JPH06222000A - Infrared spectrochemical analyzer - Google Patents

Infrared spectrochemical analyzer

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JPH06222000A
JPH06222000A JP2718193A JP2718193A JPH06222000A JP H06222000 A JPH06222000 A JP H06222000A JP 2718193 A JP2718193 A JP 2718193A JP 2718193 A JP2718193 A JP 2718193A JP H06222000 A JPH06222000 A JP H06222000A
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light emitting
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luminescent
glass
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行雄 野田
Hidenori Mimura
榮紀 三村
Tetsuya Nakai
哲哉 中井
Osamu Niihori
理 新堀
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Abstract

PURPOSE:To obtain the analyzer having the excellent maintenability and economy by splitting the emitted light obtained by exciting a light emitting medium into contrast light and sample light, and measuring the sample light, which is made to act mutually, with a material under analysis as the contrast light. CONSTITUTION:For example, amplified naturally emitted luminous flux 9, which is emitted from a glass fiber 8 of light emitting base material containing Er that is excited with the laser light of a semiconductor laser exciting light source 3, is divided into two parts with a half mirror 10 and becomes a sample luminous flux 11 and a contrast luminous flux 12. The contrast luminous flux 12 reaches a selector 15 through reflecting mirrors 13 and 14. The sample luminous flux 11 and the contrast luminous flux 12 are alternately cast into a spectroscope 16 by the action of the selector 15. The material under analysis is contained into a cell, which sufficiently transmits the light and made to be a sensor part 41. The sensor part 41 is inserted between the half mirror 10 and the selector 15. The emitted light 17 from the spectroscope 16 is received with a photodetector 18 and converted into an electric signal 19. The signal is amplified with an electric amplifier 20 and the electric output is obtained. The spectrum data of the sample light and the contrast light are obtained and processed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、対象物質の成分・濃度
を光を利用して検知する赤外分光分析装置に係わるもの
で、石油化学・食品・鉄鋼・農業等のプラントにおける
インライン分析装置、各種産業における装置・設備より
排出される有害物質のモニター用分析装置として利用さ
れる赤外分光分析装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared spectroscopic analyzer for detecting the composition and concentration of a target substance by using light, which is an in-line analyzer in a plant such as petrochemical, food, steel and agriculture. The present invention relates to an infrared spectroscopic analysis device used as an analysis device for monitoring harmful substances emitted from devices and equipment in various industries.

【0002】[0002]

【従来の技術】対象物質の成分・濃度を分析する装置と
して対象物質による光の吸収を利用した分光分析装置が
ある。中でも近赤外から遠赤外の光を利用して分析する
赤外分光分析装置は、様々な産業分野で応用されてい
る。このような分析装置としては、グローバー・ネルン
ストグローアーといった熱放射体光源を用いたインコヒ
ーレント光源分光分析装置か、近赤外から遠赤外の波長
で発振する半導体レーザを用いたコヒーレント光源分光
分析装置がある。前者の利点は、光源が 3 μm から 1
00 μm といった広いスペクトル領域にわたった連続光
源であるため分析波長範囲が広くとれることである。一
方後者の利点は、コヒーレント光源のため高輝度・高集
光性光源となりリモートセンシングに応用可能なことで
ある。
2. Description of the Related Art As a device for analyzing the components and concentrations of a target substance, there is a spectroscopic analyzer that utilizes the absorption of light by the target substance. Above all, an infrared spectroscopic analyzer that analyzes light from near infrared to far infrared is applied in various industrial fields. As such an analyzer, an incoherent light source spectroscopic analyzer using a thermal radiator light source such as a Grover / Nernst grower, or a coherent light source spectroscopic analysis using a semiconductor laser oscillating in a wavelength from near infrared to far infrared is used. There is a device. The advantage of the former is that the light source is from 3 μm to 1
Since it is a continuous light source that covers a wide spectral range of 00 μm, it has a wide analysis wavelength range. On the other hand, the advantage of the latter is that it is a coherent light source and it can be applied to remote sensing as a high-intensity, high-concentration light source.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱放射
体光源を用いた赤外分光分析装置は、インコヒーレント
光源であるためと、光源となる放射体を 1000 ℃から 2
000 ℃の高温に保持しなければならないため、次のよう
な欠点があった。 (1)低輝度であった。 (2)低集光性であった。 (3)電気/ 光エネルギー変換効率が低かった。 (4)水冷を要した。 (5)光源支持台、電極等の電気接点の腐食が早かっ
た。(グローバー) (6)400 ℃までは絶縁体であるため予熱を要した。
(ネルンストグローアー) (7)品質が悪く、寿命が予測できなかった。(ネルン
ストグローアー) このため、リモートセンシング等の輝度と集光性を要す
る分光分析用光源には不向きであり、装置の維持管理・
経済性にも問題があった。
However, since the infrared spectroscopic analyzer using the thermal radiation source is an incoherent light source, the radiation source is 1000 ° C.
Since it has to be maintained at a high temperature of 000 ° C, it has the following drawbacks. (1) The brightness was low. (2) The light collecting property was low. (3) Electric / light energy conversion efficiency was low. (4) Water cooling was required. (5) Corrosion of electrical contacts such as the light source support and electrodes was premature. (Grover) (6) Preheating was required because it was an insulator up to 400 ° C.
(Nernst Grower) (7) The quality was poor and the life could not be predicted. (Nernst Grower) For this reason, it is not suitable for light sources for spectroscopic analysis that require brightness and light condensing properties such as remote sensing, and maintenance and
There was also a problem with economics.

