WO2012160746A1 - 光源装置、分析装置、及び光生成方法 - Google Patents

光源装置、分析装置、及び光生成方法 Download PDF

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Definitions

  • the polarization maintaining fiber 126 and the first FBG 120 form a ring resonator.
  • the resonance frequency of the ring resonator is controlled by the voltage applied to the piezo tube 122 by the second voltage control unit 124. That is, also in this embodiment, the frequency of the light output from the light source device 100 can be controlled by controlling the voltage applied to the first FBG 120 by the second voltage control unit 124. Therefore, according to the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained even if there is only one FBG.

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Abstract

　波長変換素子（１３０）は、高調波発生部（１３２）及びパラメトリック発振部（１３４）を有している。高調波発生部（１３２）は、レーザ光源（１１０）から出力されるレーザ光の高調波を生成する。パラメトリック発振部（１３４）は、高調波発生部（１３２）で発生した高調波からシグナル光及びアイドラー光を生成する。電極（１３１）及び第１電圧制御部（１３３）は、高調波発生部（１３２）で発生させる高調波の強度を制御する。第１ＦＢＧ（１２０）及び第２ＦＢＧ（１４０）は、パラメトリック発振部（１３４）から出力されたシグナル光を共振させる。ピエゾチューブ（１２２）及び第２電圧制御部（１２４）は、第１ＦＢＧ（１２０）及び第２ＦＢＧ（１４０）の共振周波数を変化させる。

