WO2008010380A1 - Light source and gas measuring device - Google Patents

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WO2008010380A1
WO2008010380A1 PCT/JP2007/062438 JP2007062438W WO2008010380A1 WO 2008010380 A1 WO2008010380 A1 WO 2008010380A1 JP 2007062438 W JP2007062438 W JP 2007062438W WO 2008010380 A1 WO2008010380 A1 WO 2008010380A1
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laser
light
light source
semiconductor laser
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Katsuaki Magari
Tsutomu Yanagawa
Yoshiki Nishida
Osamu Tadanaga
Masaki Asobe
Takeshi Umeki
Hiroyuki Suzuki
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • G—PHYSICS
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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Definitions

  • the present invention relates to a light source and a gas measuring device, and more particularly, to a light source that outputs mid-infrared light having a single spectral line width and a gas measuring device using this light source.
  • FIG. 1 shows a configuration of a wavelength conversion device using a conventional quasi phase matching type wavelength conversion element.
  • the wavelength converter includes a semiconductor laser 11 that outputs pumping light A having a wavelength I, a wavelength ⁇
  • the laser light 12 that outputs the signal light B and the pump light A and the signal light B are combined and output.
  • Optical power bra 14 and combined pump light A and signal light B are input, and converted light C of wavelength; I is output.
  • a wavelength conversion element 13 made of a nonlinear optical crystal.
  • Drive circuits l la and 12a and temperature control circuits l ib and 12b are connected to the semiconductor lasers 11 and 12, respectively. Further, a fiber grating 15 is inserted between the semiconductor laser 11 and the optical power plastic 14.
  • the intensity of the converted light C is proportional to the product of the intensity of the pumping light A and the signal light B. Therefore, if the pumping light A is kept constant, only the wavelength is converted from the signal light B to the converted light C. be able to.
  • Fig. 2 shows a phase matching curve when wavelength conversion is performed in order to obtain mid-infrared light of 3.31 ⁇ m by generating difference frequency. Since the phase matching band of the wavelength conversion element is very narrow, a semiconductor laser that oscillates in a single mode is desirable to stably output the converted light.
  • Wavelengths of 1.55 xm and 1.31 xm are long wavelength bands used in the field of optical communications.
  • a DFB laser diode that has a built-in diffraction grating and oscillates at a single wavelength. You can use the power S.
  • the wavelength in the short wavelength band of 0.98 xm, 1.06 xm, and 0.77 zm is very difficult to produce DFB laser diodes and is less demanding.
  • a laser diode is used. Therefore, a fiber grating that partially reflects only a specific wavelength is connected to the output of the semiconductor laser, and a part of the output light is reinjected into the semiconductor laser to control the oscillation wavelength to oscillate at the grating wavelength. I'm going.
  • FIG. 3 shows a configuration of a conventional semiconductor laser module.
  • LD semiconductor laser diode
  • FBG fiber grating
  • the semiconductor laser module includes a laser diode 31 and a polarization maintaining fiber 36 in which an FBG 35 is formed.
  • Light emitted from the laser diode 31 is coupled to the polarization maintaining fiber 36 included in the ferrule 34 via the lenses 32 and 33.
  • the laser diode 31 emits a 1064 nm band laser beam, and the reflection band of the FBG 35 is 60 pm.
  • the distance between the laser diode 31 and the FBG35 is 1.2 m, a reflection peak appears repeatedly in the reflection band at a wavelength interval of 0.27 pm (this corresponds to the resonance interval of 1.2 m above).
  • FIG. 4 shows an output spectrum of a light source that combines a conventional laser diode and a fiber grating.
  • temporal output fluctuations appear as a discontinuous output spectrum, and the spectrum with a full width at half maximum of about 10pm is in a multimode state with as many as 35 peaks.
  • FIG. 5 shows the result of measuring the output spectrum with an electric spectrum analyzer. It has a reflection peak at a position that is a multiple of about 85 MHz, corresponding to a wavelength interval of 0.27 pm.
  • a gas measuring device used for measuring environmental gas needs to analyze the absorption spectrum of a gas that appears sharply in contact with P.
  • the pressure width the absorption spectrum width
  • the mid-infrared light source uses a pseudo-single mode mode with a half-value width of about 0.8 pm (250 MHz). If it has a line width, Therefore, the gas measuring device is configured using the wavelength converter shown in FIG. 1 as a light source.
  • FIG. 7 shows a configuration of a conventional gas measurement device.
  • wavelength 10
  • the semiconductor laser 12 has a DF with a wavelength of 1567nm.
  • the mid-infrared light of wavelength ⁇ 3314 nm, which is the converted light C emitted from the wavelength conversion element 13, is collimated by the lens 25 and passes through the filter 27 that cuts the excitation light A and the signal light B. Later, it is branched into two paths.
  • One beam passes through a reference cell 20 in which no gas is sealed, and the intensity of transmitted light is measured by a light receiver 22.
  • the other beam passes through a gas cell 21 filled with methane gas (9 Torr), and then the transmitted light intensity is measured by a light receiver 23.
  • the measurement results of the two receivers 22 and 23 are standardized by the arithmetic unit.
  • the chopper 26 is used to perform ON / OFF modulation of the beam that passes through the senoles 20 and 21.
  • the lock-in amplifier 24 locks the outputs of the light receivers 22 and 23 at the modulation frequency to improve the measurement sensitivity.
  • the absorption spectrum can be measured with a resolution of about 200 pm (5.6 GHz at a wavelength of 3314 nm).
  • Figure 8 shows the absorption line spectrum of methane gas obtained by a conventional gas measuring device.
  • the wavelength conversion device shown in FIG. 1 is a compact, robust and easy-to-use light source by using a semiconductor laser, but the resolution is not sufficient.
  • the spectral line width is thick.
  • a line width of approximately 2.2 pm (600 MHz) or more is required.
  • in-line monitoring of gas flowing in pipelines is conceivable.
  • the current line width of semiconductor lasers that output pumping light has the power to correctly evaluate the target gas absorption line width.
  • the spectral line width of the converted light largely depends on the oscillation line widths of the two laser lights of the excitation light and the signal light.
  • a semiconductor laser with an oscillation line width of 1 MHz or less has been put into practical use, and it is necessary to reduce the oscillation line width of a semiconductor laser that outputs pump light to 1 MHz or less. It becomes.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser that outputs the excitation light shifts due to the change in the use environment temperature.
  • the wavelength of the converted light also shifts. Since the object to be measured is an absorption line with a fixed wavelength, such a wavelength shift greatly affects the measurement system. Therefore, it is necessary to generate the wavelength of the converted light that does not affect the change in the operating environment temperature.
