JP4489282B2

JP4489282B2 - Spectrometer

Info

Publication number: JP4489282B2
Application number: JP2000379889A
Authority: JP
Inventors: 三男前田; 雄司興; 世雄徳山
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Seiko Electric Co Ltd; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Seiko Electric Co Ltd; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: JP2002181705A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一基板上に集積化された複数のストライプ構造を持つ分布帰還可変波長レーザーを応用した分光計測装置に係り、特に、マルチストライプ可変波長レーザーを用いた分光計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
可変波長レーザーとは、外部から制御することによりその発振波長を広い範囲にわたって連続的に変化できるレーザーであり、色素レーザー・チタンサファイアレーザー・光パラメトリック発振器等がある。
図７は従来の可変波長レーザー及びそれを用いた分光計測装置の概略構成図である。
【０００３】
この図において、１０１は励起光源、１０２はレーザー媒質、１０３，１０６は鏡、１０４は同調素子、１０５はその同調素子１０４の波長掃引制御装置、１０７は被測定物質、１０８は光検知器、１０９はスペクトル記録装置である。
その構造は、レーザー媒質１０２と、それを励起する光源１０１、２枚の鏡１０３，１０６よりなる光共振器、及び発振波長を制御する同調素子１０４よりなっている。このレーザーで物質の分光スペクトルを計測するには、レーザーの波長を時間的に掃引しながら、そのスペクトル応答を光検知器１０８で測定し、ペンレコーダー等の記録装置１０９で記録する。
【０００４】
一方、集積型ＤＦＢ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｆｅｅｄｂａｃｋ：分布帰還）可変波長レーザーの構造は、図８に示すように、基板２０１上に厚さ約数ミクロンのレーザー媒質で形成された平板導波路２０２を形成し、その導波路２０２に微小な周期的（回折格子）をつけることにより、特定の波長で分布帰還を得るもので、レーザー媒質・光共振器・同調素子を一体化して基板上に集積化できるため、従来より極めてコンパクトに可変波長レーザーを構成できる特徴を持っている。ＤＦＢ発振波長λは媒質の等価屈折率をｎ、凹凸の周期をａ、次数をｍとすると次式で与えられる。なお、２０３は励起光、２０４は結合レンズ、２０５は光ファイバ、２０６は出力光である。
【０００５】
λ＝ａｍｎ
ＤＦＢは現在、半導体レーザーの発振スペクトルを狭帯域化し、安定化する技術として広く使われ、また最近では、波長多重光ファイバー通信用の光源として、マルチストライプ型のＤＦＢ半導体レーザーが開発されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のレーザー分光計測方式では、掃引域は使用するレーザー媒体の持つ利得バンド幅内に限られ、自由な設定はできなかった。また、掃引は機械的な操作でなされるので、スペクトルの取得には数分の時間を要した。一方、上記の集積型ＤＦＢ可変波長レーザーでは、作製時に分布帰還を与える凹凸の周期が決まってしまうので、発振波長の制御ができず、そのままでは分光計測の光源としては適していなかった。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みて、このような波長が固定されたＤＦＢレーザーを、さらに多数同一基板上に集積化することによって、レーザー自体の波長掃引を行うことなく、これまでより広い自由度をもたせ、しかもナノ秒以下の極めて短時間の分光スペクトルの計測を可能にする分光計測装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下の手段を用いる。
〔１〕分光計測装置において、励起用パルスレーザー（１１）と、単一基板上に集積化され、発振波長を独立に設定した複数のストライプ構造をもつマルチストライプＤＦＢレーザー（１２）と、アレイ型光検知器（１６）とを備え、前記励起用パルスレーザー（１１）からのパルスレーザー光で前記マルチストライプＤＦＢレーザー（１２）の各ストライプを同時に励起させ、異なった波長で発振したＤＦＢレーザー光を試料物質（１４）に通し、それぞれの波長に対する前記試料物質（１４）のスペクトル応答を空間的に分離して前記アレイ型光検知器（１６）で検知することにより、前記試料物質（１４）の吸収スペクトルを計測することを特徴とする。
【０００９】
〔２〕分光計測装置において、励起用パルスレーザー（２１）と、単一基板上に集積化され、発振波長を独立に設定した複数のストライプ構造をもつマルチストライプＤＦＢレーザー（２２）と、光検知器（２５）と、オシロスコープ（２６）とを備え、光学的に遅延させた前記励起用パルスレーザー（２１）からのパルスレーザー光で前記マルチストライプＤＦＢレーザー（２２）の各ストライプを励起させ、時間的な波長掃引がかかったＤＦＢレーザー光を試料物質（２３）に通してその透過光強度を前記光検知器（２５）で検知し、前記試料物質（２３）のスペクトル応答の時間変化を前記オシロスコープ（２６）で観測することにより、前記試料物質（２３）の吸収スペクトルを計測することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に従って詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示すＤＦＢマルチストライプ集積型可変波長レーザーの模式図である。
