することにより、小型で経済的なレーザ顕微鏡、フローサイトメータなどを実現することができる。   Further, according to the present embodiment, by adopting a laser light source with high energy efficiency, downsizing, and low power consumption, a small and economical laser microscope, flow cytometer, and the like can be realized.

さらに、本実施形態にかかる中赤外光を発生するレーザ光源によれば、環境ガスを精度よく検出し、農作物に残留する農薬を検出する測定装置に適用することができる。   Furthermore, the laser light source that generates mid-infrared light according to the present embodiment can be applied to a measuring device that detects environmental gas with high accuracy and detects agricultural chemicals remaining on agricultural products.

さらにまた、酸素濃度計に用いる光源であって、酸素吸収線である波長759nmから768nmのレーザ光を出力するレーザ光源として利用することができる。   Furthermore, it is a light source used for an oximeter, and can be used as a laser light source that outputs laser light having a wavelength of 759 nm to 768 nm, which is an oxygen absorption line.

レーザの波長領域と出力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the wavelength range of a laser, and an output. ナトリウム原子のエネルギー準位を示す図である。It is a figure which shows the energy level of a sodium atom. 本発明の一実施形態にかかるレーザ光源のブロック図である。It is a block diagram of the laser light source concerning one Embodiment of this invention. ナトリウムD線の波長を和周波発生により得るための励起レーザ1と励起レーザ2の波長の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the wavelength of the excitation laser 1 and the excitation laser 2 for obtaining the wavelength of a sodium D line by sum frequency generation. 本発明の実施例1−1にかかるナトリウムD線波長のレーザ光源の構成図である。It is a block diagram of the laser light source of the sodium D line wavelength concerning Example 1-1 of this invention. 本発明の実施例1−2にかかるナトリウムD線波長のレーザ光源の構成図である。It is a block diagram of the laser light source of the sodium D line wavelength concerning Example 1-2 of this invention. 本発明の実施例1−4にかかるナトリウムD線波長のレーザ光源の構成図である。It is a block diagram of the laser light source of the sodium D line wavelength concerning Example 1-4 of this invention. 本発明の実施例1−5にかかるナトリウムD線波長のレーザ光源の構成図である。It is a block diagram of the laser light source of the sodium D line wavelength concerning Example 1-5 of this invention. 黄色領域の波長を和周波発生により得るための励起レーザ1と励起レーザ2の波長の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the wavelength of the excitation laser 1 and the excitation laser 2 for obtaining the wavelength of a yellow area | region by sum frequency generation. 本発明の実施例2−1にかかる黄色領域のレーザ光源の構成図である。It is a block diagram of the laser light source of the yellow area | region concerning Example 2-1 of this invention. 本発明の実施例2−2にかかる黄色領域のレーザ光源の構成図である。It is a block diagram of the laser light source of the yellow area | region concerning Example 2-2 of this invention. 本発明の実施例2−4にかかる黄色領域のレーザ光源の構成図である。It is a block diagram of the laser light source of the yellow area | region concerning Example 2-4 of this invention. 本発明の実施例2−5にかかる黄色領域のレーザ光源の構成図である。It is a block diagram of the laser light source of the yellow area | region concerning Example 2-5 of this invention. 周期Λと仮定し、波長λを助変数として求めた3dB領域を示す図である。It is a figure which shows the 3dB area | region calculated | required by making wavelength (lambda) 3 into an auxiliary variable supposing the period (lambda). 周期Λ=27μm、波長λ=1.064μmとした時の波長λに対する規格化変換効率η/ηを示す図である。It is a figure which shows normalized conversion efficiency (eta) / (eta) o with respect to wavelength (lambda) 2 when period (LAMBDA) = 27 micrometer and wavelength (lambda) 1 = 1.064micrometer. 本発明の一実施形態にかかる中赤外光を発生するレーザ光源を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the laser light source which generate | occur | produces the mid-infrared light concerning one Embodiment of this invention. 実施例3−1における3dB領域を示す図である。It is a figure which shows 3 dB area | region in Example 3-1. 実施例3−1において出力された中赤外光の偏波依存性を示す図である。It is a figure which shows the polarization dependence of the mid-infrared light output in Example 3-1. 本発明の一実施形態にかかる光吸収分析装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the light absorption analyzer concerning one Embodiment of this invention. 実施例3−7にかかる2波長差分吸収ライダーの測定系を示す図である。It is a figure which shows the measurement system of the 2 wavelength difference absorption lidar concerning Example 3-7. 実施例3−8にかかる残留農薬測定器の測定系を示す図である。It is a figure which shows the measurement system of the residual pesticide measuring device concerning Example 3-8. 本発明の一実施形態にかかる酸素吸収線の波長を発生するレーザ光源を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the laser light source which generate | occur | produces the wavelength of the oxygen absorption line concerning one Embodiment of this invention. 出力にレンズとフィルタを備えたレーザ光源を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the laser light source provided with the lens and the filter in the output. 出力に光ファイバを備えたレーザ光源を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the laser light source provided with the optical fiber in the output. 実施例4−1にかかるレーザ光源を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the laser light source concerning Example 4-1. 実施例4−2にかかるレーザ光源を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the laser light source concerning Example 4-2. 単一モードのリッジ型導波路の作製方法を示す図である。It is a figure which shows the preparation methods of a single mode ridge type | mold waveguide.

