專利名稱：激光光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光光源，更具體地說涉及使用激光器和非線性光學(xué)晶體高效率地輸出鈉D線波長或黃色區(qū)域波長的相干光的激光光源、使中紅外區(qū)域的激光在波長2～3μm的范圍內(nèi)可改變的激光光源、以及輸出氧吸收線的波長759nm～768nm的激光的激光光源。

背景技術(shù)：
現(xiàn)在，在已經(jīng)實用化的激光器中，已知的有He-Ne激光器和Ar激光器等的氣體激光器、Nd:YAG激光器等的固體激光器、染料激光器及半導(dǎo)體激光器。圖1表示激光器的波長區(qū)域和輸出之間的關(guān)系。近年來，以可視區(qū)域及近紅外區(qū)域的波段102為中心的小型輕量、低價的半導(dǎo)體激光器較為普及。特別是，在光通信領(lǐng)域中，信號光源用的1.3μm帶及1.5μm帶半導(dǎo)體激光器和光纖放大激發(fā)用的0.98μm帶及1.48μm帶半導(dǎo)體激光器較為普及。另外，半導(dǎo)體激光器還作為CD用激光器和紅色LD使用，在DVD、Blue-ray等的記錄媒介的讀寫所利用的可視區(qū)域及紫外區(qū)域的波段101中也使用半導(dǎo)體激光器。
但是，半導(dǎo)體激光器在波長為0.5～0.6μm的綠色、黃綠色、黃色區(qū)域的波段111和波長2～5μm的中紅外區(qū)域的波段112尚未實用化，使用著高價且耗電大的氣體激光器和固體激光器。
液體、氣體等的光學(xué)介質(zhì)的折射率、吸收等光學(xué)特性在規(guī)定光學(xué)儀器的特性方面或者食品、醫(yī)藥品等的精度、純度等的質(zhì)量管理方面都是重要的評價項目。在這些光學(xué)特性的測量中使用產(chǎn)生鈉D線的光源。該鈉D線包括在波段111中的黃色區(qū)域，其波長為589～590nm。
例如，在液體中的糖度和折射率的關(guān)系中，作為Brix值由ICUMSA(International Commission for Uniform Methods of Sugars Analysis國際糖分析統(tǒng)一方法委員會)制定，規(guī)定了從測量折射率求出糖度的方法。該方法被應(yīng)用于水果、酒類的糖度測量，工業(yè)上應(yīng)用很廣。
在醫(yī)藥品領(lǐng)域，作為藥劑的質(zhì)量管理的一個方面，溶解藥劑的溶液的折射率是由日本藥物局規(guī)定的。在薩利多胺這樣的具有螺旋結(jié)構(gòu)的藥品中，“右手螺旋型”是具有藥用效果，而“左手螺旋型”可作為有毒物質(zhì)。這樣具有互逆螺旋結(jié)構(gòu)的物質(zhì)是不可能進行物理化學(xué)分離的。但是，已知其具有不同的旋光性，光學(xué)上容易識別。因此，薩利多胺這樣的藥物災(zāi)害事故發(fā)生后，日本藥物局規(guī)定了根據(jù)鈉D線進行旋光度的測量。具有這樣的性質(zhì)的藥品除薩利多胺之外，還有很多種，例如薄荷醇、前列腺素、β乳胺類抗生素，喹諾酮類抗菌劑等。
現(xiàn)在，還沒有實現(xiàn)產(chǎn)生鈉D線的激光光源，而將鈉燈或黃色LED作為光源使用。鈉燈的光單色性優(yōu)良，但卻是向所有的方向放射的發(fā)散光。因此，很難使之成為平行光，其光學(xué)特性很難精確測量。另外，因為聚光能量不高，所以需要使用大輸出的燈。
另一方面，黃色LED的光譜線寬幅約為20nm。因此，通過使用濾光器切出鈉D線附近的光譜，使光譜線寬幅變窄，但是，其程度是有限的。而且，因為沒有可干涉性，在提高其測量精度上很有限。
在這樣的背景下，在食品、藥品的品質(zhì)管理等產(chǎn)業(yè)上的多個領(lǐng)域，需要提高鈉D線波長規(guī)定的光學(xué)評價方法的精度。如果能夠?qū)崿F(xiàn)鈉D線激光器，則可以使用光的干涉進行測量。如果使用光的干涉，則以食品、藥品為首的各種液體、光學(xué)介質(zhì)的折射率的測量精度能夠在現(xiàn)有的程度上提高兩位數(shù)。另外，低耗電、小型化也成為可能。
下面，對鈉原子的結(jié)構(gòu)及其能量遷移而產(chǎn)生的光的特性進行說明(參考非專利文獻1)。已知從鈉原子發(fā)光的波長為589.592nm(D1線)和588.995nm(D2線)。D1線和D2線合起來稱為D線，D線的波長取兩者的平均值，可為589.3nm。鈉原子的能級示于圖2。D線是伴隨由第一激發(fā)態(tài)的3P能級向基態(tài)的3S能級的遷移而產(chǎn)生。3P具有3P1/2和3P3/2的微細結(jié)構(gòu)，D1線的發(fā)光是從3P1/2向3S1/2遷移的結(jié)果，D2線的發(fā)光是從3P3/2到3S1/2遷移的結(jié)果。
3S1/2、3P1/2、3P3/2通過電子的磁力矩和原子核的固有磁力矩的相互作用而具有極微細的結(jié)構(gòu)。3S1/2分離為能量差為7.3μeV的兩個能級，3P1/2分離為相差0.78μeV幅度的兩個能級，3P3/2分離為相差0.48μeV幅度的四個能級。
為了實現(xiàn)D1線、D2線波長的激光器，有必要形成相應(yīng)能級間的反轉(zhuǎn)分布。為了實現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布，有必要構(gòu)成三能級體系或四能級體系。但是，在圖2所示的能級中，從3P3/2到3P1/2的弛豫是禁止遷移，從3P1/2到3S1/2的弛豫時間是15.9ns(非專利文獻2)。例如，與TiAl2O3激光器的弛豫時間3.2μs比較，相差兩個數(shù)量級以上。所以在3S1/2和3P1/2間很難形成反轉(zhuǎn)分布，還沒有實現(xiàn)鈉D線波長的激光器振蕩。另外，也可考慮使用超微細結(jié)構(gòu)的激光器振蕩，但是鈉原子中3S1/2、3P1/2、3P3/2的極微細結(jié)構(gòu)的能量差與室溫(300K)的能量25.8meV相比小4個數(shù)量級。因此，室溫的激發(fā)幾乎均等分布在分離后的極微細結(jié)構(gòu)的兩方，不能形成反轉(zhuǎn)分布。因此，目前尚未能實現(xiàn)鈉D1線、D2線的激光器。
以往，半導(dǎo)體激光器僅在500nm以下或620nm以上的波長區(qū)域可實際應(yīng)用。在500nm～620nm的波長區(qū)域中，雖然通過光纖激光器、Nd-YAG激光器的二次諧波發(fā)生法實現(xiàn)了特定波長的固體激光器，但是尚未實現(xiàn)任意波長的固體激光器。
另一方面，作為產(chǎn)生可見光區(qū)域的相干光的方法，已知使用非線性晶體的二次諧波發(fā)生法(SHG法)。根據(jù)該方法，為了產(chǎn)生D1線或D2線的光，需要波長1179.2nm或1178.0nm的光源。遺憾的是，雖然這些波長能夠通過半導(dǎo)體激光器振蕩，但是很難得到能獲得必要輸出的激光器。
另外，也能通過使用非線性晶體產(chǎn)生兩個激發(fā)激光的和頻，得到可見光。在該方法中，和頻光的能量由兩個激發(fā)光的能量的和給出。因為可得到所希望的波長的和頻，所以也具有可擴大組合兩個激發(fā)光的波長的自由度的優(yōu)點。因此是實現(xiàn)任意的波長的激光器的最實用的方法。但是，一般非線性光學(xué)現(xiàn)象具有效率低下的問題。為了解決這個問題，重要的是選擇可改善非線性光學(xué)晶體的特性的同時得到高激發(fā)光強度且小型化、低耗電的現(xiàn)有激光器裝置。
本發(fā)明的第一目的在于提供可產(chǎn)生線寬幅窄且平行性好、能量效率高的鈉D線波長的相干光的激光光源。
現(xiàn)有技術(shù)中，已知有通過共焦點激光束掃描試樣來獲得光學(xué)斷層圖像的激光顯微鏡。激光顯微鏡使用于經(jīng)熒光標識的物質(zhì)的組織及細胞內(nèi)分布的分析。而且，已知有對排成一列的細胞流照射激光束，根據(jù)熒光強度分析和分離細胞的流體檢查窗測量儀。流體檢查窗測量儀是采用流體檢查窗測量方法作為光學(xué)參數(shù)對細胞的性質(zhì)，例如其大小、DNA含有量等進行定性識別的測量裝置。
近年來，使用熒光色素作為熒光標志，但是熒光色素對細胞來說是異物，所以存在對細胞的性質(zhì)有影響或者使細胞死亡等的問題。因此，采用通過從水母等萃取的綠色熒光蛋白質(zhì)進行熒光標識的方法。另外，根據(jù)綠色熒光蛋白質(zhì)的突變和基因操作也能夠得到顯示黃色、紅色的發(fā)光的熒光蛋白質(zhì)(例如，參考非專利文獻3)，通過使用多色熒光可進行詳細的測量和分析。
由于紅色熒光蛋白質(zhì)對560～590nm波長吸收最大(例如，參考非專利文獻4)，因此希望有在該波段域內(nèi)具有振蕩波長的激光光源。該波段域中有振蕩波長的激光器僅為染料激光器等大型激光器，所以代之以使用532nm固體激光器、543nmHe-Ne激光器。但是，這些波長與綠色熒光蛋白質(zhì)的熒光波長和黃色熒光蛋白質(zhì)的吸收波長的重疊顯著，不適合于使用多色的熒光蛋白質(zhì)的測量分析。
最近的報告中有通過強綠色激光(波長530～560nm)的照射72小時以上的長時間穩(wěn)定發(fā)出紅色熒光的kindling紅色熒光蛋白質(zhì)(例如，參考非專利文獻5)。如果利用Kindling紅色熒光蛋白質(zhì)，則可期待能夠通過熒光長時間地對細胞分裂的情形進行觀察等的效果。但是，以往的532nm固體激光器、543nmHe-Ne激光器與綠色熒光蛋白質(zhì)的熒光波長和黃色熒光蛋白質(zhì)的吸收波長重疊顯著。因此希望實現(xiàn)具有盡可能接近560nm振蕩波長的小型固體激光器。
而且，金屬卟啉是在光合代謝、呼吸代謝等的動植物的生命活動中擔負重要功能的蛋白質(zhì)中包含的分子，在波長590nm附近吸收最大。如果為了使這些金屬卟啉的發(fā)光波長在600nm附近顯示出峰值而使用波長為589nm的激光器，則與發(fā)光波長的重疊很大，很難測量。因此，需要波長為585.0nm的黃橙色激光器。
另外，相當于水銀燈發(fā)出的閃爍線之一(e線)的波長546.1nm(黃綠)是人的視覺靈敏度最高的波長，其作為光學(xué)玻璃的折射率標準的波長而使用。如圖1所示，在包含在波段111中的500nm～600nm的綠色、黃綠色、黃色區(qū)域中需要高效率、高穩(wěn)定的激光光源。
但是，如上所述，半導(dǎo)體激光器僅在500nm以下和620nm以上的波長區(qū)域?qū)崿F(xiàn)實用化。另外，在500nm～620nm的波長區(qū)域中尚未實現(xiàn)任意波長的固體激光器。而且，為了根據(jù)SHG法產(chǎn)生黃色區(qū)域的光，需要波長1092.2nm、1120.0nm或1170.0nm的光源。但是，這些波長雖然能用半導(dǎo)體激光器振蕩，但是很難弄到可獲得所需輸出的激光器。
如上所述，在應(yīng)用非線性光學(xué)現(xiàn)象時，重要的是選擇可改善非線性光學(xué)晶體的特性的同時得到高激發(fā)光強度且小型化、低耗電的現(xiàn)有激光器裝置。
本發(fā)明的第二目的在于提供產(chǎn)生線寬幅窄、平行性好、能量效率高的、黃色區(qū)域的相干光的激光光源。
從環(huán)境保護、安全衛(wèi)生的觀點看，希望建立NOx、SOx、氨等的環(huán)境氣體、水的吸收峰值、許多有機氣體或殘留農(nóng)藥的極微量分析技術(shù)。極微量分析技術(shù)一般使用定量分析和光學(xué)方法，在該定量分析中使用將被測量氣體吸附在特定的物質(zhì)上，并利用電化學(xué)方法，在該光學(xué)方法中測量被測量物質(zhì)的固有的光學(xué)吸收特性。其中，光學(xué)方法的特點是能夠?qū)崟r測量，并能夠?qū)y量光通過的很大范圍進行觀測。
被測量物質(zhì)的吸收峰值起因于原子間結(jié)合的振動波形，主要在從2μm到20μm的中紅外區(qū)域內(nèi)。但是，圖1所示的中紅外區(qū)域的波段112中，在室溫下能夠連續(xù)振蕩的激光器尚未實用化，還停留在量子串級激光器的研究開發(fā)層面。雖然在產(chǎn)業(yè)上中紅外光的必要性很大，但是最大的障礙是還沒有實用化的激光光源。
