JP5848791B2 - Exhalation diagnostic device - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、呼気診断装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a breath diagnosis apparatus.
赤外光を放出するレーザ装置は、環境測定やガス濃度測定など広い分野に応用されている。 Laser devices that emit infrared light are applied to a wide range of fields such as environmental measurement and gas concentration measurement.
多くのガスは、固有の吸収スペクトルにしたがって赤外線を吸収する。吸光度はガス濃度に依存するが、赤外光の入射強度に対する透過強度を測定することにより求めることができる。このため、濃度を知りたいガスにおいて、赤外光の透過強度を測定することにより、あらかじめ求めた吸光度からガスの濃度を知ることができる。 Many gases absorb infrared radiation according to their intrinsic absorption spectrum. The absorbance depends on the gas concentration, but can be determined by measuring the transmission intensity with respect to the incident intensity of infrared light. Therefore, by measuring the infrared light transmission intensity in the gas whose concentration is to be known, the concentration of the gas can be known from the previously determined absorbance.
この応用の1つに、呼気診断装置を考えることができる。すなわち、人間の呼気は種々のガスを含んでいるので、呼気のガス濃度を測定できれば、病気の予防や早期発見が容易になる。 One of the applications can be a breath diagnosis apparatus. That is, human exhalation contains various gases, so if the gas concentration of exhalation can be measured, disease prevention and early detection are facilitated.
しかしながら、一般に赤外光の光源は、炭酸ガスレーザ装置やラーマンレーザ装置などのように、消費電力が大きくかつ大型装置であり、呼気診断装置も大型化する。 However, in general, an infrared light source is a large-sized device that consumes a large amount of power, such as a carbon dioxide laser device or a Raman laser device, and the breath diagnosis device is also enlarged.
小型化かつ低消費電力化が容易な呼気診断装置を提供する。 Provided is a breath diagnosis apparatus that is small in size and easy to reduce power consumption.
実施形態の呼気診断装置は、呼気に含まれる複数種類のガスの濃度を測定可能な呼気診断装置であって、反射コート膜が設けられた一方の端面を有し、複数の量子井戸における電子のサブバンド間遷移により赤外光を放射する量子カスケードレーザと、前記赤外光の波長を前記複数種類のガスのうちの一種類のガスの吸収スペクトル内にシフトする第1調整機構、および前記赤外光の波長を一種類のガスの吸収スペクトル内においてシフトする第2調整機構を有する波長制御部と、呼気吸い込み口と、呼気排出口と、前記赤外光の入射窓と、前記赤外光のうち前記呼気に吸収されずに透過光として放射される出射窓と、を有する筐体と、前記赤外光の強度を検出する検出部と、前記入射窓への入射光の強度および前記透過光の強度から、前記複数種類のガスの濃度を算出する信号処理部と、を備え、前記透過光の光出力が最大値となるときの前記反射コート膜の反射率をRpと表し、反射率が増加するのに応じて前記透過光の光出力が前記最大値の2分の1に低下するときの反射率をR −3dB と表すとき、前記反射コート膜の前記反射率は前記赤外光の波長範囲内においてRp以上かつR −3dB 以下である。 Breath diagnosis apparatus embodiment is a measurable breath diagnosis device concentrations of a plurality of types of gas contained in the breath, having one end surface of the reflecting coating film is provided, the electrons in the plurality of quantum wells A quantum cascade laser that emits infrared light by intersubband transition; a first adjustment mechanism that shifts the wavelength of the infrared light into an absorption spectrum of one of the plurality of gases; and the red A wavelength control unit having a second adjustment mechanism that shifts the wavelength of external light within the absorption spectrum of one kind of gas, an exhalation intake port, an exhalation discharge port, the infrared light incident window, and the infrared light An emission window that is emitted as transmitted light without being absorbed by the exhalation, a detection unit that detects the intensity of the infrared light, the intensity of the incident light to the incident window, and the transmission from the intensity of the light, the Comprising a signal processing unit for calculating the concentration of several gases, and the reflectivity of the reflective coating film when the light output of the transmitted light becomes the maximum value expressed as Rp, according to the reflectance increases When the reflectance when the light output of the transmitted light is reduced to half of the maximum value is expressed as R -3 dB , the reflectance of the reflective coating film is equal to or greater than Rp in the wavelength range of the infrared light. And R −3 dB or less .
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図1(a)は第1の実施形態にかかる呼気診断装置の構成図、図1(b)は複数のガスの吸収スペクトルの模式図、図1(c)は波長制御部の第1調整機構および第2調整機構を説明する図、である。
呼気診断装置は、量子カスケードレーザ70などを含む半導体発光素子と、波長制御部と、ガスセル(「筐体」に対応)80と、検出部87と、信号処理部88と、を有する。半導体発光素子と、波長制御部と、は、光源部91と呼ぶことができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is a configuration diagram of the breath diagnosis apparatus according to the first embodiment, FIG. 1B is a schematic diagram of absorption spectra of a plurality of gases, and FIG. 1C is a first adjustment mechanism of a wavelength controller. It is a figure explaining a 2nd adjustment mechanism.
