レーザ光源およびそれを用いたガス検知装置
【課題】吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知するためのレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置を提供する。
【解決手段】所定の波長幅（変調周波数）で波長変調されたレーザ光（変調光ａ）を出力する変調光出力部１１と、変調光ａを伝搬させる光ファイバ１２と、光ファイバ１２を伝搬するレーザ光をラマン増幅させるための励起光ｂを光ファイバ１２へ出力する励起光出力部１３と、光ファイバ１２を伝搬してラマン増幅されたラマン増幅後の変調光ａ'の波長を非線形光学効果により短い波長に変換する波長変換素子１４と、を備える。
【解決手段】所定の波長幅（変調周波数）で波長変調されたレーザ光（変調光ａ）を出力する変調光出力部１１と、変調光ａを伝搬させる光ファイバ１２と、光ファイバ１２を伝搬するレーザ光をラマン増幅させるための励起光ｂを光ファイバ１２へ出力する励起光出力部１３と、光ファイバ１２を伝搬してラマン増幅されたラマン増幅後の変調光ａ'の波長を非線形光学効果により短い波長に変換する波長変換素子１４と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源およびそれを用いたガス検知装置に関し、特に、検知対象ガスの吸収線を利用してガス検知を行うためのレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題に関して、地球温暖化ガスの排出削減、大気汚染物質の監視等のため、大気中の特定のガスを検知するという技術が必要とされている。ガスの検知に当たっては、従来からガスクロマトグラフ等の化学式のガス検知装置が用いられてきた。しかしながら、このような化学的測定を行うガス検知装置では、簡易な測定、迅速な測定を行うことが困難であった。
【０００３】
ところで、メタン、酸素、二酸化炭素、アセチレン、アンモニア等のガスは、分子の回転や構成原子間の振動等に応じた特定波長の光を吸収することが知られている。一般的にガス分子は、赤外領域の電磁波を吸収する。例えばメタンは１．６μｍ、３．３μｍ、７μｍの波長の光を吸収し、酸素は７６０ｎｍの波長の光を吸収する。
【０００４】
そこで、この現象を利用した分光式のガス検知装置が開発された。このような分光式のガス検知装置は、測定対象の空間に特定波長のレーザ光を出射しその減衰状態を測定することにより、極めて簡便かつ迅速に検知対象ガスの有無、濃度を検知することができる。
【０００５】
一般的にガスの吸収線は極めて急峻であるため、高精度なガス検出を実現するためには、上述の分光式のガス検知装置に用いられるレーザ光源は単一縦モードのレーザ発振が可能であることが好ましい。
【０００６】
このような要求に応えるレーザ光源としては分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）半導体レーザが挙げられる。分布帰還型半導体レーザは、光導波路に光の導波方向に沿った周期構造を設け、周期構造のピッチの長さと光導波路の屈折率によって定まる特定波長の単一縦モードのレーザ発振を実現するものである。
【０００７】
ＤＦＢ半導体レーザを備えたガス検知装置は、例えば図８に示すように、半導体レーザモジュール１００と、受光器１０２と、ガス検知部１０３と、を備えている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されたガス検知装置においては、ＤＦＢ半導体レーザが組込まれた半導体レーザモジュール１００から出射されるレーザ光が、測定雰囲気中の被測定ガス１０１を透過して受光器１０２へ入射される。
【０００８】
ここで、被測定ガス１０１は、例えば、図９に示す中心波長λ0の吸収特性Ａを有する。半導体レーザモジュール１００が備えるＤＦＢ半導体レーザは、図９に示すように、中心電流値Ｉ0（バイアス電流値）を中心に、振幅Ｉw、変調周波数ｆ1（例えば１０ｋＨｚ）で変調された駆動電流Ｉdが印加されることにより、中心波長λ0を中心に振幅λw（例えば１０ｐｍ）、変調周波数ｆ1で振動するレーザ光を被測定ガス１０１に出射するようになっている。
【０００９】
吸収特性Ａは中心波長λ0に極小点を有するため、変調周波数ｆ1で振動するレーザ光は、被測定ガス１０１を透過することにより、変調周波数ｆ1の２倍の周波数ｆ2（＝２０ｋＨｚ）の振動成分を含むこととなる。
【００１０】
受光器１０２の受光素子１０２ａは、被測定ガス１０１を透過した上述のレーザ光を受光して受光電流に変換するようになっている。ガス検知部１０３は、受光器１０２で得られた受光電流を電流電圧変換器１０４にて電圧信号に変換するようになっている。
【００１１】
さらに、ガス検知部１０３は、その電圧信号に含まれる変調周波数ｆ1＝１０ｋＨｚの信号成分である基本波電圧信号ｈ1、および、変調周波数ｆ1＝１０ｋＨｚの２倍の周波数ｆ2（＝２０ｋＨｚ）の信号成分である２倍波電圧信号ｈ2を基本波信号検出器１０５および２倍波信号検出器１０６によりそれぞれ検出するようになっている。そして、基本波２倍波割算部１０７は、この２倍波電圧信号ｈ2の振幅Ｈ2と基本波電圧信号ｈ1の振幅Ｈ1との比（Ｈ2／Ｈ1）をガス濃度に対応する検出値Ｄ（＝Ｈ2／Ｈ1）として出力するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平１１−３２６１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に開示された従来のガス検知装置において、例えば酸素の吸収線（７６０ｎｍ）を検出するためには、ＧａＡｓ基板とそれにエピタキシャル成長可能な材料からなる発振波長が７６０ｎｍのＤＦＢ半導体レーザを用いることが考えられる。
【００１４】
しかしながら、このようなＧａＡｓ系のＤＦＢ半導体レーザは、ＩｎＰ基板とそれにエピタキシャル成長可能な材料からなる発振波長が１．２μｍ以上のＩｎＰ系のＤＦＢ半導体レーザと比較して、結晶欠陥の発生による半導体結晶の光学的特性の急激な劣化が起こりやすい。それゆえに、ＧａＡｓ系のＤＦＢ半導体レーザをガス検知装置の光源として用いた場合には、信頼性の面で不安があった。
【００１５】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知するためのレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置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】
【００１６】
本発明のレーザ光源は、所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を出力する変調光出力部と、前記レーザ光を伝搬させる光ファイバと、前記光ファイバを伝搬するレーザ光をラマン増幅させるための励起光を該光ファイバへ出力する励起光出力部と、前記光ファイバを伝搬してラマン増幅されたレーザ光の波長を非線形光学効果により短い波長に変換する波長変換素子と、を備える構成を有している。