【0004】一方また、半導体レーザ光源を用いた赤外
分光分析装置では、以下に述べる欠点があった。 (1)近赤外から遠赤外で発振する半導体レーザは室温
で発振することができないため、液体ヘリウムまたは液
体窒素といった寒剤で冷却する必要があり、特にインラ
イン分析やモニター分析の様に連続運転で常時分析する
場合には寒剤を貯蔵する特殊な断熱容器と自動供給でき
る設備が必要であった。 (2)半導体レーザが固定波長で発振する単色光源であ
るため、特定の波長範囲の連続光を得るには半導体レー
ザの温度を変化させることで目的とする発振波長に調節
(同調)し、さらに掃引しなければならず、同調・掃引
による時間遅れを引き起こした。
On the other hand, the infrared spectroscopic analyzer using the semiconductor laser light source has the following drawbacks. (1) Since a semiconductor laser that oscillates in the near infrared to far infrared cannot oscillate at room temperature, it needs to be cooled with a cryogen such as liquid helium or liquid nitrogen. Especially, continuous operation such as in-line analysis and monitor analysis is required. In the case of continuous analysis in, a special heat-insulating container for storing a cryogen and a facility capable of automatically supplying were needed. (2) Since the semiconductor laser is a monochromatic light source that oscillates at a fixed wavelength, in order to obtain continuous light in a specific wavelength range, the temperature of the semiconductor laser is changed to adjust (tune) to the target oscillation wavelength, and It had to be swept, causing a time delay due to tuning and sweeping.

【0005】本発明の目的は、熱放射体や半導体レーザ
を光源とする従来の赤外分光分析装置の上記欠点に鑑み
なされたもので、熱放射体より輝度が高く集光性も良
く、室温で動作するため寒剤の必要がなく、かつ同調掃
引せずに特定の波長範囲の連続光を発生するため時間遅
れを生じない発光素子を光源とし、インラインモニタ又
はリモートセンシングに応用でき保守性・経済性にも優
れた赤外分光分析装置を提供することである。
The object of the present invention was made in view of the above-mentioned drawbacks of the conventional infrared spectroscopic analyzer using a heat radiator or a semiconductor laser as a light source. Since it does not require a cryogen because it operates at the same time, and it generates continuous light in a specific wavelength range without tuning sweep, it uses a light emitting element that does not cause a time delay as a light source and can be applied to in-line monitor or remote sensing. An object of the present invention is to provide an infrared spectroscopic analyzer having excellent properties.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本願の第1の発明による赤外分光分析装置は、光に
よる励起で光を放出する発光媒質を少なくとも一種類含
み光導波構造をもたせた発光母材ガラスまたは該発光媒
質の異なる少なくとも2種類の該発光母材ガラスよりな
り該発光母材ガラスのそれぞれの発光媒質から放出され
るそれぞれの光を合波する構造をもたせた発光母材ガラ
ス群からなる発光母材と、該発光母材での該発光媒質の
放出光によるレーザ発振を抑圧する手段と、該発光母材
の光導波終端面の一つに光結合し該発光媒質を励起する
光を発する励起光源と、該発光母材の放出光を試料光と
対照光に分配する手段と、該試料光を分析対象物質と相
互作用させるセンサー部と、該センサー部で前記分析対
象物質と相互作用した前記試料光と前記対照光を交互に
取り出す手段と、取り出す手段より得た該試料光と該対
照光を計測する計測部とを備えた構成を有する。また、
本願の第2の発明による赤外分光分析装置は、光による
励起で光を放出する発光媒質を少なくとも一種類含み光
導波構造をもたせた発光母材ガラスまたは該発光媒質の
異なる少なくとも2種類の該発光母材ガラスよりなり該
発光母材ガラスのそれぞれの発光媒質から放出されるそ
れぞれの光を合波する構造をもたせた発光母材ガラス群
からなる発光母材と、該発光母材での該発光媒質の放出
光によるレーザ発振を抑圧する手段と、該発光母材の光
導波終端面の一つに光結合し該発光媒質を励起する光を
発する励起光源と、該発光母材の放出光を試料光として
分析対象物質と相互作用させるセンサー部と、該センサ
ー部で前記分析対象と相互作用した試料光である信号光
を計測する計測部と、前記発光母材の放出光を前記セン
サー部に到達させる試料光光学系と、前記センサー部か
らの前記信号光を前記計測部に到達させる信号光光学系
とにより構成される。
In order to achieve this object, an infrared spectroscopic analyzer according to the first invention of the present application includes an optical waveguide structure including at least one luminescent medium that emits light when excited by light. A luminescent mother material glass provided or at least two kinds of luminescent mother material glasses having different luminescent mediums, and a luminescent mother having a structure for combining light emitted from each luminescent medium of the luminescent mother material glass A light emitting base material composed of a material glass group, a means for suppressing laser oscillation due to the emitted light of the light emitting medium in the light emitting base material, and the light emitting medium optically coupled to one of the optical waveguide termination surfaces of the light emitting base material. An excitation light source that emits light that excites light, a means that distributes the emitted light of the luminescent base material into sample light and reference light, a sensor unit that interacts the sample light with a substance to be analyzed, and the analysis by the sensor unit. Interaction with target substance And it has a configuration equipped with the sample beam and the means for extracting alternately the control light, and a measuring unit for measuring a sample light and the pair illumination obtained from means for retrieving. Also,
An infrared spectroscopic analyzer according to the second invention of the present application is a luminescent base glass having at least one kind of luminescent medium that emits light when excited by light, or a luminescent matrix glass having an optical waveguide structure, or at least two different types of the luminescent medium. A light emitting base material comprising a light emitting base material glass, and a light emitting base material glass group having a structure for multiplexing lights emitted from respective light emitting media of the light emitting base material glass; A means for suppressing laser oscillation due to the emitted light of the light emitting medium, an excitation light source for emitting light for exciting the light emitting medium by optically coupling with one of the optical waveguide termination surfaces of the light emitting base material, and the emitted light of the light emitting base material A sample portion that interacts with a substance to be analyzed as a sample light, a measuring portion that measures a signal light that is a sample light that has interacted with the subject to be analyzed by the sensor portion, and a light emitted from the luminescent base material to the sensor portion. To reach A sample optical system constituted by said signal signal light optical system to reach the measuring unit light from the sensor unit.