The breath diagnosis apparatus includes a semiconductor light emitting element including a
波長制御部は、赤外線レーザ光などを含む発光光の波長を、ヒトなどの呼気に含まれる複数種類のガスのうちの一種類のガスの吸収スペクトル内にシフトする第1調整機構と、一種類のガスの吸収スペクトル内においてシフトする第2調整機構と、を有する。 The wavelength control unit includes a first adjustment mechanism that shifts the wavelength of emitted light including infrared laser light and the like into an absorption spectrum of one type of gas included in exhaled gas such as a human, and one type And a second adjustment mechanism that shifts in the absorption spectrum of the gas.
第1の実施形態において、第1調整機構は回折格子71を含む。回折格子71は、量子カスケードレーザ70の光軸62と交差するように設けられ、外部共振器を構成する。図1(c)に表すように、複数のガスを含む呼気BRにおいて、それぞれのガスの吸収スペクトルに応じて赤外線レーザ光の入射角をβ1〜β4などに変化させ、赤外線レーザ光の波長を変化させる(粗調整)。この回折格子71は、ステッピングモータ99、およびそれを制御するコントローラ98により、光軸62と交差する軸を中心に回転制御される。なお、量子カスケードレーザ70の回折格子71の側の端面には、無反射コート膜ARを設けることが好ましい。さらに、無反射コート膜ARとは反対の側に、部分反射(Partial Reflection)コート膜PR を設けると、回折格子71との間で外部共振器を構成することができる。
In the first embodiment, the first adjustment mechanism includes a diffraction grating 71. The diffraction grating 71 is provided so as to intersect the
分子の吸収スペクトルは離散的で測定精度を向上するには、吸収ピークに波長を精度よく合わせる必要がある。また、呼気中の主成分である二酸化炭素や水の吸収をさけ、測定対象分子の吸収を測定するには、吸収ピークに波長を精度よく合わせる必要がある。しかし、分子の吸収ピークや光源の波長は測定環境に影響を受けシフトすることがある。そのため、第2調整機構による微調することが好ましい。また、図1(c)に表すように、第2調整機構は、回折格子71を回転させずに一定とする。波長調整は、量子カスケードレーザ70の動作電流値ILDまたはデューティを変化するか、量子カスケードレーザ70の動作温度をペルチェ素子90などを用いて変化させるか、外部共振器長をピエゾ素子などにより変化させるか、などにより実現できる。または、第2調整機構は、チラー、ヒーター および冷媒のうちのいずれかまたは併用により、量子カスケードレーザ70の動作温度を変化させてもよい。冷媒は、たとえば、液体窒素、水、エタノール水、液体ヘリウムのいずれかとすることができる。
In order to improve the measurement accuracy because the molecular absorption spectrum is discrete, it is necessary to accurately match the wavelength with the absorption peak. Further, in order to avoid absorption of carbon dioxide and water, which are main components in exhalation, and to measure absorption of a molecule to be measured, it is necessary to accurately match the wavelength to the absorption peak. However, the absorption peak of the molecule and the wavelength of the light source may be affected and shifted due to the measurement environment. For this reason, it is preferable to perform fine adjustment using the second adjustment mechanism. Further, as shown in FIG. 1C, the second adjustment mechanism keeps the diffraction grating 71 constant without rotating it. The wavelength adjustment is performed by changing the operating current value I LD or duty of the
図1(b)に表すように、たとえば、アセトン(縦軸に表す吸収量のピークが7.37μm近傍)とメタン(吸収量のピークが7.7μm近傍)とのガス濃度を測定するものとする。異なるガスの吸収スペクトルは、たとえば、略0.3μmなどと大きく離間している。このため、短時間(たとえば、1分など)で複数のガスを測定するには、第1調整機構により、赤外線レーザ光の波長を素早く、かつシフト幅を大きくすることが好ましい。 As shown in FIG. 1B, for example, the gas concentrations of acetone (absorption peak on the vertical axis is near 7.37 μm) and methane (absorption peak is near 7.7 μm) are measured. To do. The absorption spectra of different gases are largely separated from each other, for example, approximately 0.3 μm. For this reason, in order to measure a plurality of gases in a short time (for example, 1 minute), it is preferable to quickly increase the wavelength of the infrared laser light and increase the shift width by the first adjustment mechanism.
