JP2007212212A - Two-wavelength simultaneous outside resonance type semiconductor laser device and gas detector - Google Patents

Two-wavelength simultaneous outside resonance type semiconductor laser device and gas detector Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a two-wavelength simultaneous outside resonance type semiconductor laser device suitable for measuring the light absorption of a gas having a wide band absorption spectrum like a nitrogen dioxide gas and having a small-sized simple constitution, and a gas detector. <P>SOLUTION: The two-wavelength simultaneous outside resonance type semiconductor laser device is composed of a first semiconductor laser constituted so that coating for reducing the reflectivity of light is applied to its one end surface, a second semiconductor laser different in wavelength from the first semiconductor laser and constituted so that the coating for reducing the reflectivity of light is applied to its one end surface, and an outside resonator for resonating the emitted light from the first semiconductor laser and the emitted light from the second semiconductor laser. Further, the gas detector is composed of the two-wavelength simultaneous outside resonance type semiconductor laser device and a photodetector. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、吸収分光法による高感度な気体測定用光源及び長光路セルとして好適な外部共振型半導体レーザー装置に関する。   The present invention relates to a highly sensitive gas measurement light source by absorption spectroscopy and an external resonant semiconductor laser device suitable as a long optical path cell.

1つのレーザー光と、そのレーザー光を非線形光学結晶により波長変換した光を同時に共振させる装置は現在までに多くの研究がなされている(例えば、特許文献1を参照)が、独立の2波長のレーザー光を共振させることは、非常に困難であるため、あまり行われていない。一般に、高いフィネスの1つの共振器内で独立の2波長の光を同時に安定的に共振させるためには、非常に波長が安定化されたレーザー光源及び安定化電源が必要である。さらに、共振器長をレーザー光の波長の整数倍にコントロールするために圧電素子などによる制御が必要である。また、温度や電源電流のフィードバック制御も必要である。そのため、装置は高価になり、その構成は大型かつ複雑である。   Many studies have been made on an apparatus for simultaneously resonating one laser beam and light obtained by converting the wavelength of the laser beam with a nonlinear optical crystal (see, for example, Patent Document 1). Since it is very difficult to resonate the laser beam, it is not often performed. In general, in order to stably resonate two independent wavelengths of light simultaneously in a single resonator having a high finesse, a laser light source and a stabilized power source with extremely stabilized wavelengths are required. Furthermore, in order to control the resonator length to an integral multiple of the wavelength of the laser beam, control with a piezoelectric element or the like is necessary. Also, feedback control of temperature and power supply current is necessary. Therefore, the apparatus becomes expensive, and the configuration is large and complicated.

吸収分光法の一種であるキャビティーリングダウン分光法(CRDS、Cavity Ring Down Spectroscopy)がある。CRD分光法は、ガスセルとして使用する共振器内にレーザ
ー光を閉じ込めると光が共振鏡内を多数回往復することを利用して、実効的な光路を非常に長くする分光法である。これにより、非常に高感度の測定が可能となる。一般的には、非常に狭帯域の吸収スペクトルを有する物質に対し、狭帯域なレーザー光を用いて波長を走査して観察する。これにより濃度の定量を行う。
There is a cavity ring down spectroscopy (CRDS) which is a kind of absorption spectroscopy. CRD spectroscopy is a spectroscopic method that makes an effective optical path very long by utilizing the fact that when a laser beam is confined in a resonator used as a gas cell, the light reciprocates many times within the resonator mirror. This makes it possible to perform very high sensitivity measurement. In general, a substance having a very narrow band absorption spectrum is observed by scanning the wavelength using a narrow band laser beam. Thus, the concentration is quantified.

一般的な分光法では、吸収スペクトルが非常に狭いスペクトル幅を有する二酸化炭素(CO2)等の物質を測定するために、波長可変の単一波長発振のレーザー光源と、共振器
長を精密に制御する機構を用いて、ガス分光を行う。また、レーザー光に印加する電流やレーザー光源の温度なども非常に精密に調整する。
特開平8−194240号公報 特開2005-140558号公報 ウォルフガング シュナイダー、外4名(WOLFGANG SCHNEIDER et al.)、「298Kでの紫外および可視領域(200−700nm)におけるNO2の吸収断面積」("ABSORPTION CROSS-SECTIONS OF NO2 IN THE UV AND VISIBLE REGION (200-700nm) AT 298 K")、光化学および光生物学誌;A:化学(Journal of Photochemistry and Photobiology, A:Chemistry)、1987年、第40巻、pp.195-217
In general spectroscopy, in order to measure a substance such as carbon dioxide (CO 2 ) having a very narrow absorption spectrum, a wavelength-tunable single-wavelength laser light source and a resonator length are precisely set. Gas spectroscopy is performed using the mechanism to be controlled. Also, the current applied to the laser light and the temperature of the laser light source are adjusted very precisely.
JP-A-8-194240 JP 2005-140558 A Wolfgang Schneider, 4 others (WOLFGANG SCHNEIDER et al.), "Absorption section of NO2 in the ultraviolet and visible region (200-700nm) at 298K"("ABSORPTION CROSS-SECTIONS OF NO2 IN THE UV AND VISIBLE REGION (200 -700 nm) AT 298 K "), Journal of Photochemistry and Photobiology; A: Journal of Photochemistry and Photobiology, A: Chemistry, 1987, 40, pp.195-217

