專利名稱：光源和氣體計量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光源和氣體計量裝置，更詳細地，涉及一種輸出具 有單光譜線寬度的中紅外光的光源以及采用此光源的氣體計量裝置。
背景技術(shù)：
近年來，環(huán)境問題被大大關(guān)注，環(huán)境氣體的計量就變得重要。環(huán)境
氣體多數(shù)在波長2um以上的中紅外區(qū)域具有基本振動或其低階的諧波 的吸收線。因此，對在中紅外區(qū)域產(chǎn)生高輸出的相干(coherent)光的 中紅外光光源的要求越來越高。作為這種光源，己公知一種利用通過作 為二次非線性光學(xué)效果之一的模擬相位匹配而產(chǎn)生第二高次諧波、產(chǎn)生 和頻(sum frequency)、產(chǎn)生差頻(difference frequency)的波長轉(zhuǎn)換 元件等(例如，參照專利文獻l)。
圖1表示采用現(xiàn)有模擬相位匹配型的波長轉(zhuǎn)換元件的波長轉(zhuǎn)換裝 置的結(jié)構(gòu)。波長轉(zhuǎn)換裝置由以下部件構(gòu)成輸出波長^的激勵光A的 半導(dǎo)體激光器ll，輸出波長^的信號光B的半導(dǎo)體激光器12，合成并 輸出激勵光A和信號光B的光耦合器(coupler) 14，以及由輸入已合 成的激勵光A和信號光B并輸出波長k的轉(zhuǎn)換光C的非線性光學(xué)晶體 構(gòu)成的波長轉(zhuǎn)換元件13。驅(qū)動電路lla、 12a和溫度控制電路llb、 12b 分別連接至半導(dǎo)體激光器ll、 12。并且，在半導(dǎo)體激光器ll和光耦合 器14之間，插入光纖光柵15。
由于轉(zhuǎn)換光C的強度與激勵光A和信號光B的強度之積成比例， 所以如果使激勵光A為固定強度，則能夠僅轉(zhuǎn)換從信號光B向轉(zhuǎn)換光C 的波長。例如，XA=0.976tai、 ？iB=1.307toi時，作為和頻，可獲得 Xc=0,559Pm。此外， iA=1.064l^m、 XB=1.567tai時，作為差頻，可獲得 Ac=3.3mm。因此，為了獲得確定的波長，就必須嚴(yán)格控制激勵光A和 信號光B的波長。此外，圖2表示用于通過產(chǎn)生差頻獲得3.31Pm的中紅外光而進行
波長轉(zhuǎn)換的情況的相位匹配曲線圖。由于波長轉(zhuǎn)換元件的相位匹配頻帶 非常狹窄，所以為了穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)換光，優(yōu)選用單一模式進行振蕩的半導(dǎo) 體激光器。
1.55toi、 1.3Wm的波長是在光通信領(lǐng)域使用的長波長帶，作為半 導(dǎo)體激光器，能夠采用內(nèi)置衍射光柵、在單一波長下振蕩的DFB激光 二極管。另一方面，由于很難制造DFB激光二極管、且很少需要，所 以0.98Pm、 1.06tai、 0.77Pm短波長帶的波長，作為半導(dǎo)體激光器，采 用常規(guī)多模式振蕩的激光二極管。因此，通過將部分反射僅確定波長的 光纖光柵與半導(dǎo)體激光器的輸出連接，并在半導(dǎo)體激光器中再次注入一 部分輸出光，來控制振蕩波長以便在光柵波長下振蕩。
圖3表示現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器模塊的結(jié)構(gòu)。當(dāng)組合半導(dǎo)體激光二極管 (以下稱為LD)和光纖光柵(以下稱為FBG)時，大多在距離LD大 約lm以上之處設(shè)置并使用FBG (例如，參照專利文獻l)。半導(dǎo)體激 光器模塊由激光二極管31、形成了 FBG35的極化光纖36構(gòu)成。從激 光二極管31發(fā)射的光通過透鏡32、 33與在套管(ferrule) 34中內(nèi)藏的 極化光纖36耦合。激光二極管31發(fā)射1064nm波段的激光，F(xiàn)BG35的 反射頻帶為60pm。當(dāng)激光二極管31和FBG35的間隔為1.2m的情況下， 就呈現(xiàn)出在反射頻帶之中按波長間隔0.27pm (這相當(dāng)于上述1.2m的諧 振間隔)重復(fù)的反射峰值。