他方、第2調整機構において、1つのガスの吸収スペクトル内で波長調整をする場合、シフトする幅は第1調整機構における波長範囲よりも狭くてもよい。但し、調整精度を高めることが要求される。すなわち、主として粗調整である第1調整機構と、主として微調整である第2調整機構とを、同一の波長制御機構で実現することは容易ではない。 On the other hand, in the second adjustment mechanism, when wavelength adjustment is performed within the absorption spectrum of one gas, the shift width may be narrower than the wavelength range in the first adjustment mechanism. However, it is required to increase the adjustment accuracy. That is, it is not easy to realize the first adjustment mechanism that is mainly coarse adjustment and the second adjustment mechanism that is mainly fine adjustment with the same wavelength control mechanism.
ガスセル80は、呼気吸い込み口81と、呼気排出口82と、赤外線レーザ光の入射窓83と、赤外線レーザ光の出射窓84と、を有する。なお、量子カスケードレーザ70からのレーザ光は広がり角を有する。このため、量子カスケードレーザ70と、入射窓83と、の間に、コリメートする光学系72を設けるとい。また、出射窓84と、検出器87と、の間に、集光光学系86を設けるとよい。
The
検出部87は、赤外線レーザ光の強度を検出する。なお、ガスセル80の入射窓83に入射する赤外線レーザ光の入射光強度をI0とし、出射窓84から出射するレーザ光の透過強度をIとするとき、吸光度Aは、式(1)で表すことができる。なお、入射光強度Ioは、ガスセル80内を大気で置換し、赤外線レーザ光を照射して測定することができる。
The
透過強度Iを検出器87で測定することにより、信号処理部88が式(1)からガスの分圧Pa(すなわちガス濃度)を算出する。
By measuring the transmission intensity I with the
人間の呼気BRには、主成分として、窒素、酸素、二酸化炭素、水などが含まれる。また、同時に、1000種類以上の異なる分子がごく微量に含まれ、微量ガスの変化が疾患の指標となる。このため、呼気に含まれる微量ガスG1を測定すると、病気の早期発見や予防が可能となる。このように呼気診断装置を用いると、血液検査などを行うよりも、短時間で、かつ容易に診断ができる。 Human breath BR contains nitrogen, oxygen, carbon dioxide, water, and the like as main components. At the same time, 1000 or more kinds of different molecules are contained in a very small amount, and a change in a very small amount of gas becomes an indicator of a disease. For this reason, if the trace gas G1 contained in the exhalation is measured, it becomes possible to detect and prevent the disease early. By using the breath diagnosis apparatus in this way, it is possible to make a diagnosis in a short time and more easily than performing a blood test or the like.
たとえば、アセトンを微量ガスG1として検出できると、糖尿病などが発見できる。この場合、7〜8μmの波長の赤外線を用いてppm程度の検出感度が必要である。また、アンモニアを微量ガスとして検出できると、肝炎が発見できる。この場合、10.3μmの波長の赤外線を用いて、ppb程度の検出感度が必要である。また、エタノールやアセトアルデヒドを微量ガスとして検出できると、飲酒量が測定できる。 For example, diabetes can be found if acetone can be detected as the trace gas G1. In this case, detection sensitivity of about ppm is required using infrared rays having a wavelength of 7 to 8 μm. Moreover, hepatitis can be discovered if ammonia can be detected as a trace gas. In this case, detection sensitivity of about ppb is required using infrared rays having a wavelength of 10.3 μm. If ethanol or acetaldehyde can be detected as a trace gas, the amount of drinking can be measured.
図2は、微量ガスを検出するのに必要な赤外線光の波長と、赤外線光の吸収量との関係を表す図である。
量子カスケードレーザの波長を4〜11μmとすると、微量ガスの光吸収スペクトルの多くを検出可能である。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the wavelength of infrared light necessary to detect a trace gas and the amount of absorbed infrared light.
When the wavelength of the quantum cascade laser is 4 to 11 μm, most of the light absorption spectrum of the trace gas can be detected.
図3は、アンモニア、二酸化炭素、および水の波数(波長の逆数)に対する吸収度の依存性を表すグラフ図である。
縦軸は、Absorption(吸収量)×10−3(%)、横軸は波数(波長の逆数)(cm−1)である。たとえば、10ppbのNH3、5%のCO2、5%のH2O混合ガスなどは、量子カスケードレーザの狭いスペクトルでアンモニアの吸収波長に光源を微調することで、アンモニアのみの光吸収を求めることが可能である。
FIG. 3 is a graph showing the dependence of the absorbance on the wave number (reciprocal of wavelength) of ammonia, carbon dioxide, and water.
The vertical axis represents Absorption (absorption amount) × 10 −3 (%), and the horizontal axis represents the wave number (reciprocal of wavelength) (cm −1 ). For example, for 10 ppb NH 3 , 5% CO 2 , 5% H 2 O mixed gas, etc., the light absorption of only ammonia is obtained by fine tuning the light source to the absorption wavelength of ammonia in the narrow spectrum of the quantum cascade laser. It is possible.