【００１７】
この構成により、波長変換素子の変換効率を上昇させることができるため、ＩｎＰ系の半導体発光素子を用いて、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知可能なガス検知装置用のレーザ光源を実現できる。
【００１８】
また、本発明のレーザ光源は、前記波長変換素子が、前記光ファイバを伝搬してラマン増幅されたレーザ光を第２高調波に変換するＳＨＧ素子である構成を有していてもよい。また、本発明のレーザ光源は、前記励起光出力部が、複数の縦モードを有する励起光を出射する半導体レーザを備える構成を有していてもよい。また、本発明のレーザ光源は、前記変調光出力部が、単一縦モードのレーザ光を出射する半導体レーザを備える構成を有していていもよい。
【００１９】
本発明のガス検知装置は、上記のレーザ光源を備え、該レーザ光源は、検知対象ガスが有する複数の吸収線のうちの１つの吸収線の波長を中心に所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を測定雰囲気に出射し、前記測定雰囲気中を透過した前記レーザ光を測定光として受光し、該測定光に応じた受光信号を出力する受光部と、前記受光信号から検出される前記波長変調の変調周波数の基本波信号および２倍波信号の比に基づいて前記測定雰囲気中に含まれる前記検知対象ガスのガス濃度を算出するガス検知部と、を備える構成を有している。
【００２０】
この構成により、上記のレーザ光源を備えるため、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知するためのレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態のレーザ光源の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施形態のレーザ光源に使用される半導体レーザの光の導波方向に沿った断面図
【図３】本発明の第１の実施形態のレーザ光源が備える励起光出力部の構成を示すブロック図
【図４】励起光の中心波長と利得との関係を示すグラフ
【図５】本発明の第１の実施形態のレーザ光源が備える波長変換素子の斜視図
【図６】本発明の第１の実施形態のレーザ光源の構成を示す側面図
【図７】本発明に係るガス検知装置の構成を示すブロック図
【図８】従来のガス検知装置の構成を示すブロック図
【図９】被測定ガスの吸収特性と変調信号との関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係るレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置の実施形態について、図面を用いて説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
本発明に係るレーザ光源の第１の実施形態を図１〜図６を用いて説明する。図１は本実施形態のレーザ光源１の構成を示すブロック図である。
【００２５】
即ち、図１に示すように、レーザ光源１は、所定の波長幅（変調周波数）で波長変調されたレーザ光（以下、変調光と記す）ａを出力する変調光出力部１１と、変調光ａを伝搬させる光ファイバ１２と、光ファイバ１２を伝搬するレーザ光をラマン増幅させるための励起光ｂを光ファイバ１２へ出力する励起光出力部１３と、光ファイバ１２を伝搬したラマン増幅後の変調光ａ'の波長を非線形光学効果により短い波長に変換する波長変換素子１４と、を備える。なお、図１には、レーザ光源１の励起方式が後方励起の場合を示しているが、励起方式は前方励起であっても双方向励起であってもよい。
【００２６】
変調光出力部１１は、所定の波長幅（変調周波数）で波長変調されたレーザ光である変調光ａを出射する半導体レーザ１５と、変調光ａを生成するための駆動電流Ｉdを半導体レーザ１５に印加するレーザ駆動部１６と、を備える。ここで、駆動電流Ｉdは、中心電流値Ｉ0を中心に、振幅Ｉw、変調周波数ｆ1（例えば１０ｋＨｚ）で変調された電流である。
【００２７】
半導体レーザ１５は、例えば、単一縦モードでレーザ発振する分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）半導体レーザである。ＤＦＢ半導体レーザは、光導波路に光の導波方向に沿った周期構造を備えており、周期構造のピッチの長さと光導波路の屈折率によって定まる特定波長の単一縦モードのレーザ発振を実現するものである。
【００２８】
ここで、変調光出力部１１が備える半導体レーザ１５の具体的な構成例を図２に示す。図２は、半導体レーザ１５を光の導波方向に沿って切断した断面図である。
【００２９】
即ち、変調光出力部１１が備える半導体レーザ１５は、例えば、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板１５１の上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１５２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなるＳＣＨ層（光閉じ込め層）１５３、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸層（ＭＱＷ）を含む活性層１５４、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５５、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５６、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素）からなるコンタクト層１５７が順次積層されて構成される。
【００３０】
さらに、ＳＣＨ層１５５とｐ型ＩｎＰクラッド層１５６との間には回折格子１５８が形成され、コンタクト層１５７上には上部電極１５９、ｎ型半導体基板１５１の下面には下部電極１６０が蒸着形成されている。
【００３１】
また、半導体レーザ１５は、劈開によって形成された後方端面１５ａおよび出射端面１５ｂを備えている。活性層１５４は、後方端面１５ａから出射端面１５ｂにかけて設けられており、駆動電流Ｉdが上部電極１５９と下部電極１６０との間に供給されることによってレーザ光を生成し、生成したレーザ光を出射端面１５ｂから出射する構成を有している。なお、後方端面１５ａおよび出射端面１５ｂには、反射率を調整するためのコーティングが施されていてもよい。
【００３２】
半導体レーザ１５から出射されるレーザ光の波長λは、上述の駆動電流Ｉdに応じて変動する。これにより、図１に示した変調光出力部１１は、中心波長λaを中心に振幅λw（例えば１０ｐｍ）、変調周波数ｆ1で振動するレーザ光である変調光ａを出力するようになっている。ここで、中心波長λaは、中心電流値Ｉ0が半導体レーザ１５に印加された場合の発振波長である。