  • An object of the present invention is to provide a light source and a gas measuring device that realizes a single spectral line width less than or equal to a half-value width of 0.004 pm (1 MHz) and is not affected by changes in the use environment temperature. .
  • Non-Patent Document 1 A. Ferrari, et al., 'Subkilohertz Fluctuations and Mode Hopping in High— Power Grating— Stabilized 980— nm Pumps, "IEEE J. of Lightwave Tech., Vol. 20, pp. 515-518 , 2002/3
  • the present invention provides a first laser that generates a first laser beam, a second laser that generates a second laser beam, and the first laser Laser light and the second laser
  • the second laser has a built-in diffraction grating, and the second laser is a light source including a non-linear optical crystal that inputs a single light and outputs coherent light by difference frequency generation or sum frequency generation.
  • a variable wavelength light source capable of sweeping the wavelength of light, wherein the first laser includes a semiconductor laser and a fiber grating having a reflection band narrower than a resonance wavelength interval determined by an element length of the semiconductor laser.
  • the first laser beam has a single spectral line width of a half width of 1 MHz or less.
  • the light source further includes a monitor that measures a use environment temperature, and a temperature control circuit that controls a set temperature of the second laser based on the use environment temperature measured by the monitor. You can also.
  • the light source may further include a monitor that measures the use environment temperature, and a drive circuit that controls the drive current of the second laser based on the use environment temperature measured by the monitor. it can.
  • the first laser may further include a temperature control circuit that controls a set temperature of the fiber grating.
  • the light source includes a wavelength meter that measures the wavelength of the first laser beam output from the first laser, and the wavelength of the first laser beam is set to a desired wavelength. And a temperature control circuit that controls a set temperature of the second laser based on the wavelength measured by the wavelength meter.
  • the light source includes a wavelength meter that measures the wavelength of the first laser beam output from the first laser, and the wavelength so that the wavelength of the first laser beam is a desired wavelength.
  • a drive circuit for controlling the drive current of the second laser based on the wavelength measured by the meter can be further provided.
  • the gas measuring device receives the beam through the light source, means for branching the beam output from the light source, and transmitting the reference cell and the gas cell, and passing through the reference cell and the gas cell. And a light receiver.
  • the gas measuring device may include a cell holding device that holds the reference cell and the gas cell.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a wavelength conversion device using a conventional quasi phase matching type wavelength conversion element
  • FIG. 2 is a diagram showing a phase matching curve when wavelength conversion is performed by difference frequency generation.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional semiconductor laser module.
  • Figure 4 shows the output spectrum of a light source that combines a conventional laser diode and fiber grating.
  • Fig. 5 shows the result of measuring the output spectrum with an electric spectrum analyzer.
  • Fig. 6 shows the result of measuring the output spectrum with an etalon.
  • Fig. 8 is a diagram showing the absorption line spectrum of methane gas obtained by a conventional gas measuring device.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a semiconductor laser module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing the results of measuring the output spectrum with an electric spectrum analyzer.
  • FIG. 12 is a diagram showing the results of measuring the output spectrum with an etalon.
  • Figure 13 shows the results of measuring the output spectrum by the delayed self-heterodyne method.
  • FIG. 14 is a diagram showing a configuration of the gas measuring device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 15 is an absorption line spectrum of methane gas obtained by the gas measuring device according to the first embodiment. A figure showing the kutonore,
  • FIG. 16 is a diagram showing the configuration of the gas measuring device according to Example 2 of the present invention.
  • FIG. 17 shows the dependence of the oscillation wavelength on the operating environment temperature in the semiconductor laser that outputs the signal light.
  • FIG. 18 is a diagram showing the ambient temperature dependence of the oscillation wavelength in a semiconductor laser module that outputs excitation light.
  • FIG. 19 is a diagram showing the configuration of the semiconductor laser module according to Example 3 of the present invention. 20] FIG. 20 shows the use environment temperature dependence of the oscillation wavelength in the laser diode that outputs the pumping light. Figure,
  • FIG. 21 is a diagram showing a configuration of a gas measuring device according to Example 4 of the present invention.
  • FIG. 22 is a diagram showing a configuration of a gas measuring device according to Example 5 of the present invention.
  • FIG. 23 is a diagram showing a configuration of a gas measuring device according to Example 6 of the present invention.
  • FIG. 24 is a diagram showing an absorption line spectrum of a gas obtained by a gas measuring device.
  • FIG. 9 shows the configuration of a semiconductor laser module that is useful in one embodiment of the present invention.
  • the semiconductor laser module includes a laser diode 51 and a polarization maintaining fiber 56 on which an FBG 55 is formed. Light emitted from the laser diode 51 is coupled to a polarization maintaining fiber 56 included in a ferrule 54 via lenses 52 and 53. The laser diode 51 is kept at a constant temperature by the Peltier element 57.
  • the laser diode 51 emits a 1064 nm band laser beam.
  • the element length is 1200 ⁇ m, and the resonant wavelength interval is 124 pm.
  • the reflectance on the side where the polarization maintaining fiber 56 is located is 0.1% and the opposite side is 90%.
  • the FBG 55 is installed in the module housing 58 together with the ferrule 54, and the distance between the laser diode 51 and the FB G55 is 2 cm.
  • the reflection band of FBG55 is 60 pm, the reflectance is 20%, and the reflection band is narrower than the resonance wavelength interval determined by the element length of the laser diode 51. As a result, only one resonance mode defined by the reflection between both end faces of the laser diode 51 is selected, so that oscillation in a single mode is possible.
  • FIG. 10 shows an output spectrum of the semiconductor laser module according to one embodiment of the present invention.
  • the spread of the spectrum is different, and this embodiment has a sharp spectrum overall.
  • FIG. 11 shows the result of measuring the output spectrum with an electric spectrum analyzer.
  • the optical length of the distance between the rear surface of the laser diode 51 (the side opposite to the FBG) and the FBG55 is about 2.4 cm. Therefore, repeated reflection peaks appear in the reflection band at a wavelength interval of 23pm (about 6GHz).
  • the measurement band of the electrical spectrum analyzer is 0-2GHz Therefore, no mode corresponding to this reflection peak has been observed.
  • this wavelength interval is narrower than the reflection band of FBG55, two modes may be selected. However, if one of the modes matches the resonance mode between both end faces of the laser diode 51, the oscillation threshold is lowered and oscillation is likely to occur. For this reason, it is possible to oscillate substantially in a single mode by sufficiently reducing the front surface (FBG side) reflectivity of the laser diode 51 to 0.1% or less.
  • FIG. 12 shows the result of measuring the output spectrum with an etalon. Width at half maximum of about 64 MHz (0.
  • the complete single-mode spectrum of 24pm can be observed both electrically and optically.
  • FIG. 14 shows the configuration of the gas measuring device according to Example 1 of the present invention.
