TWI567471B - A light source device, an analyzing device, and a light generating method - Google Patents

A light source device, an analyzing device, and a light generating method Download PDF

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TWI567471B
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Description

光源裝置、分析裝置及光生成方法
本發明係有關光源裝置，分析裝置，及光生成方法。
近年，有關雷射光的技術發達。由此，使用雷射光的吸收強度而檢測試料中的特定物質的量之雷射分光計測亦作為高精確度化。另一方面，可視光範圍之中，在490nm~630nm的頻率數帶中，係未有可實用之雷射二極體。因此，開發有將近紅外線光的雷射光，使用波長變換元件而得到490nm~630nm的頻率數帶的光之技術。作為有關於波長變換元件之技術，例如有記載於專利文獻1~3之技術。
記載於專利文獻1之波長變換元件係具有以下的構成。對於由非線形光學結晶所成之基板，係形成複數之導波路徑及合波部。更且，對於各複數之導波路徑係形成有第2高諧波生成部。此等複數之第2高諧波生成部係相位匹配波長則相互不同。
另外，對於專利文獻2係記載有於雷射二極體與波長變換元件之間設置2個光纖布拉格光柵者。此等2個光纖布拉格光柵係構成雷射共振器。
另外，記載於專利文獻3之雷射共振器係具有以下的構成。半導體雷射係具有複數之發光點。從各發光點所發光的光係藉由布拉格反射構造而入射至非線形光學元件。 布拉格反射構造係沿著發光點之配列方向，反射波長產生變化。另外，非線形光學元件係沿著光的傳播方向而分反極化方向產生變化。由此，記載有可將雷射光的波長寬度擴大至數nm者。
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2007-147688號公報
[專利文獻2]國際公開第2008/044673號說明書
[專利文獻3]日本特開2010-204197號公報
氣體之吸收線的寬度係一般為窄。因此，試料為大氣等之氣體，檢測對象物的物質為氣體之情況，對於為了高精確度地進行雷射分光計測，係有將雷射光的波長寬度作為較吸收線的寬度為窄之必要。另外，對於雷射分光計測係要求從同一光軸射出複數之波長者，可對於各波長獨立進行變調者，及廉價者。
但在記載於專利文獻1之技術中，係有於一個非線形光學結晶設置複數之第2高諧波生成部之必要。因此，一個第2高諧波生成部變為不良之情況，另一個第2高諧波生成部亦變為不良。隨之，有著非線形光學結晶之製造成本變高的可能性。
另外，在記載於專利文獻2之技術中，無法從同一光 軸射出複數之波長者。更且，記載於專利文獻3之技術係非線形光學元件則沿著光的傳播方向，分反極化方向產生變化之故，雷射光的波長寬度則變寬。
本發明係有鑑於上述情事所作為的構成，作為其目的時係提供可從同一光軸射出複數之波長者，可對於各波長獨立進行變調，更且為廉價之光源裝置，分析裝置，及光生成方法。
有關本發明之光源裝置係具有複數之雷射光源，複數之波長變換元件，合波器，及第1布拉格反射部。複數之雷射光源係輸出雷射光。波長變換元件係設置於各複數之雷射光源，具有相互不同之波長變換特性。各波長變換元件係變換入射至其波長變換元件之雷射光的波長。波長變換後之雷射光之波長係相互不同。合波器係結合從複數之波長變換元件所輸出之複數的雷射光，作為同軸的光而加以輸出。並且，第1布拉格反射部係設置於各複數之雷射光源與複數之波長變換元件之間，構成雷射光之共振器之至少一部分。
如根據此光源裝置，可從同一光軸射出複數之波長者。另外，經由控制各複數之雷射光源之時，可對於各波長獨立進行變調者。另外，波長變換元件係相互獨立之構成之故，可抑制波長變換元件之製造成本變高之情況。
有關本發明之分析裝置係具有上述之光源裝置，和分 析部。分析部係將從光源裝置所輸出的光照射至試料，測定在試料的光之吸收量。