近年、二酸化窒素(NO2)ガスは、環境汚染物質としてきわめて重要視されている。
図5は、二酸化窒素(NO2)ガスの光吸収スペクトルを示す図である(非特許文献1)
。横軸は光の波長を示し、縦軸は二酸化窒素の吸収断面積を示す。シャープな吸収を示す波長はなく、この領域で1nm程度の範囲であれば、吸収スペクトルは、平坦であるとみなせる。二酸化窒素(NO2)ガスの光吸収スペクトルは、二酸化炭素(CO2)ガスの非常にシャープな光吸収スペクトルに比べ、非常になだらかである。二酸化窒素ガスのように、吸収スペクトルがなだらかなガスの測定には、狭帯域の吸収スペクトルを測定するために光の波長を非常に精密に制御された測定装置は必要とされない。また、ガス種を同定するためには、複数の波長の光の吸収を同時に測定できることが必要とされる。
In recent years, nitrogen dioxide (NO 2 ) gas has been regarded as extremely important as an environmental pollutant.
FIG. 5 is a diagram showing a light absorption spectrum of nitrogen dioxide (NO 2 ) gas (Non-patent Document 1).
. The horizontal axis indicates the wavelength of light, and the vertical axis indicates the absorption cross section of nitrogen dioxide. There is no wavelength exhibiting sharp absorption, and the absorption spectrum can be regarded as flat if it is in the range of about 1 nm in this region. The light absorption spectrum of nitrogen dioxide (NO 2 ) gas is very gentle compared to the very sharp light absorption spectrum of carbon dioxide (CO 2 ) gas. Measurement of a gas having a gentle absorption spectrum, such as nitrogen dioxide gas, does not require a measuring device in which the wavelength of light is controlled very precisely in order to measure a narrow-band absorption spectrum. In addition, in order to identify the gas species, it is necessary to be able to simultaneously measure the absorption of light having a plurality of wavelengths.

本発明は、二酸化窒素ガスのような広帯域な吸収スペクトルを有するガスの光吸収の測定に適する、小型で簡易な構成による2波長同時外部共振型半導体レーザー装置及びガス
検出器を提供することを課題とする。
It is an object of the present invention to provide a two-wavelength simultaneous external resonance semiconductor laser device and a gas detector having a small and simple configuration suitable for measurement of light absorption of a gas having a broad absorption spectrum such as nitrogen dioxide gas. And

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用する。   The present invention employs the following means in order to solve the above problems.

即ち、本発明は、
一方の端面に光の反射率を低減したコーティングがされている第1の半導体レーザーと、
前記第1の半導体レーザーと波長が異なり、一方の端面に光の反射率を低減したコーティングがされている第2の半導体レーザーと、
前記第1の半導体レーザーからの出射光と前記第2の半導体レーザーからの出射光とが共振する外部共振器と、
からなる外部共振型半導体レーザー装置である。
That is, the present invention
A first semiconductor laser having a coating with reduced light reflectance on one end face;
A second semiconductor laser having a wavelength different from that of the first semiconductor laser and having a coating with reduced light reflectance on one end face;
An external resonator in which the light emitted from the first semiconductor laser and the light emitted from the second semiconductor laser resonate;
This is an external resonance type semiconductor laser device.

本発明によると、独立の2つの半導体レーザーからのレーザー光を1つの外部共振器の内部で共振させることができる。   According to the present invention, laser beams from two independent semiconductor lasers can be resonated inside one external resonator.

また、本発明は、
一方の端面に光の反射率を低減したコーティングがされている第1の半導体レーザーと、
前記第1の半導体レーザーと波長が異なり、一方の端面が反射率を低減したコーティングをされている第2の半導体レーザーと、
前記第1の半導体レーザーからの出射光と前記第2の半導体レーザーからの出射光とが共振し、ガスを封入可能である外部共振器と、
前記外部共振器からの出射光を検出する光検出器と、
を備えるガス検出装置である。
The present invention also provides:
A first semiconductor laser having a coating with reduced light reflectance on one end face;
A second semiconductor laser having a wavelength different from that of the first semiconductor laser and having one end surface coated with a reduced reflectance;
An external resonator in which the emitted light from the first semiconductor laser and the emitted light from the second semiconductor laser resonate and can enclose gas;
A photodetector for detecting light emitted from the external resonator;
It is a gas detection apparatus provided with.

本発明によると、二酸化窒素ガスの如き光吸収スペクトルが広帯域のガスの光吸収を測定することができる。   According to the present invention, it is possible to measure light absorption of a gas having a broad light absorption spectrum such as nitrogen dioxide gas.

本発明によれば、二酸化窒素ガスのような広帯域な吸収スペクトルを有するガスの光吸収の測定に適する、小型で簡易な構成による外部共振型半導体レーザー装置及びガス検出器を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the external resonance type semiconductor laser apparatus and gas detector by a small and simple structure suitable for the measurement of the optical absorption of the gas which has a broad absorption spectrum like nitrogen dioxide gas can be provided.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The configuration of the embodiment is an exemplification, and the present invention is not limited to the configuration of the embodiment.

〔実施形態〕
<ガス検出装置の構成>
図1は、2波長同時外部共振型半導体レーザー装置10を含むガス検出装置の構成例を示す図である。
Embodiment
<Configuration of gas detector>
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a gas detection device including a two-wavelength simultaneous external resonance semiconductor laser device 10.

2波長同時外部共振型半導体レーザー装置10は、半導体レーザー4Aに電源供給を行う電源5Aと、電源5Aに接続された半導体レーザー4Aと、半導体レーザー4Aから出射する光を集光する集光レンズ3Aと、半導体レーザー4Bに電源供給を行う電源5Bと、電源5Bに接続された半導体レーザー4Bと、半導体レーザー4Bから出射する光を集光する集光レンズ3Bと、集光レンズ3Aからの光の一部を反射し集光レンズ3Bからの光の一部を透過し外部共振器1に当該2方向からの光を入射するビームスプリッター2と
、ビームスプリッター2からの光が入射される外部共振器1と、を備える。
The two-wavelength simultaneous external resonance type semiconductor laser device 10 includes a power source 5A for supplying power to the semiconductor laser 4A, a semiconductor laser 4A connected to the power source 5A, and a condensing lens 3A for condensing light emitted from the semiconductor laser 4A. A power source 5B for supplying power to the semiconductor laser 4B, a semiconductor laser 4B connected to the power source 5B, a condensing lens 3B for condensing the light emitted from the semiconductor laser 4B, and the light from the condensing lens 3A A beam splitter 2 that partially reflects and transmits part of the light from the condensing lens 3B and enters light from the two directions into the external resonator 1, and an external resonator that receives light from the beam splitter 2 1.