この図において、１は基板、２は並列に並べられたＤＦＢ可変波長レーザー、３は結合レンズ、４は光ファイバー、５は出力光である。
【００１１】
ここで可変波長レーザーとは、色素レーザー、アレキサンドライトレーザー、チタンサファイアレーザー、色中心レーザー、光パラメトリック発振器など、発振する光の波長を数１０ｎｍ以上連続的に変化できるレーザーを総称している。長さ１０〜２０ｍｍの基板１上に上記の可変波長レーザー媒質を幅１０〜５０μｍ、厚さ数μｍのストライプ状に整形して数１０〜数１００本平行にならべ、それぞれに紫外レーザー光を２方向から照射して干渉による縞模様を作り、光エッチング法で周期的な凹凸（回折格子）を作る。その際、干渉縞の周期は露光用紫外レーザーのビーム入射角で変わるので、それぞれのストライプに違った周期の回折格子を付けることができる。
【００１２】
励起光源には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーや半導体レーザーなどパルスレーザーが使われる。その際、図１に示したストライプ全体をカバーするように励起用レーザービームを照射すると、それぞれのストライプはあらかじめ設定した波長で同時に、かつ独立に発振する。
このようなマルチストライプＤＦＢ可変波長レーザーを用い、波長掃引なしに物質の吸収スペクトルを計測する具体例を図２に示す。
【００１３】
図２において、１１は励起用パルスレーザー、１２はマルチストライプＤＦＢレーザー、１３，１５はレンズ、１４は試料物質、１６はアレイ型光検出器、１７はマイクロコンピュータである。
また、励起レーザー光を同時に照射すると、マルチストライプＤＦＢ可変波長レーザー２は上から下に向かって順次異なった波長で発振する。その光を試料物質を通した後、ＣＣＤカメラやフォトダイオードアレイのような場所を区別できるように受光し、コンピューターで画像処理すると、吸収スペクトルを計測することができる。
【００１４】
この方法では、波長掃引が必要ないために単一レーザーショットでスペクトルの取得が可能である。したがって、励起レーザーにナノ秒オーダーのパルス幅を持つＮｄ：ＹＡＧレーザーなどを用いれば、これまでになく非常に速い時間分解能で物質のスペクトル計測が可能となる。
一方、図３はマルチストライプＤＦＢレーザーの励起に時間的な遅延をかける方法により物質の吸収スペクトルを計測する具体例である。
【００１５】
この図において、２１は励起用パルスレーザー、２２はマルチストライプＤＦＢレーザー、２３は試料物質、２４はレンズ、２５は光検出器、２６はオシロスコープである。
この場合には、励起レーザーのビームを上から下に向かって光学的に遅延させることで、マルチストライプＤＦＢレーザーに時間的な波長掃引がかかる。したがって、その光を試料物質に通し、透過光強度を光電子倍増管やフォトダイオードのような光検知器で計測し、その強度の時間変化をオシロスコープ等で観測することにより、吸収スペクトルを計測することができる。
【００１６】
上記の方法を可能にするためには、色素レーザーや色中心レーザー、セリウムＬｉＳＡＦレーザーなどを用い、速い緩和時間をもつ可変波長レーザーの場合には、数１０ｐｓのオーダーまで応答することが確かめられている。
図４はマルチストライプＤＦＢレーザーによる励起パルスの光学的遅延を得る一方法を示す図である。
【００１７】
この図において、３１は励起用短パルスレーザー（パルス幅１０〜１００ｐｓ）、３２は鏡、３３はマルチストライプＤＦＢレーザーである。
この図に示すように、遅延時間が１００ｐｓの場合には、光学遅延をかけるための光路差は３０ｍｍ程度で済むので、この図に示すように、単に鏡３２を傾けるだけで達成できる。
【００１８】
【実証実験例】
本発明に基づき試作したマルチストライプＤＦＢ可変波長レーザーの特性と、それを用いた分光計測の実施例を述べる。
レーザー媒質には、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）に有機色素ローダミン６Ｇをドープしたものを使用した。基盤もＰＭＭＡで、その上に厚さ３μｍの膜をスピンコートしたとき、単一伝搬モードで動作した。導波路の長さは２０ｍｍとした。励起源はＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波（波長５３２ｎｍ、パルス幅６ｎｓ）である。
【００１９】
ＤＦＢ動作させるための回折格子パターニングは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第４高調波（波長２６６ｎｍ）光を２方向から導波路表面に入射させて露光後、ウエットエッチング法により作製した。凹凸は導波路の表面に付ける場合と、基盤表面に付ける場合とを試みたが、大きな差はなかった。
図５は本発明にかかる側面からＮｄ：ＹＡＧレーザー光で励起したときのＤＦＢ色素レーザーの発振スペクトルの例である。図５において、横軸に波長（ｎｍ）、縦軸に分布帰還出力（相対単位）である。
【００２０】
この場合には、レーザーはストライプ状にはなっておらず、励起ビームを２０×０．５ｍｍに整形して照射した。すると、図５のように、ＤＦＢ動作によって、約０．１ｎｍの狭いスペクトルで発振していることが確認された。しきい値エネルギーは４０μＪ、スロープ効率は３６％であった。
次に、電子ビーム加工したフォトマスクを使って、ストライプの形式を試みた。作製したマルチストライプＤＦＢ色素レーザーは５種類でそのサイズは、表１に示す通りである。全体のサイズはいずれも２０×０．５ｍｍである。
【００２１】
【表１】