【００３３】
なお、上記の半導体レーザ１５を構成する各層の組成比、ドープされる不純物の種類および量は、出射される変調光ａの中心波長λaが所望の波長（例えば１５２０ｎｍ）となるように適宜調整すればよい。
【００３４】
励起光出力部１３は、励起光ｂを出力する光源部１７と、光源部１７から出力された励起光ｂを光ファイバ１２へ出力する合波器１８と、合波器１８から出力されるラマン増幅後の変調光ａ'が入射される光ファイバ１９と、を備える。
【００３５】
光源部１７は、複数の縦モード発振可能な１つの半導体レーザからなっていてもよい。変調光ａの中心波長λaが例えば１５２０ｎｍである場合には、ラマン増幅用の励起光ｂの複数の縦モードの中心波長λbは約１４２０ｎｍであればよい。
【００３６】
あるいは、光源部１７は、複数の中心波長λ1〜λn（λ1＜・・・＜λn）（ｎ≧２）を有する励起光ｂを出射する複数の半導体レーザからなっていてもよい。変調光ａの中心波長λaが１５２０ｎｍである場合には、最小の中心波長λ1と最大の中心波長λnとの間に変調光ａの波長よりも約１００ｎｍ短い波長（約１４２０ｎｍ）が含まれるようにすればよい。なお、図３には、励起光ｂの中心波長として２つの波長λ1、λ2を用いた例を図示している。これらの中心波長λ1、λ2のレーザ光はそれぞれ複数の縦モードを有している。
【００３７】
光源部１７は、図３のブロック図に示すように、偏波面が互いに異なる波長λ1のレーザ光をそれぞれ出射する２つの半導体レーザ３１Ａ、３１Ｂと、偏波面が互いに異なる波長λ2のレーザ光をそれぞれ出射する２つの半導体レーザ３１Ｃ、３１Ｄと、半導体レーザ３１Ａ〜３１Ｄからの出射光の波長λ1、λ2を安定化するための外部共振器としてのＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄと、を備えている。
【００３８】
さらに、光源部１７は、ＦＢＧ３２Ａ、３２Ｂからの出射光を偏波合成する偏波合成器３３と、ＦＢＧ３２Ｃ、３２Ｄからの出射光を偏波合成する偏波合成器３４と、偏波合成器３３、３４からの出力光を合波して励起光ｂを生成し、生成された励起光ｂを合波器１８に出力する合波器３５と、を備えている。
【００３９】
なお、半導体レーザ３１Ａ〜３１Ｄから各偏波合成器３３、３４の間は偏波保持ファイバ３６で接続され、偏波面が異なる２つのレーザ光が各偏波合成器３３、３４で合成されるようになっている。
【００４０】
図４は、中心波長λ1、λ2を有する励起光ｂと利得との関係を模式的に示すグラフである。光ファイバ１２に入射された励起光ｂにより、光ファイバ１２において中心波長λ1、λ2から約１００ｎｍ程度長波長側に利得ｇが生じる。この状態で光ファイバ１２に利得ｇの波長帯域の変調光ａが入射されると変調光ａがラマン増幅されて変調光ａ'となる（誘導ラマン散乱）。
【００４１】
次に、本実施形態のレーザ光源１が備える波長変換素子１４について説明する。波長変換素子１４は、分極反転構造が形成されたＬｉＮｂＯ3（リチウムナイオベート）、ＬｉＴａＯ3（リチウムタンタレート）、などの複屈折率を有する非線形光学結晶からなるＳＨＧ（Second harmonic generation）素子であり、非線形光学効果により、入射された中心波長λaのレーザ光（変調光ａ'）を中心波長λa／２の第２高調波に変換するようになっている。
【００４２】
図５は、波長変換素子１４の概略構成を示す斜視図である。即ち、波長変換素子１４は、例えば、ＬｉＮｂＯ3にＭｇＯがドープされた非線形光学結晶からなる基板１４１と、基板１４１のＺ軸と平行な自発分極の向きを反転させた複数の分極反転部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、・・・が周期的に形成されてなる周期分極反転構造１４２と、周期分極反転構造１４２に沿って延びる光導波路１４３と、が形成されてなるものである。
【００４３】
ここで、レーザ光源１における上述の励起光出力部１３および波長変換素子１４の具体的な配置例を図６に示す。図６に示すように、励起光出力部１３が備える光ファイバ１９の出射端面１９ａと波長変換素子１４の入射端面１４ａとの間にコリメートレンズ２０および集光レンズ２１と、波長変換素子１４の出射端面１４ｂ側に集光レンズ２２と、が配置される。この構成により、光ファイバ１９からの変調光ａ'が波長変換素子１４の入射端面１４ａを介して光導波路１４３に入射され、出射端面１４ｂから第２高調波が出射されるようになっている。
【００４４】
ところで、波長変換素子１４の変換効率は入力光パワーが大きいほど高くなる。半導体レーザ１５から出射される変調光ａの光パワーの上限値は１００ｍＷ程度であり、仮に、１００ｍＷの光パワーを有する１５２０ｎｍの変調光ａを波長変換素子１４に直接入射させる場合には、波長変換素子１４の変換効率は１０％程度となる。つまり、波長変換素子１４から出力される第２高調波（７６０ｎｍ）の光パワーは１０ｍＷ程度となってしまう。
【００４５】
そこで、本実施形態のレーザ光源１では、半導体レーザ１５を備えた変調光出力部１１と波長変換素子１４との間に、ラマン増幅用の励起光ｂを出力する励起光出力部１３を備えることにより、変調光ａの光パワーを大幅に増大させてから波長変換素子１４に入射させている。例えば、ラマン増幅により変調光ａ（１５２０ｎｍ）の光パワーを２００ｍＷに増幅させれば、波長変換素子１４の変換効率は２０％程度に上昇し、４０ｍＷの光パワーの第２高調波（７６０ｎｍ）を得られるようになる。
【００４６】
あるいは、単一縦モードでレーザ発振する半導体レーザ１５は、高出力発振させると多モード化しやすく歩留まりが低いため、変調光ａの光パワーを１０〜２０ｍＷ程度に抑えて、５００ｍＷ以上の励起光ｂ（１４２０ｎｍ）で変調光ａの光パワーを１０〜１３ｄＢ程度ラマン増幅させる構成としてもよい。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態のレーザ光源は、ＩｎＰ系の半導体レーザと、該半導体レーザから出射された変調光の波長を短い波長に変換する波長変換素子と、を備えることにより、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知できるガス検知装置用のレーザ光源として適用可能である。
【００４８】
また、本実施形態のレーザ光源は、変調光出力部から出力される変調光をラマン増幅することにより、変調光の光パワーを大幅に増大させることができる。これにより、波長変換素子における変調光に対する変換効率を上昇させることができるため、ガス検知装置用の高出力のレーザ光源を実現できる。
【００４９】
また、本実施形態のレーザ光源は、ラマン増幅により、任意の波長の変調光を増幅することができるため、様々なガス検知装置に適用可能である。
【００５０】