ガス検出器は、2波長同時外部共振型半導体レーザー装置10と、2波長同時外部共振型半導体レーザー装置10の外部共振器1から出射される光を検出する検査系6と検出器制御装置20と、を備える。   The gas detector includes a two-wavelength simultaneous external resonance semiconductor laser device 10, an inspection system 6 that detects light emitted from the external resonator 1 of the two-wavelength simultaneous external resonance semiconductor laser device 10, and a detector control device 20. .

検出器制御装置20は、プログラムを実行し、情報処理機能を実現するCPU26と、検出器等の外部との通信機能を有する通信インターフェイス22と、CPU26で実行されるプログラムが展開されるメモリ27と、ガスの吸収断面積の波長依存性等のデータ及び測定データ等が保存される記憶装置25と、ユーザによる入力操作を検知する入力デバイス23と、データを出力する出力デバイス24と、着脱可能外部記憶装置21とを備える。   The detector control device 20 executes a program to realize an information processing function, a communication interface 22 having a communication function with the outside such as a detector, and a memory 27 in which a program executed by the CPU 26 is expanded. , A storage device 25 for storing data such as wavelength dependency of gas absorption cross section and measurement data, an input device 23 for detecting an input operation by a user, an output device 24 for outputting data, and a removable external device And a storage device 21.

以上の構成により、ガス検出装置の外部共振器1に封入されたガスの光吸収を測定することができる。   With the above configuration, the light absorption of the gas enclosed in the external resonator 1 of the gas detection device can be measured.

(電源)
電源5は、半導体レーザー4に電力を供給する。電源5は、半導体レーザー4に対する電力供給を、連続的に行うことができる。また、電源5は、半導体レーザー4に対する電力供給に、矩形波変調を加えること等もできる。さらに、電源5A及び電源5Bを同期させることも可能である。
(Power supply)
The power source 5 supplies power to the semiconductor laser 4. The power source 5 can continuously supply power to the semiconductor laser 4. The power source 5 can also apply rectangular wave modulation to the power supply to the semiconductor laser 4. Furthermore, the power supply 5A and the power supply 5B can be synchronized.

(レーザー光源)
半導体レーザー4は、レーザー光を発光する。半導体レーザー4の一方の端面は、無反射コート(ARコート)をされている。ARコートされた端面の反射率は、ほぼ0.01%である。これによりほぼ無反射となる。半導体レーザー4の内部で、レーザー発振を起こさないためである。
(Laser light source)
The semiconductor laser 4 emits laser light. One end face of the semiconductor laser 4 has an anti-reflection coating (AR coating). The reflectivity of the AR-coated end face is approximately 0.01%. As a result, there is almost no reflection. This is because laser oscillation does not occur inside the semiconductor laser 4.

第1の半導体レーザー4Aは、第1の波長のレーザー光を出射する光源である。半導体レーザー4Aからは、ビームスプリッター2に対してS偏光のレーザー光が出射される。第2の半導体レーザー4Bは、第2の波長のレーザー光を出射する光源である。第2の波長は、第1の波長と異なる波長が選択される。半導体レーザー4Bからは、ビームスプリッター2に対してP偏光のレーザー光が出射される。   The first semiconductor laser 4A is a light source that emits laser light having a first wavelength. From the semiconductor laser 4 </ b> A, S-polarized laser light is emitted to the beam splitter 2. The second semiconductor laser 4B is a light source that emits laser light having a second wavelength. A different wavelength from the first wavelength is selected as the second wavelength. From the semiconductor laser 4 </ b> B, P-polarized laser light is emitted to the beam splitter 2.

第1の半導体レーザー4Aの発振波長として、例えば、638nmのものが使用される。また、第2の半導体レーザー4Bの発振波長として、例えば、673nmのものが使用される。発振波長は、これらの発振波長に限定されない。第1の半導体レーザー4A及び第2の半導体レーザー4Bの発振波長は、それぞれ独立に自由に選択され得る。   As the oscillation wavelength of the first semiconductor laser 4A, for example, one having a wavelength of 638 nm is used. In addition, as the oscillation wavelength of the second semiconductor laser 4B, for example, a wavelength of 673 nm is used. The oscillation wavelength is not limited to these oscillation wavelengths. The oscillation wavelengths of the first semiconductor laser 4A and the second semiconductor laser 4B can be freely selected independently.

第1の半導体レーザー4A及び第2の半導体レーザー4Bの両方または一方は、水平方向及び垂直方向の制御が可能かつ、半導体レーザー4の出射側の端面の方向の制御が可能なマウントに設置することができる。当該マウントに設置することにより、レーザー光の出射方向を調整することができる。   Both or one of the first semiconductor laser 4A and the second semiconductor laser 4B is installed on a mount that can be controlled in the horizontal direction and the vertical direction, and that can control the direction of the end face on the emission side of the semiconductor laser 4. Can do. By installing in the mount, the emission direction of the laser light can be adjusted.

(集光レンズ)
集光レンズ3は、半導体レーザー4の無反射コートした端面の側に配置される。集光レンズ3は、半導体レーザー4から出射されたレーザー光を集光する。集光レンズとしては、非球面レンズなどが使用される。
(Condenser lens)
The condensing lens 3 is disposed on the end face side of the semiconductor laser 4 which is coated with no reflection. The condensing lens 3 condenses the laser light emitted from the semiconductor laser 4. An aspherical lens or the like is used as the condenser lens.

(ビームスプリッター)
集光レンズ3で集光されたレーザー光は、ビームスプリッター2で反射し、または、ビームスプリッター2を透過する。
(Beam splitter)
The laser beam condensed by the condenser lens 3 is reflected by the beam splitter 2 or transmitted through the beam splitter 2.