在有關本發明之光生成方法中，各複數之雷射光源則輸出雷射光。此等複數之雷射光係輸入至相互不同之波長變換元件。此等複數之波長變換元件係具有相互不同之波長變換特性，將所輸入之雷射光變換為相互不同之波長。另外，對於較複數之波長變換元件為雷射光源側，係設置有雷射光的共振器。並且，經由使用合波器之時，結合從複數之波長變換元件所輸出之複數的雷射光，作為同軸的光而加以輸出。
如根據本發明，可提供可從同一光軸射出複數之波長者，可對於各波長獨立進行變調，更且為廉價之光源裝置，分析裝置，及光生成方法。
以下，對於本發明之實施形態，參照圖面加以說明。然而，在所有的圖面，對於同樣的構成要素附上同樣的符號，適宜省略說明。
(第1實施形態)
圖1係顯示有關第1實施形態之光源裝置100之構成的圖。光源裝置100係具備複數之雷射光源110，複數之 波長變換元件130，合波器150，及VBG(體積布拉格光柵)120(第1布拉格反射部)。波長變換元件130係設置於各複數之雷射光源110，具有相互不同之波長變換特性。各波長變換元件130係變換入射至其波長變換元件之雷射光的波長。波長變換後之雷射光的波長係相互不同。合波器150係結合從複數之波長變換元件130所輸出之複數的雷射光，作為同軸的光而加以輸出。並且，VBG120係設置於各複數之雷射光源110與複數之波長變換元件130之間，構成雷射光之共振器之至少一部分。以下，加以詳細說明。
複數之雷射光源110係均為半導體雷射。雷射光源110所振盪的雷射光(泵浦光束)的頻率數係亦可為相互同一，而不同亦可。使用振盪怎樣頻率數之雷射光源110係經由光源裝置之用途而訂定。各複數之雷射光源110的輸出係經由控制部160所加以控制。控制部160係經由輸入至雷射光源110的電流之時，而直接控制雷射光源110之輸出。雷射光源110所輸出之雷射光的頻率數係例如為近紅外線域。此情況，從合波器150所輸出的光之波長為490nm以上630nm以下。
對於雷射光源110與VBG120之間係設置有透鏡172。雷射光源110係對向於透鏡172的面則作為無反射塗層，且相反側的面則作為反射塗層。並且形成有VBG120，和經由雷射光源110而其雷射光源110所振盪之雷射光的共振器。此共振器的增益媒體係作為雷射光源110之半導 體雷射。
VBG120係將折射率周期性產生變化之部分作為內在之主體元件。VBG120係例如經由將二氧化矽系玻璃做為主原料之無機材料所形成。但，VBG120的原料係不限定於此等。在VBG120之折射率的周期性之變化係例如經由進行紫外線照射及熱處理之時，而加以形成。
VBG120係對於複數之雷射光源110而言而設置有一個。並且，VBG120係對於雷射光的進行方向而言，於垂直方向，反射波長則產生變化。在本實施形態中，複數之雷射光源110係具有均為相同之振盪頻率數。但對於雷射光源110所輸出的光之波長係有某種程度的寬度。此等之中，哪個波長的光則由VBG120所輸出，係經由使雷射光源110對向於VBG120之哪個位置而訂定。即，複數之雷射光源110係對向於VBG120之中所期望之頻率數成為反射頻率數之位置。
波長變換元件130係準相位匹配元件，例如經由LiNbO3或LiTaO3等之介電質結晶加以形成。對於波長變換元件130係藉由透鏡174，入射有從VBG120所輸出的雷射光。波長變換元件130係周期性地具有分反極化範圍。複數之波長變換元件130之分反極化周期係相互不同。波長變換元件130係生成入射之雷射光的高度高諧波，例如二次高諧波而射出。波長變換元件130之分反極化的周期係經由入射至其波長變換元件130之雷射光的波長，即波長變換元件130欲射出的光的波長而訂定。另外，波長 變換元件130的溫度係例如使用泊耳帖元件加以控制。
從波長變換元件130所輸出的雷射光係藉由濾光片140及透鏡176而入射至合波器150。濾光片140係切斷具有雷射光源110之振盪頻率數之波長的光。對於合波器150係於對向於各波長變換元件130之位置，形成有導波路徑。此等導波路徑係在輸出側設置一個。因此，合波器150係從複數之波長變換元件130所輸出之複數的雷射光，則作為同軸的光而加以輸出。
接著，對於本實施形態之作用及效果加以說明。如根據光源裝置100，控制部160係相互獨立而控制雷射光源110之輸出。因此，在變調任一之雷射光源110的輸出時，在未對於其他的雷射光源110之輸出帶來影響而完成。
另外，可從複數之雷射光源110同時地使雷射光輸出，將此等雷射光的高度高諧波，作為同軸的光而加以輸出。隨之，經由將對於試料而言相互不同之雷射光同時照射之時，可同時地進行經由複數之波長的試料之分析者。經由此，可以高速進行試料的分析。此效果係對於試料而言掃描光，進行2度空間或3度空間之映射時，成為特別顯著。
