JPH09326521A - 差周波光発生装置およびこれを用いた赤外吸収分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 取り扱いが容易で、たとえば波長３μｍ以上
の長波長領域においても高い連続波出力が得られ、かつ
波長掃引が可能な差周波光発生装置および赤外吸収分析
装置を提供する。 【解決手段】 ブロック１００は、レーザ媒質２３、出
力ミラー２２およびＫＮｂＯ₃ から成る非線形光学素子
２４で構成された内部共振型固体レーザと、レーザ媒質
２３を励起するためのポンプ用半導体レーザ２０とを含
む。光共振器は、レーザ媒質２３の表面２３ａと出力ミ
ラー２２と間で構成される。レーザ媒質２３と非線形光
学素子２４との間には、発振光に対して反射し、ミキシ
ング光に対して透過する波長選択ミラー３０が介在す
る。ブロック２００は、ミキシング光を放射する半導体
レーザ１０と、レンズ１１とを含む。ブロック３００
は、互いに光学長の異なる２つの複屈折素子５、６と、
両者の間に介在する偏光子１２とを含んだ、いわゆるリ
オット型フィルタを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長が相互に異な
る第１および第２基本波を非線形光学効果によって差周
波に変換する差周波光発生装置およびこれを用いた赤外
吸収分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、大気汚染などの環境汚染の問題が
大きく取り上げられており、大気中の汚染物質、たとえ
ば窒素酸化物（ＮＯ_X ）や硫黄酸化物（ＳＯ_X ）などの
汚染濃度を正確にかつ迅速に測定できる装置が望まれて
いる。こうした汚染濃度は、大気の光吸収スペクトルの
変化を観測することによって定量化が可能であり、特に
波長２μｍ以上には汚染ガスの吸収線が多く存在するた
め、こうした波長２μｍ帯以上での可変波長光源が必要
になる。

【０００３】従来、これらの汚染気体や特定の重要な注
目気体の濃度を測定するガス分析用光源として、この波
長領域のバンドギャップを持つ（ＰｂＥｕ）Ｓｅや（Ｐ
ｂＳｎ）Ｓｅ等の材料を活性層にした半導体レーザが知
られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た半導体レーザは、発光効率および寿命の点で液体窒素
温度（７７Ｋ）まで冷却して使用する必要が有るため、
装置が大型になって、しかも装置の取扱いも煩雑にな
る。さらに、こうした半導体レーザでは数本のマルチモ
ードで発振するため、そのうち一本のみを選択し取り出
すための分光器が必要になり、ガス分析用光源だけでも
大規模になってしまう。

【０００５】一方、波長２〜３μｍの固体レーザ光源と
して、２μｍ帯で発振するＴｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ，Ｈｏ：
ＹＡＧ等、３μｍ帯で発振するＥｒ：ＹＡＧ等のレーザ
媒質を使用するものが知られている。これらのレーザ媒
質は、ポンピング光強度等により発振波長が広くシフト
することが知られている。しかしながら、これらの発振
波長は縦マルチモードであって、しかも連続的に掃引す
ることが出来ないため、上述のようなガス分析用光源に
は不向きである。

【０００６】さらに、レーザ共振器内にレーザ媒質およ
び非線形光学結晶を配置し、外部より別のレーザ光をレ
ーザ共振器内に導入して、差周波発生によって赤外光を
発生するようにした差周波レーザが知られている(Edesl
y et al., in Conference onLasers and Electro-Optic
s, 1994,Technical Digest Series, Vol8（OpticalSoci
ety of America, Washington, D.C.,1994, p.380）。

【０００７】こうした差周波レーザの一例として、レー
ザ媒質としてＮｄ：ＹＡＧ結晶、非線形光学結晶として
燐酸チタニルカリウムＫＴｉＯＰＯ₄ （ＫＴＰ）結晶を
レーザ共振器内部に配置して、波長１．０６４μｍのレ
ーザ発振を行うとともに、外部から別のレーザ光を共振
器内に導入することによって波長２．８μｍの差周波に
波長変換している。しかし、波長２．９μｍ以上の波長
領域ではＫＴＰ結晶の吸収線が存在するため、上記構成
では波長２．９μｍ以上の差周波を発生することが困難
である。

【０００８】一方、非線形光学結晶としてＫＮｂＯ₃ 結
晶を用いる場合、和周波発生によって短波長の光に変換
するとき、波長許容度が狭いため厳密な温度制御が必要
である。しかし、差周波発生によって長波長の光に変換
するとき、波長許容度が広く、ミキシング光の波長を掃
引した場合でも変換効率は変化しないため、差周波発生
用としてＫＮｂＯ₃ 結晶は有望である。

【０００９】他方、ＫＴＰ結晶は、波長３μｍ以上の領
域において水分子Ｈ₂Ｏの吸収によって透明でなくなる
ため、差周波発生として使用できない。またＫＴＰ結晶
の非線形定数が小さいため、変換効率も低くなる。

【００１０】さらに、赤外用非線形光学結晶としてＡｇ
ＧａＳ₂ 結晶を使用することは公知であるが、結晶品質
や耐損傷閾値が低いこともあって、差周波の出力は１５
０μＷ程度にすぎないので、ガス分析等には不向きであ
る。