ビームスプリッター2は、偏光方向依存性を有する。ビームスプリッター2にS偏光の光が入射するときの反射率は、P偏光の光が入射するときの反射率よりも、高い。また、同様に、ビームスプリッター2にP偏光の光が入射するときの透過率は、S偏光の光が入射するときの透過率よりも高い。   The beam splitter 2 has polarization direction dependency. The reflectance when S-polarized light is incident on the beam splitter 2 is higher than the reflectance when P-polarized light is incident. Similarly, the transmittance when P-polarized light is incident on the beam splitter 2 is higher than the transmittance when S-polarized light is incident.

ここで、S偏光とは、面に入射する光の振動方向がその面の法線と光の進行方向である波面の法線とを含む面に垂直な方向の偏光をいう。また、P偏光とは、面に入射する光の振動方向がその面の法線と光の進行方向を含む面に含まれる方向の偏光をいう。P偏光の方向は、S偏光の方向に対して垂直の方向である。   Here, S-polarized light refers to polarized light in a direction perpendicular to the plane in which the vibration direction of light incident on the plane includes the normal line of the plane and the normal line of the wavefront that is the traveling direction of the light. P-polarized light refers to polarized light in a direction in which the vibration direction of light incident on a surface is included in a surface including the normal of the surface and the traveling direction of the light. The direction of P-polarized light is a direction perpendicular to the direction of S-polarized light.

本発明の実施形態では、ビームスプリッター2は、無偏光光源に対し、
反射率:透過率=50%:50%
となるものを使用した。上記したビームスプリッター2の性質により、第1の半導体レーザー4Aから出射されたS偏光のレーザー光は、ビームスプリッター2で60%から70%程度が反射する。また、同様に、第2の半導体レーザー4Bから出射されたP偏光のレーザー光は、ビームスプリッター2で60%から70%程度が透過する。このように偏光したレーザー光を使用することにより効率的に外部共振器1にレーザー光を入射することができる。
In the embodiment of the present invention, the beam splitter 2 is a non-polarized light source,
Reflectivity: transmittance = 50%: 50%
I used the following. Due to the properties of the beam splitter 2 described above, about 60% to 70% of the S-polarized laser light emitted from the first semiconductor laser 4A is reflected by the beam splitter 2. Similarly, about 60% to 70% of the P-polarized laser light emitted from the second semiconductor laser 4B is transmitted through the beam splitter 2. By using the laser beam polarized in this way, the laser beam can be efficiently incident on the external resonator 1.

ビームスプリッター2は、水平方向の制御が可能な直動型ステージ及びビームスプリッター2の面の方向調整が可能なキネマティックマウントに設置することができる。半導体レーザー4が設置されるマウント及びビームスプリッター2が設置されるマウントにより、第1の半導体レーザー1及び第2の半導体レーザー2から出射される2本のレーザー光の光軸を一致させることができる。これにより、2本のレーザー光を、光軸を一致させて、外部共振器1に入射させることができる。   The beam splitter 2 can be installed on a linear motion stage that can be controlled in the horizontal direction and a kinematic mount that can adjust the direction of the surface of the beam splitter 2. With the mount on which the semiconductor laser 4 is installed and the mount on which the beam splitter 2 is installed, the optical axes of the two laser beams emitted from the first semiconductor laser 1 and the second semiconductor laser 2 can be matched. . As a result, the two laser beams can be incident on the external resonator 1 with their optical axes aligned.

(外部共振器)
外部共振器1は、第1の反射面7A及び第2の反射面7Bを備える。第1の反射面7A及び第2の反射面7Bは互いに対向している。ビームスプリッター2からの光は、第2の反射面7Bの側から入射される。外部共振器1は、ガスを導入し密封可能なガスセルとすることができる。
(External resonator)
The external resonator 1 includes a first reflecting surface 7A and a second reflecting surface 7B. The first reflecting surface 7A and the second reflecting surface 7B face each other. The light from the beam splitter 2 enters from the second reflecting surface 7B side. The external resonator 1 can be a gas cell that can be sealed by introducing gas.

外部共振器1の2つの反射面の反射率は、非常に高くする必要がある。外部共振器1に入射するレーザー光を、長時間、外部共振器2の内部に閉じ込めるためである。第1の反射面7Aの反射率は、好ましくは99.99%以上、より好ましくは99.999%以上である。第2の反射面7Bの反射率は、好ましくは99.94%以上、より好ましくは99.97%以上である。第2の反射面7Bの反射率は、第1の反射面7Aの反射率よりも、低くされている。これにより、第2の反射面7Bの側から、ビームスプリッター2からのレーザー光の入射を容易にすることができる。   The reflectivity of the two reflecting surfaces of the external resonator 1 needs to be very high. This is because the laser light incident on the external resonator 1 is confined in the external resonator 2 for a long time. The reflectance of the first reflecting surface 7A is preferably 99.99% or more, more preferably 99.999% or more. The reflectance of the second reflecting surface 7B is preferably 99.94% or more, more preferably 99.97% or more. The reflectance of the second reflecting surface 7B is set lower than the reflectance of the first reflecting surface 7A. Thereby, the incidence of the laser beam from the beam splitter 2 can be facilitated from the second reflecting surface 7B side.

本発明の実施形態では、外部共振器1の共振器長はほぼ8cmである。外部共振器1の共振器長は、これに限定されず自由に選択できる。共振器長は、入射するレーザー光の波長(1μm以下)に比べ、非常に大きい。   In the embodiment of the present invention, the resonator length of the external resonator 1 is approximately 8 cm. The resonator length of the external resonator 1 is not limited to this and can be freely selected. The cavity length is very large compared to the wavelength of incident laser light (1 μm or less).