  • the light source that combines the semiconductor laser 11 of the wavelength converter and the FBG 15 is replaced with the semiconductor laser module 71 shown in FIG.
  • the semiconductor laser 12 corresponding to the first laser is a DFB laser and can sweep the wavelength.
  • the semiconductor laser module 71 corresponding to the second laser has a wavelength conversion element 13 made of a nonlinear optical crystal having a single spectral line width of 250 MHz MHz or less at a half width of 50 mm and an inversion period of 50 mm. Is 28.4 ⁇ m and the conversion efficiency is 40% ZW.
  • the mid-infrared light which is the converted light C emitted from the wavelength conversion element 13, is collimated by the lens 25, passes through the filter 27 that cuts the excitation light A and the signal light B, and then passes through two paths. Branched.
  • One beam passes through a reference cell 20 that is not sealed with gas, and then is received.
  • the transmitted light intensity is measured by the optical device 22.
  • the other beam passes through a gas cell 21 filled with methane gas (9 Torr, 20 cm), and the transmitted light intensity is measured by a light receiver 23.
  • the measurement results of the two receivers 22, 23 are standardized and calculated by the arithmetic unit. Note that PbSe photoconductive elements are used as the light receivers 22 and 23. In order to improve the measurement sensitivity, lock-in detection is performed in the same way as before.
  • FIG. 15 shows an absorption line spectrum of methane gas obtained by the gas measuring apparatus according to Example 1.
  • the wavelength is swept by lnm in lpm steps.
  • the spectral structure below 20pm can be observed clearly separated. Quantitatively, it can be seen that the resolution can be improved about 25 times.
  • the wavelength of conversion is the
  • the resolution is limited to 20pm.
  • the wavelength of the semiconductor laser 12 can be made narrower than lpm, the wavelength step of the mid-infrared light becomes finer and the resolution can be reduced.
  • FIG. 16 shows the configuration of the gas measuring apparatus according to Example 2 of the present invention.
  • An operating environment temperature monitor 72 is added to the gas measuring device according to Example 1 shown in FIG.
  • the use environment temperature monitor 72 is connected to the drive circuit 12a and the temperature control circuit 12b, and feeds back information on the measured use environment temperature of the light source.
  • FIG. 17 shows the temperature dependence of the oscillation wavelength in a semiconductor laser that outputs signal light. Showing gender.
  • the oscillation wavelength of the DFB laser used as the semiconductor laser 12 1567nm is
  • FIG. 18 shows the ambient temperature dependence of the oscillation wavelength in the semiconductor laser module that outputs the excitation light.
  • Semiconductor laser module 71 oscillation wavelength; I 1064nm, F
  • Equation 2 The shift ⁇ ⁇ is given by (Equation 2) and is estimated to be 2.04 nm on the long wavelength side. That is,
  • the wavelength of the light source becomes variable on the long wavelength side of ⁇ 2.06 ⁇ m, so that it exceeds the scale range of FIG. End up. Since the absorption line spectrum of methane gas itself does not change, it is necessary to change the oscillation wavelength of the DFB laser if the operating environment temperature changes. Therefore, the wavelength of the light source is
  • Operating environment temperature is 1
  • the oscillation wavelength of the DFB laser It is necessary to shift the oscillation wavelength of the DFB laser to the short wavelength side by 429 pm at 5 ° C and 45 ° C. Since the temperature coefficient of the DFB laser used as the semiconductor laser 12 is 0. In mZ ° C, the set temperature of the semiconductor laser 12 is increased by 4.3 ° C. Thereby, the wavelength of the light source of a gas measuring device can be made substantially constant. If the evaluation result falls within the range of the scale, correction can be performed with reference to the absorption line wavelength spectrum unique to the gas.
  • the wavelength can be set at a rate of 10 pm / mA by changing the set current. According to this method, it is possible to make fine adjustments by orders of magnitude to change the set current by 1 mA rather than changing the temperature by 1 ° C. is doing.
  • FIG. 19 shows a configuration of a semiconductor laser module according to Example 3 of the present invention.
  • the semiconductor laser module includes a laser diode 91, a polarization maintaining fiber 96 on which an FBG 95 is formed, and a force.
  • Light emitted from the laser diode 91 is coupled to a polarization maintaining fiber 96 included in a ferrule 94 via lenses 92 and 93.
  • the laser diode 91 is kept at a constant temperature by the Peltier element 97, and the FBG 95 is kept at a constant temperature by the Peltier element 99.
  • the laser diode 91 emits 1064 nm band laser light.
  • the FBG 95 is installed in the module housing 98 together with the ferrule 94, and the distance between the laser diode 91 and the FBG 95 is 2 cm.
  • FBG95 has a reflection band of 60pm and a reflectance of 20%.
  • the ambient temperature changes from 15 ° C to 45 ° C, the oscillation wavelength shifts by 0.21 nm as shown in Fig. 18. Therefore, a Peltier element 99 was mounted so that the temperature of only the FBG95 could be controlled.
  • FIG. 20 shows the dependence of the oscillation wavelength on the operating environment temperature in the laser diode that outputs the excitation light.
  • the change in the selection wavelength ⁇ of FBG95 is only 2pm, which can be reduced to 1/100 compared to Fig. 18.
  • the absorption line spectrum can be measured in a certain wavelength range even when the use environment temperature fluctuates.
  • FIG. 21 shows the configuration of the gas measuring apparatus according to Example 4 of the present invention.
  • the semiconductor laser module 71 shown in FIG. 9 is replaced with the semiconductor laser module 101 shown in FIG.
  • the reference cell 20 and the gas sensor 21 are held in the gas cell holding devices 111 and 112, respectively.
  • Gas cell holding equipment By means of the devices 111 and 112, the cells can be exchanged without adjusting the optical axis or the like. Therefore, the absorption line spectrum of any gas can be evaluated.
  • FIG. 22 shows a configuration of the gas measuring apparatus according to Example 5 of the present invention.
  • a light power plastic 121 having a 10: 1 branching ratio is inserted between the semiconductor laser module 101 and the light power plastic 14.
  • a wavelength meter 123 is connected to the side branched to 1/10 of the optical power plastic 121.
  • a light power plug 122 having a 10: 1 branching ratio is inserted between the semiconductor laser 12 and the light power bra 14. Connect the wavelength meter 124 to the 1/10 branch of the light bra 122
  • a change from a desired wavelength is detected by the wavelength meter 123 and the wavelength meter 124, and fed back to each of the drive circuit 101a, the temperature control circuits 101b and 101c, and the drive circuit 12a and the temperature control circuit 12b. .
  • the drive current and the set temperature are changed.
  • the output of the light source can be controlled to have a desired wavelength, and the absorption line spectrum can be measured in a certain wavelength range.
