中赤外光源およびそれを用いた赤外光吸収分析装置
【課題】多くの環境ガスにおいて最も吸収が強くなる波長４μｍ帯の中赤外領域にて発光する光源を実現する。
【解決手段】第１の励起光を発生する第１のレーザと、第２の励起光を発生する第２のレーザと、前記第１の励起光と前記第２の励起光とを入力し、差周波発生により変換光を出力する非線形光学結晶からなる波長変換素子とを含む中赤外光源において、前記第１のレーザは、波長０．９７μｍから１．０４μｍの間の波長範囲で前記第１の励起光の波長を可変することができ、前記第２のレーザは、波長を１．２５μｍから１．３６μｍの間の任意の波長の前記第２の励起光を出力し、前記波長変換素子は、波長３．５μｍから５．８μｍの間の中赤外光を変換光として出力する。
【解決手段】第１の励起光を発生する第１のレーザと、第２の励起光を発生する第２のレーザと、前記第１の励起光と前記第２の励起光とを入力し、差周波発生により変換光を出力する非線形光学結晶からなる波長変換素子とを含む中赤外光源において、前記第１のレーザは、波長０．９７μｍから１．０４μｍの間の波長範囲で前記第１の励起光の波長を可変することができ、前記第２のレーザは、波長を１．２５μｍから１．３６μｍの間の任意の波長の前記第２の励起光を出力し、前記波長変換素子は、波長３．５μｍから５．８μｍの間の中赤外光を変換光として出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境ガス、人体の呼気、危険性を伴うガスおよび残留農薬などの光学的な極微量検出が可能な赤外光吸収分析装置、および赤外光吸収分析装置に用いる中赤外光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境保護、安全衛生上の観点から、ＮＯｘ、ＳＯｘ、炭化水素全般、アンモニア系等の環境ガス、水の吸収ピーク、または多くの有機系ガス、残留農薬などの極微量分析技術の確立が強く望まれている。極微量分析技術としては、被測定ガスを特定の物質に吸着させ、電気化学的手法により定量分析を行う方法と、被測定物質の固有の光学吸収特性を測定する方法とが一般的に知られている。
【０００３】
光学吸収特性を測定する方法は、実時間測定が可能であり、測定光の通過する広範囲な領域の観測が可能といった特徴を有している。被測定物質の吸収ピークは、原子間結合の振動回転モードに起因し、主に２μｍから２０μｍの中赤外領域にある。現在のところ、波長２μｍ以上の中赤外領域において、室温で安定な連続発振が可能なレーザは、実現されていない。産業上、中赤外光を出力するレーザ光源の必要性は高いものの、量子カスケードレーザが研究開発されているに留まり、利用可能な製品としてのレーザ光源がないことが大きな支障になっている。
【０００４】
中赤外領域における実用可能な光源が存在しないので、既存の通信用半導体レーザ（０．８μｍから２μｍ）を用いて光源を構成していた。この光源を用いて、各種ガスなどの微量分析を行う場合、本来の基本吸収波長の倍音（＝基本吸収波長の２分の１）、３倍音（＝基本吸収波長の３分の１）、これらの結合音における吸収を利用する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】D. Richter, et al., “Development of an automated diode-laser-based multicomponent gas sensor,” Applied Optics, Vol.39, No.24, p.4444-4450, 2000
【非特許文献２】Z. Cao, et al., “Broadband difference frequency generation around 4.2μm at overlapped phase-match conditions,” Opt. Commun. No.281, p.3878-3881, 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、倍音を用いると必要な感度を得られる場合があるものの、３倍音以上の高次の吸収ピークでの測定となると、吸収量そのものが小さいため、本来の基本吸収ピークにおける測定に比べ３桁程度以上の感度の低下を招くことになる。従って、環境ガス、危険性を伴うガスなどを分析する際に、高い検出感度を得るためには、中赤外レーザ光源の開発が不可欠である。
【０００７】
最近では、波長３μｍにおいて中赤外光を発生させ、ガスセンサー動作を確認したことが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。これらの報告は、主に周期変調構造を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：以下、ＬＮという）波長変換素子を用いて、差周波発生により中赤外光を発生させている。
【０００８】
また、波長４μｍ帯における波長可変光源の例としては、上記と同様に差周波発生によって実現した光源が報告されている。しかし、固体レーザであるＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３レーザを用いた光源（例えば、非特許文献２参照）に限られているため、システムが大型で可搬性がないことが欠点である。
【０００９】
本発明の目的は、多くの環境ガスにおいて最も吸収が強くなる波長４μｍ帯の中赤外領域にて発光する光源を実現することにより、飛躍的に感度が向上する赤外光吸収分析装置を提供することにある。具体的には、ＬＮ波長変換素子と、エネルギー変換効率が高く、波長制御精度が高くかつ容易であり、高出力のレーザであって、入手可能な波長域の半導体レーザ２台とを用いて、３．５〜５．８μｍの中赤外波長範囲の光を、差周波発生により発光する光源を用いる。これにより、多種のガス等を簡便・高感度に検出することができる赤外光吸収分析装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施態様は、第１の励起光を発生する第１のレーザと、第２の励起光を発生する第２のレーザと、前記第１の励起光と前記第２の励起光とを入力し、差周波発生により変換光を出力する非線形光学結晶からなる波長変換素子とを含む中赤外光源において、前記第１のレーザを、波長０．９７μｍから１．０４μｍの間の波長範囲で前記第１の励起光の波長を可変することができるレーザとし、前記第２のレーザを、波長を１．２５μｍから１．３６μｍの間の任意の波長の前記第２の励起光を出力するレーザとすることにより、前記波長変換素子は、波長３．５μｍから５．８μｍの間の中赤外光を変換光として出力することを特徴とする。
【００１１】
前記波長変換素子は、ＬｉＮｂＯ３結晶からなり、光導波路構造を有することを特徴とする。
【００１２】
この中赤外光源を、光源から出力された出力光を分岐し、一方の出力光を参照光として第１の光強度を測定し、他方の出力光をサンプルガスに導き、該サンプルガスからの透過光、反射光、散乱光または蛍光を受光して第２の光強度を測定し、前記第１および第２の光強度の比から前記サンプルガスの吸収を計量する赤外光吸収分析装置に適用することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、励起光光源として用いるレーザは、完成された通信波長帯の製品から得られるため、ＬＮ波長変換素子を用いた差周波発生により、３．５〜５．８μｍの中赤外波長範囲の光を、精度よく安定的に得ることが可能となる。このため、多くの環境ガスにおいて最も吸収が強くなる波長４μｍ帯の中赤外領域において、高精度かつ高感度な光吸収分析装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】環境ガスの光吸収強度の波長依存性を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる中赤外光源の構成を示す図である。
【図３】励起光（ポンプ光とシグナル光）と変換光（アイドラ光）との関係を示す図である。
【図４】実施例１にかかるガスセルを用いた赤外光吸収分析装置の構成を示す図である。
【図５】実施例１にかかる中赤外光源の発生効率を示す図である。
【図６】実施例１にかかる赤外光吸収分析装置による光吸収測定結果を示す図である。