(検査系)
検査系6では、外部共振器1から出射するレーザー光を、光電子増倍管、半導体光検出素子(例えば、電荷結合素子(CCD、Charge Coupled Devices)、フォトダイオード、
フォトトランジスタ、アバランシェダイオード、光導電素子、光起電力素子など)等の光検出器を使用して検出する。光検出器の前方にプリズム、回折格子等を配置して、外部共振器1から出射する光を分光して同時検出するように構成することもできる。
(Inspection system)
In the inspection system 6, the laser light emitted from the external resonator 1 is converted into a photomultiplier tube, a semiconductor photodetecting element (for example, a charge coupled device (CCD), a photodiode,
Detection is performed using a photodetector such as a phototransistor, an avalanche diode, a photoconductive element, or a photovoltaic element. A prism, a diffraction grating, or the like may be disposed in front of the photodetector so that the light emitted from the external resonator 1 is dispersed and simultaneously detected.

(検出器制御装置)
検出器制御装置20は、検査系6を制御し、検出ガスの判定等を行う。CPU26は、メモリ27上に展開されたプログラムを実行し、検出器制御及び検出ガスの判定等の機能を実現する。入力デバイス23は、ユーザによる入力操作によって入力される情報を受信しCPU26に通知する。入力デバイス23は、キーボード、マウス等のポインティングデバイス等を含む。出力デバイス24は、測定データの表示等の出力等を実現する。出力デバイス24は、ディスプレイ、スピーカ等を含む。記憶装置25には、測定データ及び試料ガスの吸収断面積の波長依存性などのデータが記録される。記憶装置25は、記録媒体に代替可能である。すなわち、記憶装置25に記録されるデータを、脱着可能外部記憶装置21に装着した記録媒体に記録して使用することも可能である。また、記憶装置25及び脱着可能外部記憶装置21の両方を同時に使用することも可能である。
(Detector control device)
The detector control device 20 controls the inspection system 6 and performs detection gas detection and the like. The CPU 26 executes a program developed on the memory 27 to realize functions such as detector control and detection gas determination. The input device 23 receives information input by an input operation by the user and notifies the CPU 26 of the information. The input device 23 includes a pointing device such as a keyboard and a mouse. The output device 24 implements output such as display of measurement data. The output device 24 includes a display, a speaker, and the like. The storage device 25 stores measurement data and data such as the wavelength dependence of the absorption cross section of the sample gas. The storage device 25 can be replaced with a recording medium. That is, the data recorded in the storage device 25 can be recorded on a recording medium attached to the removable external storage device 21 and used. It is also possible to use both the storage device 25 and the removable external storage device 21 at the same time.

検出器制御装置20には、パーソナルコンピュータ(PC、Personal Computer)、デ
ジタルストレージオシロスコープ(DSO、Digital Storage Oscilloscope)等やこれらの組み合わせが使用され得る。
The detector control device 20 may be a personal computer (PC), a digital storage oscilloscope (DSO), or a combination thereof.

<動作例>
(レーザー発振)
一方の端面が無反射コートされた半導体レーザー4に電源を供給する。半導体レーザー4の内部で発生する数百GHz(波長にして数nm)にわたるブロードかつ離散的な周波数のレーザー光が、半導体レーザー4の無反射コートされた端面の側から、出射される。該レーザー光は、集光レンズ3により、集光される。集光されたレーザー光は、レーザースプリッター2で、反射または透過して外部共振器1に入射する。該レーザー光が外部共振器1に入射すると、外部共振器1の共振器長に合う周波数(共振波長)でレーザー発振する。レーザー発振したレーザー光の一部は、上記したものと逆の経路をたどり半導体レーザー4に戻る。この戻ったレーザー光が半導体レーザー4の周波数をロックする。これにより、外部共振器1の共振波長に追随して半導体レーザー4の共振波長が決定される。第1の半導体レーザー及び第2の半導体レーザーからレーザー光が、外部共振器1に同時に入射すると、外部共振器1の内部で同時に共振する。
<Operation example>
(Laser oscillation)
Power is supplied to the semiconductor laser 4 whose one end face is coated with no reflection. A laser beam having a broad and discrete frequency over several hundred GHz (wavelength: several nm) generated inside the semiconductor laser 4 is emitted from the side of the end surface of the semiconductor laser 4 which is coated with no reflection. The laser light is condensed by the condenser lens 3. The condensed laser light is reflected or transmitted by the laser splitter 2 and enters the external resonator 1. When the laser light is incident on the external resonator 1, laser oscillation occurs at a frequency (resonance wavelength) that matches the resonator length of the external resonator 1. A part of the laser light oscillated returns to the semiconductor laser 4 along a path opposite to that described above. This returned laser light locks the frequency of the semiconductor laser 4. Thereby, the resonance wavelength of the semiconductor laser 4 is determined following the resonance wavelength of the external resonator 1. When laser beams from the first semiconductor laser and the second semiconductor laser are simultaneously incident on the external resonator 1, they resonate inside the external resonator 1 at the same time.

図2は、第1の半導体レーザー4A及び第2の半導体レーザー4Bから出射した光が外部共振器1内でレーザー発振した様子を示す図である。ここでは、発振周波数が638nmのものと、673nmのものを使用した。発振周波数は、これらに限定されず自由に選択することができる。   FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the light emitted from the first semiconductor laser 4A and the second semiconductor laser 4B oscillates in the external resonator 1. Here, the oscillation frequencies of 638 nm and 673 nm were used. The oscillation frequency is not limited to these and can be freely selected.

(外部共振器の減衰測定)
半導体レーザー4に矩形波変調を加え外部共振器1への入射光を遮断すると、外部共振器1の内部の光強度は次式(数1)のように指数関数的に減衰する。
(Measurement of attenuation of external resonator)
When rectangular wave modulation is applied to the semiconductor laser 4 and the incident light to the external resonator 1 is blocked, the light intensity inside the external resonator 1 is exponentially attenuated as in the following equation (Equation 1).

