特開 2024-155050 光共振器および外部共振器型レーザー装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024155050

(43)【公開日】2024-10-31

(54)【発明の名称】光共振器および外部共振器型レーザー装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/05 20060101AFI20241024BHJP

   G01N 21/65 20060101ALI20241024BHJP

【ＦＩ】

G01N21/05

G01N21/65

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023069430

(22)【出願日】2023-04-20

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超高圧水素インフラ本格普及技術研究開発事業／水素ステーションのコスト低減等に関連する技術開発／半導体レーザーを用いた次世代水素分析装置の研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000144991

【氏名又は名称】株式会社四国総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100123984

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 晃伸

(74)【代理人】

【識別番号】100102314

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 阿佐子

(74)【代理人】

【識別番号】100159178

【弁理士】

【氏名又は名称】榛葉 貴宏

(72)【発明者】

【氏名】市川 祐嗣

(72)【発明者】

【氏名】朝日 一平

【テーマコード（参考）】

2G043

2G057

【Ｆターム（参考）】

2G043AA01

2G043BA11

2G043BA13

2G043BA17

2G043CA01

2G043DA05

2G043EA03

2G043GA03

2G043GA04

2G043GB01

2G043GB03

2G043GB18

2G043GB21

2G043HA01

2G043HA03

2G043JA02

2G043JA03

2G043KA02

2G043KA09

2G043LA02

2G057AA02

2G057AB01

2G057AB04

2G057AB08

2G057AC03

2G057BA05

2G057BB08

2G057DA03

2G057DB01

2G057DB02

2G057DB05

2G057GA10

(57)【要約】

【課題】検出対象ガスの気密性を維持しながらも、反射器の角度を簡易に調整することが可能な光共振器および外部共振器型レーザー装置を提供する。
【解決手段】レーザー素子１１から発せられたレーザー光が入射される第１の反射器２３０と、第１の反射器２３０と対向して設けられ、レーザー素子１１へ反射光をフィードバックする第２の反射器２６０と、両端部に第１の反射器２３０および第２の反射器２６０が配置される筒体２１と、筒体２１にガスを導入するガス導入口２２０および筒体２１内のガスを排出するガス排出口２５０と、第１の反射器２３０が取り付けられた第１の可動部材２３と、第２の反射器２６０が取り付けられた第２の可動部材２６と、第１および第２の可動部材２３，２６の傾きを調整するアライメント機構２４１～２４３，２７１～２７３と、を備え、筒体２１が、一対の弾性部材２８，２９を介して第１および第２の可動部材２３，２６により気密に挟持される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザー素子から発せられたレーザー光が入射される第１の反射器と、
前記第１の反射器と対向して設けられ、前記レーザー素子へ反射光をフィードバックする第２の反射器と、
両端部に前記第１の反射器および前記第２の反射器が配置される筒体と、
前記筒体にガスを導入するガス導入口および前記筒体内のガスを排出するガス排出口と、
前記第１の反射器が取り付けられた第１の可動部材と、
前記第２の反射器が取り付けられた第２の可動部材と、
前記第１および第２の可動部材の傾きを調整するアライメント機構と、を備え、
前記筒体が、一対の弾性部材を介して前記第１および第２の可動部材により気密に挟持される、光共振器。

【請求項2】

前記アライメント機構が、前記第１の可動部材の傾きを調整する第１の傾き調整機構と、前記第２の可動部材の傾きを調整する第２の傾き調整機構と、とを有し、
前記第１の可動部材よりも端側に、前記第１の傾き調整機構を有する第１の端部部材を有し、
前記第２の可動部材よりも端側に、前記第２の傾き調整機構を有する第２の端部部材を有する、請求項１に記載の光共振器。

【請求項3】

前記第１の傾き調整機構が、前記第１の可動部材を前記レーザー光の光軸に沿う方向に押圧することで、前記第１の反射器の傾きを調整する複数の第１の押圧部材を備え、前記第２の傾き調整機構が、前記第２の可動部材を前記レーザー光の光軸に沿う方向に押圧することで、前記第２の反射器の傾きを調整する複数の第２の押圧部材を備える、請求項２に記載の光共振器。

【請求項4】

前記第１の可動部材の前記複数の第１の押圧部材により押圧される面に、前記第１の押圧部材よりも高硬度の第１の保護部材が配置されており、
前記第２の可動部材の前記複数の第２の押圧部材により押圧される面に、前記第２の押圧部材よりも高硬度の第２の保護部材が配置されている、請求項３に記載の光共振器。

【請求項5】

前記第１の傾き調整機構が、前記複数の第１の押圧部材の挿入位置を調整する複数の第１の調整部材と、前記複数の第１の調整部材の挿入位置を固定する第１ロック機構を備え、
前記第２の傾き調整機構が、前記複数の第２の押圧部材の挿入位置を調整する複数の第２の調整部材と、前記複数の第２の調整部材の挿入位置を固定する第２ロック機構を備える、請求項３に記載の光共振器。

【請求項6】

前記アライメント機構が、前記第１の可動部材の、光軸と直交する方向における位置を調整する第１の位置調整機構と、前記第２の可動部材の、光軸と直交する方向における位置を調整する第２の位置調整機構と、とを有し、
前記第１の位置調整機構が、前記第１の可動部材を前記光軸と直交する方向に押圧することで、前記第１の反射器の、光軸と直交する方向における位置を調整する第３の押圧部材を備え、
前記第２の位置調整機構が、前記第２の可動部材を前記光軸と直交する方向に押圧することで、前記第２の反射器の、光軸と直交する方向における位置を調整する第４の押圧部材を備える、請求項２に記載の光共振器。

【請求項7】

請求項１ないし６のいずれかに記載の光共振器と、
前記光共振器に入射するレーザー光を発するレーザー素子と、
前記光共振器に導入されたガスと、レーザー光とが作用して発生した特定波長の光を検出する検出装置と、を有する、外部共振器型レーザー装置であって、
前記光共振器と前記検出装置との間に、前記筒体を透過した前記特定波長の光を収束して前記検出装置に入射させる光学系を有する、外部共振器型レーザー装置。

