JP5210290B2

JP5210290B2 - レーザ光源およびそれを用いたガス検知装置

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Publication number: JP5210290B2
Application number: JP2009273605A
Authority: JP
Inventors: 浩森
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: JP2011118045A

Description

本発明は、レーザ光源およびそれを用いたガス検知装置に関し、特に、検知対象ガスの吸収線を利用してガス検知を行うためのレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置に関する。

近年、環境問題に関して、地球温暖化ガスの排出削減、大気汚染物質の監視等のため、大気中の特定のガスを検知するという技術が必要とされている。ガスの検知に当たっては、従来からガスクロマトグラフ等の化学式のガス検知装置が用いられてきた。しかしながら、このような化学的測定を行うガス検知装置では、簡易な測定、迅速な測定を行うことが困難であった。

ところで、メタン、酸素、二酸化炭素、アセチレン、アンモニア等のガスは、分子の回転や構成原子間の振動等に応じた特定波長の光を吸収することが知られている。一般的にガス分子は、赤外領域の電磁波を吸収する。例えばメタンは１．６μｍ、３．３μｍ、７μｍの波長の光を吸収し、酸素は７６０ｎｍの波長の光を吸収する。

そこで、この現象を利用した分光式のガス検知装置が開発された。このような分光式のガス検知装置は、測定対象の空間に特定波長のレーザ光を出射しその減衰状態を測定することにより、極めて簡便かつ迅速に検知対象ガスの有無、濃度を検知することができる。

一般的にガスの吸収線は極めて急峻であるため、高精度なガス検出を実現するためには、上述の分光式のガス検知装置に用いられるレーザ光源は単一縦モードのレーザ発振が可能であることが好ましい。

このような要求に応えるレーザ光源としては分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）半導体レーザが挙げられる。分布帰還型半導体レーザは、光導波路に光の導波方向に沿った周期構造を設け、周期構造のピッチの長さと光導波路の屈折率によって定まる特定波長の単一縦モードのレーザ発振を実現するものである。

ＤＦＢ半導体レーザを備えたガス検知装置は、例えば図８に示すように、半導体レーザモジュール１００と、受光器１０２と、ガス検知部１０３と、を備えている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されたガス検知装置においては、ＤＦＢ半導体レーザが組込まれた半導体レーザモジュール１００から出射されるレーザ光が、測定雰囲気中の被測定ガス１０１を透過して受光器１０２へ入射される。

ここで、被測定ガス１０１は、例えば、図９に示す中心波長λ₀の吸収特性Ａを有する。半導体レーザモジュール１００が備えるＤＦＢ半導体レーザは、図９に示すように、中心電流値Ｉ₀（バイアス電流値）を中心に、振幅Ｉ_w、変調周波数ｆ₁（例えば１０ｋＨｚ）で変調された駆動電流Ｉ_dが印加されることにより、中心波長λ₀を中心に振幅λ_w（例えば１０ｐｍ）、変調周波数ｆ₁で振動するレーザ光を被測定ガス１０１に出射するようになっている。

吸収特性Ａは中心波長λ₀に極小点を有するため、変調周波数ｆ₁で振動するレーザ光は、被測定ガス１０１を透過することにより、変調周波数ｆ₁の２倍の周波数ｆ₂（＝２０ｋＨｚ）の振動成分を含むこととなる。

受光器１０２の受光素子１０２ａは、被測定ガス１０１を透過した上述のレーザ光を受光して受光電流に変換するようになっている。ガス検知部１０３は、受光器１０２で得られた受光電流を電流電圧変換器１０４にて電圧信号に変換するようになっている。

さらに、ガス検知部１０３は、その電圧信号に含まれる変調周波数ｆ₁＝１０ｋＨｚの信号成分である基本波電圧信号ｈ₁、および、変調周波数ｆ₁＝１０ｋＨｚの２倍の周波数ｆ₂（＝２０ｋＨｚ）の信号成分である２倍波電圧信号ｈ₂を基本波信号検出器１０５および２倍波信号検出器１０６によりそれぞれ検出するようになっている。そして、基本波２倍波割算部１０７は、この２倍波電圧信号ｈ₂の振幅Ｈ₂と基本波電圧信号ｈ₁の振幅Ｈ₁との比（Ｈ₂／Ｈ₁）をガス濃度に対応する検出値Ｄ（＝Ｈ₂／Ｈ₁）として出力するようになっている。