【図７】不完全燃焼注意報濃度の大気中ＣＯを検出したときの予測スペクトルを示す図である。
【図８】大気中１００ｍの光路でＣＯを検出したときの予測スペクトルを示す図である。
【図９】実施例２にかかるガスセルを用いた赤外光吸収分析装置の構成を示す図である。
【図１０】シグナル光を波長可変にする場合とポンプ光を波長可変にする場合とにおけるアイドラ光の波長変換幅を示す図である。
【図１１】実施例３にかかるガスセルを用いた赤外光吸収分析装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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１に、代表的な環境ガスの光吸収強度の波長依存性を示す。上述したように、４μｍ帯近傍を中心とする中赤外領域で、これら環境ガスの吸収強度が最も高くなっていることがわかる。これは、ガス分子の基準振動（固有振動モードの基本波）周波数が、この波長帯に集中していることを暗に示している。波長３．５〜５．８μｍの波長範囲において、任意の波長を中心として波長を可変することができるレーザ光源が求められている。
【００１６】
上記の波長範囲において入手可能なコヒーレント光源は、上述したように、量子カスケードレーザ、またはＬＮ波長変換素子を用いた波長変換レーザを備えた光源である。従来、量子カスケードレーザは、実用レベルでの安定な室温動作が得られておらず、スペクトル幅、波長可変動作、光増幅の手法等、光源としての可制御性については、波長変換レーザを用いた光源に比較して難がある。
【００１７】
図２に、本発明の一実施形態にかかる中赤外光源の構成を示す。第１の励起光（ポンプ光）を出力する第１レーザ１と、第２の励起光（シグナル光）を出力する第２レーザ２と、ＬＮ波長変換素子３とを備えている。第１レーザ１の出力は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）５が形成された光ファイバ８により、光アイソレータ６を介して、合波器１０に接続されている。第２レーザ２の出力は、光ファイバ９により、光ファイバ増幅器４と光アイソレータ７とを介して、合波器１０に接続されている。合波器１０により合波された励起光は、レンズ１１を介してＬＮ波長変換素子３に入力され、レンズ１２を介して変換光（アイドラ光）が出力される。
【００１８】
第１レーザ１は、９７０ｎｍから１．０４μｍの間のいずれかの波長により単一縦モードで発振する。第１レーザ１は、反射率９０％以上の高反射膜１Ａと、反射率２％以下の低反射膜１Ｂとを備え、高反射膜１ＡとＦＢＧ５とからなる共振器により、出力波長の安定性を向上させている。第２レーザ２は、１．２５μｍ〜１．３６μｍの波長範囲で波長を可変することができる。ＬＮ波長変換素子３における非線形光学効果による差周波発生（ＤＦＧ）により、波長３．５〜５．８μｍのコヒーレントな変換光（アイドラ光）１３を得ることができる。このようにして、可制御性に優れた通信波長帯の半導体レーザを２台使用することにより、コヒーレントな中赤外光源を実現することができる。
【００１９】
図３に、励起光（ポンプ光とシグナル光）と変換光（アイドラ光）との関係を示す。ＬＮ波長変換素子３に光導波路が形成されている場合は、導波路分散を考慮しなければならないが、この波長範囲においては、波長シフトを考慮するだけで、ほぼ良好な素子設計が可能である。従って、図３による３波長の光を選択することにより、分極反転周期の設計も容易になる。
【００２０】
第１の励起光（ポンプ光）の波長をλ１、第２の励起光（シグナル光）の波長をλ２、出力される変換光（アイドラ光）の波長をλ３とすると、これらの関係は、
【００２１】
【数１】
【００２２】
で与えられる。ここで、波長λ３の変換光を効率よく発生させるためには、位相整合条件
【００２３】
【数２】
【００２４】
を満足する必要がある。式（２）において、ｋｉ（ｉ＝１，２，３）は、ＬＮなどの非線形光学結晶内を伝搬するレーザ光（励起光、変換光）の伝搬定数であり、λｉにおける非線形光学結晶の屈折率をｎｉとすると、
【００２５】
【数３】
【００２６】
となる。しかし、結晶のもつ分散特性により、一般的には、式（２）を満足することは難しい。
【００２７】
これを解決する方法として、非線形光学結晶を周期的に分極反転させた擬似位相整合法が用いられている。擬似位相整合法には、ＬＮなどの強誘電体結晶が有利である。強誘電体結晶の非線形光学定数の符号は、自発分極の極性に対応する。この自発分極を、光の伝搬方向に周期Λで変調した場合、位相整合条件は、
【００２８】
【数４】
【００２９】
で表される。特定の波長λ１、λ２を励起光として用いた場合は、式（１）、（４）を同時に満足し、高効率な差周波発生により波長λ３の変換光の発生が可能となる。
【００３０】
しかしながら、波長λ１、λ２を変化させて異なる波長λ３の差周波光を得ようとするとき、波長λ１、λ２が変動する場合は、式（４）式を満足することができず、差周波光λ３の強度は低下する。ここで、波長λ１、λ２、λ３、周期Λ、差周波光の発生効率ηとの関係について考える。まず、位相不整合量Δｋを、
【００３１】
【数５】
【００３２】
と定義する。このとき、ＬＮ波長変換素子の長をｌとすると、差周波光の発生効率ηは、Δｋとｌの積に依存し、
【００３３】
【数６】
【００３４】
と表される。式（６）において、ηｏはΔｋ＝０の時の差周波発生効率であり、ηｏはＬＮなどの強誘電体結晶の非線形光学定数、励起光強度、素子の長さなどで決まる。従って、ηｏは、２つのレーザから入力される光強度の積に比例する。
【００３５】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
【実施例１】
【００３６】
図４に、実施例１にかかるガスセルを用いた赤外光吸収分析装置の構成を示す。第１の励起光（ポンプ光）を出力する第１レーザ２１と、第２の励起光（シグナル光）を出力する第２レーザ２２と、ＬＮ波長変換素子２３とを備えている。第１レーザ２１の出力は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）２５が形成された光ファイバ２８により、光アイソレータ２６を介して、合波器３０に接続されている。第２レーザ２２の出力は、光ファイバ２９により、合波器３０に接続されている。合波器３０により合波された励起光は、ＬＮ波長変換素子２３に入力され、レンズ３２を介して変換光（アイドラ光）３３が出力される。
【００３７】
第１レーザ２１は、波長λ１＝０．９７〜１．０４μｍの間の任意の波長で発振する。第１レーザ２１は、反射率９０％以上の高反射膜２１Ａと、反射率２％以下の低反射膜２１Ｂとを備え、高反射膜２１ＡとＦＢＧ２５とからなる共振器により、出力波長の安定性を向上させている。第２レーザ２２は、波長λ２＝１．２５μｍ〜１．３６μｍの波長範囲で波長を可変することができる。
【００３８】
ＬＮ波長変換素子２３には、光導波路２３Ａが形成され、非線形光学効果による差周波発生（ＤＦＧ）により、波長３．５〜５．８μｍのコヒーレントな変換光（アイドラ光）３３を得ることができる。なお、光ファイバ２９には、必要に応じて光ファイバ増幅器、光アイソレータを挿入してもよい。また、合波器３０の出力とＬＮ波長変換素子２３との結合を、バッティング結合としたが、レンズ結合としても良い。
【００３９】
ＬＮ波長変換素子２３の温度調整を行い、第１レーザ２１の波長λ１を固定し、第２レーザ２２の波長λ２を可変したところ、波長λ２の変化に応じて、変換光３３の波長λ３が変化することを確認した。
【００４０】
ＬＮ波長変換素子２３の出力は、レンズ３２でコリメート化され、チョッパー４０を介して、波長フィルタ３４に入力され、変換光３３のみが取り出される。波長フィルタ３４は、例えばＧｅやＳｉなどからなり、ダイクロイックミラーを用いてもよい。変換光３３は、チョッパー４０により、ロックインアンプ３９Ａ，３９Ｂと同期してＯＮ／ＯＦＦ変調され、ビームスプリッタ４３により、２つのパスに分岐される。チョッパー４０とロックインアンプ３９Ａ，３９Ｂとは、ＯＮ／ＯＦＦ信号である参照信号４１により、同期している。
【００４１】