【００１１】本発明の目的は、取り扱いが容易で、たと
えば波長３μｍ以上の長波長領域においても高い連続波
出力が得られ、かつ波長掃引が可能な差周波光発生装置
およびこれを用いた赤外吸収分析装置を提供することで
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、励起光によっ
て励起され、第１基本波を発振するレーザ媒質と、第１
基本波および該第１基本波と異なる波長を持つ第２基本
波に基づいて、差周波光を発生するための非線形光学素
子と、レーザ媒質および非線形光学素子を内部に配置し
た光共振器と、光共振器の外部に設けられ、第２基本波
を発生するレーザ光源と、レーザ光源からの第２基本波
の波長を制御するための波長制御手段とを備え、前記波
長制御手段が第２基本波を掃引することによって、非線
形光学素子が発生する差周波の波長を掃引することを特
徴とする差周波光発生装置である。本発明に従えば、レ
ーザ光源からの第２基本波を波長掃引することによっ
て、差周波の波長を掃引することが可能になる。そのた
め、比較的長い波長領域において波長を連続的に変化さ
せる用途、たとえばガス分析用として小型軽量で大出力
の光源を実現できる。

【００１３】また本発明は、前記波長制御手段は、レー
ザ光源と光共振器との間に設けられ、レーザ光源からの
第２基本波の波長をチューニングする波長選択フィルタ
で構成されることを特徴とする。本発明に従えば、レー
ザ光源と光共振器との間に波長選択フィルタを設けるこ
とによって、第２基本波の波長掃引が広範囲に渡って可
能になり、しかも第２基本波の単色性および波長安定度
を良好に維持できる。そのため、安定した差周波の波長
掃引を実現できる。

【００１４】また本発明は、前記レーザ光源がＤＦＢ
（Distributed Feedback）構造またはＤＢＲ（Distribu
ted Bragg Reflector）構造の半導体レーザで構成さ
れ、前記波長制御手段が該半導体レーザのキャリア分布
を制御することを特徴とする。本発明に従えば、半導体
レーザのキャリア分布を制御することによって、特別な
分光装置を使用しなくても第２基本波の波長掃引が広範
囲に渡って可能になるため、差周波の波長掃引を簡単な
構成で実現できる。

【００１５】また本発明は、第２基本波の波長変化に合
わせて、非線形光学素子の位相整合条件を変化させて差
周波出力の安定化を行うための位相整合条件制御手段を
備えたことを特徴とする。本発明に従えば、第２基本波
の波長変化に合わせて、非線形光学素子の位相整合条件
を変化させることによって、差周波出力が安定化が図ら
れるため、出力変動の少ない光源を実現できる。

【００１６】また本発明は、非線形光学素子は、ＫＮｂ
Ｏ₃ 結晶で形成されていることを特徴とする。本発明に
従えば、ＫＮｂＯ₃ 結晶は大きな非線形定数を有し、差
周波発生における波長許容度が広いため、ミキシング光
の波長を掃引した場合でも高い変換効率を維持しつつ安
定した差周波を発生することができる。

【００１７】また本発明は、第１基本波が実質的に波長
１．０６４μｍのレーザ光であり、第２基本波が実質的
に波長０．６９μｍのレーザ光であり、差周波が実質的
に波長１．９６μｍのコヒーレント光であることを特徴
とする。本発明に従えば、波長１．９６μｍを中心に
１．９〜２．０μｍの範囲に渡って波長掃引が可能な赤
外用光源が得られる。

【００１８】また本発明は、第１基本波が実質的に波長
１．０６４μｍのレーザ光であり、第２基本波が実質的
に波長０．７８μｍのレーザ光であり、差周波が実質的
に波長２．９２μｍのコヒーレント光であることを特徴
とする。本発明に従えば、波長２．９２μｍを中心に
２．７〜３．２μｍの範囲に渡って波長掃引が可能な赤
外用光源が得られる。

【００１９】また本発明は、第１基本波が実質的に波長
１．０６４μｍのレーザ光であり、第２基本波が実質的
に波長０．８３μｍのレーザ光であり、差周波が実質的
に波長３．７μｍのコヒーレント光であることを特徴と
する。本発明に従えば、波長３．８μｍを中心に３．６
〜４．０μｍの範囲に渡って波長掃引が可能な赤外用光
源が得られる。

【００２０】また本発明は、第１基本波が実質的に波長
１．０６４μｍのレーザ光であり、第２基本波が実質的
に波長０．８６μｍのレーザ光であり、差周波が実質的
に波長４．５μｍのコヒーレント光であることを特徴と
する。本発明に従えば、波長４．５μｍを中心に４．２
〜４．８μｍの範囲に渡って波長掃引が可能な赤外用光
源が得られる。

【００２１】また本発明は、波長掃引手段を有する光源
と、光検出器と、該光検出器からの信号を処理しかつ前
記光源の波長を制御するコントローラとを備えた赤外吸
収分析装置において、前記光源は、励起光によって励起
され、第１基本波を発振するレーザ媒質と、第１基本波
および該第１基本波と異なる波長を持つ第２基本波に基
づいて、差周波光を発生するための非線形光学素子と、
レーザ媒質および非線形光学素子を内部に配置した光共
振器と、光共振器の外部に設けられ、第２基本波を発生
するレーザ光源と、レーザ光源からの第２基本波の波長
を制御するための波長制御手段とを備え、前記波長制御
手段が第２基本波を掃引することによって、非線形光学
素子が発生する差周波の波長を掃引することを特徴とす
る赤外吸収分析装置である。本発明に従えば、光源とし
て全固体でかつ波長を掃引する波長制御手段を有す差周
波光発生装置を利用するので分光装置が不要になり、さ
らに装置の小型化が可能となる。また波長分解能が格段
に向上し測定の精度が向上するとともに、掃引する波長
幅を狭くしても測定するガス特有のスペクトルを高精度
で捉えることができるので確実な分析ができる。