このレーザーを側面からＮｄ：ＹＡＧレーザーで励起すると、各ストライプは同時にＤＦＢレーザーを発振し、そのスペクトルは図５と同様に狭帯域化しているのが確認された。ストライプ幅が狭まると著しく閾値は減少し、幅１０ｍｍの場合には０．４μＪという極めて低い値になった。
【００２２】
図６は本発明にかかるマルチストライプＤＦＢレーザーを用いたナトリウム原子Ｄ線の蛍光スペクトルの計測例を示す図である。
図６において、４１はＮｄ：ＹＡＧレーザー（パルス幅５ｎｓ、第２高調波）、４２はマルチストライプＤＦＢレーザー、４３は定温槽、４４はレンズ、４５はＣＣＤカメラ、４６はマイクロコンピュータである。
【００２３】
図６に示した装置により、ナトリウム原子の蛍光スペクトルの取得を試みた。使用したマルチストライプＤＦＢ色素レーザーは、２５ストライプでナトリウム原子のＤ線（波長約５９０ｎｍ）を横切るように作られている。励起源はパルスのＮｄ：ＹＡＧレーザーで、パルス幅は５ｎｓである。試料は金属ナトリウムを減圧したパイレックス容器に封じきったもので、このセルを７０〜１００℃に熱することで、１０⁸〜１０⁹／ｃｍ³程度の金属蒸気を生成した。このセルに色素レーザー光を入射すると、ナトリウム原子は励起波長と同じ波長で蛍光（いわゆるレーザー誘起蛍光ＬＩＦ）を発する。この蛍光を直角方向からＣＣＤカメラで撮り、その画像をコンピューターで空間分解することによって、ナトリウムＤ線のスペクトルを単一レーザーショット（約５ｎｓ）で取得できた。
【００２４】
同様の手法は可視・紫外部に吸収帯を有する分子原子のスペクトル観察に利用でき、たとえば、大気中のＮＯ_x、ＳＯ_x等の高感度高速モニタリングに応用できる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（Ａ）本発明のマルチストライプ可変波長レーザーを用いた分光計測装置によれば、集積化されたマルチストライプＤＦＢ可変波長レーザーを用いるようにしたので、分光計測装置の大幅な小型化、低コスト化を図ることができる。
【００２６】
（Ｂ）本発明によるスペクトル計測方法によれば、波長掃引をすることなく物質の分光スペクトルを計測することができ、パルスレーザーで励起すると、ナノ秒オーダーの短時間でスペクトルを得ることができる。
（Ｃ）これまでのスペクトル掃引域は、使用するレーザー媒質の利得バンド幅で制限されていたが、各ストライプに発振波長が大幅に異なる媒質をドープすることにより、例えば、可視部全域を瞬時にカバーできるような、従来にない広帯域スペクトルの取得が可能である。
【００２７】
（Ｄ）励起時間をずらす方法〔図３及び図４参照〕を用いれば、ピコ秒オーダーでの高速掃引が可能となり、これまで計測できなかった短寿命の反応生成体の分析等にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すＤＦＢマルチストライプ集積型可変波長レーザーの模式図である。
【図２】本発明のマルチストライプＤＦＢ可変波長レーザーを用い、波長掃引なしに物質の吸収スペクトルを計測する具体例を示す図である。
【図３】本発明のマルチストライプＤＦＢレーザーの励起に時間的な遅延をかける方法により物質の吸収スペクトルを計測する具体例を示す図である。
【図４】本発明のマルチストライプＤＦＢレーザーによる励起パルスの光学的遅延を得る一方法を示す図である。
【図５】本発明にかかる側面からＮｄ：ＹＡＧレーザー光で励起したときのＤＦＢ色素レーザーの発振スペクトルの例である。
【図６】本発明にかかるマルチストライプＤＦＢレーザーを用いたナトリウム原子Ｄ線の蛍光スペクトルの計測例を示す図である。
【図７】従来の可変波長レーザー及びそれを用いた分光計測装置の概略構成図である。
【図８】従来のＤＦＢ集積型可変波長レーザーの概略構成図である。
【符号の説明】
１基板
２並列に並べられたＤＦＢ可変波長レーザー
３結合レンズ
４光ファイバー
５出力光
１１，２１励起用パルスレーザー
１２，２２，３３，４２マルチストライプＤＦＢレーザー
１３，１５，２４，４４レンズ
１４，２３試料物質
１６アレイ型光検出器
１７，４６マイクロコンピュータ
２５光検出器
２６オシロスコープ
３１励起用短パルスレーザー（パルス幅１０〜１００ｐｓ）
３２鏡
４１Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（パルス幅５ｎｓ、第２高調波）
４３定温槽
４５ＣＣＤカメラ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a spectroscopic measurement apparatus using a distributed feedback variable wavelength laser having a plurality of stripe structures integrated on a single substrate, and more particularly to a spectroscopic measurement apparatus using a multi-stripe variable wavelength laser. .
[0002]
[Prior art]
The variable wavelength laser is a laser whose oscillation wavelength can be continuously changed over a wide range by being controlled from the outside, and includes a dye laser, a titanium sapphire laser, an optical parametric oscillator, and the like.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a conventional variable wavelength laser and a spectroscopic measurement apparatus using the same.
[0003]
In this figure, 101 is an excitation light source, 102 is a laser medium, 103 and 106 are mirrors, 104 is a tuning element, 105 is a wavelength sweep control device for the

