光ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを用いたガス検出センサー
【課題】ファイバーの結合効率を高め、かつ、発振スペクトルの狭帯域化及び波長を容易に制御できるファイバー結合外部共振器型半導体レーザー、及び該ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを用いた微量ガス検出用センサーを提供する。
【解決手段】本発明によって、レーザー光を発振する半導体レーザーと、入射された前記レーザー光の強度を増幅してフィードバックレーザー光を出射する外部共振器と、前記半導体レーザーと前記外部共振器との間に配置され、前記レーザー光を前記外部共振器に出射し、かつ前記フィードバックレーザー光を前記半導体レーザーに入射する光ファイバーと、前記光ファイバーの途中に配置された光ファイバーブラッググレーティングと、を備えることを特徴とするファイバー結合外部共振器型半導体レーザーが提供される。
【解決手段】本発明によって、レーザー光を発振する半導体レーザーと、入射された前記レーザー光の強度を増幅してフィードバックレーザー光を出射する外部共振器と、前記半導体レーザーと前記外部共振器との間に配置され、前記レーザー光を前記外部共振器に出射し、かつ前記フィードバックレーザー光を前記半導体レーザーに入射する光ファイバーと、前記光ファイバーの途中に配置された光ファイバーブラッググレーティングと、を備えることを特徴とするファイバー結合外部共振器型半導体レーザーが提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを用いた微量ガス検出用センサーに関し、特に光ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーの波長を安定化した微量ガス検出用センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
波長が安定した定在波を得ることができる光源として外部共振器型半導体レーザー（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ 以下、ＥＣＤＬと記す。）が各方面で用いられている。ＥＣＤＬ外部共振器型半導体レーザーの一般的な構成を、図１０に示す。図１０は、外部共振器型半導体レーザー１００の一般的な概略構成図である。図１０に示すように、外部共振器型半導体レーザー１００は、無反射コート（以下、ＡＲコートと記す。）半導体レーザー１１０、コリメートレンズ（ここでは、非球面レンズを用いた。）１３０、入射ミラー１２１及び出射ミラー１２２の一対の高反射ミラーからなる外部共振器１２０を備える。半導体レーザー１１０から外部共振器１２０に入射された光のうち、共振器１２０の縦モードに一致する成分のみが選択され、半導体レーザー１１０の活性層へフィードバックされる。このフィードバック光の強度が十分な強度を持っていれば、半導体レーザーは受動的に固定された波長で誘導放出を生じる。従って、共振器長の微小制御や、半導体レーザーの発振周波数の安定化を行なうことなく、外部共振器内に安定して定在波を得ることができる。しかし、フィードバック光の強度を十分に確保することは容易ではなく、一般的に、共振周波数に一致させるために圧電素子による共振器長の微小制御や、発振波長の安定化が必要とされる。
【０００３】
この様なＥＣＤＬの共振器は、ガス濃度を光学的に検出する方法である吸収分光法に用いることができる。ここで、吸収分光法は、分子の電子遷移や振動回転遷移による吸収線に同調したレーザー波長による光の吸収効果を利用して測定を行う方法である。
【０００４】
吸収分光法によるガス濃度検出にＥＣＤＬを用いるのは、ＥＣＤＬの共振器の内部に長い光路長を得ることができるからである。即ち、吸収媒質が存在するサンプルセル通過後のレーザーの透過光の強度変化は、ランベルト・ベールの法則により、次の式（１）として表わすことができる。
【数１】
ここで、Ｉ［Ｗ］は透過光強度、Ｉ０［Ｗ］は入射光強度、α［ｍ−1］は吸収定数、ｄ［ｍ］はセルの光路長である。この式１からも把握されるように、長い光路長を得るほど、高感度な測定が可能である。ＥＣＤＬは、外部共振器内においてレーザー光が数千回往復するため、長い光路長を得ることができる。従って、ＥＣＤＬを用いることでガス検出の際に高感度な測定が可能になる。なお、吸収媒質が存在するサンプルセル通過後のレーザーの透過光の強度変化を模式的に図に示したものが、図１１である。
【０００５】
またＥＣＤＬの共振器は、吸収分光法の一種であるキャビティリングダウン分光法（以下、ＣＲＤＳと記す。）にも用いることができる。ＣＲＤＳは、光共振器（サンプルセル）内の媒質の濃度をリングダウン信号と呼ばれる時定数によって測定する方法である。
【０００６】
即ち、半導体レーザーに変調をかけることにより、外部共振器に入射する光を遮断することで、外部共振器からの透過光は一次の指数関数で減衰する。減衰は次の式（２）によって定義される。
【数２】
この時、Ｉ［Ｗ］は透過光強度、Ｉ０［Ｗ］は入射光強度、ｔ［ｓ］は経過時間、τ［ｓ］は時定数である。また、外部共振器内にレーザー光を吸収する媒質がある場合、透過光のレーザー光強度は、以下の式（３）に従い減衰する。
【数３】
ここで、τ［ｓ］は吸収のある媒質の時定数、τ０［ｓ］は吸収のない媒質の時定数である。時定数はリングダウン信号とも呼ばれ、外部共振器内の媒質の濃度によって値は異なる。従って、時定数を求めることにより外部共振器内の媒質の濃度を測定することが可能となる。
【０００７】
ＥＣＤＬをＣＲＤＳに用いた測定例を以下に示す。図１２は、ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定例を示す図である。図１２においては、６３８ｎｍの波長のレーザー光を用い、純粋窒素（Ｐｕｒｅ＿Ｎ２）と５０ｐｐｍ濃度の二酸化窒素（ＮＯ２）をＣＲＤＳによって測定し、それぞれの時定数の変化を示した。図１２より、純粋窒素と二酸化窒素では時定数の変化が異なることが把握される。また、図１３は、ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定結果を示す図である。図１３においては、予め所定濃度の二酸化窒素の減衰率を測定して、その結果を直線で表示している。図１２、図１３より、二酸化窒素と窒素の時定数の相違、及び二酸化窒素濃度による減衰率の変化が把握される。
【０００８】
以上説明したように、外部共振器型半導体レーザーを用いて、微量ガスを検出することができることが理解される。しかし、この様な外部共振器型半導体レーザーを用いたガス検出センサーを製造する場合、レーザー光を空間で結合するため、装置全体が大きくなってしまう欠点がある。さらに、半導体レーザー、コリメートレンズ及び外部共振器をレーザー光の光路上に直線的に配置する必要があり、フレキシビリティに欠ける。
【０００９】
そこで、装置の小型化及びフレキシビリティを確保するために、光ファイバーを用いることにより光源部とセンサー部を分離し、よりフレキシブルに用いることできる光ファイバー結合外部共振器型半導体レーザー（Ｆｉｂｅｒ−ｃｏｕｐｌｅｄ＿ｅｘｔｅｒｎａｌ−ｃａｖｉｔｙ＿ｄｉｏｄｅ＿ｌａｓｅｒ:以下、ＦＣ−ＥＣＤＬと記す。）を用いたガス検出装置が考えられる。光ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーは非特許文献１に開示されている。
【００１０】
図１４は、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いたガス検出装置２００の一例を示す概略構成図である。光源は無反射コート半導体レーザー２１０であり、レーザーからの出射光はコリメートレンズ２３０でコリメートされ、アナモルフィックプリズムペア２６０で楕円形から円形に整形され、カップリングレンズ２４０を用いて光ファイバー（図１４においては、偏波保持ファイバーを用いた。）２５０へ結合される。光ファイバー２５０からの出射光はカップリングレンズ２４０でコリメートされて外部共振器２２０へと入射される。また、無反射コート半導体レーザー２１０には、電源を供給する半導体レーザー電源２１１が接続され、外部共振器２２０には、パワーメーター２８０が接続される。さらにアナモルフィックプリズムペア２６０と、半導体レーザー側のカップリングレンズ２４０との間に、レーザー光のスペクトル解析に用いる光スペクトラムアナライザー２７０が接続される。但し、光スペクトラムアナライザー２７０の配置位置は、これに限定されず、コリメートレンズ２３０とアナモルフィックプリズムペア２６０との間でもよい。ここで、コリメートレンズ２３０、アナモルフィックプリズムペア２６０及びカップリングレンズ２４０は光ファイバー２５０への結合効率を向上させるための装置である。
【００１１】
この様に光ファイバーを用いることにより、光源部とセンサー部を直線上に配置する必要がなく、両者をよりフレキシブルに配置することが可能となる。また、センサー自体は無接点であるため、爆発危険性の高い環境下での防爆計測が容易に可能となり、さらに装置全体の小型化が可能となる。さらに、ＥＣＤＬの半導体レーザーと外部共振器間をファイバー結合することにより、センサー部分である外部共振器に圧電素子などの電気機器をいっさい含まない微量ガス検出用センサーを構築することができる。
【００１２】
このＦＣ−ＥＣＤＬも、外部共振器からのフィードバック光によって半導体レーザーの発振周波数を安定化することができる。
【００１３】
従って、このＦＣ−ＥＣＤＬによっても、前述のＥＣＤＬにおけるガス検出と同様の測定が可能である。ＦＣ−ＥＣＤＬをＣＲＤＳに用いた測定例を以下に示す。図１５は、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定例を示す図である。また、図１６は、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定結果を示す図である。上述した図１２、図１３と同様に測定できることが把握される。
【００１４】
しかし、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いた場合、ファイバーの結合効率がパラメーターの１つになる。ファイバーの結合効率はファイバーの入射前後のレーザー光強度を示したものであり、この結合効率が低い場合、外部共振器から十分なフィードバック光が得られず、半導体レーザーは発振不能となる。ゆえに、ファイバーの結合効率は、ＦＣ−ＥＣＤＬにおけるレーザー発振のための１つのパラメーターとなるのである。
【００１５】
従って、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いて微量ガス検出用センサーを構築する場合、ファイバーの結合効率を高くすることが求められる。また、発振スペクトルは外部共振器からのフィードバック成分（外部共振器長やミラーの反射率、レーザー媒質）に依存するため、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いて微量ガス検出用センサーを構築する場合、発振スペクトルを外部共振器からのフィードバック成分のみに依存するだけでなく、発振スペクトルを狭帯域化し、波長を容易に制御できることが求められる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】J. Sato et al.「Flexible laser diode race gas sensor based on cavity ringdown spectroscopy with an optical fiber-coupled high-finesse external-cavity diode laser」Applied Physics B （2009）96:741-744