【００２２】また本発明の前記波長制御手段は、レーザ
光源と光共振器との間に設けられ、レーザ光源からの第
２基本波の波長をチューニングする波長選択フィルタで
構成されることを特徴とする。本発明に従えば、加えて
より長時間にわたって安定した波長掃引が可能となる。

【００２３】また本発明は、前記レーザ光源がＤＦＢ
（Distributed Feedback）構造またはＤＢＲ（Distribu
ted Bragg Reflector）構造の半導体レーザで構成さ
れ、前記波長制御手段が該半導体レーザのキャリア分布
を制御することを特徴とする。本発明に従えば、加えて
さらに波長分解能が高くなりまた出力も安定化するので
相乗して分析の精度がより向上する。

【００２４】また本発明は、第２基本波の波長変化に合
わせて、非線形光学素子の位相整合条件を変化させて差
周波出力の安定化を行うための位相整合条件制御手段を
備えたことを特徴とする。本発明に従えば、加えてさら
に波長分解能が高くなりまた出力も安定化するので相乗
して分析の精度がより向上する。

【００２５】以下、本発明の原理について詳説する。本
発明に係る差周波光発生装置において、たとえば波長３
μｍ以上という長波長領域において高い透過率を有し、
かつ高い非線形定数を有する非線形光学素子を選定する
ことが必要である。

【００２６】図１は、本発明に係る差周波光発生装置の
一例を示す構成図である。差周波光発生装置は、レーザ
共振器を構成するブロック１００と、ミキシング光源を
構成するブロック２００と、ミキシング光の波長を掃引
するブロック３００などで構成される。

【００２７】ブロック１００は、レーザ媒質２３、出力
ミラー２２、およびＫＮｂＯ₃ から成る非線形光学素子
２４で構成された内部共振型固体レーザと、レーザ媒質
２３を励起するためのポンプ用半導体レーザ２０とを含
む。光共振器は、レーザ媒質２３の表面２３ａと出力ミ
ラー２２との間で構成される。レーザ媒質２３と非線形
光学素子２４との間には、発振光に対して反射し、ミキ
シング光に対して透過する波長選択ミラー３０が介在し
て、光共振器の光伝搬軸を屈曲させている。半導体レー
ザ２０からの励起光はレンズ２１ａ、２１ｂを経由して
レーザ媒質２３に集光される。

【００２８】ブロック２００は、ミキシング光を放射す
る単一モードの半導体レーザ１０と、ミキシング光を集
光するレンズ１１とを含む。

【００２９】ブロック３００は、互いに光学長の異なる
２つの複屈折素子５、６と、両者の間に介在する偏光子
１２とを含んだ、いわゆるリオット型フィルタを構成し
ており、急峻なバンドパス特性を有する波長選択素子と
して機能する。

【００３０】半導体レーザ１０から出力されたミキシン
グ光は、レンズ１１、複屈折素子５、偏光子１２、複屈
折素子６、波長選択ミラー３０、非線形光学素子２４を
通過して出力ミラー２２で反射され、再び同じ経路を戻
って半導体レーザ１０に帰還される。その際、複屈折素
子５、６および偏光子１２から成るリオット型フィルタ
が特定の波長のみを選択的に通過させるため、半導体レ
ーザ１０の縦モードは該フィルタの通過帯域に安定化さ
れる。

【００３１】こうした構成において、内部共振型固体レ
ーザの発振光（第１基本波）の波長をλ１、ミキシング
光（第２基本波）の波長をλ２とすると、非線形光学素
子２４において、１／λ３＝１／λ１−１／λ２の関係
式を満足する波長λ３の差周波光が発生し、出力ミラー
２２を介して外部に取り出される。さらに、ブロック３
００の透過波長を何らかの手段によって連続的に変化さ
せることによって、ミキシング光の波長λ２を掃引で
き、上記関係式に従って差周波の波長λ３を連続的に掃
引できる。

【００３２】こうして波長λ１、λ２を適切に設定する
ことによって、たとえばガス分析等に有用な赤外領域の
高出力光源を実現できる。

【００３３】非線形光学素子２４として使用するＫＮｂ
Ｏ₃ 結晶は、高い非線形定数を有するため、たとえば第
２高調波発生（ＳＨＧ）によるブルーレーザ用波長変換
材料として使用されることが多い。一方、差周波発生を
行う場合には、位相整合可能な光伝搬方向と、波長変換
効率を左右する実効的非線形光学定数ｄeff を見積もる
ことが重要である。