另外，波長變換元件130係相互獨立之構成之故，可抑制波長變換元件130之製造成本變高之情況。
另外，雷射光源110之共振器係經由VBG120，和形成於雷射光源110之一面的反射塗層所形成。此共振器係固定共振頻率數。因此，即使變調有雷射光源110之輸出 ，射入至波長變換元件130之雷射光的波長係未產生變化。因此，在變調有雷射光源110之輸出時，可抑制射入至波長變換元件130的光則對於波長變換元件130而言成為相位不匹配之情況。
(第2實施形態)
圖2係顯示有關第2實施形態之光源裝置100之構成的圖。有關本實施形態之光源裝置100係除了以下的點以外，與有關第1實施形態之光源裝置100同樣的構成。
首先，取代VBG120而具備複數之光纖180。光纖180係對於各雷射光源110而言加以設置。雷射光源110與光纖180係加以直接接合亦可，而亦可藉由透鏡而加以接合。對於光纖180係設置有FBG(光纖布拉格光柵)182。FBG182之反射頻率數係與對應於此光纖180之雷射光源110之振盪頻率數一致。雷射光源110之共振器係經由FBG182，和形成於雷射光源110之一端的反射塗層所形成。
另外，合波器150係成為光纖型。
經由本實施形態，亦可得到與第1實施形態同樣的效果。
(第3實施形態)
圖3係顯示有關第3實施形態之光源裝置100之構成的圖。有關本實施形態之光源裝置100係除了以下的點以 外，與有關第2實施形態之光源裝置100同樣的構成。
首先，對於光纖180係除了FBG182之外，亦設置有FBG184。FBG184係位置於較FBG182接近雷射光源110。FBG182之反射頻率數係與對應於此光纖180之雷射光源110之振盪頻率數一致。另外，光纖180係至少一部分則成為稀土類摻雜光纖186。稀土類摻雜光纖186係位置於FBG182與FBG184之間。即，在本實施形態中，經由FBG182與FBG184之時，形成有雷射光源110所輸出之雷射光的共振器。此共振器的增益媒體係稀土類摻雜光纖186。
經由本實施形態，亦可得到與第1實施形態同樣的效果。
(第4實施形態)
圖4係顯示有關第4實施形態之光源裝置100之構成的圖。有關本實施形態之光源裝置100係除了對應於一部分之雷射光源110而設置有VBG120，對應於其他之雷射光源110係設置有光纖180及FBG182的點之外，與有關第1實施形態之光源裝置100同樣的構成。光纖180及FBG182的構成係如在第2實施形態所說明。經由本實施形態，亦可得到與第1實施形態同樣的效果。
(第5實施形態)
圖5係顯示關於第5實施形態之分析裝置之構成的圖 。此分析裝置係具有光源裝置100及分析部200。光源裝置100係具有第1~第4實施形態任一所示之構成。分析部200係將從光源裝置100所輸出的光照射至試料，測定在此試料的光之吸收量。試料係例如為大氣等之氣體。並且，分析部200係經由測定試料的光的吸收量之時，檢測含於試料之特定成分(例如自由基，或含於大氣中的二氧化碳等之稀薄氣體)的量。檢測對象之成分為二氧化碳之情況，光源裝置100所輸出的光係在490nm以上630nm以下而為可變。此情況，光源裝置100之雷射光源110(於圖1~4圖示)係輸出近紅外線域的光。
如上述，光源裝置100係可從複數之雷射光源110同時地使雷射光輸出，將此等雷射光的高度高諧波，作為同軸的光而加以輸出。隨之，經由將對於試料而言相互不同之雷射光同時照射之時，可同時地進行經由複數之波長的試料之分析者。經由此，可以高速進行試料的分析。此效果係對於試料而言掃描光，進行2度空間或3度空間之映射時，成為特別顯著。
(實施例)
將圖1所示之光源裝置100，使用2個雷射光源110而製作。對於雷射光源110係使用將InP做為主成分之半導體雷射。使第1雷射光源110，對向於VBG120之中反射頻率數成為1080nm之部分，而使第2雷射光源110，對向於VBG120之中反射頻率數成為1100nm之部分。對 於波長變換元件130係使用摻雜Mg之LiNbO3所成之準相位匹配元件。
其結果，從合波器150，輸出波長為540nm之雷射光，和波長為550nm之雷射光。此等2個雷射光的光軸係成為同軸。
另外，使用控制部160而使輸入至2個雷射光源110之電流，相互獨立進行變化。其結果，確認到從合波器150所輸出之2個雷射光的強度亦相互獨立進行變化者。