【請求項8】

請求項１ないし６のいずれかに記載の光共振器と、
一方の端面に無反射層が形成され、他方の端面に全反射層が形成されたレーザー素子と、
前記レーザー素子と前記光共振器との間に設けられた波長選択フィルタと、
を備える外部共振器型レーザー装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光共振器および外部共振器型レーザー装置に関し、特に、特定のガスを検出するための光共振器および外部共振器型レーザー装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光共振器を利用したレーザー装置が知られている。たとえば、特許文献１では、レーザー素子から出力されたレーザー光が、レーザー素子の端面と第１の反射器との間で反射を繰り返す第１の共振部と、第１の反射器を通過したレーザー光が、第１の反射器と第２の反射器との間で反射を繰り返す第２の共振部とを有し、第２の共振部に分析サンプルを導入し、分析サンプルに共振したレーザー光を当て、生じた光相互作用を検出することで、分析サンプルを分析する外部共振器型レーザー装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第３８７８２５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、水素ステーションでの水素ガスの品質管理用途などのため、小型で微量のガス成分も検出可能なガス検出装置が希求されている。このようなガス検出装置において、外部共振器を用いることで、レーザー光を、検出対象ガスが導入される２つの反射器の間の空間内で反射により往復させることができ、実効光路長が実際の光路長よりも長くすることができるため、小型でありながらも微量のガスを検出することが可能となる。しかしながら、このようなガス検出装置は、設置時に微妙な調整が必要であり、また長期間にわたり使用すると、外部共振器を構成する両端の反射器の角度などがずれてしまい、その結果、レーザー光の共振が適切に行えず、検出対象ガスを適切に検出できなくなるおそれがある。

【0005】

本発明は、検出対象ガスの気密性を維持しながらも、反射器の角度を含む位置を簡易に調整することが可能な光共振器および外部共振器型レーザー装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る光共振器は、レーザー素子から発せられたレーザー光が入射される第１の反射器と、前記第１の反射器と対向して設けられ、前記レーザー素子へ反射光をフィードバックする第２の反射器と、両端部に前記第１の反射器および前記第２の反射器が配置される筒体と、前記筒体にガスを導入するガス導入口および前記筒体内のガスを排出するガス排出口と、前記第１の反射器が取り付けられた第１の可動部材と、前記第２の反射器が取り付けられた第２の可動部材と、前記第１および第２の可動部材の傾きを調整するアライメント機構と、を備え、前記筒体が、一対の弾性部材を介して前記第１および第２の可動部材により気密に挟持される。
上記光共振器において、前記アライメント機構が、前記第１の可動部材の傾きを調整する第１の傾き調整機構と、前記第２の可動部材の傾きを調整する第２の傾き調整機構と、を有し、前記第１の可動部材よりも端側に、前記第１の傾き調整機構を有する第１の端部部材を有し、前記第２の可動部材よりも端側に、前記第２の傾き調整機構を有する第２の端部部材を有する構成とすることができる。
上記光共振器において、前記第１の傾き調整機構が、前記第１の可動部材を前記レーザー光の光軸に沿う方向に押圧することで、前記第１の反射器の傾きを調整する複数の第１の押圧部材を備え、前記第２の傾き調整機構が、前記第２の可動部材を前記レーザー光の光軸に沿う方向に押圧することで、前記第２の反射器の傾きを調整する複数の第２の押圧部材を備える構成とすることができる。
上記光共振器において、前記第１の可動部材の前記複数の第１の押圧部材により押圧される面に、前記第１の押圧部材よりも高硬度の第１の保護部材が配置されており、前記第２の可動部材の前記複数の第２の押圧部材により押圧される面に、前記第２の押圧部材よりも高硬度の第２の保護部材が配置されている構成とすることができる。
上記光共振器において、前記第１の傾き調整機構が、前記複数の第１の押圧部材の挿入位置を調整する複数の第１の調整部材と、前記複数の第１の調整部材の挿入位置を固定する第１ロック機構を備え、前記第２の傾き調整機構が、前記複数の第２の押圧部材の挿入位置を調整する複数の第２の調整部材と、前記複数の第２の調整部材の挿入位置を固定する第２ロック機構を備える構成とすることができる。
上記光共振器において、前記アライメント機構が、前記第１の可動部材の、光軸と直交する方向における位置を調整する第１の位置調整機構と、前記第２の可動部材の、光軸と直交する方向における位置を調整する第２の位置調整機構と、とを有し、前記第１の位置調整機構が、前記第１の可動部材を前記光軸と直交する方向に押圧することで、前記第１の反射器の、光軸と直交する方向における位置を調整する第３の押圧部材を備え、前記第２の位置調整機構が、前記第２の可動部材を前記光軸と直交する方向に押圧することで、前記第２の反射器の、光軸と直交する方向における位置を調整する第４の押圧部材を備える構成とすることができる。
本発明の第１の観点に係る外部共振器型レーザー装置は、上記光共振器と、前記光共振器に入射するレーザー光を発するレーザー素子と、前記光共振器に導入されたガスと、レーザー光とが作用して発生した特定波長の光を検出する検出装置と、を有する、外部共振器型レーザー装置であって、前記光共振器と前記検出装置との間に、前記筒体を透過した前記特定波長の光を収束して前記検出装置に入射させる光学系を有する。
本発明の第２の観点に係る外部共振器型レーザー装置は、上記光共振器と、一方の端面に無反射層が形成され、他方の端面に全反射層が形成されたレーザー素子と、前記レーザー素子と前記光共振器との間に設けられた波長選択フィルタと、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、検出対象ガスの気密性を維持しながらも、反射器の角度を簡易に調整することが可能な光共振器および外部共振器型レーザー装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係る外部共振器型レーザー装置を示す構成図である。