（第２の実施形態）
第１の実施形態のレーザ光源を備えたガス検知装置の実施形態について図７を用いて説明する。図７は本実施形態のガス検知装置の構成を示すブロック図である。
【００５１】
即ち、本実施形態のガス検知装置は、検知対象ガスが有する複数の吸収線のうちの１つの吸収線の波長を中心に所定の波長幅（変調周波数ｆ1）で波長変調されたレーザ光を測定雰囲気３に出射するレーザ光源１と、測定雰囲気３中を透過した該レーザ光を測定光として受光し、該測定光に応じた受光信号を出力する受光部４と、を備える。
【００５２】
また、本実施形態のガス検知装置は、受光部４から出力された受光信号から検出される変調周波数ｆ1の基本波信号および２倍波信号の比に基づいて測定雰囲気３中に含まれる検知対象ガスのガス濃度を算出するガス検知部５と、を備える。
【００５３】
受光部４は、例えばフォトダイオード等の受光素子からなり、受光した光の受光量に応じた受光信号を出力するようになっている。
【００５４】
ガス検知部５は、受光部４から出力された電流信号である受光信号を電圧信号に変換する電流電圧変換器５１と、電流電圧変換器５１によって変換された電圧信号に含まれる変調周波数ｆ1の信号成分である基本波電圧信号ｈ1を検出する基本波信号検出器５２と、該電圧信号に含まれる変調周波数ｆ1の２倍の周波数ｆ2の信号成分である２倍波電圧信号ｈ2を検出する２倍波信号検出器５３と、２倍波信号検出器５３によって検出された２倍波電圧信号ｈ2の振幅Ｈ2を基本波信号検出器５２によって検出された基本波電圧信号ｈ1の振幅Ｈ1で割り算して得られる値を測定雰囲気３に含まれる検知対象ガスのガス濃度に対応する検出値Ｄ（＝Ｈ2／Ｈ1）として出力する基本波２倍波割算部５４と、を備える。
【００５５】
なお、このような信号操作（割り算）を行うのは、受光部４によって受光された光が測定雰囲気３の透過以外の理由によってもある程度のレベル変動を生じるため、そのレベル変動を除去して正確なガス濃度検出を行うためである。
【００５６】
電流電圧変換器５１は、受光部４から出力された受光信号を電圧信号に変換して増幅する機能を有するプリアンプを備えている。なお、電流電圧変換器５１が備えるプリアンプにおいては、基本波電圧信号ｈ1および２倍波電圧信号ｈ2が基本波信号検出器５２および２倍波信号検出器５３において同等の検出可能なレベルになるように、それぞれの信号に対する増幅度が適切な値に設定されていることが好ましい。
【００５７】
次に、以上のように構成された本実施形態のガス検知装置の動作について説明する。
まず、レーザ駆動部１６によって半導体レーザ１５の上部電極１５９と下部電極１６０との間に、中心電流値Ｉ0、振幅Ｉw、変調周波数ｆ1の駆動電流Ｉdが印加されることにより、活性層１５４内部が発光状態となる（図１、図２参照）。
【００５８】
活性層１５４で生成された光は、活性層１５４に沿って伝搬し、後方端面１５ａと出射端面１５ｂで構成された共振器において、駆動電流Ｉdに応じた波長λで発振する。ここで、波長λの中心波長λaは、中心電流値Ｉ0が半導体レーザ１５に印加された場合の発振波長である。
【００５９】
これにより、中心波長λaを中心に振幅λw（例えば１０ｐｍ）、変調周波数ｆ1で振動するレーザ光である変調光ａが半導体レーザ１５から光ファイバ１２へ出射される。光ファイバ１２には、変調光ａの進行方向と逆向きの励起光ｂが励起光出力部１３から入射されている。
【００６０】
変調光ａは、励起光ｂによりラマン増幅されて変調光ａ'となり、波長変換素子１４へ入射される。波長変換素子１４では、入射された変調光ａ'の中心波長λaおよび振幅λwがともに半波長化される。半波長化された変調光ａ'（第２高調波）は測定雰囲気３へ出射される。
【００６１】
波長変換素子１４から測定雰囲気３へ出射された第２高調波は、測定雰囲気３を透過して受光部４に受光されて電流信号である受光信号に変換される。受光信号は、ガス検知部５に入力される。
【００６２】
受光信号は、電流電圧変換器５１に入力されて電圧信号に変換される。電圧信号はガス検知部５の基本波信号検出器５２および２倍波信号検出器５３に入力され、基本波電圧信号ｈ1および２倍波電圧信号ｈ2が検出される。基本波２倍波割算部５４によって、２倍波電圧信号ｈ2の振幅Ｈ2を基本波電圧信号ｈ1の振幅Ｈ1で割り算して得られる値が、測定雰囲気３に含まれる検知対象ガスのガス濃度に対応する検出値Ｄ（＝Ｈ2／Ｈ1）として出力される。
【００６３】
なお、例えば、検知対象ガスが酸素（吸収線の中心波長が７６０ｎｍ）である場合には、変調光ａの中心波長λaが１５２０ｎｍとなるように、半導体レーザ１５を構成する各層の組成比、ドープされる不純物の種類および量を調整することにより、酸素のガス濃度を検出することができる。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態のガス検知装置は、第１の実施形態のレーザ光源を備えるため、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ レーザ光源
３ 測定雰囲気
４ 受光部
５ ガス検知部
１１ 変調光出力部
１２ 光ファイバ
１３ 励起光出力部
１４、４３ 波長変換素子
１５ 半導体レーザ
４１ 光源部
４２ 合波器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源およびそれを用いたガス検知装置に関し、特に、検知対象ガスの吸収線を利用してガス検知を行うためのレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題に関して、地球温暖化ガスの排出削減、大気汚染物質の監視等のため、大気中の特定のガスを検知するという技術が必要とされている。ガスの検知に当たっては、従来からガスクロマトグラフ等の化学式のガス検知装置が用いられてきた。しかしながら、このような化学的測定を行うガス検知装置では、簡易な測定、迅速な測定を行うことが困難であった。
【０００３】
ところで、メタン、酸素、二酸化炭素、アセチレン、アンモニア等のガスは、分子の回転や構成原子間の振動等に応じた特定波長の光を吸収することが知られている。一般的にガス分子は、赤外領域の電磁波を吸収する。例えばメタンは１．６μｍ、３．３μｍ、７μｍの波長の光を吸収し、酸素は７６０ｎｍの波長の光を吸収する。
【０００４】
そこで、この現象を利用した分光式のガス検知装置が開発された。このような分光式のガス検知装置は、測定対象の空間に特定波長のレーザ光を出射しその減衰状態を測定することにより、極めて簡便かつ迅速に検知対象ガスの有無、濃度を検知することができる。
【０００５】
一般的にガスの吸収線は極めて急峻であるため、高精度なガス検出を実現するためには、上述の分光式のガス検知装置に用いられるレーザ光源は単一縦モードのレーザ発振が可能であることが好ましい。
【０００６】