【0007】[0007]

【作用】本発明の赤外分光分析装置は、高輝度・高集光
性の光源をもったリモートセンシング用赤外分光分析装
置を、また寒剤の供給が必要ないインライン・モニター
用赤外分光分析装置を、さらに特定の波長範囲の連続光
を発するため同調・掃引による時間遅れを生じない時間
応答性の優れた赤外分光分析装置を実現することができ
る。
The infrared spectroscopic analysis device of the present invention is an infrared spectroscopic analysis device for remote sensing having a light source of high brightness and high condensing property, and an infrared spectroscopic analysis device for in-line monitoring which does not require the supply of a cryogen. Furthermore, since the continuous light of a specific wavelength range is emitted, an infrared spectroscopic analyzer having excellent time response that does not cause a time delay due to tuning and sweeping can be realized.

【0008】[0008]

【実施例1】光源であるガラス発光素子の中心波長を
2.7μm に設定した複光束型の赤外分光分析装置の実施
例を説明する。光源であるガラス発光素子としては、発
光母材ガラスの形状が円柱状であり、一種類の発光媒質
を添加したコアと添加しないクラッドで導波構造を形成
し、励起光源を半導体レーザとし、中心波長 2.7μm で
発光するガラス発光素子を用いる。その縦断面図を図1
に示す。ガラス発光素子の発光母材ガラスの形状は円柱
状のファイバ8であり、希土類元素の Er を発光媒質と
して添加したフッ化物ガラスからなるコア1とコアより
低屈折率のフッ化物ガラスからなるクラッド2で導波構
造を形成している。フッ化物ガラスを発光母材ガラスと
する場合、発光媒質 Er を中心波長 2.7μm で発光させ
るためには発光媒質を波長 790 nm の光で励起すればよ
い。励起光源である発振波長 790 nm の半導体レーザ3
を発光母材ガラスの終端面4に光結合するように配置す
る。この実施例では直接結合させているが、レンズある
いは光ファイバ等の光学部品を介して光結合させること
もできることは言うまでもない。終端面4には、半導体
レーザ3からの励起光に対して0%に近くかつ増幅自然
放出光に対して適当な反射率をもたせた膜5を、他の終
端面6には半導体レーザ3からの励起光に対しては 100
%に近くかつ増幅自然放出光に対しては0%に近い反射
率をもたせた膜7を付着させ、発光母材ガラス内でのレ
ーザ発振を抑圧した構造としている。このような光学特
性をもつ膜としては、通常の薄膜作製技術例えば電子ビ
ーム蒸着法で作製した例えば誘電体材料の多層膜を充て
ることができる。終端面4に励起光源である半導体レー
ザ3から発振される波長 790 nm のレーザ光を結合させ
ると、発光母材ガラスファイバのコア中に波長 790 nm
の励起光の導波モードが励振される。この励起光が終端
面6に進行する際にコアに添加された発光媒質である E
r 元素が励起光を吸収し中心波長 2.7 の自然放出光を
放出する。この自然放出光の中で終端面6の向きに放出
されコア内を導波するものは、励起光を吸収し励起状態
にある Er 元素によって導波の際に増幅され、増幅され
た自然放出光となる。終端面6に到達した時点で吸収さ
れなかった励起光は、終端面上の光学膜 7 の作用で反
射率に応じてそのほとんどが反射されもう一つの終端面
4に向かって進行し、その間同様にして増幅された自然
放出光を発生する。このようにして生成された増幅自然
放出光は、終端面6に到達し終端面上の光学膜7の作用
で反射率に応じてそのほとんどが終端面6を透過し出射
する。以上の結果、中心波長 2.7μm で 2.65 μm から
2.77 μm の波長範囲にわたる連続スペクトルをもつ増
幅自然放出光(増幅自然放出光)を出射するガラス発光
素子とすることができる。
Example 1 The center wavelength of the glass light emitting element that is the light source
An example of a double-beam type infrared spectroscopic analyzer set to 2.7 μm will be described. As a glass light emitting element that is a light source, the shape of the light emitting base material glass is columnar, and a waveguiding structure is formed with a core to which one kind of light emitting medium is added and a clad not to be added, and a semiconductor laser is used as the excitation light source. Use a glass light emitting device that emits light at a wavelength of 2.7 μm. Its longitudinal section is shown in FIG.
Shown in. The shape of the light-emitting base material glass of the glass light-emitting element is a cylindrical fiber 8, a core 1 made of fluoride glass to which Er of rare earth element is added as a light-emitting medium, and a clad 2 made of fluoride glass having a lower refractive index than the core. To form a waveguide structure. When fluoride glass is used as the luminescent matrix glass, the luminescent medium may be excited with light having a wavelength of 790 nm in order to cause the luminescent medium Er to emit light with a central wavelength of 2.7 μm. Semiconductor laser with an oscillation wavelength of 790 nm, which is the excitation light source 3
Are arranged so as to be optically coupled to the terminal surface 4 of the light emitting base material glass. In this embodiment, they are directly coupled, but it goes without saying that they can be optically coupled via an optical component such as a lens or an optical fiber. A film 5 having a reflectance close to 0% with respect to the pumping light from the semiconductor laser 3 and an appropriate reflectance with respect to the amplified spontaneous emission light is provided on the end face 4, and the other end face 6 is provided with the film 5 from the semiconductor laser 3. 100 for excitation light of
%, And a film 7 having a reflectance close to 0% with respect to amplified spontaneous emission light is adhered to suppress the laser oscillation in the light emitting base material glass. As the film having such optical characteristics, a multi-layer film made of, for example, a dielectric material, which is manufactured by a general thin film manufacturing technique such as an electron beam evaporation method, can be used. When laser light with a wavelength of 790 nm emitted from the semiconductor laser 3 which is an excitation light source is coupled to the termination surface 4, the wavelength of 790 nm is generated in the core of the light emitting base material glass fiber.
The guided mode of the excitation light of is excited. E is a light emitting medium added to the core when the excitation light travels to the end surface 6.
The element r absorbs the excitation light and emits spontaneous emission light with a central wavelength of 2.7. The spontaneous emission light that is emitted in the direction of the terminal surface 6 and is guided in the core is amplified by the Er element that is in the excited state and absorbs the excitation light, and the amplified spontaneous emission light. Becomes Most of the excitation light that has not been absorbed at the time of reaching the end surface 6 is reflected by the action of the optical film 7 on the end surface according to the reflectance, and travels toward the other end surface 4, and during the same period. Then, the amplified spontaneous emission light is generated. The amplified spontaneous emission light generated in this way reaches the end surface 6 and most of the amplified spontaneous emission light is transmitted through the end surface 6 and emitted according to the reflectance by the action of the optical film 7 on the end surface. As a result, from the central wavelength of 2.7 μm to 2.65 μm
A glass light emitting device that emits amplified spontaneous emission light (amplified spontaneous emission light) having a continuous spectrum over the wavelength range of 2.77 μm can be used.

