JP6943675B2 - 外部共振型レーザモジュール、分析装置、外部共振型レーザモジュールの駆動方法、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、外部共振型レーザモジュール、分析装置、外部共振型レーザモジュールの駆動方法、及びプログラムに関する。

分光分析に用いられ、波長掃引（スキャン）を行うための光源として、量子カスケードレーザと、量子カスケードレーザから出射された光を回折及び反射させる回折格子と、を備える外部共振型レーザモジュールが知られている。このような外部共振型レーザモジュールでは、例えば、回転ステージ上に回折格子が固定されており、アクチュエータによって回転ステージが回転させられて回折格子の向きが変化することにより、出力光の波長が可変となっている（例えば特許文献１参照）。

米国特許第７９０３７０４号公報

上述したような外部共振型レーザモジュールには、小型化及び信頼性の向上を図りつつも、分光分析に用いられた場合に高精度な測定を実現できることが求められる。

本発明の一側面は、小型化及び信頼性の向上を図りつつも、分光分析に用いられた場合に高精度な測定を実現することができる外部共振型レーザモジュールを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る外部共振型レーザモジュールは、量子カスケードレーザと、量子カスケードレーザから出射された光を回折及び反射させる回折反射部を有し、回折反射部を揺動させることにより、光の一部を量子カスケードレーザに帰還させるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）回折格子と、量子カスケードレーザの駆動を制御する制御部と、を備え、制御部は、回折反射部が揺動する第１周波数よりも高い第２周波数のパルス光が量子カスケードレーザから出射され、且つ、回折反射部がｍ回（ｍ：１以上の整数）往復する度にパルス光の位相が変化するように、量子カスケードレーザをパルス駆動させる。

この外部共振型レーザモジュールでは、ＭＥＭＳ回折格子によって外部共振器が構成されるため、外部共振器として回折格子、回転ステージ及びアクチュエータ等が設けられる場合と比べて、モジュール全体を小型化することができる。また、量子カスケードレーザがパルス駆動されるため、量子カスケードレーザが連続（ＣＷ）駆動される場合と比べて、量子カスケードレーザの発熱量を低減することができる。その結果、量子カスケードレーザを冷却するための構成が大型化するのを回避することができ、モジュール全体を一層小型化することができる。また、熱の影響により量子カスケードレーザに不具合が生じるのを抑制することができ、信頼性を高めることもできる。更に、この外部共振型レーザモジュールでは、回折反射部が揺動する第１周波数よりも高い第２周波数のパルス光が量子カスケードレーザから出射され、且つ、回折反射部がｍ回往復する度にパルス光の位相が変化するように、量子カスケードレーザがパルス駆動される。これにより、外部共振型レーザモジュールの出力光の波長スペクトルに欠落が生じるのを抑制することができ、その結果、分光分析に用いられた場合に高精度な測定を実現することができる。以上により、この外部共振型レーザモジュールによれば、小型化及び信頼性の向上を図りつつも、分光分析に用いられた場合に高精度な測定を実現することができる。

制御部は、回折反射部がｍ回往復する度にパルス光の位相が所定値ずつ変化するように、量子カスケードレーザをパルス駆動させてもよい。これによれば、簡易な制御により、出力光の波長スペクトルに欠落が生じるのを抑制することができる。

所定値は、パルス光のパルス幅に等しくてもよい。これによれば、パルス光の位相を効率的に変化させることができる。

制御部は、初期位相において、パルス光が立ち上がる時点と回折反射部が折り返す時点とが一致するように、量子カスケードレーザをパルス駆動させてもよい。これによれば、一層簡易な制御により、出力光の波長スペクトルに欠落が生じるのを抑制することができる。

ＭＥＭＳ回折格子は、回折反射部が設けられた可動部と、可動部が揺動自在に連結された支持部と、可動部を揺動させるアクチュエータ部と、を更に有していてもよい。これによれば、モジュール全体を好適に小型化することができる。

本発明の一側面に係る分析装置は、上記外部共振型レーザモジュールと、外部共振型レーザモジュールから出力され、測定対象を透過した光を検出する光検出器と、光検出器の検出結果に基づいて吸収スペクトルを算出する演算部と、を備え、演算部は、回折反射部の揺動における往路期間及び復路期間の一方において光検出器により取得された第１データを、往路期間と復路期間とが切り替わる時点を基準として時間に関して反転し、往路期間及び復路期間の他方において光検出器により取得された第２データに対して重ね合わせることにより得られた第３データに基づいて、吸収スペクトルを算出する。

この分析装置では、上記外部共振型レーザモジュールを備えるため、上述した理由により、外部共振型レーザモジュールの小型化及び信頼性の向上を図りつつも、高精度な測定を実現することが可能となる。また、この分析装置では、回折反射部の揺動における往路期間及び復路期間において取得された第１データ及び第２データが互いに重ね合わされた第３データに基づいて、吸収スペクトルが算出される。これにより、第１データ及び第２データの一方のみに基づいて吸収スペクトルが算出される場合と比べて、測定精度を向上することができる。