【図2】第１実施形態に係る光共振器の側面断面図である。

【図3】第１実施形態に係る光共振器の側面断面の拡大図である。

【図4】（Ａ）は、第１実施形態に係る光共振器の正面図であり、（Ｂ）は、第１実施形態に係る光共振器の背面図である。

【図5】図２のＶ－Ｖ線に沿う正面断面図である。

【図6】第１実施形態に係る外部共振器型レーザー装置で、空気成分を検出した結果を示すグラフである。

【図7】第１実施形態に係る外部共振器型レーザー装置で、水素ガスに混入した酸素ガス、および、アルゴンガスに混入したアンモニアガスを検出した結果を示すグラフである。

【図8】第２実施形態に係る外部共振器型レーザー装置を示す構成図である。

【図9】第３実施形態に係る外部共振器型レーザー装置の平面断面図である。

【図10】第３実施形態に係る外部共振器型レーザー装置の側面断面図である。

【図11】第３実施形態に係る光共振器の平面断面図である。

【図12】（Ａ）は、第３実施形態に係る光共振器の正面図であり、（Ｂ）は、第３実施形態に係る光共振器の背面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に、図に基づいて、本発明に係る光共振器および外部共振器型レーザー装置の実施形態を説明する。

【0010】

《第１実施形態》
図１は、第１実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１は、主な構成として、半導体レーザー素子１１と、光共振器２０と、複数の検出装置３０とを有している。外部共振器型レーザー装置１は、半導体レーザー素子１１からレーザー光を射出し、射出したレーザー光を光共振器２０内に導入した後、光共振器２０でレーザー光を共振させながら、光共振器２０内の測定対象空間Ｓに導入したガスに共振したレーザー光を照射することで、レーザー光がガスと衝突して生じた特定の波長の光（本実施形態ではラマン散乱光）を、検出装置３０で検出する構成となっている。

【0011】

なお、本実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１では、たとえばＳＯ_２，ＣＯ_２，Ｏ_２，ＣＯ，Ｎ_２，Ｈ_２Ｓ，ＣＨ_４，ＮＨ_３，Ｈ_２などを含むガスを導入し、レーザー光を照射することができる。また、本発明は、導入したガスにレーザー光を照射するだけではなく、導入したガスにレーザー光を照射して生じる特定の波長の光を検出することで特定のガスを検出するガス検出装置、検出した特定の波長の光の強度に基づいてガスの濃度を測定するガス測定装置、測定対象空間に存在するガスの種類を特定するガス特定装置、測定対象空間において検出対象とするガスが存在するかを監視する監視装置にも適用することができる。以下に、第１実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１の各構成について説明する。

【0012】

半導体レーザー素子１１は、青紫波長域（たとえば４１６ｎｍ付近）のレーザー光を光共振器２０に向けて射出する。このような、青紫波長域の半導体レーザー素子１１として、たとえば、市販されているＧａＮ系の半導体レーザーやＧａＩｎＮ系の半導体レーザーを用いることができる。また、本実施形態に係る半導体レーザー素子１１は、レーザー光の射出側（光共振器２０側）と反対側に位置する端面１１１にレーザー光を反射するための反射コーティングが施されており、一方、レーザー光の射出側（光共振器２０側）に位置する端面１１２にレーザー光の反射を防止するためのコーティングが施されている。半導体レーザー素子１１から出力されたレーザー光は、コリメートレンズ１２で平行化あるいは収束された後に、バンドパスフィルタ１３を経由して、光共振器２０内へと導入される。なお、バンドパスフィルタ１３は、所望する青紫波長域のレーザー光を透過し、その他の波長のレーザー光を遮断する機能を有する。

【0013】

図２は、第１実施形態に係る光共振器２０の側面断面図であり、図３は、光共振器２０の側面断面の部分拡大図である。なお、図２および図３は、図１のII－II線に沿う側面断面図である。また、図４（Ａ）は、第１実施形態に係る光共振器２０の正面図であり、図４（Ｂ）は、第１実施形態に係る光共振器２０の背面図である。さらに、図５は、図２のＶ－Ｖ線に沿う正面断面図である。

【0014】

図２に示すように、本実施形態に係る光共振器２０は、大きく分けて７つの部品から構成されている。具体的に、光共振器２０は、筒体２１と、第１の環状部材２２と、第１の可動部材２３と、第１の端部部材２４と、第２の環状部材２５と、第２の可動部材２６と、第２の端部部材２７とを有する。また、本実施形態において、光共振器２０は、４つのＯリング２８，２９，２１０，２１１を有している。

【0015】

ここで、図１および図２に示すように、半導体レーザー素子１１から射出されたレーザー光は、第１の端部部材２４および第１の可動部材２３に設けられた貫通孔２４０，２３１を通過して、第１の反射器２３０まで到達する。第１の反射器２３０まで到達したレーザー光の大部分は第１の反射器２３０により反射されて、第１の反射器２３０と半導体レーザー素子１１の端面１１１との間で往復し共振する。そのため、図１に示すように、本実施形態において、第１の反射器２３０と半導体レーザー素子１１の端面１１１との間の空間が第１の共振部として機能することとなる。また、半導体レーザー素子１１から第１の反射器２３０へと到達したレーザー光の一部は、第１の反射器２３０を通過して、筒体２１内部の内部空間Ｓを進み、第２の反射器２６０まで到達した後に、第２の反射器２６０により大部分が反射され、第１の反射器２３０と第２の反射器２６０との間で往復することで共振する。そのため、図１に示すように、本実施形態において、第１の反射器２３０と第２の反射器２６０との間の空間が第２の共振部として機能することとなる。特に、本実施形態では、第１および第２の共振部においてレーザー光を増強することで、第２の共振部においては、レーザー光の強度が、半導体レーザー素子１１から射出した際のレーザー光の強度に対して２０００倍以上（たとえば１００Ｗを超える）の強度まで増強することができる。なお、第２の反射器２６０へと到達したレーザー光の一部は、第２の反射器２６０を通過し、第２の可動部材２６および第２の端部部材２７に設けられた貫通孔２６１，２７０を通過した後に、ビームディフューザー４０により吸収される。以下において、光共振器２０を構成する各部材について説明する。

