JP2011119541A - Gas detecting sensor using optical fiber coupling external cavity semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
【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。
【選択図】 図1A fiber-coupled external resonator type semiconductor laser capable of increasing the coupling efficiency of a fiber and easily controlling the narrowing of the oscillation spectrum and the wavelength, and a trace gas detection using the fiber-coupled external resonator type semiconductor laser. Provide sensors for use.
According to the present invention, a semiconductor laser that oscillates laser light, an external resonator that amplifies the intensity of the incident laser light and emits feedback laser light, and the semiconductor laser and the external resonator are provided. An optical fiber disposed between and emitting the laser light to the external resonator and the feedback laser light entering the semiconductor laser, and an optical fiber Bragg grating disposed in the middle of the optical fiber. A fiber-coupled external cavity semiconductor laser is provided.
[Selection] Figure 1
Description
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。 The present invention relates to a trace gas detection sensor using an optical fiber coupled external resonator type semiconductor laser, and more particularly to a trace gas detection sensor in which the wavelength of an optical fiber coupled external resonator type semiconductor laser is stabilized.
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。 As a light source capable of obtaining a standing wave with a stable wavelength, an external cavity type semiconductor laser (External Cavity Diode Laser, hereinafter referred to as ECDL) is used in various directions. FIG. 10 shows a general configuration of an ECDL external cavity semiconductor laser. FIG. 10 is a general schematic configuration diagram of the external cavity semiconductor laser 100. As shown in FIG. 10, an external resonator type semiconductor laser 100 includes a non-reflective coating (hereinafter referred to as an AR coating) semiconductor laser 110, a collimating lens (here, an aspherical lens is used) 130, and an incident mirror. An external resonator 120 including a pair of highly reflective mirrors 121 and an output mirror 122 is provided. Of the light incident on the external resonator 120 from the semiconductor laser 110, only the component that matches the longitudinal mode of the resonator 120 is selected and fed back to the active layer of the semiconductor laser 110. If the intensity of this feedback light is sufficient, the semiconductor laser will produce stimulated emission at a passively fixed wavelength. Therefore, it is possible to stably obtain a standing wave in the external resonator without performing fine control of the resonator length or stabilizing the oscillation frequency of the semiconductor laser. However, it is not easy to sufficiently secure the intensity of the feedback light. Generally, in order to match the resonance frequency, fine control of the resonator length by the piezoelectric element and stabilization of the oscillation wavelength are required.
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。 Such an ECDL resonator can be used for absorption spectroscopy, which is a method for optically detecting a gas concentration. Here, the absorption spectroscopy is a method in which the measurement is performed using the light absorption effect by the laser wavelength tuned to the absorption line due to the electronic transition or vibrational rotation transition of the molecule.
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。
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。
The reason why ECDL is used for gas concentration detection by absorption spectroscopy is that a long optical path length can be obtained inside an ECDL resonator. That is, the intensity change of the transmitted light of the laser after passing through the sample cell where the absorbing medium is present can be expressed as the following equation (1) by Lambert-Beer law.
Here, I [W] is the transmitted light intensity, I 0 [W] is the incident light intensity, α [m −1 ] is the absorption constant, and d [m] is the optical path length of the cell. As can be seen from Equation 1, the higher the optical path length, the more sensitive the measurement. In ECDL, since the laser beam reciprocates several thousand times in the external resonator, a long optical path length can be obtained. Therefore, by using ECDL, highly sensitive measurement can be performed at the time of gas detection. FIG. 11 schematically shows the intensity change of the transmitted light of the laser after passing through the sample cell where the absorbing medium is present.
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。 An ECDL resonator can also be used for cavity ring-down spectroscopy (hereinafter referred to as CRDS), which is a kind of absorption spectroscopy. CRDS is a method of measuring the concentration of a medium in an optical resonator (sample cell) by a time constant called a ring-down signal.
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。
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。
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。
That is, by modulating the semiconductor laser and blocking the light incident on the external resonator, the transmitted light from the external resonator is attenuated by a first-order exponential function. The attenuation is defined by the following equation (2).