Figure 2007212212
ここで、
t:時間
I:外部共振器の内部の光強度、
I0:t=0での光強度
τp:外部共振器の減衰の時定数
である。τpは、次式(数2)のように表される。
Figure 2007212212
here,
t: time
I: Light intensity inside the external resonator,
I 0 : Light intensity at t = 0 τ p : Time constant of attenuation of the external resonator. τ p is expressed as the following equation (Equation 2).

Figure 2007212212
ここで、
1、R2:外部共振器を構成する2つの反射面の反射率
c:光速
d:外部共振器の共振器長
α:外部共振器の共振器内損失
である。
Figure 2007212212
here,
R 1 , R 2 : reflectance of two reflecting surfaces constituting the external resonator c: speed of light d: resonator length of the external resonator α: loss inside the resonator of the external resonator.

外部共振器1の共振器内損失、すなわち光源の波長を吸収するガス媒質が存在する場合、外部共振器1の減衰の時定数はその損失に応じて短くなる。外部共振器1の後方からの漏れ光強度を観測することにより、このような減衰曲線を得ることができる。図3は、外部共振器1の減衰の時定数の変化を示す図である。図3から、吸収媒質が存在しない場合の減衰曲線101に比べ、吸収媒質が存在する場合の減衰曲線102は、減衰の時定数が短くなっていることがわかる。   In the case where there is a gas medium that absorbs the loss in the resonator of the external resonator 1, that is, the wavelength of the light source, the time constant of attenuation of the external resonator 1 is shortened according to the loss. By observing the leakage light intensity from behind the external resonator 1, such an attenuation curve can be obtained. FIG. 3 is a diagram illustrating changes in the time constant of attenuation of the external resonator 1. From FIG. 3, it can be seen that the attenuation time constant of the attenuation curve 102 in the presence of the absorbing medium is shorter than that of the attenuation curve 101 in the absence of the absorbing medium.

次式(数3)を用いて吸収媒質の濃度を定量化することができる。   The concentration of the absorbing medium can be quantified using the following equation (Equation 3).

Figure 2007212212
ここで、
N:分子数密度
σ:吸収媒質の吸収断面積
τ:吸収媒質が存在する場合(すなわち、α≠0)の減衰の時定数
τ0:吸収媒質が存在しない場合(すなわち、α=0)の減衰の時定数
である。吸収媒質の吸収量の異なる2つの波長(A,B)で、本測定を行うことにより、選択的に、対象ガスの濃度定量を行うことができる。
Figure 2007212212
here,
N: Molecular number density σ: Absorption cross section of absorption medium τ: Time constant of attenuation when absorption medium exists (ie α ≠ 0) τ 0 : Absorption medium does not exist (ie α = 0) This is the decay time constant. By performing this measurement at two wavelengths (A, B) having different absorption amounts of the absorption medium, the concentration of the target gas can be selectively quantified.

Figure 2007212212
ここで、
τ0A、τ0B:それぞれの波長(A、B)での吸収媒質が存在しない場合の減衰の時定数
τA、τB:それぞれの波長(A、B)での吸収媒質が存在する場合の減衰の時定数
σA、σB:それぞれの波長(A、B)での吸収媒質の吸収断面積
である。それぞれの波長(A、B)での吸収媒質の吸収断面積(σA、σB)は、既知の量である。あらかじめ、吸収媒質が存在しない状態、つまり外部共振器1の内部が真空の状態で、レーザー光を外部共振器1に入射して検査系6で減衰の時定数を測定することにより、τ0A及びτ0Bを求めることができる。したがって、サンプルガスによる減数定数τA
、τBを求めることにより、外部共振器1の内のガスの密度を求めることが可能となる。
Figure 2007212212
here,
τ 0A , τ 0B : decay time constant when there is no absorbing medium at each wavelength (A, B) τ A , τ B : when there is an absorbing medium at each wavelength (A, B) Attenuation time constants σ A , σ B : Absorption cross sections of the absorbing medium at the respective wavelengths (A, B). The absorption cross sections (σ A , σ B ) of the absorbing medium at the respective wavelengths (A, B ) are known quantities. In advance, when the absorption medium is not present, that is, the inside of the external resonator 1 is in a vacuum state, laser light is incident on the external resonator 1 and the time constant of attenuation is measured by the inspection system 6, so that τ 0A and τ 0B can be obtained. Therefore, the reduction constant τ A due to the sample gas
, Τ B can be obtained to obtain the density of the gas in the external resonator 1.

また、τ0A、τ0B、τA及びτBを測定することができると、(数3)の式から、σA
σBとの比を求めることが可能となる。この値を用いて、ガス種の同定をすることができ
る。
Further, if τ 0A , τ 0B , τ A and τ B can be measured, the ratio of σ A and σ B can be obtained from the equation (Equation 3). Using this value, the gas species can be identified.

測定対象のガスに不純物が含まれている場合、同一の波長に異なる吸収断面積のガスが存在することになる。このとき、外部共振器1の減衰の時定数は、2つの時定数を有することになる。従って、測定により同一の波長において2つの時定数を有することが判明した時は、不純物が含まれていることがわかる。   When the gas to be measured contains impurities, gases having different absorption cross sections exist at the same wavelength. At this time, the time constant of attenuation of the external resonator 1 has two time constants. Therefore, when it is found by measurement that two time constants are obtained at the same wavelength, it is understood that impurities are contained.