本発明の一側面に係る外部共振型レーザモジュールの駆動方法は、外部共振型レーザモジュールの駆動方法であって、外部共振型レーザモジュールは、量子カスケードレーザと、量子カスケードレーザから出射された光を回折及び反射させる回折反射部を有し、回折反射部を揺動させることにより、光の一部を量子カスケードレーザに帰還させるＭＥＭＳ回折格子と、を備え、回折反射部が揺動する第１周波数よりも高い第２周波数のパルス光が量子カスケードレーザから出射され、且つ、回折反射部がｍ回（ｍ：１以上の整数）往復する度にパルス光の位相が変化するように、量子カスケードレーザをパルス駆動させる。

この外部共振型レーザモジュールの駆動方法では、ＭＥＭＳ回折格子を備える外部共振型レーザモジュールを駆動させる。これにより、上述した理由により、外部共振型レーザモジュールの小型化及び信頼性の向上を図ることができる。また、この外部共振型レーザモジュールの駆動方法では、回折反射部が揺動する第１周波数よりも高い第２周波数のパルス光が量子カスケードレーザから出射され、且つ、回折反射部がｍ回往復する度にパルス光の位相が変化するように、量子カスケードレーザをパルス駆動させる。これにより、外部共振型レーザモジュールの出力光の波長スペクトルに欠落が生じるのを抑制することができ、その結果、外部共振型レーザモジュールが分光分析に用いられた場合に高精度な測定を実現することができる。

本発明の一側面に係るプログラムは、量子カスケードレーザと、量子カスケードレーザから出射された光を回折及び反射させる回折反射部を有し、回折反射部を揺動させることにより、光の一部を量子カスケードレーザに帰還させるＭＥＭＳ回折格子と、を備える外部共振型レーザモジュールにおいて、量子カスケードレーザの駆動を制御するためのプログラムであって、回折反射部が揺動する第１周波数よりも高い第２周波数のパルス光が量子カスケードレーザから出射され、且つ、回折反射部がｍ回（ｍ：１以上の整数）往復する度にパルス光の位相が変化するように、量子カスケードレーザをパルス駆動させる制御部としてコンピュータを機能させる。また、本発明の一側面は、当該プログラムを記録するコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。

本発明の一側面によれば、小型化及び信頼性の向上を図りつつも、分光分析に用いられた場合に高精度な測定を実現することができる外部共振型レーザモジュールを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る分析装置の構成図である。 外部共振型レーザモジュールの横断面図である。 図２のIII-III線に沿っての断面図である。 ＭＥＭＳ回折格子及び量子カスケードレーザの駆動方法を示す図である。 量子カスケードレーザの駆動方法を示す図である。 （ａ）は、図１の分析装置を用いて大気の吸収スペクトルを測定した結果を示すグラフであり、（ｂ）は、図１の分析装置を用いてメタンの吸収スペクトルを測定した結果を示すグラフである。 （ａ）は、図１の分析装置を用いてメタンの吸収スペクトルを測定した結果を示すグラフであり、（ｂ）は、ＦＴＩＲ（フーリエ変換型赤外分光分析器）を用いてメタンの吸収スペクトルを測定した結果を示すグラフである。 プログラムが格納された記録媒体を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
[分析装置の構成]

図１に示されるように、分析装置１は、外部共振型レーザモジュール２（以下、「レーザモジュール２」という）と、光検出器３と、制御装置４と、を備えている。分析装置１は、吸収スペクトルを測定することにより分光分析を行うための装置である。分析装置１は、例えば、光透過性の容器内に収容された分析対象が外部共振型レーザモジュール２と光検出器３との間に配置された状態で用いられる。分析対象は、気体、液体及び固体のいずれであってもよい。

レーザモジュール２は、出力光Ｌの波長が可変である波長可変光源である。吸収スペクトルの測定時には、レーザモジュール２は、出力光Ｌの波長を高速に変化させることにより、所定の波長範囲において波長掃引を行う。光検出器３は、レーザモジュール２から出力され、分析対象を透過した出力光Ｌの強度を検出する。光検出器３としては、例えばＭＣＴ（水銀カドミウムテルル）検出器、ＩｎＡｓＳｂ（インジウム砒素アンチモン）フォトダイオード、サーモパイル等を用いることができる。制御装置４は、光検出器３の検出結果に基づいて吸収スペクトルを算出する。制御装置４は、レーザモジュール２及び光検出器３と電気的に接続されている。制御装置４の詳細については後述する。
[外部共振型レーザモジュールの構成]

図２及び図３に示されるように、レーザモジュール２は、筐体５と、ベース部材６と、冷却器７と、ヒートシンク８と、レンズ９Ａ，９Ｂと、量子カスケードレーザ１１（以下、「ＱＣＬ１１」という）と、ＭＥＭＳ回折格子１２と、を備えている。筐体５は、ベース部材６、冷却器７、ヒートシンク８、レンズ９Ａ，９Ｂ、ＱＣＬ１１及びＭＥＭＳ回折格子１２を内部に収容している。筐体５は、例えば箱状に形成され、レーザモジュール２の出力光Ｌを外部へ出力するための窓５ａを有している。また、筐体５には、配線等を外部に引き出すための引出部５ｂが設けられている。一例として、筐体５の各辺の長さは７０ｍｍ程度である。