図4は、呼気測定のフロー図である。
まず、呼気診断装置のスイッチをオンする。このとき、量子カスケードレーザ70もオンとすることができる。次に、ガスセル80内を排気し、たとえば、大気で置換する(S100)。
FIG. 4 is a flowchart of the exhalation measurement.
First, the breath diagnosis apparatus is turned on. At this time, the
続いて、第1調整機構により、量子カスケードレーザ70の波長を、第1のガスの吸収スペクトル内に粗調整する(S102)。
Subsequently, the wavelength of the
続いて、第2調整機構により、量子カスケードレーザ70の波長を、第1のガスの吸収スペクトルの吸収ピーク値近傍に微調整する。検出器87は、大気を透過した赤外線レーザ光の透過強度(入射窓83に入射する入射光強度Ioに等しい)を測定し、基準信号値とする(S104)。
Subsequently, the second adjustment mechanism finely adjusts the wavelength of the
続いて、次に測定するガスがあるかを判別する。もしYESであれば、ステップS102に戻り第2のガスの基準信号値を測定する。NOであれば、基準信号値の測定を終了する(S106)。 Subsequently, it is determined whether there is a gas to be measured next. If YES, the process returns to step S102 and the reference signal value of the second gas is measured. If NO, the measurement of the reference signal value is terminated (S106).
続いて、呼気を吹き込む(S108)。 Subsequently, exhalation is blown (S108).
続いて、第1調整機構により、量子カスケードレーザ70の波長を、被測定ガス吸収スペクトル内に粗調整する(S110)。
Subsequently, the wavelength of the
続いて、第2調整機構により、量子カスケードレーザ70の波長を、第1のガスの吸収スペクトルの吸収ピーク値近傍に微調整する。検出器87は、ガスセル80内の呼気を透過した赤外線レーザ光の透過強度Iを測定し、被測定ガス信号値とする(S112)。
Subsequently, the second adjustment mechanism finely adjusts the wavelength of the
続いて、次に測定するガスがあるかを判別する、もしYESであれば、ステップ110に戻る。NOであれば、被測定ガス信号値の測定を終了する(S114)。 Subsequently, it is determined whether there is a gas to be measured next. If YES, the process returns to step 110. If NO, the measurement of the gas signal value to be measured is terminated (S114).
図5は、被測定ガスの吸収スペクトルの一例を表すグラフ図である。
縦軸は相対吸収量、横軸は波長(μm)、である。第1のガスはアセトン、第2のガスはメタン、とする。アセトンの吸収ピークは、波長が7.35μm近傍にある。また、メタンの吸収ピークは、波長が7.63μm近傍にある。したがって、呼気のようにアセトンとメタンが含まれる場合、両方が加算された吸収スペクトルとなる。
FIG. 5 is a graph showing an example of the absorption spectrum of the gas to be measured.
The vertical axis represents the relative absorption amount, and the horizontal axis represents the wavelength (μm). The first gas is acetone, and the second gas is methane. The absorption peak of acetone is near 7.35 μm in wavelength. The absorption peak of methane has a wavelength in the vicinity of 7.63 μm. Therefore, when acetone and methane are contained as in exhalation, an absorption spectrum in which both are added is obtained.
たとえば、第2調整機構により7.35μm近傍に微調整して測定したアセトンガス信号値とアセトン基準信号値とを用いて、式(1)によりアセトンガス吸光度Aを算出できる(S116))。また、第2調整機構により、7.63μm近傍に微調整して測定したメタンガス信号値とメタンガス基準信号値とを用いて、式(1)によりメタンガス吸光度Aを算出できる(S116)。吸光度Aとガス分圧P(すなわちガス濃度)とが比例関係にあることを用いて、ガス濃度を算出する。最後に、ガスセル80内の大気で置換し(S118)、呼気測定を終了する。
For example, the acetone gas absorbance A can be calculated by the equation (1) using the acetone gas signal value and the acetone reference signal value measured by fine adjustment to around 7.35 μm by the second adjustment mechanism (S116). Further, the methane gas absorbance A can be calculated by the formula (1) using the methane gas signal value and the methane gas reference signal value measured by fine adjustment to around 7.63 μm by the second adjustment mechanism (S116). The gas concentration is calculated using the fact that the absorbance A and the gas partial pressure P (that is, the gas concentration) are in a proportional relationship. Finally, the atmosphere in the
アセトンとメタンのように、吸収ピーク波長が0.28μmと離間していても、第1調整機構により素早く波長をシフトし次の測定を行うことができる。このため、複数の被測定ガスを短時間で測定できる。また、第2調整機構により吸収ピーク値近傍で波長の微調整ができるので、測定精度を高めることができる。 Even if the absorption peak wavelength is separated from 0.28 μm like acetone and methane, the wavelength can be quickly shifted by the first adjustment mechanism and the next measurement can be performed. For this reason, a plurality of gases to be measured can be measured in a short time. Further, since the wavelength can be finely adjusted in the vicinity of the absorption peak value by the second adjustment mechanism, the measurement accuracy can be increased.