【0009】図2に、図1のガラス発光素子を光源とし
た複光束型赤外分光分析装置を示す。半導体レーザ励起
光源3のレーザ光で励起された Er を含む発光母材ガラ
スファイバ8から出射した増幅自然放出光束9は、ハー
フミラー 10 の作用で二分され試料用光束 11 と対照光
束 12 となる。対照光束 12 は、反射鏡 13, 14 を経て
セレクター 15 に至る。試料用光束 11 と対照光束 12
は、セレクター 15 の作用により交互に分光器 16 に入
射する。セレクター 15 は、例えば半円形の平面鏡で形
成し回転させることで実現することができるが、これに
限ることはない。図2は、両光束の合流位置にセレクタ
ー 15 の半円形平面鏡部が位置している状態を表してお
り、この状態では対照光束のみがセレクター 15 の平面
鏡の作用で反射され分光器 16 に入射する。試料すなわ
ち分析対象物質は通常の赤外分光の方法に従って、その
状態に応じてたとえば固体であれば適便な分散材で分散
し、また液体・気体であれば光源の光に対して充分透過
する材質で形成されたセルに入れてセンサー部 14 と
し、ハーフミラー 10 とセレクター 15 の間に挿入す
る。分光器の出射光 17 を光検出器 18 で受光し電気信
号 19 に変換し、電気増幅器 20 で増幅し電気出力とし
試料光と対照光のスペクトル情報を得る。これをそのま
ま記録計に送りグラフ表示の分析結果とするか、もしく
はデジタル出力に変換しコンピュータ 21 に送り定量・
定性解析のデータ処理を行いグラフ・数値として表示す
る。この実施例では、光源に用いたガラス発光素子の波
長範囲が中心波長 2.7μmで 2.65 μm から 2.77 μm
であるため、この波長範囲に吸収を持つガス状物質、例
えば H2Oガスや CO2ガスを分析対象とした複光束型赤外
分光分析装置とすることができる。
FIG. 2 shows a double-beam type infrared spectroscopic analyzer using the glass light emitting element of FIG. 1 as a light source. The amplified spontaneous emission light flux 9 emitted from the light emitting base material glass fiber 8 containing Er excited by the laser light of the semiconductor laser excitation light source 3 is divided into two by the action of the half mirror 10 and becomes a sample light flux 11 and a reference light flux 12. The reference luminous flux 12 reaches the selector 15 via the reflecting mirrors 13 and 14. Sample beam 11 and control beam 12
Are alternately incident on the spectroscope 16 by the action of the selector 15. The selector 15 can be realized by, for example, forming a semi-circular plane mirror and rotating it, but is not limited thereto. FIG. 2 shows a state in which the semi-circular plane mirror part of the selector 15 is located at the confluence position of both light beams. In this state, only the reference light beam is reflected by the action of the plane mirror of the selector 15 and enters the spectroscope 16. . The sample, that is, the substance to be analyzed is dispersed according to its ordinary infrared spectroscopy method, for example, with a suitable dispersant if it is a solid, or sufficiently transmitted to the light of the light source if it is a liquid or gas. Put it in a cell made of material to form the sensor part 14, and insert it between the half mirror 10 and the selector 15. Light 17 emitted from the spectroscope is received by the photodetector 18, converted into an electric signal 19, amplified by an electric amplifier 20, and converted into an electric output to obtain spectral information of the sample light and the control light. This is sent to the recorder as it is and used as the analysis result of the graph display, or it is converted to digital output and sent to the computer 21.
Performs qualitative analysis data processing and displays as graphs and numerical values. In this example, the wavelength range of the glass light emitting element used as the light source was 2.65 μm to 2.77 μm at the central wavelength of 2.7 μm.
Therefore, it is possible to provide a double-beam type infrared spectroscopic analyzer for analyzing a gaseous substance having an absorption in this wavelength range, for example, H 2 O gas or CO 2 gas.