  • FIG. 24 shows an absorption line spectrum of a gas measured in a certain environment.
  • the results shown in Fig. 8 should be obtained, but this is because a semiconductor laser that outputs pumping light and signal light without using fluctuations in ambient temperature was used. Since a measuring instrument that can directly measure the absorption line wavelength of gas has not been developed, the absorption line wavelength of gas is corrected by referring to the HITRAN database. Wavelength force indicated by the arrow in Fig. 24 It is thought that it was. In other words, the ambient temperature is shifted by about 5 ° C, and the wavelength of the excitation light is expected to be shifted by about 30 pm. When scanning with a high-resolution laser 101 in consideration of this environmental temperature fluctuation, the result shown in FIG. 15 can be obtained by shifting the wavelength of the signal light based on Equation 4. .
  • the drive current or set temperature of the semiconductor laser module 101 is changed by the drive circuit 101a or the temperature control circuits 101b and 101c in accordance with the use environment temperature.
  • the wavelength ⁇ of the output light from the light source of the gas detection device can be set to a stable wavelength range and stable
  • the gas measuring apparatus becomes large, but it goes without saying that the absorption spectrum can be measured by expanding the wavelength sweep width.
  • the evaluation was performed at a wavelength of 3.3 / im band of methane gas.
  • the transparent region is 0.35 to 5 ⁇ band. In this case, it is possible to generate converted light having an arbitrary wavelength.
  • the laser diode and the FBG are coupled using two lenses.
  • this can also be realized by the number of lenses and a coupling method that does not use a lens (for example, a coupling method that uses a tip ball fiber, V-groove, etc.).

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Description

明 細 書
光源およびガス計測装置
技術分野
[0001] 本発明は、光源およびガス計測装置に関し、より詳細には、単一なスペクトル線幅 を有する中赤外光を出力する光源、およびこの光源を用いたガス計測装置に関する 背景技術
[0002] 近年、環境問題が大きくクローズアップされ環境ガスの計測が重要となっている。環 境ガスの多くは、波長 2 μ m以上の中赤外域に基本振動またはその低次の倍音の吸 収線を有している。従って、中赤外域において高出力のコヒーレント光を発生する中 赤外光光源の需要が高まっている。このような光源として、二次非線形光学効果の一 種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用し た波長変換素子等が知られている (例えば、特許文献 1参照)。
[0003] 図 1に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換装置の構成を 示す。波長変換装置は、波長 I の励起光 Aを出力する半導体レーザ 11と、波長 λ
A
の信号光 Bを出力する半導体レーザ 12と、励起光 Aと信号光 Bとを合波して出力す
B
る光力ブラ 14と、合波された励起光 Aと信号光 Bとを入力し、波長; I の変換光 Cを出
C
力する非線形光学結晶からなる波長変換素子 13とから構成されている。半導体レー ザ 11 , 12には、それぞれ駆動回路 l la， 12aと温度制御回路 l ib, 12bとが接続さ れている。さらに、半導体レーザ 11と光力プラ 14との間には、ファイバグレーティング 15が揷入されている。
[0004] 変換光 Cの強度は、励起光 Aと信号光 Bの強度の積に比例するので、励起光 Aを 一定強度にしておけば、信号光 Bから変換光 Cへ波長のみを変換することができる。 ί列; ば、 λ = 0. 976 /i m、 λ = 1. 307 /i mのとさ、禾ロ周波として = 0. 559 /i
A B C
mが得られる。また、 λ = 1. 064 /i m、 え = 1. 567 /i mのとき、差周波としてえ =
A B C
3. 31 / m力 S得られる。従って、特定の波長を得るためには、励起光 Aと信号光 Bの 波長を厳密に制御する必要がある。 [0005] また、図 2に、差周波発生により 3. 31 β mの中赤外光を得るために、波長変換を 行う場合の位相整合曲線を示す。波長変換素子の位相整合帯域は、非常に狭いた めに、変換光を安定して出力させるためには、単一モードで発振する半導体レーザ であることが望ましい。
