JPWO2012160747A1

JPWO2012160747A1 - 光源装置、分析装置、及び光生成方法

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Publication number: JPWO2012160747A1
Application number: JP2013516176A
Authority: JP
Inventors: 大登　正敬; 正敬大登
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2032-04-06
Also published as: DE112012000164T5; WO2012160747A1; US20130293895A1; TW201303466A; JP5689955B2; TWI567471B; CA2814389A1

Abstract

波長変換素子（１３０）は、複数のレーザ光源（１１０）それぞれに設けられ、互いに異なる波長変換特性を有している。各波長変換素子（１３０）は、その波長変換素子に入射されるレーザ光の波長を変換する。波長変換後のレーザ光の波長は、互いに異なる。合波器（１５０）は、複数の波長変換素子（１３０）から出力された複数のレーザ光を結合して同軸の光として出力する。そしてＶＢＧ（１２０）は、複数のレーザ光源（１１０）と複数の波長変換素子（１３０）の間に設けられ、レーザ光の共振器の少なくとも一部を構成している。

Description

本発明は、光源装置、分析装置、及び光生成方法に関する。

近年、レーザ光に関する技術が発達している。これにより、レーザ光の吸収強度を用いて試料中の特定の物質の量を検出するレーザ分光計測も、高精度化している。一方、可視光領域のうち、４９０ｎｍ〜６３０ｎｍの周波数帯では、実用可能なレーザダイオードがない。このため、近赤外光のレーザ光を、波長変換素子を用いて、４９０ｎｍ〜６３０ｎｍの周波数帯の光を得る技術が開発されている。波長変換素子に関係する技術としては、例えば特許文献１〜３に記載の技術がある。

特許文献１に記載の波長変換素子は、以下の構成を有している。非線形光学結晶からなる基板には、複数の導波路及び合波部を形成されている。さらに、複数の導波路それぞれには、第２高調波生成部が形成されている。これら複数の第２高調波生成部は、位相整合波長が互いに異なる。

また特許文献２には、レーザダイオードと波長変換素子の間に２つのファイバーブラッググレーディングを設けることが記載されている。これら２つのファイバーブラッググレーディングは、レーザ共振器を構成している。

また特許文献３に記載のレーザ共振器は、以下の構成を有している。半導体レーザは、複数の発光点を有している。各発光点から発光された光は、ブラッグ反射構造を介して非線形光学素子に入射する。ブラッグ反射構造は、発光点の配列方向に沿って反射波長が変化している。また非線形光学素子は、光の伝播方向に沿って分極反転方向が変化している。これにより、レーザ光の波長幅を数ｎｍにまで拡大することができる、と記載されている。

特開２００７−１４７６８８号公報国際公開第２００８／０４４６７３号パンフレット特開２０１０−２０４１９７号公報

ガスの吸収線の幅は一般に狭い。このため、試料が大気などの気体であり、検出対象の物質がガスである場合、レーザ分光計測を高精度に行うためには、レーザ光の波長幅を、吸収線の幅よりも狭くする必要がある。また、レーザ分光計測には、複数の波長を同一光軸から出射すること、波長ごとに独立して変調を行えること、及び、安価であること、が求められる。

しかし、特許文献１に記載の技術では、一つの非線形光学結晶に、複数の第２高調波生成部を設ける必要がある。このため、一つの第２高調波発生部が不良になった場合、他の第２高調波生成部も不良品となる。従って、非線形光学結晶の製造コストが高くなる可能性がある。

また、特許文献２に記載の技術では、複数の波長を同一光軸から出射することができない。さらに特許文献３に記載の技術は、非線形光学素子は、光の伝播方向に沿って分極反転方向が変化しているため、レーザ光の波長幅が広がってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の波長を同一光軸から出射することができ、波長ごとに独立して変調を行えることができ、さらには安価である光源装置、分析装置、及び光生成方法を提供することにある。