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、ファイバーの結合効率を高め、かつ、発振スペクトルの狭帯域化及び波長を容易に制御できるファイバー結合外部共振器型半導体レーザー、及び該ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを用いた微量ガス検出用センサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一実施の形態によって、レーザー光を発振する半導体レーザーと、入射された前記レーザー光の強度を増幅してフィードバックレーザー光を出射する外部共振器と、前記半導体レーザーと前記外部共振器との間に配置され、前記レーザー光を前記外部共振器に出射し、かつ前記フィードバックレーザー光を前記半導体レーザーに入射する光ファイバーと、前記光ファイバーの途中に配置された光ファイバーブラッググレーティングと、を備えることを特徴とするファイバー結合外部共振器型半導体レーザーが提供される。
【００１９】
本発明の一実施の形態によって、レーザー光を発振する半導体レーザーと、入射された前記レーザー光の強度を増幅してフィードバックレーザー光を出射する外部共振器と、前記半導体レーザーと前記外部共振器との間に配置され、前記レーザー光を前記外部共振器に出射し、かつ前記フィードバックレーザー光を前記半導体レーザーに入射する光ファイバーと、前記光ファイバーの途中に配置された光ファイバーブラッググレーティングと、を具備するファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを備えることを特徴とするガス検出用センサーが提供される。
【００２０】
前記光ファイバーブラッググレーティングは、反射率が２％以上１０％以下であってもよい。
【００２１】
前記光ファイバーブラッググレーティングは、反射率が５％であってもよい。
【００２２】
前記光ファイバーの両端面は、ＰＣ研磨処理、ＡＰＣ研磨処理又は無反射コート処理の少なくとも一つの処理を施されてもよい。
【００２３】
前記半導体レーザーと前記光ファイバーとの間にコリメートレンズを有してもよい。
【００２４】
前記光ファイバーの両端にそれぞれカップリングレンズを備えてもよい。
【００２５】
前記半導体レーザーと前記半導体レーザー側に位置する前記カップリングレンズとの間に、さらにアナモルフィックプリズムペアを備えてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の一実施の形態によって、ファイバーの結合効率を高め、かつ、発振スペクトルの狭帯域化及び波長を容易に制御できるファイバー結合外部共振器型半導体レーザー、及び該ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを用いた微量ガス検出用センサーが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施の形態に係るファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬ、及び該ＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーの概略構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬに用いるＦＢＧの概略模式図である。
【図３】二酸化窒素の紫外から可視域における吸収断面積の波長依存性を示す図である。
【図４】６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率５％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）と、ＦＢＧを備えないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）の発振スペクトルの比較図である。
【図５】６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率２％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）と、ＦＢＧを備えないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）の発振スペクトルの比較図である。
【図６】６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧを備えたフＦＣ−ＥＣＤＬについて、反射率５％の場合Ａと反射率２％の場合Ｂの発振スペクトルを比較した図である。
【図７】６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率５％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）と、６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率２％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）とＦＢＧを備えないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｃ）の発振スペクトルの比較図である。
【図８Ａ】本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを設けたＦＣ−ＥＣＤＬの経過時間におけるスペクトルの変化を示した図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを設けたＦＣ−ＥＣＤＬの経過時間におけるスペクトルの変化を示した図である。
【図８Ｃ】本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを設けたＦＣ−ＥＣＤＬの経過時間におけるスペクトルの変化を示した図である。
【図９】ガス種類ごとの吸収のある波長域を表した図である。
【図１０】外部共振器型半導体レーザー１００の一般的な概略構成図である。
【図１１】吸収媒質が存在するサンプルセル通過後のレーザーの透過光の強度変化を示す模式図である。
【図１２】ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定例を示す図である。
【図１３】ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定結果を示す図である。
【図１４】ＦＣ−ＥＤＣＬを用いたガス検出装置２００の一例を示す概略構成図である。
【図１５】ＦＣ−ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定例を示す図である。
【図１６】ＦＣ−ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施の形態に係るファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬ、及び該ＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施の形態においては、本発明のファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬ、及び該ＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーの一例を示しており、本発明のファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬ、及び該ＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーは、それら実施の形態に限定されるわけではない。
【００２９】
（ファイバー結合外部共振器型半導体レーザー：ＦＣ−ＥＣＤＬ）
図１は、本発明の一実施の形態に係るファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬ、及び該ＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーの概略構成図である。図１に示すように、本発明の一実施の形態に係るファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬ２は、概略、無反射コート半導体レーザー１０、外部共振器２０、コリメートレンズ３０、光ファイバー５０、光ファイバーの両端に配置される１対のカップリングレンズ４０、アナモルフィックプリズムペア６０、半導体レーザーに電源を供給する半導体レーザー電源１１及び光ファイバーの途中に配置される光ファイバーブラッググレーティング（Ｆｉｂｅｒ＿Ｂｒａｇｇ＿Ｇｒａｔｉｎｇ：以下、ＦＢＧと記す。）９０から構成される。但し、コリメートレンズ３０、カップリングレンズ４０及びアナモルフィックプリズムペア６０は必要に応じて設ければよい。
【００３０】
無反射コート半導体レーザー１０は、半導体レーザー電源１１と電気的に接続され、半導体レーザー光源１１からの電源の供給を受けてレーザー光を出射する。無反射コート半導体レーザー１０の出射側の端面は無反射コート（ＡＲコート）されている。本実施の形態においては、半導体レーザーとして無反射コート半導体レーザーを用いているが、これは、ＡＲコートされた端面の反射率がほぼ０．０１％で、ほぼ無反射となり、これによって半導体レーザー１０内部でレーザー発振を起こすことがないためである。
【００３１】
無反射コート半導体レーザー１０は、外部共振器２０からの反射光を半導体レーザーの活性層にフィードバックすることにより、共振器長や発振周波数の制御を必要としない。無反射コート半導体レーザー１０は、外部共振器２０の共振周波数にレーザー発振波長が受動的に制御される。
【００３２】
本実施の形態においては、無反射コート半導体レーザー１０は、発振波長６３８ｎｍのものを使用したが、発振波長はこれに限定されず、検出対象のガスの種類に応じて適宜選択することができる。
【００３３】
外部共振器２０は、その内部に、入射ミラーと出射ミラー（いずれも図示せず）の一対の高反射ミラーを備える。入射ミラーと出射ミラーは互いに対向して配置し、それぞれのミラーの反射面の反射率は、非常に高く設定する必要がある。これによって、入射ミラー側から入射されたレーザー光は、出射ミラーと入射ミラーとの間で数千回往復され、レーザー光の強度が増幅される。従って、出射ミラーの反射率は好ましくは９９．９９％以上、より好ましくは９９．９９９％以上に設定する。また、入射ミラーの反射率は出射ミラーの反射率より低く設定され、好ましくは９９．９４％以上、より好ましくは９９．９７％以上に設定される。ただし、それぞれのミラーの反射率はこれに限定されるわけではない。
【００３４】
外部共振器２０は、ガスを導入し密閉可能なガスセルとすることができ、外部共振器長は、装置全体の大きさを考慮して適宜選択することができる。
【００３５】