[0006] 1. 55 x m、 1. 31 x mの波長は、光通信の分野で使われている長波長帯であり、 半導体レーザとして、回折格子を内蔵し、単一波長で発振する DFBレーザダイォー ドを用レヽること力 Sできる。一方、 0. 98 x m、 1. 06 x m、 0. 77 z mの短波長帯の波 長は、 DFBレーザダイオードを作製するのは大変難しくかつ需要も少ないので、半 導体レーザとして通常多モード発振のレーザダイオードを用いている。そこで、特定 の波長のみを一部反射するファイバグレーティングを、半導体レーザの出力に接続し 、出力光の一部を半導体レーザに再注入することにより、発振波長をグレーティング 波長で発振するように制御してレ、る。
[0007] 図 3に、従来の半導体レーザモジュールの構成を示す。半導体レーザダイオード（ 以下、 LDという）とファイバグレーティング（以下、 FBGという）とを組み合わせると、 F BGを LDより lm程度以上離れた場所に設置して用いられることが多い（例えば、非 特許文献 1参照）。半導体レーザモジュールは、レーザダイオード 31と、 FBG35が形 成された偏波保持ファイバ 36とから構成されている。レーザダイオード 31からの出射 光は、レンズ 32, 33を介して、フエルール 34に内包された偏波保持ファイバ 36に結 合される。レーザダイオード 31は、 1064nm帯のレーザ光を出射し、 FBG35の反射 帯域は、 60pmである。レーザダイオード 31と FBG35との間隔を 1. 2mとした場合、 反射帯域の中に波長間隔 0. 27pm (これは上記 1. 2mの共振間隔に相当する）で 繰り返し反射ピークが表れることになる。
[0008] 図 4に、従来のレーザダイオードとファイバグレーティングとを組み合わせた光源の 出力スペクトルを示す。分解能 10pmの光スペクトラムアナライザで評価すると、図 4 に示すように、中心波長 λ = 1064nmで半値幅約 10pmの単一なスペクトルとして 測定される。しかし、実際には、時間的な出力変動が不連続な出力スペクトルとして 表れ、半値幅約 10pmのスペクトルの中には、 35本ものピークを有したマルチモード 状態になっている。 [0009] 図 5に、出力スペクトルを電気スペクトラムアナライザで測定した結果を示す。波長 間隔 0. 27pmに相当する約 85MHzの倍数の位置に反射ピークを有している。図 6 に、出力スペクトルをエタロンで測定した結果を示す。高分解能観測が可能なフアブ リ'ペロー'エタロン（FSR = 8GHz、フイネス = 359)を用いてスペクトルを観測する。 出力スペクトル全体が OFFレベルよりも持ち上がった状態になっており、単一モード が複数折り重なって 1つのモードに見えている擬似単一モードであることがわかる。 半値幅を概算するために点線にて外揷線を引くと、半値幅 6GHz程度（〜20pm)に なっており、擬似単一モードであることが電気的にも光学的にも観測される。
[0010] 環境ガスの計測に用いるガス計測装置は、 P 接してシャープに表れるガスの吸収 スペクトルを分析する必要がある。例えば、ガスの圧力によって変動する吸収スぺタト ル幅 (以下、圧力幅という）を直接観測する場合、中赤外光光源は、半値幅 0. 8pm ( 250MHz)程度の擬似単一モードのスぺクトノレ線幅を有していればよレ、。そこで、図 1に示した波長変換装置を光源として、ガス計測装置を構成する。
[0011] 図 7に、従来のガス計測装置の構成を示す。半導体レーザ 11には、波長え = 10
A
64nmのレーザダイオードを用い、半導体レーザ 12には、波長え = 1567nmの DF
B
Bレーザを用いる。波長変換素子 13から出射された変換光 Cである波長 λ = 3314 nmの中赤外光は、レンズ 25でコリメ一トイ匕され、励起光 Aと信号光 Bとをカットするフ ィルタ 27を透過後、 2つのパスに分岐される。一方のビームは、ガスの封入されてい ないレファレンスセル 20を透過後に、受光器 22で透過光強度が測定される。他方の ビームは、メタンガス（9Torr)の封入されたガスセル 21を透過後に、受光器 23で透 過光強度が測定される。 2つの受光器 22， 23の測定結果は、演算装置で規格化演 算される。
[0012] さらに、チョッパー 26を用いて、セノレ 20， 21を透過するビームを ON/OFF変調す る。受光器 22, 23の出力を、ロックインアンプ 24において、変調周波数でロックイン 検波することにより、測定感度の向上を図っている。半導体レーザ 12の発振波長を 温度により掃引することで、約 200pm (波長 3314nmで 5. 6GHz)の分解能で吸収 スペクトルを測定することができる。図 8に、従来のガス計測装置によって得られたメタ ンガスの吸収線スぺクトルを示す。 [0013] 図 1に示した波長変換装置は、半導体レーザを用いることにより、小型、堅牢で、使 い勝手の良い光源であるが、分解能が十分でない。すなわち、上述したように、圧力 幅を観測できる程度の擬似単一モードであるため、スペクトル線幅としては太レ、。医 療応用の分野では、例えば、呼気の吸収線を大気圧で観測 *評価するため、およそ 2. 2pm (600MHz)以上の線幅が必要となる。産業応用の分野では、パイプライン 中を流れるガスのインラインモニタが考えられる。この場合は真空度を高めていること 力、ら圧力が低くなつており、 100MHzを切るような吸収線幅を評価する必要がある。 これらの応用分野に適用するには、現状の励起光を出力する半導体レーザの線幅 では、対象とするガス吸収線幅を正しく評価することができな力、つた。
[0014] 変換光のスペクトル線幅は、励起光と信号光の 2つのレーザ光の発振線幅に大きく 依存する。信号光として用いる 1. 55 x m帯の半導体レーザは、発振線幅が 1MHz 以下の半導体レーザが実用化されており、励起光を出力する半導体レーザの発振 線幅も 1MHz以下に低減することが必要となる。
[0015] このように半導体レーザの線幅を狭帯域化したとして、使用環境温度の変化により 励起光を出力する半導体レーザの発振波長がシフトしてしまう。その結果、変換光の 波長もシフトしてしまうという問題点があった。被測定対象は、波長が固定されている 吸収線なので、このような波長シフトは、測定制度に大きな影響を与える。従って、使 用環境温度の変化に影響することなぐ変換光の波長を発生させる必要がある。
[0016] 本発明の目的は、半値幅 0. 004pm (1MHz)以下の単一なスペクトル線幅を実現 し、使用環境温度の変化の影響を受けない光源およびガス計測装置を提供すること にある。
[0017] 特許文献 1 :特開 2003— 140214号公報
非特許文献 1 :A. Ferrari, et al. , 'Subkilohertz Fluctuations and Mode H opping in High— Power Grating― Stabilized 980— nm Pumps, " IEEE J. of Lightwave Tech. , vol. 20, pp. 515 - 518, 2002/3
発明の開示
[0018] 本発明は、このような目的を達成するために、第 1のレーザ光を発生する第 1のレー ザと、第 2のレーザ光を発生する第 2のレーザと、前記第 1のレーザ光と前記第 2のレ 一ザ光とを入力し、差周波発生または和周波発生によりコヒーレント光を出力する非 線形光学結晶とを含む光源において、前記第 2のレーザは、回折格子を内蔵し、前 記第 2のレーザ光の波長を掃引することができる波長可変光源であり、前記第 1のレ 一ザは、半導体レーザと、該半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭 い反射帯域を有するファイバグレーティングとから構成され、前記第 1のレーザ光は、 半値幅 1MHz以下の単一なスぺクトノレ線幅を有することを特徴とする。