本発明の実施形態の外部共振器1におけるレーザー光の共振波長は、精密には制御されず、半導体レーザー4の中心波長から1nm程度の範囲にわたって複数のモードが立っている。しかし、二酸化窒素ガスの光吸収スペクトル(図5)のように、中心波長から1nm程度の範囲で吸収スペクトルが平坦であれば、光吸収による減衰を測定するのに支障はない。波長の差が1nm程度の範囲では、吸収断面積が一定であるとみなせるからである。つまり、このように平坦なスペクトル領域を持つガス種に対しては、マルチモード発振のレーザーを用いることができ、光源、電源ともに安価かつ小型な構成での微量ガス測定が可能である。   The resonance wavelength of the laser beam in the external resonator 1 of the embodiment of the present invention is not precisely controlled, and a plurality of modes are set over a range of about 1 nm from the center wavelength of the semiconductor laser 4. However, if the absorption spectrum is flat in the range of about 1 nm from the center wavelength as in the light absorption spectrum of nitrogen dioxide gas (FIG. 5), there is no problem in measuring attenuation due to light absorption. This is because the absorption cross-sectional area can be considered to be constant when the wavelength difference is in the range of about 1 nm. That is, a multimode oscillation laser can be used for such a gas species having a flat spectral region, and a trace gas can be measured with an inexpensive and compact configuration of both the light source and the power source.

2波長同時外部共振型半導体レーザー装置10の外部共振部1をガスセルとし、2つの波長の光源を用いた、二酸化窒素(NO2)ガスの差分吸収分光測定を行った。図4は、
本発明の実施形態のガス検出器による二酸化窒素の測定試験結果を示す図である。図4から、(数4)の式によく合うことがわかる。本発明の実施形態による装置では、二酸化窒素ガスに対して、5ppm程度から50ppm程度の濃度の測定が可能である。
Differential absorption spectroscopic measurement of nitrogen dioxide (NO 2 ) gas was performed using the external resonator 1 of the two-wavelength simultaneous external resonance semiconductor laser device 10 as a gas cell and using light sources of two wavelengths. FIG.
It is a figure which shows the measurement test result of nitrogen dioxide by the gas detector of embodiment of this invention. It can be seen from FIG. 4 that the equation (4) is well suited. The apparatus according to the embodiment of the present invention can measure a concentration of about 5 ppm to about 50 ppm with respect to nitrogen dioxide gas.

図6は、測定対象ガスの判定の動作フローを示す図である。検査系6で検出された光強度のデータは、検出器制御装置20に送られる(S102)。検出器制御装置20は、測定されたデータから、それぞれの測定波長(半導体レーザー4の波長)における外部共振器1の減衰の時定数を求める。また、測定ガス及び測定波長が指定される(S104)と、検出器制御装置20は、記憶装置6に記録されるガスについての吸収断面積のデータを抽出する(S106)。検出器制御装置20は、測定された減衰の時定数がそれぞれの測定波長について1つか否かを判定する(S108)。1つの測定波長につき、減衰の時定数が2以上存在するときは、異なる吸収断面積のガスが外部共振器1(ガスセル)の内部に存在することを意味する。従って、減衰の時定数が2以上存在するとき(S108;N
O)は、「不純物混入の可能性あり」と表示して、終了する(S110)。各測定波長において、減衰の時定数が1つの時は、外部共振器1(ガスセル)の内部のガスは、1種類であると判断して、次のステップに進む(S108;YES)。検出器制御装置20は、記憶装置25から抽出された測定対象ガスのデータから求められる2つの測定波長の吸収断面積の比と測定されたデータから求められる2つの測定波長の吸収断面積の比を比較する(S112)。比較した結果、当該比が異なれば、測定対象ガスではないと判断(S112;NO)して、「ガス種が異なる可能性あり」と表示して終了する(S114)。また、当該比が同一であれば、測定対象ガスについて測定されたと判断(S112;YES)して、「測定成功」と表示して終了する(S116)。
FIG. 6 is a diagram illustrating an operation flow of determination of the measurement target gas. The light intensity data detected by the inspection system 6 is sent to the detector control device 20 (S102). The detector control device 20 obtains the time constant of attenuation of the external resonator 1 at each measurement wavelength (the wavelength of the semiconductor laser 4) from the measured data. Further, when the measurement gas and the measurement wavelength are designated (S104), the detector control device 20 extracts the absorption cross section data for the gas recorded in the storage device 6 (S106). The detector control device 20 determines whether or not the measured attenuation time constant is 1 for each measurement wavelength (S108). When two or more attenuation time constants exist for one measurement wavelength, it means that gases having different absorption cross sections exist inside the external resonator 1 (gas cell). Therefore, when there are two or more decay time constants (S108; N
O) displays “possibility of impurity contamination” and ends (S110). At each measurement wavelength, when the attenuation time constant is one, it is determined that there is one kind of gas inside the external resonator 1 (gas cell), and the process proceeds to the next step (S108; YES). The detector control device 20 compares the ratio of the absorption cross sections of the two measurement wavelengths obtained from the data of the measurement target gas extracted from the storage device 25 and the ratio of the absorption cross sections of the two measurement wavelengths obtained from the measured data. Are compared (S112). As a result of the comparison, if the ratios are different, it is determined that the gas is not a measurement target gas (S112; NO), and “Possible gas type is different” is displayed and the process ends (S114). If the ratios are the same, it is determined that the measurement target gas has been measured (S112; YES), “Successful measurement” is displayed, and the process ends (S116).

<実施形態の効果>
本発明の実施形態によれば、安価な2つの半導体レーザー4と電源5と、2つのレーザー光を外部共振器1に導光するビームスプリッター2及び1対の反射面を有する外部共振器1のみで構成されている。そのため、従来のような圧電素子やフィードバック制御装置を利用せずに小型で安価に2つの波長レーザー光を高フィネスの外部共振器の内部で共振させることができる。
<Effect of embodiment>
According to the embodiment of the present invention, only two inexpensive semiconductor lasers 4 and a power source 5, a beam splitter 2 that guides two laser beams to the external resonator 1, and only the external resonator 1 having a pair of reflecting surfaces. It consists of Therefore, it is possible to resonate two wavelength laser beams inside a high finesse external resonator without using a piezoelectric element and a feedback control device as in the past and at a small size and at low cost.

また、2つの波長のレーザー光を高フィネスの外部共振器1の内部で共振させることにより、高フィネスの外部共振器1を利用した、キャビティーリングダウン分光法による、選択的かつ高感度な気体測定が実現できる。   In addition, by resonating laser light of two wavelengths inside the external resonator 1 with high finesse, selective and highly sensitive gas by cavity ring-down spectroscopy using the external resonator 1 with high finesse. Measurement can be realized.