このような要求に応えるレーザ光源としては分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）半導体レーザが挙げられる。分布帰還型半導体レーザは、光導波路に光の導波方向に沿った周期構造を設け、周期構造のピッチの長さと光導波路の屈折率によって定まる特定波長の単一縦モードのレーザ発振を実現するものである。
【０００７】
ＤＦＢ半導体レーザを備えたガス検知装置は、例えば図８に示すように、半導体レーザモジュール１００と、受光器１０２と、ガス検知部１０３と、を備えている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されたガス検知装置においては、ＤＦＢ半導体レーザが組込まれた半導体レーザモジュール１００から出射されるレーザ光が、測定雰囲気中の被測定ガス１０１を透過して受光器１０２へ入射される。
【０００８】
ここで、被測定ガス１０１は、例えば、図９に示す中心波長λ0の吸収特性Ａを有する。半導体レーザモジュール１００が備えるＤＦＢ半導体レーザは、図９に示すように、中心電流値Ｉ0（バイアス電流値）を中心に、振幅Ｉw、変調周波数ｆ1（例えば１０ｋＨｚ）で変調された駆動電流Ｉdが印加されることにより、中心波長λ0を中心に振幅λw（例えば１０ｐｍ）、変調周波数ｆ1で振動するレーザ光を被測定ガス１０１に出射するようになっている。
【０００９】
吸収特性Ａは中心波長λ0に極小点を有するため、変調周波数ｆ1で振動するレーザ光は、被測定ガス１０１を透過することにより、変調周波数ｆ1の２倍の周波数ｆ2（＝２０ｋＨｚ）の振動成分を含むこととなる。
【００１０】
受光器１０２の受光素子１０２ａは、被測定ガス１０１を透過した上述のレーザ光を受光して受光電流に変換するようになっている。ガス検知部１０３は、受光器１０２で得られた受光電流を電流電圧変換器１０４にて電圧信号に変換するようになっている。
【００１１】
さらに、ガス検知部１０３は、その電圧信号に含まれる変調周波数ｆ1＝１０ｋＨｚの信号成分である基本波電圧信号ｈ1、および、変調周波数ｆ1＝１０ｋＨｚの２倍の周波数ｆ2（＝２０ｋＨｚ）の信号成分である２倍波電圧信号ｈ2を基本波信号検出器１０５および２倍波信号検出器１０６によりそれぞれ検出するようになっている。そして、基本波２倍波割算部１０７は、この２倍波電圧信号ｈ2の振幅Ｈ2と基本波電圧信号ｈ1の振幅Ｈ1との比（Ｈ2／Ｈ1）をガス濃度に対応する検出値Ｄ（＝Ｈ2／Ｈ1）として出力するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平１１−３２６１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に開示された従来のガス検知装置において、例えば酸素の吸収線（７６０ｎｍ）を検出するためには、ＧａＡｓ基板とそれにエピタキシャル成長可能な材料からなる発振波長が７６０ｎｍのＤＦＢ半導体レーザを用いることが考えられる。
【００１４】
しかしながら、このようなＧａＡｓ系のＤＦＢ半導体レーザは、ＩｎＰ基板とそれにエピタキシャル成長可能な材料からなる発振波長が１．２μｍ以上のＩｎＰ系のＤＦＢ半導体レーザと比較して、結晶欠陥の発生による半導体結晶の光学的特性の急激な劣化が起こりやすい。それゆえに、ＧａＡｓ系のＤＦＢ半導体レーザをガス検知装置の光源として用いた場合には、信頼性の面で不安があった。
【００１５】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知するためのレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置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】
【００１６】
本発明のレーザ光源は、所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を出力する変調光出力部と、前記レーザ光を伝搬させる光ファイバと、前記光ファイバを伝搬するレーザ光をラマン増幅させるための励起光を該光ファイバへ出力する励起光出力部と、前記光ファイバを伝搬してラマン増幅されたレーザ光の波長を非線形光学効果により短い波長に変換する波長変換素子と、を備える構成を有している。
【００１７】
この構成により、波長変換素子の変換効率を上昇させることができるため、ＩｎＰ系の半導体発光素子を用いて、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知可能なガス検知装置用のレーザ光源を実現できる。
【００１８】
また、本発明のレーザ光源は、前記波長変換素子が、前記光ファイバを伝搬してラマン増幅されたレーザ光を第２高調波に変換するＳＨＧ素子である構成を有していてもよい。また、本発明のレーザ光源は、前記励起光出力部が、複数の縦モードを有する励起光を出射する半導体レーザを備える構成を有していてもよい。また、本発明のレーザ光源は、前記変調光出力部が、単一縦モードのレーザ光を出射する半導体レーザを備える構成を有していていもよい。
【００１９】
本発明のガス検知装置は、上記のレーザ光源を備え、該レーザ光源は、検知対象ガスが有する複数の吸収線のうちの１つの吸収線の波長を中心に所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を測定雰囲気に出射し、前記測定雰囲気中を透過した前記レーザ光を測定光として受光し、該測定光に応じた受光信号を出力する受光部と、前記受光信号から検出される前記波長変調の変調周波数の基本波信号および２倍波信号の比に基づいて前記測定雰囲気中に含まれる前記検知対象ガスのガス濃度を算出するガス検知部と、を備える構成を有している。
【００２０】
この構成により、上記のレーザ光源を備えるため、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知するためのレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態のレーザ光源の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施形態のレーザ光源に使用される半導体レーザの光の導波方向に沿った断面図
【図３】本発明の第１の実施形態のレーザ光源が備える励起光出力部の構成を示すブロック図
【図４】励起光の中心波長と利得との関係を示すグラフ
【図５】本発明の第１の実施形態のレーザ光源が備える波長変換素子の斜視図
【図６】本発明の第１の実施形態のレーザ光源の構成を示す側面図
【図７】本発明に係るガス検知装置の構成を示すブロック図
【図８】従来のガス検知装置の構成を示すブロック図
【図９】被測定ガスの吸収特性と変調信号との関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係るレーザ光源およびそれを用いたガス検知装置の実施形態について、図面を用いて説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