ベース部材６は、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなり、平板状の底壁部６ａと、底壁部６ａ上に立設された側壁部６ｂと、を有している。ベース部材６は、冷却器７を介して筐体５の底面上に固定されており、底壁部６ａにおいて冷却器７に接触している。冷却器７は、例えばペルチェ素子を含んで構成された冷却デバイスである。側壁部６ｂは、底壁部６ａに対して傾斜した傾斜面６ｃを有している。傾斜面６ｃ上には、ＭＥＭＳ回折格子１２が固定されている。ＭＥＭＳ回折格子１２の構成については後述する。

ＱＣＬ１１は、量子カスケードレーザ素子１３（以下、「ＱＣＬ素子１３」という）を有している。ＱＣＬ素子１３は、互いに対向する第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂを有し、中赤外領域の広帯域（例えば３μｍ以上２０μｍ以下）の光を第１端面１３ａ及び第２端面１３ｂそれぞれから出射する。ＱＣＬ素子１３は、中心波長が互いに異なる複数の活性層がスタック状に積層された構造を有しており、上記のような広帯域の光を出射することができる。なお、ＱＣＬ素子１３は、単一の活性層からなる構造を有していてもよく、この場合でも上記のような広帯域の光を出射することができる。

ＱＣＬ素子１３の第１端面１３ａには反射低減部１４が設けられている。反射低減部１４は、例えば反射率が０．５％よりも小さいＡＲ（Anti Reflection）層により構成されている。反射低減部１４は、ＱＣＬ素子１３の第１端面１３ａから外部に光が出射する際の反射率を低減すると共に、外部からＱＣＬ素子１３の第１端面１３ａに光が入射する際の反射率を低減する。

ＱＣＬ素子１３の第２端面１３ｂには反射低減部１５が設けられている。反射低減部１５は、例えば反射率が２．５％のＡＲ層により構成されている。反射低減部１５は、ＱＣＬ素子１３の第２端面１３ｂから外部に光が出射する際の反射率を低減する。反射低減部１５は、ＱＣＬ素子１３の第２端面１３ｂから出射される光の一部を反射させ残部を透過させる。反射低減部１５を透過した光は、ＱＣＬ１１の出力光Ｌとなる。なお、第２端面１３ｂに反射低減部１５が設けられず、第２端面１３ｂが露出していてもよい。

ＱＣＬ１１は、サブマウント１６及びヒートシンク８を介してベース部材６上に固定されている。より詳細には、ベース部材６の底壁部６ａ上にヒートシンク８が固定され、ヒートシンク８上にサブマウント１６が固定されている。ＱＣＬ１１はサブマウント１６上に固定されている。サブマウント１６は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んで構成されたセラミック基板である。ヒートシンク８は、例えば銅（Ｃｕ）からなる放熱部材である。

レンズ９Ａ，９Ｂは、例えば、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）又はゲルマニウム（Ｇｅ）からなる非球面レンズであり、紫外線硬化樹脂１７によりヒートシンク８上に固定されている。レンズ９Ａは、ＱＣＬ素子１３に対して第１端面１３ａ側に配置され、第１端面１３ａから出射される光をコリメートする。レンズ９Ｂは、ＱＣＬ素子１３に対して第２端面１３ｂ側に配置され、第２端面１３ｂから出射される光をコリメートする。レンズ９Ｂによりコリメートされた光は、筐体５の窓５ａを通って外部に出力される。

レンズ９Ａによりコリメートされた光は、ＭＥＭＳ回折格子１２に入射する。ＭＥＭＳ回折格子１２は、この入射光を回折及び反射させることにより、当該入射光のうち特定波長の光をＱＣＬ素子１３の第１端面１３ａに帰還させる。すなわち、ＭＥＭＳ回折格子１２と反射低減部１５とはリトロー型の外部共振器を構成している。これにより、レーザモジュール２は、特定波長の光を増幅させて外部に出力することができる。

また、ＭＥＭＳ回折格子１２では、後述するように、入射光を回折及び反射させる回折反射部２８の向きを高速に変化させることができる。これにより、ＭＥＭＳ回折格子１２からＱＣＬ素子１３の第１端面１３ａに帰還する光の波長が可変となっており、ひいてはレーザモジュール２の出力光Ｌの波長が可変となっている。