Description

光源装置、分析装置、及び光生成方法
　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、例えば特許文献１及び２に記載されているように、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。
　例えば特許文献１には、レーザ共振器から出射した光を波長変換部に入射して高調波に変換する光源装置が記載されている。この光源装置において、レーザ共振器は、レーザ光源、第１のファイバーグレーディング、ファイバー、及び第２のファイバーグレーディングをこの順に有している。そして、第２のファイバーグレーディングは、引張応力が加えられることにより、反射波長がシフトする。引張応力の動力源は、パルスモータである。
　また特許文献２には、出力する光の波長が互いに異なる２つの半導体レーザ光源を、カプラでつなぎ、その後、波長変換モジュールに入射する光源装置が記載されている。この光源装置において、波長変換モジュールでは、２つの半導体レーザ光源からのレーザ光の差周波及び和周波を発生させている。そして、一方の半導体レーザ光源へ入力する電流の大きさを変えることにより、波長をシフトさせている。
特開２００８－２８３８０号公報 国際公開第２００６／０７５７６０号パンフレット
　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、レーザの線幅を、吸収線の幅よりも狭くした上で、吸収線を掃引することが可能になる程度の波長可変性が必要になる。また、測定精度を向上させるためには、レーザ光の強度変調を高速で行う必要がある。
　しかし、特許文献１に記載の技術では、レーザ光の強度変調を行うためには、レーザ光源の出力そのものを制御する必要がある。この場合、レーザ光の強度変調を高速で行うことは難しい。また特許文献２に記載の技術では、出力する光の波長を変化させるためには、半導体レーザ光源へ入力される電流値を変える必要があるため、レーザ光の波長と強度とを互いに独立して制御することはできない。
　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、出力されるレーザ光の線幅が狭く、波長切替及び強度変調を高速で行うことができ、かつ、波長切替及び強度変調を互いに独立して制御することができる光源装置、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、レーザ光源、波長変換素子、強度制御部、共振器、及び共振制御部を有している。波長変換素子は、高調波生成部及びパラメトリック発振部を有している。高調波生成部は、レーザ光源から出力されるレーザ光の高調波を生成する。パラメトリック発振部は、高調波生成部で発生した高調波からシグナル光及びアイドラー光を生成する。強度制御部は、レーザ光源とは別に設けられ、高調波生成部で発生させる高調波の強度を制御する。共振器は、パラメトリック発振部から出力されたシグナル光を共振させる。そして共振制御部は、共振器の共振周波数を変化させる。
　この光源装置によれば、シグナル光のうち、共振器における共振波長を有する成分のみが出力される。このため、出力されるレーザ光の線幅は狭い。また、波長切替は、共振器の共振周波数を制御することにより行われ、強度変調は、レーザ光源とは別に設けられた強度制御部により行われる。このため、波長切替及び強度変調を、高速でおこなうことができ、かつ、互いに独立して制御することができる。
　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、レーザ光を波長変換素子に入射し、レーザ光よりも短波長のシグナル光を生成させて波長変換素子から出力する。波長変換素子は、高調波生成部及びパラメトリック発振部を有している。高調波生成部は、レーザ光源から出力されるレーザ光の高調波を生成する。パラメトリック発振部は、高調波生成部で発生した高調波からシグナル光及びアイドラー光を生成する。そして、高調波生成部で発生させる高調波の強度を変化させることにより、出力される光の強度を変化させる。また、シグナル光を共振させる共振器を設け、かつこの共振器の共振周波数を制御することにより、出力される光の周波数を変化させる。
　本発明によれば、出力するレーザの線幅を狭くした上で、波長切替及び強度変調を、高速でおこなうことができ、かつ、互いに独立して制御することができる。
　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。 波長変換素子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。 実施例における測定結果を示す図である。
　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、一つのレーザ光源１１０、波長変換素子１３０、電極１３１及び第１電圧制御部１３３（強度制御部）、第１ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）１２０及び第２ＦＢＧ１４０（共振器）、ならびに、ピエゾチューブ１２２及び第２電圧制御部１２４（共振制御部）を備えている。波長変換素子１３０は、高調波発生部１３２及びパラメトリック発振部１３４を有している。
　高調波発生部１３２は、レーザ光源１１０から出力されるレーザ光（ポンプ光）の高調波を生成する。パラメトリック発振部１３４は、高調波発生部１３２で発生した高調波からシグナル光及びアイドラー光を生成する。電極１３１及び第１電圧制御部１３３は、高調波発生部１３２で発生させる高調波の強度を制御する。すなわち本実施形態では、レーザ光源１１０への入力を変更しなくても、高調波の強度を制御することができる。第１ＦＢＧ１２０及び第２ＦＢＧ１４０は、パラメトリック発振部１３４から出力されたシグナル光を共振させる。ピエゾチューブ１２２及び第２電圧制御部１２４は、第１ＦＢＧ１２０及び第２ＦＢＧ１４０の共振周波数を変化させる。以下、詳細に説明する。