At this time, I [W] is the transmitted light intensity, I 0 [W] is the incident light intensity, t [s] is the elapsed time, and τ [s] is the time constant. Further, when there is a medium that absorbs laser light in the external resonator, the laser light intensity of the transmitted light is attenuated according to the following equation (3).
Here, τ [s] is a time constant of a medium having absorption, and τ 0 [s] is a time constant of a medium having no absorption. The time constant is also called a ring-down signal, and the value varies depending on the concentration of the medium in the external resonator. Therefore, it is possible to measure the concentration of the medium in the external resonator by obtaining the time constant.
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。 A measurement example using ECDL for CRDS is shown below. FIG. 12 is a diagram showing an example of nitrogen dioxide measurement by CRDS using ECDL. In FIG. 12, pure nitrogen (Pure_N 2 ) and 50 ppm concentration of nitrogen dioxide (NO 2 ) were measured by CRDS using a laser beam having a wavelength of 638 nm, and changes in the respective time constants were shown. From FIG. 12, it is understood that the change in time constant differs between pure nitrogen and nitrogen dioxide. Moreover, FIG. 13 is a figure which shows the nitrogen dioxide measurement result by CRDS using ECDL. In FIG. 13, the attenuation rate of a predetermined concentration of nitrogen dioxide is measured in advance, and the result is displayed in a straight line. From FIG. 12 and FIG. 13, the difference in time constant between nitrogen dioxide and nitrogen and the change in attenuation rate due to the concentration of nitrogen dioxide can be grasped.
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。 As described above, it is understood that a minute amount of gas can be detected using an external resonator type semiconductor laser. However, when manufacturing a gas detection sensor using such an external resonator type semiconductor laser, there is a disadvantage that the entire apparatus becomes large because laser light is coupled in space. Furthermore, it is necessary to arrange the semiconductor laser, the collimating lens, and the external resonator linearly on the optical path of the laser beam, which lacks flexibility.
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。 Therefore, in order to ensure the miniaturization and flexibility of the apparatus, an optical fiber coupled external resonator type semiconductor laser (Fiber-coupled_external-cavity_diode_laser: which can be used more flexibly by separating the light source unit and the sensor unit by using an optical fiber. Hereinafter, a gas detection apparatus using FC-ECDL) is considered. An optical fiber coupled external resonator type semiconductor laser is disclosed in Non-Patent Document 1.
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。 FIG. 14 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a gas detection device 200 using FC-ECDL. The light source is a non-reflective coated semiconductor laser 210. Light emitted from the laser is collimated by a collimator lens 230, shaped from an ellipse to a circle by an anamorphic prism pair 260, and an optical fiber (FIG. 14) using a coupling lens 240. In FIG. 2, a polarization maintaining fiber was used.) Light emitted from the optical fiber 250 is collimated by the coupling lens 240 and is incident on the external resonator 220. The non-reflective coated semiconductor laser 210 is connected to a semiconductor laser power source 211 that supplies power, and the external resonator 220 is connected to a power meter 280. Further, an optical spectrum analyzer 270 used for analyzing the spectrum of the laser light is connected between the anamorphic prism pair 260 and the coupling lens 240 on the semiconductor laser side. However, the arrangement position of the optical spectrum analyzer 270 is not limited to this, and may be between the collimating lens 230 and the anamorphic prism pair 260. Here, the collimating lens 230, the anamorphic prism pair 260 and the coupling lens 240 are devices for improving the coupling efficiency to the optical fiber 250.
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。 By using the optical fiber in this way, it is not necessary to arrange the light source unit and the sensor unit on a straight line, and both can be arranged more flexibly. Further, since the sensor itself is non-contact, explosion-proof measurement can be easily performed in an environment with a high explosion risk, and further the size of the entire apparatus can be reduced. Furthermore, by coupling the ECDL semiconductor laser and the external resonator with a fiber, it is possible to construct a sensor for detecting a trace gas that does not include any electrical device such as a piezoelectric element in the external resonator that is a sensor portion.
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。 This FC-ECDL can also stabilize the oscillation frequency of the semiconductor laser by the feedback light from the external resonator.