【００３４】図２は、結晶軸と光伝搬方向との関係を示
す座標系である。ＫＮｂＯ₃ 結晶の最大屈折率を有する
結晶軸をｂ軸、最小屈折率を持つ軸をｃ軸とし、ａ−ｂ
面内でａ軸からの角度をφ、ｃ軸からの頂角をθとする
と、光伝搬方向は角度φと角度θの２つの角度で定義で
きる。たとえば、レーザ媒質２３の発振光の波長λ１を
固定し、ミキシング光の波長λ２を変化させた場合、１
／λ３＝１／λ１−１／λ２の関係式で決まる差周波波
長λ３で位相整合可能な結晶方位角と光伝搬方向とを一
致させることが必要になる。

【００３５】図３は、位相整合角度θとミキシング光波
長λ２との関係を示すグラフである。ここでは、ＫＮｂ
Ｏ₃ 結晶を用いて、波長λ１＝１０６４ｎｍ、角度φ＝
９０度にそれぞれ設定した計算結果を示す。

【００３６】このように非線形光学素子の屈折率、発振
光波長λ１、ミキシング光波長λ２が決まれば、２つの
位相整合角度φ、θを容易に算出することができ、この
光伝搬方向と一致するように非線形光学素子のカット方
向および配置を決定する。

【００３７】図４は、実効的非線形光学定数ｄeff とミ
キシング光波長λ２との関係を示すグラフである。ここ
でも同様に、ＫＮｂＯ₃ 結晶を用いて、波長λ１＝１０
６４ｎｍ、角度φ＝９０度にそれぞれ設定し、角度θは
図３のグラフに従って変化させている。

【００３８】グラフを見ると、ミキシング光波長λ２が
長くなるほど実効的非線形光学定数ｄeff は徐々に低下
しているが、たとえば波長７８０ｎｍ近傍においても依
然として１０ｐｍ／Ｖ以上という大きな数値が得られる
ことが判る。

【００３９】次に、ミキシング光の波長掃引について説
明する。ミキシング光を発生する半導体レーザとして、
波長掃引可能な半導体レーザを使用することが好まし
い。こうした可変波長半導体レーザとして、１）ＤＢＲ
(Distributed Bragg Reflector) 領域にキャリアを注入
することによって、プラズマ効果を利用してブラッグ波
長を変化させることができる多電極ＤＢＲレーザや、
２）各電極への電流比を変化させることによって、しき
いキャリア密度が変化してブラッグ波長を変化させるこ
とができる多電極ＤＦＢ（Distributed Feedback）レー
ザ等が開発されており、波長４〜７ｎｍに渡って連続的
に発振波長を変化できる半導体レーザも開発されている
（応用物理第６３巻第１号２頁、１９９４年）。こうし
た多電極のＤＢＲレーザやＤＦＢレーザは、光ファイバ
通信に好適な波長１．５μｍを中心として開発が行われ
ており、その他の波長領域についても容易に製造でき
る。

【００４０】こうした可変波長半導体レーザから出力さ
れるミキシング光を内部共振型固体レーザの光共振器内
に導入することによって、非線形光学素子において波長
掃引可能な差周波を発生することができる。なお、図１
において、ミキシング光用の半導体レーザ１０として可
変波長半導体レーザを使用する場合には、波長掃引用の
ブロック３００は無くても構わない。

【００４１】一方、ミキシング光用の半導体レーザ１０
として、通常の半導体レーザを使用する場合には、図１
に示すように、波長掃引用のブロック３００を配置し
て、半導体レーザ１０に帰還する光の波長を選択すると
ともに、この選択波長を掃引することによって、半導体
レーザ１０の発振波長を掃引することができる。

【００４２】図１においては、ブロック３００が２つの
複屈折素子５、６および偏光子１２から成る２段型リオ
ットフィルタで構成される例を示し、たとえば複屈折素
子５として厚み０．５ｍｍのノンドープＹＶＯ₄ 結晶、
複屈折素子６として厚み２．０ｍｍのノンドープＹＶＯ
₄ 結晶を使用できる。一般に、リオットフィルタは、１
枚の複屈折素子と１枚の偏光子との組合せが最小構成で
あるが、波長選択特性をより急峻にするために、厚みの
異なる複数の複屈折素子の間にそれぞれ偏光子を介在さ
せた多段型リオットフィルタで構成してもよい。

【００４３】こうしたリオットフィルタの透過波長を制
御する機構として、１）複屈折素子５、６にヒータや熱
電素子等をそれぞれ取付けて、温度変化によって複屈折
素子５、６の屈折率を制御する機構、２）複屈折素子
５、６に対向電極をそれぞれ形成して、印加電界の大き
さを変化させることによって複屈折素子５、６の屈折率
を制御する機構、３）複屈折素子５、６を光軸回りに回
転させる回転機構をそれぞれ設けて、複屈折素子５、６
の光軸回りの回転角を変化させることによって偏光状態
を制御する機構、などが考えられる。

【００４４】図５は、複屈折素子の回転制御によるリオ
ットフィルタ特性を示すグラフである。実線はフィルタ
特性、破線は半導体レーザのゲイン曲線を示し、縦軸は
フィルタの透過率、横軸はゲイン曲線の中心波長を基準
とした波長である。フィルタ特性は、厚み２．０ｍｍで
決まる短周期（周期約０．３ｎｍ）のピーク成分と、厚
み０．５ｍｍで決まる長周期（周期約２．４ｎｍ）の包
絡線成分とを合成したような特性となる。

【００４５】図５（ａ）では、図１に示すリオットフィ
ルタの複屈折素子５、６の回転角を調整して、最大ピー
クとゲイン曲線の中心とを一致させているため、この状
態では中心波長での縦モード（矢印）が優勢に発振す
る。