符号の説明Explanation of symbols

401,411,421,431,441 半導体レーザモジュール
402,412,422,432,442,444 偏波保存型光ファイバ
403,413,423,433,445 二次非線形光学効果を有する光導波路
414,435,448 レンズ
415,436 フィルタ
416,437,449 光出力
424,447 光ファイバ
434,446 温度制御素子
443 光コネクタ
401, 411, 421, 431, 441 Semiconductor laser modules 402, 412, 422, 432, 442, 444 Polarization-maintaining optical fibers 403, 413, 423, 433, 445 Optical waveguides 414, 435 having a second-order nonlinear optical effect , 448 Lens 415, 436 Filter 416, 437, 449 Optical output 424, 447 Optical fiber 434, 446 Temperature control element 443 Optical connector

Claims (4)

波長759nmから768nmに存在する酸素吸収線の中から選択された1つの吸収線の波長の2倍の波長を有するレーザ光を発振する分布帰還型半導体レーザと、
二次非線形光学効果を有する光導波路と、
前記分布帰還型半導体レーザの出力と前記光導波路の一端とを接続する偏波保持ファイバとを備え
前記光導波路の他端に、前記光導波路で発生した第二高調波の光に対してシングルモードで導波可能な構造を有する光ファイバを接続し、
前記光導波路は、二次の非線形光学材料の分極を周期的に反転した構造であって、前記吸収線の波長をλ 、前記吸収線の波長の2倍の波長を有するレーザ光の波長をλ とし、波長λ 、λ における前記非線形光学材料の屈折率を、それぞれn 、n とすると、
2πn /λ =2πn /λ +2πn /λ +2π/Λ
を満たす周期Λにより周期的に反転した構造であることを特徴とするレーザ光源。
A distributed feedback semiconductor laser that oscillates a laser beam having a wavelength twice that of one absorption line selected from oxygen absorption lines existing at a wavelength of 759 nm to 768 nm;
An optical waveguide having a second-order nonlinear optical effect;
A polarization maintaining fiber connecting the output of the distributed feedback semiconductor laser and one end of the optical waveguide ;
An optical fiber having a structure capable of guiding in a single mode with respect to the second harmonic light generated in the optical waveguide is connected to the other end of the optical waveguide,
The optical waveguide has a structure in which the polarization of a second-order nonlinear optical material is periodically inverted, and the wavelength of the absorption line is λ 1 , and the wavelength of a laser beam having a wavelength twice the wavelength of the absorption line is set. Assuming that λ 3 and the refractive indexes of the nonlinear optical materials at wavelengths λ 1 and λ 3 are n 1 and n 3 , respectively ,
2πn 3 / λ 3 = 2πn 1 / λ 1 + 2πn 1 / λ 1 + 2π / Λ
A laser light source characterized by having a structure periodically inverted by a period Λ satisfying
前記光導波路に接続された温度制御素子と、
該温度制御素子を制御して前記光導波路の温度を制御するための温度制御回路と
をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載のレーザ光源。
A temperature control element connected to the optical waveguide;
The laser light source according to claim 1, further comprising a temperature control circuit for controlling the temperature of the optical waveguide by controlling the temperature control element.
前記二次の非線形光学材料は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、またはニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムの混晶のいずれかであることを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ光源。 3. The laser light source according to claim 1, wherein the second-order nonlinear optical material is any one of lithium niobate, lithium tantalate, or a mixed crystal of lithium niobate and lithium tantalate. 前記二次の非線形光学材料は、亜鉛またはマグネシウムのいずれかが添加されていることを特徴とする請求項に記載のレーザ光源。 The laser light source according to claim 3 , wherein the secondary nonlinear optical material is added with either zinc or magnesium.
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