【0016】

筒体２１は、第１の反射器２３０と、第２の反射器２６０との間に配置される筒状の部材であり、中空の内部はガスセルを構成する。筒体２１の内部空間Ｓにおいては、第１の反射器２３０および第２の反射器２６０でレーザー光が繰り返し反射され、レーザー光の共振が行われる。また、図２に示すように、筒体２１の内部空間Ｓは、第１の環状部材２２のガス導入口２２０と連通しており、ガス導入口２２０から導入された検出対象ガスが流通可能となっている。特に、筒体２１では、筒体２１の長手方向において、レーザー光が往復するとともに、検出対象ガスが流通するため、レーザー光と検出対象ガスとが衝突する機会が増え、レーザー光が検出対象ガスと衝突することで生じるラマン散乱光を検出しやすくなっている。また、筒体２１は、主にガラスによって構成されており、レーザー光が検出対象ガスと衝突することで生じるラマン散乱光を、筒体２１の側面側に配置された検出装置３０で検出可能となっている。なお、筒体２１は、内部側面または外部側面にローパスフィルタを設ける構成とすることもできる。また、筒体２１は、弾性部材であるＯリング２１０，２１１を介して、第１の環状部材２２および第２の環状部材２５に隙間なく挟持されるため、筒体２１と、第１の環状部材２２および第２の環状部材２５との間から検出対象ガスが漏出してしまうことを防止し、気密性を担保することができる。

【0017】

第１の環状部材２２は、内部に第１の可動部材２３が収容できるように、環状に形成された金属部材である。第１の環状部材２２は、図３に示すように、環の内径が筒体２１の外径よりも大きい第１環状部２２１と、環の内径が第１環状部２２１よりも小さく、かつ、筒体２１の外径よりも小さい第２環状部２２２とを有している。さらに、第１の環状部材２２は、ガス導入口２２０を有しており、ガス導入口２２０から検出対象ガスを含むガスを筒体２１内に導入することが可能となっている。また、第１の環状部材２２と同様に、第２の環状部材２５は、内部に第２の可動部材２６が収容できるように、環状に形成された金属部材である。第２の環状部材２５も、図３に示すように、環の内径が筒体２１の外径よりも大きい第１環状部２５１と、環の内径が第１環状部２５１よりも小さく、かつ、筒体２１の外径よりも小さい第２環状部２５２とを有している。さらに、第２の環状部材２５は、ガス排出口２５０を有しており、筒体２１内のガスをガス排出口２５０から排出することが可能となっている。本実施形態においては、ガス導入口２２０およびガス排出口２５０は共に筒体２１と連通しており、第１の環状部材２２のガス導入口２２０から導入されたガスは、筒体２１を流通し、第２の環状部材２５のガス排出口２５０から排出されることとなる。

【0018】

第１の可動部材２３は、本体部２３２と、フランジ部２３３とを有し、第１の可動部材２３を、本体部２３２側から第１の環状部材２２の環内に挿入することで、第１の可動部材２３と第１の環状部材２２とを嵌め合わせることができる。具体的には、図３に示すように、第１の環状部材２２の第１環状部２２１の内径が、第１の可動部材２３のフランジ部２３３の外径よりも大きく構成されており、また、第１の環状部材２２の第２環状部２２２の内径が、第１の可動部材２３の本体部２３２の外径よりも大きく構成されている。そのため、第１の可動部材２３は、フランジ部２３３と第１環状部２２１との間、および、本体部２３２と第２環状部２２２との間に一定の隙間ができた状態で、第１の環状部材２２内で保持されることとなる。特に、本実施形態では、第１の可動部材２３のフランジ部２３３の外径が本体部２３２の外径よりも大きく、フランジ部２３３と本体部２３２との間に段差面２３４が形成されているとともに、第１の環状部材２２の第１環状部２２１の外径が第２環状部２２２の外径よりも大きく、第１環状部２２１と第２環状部２２２の外径との間にも段差面２２３が形成されている。そして、第１の可動部材２３の段差面２３４と、第１の環状部材２２の段差面２２３とが対向しており、対向する段差面２３４と段差面２２３との間に弾性部材であるＯリング２８が配置される。また、本実施形態では、後述するアライメント調節機構により、第１の可動部材２３がＯリング２８を押圧するため、Ｏリング２８が第１の可動部材２３の段差面２３４と第１の環状部材２２の段差面２２３とで圧迫された状態で挟持され、光共振器２０の内部空間Ｓの気密性を担保する。同様に、第２の可動部材２６も、本体部２６２と、フランジ部２６３とを有し、本体部２６２側から第２の環状部材２５の環内に挿入することで、第２の可動部材２６と第２の環状部材２５とを嵌め合わせることができる。また、第２の可動部材２６も、フランジ部２６３と第２の環状部材２５の第１環状部２５１との間、および、本体部２６２と第２の環状部材２５の第２環状部２５２との間に一定の隙間ができた状態で、第２の環状部材２５内で保持される。さらに、第２の可動部材２６の段差面２６４と第２の環状部材２５の段差面２５３との間にＯリング２９が配置されるとともに、弾性部材であるＯリング２９が段差面２６４と段差面２５３とに圧迫された状態で挟持されることで、光共振器２０の気密性が担保される。

【0019】

また、第１の可動部材２３では、第１の反射器２３０が本体部２３２に取り付けられている。具体的には、第１の可動部材２３の本体部２３２は凹部２３５を有しており、凹部２３５の中に第１の反射器２３０が嵌め込まれている。本実施形態では、凹部２３５内において、第１の反射器２３０を両面から挟むように、第１の反射器２３０の両面側に、第１の反射器２３０の外周縁に沿って一対のＯリングが設置されている。第１の可動部材２３では、凹部２３５と連通する貫通孔２３１が形成されているが、一対のＯリングが、第１の反射器２３０を挟持しながら隙間なく配置されることで、当該Ｏリングと第１の反射器２３０とで、光共振器２０内の気密を保っている。同様に、第２の可動部材２６では、第２の反射器２６０が本体部２６２の凹部２６５の中に嵌め込まれている。また、第２の可動部材２６でも、凹部２６５内において、第２の反射器２６０を両面から挟むように、第２の反射器２６０の両面側に、第２の反射器２６０の外周縁に沿って一対のＯリングが設置されており、これにより、第２の反射器２６０が固定されるとともに、光共振器２０の気密が保たれている。