【0010】[0010]

【実施例2】光源であるガラス発光素子の中心波長を
2.3μm, 2.7μm, 2.9μm に設定した複光束型の赤外分
光分析装置の実施例を記す。光源であるガラス発光素子
としては、発光母材ガラスの形状が円柱状であり、三種
類の発光媒質を同時に添加したコアと添加しないクラッ
ドで導波構造を形成し、励起光源を半導体レーザアレイ
とし、光導波終端面すべてに三種類の発光媒質からの放
出光に対する反射防止膜を塗布し、中心波長 2.3μm,
2.7μm, 2.9μm で発光するガラス発光素子を用いる。
その断面図を図3に示す。ガラス発光素子の発光母材ガ
ラスの形状は円柱状のファイバ 29 であり、希土類元素
の Tm, Er, Ho を発光媒質として添加したフッ化物ガラ
スからなるコア 22 とコアより低屈折率のフッ化物ガラ
スからなるクラッド 23 で導波構造を形成している。フ
ッ化物ガラスを発光母材ガラスとする場合、発光媒質 T
m, Er, Ho を中心波長 2.3μm, 2.7μm, 2.9μm で発光
させるためには発光媒質をそれぞれ波長 790nm,790 nm,
640 nm の光で励起すればよい。従って、励起光源の波
長は 640 nmと 790 nm の2波長でよい。励起用半導体
レーザアレイは、通常の半導体光デバイス作製技術の範
囲内で、発振波長が 640 nm と790 nmの異なる2個の半
導体レーザチップを近接して設置するか、もしくはモノ
リシックに集積する事で作製できる。励起光源である発
振波長 640nm, 790 nmの半導体レーザアレイ 24 を発光
母材ガラスの終端面 25 に光結合するように配置する。
この実施例では直接結合させているが、レンズあるいは
光ファイバ等の光学部品を介して光結合させることもで
きることは言うまでもない。終端面 25 には、半導体レ
ーザアレイ 24 からの励起光に対して 0%に近くかつ増
幅自然放出光に対して適便な反射率をもたせた光学膜 2
6 を、他の終端面 27 には半導体レーザアレイからの励
起光に対しては 100%に近くかつ増幅自然放出光に対し
ては 0%に近い反射率をもたせた光学膜 28 を付着さ
せ、発光母材ガラス内でのレーザ発振を抑圧した構造と
している。このような光学特性をもつ膜としては、通常
の薄膜作製技術例えば電子ビーム蒸着法で作製した例え
ば誘電体材料の多層膜を充てることができる。終端面 2
5 に励起光源である半導体レーザアレイ 24 から発振さ
れる波長 640nm と 790 nm のレーザ光を結合させる。
その結果、実施励1で記載した原理により、中心波長
2.3μm, 2.7μm, 2.9μ mでそれぞれ 2.25 μm から 2.
50 μm,2.65 μm から 2.77 μm, 2.83 μm から 2.95
μm の波長範囲にわたる連続スペクトルをもつ3種類の
増幅自然放出光を重畳した光を出射するガラス発光素子
とすることができる。
Example 2 The center wavelength of the glass light emitting element which is the light source
An example of the double-beam type infrared spectroscopy analyzer set to 2.3 μm, 2.7 μm, and 2.9 μm will be described. As a glass light emitting element that is a light source, the shape of the light emitting base material glass is cylindrical, and a waveguide structure is formed by a core to which three types of light emitting media are added at the same time and a clad not added, and the excitation light source is a semiconductor laser array. , An anti-reflection coating for the light emitted from the three types of light-emitting media is applied to all the optical waveguide termination surfaces, and the center wavelength is 2.3 μm,
A glass light emitting element that emits light at 2.7 μm and 2.9 μm is used.
The sectional view is shown in FIG. The shape of the light-emitting base material glass of the glass light-emitting element is a cylindrical fiber 29, and a core 22 made of fluoride glass to which Tm, Er, and Ho of rare earth elements are added as a light-emitting medium and a fluoride glass having a lower refractive index than the core are used. A waveguide structure is formed by a clad 23 composed of. When fluoride glass is used as the luminescent matrix glass, the luminescent medium T
In order to cause m, Er, and Ho to emit light with central wavelengths of 2.3 μm, 2.7 μm, and 2.9 μm, the luminescent medium has wavelengths of 790 nm, 790 nm, and 790 nm, respectively.
It can be excited by light of 640 nm. Therefore, the wavelength of the excitation light source may be two wavelengths of 640 nm and 790 nm. The pumping semiconductor laser array is constructed by placing two semiconductor laser chips with different oscillation wavelengths of 640 nm and 790 nm in close proximity or by monolithically integrating them within the range of ordinary semiconductor optical device fabrication technology. Can be made. A semiconductor laser array 24 having an oscillation wavelength of 640 nm and 790 nm, which is an excitation light source, is arranged so as to be optically coupled to the termination surface 25 of the light emitting base material glass.
In this embodiment, they are directly coupled, but it goes without saying that they can be optically coupled via an optical component such as a lens or an optical fiber. An optical film 2 having a reflectance close to 0% with respect to the excitation light from the semiconductor laser array 24 and having a suitable reflectance for the amplified spontaneous emission light is provided on the termination surface 25.
6 is attached to the other end face 27, and an optical film 28 having a reflectance close to 100% for the pump light from the semiconductor laser array and close to 0% for the amplified spontaneous emission light is attached, The structure is such that laser oscillation in the light emitting base material glass is suppressed. As the film having such optical characteristics, a multi-layer film made of, for example, a dielectric material, which is manufactured by a general thin film manufacturing technique such as an electron beam evaporation method, can be used. End face 2
Laser light with wavelengths of 640 nm and 790 nm emitted from the semiconductor laser array 24, which is the excitation light source, is coupled to the laser.
As a result, the central wavelength is
2.3 μm, 2.7 μm, 2.9 μm respectively 2.25 μm to 2.
50 μm, 2.65 μm to 2.77 μm, 2.83 μm to 2.95
It is possible to use a glass light emitting device that emits light in which three types of amplified spontaneous emission light having a continuous spectrum over a wavelength range of μm are emitted.