コリメートレンズ３０は、無反射コート半導体レーザー１０の無反射コートされた出射側に配置される。コリメートレンズ３０は、無反射コート半導体レーザー１０から出射された発散光であるレーザー光を、平行光に変換してアナモルフィックプリズムペア６０に集光する。本実施の形態においてはコリメートレンズ３０として、非球面レンズを使用したが、コリメートレンズ３０はこれに限定されない。
【００３６】
カップリングレンズ４０は、光ファイバー５０の両端に配置され、アナモルフィックプリズムペア６０から出射されたレーザー光を、光ファイバー５０の一端に結合させ、また、光ファイバー５０から出射されるレーザー光を外部共振器２０に結合させる。
【００３７】
光ファイバー５０は、円筒状のレーザー光の伝送路である。無反射コート半導体レーザー１０から出射されたレーザー光を外部共振器２０に伝送し、外部共振器２０内で数千回往復して増幅された反射レーザー光を、無反射コート半導体レーザー１０の活性層にフィードバックする。
【００３８】
本実施の形態においては、光ファイバー５０は、端面をＰＣ研磨（Ｐｈｙｓｉｃａｌ＿Ｃｏｎｔａｃｔ、接続の際に損失を小さくするために光ファイバーの端面を凸球面研磨したもので反射減衰量（入射波に対する反射波の比率の逆数）≧２７ｄＢ。）したものを用いた。そしてファイバー入射側（即ち、無反射コート半導体レーザー１０側）のアライメントを意図的にずらして配置した。これは、ＰＣ研磨した光ファイバーでは、端面の表面反射率とＦＢＧの反射率が近いことから、光ファイバー端面と半導体レーザーとの間で共振が起き、本来のＦＢＧの波長にて発振しなくなることが実験で把握されたためである。そこで、共振が起きないように、光ファイバー入射側のアライメントを意図的にずらして共振を抑制したのである。これによって、本来のＦＢＧの波長にて発振することが可能になった。なお、共振の原因が端面の表面反射率とＦＢＧの反射率が近いためであるので、光ファイバーの端面をＡＰＣ研磨（Ａｎｇｌｅｄ＿Ｐｈｙｓｉｃａｌ＿Ｃｏｎｔａｃｔ、ＰＣより研磨面を斜めにすることによりさらに戻り光を小さくしたもので反射減衰量：≧６０ｄＢ）処理、又はＡＲコートすることにより、アライメントをずらさなくても共振を抑制でき、本来のＦＢＧの波長で発振することが可能となる。従って、光ファイバーの端面処理としては、以上の３つの処理の少なくとも一つを行なうことが好適である。
【００３９】
アナモルフィックプリズムペア６０は、ハウジング内部に２個のプリズム６１，６２を備え、無反射コート半導体レーザー１０から出射された楕円形のレーザー光を、ビーム軸の１つを拡大・縮小することで円形に成形する。出射光は、入射光に対して平行に出射される。アナモルフィックプリズムペア６０及び上述したコリメートレンズ２０、カップリングレンズ４０は、いずれも光ファイバー５０への結合効率を向上せるための装置である。従って、無反射コート半導体レーザー１０、外部共振器２０及び光ファイバー５０の結合効率を高く維持できる場合には、アナモルフィックプリズムペア６０、コリメートレンズ２０、カップリングレンズ４０のいずれか又は全部を省略することもできる。特に、上述したように、光ファイバーの端面を例えばＡＰＣ研磨又は無反射コートすることで結合効率を高めた場合、省略が可能である。
【００４０】
ＦＢＧ９０は、光ファーバーのコア中に回折格子９１を形成したデバイスで、特定の波長を選択する素子である。即ち、光フィルターとしての機能を有する。図２は、本発明の一実施の形態に係るファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬに用いるＦＢＧの概略模式図である。図２に示すように、光ファイバーのコア９２中に、回折格子９１を形成するため、入射光は、回折格子の反射率に応じて反射され、一定量の入射光のみが透過光として回折格子を通過する。これによって、発振スペクトルの狭帯域化を図ることができるとともに、波長を容易に制御することができる。
【００４１】
ＦＢＧ９０は、上述した構成であるため、一定量の入射光のみが透過光として回折格子９１を通過することにより、発振スペクトルを狭帯域化することができる。ここで、ＦＢＧ９０の代わりにフィルターを介することも考えられるが、フィルターを介した場合には、発振スペクトルを狭帯域化することができない。従って、ＦＢＧ９０を用いることが必要である。
【００４２】
本実施の形態においては、ＦＢＧ９０として、６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（タツタ電線社製）を用いた。このＦＢＧ９０の反射率は５％である。また、比較例として同じ６３８ｎｍの波長を選択する反射率２％のＦＢＧ（同じくタツタ電線社製）を使用した。微量ガス検出用センサーを構築する場合、使用するレーザー光の波長に併せて、適宜適切な波長を選択するＦＢＧ９０を用いることができる。
【００４３】
ＦＢＧ９０は、光ファイバー５０の両端面の間に配置する。配置位置は光ファイバー５０の中間に限定されず、いずれかの端面側に偏って配置してもよい。光ファイバー５０のコアに、紫外線を照射して光ファイバー５０とＦＢＧ９０とを一体的に形成してもよい。即ち、光誘起屈折率変化（Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）によって、光ファイバーのコアに屈折率の変化を生じさせ、この屈折率の変化を周期的に作ってやることで、コア内部に一種の回折格子を形成することができる。例えば、照射する紫外光にＵＶレーザー（エキシマレーザー等）を用い、このレーザーと照射面の間にレーザー回折を起こすための透過型回折格子（位相マスク）を入れることで、コアに回折格子を形成することができる。このような方法により、光ファイバー５０とＦＢＧ９０とを一体的に形成できる。
【００４４】
このように、ＦＢＧを用いることで、従来のＦＣ−ＥＣＤＬでは実現することができなかった発振スペクトルの狭帯域化、及び波長を容易に制御することが可能となった。
【００４５】
また、ＦＢＧは、温度変化や張力を加えることにより、容易に波長を制御することが可能であるので、ＦＢＧを用いた本発明の一実施の形態に係るＦＣ−ＥＣＤＬは、発振スペクトルの制御を容易に行なうことができる。
【００４６】
即ち、従来のＦＣ−ＥＣＤＬの発振スペクトルは、外部共振器からのフィードバック成分（外部共振器長やミラーの反射率、レーザー媒質）に依存しており、従って容易に制御できなかった。そして、発振スペクトルは、吸収分光法を用いた微量ガス検出の際に、測定の可否を左右するパラメーターである。図３を参照する。図３は、二酸化窒素の紫外から可視域における吸収断面積の波長依存性を示す図である。図３に示すように二酸化窒素の吸収断面積は、波長に左右され、波長が若干ずれただけでも大きく異なる。波長６３０nm程度から７００ｎｍにかけては平坦に近くなるが、全く平坦なわけではない。従って、吸収分光法を用いる際に、吸収スペクトルに対して発振波長が狭帯域でなければ、吸収係数が周波数に依存するためリングダウン信号が一定にならず、濃度測定をすることが不可能となる。よって、発振スペクトルを外部共振器からフィードバック成分のみに依存するだけでなく、発振スペクトルの狭帯域化及び発振スペクトルの制御が可能になれば、吸収分光法によるガス検出に関して有利になる。また、赤外域のように多くのガスの吸収線がある領域でも、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いて吸収分光法によってガス検出が有効に行なうことができる。
【００４７】
本発明の一実施の形態に係るＦＣ−ＥＣＤＬにおいては、発振スペクトルの狭帯域化が可能である。図を基に説明する。図４から図７は、ＦＢＧを用いたＦＣ−ＥＣＤＬと、ＦＢＧを用いないＦＣ−ＥＣＤＬとの発振スペクトルを比較した図である。図４は、
６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率５％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）と、ＦＢＧを備えないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）の発振スペクトルの比較図である。図５は、６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率２％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）と、ＦＢＧを備えないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）の発振スペクトルの比較図である。図６は、６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧを備えたフＦＣ−ＥＣＤＬについて、反射率５％の場合Ａと反射率２％の場合Ｂの発振スペクトルを比較した図である。図７は、６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率５％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）と、６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率２％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）とＦＢＧを備えないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｃ）の発振スペクトルの比較図である。
【００４８】
図４に示すように、ＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）の発振スペクトルは、波長６３８ｎｍを挟んで急峻なカーブを描くが、他の波長領域においては、ほとんど平坦なカーブである。即ち、ＦＢＧを設けたことで、ＦＣ−ＥＣＤＬの発振スペクトルの狭帯域化が図られていることが把握される。一方、ＦＢＧを設けない場合の発振スペクトルは、波長６３６ｎｍから６３７ｎｍにかけて、１ｎｍ以上に渡っていくつものカーブが描かれており、発振スペクトルの幅が広い。また、図５を参照すると、反射率２％のＦＢＧを設けたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）の発振スペクトルは、ＦＢＧを設けないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）の発振スペクトルよりも強度は低いものの、波長６３６ｎｍから６３８ｎｍの広い帯域に渡って複数のスペクトルが現れており、反射率５％のＦＢＧを設けたＦＣ−ＥＣＤＬに比して発振スペクトルはあまり狭帯域化されていない。ＦＢＧの反射率の違いによる発振スペクトルの狭帯域化の達成状況は図６からもよく把握され、反射率５％のＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬの発振スペクトルが高狭帯域化されていることが把握される。これは、３つの発振スペクトルを比較した図７からも把握される。
【００４９】
結合効率もＦＣ−ＥＣＤＬが発振する条件としてのパラメーターである。図６及び図７にＦＢＧの反射率の違いによる発振スペクトルの比較を示したが、ＦＣ−ＥＣＤＬの閾値電流を求める式として、次の式（４）が与えられる。
【数４】