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。 Therefore, even with this FC-ECDL, the same measurement as the gas detection in the aforementioned ECDL is possible. A measurement example using FC-ECDL for CRDS is shown below. FIG. 15 is a diagram illustrating an example of nitrogen dioxide measurement by CRDS using FC-ECDL. Moreover, FIG. 16 is a figure which shows the nitrogen dioxide measurement result by CRDS using FC-ECDL. It can be understood that measurement can be performed in the same manner as in FIGS.
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。 However, when FC-ECDL is used, the fiber coupling efficiency is one of the parameters. The coupling efficiency of the fiber indicates the laser light intensity before and after the incidence of the fiber. When the coupling efficiency is low, sufficient feedback light cannot be obtained from the external resonator, and the semiconductor laser cannot oscillate. Therefore, the fiber coupling efficiency is one parameter for laser oscillation in FC-ECDL.
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。 Therefore, when a trace gas detection sensor is constructed using FC-ECDL, it is required to increase the fiber coupling efficiency. Also, since the oscillation spectrum depends on the feedback component from the external resonator (external resonator length, mirror reflectivity, laser medium), when building a trace gas detection sensor using FC-ECDL, the oscillation spectrum is In addition to depending only on the feedback component from the external resonator, it is required to narrow the oscillation spectrum and easily control the wavelength.
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。 The present invention relates to a fiber-coupled external resonator type semiconductor laser capable of increasing the coupling efficiency of a fiber and easily controlling the narrowing of the oscillation spectrum and the wavelength, and a trace gas using the fiber-coupled external resonator type semiconductor laser. An object is to provide a sensor for detection.
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。 According to an embodiment of the present invention, a semiconductor laser that oscillates a laser beam, an external resonator that amplifies the intensity of the incident laser beam and emits a feedback laser beam, the semiconductor laser and the external resonator, An optical fiber disposed between the optical fiber that emits the laser light to the external resonator and the feedback laser light is incident on the semiconductor laser, and an optical fiber Bragg grating disposed in the middle of the optical fiber. A featured fiber coupled external cavity semiconductor laser is provided.
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。 According to an embodiment of the present invention, a semiconductor laser that oscillates a laser beam, an external resonator that amplifies the intensity of the incident laser beam and emits a feedback laser beam, the semiconductor laser and the external resonator, A fiber comprising: an optical fiber disposed between the optical fiber that emits the laser light to the external resonator and the feedback laser light incident on the semiconductor laser; and an optical fiber Bragg grating disposed in the middle of the optical fiber A gas detection sensor comprising a coupled external cavity semiconductor laser is provided.
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。 The optical fiber Bragg grating may have a reflectance of 2% to 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%であってもよい。 The optical fiber Bragg grating may have a reflectivity of 5%.
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。 Both end faces of the optical fiber may be subjected to at least one of a PC polishing process, an APC polishing process, and an anti-reflection coating process.
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。 A collimating lens may be provided between the semiconductor laser and the optical fiber.
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。 A coupling lens may be provided at each end of the optical fiber.
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。 An anamorphic prism pair may be further provided between the semiconductor laser and the coupling lens located on the semiconductor laser side.
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。 According to an embodiment of the present invention, a fiber-coupled external resonator type semiconductor laser capable of increasing the coupling efficiency of a fiber and easily controlling the narrowing of the oscillation spectrum and the wavelength, and the fiber-coupled external resonator type semiconductor laser A sensor for detecting a small amount of gas is provided.
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。 Hereinafter, an FC-ECDL with enhanced fiber coupling efficiency according to an embodiment of the present invention, and a trace gas detection sensor using the FC-ECDL will be described in detail with reference to the drawings. In the embodiment, an example of FC-ECDL with improved coupling efficiency of the fiber of the present invention and a sensor for detecting a trace gas using the FC-ECDL is shown, and the coupling efficiency of the fiber of the present invention is shown. The enhanced FC-ECDL and the sensor for detecting a trace gas using the FC-ECDL are not limited to those embodiments.