tuning element

104, 107 is a substance to be measured, 108 is a photodetector, 109 Is a spectrum recorder.
The structure includes a laser medium 102, a light source 101 for exciting the laser medium 102, an optical resonator composed of two

mirrors

103 and 106, and a tuning element 104 for controlling the oscillation wavelength. In order to measure the spectral spectrum of a substance with this laser, the spectral response is measured by the photodetector 108 while temporally sweeping the wavelength of the laser and recorded by a recording device 109 such as a pen recorder.
[0004]
On the other hand, the structure of an integrated DFB (distributed feedback) variable wavelength laser, as shown in FIG. 8, forms a planar waveguide 202 made of a laser medium having a thickness of about several microns on a substrate 201, By attaching a minute periodic (diffraction grating) to the waveguide 202, a distributed feedback can be obtained at a specific wavelength. Since a laser medium, an optical resonator, and a tuning element can be integrated and integrated on a substrate, It has the feature that a variable wavelength laser can be configured extremely compactly than before. The DFB oscillation wavelength λ is given by the following equation, where n is the equivalent refractive index of the medium, a is the period of unevenness, and m is the order. Reference numeral 203 denotes excitation light, 204 denotes a coupling lens, 205 denotes an optical fiber, and 206 denotes output light.
[0005]
λ = amn
At present, DFB is widely used as a technique for narrowing and stabilizing the oscillation spectrum of a semiconductor laser, and recently, a multi-stripe DFB semiconductor laser has been developed as a light source for wavelength division multiplexing optical fiber communication.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional laser spectroscopic measurement method, the sweep range is limited to the gain bandwidth of the laser medium to be used, and it has not been possible to set it freely. In addition, since the sweep is performed by a mechanical operation, it took several minutes to acquire the spectrum. On the other hand, in the integrated DFB variable wavelength laser, since the period of unevenness that gives distributed feedback is determined at the time of fabrication, the oscillation wavelength cannot be controlled, and it is not suitable as a light source for spectroscopic measurement.
[0007]
In view of the above situation, the present invention integrates a large number of DFB lasers having such fixed wavelengths on the same substrate, so that the laser itself has a wider degree of freedom without performing wavelength sweeping. In addition, an object of the present invention is to provide a spectroscopic measurement apparatus that enables measurement of a spectroscopic spectrum in a nanosecond or less.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention uses the following means.
[1] In a spectroscopic measurement apparatus, an excitation pulse laser (11), a multi-stripe DFB laser (12) integrated on a single substrate and having a plurality of stripe structures with independent oscillation wavelengths, and an array type An optical detector (16), which simultaneously excites each stripe of the multi-stripe DFB laser (12) with pulsed laser light from the excitation pulse laser (11), and oscillates DFB laser light oscillated at different wavelengths. The sample substance (14) is passed through the sample substance (14), and the spectral response of the sample substance (14) for each wavelength is spatially separated and detected by the array-type photodetector (16). The absorption spectrum is measured .
[0009]
[2] In the spectroscopic measurement apparatus, an excitation pulse laser (21), a multi-stripe DFB laser (22) having a plurality of stripe structures integrated on a single substrate and having oscillation wavelengths set independently, and light detection Each of the stripes of the multi-stripe DFB laser (22) is excited with a pulse laser beam from the excitation pulse laser (21) optically delayed. A DFB laser beam subjected to a wavelength sweep is passed through the sample material (23), the intensity of the transmitted light is detected by the photodetector (25), and the temporal change in the spectral response of the sample material (23) is detected by the oscilloscope. By observing in (26), the absorption spectrum of the sample substance (23) is measured .
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram of a DFB multi-strip integrated variable wavelength laser showing an embodiment of the present invention.
In this figure, 1 is a substrate, 2 is a DFB variable wavelength laser arranged in parallel, 3 is a coupling lens, 4 is an optical fiber, and 5 is output light.
[0011]
Here, the variable wavelength laser is a generic term for lasers capable of continuously changing the wavelength of oscillating light by several tens of nanometers or more, such as dye laser, alexandrite laser, titanium sapphire laser, color center laser, and optical parametric oscillator. On the substrate 1 having a length of 10 to 20 mm, the above-mentioned variable wavelength laser medium is shaped into a stripe shape having a width of 10 to 50 μm and a thickness of several μm and arranged in parallel with several tens to several hundreds. Irradiate from the direction to create a striped pattern due to interference, and create periodic irregularities (diffraction grating) by photoetching. At this time, since the period of the interference fringes varies depending on the beam incident angle of the exposure ultraviolet laser, a diffraction grating having a different period can be attached to each stripe.