図6は、呼気測定の第1変形例にかかるフロー図である。
変形例では、図4のフロー図とは測定順序を変えて、最初にガスセル80内に呼気を吹き込み(S200)、ガス信号値を測定した(S204)のち、大気で置換し(S208)、基準信号値を測定しても(S212)よい。
FIG. 6 is a flowchart according to a first modified example of breath measurement.
In the modified example, the measurement order is changed from the flow chart of FIG. 4, exhalation is first blown into the gas cell 80 (S200), the gas signal value is measured (S204), and then replaced with the atmosphere (S208). The signal value may be measured (S212).
図7は、呼気測定の第2変形例にかかるフロー図である。
まず、呼気診断装置のスイッチをオンする。次に、ガスセル80内を排気し、たとえば、大気で置換する(S300)。
FIG. 7 is a flowchart according to the second modified example of the expiration measurement.
First, the breath diagnosis apparatus is turned on. Next, the
続いて、第1調整機構により、量子カスケードレーザ70の波長を、第1のガスの吸収スペクトル内に粗調整する(S302)。
Subsequently, the wavelength of the
続いて、第2調整機構により、量子カスケードレーザ70の波長を、第1のガスの吸収スペクトルの吸収ピーク値近傍に微調整したのち固定する。検出器87は、大気を透過した赤外線レーザ光の透過強度(入射光強度Ioに等しい)を測定し、基準信号値とする(S304)。
Subsequently, the wavelength of the
続いて、呼気を吹き込み(S306)、第1のガスの信号値を測定する(S308)。 Subsequently, exhalation is blown (S306), and the signal value of the first gas is measured (S308).
続いて、第1調整機構により、量子カスケードレーザ70の波長を、第2のガスの吸収スペクトル内に粗調整する(S310)。
Subsequently, the wavelength of the
続いて、第2調整機構により、量子カスケードレーザ70の波長を、第2のガスの吸収スペクトルの吸収ピーク値を含む範囲でスキャンする。ピーク領域で第2のガスの信号値を測定し、ベース領域で基準信号値を測定する(S312)。
Subsequently, the wavelength of the
第2変形例は、第1のガスをアセトンなどとし、第2のガスがアセトンの吸収スペクトルよりも幅が狭いメタンなどとする場合に有効である。すなわち、吸収スペクトルが狭いメタンなどでは、吸収ピークを含む波長範囲をスキャンすることにより、基準信号値とガス信号値とをステップS312内で測定でき、測定フローを簡素化できる。 The second modification is effective when the first gas is acetone or the like and the second gas is methane or the like having a narrower width than the absorption spectrum of acetone. That is, for methane having a narrow absorption spectrum, the reference signal value and the gas signal value can be measured in step S312 by scanning the wavelength range including the absorption peak, and the measurement flow can be simplified.
図8(a)は第1調整機構の第1変形例、図8(b)はその第2変形例、図8(c)はその第3変形例である。
図8(a)において、第1調整機構は、反射ミラー92と、反射ミラー92と量子カスケードレーザ70との間に設けられ、回転により赤外線レーザ光の透過率を変化し、複数のガスのうちのそれぞれのガスの吸収スペクトルに応じて赤外線レーザ光の波長を変化するエタロン93を有している。
8A shows a first modification of the first adjustment mechanism, FIG. 8B shows a second modification thereof, and FIG. 8C shows a third modification thereof.
In FIG. 8A, the first adjustment mechanism is provided between the
また、図8(b)において、第1調整機構は、反射ミラー92と、反射ミラー92と量子カスケードレーザ70との間に設けられ、回転または並進移動により赤外線レーザ光の入射角を変化し、複数のガスのうちのそれぞれのガスの吸収スペクトルに応じて赤外線レーザ光の波長を変化するプリズム94を有している。また、図8(a)、(b)において、反射ミラー92と、量子カスケードレーザ70との距離を変化するための、ピエゾ素子やステッピングモータをさらに有していてもよい。
In FIG. 8B, the first adjustment mechanism is provided between the
さらに、図8(c)に表すように、第1調整機構は、反射ミラー92と量子カスケードレーザ70との間に設けられ、帯域の異なる複数のバンドパスフィルタ95を有してもよい。B−B線に沿って、バンドパスフィルタ95をみたとき、バンドパスフィルタ95は光軸62の周りを回転し、複数のバンドパスフィルタ65のうちから1つを選択することができる。
Furthermore, as illustrated in FIG. 8C, the first adjustment mechanism may include a plurality of
図9(a)は第2の実施形態にかかる呼気診断装置の構成図、図9(b)は第3の実施形態にかかる呼気診断装置の構成図、である。
図9(a)に表すように、ガスセルは中空ファイバ96とすることができる。また、ガスセルに排気用のポンプ97を設けることができる。また、図9(b)に表すように、ガスセル80の内部に、赤外線レーザ光を多重反射するミラー85を設けると、マルチパスとなり感度を高めることができる。
FIG. 9A is a configuration diagram of the breath diagnosis apparatus according to the second embodiment, and FIG. 9B is a block diagram of the breath diagnosis apparatus according to the third embodiment.