圖4表示組合現(xiàn)有激光二極管和光纖光柵的光源的輸出頻譜。如圖 4中所示，當(dāng)用分辨率10pm的光頻譜分析儀進行評價時，在中心波長 人產(chǎn)1064nm下計量為半值寬度大約10pm的單光譜線。但是，實際上， 呈現(xiàn)出時間輸出變化不連續(xù)輸出的頻譜，在半值寬度約10pm的頻譜中， 就成為具有35個峰值的多模式狀態(tài)。
圖5表示用電氣頻譜分析儀測定輸出頻譜的結(jié)果。在相當(dāng)于波長間 隔0.27pm的大約85MHz的倍數(shù)的位置具有反射峰值。在圖6中，表示 了用標(biāo)準(zhǔn)器(etalon)測定輸出頻譜的結(jié)果。采用可高分辨率觀測的法 布里/珀羅/標(biāo)準(zhǔn)器(Fabry-Perotetalon) (FSR=8GHz、精細度(finesse) =359)來觀測頻譜。整個輸出頻譜成為比OFF級更抬起的狀態(tài)，可知
5單一模式是多個重疊起來、可看成一個模式的模擬單一模式。當(dāng)為了概 算半值寬度用虛線引出外插線時，就成為大約6GHZ的半值寬度(
20pm)，成為單一模擬模式，無論電氣還是光學(xué)都能進行觀測。
在環(huán)境氣體的計量中使用的氣體計量裝置必須分析相鄰且表現(xiàn)明 顯的氣體吸收頻譜。例如，在直接觀測因氣體壓力而改變的吸收頻譜寬 度(以下稱為壓力寬度)的情況下，中紅外光光源也可以具有半值寬度
0.8pm (250MHz)左右的模擬單一模式的譜線寬度。因此，以圖1中所 示的波長轉(zhuǎn)換裝置為光源，構(gòu)成氣體計量裝置。
圖7表示現(xiàn)有氣體計量裝置的結(jié)構(gòu)。在半導(dǎo)體激光器ll中，采用 波長XA=1064nm的激光二極管，在半導(dǎo)體激光器12中，采用波長 XB=1567nm的DFB激光器。從波長轉(zhuǎn)換元件13發(fā)射的轉(zhuǎn)換光C即波長 人c^3314nm的中紅外光，用透鏡25進行校準(zhǔn)，透過分割激勵光A和信 號光B的濾光器27之后，分路為2個通道。 一個光束透過未封入氣體 的基準(zhǔn)(reference)單元20之后，用光接收器22測定透射光強度。另 一個光束透過己封入甲烷氣體(9Torr)的氣體單元21之后，用光接收 器23測定透射光強度。用運算裝置標(biāo)準(zhǔn)化計算2個光接收器22、 23的 測定結(jié)果。
而且，采用斬光器26， ON/OFF調(diào)制透過單元20、 21的光束。在 鎖定放大器24中，通過以調(diào)制頻率鎖定檢波光接收器22、 23的輸出， 就提高了測定靈敏度。按照溫度掃描半導(dǎo)體激光器12的振蕩波長，由 此就能夠以大約200pm (波長3314nm下5.6GHz)的分辨率來測定吸 收頻譜。圖8表示由現(xiàn)有氣體計量裝置獲得的甲烷氣體的吸收線頻譜。
雖然圖1中所示的波長轉(zhuǎn)換裝置通過采用半導(dǎo)體激光器，構(gòu)成小 型、牢固、使用方便的優(yōu)良的光源，但分辨率不夠。即，如上所述，由 于是可測定壓力寬度程度的模擬單一模式，所以作為譜線寬度粗了。在 醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域中，例如，為了在大氣壓下測定/評價呼氣的吸收線，就 需要大約2.2pm (600MHz)以上的線寬。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，考慮用 在輸送管中流過的氣體的內(nèi)嵌監(jiān)視器。此情況下，由于提高真空度壓力 降低，就必須評價如切割100MHz那樣的吸收線寬度。要在這些應(yīng)用領(lǐng) 域中使用，現(xiàn)狀的輸出激勵光的半導(dǎo)體激光器的線寬，不能夠正確評價作為對象的吸收線寬度。
轉(zhuǎn)換光的頻譜線寬度大大地依賴于激勵光和信號光兩者的激光的
振蕩線寬。作為信號光采用的1.55Hm帶寬的半導(dǎo)體激光器，使振蕩線 寬度為lMHz以下的半導(dǎo)體激光器實用化，必須將輸出激勵光的半導(dǎo)體 激光器的振蕩線寬度降低至lMHz以下。