一方のビームは、参照光３７として、光検出器３８Ｂで光強度が測定される。他方のビームは、被測定ガスであるサンプルガスが封入されたガスセル３５を透過後に、透過光３６として、光検出器３８Ａで光強度が測定される。ガスセル３５は、光路長が２０ｃｍで、窓材は中赤外領域では吸収材になってしまうが、無水石英を用いている。光検出器３８Ａ，３８Ｂは、例えば、ＩｎＳｂ、ＨｇＣｄＴｅ、ＣｄＳｅなどからなる。光検出器３８Ａ，３８Ｂの測定結果は、ロックインアンプ３９Ａ，３９Ｂに入力され、ＯＮ／ＯＦＦ変調の変調周波数でロックイン検波される。
【００４２】
図５に、実施例１にかかる中赤外光源の発生効率を示す。ＬＮ波長変換素子２３の素子長は５０ｍｍ、反転周期Λ＝２５．２μｍの分極反転構造を有し、光導波路２３Ａが形成されている。ＬＮ波長変換素子２３を３３．３度に温度調整し、差周波発生を用いて、変換光を出力させる。第１レーザ２１のポンプ光の波長λ１＝１．０３μｍ、パワー＝４ｍＷで固定し、第２レーザ２２のシグナル光の波長λ２＝１．３３μｍ帯とし、変換光（アイドラ光）３３の波長λ３＝４．７μｍ近傍の波長域を得たときの波長変換効率である。波長λ３＝４．７μｍ近傍で出力最大となる温度条件の下、発生効率η＝４％／Ｗであった。
【００４３】
なお、素子長５０ｍｍで光導波路２３Ａが形成されたＬＮ波長変換素子２３の場合は、素子性能のバラツキから、変換効率は０．２％／Ｗ〜８％／Ｗと幅があった。一方、ＬＮ波長変換素子が素子長１８ｍｍのバルク結晶素子の場合は、変換効率は０．０１％／Ｗ前後とほぼ一定であった。
【００４４】
図４の測定系に、この中赤外光源を用いて、同位体分子種（Isotopomer）として知られる１３ＣＯと１２ＣＯの分光実験を行った。具体的には、３００Ｔｏｒｒの１３ＣＯと０．１５Ｔｏｒｒの１２ＣＯを封入したガスセル３５中の吸収を観測した。ガスセル３５を透過してきた透過光３６および参照光３７のパワーを、光検出器３８Ａ，３８Ｂで受光し、ロックインアンプ３９Ａ，３９Ｂでそれぞれの透過光強度ＰＡと参照光強度ＰＢを測定する。
【００４５】
図６に、実施例１にかかる赤外光吸収分析装置による光吸収測定結果を示す。図６（ａ）は、ロックインアンプ３９Ａによる透過光３６の検出スペクトルＰＡであり、図６（ｂ）は、ロックインアンプ３９Ｂによる参照光３７の検出スペクトルＰＢである。図６（ｃ）は、ＰＡ／ＰＢから求めたガスセルの透過率特性である。基準振動νに基づく振動回転スペクトルが得られる。図６（ｃ）の透過率曲線には明確に２本の吸収線が確認できるが、それぞれの吸収線の帰属に関しては、１３ＣＯはＲ（２４）、１２ＣＯはＲ（８）であることをＨＩＴＲＡＮデータベースの解析結果より確認した。ここで用いた１２ＣＯの濃度は１９０ｐｐｍに相当する。不完全燃焼警報濃度＝５５０ｐｐｍ、不完全燃焼注意報濃度＝３００ｐｐｍであることから、ガス検出精度として十分な測定結果である。
【００４６】
図７に、不完全燃焼注意報濃度の大気中ＣＯを検出したときの予測スペクトルを示す。図７（ａ）は、３００ｐｐｍの１２ＣＯが大気中に存在する場合、光路２０ｃｍにおける吸収を、ＨＩＴＲＡＮデータベースを用いた解析した結果である。図７（ｂ）は、１２ＣＯのＲ（８）付近の拡大図である。図６（ｃ）と比較すると、ガスセル中のＣＯ観測の結果は充分使用に耐えるものと言える。
【００４７】
図８に、大気中１００ｍの光路でＣＯを検出したときの予測スペクトルを示す。図８（ａ）は、大気中の光路１００ｍにおける吸収を示し、図７（ｂ）は、１２ＣＯのＲ（８）付近の拡大図である。大気中の計測では、周囲に存在する干渉ガスや吸収線の圧力拡がりによって、所望の観測ができない場合も少なくない。大気中の１２ＣＯ濃度が１００ｐｐｂ以下の希薄濃度の測定であっても、１２ＣＯのＲ（８）には干渉ガスの吸収が影響しないため、２０ｃｍ以下の光路長で充分に検出することができる。従って、現状の不完全燃焼注意報濃度を検出する警報器と比較して、より高感度なセンサーを実現できることが明らかとなった。
【００４８】
なお、実施例１において、変換光３３の波長λ３は、励起光の発生源である第１レーザ２１の波長λ１を光スペアナで測定した値と、波長可変の第２レーザ２２の指示波長λ２の値とから推定できる。さらに、ガスセル３５を用いてガスの吸収線により、正確に確認することができる。
【００４９】
実施例１では、第１レーザ２１の波長を固定とし、第２レーザ２２の波長を可変としたが、第２レーザ２２の波長を固定とし、第１レーザ２１の波長を可変として光源を構成しても差し支えない。また、実施例１では、透過光を測定対象にして赤外光吸収分析装置を構成しているが、反射光、散乱光、または蛍光などの発光を用いて系を構成しても良い。 実施例１は、光導波路２３Ａが形成されたＬＮ波長変換素子２３（導波路素子）を用いた場合の結果であるが、擬似位相整合技術を用いて作製したバルク結晶素子の場合も、導波路素子に比較すると中赤外光出力の低下は避けられない。しかし、図４の測定系の検出感度が高いこともあって、同様にＣＯガスの検出は容易であった。
【００５０】
実施例１では、光路長２０ｃｍのガスセルを用いて吸収測定を行っているが、大気中に含まれる温室効果ガスに代表される環境ガスの検出、希薄ガスの検出にはマルチパスセルが便利である。ガスセル３５をマルチパスセルに置き換えて測定器を構成しても良い。また、このマルチパスセルに関しては、特に制限は無く、用途に応じてホワイトセル、ハンストセル、エリオットセルなどを用いても良い。これらのマルチパスセルの使用は、減圧状態での測定が望ましい場合は、条件に応じて減圧下での測定も可能となるため、圧力幅の影響が未知であるガスの分析などでは、非常に便利である。
【００５１】
実施例１では、変換光３３をＯＮ／ＯＦＦ変調しているが、励起光のいずれかに強度変調または周波数変調を施して、変調信号を参照信号４１としてロックイン検波しても良い。なお、直接変調を用いるのであれば、波長、出力パワーが固定されている第１レーザ２１に変調を施し、外部変調器を用いるのであれば、第１レーザ２１、第２レーザ２２のいずれでも良い。ただし、周波数変調を用いる場合は、変調の周波数偏移にも依存するが、解析的には微分検波となる。
【実施例２】
【００５２】
図９に、実施例２にかかるガスセルを用いた赤外光吸収分析装置の構成を示す。図４に示した実施例１の構成と異なる部分について説明する。第１の励起光（ポンプ光）を出力する第１レーザ１２１は、波長λ１＝０．９７〜１．０４μｍ帯の波長範囲で波長を可変することができる。第１レーザ１２１の出力は、光ファイバ２８により、光アイソレータ２６を介して、合波器３０に接続されている。第２の励起光（シグナル光）を出力する第２レーザ１２２は、波長λ２＝１．２５μｍ〜１．３６μｍ帯の任意の波長で発振する。第２レーザ１２２の出力は、光ファイバ２９により、合波器３０に接続されている。
【００５３】
図３に示したように、３μｍ〜６μｍの変換光（アイドラ光）を得る場合に、波長λ１の第１の励起光（ポンプ光）を固定波長とせず波長可変とすると、第２の励起光（シグナル光）を一定の波長としても、広範囲にポンプ光の波長を掃引できることがわかる。ポンプ光の波長掃引範囲は、アイドラ光の波長可変範囲に影響するので、従来にない広波長帯域の中赤外光が得られる。この中赤外光を用いて、赤外光吸収分析装置を構成すれば、自ずと広波長帯域の赤外光吸収分析装置を得ることができる。
【００５４】
ＬＮ波長変換素子１２３は、素子長１８ｍｍのバルクのＬＮ結晶からなり、分極反転周期Λ＝２５μｍ〜３０μｍの範囲とする。図３に示したように、非線形光学効果による差周波発生（ＤＦＧ）により、波長３μｍ〜６μｍのコヒーレントな変換光（アイドラ光）３３を得ることができる。
【００５５】
図１０に、シグナル光を波長可変にする場合とポンプ光を波長可変にする場合とにおけるアイドラ光の波長変換幅を示す。素子長１８ｍｍ、分極反転周期Λ＝２７μｍのＬＮ波長変換素子１２３を用いて、３．７μｍ帯のアイドラ光を出力する。図１０（ａ）は、比較のため、実施例１と同様に、第１の励起光（ポンプ光）のλ１を一定にし、第２の励起光（シグナル光）の波長λ２を可変にした場合を示す。図１０（ｂ）は、実施例２において、第２の励起光（シグナル光）の波長λ２を一定にし、第１の励起光（ポンプ光）のλ１を可変にした場合を示す。
【００５６】
一見してもわかるように、シグナル光を一定としてポンプ光を波長可変とする方が、変換光（アイドラ光）の変換幅は１０倍以上広くなる。図１０（ａ）では、アイドラ光の波長範囲３．７μｍ帯で２０ｎｍ（図中符号Ｘａ）であるのに対して、図１０（ｂ）では、アイドラ光の波長範囲で２２０ｎｍ（図中符号Ｘｂ）を超える。他の波長域においても程度の差こそあれ、同様に変換幅を拡大することができる。