As shown in FIG. 9A, the gas cell can be a
図10(a)は量子カスケードレーザを部分切断した模式斜視図、図10(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。
量子カスケードレーザは、基板10と、基板10の上に設けられた積層体20と、誘電体層40と、を少なくとも有する。図1(a)では、第1電極50と、第2電極52と、絶縁膜42と、をさらに有している。
FIG. 10A is a schematic perspective view in which the quantum cascade laser is partially cut, and FIG. 10B is a schematic cross-sectional view taken along the line AA.
The quantum cascade laser includes at least a
積層体20は、第1クラッド層22と、第1ガイド層23と、活性層24と、第2ガイド層25と、第2クラッド層28と、を有している。第1クラッド層22の屈折率と、第2クラッド層28の屈折率と、は、第1ガイド層23、活性層24、および第2ガイド層25、の屈折率のいずれよりもそれぞれ低くし、活性層24の積層方向に赤外線レーザ光60を適正に閉じ込めるようにする。なお、第1ガイド層23と第1クラッド層22とを合わせて、クラッド層と呼ぶことができる。また、第2ガイド層25と第2クラッド層28とを合わせて、クラッド層と呼ぶことができる。
The
また、積層体20は、ストライプの形状を有しており、リッジ導波路RGと呼ぶことができる。リッジ導波路RGの2つの端面をミラー面とすると、誘導放出された光は、赤外線レーザ光60として、光出射面から放出される。この場合、光軸62は、ミラー面を共振面とする光共振器の断面の中心を結ぶ線と定義する。すなわち、光軸62は、リッジ導波路RGの延在する方向と一致する。
The
光軸62に対して垂直な断面において、活性層24の第1の面24a、第2の面24b、に平行な方向の幅WAが広すぎると、水平横方向に高次モードを生じ、高出力とすることが困難となる。活性層24の幅WAは、例えば5〜20μmなどとすると、水平横方向モードの制御が容易となる。誘電体層40の屈折率が活性層24を構成するいずれの層の屈折率よりも低いものとすると、積層体20の側面20a、20bを挟むように設けられた誘電体層40により、光軸62に沿ってリッジ導波路RGを構成することができる。
In a cross section perpendicular to the
図11(a)は第4の実施形態にかかる呼気診断装置の構成図、図11(b)は外部共振器近傍の模式図、図11(c)は部分反射コート膜の反射率に対する相対出力電力の依存性を説明するグラフ図、である。
第1調整機構は、光軸62に対して所定の入射角γで交差し、XY面内で1次元または2次元的に並進移動可能な回折格子71aとする。回折格子71aは、ステッピングモータ99、およびそれを制御するコントローラ98により、並進運動が可能である。回折格子71aと、量子カスケードレーザ70の部分反射コート膜PR(反射率:R2)と、は、外部共振器(EC)を構成する。部分反射コート膜PRから放出された赤外線レーザ光は、光軸62に沿ってガスセル80に入射する。
FIG. 11A is a configuration diagram of the breath diagnosis apparatus according to the fourth embodiment, FIG. 11B is a schematic diagram in the vicinity of the external resonator, and FIG. 11C is a relative output with respect to the reflectance of the partial reflection coating film. It is a graph explaining the dependence of electric power.
The first adjustment mechanism is a
図12(a)および(b)は、回折格子の模式平面図、である。
図12(a)において、回折格子71aは、X方向に沿って異なるピッチを有する複数の領域を有する。共振波長は、領域B>領域A>領域Cであり、X方向に移動することにより、波長を粗調整できる。また、図12(b)において、共振波長は、領域E>領域F>領域H>領域Dであり、たとえば、破線の方向SDに沿って移動することにより、波長を粗調整できる。なお、回折格子71aの断面形状は、非対称であってもよい。
12A and 12B are schematic plan views of a diffraction grating.
In FIG. 12A, the
部分反射コート膜PRの反射率R2が高いほど、共振器内の光の往復回数が増えるため、波長制御性が高まりかつ安定する。 As the reflectance R2 of the partial reflection coating film PR is higher, the number of light reciprocations in the resonator is increased, so that the wavelength controllability is improved and stabilized.