因為在中紅外區(qū)域中沒有可實用的光源，所以在使用現(xiàn)有的通信用半導(dǎo)體激光器(0.8～2μm)進行各種氣體等的微量分析時，利用基本吸收波長的泛頻(倍音)(＝基本吸收波長的2分之一)、3泛頻(＝基本吸收波長的3分之一)的吸收。如果為泛頻，則有時也可得到所需的靈敏度，但是在3泛頻以上的高階吸收峰值的測量中，由于吸收量小，所以檢測受限。因此，與原來的基本吸收波長的測量比較，會導(dǎo)致靈敏度降低約三個數(shù)量級。
因此，在對環(huán)境氣體、伴有危險性的氣體等進行分析時，為了得到較高的檢測靈敏度，中紅外激光光源的開發(fā)是不可或缺的。最近報告中有在波長3μm附近產(chǎn)生中紅外光、作為氣體傳感器確認動作的內(nèi)容(例如，參考非專利文獻6)。在氣體傳感器中使用的光源是使用具有周期調(diào)制結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰(LiNbO3)波長變換元件，通過產(chǎn)生差頻來產(chǎn)生中紅外光。
但是，具有周期調(diào)制結(jié)構(gòu)的波長變換元件僅能產(chǎn)生一個固定的波長的中紅外光。因此，為了使波長可調(diào)以便一次能檢測出多種的氣體，已知的方法中有(1)在一個波長變換元件中設(shè)置多種周期(例如，參考非專利文獻7)的方法；(2)通過稱為Fanout Grating的結(jié)構(gòu)改變周期(參考上述非專利文獻6)的方法；(3)使激發(fā)光向元件傾斜入射，改變有效的周期(例如，參考非專利文獻8)的方法等。
這些方法雖然能夠在較寬范圍內(nèi)掃描波長，但是必須將具有多種周期的元件束縛，所以存在需要大量的操作工序的問題。另外，在使激發(fā)光向元件傾斜入射的方法中，也存在很難在器件中形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以達到高效率化的問題。
本發(fā)明的第三目的在于提供使中紅外區(qū)域的激光在波長2～3μm范圍內(nèi)可調(diào)的激光光源。
近年來，環(huán)境問題受到密切關(guān)注，特別是對二氧(雜)芑對人體的影響給予很大的關(guān)心。在二氧(雜)芑的產(chǎn)生源之一的燃燒爐中通過控制爐的燃燒狀態(tài)能夠抑制二氧(雜)芑的產(chǎn)生。為了監(jiān)視燃燒狀態(tài)，需要溫度計、CO濃度計、氧濃度計。
檢測氣體濃度的一個已知方法是，對被測量氣體照射激光，觀察其吸收特性。由于各氣體分別具有特有的吸收線，通過掃描具有吸收線附近的波長的激光，觀察吸收光譜，能夠檢測氣體濃度。此時，對激光的要求是單色光，也就是說單模激光；適用于從幾mW到幾十mW的氣體檢測的輸出；波長掃描穩(wěn)定且可行；壽命長等。
使用于氧濃度計的激光在含有從波長759nm到768nm中存在多條的氧吸收線的波長區(qū)域113中，使用砷化鎵系半導(dǎo)體激光器(例如，參考專利文獻1)。砷化鎵系半導(dǎo)體激光器是通過下述方式制成在砷化鎵基板上，生長晶格常數(shù)與砷化鎵幾乎相同的半導(dǎo)體晶體。
半導(dǎo)體激光器包括與基板平行地制作有波導(dǎo)的邊緣發(fā)光激光器，和與基板垂直地發(fā)射光的面發(fā)光激光器。在砷化鎵系邊緣發(fā)光激光器方面，已開發(fā)出具有較高輸出功率的單模激光器，但是不具有控制其振蕩波長的結(jié)構(gòu)。因此，砷化鎵系邊緣發(fā)光激光器的振蕩波長是由活性層的增益峰值和共振器的共振波形一致來決定的，因此當進行波長掃描時，容易產(chǎn)生縱波形突變，很難進行穩(wěn)定的波長掃描。
已知的控制振蕩波長的結(jié)構(gòu)有分布反饋(DFB)型，分布布拉格反射(DBR)型等。這些結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體晶體中，需要在與基板平行的方向周期地制作具有不同折射率、即組成不同的半導(dǎo)體晶體。制作方法是，對半導(dǎo)體晶體的表面蝕刻出波型等的周期結(jié)構(gòu)，在其上生成不同組成的半導(dǎo)體晶體。如果為了檢測氧的濃度而在波長763nm下使之振蕩，則必須抑制對該波長的吸收，需要使用鋁濃度較高的晶體。但是，如果鋁濃度過高，在制作周期性結(jié)構(gòu)時存在晶體容易氧化等問題。
表面發(fā)光激光器是DBR型激光器的一種。表面發(fā)光激光器由于發(fā)光方向與基板垂直，所以采用在與基板垂直的方向上具有折射率分布的DBR結(jié)構(gòu)就可以。換句話說，只要在基板上周期性地制作平行層狀的、不同組分的半導(dǎo)體晶體即可。因為生長一次半導(dǎo)體晶體即可，所以制作很容易。但是，表面發(fā)光激光器在活性層的垂直方向有光通過，所以無法獲得較大的增益。為了得到足夠的輸出，考慮了增加發(fā)光面積的方法，但是如果增加發(fā)光面積，就成為具有多個橫波形的振蕩，就不是單模了。如果抑制發(fā)光面積而進行單模的振蕩，試圖得到檢測氧濃度所必需的mW級的發(fā)光強度，則發(fā)光所必要的電流集中在微小面積上，電流密度變高。因此，具有面發(fā)光激光器的壽命變短到僅為幾個月的問題。
本發(fā)明的第四目的在于提供為氧吸收線的從759nm到768nm波長的高輸出功能且長壽命的激光光源。
專利文獻1日本特開平6-194343號公報
專利文獻2美國專利第5,036,220號
專利文獻3日本特開平4-507299號公報
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非專利文獻4A.F.Fradkov等人，Biochem.J.(生物化學(xué)期刊)No.368，第17-21頁(2002)；
非專利文獻5D.M.Chudakov等人，Nat.Biotechnol.(國家生物技術(shù))No.21，第191-194頁(2003)；
非專利文獻6D.Richter等人，Applied Optics(應(yīng)用光學(xué))，Vol.39，4444(2000)
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非專利文獻8C.-W.Hsu等人，Optics Letters(光學(xué)學(xué)報)，Vol.26，1412(2001)
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非專利文獻10
http://laserfocusworld.365media，comilaserfocusworld/searchResultasp？cat＝48903/&d＝453&st＝1
非專利文獻11R.M.Schotland，Proc.3rd Symp.on Remote Sensing ofEnvironment(關(guān)于遠程環(huán)境監(jiān)測的第三屆研討會)，215(1964)
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了小型激光光源，通過高效率的非線性光學(xué)晶體和高輸出的光通信用半導(dǎo)體激光器的組合，從而在半導(dǎo)體激光器中尚未被實際應(yīng)用的波長區(qū)域中能夠自由設(shè)計波長。
為了達到第一目的，根據(jù)本發(fā)明的激光光源包括產(chǎn)生波長為λ1的激光的第一激光器；產(chǎn)生波長為λ2的激光的第二激光器；非線性光學(xué)晶體，其輸入波長λ1的激光和波長λ2的激光，輸出具有1/λ1+1/λ2＝1/λ3關(guān)系的和頻波長λ3的相干光，其特征在于，和頻波長λ3等于鈉D線的波長，即589.3±2nm。
為了達到第二目的，激光光源包括產(chǎn)生波長為λ1的激光的第一激光器；產(chǎn)生波長為λ2的激光的第二激光器；非線性光學(xué)晶體，其輸入波長λ1的激光和波長λ2的激光，輸出具有1/λ1+1/λ2＝1/λ3關(guān)系的和頻波長λ3的相干光，其特征在于，波長λ1為940±10nm，波長λ2為1320±20nm，和頻波長λ3等于黃色區(qū)域的波長，即546.1±5.0nm。
如果波長λ1為980±10nm，波長λ2為1320±20nm，則和頻波長λ3等于黃色區(qū)域的波長560.0±5.0nm。另外，如果波長λ1為1064±10nm，波長λ2為1320±20nm，則和頻波長λ3為相當于黃色區(qū)域的波長585.0±5.0nm。如果波長λ1為940±10nm，波長λ2為1550±30nm，則和頻波長λ3為相當于黃色區(qū)域的波長585.0±5.0nm。
為了達到第三目的，激光光源包括產(chǎn)生波長為λ1的激光的第一激光器；產(chǎn)生波長為λ2的激光的第二激光器；非線性光學(xué)晶體，其輸入波長λ1的激光和波長λ2的激光，輸出具有1/λ1-1/λ2＝1/λ3的關(guān)系的差頻的波長λ3的相干光，其特征在于，波長λ1為0.9～1.0μm，非線性光學(xué)晶體具有單一的周期性極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，如果波長λ2在1.3～1.8μm之間變化，則差頻的波長λ3在波長3.1～2.0μm之間變化。
為了達到第四目的，激光光源的特征在于包括分布反饋型半導(dǎo)體激光器，其發(fā)出的激光具有在從波長759nm到768nm中存在的氧吸收線中選擇的一個吸收線的波長的兩倍的波長；具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)；偏振保持光纖，用于將分布反饋型半導(dǎo)體激光器的輸出和光波導(dǎo)的一端連接。



圖1表示激光器的波長區(qū)域和輸出之間關(guān)系。
圖2表示鈉原子的能級。
圖3為本發(fā)明的一個實施方式的激光光源的方框圖。
圖4表示通過和頻產(chǎn)生得到鈉D線波長用激發(fā)激光器1和激發(fā)激光器2的波長的關(guān)系。
圖5為根據(jù)本發(fā)明的實施例1-1的鈉D線波長的激光光源的構(gòu)成圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的實施例1-2的鈉D線波長的激光光源的構(gòu)成圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明的實施例1-4的鈉D線波長的激光光源的構(gòu)成圖。
圖8為根據(jù)本發(fā)明的實施例1-5的鈉D線波長的激光光源的構(gòu)成圖。
圖9表示通過和頻產(chǎn)生得到黃色區(qū)域波長用激發(fā)激光器1和激發(fā)激光器2的波長的關(guān)系圖。
圖10為根據(jù)本發(fā)明的實施例2-1的黃色區(qū)域的激光光源的構(gòu)成圖。
圖11為根據(jù)本發(fā)明的實施例2-2的黃色區(qū)域的激光光源的構(gòu)成圖。
圖12為根據(jù)本發(fā)明的實施例2-4的黃色區(qū)域的激光光源的構(gòu)成圖。
圖13為根據(jù)本發(fā)明的實施例2-5的黃色區(qū)域的激光光源的構(gòu)成圖。
圖14為表示假設(shè)周期為Λ，將波長λ3作為參量而所求得的3dB區(qū)域的圖。
圖15為表示對周期Λ＝27μm，波長λ1＝1.064μm時的波長λ2的標準化變換效率η/ηo的圖。
圖16為表示根據(jù)本發(fā)明的一實施方式的產(chǎn)生中紅外光的激光光源的方框圖。
圖17為表示實施例3-1的3dB區(qū)域的圖。
圖18為表示實施例3-1中輸出的中紅外光的偏振依賴關(guān)系的圖。
圖19為根據(jù)本發(fā)明的一實施方式的光吸收分析裝置的方框圖。
圖20為表示根據(jù)實施例3-7的兩波長差分吸收激光雷達的測量系統(tǒng)的圖。