[0012]
For the excitation light source, a pulsed laser such as an Nd: YAG laser or a semiconductor laser is used. At this time, when the excitation laser beam is irradiated so as to cover the entire stripe shown in FIG. 1, each stripe oscillates simultaneously and independently at a preset wavelength.
A specific example of measuring the absorption spectrum of a substance without wavelength sweep using such a multi-stripe DFB variable wavelength laser is shown in FIG.
[0013]
In FIG. 2, 11 is a pulse laser for excitation, 12 is a multi-stripe DFB laser, 13 and 15 are lenses, 14 is a sample material, 16 is an array type photodetector, and 17 is a microcomputer.
Further, when the excitation laser light is irradiated simultaneously, the multi-striped DFB variable wavelength laser 2 oscillates at different wavelengths sequentially from top to bottom. After passing the light through the sample material, the light is received so that a place such as a CCD camera or a photodiode array can be distinguished, and when the image is processed by a computer, an absorption spectrum can be measured.
[0014]
In this method, since a wavelength sweep is not required, a spectrum can be acquired with a single laser shot. Therefore, if an Nd: YAG laser or the like having a pulse width on the order of nanoseconds is used as the excitation laser, it is possible to measure the spectrum of a substance with a much faster time resolution than ever before.
On the other hand, FIG. 3 shows a specific example in which the absorption spectrum of a substance is measured by a method of applying a time delay to the excitation of the multi-stripe DFB laser.
[0015]
In this figure, 21 is a pulse laser for excitation, 22 is a multi-stripe DFB laser, 23 is a sample material, 24 is a lens, 25 is a photodetector, and 26 is an oscilloscope.
In this case, the multi-stripe DFB laser undergoes temporal wavelength sweep by optically delaying the excitation laser beam from top to bottom. Therefore, the absorption spectrum is measured by passing the light through the sample material, measuring the transmitted light intensity with a photo detector such as a photomultiplier tube or photodiode, and observing the temporal change of the intensity with an oscilloscope or the like. Can do.
[0016]
In order to make the above method possible , it has been confirmed that a dye laser, a color center laser, a cerium LiSAF laser or the like is used , and in the case of a variable wavelength laser having a fast relaxation time, it responds to the order of several tens of ps. Yes.
FIG. 4 is a diagram showing one method for obtaining the optical delay of the excitation pulse by the multi-stripe DFB laser.
[0017]
In this figure, 31 is a short pulse laser for excitation (pulse width 10 to 100 ps), 32 is a mirror, and 33 is a multi-stripe DFB laser.
As shown in this figure, when the delay time is 100 ps, the optical path difference for applying the optical delay is only about 30 mm. Therefore, as shown in this figure, this can be achieved by simply tilting the mirror 32.
[0018]
[Example of demonstration experiment]
The characteristics of the multi-stripe DFB variable wavelength laser prototyped based on the present invention and examples of spectroscopic measurement using it will be described.
As the laser medium, polymethyl methacrylate (PMMA) doped with the organic dye rhodamine 6G was used. The substrate was also PMMA and operated in single propagation mode when a 3 μm thick film was spin coated thereon. The length of the waveguide was 20 mm. The excitation source is the second harmonic (wavelength 532 nm, pulse width 6 ns) of a Q-switched Nd: YAG laser.
[0019]
The diffraction grating patterning for the DFB operation was produced by wet etching after exposure by allowing the fourth harmonic (wavelength 266 nm) light of an Nd: YAG laser to enter the waveguide surface from two directions. The unevenness was tried on the surface of the waveguide and on the surface of the substrate, but there was no big difference.
FIG. 5 is an example of an oscillation spectrum of a DFB dye laser when excited with Nd: YAG laser light from the aspect according to the present invention. In FIG. 5, the horizontal axis represents wavelength (nm) and the vertical axis represents distributed feedback output (relative unit).
[0020]
In this case, the laser was not striped, and the excitation beam was shaped to 20 × 0.5 mm and irradiated. Then, as shown in FIG. 5, it was confirmed that the oscillation occurred in a narrow spectrum of about 0.1 nm by the DFB operation. The threshold energy was 40 μJ and the slope efficiency was 36%.
Next, a striped pattern was attempted using a photomask processed with an electron beam. Five types of multi-stripe DFB dye lasers were produced, and their sizes are as shown in Table 1. The overall size is 20 × 0.5 mm.
[0021]
[Table 1]

