JP5072701B2 - 分析計用波長安定化レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス等の分析対象物に照射された光の強度低下に基づいて当該分析対象物の濃度又は密度を測定する分析計に用いられるレーザ装置に関するものである。

半導体レーザなどに代表されるレーザ光源には、パッケージ内にレーザ光強度のモニタ用フォトダイオードが一体的に付帯されたものがある。このようなレーザ光源によれば、フォトダイオードからの出力信号をモニタしながら駆動電流を動的に制御することができるため、レーザ光強度を、周囲の環境変化や経年変化による特性変動等にかかわらず、長く安定に保つことができる。

一方、このようなレーザ光源から出力されるレーザ光を用いてガス計測を行う場合、レーザ光強度の安定性も重要であるが、それ以上に、レーザ光の中心発振波長をガスのピーク吸収波長に安定に合致させる必要がある。レーザ光の発振波長がずれると、レーザ光の波長帯域が非常に狭いことから、レーザ光の波長成分におけるガス吸収波長の光強度が急激に弱まり、分析精度を大きく低下させてしまうからである。

そこで従来は、特許文献１に記載されているように、レーザ光の一部を分析対象ガスと同種のガスが入ったセルに導き、そのセルを通過した光の強度を測定することでレーザの発振波長が正確に保たれているかどうかを確認できるようにした構成が記載されている。
特開２００１−２１４９３号公報

しかしながら、このような構成では装置が大掛かりになって、コスト的に不利になる。また、大掛かりになる分、各光学部材の位置決め精度が必要になるうえ、振動に弱くなったり、各光学部材を一定温度に保つことが難しくなったりして、測定精度の低下をも招きかねない。

本発明は係る問題点を解決すべくなされたものであって、その主たる目的は、分析計の光源に用いられるレーザ装置において、コンパクト化を促進して低コスト化を図るとともに、温度変化や振動に対する脆弱性を解消して測定精度や安定度の向上を図ることにある。

すなわち、本発明に係る分析計用レーザ装置は、分析対象物の吸収波長近傍（「近傍」は、吸収波長そのものも含む意味である）の光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力される光の伝搬路上に配置されてその一部を受光し、その波長成分の中から前記分析対象物の吸収波長と実質的に等しい波長の光を選択して導出する波長選択素子と、前記波長選択素子から導出された光の強度を検出する光検出手段と、前記レーザ光源の駆動電流値を、当該レーザ光源が前記吸収波長の光を出力するための規定電流値の近傍で増減させて、前記光検出手段による光強度検出値がピークとなる電流値を探索し、そのピーク電流値を当該レーザ光源の駆動電流値に設定する駆動電流制御手段と、前記レーザ光源、波長選択素子及び光検出手段を搭載した一定温度に調整可能な単一基板と、を具備していることを特徴とする。

このようなものであれば、分析において温度変化の影響を受け得るレーザ光源、波長選択素子及び光検出手段を、基板によって一定温度に維持できるため、これらの温度変化による特性変化（例えばレーザ光源であればレーザ光の強度や波長のふらつき、波長選択素子であれば選択波長のふらつき、光検出手段であれば出力電流値のふらつき等）を一挙に抑制でき、熱に対する脆弱性を大きく改善できる。

そして、波長選択素子による光の選択波長を、上述したように特性を安定させて確実に分析対象物の吸収波長（例えば、吸収波長帯域において最も吸収が大きいピーク波長）に合致させることができるので、従来のようにセルを用いることなく、単一の基板に各光学部材を搭載して、コンパクト化することが可能になる。

また、単一基板上に、全ての光学部材が配設されるため、一旦組み上げてしまえば、位置ずれ等が生じにくく、振動等にも強いものとなる。

さらに、前記レーザ光源の駆動電流値を所定の規定電流値の近傍で増減させて、前記光検出手段による光強度検出値がピークとなる電流値に設定する、すなわち、分析対象物の吸収波長にレーザ光の中心波長が合致するようにレーザ光源の駆動電流を動的に制御するので、レーザ光源の経年変化等に拘わらず、極めて高い精度でレーザ光の波長を分析対象物の吸収波長に合致させて安定に保つことが可能となる。