圖21為表示實施例3-8的殘留農(nóng)藥測量儀的測量系統(tǒng)的圖。
圖22為根據(jù)本發(fā)明的一實施方式的產(chǎn)生氧吸收線的波長的激光光源的方框圖。
圖23為表示輸出具有透鏡和濾光器的激光光源的方框圖。
圖24為輸出具有光纖的激光光源的方框圖。
圖25為實施例4-1的激光光源的方框圖。
圖26為實施例4-2的激光光源的方框圖。
圖27表示單模的脊型波導(dǎo)的制作方法。
實施發(fā)明的最佳方式 以下參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行詳細說明。在本實施方式中，組合了高效率非線性光學(xué)晶體和高輸出的光通信用半導(dǎo)體激光器。圖3表示本發(fā)明的一個實施方式的激光光源。激光光源120具有用于激發(fā)非線性光學(xué)晶體的兩個激發(fā)激光器121，122，和產(chǎn)生和頻或差頻用非線性光學(xué)晶體123。根據(jù)波長將一個激發(fā)激光器的輸出光輸入到非線性光學(xué)晶體，也可利用二次諧波發(fā)生。
(第一實施方式) 在用非線性晶體產(chǎn)生和頻中，如果兩個激發(fā)光的波長為λ1，λ2，則和頻波長λ3由下式給出。
1/λ3＝1/λ1+1/λ2(1) 為了產(chǎn)生相當于鈉D1線、D2線的和頻光，需要在(1)式中選擇λ1，λ2，使λ3＝589.592nm或588.995nm，并組合兩個波長的激發(fā)激光器121，122和非線性光學(xué)晶體123。
另外，為提高和頻的產(chǎn)生效率，在非線性晶體內(nèi)的兩個入射光(λ1，λ2)及和頻光(λ3)的傳播常數(shù)ki＝2πn i/λi(i＝1，2，3)之間須滿足 k3＝k1+k2(2) 這里，ni是λi的非線性晶體的折射率。但是，由于光學(xué)介質(zhì)存在分散特性，(2)式僅在特定情況下才能滿足。具體的方法有改變?nèi)肷涔夂秃皖l光中的任一偏光方向，采用尋常光折射率和異常光折射率的方法(例如，非專利文獻9)。另外還有在非線性光學(xué)晶體中形成周期性極化結(jié)構(gòu)，通過準相位匹配達到變換效率的高效率化的方法。
和頻光的產(chǎn)生強度與兩個激發(fā)激光器強度之積成正比，因此兩個激發(fā)激光器的選擇要使得其波長的組合滿足(1)式，而且使用高強度的激光器?，F(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器(例如，非專利文獻10中所總結(jié)的)中，實現(xiàn)大輸出功率的波段為(1)940nm帶，(2)980nm帶，(3)1060nm帶，(5)1480nm帶。另外，(4)1300nm帶，(6)1550nm帶也開發(fā)了100mW級的半導(dǎo)體激光器。特別是在(4)、(5)、(6)的區(qū)域中開發(fā)有DFB(Distributed FeedBack分布反饋)激光器，實現(xiàn)了單縱模振蕩和波長穩(wěn)定化。另外，在800nm～880nm區(qū)域也開發(fā)了高輸出半導(dǎo)體激光器，如果將該區(qū)域的半導(dǎo)體激光器用作激發(fā)激光器1，則激發(fā)激光器2的波長為1780nm以上。在這樣的波長區(qū)域中，很難實現(xiàn)大輸出且可靠性高的半導(dǎo)體激光器，因此被排除。
圖4表示通過和頻產(chǎn)生得到鈉D線的波長用的激發(fā)激光器1和激發(fā)激光器2的波長的關(guān)系。激發(fā)激光器1的波長取λ1，激發(fā)激光器2的波長取λ2，得到和頻光的關(guān)系由曲線30表示。另外，將從上述(1)到(6)的激發(fā)激光器1的區(qū)域做成1-(1)、1-(2)、1-(3)、1-(4)、1-(5)、1-(6)，并進行了陰影處理。同時，將上述(1)到(6)的激發(fā)激光器2的區(qū)域做成2-(1)、2-(2)、2-(3)、2-(4)、2-(5)、2-(6)，并進行了陰影處理。根據(jù)圖4，利用激發(fā)激光器1和激發(fā)激光器2從1-(1)至1-(6)的任一個與2-(1)到2-(6)的任一個在曲線30上相交的組合，可以提高和頻產(chǎn)生的效率。
從(1)到(6)的區(qū)域做成 (1)940±10nm； (2)980±10nm； (3)1060±10nm； (4)1280nm～1350nm； (5)1480±10nm； (6)1530nm～1600nm。
這里，(5)是光通信O帶，(6)是C帶。這兩個波段在波分復(fù)用通信技術(shù)(WDM)中是用的最廣的區(qū)域，很容易得到大輸出功率且可靠性高的半導(dǎo)體激光器等光學(xué)部件。
應(yīng)該知道，即使是將激發(fā)激光器1和激發(fā)激光器2的波長顛倒，從1-(1)到1-(6)的任一個和2-(1)到2-(6)的任一個在曲線30上相交的組合的和頻的波長仍為相同。根據(jù)其結(jié)果，如果(1)和(6)、(2)和(5)、(3)和(4)的組合在曲線30上交叉且使用該組合，則可知能夠有效地產(chǎn)生鈉D線的波長。
一般激光器的形式中有單模振蕩和多模振蕩，和頻產(chǎn)生光的特性是由兩個激發(fā)半導(dǎo)體激光器的特性決定的。為了進行單模振蕩，需要使兩個激發(fā)半導(dǎo)體激光器也進行單模振蕩。為此，需要使用具有DFB結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器或者將光纖布拉格光柵用作共振器結(jié)構(gòu)的激光器。另外，在多模振蕩的情況下，能夠通過使用光纖法布里-佩洛型半導(dǎo)體激光器、和將具有半值全幅0.1nm～0.5nm程度的反射光譜的光纖布拉格光柵用作共振器結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器來實現(xiàn)。
作為非線性光學(xué)晶體，只要是非線性光學(xué)常數(shù)大且用作激發(fā)的兩個激光器波長和鈉D線波長透明就行，可列舉出鈮酸鋰(LiNbO3、LN)、鉭酸鋰(LiTaO3、LT)等。而且，這些非線性光學(xué)晶體為了高效地產(chǎn)生和頻，最好具有周期性的極化結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
周期性極化結(jié)構(gòu)是指按照周期Λ將極化的方向相對于光的行進方向反轉(zhuǎn)180度的光柵結(jié)構(gòu)。利用該結(jié)構(gòu)，可滿足相位不匹配量為0的準相位匹配條件。波長λ1，λ2，λ3中的非線性光學(xué)晶體的折射率分別取n1，n2，n3，如果形成滿足 2πn3/λ3＝2πn1/λ1+2πn2/λ2+2πn2/Λ (3) 的周期Λ的周期性極化結(jié)構(gòu)，則可使和頻光的產(chǎn)生效率最大。
另外，在非線性光學(xué)晶體中如果形成波導(dǎo)，則能夠有效封閉來自激發(fā)激光器的入射光，能夠高效率地產(chǎn)生和頻光。周期性極化結(jié)構(gòu)可利用電場施加法實現(xiàn)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠用質(zhì)子交換法、干法腐蝕、或切割鋸的機械加工法實現(xiàn)。對于波導(dǎo)的制作方法，在后面的第五實施方式中進行描述。
為了產(chǎn)生和頻光，需要兩個半導(dǎo)體激光的結(jié)合和LN波導(dǎo)的結(jié)合。這些技術(shù)已經(jīng)確立為光通信用設(shè)備技術(shù)，在實現(xiàn)上沒有大的障礙。
例如，現(xiàn)有的半導(dǎo)體DFB激光器的線寬是1MHz，使用了光纖布拉格光柵的外部鏡共振器型半導(dǎo)體激光器的線寬是100kHz程度。這些用作激發(fā)激光器的情況下的和頻光的線寬是由兩個激發(fā)光線寬的積分給出的，為幾個MHz以下。用干涉法測量鈉D線(波長589.3nm，頻率約為500THz)的折射率時，其測量精度由使用的激光的頻率和線寬的比給出的，如果線寬為5MHz，則測量精度為10-8。因此，根據(jù)本實施方式，鈉D線的折射率測量可比現(xiàn)在情況提高兩個數(shù)量級。
如上所述，在改善非線性光學(xué)晶體的特性的同時，通過現(xiàn)有激光器裝置的選擇，能夠高效率、穩(wěn)定地產(chǎn)生鈉D1線、D2線波長的相干光，可實現(xiàn)激光光源的小型化，提高折射率測量精度。
(實施例1-1) 圖5表示本發(fā)明的實施例1-1的鈉D線波長的激光光源。該激光光源包括兩個激發(fā)激光器140，141；周期性地極化的LN 144；對激發(fā)激光器140，141的激光進行校準的透鏡142a，142b；對兩個激光進行合波的合波器143；將透過LN 144的激發(fā)激光器140，141的激光和在LN 144產(chǎn)生的和頻光進行分離的濾光器145。
激發(fā)激光器140的波長λ1，激發(fā)激光器141的波長λ2的組合滿足 1/λ1+1/λ2＝1/(589.3±2.0) 而且λ1，λ2的范圍為滿足 λ1＝976±10nm、λ2＝1485±20nm λ1＝1064±10nm、λ2＝1320±20nm λ1＝940±10nm、λ2＝1565±35nm 中的任一種。λ2的半導(dǎo)體激光器也可以是DFB激光器。
當激發(fā)激光器140的波長λ1＝1064nm、向LN 144的入射強度為50mW，激發(fā)激光器141的λ2＝1320nm、向LN 144的入射強度為70mW時，可得到波長λ3＝589.1nm、輸出為20μW的和頻光。
(實施例1-2) 圖6表示根據(jù)本發(fā)明的實施例1-2的鈉D線波長的激光光源。與實施例1-1的激光光源的區(qū)別在于非線性光學(xué)晶體。非線性光學(xué)晶體使用了在LN晶體中形成了波導(dǎo)的周期性極化LN波導(dǎo)151。另外，還具有透鏡150，將入射光高效率地連接至周期性極化LN波導(dǎo)151；透鏡152，對周期性極化LN波導(dǎo)151發(fā)出的出射光進行校準。
當激發(fā)激光器140的波長λ1＝1064nm、向LN144的入射強度為50mW，激發(fā)激光器141的λ2＝1320nm、向LN 144的入射強度為70mW時，可得到波長λ3＝589.1nm、輸出為10mW的和頻光。
(實施例1-3) 在實施例1-1及實施例1-2的構(gòu)成(圖4、圖5)中，將激發(fā)激光器140改用波長1064nm附近的Nd離子的激光器(例如Nd:YAG激光器)，將激發(fā)激光器141改用1300±10nm的半導(dǎo)體激光器。
(實施例1-4) 圖7表示根據(jù)本發(fā)明的實施例1-4的鈉D線波長的激光光源。在實施例1-2的構(gòu)成中，為了將兩個激光連接至周期性極化LN波導(dǎo)151，使用了偏振保持光纖(或單模光纖)161a和161b、163和合波器162。從偏振保持光纖163發(fā)出的光直接入射到周期性極化LN波導(dǎo)151的端面，或通過透鏡164與該端面相接。
(實施例1-5) 圖8表示根據(jù)本發(fā)明的實施例1-5的鈉D線波長的激光光源。是實施例1-4的進一步的應(yīng)用例。激發(fā)激光器170，171對射出側(cè)端面170a，171a施加反射率為2％以下的AR涂覆，對相反側(cè)的端面170b，171b施加反射率為90％以上的HR涂覆。激發(fā)激光器170，171的輸出通過透鏡172在端面或光纖的中途與形成了光纖布拉格光柵的偏振保持光纖(或者單模光纖)173，174相接。這樣，在端面170b，171b的HR涂覆和光纖布拉格光柵之間形成共振器。
這些激光器的振蕩波長通過光纖布拉格光柵的反射光譜來控制。這時，光纖布拉格光柵的反射光譜的中心波長是 976±10nm、1485±20nm 1064±10nm、1320±20nm 940±10nm、1565±35nm 中的任一種，其線寬(整個寬度為最大值的一半)是0.3nm以下。