特開平１１−３２６１９９号公報

特許文献１に開示された従来のガス検知装置において、例えば酸素の吸収線（７６０ｎｍ）を検出するためには、ＧａＡｓ基板とそれにエピタキシャル成長可能な材料からなる発振波長が７６０ｎｍのＤＦＢ半導体レーザを用いることが考えられる。

しかしながら、このようなＧａＡｓ系のＤＦＢ半導体レーザは、ＩｎＰ基板とそれにエピタキシャル成長可能な材料からなる発振波長が１．２μｍ以上のＩｎＰ系のＤＦＢ半導体レーザと比較して、結晶欠陥の発生による半導体結晶の光学的特性の急激な劣化が起こりやすい。それゆえに、ＧａＡｓ系のＤＦＢ半導体レーザをガス検知装置の光源として用いた場合には、信頼性の面で不安があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知するためのレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ光源は、所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を出射する半導体発光素子と、前記波長変調されたレーザ光の波長を非線形光学効果により短い波長に変換する波長変換素子と、を備え、前記波長変調されたレーザ光の波長が、前記波長変換素子の変換効率が最大となる波長よりも長波側あるいは短波側のみに含まれる構成を有している。

この構成により、波長変換素子により短い波長に変換されたレーザ光における変調周波数の２倍の周波数成分の発生を抑制することができるため、ＩｎＰ系の半導体発光素子を用いて、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを検知可能なガス検知装置用のレーザ光源を実現できる。

また、本発明のレーザ光源は、前記波長変換素子が、前記波長変調されたレーザ光を第２高調波に変換するＳＨＧ素子である構成を有していてもよい。

また、本発明のレーザ光源は、前記半導体発光素子が単一縦モードで発振する構成を有している。
この構成により、検知対象ガスを高い精度で検知するためのガス検知装置用のレーザ光源を実現できる。

本発明のガス検知装置は、検知対象ガスが有する複数の吸収線のうちの１つの吸収線の波長を中心に所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を測定雰囲気に出射する光源部と、前記測定雰囲気中を透過した前記波長変調されたレーザ光を測定光として受光し、該測定光に応じた受光信号を出力する受光部と、前記受光信号から検出される前記波長変調の変調周波数の基本波信号および２倍波信号の比に基づいて前記測定雰囲気中に含まれる前記検知対象ガスのガス濃度を算出するガス検知部と、を備えたガス検知装置において、前記光源部が、上記のレーザ光源からなる構成を有している。

この構成により、上記のレーザ光源を備えるため、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知することができる。

本発明は、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知するためのレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置を提供するものである。

本発明の第１の実施形態のレーザ光源の構成を示すブロック図本発明の第１の実施形態のレーザ光源に使用される半導体発光素子の光の導波方向に沿った断面図本発明の第１の実施形態のレーザ光源に使用される波長変換素子の斜視図本発明の第１の実施形態のレーザ光源の構成を示す側面図本発明の第１の実施形態のレーザ光源の他の構成を示す側面図波長変換素子の変換効率の波長依存性を示すグラフ、および、波長変換素子の透過光の波形を示す波形図本発明に係るガス検知装置の構成を示すブロック図従来のガス検知装置の構成を示すブロック図被測定ガスの吸収特性と変調信号との関係を示すグラフ

以下、本発明に係るレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置の実施形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
本発明に係るレーザ光源の第１の実施形態を図１〜図６を用いて説明する。図１は本実施形態のレーザ光源１の構成を示すブロック図である。

即ち、図１に示すように、レーザ光源１は、所定の波長幅（変調周波数）で波長変調されたレーザ光を出射する半導体発光素子１１と、該波長変調されたレーザ光を生成するための駆動電流Ｉ_dを半導体発光素子１１に印加する発光素子駆動部１３と、該波長変調されたレーザ光の波長を非線形光学効果により短い波長に変換する波長変換素子１２と、を備える。ここで、駆動電流Ｉ_dは、中心電流値Ｉ₀を中心に、振幅Ｉ_w、変調周波数ｆ₁（例えば１０ｋＨｚ）で変調された電流である。