また、基板温度を変化させて波長選択素子の温度を変化させると、一般的に選択波長が変わるので、これを利用して半導体レーザの波長を校正することもできるようになる。

コンパクト化を促進するには、前記単一基板にペルチェモジュールを利用すればよく、さらに、レーザ光源として半導体レーザを用いれば、なおよい。

部品点数の削減を図るには、前記波長選択素子を、レーザ光源の主たる光射出口とは逆側から漏れ出る漏れ光を受光する位置に配設しておくことが好ましい。また、この構成によれば、出力安定化に漏れ光を利用できるため、外部への出力光の利用効率を最大限向上させることができる。

赤外分析等によく用いられる中赤外領域の光の場合、光ファイバによる伝播が難しく、光学部材間を直接伝播させなければならないため、従来は、温度や振動の影響を受けやすい構成になりがちである。逆に言えば、中赤外領域の光に本発明を適用することにより、本発明の効果、すなわち光ファイバを利用しなくとも、温度や振動等の外乱を排除して出力光の安定化を図れるという効果は、非常に顕著なものとなる。

波長選択素子からの戻り光による半導体レーザの不安定発振を防止するには、前記半導体レーザと波長選択素子との間の光路上に、波長選択素子から半導体レーザへの戻り光を遮断するアイソレータを設けておくことが望ましい。

前記半導体レーザには、量子カスケードレーザも含まれる。

上述した本発明によれば、分析において温度変化の影響を受け得るレーザ光源、波長選択素子及び光検出手段を、基板によって一定温度に維持できるため、温度に対する脆弱性を大きく改善できる。

また、従来のようにセルを用いることなく、単一の基板に各光学部材を搭載しているので、コンパクト化が可能となるうえ、位置ずれ等が生じにくく、振動等にも強いものとなる。

さらに、光検出手段による光強度検出値をモニタして、分析対象物のピーク吸収波長にレーザ光の中心波長が合致するようにレーザ光源の駆動電流を動的に制御するので、レーザ光源の経年変化等に拘わらず、極めて高い精度でレーザ光の波長を分析対象物の吸収波長に合致させて安定に保つことが可能となる。

次に、本発明の一実施形態を説明するが、本発明はこの実施形態のみに限定されるものではない。

＜構成＞
本実施形態に係る分析計用レーザ装置１００は、例えば、サンプルガス中における分析対象物の成分濃度を測定する赤外線ガス分析計に用いられるものであり、図１に模式的に示すような構成を有している。

この図１において、符号１は、ペルチェモジュールである。このペルチェモジュール１は、平板状の単一基板１１と、その基板１１の裏面に取り付けられたペルチェ素子１２とを具備するものであり、ここでは、そのペルチェ素子１２を動作させて前記基板１１の表面温度を一定に保つためのサーモスタット等のセンサ兼制御回路（図示しない）をさらに付帯させている。

符号２は、ガス分析用の赤外レーザ光を出力する半導体レーザである。この半導体レーザ２は、中赤外領域（約２．５μｍ〜２０μｍ）の分析用レーザ光を主射出口から出力するとともに、前記主射出口とは逆側の面から、分析用レーザ光と同じ波長で一定比率の強度を有する漏れ光を射出するものであり、前記基板１１上に搭載してある。この実施形態では、半導体レーザ２として、その仕様に規程された値の電流（以下、規定電流値とも言う）を与えたときに、分析対象物の吸収波長帯域近傍の中心波長を有するレーザ光を出力するものを用いている。

なお、レーザ光の中心波長が分析対象物の吸収波長帯域近傍である、とした理由は、一般的に半導体レーザは、供給される電流値や温度によって波長が若干変動する特性を有しているうえに器差等もあるため、本半導体レーザ２を前記規定電流値で駆動したとしても、出力されるレーザ光の中心波長が、分析上実質的に問題の無い程度に、分析対象物の吸収波長帯域におけるピーク波長と合致しているとは限らないからである。

符号３は、波長選択素子たる透過型ブラッググレーティング（以下、単にグレーティングとも言う）である。このグレーティング３は、その中心選択波長が分析対象物たるガスのピーク吸収波長と実質的に合致するものであり、前記基板１１上における漏れ光の伝播路上に搭載してある。また、このグレーティング３と半導体レーザ２との間における漏れ光伝播路上には、グレーティング３からの反射光がレーザ光源に戻ることを抑制する戻り光抑制手段たるアイソレータ４を設けている。このアイソレータ４は、前記反射光による半導体レーザ２の不安定発振を防止するためのものである。

符号５は、前記グレーティング３から導出された光の強度を検出する光検出手段である。この光検出手段５は、例えばフォトダイオードを用いたものであり、前記基板１１上に搭載してある。