本発明に係る光源装置は、複数のレーザ光源、複数の波長変換素子、合波器、及び第１ブラッグ反射部を有している。複数のレーザ光源はレーザ光を出力する。波長変換素子は、複数のレーザ光源それぞれに設けられ、互いに異なる波長変換特性を有している。各波長変換素子は、その波長変換素子に入射されるレーザ光の波長を変換する。波長変換後のレーザ光の波長は、互いに異なる。合波器は、複数の波長変換素子から出力された複数のレーザ光を結合して同軸の光として出力する。そして第１ブラッグ反射部は、複数のレーザ光源と複数の波長変換素子それぞれの間に設けられ、レーザ光の共振器の少なくとも一部を構成している。

この光源装置によれば、複数の波長を同一光軸から出射することができる。また、複数のレーザ光源それぞれを制御することにより、波長ごとに独立して変調を行うことができる。また、波長変換素子は互いに独立した構成であるため、波長変換素子の製造コストが高くなることを抑制できる。

本発明に係る分析装置は、上記した光源装置と、分析部を有している。分析部は、光源装置から出力された光を試料に照射し、試料における光の吸収量を測定する。

本発明に係る光生成方法では、複数のレーザ光源それぞれがレーザ光を出力する。これら複数のレーザ光は、互いに異なる波長変換素子に入力される。これら複数の波長変換素子は、互いに異なる波長変換特性を有しており、入力されたレーザ光を互いに異なる波長に変換する。また、複数の波長変換素子よりもレーザ光源側には、レーザ光の共振器が設けられている。そして、合波器を用いることにより、複数の波長変換素子から出力された複数のレーザ光を結合して同軸の光として出力する。

本発明によれば、複数の波長を同一光軸から出射することができ、波長ごとに独立して変調を行えることができ、さらには安価である光源装置、分析装置、及び光生成方法を提供することができる。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

第１の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。第２の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。第３の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。第４の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。第５の実施形態に係る分析装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光源装置１００の構成を示す図である。光源装置１００は、複数のレーザ光源１１０、複数の波長変換素子１３０、合波器１５０、及びＶＢＧ（Volume Bragg Grating）１２０（第１ブラッグ反射部）を備えている。波長変換素子１３０は、複数のレーザ光源１１０それぞれに設けられ、互いに異なる波長変換特性を有している。各波長変換素子１３０は、その波長変換素子に入射されるレーザ光の波長を変換する。波長変換後のレーザ光の波長は、互いに異なる。合波器１５０は、複数の波長変換素子１３０から出力された複数のレーザ光を結合して同軸の光として出力する。そしてＶＢＧ１２０は、複数のレーザ光源１１０と複数の波長変換素子１３０の間に設けられ、レーザ光の共振器の少なくとも一部を構成している。以下、詳細に説明する。

複数のレーザ光源１１０は、いずれも半導体レーザである。レーザ光源１１０が発振するレーザ光（ポンプ光）の周波数は、互いに同一であっても良いし、異なっていてもよい。どの周波数を発振するレーザ光源１１０を用いるかは、光源装置の用途によって定まる。複数のレーザ光源１１０それぞれの出力は、制御部１６０によって制御されている。制御部１６０は、レーザ光源１１０に入力する電流を制御することにより、レーザ光源１１０の出力を、直接制御している。レーザ光源１１０が出力するレーザ光の周波数は、例えば近赤外域にある。この場合、合波器１５０から出力される光の波長は、４９０ｎｍ以上６３０ｎｍ以下である。

レーザ光源１１０とＶＢＧ１２０の間には、レンズ１７２が設けられている。レーザ光源１１０は、レンズ１７２に対向する面が無反射コーティングされており、かつ逆側の面が反射コーティングされている。そしてＶＢＧ１２０と、レーザ光源１１０により、そのレーザ光源１１０が発振したレーザ光の共振器が形成されている。この共振器のゲイン媒体は、レーザ光源１１０としての半導体レーザである。

ＶＢＧ１２０は、屈折率が周期的に変化している部分を内在しているバルク素子である。ＶＢＧ１２０は、例えばシリカ系ガラスを主原料とした無機材料により形成されている。ただし、ＶＢＧ１２０の原料はこれに限定されない。ＶＢＧ１２０における屈折率の周期的な変化は、例えば紫外線照射及び熱処理を行うことにより、形成されている。