(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。
(Fiber-coupled external cavity semiconductor laser: FC-ECDL)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of FC-ECDL with enhanced fiber coupling efficiency according to an embodiment of the present invention, and a trace gas detection sensor using the FC-ECDL. As shown in FIG. 1, an FC-ECDL 2 with improved fiber coupling efficiency according to an embodiment of the present invention is roughly shown as an anti-reflection coated semiconductor laser 10, an external resonator 20, a collimating lens 30, an optical fiber 50, and an optical fiber. A pair of coupling lenses 40 disposed at both ends of the optical fiber, an anamorphic prism pair 60, a semiconductor laser power source 11 that supplies power to the semiconductor laser, and an optical fiber Bragg grating (Fiber_Bragg_Grating: hereinafter referred to as FBG). It is composed of 90. However, the collimating lens 30, the coupling lens 40, and the anamorphic prism pair 60 may be provided as necessary.
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。 The non-reflective coated semiconductor laser 10 is electrically connected to the semiconductor laser power source 11 and emits laser light upon receiving power from the semiconductor laser light source 11. The end surface on the emission side of the non-reflective coating semiconductor laser 10 is anti-reflective coated (AR coating). In the present embodiment, a non-reflective coated semiconductor laser is used as the semiconductor laser. However, the reflectance of the AR-coated end face is approximately 0.01%, which makes the semiconductor laser 10 substantially non-reflective. This is because there is no laser oscillation inside.
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。 The non-reflective coated semiconductor laser 10 feeds back the reflected light from the external resonator 20 to the active layer of the semiconductor laser, thereby eliminating the need to control the resonator length and oscillation frequency. In the non-reflection coated semiconductor laser 10, the laser oscillation wavelength is passively controlled to the resonance frequency of the external resonator 20.
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。 In the present embodiment, the non-reflection coated semiconductor laser 10 having an oscillation wavelength of 638 nm is used, but the oscillation wavelength is not limited to this, and can be appropriately selected according to the type of gas to be detected.
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。 The external resonator 20 includes a pair of high reflection mirrors, that is, an entrance mirror and an exit mirror (both not shown). The entrance mirror and the exit mirror are arranged to face each other, and the reflectance of the reflection surface of each mirror needs to be set very high. As a result, the laser light incident from the incident mirror side is reciprocated several thousand times between the output mirror and the incident mirror, and the intensity of the laser light is amplified. Therefore, the reflectance of the exit mirror is preferably set to 99.99% or more, more preferably 99.999% or more. The reflectance of the incident mirror is set lower than the reflectance of the output mirror, preferably 99.94% or more, more preferably 99.97% or more. However, the reflectance of each mirror is not limited to this.
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。 The external resonator 20 can be a gas cell that can be sealed by introducing gas, and the external resonator length can be appropriately selected in consideration of the size of the entire apparatus.
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。 The collimating lens 30 is disposed on the non-reflective coated emission side of the non-reflective coated semiconductor laser 10. The collimating lens 30 converts the laser light, which is the divergent light emitted from the non-reflective coated semiconductor laser 10, into parallel light and focuses it on the anamorphic prism pair 60. In the present embodiment, an aspherical lens is used as the collimating lens 30, but the collimating lens 30 is not limited to this.
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。 The coupling lens 40 is disposed at both ends of the optical fiber 50, couples the laser light emitted from the anamorphic prism pair 60 to one end of the optical fiber 50, and couples the laser light emitted from the optical fiber 50 to an external resonator. 20.
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。 The optical fiber 50 is a cylindrical laser beam transmission path. The laser light emitted from the non-reflective coated semiconductor laser 10 is transmitted to the external resonator 20, and the reflected laser light amplified by reciprocating several thousand times in the external resonator 20 is used as the active layer of the non-reflective coated semiconductor laser 10. To give feedback.
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。 In this embodiment, the end face of the optical fiber 50 is PC polished (Physical_Contact, and the end face of the optical fiber is polished to have a convex spherical surface in order to reduce loss at the time of connection. The return loss (the ratio of the reflected wave to the incident wave) The reciprocal number) ≧ 27 dB.) Was used. The alignment on the fiber incident side (that is, the non-reflective coated semiconductor laser 10 side) was intentionally shifted. This is because, in the optical fiber polished by PC, the surface reflectivity of the end face and the reflectivity of the FBG are close, so that resonance occurs between the end face of the optical fiber and the semiconductor laser, and oscillation does not occur at the original FBG wavelength. This is because of this. Therefore, in order to prevent resonance, the alignment on the optical fiber incident side is intentionally shifted to suppress the resonance. This makes it possible to oscillate at the original FBG wavelength. Since the cause of resonance is that the surface reflectance of the end face and the reflectance of the FBG are close, the end face of the optical fiber is APC-polished (Angle_Physical_Contact, the return light is further reduced by making the polishing surface oblique to the PC. Return loss: ≧ 60 dB) By processing or AR coating, resonance can be suppressed without shifting the alignment, and oscillation at the original FBG wavelength can be achieved. Therefore, it is preferable to perform at least one of the above three processes as the end face processing of the optical fiber.