【００５７】
実施例１と同様に、素子長５０ｍｍで光導波路が形成されたＬＮ波長変換素子を用いた場合、変換光（アイドラ光）の変換幅は、アイドラ光の波長範囲で１００ｎｍを超える。この値は、第２の励起光（シグナル光）を波長可変（波長λ２＝１．２５μｍ〜１．３６μｍ）する場合と比較して、広波長帯域が得られる。
【００５８】
当然のことながらＬＮ波長変換素子１２３の設定温度を変えると、位相整合波長が変化する。実施例２では、素子の温度を９０度に設定した結果を示した。ＬＮの屈折率の材料分散の性質より、温度を下げると位相整合曲線が双方性を示す。これを許容すると、ポンプ光の波長換算で、各々のピーク波長が０．５ｎｍ／℃程度（３．７μｍ帯のアイドラ光波長の領域では各々７ｎｍ／℃程度）、波長範囲を拡大することができる。従って、ＬＮ波長変換素子の温度調整を同時に行えば、さらに波長範囲を拡大できることがわかる。
【実施例３】
【００５９】
図１１に、実施例３にかかるガスセルを用いた赤外光吸収分析装置の構成を示す。第１の励起光（ポンプ光）を出力する第１レーザ５１と、第２の励起光（シグナル光）を出力する第２レーザ５２と、ＬＮ波長変換素子５３とを備えている。第１レーザ５１の出力は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）５５が形成された光ファイバ５８により、光アイソレータ５６を介して、合波器６０に接続されている。第１レーザ５１は、反射率９０％以上の高反射膜５１Ａと、反射率２％以下の低反射膜５１Ｂとを備え、高反射膜５１ＡとＦＢＧ５５とからなる共振器により、出力波長の安定性を向上させている。第２レーザ５２の出力は、光ファイバ５９により、合波器６０に接続されている。合波器６０により合波された励起光は、ＬＮ波長変換素子５３に入力され、レンズ６２を介して変換光（アイドラ光）６３が出力される。
【００６０】
ＬＮ波長変換素子５３は、光導波路５３Ａが形成され、非線形光学効果による差周波発生（ＤＦＧ）により、コヒーレントな変換光（アイドラ光）６３を得ることができる。ＬＮ波長変換素子５３の温度調整を行い、第１レーザ５１の波長λ１を固定し、第２レーザ５２の波長λ２を可変したところ、波長λ２の変化に応じて、変換光６３の波長λ３が変化することを確認した。
【００６１】
ＬＮ波長変換素子５３の出力は、レンズ６２でコリメート化され、チョッパー７０を介して、波長フィルタ６４に入力され、変換光６３のみが取り出される。変換光６３は、チョッパー７０により、ロックインアンプ６９Ａ，６９Ｂと同期してＯＮ／ＯＦＦ変調され、ビームスプリッタ７３により、２つのパスに分岐される。チョッパー７０とロックインアンプ６９Ａ，６９Ｂとは、ＯＮ／ＯＦＦ信号である参照信号７１により、同期している。一方のビームは、参照光６７として、光検出器６８Ｂで光強度が測定される。他方のビームは、大気中を透過後に、透過光６６として、光検出器６８Ａで光強度が測定される。光検出器６８Ａ，６８Ｂの測定結果は、ロックインアンプ６９Ａ，６９Ｂに入力され、ＯＮ／ＯＦＦ変調の変調周波数でロックイン検波される。
【００６２】
実施例１と異なるところは、実施例３の赤外光吸収分析装置は、漏洩ガスの検出などに関わる大気中のガス測定を対象としている。参照光６７のパスと透過光６６のパスの光路長を変えることにより、実施例１と同様に、ＰＡ／ＰＢから大気中のガスの透過率特性を求めることができる。
【００６３】
２００５年のわが国の大気中には、ＣＯ２は３８０ｐｐｍ程度含まれていることが報告されている。人体から発せられる呼気中には、炭酸ガスも含めて通常４％のＣＯ２が含まれている。実施例３の赤外光吸収分析装置を用いて、参照光６７のパスと透過光６６のパスの光路長を等しくし、一方のパスに呼気を吹きかければ、呼気分析を容易に実現することができる。
【００６４】
呼気分析では、４．２４μｍ近傍または４．２８μｍ近傍の吸収が最も大きいので、この波長領域では、短い光路長での分析が可能となる。これら波長領域は、第１レーザ５１の第１の励起光（ポンプ光）のλ１を９８０ｎｍとし、第２レーザ５２の第２の励起光（シグナル光）の波長λ２を１．２７５μｍまたは１．２７１μｍとし、差周波発生により得られる。ただし、大気中のＣＯ２は、他の希薄なガスとは異なり含有率も高いため、この波長領域での吸収は、しばしば強すぎてスペクトルの波形が歪みを呈することがある。吸収強度の測定など数値化することが必要になる場合は、注意が必要である。
【００６５】
ＣＯ２と同様に温室効果ガスとして注目されるＮ２Ｏの吸収観測は、４．５３１μｍ近傍または４．４６８μｍ近傍が簡便である。これら波長領域は、第１の励起光（ポンプ光）のλ１を９８０ｎｍとし、第２の励起光（シグナル光）の波長λ２を１．２５０μｍまたは１．２５５μｍとし、差周波発生により得られる。大気中には、Ｎ２Ｏが５００ｐｐｂ存在しているため、観測も容易である。大気中で数１０ｍ〜１００ｍの光路長を確保することができれば、マルチパスセルの使用の有無にかかわらず、数％〜１０％のＮ２Ｏの吸収観測を行うことができる。
【００６６】
呼気分析によって肝臓に疾患を持つ患者を発見するなど、医用応用でも注目されている。ＣＯＳは４．８６μｍ近傍での検出が容易である。この波長領域は、第１の励起光（ポンプ光）のλ１を１．０３μｍとし、第２の励起光（シグナル光）の波長λ２を１．３０７μｍとし、差周波発生により得られる。なお、大気中で数１０ｍ〜１００ｍの光路長を確保することができれば、Ｎ２Ｏと同様に、大気中のＣＯＳの吸収観測も可能である。
【００６７】
本実施形態によって実現される４μｍ帯を中心とする中赤外光源は、ＬＮ波長変換素子に、レーザからの励起光を入射するだけで、従来にない高効率で室温動作が可能な波長可変光源となる。励起光光源として用いるレーザは、完成された通信波長帯の製品から得られるため、光源仕様が優れており、差周波発生による中赤外光源としての仕様も確保されることになる。具体的には、中心波長、周波数掃引の精度、分光には欠かせない安定な単一縦モード発振、スペクトル幅の確保など、従来の中赤外領域の光源からは得ることができない性能が確保される。また、コンパクトな光源を構成することができ、省資源であることも特筆すべきことである。
【符号の説明】
【００６８】
１，２１，５１，１２１ 第１レーザ
１Ａ，２１Ａ，５１Ａ 反射率９０％以上の高反射膜
１Ｂ，２１Ｂ，５１Ｂ 反射率２％以下の低反射膜
２，２２，５２，１２２ 第２レーザ
３，２３，５３，１２３ ＬＮ波長変換素子
４ 光ファイバ増幅器
５，２５，５５ ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）
６，７，２６，５６ 光アイソレータ
８，９，２８，２９，５９ 光ファイバ
１０，３０，６０ 合波器
１１，１２，３２，６２ レンズ
１３，３３，６３ 変換光（アイドラ光）
２３Ａ，５３Ａ 光導波路
３４，６４ 波長フィルタ
３５ ガスセル
３６，６６ 透過光
３７，６７ 参照光
３８Ａ，３８Ｂ，６９Ａ 光検出器
３９Ａ，３９Ｂ，６９Ｂ ロックインアンプ
４０，７０ チョッパー
４１，７１ 参照信号
４３，７３ ビームスプリッタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境ガス、人体の呼気、危険性を伴うガスおよび残留農薬などの光学的な極微量検出が可能な赤外光吸収分析装置、および赤外光吸収分析装置に用いる中赤外光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境保護、安全衛生上の観点から、ＮＯｘ、ＳＯｘ、炭化水素全般、アンモニア系等の環境ガス、水の吸収ピーク、または多くの有機系ガス、残留農薬などの極微量分析技術の確立が強く望まれている。極微量分析技術としては、被測定ガスを特定の物質に吸着させ、電気化学的手法により定量分析を行う方法と、被測定物質の固有の光学吸収特性を測定する方法とが一般的に知られている。
【０００３】
光学吸収特性を測定する方法は、実時間測定が可能であり、測定光の通過する広範囲な領域の観測が可能といった特徴を有している。被測定物質の吸収ピークは、原子間結合の振動回転モードに起因し、主に２μｍから２０μｍの中赤外領域にある。現在のところ、波長２μｍ以上の中赤外領域において、室温で安定な連続発振が可能なレーザは、実現されていない。産業上、中赤外光を出力するレーザ光源の必要性は高いものの、量子カスケードレーザが研究開発されているに留まり、利用可能な製品としてのレーザ光源がないことが大きな支障になっている。