他方、図11(c)に表すように、光出力Poutは、反射率R2がゼロと100%との間の反射率Rpで最大となり、Rp≦R<100%の間で反射率R2の増加とともに低下する。すなわち、反射率R2を、たとえば、Rp以上、かつ光出力が3dB低下する反射率R−3dB以下などとすると、線幅を安定に保ちつつ光出力を維持できるのでより好ましい。 On the other hand, as shown in FIG. 11 (c), the light output Pout becomes maximum at the reflectance Rp between the reflectance R2 of zero and 100%, and the reflectance R2 increases when Rp ≦ R <100%. Decreases with. That is, it is more preferable to set the reflectance R2 to, for example, Rp or more and the reflectance R −3 dB or less at which the optical output is reduced by 3 dB because the optical output can be maintained while keeping the line width stable.
図13は、量子カスケードレーザの作用を説明するバンド図である。
活性層24は、第1領域25と、第2領域26と、が交互に積層されたカスケード構造を有する。第1領域25は、量子井戸層72のサブバンド間光学遷移により、例えば3μm以上、18μm以下の波長の赤外線レーザ光60を放出可能である。また、第2領域26は、第1領域25から注入されたキャリア(例えば電子)Eのエネルギーを緩和可能である。
FIG. 13 is a band diagram for explaining the operation of the quantum cascade laser.
The
量子井戸層72において、井戸幅WTを、例えば数nm以下のように狭くしていくとエネルギー準位が離散して、サブバンド72a(高準位Lu)、サブバンド72b(低準位Ll)、などを生じる。注入障壁層73から注入された電子Eは、量子井戸層72に効果的に閉じ込めることができる。高準位Luから低準位Llへキャリアが遷移する場合、エネルギー差(Lu−Ll)に対応した光(hn)を放出する(光学遷移)。なお、量子井戸層72は、波動関数が重なり合う複数の井戸を有し、共通の準位LuおよびLlを有していてもよい。
In the
サブバンド間遷移は、伝導帯および価電子帯のいずれかにおいて生じる。すなわち、pn接合によるホールと電子との再結合が必要ではなく、いずれかのキャリアのみの光学遷移により発光する。本図の場合、積層体20は、第1電極50と、第2電極52と、の間に印加された電圧により、注入障壁層73を介して電子Eを量子井戸層72へ注入し、サブバンド間遷移を生じる。
Intersubband transitions occur in either the conduction band or the valence band. That is, recombination of holes and electrons by a pn junction is not necessary, and light is emitted by optical transition of only one of the carriers. In the case of this figure, the
第2領域26は、複数のサブバンド(ミニバンドともいう)を有している。サブバンドにおけるエネルギー差は小さく連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。この結果、電子のエネルギーが緩和されるので、第2領域26では、3〜18μmの波長の赤外線レーザ光を生じない。第1領域25の低準位Llの電子は、抽出障壁層74を通過して、第2領域26へ注入され、緩和されて、カスケード接続された次段の第1領域25へ注入され(電子E)次の光学遷移を生じる。すなわち、カスケード構造では、電子Eが単位構造27内で光学遷移をそれぞれ行うので、活性層24の全体において高い光出力を取り出すことが容易となる。
The
量子井戸層72はGaAsを含み、障壁層はAlxGa1−xAs(0<x<1)を含むものとすることができる。この場合、基板10をGaAsとすると、量子井戸層および障壁層との格子整合が良好にできる。第1クラッド層22および第2クラッド層28は、Siドープにより、例えば6×1018cm−3のn形不純物濃度を有し、例えば1μmの厚さとすることができる。また、第1ガイド層23および第2ガイド層25は、Siドープにより、例えば4×1016cm−3のn形不純物濃度を有し、3.5μmの厚さとすることができる。また、活性層24の幅WAは14μm、リッジ導波路RGの長さLは、3mmなどとすることができる。量子カスケードレーザは、たとえば、10V以下の動作電圧で動作可能であり、消費電流も炭酸ガスレーザ装置などに比べて低く、低消費電力とできる。
The
第1〜第4の実施形態によれば、3〜12μmの波長範囲を有する赤外線レーザ光を用いて呼気に含まれる複数のガスの濃度を測定できる。これらの呼気診断装置は、人間の呼気BRのような、主成分として、窒素、酸素、二酸化炭素、水などが含まれ、温度変化等、分子の吸収ピークや光源の波長のシフトの生じうる測定雰囲気である場合であっても、測定対象分子の吸収ピークに赤外線レーザの波長を精度よく合わせることができる。また、炭酸ガスレーザ装置やラマンレーザ装置などを赤外線レーザ光の光源とする装置よりも小型化でき、かつ低消費電力にできる。また、量子カスケードレーザの波長を、第1調整機構で粗調整し、その後第2調整機構で微調整することにより、複数のガスの濃度を、迅速かつ精度よく算出することができる。 According to the 1st-4th embodiment, the density | concentration of the some gas contained in exhalation can be measured using the infrared laser beam which has a wavelength range of 3-12 micrometers. These breath diagnosis devices, such as human breath BR, contain nitrogen, oxygen, carbon dioxide, water, etc. as the main components, and can measure changes in temperature such as molecular absorption peaks and light source wavelengths. Even in the atmosphere, the wavelength of the infrared laser can be accurately adjusted to the absorption peak of the molecule to be measured. In addition, it is possible to reduce the size and power consumption compared with a device that uses a carbon dioxide laser device, a Raman laser device, or the like as a light source of infrared laser light. Further, the concentration of the plurality of gases can be calculated quickly and accurately by coarsely adjusting the wavelength of the quantum cascade laser with the first adjusting mechanism and then finely adjusting the wavelength with the second adjusting mechanism.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