ＭＥＭＳ回折格子１２は、支持部２１と、一対の連結部２２，２２と、可動部２３と、コイル２４（アクチュエータ部）と、一対の磁石２５，２５（アクチュエータ部）と、ヨーク２６と、を有している。ＭＥＭＳ回折格子１２は、軸線Ｘ周りに可動部２３を揺動させるＭＥＭＳデバイスとして構成されている。ＭＥＭＳ回折格子１２は、実装部材２７を介してベース部材６の傾斜面６ｃ上に固定されている。実装部材２７は、平面視において（少なくとも支持部２１及び可動部２３が配置される平面に垂直な方向から見た場合に）略矩形状を呈する平板状の部材である。

支持部２１は、平面視において矩形状を呈する平板状の枠体である。支持部２１は、一対の連結部２２を介して可動部２３等を支持している。各連結部２２は、平面視において矩形状を呈する平板状の部材であり、軸線Ｘに沿って延在している。各連結部２２は、可動部２３が軸線Ｘ周りに揺動自在となるように、軸線Ｘ上において可動部２３を支持部２１に連結している。

可動部２３は、平面視において円形状を呈する平板状の部材であり、支持部２１の内側に位置している。可動部２３は、上述したように、支持部２１に揺動自在に連結されている。支持部２１、連結部２２及び可動部２３は、例えば１つのＳＯＩ基板に作り込まれることにより、一体に形成されている。

可動部２３におけるＱＣＬ１１側の表面には、回折反射部２８が設けられている。回折反射部２８は、ＱＣＬ１１から出射された光を回折させると共に反射させる回折反射面を有している。回折反射部２８は、例えば、可動部２３の表面上にわたって設けられ、回折格子パターンが形成された樹脂層と、当該回折格子パターンに沿うように樹脂層の表面上にわたって設けられた金属層と、により構成されている。或いは、回折反射部２８は、可動部２３上に設けられ、回折格子パターンが形成された金属層のみにより構成されてもよい。回折格子パターンは、例えば、鋸歯状断面のブレーズドグレーティング、矩形状断面のバイナリグレーティング、又は正弦波状断面のホログラフィックグレーティング等である。

コイル２４は、例えば、銅等の金属材料からなり、可動部２３の表面に形成された溝内に埋め込まれている。コイル２４は、平面視においてスパイラル状に複数周回巻回されている。コイル２４の外側端部及び内側端部には、外部との接続用の配線が電気的に接続されている。当該配線は、例えば支持部２１、連結部２２及び可動部２３にわたって設けられており、支持部２１上に設けられた電極と電気的に接続されている。

磁石２５，２５は、コイル２４に作用する磁界を発生させる。磁石２５，２５は、直方体状に形成され、支持部２１における軸線Ｘと平行な一対の辺部と対向するように配置されている。各磁石２５における磁極の配列は、例えばハルバッハ配列である。ヨーク２６は、磁石２５の磁力を増幅させる。ヨーク２６は、平面視において矩形枠状を呈し、支持部２１及び磁石２５，２５を包囲するように配置されている。

ＭＥＭＳ回折格子１２では、コイル２４に電流が流れると、磁石２５，２５で生じる磁界により、コイル２４内を流れる電子に所定の方向にローレンツ力が生じる。これにより、コイル２４は所定の方向に力を受ける。このため、コイル２４に流れる電流の向き又は大きさ等を制御することで、可動部２３（回折反射部２８）を軸線Ｘ周りに揺動させることができる。また、可動部２３の共振周波数に対応する周波数の電流をコイル２４に流すことで、可動部２３を共振周波数レベルで高速に揺動させることができる。このように、コイル２４及び磁石２５は、可動部２３を揺動させるアクチュエータ部として機能する。
[分析装置の制御]

分析装置１は、制御装置４により制御される。図１に示されるように、制御装置４は、ＭＥＭＳ回折格子１２の駆動を制御する回折格子制御部４１と、ＱＣＬ１１の駆動を制御するレーザ制御部４２と、光検出器３の検出結果に基づいて吸収スペクトルを算出する演算部４３と、を有している。制御装置４は、例えば、演算処理が行われるＣＰＵなどの演算回路と、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリにより構成される記録媒体と、入出力装置と、を含むコンピュータによって構成され得る。制御装置４は、スマートフォン、タブレット端末等を含むスマートデバイス等のコンピュータによって構成されてもよい。制御装置４は、コンピュータにプログラム等を読み込ませることにより動作し得る。より詳細には、制御装置４は、ＱＣＬ１１を駆動するドライバ、制御パルスを発生させるファンクションジェネレータ、及び冷却器７を制御するためのドライバ等を含んで構成されてもよい。ファンクションジェネレータは、２チャンネルの出力により、ＱＣＬ１１及びＭＥＭＳ回折格子１２をプログラムで連動して駆動させる。制御装置４は、ＭＥＭＳ回折格子１２の駆動周期をトリガとして、オシロスコープによって、又はＡＤコンバーターを介して、光検出器３からの出力をサンプリングしてよい。なお、回折格子制御部４１、レーザ制御部４２及び演算部４３は、単一のコンピュータによって構成されなくてもよく、別々のコンピュータ又は電子回路によって構成されてもよい。例えば、回折格子制御部４１は、ＭＥＭＳ回折格子１２に含まれる電子回路によって構成されてもよい。また、レーザ制御部４２は、サブマウント１６、又はサブマウント１６とは別の回路基板に設けられた電子回路によって構成されてもよい。