ここで、Ｉｔｈは閾値電流、ｌはレーザー媒質長、ｓはストライプ幅、ｄは活性層の厚さ、ηは量子効率、Ｊ０はしきい値電流密度、βは利得係数、Γは閉じ込め係数、αは吸収係数、ＲＦはファイバー結合効率、ＲｃはＦＢＧの反射率、ＲＨＲは半導体レーザー後方端面の反射率である。
【００５０】
上述の式４から、ＦＣ−ＥＣＤＬの閾値電流は、ファイバーの結合効率・ＦＢＧの反射率に依存することから、これらの値も発振に関するパラメーターであると考えられる。上述した図４及び図５より、ＦＢＧの反射率は、発振スペクトルの安定化に寄与することを示している。
【００５１】
また、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いて吸収分光法によってガスを検出する際は、マイクロ秒時間での測定となるが、ＦＢＧを用いることにより、測定時間よりも長い時間での波長の安定化が可能となるので、ガス検出の際にも大きな効果が期待できる。
【００５２】
さらに、経過時間におけるスペクトルの変化を図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃに示す。図８Ａ，８Ｂ，８Ｃは、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを設けたＦＣ−ＥＣＤＬの経過時間におけるスペクトルの変化を示した図であり、ＦＢＧの反射率が５％の場合のスペクトルの経過時間における変化を（ａ），（ｃ），（ｅ），（ｇ），（ｉ），（ｋ），（ｍ），（ｏ），（ｑ）で示し、ＦＢＧの反射率が２％の場合のスペクトルの経過時間における変化を（ｂ），（ｄ），（ｆ），（ｈ），（ｊ），（ｌ），（ｎ），（ｐ），（ｒ）で示す。それぞれのスペクトルの経過時間は３０秒間隔である。
【００５３】
図８Ａ，８Ｂ，８Ｃに示すように、ＦＢＧの反射率が５％の場合、（ａ），（ｃ），（ｅ），（ｇ），（ｉ），（ｋ），（ｍ），（ｏ），（ｑ）において、スペクトルの経過時間における変化はほとんど見られない。一方、ＦＢＧの反射率２％の場合、スペクトルの経過時間における変化は、（ｂ），（ｄ），（ｆ），（ｈ），（ｊ），（ｌ），（ｎ），（ｐ），（ｒ）で大きく変化することはないものの、部分的に変化が現われている。これらの結果より、ＦＢＧを設けることにより安定した発振が可能となるが、特にＦＢＧの反射率が５％であれば、時間が経過してもより安定した発振が可能であることが把握される。
【００５４】
以上より、ＦＣ−ＥＣＤＬにＦＢＧを設けることにより発振スペクトルの狭帯域化を図ることができ、好ましくは反射率２％超、より好ましくは反射率５％のＦＢＧを用いることで、一層発振スペクトルの狭帯域化を図ることができる。なお、ＦＢＧの反射率は、例えば１０％超の反射率とすることもできるが、この場合外部共振器に入射する光が減少し出力が落ちてしまう。従って、反射率は１０％以下が好ましい。また、ＦＢＧの反射率が５％であれば、図８Ａ，８Ｂ，８Ｃに示したように時間が経過しても安定した発振が可能である。
【００５５】
以上説明したように、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬによって、発振波長を狭帯域化することができる。また、発振波長の波長安定化を図ることができ、より安定した発振が可能となる。
【００５６】
さらに、上述したように本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬは、発振波長を狭帯域化することができるため、リングダウン信号を一定にすることが可能となる。従って、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬをガス検出用センサーに用いることによって、赤外域のように多くのガスの吸収線がある領域でも吸収分光法によってガス検出を行なうことが可能となる。図９は、ガス種類ごとの吸収のある波長域を表した図である。図９の黒く示されている箇所が、吸収のある波長域である。図９に示すように、例えば、Ｎ２Ｏ（亜酸化窒素）は、２μｍ〜３．２μｍ及び４μｍ〜１０μｍ超の波長域で吸収がある。また、ＣＨ４（メタン）は、２．２μｍ〜２．８μｍ、３μｍ〜３．７μｍ程度及び１０μｍ前後の波長域で吸収がある。このように、図９に示した有害ガスは、いずれも２μｍ〜５μｍの波長域で吸収がある。吸収のある箇所であれば吸収分光法を用いることができる。従って、発振波長を狭帯域化し、リングダウン信号を一定にすることができる本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬをガス検出用センサーに用いることにより、赤外域等でのガス検出も行なうことができる。また、ＦＢＧを用いることによりミリ秒時間での波長安定化が可能になり測定時間よりも長い時間での発振波長の安定化を図ることができるため、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬをガス検出用センサーに用いることによって、微量ガス検出を適切に行なうことができる。なお、上述した実施形態においては、ＦＢＧとして６３８ｎｍの波長を選択するものを用いたが、対象ガスの種類に応じて、適宜適切な発振波長のＦＣ−ＥＣＤＬ及び適切な波長を選択するＦＢＧを用いることにより、ガスの種類に応じて適切なセンサーを構築することができる。
【００５７】
（ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを用いた微量ガス検出用センサー）
次に、本発明の一実施形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーについて説明する。なお、説明に当たっては、上述したＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬで説明した構成要素については、重複する説明を避けるために、説明を省略する。
【００５８】
本発明の一実施形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサー１は、概略、無反射コート半導体レーザー１０、外部共振器２０、コリメートレンズ３０、光ファイバー５０、光ファイバーの両端に配置される一対のカップリングレンズ４０、アナモルフィックプリズムペア６０、光スペクトラムアナライザー７０、パワーメーター８０、半導体レーザーに電源を供給する半導体レーザー電源１１及びＦＢＧ９０から構成される。即ち、上述した本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬ２に、さらに光スペクトラムアナライザー７０及びパワーメーター８０を備えた構成である。
【００５９】
光スペクトラムアナライザー７０は、レーザー光のスペクトル解析に用いる装置であり、受光したレーザー光を解析して、レーザー光の波長を横軸に、レーザー光の電圧を縦軸に表示する。本実施の形態においては、光スペクトラムアナライザー７０はコリメートレンズ３０とアナモルフィックプリズムペア６０との間に配置した。光スペクトラムアナライザー７０の配置位置はこれに限定されるわけではなく、例えば、無反射コート半導体レーザー１０側のカップリングレンズ４０とアナモルフィックプリズムペア６０との間に配置されてもよい。また、他の位置であってもよい。
【００６０】
パワーメーター８０は、レーザー光の出力光強度を測定するための装置であり、外部共振器２０の出射ミラー側に接続される。以上のような構成により、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサー１が得られる。
【００６１】
（ガス検出用センサーの効果）
以上のような構成により、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーは、光源部とセンサー部を分離することが可能となり、よりフレキシブルなガス検出用センサーを提供できる。また、センサー自体は無接点であるため、爆発危険性の高い環境下での防爆計測を容易に行なうことが可能となる。さらに、センサーの小型化が可能となる。
【００６２】
また、ＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーによって、赤外域のように多くのガスの吸収線がある領域でも吸収分光法によってガス検出を行なうことが可能となる。また、ＦＢＧを用いることにより長時間での波長安定化が可能になり測定時間よりも長い時間での発振波長の安定化を図ることができるため、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬをガス検出用センサーに用いることによって、微量ガス検出を適切に行なうことができる。
【符号の説明】
【００６３】
１：微量ガス検出用センサー
２：ＦＣ−ＥＣＤＬ（光ファイバー結合外部共振器型反動体レーザー）
１０：無反射コート半導体レーザー
２０：外部共振器
３０：コリメートレンズ
４０：カップリングレンズ
５０：光ファイバー
６０：アナモルフィックプリズムペア
７０：光スペクトラムアナライザー
８０：パワーメーター
９０：ＦＢＧ（光ファイバーブラッググレーティング）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを用いた微量ガス検出用センサーに関し、特に光ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーの波長を安定化した微量ガス検出用センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
波長が安定した定在波を得ることができる光源として外部共振器型半導体レーザー（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ 以下、ＥＣＤＬと記す。）が各方面で用いられている。ＥＣＤＬ外部共振器型半導体レーザーの一般的な構成を、図１０に示す。図１０は、外部共振器型半導体レーザー１００の一般的な概略構成図である。図１０に示すように、外部共振器型半導体レーザー１００は、無反射コート（以下、ＡＲコートと記す。）半導体レーザー１１０、コリメートレンズ（ここでは、非球面レンズを用いた。）１３０、入射ミラー１２１及び出射ミラー１２２の一対の高反射ミラーからなる外部共振器１２０を備える。半導体レーザー１１０から外部共振器１２０に入射された光のうち、共振器１２０の縦モードに一致する成分のみが選択され、半導体レーザー１１０の活性層へフィードバックされる。このフィードバック光の強度が十分な強度を持っていれば、半導体レーザーは受動的に固定された波長で誘導放出を生じる。従って、共振器長の微小制御や、半導体レーザーの発振周波数の安定化を行なうことなく、外部共振器内に安定して定在波を得ることができる。しかし、フィードバック光の強度を十分に確保することは容易ではなく、一般的に、共振周波数に一致させるために圧電素子による共振器長の微小制御や、発振波長の安定化が必要とされる。
【０００３】
この様なＥＣＤＬの共振器は、ガス濃度を光学的に検出する方法である吸収分光法に用いることができる。ここで、吸収分光法は、分子の電子遷移や振動回転遷移による吸収線に同調したレーザー波長による光の吸収効果を利用して測定を行う方法である。
【０００４】
吸収分光法によるガス濃度検出にＥＣＤＬを用いるのは、ＥＣＤＬの共振器の内部に長い光路長を得ることができるからである。即ち、吸収媒質が存在するサンプルセル通過後のレーザーの透過光の強度変化は、ランベルト・ベールの法則により、次の式（１）として表わすことができる。
【数１】