(第二實施方式) 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的黃色區(qū)域的激光光源的構(gòu)成如圖3所示。為了產(chǎn)生相當于黃色區(qū)域的和頻光，需要選擇λ1，λ2，使(1)式中λ3＝546.1nm、560.0nm或585.0nm，將兩個波長的激發(fā)激光器21，22和非線性光學(xué)晶體23進行組合。
圖9中表示通過和頻產(chǎn)生得到黃色區(qū)域波長用激發(fā)激光器1和激發(fā)激光器2的波長的關(guān)系。激發(fā)用激光器1的波長為λ1，激發(fā)用激光器2的波長為λ2，用曲線30表示用于得到和頻光的關(guān)系。另外，將上述(1)到(6)的激發(fā)激光器1的區(qū)域1-(1)，1-(2)，1-(3)，1-(4)，1-(5)，1-(6)加上陰影。同時，將上述(1)到(6)的激發(fā)激光器2的區(qū)域2-(1)，2-(2)，2-(3)，2-(4)，2-(5)，2-(6)加上陰影。(1)到(6)的區(qū)域與圖4相同。
根據(jù)圖9，通過1-(1)到1-(6)的任一個和2-(1)到2-(6)的任一個在λ3＝546.1nm的曲線21上交差的組合、在λ3＝560.0nm的曲線22上交差的組合、或者在λ3＝585.0nm的曲線23上交差的組合，激發(fā)激光器1和激發(fā)激光器2能夠高效率地產(chǎn)生和頻。
對于1-(1)至1-(6)中的任一個和2-(1)至2-(6)中的任一個在曲線21～23上交差的組合，應(yīng)當考慮到即使將激發(fā)激光器1和激發(fā)激光器2的波長顛倒，其和頻的波長也是相同的。根據(jù)其結(jié)果，如果用(1)和(4)，(2)和(4)，(3)和(4)，(1)和(6)的組合，可知能夠有效地產(chǎn)生黃色區(qū)域的波長。
如上所述，在改善非線性光學(xué)晶體特性的同時，通過選擇現(xiàn)有激光器裝置，能夠高效率且穩(wěn)定地產(chǎn)生黃色區(qū)域的相干光，可實現(xiàn)激光光源的小型化，提高折射率測量的精度。
(實施例2-1) 圖10表示本發(fā)明的實施例2-1的黃色區(qū)域的激光光源。該激光光源包括兩個激發(fā)激光器240，241；周期性極化的LN 244；對激發(fā)激光器240，241的激光進行校準的透鏡242a，242b；對兩個激光進行合波的合波器243；對激發(fā)激光器240和241的透過LN 244的激光和在LN244產(chǎn)生的和頻光進行分離的濾光器245。
激發(fā)激光器240的波長λ1和激發(fā)激光器241的波長λ2的組合滿足 1/λ1+1/λ2＝1/(546.1±5.0) 而且，λ1，λ2為上述(1)和(4)的組合，滿足 λ1＝940±10nm、λ2＝1320±20nm 的范圍，λ2的半導(dǎo)體激光器也可以是DFB。
當激發(fā)激光器240的波長λ1＝940nm、向LN 244入射強度為40mW，激發(fā)激光器241的λ2＝1320nm、向LN244入射強度為70mW，可得到波長λ3＝546.1nm、輸出為20μW的和頻光。
(實施例2-2) 圖11表示本發(fā)明的實施例2-2的黃色區(qū)域的激光光源。與實施例2-1的激光光源的區(qū)別在于非線性光學(xué)晶體。非線性光學(xué)晶體使用了在LN晶體中形成波導(dǎo)的周期性極化LN波導(dǎo)251。另外，還包括能使入射激光與周期性極化LN波導(dǎo)251有效地相連接的透鏡250，以及用于對周期性極化LN波導(dǎo)251射出的光進行校準的透鏡252。
當激發(fā)激光器240的波長λ1＝940nm、向LN 251的入射強度為40mW，激發(fā)激光器241的λ2＝1320nm、向LN 251的入射強度為70mW時，可得到波長λ3＝546.1nm、輸出為10mW的和頻光。
(實施例2-3) 在實施例2-1和實施例2-2的構(gòu)成(圖10，圖11)中，激發(fā)激光器240采用使用波長1064nm附近的Nd離子的激光器(例如，Nd:YAG激光器)，激發(fā)激光器241采用1320±20nm的半導(dǎo)體激光器。因此，形成上述(3)和(4)的組合，能夠得到波長λ3＝585.0nm的黃色區(qū)域的和頻光。
(實施例2-4) 圖12表示本發(fā)明的實施例2-4的黃色區(qū)域的激光光源。在實施例2-2的構(gòu)成中，為了將兩個激光與周期性極化LN波導(dǎo)251相連接而使用了偏振保持光纖(或者單模光纖)261，263和合波器262。偏振保持光纖263放射的光直接入射到周期性極化LN波導(dǎo)251的端面，或者通過透鏡264而連接到該端面。
(實施例2-5) 圖13中表示本發(fā)明的實施例2-5的黃色區(qū)域的激光光源。是實施例2-4的進一步的應(yīng)用例。在激發(fā)激光器270，271中，在其出射側(cè)端面270a，271a實施了反射率為2％以下的AR涂覆，在其反射側(cè)的端面270b，271b實施了反射率為90％以上的HR涂覆。激發(fā)激光器270，271的輸出通過透鏡272a，272b與在端面或者光纖的中途形成光纖布拉格光柵的偏振保持光纖(或者單模光纖)273，274連接。這樣，在端面270b，271b的HR涂覆和光纖布拉格光柵之間形成共振器。
根據(jù)光纖布拉格光柵的反射光譜對各激光器的共振波長進行控制。此時，光纖布拉格光柵的反射光譜的中心波長取 940±10nm，1320±20nm 980±10nm，1320±20nm 1064±10nm，1320±20nm 940±10nm，1550±30nm 中的任一種，其線寬(最大值一半的總寬度)取0.3nm以下。
(第三實施方式) 在通過使用非線性光學(xué)晶體和兩個激發(fā)激光的差頻產(chǎn)生來產(chǎn)生中紅外光的方法中，兩個激發(fā)激光的波長λ1，λ2和產(chǎn)生的中紅外光的波長λ3的關(guān)系由 [公式1] 1/λ3＝1/λ1-1/λ2 (3) 給出。這里，沒有限定λ1和λ2的大小關(guān)系，但是為了方便起見，為使λ3＞0，取λ1＜λ2。為了高效率地產(chǎn)生差頻光λ3，需滿足 [公式2] k3＝k1-k2(4) 的相位匹配條件。在(4)式中，ki(i＝1，2，3)是非線性晶體內(nèi)傳播的各激光的傳播常數(shù)，如果將ki的非線性光學(xué)晶體的折射率取ni，則 [公式3] 但是，根據(jù)晶體所具有的分散特性一般很難滿足(4)式。
為了解決這個問題，使用著使非線性晶體周期性地極化的準相位匹配法。準相位匹配法對LiNbO3那樣的強介質(zhì)晶體有利，這些非線性光學(xué)常數(shù)的符號對應(yīng)于自發(fā)極化的極性。將該自發(fā)極化向光的傳播方向以周期Λ進行調(diào)制時，相位匹配條件可用下式表示 [公式4] 在激發(fā)光使用特定的波長λ1，λ2時，能夠同時滿足(3)、(6)式，高效率地產(chǎn)生差頻光λ3。
但是，在改變波長λ1，λ2而想得到不同波長λ3的差頻光時，在波長λ1，λ2有變動的情況下，不能滿足(6)式，差頻光λ3的強度降低。這里，考慮波長λ1，λ2，λ3和周期Λ和差頻光的產(chǎn)生效率η之間的關(guān)系。首先，相位不匹配量Δk定義為 [公式5] 此時，試樣長度取1，差頻光的產(chǎn)生效率取η，根據(jù)Δk和1的積定義為 [公式6] 在(8)式中，ηo是Δk＝0時的差頻光的產(chǎn)生效率，由LiNbO3等晶體的非線性光學(xué)常數(shù)、激發(fā)光強度、試樣長度等決定。因此，在同一試樣中，因為周期Λ已經(jīng)固定，波長λ1或λ2的變化使Δk進行增減，帶來產(chǎn)生效率η的降低。對給定的周期Λ，η≥0.5η0，即，滿足 [公式7] 的波長λ1，λ2的區(qū)域稱作周期Λ的3dB區(qū)域。如果該3dB區(qū)域能取得很大，則能使差頻光λ3的波長改變而不會降低產(chǎn)生效率η。
在下面的討論中涉及使用了z-cut(Z-切割)LiNbO3并且兩個激發(fā)光和差頻光的偏光方向均為晶體的c軸方向的情況。此時，兩個激發(fā)光、差頻光的傳播特性由異常光折射率ne決定。ne由賽米爾方程式(與折射率相關(guān)的方程式)給出 [公式8] 這里，T是溫度(K)，波長λ的單位是μm。
圖14表示假設(shè)周期為Λ、波長λ3作為參量所求得的3dB區(qū)域。對波長λ1，λ2的3dB區(qū)域根據(jù)(1)，(5)和(7)式給出。室溫下，從(3)式計算的差頻光波長λ3＝2.0μm，2.5μm，3.0μm，3.5μm，4.0μm，4.5μm，5.0μm，5.5μm，6.0μm的波長λ1，λ2的關(guān)系用虛線表示。另外，周期Λ＝26μm，27μm，28μm，29μm，30μm所對應(yīng)的3dB區(qū)域根據(jù)(7)和(9)式來求，各區(qū)域用陰影來表示。元件長度為10mm。
完全滿足相位匹配的η＝ηo位于3dB區(qū)域的大致中央的部分。也就是說，在具有周期Λ的周期性極化結(jié)構(gòu)的LiNbO3的差頻光產(chǎn)生中，使用周期Λ的準相位匹配元件。在得到所期望的差頻光λ3時，可知η＝0.5ηo時的波長λ1，λ2是從(3)，(7)和(9)式得到，并在周期Λ的3dB區(qū)域和給出所期望的差頻光λ3的(3)式的曲線的交點上給出。
作為一個例子，可考慮使用具有周期Λ＝28μm的周期極化結(jié)構(gòu)的LiNbO3，產(chǎn)生波長λ3＝3.0μm的差頻光的情況。波長λ3＝3.0μm的虛線和周期Λ＝28μm的3dB區(qū)域交叉的波長λ1，λ2的區(qū)域(圖中用A的O所圈住的部分)是η＝0.5ηo。
下面說明具體的條件。差頻光產(chǎn)生中的產(chǎn)生強度與兩個激發(fā)光強度之積成比例。因此，在至今為止的報告中，主要使用了容易得到高強度的Nd:YAG激光器(波長1.064μm)。這里，考慮波長λ1＝1.064μm，通過改變波長λ2來實現(xiàn)波長可調(diào)的差頻光λ3。在使用具有周期Λ的周期性極化結(jié)構(gòu)的LiNbO3試樣時，在圖14中用陰影表示的周期Λ的3dB區(qū)域，和波長λ1＝1.064μm的直線B交叉的區(qū)域的波長λ2處，η＝0.5ηo。
圖15表示對周期Λ＝27μm、波長λ1＝1.064μm時的標準化變換效率η/ηo。滿足η＝0.5ηo的波長λ2的寬幅只有2nm左右，因此差頻光λ3的波長的可調(diào)量限制在20nm左右。在將周期Λ改為28μm，29μm，30μm時，如果波長λ1＝1.064μm，則在任何情況下滿足η＝0.5ηo的波長λ2的寬幅也只有2nm，差頻光λ3的波長可調(diào)量也同樣受到限制。
但是，參見圖14，可知道如果固定波長λ1而改變波長λ2，則存在能夠大幅度擴大差頻光λ3的波長可變區(qū)的區(qū)域。即，如果波長λ1恒定的直線和周期Λ的3dB區(qū)域在更廣范圍交叉，則差頻光λ3的波長可變區(qū)的寬幅急增。周期Λ＝25.5μm～29μm的3dB區(qū)域在波長λ1＝0.9μm～1.0μm處幾乎與縱軸平行，并在該波長0.9μm～1.0μm區(qū)域與波長λ1一定的直線廣范圍交叉。即，即使使用具有單一的周期Λ的極化結(jié)構(gòu)LiNbO3，如果將波長λ1固定在0.9μm～1.0μm的范圍而使波長λ2在1.3μm～1.8μm的區(qū)域變化，則差頻光λ3在波長1.3μm＜λ2＜1.8μm的幾乎所有的范圍內(nèi)滿足相位匹配條件，能夠高效率地使波長可調(diào)。
例如，當周期Λ＝27μm、波長λ1＝0.94μm時，對波長λ2的標準化變換效率在波長λ2＞1.43μm的區(qū)域中η＝0.5ηo，在波長基本為2μm-3μm的較廣波長范圍內(nèi)可產(chǎn)生差頻光。另外，在波長λ3＝3μm附近，如后述那樣，通過溫度的調(diào)整，在一個周期Λ就能夠使之產(chǎn)生。