本発明に係るレーザ光源の第１の実施形態を図１〜図６を用いて説明する。図１は本実施形態のレーザ光源１の構成を示すブロック図である。
【００２５】
即ち、図１に示すように、レーザ光源１は、所定の波長幅（変調周波数）で波長変調されたレーザ光（以下、変調光と記す）ａを出力する変調光出力部１１と、変調光ａを伝搬させる光ファイバ１２と、光ファイバ１２を伝搬するレーザ光をラマン増幅させるための励起光ｂを光ファイバ１２へ出力する励起光出力部１３と、光ファイバ１２を伝搬したラマン増幅後の変調光ａ'の波長を非線形光学効果により短い波長に変換する波長変換素子１４と、を備える。なお、図１には、レーザ光源１の励起方式が後方励起の場合を示しているが、励起方式は前方励起であっても双方向励起であってもよい。
【００２６】
変調光出力部１１は、所定の波長幅（変調周波数）で波長変調されたレーザ光である変調光ａを出射する半導体レーザ１５と、変調光ａを生成するための駆動電流Ｉdを半導体レーザ１５に印加するレーザ駆動部１６と、を備える。ここで、駆動電流Ｉdは、中心電流値Ｉ0を中心に、振幅Ｉw、変調周波数ｆ1（例えば１０ｋＨｚ）で変調された電流である。
【００２７】
半導体レーザ１５は、例えば、単一縦モードでレーザ発振する分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）半導体レーザである。ＤＦＢ半導体レーザは、光導波路に光の導波方向に沿った周期構造を備えており、周期構造のピッチの長さと光導波路の屈折率によって定まる特定波長の単一縦モードのレーザ発振を実現するものである。
【００２８】
ここで、変調光出力部１１が備える半導体レーザ１５の具体的な構成例を図２に示す。図２は、半導体レーザ１５を光の導波方向に沿って切断した断面図である。
【００２９】
即ち、変調光出力部１１が備える半導体レーザ１５は、例えば、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板１５１の上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１５２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなるＳＣＨ層（光閉じ込め層）１５３、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸層（ＭＱＷ）を含む活性層１５４、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５５、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５６、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素）からなるコンタクト層１５７が順次積層されて構成される。
【００３０】
さらに、ＳＣＨ層１５５とｐ型ＩｎＰクラッド層１５６との間には回折格子１５８が形成され、コンタクト層１５７上には上部電極１５９、ｎ型半導体基板１５１の下面には下部電極１６０が蒸着形成されている。
【００３１】
また、半導体レーザ１５は、劈開によって形成された後方端面１５ａおよび出射端面１５ｂを備えている。活性層１５４は、後方端面１５ａから出射端面１５ｂにかけて設けられており、駆動電流Ｉdが上部電極１５９と下部電極１６０との間に供給されることによってレーザ光を生成し、生成したレーザ光を出射端面１５ｂから出射する構成を有している。なお、後方端面１５ａおよび出射端面１５ｂには、反射率を調整するためのコーティングが施されていてもよい。
【００３２】
半導体レーザ１５から出射されるレーザ光の波長λは、上述の駆動電流Ｉdに応じて変動する。これにより、図１に示した変調光出力部１１は、中心波長λaを中心に振幅λw（例えば１０ｐｍ）、変調周波数ｆ1で振動するレーザ光である変調光ａを出力するようになっている。ここで、中心波長λaは、中心電流値Ｉ0が半導体レーザ１５に印加された場合の発振波長である。
【００３３】
なお、上記の半導体レーザ１５を構成する各層の組成比、ドープされる不純物の種類および量は、出射される変調光ａの中心波長λaが所望の波長（例えば１５２０ｎｍ）となるように適宜調整すればよい。
【００３４】
励起光出力部１３は、励起光ｂを出力する光源部１７と、光源部１７から出力された励起光ｂを光ファイバ１２へ出力する合波器１８と、合波器１８から出力されるラマン増幅後の変調光ａ'が入射される光ファイバ１９と、を備える。
【００３５】
光源部１７は、複数の縦モード発振可能な１つの半導体レーザからなっていてもよい。変調光ａの中心波長λaが例えば１５２０ｎｍである場合には、ラマン増幅用の励起光ｂの複数の縦モードの中心波長λbは約１４２０ｎｍであればよい。
【００３６】
あるいは、光源部１７は、複数の中心波長λ1〜λn（λ1＜・・・＜λn）（ｎ≧２）を有する励起光ｂを出射する複数の半導体レーザからなっていてもよい。変調光ａの中心波長λaが１５２０ｎｍである場合には、最小の中心波長λ1と最大の中心波長λnとの間に変調光ａの波長よりも約１００ｎｍ短い波長（約１４２０ｎｍ）が含まれるようにすればよい。なお、図３には、励起光ｂの中心波長として２つの波長λ1、λ2を用いた例を図示している。これらの中心波長λ1、λ2のレーザ光はそれぞれ複数の縦モードを有している。
【００３７】
光源部１７は、図３のブロック図に示すように、偏波面が互いに異なる波長λ1のレーザ光をそれぞれ出射する２つの半導体レーザ３１Ａ、３１Ｂと、偏波面が互いに異なる波長λ2のレーザ光をそれぞれ出射する２つの半導体レーザ３１Ｃ、３１Ｄと、半導体レーザ３１Ａ〜３１Ｄからの出射光の波長λ1、λ2を安定化するための外部共振器としてのＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄと、を備えている。
【００３８】
さらに、光源部１７は、ＦＢＧ３２Ａ、３２Ｂからの出射光を偏波合成する偏波合成器３３と、ＦＢＧ３２Ｃ、３２Ｄからの出射光を偏波合成する偏波合成器３４と、偏波合成器３３、３４からの出力光を合波して励起光ｂを生成し、生成された励起光ｂを合波器１８に出力する合波器３５と、を備えている。
【００３９】
なお、半導体レーザ３１Ａ〜３１Ｄから各偏波合成器３３、３４の間は偏波保持ファイバ３６で接続され、偏波面が異なる２つのレーザ光が各偏波合成器３３、３４で合成されるようになっている。
【００４０】
図４は、中心波長λ1、λ2を有する励起光ｂと利得との関係を模式的に示すグラフである。光ファイバ１２に入射された励起光ｂにより、光ファイバ１２において中心波長λ1、λ2から約１００ｎｍ程度長波長側に利得ｇが生じる。この状態で光ファイバ１２に利得ｇの波長帯域の変調光ａが入射されると変調光ａがラマン増幅されて変調光ａ'となる（誘導ラマン散乱）。
【００４１】