如此，使半導(dǎo)體激光器的線寬成為窄頻帶，因使用環(huán)境溫度改變而 輸出激勵光的半導(dǎo)體激光器的振蕩波長就會有偏差。此結(jié)果存在所謂轉(zhuǎn) 換光波長也會有偏差的問題。因為被測定對象是波長固定的吸收線，因 此這種波長偏差給測定制度造成很大的影響。因此，就必須不受使用環(huán) 境溫度變化的影響而產(chǎn)生轉(zhuǎn)換光的波長。
本發(fā)明的目的在于，提供一種實現(xiàn)半值寬度0.004pm (lMHz)以 下的單光譜線寬度且不受使用環(huán)境溫度變化影響的光源及氣體計量裝 置。
專利文獻l:日本國特開2003-140214號公報
非專禾ll文獻1: A. Ferrari, et al., " Subkilohertz Fluctuations and Mode Hopping in High-Power Grating-Stablized 980-nm Pumps" ， IEEE J. of lightwave Tech., vol. 20, pp. 515-518, 2002/
發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種光源，其中該光源包括 第一激光器，產(chǎn)生第一激光；第二激光器，產(chǎn)生第二激光；以及非線性 光學(xué)晶體，輸入第一激光束和第二激光束，并通過產(chǎn)生差頻或產(chǎn)生和頻 來輸出相干光，其特征在于，上述第二激光器內(nèi)置衍射光柵，是能夠掃 描上述第二激光的波長的可變波長光源，上述第一激光器由半導(dǎo)體激光 器和具有比由該半導(dǎo)體激光器的元件長度決定的諧振波長間隔更窄的 反射頻帶的光纖光柵構(gòu)成，上述第一激光束具有半值寬度1MHz以下的 單光譜線寬度。
此光源還可以包括監(jiān)視器，測定使用環(huán)境溫度；以及，溫度控制 電路，根據(jù)用該監(jiān)視器測定出的使用環(huán)境溫度，控制上述第二激光器的 設(shè)定溫度。此外，此光源還可以包括監(jiān)視器，測定使用環(huán)境溫度；以及，驅(qū)動電路，根據(jù)用該監(jiān)視器測定出的使用環(huán)境溫度、控制上述第二 激光器的驅(qū)動電流。并且上述第一激光器還可以包括溫度控制電路， 控制上述光纖光柵的設(shè)定溫度。
此光源也可以包括波長計，測定從上述第一激光器輸出的上述第 一激光的波長；以及，溫度控制電路，根據(jù)用上述波長計測定出的波長、 控制上述第二激光器的設(shè)定溫度，以使上述第一激光的波長成為所希望 的波長。此外，此光源還可以進一步包括波長計，測定從上述第一激 光器輸出的上述第一激光的波長；以及，驅(qū)動電路，根據(jù)用上述波長計 測定出的波長，控制上述第二激光器的驅(qū)動電流，以使上述第一激光的 波長成為所希望的波長。
一種氣體計量裝置，其特征在于，包括此光源；分路從該光源輸
出的光束并使其透過基準(zhǔn)單元和氣體單元的裝置；以及，光接收器，接
收透過上述基準(zhǔn)單元和上述氣體單元的光束。氣體計量裝置還可以包
括單元保持裝置，保持上述基準(zhǔn)單元和上述氣體單元。


圖1表示采用現(xiàn)有模擬相位匹配型的波長轉(zhuǎn)換元件的波長轉(zhuǎn)換裝 置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2表示通過產(chǎn)生差頻進行波長轉(zhuǎn)換的情況的相位匹配曲線圖。 圖3表示現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器模塊的結(jié)構(gòu)圖。
圖4表示現(xiàn)有組合了激光二極管和光纖光柵的光源的輸出頻譜圖。 圖5表示由電氣頻譜分析儀測定的輸出頻譜的結(jié)果圖。 圖6表示由標(biāo)準(zhǔn)器測定的輸出頻譜的結(jié)果圖。 圖7表示現(xiàn)有氣體計量裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖8表示由現(xiàn)有氣體計量裝置獲得的甲垸氣體的吸收線頻譜圖。 圖9表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的半導(dǎo)體激光器模塊的結(jié)構(gòu)圖。