図２は、半導体発光素子１１を光の導波方向に沿って切断した断面図である。図２に示すように、半導体発光素子１１は、単一縦モードでレーザ発振するＤＦＢ半導体レーザであり、例えば、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板１１１の上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１１２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなるＳＣＨ層（光閉じ込め層）１１３、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸層（ＭＱＷ）を含む活性層１１４、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１１５、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１６、ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素）からなるコンタクト層１１７が順次積層されて構成される。

さらに、ＳＣＨ層１１５とｐ型ＩｎＰクラッド層１１６との間には回折格子１１８が形成され、コンタクト層１１７上には上部電極１１９、ｎ型半導体基板１１１の下面には下部電極１２０が蒸着形成されている。

半導体発光素子１１は、劈開によって形成され、光共振器を構成する後方端面１１ａおよび出射端面１１ｂを備えている。活性層１１４は、後方端面１１ａから出射端面１１ｂにかけて設けられており、発光素子駆動部１３によって駆動電流Ｉ_dが上部電極１１９と下部電極１２０との間に供給されることによってレーザ光を生成し、生成したレーザ光を出射端面１１ｂから出射する構成を有している。なお、出射端面１１ｂには低反射膜が、後方端面１１ａには高反射膜がそれぞれ形成されていてもよい。

半導体発光素子１１から出射されるレーザ光の波長λは、上述の駆動電流Ｉ_dに応じて変動する。これにより、光源部１は、中心波長λ₀を中心に振幅λ_w（例えば１０ｐｍ）、変調周波数ｆ₁で振動するレーザ光を出力するようになっている。ここで、中心波長λ₀は、中心電流値Ｉ₀が半導体発光素子１１に印加された場合の発振波長である。

次に、本実施形態のガス検知装置に使用される波長変換素子１２に関して、図面を用いて説明する。波長変換素子１２は、分極反転構造が形成されたＬｉＮｂＯ₃（リチウムナイオベート）、ＬｉＴａＯ₃（リチウムタンタレート）、などの複屈折率を有する非線形光学結晶からなるＳＨＧ（Second harmonic generation）素子であり、入射されたレーザ光を第２高調波に変換するようになっている。

図３は、波長変換素子１２の概略構成を示す斜視図である。即ち、波長変換素子１２は、例えば、ＬｉＮｂＯ₃にＭｇＯがドープされた非線形光学結晶からなる基板１２１と、基板１２１のＺ軸と平行な自発分極の向きを反転させた複数の分極反転部１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、・・・が周期的に形成されてなる周期分極反転構造１２２と、周期分極反転構造１２２に沿って延びる光導波路１２３と、が形成されてなるものである。

ここで、レーザ光源１における上述の半導体発光素子１１および波長変換素子１２の具体的な配置例を図４に示す。レーザ光源１は、図４に示すように、半導体発光素子１１、波長変換素子１２と、発光素子駆動部１３と、コリメートレンズ１４、１５と、集光レンズ１６と、を含んで構成され、半導体発光素子１１の活性層１１４からの出射光が、波長変換素子１２の光導波路１２３に入射されるようになっている。

あるいは、他の配置例として図５に示すように、光源部１が、上記のコリメートレンズ１４および集光レンズ１６を備えずに、半導体発光素子１１の出射端面１１ｂと波長変換素子１２の入射端面１２ａとが接合されることにより、半導体発光素子１１の活性層１１４と波長変換素子１２の光導波路１２３とが直接光結合される構成であってもよい。

図６は、波長変換素子１２の変換効率の波長依存性を示すグラフ、および、波長変換素子１２の透過光の波形を示す波形図である。図６の上段のグラフ中の（１）〜（５）は半導体発光素子１１から出射されるレーザ光の中心波長λ₀を示しており、下段の波形図は上記（１）〜（５）に対応する波形を示している。

図６の（１）、（５）のように、半導体発光素子１１から出射されるレーザ光の中心波長λ₀が位相整合波長λ_pと異なり、かつ、振幅λ_wが｜λ_p−λ₀｜×２よりも小さい場合には、該レーザ光は透過前と同相または逆相で波長変換素子１２を透過する。