ＶＢＧ１２０は、複数のレーザ光源１１０に対して一つ設けられている。そしてＶＢＧ１２０は、レーザ光の進行方向に対して垂直な方向に、反射波長が変化している。本実施形態において、複数のレーザ光源１１０は、いずれも同一の発振周波数を有している。ただし、レーザ光源１１０が出力する光の波長には、ある程度の幅がある。これらのうちどの波長の光がＶＢＧ１２０から出力されるかは、レーザ光源１１０をＶＢＧ１２０のどの位置に対向させるかによって定まる。すなわち複数のレーザ光源１１０は、ＶＢＧ１２０のうち所望の周波数が反射周波数となっている位置に、対向している。

波長変換素子１３０は擬似位相整合素子であり、例えばＬｉＮｂＯ_３又はＬｉＴａＯ_３などの強誘電体結晶により形成されている。波長変換素子１３０には、レンズ１７４を介して、ＶＢＧ１２０から出力されたレーザ光が入射する。波長変換素子１３０は、分極反転領域を周期的に有している。複数の波長変換素子１３０の分極反転周期は、互いに異なる。波長変換素子１３０は、入射したレーザ光の高次高調波、例えば二次高調波を生成して出射する。波長変換素子１３０の分極反転の周期は、その波長変換素子１３０に入射するレーザ光の波長、及び、波長変換素子１３０が出力すべき光の波長によって定まる。また波長変換素子１３０の温度は、例えばペルチェ素子を用いて制御される。

波長変換素子１３０から出力されたレーザ光は、光フィルタ１４０及びレンズ１７６を介して合波器１５０に入射する。光フィルタ１４０は、レーザ光源１１０の発振周波数の波長を有する光をカットする。合波器１５０には、各波長変換素子１３０に対向した位置に導波路が形成されている。これら導波路は、出力側で一つにまとまっている。このため、合波器１５０では、複数の波長変換素子１３０から出力された複数のレーザ光が、同軸の光として出力される。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。光源装置１００によれば、制御部１６０は、レーザ光源１１０の出力を互いに独立して制御している。このため、いずれかのレーザ光源１１０の出力を変調するときに、他のレーザ光源１１０の出力に影響を与えないで済む。

また、複数のレーザ光源１１０から同時にレーザ光を出力させ、これらレーザ光の高次高調波を、同軸の光として出力することができる。従って、試料に対して互いに異なるレーザ光を同時に照射することにより、複数の波長による試料の分析を同時に行うことができる。これにより、試料の分析を高速で行うことができる。この効果は、試料に対して光を走査して、２次元または３次元のマッピングを行う際に、特に顕著になる。

また、波長変換素子１３０は互いに独立した構成であるため、波長変換素子１３０の製造コストが高くなることを抑制できる。

また、レーザ光源１１０の共振器は、ＶＢＧ１２０と、レーザ光源１１０の一面に形成された反射コーティングにより形成されている。この共振器は、共振周波数が固定されている。このため、レーザ光源１１０の出力が変調しても、波長変換素子１３０に入射するレーザ光の波長は変化しない。このため、レーザ光源１１０の出力が変調したときに、波長変換素子１３０に入射する光が波長変換素子１３０に対して位相不整合となることを抑制できる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る光源装置１００の構成を示す図である。本実施形態に係る光源装置１００は、以下の点を除いて、第１の実施形態に係る光源装置１００と同様の構成である。

まず、ＶＢＧ１２０の代わりに複数の光ファイバ１８０を備えている。光ファイバ１８０は、レーザ光源１１０のそれぞれに対して設けられている。レーザ光源１１０と光ファイバ１８０は、直接結合されていても良いし、レンズを介して結合されていても良い。光ファイバ１８０には、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）１８２が設けられている。ＦＢＧ１８２の反射周波数は、その光ファイバ１８０に対応するレーザ光源１１０の発振周波数と一致している。レーザ光源１１０の共振器は、ＦＢＧ１８２と、レーザ光源１１０の一端に設けられた反射コーティングにより形成されている。