When this laser was excited from the side by an Nd: YAG laser, each stripe simultaneously oscillated a DFB laser, and it was confirmed that the spectrum was narrowed as in FIG. When the stripe width is narrowed, the threshold value is remarkably reduced, and when the width is 10 mm, the value is as extremely low as 0.4 μJ.
[0022]
FIG. 6 is a diagram showing a measurement example of the fluorescence spectrum of sodium atom D-line using the multi-stripe DFB laser according to the present invention.
In FIG. 6, 41 is an Nd: YAG laser (pulse width 5 ns, second harmonic), 42 is a multi-stripe DFB laser, 43 is a constant temperature bath, 44 is a lens, 45 is a CCD camera, and 46 is a microcomputer.
[0023]
An attempt was made to obtain a fluorescence spectrum of sodium atoms using the apparatus shown in FIG. The multi-striped DFB dye laser used was made to cross the D line (wavelength of about 590 nm) of sodium atoms with 25 stripes. The excitation source is a pulsed Nd: YAG laser with a pulse width of 5 ns. The sample was completely sealed in a Pyrex container in which metallic sodium was decompressed. By heating the cell to 70 to 100 ° C., a metal vapor of about 10 ⁸ to 10 ⁹ / cm ³ was generated. When dye laser light is incident on this cell, sodium atoms emit fluorescence (so-called laser-induced fluorescence LIF) at the same wavelength as the excitation wavelength. This fluorescence was taken from a right angle with a CCD camera, and the image was spatially resolved with a computer, so that the spectrum of sodium D line could be acquired with a single laser shot (about 5 ns).
[0024]
A similar method can be used for spectrum observation of molecular atoms having absorption bands in the visible / ultraviolet region, and can be applied to high-sensitivity and high-speed monitoring of NO _x , SO _x, etc. in the atmosphere, for example.
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0025]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
(A) According to the spectroscopic measurement apparatus using the multi-stripe variable wavelength laser of the present invention, since the integrated multi-stripe DFB variable wavelength laser is used, the spectroscopic measurement apparatus is significantly reduced in size and cost. Can be achieved.
[0026]
(B) According to the spectrum measurement method of the present invention, the spectrum of a substance can be measured without wavelength sweeping, and when excited with a pulse laser, the spectrum can be obtained in a short time on the order of nanoseconds.
(C) The spectral sweep range so far has been limited by the gain bandwidth of the laser medium used, but by doping each stripe with a medium having a significantly different oscillation wavelength, for example, the entire visible region can be instantaneously applied. It is possible to acquire an unprecedented broadband spectrum that can be covered.
[0027]
(D) If the method of shifting the excitation time (see FIGS. 3 and 4) is used, a high-speed sweep in the picosecond order becomes possible, and it can be applied to analysis of reaction products having a short life that could not be measured so far. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a DFB multi-strip integrated variable wavelength laser showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a specific example of measuring the absorption spectrum of a substance without wavelength sweeping using the multi-stripe DFB variable wavelength laser of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a specific example in which an absorption spectrum of a substance is measured by a method of applying a time delay to excitation of the multi-stripe DFB laser of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating one method for obtaining an optical delay of an excitation pulse by the multi-stripe DFB laser of the present invention.
FIG. 5 is an example of an oscillation spectrum of a DFB dye laser when excited with Nd: YAG laser light from the aspect according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a measurement example of a fluorescence spectrum of sodium atom D-line using a multi-stripe DFB laser according to the present invention.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a conventional variable wavelength laser and a spectroscopic measurement apparatus using the same.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a conventional DFB integrated variable wavelength laser.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate 2 DFB variable wavelength laser arranged in parallel 3 Coupling lens 4 Optical fiber 5 Output light 11,21