【0011】図4に、図3のガラス発光素子を光源とし
た複光束型赤外分光分析装置を示す。半導体レーザ励起
光源 24 のレーザ光で励起された Er を含む発光母材ガ
ラスファイバ 29 から出射した増幅自然放出光束9は、
ハーフミラー 10 の作用で二分され試料用光束 11 と対
照光束 12 となる。対照光束 12 は、反射鏡 13, 14を
経てセレクター 15 に至る。試料用光束 11 と対照光束
12 は、セレクター 15 の作用により交互に分光器 16
に入射する。セレクター 15 は、例えば半円形の平面鏡
で形成し回転させることで実現できるが、これに限るこ
とはない。図4は、両光束 11, 12 の合流位置にセレク
ター 15 の半円形平面鏡部が位置している状態を表して
おり、この状態では対照光束のみがセレクターの平面鏡
の作用で反射され分光器 16 に入射する。試料は、その
状態に応じてたとえば固体であれば適便な分散材で文散
した状態で、また液体であれば光源の光に対して充分透
過する材質で形成されたセルに入れた状態で、ハーフミ
ラー 10 とセレクター 15 の間に挿入する。分光器 16
の出射光 17 を光検出器 18 で受光し電気信号 19 に変
換し、電気信号増幅器 20 で増幅し電気出力とする。こ
れをそのまま記録計に送りグラフ表示の分析結果とする
か、もしくはデジタル出力に変換しコンピュータに送り
定量・定性解析のデータ処理を行いグラフ・数値として
表示する。この実施例では、光源に用いたガラス発光素
子の波長範囲がより、中心波長 2.3μm, 2.7μm, 2.9μ
m でそれぞれ 2.25 μm から 2.50 μm, 2.65 μm から
2.77 μm, 2.83 μm から 2.95 μm であるためこ波長
範囲に吸収を持つガス状物質、例えば H2O, CO, CO2, N
O, N2O, NH3 等ガスを分析対象とした複光束型赤外分光
分析装置とすることができる。
FIG. 4 shows a double-beam type infrared spectroscopic analyzer using the glass light emitting element of FIG. 3 as a light source. The amplified spontaneous emission light flux 9 emitted from the light emitting base material glass fiber 29 containing Er excited by the laser light of the semiconductor laser excitation light source 24 is
It is divided into two by the action of the half mirror 10 and becomes a sample light beam 11 and a control light beam 12. The reference luminous flux 12 reaches the selector 15 via the reflecting mirrors 13 and 14. Sample beam 11 and control beam
12 is the spectrometer 16 alternately by the action of the selector 15.
Incident on. The selector 15 can be realized by, for example, forming a semi-circular plane mirror and rotating it, but is not limited thereto. FIG. 4 shows a state in which the semicircular plane mirror part of the selector 15 is located at the confluence position of both light fluxes 11 and 12. In this state, only the reference light flux is reflected by the action of the plane mirror of the selector to the spectroscope 16. Incident. Depending on the state of the sample, for example, if it is a solid, it is dispersed with a convenient dispersion material, and if it is a liquid, it is placed in a cell formed of a material that sufficiently transmits the light of the light source. , Insert between half mirror 10 and selector 15. Spectrometer 16
The emitted light 17 is received by a photodetector 18, converted into an electric signal 19, and amplified by an electric signal amplifier 20 to be an electric output. This is sent to the recorder as it is and used as the analysis result of the graph display, or it is converted to a digital output and sent to a computer for data processing of quantitative / qualitative analysis and displayed as a graph / numerical value. In this example, the wavelength range of the glass light-emitting element used for the light source is more, the central wavelength 2.3μm, 2.7μm, 2.9μ
From 2.25 μm to 2.50 μm and 2.65 μm respectively in m
2.77 μm, 2.83 μm to 2.95 μm, so gaseous substances that absorb in this wavelength range, such as H 2 O, CO, CO 2 , N
A double-beam type infrared spectroscopic analyzer for analyzing gases such as O, N 2 O, and NH 3 can be used.