ここで、Ｉ［Ｗ］は透過光強度、Ｉ０［Ｗ］は入射光強度、α［ｍ−1］は吸収定数、ｄ［ｍ］はセルの光路長である。この式１からも把握されるように、長い光路長を得るほど、高感度な測定が可能である。ＥＣＤＬは、外部共振器内においてレーザー光が数千回往復するため、長い光路長を得ることができる。従って、ＥＣＤＬを用いることでガス検出の際に高感度な測定が可能になる。なお、吸収媒質が存在するサンプルセル通過後のレーザーの透過光の強度変化を模式的に図に示したものが、図１１である。
【０００５】
またＥＣＤＬの共振器は、吸収分光法の一種であるキャビティリングダウン分光法（以下、ＣＲＤＳと記す。）にも用いることができる。ＣＲＤＳは、光共振器（サンプルセル）内の媒質の濃度をリングダウン信号と呼ばれる時定数によって測定する方法である。
【０００６】
即ち、半導体レーザーに変調をかけることにより、外部共振器に入射する光を遮断することで、外部共振器からの透過光は一次の指数関数で減衰する。減衰は次の式（２）によって定義される。
【数２】
この時、Ｉ［Ｗ］は透過光強度、Ｉ０［Ｗ］は入射光強度、ｔ［ｓ］は経過時間、τ［ｓ］は時定数である。また、外部共振器内にレーザー光を吸収する媒質がある場合、透過光のレーザー光強度は、以下の式（３）に従い減衰する。
【数３】
ここで、τ［ｓ］は吸収のある媒質の時定数、τ０［ｓ］は吸収のない媒質の時定数である。時定数はリングダウン信号とも呼ばれ、外部共振器内の媒質の濃度によって値は異なる。従って、時定数を求めることにより外部共振器内の媒質の濃度を測定することが可能となる。
【０００７】
ＥＣＤＬをＣＲＤＳに用いた測定例を以下に示す。図１２は、ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定例を示す図である。図１２においては、６３８ｎｍの波長のレーザー光を用い、純粋窒素（Ｐｕｒｅ＿Ｎ２）と５０ｐｐｍ濃度の二酸化窒素（ＮＯ２）をＣＲＤＳによって測定し、それぞれの時定数の変化を示した。図１２より、純粋窒素と二酸化窒素では時定数の変化が異なることが把握される。また、図１３は、ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定結果を示す図である。図１３においては、予め所定濃度の二酸化窒素の減衰率を測定して、その結果を直線で表示している。図１２、図１３より、二酸化窒素と窒素の時定数の相違、及び二酸化窒素濃度による減衰率の変化が把握される。
【０００８】
以上説明したように、外部共振器型半導体レーザーを用いて、微量ガスを検出することができることが理解される。しかし、この様な外部共振器型半導体レーザーを用いたガス検出センサーを製造する場合、レーザー光を空間で結合するため、装置全体が大きくなってしまう欠点がある。さらに、半導体レーザー、コリメートレンズ及び外部共振器をレーザー光の光路上に直線的に配置する必要があり、フレキシビリティに欠ける。
【０００９】
そこで、装置の小型化及びフレキシビリティを確保するために、光ファイバーを用いることにより光源部とセンサー部を分離し、よりフレキシブルに用いることできる光ファイバー結合外部共振器型半導体レーザー（Ｆｉｂｅｒ−ｃｏｕｐｌｅｄ＿ｅｘｔｅｒｎａｌ−ｃａｖｉｔｙ＿ｄｉｏｄｅ＿ｌａｓｅｒ:以下、ＦＣ−ＥＣＤＬと記す。）を用いたガス検出装置が考えられる。光ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーは非特許文献１に開示されている。
【００１０】
図１４は、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いたガス検出装置２００の一例を示す概略構成図である。光源は無反射コート半導体レーザー２１０であり、レーザーからの出射光はコリメートレンズ２３０でコリメートされ、アナモルフィックプリズムペア２６０で楕円形から円形に整形され、カップリングレンズ２４０を用いて光ファイバー（図１４においては、偏波保持ファイバーを用いた。）２５０へ結合される。光ファイバー２５０からの出射光はカップリングレンズ２４０でコリメートされて外部共振器２２０へと入射される。また、無反射コート半導体レーザー２１０には、電源を供給する半導体レーザー電源２１１が接続され、外部共振器２２０には、パワーメーター２８０が接続される。さらにアナモルフィックプリズムペア２６０と、半導体レーザー側のカップリングレンズ２４０との間に、レーザー光のスペクトル解析に用いる光スペクトラムアナライザー２７０が接続される。但し、光スペクトラムアナライザー２７０の配置位置は、これに限定されず、コリメートレンズ２３０とアナモルフィックプリズムペア２６０との間でもよい。ここで、コリメートレンズ２３０、アナモルフィックプリズムペア２６０及びカップリングレンズ２４０は光ファイバー２５０への結合効率を向上させるための装置である。
【００１１】
この様に光ファイバーを用いることにより、光源部とセンサー部を直線上に配置する必要がなく、両者をよりフレキシブルに配置することが可能となる。また、センサー自体は無接点であるため、爆発危険性の高い環境下での防爆計測が容易に可能となり、さらに装置全体の小型化が可能となる。さらに、ＥＣＤＬの半導体レーザーと外部共振器間をファイバー結合することにより、センサー部分である外部共振器に圧電素子などの電気機器をいっさい含まない微量ガス検出用センサーを構築することができる。
【００１２】
このＦＣ−ＥＣＤＬも、外部共振器からのフィードバック光によって半導体レーザーの発振周波数を安定化することができる。
【００１３】
従って、このＦＣ−ＥＣＤＬによっても、前述のＥＣＤＬにおけるガス検出と同様の測定が可能である。ＦＣ−ＥＣＤＬをＣＲＤＳに用いた測定例を以下に示す。図１５は、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定例を示す図である。また、図１６は、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定結果を示す図である。上述した図１２、図１３と同様に測定できることが把握される。
【００１４】
しかし、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いた場合、ファイバーの結合効率がパラメーターの１つになる。ファイバーの結合効率はファイバーの入射前後のレーザー光強度を示したものであり、この結合効率が低い場合、外部共振器から十分なフィードバック光が得られず、半導体レーザーは発振不能となる。ゆえに、ファイバーの結合効率は、ＦＣ−ＥＣＤＬにおけるレーザー発振のための１つのパラメーターとなるのである。
【００１５】
従って、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いて微量ガス検出用センサーを構築する場合、ファイバーの結合効率を高くすることが求められる。また、発振スペクトルは外部共振器からのフィードバック成分（外部共振器長やミラーの反射率、レーザー媒質）に依存するため、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いて微量ガス検出用センサーを構築する場合、発振スペクトルを外部共振器からのフィードバック成分のみに依存するだけでなく、発振スペクトルを狭帯域化し、波長を容易に制御できることが求められる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】J. Sato et al.「Flexible laser diode race gas sensor based on cavity ringdown spectroscopy with an optical fiber-coupled high-finesse external-cavity diode laser」Applied Physics B （2009）96:741-744
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、ファイバーの結合効率を高め、かつ、発振スペクトルの狭帯域化及び波長を容易に制御できるファイバー結合外部共振器型半導体レーザー、及び該ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを用いた微量ガス検出用センサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一実施の形態によって、レーザー光を発振する半導体レーザーと、入射された前記レーザー光の強度を増幅してフィードバックレーザー光を出射する外部共振器と、前記半導体レーザーと前記外部共振器との間に配置され、前記レーザー光を前記外部共振器に出射し、かつ前記フィードバックレーザー光を前記半導体レーザーに入射する光ファイバーと、前記光ファイバーの途中に配置された光ファイバーブラッググレーティングと、を備えることを特徴とするファイバー結合外部共振器型半導体レーザーが提供される。
【００１９】
本発明の一実施の形態によって、レーザー光を発振する半導体レーザーと、入射された前記レーザー光の強度を増幅してフィードバックレーザー光を出射する外部共振器と、前記半導体レーザーと前記外部共振器との間に配置され、前記レーザー光を前記外部共振器に出射し、かつ前記フィードバックレーザー光を前記半導体レーザーに入射する光ファイバーと、前記光ファイバーの途中に配置された光ファイバーブラッググレーティングと、を具備するファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを備えることを特徴とするガス検出用センサーが提供される。
【００２０】
前記光ファイバーブラッググレーティングは、反射率が２％以上１０％以下であってもよい。
【００２１】
前記光ファイバーブラッググレーティングは、反射率が５％であってもよい。
【００２２】
前記光ファイバーの両端面は、ＰＣ研磨処理、ＡＰＣ研磨処理又は無反射コート処理の少なくとも一つの処理を施されてもよい。
【００２３】
前記半導体レーザーと前記光ファイバーとの間にコリメートレンズを有してもよい。
【００２４】
前記光ファイバーの両端にそれぞれカップリングレンズを備えてもよい。
【００２５】
前記半導体レーザーと前記半導体レーザー側に位置する前記カップリングレンズとの間に、さらにアナモルフィックプリズムペアを備えてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の一実施の形態によって、ファイバーの結合効率を高め、かつ、発振スペクトルの狭帯域化及び波長を容易に制御できるファイバー結合外部共振器型半導体レーザー、及び該ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを用いた微量ガス検出用センサーが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施の形態に係るファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬ、及び該ＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーの概略構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬに用いるＦＢＧの概略模式図である。
【図３】二酸化窒素の紫外から可視域における吸収断面積の波長依存性を示す図である。