本発明の実施形態の2波長同時外部共振型半導体レーザー装置及びガス検出装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the 2 wavelength simultaneous external resonance type | mold semiconductor laser apparatus and gas detection apparatus of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の2波長のレーザー光の外部共振器内での共振の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of resonance in the external resonator of the laser beam of 2 wavelengths of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の外部共振器の減衰の時定数の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the time constant of attenuation | damping of the external resonator of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のガス検出器による二酸化窒素の測定試験結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement test result of the nitrogen dioxide by the gas detector of embodiment of this invention. 二酸化窒素(NO2)の吸収断面積の波長依存性を示す図である。(Wolfgang Schneider et al.: Journal of Photochemistry and Photobiology, A: Chemistry, 40 (1987) 195-217)Is a diagram showing the wavelength dependence of absorption cross-section of nitrogen dioxide (NO 2). (Wolfgang Schneider et al .: Journal of Photochemistry and Photobiology, A: Chemistry, 40 (1987) 195-217) 測定対象ガスの判定の動作フローを示す図である。It is a figure which shows the operation | movement flow of determination of measurement object gas.

符号の説明Explanation of symbols

1 外部共振器
2 ビームスプリッター
3 集光レンズ
3A 第1の集光レンズ
3B 第2の集光レンズ
4 半導体レーザー
4A 第1の半導体レーザー
4B 第2の半導体レーザー
5 電源
5A 第1の電源
5B 第2の電源
6 検査系
10 2波長同時外部共振型半導体レーザー装置
20 測定器制御装置
21 着脱可能外部記憶装置
22 通信インターフェイス
23 入力デバイス
24 出力デバイス
25 記憶装置
26 CPU
27 メモリ
101 吸収媒質が存在しない場合の減衰曲線
102 吸収媒質が存在する場合の減衰曲線

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 External resonator 2 Beam splitter 3 Condensing lens 3A 1st condensing lens 3B 2nd condensing lens 4 Semiconductor laser 4A 1st semiconductor laser 4B 2nd semiconductor laser 5 Power supply 5A 1st power supply 5B 2nd Power supply 6 Inspection system 10 Two-wavelength simultaneous external resonance semiconductor laser device 20 Measuring device control device 21 Removable external storage device 22 Communication interface 23 Input device 24 Output device 25 Storage device 26 CPU
27 Memory 101 Attenuation curve when no absorbing medium is present 102 Decaying curve when an absorbing medium is present

Claims (6)

一方の端面に光の反射率を低減したコーティングがされている第1の半導体レーザーと、
前記第1の半導体レーザーと波長が異なり、一方の端面に光の反射率を低減したコーティングがされている第2の半導体レーザーと、
前記第1の半導体レーザーからの出射光と前記第2の半導体レーザーからの出射光とが共振する外部共振器と、
からなる外部共振型半導体レーザー装置。
A first semiconductor laser having a coating with reduced light reflectance on one end face;
A second semiconductor laser having a wavelength different from that of the first semiconductor laser and having a coating with reduced light reflectance on one end face;
An external resonator in which the light emitted from the first semiconductor laser and the light emitted from the second semiconductor laser resonate;
An external resonant semiconductor laser device comprising:
前記外部共振器は、互いに対向する第1の反射面と第2の反射面を有し、
前記第1の反射面及び前記第2の反射面のうち少なくとも一方は、反射率が99.99%以上である
請求項1に記載の外部共振型半導体レーザー装置。
The external resonator has a first reflecting surface and a second reflecting surface facing each other,
2. The external resonant semiconductor laser device according to claim 1, wherein at least one of the first reflecting surface and the second reflecting surface has a reflectivity of 99.99% or more.
一方の端面に光の反射率を低減したコーティングがされている第1の半導体レーザーと、
前記第1の半導体レーザーと波長が異なり、一方の端面が反射率を低減したコーティングをされている第2の半導体レーザーと、
前記第1の半導体レーザーからの出射光と前記第2の半導体レーザーからの出射光とが共振し、ガスを封入可能である外部共振器と、
前記外部共振器からの出射光を検出する光検出器と、
を備えるガス検出装置。
A first semiconductor laser having a coating with reduced light reflectance on one end face;
A second semiconductor laser having a wavelength different from that of the first semiconductor laser and having one end surface coated with a reduced reflectance;
An external resonator in which the emitted light from the first semiconductor laser and the emitted light from the second semiconductor laser resonate and can enclose gas;
A photodetector for detecting light emitted from the external resonator;
A gas detection device comprising:
前記第1の半導体レーザーからの光の波長について測定された減衰の時定数と、前記第2の半導体レーザーからの光の波長について測定された減衰の時定数と、から、測定対象のガスか否かを判定する手段と、
をさらに備える請求項3に記載のガス検出装置。
Whether or not the gas is a measurement target from the time constant of attenuation measured for the wavelength of light from the first semiconductor laser and the time constant of attenuation measured for the wavelength of light from the second semiconductor laser. Means for determining whether or not
The gas detection device according to claim 3, further comprising:
前記外部共振器は、互いに対向する第1の反射面と第2の反射面を有し、
前記第1の反射面及び前記第2の反射面のうち少なくとも一方は、反射率が99.99%以上である、
請求項3及び4のいずれか1つに記載のガス検出装置。
The external resonator has a first reflecting surface and a second reflecting surface facing each other,
At least one of the first reflective surface and the second reflective surface has a reflectance of 99.99% or more.
The gas detection device according to any one of claims 3 and 4.
前記光検出器は、光電子増倍管または半導体光検出素子である
請求項3乃至5のいずれか1つに記載のガス検出装置。


The gas detector according to claim 3, wherein the photodetector is a photomultiplier tube or a semiconductor photodetector element.


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