如上所述，通過包括第一激光器、第二激光器、具有一個周期的極化結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)晶體，在1.3～1.8μm之間改變一個激光器的波長，由此，可使中紅外區(qū)域的激光在波長2～3μm的范圍內(nèi)可調(diào)。
(實施例3-1) 圖16表示本發(fā)明的一個實施例的產(chǎn)生中紅外光的激光光源。激光光源包括波長為λ1的半導(dǎo)體激光器(λ1＝0.94帶)310；波長為λ2(在λ2＝1.45～1.60μm帶波長可調(diào))的半導(dǎo)體激光器311；將半導(dǎo)體激光器310，311的輸出光合波的合波器318；LiNbO3晶體塊(bulk)321，對合波的輸出光進行輸入，并具有可產(chǎn)生差頻光即中紅外光的單個周期的極化結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體激光器310的輸出通過連接透鏡312，313和偏振保持光纖316連接到合波器318。半導(dǎo)體激光器311的輸出通過連接透鏡系統(tǒng)314，315和偏振保持光纖317連接到合波器318。
半導(dǎo)體激光器310在其端面310A上形成90％以上的高反射膜，相反側(cè)的端面310B上形成反射率為2％以下的低反射膜。偏振保持光纖316設(shè)置了光纖布拉格光柵316A，提高了波長穩(wěn)定性。另外，根據(jù)需要，可在偏振保持光纖317的中途連接光纖放大器而增大半導(dǎo)體激光器311的輸出光。
另外，合波器318的輸出通過光纖319和連接透鏡系統(tǒng)320連接到LiNbO3晶體塊321。另外，為了測量作為中紅外光的輸出光，LiNbO3晶體塊321的輸出通過連接透鏡322，324和光纖323與分光器325連接。
如圖14的直線所示，如果波長λ1＝0.94μm帶，則當LiNbO3晶體塊321的周期Λ為27μm時，即使在1.45～1.60μm的范圍改變半導(dǎo)體激光器311的波長，也可在一個周期Λ得到上述的3dB區(qū)域。換言之，通過一個周期Λ能夠在較寬的波長范圍內(nèi)得到中紅外光。如果在波長λ1＝0.94μm的帶中，在1.45～1.60μm的范圍內(nèi)改變波長λ2，則產(chǎn)生的中紅外光的波長λ3可達到2.3～2.7μm的寬范圍。
圖17中表示實施例1的3dB區(qū)域?？v軸是中紅外光強度，橫軸是半導(dǎo)體激光器311的波長λ2。從圖14的計算結(jié)果可預(yù)見，通過由一個周期Λ構(gòu)成的LiNbO3晶體塊321，在1.45μm＜λ2＜1.60μm的較寬波長范圍內(nèi)，能夠得到具有幾乎一定強度的中紅外光。半導(dǎo)體激光器311的輸出在所有的波長區(qū)域都是一定的。1.45μm＜λ2＜1.60μm的變化對應(yīng)于中紅外光的2.7μm＞λ3＞2.3μm的變化。產(chǎn)生的中紅外光的波長通過分光器325來確認。本實施例中，使用了元件長度10mm的LiNbO3晶體塊321，在所有的波長域的變換效率都是1％/W。
在進行本實施例的差頻產(chǎn)生實驗時，當兩個激發(fā)光的偏光方向一致時產(chǎn)生最大的中紅外光。這里，如果固定半導(dǎo)體激光器310的偏光方向，將半導(dǎo)體激光器311的偏光方向傾斜角度θ，半導(dǎo)體激光器310的光強度為I1，半導(dǎo)體激光器311的光強度為I2，則中紅外光的光強度I3成為 [公式9] I3∝I1I2cos2θ(11) (11)式是確認中紅外光的產(chǎn)生的手段。圖18表示實施例3-1中輸出的中紅外光的偏振依賴關(guān)系。通過實驗確認了與計算結(jié)果幾乎一致的結(jié)果。
(實施例3-2) 在實施例3-1中輸出的中紅外光的波長范圍是2.3～2.7μm，但是可通過改變LiNbO3晶體的周期Λ來再擴大波長區(qū)域。在實施例3-2中，將圖16所示的LiNbO3晶體塊321的周期Λ取為26μm。將半導(dǎo)體激光器310做成在波長0.91μm帶中在微小范圍內(nèi)波長可調(diào)的裝置，將半導(dǎo)體激光器311做成在波長1.30～1.68μm帶的較寬范圍內(nèi)波長可調(diào)的裝置。
3dB區(qū)域通過由一個周期Λ構(gòu)成的LiNbO3晶體塊321在1.30μm＜λ2＜1.68μm的較寬范圍內(nèi)能夠得到具有基本一定強度的中紅外光。通過使波長λ2在1.30～1.68μm內(nèi)變化，能夠得到中紅外光的波長λ3為3.1～2.0μm。本實施例中，使用了元件長度為10mm的LiNbO3晶體塊321。變換效率在整個波長區(qū)域為1％/W。
另外，從(10)式可知，LiNbO3晶體的折射率隨溫度而變化，所以有效的周期Λ也隨，產(chǎn)生變化。因此，如果細微調(diào)整LiNbO3晶體的溫度，則即使用具有一個周期Λ的LiNbO3晶體產(chǎn)生差頻，也能夠改變有效的一個周期Λ，所以能夠保持高變換率。如圖14所示，在固定半導(dǎo)體激光器310的波長的情況下，存在不能將變換效率保持較高的區(qū)域(例如，周期Λ＝28，29μm，特性曲線與縱軸不完全平行的區(qū)域)。因此，調(diào)整LiNbO3晶體塊321的溫度，可經(jīng)常將使半導(dǎo)體激光器310的波長有效的周期Λ最優(yōu)化，能夠保持高的變換效率。
在實施例3-2中，通過適當?shù)臏囟日{(diào)整，周期Λ在25.5～29.3μm之間以0.1μm的間隔變化，使用具有周期Λ的LiNbO3晶體塊321產(chǎn)生差頻。其結(jié)果，每個周期Λ在波長0.9～1.0μm的范圍內(nèi)適當選擇波長λ1，如果與此配合，使波長λ2在1.27～1.80μm的范圍內(nèi)變化，則在3.1～2.0μm的范圍內(nèi)可連續(xù)得到中紅外光的波長λ3。但是，如圖14所示，周期Λ超過28.5μm處開始特性曲線與縱軸平行的部分減少，因此，得到一定強度的差頻光所需要的溫度控制的作用隨之變大。溫度變化100度相當于波長λ1的0.005μm的變化量。
(實施例3-3) 如果將波長變換元件從塊狀的LiNbO3晶體變成波導(dǎo)型，與實施例3-1，3-2采用同樣構(gòu)成，則能夠效率更高地得到中紅外光。在實施例3-3中，使用了將圖16所示的LiNbO3晶體塊321變成波導(dǎo)元件的光學(xué)系統(tǒng)。LiNbO3波導(dǎo)的元件長度取10mm、芯的截面尺寸為8μm×8μm，周期Λ為26μm。半導(dǎo)體激光器310在0.91μm帶的微小范圍內(nèi)波長可調(diào)，半導(dǎo)體激光器311在1.3～1.65μm帶的大范圍內(nèi)波長可調(diào)。
波導(dǎo)元件的3dB區(qū)域在適當?shù)臏囟日{(diào)整下，相對于波長λ1＝0.91μm帶，在1.3μm＜λ2＜1.65μm的較寬的波長范圍內(nèi)，在波長范圍3.1～2.0μm能夠得到強度基本恒定的中紅外光λ3。變換效率在全波長區(qū)域提高，與塊狀元件相比，顯示出提高了兩個數(shù)量級。
另外，在25.5～29.3μm之間以間隔0.1μm改變周期Λ，在適當?shù)臏囟日{(diào)整下，用具有周期Λ的LiNbO3波導(dǎo)產(chǎn)生中紅外光。結(jié)果，每隔周期Λ在0.9～1.0μm的范圍內(nèi)適當選擇波長λ1，與此配合，如果使波長λ2在1.27～1.80μm變化，則在3.1～2.0μm范圍內(nèi)能夠連續(xù)得到中紅外光的波長λ3。
(實施例3-4) 如圖14所示，相位匹配曲線具有產(chǎn)生急劇彎曲的區(qū)域。如果利用該區(qū)域，則從波長可調(diào)性方面來看沒有大的優(yōu)點。但是，在產(chǎn)生差頻時，可大大改善對兩個激發(fā)光的波長穩(wěn)定性的偏差容許度，特別是對短波長側(cè)的半導(dǎo)體激光器的偏差容許度的改善有效果。例如，圖14中，周期Λ＝27μm時，半導(dǎo)體激光器11的λ2在1.45～1.8μm的區(qū)域，波長λ2即使變化，也不會離開3dB區(qū)域，半導(dǎo)體激光器310的波長λ1成為由于其微小變動離開3dB區(qū)域的原因。但是，當波長λ2在1.35μm附近的彎曲部中時，具有即使是在半波長側(cè)的波長λ1，也可將對于3dB區(qū)域的波長變動的容許量增加到兩倍的優(yōu)點。LiNbO3晶體塊321的溫度調(diào)整量也減少。這里，對波長λ2容許量減少，但是盡管如此，從通常市場中銷售的激光光源的穩(wěn)定性來看，寬度也是足夠的。
在實施例3-4中，使用了除去半導(dǎo)體激光器310的端面310A，310B的反射膜和偏振保持光纖316的光纖布拉格光柵316A的光學(xué)系統(tǒng)。光纖布拉格光柵是能夠選擇得到所設(shè)計波長的光的裝置。在實施例3-1中，由此抑制了波長λ1的變動。因此，如果除去光纖布拉格光柵316A，則有時也很難得到穩(wěn)定的3dB區(qū)域。因此，在實施例3-4中，即使沒有這樣的穩(wěn)定波長的構(gòu)成，也不會超出3dB區(qū)域以外，能夠十分穩(wěn)定地動作。這里，LiNbO3晶體塊321的周期Λ取為27μm，半導(dǎo)體激光器310的波長取為0.945μm，半導(dǎo)體激光器311的波長取為1.35μm。
(實施例3-5) 根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)生中紅外光的激光光源，能夠精確地檢測出環(huán)境氣體中的NOx。NOx氣體的基本吸收是波長5μm以上，考慮LiNbO3的吸收特性(波長5.4μm以上的光很難透射)，很方便利用下面的反應(yīng)式 4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(12) 6NO2+8NH3→7N2+12H2O (13) 即，NOx在催化劑下通過NH3分解，通過調(diào)節(jié)消耗的NH3或者新產(chǎn)生的H2O能夠間接地計算出NO、NO2的濃度。另外，也能利用NO、NO2的基本吸收的泛頻在波長為2～3μm這一點來檢測。因此，只要是在波長2～3μm內(nèi)可調(diào)波長的激光光源，均可檢查出上述氣體的吸收。各氣體的波長2～3μm的主要的基本吸收波長、波數(shù)、吸收的名稱如下。
H2O 2.662μm 3756cm-1反對稱伸縮振動 H2O 2.734μm 3657cm-1全對稱伸縮振動 NH3 2.904μm 3444cm-1二次簡并振動(二重縮重振動) NH3 2.997μm 3337cm-1全對稱振動 NO 5.330μm 1876cm-1反對稱伸縮振動泛頻＝2.665μm NO2 6.180μm 1618cm-1反對稱伸縮振動泛頻＝3.090μm 圖19表示本發(fā)明的一實施方式的光吸收分析裝置。特別是表示檢測NOx氣體濃度用光學(xué)系統(tǒng)。封入了被檢測氣體的氣體單元344利用了兩端的反射鏡而具有最大18m的光路長度。反應(yīng)氣體通過泵345從氣體除去管346向氣體單元344引導(dǎo)，通過泵347排出到排氣管348。如果利用泵，則能夠改變氣體單元內(nèi)的壓力。氣體除去管346根據(jù)(12)式或(13)式的反應(yīng)，除去NOx。檢測器349是中紅外光用的HgCdTe檢測器。
激光光源包括波長為λ1的半導(dǎo)體激光器(固定在λ1＝0.91μm帶)330；波長為λ2(在λ2＝1.28～1.46μm范圍波長可調(diào))的半導(dǎo)體激光器331；對半導(dǎo)體激光器330，331的輸出光合波的合波器338；輸入合波的輸出光，產(chǎn)生中紅外光的周期Λ＝26μm的LiNbO3晶體塊341。半導(dǎo)體激光器330的輸出通過連接透鏡系統(tǒng)332，333和偏振保持光纖336與合波器338連接，半導(dǎo)體激光器331的輸出通過連接透鏡系統(tǒng)334，335和偏振保持光纖337與合波器338連接。