[0019] この光源は、使用環境温度を測定するモニタと、該モニタで測定された使用環境温 度に基づいて、前記第 2のレーザの設定温度を制御する温度制御回路とをさらに備 えることもできる。または、この光源は、使用環境温度を測定するモニタと、該モニタ で測定された使用環境温度に基づレ、て、前記第 2のレーザの駆動電流を制御する 駆動回路とをさらに備えることもできる。さらに、前記第 1のレーザは、前記ファイバグ レーティングの設定温度を制御する温度制御回路をさらに含むこともできる。
[0020] この光源は、前記第 1のレーザから出力される前記第 1のレーザ光の波長を測定す る波長計と、前記第 1のレーザ光の波長が所望の波長となるように、前記波長計で測 定された波長に基づいて、前記第 2のレーザの設定温度を制御する温度制御回路と をさらに備えることもできる。または、この光源は、前記第 1のレーザから出力される前 記第 1のレーザ光の波長を測定する波長計と、前記第 1のレーザ光の波長が所望の 波長となるように、前記波長計で測定された波長に基づいて、前記第 2のレーザの駆 動電流を制御する駆動回路とをさらに備えることもできる。
[0021] ガス計測装置は、この光源と、該光源から出力されたビームを分岐して、レフアレン スセルとガスセルとを透過させる手段と、前記レファレンスセルと前記ガスセルとを透 過してビームを受光する受光器とを備えたことを特徴とする。ガス計測装置は、前記 レファレンスセルと前記ガスセルとを保持するセル保持装置を備えることもできる。 図面の簡単な説明
[0022] [図 1]図 1は、従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換装置の構 成を示す図、
[図 2]図 2は、差周波発生により波長変換を行う場合の位相整合曲線を示す図、 [図 3]図 3は、従来の半導体レーザモジュールの構成を示す図、 [図 4]図 4は、従来のレーザダイオードとファイバグレーティングとを組み合わせた光 源の出力スペクトルを示す図、
園 5]図 5は、出力スペクトルを電気スペクトラムアナライザで測定した結果を示す図、 園 6]図 6は、出力スペクトルをエタロンで測定した結果を示す図、
園 7]図 7は、従来のガス計測装置の構成を示す図、
園 8]図 8は、従来のガス計測装置によって得られたメタンガスの吸収線スぺクトノレを 示す図、
園 9]図 9は、本発明の一実施形態に力かる半導体レーザモジュールの構成を示す 図、
[図 10]図 10は、本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールの出カスペ タトルを示す図、
[図 11]図 11は、出力スペクトルを電気スペクトラムアナライザで測定した結果を示す 図、
[図 12]図 12は、出力スペクトルをエタロンで測定した結果を示す図、
園 13]図 13は、出力スペクトルを遅延自己へテロダイン法で測定した結果を示す図、
[図 14]図 14は、本発明の実施例 1にかかるガス計測装置の構成を示す図、 園 15]図 15は、実施例 1にかかるガス計測装置によって得られたメタンガスの吸収線 スぺクトノレを示す図、
[図 16]図 16は、本発明の実施例 2にかかるガス計測装置の構成を示す図、 園 17]図 17は、信号光を出力する半導体レーザにおける発振波長の使用環境温度 依存性を示す図、
[図 18]図 18は、励起光を出力する半導体レーザモジュールにおける発振波長の使 用環境温度依存性を示す図、
[図 19]図 19は、本発明の実施例 3にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す図 園 20]図 20は、励起光を出力するレーザダイオードにおける発振波長の使用環境温 度依存性を示す図、
園 21]図 21は、本発明の実施例 4にかかるガス計測装置の構成を示す図、 [図 22]図 22は、本発明の実施例 5にかかるガス計測装置の構成を示す図、
[図 23]図 23は、本発明の実施例 6にかかるガス計測装置の構成を示す図、
[図 24]図 24は、ガス計測装置によって得られたガスの吸収線スペクトルを示す図であ る。
発明を実施するための最良の形態
[0023] 以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図 9に、本発明の一実施形態に力かる半導体レーザモジュールの構成を示す。半 導体レーザモジュールは、レーザダイオード 51と、 FBG55が形成された偏波保持フ アイバ 56とから構成されている。レーザダイオード 51からの出射光は、レンズ 52, 53 を介して、フエルール 54に内包された偏波保持ファイバ 56に結合される。レーザダイ オード 51は、ペルチェ素子 57により一定の温度に保たれている。
[0024] レーザダイオード 51は、 1064nm帯のレーザ光を出射する。素子長は 1200 μ mで あり、共振波長間隔は 124pmである。レーザダイオード 51の端面反射率は、偏波保 持ファイバ 56のある側の反射率を 0· 1 %、反対側を 90%とする。 FBG55は、フェル ール 54とともにモジュールの筐体 58内に設置されており、レーザダイオード 51と FB G55との間隔は 2cmである。 FBG55の反射帯域は 60pm、反射率 20%であり、レー ザダイオード 51の素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有する。これ により、レーザダイオード 51の両端面間の反射によって規定される共振モードは 1本 しか選択されないため、単一モードでの発振が可能となる。
[0025] 図 10に、本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールの出力スペクトル を示す。分解能 10pmの光スペクトラムアナライザで評価すると、図 10に示すように、 中心波長 λ = 1064nmで半値幅約 10pmの単一なスペクトルとして測定される。図 4 と比較すると、スペクトルの裾の広がり方が異なり、本実施形態の方が、全体的にシャ 一プなスぺクトノレになっている。
[0026] 図 11に、出力スペクトルを電気スペクトラムアナライザで測定した結果を示す。レー ザダイオード 51の後面（FBGと反対側）と FBG55との間隔の光学長が約 2. 4cmと なる。従って、反射帯域の中に波長間隔 23pm (約 6GHz)で繰り返し反射ピークが 表れることになる。し力し、電気スペクトラムアナライザの測定帯域が 0〜 2GHzである ため、この反射ピークに相当するモードは観測されていない。
[0027] なお、この波長間隔は FBG55の反射帯域より狭いため、 2本のモードが選択される 可能性がある。しかし、一方のモードがレーザダイオード 51の両端面間による共振モ ードと一致すると、発振閾値が低くなるので発振しやすくなる。このため、レーザダイ オード 51の前面 (FBG側）反射率を 0. 1 %以下へ十分に低めておくことにより、実質 的に単一モードで発振させることができる。
[0028] 図 12に、出力スペクトルをエタロンで測定した結果を示す。半値幅約 64MHz (0.