また合波器１５０は、光ファイバー型となっている。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態に係る光源装置１００の構成を示す図である。本実施形態に係る光源装置１００は、以下の点を除いて、第２の実施形態に係る光源装置１００と同様の構成である。

まず、光ファイバ１８０にはＦＢＧ１８２のほかにＦＢＧ１８４も設けられている。ＦＢＧ１８４は、ＦＢＧ１８２よりもレーザ光源１１０の近くに位置している。ＦＢＧ１８２の反射周波数は、その光ファイバ１８０に対応するレーザ光源１１０の発振周波数と一致している。また、光ファイバ１８０は、少なくとも一部が希土類ドープファイバー１８６となっている。希土類ドープファイバー１８６は、ＦＢＧ１８２とＦＢＧ１８４の間に位置している。すなわち本実施形態では、ＦＢＧ１８２とＦＢＧ１８４により、レーザ光源１１０が出力するレーザ光の共振器が形成されている。この共振器のゲイン媒体は、希土類ドープファイバー１８６である。

（第４の実施形態）
図４は、第４の実施形態に係る光源装置１００の構成を示す図である。本実施形態に係る光源装置１００は、一部のレーザ光源１１０に対応してＶＢＧ１２０が設けられており、他のレーザ光源１１０に対しては光ファイバ１８０及びＦＢＧ１８２が設けられている点を除いて、第１の実施形態に係る光源装置１００と同様の構成である。光ファイバ１８０及びＦＢＧ１８２の構成は、第２の実施形態で説明したとおりである。
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
図５は、第５の実施形態に係る分析装置の構成を示す図である。この分析装置は、光源装置１００及び分析部２００を有している。光源装置１００は、第１〜第４の実施形態のいずれかに示した構成を有している。分析部２００は、光源装置１００から出力された光を試料に照射し、この試料における光の吸収量を測定する。試料は、例えば大気などの気体である。そして分析部２００は、試料における光の吸収量を測定することにより、試料に含まれる特定の成分（例えばラジカル、又は大気中に含まれる二酸化炭素などの希薄ガス）の量を検出する。検出対象の成分が二酸化炭素である場合、光源装置１００が出力する光は、４９０ｎｍ以上６３０ｎｍ以下で可変である。この場合、光源装置１００のレーザ光源１１０（図１〜４に図示）は、近赤外域の光を出力する。

上記したように、光源装置１００は、複数のレーザ光源１１０から同時にレーザ光を出力させ、これらレーザ光の高次高調波を、同軸の光として出力することができる。従って、試料に対して互いに異なるレーザ光を同時に照射することにより、複数の波長による試料の分析を同時に行うことができる。これにより、試料の分析を高速で行うことができる。この効果は、試料に対して光を走査して、２次元または３次元のマッピングを行う際に、特に顕著になる。

（実施例）
図１に示した光源装置１００を、２つのレーザ光源１１０を用いて作製した。レーザ光源１１０には、ＩｎＰを主成分とする半導体レーザを使用した。第１のレーザ光源１１０を、ＶＢＧ１２０のうち反射周波数が１０８０ｎｍになっている部分に対向させ、第２のレーザ光源１１０を、ＶＢＧ１２０のうち反射周波数が１１００ｎｍになっている部分に対向させた。波長変換素子１３０には、ＭｇをドープしたＬｉＮｂＯ_３からなる擬似位相整合素子を用いた。

その結果、合波器１５０から、波長が５４０ｎｍのレーザ光と、波長が５５０ｎｍのレーザ光が出力された。これら２つのレーザ光の光軸は同軸になっていた。

また、制御部１６０を用いて２つのレーザ光源１１０へ入力する電流を、互いに独立して変化させた。その結果、合波器１５０から出力される２つのレーザ光の強度も、互いに独立して変化することが確認された。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。例えば光源装置１００は、医用、バイオなどの計測分野における計測用の光源や、プラズマ計測の光源として使用されても良い。

この出願は、２０１１年５月２６日に出願された日本出願特願２０１１−１１８０５４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