【0012】[0012]

【実施例3】光源であるガラス発光素子の中心波長を
2.3μm, 2.7μm, 2.9μm に設定した複光束型の赤外分
光分析装置の別の実施例を記す。光源であるガラス発光
素子としては、3種類の発光母材ガラスからなる発光母
材ガラス群で、それぞれの発光母材ガラスの形状が円柱
状であり、それぞれ一種類の発光媒質を添加したコアと
添加しないクラッドで導波構造を形成し、それぞれ励起
光源を半導体レーザとし、それぞれの発光母材ガラスの
それぞれの発光媒質から放出されるそれぞれの光を合波
する構造を与えられ、それぞれの光導波終端面すべてに
それぞれの発光媒質からの放出光に対する反射防止膜を
塗布し、三種類の中心波長 2.3μm, 2.7μm, 2.9μm で
発光するガラス発光素子を用いる。図5に示すように、
ガラス発光素子の発光母材ガラス群のそれぞれの発光母
材ガラスの形状は円柱状のファイバ 30, 31, 32 であ
り、それぞれ実施例1で示したように希土類元素の Tm,
Er, Ho を発光媒質として添加したフッ化物ガラスから
なるコアとコアより低屈折率のフッ化物ガラスからなる
クラッドで導波構造を形成している。フッ化物ガラスを
発光母材ガラスとする場合、発光媒質 Tm, Er, Ho を中
心波長 2.3μm, 2.7μm, 2.9μm で発光させるためには
発光媒質をそれぞれ波長 790nm,790 nm,640 nm の光で
励起すればよい。励起光源である発振波長 790 nm, 790
nm, 640 nm の半導体レーザ 33, 34, 35 を、発光母材
ガラス群を構成する Tm, Er, Ho を含む発光母材ガラス
ファイバ 30, 31, 32 の終端面それぞれに光結合するよ
うに配置する。この実施例では直接結合させているが、
レンズあるいは光ファイバ等の光学部品を介して光結合
させることもできることは言うまでもない。それぞれの
終端面には、それぞれの半導体レーザからの励起光に対
して0に近くかつ増幅自然放出光にたいして適便な反射
率をもたせた膜を、それぞれの他の終端面にはそれぞれ
の半導体レーザからの励起光に対しては 100%に近くか
つ増幅自然放出光に対しては0%に近い反射率をもたせ
た膜を付着させ、発光母材ガラス内でのレーザ発振を抑
圧した構造としている。このような光学特性をもつ膜と
しては、通常の薄膜作製技術例えば電子ビーム蒸着法で
作製した例えば誘電体材料の多層膜を充てることができ
る。これら終端面に、それぞれ励起用半導体レーザ 33,
34, 35 から発振される波長 680nm, 790 nm, 640 nmの
レーザ光を結合させる。その結果、実施例1で記載した
原理により、中心波長 2.3μm, 2.7μm, 2.9μm でそれ
ぞれ 2.25 μm から2.50 μm, 2.65 μm から 2.77 μ
m, 2.83 μm から 2.95 μm の波長範囲にわたる連続ス
ペクトルをもつ3種類の増幅された自然放出光を発生し
ファイバカップラー 36, 37 を経て出力ファイバ 38 に
集められ終端面から出射するガラス発光素子とすること
ができる。
Example 3 The center wavelength of the glass light emitting element which is the light source
Another example of the double-beam type infrared spectroscopy analyzer set to 2.3 μm, 2.7 μm, and 2.9 μm will be described. The glass light-emitting element that is the light source is a group of light-emitting base glass composed of three types of light-emitting base glass, each light-emitting base glass has a cylindrical shape, and a core to which one type of light-emitting medium is added, A waveguide structure is formed with a cladding not added, each pumping light source is a semiconductor laser, and a structure for combining the light emitted from each light emitting medium of each light emitting base material glass is given. A glass light-emitting element that emits light with three types of center wavelengths of 2.3 μm, 2.7 μm, and 2.9 μm is used by coating an antireflection film against the light emitted from each light-emitting medium on all the end faces. As shown in FIG.
The shape of each light-emitting base material glass of the light-emitting base-material glass group of the glass light-emitting element is a cylindrical fiber 30, 31, 32. As shown in Example 1, the rare earth element Tm,
A waveguide structure is formed by a core made of fluoride glass to which Er and Ho are added as a light emitting medium and a clad made of fluoride glass having a refractive index lower than that of the core. When fluoride glass is used as the luminescent matrix glass, in order to make the luminescent media Tm, Er, and Ho emit light with central wavelengths of 2.3 μm, 2.7 μm, and 2.9 μm, the luminescent media have wavelengths of 790 nm, 790 nm, and 640 nm, respectively. You can excite with. Oscillation wavelength of excitation light source 790 nm, 790
The semiconductor lasers 33, 34 and 35 of nm and 640 nm are arranged so as to be optically coupled to the respective end faces of the light emitting base material glass fibers 30, 31 and 32 which include Tm, Er and Ho which constitute the light emitting base material glass group. To do. In this example, the connection is made directly,
It goes without saying that optical coupling can also be performed via an optical component such as a lens or an optical fiber. A film having a reflectance close to 0 for the pumping light from each semiconductor laser and a suitable reflectance for the amplified spontaneous emission light is provided on each end face, and each semiconductor laser is provided on each of the other end faces. A film with a reflectivity close to 100% for the excitation light from and a close to 0% for the amplified spontaneous emission light is attached to suppress the laser oscillation in the light emitting base material glass. . As the film having such optical characteristics, a multi-layer film made of, for example, a dielectric material, which is manufactured by a general thin film manufacturing technique such as an electron beam evaporation method, can be used. A pumping semiconductor laser 33,
Laser beams with wavelengths of 680 nm, 790 nm, and 640 nm emitted from 34 and 35 are coupled. As a result, according to the principle described in Example 1, the center wavelengths of 2.3 μm, 2.7 μm, and 2.9 μm are 2.25 μm to 2.50 μm and 2.65 μm to 2.77 μm, respectively.
m, 2.83 μm to 2.95 μm Wavelength of three types of amplified spontaneous emission light with continuous spectrum is generated, collected into output fiber 38 via fiber couplers 36 and 37, and emitted from the end surface as a glass light emitting element. be able to.