【００４６】図５（ｂ）では、複屈折素子６を固定し、
複屈折素子５を０．４度だけ回転した場合を示し、フィ
ルタ特性の短周期成分のピーク位置は変化せず、長周期
成分の位相が短波長側にシフトする。この状態では、半
導体レーザ１０の縦モードは中心波長から短波長側に不
連続にジャンプしながら掃引される。

【００４７】図５（ｃ）では、両方の複屈折素子５、６
を０．４度だけ回転した場合を示し、図５（ａ）に示す
フィルタ特性が全体に短波長側に連続的にシフトするた
め、その結果、半導体レーザ１０の発振波長を連続的に
掃引できる。

【００４８】このように偏光子の固定位置を基準とし
て、全ての複屈折素子を同時に回転することによって、
フィルタの通過波長が連続的に変化するため、半導体レ
ーザ１０の連続的な波長掃引が可能なる。このことは多
段式のリオットフィルタでも同様な動作が可能である。

【００４９】図６は、差周波波長とミキシング光波長と
関係を示すグラフである。上記リオットフィルタによる
波長掃引によって、半導体レーザ１０から出力されるミ
キシング光の波長を２ｎｍの範囲に渡って連続的に掃引
することが可能となる。たとえば、内部共振型固体レー
ザの発振波長１０６４ｎｍとミキシング光の波長７８０
ｎｍとの差周波を発生する場合、波長２．８μｍ帯の差
周波光を３０ｎｍの範囲に渡って連続的に変化させるこ
とができる。また、半導体レーザの温度を変化させても
よい。

【００５０】以上、リオットフィルタを構成する複屈折
素子を光軸回りに回転させることによって波長掃引を実
現する例を説明したが、同様に、複屈折素子の温度や電
界を連続的に変化させても波長掃引を実現できる。

【００５１】図７は、非線形光学素子の位相整合状態を
示すグラフである。ミキシング光波長を変化させると、
図１に示す非線形光学素子２４の位相整合条件が変化す
るため、差周波出力が変化してしまう。その場合、差周
波出力が最大値の半分になる半値全幅を許容度と呼んで
いる。ここでは、非線形光学素子２４として結晶長１ｃ
ｍのＫＮｂＯ₃ 結晶を使用し、内部共振型固体レーザの
発振波長１０６４ｎｍとミキシング光の波長７８０ｎｍ
との混合によって、波長２．８μｍ帯の差周波を発生す
る例を示す。なお、３つのカーブは非線形光学素子２４
の温度が異なる場合を示し、実線は４０℃、一点鎖線は
３５℃、破線は３０℃である。

【００５２】たとえば破線カーブを注目すると、非線形
光学素子２４の許容度は約１ｎｍと求まるが、ミキシン
グ光の波長掃引範囲が１ｎｍとすると、差周波出力は最
大出力から半減する可能性が出てくる。そのため、差周
波出力が常に最大となるように安定化するには、ミキシ
ング光の波長掃引に応じて非線形光学素子２４の温度を
変化させて、位相整合条件を最適化することが好まし
い。たとえば、ミキシング光波長を７８０．７ｎｍから
７８１．４ｎｍへ掃引する場合には、非線形光学素子２
４の温度を３０℃から３５℃へ制御すると、差周波出力
を最大値に保持でき、その温度変化率は約０．７２℃／
Åに設定すればよい。

【００５３】したがって、図１の非線形光学素子２４を
ヒーターや熱電素子等の温度制御装置（不図示）に搭載
して、ミキシング光の波長掃引に合わせて温度制御を行
うことが好ましい。

【００５４】また、以上に述べた差周波光発生装置を光
源として、赤外光を利用する分析装置である赤外吸収分
析装置に適用することができる。図１１はそのうちの１
つである測定対象ガスの赤外吸収を利用したガス分析装
置の概略図である。光源に波長を掃引する波長制御手段
を備えた差周波光発生装置からでた赤外光を、測定対象
のガスを収めたセル１０１に導入し、測定対象のガスを
通過して出てきた光を光検出器１０２で受けてその強度
を測定する。コントローラ１０３からは差周波光発生装
置１００に制御信号が送られ、波長の掃引がなされる。
光検出器からの強度信号はコントローラ１０３に送ら
れ、そこで信号処理されディスプレイまたはプリンタ
（いずれも図示せず）に吸収スペクトルが出力され、あ
るいは同定したガスの種類が表示される。従来の分析装
置で必要とした分光装置が不要である。

【００５５】また測定するガスを収めるセルを用いず、
差周波光発生装置からの赤外光を直接大気に出射して、
反射した光を光検出器で検出することで大気中のガスを
直接分析することができる。

【００５６】いずれの場合でも波長分解能が高いので、
差周波光発生装置においてたとえば数ｎｍの波長幅を掃
引するだけでガス特有の吸収スペクトルを弁別でき、確
実なガス分析が可能となる。

【００５７】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）図８は、本発明の第１実施形態を示す
構成図である。ここでは、固体レーザの発振光である波
長１０６４ｎｍの光と共振器外部から導入した波長７８
０ｎｍの光とを混合して、波長２．９２μｍの差周波光
を発生させる例を示す。