　レーザ光源１１０は、例えばファイバーレーザであるが、レーザダイオード（半導体レーザ）、または固体レーザであっても良い。レーザ光源１１０として何を用いるかは、光源装置から出力させる光の波長に従って選択される。
　レーザ光源１１０から出力されたレーザ光は、アイソレータ１５０を介して偏波保持ファイバーに入力される。この偏波保持ファイバーの一部には、第１ＦＢＧ１２０が設けられている。第１ＦＢＧ１２０は、ピエゾチューブ１２２に巻かれており、ピエゾチューブ１２２の伸縮に伴って、第１ＦＢＧ１２０が延伸する方向に応力が加えられる。ピエゾチューブ１２２に入力される電圧は、第２電圧制御部１２４によって制御される。すなわちピエゾチューブ１２２の伸縮は、第２電圧制御部１２４によって制御される。
　偏波保持ファイバーから出力されたレーザ光は、レンズ１６２を介して波長変換素子１３０の導波路１３６に入力される。波長変換素子１３０は、例えば擬似位相整合素子である。波長変換素子１３０は、レーザ光が入射される側に高調波発生部１３２を有しており、レーザ光を出力する側にパラメトリック発振部１３４を有している。すなわち、波長変換素子１３０にレーザ光が入射すると、高調波発生部１３２は、入射したレーザ光の高調波を生成する。そしてパラメトリック発振部１３４は、高調波発生部１３２が生成した高調波のシグナル光及びアイドラー光を生成する。
　波長変換素子１３０のうち高調波発生部１３２が形成されている領域には、電極１３１が設けられている。電極１３１には、第１電圧制御部１３３から電圧が印加される。電極１３１に印加される電圧が制御されることにより、高調波発生部１３２から出力される高調波の強度が制御される。このメカニズムについては、図２を用いて後述する。
　波長変換素子１３０の導波路１３６から出力されたシグナル光は、レンズ１６４を介して偏波保持ファイバーに入力された後、この偏波保持ファイバーからレンズ１６６を介して出力される。この偏波保持ファイバーの一部には、第２ＦＢＧ１４０が設けられている。そして、第１ＦＢＧ１２０と第２ＦＢＧ１４０により、シグナル光の共振器が形成されている。なお、第１ＦＢＧ１２０におけるシグナル光の反射率は、第２ＦＢＧ１４０におけるシグナル光の反射率より高いのが好ましい。
　シグナル光の波長分布は、波長変換素子１３０から出力された状態では、ある程度の幅を有する。このような幅を有するシグナル光のうち、第２ＦＢＧ１４０から出力されるのは、第１ＦＢＧ１２０と第２ＦＢＧ１４０からなる共振器の共振周波数と同じ周波数を持つ成分のみである。
　ここで、第１ＦＢＧ１２０は、ピエゾチューブ１２２に巻かれているため、ピエゾチューブ１２２の伸縮に伴って、第１ＦＢＧ１２０が延伸する方向に応力が加えられる。第１ＦＢＧ１２０が延伸すると、第１ＦＢＧ１２０と第２ＦＢＧ１４０からなる共振器の共振周波数は変化する。このため、第２電圧制御部１２４がピエゾチューブ１２２に印加する電圧を制御することにより、光源装置１００から出力される光の周波数を制御することができる。例えば第２電圧制御部１２４がピエゾチューブ１２２に印加する電圧を連続的に変化させることにより、光源装置１００から出力される光の周波数が連続的に変化する。
　なお、図１に示す例では、各ファイバーと素子の間の光の入出力を、レンズを介して行っているが、パッティングにより行ってもよい。
　図２は、波長変換素子１３０の構成を示す図である。本図に示す例において、波長変換素子１３０は擬似位相整合素子であり、例えばＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３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は、分極反転領域を周期的に有している。高調波発生部１３２の分極反転の周期は、パラメトリック発振部１３４の分極反転の周期よりも小さい。なお、これらの分極反転の周期は、光源装置１００が出力すべき光の波長によって定められる。
　また、高調波発生部１３２の上面及び下面には、電極１３１が設けられている。これら電極１３１の間に電圧が印加されると、高調波発生部１３２における擬似位相整合条件が擾乱される。高調波発生部１３２における擬似位相整合条件が擾乱されると、この擾乱の度合いに比例して、高調波発生部１３２で生成される高調波の強度が小さくなる。すなわち、第１電圧制御部１３３が電極１３１に印加する電圧を制御することにより、光源装置１００から出力される光の強度が制御される。
　なお、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。
　次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。本実施形態では、光源装置１００から出力される光は、波長変換素子１３０から出力されるシグナル光のうち、第１ＦＢＧ１２０と第２ＦＢＧ１４０からなる共振器の共振周波数と同じ周波数を持つ成分のみである。従って、光源装置１００から出力される光の線幅は狭い。また、第１電圧制御部１３３が電極１３１に印加する電圧を制御することにより、光源装置１００から出力される光の強度が制御される。また、第２電圧制御部１２４が第１ＦＢＧ１２０に印加する電圧を制御することにより、光源装置１００から出力される光の周波数を制御することができる。このため、波長切替及び強度変調を、高速でおこなうことができ、かつ、互いに独立して制御することができる。
（第２の実施形態）