【図４】６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率５％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）と、ＦＢＧを備えないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）の発振スペクトルの比較図である。
【図５】６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率２％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）と、ＦＢＧを備えないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）の発振スペクトルの比較図である。
【図６】６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧを備えたフＦＣ−ＥＣＤＬについて、反射率５％の場合Ａと反射率２％の場合Ｂの発振スペクトルを比較した図である。
【図７】６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率５％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）と、６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率２％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）とＦＢＧを備えないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｃ）の発振スペクトルの比較図である。
【図８Ａ】本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを設けたＦＣ−ＥＣＤＬの経過時間におけるスペクトルの変化を示した図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを設けたＦＣ−ＥＣＤＬの経過時間におけるスペクトルの変化を示した図である。
【図８Ｃ】本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを設けたＦＣ−ＥＣＤＬの経過時間におけるスペクトルの変化を示した図である。
【図９】ガス種類ごとの吸収のある波長域を表した図である。
【図１０】外部共振器型半導体レーザー１００の一般的な概略構成図である。
【図１１】吸収媒質が存在するサンプルセル通過後のレーザーの透過光の強度変化を示す模式図である。
【図１２】ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定例を示す図である。
【図１３】ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定結果を示す図である。
【図１４】ＦＣ−ＥＤＣＬを用いたガス検出装置２００の一例を示す概略構成図である。
【図１５】ＦＣ−ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定例を示す図である。
【図１６】ＦＣ−ＥＣＤＬを用いたＣＲＤＳによる二酸化窒素測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施の形態に係るファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬ、及び該ＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施の形態においては、本発明のファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬ、及び該ＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーの一例を示しており、本発明のファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬ、及び該ＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーは、それら実施の形態に限定されるわけではない。
【００２９】
（ファイバー結合外部共振器型半導体レーザー：ＦＣ−ＥＣＤＬ）
図１は、本発明の一実施の形態に係るファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬ、及び該ＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーの概略構成図である。図１に示すように、本発明の一実施の形態に係るファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬ２は、概略、無反射コート半導体レーザー１０、外部共振器２０、コリメートレンズ３０、光ファイバー５０、光ファイバーの両端に配置される１対のカップリングレンズ４０、アナモルフィックプリズムペア６０、半導体レーザーに電源を供給する半導体レーザー電源１１及び光ファイバーの途中に配置される光ファイバーブラッググレーティング（Ｆｉｂｅｒ＿Ｂｒａｇｇ＿Ｇｒａｔｉｎｇ：以下、ＦＢＧと記す。）９０から構成される。但し、コリメートレンズ３０、カップリングレンズ４０及びアナモルフィックプリズムペア６０は必要に応じて設ければよい。
【００３０】
無反射コート半導体レーザー１０は、半導体レーザー電源１１と電気的に接続され、半導体レーザー光源１１からの電源の供給を受けてレーザー光を出射する。無反射コート半導体レーザー１０の出射側の端面は無反射コート（ＡＲコート）されている。本実施の形態においては、半導体レーザーとして無反射コート半導体レーザーを用いているが、これは、ＡＲコートされた端面の反射率がほぼ０．０１％で、ほぼ無反射となり、これによって半導体レーザー１０内部でレーザー発振を起こすことがないためである。
【００３１】
無反射コート半導体レーザー１０は、外部共振器２０からの反射光を半導体レーザーの活性層にフィードバックすることにより、共振器長や発振周波数の制御を必要としない。無反射コート半導体レーザー１０は、外部共振器２０の共振周波数にレーザー発振波長が受動的に制御される。
【００３２】
本実施の形態においては、無反射コート半導体レーザー１０は、発振波長６３８ｎｍのものを使用したが、発振波長はこれに限定されず、検出対象のガスの種類に応じて適宜選択することができる。
【００３３】
外部共振器２０は、その内部に、入射ミラーと出射ミラー（いずれも図示せず）の一対の高反射ミラーを備える。入射ミラーと出射ミラーは互いに対向して配置し、それぞれのミラーの反射面の反射率は、非常に高く設定する必要がある。これによって、入射ミラー側から入射されたレーザー光は、出射ミラーと入射ミラーとの間で数千回往復され、レーザー光の強度が増幅される。従って、出射ミラーの反射率は好ましくは９９．９９％以上、より好ましくは９９．９９９％以上に設定する。また、入射ミラーの反射率は出射ミラーの反射率より低く設定され、好ましくは９９．９４％以上、より好ましくは９９．９７％以上に設定される。ただし、それぞれのミラーの反射率はこれに限定されるわけではない。
【００３４】
外部共振器２０は、ガスを導入し密閉可能なガスセルとすることができ、外部共振器長は、装置全体の大きさを考慮して適宜選択することができる。
【００３５】
コリメートレンズ３０は、無反射コート半導体レーザー１０の無反射コートされた出射側に配置される。コリメートレンズ３０は、無反射コート半導体レーザー１０から出射された発散光であるレーザー光を、平行光に変換してアナモルフィックプリズムペア６０に集光する。本実施の形態においてはコリメートレンズ３０として、非球面レンズを使用したが、コリメートレンズ３０はこれに限定されない。
【００３６】
カップリングレンズ４０は、光ファイバー５０の両端に配置され、アナモルフィックプリズムペア６０から出射されたレーザー光を、光ファイバー５０の一端に結合させ、また、光ファイバー５０から出射されるレーザー光を外部共振器２０に結合させる。
【００３７】
光ファイバー５０は、円筒状のレーザー光の伝送路である。無反射コート半導体レーザー１０から出射されたレーザー光を外部共振器２０に伝送し、外部共振器２０内で数千回往復して増幅された反射レーザー光を、無反射コート半導体レーザー１０の活性層にフィードバックする。
【００３８】
本実施の形態においては、光ファイバー５０は、端面をＰＣ研磨（Ｐｈｙｓｉｃａｌ＿Ｃｏｎｔａｃｔ、接続の際に損失を小さくするために光ファイバーの端面を凸球面研磨したもので反射減衰量（入射波に対する反射波の比率の逆数）≧２７ｄＢ。）したものを用いた。そしてファイバー入射側（即ち、無反射コート半導体レーザー１０側）のアライメントを意図的にずらして配置した。これは、ＰＣ研磨した光ファイバーでは、端面の表面反射率とＦＢＧの反射率が近いことから、光ファイバー端面と半導体レーザーとの間で共振が起き、本来のＦＢＧの波長にて発振しなくなることが実験で把握されたためである。そこで、共振が起きないように、光ファイバー入射側のアライメントを意図的にずらして共振を抑制したのである。これによって、本来のＦＢＧの波長にて発振することが可能になった。なお、共振の原因が端面の表面反射率とＦＢＧの反射率が近いためであるので、光ファイバーの端面をＡＰＣ研磨（Ａｎｇｌｅｄ＿Ｐｈｙｓｉｃａｌ＿Ｃｏｎｔａｃｔ、ＰＣより研磨面を斜めにすることによりさらに戻り光を小さくしたもので反射減衰量：≧６０ｄＢ）処理、又はＡＲコートすることにより、アライメントをずらさなくても共振を抑制でき、本来のＦＢＧの波長で発振することが可能となる。従って、光ファイバーの端面処理としては、以上の３つの処理の少なくとも一つを行なうことが好適である。
【００３９】
アナモルフィックプリズムペア６０は、ハウジング内部に２個のプリズム６１，６２を備え、無反射コート半導体レーザー１０から出射された楕円形のレーザー光を、ビーム軸の１つを拡大・縮小することで円形に成形する。出射光は、入射光に対して平行に出射される。アナモルフィックプリズムペア６０及び上述したコリメートレンズ２０、カップリングレンズ４０は、いずれも光ファイバー５０への結合効率を向上せるための装置である。従って、無反射コート半導体レーザー１０、外部共振器２０及び光ファイバー５０の結合効率を高く維持できる場合には、アナモルフィックプリズムペア６０、コリメートレンズ２０、カップリングレンズ４０のいずれか又は全部を省略することもできる。特に、上述したように、光ファイバーの端面を例えばＡＰＣ研磨又は無反射コートすることで結合効率を高めた場合、省略が可能である。
【００４０】
ＦＢＧ９０は、光ファーバーのコア中に回折格子９１を形成したデバイスで、特定の波長を選択する素子である。即ち、光フィルターとしての機能を有する。図２は、本発明の一実施の形態に係るファイバーの結合効率を高めたＦＣ−ＥＣＤＬに用いるＦＢＧの概略模式図である。図２に示すように、光ファイバーのコア９２中に、回折格子９１を形成するため、入射光は、回折格子の反射率に応じて反射され、一定量の入射光のみが透過光として回折格子を通過する。これによって、発振スペクトルの狭帯域化を図ることができるとともに、波長を容易に制御することができる。
【００４１】