【0020】

また、本実施形態において、第１の反射器２３０および第２の反射器２６０は、反射ミラーであるが、ミラーに限定されずに、たとえば、光学フィルタ、ガラス基板などの光学研磨された部材を用いることができる。ただし、第１の反射器２３０は、第２の反射器２６０よりも反射率の少ない部材とされる。たとえば、本実施形態では、第１の反射器２３０として、反射率が９９．９９％の反射ミラーを用いることができ、第２の反射器２６０として、反射率が９９．９９９％の反射ミラーを用いることができる。なお、第１の反射器２３０および第２の反射器２６０は、反射率が１００％でないため、一部のレーザー光を反射させずに透過させる性質を有している。また、本実施形態では、第１の反射器２３０の反射率が、第２の反射器２６０の反射率よりも小さいため、第１の反射器２３０を透過するレーザー光の割合が高く、その結果、図１に示す第２の共振部においてレーザー光を増強することが可能となっている。

【0021】

第１の端部部材２４は、第１の環状部材２２に脱着可能となっており、図２に示すように、第１の環状部材２２とともに、第１の可動部材２３を保持することができる。第１の端部部材２４は、図３および図４に示すように、半導体レーザー素子１１から射出されたレーザー光を通過させるための貫通孔２４０に加えて、傾き調節ネジ（押圧部材）２４１～２４３を有する。傾き調節ネジ２４１～２４３は、第１の端部部材２４の本体を貫通し、第１の可動部材２３の押圧面２３６に当接可能となっている。また、傾き調節ネジ２４１～２４３は、挿入位置（挿入の深さ）が調整可能となっており、傾き調節ネジ２４１～２４３を押圧面２３６側に挿入するほど、傾き調節ネジ２４１～２４３が押圧面２３６を押圧する圧力が高くなり、Ｏリング２８の変形量を大きくさせることができる。これにより、たとえば、図４において上部に位置する傾き調節ネジ２４１のみを押圧面２３６側に深く挿入させた場合には、傾き調節ネジ２４１の先端と当接する位置において、第１の可動部材２３がＯリング２８を押し潰し、第１の反射器２３０を下方向に傾けることが可能となる。また、本実施形態では、図４および図５に示すように、第１の可動部材２３の左下側および右下側にも、傾き調節ネジ２４２，２４３がそれぞれ設けられているため、３本の傾き調節ネジ２４１～２４３により、第１の反射器２３０の傾きを、上下左右において調整することができる。このように、本実施形態では、傾き調節ネジ２４１～２４３が、第１の反射器２３０の傾きを調整するためのアライメント調整機構として機能する。

【0022】

また、本実施形態では、図５に示すように、第１の環状部材２２にも、アライメント機構として、位置調節ネジ２２４，２２５および付勢部材２２６が設けられている。位置調節ネジ２２４，２２５は、第１の可動部材２３の側面２３７を押圧することで、第１の可動部材２３に保持される第１の反射器２３０の位置を調整することができる。また、付勢部材２２６は、コイルばねや板ばねなどの弾性部材であり、第１の環状部材２２と第１の可動部材２３との間に配置される。本実施形態では、第１の可動部材２３を介して、位置調節ネジ２２４，２２５と対向する位置に、付勢部材２２６が配置されるため、第１の可動部材２３を位置調節ネジ２２４，２２５が配置された方向に付勢する。これにより、位置調節ネジ２２４，２２５の挿入位置（挿入の深さ）に応じて、第１の可動部材２３の位置を上下方向（Ｚ軸方向）および左右方向（Ｘ軸方向）に調整することが可能となっている。さらに、本実施形態では、第１の環状部材２２と第２の環状部材２５とを金属ロッドなどで連結する構成とすることで、光共振器２０の堅牢性を高めることができる。

【0023】

なお、本実施形態では、傾き調節ネジ２４１～２４３または位置調節ネジ２２４，２２５に押圧される第１の可動部材２３の押圧面２３６または側面２３７の保護を目的として、押圧面２３６および／または側面２３７に、傾き調節ネジ２４１～２４３および位置調節ネジ２２４，２２５よりも高硬度の保護部材を配置する構成とすることができる。このような保護部材としては、たとえば、サファイア製のコンタクトパットを用いることができる。

【0024】

次に、検出装置３０について説明する。図１に示すように、第１実施形態では、光共振器２０（筒体２１）の側面に、４つの検出装置３０が配置されている。検出装置３０は、筒体２１内の内部空間Ｓにおいて、レーザー光がガスと衝突して生じた特定波長の光を検出する装置である。このような装置として、光電子増倍管を用いた検出装置が例示される。また、本実施形態において、検出装置３０は、レーザー光がガスと衝突して生じたラマン散乱光を検出する構成としている。ここで、レーザー光の波長が同じ場合でも、レーザー光と衝突するガスの種類に応じてラマン散乱光の波長は変化する。そのため、本実施形態では、４つの検出装置３０を用いて、それぞれ異なる波長のラマン散乱光を検出することで、４種類のガスを同時に検出する構成となっている。具体的には、本実施形態では、検出装置３０の前にそれぞれ異なる特定の波長の光のみを透過するバンドパスフィルタ３１ａ～３１ｄを設けている。たとえば、バンドパスフィルタ３１ａが、レーザー光がＳＯ_２ガスと衝突することで生じるラマン散乱光を透過する性質を有し、バンドパスフィルタ３１ｂが、レーザー光がＣＯガスと衝突することで生じるラマン散乱光を透過する性質を有し、バンドパスフィルタ３１ｃが、レーザー光がＨ_２Ｓガスと衝突することで生じるラマン散乱光を透過する性質を有し、バンドパスフィルタ３１ｄが、レーザー光がＣＨ_４ガスと衝突することで生じるラマン散乱光を透過する性質を有する場合、外部共振器型レーザー装置１は、複数の検出装置３０により、ＳＯ_２，ＣＯ，ＣＨ_４，Ｈ_２Ｓに由来する光を一度に同時に検出することができる。