圖10表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的半導(dǎo)體激光器模塊的輸出 頻譜圖。
圖11表示由電氣頻譜分析儀測定的輸出頻譜的結(jié)果圖。圖12表示由標(biāo)準(zhǔn)器測定的輸出頻譜的結(jié)果圖。 圖13表示利用延遲自差法測定的輸出頻譜的結(jié)果圖。 圖14表示根據(jù)本發(fā)明的實施例1的氣體計量裝置的結(jié)構(gòu)圖。 圖15表示利用實施例1的氣體計量裝置所獲得的甲烷氣體的吸收 線頻譜圖。
圖16表示根據(jù)本發(fā)明的實施例2的氣體計量裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖17表示在輸出信號光的半導(dǎo)體激光器中的振蕩波長的使用環(huán)境
溫度依賴關(guān)系圖。
圖18表示在輸出激勵光的半導(dǎo)體激光器中的振蕩波長的使用環(huán)境
溫度依賴關(guān)系圖。
圖19表示根據(jù)本發(fā)明的實施例3的半導(dǎo)體激光器模塊的結(jié)構(gòu)圖。 圖20表示在輸出激勵光的激光二極管中的振蕩波長的使用環(huán)境溫
度依賴關(guān)系圖。
圖21表示根據(jù)本發(fā)明的實施例4的氣體計量裝置的結(jié)構(gòu)圖。 圖22表示根據(jù)本發(fā)明的實施例5的氣體計量裝置的結(jié)構(gòu)圖。 圖23表示根據(jù)本發(fā)明的實施例6的氣體計量裝置的結(jié)構(gòu)圖。 圖24表示利用氣體計量裝置獲得的氣體的吸收線頻譜圖。
具體實施例方式
在下文中，將參照附圖，詳細說明本發(fā)明的實施方式。 圖9表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的半導(dǎo)體激光器模塊的結(jié)構(gòu)。 半導(dǎo)體激光器模塊由激光二極管51和形成了 FBG55的極化光纖56構(gòu) 成。來自激光二極管51的發(fā)射光通過透鏡52、 53，與內(nèi)置于套管54 中的極化光纖56耦合。激光二極管51利用珀耳帖(Peltier)元件57 保持在固定溫度。
激光二極管51發(fā)射1064nm頻段的激光束。元件長度為1200tai， 諧振波長間隔為124pm。激光二極管51的端面反射率，處于極化光纖 56 —側(cè)的反射率的0.1%，相反側(cè)為卯％。 FBG55與套管54 —起被設(shè) 置于模塊的框體58內(nèi)，激光二極管51和FBG55的間隔為2cm。FBG55 的反射頻帶為60pm、反射率為20%,具有比由激光二極管51的元件長度決定的諧振波長間隔更加狹窄的反射頻帶。由此，由于由激光二極管 51的兩個端面的反射所規(guī)定的諧振模式僅選擇一種模式，所以就能夠 成為在單一模式下的振蕩。
圖10表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的半導(dǎo)體激光器模塊的輸出
頻譜。如圖10中所示，當(dāng)利用分辨率10pm的光譜分析儀進行評價時， 就測定為中心波長X=1064nm下半值寬度約10pm的單一譜線。與圖4 相比較時，不同之處在于，頻譜的底部寬度，本實施方式為整體上更加 尖銳的頻譜。
圖11表示由電氣頻譜分析儀測定輸出頻譜的結(jié)果。規(guī)定激光二極 管51的背面(與FBG相反側(cè))與FBG55的間隔的光學(xué)長度為大約 2.4cm。因此，就呈現(xiàn)出在反射頻帶中以波長間隔23pm (大約6GHz) 反復(fù)反射峰值。但是，由于電氣頻譜分析儀的測定頻帶為0 2GHz，所 以就不能觀測相當(dāng)于此反射峰值下的模式。