【００５８】内部共振型固体レーザを構成する光共振器
２５は、Ｎｄが１％ド−プされたＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶か
ら成るレ−ザ媒質２３と、ＫＮｂＯ₃ 結晶から成る非線
形光学素子２４と、出力ミラー２２とを含む。

【００５９】レーザ媒質２３の表面２３ａには、レーザ
媒質２３の発振波長１０６４ｎｍに対して反射率が９
９．９％であって、励起光２６の波長８０９ｎｍに対し
て透過率が９５％以上となるコーティングが施されてい
る。レーザ媒質２３の非線形光学素子２４側の表面２４
ｂには、波長１０６４ｎｍに対して透過率が９９．９％
以上となるコーティングが施されている。

【００６０】非線形光学素子２４側の表面２４ａ、２４
ｂには、波長１０６４ｎｍに対して透過率が９９．９％
以上となるコーティングが施されている。出力ミラー２
２の曲面には、波長１０６４ｎｍに対して反射率が９
９．９％となるコーティングが施されている。こうして
レーザ媒質２３の表面２３ａと出力ミラー２２との間で
発振波長１０６４ｎｍに対する光共振器２５を構成す
る。なお、レーザ媒質２３の表面２３ｂと非線形光学素
子２４の表面２４ａとは、実際には互いに接している。

【００６１】一方、励起光２６を放射する半導体レーザ
２０が光共振器２５の外部に配置され、たとえばペルチ
ェ素子等の温度調整回路に搭載され温度制御されてい
る。半導体レーザ２０とレーザ媒質２３との間には、励
起光２６をコリメートするためのレンズ２１ａと、ミキ
シング光を導入するための偏光ビームスプリッタ１３
と、励起光２６をレーザ媒質２３に集光するレンズ２１
ｂが配置されている。

【００６２】ここで固体レーザの動作を説明する。半導
体レーザ２０から出力された励起光２６は、レンズ２１
ａ、偏光ビームスプリッタ１３、レンズ２１ｂを通過し
て、レーザ媒質２３に入射すると、レーザ媒質２３中に
反転分布が形成され、Ｎｄ：ＹＶＯ₄ 結晶の場合には波
長１０６４ｎｍでレーザ発振が起こり、この発振光は光
共振器２５内で高い出力となって閉じ込められる。

【００６３】次に差周波発生について説明する。波長７
８０ｎｍ、出力１００ｍＷのミキシング光を放射する半
導体レーザ１０を配置し、該ミキシング光はレンズ１１
でコリメートされて偏光ビームスプリッタ１３によって
反射され、励起光２６と共軸となって、光共振器２５内
に導入され、非線形光学素子２４の表面２４ａでビーム
ウエストを形成する。

【００６４】図９は、非線形光学素子２４であるＫＮｂ
Ｏ₃ 結晶の切出し軸を示す座標系である。ＫＮｂＯ₃ 結
晶は２軸性結晶であり、屈折率の最も大きい偏光軸をｂ
軸、最も小さい軸をｃ軸とすると、ｂ軸の屈折率ｎｂ＞
ａ軸の屈折率ｎａ＞ｃ軸の屈折率ｎｃという関係にな
り、ｃ軸に対して頂角θ＝４９．４度、かつａ−ｂ平面
においてａ軸から角度φ＝９０度の方向が光伝搬軸（図
８のＹ軸方向）となるように切り出した、いわゆるｂ−
ｃカット結晶に形成している。さらに、ａ軸が図８のＺ
軸方向と平行な偏光軸となるように非線形光学素子２４
を配置する。

【００６５】こうしたＫＮｂＯ₃ 結晶において、ａ軸に
偏光した波長１０６４ｎｍの発振光とＸ軸に偏光した波
長７８０ｎｍのミキシング光とが混合すると、波長変換
によってａ軸に偏光した波長２．９２μｍの差周波光が
Ｙ軸に沿って発生する。たとえば非線形光学素子２４の
厚みを５ｍｍに形成した場合、出力０．２ｍＷ、波長
２．９２μｍの差周波光を取り出すことができた。

【００６６】図８の構成において波長掃引を行う場合、
ミキシング光用の半導体レーザ１０として、発振波長可
変のＤＦＢ構造またはＤＢＲ構造の半導体レーザを使用
し、レーザチップに複数の電極を配置することによって
光導波領域のキャリア分布を制御するように構成する。

【００６７】また、波長掃引に応じて非線形光学素子２
４の位相整合条件を最適化するために、非線形光学素子
２４にヒータやペルチェ素子等の温度制御回路を設けて
温度制御してもよい。

【００６８】（第２実施形態）図１０は、本発明の第２
実施形態を示す構成図である。ここでは、固体レーザの
発振光である波長１０６４ｎｍの光と共振器外部から導
入した波長８３０ｎｍの光とを混合して、波長３．７７
μｍの差周波光を発生させる例を示す。

【００６９】内部共振型固体レーザを構成する光共振器
２５は、図８の構成と同様であって、Ｎｄが１％ド−プ
されたＮｄ：ＹＶＯ₄ 結晶から成るレ−ザ媒質２３と、
ＫＮｂＯ₃ 結晶から成る非線形光学素子２４と、出力ミ
ラー２２とを含む。また、半導体レーザ２０からの励起
光２６を導入する光学系も図８と同様であり、重複説明
を省く。