Excitation pulse laser

12,22,33,42 Multi

stripe DFB laser

13,15,24,44

Lens

14,23 Sample Substance 16

Array type photodetector

17, 46 Microcomputer 25 Photo detector 26 Oscilloscope 31 Short pulse laser for excitation (pulse width 10 to 100 ps)
32 mirrors 41 Nd: YAG laser (pulse width 5 ns, second harmonic)
43 Incubator 45 CCD camera

Claims

(A) an excitation pulse laser (11);
(B) a multi-stripe DFB laser (12) integrated on a single substrate and having a plurality of stripe structures in which oscillation wavelengths are independently set;
(C) an array type photodetector (16),
(D) Simultaneously exciting each stripe of the multi-stripe DFB laser (12) with the pulse laser beam from the excitation pulse laser (11), and passing the DFB laser beam oscillated at different wavelengths through the sample substance (14). Measuring the absorption spectrum of the sample substance (14) by spatially separating the spectral response of the sample substance (14) for each wavelength and detecting it with the array-type photodetector (16). A spectroscopic measurement device.

(A) an excitation pulse laser (21);
(B) a multi-stripe DFB laser (22) integrated on a single substrate and having a plurality of stripe structures in which oscillation wavelengths are independently set;
(C) a photodetector (25);
(D) an oscilloscope (26);
(E) Exciting each stripe of the multi-stripe DFB laser (22) with pulsed laser light from the excitation pulse laser (21) optically delayed, and applying DFB laser light subjected to temporal wavelength sweep. The sample material (23) is passed through the sample material, the transmitted light intensity is detected by the light detector (25), and the time change of the spectral response of the sample material (23) is observed by the oscilloscope (26), thereby the sample material. A spectroscopic measurement device for measuring an absorption spectrum of a substance (23) .