【０００４】
中赤外領域における実用可能な光源が存在しないので、既存の通信用半導体レーザ（０．８μｍから２μｍ）を用いて光源を構成していた。この光源を用いて、各種ガスなどの微量分析を行う場合、本来の基本吸収波長の倍音（＝基本吸収波長の２分の１）、３倍音（＝基本吸収波長の３分の１）、これらの結合音における吸収を利用する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】D. Richter, et al., “Development of an automated diode-laser-based multicomponent gas sensor,” Applied Optics, Vol.39, No.24, p.4444-4450, 2000
【非特許文献２】Z. Cao, et al., “Broadband difference frequency generation around 4.2μm at overlapped phase-match conditions,” Opt. Commun. No.281, p.3878-3881, 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、倍音を用いると必要な感度を得られる場合があるものの、３倍音以上の高次の吸収ピークでの測定となると、吸収量そのものが小さいため、本来の基本吸収ピークにおける測定に比べ３桁程度以上の感度の低下を招くことになる。従って、環境ガス、危険性を伴うガスなどを分析する際に、高い検出感度を得るためには、中赤外レーザ光源の開発が不可欠である。
【０００７】
最近では、波長３μｍにおいて中赤外光を発生させ、ガスセンサー動作を確認したことが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。これらの報告は、主に周期変調構造を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：以下、ＬＮという）波長変換素子を用いて、差周波発生により中赤外光を発生させている。
【０００８】
また、波長４μｍ帯における波長可変光源の例としては、上記と同様に差周波発生によって実現した光源が報告されている。しかし、固体レーザであるＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３レーザを用いた光源（例えば、非特許文献２参照）に限られているため、システムが大型で可搬性がないことが欠点である。
【０００９】
本発明の目的は、多くの環境ガスにおいて最も吸収が強くなる波長４μｍ帯の中赤外領域にて発光する光源を実現することにより、飛躍的に感度が向上する赤外光吸収分析装置を提供することにある。具体的には、ＬＮ波長変換素子と、エネルギー変換効率が高く、波長制御精度が高くかつ容易であり、高出力のレーザであって、入手可能な波長域の半導体レーザ２台とを用いて、３．５〜５．８μｍの中赤外波長範囲の光を、差周波発生により発光する光源を用いる。これにより、多種のガス等を簡便・高感度に検出することができる赤外光吸収分析装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施態様は、第１の励起光を発生する第１のレーザと、第２の励起光を発生する第２のレーザと、前記第１の励起光と前記第２の励起光とを入力し、差周波発生により変換光を出力する非線形光学結晶からなる波長変換素子とを含む中赤外光源において、前記第１のレーザを、波長０．９７μｍから１．０４μｍの間の波長範囲で前記第１の励起光の波長を可変することができるレーザとし、前記第２のレーザを、波長を１．２５μｍから１．３６μｍの間の任意の波長の前記第２の励起光を出力するレーザとすることにより、前記波長変換素子は、波長３．５μｍから５．８μｍの間の中赤外光を変換光として出力することを特徴とする。
【００１１】
前記波長変換素子は、ＬｉＮｂＯ３結晶からなり、光導波路構造を有することを特徴とする。
【００１２】
この中赤外光源を、光源から出力された出力光を分岐し、一方の出力光を参照光として第１の光強度を測定し、他方の出力光をサンプルガスに導き、該サンプルガスからの透過光、反射光、散乱光または蛍光を受光して第２の光強度を測定し、前記第１および第２の光強度の比から前記サンプルガスの吸収を計量する赤外光吸収分析装置に適用することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、励起光光源として用いるレーザは、完成された通信波長帯の製品から得られるため、ＬＮ波長変換素子を用いた差周波発生により、３．５〜５．８μｍの中赤外波長範囲の光を、精度よく安定的に得ることが可能となる。このため、多くの環境ガスにおいて最も吸収が強くなる波長４μｍ帯の中赤外領域において、高精度かつ高感度な光吸収分析装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】環境ガスの光吸収強度の波長依存性を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる中赤外光源の構成を示す図である。
【図３】励起光（ポンプ光とシグナル光）と変換光（アイドラ光）との関係を示す図である。
【図４】実施例１にかかるガスセルを用いた赤外光吸収分析装置の構成を示す図である。
【図５】実施例１にかかる中赤外光源の発生効率を示す図である。
【図６】実施例１にかかる赤外光吸収分析装置による光吸収測定結果を示す図である。
【図７】不完全燃焼注意報濃度の大気中ＣＯを検出したときの予測スペクトルを示す図である。
【図８】大気中１００ｍの光路でＣＯを検出したときの予測スペクトルを示す図である。
【図９】実施例２にかかるガスセルを用いた赤外光吸収分析装置の構成を示す図である。
【図１０】シグナル光を波長可変にする場合とポンプ光を波長可変にする場合とにおけるアイドラ光の波長変換幅を示す図である。
【図１１】実施例３にかかるガスセルを用いた赤外光吸収分析装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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１に、代表的な環境ガスの光吸収強度の波長依存性を示す。上述したように、４μｍ帯近傍を中心とする中赤外領域で、これら環境ガスの吸収強度が最も高くなっていることがわかる。これは、ガス分子の基準振動（固有振動モードの基本波）周波数が、この波長帯に集中していることを暗に示している。波長３．５〜５．８μｍの波長範囲において、任意の波長を中心として波長を可変することができるレーザ光源が求められている。
【００１６】
上記の波長範囲において入手可能なコヒーレント光源は、上述したように、量子カスケードレーザ、またはＬＮ波長変換素子を用いた波長変換レーザを備えた光源である。従来、量子カスケードレーザは、実用レベルでの安定な室温動作が得られておらず、スペクトル幅、波長可変動作、光増幅の手法等、光源としての可制御性については、波長変換レーザを用いた光源に比較して難がある。
【００１７】
図２に、本発明の一実施形態にかかる中赤外光源の構成を示す。第１の励起光（ポンプ光）を出力する第１レーザ１と、第２の励起光（シグナル光）を出力する第２レーザ２と、ＬＮ波長変換素子３とを備えている。第１レーザ１の出力は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）５が形成された光ファイバ８により、光アイソレータ６を介して、合波器１０に接続されている。第２レーザ２の出力は、光ファイバ９により、光ファイバ増幅器４と光アイソレータ７とを介して、合波器１０に接続されている。合波器１０により合波された励起光は、レンズ１１を介してＬＮ波長変換素子３に入力され、レンズ１２を介して変換光（アイドラ光）が出力される。
【００１８】