半導(dǎo)體激光器330在其端面330A上形成90％以上的高反射膜，在相反側(cè)的端面330B上形成反射率為2％以下的低反射膜。在偏振保持光纖336中設(shè)置有光纖布拉格光柵336A，提高了波長穩(wěn)定性。合波器338的輸出通過光纖339和連接透鏡340與LiNbO3晶體塊341連接。LiNbO3晶體塊341的輸出通過連接透鏡系統(tǒng)342和光纖343連接到氣體單元344。
在實施例3-5中，表示最初伴隨NO2氣體的除去的測量結(jié)果。測量分成下面三個步驟進行。
(i)不加入催化劑、NH3氣體，僅將NO2氣體導(dǎo)入氣體除去管； (ii)不加入催化劑、加入NH3氣體，將NO2氣體導(dǎo)入氣體除去管； (iii)加入催化劑和NH3氣體，將NO2氣體導(dǎo)入氣體除去管。
在步驟(i)中調(diào)整半導(dǎo)體激光器331的波長，在波長調(diào)整到1.290μm時，根據(jù)還沒有產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在波長3.090μm中能夠檢測出NO2的反對稱伸縮振動的諧音吸收。另一方面，即使再次調(diào)整半導(dǎo)體激光器331的波長而與NH3或H2O的吸收波長配合，也觀察不到這兩個吸收。
在步驟(ii)中，即使加入NH3，由于沒有催化劑，所以不能進行反應(yīng)，觀察到未反應(yīng)的NO2和NH3的吸收。但是，到步驟(iii)，由于加入催化劑，所以開始進行化學(xué)反應(yīng)，NO2被除去，消耗了NH3，由此NO2和NH3的吸收開始減少，取而代之，可觀察新生成的H2O的吸收。進而，在加入了過多的NH3的情況下，NO2的吸收完全消失，過量加入的NH3和新生成的H2O的吸收增大。
這里，利用(13)式，在步驟(iii)，能夠定量地測量NO2的濃度。也就是說，如果加入多量的NH3，則NO2的吸收減少，出現(xiàn)多加入的NH3和新生成的H2O的吸收。通過計算直到NO2的吸收為零時、過量的NH3的吸收的開始時、或者H2O的吸收強度增大后開始獲得一定值時的任一種情況為止加入的NH3量，則根據(jù)(13)式可計算出氣體除去管中所包括的NO2的濃度。
由于對于NH3的濃度，僅測量加入的量就行了，所以能夠正確測量。在實施例3-5中，使用整體長度為10mm的LiNbO3晶體塊341時，NO2的最少檢測濃度是在100托(Torr)時為1ppm。另外，使用10mm長的波導(dǎo)時，NO2的最少檢測濃度能夠降低到10ppb狀態(tài)。
NO氣體的檢測利用(12)式也很方便，在氣體除去管346加入NH3和O2，如果計算NO的吸收為零時、過量的NH3的吸收的開始點、或者H2O的吸收強度增大后開始獲得一定值時的NH3量，可算出NO的濃度(這里，看不到O2的吸收)。但是，NO的諧音吸收和H2O的反對稱伸縮振動吸收的波長極為接近，所以主要利用H2O的全對稱伸縮振動吸收和NH3的吸收。NO氣體的最少檢測濃度也與NO2幾乎相同。
在實施例3-5中，因為對LiNbO3晶體整體314只用一個周期Λ就行，測量極為簡便、迅速。另外，只要是能檢查是否有NO、NO2氣體，可以不測量NH3的量，可僅查出吸收峰值的有無。因此，測量更加簡便、迅速。
(實施例3-6) 如果使用在2～3μm范圍內(nèi)波長可調(diào)的中紅外區(qū)域的激光光源，構(gòu)成NOx、CO2、CO等氣體計，則可用一臺光源測量多種類的氣體濃度。這里，對同時檢測NO、NO2、CO、CO2四種氣體的情況進行描述。所涉及的各氣體的基本吸收波長、波數(shù)、吸收的名稱、泛頻吸收波長如下 CO2 4.257μm 2349cm-1反對稱伸縮振動泛頻＝2.129μm； CO 4.666μm 2143cm-1伸縮振動泛頻＝2.333μm； NO 5.330μm 1876cm-1反對稱伸縮振動泛頻＝2.665μm； NO2 6.180μm 1618cm-1反對稱伸縮振動泛頻＝3.090μm； H2O 2.662μm 3756cm-1反對稱伸縮振動； H2O 2.734μm 3657cm-1全對稱伸縮振動； NH3 2.904μm 3444cm-1二次簡并振動； NH3 2.997μm 3337cm-1全對稱振動。
本實施例中，通過下述三個步驟依次除去各種氣體，測量氣體濃度。其構(gòu)成與圖19所示的實施例3-5相同。
(a)不加入催化劑和除去用氣體，將NO、NO2、CO2、CO導(dǎo)入氣體除去管； (b)加入催化劑和NH3、O2氣體，除去NO，NO2； (c)在上述(b)中，在NO、NO2除去后，加入O2氣體，使CO燃燒。
在步驟(a)中，氣體除去管346中沒有進行任何化學(xué)反應(yīng)，在波長為2～3μm的條件下，觀測NO、NO2、CO2、CO氣體的泛頻吸收。
進入步驟(b)，NO、NO2被除去，對應(yīng)于NH3的消費，這些氣體的吸收開始減少，取而代之的是，觀察新生成的H2O的吸收。最后，在加入了過量的NH3、O2的情況下，NO、NO2的吸收完全消失，過量的NH3和新生成的H2O的吸收增大(這里，看不到O2的吸收)。在步驟(c)中，根據(jù)下述反應(yīng)式(14)，隨著CO的燃燒，CO2的吸收增大。
2CO+O2→2CO2(14) 在步驟(b)中，能夠定量地測量NO和NO2的合計濃度。即，加入多量的NH3、O2，則NO、NO2的吸收減少，出現(xiàn)過量加入的NH3和新生成的H2O的吸收。如果測量直到NO、NO2的吸收為零時、過量的NH3的吸收開始時、或者H2O的吸收強度增大后開始取一定值時為止的NH3的加入量，則根據(jù)(12)、(13)式，能夠計算出氣體除去管中所含的NO和NO2的合計濃度。對于NO、NO2的個別濃度的確定可參照實施例3-5的處理。
在步驟(c)，能夠測量CO的濃度。也就是說，當O2存在時，如果燃燒CO，則生成CO2。因此，如果在加入O2后，在CO的吸收消失的時候、或者CO2的吸收量增大到峰值后開始為一定值的時候的任一情況時計算加入的O2量，則根據(jù)(12)式，能夠算出氣體除去管中所含的CO的濃度。只要可測量所加的O2量，則能夠正確測量。在實施例3-6中，使用整體長度為10mm的LiNbO3晶體塊341時，NO2的最少檢測濃度在100Torr時為1ppm。另外，使用10mm長的波導(dǎo)時，NO2的最少檢測濃度能夠降低到10ppb狀態(tài)。
(實施例3-7) 使用本發(fā)明的產(chǎn)生中紅外光的激光光源，通過遠距離操作能夠檢測對波長2～3μm有吸收的NOx、CO2、CO等氣體。在實施例3-7中，通過兩波長差分吸收激光雷達(例如，參考非專利文獻11)進行了環(huán)境氣體的檢測。兩波長差分吸收激光雷達使用了被測量氣體的吸收波長和非吸收波長，吸收波長的激光雷達信號比非吸收波長的衰減大，因此能夠利用這兩個波長的信號差測量氣體分子的濃度。
在實施例3-7中，根據(jù)兩波長差分吸收激光雷達檢測NO、NO2、CO、CO2的四種氣體。各氣體的基本吸收波長、波數(shù)、吸收的名稱、泛頻吸收波長如下 CO2 4.257μm 2349cm-1反對稱伸縮振動泛頻＝2.129μm CO 4.666μm 2143cm-1伸縮振動泛頻＝2.333μm NO 5.330μm 1876cm-1反對稱伸縮振動泛頻＝2.665μm NO2 6.180μm 1618cm-1反對稱伸縮振動泛頻＝3.090μm 為了得到正確的數(shù)據(jù)，需要盡量在短時間進行兩波長的測量，而本發(fā)明的激光光源能夠瞬時發(fā)出目標的兩波長，對LiNbO3晶體僅用一個周期Λ就行，波長為2～3μm帶的四種氣體的測量也能夠快速進行。
圖20表示兩波長差分吸收激光雷達的測量系統(tǒng)。兩波長差分吸收激光雷達360包括激光發(fā)射部360A和激光檢測部360B。激光發(fā)射部360A所包括的激光光源使用了元件長度為10mm的LiNbO3晶體波導(dǎo)，周期Λ＝26μm。半導(dǎo)體激光器330的波長為0.91μm帶，半導(dǎo)體激光器331的波長在1.28～1.46μm之間可調(diào)。在適當?shù)臏囟日{(diào)整下，激光器射出口361輸出波長為2～3μm的中紅外光。
中紅外光364朝向檢測氣體366發(fā)出，將來自檢測氣體366的散射光(瑞利散射、Mie散射)365由激光檢測部360B內(nèi)部的反射鏡362接受。聚集的光被作為HgCdTe檢測器的檢測器363檢測到。
在測量中，非吸收波長設(shè)定為從檢測氣體的泛頻吸收波長到2～10nm低波長側(cè)。因為產(chǎn)生的中紅外光的強度越大，能測量的距離越長，所以中紅外光為強度10mW的高功率輸出。如果在相距3米的空間(＝直徑1米以上的球狀空間)以濃度1ppm擴散上述四種氣體，就能夠觀測所有氣體的吸收。如果使氣體濃度上升到10ppm，即使計量空間相距10米也能檢測到。
(實施例3-8) 本發(fā)明的產(chǎn)生中紅外光的激光光源對農(nóng)作物殘留的農(nóng)藥的檢測也很有用。農(nóng)藥中所含的CN基或NO2基是特別有害的官能基團的代表例，如果能檢測出來，就能夠知道殘留農(nóng)藥濃度的量。CN基或NO2基含有在擬除蟲菊酯系農(nóng)藥的甲氰菊酯、氨基甲酸鹽系農(nóng)藥的1-萘-N-甲基氨基甲酸鹽中。吸收波長是對CN基＝4.44μm(2250cm-1，伸縮振動)，對NO2基＝6.15μm(1625cm-1，伸縮振動)。
圖21表示殘留農(nóng)藥測量器的測量系統(tǒng)。殘留農(nóng)藥測量器380包括激光發(fā)射部380A和激光檢測部380B。通過各自的末端設(shè)置的光纖381，382，向農(nóng)作物被測量體383射出光，其散射光由激光檢測部380B檢測。在激光檢測部380B內(nèi)部設(shè)置的檢測器中使用了HgCdTe檢測器和PbSe檢測器。激光發(fā)射部380A所包括的激光光源在適度的溫度調(diào)整下，使用元件長度為10mm、周期Λ＝26μm的LiNbO3晶體波導(dǎo)。一個半導(dǎo)體激光器的波長是0.91μm帶，另一個半導(dǎo)體激光器的波長在1.30～1.65μm波段可調(diào)。
在被測量體的蘋果的表皮涂上甲氰菊酯及1-萘-N-甲基氨基甲酸鹽(濃度為1‰)，并照射輸出10mW的中紅外光。其結(jié)果，能充分觀測到波長2.22μm的CN基的泛頻吸收和波長3.08μm的NO2基的泛頻吸收。根據(jù)實施例3-8，在殘留農(nóng)藥的檢測中也能夠通過由單個的周期Λ所構(gòu)成的LiNbO3晶體來確認多個官能基團的存在。
如果要檢測出的官能基團只是NO2基，則還能顯示出有其他的優(yōu)點。也就是說，如果LiNbO3晶體波導(dǎo)的周期Λ＝27μm(周期Λ＝26μm也可以，但是為了顯示效果的大小以周期Λ＝27μm來討論)，如實施例3-4所說明的那樣，如果檢測體的吸收波長稍微超過3.0μm的區(qū)域，則對使用的兩個半導(dǎo)體激光器的波長穩(wěn)定性都得到提高。即使使用去除半導(dǎo)體激光器的端面的反射膜和光纖的光纖布拉格光柵的光學(xué)系統(tǒng)，也能夠充分地觀測到NO2基的泛頻吸收(然而，在上述NO2氣體的檢測中也同樣能看到這個效果)。
(第四實施方式) 在圖22中顯示了本發(fā)明的一個實施方式的產(chǎn)生氧吸收線的波長的激光光源。產(chǎn)生氧吸收線的波長的激光光源包括對從波長759nm到768nm存在的氧吸收線中選擇的一個吸收線的波長產(chǎn)生具有兩倍波長的激光的分布反饋型半導(dǎo)體激光器模塊401；具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)403；連接半導(dǎo)體激光器模塊401及具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)403的一端的偏振保持型光纖402。
與以往不同，因為是在759nm到768nm的兩倍波長的1518nm到1536nm的振蕩，所以半導(dǎo)體激光器使用磷化銦系材料。磷化銦與砷化鎵相比，沒有所謂的器件頓死現(xiàn)象，可知器件壽命方面的可靠性高。另外，從1518nm到1536nm的波長屬于通信波段的S帶和C帶，根據(jù)近年的光通信領(lǐng)域的發(fā)展，DFB型的制作技術(shù)也很容易。而且，能夠制作40mW的高輸出功率的元件。