而且，由于此波長間隔比FBG55的反射頻帶更加狹窄，所以就有 可能選擇2種模式。但是，當(dāng)一種模式與激光二極管51的兩端面之間 的諧振模式一致時，則因振蕩閾值變低所以也容易振蕩。由此，通過充 分地將激光二極管51的前面(FBG側(cè))的反射率向0.1%以下降低，實 質(zhì)上就能夠在單一模式下進行振蕩。
圖12表示由標(biāo)準(zhǔn)器測定輸出頻譜的結(jié)果。無論是電氣還是光學(xué)地 都能夠觀測半值寬度大約64MHz (0.24pm)的完全單一模式的頻譜。 由于法布里/珀羅/標(biāo)準(zhǔn)器(FSR=8GHz、精細度=359)的分辨率為大約 23MHz，為大致相同程度的等級，所以認為實際線寬更加狹窄。
圖13表示利用延遲自差法測定的輸出頻譜的結(jié)果。在延遲自差法 中，將半導(dǎo)體激光器模塊的輸出分為2路， 一路連接5km的光纖。另 一路連接AO (Acoust-Optical)調(diào)制器，使振蕩頻率偏差100MHz。通 過再次合成這樣2個輸出，當(dāng)觀測100MHz下產(chǎn)生的拍頻(beat)光時， 就獲得了大約300kHz線寬。
實施例1
圖14表示根據(jù)本發(fā)明的實施例1的氣體計量裝置的結(jié)構(gòu)。該裝置 為將圖7所示的氣體計量裝置中組合了波長轉(zhuǎn)換裝置的半導(dǎo)體激光器
1011和FBG15的光源替換成圖9所示的半導(dǎo)體激光器模塊71。相當(dāng)于第 一激光器的半導(dǎo)體激光器12為DFB激光器，能夠掃描波長。相當(dāng)于第 二激光器的半導(dǎo)體激光器模塊71，如上所述，由具有半值寬度250MHz 以下的單一光譜線寬度的非線性光學(xué)晶體構(gòu)成，波長轉(zhuǎn)換元件13的元 件長度為50mm、反轉(zhuǎn)周期為28.4Wn，轉(zhuǎn)換效率為40°/。/W。
從波長轉(zhuǎn)換元件13發(fā)射的轉(zhuǎn)換光C即中紅外光用透鏡25進行校 準(zhǔn)、透過切割激勵光A和信號光B的濾波器27之后，被分路為2個通 道。 一個光束透過未封入氣體的基準(zhǔn)單元20之后，用光接收器22測定 透射光強度。另一個光束透過封入甲烷氣體(9Torr、 20cm)的氣體單 元21之后，用光接收器23測定透射光強度。用運算裝置標(biāo)準(zhǔn)化計算2 個光接收器22、 23的測定結(jié)果。再有，作為光接收器22、 23，采用PbSe 光導(dǎo)電元件。為了提高測定靈敏度，與現(xiàn)有技術(shù)相同之處在于，進行鎖 定(lock in)檢波。
圖15表示利用實施例1的氣體計量裝置所獲得的甲烷氣體的吸收 線頻譜。通過溫度掃描半導(dǎo)體激光器12的諧振波長，由此以lpm刻痕 掃描波長lnm。與圖8的現(xiàn)有氣體計量裝置相比較時，就能夠明顯分離、 觀測20pm以下的頻譜結(jié)構(gòu)。定量地可知能夠?qū)⒎直媛矢纳拼蠹s25倍。
假設(shè)作為半導(dǎo)體激光器12使用的DFB激光器的振蕩波長 a產(chǎn)1567nm)的位移為A^時，就產(chǎn)生轉(zhuǎn)換光即中紅外光波長人3的位 移A、。此時轉(zhuǎn)換光的波長M由公式1確定a3=3314nm)。
1/人3=1/^-1/人2 (公式1)
這里，半導(dǎo)體激光器模塊71的振蕩波長^-1064nm。根據(jù)公式1， 轉(zhuǎn)換光的波長位移A 、由公式2確定。 厶人3 A、x a3/、) 2 (公式2)
如果設(shè)A人產(chǎn)lpm，則可估計出AX3=4.5pm。因此，由于為了將反射 峰值判斷為峰值需要大約5個測定點，所以分辨率就被限制于20pm。 如果能使半導(dǎo)體激光器12的波長比lpm刻痕更窄的話，則毫無疑問能 使中紅外光的波長步進進一步變細，降低分辨率。
實施例2
圖16表示根據(jù)本發(fā)明的實施例2的氣體計量裝置的結(jié)構(gòu)。在圖14所示的實施例1中的氣體計量裝置中，增加使用環(huán)境溫度監(jiān)視器72。
使用環(huán)境溫度監(jiān)視器72與驅(qū)動電路12a和溫度控制電路12b連接，反 饋被測定光源的使用環(huán)境溫度的信息。