【００７０】ただし、ミキシング光波長が少し長くなっ
たため、ＫＮｂＯ₃ 結晶の切り出し方向を若干変更して
おり、ｃ軸に対して頂角θ＝４８．５度、かつａ−ｂ平
面においてａ軸から角度φ＝９０度の方向が光伝搬軸
（図１０のＹ軸方向）となるように切り出した、いわゆ
るｂ−ｃカット結晶に形成している。

【００７１】一方、波長８３０ｎｍ、出力２００ｍＷの
ミキシング光を放射する半導体レーザ１０を配置し、半
導体レーザ１０と偏光ビームスプリッタ１３との間に波
長掃引用の複屈折フィルタ１５を配置している。

【００７２】複屈折フィルタ１５は、図１と同様に、厚
み０．５ｍｍのノンドープＹＶＯ₄から成る複屈折素子
５、偏光ビームスプリッタから成る偏光子１２、および
厚み５ｍｍのノンドープＹＶＯ₄ から成る複屈折素子６
を備え、２段のリオットフィルタを構成している。複屈
折素子５、６の各表面には、波長８３０ｎｍの無反射コ
ーティングが施されている。また、複屈折素子５、６
は、光軸回りの回転角を制御するための回転ステージ
（不図示）にそれぞれ搭載され、波長掃引に応じて連動
する。

【００７３】半導体レーザ１０から出たミキシング光
は、レンズ１１によってコリメートされ、複屈折フィル
タ１５を通過して偏光ビームスプリッタ１３で反射し、
光共振器２５内に導入され、非線形光学素子２４におい
て発振光とともに差周波に変換される。出力ミラー２２
はミキシング光波長８３０ｎｍに対して反射率８５％程
度に形成されている。そのため、差周波発生に寄与しな
かったミキシング光の大部分は、出力ミラー２２によっ
て再び同軸で反射し、光共振器２５から偏光ビームスプ
リッタ１３を経て複屈折フィルタ１５を逆行して半導体
レーザ１０へ帰還光として戻る。

【００７４】こうした光学的帰還によって、半導体レー
ザ１０の発振波長は複屈折フィルタ１５の通過波長に一
致するようになるため、上述のような波長掃引機構によ
って半導体レーザ１０の発振波長を連続的に変化させる
ことができる。また、波長掃引に応じて非線形光学素子
２４の位相整合条件を最適化するために、非線形光学素
子２４にヒータやペルチェ素子等の温度制御回路を設け
て温度制御してもよい。

【００７５】図１０の構成において、ミキシング光波長
を５ｎｍの範囲に渡って掃引が可能であり、波長１０６
４ｎｍの発振光と波長８３０ｎｍのミキシング光との混
合によって、波長３．７７４μｍを中心として５ｎｍの
範囲に渡って連続掃引可能な差周波を出力５００μＷ程
度で発生することができた。

【００７６】以上の説明では、ａ）波長１０６４ｎｍと
波長７８０ｎｍとで波長２．９２μｍの差周波を発生す
る例、ｂ）波長１０６４ｎｍと波長８３０ｎｍとで波長
３．７μｍの差周波を発生する例を示したが、その他に
ｃ）波長１０６４ｎｍと波長６９０ｎｍとで波長１．９
６μｍの差周波を発生する例、ｄ）波長１０６４ｎｍと
波長８６０ｎｍとで波長４．５μｍの差周波を発生する
例など、各種組合せが可能である。

【００７７】たとえば波長４．５μｍの差周波光を発生
する差周波光発生装置を赤外吸収分析装置の光源に利用
すると、この波長近傍に吸収線のある一酸化炭素ガスや
塩化水素ガスを分析することができる。

【００７８】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、レ
ーザ光源からの第２基本波を波長掃引することによっ
て、差周波の波長を掃引することが可能になる。そのた
め、比較的長い波長領域において波長を連続的に変化さ
せる用途、たとえばガス分析用として小型軽量で大出力
の光源を実現できる。

【００７９】また、第２基本波の波長変化に合わせて、
非線形光学素子の位相整合条件を変化させることによっ
て、差周波出力が安定化が図られ、出力変動の少ない光
源を実現できる。

【００８０】また、半導体レーザのキャリア分布を制御
することによって、特別な分光装置を使用しなくても第
２基本波の波長掃引が広範囲に渡って可能になるため、
差周波の波長掃引を簡単な構成で実現できる。

【００８１】また、レーザ光源と光共振器との間に波長
選択フィルタを設けることによって、第２基本波の波長
掃引が広範囲に渡って可能になり、しかも第２基本波の
単色性および波長安定度を良好に維持できる。そのた
め、安定した差周波の波長掃引を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る差周波光発生装置の一例を示す構
成図である。

【図２】結晶軸と光伝搬方向との関係を示す座標系であ
る。

【図３】位相整合角度θとミキシング光波長λ２との関
係を示すグラフである。

【図４】実効的非線形光学定数ｄeff とミキシング光波
長λ２との関係を示すグラフである。

【図５】複屈折素子の回転制御によるリオットフィルタ
特性を示すグラフである。

【図６】差周波波長とミキシング光波長と関係を示すグ
ラフである。

【図７】非線形光学素子の位相整合状態を示すグラフで
ある。

【図８】本発明の第１実施形態を示す構成図である。

【図９】非線形光学素子２４であるＫＮｂＯ₃ 結晶の切
出し軸を示す座標系である。

【図１０】本発明の第２実施形態を示す構成図である。

【図１１】本発明に係る赤外吸収分析装置の概略図であ
る。

【符号の説明】

５、６ 複屈折素子 １０、２０ 半導体レーザ １２ 偏光子 １３ 偏光ビームスプリッタ １５ 複屈折フィルタ ２２ 出力ミラー ２３ レーザ媒質 ２４ 非線形光学素子 ２５ 光共振器 ２６ 励起光 ３０ 波長選択ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/103 Ｈ０１Ｓ 3/103