在磷化銦系的半導(dǎo)體激光器中，通過改變器件的溫度或注入電流能夠改變波長，通過采用DFB型結(jié)構(gòu)能夠進行沒有波形突變的穩(wěn)定的波長掃描。從波長1518nm到1536nm的激光利用根據(jù)二次非線性光學(xué)效果的二次諧波產(chǎn)生，輸出從波長759nm到768nm的光。
這里對二次非線性光學(xué)效果進行說明。非線性光學(xué)效果是指，為了使物質(zhì)中的電極化P具有除了如下述那樣與光的電場E成比例的項以外，還具有E2，E3的高次項而起到的效果。
P＝χ(1)E+χ(2)E2+χ(3)E3+... (15) 特別是第二項是中心對稱性消失的物質(zhì)中強烈出現(xiàn)的效果，角頻率不同的三個光ω1、ω2、ω3具有ω1+ω2＝ω3的關(guān)系時，產(chǎn)生下述效果 1)輸入ω1和ω2的光時，產(chǎn)生ω3的光(產(chǎn)生和頻)； 2)產(chǎn)生和頻時，當角頻率相同時，產(chǎn)生二次諧波； 3)輸入ω1和ω3的光時，產(chǎn)生ω2(＝ω3-ω1)的光(產(chǎn)生差頻)，即，輸入的激光的波長可以變換為別的波長。
通過周期性地反轉(zhuǎn)二次非線性光學(xué)材料的極化，可實現(xiàn)高效率的波長變換器。該結(jié)構(gòu)可通過將取決于材料的折射率分散的影響通過周期性的反轉(zhuǎn)極化來模擬地匹配輸入光和變換光的相位。使用該原理的例子，例如，已知的有對作為二次非線性光學(xué)材料的鈮酸鋰的極化進行周期性的反轉(zhuǎn)、并且通過質(zhì)子交換形成波導(dǎo)的波長變換器(參考非專利文獻12)。具有這樣的周期極化結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰光波導(dǎo)中，顯示了可產(chǎn)生90％以上的二次諧波。
在具有這樣的二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)中，存在因光折射效果引起的所謂二次諧波產(chǎn)生的效率低下的、有關(guān)壽命的問題。在從波長1518nm到1536nm的光中不會引起這樣的問題，所以利用二次諧波即從波長759nm到768nm的光強度而產(chǎn)生。但是，已知通過具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)的溫度從50℃上升到100℃左右，或者使用摻雜了鋅或鎂的二次非線性光學(xué)材料來避免效率降低(例如，參考非專利文獻13)，能夠容易地得到長壽命的光波導(dǎo)。
具有這樣的二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)針對于相對晶體方位朝向某特有的方向偏光的光，其效果很大。例如，鈮酸鋰是z軸方向。半導(dǎo)體激光器也相對于基板以某個一定的偏振光振蕩。因此，當將半導(dǎo)體激光器模塊401和具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)403與光纖連接時，為了抑制向光波導(dǎo)入射的光在偏振光方向的變動，優(yōu)選使用偏振保持型光纖402。另外，即使是用非偏振保持型的光纖連接，并將偏光控制元件插入光纖中也可以產(chǎn)生二次諧波。但是，隨著溫度等外部環(huán)境的變化，光纖中的偏振光發(fā)生變動，所以很難長期穩(wěn)定地產(chǎn)生二次諧波。
圖23表示輸出具有透鏡和濾光器的激光光源。除了圖22的激光光源外，在具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)413的另一端具有透鏡414，將射出的光變成平行光；濾光器415，在射出的光中使波長1518nm到1536nm的光不透射，而使波長759nm到768nm的光透射。這樣，在氧吸收線的波長759nm到768nm中，可以取出可用于進行沒有波形突變的穩(wěn)定的波長掃描的光。
圖24表示在輸出處具有光纖的激光光源。與圖23的實施方式不同，在具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)423的另一端連接了光纖424。如果光纖424結(jié)構(gòu)是能夠以單模方式對從波長759nm到768nm的光進行導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)，則可通過在光纖424上加稍微的彎曲，就能夠只取氧吸收線的波長759nm到768nm的光。這是因為從波長1518nm到1536nm的光在光纖424中作為寬波形進行傳播，只要有一點彎曲部分，則在該部分進行散射，在光纖424中產(chǎn)生衰減。
如上面所說明的那樣，利用基于光波導(dǎo)的二次非線性光學(xué)效果的二次諧波的產(chǎn)生，輸出氧吸收線的波長759nm到768nm的激光，能夠進行沒有波形突變的穩(wěn)定的波長掃描，能夠提供高輸出且長壽命的激光光源。
(實施例4-1) 圖25表示實施例4-1的激光光源。實施例4-1的激光光源包括振蕩激光的分布反饋型半導(dǎo)體激光器模塊431；具有非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)433；在半導(dǎo)體激光器模塊431及具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)433的一端433a之間連接的偏振保持型光纖432。在具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)433的另一端433b設(shè)置有透鏡435，將射出的光變成平行光；濾光器436，在射出的光中不透過1526nm附近的光，而透過763nm附近的光。
半導(dǎo)體激光器模塊431振蕩發(fā)出1526.08nm附近的激光，該激光的波長為通過偏振保持型光纖432輸出的氧吸收線之一的763.04nm波長的兩倍。在半導(dǎo)體激光器模塊431的內(nèi)部安裝有珀耳帖效應(yīng)元件(圖中未示出)，可以改變元件的溫度。另外，半導(dǎo)體激光器模塊431的內(nèi)部安裝有絕緣體(圖中未示出)。光波導(dǎo)433的端面等中的反射光不會對激光器振蕩帶來不好的影響。
對于具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)433，在鈮酸鋰基板上施加了周期極化結(jié)構(gòu)，使用第五實施方式的方法或者熱處理質(zhì)子交換法形成波導(dǎo)。光波導(dǎo)433的一端433a上施加了對波長1526nm沒有反射的涂層。另外，光波導(dǎo)433的另一端433b上施加了對波長763nm的波長沒有反射的涂層。而且，光波導(dǎo)433的下面設(shè)置了控制光波導(dǎo)433的溫度的珀耳帖效應(yīng)元件434，將光波導(dǎo)433的溫度保持在90℃，使光波導(dǎo)433的入射光波長1526.08nm的二次諧波產(chǎn)生的效率最好。
半導(dǎo)體激光器模塊431的溫度設(shè)定為25℃，以波長1526.08nm、輸出30mW來操作時，觀測到輸出光437的波長為763.04nm、輸出5mW的光。如果使半導(dǎo)體激光器模塊431的溫度從24℃到26℃連續(xù)變化的同時觀測輸出光437，使波長從762.99nm到763.09nm連續(xù)變化，沒有看到波形突變的現(xiàn)象。輸出光437的光強度顯示出從4.7mW到5.0mW穩(wěn)定的動作。在一年間連續(xù)進行該操作，沒有觀測到輸出的降低及波長的突變。
(實施例4-2) 圖26表示實施例4-2的激光光源。實施例4-2的激光光源包括振蕩激光的分布反饋型半導(dǎo)體激光器模塊441；具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)445；在半導(dǎo)體激光器模塊441和具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)445的一端445a之間連接的偏振保持型光纖442，444；以及光連接器443。在具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)445的另一端445b中設(shè)置有透鏡449，其與光纖447連接，將射出的光變成平行光。
半導(dǎo)體激光器模塊441使用了和實施例4-1的半導(dǎo)體激光器模塊431相同的模塊。具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)445在摻雜Zn的鈮酸鋰基板上施加了周期性的極化結(jié)構(gòu)，使用第五實施方式的方法或者熱處理質(zhì)子交換法形成波導(dǎo)。光波導(dǎo)445的一端445a上施加了對波長1526nm沒有反射的涂層，連接了使波長1526nm附近的光變成單模的偏振保持型光纖444。另外，光波導(dǎo)445的另一端445b上施加了對波長763nm沒有反射的涂層，連接了使波長763nm附近的光變成單模的光纖447。
在光波導(dǎo)445的下方設(shè)置了溫度控制用的珀耳帖效應(yīng)元件446，保持光波導(dǎo)445的溫度為25.0℃，使光波導(dǎo)445的入射光波長1526.08nm的二次諧波產(chǎn)生的效率最好。通過連接器443連接光纖442和光纖444，通過透鏡448將光纖447的光輸出變成平行光。
將半導(dǎo)體激光器模塊441的溫度設(shè)定為25℃，以波長1526.08nm、輸出30mW來操作時，觀測到輸出光449的波長為763.04nm、輸出7mW的光。使半導(dǎo)體激光器模塊的溫度從24℃到26℃連續(xù)變化，且使光波導(dǎo)445的溫度通過珀耳帖效應(yīng)元件446從24℃到26℃連續(xù)變化，觀測輸出光449。顯示出波長從762.99nm到763.09nm連續(xù)地變化、輸出光449的光強度從6.9mW到7.0mW的非常穩(wěn)定的動作。
此時，在輸出光449中沒有變換成二次諧波而透過的波長為1526nm的光處在觀測界限以下。這是因為1526nm附近的光在光纖447中以寬模式傳播，如果光纖447有一點彎曲的部分，則在該部分散射而在光纖447中衰減。但是，為安全起見，也可以在透鏡448后面安裝除去波長1526nm的濾光器。另外，在實施例4-2中，雖然通過連接器443連接了偏振保持型光纖，但也可以用熔融方式連接。
本實施例是關(guān)注氧吸收線之一的763.04nm而選擇半導(dǎo)體激光器，但是也可以選擇其兩倍波長1520.8nm，以產(chǎn)生從759nm到768nm中存在的其他吸收線，例如，760.4nm。
本實施方式中，使用了在具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)中具有周期性極化結(jié)構(gòu)的材料，但是即使使用其他的相位匹配方法也能得到相同的效果。另外，基板上雖然使用了鈮酸鋰或其中摻雜鋅的材料，但是使用鈮酸鋰和鉭酸鋰的混晶或者在其中加入微量元素，或者使用其他的二次非線性光學(xué)材料也能夠得到相同的效果。而且，波導(dǎo)制作方法雖然使用了第五實施方式的方法或者熱處理質(zhì)子交換法，但是即使使用Ti擴散等的金屬擴散波導(dǎo)、帶脊波導(dǎo)、掩埋型波導(dǎo)也能得到相同的效果。
在具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)的兩端附近也可以改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以使在各端面連接的光纖更容易與光連接，或者對空間放射時的光的形狀最優(yōu)化。半導(dǎo)體激光器模塊內(nèi)部安裝了絕緣體，但是也可以在具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)的端面涂上無反射涂層，或者斜切出具有二次非線性光學(xué)效果的光波導(dǎo)而設(shè)置光纖或透鏡，或者組合使用這些方法，防止反射回的光。