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。 The anamorphic prism pair 60 includes two prisms 61 and 62 inside the housing, and expands or contracts one of the beam axes of the elliptical laser light emitted from the non-reflective coated semiconductor laser 10. Mold into a circle. The emitted light is emitted in parallel to the incident light. The anamorphic prism pair 60, the collimating lens 20 and the coupling lens 40 described above are all devices for improving the coupling efficiency to the optical fiber 50. Therefore, when the coupling efficiency of the non-reflective coated semiconductor laser 10, the external resonator 20, and the optical fiber 50 can be maintained high, any or all of the anamorphic prism pair 60, the collimating lens 20, and the coupling lens 40 are omitted. You can also. In particular, as described above, when the coupling efficiency is increased by, for example, APC polishing or non-reflective coating on the end face of the optical fiber, it can be omitted.
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。 The FBG 90 is a device in which a diffraction grating 91 is formed in the core of an optical fiber, and is an element that selects a specific wavelength. That is, it has a function as an optical filter. FIG. 2 is a schematic diagram of an FBG used for FC-ECDL with enhanced fiber coupling efficiency according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, in order to form the diffraction grating 91 in the core 92 of the optical fiber, the incident light is reflected according to the reflectance of the diffraction grating, and only a certain amount of incident light is transmitted through the diffraction grating as transmitted light. pass. As a result, the band of the oscillation spectrum can be narrowed and the wavelength can be easily controlled.
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。 Since the FBG 90 has the above-described configuration, only a certain amount of incident light passes through the diffraction grating 91 as transmitted light, so that the oscillation spectrum can be narrowed. Here, a filter may be used instead of the FBG 90. However, when the filter is used, the oscillation spectrum cannot be narrowed. Therefore, it is necessary to use FBG90.
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。 In the present embodiment, FBG (manufactured by Tatsuta Electric Wire Co., Ltd.) that selects a wavelength of 638 nm is used as FBG90. The reflectivity of the FBG 90 is 5%. Further, as a comparative example, an FBG of 2% reflectivity (also manufactured by Tatsuta Electric Cable Co., Ltd.) that selects the same wavelength of 638 nm was used. When constructing a sensor for detecting a very small amount of gas, an FBG 90 that appropriately selects an appropriate wavelength in accordance with the wavelength of the laser light to be used can be used.
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。 The FBG 90 is disposed between both end faces of the optical fiber 50. The arrangement position is not limited to the middle of the optical fiber 50, and may be arranged so as to be deviated toward any end face side. The optical fiber 50 and the FBG 90 may be integrally formed by irradiating the core of the optical fiber 50 with ultraviolet rays. That is, a refractive index change is caused in the core of the optical fiber by light-induced refractive index change (Photosensitivity), and a kind of diffraction grating is formed inside the core by periodically making this refractive index change. Can do. For example, a UV laser (excimer laser, etc.) is used for the ultraviolet light to be irradiated, and a diffraction grating is formed in the core by inserting a transmissive diffraction grating (phase mask) to cause laser diffraction between the laser and the irradiated surface. can do. By such a method, the optical fiber 50 and the FBG 90 can be integrally formed.
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。 As described above, by using the FBG, it is possible to narrow the oscillation spectrum and easily control the wavelength, which cannot be realized by the conventional FC-ECDL.
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。 In addition, since the FBG can easily control the wavelength by applying temperature change and tension, the FC-ECDL according to the embodiment of the present invention using the FBG controls the oscillation spectrum. It can be done easily.