【0025】

また、光共振器２０において導入したガスの濃度が高いほど、光共振器２０で発生するラマン散乱光の強度は高くなる。そのため、検出装置３０は、ＳＯ_２，ＣＯ，ＣＨ_４，Ｈ_２Ｓの有無を検出するだけではなく、ＳＯ_２，ＣＯ，ＣＨ_４，Ｈ_２Ｓに由来するラマン散乱光の強度に基づいて、ＳＯ_２，ＣＯ，ＣＨ_４，Ｈ_２Ｓの濃度を検出することができる。

【0026】

次いで、本実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１の実施例について説明する。本実施例では、第１の反射器２３０として反射率が９９．９７％の反射ミラーを用い、第２の反射器２６０として反射率が９９．９９９％の反射ミラーを用いた。また、本実施例では、レーザー光の波長が４１６ｎｍ、強度が５～５０ｍＷの範囲となるように、半導体レーザー素子１１を調整することで、光共振器２の内部で増幅されたレーザー光の光強度が５～１００Ｗの範囲となるように調整した。そして、このように調整した外部共振器型レーザー装置１を用いて、空気中の酸素、窒素、二酸化炭素および水蒸気の検出と、水素ガス中の酸素（１０ｐｐｍ）の検出と、アルゴンガス中のアンモニア（１ｐｐｍ）の検出とを行った。

【0027】

図６は、空気中の酸素、窒素、二酸化炭素および水蒸気を検出した結果を示すグラフである。具体的には、図６（Ａ）は、酸素および窒素の検出結果を示すグラフであり、図６（Ｂ）は、二酸化炭素の検出結果を示すグラフであり、図６（Ｃ）は、水蒸気の検出結果を示すグラフである。図６（Ａ）～（Ｃ）に示すように、本実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１を用いることで、空気中の酸素、窒素、二酸化炭素、水蒸気を検出できることが確認できた。

【0028】

また、図７（Ａ）は、水素ガス中に１０ｐｐｍの酸素ガスを混入した場合の、酸素ガスの検出結果を示すグラフである。酸素ガスが１０ｐｐｍである場合も、酸素ガスを検出することができることが分かった。なお、図７（Ａ）に示すグラフでは、水素ガスだけの場合の検出結果も重畳している。

【0029】

さらに、図７（Ｂ）は、アルゴンガス中に１ｐｐｍのアンモニアガスを混入した場合の、アンモニアガスの検出結果を示すグラフである。また、図７（Ｂ）に示すグラフでは、アルゴンガスだけの場合の検出結果も重畳している。このように、アンモニアガスが含まれる場合に、アンモニアガスが含まれない場合の検出結果と比較することで、アンモニアガスでは１ｐｐｍという微量である場合も、アンモニアガスの存在を検知することが可能となる。

【0030】

以上のように、第１実施形態に係る光共振器２０では、アライメント機構として、第１の反射器２３０が取り付けられた第１の可動部材２３を押圧する傾き調節ネジ２４１～２４３および位置調節ネジ２２４，２２５を有しており、これらネジの挿入位置（挿入の深さ）を調整することで、第１の可動部材２３（あるいは第１の反射器２３０）の傾きおよび位置を調整することが可能となっている。同様に、第１実施形態に係る光共振器２０では、アライメント機構として、第２の反射器２６０が取り付けられた第２の可動部材２６を押圧する傾き調節ネジ２７１～２７３および位置調節ネジ２５４，２５５を有しており、これらネジの挿入位置（挿入の深さ）を調整することで、第２の可動部材２６（あるいは第２の反射器２６０）の傾きおよび位置を調整することが可能となっている。さらに、本実施形態では、傾き調節ネジ２４１～２４３，２７１～２７３および位置調節ネジ２２４，２２５，２５４，２５５は、ユーザやメンテナンス担当者が外部から操作することが可能となっており、光共振器２０を分解しなくても、第１および第２の反射器２３０，２６０の傾きを含む位置を簡易に調節することができる。また、本実施形態において、半導体レーザー素子１１を用いることで、装置全体として小型化することができ、装置の持ち運びが可能となるが、その分、持ち運びによる振動や外部からの衝撃を受けやすくなり、光共振器２０における反射器２３０，２６０の傾きや位置が変化しやくなるところ、ユーザやメンテナンス担当者が簡易に反射器２３０，２６０の傾きや位置を調整することが可能とすることで、より持ち運びに適した装置を提供することが可能となる。

【0031】

《第２実施形態》
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図８は、第２実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１ａを示す構成図である。第２実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１ａは、単一の検出装置３０を備え、当該検出装置３０が、半導体レーザー素子１１および光共振器２０と一直線となる位置に配置される。より具体的には、半導体レーザー素子１１、光共振器２０および検出装置３０がともに、半導体レーザー素子１１から発せられるレーザー光の光軸上に配置される。また、第２実施形態では、光共振器２０においてレーザー光が検出対象ガスと衝突して生じたラマン散乱光が、光共振器２０の第２の端部部材２７から外部へと放射された後に、検出装置３０に入射し、検出装置３０により検出される構成となっている。

【0032】

また、第２実施形態では、検出装置３０において、ラマン散乱光を効率的に検出するため、筒体２１の内面は、たとえば蒸着などの手法により、ラマン散乱光を高反射するための光学コーティングや、アルミニウムなどの金属の反射膜を形成しておくことが好ましい。これにより、筒体２１の側面（レーザー光の光軸と交差する方向）からラマン散乱光が外部へと透過することを防止し、レーザー光の光軸上に位置する検出装置３０に、ラマン散乱光を効率的に入射させることができる。