62 光軸、70 量子カスケードレーザ、71、71a 回折格子、80 ガスセル(筐体)、81 呼気吸い込み口、82 呼気排出口、83 入射窓、84 出射窓、85 多重反射ミラー、87 検出部、88 信号処理部、90 ペルチェ素子、91 光源部、92 反射ミラー、93 エタロン、94 プリズム、95 バンドパスフィルタ、γ 所定の入射角 62 optical axis, 70 quantum cascade laser, 71, 71a diffraction grating, 80 gas cell (housing), 81 exhalation inlet, 82 exhalation outlet, 83 entrance window, 84 exit window, 85 multiple reflection mirrors, 87 detector, 88 Signal processing unit, 90 Peltier element, 91 light source unit, 92 reflecting mirror, 93 etalon, 94 prism, 95 bandpass filter, γ predetermined incident angle
Claims (13)
反射コート膜が設けられた一方の端面を有し、複数の量子井戸における電子のサブバンド間遷移により赤外光を放射する量子カスケードレーザと、
前記赤外光の波長を前記複数種類のガスのうちの一種類のガスの吸収スペクトル内にシフトする第1調整機構、および前記赤外光の波長を一種類のガスの吸収スペクトル内においてシフトする第2調整機構を有する波長制御部と、
呼気吸い込み口と、呼気排出口と、前記赤外光の入射窓と、前記赤外光のうち前記呼気に吸収されずに透過光として放射される出射窓と、を有する筐体と、
前赤外光の強度を検出する検出部と、
前記入射窓への入射光の強度および前記透過光の強度から、前記複数種類のガスの濃度を算出する信号処理部と、
を備え、
前記透過光の光出力が最大値となるときの前記反射コート膜の反射率をRpと表し、反射率が増加するのに応じて前記透過光の光出力が前記最大値の2分の1に低下するときの反射率をR −3dB と表すとき、前記反射コート膜の前記反射率は前記赤外光の波長範囲内においてRp以上かつR −3dB 以下である、呼気診断装置。 An exhalation diagnostic apparatus capable of measuring concentrations of a plurality of types of gases contained in exhaled breath,
A quantum cascade laser having one end face provided with a reflective coating film and emitting infrared light by intersubband transition of electrons in a plurality of quantum wells;
Shift in the absorption spectrum of one type of gas one type of the first adjustment mechanism shifts in the absorption spectrum of the gas, and the wavelength of the infrared light of the gas the plurality of types of wavelengths of the infrared light A wavelength controller having a second adjustment mechanism;
And expiration suction port, and expiration outlet, and the entrance window of the infrared light, a housing having an a exit window, which is emitted as transmitted light without being absorbed by the exhalation of the infrared light,
A detection unit for detecting the intensity of the front infrared light;
A signal processing unit that calculates the concentration of the plurality of types of gases from the intensity of incident light to the incident window and the intensity of the transmitted light ;
Equipped with a,
The reflectance of the reflective coating film when the light output of the transmitted light reaches the maximum value is represented by Rp, and the light output of the transmitted light is reduced to one half of the maximum value as the reflectance increases. The breath diagnosis apparatus , wherein the reflectance of the reflective coating film is Rp or more and R -3 dB or less in the wavelength range of the infrared light when the reflectance when decreasing is expressed as R -3 dB .
前記回折格子を前記赤外光の光軸の周りに回転させ、ピッチの異なる格子領域を照射する請求項1記載の呼気診断装置。 The first wavelength adjusting mechanism includes a diffraction grating,
The breath diagnosis apparatus according to claim 1, wherein the diffraction grating is rotated around the optical axis of the infrared light to irradiate a grating region having a different pitch .
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