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。 That is, the oscillation spectrum of the conventional FC-ECDL depends on the feedback component from the external resonator (external resonator length, mirror reflectivity, laser medium) and therefore cannot be easily controlled. The oscillation spectrum is a parameter that determines whether or not measurement is possible when detecting a trace gas using absorption spectroscopy. Please refer to FIG. FIG. 3 is a graph showing the wavelength dependence of the absorption cross section of nitrogen dioxide in the ultraviolet to visible range. As shown in FIG. 3, the absorption cross-sectional area of nitrogen dioxide depends on the wavelength and varies greatly even when the wavelength is slightly shifted. Although it becomes nearly flat from a wavelength of about 630 nm to 700 nm, it is not flat at all. Therefore, when using absorption spectroscopy, if the oscillation wavelength is not a narrow band with respect to the absorption spectrum, the absorption coefficient depends on the frequency, so the ring-down signal is not constant, and concentration measurement is impossible. Become. Therefore, if not only the oscillation spectrum depends on only the feedback component from the external resonator but also the narrowing of the oscillation spectrum and the control of the oscillation spectrum become possible, it becomes advantageous for gas detection by absorption spectroscopy. Further, even in a region where there are many gas absorption lines such as the infrared region, gas detection can be effectively performed by absorption spectroscopy using FC-ECDL.
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。
In the FC-ECDL according to one embodiment of the present invention, it is possible to narrow the oscillation spectrum. This will be described with reference to the drawings. 4 to 7 are diagrams comparing the oscillation spectra of FC-ECDL using FBG and FC-ECDL not using FBG. FIG.
It is a comparison figure of the oscillation spectrum of FC-ECDL (A) provided with FBG (reflectance 5%) which selects the wavelength of 638 nm, and FC-ECDL (B) which does not include FBG. FIG. 5 is a comparison diagram of oscillation spectra of FC-ECDL (A) having FBG (reflectance 2%) for selecting a wavelength of 638 nm and FC-ECDL (B) not having FBG. FIG. 6 is a diagram comparing oscillation spectra of A when the reflectivity is 5% and B when the reflectivity is 2% for the FC-ECDL including the FBG that selects a wavelength of 638 nm. FIG. 7 shows FC-ECDL (A) with FBG (5% reflectivity) for selecting a wavelength of 638 nm and FC-ECDL (B) with FBG (2% reflectivity) for selecting a wavelength of 638 nm. 2 is a comparison diagram of oscillation spectra of FC-ECDL (C) without FBG and FBG.
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。 As shown in FIG. 4, the oscillation spectrum of FC-ECDL (A) with FBG draws a steep curve across the wavelength of 638 nm, but is almost flat in other wavelength regions. In other words, it can be understood that by providing the FBG, the band of the oscillation spectrum of the FC-ECDL is narrowed. On the other hand, the oscillation spectrum in the case where no FBG is provided has many curves drawn over a wavelength of 636 nm to 637 nm over 1 nm, and the width of the oscillation spectrum is wide. Further, referring to FIG. 5, the oscillation spectrum of FC-ECDL (A) provided with an FBG having a reflectance of 2% is lower in intensity than the oscillation spectrum of FC-ECDL (B) without FBG, but has a wavelength of 636 nm. A plurality of spectra appear over a wide band from 638 nm to 638 nm, and the oscillation spectrum is not so narrow compared to FC-ECDL provided with FBG having a reflectance of 5%. The achievement status of the narrowing of the oscillation spectrum due to the difference in the reflectance of the FBG is well understood from FIG. 6, and the fact that the oscillation spectrum of the FC-ECDL equipped with the FBG having the reflectance of 5% is narrowed to a high bandwidth. Be grasped. This can also be understood from FIG. 7 which compares three oscillation spectra.
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。
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。
Coupling efficiency is also a parameter as a condition for oscillation of FC-ECDL. FIG. 6 and FIG. 7 show comparison of oscillation spectra due to the difference in FBG reflectivity. The following equation (4) is given as an equation for obtaining the threshold current of FC-ECDL.
Where I th is the threshold current, l is the laser medium length, s is the stripe width, d is the thickness of the active layer, η is the quantum efficiency, J 0 is the threshold current density, β is the gain factor, and Γ is the confinement The coefficient, α is the absorption coefficient, R F is the fiber coupling efficiency, R c is the reflectance of the FBG, and R HR is the reflectance of the rear end face of the semiconductor laser.