　図３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。本実施形態における光源装置１００は、共振器の構成を除いて、第１の実施形態に係る光源装置１００と同様の構成である。
　本実施形態において、波長変換素子１３０とレンズ１６６の間に位置する偏波保持ファイバーには、カプラ１７２が設けられており、レーザ光源１１０と波長変換素子１３０の間には、カプラ１７０が設けられている。カプラ１７２では、偏波保持ファイバーが、レンズ１６６に向かう方向と、その他の方向に分岐している。後者の偏波保持ファイバー１２６は、アイソレータ１５２を介して、カプラ１７０に繋がっている。すなわち、波長変換素子１３０の出力側と、波長変換素子１３０の入力側は、偏波保持ファイバー１２６を介してつながっている。
　偏波保持ファイバー１２６には、第１ＦＢＧ１２０が設けられている。第１ＦＢＧ１２０はピエゾチューブ１２２に巻かれている。ピエゾチューブ１２２には、第２電圧制御部１２４から電圧が入力される。
　すなわち本実施形態では、偏波保持ファイバー１２６及び第１ＦＢＧ１２０により、リング共振器が形成されている。このリング共振器の共振周波数は、第２電圧制御部１２４がピエゾチューブ１２２に印加する電圧により、制御される。すなわち本実施形態でも、第２電圧制御部１２４が第１ＦＢＧ１２０に印加する電圧を制御することにより、光源装置１００から出力される光の周波数を制御することができる。このため、本実施形態によれば、ＦＢＧが一つであっても、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４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、波長変換素子１３０の高調波発生部１３２には、電極１３１が設けられていない。このため、光源装置１００には第１電圧制御部１３３も設けられていない。
　そして、レーザ光源１１０と波長変換素子１３０の間に位置する偏波保持ファイバーは、第１ＦＢＧ１２０とレンズ１６２の間に位置する部分に、偏波モジュレータ１８０を有している。偏波モジュレータ１８０は、レーザ光源１１０から出力されるレーザ光の偏光面を変調する。偏波モジュレータ１８０による変調は、角度制御部１８２によって制御される。波長変換素子１３０の高調波発生部１３２における高調波の強度は、高調波発生部１３２に入力されるレーザ光の偏光面の角度によって変わる。すなわち本実施形態では、角度制御部１８２が偏波モジュレータ１８０における偏光面の角度を制御することにより、高調波発生部１３２が生成する高調波の強度が制御される。
　このため、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４の実施形態）
　図５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。本実施形態において、光源装置１００は、電極１３１及び第１電圧制御部１３３の代わりに、第３の実施形態に示した偏波モジュレータ１８０及び角度制御部１８２を有している点を除いて、第２の実施形態に係る光源装置と同様の構成である。
　本実施形態によっても、第２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６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、又は二酸化炭素などのガス）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の間で可変である。この場合、光源装置１００のレーザ光源１１０（図１，３，４，５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、出力されるレーザ光の線幅が狭く、波長切替及び強度変調を高速で行うことができる。また、光源装置１００は、波長切替及び強度変調を互いに独立して制御することができる。従って、図６に示した分析装置によれば、試料の吸収光のスペクトル測定を高速で行うことができる。
（実施例）
　図６に示した分析装置を用いて、Ｎａの蒸気の吸収スペクトルを測定した。光源装置１００の構成は、第１の実施形態の通りとした。レーザ光源１１０には、発振波長が１．０６４μｍのＹｂドープファイバーレーザを用いた。波長変換素子１３０には、ＬｉＮｂＯ３からなる擬似位相整合素子を用いた。高調波発生部１３２における分極反転周期を６．９μｍとして、パラメトリック発振部１３４における分極反転周期は１２．５μｍとした。
　高調波発生部１３２では、波長が５３２ｎｍの２次高調波が得られた。また、パラメトリック発振部１３４では、ピークが５８９ｎｍのシグナル光と、５５００ｎｍのアイドラー光が得られた。
　このシグナル光を用いてＮａの蒸気の吸収スペクトルを測定した。測定時には、第２電圧制御部１２４からピエゾチューブ１２２に印加する電圧を連続的に変化させることにより、光源装置１００から出力される光の波長を掃引した。また、第１電圧制御部１３３から電極１３１に印加する電圧を変化させることにより、光源装置１００から出力される光の強度を高速で変調させ、変調前後の測定結果の同期検出を行った。
　測定結果を、図７に示す。図７から、Ｎａの蒸気の吸収線の測定が良好に行われたことがわかる。
　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として使用されても良い。また、第１ＦＢＧ１２０に応力を加える方法は、上記した実施形態に示した例に限定されない。また、高調波発生部１３２とパラメトリック発振部１３４は、別々の素子として設けられていても良い。
　この出願は、２０１１年５月２５日に出願された日本出願特願２０１１－１１７３８０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。