第１レーザ１は、９７０ｎｍから１．０４μｍの間のいずれかの波長により単一縦モードで発振する。第１レーザ１は、反射率９０％以上の高反射膜１Ａと、反射率２％以下の低反射膜１Ｂとを備え、高反射膜１ＡとＦＢＧ５とからなる共振器により、出力波長の安定性を向上させている。第２レーザ２は、１．２５μｍ〜１．３６μｍの波長範囲で波長を可変することができる。ＬＮ波長変換素子３における非線形光学効果による差周波発生（ＤＦＧ）により、波長３．５〜５．８μｍのコヒーレントな変換光（アイドラ光）１３を得ることができる。このようにして、可制御性に優れた通信波長帯の半導体レーザを２台使用することにより、コヒーレントな中赤外光源を実現することができる。
【００１９】
図３に、励起光（ポンプ光とシグナル光）と変換光（アイドラ光）との関係を示す。ＬＮ波長変換素子３に光導波路が形成されている場合は、導波路分散を考慮しなければならないが、この波長範囲においては、波長シフトを考慮するだけで、ほぼ良好な素子設計が可能である。従って、図３による３波長の光を選択することにより、分極反転周期の設計も容易になる。
【００２０】
第１の励起光（ポンプ光）の波長をλ１、第２の励起光（シグナル光）の波長をλ２、出力される変換光（アイドラ光）の波長をλ３とすると、これらの関係は、
【００２１】
【数１】
【００２２】
で与えられる。ここで、波長λ３の変換光を効率よく発生させるためには、位相整合条件
【００２３】
【数２】
【００２４】
を満足する必要がある。式（２）において、ｋｉ（ｉ＝１，２，３）は、ＬＮなどの非線形光学結晶内を伝搬するレーザ光（励起光、変換光）の伝搬定数であり、λｉにおける非線形光学結晶の屈折率をｎｉとすると、
【００２５】
【数３】
【００２６】
となる。しかし、結晶のもつ分散特性により、一般的には、式（２）を満足することは難しい。
【００２７】
これを解決する方法として、非線形光学結晶を周期的に分極反転させた擬似位相整合法が用いられている。擬似位相整合法には、ＬＮなどの強誘電体結晶が有利である。強誘電体結晶の非線形光学定数の符号は、自発分極の極性に対応する。この自発分極を、光の伝搬方向に周期Λで変調した場合、位相整合条件は、
【００２８】
【数４】
【００２９】
で表される。特定の波長λ１、λ２を励起光として用いた場合は、式（１）、（４）を同時に満足し、高効率な差周波発生により波長λ３の変換光の発生が可能となる。
【００３０】
しかしながら、波長λ１、λ２を変化させて異なる波長λ３の差周波光を得ようとするとき、波長λ１、λ２が変動する場合は、式（４）式を満足することができず、差周波光λ３の強度は低下する。ここで、波長λ１、λ２、λ３、周期Λ、差周波光の発生効率ηとの関係について考える。まず、位相不整合量Δｋを、
【００３１】
【数５】
【００３２】
と定義する。このとき、ＬＮ波長変換素子の長をｌとすると、差周波光の発生効率ηは、Δｋとｌの積に依存し、
【００３３】
【数６】
【００３４】
と表される。式（６）において、ηｏはΔｋ＝０の時の差周波発生効率であり、ηｏはＬＮなどの強誘電体結晶の非線形光学定数、励起光強度、素子の長さなどで決まる。従って、ηｏは、２つのレーザから入力される光強度の積に比例する。
【００３５】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
【実施例１】
【００３６】
図４に、実施例１にかかるガスセルを用いた赤外光吸収分析装置の構成を示す。第１の励起光（ポンプ光）を出力する第１レーザ２１と、第２の励起光（シグナル光）を出力する第２レーザ２２と、ＬＮ波長変換素子２３とを備えている。第１レーザ２１の出力は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）２５が形成された光ファイバ２８により、光アイソレータ２６を介して、合波器３０に接続されている。第２レーザ２２の出力は、光ファイバ２９により、合波器３０に接続されている。合波器３０により合波された励起光は、ＬＮ波長変換素子２３に入力され、レンズ３２を介して変換光（アイドラ光）３３が出力される。
【００３７】
第１レーザ２１は、波長λ１＝０．９７〜１．０４μｍの間の任意の波長で発振する。第１レーザ２１は、反射率９０％以上の高反射膜２１Ａと、反射率２％以下の低反射膜２１Ｂとを備え、高反射膜２１ＡとＦＢＧ２５とからなる共振器により、出力波長の安定性を向上させている。第２レーザ２２は、波長λ２＝１．２５μｍ〜１．３６μｍの波長範囲で波長を可変することができる。
【００３８】
ＬＮ波長変換素子２３には、光導波路２３Ａが形成され、非線形光学効果による差周波発生（ＤＦＧ）により、波長３．５〜５．８μｍのコヒーレントな変換光（アイドラ光）３３を得ることができる。なお、光ファイバ２９には、必要に応じて光ファイバ増幅器、光アイソレータを挿入してもよい。また、合波器３０の出力とＬＮ波長変換素子２３との結合を、バッティング結合としたが、レンズ結合としても良い。
【００３９】
ＬＮ波長変換素子２３の温度調整を行い、第１レーザ２１の波長λ１を固定し、第２レーザ２２の波長λ２を可変したところ、波長λ２の変化に応じて、変換光３３の波長λ３が変化することを確認した。
【００４０】
ＬＮ波長変換素子２３の出力は、レンズ３２でコリメート化され、チョッパー４０を介して、波長フィルタ３４に入力され、変換光３３のみが取り出される。波長フィルタ３４は、例えばＧｅやＳｉなどからなり、ダイクロイックミラーを用いてもよい。変換光３３は、チョッパー４０により、ロックインアンプ３９Ａ，３９Ｂと同期してＯＮ／ＯＦＦ変調され、ビームスプリッタ４３により、２つのパスに分岐される。チョッパー４０とロックインアンプ３９Ａ，３９Ｂとは、ＯＮ／ＯＦＦ信号である参照信号４１により、同期している。
【００４１】
一方のビームは、参照光３７として、光検出器３８Ｂで光強度が測定される。他方のビームは、被測定ガスであるサンプルガスが封入されたガスセル３５を透過後に、透過光３６として、光検出器３８Ａで光強度が測定される。ガスセル３５は、光路長が２０ｃｍで、窓材は中赤外領域では吸収材になってしまうが、無水石英を用いている。光検出器３８Ａ，３８Ｂは、例えば、ＩｎＳｂ、ＨｇＣｄＴｅ、ＣｄＳｅなどからなる。光検出器３８Ａ，３８Ｂの測定結果は、ロックインアンプ３９Ａ，３９Ｂに入力され、ＯＮ／ＯＦＦ変調の変調周波数でロックイン検波される。
【００４２】
図５に、実施例１にかかる中赤外光源の発生効率を示す。ＬＮ波長変換素子２３の素子長は５０ｍｍ、反転周期Λ＝２５．２μｍの分極反転構造を有し、光導波路２３Ａが形成されている。ＬＮ波長変換素子２３を３３．３度に温度調整し、差周波発生を用いて、変換光を出力させる。第１レーザ２１のポンプ光の波長λ１＝１．０３μｍ、パワー＝４ｍＷで固定し、第２レーザ２２のシグナル光の波長λ２＝１．３３μｍ帯とし、変換光（アイドラ光）３３の波長λ３＝４．７μｍ近傍の波長域を得たときの波長変換効率である。波長λ３＝４．７μｍ近傍で出力最大となる温度条件の下、発生効率η＝４％／Ｗであった。
【００４３】
なお、素子長５０ｍｍで光導波路２３Ａが形成されたＬＮ波長変換素子２３の場合は、素子性能のバラツキから、変換効率は０．２％／Ｗ〜８％／Ｗと幅があった。一方、ＬＮ波長変換素子が素子長１８ｍｍのバルク結晶素子の場合は、変換効率は０．０１％／Ｗ前後とほぼ一定であった。
【００４４】
図４の測定系に、この中赤外光源を用いて、同位体分子種（Isotopomer）として知られる１３ＣＯと１２ＣＯの分光実験を行った。具体的には、３００Ｔｏｒｒの１３ＣＯと０．１５Ｔｏｒｒの１２ＣＯを封入したガスセル３５中の吸収を観測した。ガスセル３５を透過してきた透過光３６および参照光３７のパワーを、光検出器３８Ａ，３８Ｂで受光し、ロックインアンプ３９Ａ，３９Ｂでそれぞれの透過光強度ＰＡと参照光強度ＰＢを測定する。
【００４５】
図６に、実施例１にかかる赤外光吸収分析装置による光吸収測定結果を示す。図６（ａ）は、ロックインアンプ３９Ａによる透過光３６の検出スペクトルＰＡであり、図６（ｂ）は、ロックインアンプ３９Ｂによる参照光３７の検出スペクトルＰＢである。図６（ｃ）は、ＰＡ／ＰＢから求めたガスセルの透過率特性である。基準振動νに基づく振動回転スペクトルが得られる。図６（ｃ）の透過率曲線には明確に２本の吸収線が確認できるが、それぞれの吸収線の帰属に関しては、１３ＣＯはＲ（２４）、１２ＣＯはＲ（８）であることをＨＩＴＲＡＮデータベースの解析結果より確認した。ここで用いた１２ＣＯの濃度は１９０ｐｐｍに相当する。不完全燃焼警報濃度＝５５０ｐｐｍ、不完全燃焼注意報濃度＝３００ｐｐｍであることから、ガス検出精度として十分な測定結果である。