次に、本実施形態のレーザ光源１が備える波長変換素子１４について説明する。波長変換素子１４は、分極反転構造が形成されたＬｉＮｂＯ3（リチウムナイオベート）、ＬｉＴａＯ3（リチウムタンタレート）、などの複屈折率を有する非線形光学結晶からなるＳＨＧ（Second harmonic generation）素子であり、非線形光学効果により、入射された中心波長λaのレーザ光（変調光ａ'）を中心波長λa／２の第２高調波に変換するようになっている。
【００４２】
図５は、波長変換素子１４の概略構成を示す斜視図である。即ち、波長変換素子１４は、例えば、ＬｉＮｂＯ3にＭｇＯがドープされた非線形光学結晶からなる基板１４１と、基板１４１のＺ軸と平行な自発分極の向きを反転させた複数の分極反転部１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ、・・・が周期的に形成されてなる周期分極反転構造１４２と、周期分極反転構造１４２に沿って延びる光導波路１４３と、が形成されてなるものである。
【００４３】
ここで、レーザ光源１における上述の励起光出力部１３および波長変換素子１４の具体的な配置例を図６に示す。図６に示すように、励起光出力部１３が備える光ファイバ１９の出射端面１９ａと波長変換素子１４の入射端面１４ａとの間にコリメートレンズ２０および集光レンズ２１と、波長変換素子１４の出射端面１４ｂ側に集光レンズ２２と、が配置される。この構成により、光ファイバ１９からの変調光ａ'が波長変換素子１４の入射端面１４ａを介して光導波路１４３に入射され、出射端面１４ｂから第２高調波が出射されるようになっている。
【００４４】
ところで、波長変換素子１４の変換効率は入力光パワーが大きいほど高くなる。半導体レーザ１５から出射される変調光ａの光パワーの上限値は１００ｍＷ程度であり、仮に、１００ｍＷの光パワーを有する１５２０ｎｍの変調光ａを波長変換素子１４に直接入射させる場合には、波長変換素子１４の変換効率は１０％程度となる。つまり、波長変換素子１４から出力される第２高調波（７６０ｎｍ）の光パワーは１０ｍＷ程度となってしまう。
【００４５】
そこで、本実施形態のレーザ光源１では、半導体レーザ１５を備えた変調光出力部１１と波長変換素子１４との間に、ラマン増幅用の励起光ｂを出力する励起光出力部１３を備えることにより、変調光ａの光パワーを大幅に増大させてから波長変換素子１４に入射させている。例えば、ラマン増幅により変調光ａ（１５２０ｎｍ）の光パワーを２００ｍＷに増幅させれば、波長変換素子１４の変換効率は２０％程度に上昇し、４０ｍＷの光パワーの第２高調波（７６０ｎｍ）を得られるようになる。
【００４６】
あるいは、単一縦モードでレーザ発振する半導体レーザ１５は、高出力発振させると多モード化しやすく歩留まりが低いため、変調光ａの光パワーを１０〜２０ｍＷ程度に抑えて、５００ｍＷ以上の励起光ｂ（１４２０ｎｍ）で変調光ａの光パワーを１０〜１３ｄＢ程度ラマン増幅させる構成としてもよい。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態のレーザ光源は、ＩｎＰ系の半導体レーザと、該半導体レーザから出射された変調光の波長を短い波長に変換する波長変換素子と、を備えることにより、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知できるガス検知装置用のレーザ光源として適用可能である。
【００４８】
また、本実施形態のレーザ光源は、変調光出力部から出力される変調光をラマン増幅することにより、変調光の光パワーを大幅に増大させることができる。これにより、波長変換素子における変調光に対する変換効率を上昇させることができるため、ガス検知装置用の高出力のレーザ光源を実現できる。
【００４９】
また、本実施形態のレーザ光源は、ラマン増幅により、任意の波長の変調光を増幅することができるため、様々なガス検知装置に適用可能である。
【００５０】
（第２の実施形態）
第１の実施形態のレーザ光源を備えたガス検知装置の実施形態について図７を用いて説明する。図７は本実施形態のガス検知装置の構成を示すブロック図である。
【００５１】
即ち、本実施形態のガス検知装置は、検知対象ガスが有する複数の吸収線のうちの１つの吸収線の波長を中心に所定の波長幅（変調周波数ｆ1）で波長変調されたレーザ光を測定雰囲気３に出射するレーザ光源１と、測定雰囲気３中を透過した該レーザ光を測定光として受光し、該測定光に応じた受光信号を出力する受光部４と、を備える。
【００５２】
また、本実施形態のガス検知装置は、受光部４から出力された受光信号から検出される変調周波数ｆ1の基本波信号および２倍波信号の比に基づいて測定雰囲気３中に含まれる検知対象ガスのガス濃度を算出するガス検知部５と、を備える。
【００５３】
受光部４は、例えばフォトダイオード等の受光素子からなり、受光した光の受光量に応じた受光信号を出力するようになっている。
【００５４】
ガス検知部５は、受光部４から出力された電流信号である受光信号を電圧信号に変換する電流電圧変換器５１と、電流電圧変換器５１によって変換された電圧信号に含まれる変調周波数ｆ1の信号成分である基本波電圧信号ｈ1を検出する基本波信号検出器５２と、該電圧信号に含まれる変調周波数ｆ1の２倍の周波数ｆ2の信号成分である２倍波電圧信号ｈ2を検出する２倍波信号検出器５３と、２倍波信号検出器５３によって検出された２倍波電圧信号ｈ2の振幅Ｈ2を基本波信号検出器５２によって検出された基本波電圧信号ｈ1の振幅Ｈ1で割り算して得られる値を測定雰囲気３に含まれる検知対象ガスのガス濃度に対応する検出値Ｄ（＝Ｈ2／Ｈ1）として出力する基本波２倍波割算部５４と、を備える。
【００５５】
なお、このような信号操作（割り算）を行うのは、受光部４によって受光された光が測定雰囲気３の透過以外の理由によってもある程度のレベル変動を生じるため、そのレベル変動を除去して正確なガス濃度検出を行うためである。
【００５６】
電流電圧変換器５１は、受光部４から出力された受光信号を電圧信号に変換して増幅する機能を有するプリアンプを備えている。なお、電流電圧変換器５１が備えるプリアンプにおいては、基本波電圧信号ｈ1および２倍波電圧信号ｈ2が基本波信号検出器５２および２倍波信号検出器５３において同等の検出可能なレベルになるように、それぞれの信号に対する増幅度が適切な値に設定されていることが好ましい。
【００５７】
次に、以上のように構成された本実施形態のガス検知装置の動作について説明する。
まず、レーザ駆動部１６によって半導体レーザ１５の上部電極１５９と下部電極１６０との間に、中心電流値Ｉ0、振幅Ｉw、変調周波数ｆ1の駆動電流Ｉdが印加されることにより、活性層１５４内部が発光状態となる（図１、図２参照）。
【００５８】
活性層１５４で生成された光は、活性層１５４に沿って伝搬し、後方端面１５ａと出射端面１５ｂで構成された共振器において、駆動電流Ｉdに応じた波長λで発振する。ここで、波長λの中心波長λaは、中心電流値Ｉ0が半導体レーザ１５に印加された場合の発振波長である。