図６の（３）のように、半導体発光素子１１から出射されるレーザ光の中心波長λ₀が位相整合波長λ_pと一致する場合には、該レーザ光は周波数ｆ₂の振動成分を含む光となって波長変換素子１２を透過する。

図６の（２）、（４）のように、半導体発光素子１１から出射されるレーザ光の中心波長λ₀が位相整合波長λ_pと異なり、かつ、振幅λ_wが｜λ_p−λ₀｜×２よりも大きい場合には、該レーザ光は、透過前と同相または逆相で波長変換素子１２を透過するが、周波数ｆ₂の振動成分を含むこととなる。

ところで、本実施形態のレーザ光源１をガス検知装置の光源として用いる場合には、波長変換素子１２を透過後のレーザ光が、変調周波数ｆ₁の２倍の周波数ｆ₂の振動成分を含むと、検知対象ガスに由来する２倍の周波数ｆ₂の振動成分を含む光の検出のＳ／Ｎ比を劣化させてしまうため好ましくない。

従って、図６の（１）、（５）のように、半導体発光素子１１から出射され波長変調されたレーザ光の波長が、波長変換素子１２の変換効率が最大となる位相整合波長λ_pよりも長波側あるいは短波側のみに含まれることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態のレーザ光源は、半導体発光素子から出射され波長変調されたレーザ光の波長が、波長変換素子の変換効率が最大となる波長よりも長波側あるいは短波側のみに含まれることにより、変調周波数の２倍の周波数成分の発生を抑制することができる。これにより、本実施形態のレーザ光源は、ガス検知装置用の光源として適用可能である。

特に、本実施形態のレーザ光源は、ＩｎＰ系の半導体発光素子と、該半導体発光素子から出射されたレーザ光の波長を短い波長に変換する波長変換素子と、を備えることにより、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知できるガス検知装置用のレーザ光源として適用可能である。

（第２の実施形態）
第１の実施形態のレーザ光源を備えたガス検知装置の実施形態について図７を用いて説明する。図７は本実施形態のガス検知装置の構成を示すブロック図である。

即ち、図７に示すように、本実施形態のガス検知装置は、検知対象ガスが有する複数の吸収線のうちの１つの吸収線の波長を中心に所定の波長幅（変調周波数ｆ₁）で波長変調されたレーザ光を測定雰囲気２に出射する光源部としてのレーザ光源１と、測定雰囲気２中を透過した該波長変調されたレーザ光を測定光として受光し、該測定光に応じた受光信号を出力する受光部３と、を備える。

また、本実施形態のガス検知装置は、受光部３から出力された受光信号から検出される変調周波数ｆ₁の基本波信号および２倍波信号の比に基づいて測定雰囲気２中に含まれる検知対象ガスのガス濃度を算出するガス検知部４と、を備える。

受光部３は、例えばフォトダイオード等の受光素子からなり、不図示のレンズ（光学系）で集光した光を受光し、この受光した光の受光量に応じた受光信号を出力するようになっている。

ガス検知部４は、受光部３から出力された電流信号である受光信号を電圧信号に変換する電流電圧変換器４１と、電流電圧変換器４１によって変換された電圧信号に含まれる変調周波数ｆ₁の信号成分である基本波電圧信号ｈ₁を検出する基本波信号検出器４２と、該電圧信号に含まれる変調周波数ｆ₁の２倍の周波数ｆ₂の信号成分である２倍波電圧信号ｈ₂を検出する２倍波信号検出器４３と、２倍波信号検出器４３によって検出された２倍波電圧信号ｈ₂の振幅Ｈ₂を基本波信号検出器４２によって検出された基本波電圧信号ｈ₁の振幅Ｈ₁で割り算して得られる値を測定雰囲気２に含まれる検知対象ガスのガス濃度に対応する検出値Ｄ（＝Ｈ₂／Ｈ₁）として出力する基本波２倍波割算部４４と、を備える。

なお、このような信号操作（割り算）を行うのは、受光部３によって受光された光が測定雰囲気２の透過以外の理由によってもある程度のレベル変動を生じるため、そのレベル変動を除去して正確なガス濃度検出を行うためである。