ＦＢＧ９０は、上述した構成であるため、一定量の入射光のみが透過光として回折格子９１を通過することにより、発振スペクトルを狭帯域化することができる。ここで、ＦＢＧ９０の代わりにフィルターを介することも考えられるが、フィルターを介した場合には、発振スペクトルを狭帯域化することができない。従って、ＦＢＧ９０を用いることが必要である。
【００４２】
本実施の形態においては、ＦＢＧ９０として、６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（タツタ電線社製）を用いた。このＦＢＧ９０の反射率は５％である。また、比較例として同じ６３８ｎｍの波長を選択する反射率２％のＦＢＧ（同じくタツタ電線社製）を使用した。微量ガス検出用センサーを構築する場合、使用するレーザー光の波長に併せて、適宜適切な波長を選択するＦＢＧ９０を用いることができる。
【００４３】
ＦＢＧ９０は、光ファイバー５０の両端面の間に配置する。配置位置は光ファイバー５０の中間に限定されず、いずれかの端面側に偏って配置してもよい。光ファイバー５０のコアに、紫外線を照射して光ファイバー５０とＦＢＧ９０とを一体的に形成してもよい。即ち、光誘起屈折率変化（Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）によって、光ファイバーのコアに屈折率の変化を生じさせ、この屈折率の変化を周期的に作ってやることで、コア内部に一種の回折格子を形成することができる。例えば、照射する紫外光にＵＶレーザー（エキシマレーザー等）を用い、このレーザーと照射面の間にレーザー回折を起こすための透過型回折格子（位相マスク）を入れることで、コアに回折格子を形成することができる。このような方法により、光ファイバー５０とＦＢＧ９０とを一体的に形成できる。
【００４４】
このように、ＦＢＧを用いることで、従来のＦＣ−ＥＣＤＬでは実現することができなかった発振スペクトルの狭帯域化、及び波長を容易に制御することが可能となった。
【００４５】
また、ＦＢＧは、温度変化や張力を加えることにより、容易に波長を制御することが可能であるので、ＦＢＧを用いた本発明の一実施の形態に係るＦＣ−ＥＣＤＬは、発振スペクトルの制御を容易に行なうことができる。
【００４６】
即ち、従来のＦＣ−ＥＣＤＬの発振スペクトルは、外部共振器からのフィードバック成分（外部共振器長やミラーの反射率、レーザー媒質）に依存しており、従って容易に制御できなかった。そして、発振スペクトルは、吸収分光法を用いた微量ガス検出の際に、測定の可否を左右するパラメーターである。図３を参照する。図３は、二酸化窒素の紫外から可視域における吸収断面積の波長依存性を示す図である。図３に示すように二酸化窒素の吸収断面積は、波長に左右され、波長が若干ずれただけでも大きく異なる。波長６３０nm程度から７００ｎｍにかけては平坦に近くなるが、全く平坦なわけではない。従って、吸収分光法を用いる際に、吸収スペクトルに対して発振波長が狭帯域でなければ、吸収係数が周波数に依存するためリングダウン信号が一定にならず、濃度測定をすることが不可能となる。よって、発振スペクトルを外部共振器からフィードバック成分のみに依存するだけでなく、発振スペクトルの狭帯域化及び発振スペクトルの制御が可能になれば、吸収分光法によるガス検出に関して有利になる。また、赤外域のように多くのガスの吸収線がある領域でも、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いて吸収分光法によってガス検出が有効に行なうことができる。
【００４７】
本発明の一実施の形態に係るＦＣ−ＥＣＤＬにおいては、発振スペクトルの狭帯域化が可能である。図を基に説明する。図４から図７は、ＦＢＧを用いたＦＣ−ＥＣＤＬと、ＦＢＧを用いないＦＣ−ＥＣＤＬとの発振スペクトルを比較した図である。図４は、
６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率５％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）と、ＦＢＧを備えないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）の発振スペクトルの比較図である。図５は、６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率２％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）と、ＦＢＧを備えないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）の発振スペクトルの比較図である。図６は、６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧを備えたフＦＣ−ＥＣＤＬについて、反射率５％の場合Ａと反射率２％の場合Ｂの発振スペクトルを比較した図である。図７は、６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率５％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）と、６３８ｎｍの波長を選択するＦＢＧ（反射率２％）を備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）とＦＢＧを備えないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｃ）の発振スペクトルの比較図である。
【００４８】
図４に示すように、ＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）の発振スペクトルは、波長６３８ｎｍを挟んで急峻なカーブを描くが、他の波長領域においては、ほとんど平坦なカーブである。即ち、ＦＢＧを設けたことで、ＦＣ−ＥＣＤＬの発振スペクトルの狭帯域化が図られていることが把握される。一方、ＦＢＧを設けない場合の発振スペクトルは、波長６３６ｎｍから６３７ｎｍにかけて、１ｎｍ以上に渡っていくつものカーブが描かれており、発振スペクトルの幅が広い。また、図５を参照すると、反射率２％のＦＢＧを設けたＦＣ−ＥＣＤＬ（Ａ）の発振スペクトルは、ＦＢＧを設けないＦＣ−ＥＣＤＬ（Ｂ）の発振スペクトルよりも強度は低いものの、波長６３６ｎｍから６３８ｎｍの広い帯域に渡って複数のスペクトルが現れており、反射率５％のＦＢＧを設けたＦＣ−ＥＣＤＬに比して発振スペクトルはあまり狭帯域化されていない。ＦＢＧの反射率の違いによる発振スペクトルの狭帯域化の達成状況は図６からもよく把握され、反射率５％のＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬの発振スペクトルが高狭帯域化されていることが把握される。これは、３つの発振スペクトルを比較した図７からも把握される。
【００４９】
結合効率もＦＣ−ＥＣＤＬが発振する条件としてのパラメーターである。図６及び図７にＦＢＧの反射率の違いによる発振スペクトルの比較を示したが、ＦＣ−ＥＣＤＬの閾値電流を求める式として、次の式（４）が与えられる。
【数４】
ここで、Ｉｔｈは閾値電流、ｌはレーザー媒質長、ｓはストライプ幅、ｄは活性層の厚さ、ηは量子効率、Ｊ０はしきい値電流密度、βは利得係数、Γは閉じ込め係数、αは吸収係数、ＲＦはファイバー結合効率、ＲｃはＦＢＧの反射率、ＲＨＲは半導体レーザー後方端面の反射率である。
【００５０】
上述の式４から、ＦＣ−ＥＣＤＬの閾値電流は、ファイバーの結合効率・ＦＢＧの反射率に依存することから、これらの値も発振に関するパラメーターであると考えられる。上述した図４及び図５より、ＦＢＧの反射率は、発振スペクトルの安定化に寄与することを示している。
【００５１】
また、ＦＣ−ＥＣＤＬを用いて吸収分光法によってガスを検出する際は、マイクロ秒時間での測定となるが、ＦＢＧを用いることにより、測定時間よりも長い時間での波長の安定化が可能となるので、ガス検出の際にも大きな効果が期待できる。
【００５２】
さらに、経過時間におけるスペクトルの変化を図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃに示す。図８Ａ，８Ｂ，８Ｃは、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを設けたＦＣ−ＥＣＤＬの経過時間におけるスペクトルの変化を示した図であり、ＦＢＧの反射率が５％の場合のスペクトルの経過時間における変化を（ａ），（ｃ），（ｅ），（ｇ），（ｉ），（ｋ），（ｍ），（ｏ），（ｑ）で示し、ＦＢＧの反射率が２％の場合のスペクトルの経過時間における変化を（ｂ），（ｄ），（ｆ），（ｈ），（ｊ），（ｌ），（ｎ），（ｐ），（ｒ）で示す。それぞれのスペクトルの経過時間は３０秒間隔である。
【００５３】
図８Ａ，８Ｂ，８Ｃに示すように、ＦＢＧの反射率が５％の場合、（ａ），（ｃ），（ｅ），（ｇ），（ｉ），（ｋ），（ｍ），（ｏ），（ｑ）において、スペクトルの経過時間における変化はほとんど見られない。一方、ＦＢＧの反射率２％の場合、スペクトルの経過時間における変化は、（ｂ），（ｄ），（ｆ），（ｈ），（ｊ），（ｌ），（ｎ），（ｐ），（ｒ）で大きく変化することはないものの、部分的に変化が現われている。これらの結果より、ＦＢＧを設けることにより安定した発振が可能となるが、特にＦＢＧの反射率が５％であれば、時間が経過してもより安定した発振が可能であることが把握される。
【００５４】
以上より、ＦＣ−ＥＣＤＬにＦＢＧを設けることにより発振スペクトルの狭帯域化を図ることができ、好ましくは反射率２％超、より好ましくは反射率５％のＦＢＧを用いることで、一層発振スペクトルの狭帯域化を図ることができる。なお、ＦＢＧの反射率は、例えば１０％超の反射率とすることもできるが、この場合外部共振器に入射する光が減少し出力が落ちてしまう。従って、反射率は１０％以下が好ましい。また、ＦＢＧの反射率が５％であれば、図８Ａ，８Ｂ，８Ｃに示したように時間が経過しても安定した発振が可能である。
【００５５】
以上説明したように、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬによって、発振波長を狭帯域化することができる。また、発振波長の波長安定化を図ることができ、より安定した発振が可能となる。
【００５６】
さらに、上述したように本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬは、発振波長を狭帯域化することができるため、リングダウン信号を一定にすることが可能となる。従って、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬをガス検出用センサーに用いることによって、赤外域のように多くのガスの吸収線がある領域でも吸収分光法によってガス検出を行なうことが可能となる。図９は、ガス種類ごとの吸収のある波長域を表した図である。図９の黒く示されている箇所が、吸収のある波長域である。図９に示すように、例えば、Ｎ２Ｏ（亜酸化窒素）は、２μｍ〜３．２μｍ及び４μｍ〜１０μｍ超の波長域で吸収がある。また、ＣＨ４（メタン）は、２．２μｍ〜２．８μｍ、３μｍ〜３．７μｍ程度及び１０μｍ前後の波長域で吸収がある。このように、図９に示した有害ガスは、いずれも２μｍ〜５μｍの波長域で吸収がある。吸収のある箇所であれば吸収分光法を用いることができる。従って、発振波長を狭帯域化し、リングダウン信号を一定にすることができる本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬをガス検出用センサーに用いることにより、赤外域等でのガス検出も行なうことができる。また、ＦＢＧを用いることによりミリ秒時間での波長安定化が可能になり測定時間よりも長い時間での発振波長の安定化を図ることができるため、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬをガス検出用センサーに用いることによって、微量ガス検出を適切に行なうことができる。なお、上述した実施形態においては、ＦＢＧとして６３８ｎｍの波長を選択するものを用いたが、対象ガスの種類に応じて、適宜適切な発振波長のＦＣ−ＥＣＤＬ及び適切な波長を選択するＦＢＧを用いることにより、ガスの種類に応じて適切なセンサーを構築することができる。