符号６は、前記ペルチェモジュール１やこれに搭載された半導体レーザ２等とは別体で設けられて、これらと電気ケーブルで接続された制御装置である。この制御装置６は、図２に示すように、駆動電流制御手段としての機能を果たす制御用電気回路６１と、半導体レーザ２等に電流を供給するドライブ用電気回路６２とを具備している。

＜動作＞
次に、このような構成の分析計用レーザ装置１００の動作を説明する。

まず、基板１１の温度を調整する。この温度調整は、前述したようにサーモスタットの設定により行うが、前記制御装置６を利用して自動で行うようにしても構わない。具体的な温度であるが、ここでは、予め測定されているグレーティング３の温度−選択波長特性に基づいて、グレーティング３の選択波長が分析対象物のピーク吸収波長と安定的に合致するように、ペルチェモジュール１を駆動して基板１１の温度を調整する。

次に、制御装置６が、前記半導体レーザ２の駆動電流値を、前記規定電流値の近傍で上下動させて、光検出手段５による光強度検出値がピークとなる電流値を探索し、そのときの電流値を当該半導体レーザ２の駆動電流値として設定する。その理由は、光強度検出値は、グレーティング３を通過したレーザ光、すなわち分析対象物の吸収波長と等しい波長のレーザ光強度を示すものであり、その光強度検出値がピークを示しているときは、半導体レーザ２が分析対象物のピーク吸収波長と等しい中心波長のレーザ光を出力しているときであると言えるからである。

より具体的にその探索動作例を説明すると、制御装置６は、図３に示すように、一定バイアスのかかった一定周期の正弦波電流を半導体レーザ２に与える。この初期状態における正弦波電流の中心値（バイアス値）は、前述した規定電流値に合致させており、その上下動幅は、レーザ光の出力強度が大幅に変わることのない範囲（例えば、規定電流値の±２０％以内）に設定してある。

半導体レーザ２から出力されるレーザ光は、駆動電流の変化に追随して変動するから、上述した正弦波電流を与えられると、レーザ光の波長は、図３に示すように、前記正弦波電流と同期して振動する。

次に、制御装置６は、光検出手段５からの出力信号を受信し、その出力信号が示す光強度検出値がピークとなる間隔を測定する。そして、その間隔が一定となるように、前記正弦波電流の中心値を調整し、その中心値を当該半導体レーザ２の駆動電流値として設定する。

その理由は以下のとおりである。

仮に、前記正弦波電流の中心値において半導体レーザ２から出力されるレーザ光の中心波長と分析対象物のピーク吸収波長とが合致している場合、図４に示すように、前記中心値の電流で駆動されたとき（その近傍も含む）のみにおいて、レーザ光がグレーティング３を通過し、光検出手段５で受光される。したがって、観測される光強度検出値のピーク間隔は、前記正弦波電流の振動周期のちょうど半分の周期で、なおかつ一定間隔となる。

他方、仮に、前記正弦波電流の中心値において半導体レーザ２から出力されるレーザ光の中心波長と分析対象物の吸収波長とがずれている場合は、図５に示すように、そのずれた電流値で駆動された時点（その近傍も含む）で、レーザ光がグレーティング３を通過して光検出手段５で受光されるため、光強度検出値のピーク間隔は、入力正弦波周期に対して長い間隔と短い間隔が交互に現れることとなる。また、そのずれが大きい場合には、光強度検出値が全く現れないことも有り得る。

したがって、上述したように、光強度検出値の出現間隔が一定間隔となっているときの前記正弦波電流の中心値で半導体レーザ２を駆動すれば、すなわち、半導体レーザ２から出力されるレーザ光の中心波長と分析対象物のピーク吸収波長とを合致させる、言い換えれば、レーザ光の中心波長を分析対象物のピーク吸収波長にずれなくロックすることができるのである。

なお、上述した最適波長探索のための駆動電流値の振れ幅をあまりに大きくすると、駆動電流値の増源によるレーザ光強度そのものの変動幅が大きくなりすぎて、波長探索エラーの原因となるため、探索のための初期中心値を前記規定電流値とするとともに、正弦波の上下動幅（振れ幅）を上述のごとく設定している。

＜効果＞
このように構成した本実施形態に係る分析計用レーザ装置１００によれば、ガス分析において温度変化の影響を受け得る半導体レーザ２、グレーティング３及び光検出手段５を、基板１１によって一定温度に維持できるため、温度に対する脆弱性を大きく改善できる。