圖17表示在輸出信號光的半導(dǎo)體激光器中的振蕩波長的使用環(huán)境 溫度依賴關(guān)系。作為半導(dǎo)體激光器12使用的DFB激光器的振蕩波長 、產(chǎn)1567nm取決于內(nèi)置的布拉格(Bragg)光柵。當(dāng)使用環(huán)境溫度范圍 在15i: 45t:改變的情況下，就產(chǎn)生半導(dǎo)體激光器12的振蕩波長位移 AX產(chǎn)-4pm。此時，根據(jù)公式3轉(zhuǎn)換光的波長位移A^，在長波長側(cè)可 估計為17.9pm。
△ X3 -AX2x 2 (公式3)
圖18表示在輸出激勵光的半導(dǎo)體激光器模塊中的振蕩波長的使用 環(huán)境溫度依賴關(guān)系。半導(dǎo)體激光器模塊71的振蕩波長X產(chǎn)1064nm取決 于FBG55。當(dāng)使用環(huán)境溫度范圍在15。C 45t:改變的情況下，F(xiàn)BG55 的選擇波長A人，在長波長側(cè)變化僅0.21nm，基本上成線性比例。艮P， 因使用環(huán)境溫度變化而對A人3的影響非常大。此時，由公式2給出轉(zhuǎn)換 光的波長位移A^，在長波長側(cè)可估計為2.04nm。 g卩，轉(zhuǎn)換光的波長在 長波長側(cè)偏移(2.04+0.0179) nm"2.06nm。
在此，當(dāng)在圖15所示的吸收頻譜中應(yīng)用此波長位移時，在-2.06nm 長波長側(cè)，由于可改變光源的波長，所以會超過圖15的標(biāo)度范圍。由 于，甲烷氣體的吸收線頻譜本身不變化，如果改變使用環(huán)境溫度，就必 須改變DFB激光器的諧振波長^。因此，為了使光源的波長落入圖15 的標(biāo)度范圍，根據(jù)公式4，可估計為DFB激光器的波長位移A 入2=0.429腦。
A人2 -A、x (、/、) 2 (公式4)
在使用環(huán)境溫度為15"的情況下和45X:的情況下，就必須僅向短 波長側(cè)移動DFB激光器的諧振波長429pm。由于作為半導(dǎo)體激光器12 使用的DFB激光器的溫度系數(shù)為0.01nm/°C，所以就能夠?qū)雽?dǎo)體激光 器12的設(shè)定溫度提高4.3"C。由此，就能夠使氣體計量裝置的光源的波 長基本固定。如果評價結(jié)果落入標(biāo)度范圍內(nèi)，就能夠?qū)怏w固有的吸收 線波長頻譜作為基準(zhǔn)進行修正。此外，除輸出信號光的DFB激光器的溫度、通過改變設(shè)定電流，
就能夠以10pm/mA的比例設(shè)定波長。根據(jù)此方法，與改變溫度TC相 比，能夠表現(xiàn)出改變設(shè)定電流lmA產(chǎn)生約1位的精細調(diào)整。
如此這樣，即使在改變使用環(huán)境溫度的情況下，通過從使用環(huán)境溫 度監(jiān)視器72對驅(qū)動電路12a或溫度控制電路12b加反饋，就能并用、 改變驅(qū)動電流或設(shè)定溫度。由此，就能夠使來自氣體計量裝置的光源的 輸出光的波長入3以固定的波長范圍、穩(wěn)定的功率進行掃描。
實施例3
圖19表示根據(jù)本發(fā)明的實施例3的半導(dǎo)體激光器模塊的結(jié)構(gòu)。半 導(dǎo)體激光器模塊由激光二極管91和形成了 FBG95的極化光纖96構(gòu)成。 來自激光二極管91的發(fā)射光通過透鏡92、 93,與內(nèi)置于套管94內(nèi)的 極化光纖96耦合。激光二極管91利用珀耳帖元件97保持在固定的溫 度，F(xiàn)BG95通過珀耳帖元件99保持在固定的溫度。
激光二極管91發(fā)射1064nm頻段的激光束。FBG95與套管94 一起 被設(shè)置于模塊的框體98內(nèi)，激光二極管91和FBG95的間隔為2cm。 FBG95的反射頻帶為60pm、反射率為20%。如圖18中所示，當(dāng)使用 環(huán)境溫度在15'C 45"C下改變時，振蕩波長偏移僅0.21nm。因此，為 了能夠只控制FBG95的溫度，安裝了珀耳帖元件99。