【００５７】
（ファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを用いた微量ガス検出用センサー）
次に、本発明の一実施形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーについて説明する。なお、説明に当たっては、上述したＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬで説明した構成要素については、重複する説明を避けるために、説明を省略する。
【００５８】
本発明の一実施形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサー１は、概略、無反射コート半導体レーザー１０、外部共振器２０、コリメートレンズ３０、光ファイバー５０、光ファイバーの両端に配置される一対のカップリングレンズ４０、アナモルフィックプリズムペア６０、光スペクトラムアナライザー７０、パワーメーター８０、半導体レーザーに電源を供給する半導体レーザー電源１１及びＦＢＧ９０から構成される。即ち、上述した本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬ２に、さらに光スペクトラムアナライザー７０及びパワーメーター８０を備えた構成である。
【００５９】
光スペクトラムアナライザー７０は、レーザー光のスペクトル解析に用いる装置であり、受光したレーザー光を解析して、レーザー光の波長を横軸に、レーザー光の電圧を縦軸に表示する。本実施の形態においては、光スペクトラムアナライザー７０はコリメートレンズ３０とアナモルフィックプリズムペア６０との間に配置した。光スペクトラムアナライザー７０の配置位置はこれに限定されるわけではなく、例えば、無反射コート半導体レーザー１０側のカップリングレンズ４０とアナモルフィックプリズムペア６０との間に配置されてもよい。また、他の位置であってもよい。
【００６０】
パワーメーター８０は、レーザー光の出力光強度を測定するための装置であり、外部共振器２０の出射ミラー側に接続される。以上のような構成により、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサー１が得られる。
【００６１】
（ガス検出用センサーの効果）
以上のような構成により、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーは、光源部とセンサー部を分離することが可能となり、よりフレキシブルなガス検出用センサーを提供できる。また、センサー自体は無接点であるため、爆発危険性の高い環境下での防爆計測を容易に行なうことが可能となる。さらに、センサーの小型化が可能となる。
【００６２】
また、ＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬを用いた微量ガス検出用センサーによって、赤外域のように多くのガスの吸収線がある領域でも吸収分光法によってガス検出を行なうことが可能となる。また、ＦＢＧを用いることにより長時間での波長安定化が可能になり測定時間よりも長い時間での発振波長の安定化を図ることができるため、本発明の一実施の形態に係るＦＢＧを備えたＦＣ−ＥＣＤＬをガス検出用センサーに用いることによって、微量ガス検出を適切に行なうことができる。
【符号の説明】
【００６３】
１：微量ガス検出用センサー
２：ＦＣ−ＥＣＤＬ（光ファイバー結合外部共振器型反動体レーザー）
１０：無反射コート半導体レーザー
２０：外部共振器
３０：コリメートレンズ
４０：カップリングレンズ
５０：光ファイバー
６０：アナモルフィックプリズムペア
７０：光スペクトラムアナライザー
８０：パワーメーター
９０：ＦＢＧ（光ファイバーブラッググレーティング）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を発振する半導体レーザーと、
入射された前記レーザー光の強度を増幅してフィードバックレーザー光を出射する外部共振器と、
前記半導体レーザーと前記外部共振器との間に配置され、前記レーザー光を前記外部共振器に出射し、かつ前記フィードバックレーザー光を前記半導体レーザーに入射する光ファイバーと、
前記光ファイバーの途中に配置された光ファイバーブラッググレーティングと、
を備えることを特徴とするファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項２】
前記光ファイバーブラッググレーティングは、反射率が２％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項３】
前記光ファイバーブラッググレーティングは、反射率が５％であることを特徴とする請求項１に記載のファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項４】
前記光ファイバーの両端面は、ＰＣ研磨処理、ＡＰＣ研磨処理又は無反射コート処理の少なくとも一つの処理を施されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項５】
前記半導体レーザーと前記光ファイバーとの間にコリメートレンズを有することを特徴とする請求項４に記載のファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項６】
前記光ファイバーの両端にそれぞれカップリングレンズを備えることを特徴とする請求項４に記載のファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項７】
前記半導体レーザーと前記半導体レーザー側に位置する前記カップリングレンズとの間に、さらにアナモルフィックプリズムペアを備えることを特徴とする請求項６に記載のファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項８】
レーザー光を発振する半導体レーザーと、
入射された前記レーザー光の強度を増幅してフィードバックレーザー光を出射する外部共振器と、
前記半導体レーザーと前記外部共振器との間に配置され、前記レーザー光を前記外部共振器に出射し、かつ前記フィードバックレーザー光を前記半導体レーザーに入射する光ファイバーと、
前記光ファイバーの途中に配置された光ファイバーブラッググレーティングと、
を具備するファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを備えることを特徴とするガス検出用センサー。
【請求項９】
前記光ファイバーブラッググレーティングは、反射率が２％以上１０％以下であることを特徴とする請求項８に記載のガス検出用センサー。
【請求項１０】
前記光ファイバーブラッググレーティングは、反射率が５％であることを特徴とする請求項８に記載のガス検出用センサー。
【請求項１】
レーザー光を発振する半導体レーザーと、
入射された前記レーザー光の強度を増幅してフィードバックレーザー光を出射する外部共振器と、
前記半導体レーザーと前記外部共振器との間に配置され、前記レーザー光を前記外部共振器に出射し、かつ前記フィードバックレーザー光を前記半導体レーザーに入射する光ファイバーと、
前記光ファイバーの途中に配置された光ファイバーブラッググレーティングと、
を備えることを特徴とするファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項２】
前記光ファイバーブラッググレーティングは、反射率が２％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項３】
前記光ファイバーブラッググレーティングは、反射率が５％であることを特徴とする請求項１に記載のファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項４】
前記光ファイバーの両端面は、ＰＣ研磨処理、ＡＰＣ研磨処理又は無反射コート処理の少なくとも一つの処理を施されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項５】
前記半導体レーザーと前記光ファイバーとの間にコリメートレンズを有することを特徴とする請求項４に記載のファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項６】
前記光ファイバーの両端にそれぞれカップリングレンズを備えることを特徴とする請求項４に記載のファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項７】
前記半導体レーザーと前記半導体レーザー側に位置する前記カップリングレンズとの間に、さらにアナモルフィックプリズムペアを備えることを特徴とする請求項６に記載のファイバー結合外部共振器型半導体レーザー。
【請求項８】
レーザー光を発振する半導体レーザーと、
入射された前記レーザー光の強度を増幅してフィードバックレーザー光を出射する外部共振器と、
前記半導体レーザーと前記外部共振器との間に配置され、前記レーザー光を前記外部共振器に出射し、かつ前記フィードバックレーザー光を前記半導体レーザーに入射する光ファイバーと、
前記光ファイバーの途中に配置された光ファイバーブラッググレーティングと、
を具備するファイバー結合外部共振器型半導体レーザーを備えることを特徴とするガス検出用センサー。
【請求項９】
前記光ファイバーブラッググレーティングは、反射率が２％以上１０％以下であることを特徴とする請求項８に記載のガス検出用センサー。
【請求項１０】
前記光ファイバーブラッググレーティングは、反射率が５％であることを特徴とする請求項８に記載のガス検出用センサー。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図９】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１１９５４１（Ｐ２０１１−１１９５４１Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７６７９３（Ｐ２００９−２７６７９３）
【出願日】平成２１年１２月４日（２００９．１２．４）
【出願人】（０００１２５３６９）学校法人東海大学 (352)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月４日（２００９．１２．４）
【出願人】（０００１２５３６９）学校法人東海大学 (352)
【Ｆターム（参考）】
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