【００４６】
図７に、不完全燃焼注意報濃度の大気中ＣＯを検出したときの予測スペクトルを示す。図７（ａ）は、３００ｐｐｍの１２ＣＯが大気中に存在する場合、光路２０ｃｍにおける吸収を、ＨＩＴＲＡＮデータベースを用いた解析した結果である。図７（ｂ）は、１２ＣＯのＲ（８）付近の拡大図である。図６（ｃ）と比較すると、ガスセル中のＣＯ観測の結果は充分使用に耐えるものと言える。
【００４７】
図８に、大気中１００ｍの光路でＣＯを検出したときの予測スペクトルを示す。図８（ａ）は、大気中の光路１００ｍにおける吸収を示し、図７（ｂ）は、１２ＣＯのＲ（８）付近の拡大図である。大気中の計測では、周囲に存在する干渉ガスや吸収線の圧力拡がりによって、所望の観測ができない場合も少なくない。大気中の１２ＣＯ濃度が１００ｐｐｂ以下の希薄濃度の測定であっても、１２ＣＯのＲ（８）には干渉ガスの吸収が影響しないため、２０ｃｍ以下の光路長で充分に検出することができる。従って、現状の不完全燃焼注意報濃度を検出する警報器と比較して、より高感度なセンサーを実現できることが明らかとなった。
【００４８】
なお、実施例１において、変換光３３の波長λ３は、励起光の発生源である第１レーザ２１の波長λ１を光スペアナで測定した値と、波長可変の第２レーザ２２の指示波長λ２の値とから推定できる。さらに、ガスセル３５を用いてガスの吸収線により、正確に確認することができる。
【００４９】
実施例１では、第１レーザ２１の波長を固定とし、第２レーザ２２の波長を可変としたが、第２レーザ２２の波長を固定とし、第１レーザ２１の波長を可変として光源を構成しても差し支えない。また、実施例１では、透過光を測定対象にして赤外光吸収分析装置を構成しているが、反射光、散乱光、または蛍光などの発光を用いて系を構成しても良い。 実施例１は、光導波路２３Ａが形成されたＬＮ波長変換素子２３（導波路素子）を用いた場合の結果であるが、擬似位相整合技術を用いて作製したバルク結晶素子の場合も、導波路素子に比較すると中赤外光出力の低下は避けられない。しかし、図４の測定系の検出感度が高いこともあって、同様にＣＯガスの検出は容易であった。
【００５０】
実施例１では、光路長２０ｃｍのガスセルを用いて吸収測定を行っているが、大気中に含まれる温室効果ガスに代表される環境ガスの検出、希薄ガスの検出にはマルチパスセルが便利である。ガスセル３５をマルチパスセルに置き換えて測定器を構成しても良い。また、このマルチパスセルに関しては、特に制限は無く、用途に応じてホワイトセル、ハンストセル、エリオットセルなどを用いても良い。これらのマルチパスセルの使用は、減圧状態での測定が望ましい場合は、条件に応じて減圧下での測定も可能となるため、圧力幅の影響が未知であるガスの分析などでは、非常に便利である。
【００５１】
実施例１では、変換光３３をＯＮ／ＯＦＦ変調しているが、励起光のいずれかに強度変調または周波数変調を施して、変調信号を参照信号４１としてロックイン検波しても良い。なお、直接変調を用いるのであれば、波長、出力パワーが固定されている第１レーザ２１に変調を施し、外部変調器を用いるのであれば、第１レーザ２１、第２レーザ２２のいずれでも良い。ただし、周波数変調を用いる場合は、変調の周波数偏移にも依存するが、解析的には微分検波となる。
【実施例２】
【００５２】
図９に、実施例２にかかるガスセルを用いた赤外光吸収分析装置の構成を示す。図４に示した実施例１の構成と異なる部分について説明する。第１の励起光（ポンプ光）を出力する第１レーザ１２１は、波長λ１＝０．９７〜１．０４μｍ帯の波長範囲で波長を可変することができる。第１レーザ１２１の出力は、光ファイバ２８により、光アイソレータ２６を介して、合波器３０に接続されている。第２の励起光（シグナル光）を出力する第２レーザ１２２は、波長λ２＝１．２５μｍ〜１．３６μｍ帯の任意の波長で発振する。第２レーザ１２２の出力は、光ファイバ２９により、合波器３０に接続されている。
【００５３】
図３に示したように、３μｍ〜６μｍの変換光（アイドラ光）を得る場合に、波長λ１の第１の励起光（ポンプ光）を固定波長とせず波長可変とすると、第２の励起光（シグナル光）を一定の波長としても、広範囲にポンプ光の波長を掃引できることがわかる。ポンプ光の波長掃引範囲は、アイドラ光の波長可変範囲に影響するので、従来にない広波長帯域の中赤外光が得られる。この中赤外光を用いて、赤外光吸収分析装置を構成すれば、自ずと広波長帯域の赤外光吸収分析装置を得ることができる。
【００５４】
ＬＮ波長変換素子１２３は、素子長１８ｍｍのバルクのＬＮ結晶からなり、分極反転周期Λ＝２５μｍ〜３０μｍの範囲とする。図３に示したように、非線形光学効果による差周波発生（ＤＦＧ）により、波長３μｍ〜６μｍのコヒーレントな変換光（アイドラ光）３３を得ることができる。
【００５５】
図１０に、シグナル光を波長可変にする場合とポンプ光を波長可変にする場合とにおけるアイドラ光の波長変換幅を示す。素子長１８ｍｍ、分極反転周期Λ＝２７μｍのＬＮ波長変換素子１２３を用いて、３．７μｍ帯のアイドラ光を出力する。図１０（ａ）は、比較のため、実施例１と同様に、第１の励起光（ポンプ光）のλ１を一定にし、第２の励起光（シグナル光）の波長λ２を可変にした場合を示す。図１０（ｂ）は、実施例２において、第２の励起光（シグナル光）の波長λ２を一定にし、第１の励起光（ポンプ光）のλ１を可変にした場合を示す。
【００５６】
一見してもわかるように、シグナル光を一定としてポンプ光を波長可変とする方が、変換光（アイドラ光）の変換幅は１０倍以上広くなる。図１０（ａ）では、アイドラ光の波長範囲３．７μｍ帯で２０ｎｍ（図中符号Ｘａ）であるのに対して、図１０（ｂ）では、アイドラ光の波長範囲で２２０ｎｍ（図中符号Ｘｂ）を超える。他の波長域においても程度の差こそあれ、同様に変換幅を拡大することができる。
【００５７】
実施例１と同様に、素子長５０ｍｍで光導波路が形成されたＬＮ波長変換素子を用いた場合、変換光（アイドラ光）の変換幅は、アイドラ光の波長範囲で１００ｎｍを超える。この値は、第２の励起光（シグナル光）を波長可変（波長λ２＝１．２５μｍ〜１．３６μｍ）する場合と比較して、広波長帯域が得られる。
【００５８】
当然のことながらＬＮ波長変換素子１２３の設定温度を変えると、位相整合波長が変化する。実施例２では、素子の温度を９０度に設定した結果を示した。ＬＮの屈折率の材料分散の性質より、温度を下げると位相整合曲線が双方性を示す。これを許容すると、ポンプ光の波長換算で、各々のピーク波長が０．５ｎｍ／℃程度（３．７μｍ帯のアイドラ光波長の領域では各々７ｎｍ／℃程度）、波長範囲を拡大することができる。従って、ＬＮ波長変換素子の温度調整を同時に行えば、さらに波長範囲を拡大できることがわかる。
【実施例３】
【００５９】
図１１に、実施例３にかかるガスセルを用いた赤外光吸収分析装置の構成を示す。第１の励起光（ポンプ光）を出力する第１レーザ５１と、第２の励起光（シグナル光）を出力する第２レーザ５２と、ＬＮ波長変換素子５３とを備えている。第１レーザ５１の出力は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）５５が形成された光ファイバ５８により、光アイソレータ５６を介して、合波器６０に接続されている。第１レーザ５１は、反射率９０％以上の高反射膜５１Ａと、反射率２％以下の低反射膜５１Ｂとを備え、高反射膜５１ＡとＦＢＧ５５とからなる共振器により、出力波長の安定性を向上させている。第２レーザ５２の出力は、光ファイバ５９により、合波器６０に接続されている。合波器６０により合波された励起光は、ＬＮ波長変換素子５３に入力され、レンズ６２を介して変換光（アイドラ光）６３が出力される。
【００６０】
ＬＮ波長変換素子５３は、光導波路５３Ａが形成され、非線形光学効果による差周波発生（ＤＦＧ）により、コヒーレントな変換光（アイドラ光）６３を得ることができる。ＬＮ波長変換素子５３の温度調整を行い、第１レーザ５１の波長λ１を固定し、第２レーザ５２の波長λ２を可変したところ、波長λ２の変化に応じて、変換光６３の波長λ３が変化することを確認した。
【００６１】