図４は、ＭＥＭＳ回折格子１２及びＱＣＬ１１の駆動方法を示す図である。図４に示されるように、回折格子制御部４１は、第１周波数ｆ１のパルス状の駆動電流Ｃ１をＭＥＭＳ回折格子１２（コイル２４）に印可する。これにより、図４の上部に示されるように、回折反射部２８（可動部２３）が第１周波数ｆ１で繰り返し連続的に揺動する。第１周波数ｆ１は、例えば０．５ｋＨｚ以上５ｋＨｚ以下である。すなわち、回折反射部２８の揺動の周期Ｔ１（＝１／ｆ１）は、例えば０．２ｍｓ以上２ｍｓ以下である。周期Ｔ１は、回折反射部２８が１回往復するのに要する時間である。レーザモジュール２の出力光Ｌの波長は、回折反射部２８の回転角度に応じて変化する。なお、ＭＥＭＳ回折格子１２に印可される駆動電流Ｃ１はパルス波に限られず、正弦波、三角波又は鋸歯状波であってもよい。

レーザ制御部４２は、第１周波数ｆ１よりも高い第２周波数ｆ２のパルス状の駆動電流Ｃ２をＱＣＬ１１（ＱＣＬ素子１３）に印可する。これにより、ＱＣＬ１１から第２周波数ｆ２のパルス光が出射される。すなわち、ＱＣＬ１１から出射されるパルス光の波形は駆動電流Ｃ２の波形と相似する。第２周波数ｆ２は、例えば５ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下である。すなわち、パルス光の周期Ｔ２（＝１／ｆ２）は、例えば０．１μｓ以上０．２ｍｓ以下である。パルス光のパルス幅Ｔ３は、例えば５００ｎｓ以下である。周期Ｔ２におけるパルス幅Ｔ３の割合であるデューティサイクル（デューティ比）（＝Ｔ３／Ｔ２）は、例えば０％よりも大きく１０％以下である。図４では、後述するようにパルス光の位相が変化させられる前の初期位相における駆動電流Ｃ２が示されている。この例では、初期位相において、パルス光が立ち上がる時点は、回折反射部２８が折り返す時点と一致している。

このようにＱＣＬ１１が駆動された場合、回折反射部２８の揺動における往路期間（つまり、Ｔ１／２の間）に、ＱＣＬ１１からパルス状の光がｎ回（ｎ＝（Ｔ１／２）／Ｔ２）出射される。このとき、各光の出射タイミングによって回折反射部２８の回転角度は異なるため、ＱＣＬ１１から順次出射された光に対応する出力光Ｌの波長は、λ１，λ２，λ３，…，λｎと互いに異なる値となる。例えば、出力光Ｌが短波長側から順に掃引される場合、波長λ１，λ２，λ３，…，λｎは、λ１＜λ２＜λ３＜…＜λｎとの関係を満たす。

一方、回折反射部２８の揺動における復路期間にも、ＱＣＬ１１からパルス状の光がｎ回出射される。上記のように往路期間において出力光Ｌが短波長側から順に掃引される場合、復路期間においては、往路期間とは逆に、ＱＣＬ１１から順次出射された光に対応する出力光Ｌの波長λｎ＋１，λｎ＋２，…，λ２ｎは、λｎ＋１＞λｎ＋２＞…＞λ２ｎとの関係を満たす。

ここで、復路期間における出力光Ｌの波長λｎ＋１，λｎ＋２，…，λ２ｎは、往路期間における出力光Ｌの波長λ１，λ２，λ３，…，λｎを、往路期間と復路期間とが切り替わる時点を基準として時間に関して反転したものと略等しくなる。このため、本実施形態の分析装置１では、演算部４３は、往路期間及び復路期間のいずれか一方（例えば往路期間）において光検出器３により取得されたデータのみを用いて吸収スペクトルを算出する。これにより、サンプリング数を低減することができ、吸収スペクトルの算出を簡易化することができる。