【0033】

また、第２実施形態に係る検出装置３０は、バンドパスフィルタ３１の切り替え機構を有しており、バンドパスフィルタ３１を自在に切り替え可能となっている。そのため、バンドパスフィルタ３１を検出したいガスの種類に応じて切り替えることで、所望するガスを検出することが可能となっている。

【0034】

以上のように、第２実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１ａも、光共振器２０に、第１の反射器２３０および第２の反射器２６０の傾きや位置を調整可能なアライメント機構を有しており、第１の反射器２３０および第２の反射器２６０の傾きを含む位置を容易に調節することが可能となっている。また、第２実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１ａでは、単一の検出装置３０を有する構成であるとともに、半導体レーザー素子１１、光共振器２０、検出装置３０が一直線に配置されるため、装置全体をより小型化することが可能となる。なお、第２実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１ａでは、レーザー光の光軸Ｌに沿ってラマン散乱光を検出することで、第１実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１と同等以上の感度で、検出対象ガスを検出することが確認された。

【0035】

《第３実施形態》
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図９は、第３実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１ｂの平面断面図であり、図１０は、第３実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１ｂの側面断面図である。なお、図９は、図１０に示すＩＸ－ＩＸ線に沿う断面図であり、図１０は、図９に示すＸ－Ｘに沿う断面図である。

【0036】

図９に示すように、第３実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１ｂは、半導体レーザー素子１１と、光共振器５０と、ビームディフューザー４０と、検出装置３０と、フィルタ切り替え装置３３とを有する。

【0037】

図１１は、第３実施形態に係る光共振器５０の平面断面図であり、図９と同様に、図１０のＩＸ－ＩＸ線に沿う光共振器５０の断面図である。また、図１２（Ａ）は、第３実施形態に係る光共振器５０の正面図であり、図１２（Ｂ）は、第３実施形態に係る光共振器５０の背面図である。図１１に示すように、第３実施形態に係る光共振器５０は、導光部材５１と、第１の可動部材５２と、第１の端部部材５３と、第２の可動部材５４と、第２の端部部材５５とを有する。

【0038】

図１２に示すように、第１の端部部材５３は、半導体レーザー素子１１から射出されたレーザー光が通過する貫通孔５３０と、第１の可動部材５２の傾きを含む位置を調整するアライメント機構として機能する３本の傾き調節ネジ５３１～５３３を有する。傾き調節ネジ５３１～５３３の先端部は、第１の可動部材５２の第１の面５２１と当接し、さらに、傾き調節ネジ５３１～５３３を深い位置まで挿入することで第１の面５２１を押圧することが可能である。なお、第３実施形態でも、３本の傾き調節ネジ５３１～５３３の挿入位置を調整することで、第１の可動部材５２の傾き（第１の反射器５２０の傾き）を上下左右に調整することが可能となっている。

【0039】

第１の可動部材５２には、第１の反射器５２０が取り付けられている。また、第１の可動部材５２は、第１の端部部材５３側の第１の面５２１において、傾き調節ネジ５３１～５３３と当接するとともに、第１の面５２１と反対側の第２の面５２２において、Ｏリング５６と当接している。具体的には、第２の面５２２において、Ｏリング５６の形状に合わせて、Ｏリング５６を係合するための溝が形成されており、この溝にＯリング５６が嵌め込まれている。また、第１の反射器５２０は、導光部材５１の第１の凹部５１３内に収容されるが、第１の反射器５２０と第１の凹部５１３との間には、第１の反射器５２０の傾きや位置を変えても、第１の反射器５２０が第１の凹部５１３に接しない程度の隙間を有する。そのため、傾き調節ネジ５３１～５３３により第１の面５２１が押圧されると、押圧された位置を中心として、第２の面５２２がＯリング５６を押圧し、Ｏリング５６を変形させることで、第１の反射器５２０の傾きを変更することが可能となっている。また、本実施形態では、第１の面５２１のうち、傾き調節ネジ５３１～５３３と当接する部分に板状の保護部材５２３が取り付けられている。保護部材５２３は、傾き調節ネジ５３１～５３３の押圧により第１の面５２１が変形してしまうことを防止するための部材であり、たとえば、サファイア製のコンタクトパッドを用いることができる。なお、第３実施形態に係る光共振器５０では、第１の反射器５２０の位置を調整するための位置調節ネジを設けていないが、位置調節ネジを設けて第１の反射器５２０の位置を調整する構成としてもよい。

【0040】

第２の可動部材５４および第２の端部部材５５も、第１の可動部材５２および第１の端部部材５３と同様の構成を有しており、図１２に示すように、第２の端部部材５５には、第２の可動部材５４の傾きを変えるためのアライメント機構として、傾き調節ネジ５５１～５５３が設けられている。

【0041】

また、第３実施形態では、図９および図１０に示すように、傾き調節ネジ５３１～５３３，５５１～５５３の挿入位置（挿入の深さ）を調整するためのピエゾコントローラー５８およびアクチュエーター５９_１，５９_２を、アライメント調節機構として有している。たとえば、ユーザは、ピエゾコントローラー５８を操作し、傾き調節ネジ５３１～５３３，５５１～５５３の挿入位置（挿入の深さ）を決定することで、ピエゾコントローラー５８がアクチュエーター５９_１，５９_２の駆動を制御し、アクチュエーター５９_１，５９_２に傾き調節ネジ５３１～５３３，５５１～５５３の挿入位置を調節させることができる。また、アクチュエーター５９_１，５９_２は、傾き調節ネジ５３１～５３３，５５１～５５３の挿入位置（挿入の深さ）を固定するためのロック機構としても機能する。