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励起光によって励起され、第１基本波を
   発振するレーザ媒質と、 第１基本波および該第１基本波と異なる波長を持つ第２
   基本波に基づいて、差周波光を発生するための非線形光
   学素子と、 レーザ媒質および非線形光学素子を内部に配置した光共
   振器と、 光共振器の外部に設けられ、第２基本波を発生するレー
   ザ光源と、 レーザ光源からの第２基本波の波長を制御するための波
   長制御手段とを備え、 前記波長制御手段が第２基本波を掃引することによっ
   て、非線形光学素子が発生する差周波の波長を掃引する
   ことを特徴とする差周波光発生装置。
2. 【請求項２】 前記波長制御手段は、レーザ光源と光共
   振器との間に設けられ、レーザ光源からの第２基本波の
   波長をチューニングする波長選択フィルタで構成される
   ことを特徴とする請求項１記載の差周波光発生装置。
3. 【請求項３】 前記レーザ光源がＤＦＢ（Distributed
   Feedback）構造またはＤＢＲ（Distributed Bragg Refl
   ector) 構造の半導体レーザで構成され、 前記波長制御手段が該半導体レーザのキャリア分布を制
   御することを特徴とする請求項１または２記載の差周波
   光発生装置。
4. 【請求項４】 第２基本波の波長変化に合わせて、非線
   形光学素子の位相整合条件を変化させて差周波出力の安
   定化を行うための位相整合条件制御手段を備えたことを
   特徴とする請求項１または２記載の差周波光発生装置。
5. 【請求項５】 非線形光学素子は、ＫＮｂＯ₃ 結晶で形
   成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに
   記載の差周波光発生装置。
6. 【請求項６】 第１基本波が実質的に波長１．０６４μ
   ｍのレーザ光であり、第２基本波が実質的に波長０．６
   ９μｍのレーザ光であり、差周波が実質的に波長１．９
   ６μｍのコヒーレント光であることを特徴とする請求項
   １〜４の何れかに記載の差周波光発生装置。
7. 【請求項７】 第１基本波が実質的に波長１．０６４μ
   ｍのレーザ光であり、第２基本波が実質的に波長０．７
   ８μｍのレーザ光であり、差周波が実質的に波長２．９
   ２μｍのコヒーレント光であることを特徴とする請求項
   １〜４の何れかに記載の差周波光発生装置。
8. 【請求項８】 第１基本波が実質的に波長１．０６４μ
   ｍのレーザ光であり、第２基本波が実質的に波長０．８
   ３μｍのレーザ光であり、差周波が実質的に波長３．７
   μｍのコヒーレント光であることを特徴とする請求項１
   〜４の何れかに記載の差周波光発生装置。
9. 【請求項９】 第１基本波が実質的に波長１．０６４μ
   ｍのレーザ光であり、第２基本波が実質的に波長０．８
   ６μｍのレーザ光であり、差周波が実質的に波長４．５
   μｍのコヒーレント光であることを特徴とする請求項１
   〜４の何れかに記載の差周波光発生装置。
10. 【請求項１０】 波長掃引手段を有する光源と、光検出
    器と、該光検出器からの信号を処理しかつ前記光源の波
    長を制御するコントローラとを備えた赤外吸収分析装置
    において、 前記光源は、励起光によって励起され、第１基本波を発
    振するレーザ媒質と、 第１基本波および該第１基本波と異なる波長を持つ第２
    基本波に基づいて、差周波光を発生するための非線形光
    学素子と、 レーザ媒質および非線形光学素子を内部に配置した光共
    振器と、 光共振器の外部に設けられ、第２基本波を発生するレー
    ザ光源と、 レーザ光源からの第２基本波の波長を制御するための波
    長制御手段とを備え、 前記波長制御手段が第２基本波を掃引することによっ
    て、非線形光学素子が発生する差周波の波長を掃引する
    ことを特徴とする赤外吸収分析装置。
11. 【請求項１１】 前記波長制御手段は、レーザ光源と光
    共振器との間に設けられ、レーザ光源からの第２基本波
    の波長をチューニングする波長選択フィルタで構成され
    ることを特徴とする請求項１０記載の赤外吸収分析装
    置。
12. 【請求項１２】 前記レーザ光源がＤＦＢ（Distribute
    d Feedback）構造またはＤＢＲ（Distributed Bragg Re
    flector）構造の半導体レーザで構成され、 前記波長制御手段が該半導体レーザのキャリア分布を制
    御することを特徴とする請求項１０記載の赤外吸収分析
    装置。
13. 【請求項１３】 第２基本波の波長変化に合わせて、非
    線形光学素子の位相整合条件を変化させて差周波出力の
    安定化を行うための位相整合条件制御手段を備えたこと
    を特徴とする請求項１０記載の赤外吸収分析装置。