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。 From Equation 4 above, the threshold current of FC-ECDL depends on the coupling efficiency of the fiber and the reflectance of the FBG, so these values are also considered to be parameters related to oscillation. 4 and 5 described above indicate that the reflectivity of the FBG contributes to stabilization of the oscillation spectrum.
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。 In addition, when gas is detected by absorption spectroscopy using FC-ECDL, measurement is performed in microsecond time, but by using FBG, wavelength can be stabilized for longer time than measurement time. Therefore, a great effect can be expected also in gas detection.
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。 Furthermore, changes in the spectrum over time are shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C. 8A, 8B, and 8C are diagrams showing changes in the spectrum in the elapsed time of FC-ECDL provided with the FBG according to one embodiment of the present invention, and the spectrum of the case where the reflectance of the FBG is 5% is shown. Changes in elapsed time are indicated by (a), (c), (e), (g), (i), (k), (m), (o), (q), and the reflectance of the FBG is 2%. (B), (d), (f), (h), (j), (l), (n), (p), (r) are shown in FIG. Each spectrum has an elapsed time of 30 seconds.
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。 As shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C, when the reflectance of the FBG is 5%, (a), (c), (e), (g), (i), (k), (m), ( In o) and (q), there is almost no change in the elapsed time of the spectrum. On the other hand, when the reflectance of the FBG is 2%, the change in the elapsed time of the spectrum is (b), (d), (f), (h), (j), (l), (n), (p). , (R) does not change greatly, but changes appear partially. From these results, it is understood that stable oscillation is possible by providing the FBG, but if the reflectivity of the FBG is 5%, more stable oscillation is possible over time. .
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。 As described above, it is possible to narrow the oscillation spectrum by providing the FBG in the FC-ECDL, and it is preferable to use an FBG having a reflectance of more than 2%, more preferably a reflectance of 5%. A narrow band can be achieved. Note that the reflectance of the FBG can be, for example, a reflectance of more than 10%, but in this case, the light incident on the external resonator is reduced and the output is reduced. Therefore, the reflectance is preferably 10% or less. If the reflectance of the FBG is 5%, stable oscillation is possible over time as shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C.
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。 As described above, the oscillation wavelength can be narrowed by the FC-ECDL including the FBG according to the embodiment of the present invention. In addition, the oscillation wavelength can be stabilized and more stable oscillation can be achieved.
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。 Furthermore, as described above, the FC-ECDL provided with the FBG according to one embodiment of the present invention can narrow the oscillation wavelength band, so that the ring-down signal can be made constant. Therefore, by using the FC-ECDL equipped with the FBG according to one embodiment of the present invention for the gas detection sensor, gas detection can be performed by absorption spectroscopy even in a region where there are many absorption lines of gas such as the infrared region. Can be performed. FIG. 9 is a diagram showing a wavelength region with absorption for each gas type. A portion shown in black in FIG. 9 is an absorption wavelength region. As shown in FIG. 9, for example, N 2 O (nitrous oxide) has absorption in the wavelength ranges of 2 μm to 3.2 μm and 4 μm to more than 10 μm. In addition, CH 4 (methane) has absorption in the wavelength range of about 2.2 μm to 2.8 μm, 3 μm to 3.7 μm, and around 10 μm. Thus, all of the harmful gases shown in FIG. 9 are absorbed in the wavelength range of 2 μm to 5 μm. Absorption spectroscopy can be used as long as there is absorption. Therefore, by using the FC-ECDL equipped with the FBG according to one embodiment of the present invention capable of narrowing the oscillation wavelength and making the ring-down signal constant, in the infrared region or the like, Gas detection can also be performed. In addition, since the wavelength stabilization in milliseconds can be achieved by using the FBG, and the oscillation wavelength can be stabilized in a time longer than the measurement time, the FBG according to one embodiment of the present invention can be stabilized. By using the provided FC-ECDL as a gas detection sensor, trace gas detection can be performed appropriately. In the above-described embodiment, an FBG that selects a wavelength of 638 nm is used. However, an FC-ECDL having an appropriate oscillation wavelength and an FBG that selects an appropriate wavelength are used depending on the type of target gas. Thus, an appropriate sensor can be constructed according to the type of gas.