24pm)の完全な単一モードのスペクトルとなっていることが電気的にも光学的にも観 測できる。フアブリ'ぺロ一'エタロン（FSR = 8GHz、フイネス = 359)の分解能は、約 23MHzであり、ほぼ同程度のオーダであることから、実際の線幅はさらに狭いことも 考えられる。
[0029] 図 13に、出力スペクトルを遅延自己へテロダイン法で測定した結果を示す。遅延自 己へテロダイン法では、半導体レーザモジュールの出力を 2つに分け、一方に 5km の光ファイバを接続する。他方には、 AO (Acoust-Optical)変調器を接続して、発振 周波数を 100MHzシフトする。これらの 2つの出力を再び合波することにより、 100M Hzに生じたビート光を観測すると、約 300kHzの線幅が得られる。
実施例 1
[0030] 図 14に、本発明の実施例 1にかかるガス計測装置の構成を示す。図 7に示したガス 計測装置において、波長変換装置の半導体レーザ 11と FBG15とを組み合わせた 光源を、図 9に示した半導体レーザモジュール 71に置き換えた装置である。第 1のレ 一ザに相当する半導体レーザ 12は、 DFBレーザであり、波長を掃引することができ る。第 2のレーザに相当する半導体レーザモジュール 71は、上述したように、半値幅 250MHzMHz以下の単一なスぺクトノレ線幅を有する非線形光学結晶からなる波長 変換素子 13の素子長は 50mm、反転周期は 28. 4 μ m、変換効率は 40%ZWであ る。
[0031] 波長変換素子 13から出射された変換光 Cである中赤外光は、レンズ 25でコリメート 化され、励起光 Aと信号光 Bとをカットするフィルタ 27を透過後、 2つのパスに分岐さ れる。一方のビームは、ガスの封入されていないレファレンスセル 20を透過後に、受 光器 22で透過光強度が測定される。他方のビームは、メタンガス（9Torr、 20cm)の 封入されたガスセル 21を透過後に、受光器 23で透過光強度が測定される。 2つの受 光器 22, 23の測定結果は、演算装置で規格化演算される。なお、受光器 22， 23と して、 PbSe光導電素子を用いる。測定感度を向上するため、ロックイン検波を行う点 は、従来と同じである。
[0032] 図 15に、実施例 1にかかるガス計測装置によって得られたメタンガスの吸収線スぺ タトルを示す。半導体レーザ 12の発振波長を温度により掃引することで、波長を lpm 刻みで lnm掃引する。図 8の従来のガス計測装置と比較すると、 20pm以下のスぺク トル構造を、はっきりと分離して観測することができる。定量的には、分解能を約 25倍 改善できることがわかる。
[0033] 半導体レーザ 12として用いる DFBレーザの発振波長（λ = 1567nm)のシフトを
Δ λ とすると、変換光である中赤外光の波長; I のシフト Δ λ が生じる。このとき変
1 3 3
換光の波長え は、
3
1/ λ = 1/ λ - l/ λ (式 1)
3 1 2
で与えられる（λ = 3314nm)。ここで、半導体レーザモジュール 71の発振波長 λ
3 2
= 1064nmとする。式 1から変換光の波長シフト Δ λ は、
3
Δえ 〜 Δ λ χ ( λ / λ Ϋ (式 2)
3 1 3 1
で与えられる。 Δ λ = lpmとすれば Δ λ =4. 5pmと見積もられる。従って、反射ピ
1 3
ークをピークとして判別するためには、およそ 5つの測定ポイントを必要とするため、 分解能が 20pmに制限されている。半導体レーザ 12の波長を lpm刻みより狭くでき れば、中赤外光の波長ステップがさらに細かくなり、分解能を低減することが可能とな ることは言うまでもない。
実施例 2
[0034] 図 16に、本発明の実施例 2にかかるガス計測装置の構成を示す。図 14に示した実 施例 1にかかるガス計測装置に、使用環境温度モニタ 72を追加する。使用環境温度 モニタ 72は、駆動回路 12aおよび温度制御回路 12bに接続され、測定された光源の 使用環境温度の情報をフィードバックする。
[0035] 図 17に、信号光を出力する半導体レーザにおける発振波長の使用環境温度依存 性を示す。半導体レーザ 12として用いる DFBレーザの発振波長え = 1567nmは、
1
内蔵されているブラッググレーティングで決まる。使用環境温度範囲を 15°C 45°C として変化させた場合、半導体レーザ 12の発振波長シフト Δ λ =— 4pmを生じる。 このとき、変換光の波長シフト Δ λ は、
3
Δ λ ― Δ λ χ ( λ / λ ) 2 (式 3)
3 2 3 2
により、長波長側に 17. 9pmと見積もられる。
[0036] 図 18に、励起光を出力する半導体レーザモジュールにおける発振波長の使用環 境温度依存性を示す。半導体レーザモジュール 71の発振波長; I = 1064nmは、 F
2
BG55で決まる。使用環境温度を 15°C 45°Cとして変化させた場合、 FBG55の選 択波長 Δ λ が 0. 21nmだけほぼ直線的に比例して長波長側に変化する。すなわち
1
、使用環境温度変化により Δ λ への影響は非常に大きい。このとき、変換光の波長
3
シフト Δ λ は（式 2)で与えられ、長波長側に 2. 04nmと見積もられる。すなわち、変
3
換光の波長は、長波長側に（2· 04 + 0. 0179) nm = 2. 06nmシフトする。
[0037] ここで、図 15に示した吸収線スペクトルに、この波長シフトを適用すると、 - 2. 06η m長波長側に、光源の波長が可変になるので、図 15のスケール範囲を超えてしまう 。メタンガスの吸収線スペクトル自体は変わらないので、使用環境温度が変われば、 DFBレーザの発振波長え を変える必要がある。そこで、光源の波長が、図 15のスケ
1
ール範囲に入るようにするためには、
Δ λ Δ λ χ ( λ / λ Ϋ (式 4)
2 3 2 3
より、 DFBレーザの波長シフト Δえ =0. 429nmと見積もられる。使用環境温度が 1
2
5°Cの場合と 45°Cの場合とで、 DFBレーザの発振波長を 429pmだけ短波長側に移 動させる必要がある。半導体レーザ 12として用いる DFBレーザの温度係数は 0. In mZ°Cなので、半導体レーザ 12の設定温度を 4. 3°C高くする。これにより、ガス計測 装置の光源の波長をほぼ一定にすることができる。評価結果がスケール範囲内に入 つてレ、れば、ガス固有の吸収線波長スペクトルを基準として補正を行うことができる。
[0038] また、信号光を出力する DFBレーザの温度に加えて、設定電流を変化させることに より、 10pm/mAの割合で波長を設定することができる。この方法によれば、温度を 1°C変えるよりも、設定電流を 1mA変える方力 桁程度微細な調整ができることを表 している。
[0039] このようにして、使用環境温度が変動した場合でも、使用環境温度モニタ 72から駆 動回路 12aまたは温度制御回路 12bにフィードバックをかけることにより、駆動電流ま たは設定温度を併用して変化させる。これにより、ガス検出装置の光源からの出力光 の波長; I を、一定の波長範囲、安定したパワーでスキャンすることができる。
3
実施例 3
[0040] 図 19に、本発明の実施例 3にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す。半導 体レーザモジュールは、レーザダイオード 91と、 FBG95が形成された偏波保持ファ ィバ 96と力ら構成されている。レーザダイオード 91からの出射光は、レンズ 92, 93を 介して、フエルール 94に内包された偏波保持ファイバ 96に結合される。レーザダイォ ード 91は、ペルチェ素子 97により一定の温度に保たれ、 FBG95は、ペルチェ素子 99により一定の温度に保たれている。