【0042】

第３実施形態に係る導光部材５１は、中空の部材であり、内部に内部空間Ｓが形成されている。また、導光部材５１は、ガス導入口５１１、ガス排出口５１２、凹部５１３、５１４、細径貫通孔５１５，５１６、シリンドリカルミラー５１７、シリンドリカルレンズ５１８、光学フィルタ５１９を有する。第１実施形態に係る筒体２１と同様に、検出対象ガスは、ガス導入口５１１から内部空間Ｓ内へと導入され、内部空間Ｓを通過した後に、ガス排出口５１２から排出される。また、本実施形態では、導光部材５１は、レーザー光の光軸Ｌ上に、凹部５１３，５１４および細径貫通孔５１５，５１６を有しており、半導体レーザー素子１１から射出されたレーザー光は、凹部５１３および細径貫通孔５１５を通過し、一部が第１の反射器５２０を通過して、内部空間Ｓ内に照射される。また、内部空間Ｓ内において、レーザー光は、第１の反射器５２０と第２の反射器５４０とで繰り返し反射される間に、内部空間Ｓに導入されたガスと衝突し、ガスに応じたラマン散乱光が発生する。本実施形態では、内部空間Ｓの側面側（レーザー光の反射方向と直交する側）であって、検出装置３０が存在しない側にシリンドリカルミラー５１７が設けられており、レーザー光とガスとの衝突により生じたラマン散乱光のうち、シリンドリカルミラー５１７側に放射された光は、シリンドリカルミラー５１７により、シリンドリカルレンズ５１８側へと反射される。一方、内部空間Ｓの側面側（レーザー光の反射方向と直交する側）であって、検出装置３０が存在する側にはシリンドリカルレンズ５１８が設けられており、シリンドリカルレンズ５１８側に放射されたラマン散乱光は、シリンドリカルレンズ５１８を通過しながら、直線状（一次元状）に変換された後、光学フィルタ５１９を通過し、フォーカスレンズ３２で集光された後に、検出装置３０で検出される。なお、第３実施形態では、フィルタ切り替え装置３３は、異なる波長のラマン散乱光を透過するバンドパスフィルタ３１ａ，３１ｂを有し、検出装置３０で検出する所定波長のラマン散乱光に応じて、バンドパスフィルタ３１ａ，３１ｂを切り替え可能となっている。

【0043】

以上のように、第３実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１ｂでは、導光部材５１が、第１実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１の筒体２１、第１の環状部材２２および第２の環状部材２５に相当し、導光部材５１と第１の端部部材５３との間に第１の可動部材５２を収容し、導光部材５１と第２の端部部材５５との間に第２の可動部材５４を収容することで、アライメント機構（傾き調節ネジ５３１～５３３，５５１～５５３）により、第１の可動部材５２および第２の可動部材５４の傾きを調節することができる。また、外部共振器型レーザー装置１ｂでは、第１実施形態に係る外部共振器型レーザー装置１と比べて、部品数が少なく、小型化することができる。

【0044】

以上、本発明の好ましい実施形態例について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載に限定されるものではない。上記実施形態例には様々な変更・改良を加えることが可能であり、そのような変更または改良を加えた形態のものも本発明の技術的範囲に含まれる。

【0045】

たとえば、第２実施形態では、単一の検出装置３０を、半導体レーザー素子１１および光共振器２０と一直線となる位置（レーザー光の光軸上となる位置）に配置する構成を例示したが、この構成に限定されず、たとえば、半導体レーザー素子１１および光共振器２０と一直線となる位置（レーザー光の光軸上となる位置）に加えて、第１実施形態のように、筒体２１の側面（レーザー光の光軸と直交する方向）にも、複数の検出装置３０を配置し、半導体レーザー素子１１および光共振器２０と一直線となる位置および筒体２１の側面でラマン散乱光を検出する構成とすることができる。たとえば、第１実施形態に係る検出装置３０の配置構成と、第２実施形態に係る検出装置３０の検出構成とを組み合わせることで、５個の検出装置３０でラマン散乱光を検出することができるため、同時に５種類のガスを検出することが可能となる。

【符号の説明】

【0046】

１，１ａ，１ｂ…外部共振器型レーザー装置
１１…半導体レーザー素子
１１１，１１２…端面
１２…コリメートレンズ
１３…バンドパスフィルタ
２０…光共振器
２１…筒体
２２…第１の環状部材
２２０…ガス導入口
２２１…第１環状部
２２２…第２環状部
２２３…段差面
２２４，２２５…位置調節ネジ
２２６…付勢部材
２３…第１の可動部材
２３０…第１の反射器
２３１…貫通孔
２３２…本体部
２３３…フランジ部
２３４…段差面
２３５…凹部
２３６…押圧面
２３７…側面
２４…第１の端部部材
２４０…貫通孔
２４１～２４３…傾き調節ネジ
２５…第２の環状部材
２５０…ガス排出口
２５１…第１環状部
２５２…第２環状部
２５３…段差面
２５４，２５５…位置調節ネジ
２６…第２の可動部材
２６０…第２の反射器
２６１…貫通孔
２６２…本体部
２６３…フランジ部
２６４…段差面
２６５…凹部
２６６…押圧面
２６７…側面
２７…第２の端部部材
２７０…貫通孔
２７１～２７３…傾き調節ネジ
２８～２１１…Ｏリング
３０…検出装置
３１，３１ａ～３１ｄ…バンドパスフィルタ
３２…フォーカスレンズ
３３…フィルタ切り替え装置
４０…ビームディフューザー
５０…光共振器
５１…導光部材
５１１…ガス導入口
５１２…ガス排出口
５１３，５１４…凹部
５１５，５１６…細径貫通孔
５１７…シリンドリカルミラー
５１８…シリンドリカルレンズ
５１９…光学フィルタ
５２…第１の可動部材
５２０…第１の反射器
５２１…第１の面
５２２…第２の面
５２３…保護部材
５３…第１の端部部材
５３０…貫通孔
５３１～５３３…調節ネジ
５４…第２の可動部材
５４０…第２の反射器
５４１…第１の面
５４２…第２の面
５４３…保護部材
５５…第２の端部部材
５５０…貫通孔
５５１～５５３…調節ネジ
５６，５７…Ｏリング
５８…ピエゾコントローラー
５９_１，５９_２…アクチュエーター

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】