【００５９】
これにより、中心波長λaを中心に振幅λw（例えば１０ｐｍ）、変調周波数ｆ1で振動するレーザ光である変調光ａが半導体レーザ１５から光ファイバ１２へ出射される。光ファイバ１２には、変調光ａの進行方向と逆向きの励起光ｂが励起光出力部１３から入射されている。
【００６０】
変調光ａは、励起光ｂによりラマン増幅されて変調光ａ'となり、波長変換素子１４へ入射される。波長変換素子１４では、入射された変調光ａ'の中心波長λaおよび振幅λwがともに半波長化される。半波長化された変調光ａ'（第２高調波）は測定雰囲気３へ出射される。
【００６１】
波長変換素子１４から測定雰囲気３へ出射された第２高調波は、測定雰囲気３を透過して受光部４に受光されて電流信号である受光信号に変換される。受光信号は、ガス検知部５に入力される。
【００６２】
受光信号は、電流電圧変換器５１に入力されて電圧信号に変換される。電圧信号はガス検知部５の基本波信号検出器５２および２倍波信号検出器５３に入力され、基本波電圧信号ｈ1および２倍波電圧信号ｈ2が検出される。基本波２倍波割算部５４によって、２倍波電圧信号ｈ2の振幅Ｈ2を基本波電圧信号ｈ1の振幅Ｈ1で割り算して得られる値が、測定雰囲気３に含まれる検知対象ガスのガス濃度に対応する検出値Ｄ（＝Ｈ2／Ｈ1）として出力される。
【００６３】
なお、例えば、検知対象ガスが酸素（吸収線の中心波長が７６０ｎｍ）である場合には、変調光ａの中心波長λaが１５２０ｎｍとなるように、半導体レーザ１５を構成する各層の組成比、ドープされる不純物の種類および量を調整することにより、酸素のガス濃度を検出することができる。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態のガス検知装置は、第１の実施形態のレーザ光源を備えるため、吸収線の中心波長が１．２μｍより短い検知対象ガスを高い精度で検知することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ レーザ光源
３ 測定雰囲気
４ 受光部
５ ガス検知部
１１ 変調光出力部
１２ 光ファイバ
１３ 励起光出力部
１４、４３ 波長変換素子
１５ 半導体レーザ
４１ 光源部
４２ 合波器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を出力する変調光出力部（１１）と、
前記レーザ光を伝搬させる光ファイバ（１２）と、
前記光ファイバを伝搬するレーザ光をラマン増幅させるための励起光を該光ファイバへ出力する励起光出力部（１３）と、
前記光ファイバを伝搬してラマン増幅されたレーザ光の波長を非線形光学効果により短い波長に変換する波長変換素子（１４）と、を備えるレーザ光源。
【請求項２】
前記波長変換素子が、前記光ファイバを伝搬してラマン増幅されたレーザ光を第２高調波に変換するＳＨＧ素子である請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記励起光出力部が、複数の縦モードを有する励起光を出射する半導体レーザを備える請求項１または請求項２に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記変調光出力部が、単一縦モードのレーザ光を出射する半導体レーザ（１５）を備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ光源。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザ光源（１）を備え、該レーザ光源は、検知対象ガスが有する複数の吸収線のうちの１つの吸収線の波長を中心に所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を測定雰囲気（３）に出射し、
前記測定雰囲気中を透過した前記レーザ光を測定光として受光し、該測定光に応じた受光信号を出力する受光部（４）と、
前記受光信号から検出される前記波長変調の変調周波数の基本波信号および２倍波信号の比に基づいて前記測定雰囲気中に含まれる前記検知対象ガスのガス濃度を算出するガス検知部（５）と、を備えるガス検知装置。
【請求項１】
所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を出力する変調光出力部（１１）と、
前記レーザ光を伝搬させる光ファイバ（１２）と、
前記光ファイバを伝搬するレーザ光をラマン増幅させるための励起光を該光ファイバへ出力する励起光出力部（１３）と、
前記光ファイバを伝搬してラマン増幅されたレーザ光の波長を非線形光学効果により短い波長に変換する波長変換素子（１４）と、を備えるレーザ光源。
【請求項２】
前記波長変換素子が、前記光ファイバを伝搬してラマン増幅されたレーザ光を第２高調波に変換するＳＨＧ素子である請求項１に記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記励起光出力部が、複数の縦モードを有する励起光を出射する半導体レーザを備える請求項１または請求項２に記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記変調光出力部が、単一縦モードのレーザ光を出射する半導体レーザ（１５）を備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ光源。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザ光源（１）を備え、該レーザ光源は、検知対象ガスが有する複数の吸収線のうちの１つの吸収線の波長を中心に所定の波長幅で波長変調されたレーザ光を測定雰囲気（３）に出射し、
前記測定雰囲気中を透過した前記レーザ光を測定光として受光し、該測定光に応じた受光信号を出力する受光部（４）と、
前記受光信号から検出される前記波長変調の変調周波数の基本波信号および２倍波信号の比に基づいて前記測定雰囲気中に含まれる前記検知対象ガスのガス濃度を算出するガス検知部（５）と、を備えるガス検知装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１５４０９３（Ｐ２０１１−１５４０９３Ａ）
【公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４３１４（Ｐ２０１０−１４３１４）
【出願日】平成２２年１月２６日（２０１０．１．２６）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２６日（２０１０．１．２６）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【Ｆターム（参考）】
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