[0041] レーザダイオード 91は、 1064nm帯のレーザ光を出射する。 FBG95は、フェルー ル 94とともにモジュールの筐体 98内に設置されており、レーザダイオード 91と FBG9 5との間隔は 2cmである。 FBG95の反射帯域は 60pm、反射率 20%である。使用環 境温度が 15°C〜45°Cまで変わると、図 18に示したように、発振波長が 0. 21nmだ けシフトしてしまう。そこで、 FBG95のみの温度を制御できるように、ペルチェ素子 99 を実装した。
[0042] 図 20に、励起光を出力するレーザダイオードにおける発振波長の使用環境温度依 存性を示す。使用環境温度を 15°C〜45°Cとして変化させた場合、 FBG95の選択波 長 Δ λ の変化は、 2pmだけであり、図 18と比較すると、 1/100に低減することがで
2
きる。このようにして、使用環境温度が変動した場合でも、一定の波長範囲で吸収線 スペクトルを測定することができる。
実施例 4
[0043] 図 21に、本発明の実施例 4にかかるガス計測装置の構成を示す。図 14に示したガ ス計測装置において、図 9に示した半導体レーザモジュール 71を、図 19に示した半 導体レーザモジュール 101に置き換えた装置である。また、レファレンスセル 20とガ スセノレ 21とを、それぞれガスセル保持装置 111 , 112に保持する。ガスセル保持装 置 111 , 112により、光軸等の調整をすることなぐセルの交換を行うことができる。従 つて、任意のガスの吸収線スぺクトノレを評価することができる。
実施例 5
[0044] 図 22に、本発明の実施例 5にかかるガス計測装置の構成を示す。半導体レーザモ ジュール 101の発振波長を測定するため、半導体レーザモジュール 101と光力プラ 1 4との間に 10 : 1の分岐比を有する光力プラ 121を揷入する。光力プラ 121の 1/10 に分岐された側に、波長計 123を接続する。また、半導体レーザ 12の発振波長を測 定するため、半導体レーザ 12と光力ブラ 14との間に 10 : 1の分岐比を有する光力プ ラ 122を挿入する。光力ブラ 122の 1/10に分岐された側に、波長計 124を接続する
[0045] 波長計 123および波長計 124により、所望の波長からの変化を検出し、駆動回路 1 01a、温度制御回路 101b, 101c,および駆動回路 12a、温度制御回路 12bのそれ ぞれにフィードバックする。これにより、使用環境温度が変化して、半導体レーザモジ ユール 101、半導体レーザ 12の発振波長が変化しても、駆動電流、設定温度を変化 させる。その結果、光源の出力を、所望の波長となるように制御することができ、一定 の波長範囲で吸収線スペクトルを測定することができる。
実施例 6
[0046] 図 23に、本発明の実施例 6にかかるガス計測装置の構成を示す。半導体レーザモ ジュール 101と光力プラ 14との間に、光スィッチ 133を挿入し、擬似マルチモードで 動作する半導体レーザ 131と FBG132とを組み合わせた光源を接続する。擬似マル チモードの場合は帯域が広いので、分解能が大きくなる。使用環境温度が変動した 場合に、大きな包絡線を観測できるので、温度変動に伴う光源の波長のずれが、ど の程度あるかを予め測定しておく。
[0047] 例えば、ある環境にて測定されたガスの吸収線スペクトルを図 24に示す。本来なら ば、図 8に示した結果が得られるはずだが、環境温度の変動を考慮せずに、励起光 、信号光を出力する半導体レーザを使用したためである。ガスの吸収線波長を直接 測定可能な測定器が開発されていないため、ガスの吸収線波長を、 HITRANデー タベースなどを参照し、補正を加える。図 24に矢印で示した波長力 約 0. 3nmずれ ていたと考えられる。すなわち、環境温度が 5°C程度ずれており、励起光の波長が 30 pm程度シフトしたと予想される。この環境温度の変動を考慮し、高分解能のレーザ 1 01でスキャンする場合には、信号光の波長を式 4に基づいてシフトしておくことにより 、図 15に示した結果を得ることができる。
[0048] 使用環境温度に応じて、駆動回路 101aまたは温度制御回路 101b, 101cにより、 半導体レーザモジュール 101の駆動電流または設定温度を変化させる。これにより、 ガス検出装置の光源からの出力光の波長 λ を、一定の波長範囲、安定したパワー
3
でスキャンすることができる。
産業上の利用可能性
[0049] 半導体レーザモジュール 71 , 101の代わりに、波長可変光源を用いれば、ガス計 測装置としては大きくなるが、波長掃引幅を拡大して吸収スペクトルを測定することが できることは言うまでもない。本実施形態においては、メタンガスの 3. 3 /i m帯の波長 で評価を行ったが、例えば、非線形光学結晶としてニオブ酸リチウムを用いれば、そ の透明領域である 0. 35〜5 μ ΐη帯において、任意の波長の変換光を発生させること ができる。
[0050] 本実施形態の半導体レーザモジュールでは、レーザダイオードと FBGとを、 2枚の レンズを用いて結合している。しかし、レンズの枚数やレンズを使わない結合方法（例 えば、先球ファイバ、 V溝などを用いた結合方法）によっても実現可能であることは言 うまでもない。

Claims

請求の範囲
[1] 第 1のレーザ光を発生する第 1のレーザと、第 2のレーザ光を発生する第 2のレーザ と、前記第 1のレーザ光と前記第 2のレーザ光とを入力し、差周波発生または和周波 発生によりコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む光源において、 前記第 2のレーザは、回折格子を内蔵し、前記第 2のレーザ光の波長を掃引するこ とができる波長可変光源であり、
前記第 1のレーザは、半導体レーザと、該半導体レーザの素子長で決まる共振波 長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとから構成され、
前記第 1のレーザ光は、半値幅 1MHz以下の単一なスペクトル線幅を有することを 特徴とする光源。
[2] 使用環境温度を測定するモニタと、
該モニタで測定された使用環境温度に基づいて、前記第 2のレーザの設定温度を 制御する温度制御回路と
をさらに備えたことを特徴とする請求項 1に記載の光源。
[3] 使用環境温度を測定するモニタと、
該モニタで測定された使用環境温度に基づレ、て、前記第 2のレーザの駆動電流を 制御する駆動回路と
をさらに備えたことを特徴とする請求項 1に記載の光源。
[4] 前記第 1のレーザは、前記ファイバグレーティングの設定温度を制御する温度制御 回路をさらに含むことを特徴とする請求項 1、 2または 3に記載の光源。
[5] 前記第 1のレーザから出力される前記第 1のレーザ光の波長を測定する波長計と、 前記第 1のレーザ光の波長が所望の波長となるように、前記波長計で測定された波 長に基づいて、前記第 2のレーザの設定温度を制御する温度制御回路と
をさらに備えたことを特徴とする請求項 1に記載の光源。
[6] 前記第 1のレーザから出力される前記第 1のレーザ光の波長を測定する波長計と、 前記第 1のレーザ光の波長が所望の波長となるように、前記波長計で測定された波 長に基づいて、前記第 2のレーザの駆動電流を制御する駆動回路と
をさらに備えたことを特徴とする請求項 1に記載の光源。
[7] 請求項 1ないし 6に記載のいずれかの光源と、
該光源から出力されたビームを分岐して、レファレンスセルとガスセルとを透過させ る手段と、
前記レファレンスセルと前記ガスセルとを透過してビームを受光する受光器と を備えたことを特徴とするガス計測装置。
[8] 前記レファレンスセルと前記ガスセルとを保持するセル保持装置を備えたことを特 徴とする請求項 7に記載のガス計測装置。
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