圖20表示在輸出激勵光的半導(dǎo)體激光器中的振蕩波長的使用環(huán)境 溫度依賴關(guān)系。當(dāng)使用環(huán)境溫度在15"C 45'C改變的情況下，F(xiàn)BG95 的選擇波長A^的變化僅為2pm，如果與圖18進行比較，則能降低到 1/100。如此這樣，即使使用環(huán)境溫度發(fā)生變化的情況下，也能夠在固 定的波長范圍下測定吸收線頻譜。
實施例4
圖21表示根據(jù)本發(fā)明的實施例4的氣體計量裝置的結(jié)構(gòu)。該裝置 為，在圖14中的氣體計量裝置中將圖9中所示的半導(dǎo)體激光器模塊71 替換為圖19中所示的半導(dǎo)體激光器模塊101。此外，在氣體單元保持 裝置lll、 112中分別保持基準(zhǔn)單元20和氣體單元21。利用氣體單元 保持裝置111、 112，進行光軸等的調(diào)整，也能夠進行單元的轉(zhuǎn)換。因 此，能夠評價任意氣體的吸收線頻譜。實施例5
圖22表示根據(jù)本發(fā)明的實施例5的氣體計量裝置的結(jié)構(gòu)。為了測 定半導(dǎo)體激光器模塊101的振蕩波長，在半導(dǎo)體激光器模塊101和光耦 合器14之間插入具有10: 1分路比的光耦合器121。在光耦合器121 的1/10分路側(cè)，連接波長計123。此外，為了測定半導(dǎo)體激光器12的 振蕩波長，在半導(dǎo)體激光器12和光耦合器14之間插入具有10: 1分路 比的光耦合器122。在光耦合器122的1/10分路側(cè)，連接波長計124。
利用波長計123及波長計124，檢測出來自希望波長的變化，并分 別反饋至驅(qū)動電路101a、溫度控制電路101b、 101c以及驅(qū)動電路12a、 溫度控制電路12b。由此，即使使用環(huán)境溫度改變、半導(dǎo)體激光器模塊 101、半導(dǎo)體激光器12的振蕩波長改變，也能使驅(qū)動電流、設(shè)定溫度改 變。其結(jié)果能夠控制光源的輸出使其為所希望的波長，能夠在固定的波 長范圍下測定吸收線頻譜。
^ 23一表示根據(jù)本發(fā)明的實施例6的氣體計量裝置的結(jié)構(gòu)。在半導(dǎo) 體激光器模塊101和光耦合器14之間插入光開關(guān)133，連接已組合了 模擬多模式下工作的半導(dǎo)體激光器131和FBG132的光源。在模擬多模 式下，由于頻帶寬，所以分辨率變大。在改變使用環(huán)境溫度的情況下， 由于可觀測大的包絡(luò)線，就能夠預(yù)先測定伴隨溫度變化的光源波長的偏 移的程度如何。
例如，圖24表示在某種環(huán)境下所測定的氣體吸收線頻譜。因為若 是原始的話，盡管應(yīng)該得到圖8所示的結(jié)果，但沒有考慮環(huán)境溫度的改 變，使用了輸出激勵光、信號光的半導(dǎo)體激光器。由于沒有開發(fā)可直接 測定氣體吸收線波長的測定器，所以參照HITRAN數(shù)據(jù)庫，增加氣體 吸收線波長的修正。認為圖24中箭頭標(biāo)記所示的波長偏移大約0.3nm。 即，環(huán)境溫度偏移約5t:，預(yù)計激勵光的波長就會產(chǎn)生30pm左右的位 移?？紤]此環(huán)境溫度的變化，在用高分辨率的激光器101進行掃描的情 況下，通過基于公式4中的信號光波長偏差，就能夠獲得圖15中所示 的結(jié)果。
根據(jù)使用環(huán)境溫度，利用驅(qū)動電路101a或溫度控制電路101b、101C，改變半導(dǎo)體激光器模塊101的驅(qū)動電流或設(shè)定溫度。由此，就能 夠以固定波長范圍、穩(wěn)定的功率掃描來自氣體計量裝置的光源的輸出光 的波長X3。
工業(yè)實用性
毫無疑問，假如代替半導(dǎo)體激光器模塊71、 101采用可變波長光源， 雖然增大了氣體計量裝置，但能夠擴大波長掃描寬度測定吸收頻譜。在 本實施方式中，雖然評價了甲烷氣體3.3^1頻段的波長，但是如果例如
采用鈮酸鋰作為非線性光學(xué)晶體的話，就能夠在此透明領(lǐng)域即0.35 5Pm頻段中產(chǎn)生任意的波長的轉(zhuǎn)換光。