更に、図５に示されるように、レーザ制御部４２は、回折反射部２８が１回往復する度に、ＱＣＬ１１から出射されるパルス光の位相がパルス幅Ｔ３ずつ変化する（シフトする）ように、ＱＣＬ１１をパルス駆動させる。より詳細には、レーザ制御部４２は、回折反射部２８が１回往復する度に、ＱＣＬ１１に印可する駆動電流Ｃ２の位相をパルス幅Ｔ３ずつ変化させる。これにより、回折反射部２８が１回往復する度に、駆動電流Ｃ２ａ（位相：θ１）、駆動電流Ｃ２ｂ（位相：θ２＝θ１＋Ｔ３）、駆動電流Ｃ２ｃ（位相：θ３＝θ２＋Ｔ３）と、駆動電流Ｃ２の位相がパルス幅Ｔ３ずつずれていく。このとき、駆動電流Ｃ２の位相の変化に応じて、ＱＣＬ１１から出射されるパルス光の位相もパルス幅Ｔ３ずつ変化していく。この位相の変化がｐ−１回（ｐ＝Ｔ２／Ｔ３）繰り返されることにより、時間軸上において出力光Ｌの波長スペクトルが隙間無く埋められ、見かけ上、連続的な波長掃引が実現される。このため、演算部４３は、パルス光の位相が初期位相から少なくともｐ−１回変化するまでの間における光検出器３の検出結果に基づいて吸収スペクトルを算出すればよい。なお、パルス光の位相を変化させる処理は、ｐ−１回に限られず、処理終了まで繰り返し実行されてよい。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、分析装置１を用いて大気及びメタンの吸収スペクトルを測定した結果を示すグラフである。図７（ａ）は、分析装置１を用いてメタンの吸収スペクトルを測定した結果を示すグラフであり、図７（ｂ）は、ＦＴＩＲを用いてメタンの吸収スペクトルを測定した結果を示すグラフである。図６（ａ）及び図６（ｂ）には、出力光Ｌの波長が７．１４μｍ及び８．３３μｍである位置が示されている。

図６（ａ）、図６（ｂ）及び図７（ａ）に示される例では、ＱＣＬ１１として波長７μｍ帯のものを用い、第１周波数ｆ１を１ｋＨｚとし（周期Ｔ１を１ｍｓとし）、第２周波数ｆ２を１００ｋＨｚとし（周期Ｔ２を１０μｓとし）、パルス幅Ｔ３を１００ｎｓとした。この場合、デューティサイクルは１％となり、出力光Ｌの波長スペクトルを隙間無く埋めるために必要なパルス光の位相を変化させる回数は９９回となる。また、回折反射部２８の回転角度の最大値は、例えば１０度程度となる。この例では、回折反射部２８が１０回往復する度に、ＱＣＬ１１から出射されるパルス光の位相がパルス幅Ｔ３だけ変化するように、ＱＣＬ１１をパルス駆動した。この場合、周期Ｔ１が１ｍｓであるので、１秒間の駆動により、時間軸上にわたって１０回積算された吸収スペクトルを取得することができる。

図６（ａ）及び図６（ｂ）から、分析装置１によって大気及びメタンの吸収スペクトルを精度良く測定することができたことが分かる。また、図７（ａ）及び図７（ｂ）から、分析装置１により、ＦＴＩＲを用いた場合と同程度の精度で吸収スペクトルを測定することができたことが分かる。

図８は、コンピュータを制御装置４として機能させるためのプログラムＰ１が格納された記録媒体４０ａを示す図である。記録媒体４０ａに格納されたプログラムＰ１は、回折格子制御モジュールＰ１１と、レーザ制御モジュールＰ１２と、演算モジュールＰ１３と、を備える。回折格子制御モジュールＰ１１、レーザ制御モジュールＰ１２及び演算モジュールＰ１３を実行することにより実現される機能はそれぞれ、上記の回折格子制御部４１、レーザ制御部４２及び演算部４３の機能と同様である。プログラムＰ１は、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ若しくはＲＯＭ等の記録媒体又は半導体メモリによって提供されてもよい。制御装置４において実行される分析装置１の制御方法（レーザモジュール２の駆動方法）は、記録媒体４０ａに格納されたプログラムＰ１に基づいて実行され得る。
[作用及び効果]

以上説明したレーザモジュール２では、ＭＥＭＳ回折格子１２によって外部共振器が構成されるため、外部共振器として回折格子、回転ステージ及びアクチュエータ等が設けられる場合と比べて、レーザモジュール２の全体を小型化することができる。また、レーザモジュール２では、ＱＣＬ１１がパルス駆動されるため、ＱＣＬ１１が連続駆動される場合と比べて、ＱＣＬ１１の発熱量を低減することができる。その結果、ＱＣＬ１１を冷却するための構成が大型化するのを回避することができ、モジュール全体を一層小型化することができる。すなわち、レーザモジュール２では、冷却水チラー、空冷ファンといった二次冷却装置、及びそれらを駆動するための電源を省略することが可能となる。また、熱の影響によりＱＣＬ１１に不具合が生じるのを抑制することができ、信頼性を高めることもできる。熱の影響により生じる不具合としては、例えば反射低減部１４又は反射低減部１５の劣化が挙げられる。また、ＱＣＬ１１が短パルス且つ低デューティサイクルで駆動される場合には、熱負荷が少ないため、冷却器７を省略することも可能となる。この場合、冷却器７、及び冷却器７を制御するためのドライバを省略することができ、モジュール全体をより一層小型化することができる。