ＬＮ波長変換素子５３の出力は、レンズ６２でコリメート化され、チョッパー７０を介して、波長フィルタ６４に入力され、変換光６３のみが取り出される。変換光６３は、チョッパー７０により、ロックインアンプ６９Ａ，６９Ｂと同期してＯＮ／ＯＦＦ変調され、ビームスプリッタ７３により、２つのパスに分岐される。チョッパー７０とロックインアンプ６９Ａ，６９Ｂとは、ＯＮ／ＯＦＦ信号である参照信号７１により、同期している。一方のビームは、参照光６７として、光検出器６８Ｂで光強度が測定される。他方のビームは、大気中を透過後に、透過光６６として、光検出器６８Ａで光強度が測定される。光検出器６８Ａ，６８Ｂの測定結果は、ロックインアンプ６９Ａ，６９Ｂに入力され、ＯＮ／ＯＦＦ変調の変調周波数でロックイン検波される。
【００６２】
実施例１と異なるところは、実施例３の赤外光吸収分析装置は、漏洩ガスの検出などに関わる大気中のガス測定を対象としている。参照光６７のパスと透過光６６のパスの光路長を変えることにより、実施例１と同様に、ＰＡ／ＰＢから大気中のガスの透過率特性を求めることができる。
【００６３】
２００５年のわが国の大気中には、ＣＯ２は３８０ｐｐｍ程度含まれていることが報告されている。人体から発せられる呼気中には、炭酸ガスも含めて通常４％のＣＯ２が含まれている。実施例３の赤外光吸収分析装置を用いて、参照光６７のパスと透過光６６のパスの光路長を等しくし、一方のパスに呼気を吹きかければ、呼気分析を容易に実現することができる。
【００６４】
呼気分析では、４．２４μｍ近傍または４．２８μｍ近傍の吸収が最も大きいので、この波長領域では、短い光路長での分析が可能となる。これら波長領域は、第１レーザ５１の第１の励起光（ポンプ光）のλ１を９８０ｎｍとし、第２レーザ５２の第２の励起光（シグナル光）の波長λ２を１．２７５μｍまたは１．２７１μｍとし、差周波発生により得られる。ただし、大気中のＣＯ２は、他の希薄なガスとは異なり含有率も高いため、この波長領域での吸収は、しばしば強すぎてスペクトルの波形が歪みを呈することがある。吸収強度の測定など数値化することが必要になる場合は、注意が必要である。
【００６５】
ＣＯ２と同様に温室効果ガスとして注目されるＮ２Ｏの吸収観測は、４．５３１μｍ近傍または４．４６８μｍ近傍が簡便である。これら波長領域は、第１の励起光（ポンプ光）のλ１を９８０ｎｍとし、第２の励起光（シグナル光）の波長λ２を１．２５０μｍまたは１．２５５μｍとし、差周波発生により得られる。大気中には、Ｎ２Ｏが５００ｐｐｂ存在しているため、観測も容易である。大気中で数１０ｍ〜１００ｍの光路長を確保することができれば、マルチパスセルの使用の有無にかかわらず、数％〜１０％のＮ２Ｏの吸収観測を行うことができる。
【００６６】
呼気分析によって肝臓に疾患を持つ患者を発見するなど、医用応用でも注目されている。ＣＯＳは４．８６μｍ近傍での検出が容易である。この波長領域は、第１の励起光（ポンプ光）のλ１を１．０３μｍとし、第２の励起光（シグナル光）の波長λ２を１．３０７μｍとし、差周波発生により得られる。なお、大気中で数１０ｍ〜１００ｍの光路長を確保することができれば、Ｎ２Ｏと同様に、大気中のＣＯＳの吸収観測も可能である。
【００６７】
本実施形態によって実現される４μｍ帯を中心とする中赤外光源は、ＬＮ波長変換素子に、レーザからの励起光を入射するだけで、従来にない高効率で室温動作が可能な波長可変光源となる。励起光光源として用いるレーザは、完成された通信波長帯の製品から得られるため、光源仕様が優れており、差周波発生による中赤外光源としての仕様も確保されることになる。具体的には、中心波長、周波数掃引の精度、分光には欠かせない安定な単一縦モード発振、スペクトル幅の確保など、従来の中赤外領域の光源からは得ることができない性能が確保される。また、コンパクトな光源を構成することができ、省資源であることも特筆すべきことである。
【符号の説明】
【００６８】
１，２１，５１，１２１ 第１レーザ
１Ａ，２１Ａ，５１Ａ 反射率９０％以上の高反射膜
１Ｂ，２１Ｂ，５１Ｂ 反射率２％以下の低反射膜
２，２２，５２，１２２ 第２レーザ
３，２３，５３，１２３ ＬＮ波長変換素子
４ 光ファイバ増幅器
５，２５，５５ ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）
６，７，２６，５６ 光アイソレータ
８，９，２８，２９，５９ 光ファイバ
１０，３０，６０ 合波器
１１，１２，３２，６２ レンズ
１３，３３，６３ 変換光（アイドラ光）
２３Ａ，５３Ａ 光導波路
３４，６４ 波長フィルタ
３５ ガスセル
３６，６６ 透過光
３７，６７ 参照光
３８Ａ，３８Ｂ，６９Ａ 光検出器
３９Ａ，３９Ｂ，６９Ｂ ロックインアンプ
４０，７０ チョッパー
４１，７１ 参照信号
４３，７３ ビームスプリッタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の励起光を発生する第１のレーザと、第２の励起光を発生する第２のレーザと、前記第１の励起光と前記第２の励起光とを入力し、差周波発生により変換光を出力する非線形光学結晶からなる波長変換素子とを含む中赤外光源において、
前記第１のレーザは、波長０．９７μｍから１．０４μｍの間の波長範囲で前記第１の励起光の波長を可変することができ、
前記第２のレーザは、波長を１．２５μｍから１．３６μｍの間の任意の波長の前記第２の励起光を出力し、
前記波長変換素子は、波長３．５μｍから５．８μｍの間の中赤外光を変換光として出力することを特徴とする中赤外光源。
【請求項２】
前記波長変換素子は、ＬｉＮｂＯ３結晶からなり、光導波路構造を有することを特徴とする請求項１に記載の中赤外光源。
【請求項３】
光源から出力された出力光を分岐し、一方の出力光を参照光として第１の光強度を測定し、他方の出力光をサンプルガスに導き、該サンプルガスからの透過光、反射光、散乱光または蛍光を受光して第２の光強度を測定し、前記第１および第２の光強度の比から前記サンプルガスの吸収を計量する赤外光吸収分析装置において、
前記光源は、請求項１または２に記載された光源であることを特徴とする赤外光吸収分析装置。
【請求項１】
第１の励起光を発生する第１のレーザと、第２の励起光を発生する第２のレーザと、前記第１の励起光と前記第２の励起光とを入力し、差周波発生により変換光を出力する非線形光学結晶からなる波長変換素子とを含む中赤外光源において、
前記第１のレーザは、波長０．９７μｍから１．０４μｍの間の波長範囲で前記第１の励起光の波長を可変することができ、
前記第２のレーザは、波長を１．２５μｍから１．３６μｍの間の任意の波長の前記第２の励起光を出力し、
前記波長変換素子は、波長３．５μｍから５．８μｍの間の中赤外光を変換光として出力することを特徴とする中赤外光源。
【請求項２】
前記波長変換素子は、ＬｉＮｂＯ３結晶からなり、光導波路構造を有することを特徴とする請求項１に記載の中赤外光源。
【請求項３】
光源から出力された出力光を分岐し、一方の出力光を参照光として第１の光強度を測定し、他方の出力光をサンプルガスに導き、該サンプルガスからの透過光、反射光、散乱光または蛍光を受光して第２の光強度を測定し、前記第１および第２の光強度の比から前記サンプルガスの吸収を計量する赤外光吸収分析装置において、
前記光源は、請求項１または２に記載された光源であることを特徴とする赤外光吸収分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１８１５５４（Ｐ２０１２−１８１５５４Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１３３２４２（Ｐ２０１２−１３３２４２）
【出願日】平成２４年６月１２日（２０１２．６．１２）
【分割の表示】特願２００９−１８１８２２（Ｐ２００９−１８１８２２）の分割
【原出願日】平成２１年８月４日（２００９．８．４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月１２日（２０１２．６．１２）
【分割の表示】特願２００９−１８１８２２（Ｐ２００９−１８１８２２）の分割
【原出願日】平成２１年８月４日（２００９．８．４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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