そして、グレーティング３による光の選択波長を、上述したように温度を安定させて確実に分析対象物の吸収波長に合致させることができるので、従来のようにセルを用いることなく、単一の基板１１に各部材を搭載してコンパクト化することが可能になる。

また、このように単一基板１１上に全ての光学部材が配設可能になったことから、一旦組み上げてしまえば、位置ずれ等が生じにくく、振動等にも強いものとなる。

さらに、前記光検出手段５による光強度検出値をモニタしておき、分析対象物の吸収波長帯域（例えば、前述のようにピーク吸収波長）に、レーザ光の中心波長がロックされるように、半導体レーザ２の駆動電流値を動的に制御するので、半導体レーザ２の経年変化等に拘わらず、極めて高い精度で、レーザ光の波長を分析対象物の吸収波長に合致させて長く安定に保つことが可能となる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、図６に示すように、グレーティング３に反射型のものを用い、グレーティング３から反射してきた漏れ光の一部をビームスプリッタ（ハーフミラ）７で波長選択素子５に導いても構わない。

また、波長の探索について、前記実施形態では、半導体レーザの駆動電流をバイアスをかけた正弦波電流にしていたが、ＤＣ電流で駆動するようにしても構わない。その場合、半導体レーザに供給する電流値を規定電流値の上下一定範囲内で増減させ、その間で光検出値にピーク（変曲点）が生じたときの電流値をもって半導体レーザの駆動電流値とすればよい。

さらに、レーザ光源として、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）やその他の種類のものを用いるようにしてもよいし、波長選択素子については、多層膜干渉フィルタ、フォトニック結晶、エタロン、ガスセルなどを利用したものでも構わない。

また、ペルチェモジュール以外の温度調整手段を利用してよいのはもちろんであるし、戻り光抑制手段として、アイソレータに代わり、ピンホールのように極めて小さいレーザ光通過孔を有した板状の光反射要素を、レーザ光路に傾斜させて設けるようにしても構わない。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々変更が可能である。

本発明の一実施形態におけるレーザ装置を示す模式的概略全体図。 同実施形態における制御装置の機能ブロック図。 同実施形態における波長制御原理を説明するための説明図。 同実施形態における波長制御原理を説明するための説明図。 同実施形態における波長制御原理を説明するための説明図。 本発明の他の実施形態におけるレーザ装置を示す模式的概略全体図。

符号の説明

１００・・・分析計用レーザ装置
１・・・ペルチェモジュール
２・・・レーザ光源（半導体レーザ）
３・・・波長選択素子（グレーティング）
５・・・光検出手段
６１・・・駆動電流制御手段（電流制御回路）
１１・・・基板

Claims (6)

1. 分析対象物の吸収波長近傍の光を出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力される光の一部を受光し、その波長成分の中から前記分析対象物の吸収波長と実質的に等しい波長の光を選択して導出する波長選択素子と、
   前記波長選択素子から導出された光の強度を検出する光検出手段と、
   前記レーザ光源の駆動電流を、当該レーザ光源が前記吸収波長の光を出力するための規定電流値の近傍で増減させ、前記光検出手段による光強度検出値がピークとなるときの電流値に設定する駆動電流制御手段と、
   前記レーザ光源、波長選択素子及び光検出手段を搭載した、一定温度に調整可能な単一基板と、
   前記波長選択素子が選択して導出する光の波長が分析対象物の吸収波長と合致するように前記単一基板の温度を調整する温度調整部と、
   前記温度調整部により前記単一基板の温度が調整された状態において、前記光検出手段による光強度検出値がピークとなるように当該レーザ光源を制御する制御装置とを具備していることを特徴とする分析計用レーザ装置。
2. 前記単一基板が、温度調整手段たるペルチェモジュールを利用したものである請求項１記載の分析計用レーザ装置。
3. 前記レーザ光源が半導体レーザである請求項１又は２記載の分析計用レーザ装置。
4. 前記波長選択素子が、レーザ光源の主たる光射出口とは逆側から漏れ出る漏れ光を受光する位置に配設されている請求項１乃至３いずれか記載の分析計用レーザ装置。
5. 前記半導体レーザが中赤外領域の光を射出するものである請求項１乃至４いずれか記載の分析計用レーザ装置。
6. 前記半導体レーザと波長選択素子との間の光路上に、波長選択素子から半導体レーザへの戻り光を抑制する戻り光抑制手段を設けている請求項１乃至５いずれか記載の分析計用レーザ装置。