Claims (11)

  1. 　レーザ光源と、
    　前記レーザ光源から出力されるレーザ光の高調波を生成する高調波生成部と、前記高調波生成部で発生した前記高調波からシグナル光及びアイドラー光を生成するパラメトリック発振部とを有する波長変換素子と、
    　前記レーザ光源とは別に設けられ、前記高調波生成部で発生させる前記高調波の強度を制御する強度制御部と、
    　前記パラメトリック発振部から出力された前記シグナル光を共振させる共振器と、
    　前記共振器の共振周波数を変化させる共振制御部と、
    を備える光源装置。
  2. 　請求項１に記載の光源装置において、
    　前記強度制御部は、前記高調波生成部における前記レーザ光の位相整合条件を擾乱させることにより、前記高調波の強度を制御する光源装置。
  3. 　請求項２に記載の光源装置において、
    　前記強度制御部は、
    　　前記高調波生成部に設けられた電極と、
    　　前記電極に印加する電圧を制御する第１電圧制御部と、
    を有する光源装置。
  4. 　請求項１に記載の光源装置において、
    　前記強度制御部は、
    　　前記レーザ光源と前記波長変換素子の間に設けられ、前記レーザ光の偏光面の角度を変更する偏波モジュレータと、
    　　前記偏波モジュレータを制御することにより、前記レーザ光の偏光面の角度を制御する角度制御部と、
    を備える光源装置。
  5. 　請求項１～４のいずれか一項に記載の光源装置において、
    　前記共振器は、前記レーザ光源と前記波長変換素子の間に設けられた第１ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）と、前記波長変換素子の出力側に設けられた第２ＦＢＧと、
    を備え、
    　前記共振制御部は、前記第１ＦＢＧ又は前記第２ＦＢＧに対して当該ＦＢＧが延伸する方向に応力を加えることにより、前記共振器の共振周波数を変化させる光源装置。
  6. 　請求項５に記載の光源装置において、
    　前記共振制御部は、
    　　前記第１ＦＢＧ又は前記第２ＦＢＧが巻かれているピエゾチューブと、
    　　前記ピエゾチューブに加える電圧を制御する第２電圧制御部と、
    を備える光源装置。
  7. 　請求項１～４のいずれか一項に記載の光源装置において、
    　前記共振器は、前記波長変換素子の入力側と出力側とをつなぐＦＢＧを備え、
    　前記共振制御部は、前記ＦＢＧに対して当該ＦＢＧが延伸する方向に応力を加えることにより、前記共振器の共振周波数を変化させる光源装置。
  8. 　請求項７に記載の光源装置において、
    　前記共振制御部は、
    　　前記ＦＢＧが巻かれているピエゾチューブと、
    　　前記ピエゾチューブに加える電圧を制御する第２電圧制御部と、
    を備える光源装置。
  9. 　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の間で可変である光源装置。
  10. 　出力光の周波数が可変である光源装置と、
    　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、
    　　レーザ光源と、
    　　前記レーザ光源から出力されるレーザ光の高調波を生成する高調波生成部と、前記高調波生成部で発生した前記高調波からシグナル光及びアイドラー光を生成するパラメトリック発振部とを有する波長変換素子と、
    　　前記レーザ光源とは別に設けられ、前記高調波生成部で発生させる前記高調波の強度を制御する強度制御部と、
    　　前記シグナル光を共振させる共振器と、
    　　前記共振器の共振周波数を変化させる共振制御部と、
    を備える分析装置。
  11. 　レーザ光を波長変換素子に入射し、前記レーザ光よりも短波長のシグナル光を生成させて前記波長変換素子から出力する光生成方法において、
    　前記波長変換素子は、前記レーザ光の高調波を生成する高調波生成部と、前記高調波生成部で発生した前記高調波から前記シグナル光及びアイドラー光を生成するパラメトリック発振部とを有し、
    　前記高調波生成部で発生させる前記高調波の強度を変化させることにより、出力される光の強度を変化させ、
    　前記シグナル光を共振させる共振器を設け、かつ前記共振器の共振周波数を制御することにより、出力される光の周波数を変化させる光生成方法。
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