(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。
(Small gas detection sensor using fiber coupled external resonator type semiconductor laser)
Next, a trace gas detection sensor using FC-ECDL equipped with FBG according to an embodiment of the present invention will be described. In the description, the description of the components described in the FC-ECDL including the FBG described above will be omitted in order to avoid overlapping description.
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。 A trace gas detection sensor 1 using FC-ECDL equipped with an FBG according to an embodiment of the present invention is roughly shown as an antireflective coated semiconductor laser 10, an external resonator 20, a collimator lens 30, an optical fiber 50, and both ends of the optical fiber. A pair of coupling lenses 40, an anamorphic prism pair 60, an optical spectrum analyzer 70, a power meter 80, a semiconductor laser power source 11 for supplying power to the semiconductor laser, and an FBG 90. In other words, the FC-ECDL 2 including the FBG according to the embodiment of the present invention described above is further provided with an optical spectrum analyzer 70 and a power meter 80.
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。 The optical spectrum analyzer 70 is an apparatus used for analyzing the spectrum of laser light, analyzes the received laser light, and displays the wavelength of the laser light on the horizontal axis and the voltage of the laser light on the vertical axis. In the present embodiment, the optical spectrum analyzer 70 is disposed between the collimating lens 30 and the anamorphic prism pair 60. The arrangement position of the optical spectrum analyzer 70 is not limited to this. For example, the optical spectrum analyzer 70 may be arranged between the coupling lens 40 and the anamorphic prism pair 60 on the non-reflection coated semiconductor laser 10 side. Other positions may also be used.
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。 The power meter 80 is a device for measuring the output light intensity of the laser light, and is connected to the exit mirror side of the external resonator 20. With the above configuration, a trace gas detection sensor 1 using FC-ECDL provided with the FBG according to one embodiment of the present invention is obtained.
(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。
(Effect of gas detection sensor)
With the configuration as described above, the trace gas detection sensor using the FC-ECDL equipped with the FBG according to one embodiment of the present invention can separate the light source unit and the sensor unit, and can provide a more flexible gas. A sensor for detection can be provided. In addition, since the sensor itself is contactless, it is possible to easily perform explosion-proof measurement in an environment with a high explosion risk. Furthermore, the sensor can be miniaturized.
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。 In addition, a trace gas detection sensor using FC-ECDL equipped with FBG enables gas detection by absorption spectroscopy even in a region where there are many gas absorption lines such as the infrared region. Further, the use of the FBG makes it possible to stabilize the wavelength over a long period of time and to stabilize the oscillation wavelength over a longer time than the measurement time. Therefore, the FBG according to an embodiment of the present invention is provided. By using FC-ECDL as a gas detection sensor, trace gas detection can be performed appropriately.
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)
1: Trace gas detection sensor 2: FC-ECDL (Optical fiber coupled external resonator type reaction body laser)
10: Non-reflective coated semiconductor laser 20: External resonator 30: Collimating lens 40: Coupling lens 50: Optical fiber 60: Anamorphic prism pair 70: Optical spectrum analyzer 80: Power meter 90: FBG (optical fiber Bragg grating)
Claims (10)
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。 A semiconductor laser that oscillates laser light;
An external resonator that amplifies the intensity of the incident laser beam and emits a feedback laser beam;
An optical fiber disposed between the semiconductor laser and the external resonator, emitting the laser light to the external resonator, and inputting the feedback laser light to the semiconductor laser;
An optical fiber Bragg grating disposed in the middle of the optical fiber;
A fiber-coupled external resonator type semiconductor laser comprising:
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。 A semiconductor laser that oscillates laser light;
An external resonator that amplifies the intensity of the incident laser beam and emits a feedback laser beam;
An optical fiber disposed between the semiconductor laser and the external resonator, emitting the laser light to the external resonator, and inputting the feedback laser light to the semiconductor laser;
An optical fiber Bragg grating disposed in the middle of the optical fiber;
A gas detection sensor comprising: a fiber-coupled external resonator type semiconductor laser comprising:
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