(第五實施方式) 下面，說明非線性光學(xué)晶體中形成波導(dǎo)的方法。本實施方式中，采用了脊型波導(dǎo)，該脊型波導(dǎo)使用直接與晶片接合的基板。在晶片直接接合法中，將具有與工作波長配合的極化結(jié)構(gòu)的LiNbO3基板和表面處理完了的基板不通過粘結(jié)劑而在室溫直接接合，進行退火處理。該波導(dǎo)是對接合基板的極化結(jié)構(gòu)進行磨削或者形成為薄膜，然后用切割鋸形成脊型波導(dǎo)。
作為具有LiNbO3基板的課題在于提高光損傷耐受性。光損傷是指下述的現(xiàn)象因入射到波導(dǎo)的光而使得從晶體中所存在的缺陷激發(fā)載波，其后，因在晶體中陷波而產(chǎn)生折射率變化(光折射效果)，由此導(dǎo)致工作波長偏移。因LiNbO3基板波導(dǎo)的工作波段區(qū)域為1nm，較狹小，所以如果有光損傷，則會大幅度減少輸出光的功率，或者完全不輸出光。在無摻雜LiNbO3基板上使用質(zhì)子交換法做成的波導(dǎo)元件中，為了實現(xiàn)充分的光損傷耐性，有必要將波導(dǎo)元件的工作溫度設(shè)置為100℃以上，但是存在因為該加熱引起質(zhì)子再擴散而不能保持長期穩(wěn)定性的問題。當不使用無摻雜LiNbO3基板，而是在采用摻雜有Mg或Zn的LiNbO3基板上使用質(zhì)子交換法做成的波導(dǎo)元件時，雖然可以表現(xiàn)出對光損傷耐受性具有一定的改善，但是需要將波導(dǎo)元件加熱到50℃以上。
另一方面，使用了直接接合基板的脊型波導(dǎo)是不會惡化LiNbO3本來的晶體性的制作方法，能夠抑制新的缺陷生成，能夠大幅度提高光損傷耐受性。
這里，波長變換效率、和頻光或差頻光的功率Pa為 Pa＝ηL2P1P2/100 二次諧波的功率Pb為 η是單位長度的效率(％/W/cm2)，L是元件長度，P1P2P3是激發(fā)激光器的輸出光功率。
在本實施方式中，能夠在光通信用的波段以外工作，通過與10～100W程度的高輸出半導(dǎo)體激光器的組合，能夠得到10mW以上的穩(wěn)定的輸出。這樣，LiNbO3可在透明的區(qū)域450nm～5μm中產(chǎn)生任意波長的激光。
(實施例5-1) 圖27表示單模的帶脊波導(dǎo)的制作方法。第一基板501是預(yù)先制作周期性極化結(jié)構(gòu)的Z切割的摻雜Zn的LiNbO3基板，第二基板502是Z切割的摻雜Mg的LiNbO3基板?；?01，502的兩面是經(jīng)光學(xué)研磨的3英寸晶片，基板的厚度是300μm。將第一基板501和第二基板502的表面通過通常的酸洗凈或堿洗凈使之具有親水性后，在清潔的環(huán)境中重新疊置基板501，502。將重新疊置后的基板501，502放入電爐中，通過在400℃經(jīng)過3小時的熱處理進行擴散接合(第一工序)。接合的基板501，502無空隙，回到室溫時沒有產(chǎn)生破裂等。
接著，使用其用于研磨的水平塊(硏磨定盤)在平坦度方面受到控制的研磨裝置，將接合的基板501，502的第一基板501的厚度研磨加工到5～10μm。在研磨加工后，通過進行拋光加工，得到鏡面的研磨表面(第二工序)。用光學(xué)平行度測量儀測量基板的平行度時，除了3英寸晶片的周圍外，幾乎整體上得到了亞微米的平行度，能夠制作適合波導(dǎo)制作的薄膜基板。也可以第一基板501使用X切割的摻雜Zn的LiNbO3基板，第二基板502使用X切割的摻雜Mg的LiNbO3基板。
在制作的薄膜基板表面通過通常的光刻工序制作波導(dǎo)圖形后，在干法蝕刻裝置上設(shè)置基板，通過將CF4作為蝕刻氣體而對基板表面進行蝕刻，由此形成寬度為6～20μm的芯，制作脊型波導(dǎo)(第三工序)。通過從晶片切出脊型波導(dǎo)，對波導(dǎo)端面進行光學(xué)研磨，由此能夠得到長10～60mm的非線性光學(xué)晶體的波導(dǎo)元件。
(實施例5-2) 第一基板501是預(yù)先制作周期性極化結(jié)構(gòu)的Z切割的摻雜Zn的LiNbO3基板，第二基板502是Z切割的LiTaO3基板?；?01，502為其兩面均經(jīng)過光學(xué)研磨的3英寸晶片，基板的厚度是300μm。將第一基板501和第二基板502的表面通過通常的酸洗凈或者堿洗凈使之具有親水性后，在清潔的環(huán)境中疊置基板501，502。將疊置后的基板501，502放入電爐中，通過在400℃下經(jīng)過3小時的熱處理進行擴散接合(第一工序)。接合的基板501，502無空隙，回到室溫后沒有發(fā)生破裂等情況。
接著，使用其研磨定盤在平坦度方面受到控制的研磨裝置，將接合的基板501，502的第一基板501的厚度研磨加工到6～10μm。研磨加工后，通過進行拋光加工得到鏡面的研磨表面(第二工序)。用光學(xué)平行度測量儀測量基板的平行度時，除了3英寸晶片的周圍外，幾乎整體上得到亞微米的平行度，能夠制作適合波導(dǎo)制作的薄膜基板。另外，也可以第一基板501使用X切割的摻雜Zn的LiNbO3基板，第二基板502使用X切割LiTaO3基板。
在制作的薄膜基板表面通過通常的光刻工序制作波導(dǎo)圖形后，在干蝕刻裝置上設(shè)置基板，通過將CF4作為蝕刻氣體而對基板表面進行蝕刻，由此形成寬幅6～20μm的芯，制作成脊型波導(dǎo)(第三工序)。從晶片中切出脊型的波導(dǎo)，通過對波導(dǎo)端面進行光學(xué)研磨，由此能夠得到長10～60mm的非線性光學(xué)晶體的波導(dǎo)元件。
(實施例5-3) 第一基板501是預(yù)先制作周期性極化結(jié)構(gòu)的LiNbO3基板，第二基板502是水晶基板。與水晶的Z軸垂直的面內(nèi)方向的熱膨脹系數(shù)是13.6×10-6/K，接近LiNbO3的熱膨脹系數(shù)，與LiNbO3的折射率為2.1相比，水晶的折射率是1.53，較小，所以適合波導(dǎo)的制作。根據(jù)與實施例5-1相同的制造方法，能夠得到非線性光學(xué)晶體的波導(dǎo)元件。
第一基板501除了使用摻雜Zn的LiNbO3基板之外，也可使用摻雜Mg的LiNbO3基板；摻雜Sc的LiNbO3基板、摻雜In的LiNbO3基板、LiTaO3基板、LiNbxTa1-xO3基板、KNbO3基板、KTiNbO3基板等。
(實施例5-4) 對制作到實施例5-1的第二工序的基板采用切割鋸的精密磨削加工技術(shù)，來制作波導(dǎo)。將研磨后的基板設(shè)置在切割鋸上，通過使用粒子半徑為4微米以下的鉆刀進行的精密加工，制作成具有寬度為6μm的芯的脊型波導(dǎo)(第三工序)。從晶片中切出脊型波導(dǎo)，通過對波導(dǎo)端面進行光學(xué)研磨，能夠得到長10～60mm的非線性光學(xué)晶體的波導(dǎo)元件。此外，也可使用實施例5-2和實施例5-3制作的基板。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性 根據(jù)本實施方式，鈉D線的折射率測量能夠比原有的提高兩位數(shù)程度的精度。因此，不僅可改善食品或醫(yī)藥品的品質(zhì)管理，而且通過提高異物、有毒物質(zhì)混入的監(jiān)視精度，可大幅度地提高安全性。另外，對折射率和密度的關(guān)系已知的物質(zhì)，也可從折射率的測量得到密度，可大大提高密度測量的精度。
另外，根據(jù)本實施方式，通過采用能量效率高、小型化且低耗電的激光光源，能夠?qū)崿F(xiàn)小型且經(jīng)濟的激光顯微鏡、流體檢查窗測量儀等。
而且，通過本實施方式的產(chǎn)生中紅外光的激光光源，能夠精確地檢測出環(huán)境氣體，適用于檢測農(nóng)作物上殘留的農(nóng)藥的測量裝置。
另外，可作為用于氧濃度計的光源，輸出氧吸收線的波長759nm到768nm的激光。
權(quán)利要求
1.一種激光光源，包括第一激光器，產(chǎn)生波長為λ1的激光；第二激光器，產(chǎn)生波長為λ2的激光；非線性光學(xué)晶體，其輸入所述波長λ1的激光和所述波長λ2的激光，輸出相干光，該相干光具有滿足1/λ1-1/λ2＝1/λ3關(guān)系的差頻的波長λ3，其特征在于，
所述波長λ1為0.9～1.0μm，所述非線性光學(xué)晶體具有單個周期的極化結(jié)構(gòu)，
當所述波長λ2在1.3～1.8μm之間變化時，所述差頻的波長λ3在波長3.1～2.0μm之間變化。
2.如權(quán)利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述非線性光學(xué)晶體還具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其特征在于，包括兩個偏振保持光纖，與所述第一和第二激光器的各輸出連接；合波器，將該兩個偏振保持光纖的輸出進行合波，并連接至所述非線性光學(xué)晶體。
4.如權(quán)利要求3所述的激光光源，其特征在于，所述第一和第二激光器為半導(dǎo)體激光器，所述兩個偏振保持光纖中的至少一個光纖具有光纖布拉格光柵。
5.如權(quán)利要求1至4的任一項所述的激光光源，其特征在于，還包括
溫度控制元件，與所述非線性光學(xué)晶體以導(dǎo)熱方式連接；
溫度控制回路，用來對該溫度控制元件進行控制，從而控制所述非線性光學(xué)晶體的溫度。
6.一種光吸收分析裝置，包括激光發(fā)射裝置，氣體單元，以及激光檢測裝置，用于以光學(xué)方法測量氣體濃度，其特征在于，所述激光發(fā)射裝置包括
第一激光器，產(chǎn)生波長λ1＝0.9～1.0μm的激光；
第二激光器，產(chǎn)生波長為λ2的激光；
非線性光學(xué)晶體，具有單個周期的極化結(jié)構(gòu)，輸入所述波長λ1的激光和所述λ2的激光，并輸出相干光，該相干光具有滿足1/λ1-1/λ2＝1/λ3關(guān)系的差頻的波長λ3，
當所述波長λ2在1.3～1.8μm之間變化時，所述差頻的波長λ3在波長3.1～2.0μm之間變化。
7.一種兩波長差分吸收雷達，其利用輸出具有被測量氣體的吸收波長和非吸收波長的兩個激光的兩波長光源，和因來自所述被測量氣體的所述激光產(chǎn)生的各散射光的強度差，來測量氣體濃度，其特征在于，所述兩波長光源包括
第一激光器，產(chǎn)生波長λ1＝0.9～1.0μm的激光；
第二激光器，產(chǎn)生波長λ2的激光；
非線性光學(xué)晶體，具有單個周期的極化結(jié)構(gòu)，輸λ所述波長λ1的激光和所述λ2的激光，并輸出相干光，該相干光具有1/λ1-1/λ2＝1/λ3關(guān)系的差頻的波長λ3，
當所述波長λ2在1.3～1.8μm之間變化時，所述差頻的波長λ3在波長3.1～2.0μm之間變化。
全文摘要
本發(fā)明提供小型激光光源，通過組合高效率的非線性光學(xué)晶體和高輸出的光通信半導(dǎo)體激光器，可在尚未被半導(dǎo)體激光器實際應(yīng)用的波長區(qū)域中自由地設(shè)計波長。在一個實施方式中，包括第一激光器，產(chǎn)生波長λ1的激光；第二激光器，產(chǎn)生波長λ2的激光；非線性光學(xué)晶體，輸入波長λ1和波長λ2的激光，輸出相干光，該相干光具有1/λ1+1/λ2＝1/λ3關(guān)系的和頻波長λ3，和頻波長λ3為589.3±2nm，相當于鈉D線。
文檔編號G02F1/37GK101290452SQ20071014380
公開日2008年10月22日 申請日期2004年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月1日
發(fā)明者湯本潤司, 忠永修, 遊部雅生, 鈴木博之, 吉野薰, 宮澤弘, 西田好毅, 神原浩久, 柳川勉, 久保田英志, 馬渡宏泰 申請人:日本電信電話株式會社