在本實施方式的半導(dǎo)體激光器模塊中，采用兩個透鏡并結(jié)合激光二 極管和FBG。但是，毫無疑問，即使通過不使用透鏡數(shù)目、透鏡的結(jié) 合方法(例如，采用半球狀(hemispherically—ended)光纖、V溝槽等 的結(jié)合方法)，也能夠?qū)嵤?br> 權(quán)利要求
1. 一種光源，包括第一激光器，產(chǎn)生第一激光；第二激光器，產(chǎn)生第二激光；以及非線性光學(xué)晶體，輸入上述第一激光和上述第二激光，并通過產(chǎn)生差頻或產(chǎn)生和頻來輸出相干光，其特征在于，上述第二激光器內(nèi)置衍射光柵，為能夠掃描上述第二激光的波長的可變波長光源，上述第一激光器由半導(dǎo)體激光器和具有比由該半導(dǎo)體激光器的元件長度決定的諧振波長間隔更窄的反射頻帶的光纖光柵構(gòu)成，上述第一激光具有半值寬度1MHz以下的單光譜線寬度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于，還包括 監(jiān)視器，測定使用環(huán)境溫度；以及，溫度控制電路，根據(jù)用該監(jiān)視器測定出的使用環(huán)境溫度，控制上述 第二激光器的設(shè)定溫度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于，還包括 監(jiān)視器，測定使用環(huán)境溫度；以及，驅(qū)動電路，根據(jù)用該監(jiān)視器測定出的使用環(huán)境溫度，控制上述第二 激光器的驅(qū)動電流。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的光源，其特征在于，上述第一激 光器還包括溫度控制電路，控制上述光纖光柵的設(shè)定溫度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于，還包括波長計，測定從上述第一激光器輸出的上述第一激光的波長；以及， 溫度控制電路，根據(jù)用上述波長計測定出的波長，控制上述第二激 光器的設(shè)定溫度，以使上述第一激光的波長成為所希望的波長。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于，還包括波長計，測定從上述第一激光器輸出的上述第一激光的波長；以及， 驅(qū)動電路，根據(jù)用上述波長計測定出的波長，控制上述第二激光器 的驅(qū)動電流，以使上述第一激光的波長成為所希望的波長。
7. —種氣體計量裝置，其特征在于，包括根據(jù)權(quán)利要求1 6中所述的任意一種光源；分路從該光源輸出的光束并使其透過基準(zhǔn)單元和氣體單元的裝置;以及，光接收器，接收透過上述基準(zhǔn)單元和上述氣體單元的光束。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7中所述的氣體計量裝置，其特征在于，包括單元保持裝置，保持上述基準(zhǔn)單元和上述氣體單元。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可實現(xiàn)半值寬度1MHz以下的單光譜線寬度且不受使用環(huán)境溫度變化影響的光源。光源包括第一激光器(71)，產(chǎn)生第一激光；第二激光器(12)，產(chǎn)生第二激光；以及，非線性光學(xué)晶體(13)，輸入第一激光和第二激光，并通過產(chǎn)生差頻或和頻來輸出相干光。其中，第二激光器(12)內(nèi)置衍射光柵，為能夠掃描第二激光的波長的可變波長光源，第一激光器(71)由半導(dǎo)體激光器和具有比由半導(dǎo)體激光器的元件長度決定的諧振波長間隔更窄的反射頻帶的光纖光柵構(gòu)成，第一激光具有半值寬度1MHz以下的單光譜線寬度。
文檔編號G02F1/37GK101484850SQ20078002534
公開日2009年7月15日 申請日期2007年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月18日
發(fā)明者忠永修, 曲克明, 柳川勉, 梅木毅伺, 游部雅生, 西田好毅, 鈴木博之 申請人:日本電信電話株式會社