近年、レーザ光に関する技術が発達している。これにより、レーザ光の吸収強度を用いて試料中の特定の物質の量を検出するレーザ分光計測も、高精度化している。一方、４９０ｎｍ〜６３０ｎｍの波長帯では、実用可能なレーザダイオードがない。このため、近赤外光のレーザ光を、波長変換素子を用いて、４９０ｎｍ〜６３０ｎｍの波長帯の光を得る技術が開発されている。波長変換素子に関係する技術としては、例えば特許文献１〜３に記載の技術がある。

Claims

複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源それぞれに設けられ、互いに異なる波長変換特性を有しており、レーザ光を互いに異なる波長に変換する複数の波長変換素子と、
前記複数の波長変換素子から出力された複数の前記レーザ光を結合して同軸の光として出力する合波器と、
前記複数のレーザ光源と前記複数の波長変換素子それぞれの間に設けられ、前記レーザ光の共振器の少なくとも一部を構成する第１ブラッグ反射部と、
を備える光源装置。
請求項１に記載の光源装置において、
前記複数のレーザ光源の少なくとも一つは、半導体レーザであり、
前記半導体レーザは、前記第１ブラッグ反射部側の面が無反射コーティングされており、かつ逆側の面が反射コーティングされており、
前記半導体レーザに対応する前記共振器は、前記第１ブラッグ反射部と、前記半導体レーザにより形成されている光源装置。
請求項２に記載の光源装置において、
前記第１ブラッグ反射部は、ＶＢＧ（Volume Bragg Grating）素子である光源装置。
請求項３に記載の光源装置において、
前記複数のレーザ光源は、いずれも前記半導体レーザであり、
前記ＶＢＧは、前記レーザ光の進行方向に対して垂直な方向に、反射波長が変化している光源装置。
請求項２に記載の光源装置において、
前記半導体レーザと、当該レーザ光源に対応する前記波長変換素子の間には、光ファイバーが設けられており、
前記第１ブラッグ反射部は、前記光ファイバーに設けられたＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）である光源装置。
請求項１に記載の光源装置において、
前記複数のレーザ光源の少なくとも一つと、当該レーザ光源に対応する前記波長変換素子の間には、光ファイバーが設けられており、
前記光ファイバーは、前記第１ブラッグ反射部である第１ＦＢＧと、第２ＦＢＧとを有しており、
前記光ファイバーが設けられている前記レーザ光源に対応する前記共振器は、前記第１ＦＢＧ及び前記第２ＦＢＧを含んでいる光源装置。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の光源装置において、
前記複数の波長変換素子は、分極反転周期が互いに異なる擬似位相整合素子である光源装置。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の光源装置において、
前記複数のレーザ光源を互いに独立して制御する制御部を備える光源装置。
請求項１〜８のいずれか一項に記載の光源装置において、
前記レーザ光の波長は、近赤外域にあり、
前記光源装置から出力される光の波長は、４９０ｎｍ以上６３０ｎｍ以下である光源装置。
光源装置と、
前記光源装置から出力された光を試料に照射し、前記試料における前記光の吸収量を測定する分析部と、
を備え、
前記光源装置は、
複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源それぞれに設けられ、互いに異なる波長変換特性を有しており、レーザ光を互いに異なる波長に変換する複数の波長変換素子と、
前記複数の波長変換素子から出力された複数の前記レーザ光を結合して同軸の光として出力する合波器と、
前記複数のレーザ光源と前記複数の波長変換素子それぞれの間に設けられ、前記レーザ光の共振器の少なくとも一部を構成する第１ブラッグ反射部と、
を備える分析装置。
互いに異なる波長のレーザ光を出力する複数のレーザ光源を準備し、
前記複数のレーザ光源それぞれに、互いに異なる波長変換特性を有しており、前記レーザ光を互いに異なる波長に変換する複数の波長変換素子を設け、
前記複数の波長変換素子よりも前記レーザ光源側に、前記レーザ光の共振器を設け、
合波器を用いることにより、前記複数の波長変換素子から出力された複数の前記レーザ光を結合して同軸の光として出力する光生成方法。