以上，參照圖面，對於本發明之實施形態已敘述過，但此等係本發明之例示，亦可採用上述以外之各種構成者。例如，光源裝置100係作為醫用，生命科學等之計測領域的計測用光源，或電漿計測之光源加以使用亦可。
100‧‧‧光源裝置
110‧‧‧雷射光源
120‧‧‧VBG
130‧‧‧波長變換元件
140‧‧‧濾光片
150‧‧‧合波器
160‧‧‧控制部
172‧‧‧透鏡
174‧‧‧透鏡
176‧‧‧透鏡
180‧‧‧光纖
182‧‧‧FBG
184‧‧‧FBG
186‧‧‧稀土類摻雜光纖
200‧‧‧分析部
圖1係顯示有關第1實施形態之光源裝置之構成的圖。
圖2係顯示有關第2實施形態之光源裝置之構成的圖。
圖3係顯示有關第3實施形態之光源裝置之構成的圖。
圖4係顯示有關第4實施形態之光源裝置之構成的圖。
圖5係顯示有關第5實施形態之分析裝置之構成的圖。
100‧‧‧光源裝置
110‧‧‧雷射光源
120‧‧‧VBG
130‧‧‧波長變換元件
140‧‧‧濾光片
150‧‧‧合波器
160‧‧‧控制部
172‧‧‧透鏡
174‧‧‧透鏡
176‧‧‧透鏡

Claims (11)

  1. 一種光源裝置，具備：複數之雷射光源、和各別設於前述複數之雷射光源，具有互為不同之波長變換特性，將前述雷射光變換成互為不同之波長的複數之波長變換元件、和結合從前述複數之波長變換元件輸出之複數之前述雷射光，做為同軸之光線輸出之合波器、和各別設於前述複數之雷射光源與前述複數之波長變換元件間，構成前述雷射光之共振器之至少一部分的第1布拉格反射部。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之光源裝置，其中，前述複數之雷射光源之至少一個為半導體雷射，前述半導體雷射係前述第1布拉格反射部側之面為無反射塗佈，且相反側之面為反射塗佈，對應於前述半導體雷射之前述共振器係經由前述第1布拉格反射部、和前述半導體雷射所形成者。
  3. 如申請專利範圍第2項記載之光源裝置，其中，前述第1布拉格反射部係VBG(體積布拉格光柵)元件。
  4. 如申請專利範圍第3項記載之光源裝置，其中，前述複數之雷射光源係皆為前述半導體雷射，前述VBG係在對於前述雷射光之行進方向垂直之方向，改變反射波長者。
  5. 如申請專利範圍第2項之光源裝置，其中， 前述半導體雷射、與對應於該雷射光源之前述波長變換元件之間，設有光纖，前述第1布拉格反射部係設於前述光纖之FBG(光纖布拉格光柵)。
  6. 如申請專利範圍第1項記載之光源裝置，其中，前述複數之雷射光源之至少一個、與對應於該雷射光源之前述波長變換元件之間，設有光纖，前述光纖係具有前述第1布拉格反射部之第1FBG、和第2FBG；對應於設置有前述光纖之前述雷射光源之前述共振器，係包含前述第1FBG及前述第2FBG。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項之任一項記載之光源裝置，其中，前述複數之波長變換元件係分反極化周期互為不同之準相位匹配元件。
  8. 如申請專利範圍第1項至第7項之任一項記載之光源裝置，其中，具備：對前述複數之雷射光源相互獨立地加以控制之控制部。
  9. 如申請專利範圍第1項至第8項之任一項記載之光源裝置，其中，前述雷射光之波長係近紅外光域、從前述光源裝置輸出之光之波長係在490nm以上630nm以下者。
  10. 一種分析裝置，其特徵係具備光源裝置、和將從前述光源裝置輸出之光線，照射於試料，測定前述試料之前述光線之吸收量的分析部；前述光源裝置係具備：複數之雷射光源、和設於各別前述複數之雷射光源，具有互為不同之波長變換特性，將前述雷射光變換成互為不同之波長的複數之波長變換元件、和結合從前述複數之波長變換元件輸出之複數之前述雷射光，做為同軸之光線輸出之合波器、和設於各別前述複數之雷射光源與前述複數之波長變換元件間，構成前述雷射光之共振器之至少一部分的第1布拉格反射部。
  11. 一種光生成方法，準備輸出互為不同之波長之雷射光的複數之雷射光源，和設置在於各別前述複數之雷射光源，具有互為不同之波長變換特性，將前述雷射光變換成互為不同之波長的複數之波長變換元件、於較前述複數之波長變換元件更靠前述雷射光源側之位置，設置前述雷射光之共振器，經由使用合波器，結合從前述複數之波長變換元件輸出之複數之前述雷射光，做為同軸之光線輸出者。
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