また、仮に、ＱＣＬ１１を一定の位相でパルス駆動し続けたとすると、レーザモジュール２の出力光Ｌの波長が断続的に掃引され、出力光Ｌの波長スペクトルに欠落（抜け）が生じる。この場合、演算部４３により算出される吸収スペクトルに欠落が生じ、測定精度が低下するおそれがある。そこで、本実施形態のレーザモジュール２では、回折反射部２８が揺動する第１周波数ｆ１よりも高い第２周波数のパルス光がＱＣＬ１１から出射され、且つ、回折反射部２８が１回往復する度にパルス光の位相がパルス幅Ｔ３ずつ変化するように、ＱＣＬ１１がパルス駆動される。これにより、上述したとおり、レーザモジュール２の出力光Ｌの波長スペクトルに欠落が生じるのを抑制することができ、高精度な測定を実現することができる。よって、レーザモジュール２によれば、小型化及び信頼性の向上を図りつつも、分光分析に用いられた場合に高精度な測定を実現することができる。

また、レーザモジュール２では、レーザ制御部４２が、初期位相において、パルス光が立ち上がる時点と回折反射部２８が折り返す時点とが一致するように、ＱＣＬ１１をパルス駆動させている。これにより、簡易な駆動制御により、出力光Ｌの波長スペクトルに欠落が生じるのを抑制することができる。

また、レーザモジュール２では、ＭＥＭＳ回折格子１２が、回折反射部２８が設けられた可動部２３と、可動部２３が揺動自在に連結された支持部２１と、可動部２３を揺動させるアクチュエータ部（コイル２４及び磁石２５）と、を有している。これにより、モジュール全体を好適に小型化することができる。

また、レーザモジュール２を用いた分析装置１によれば、ＦＴＩＲと比べて小型化、高速化及び高分解能化を図ることができ、ＦＴＩＲでは実現することができなかったフィールドでのリアルタイム計測を実現することが可能となる。すなわち、ＦＩＴＲでは、移動鏡を動かすことによって干渉波形を検出するため、測定には移動鏡の移動のための時間が必要となる一方、分析装置１では、ＭＥＭＳ回折格子１２によって高速な波長掃引を行うため、略リアルタイムな測定が可能となる。また、ＦＴＩＲでは、測定精度（波長分解能）が移動鏡の移動距離に依存するため、高精度に測定するには移動距離を長く確保する必要があり、装置構成の大型化したり、測定時間が長くなるおそれがある。このため、同等の大きさの装置として比べた場合、分析装置１ではＦＴＩＲよりも遙かに高精度な測定が可能となる。なお、上述したような、出力光Ｌの波長スペクトルに欠落が生じるとの課題は、回折反射部２８を繰り返し連続的に揺動させるＭＥＭＳ回折格子１２を外部共振器として用いた場合に特有の課題であり、モータ又はピエゾ素子等の回転角度を直接に制御可能なデバイスによって回折格子を回転させる場合には生じない。
[変形例]

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、ＱＣＬ１１の制御方法は上述した例に限られない。ＱＣＬ１１は、時間軸上において出力光Ｌの波長スペクトルが埋められるように駆動されればよく、回折反射部２８がｍ回（ｍ：１以上の整数）往復する度に、パルス光の位相がパルス幅Ｔ３ずつ変化してもよい。また、回折反射部２８がｍ回往復する度に、パルス光の位相がパルス幅Ｔ３以外の所定値ずつ変化してもよい。例えば、所定値は、パルス幅Ｔ３よりも小さい値であってもよいし、パルス幅Ｔ３よりも大きい値であってもよい。或いは、所定値は負の値であってもよい。また、回折反射部２８がｍ回往復する度に、パルス光の位相がランダムに変化してもよい。例えば、ランダムに選択された値ずつパルス光の位相が変化してもよい。これらの場合でも、パルス光の位相を繰り返し変化させることにより、時間軸上において出力光Ｌの波長スペクトルを隙間無く又は或る程度まで埋めることが可能となる。なお、パルス光の位相を所定値ずつ変化させる場合、ランダムに変化させる場合と比べて、簡易な制御により、出力光Ｌの波長スペクトルに欠落が生じるのを抑制することが可能となる。また、上記実施形態のようにパルス光の位相をパルス幅Ｔ３ずつ変化させる場合、パルス光の位相を効率的に変化させることが可能となる。

上記実施形態では、初期位相において、パルス光が立ち上がる時点と回折反射部２８が折り返す時点とが一致していたが、これらの両時点は必ずしも一致していなくてもよい。また、パルス光の位相を変化させるタイミングは、回折反射部２８の揺動において往路期間と復路期間とが切り替わる時点と必ずしも一致していなくてもよく、往路期間又は復路期間の一時点においてパルス光の位相を変化させてもよい。

上記実施形態では、演算部４３は、往路期間及び復路期間のいずれか一方において光検出器３により取得されたデータのみを用いて吸収スペクトルを算出したが、回折反射部２８の揺動における往路期間及び復路期間の一方（例えば復路期間）において光検出器３により取得された第１データを、往路期間と復路期間とが切り替わる時点を基準として時間に関して反転し、往路期間及び復路期間の他方（例えば往路期間）において光検出器３により取得された第２データに対して重ね合わせることにより得られた第３データに基づいて、吸収スペクトルを算出してもよい。この場合、第１データ及び第２データの一方のみに基づいて吸収スペクトルが算出される場合と比べて、２倍多く積算されたスペクトルを取得することができ、測定精度を向上することができる。