電流電圧変換器４１は、受光部３から出力された受光信号を電圧信号に変換して増幅する機能を有するプリアンプを備えている。なお、電流電圧変換器４１が備えるプリアンプにおいては、基本波電圧信号ｈ₁および２倍波電圧信号ｈ₂が基本波信号検出器４２および２倍波信号検出器４３において同等の検出可能なレベルになるように、それぞれの信号に対する増幅度が適切な値に設定されていることが好ましい。

次に、以上のように構成された本実施形態のガス検知装置の動作について説明する。
まず、発光素子駆動部１３によって半導体発光素子１１の上部電極１１９と下部電極１２０との間に、中心電流値Ｉ₀、振幅Ｉ_w、変調周波数ｆ₁の駆動電流Ｉ_dが印加されることにより、活性層１１４内部が発光状態となる（図４参照）。

活性層１１４で生成された光は、活性層１１４に沿って伝搬し、後方端面１１ａと出射端面１１ｂで構成された共振器において、駆動電流Ｉ_dに応じた波長λで発振する。ここで、波長λの中心波長λ₀は、中心電流値Ｉ₀が半導体発光素子１１に印加された場合の発振波長である。

これにより、中心波長λ₀を中心に振幅λ_w（例えば１０ｐｍ）、変調周波数ｆ₁で振動するレーザ光が半導体発光素子１１から波長変換素子１２へ出射される。波長変換素子１２では、入射されたレーザ光の中心波長λ₀および振幅λ_wがともに半波長化される。半波長化されたレーザ光は測定雰囲気２へ出射される。

波長変換素子１２から測定雰囲気２へ出射されたレーザ光は、測定雰囲気２を透過して受光部３に受光されて電流信号である受光信号に変換される。受光信号は、ガス検知部４に入力される。

受光信号は、電流電圧変換器４１に入力されて電圧信号に変換される。電圧信号はガス検知部４の基本波信号検出器４２および２倍波信号検出器４３に入力され、基本波電圧信号ｈ₁および２倍波電圧信号ｈ₂が検出される。基本波２倍波割算部４４によって、２倍波電圧信号ｈ₂の振幅Ｈ₂を基本波電圧信号ｈ₁の振幅Ｈ₁で割り算して得られる値が、測定雰囲気２に含まれる検知対象ガスのガス濃度に対応する検出値Ｄ（＝Ｈ₂／Ｈ₁）として出力される。

なお、例えば、検知対象ガスが酸素（吸収線の中心波長が７６０ｎｍ）である場合には、レーザ光の中心波長λ₀が１５２０ｎｍとなるように、半導体発光素子１１を構成する各層の組成比、ドープされる不純物の種類および量を調整することにより、酸素のガス濃度を検出することができる。

以上説明したように、本実施形態のガス検知装置は、第１の実施形態のレーザ光源を備えるため、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知することができる。

１レーザ光源（光源部）
２測定雰囲気
３受光部
４ガス検知部
１１半導体発光素子
１２波長変換素子

Claims

所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を出射する半導体発光素子（１１）と、
前記波長変調されたレーザ光の波長を非線形光学効果により短い波長に変換する波長変換素子（１２）と、を備え、
前記波長変調されたレーザ光の波長が、前記波長変換素子の変換効率が最大となる波長よりも長波側あるいは短波側のみに含まれることを特徴とするレーザ光源。
前記波長変換素子が、前記波長変調されたレーザ光を第２高調波に変換するＳＨＧ素子である請求項１に記載のレーザ光源。
前記半導体発光素子が単一縦モードで発振する請求項１または請求項２に記載のレーザ光源。
検知対象ガスが有する複数の吸収線のうちの１つの吸収線の波長を中心に所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を測定雰囲気（２）に出射する光源部（１）と、
前記測定雰囲気中を透過した前記波長変調されたレーザ光を測定光として受光し、該測定光に応じた受光信号を出力する受光部（３）と、
前記受光信号から検出される前記波長変調の変調周波数の基本波信号および２倍波信号の比に基づいて前記測定雰囲気中に含まれる前記検知対象ガスのガス濃度を算出するガス検知部（４）と、を備えたガス検知装置において、
前記光源部が、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ光源からなることを特徴とするガス検知装置。