上記実施形態において、外部共振器はリットマン型に構成されてもよい。各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。例えば、可動部２３は平面視において矩形状を呈していてもよい。上記実施形態では、ＭＥＭＳ回折格子１２が電磁駆動式に構成されていたが、静電駆動式に構成されてもよい。この場合、ＭＥＭＳ回折格子１２のアクチュエータ部は、例えば櫛歯状の電極対によって構成され得る。

１…分析装置、２…外部共振型レーザモジュール、３…光検出器、１１…量子カスケードレーザ、１２…ＭＥＭＳ回折格子、２１…支持部、２３…可動部、２４…コイル（アクチュエータ部）、２５…磁石（アクチュエータ部）、２８…回折反射部、４０ａ…記録媒体、４２…レーザ制御部、４３…演算部、Ｐ１…プログラム。

Claims (8)

1. 量子カスケードレーザと、
   前記量子カスケードレーザから出射された光を回折及び反射させる回折反射部を有し、前記回折反射部を揺動させることにより、前記光の一部を前記量子カスケードレーザに帰還させるＭＥＭＳ回折格子と、
   前記量子カスケードレーザの駆動を制御する制御部と、を備える外部共振型レーザモジュールであって、
   前記制御部は、前記回折反射部が揺動する第１周波数よりも高い第２周波数のパルス光が前記量子カスケードレーザから出射され、且つ、前記回折反射部がｍ回（ｍ：１以上の整数）往復する度に前記パルス光の位相が変化し、時間軸上において前記外部共振型レーザモジュールの出力光の波長スペクトルが埋められるように、前記量子カスケードレーザをパルス駆動させる、外部共振型レーザモジュール。
2. 前記制御部は、前記回折反射部が前記ｍ回往復する度に前記パルス光の位相が所定値ずつ変化するように、前記量子カスケードレーザをパルス駆動させる、請求項１に記載の外部共振型レーザモジュール。
3. 前記所定値は、前記パルス光のパルス幅に等しい、請求項２に記載の外部共振型レーザモジュール。
4. 前記制御部は、初期位相において、前記パルス光が立ち上がる時点と前記回折反射部が折り返す時点とが一致するように、前記量子カスケードレーザをパルス駆動させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の外部共振型レーザモジュール。
5. 前記ＭＥＭＳ回折格子は、
   前記回折反射部が設けられた可動部と、
   前記可動部が揺動自在に連結された支持部と、
   前記可動部を揺動させるアクチュエータ部と、を更に有している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の外部共振型レーザモジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の外部共振型レーザモジュールと、
   前記外部共振型レーザモジュールから出力され、分析対象を透過した光を検出する光検出器と、
   前記光検出器の検出結果に基づいて吸収スペクトルを算出する演算部と、を備え、
   前記演算部は、前記回折反射部の揺動における往路期間及び復路期間の一方において前記光検出器により取得された第１データを、前記往路期間と前記復路期間とが切り替わる時点を基準として時間に関して反転し、前記往路期間及び前記復路期間の他方において前記光検出器により取得された第２データに対して重ね合わせることにより得られた第３データに基づいて、前記吸収スペクトルを算出する、分析装置。
7. 外部共振型レーザモジュールの駆動方法であって、
   前記外部共振型レーザモジュールは、
   量子カスケードレーザと、
   前記量子カスケードレーザから出射された光を回折及び反射させる回折反射部を有し、前記回折反射部を揺動させることにより、前記光の一部を前記量子カスケードレーザに帰還させるＭＥＭＳ回折格子と、を備え、
   前記回折反射部が揺動する第１周波数よりも高い第２周波数のパルス光が前記量子カスケードレーザから出射され、且つ、前記回折反射部がｍ回（ｍ：１以上の整数）往復する度に前記パルス光の位相が変化し、時間軸上において前記外部共振型レーザモジュールの出力光の波長スペクトルが埋められるように、前記量子カスケードレーザをパルス駆動させる、外部共振型レーザモジュールの駆動方法。
8. 量子カスケードレーザと、前記量子カスケードレーザから出射された光を回折及び反射させる回折反射部を有し、前記回折反射部を揺動させることにより、前記光の一部を前記量子カスケードレーザに帰還させるＭＥＭＳ回折格子と、を備える外部共振型レーザモジュールにおいて、前記量子カスケードレーザの駆動を制御するためのプログラムであって、
   前記回折反射部が揺動する第１周波数よりも高い第２周波数のパルス光が前記量子カスケードレーザから出射され、且つ、前記回折反射部がｍ回（ｍ：１以上の整数）往復する度に前記パルス光の位相が変化し、時間軸上において前記外部共振型レーザモジュールの出力光の波長スペクトルが埋められるように、前記量子カスケードレーザをパルス駆動させる制御部としてコンピュータを機能させる、プログラム。

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