【0013】図6に、図5のガラス発光素子を光源とし
た複光束型赤外分光分析装置を示す。半導体レーザ励起
光源 33, 34, 35 のレーザ光で励起された Er を含む発
光母材ガラスファイバ 30, 31, 32 から出射したファイ
バカップラー 36, 37 により出力ファイバ 38 に合成さ
れた増幅自然放出光束9は、ハーフミラー 10 の作用で
二分され試料用光束 11 と対照光束 12 となる。対照光
束 12 は、反射鏡 13,14 を経てセレクター 15 に至
る。試料用光束 11 と対照光束は、セレクター 15 の作
用により交互に分光器 16 に入射する。セレクター 15
は、例えば半円形の平面鏡で形成し回転させることで実
現できるが、これに限ることはない。図6は、両光束 1
1, 12 の合流位置にセレクター 15 の半円形平面鏡部が
位置している状態を表しており、この状態では対照光束
のみがセレクター 15 の平面鏡の作用で反射され分光器
16 に入射する。試料は、その状態に応じてたとえば固
体であれば適便な分散材で文散した状態で、また液体で
あれば光源の光に対して充分透過する材質で形成された
セルに入れた状態で、ハーフミラー 10 とセレクター 1
5 の間に挿入する。分光器 16 の出射光 17 を光検出器
18 で受光し電気信号 19 に変換し、電気信号増幅器 2
0 で増幅し電気出力とする。これをそのまま記録計に送
りグラフ表示の分析結果とするか、もしくはデジタル出
力に変換しコンピュータに送り定量・定性解析のデータ
処理を行いグラフ・数値として表示する。この実施例で
は、光源に用いたガラス発光素子の波長範囲がより、中
心波長 2.3μm, 2.7μm, 2.9μm でそれぞれ 2.25 μm
から 2.50 μm, 2.65 μm から 2.77 μm, 2.83 μm か
ら 2.95 μm であるためこ波長範囲に吸収を持つガス状
物質、例えば H2O, CO, CO2, NO, N2O, NH3 等ガスを分
析対象とした複光束型赤外分光分析装置とすることがで
きる。
FIG. 6 shows a double-beam type infrared spectroscopic analyzer using the glass light emitting element of FIG. 5 as a light source. Amplified spontaneous emission flux 9 synthesized into output fiber 38 by fiber couplers 36 and 37 emitted from Er-containing light emitting base material glass fibers 30, 31 and 32 excited by laser light from semiconductor laser excitation light sources 33, 34 and 35 Is halved by the action of the half mirror 10 to become a sample light beam 11 and a control light beam 12. The reference luminous flux 12 reaches the selector 15 via the reflecting mirrors 13 and 14. The sample light beam 11 and the control light beam are alternately incident on the spectroscope 16 by the action of the selector 15. Selector 15
Can be realized, for example, by forming it with a semicircular plane mirror and rotating it, but is not limited to this. Fig. 6 shows both luminous flux 1
This shows the state where the semi-circular plane mirror part of the selector 15 is located at the confluence position of 1 and 12, and in this state only the reference light beam is reflected by the action of the plane mirror of the selector 15 and the spectrometer
It is incident on 16. Depending on the state of the sample, for example, if it is a solid, it is dispersed with a convenient dispersion material, and if it is a liquid, it is placed in a cell formed of a material that sufficiently transmits the light of the light source. , Half mirror 10 and selector 1
Insert between 5. The light 17 emitted from the spectroscope 16 is detected by the photodetector.
The light is received by 18 and converted into an electrical signal 19 and the electrical signal amplifier 2
It is amplified at 0 and used as an electrical output. This is sent to the recorder as it is and used as the analysis result of the graph display, or it is converted to a digital output and sent to a computer for data processing of quantitative / qualitative analysis and displayed as a graph / numerical value. In this example, the wavelength range of the glass light-emitting device used as the light source was 2.25 μm at the central wavelengths of 2.3 μm, 2.7 μm, and 2.9 μm.
To 2.50 μm, 2.65 μm to 2.77 μm, 2.83 μm to 2.95 μm, so gaseous substances that absorb in this wavelength range, such as H 2 O, CO, CO 2 , NO, N 2 O, NH 3 etc. A double-beam type infrared spectroscopic analyzer that is an analysis target can be provided.

【0014】遠隔赤外分光分析装置の実施例について説
明する。図7に、本発明による遠隔分析装置の一例で試
料光光学系と信号光光学系に光ファイバを用いた遠隔分
析装置の構成図を示す。ガラス発光素子 39 から出射し
た増幅自然放出光を試料光として試料光導波ファイバ 4
0 に結合させセンサー部41 まで導波させ、分析対象物
質と相互作用させる。相互作用後の光即ち信号光を信号
光導波ファイバ 42 に結合させ計測部 43 まで導波さ
せ、ここで対象物質の分析を行わせる。試料光光学系と
信号光光学系に光ファイバを用いた遠隔赤外分光分析装
置の実施例を以下に記載する。
An embodiment of the remote infrared spectroscopy analyzer will be described. FIG. 7 shows a block diagram of a remote analyzer using an optical fiber for the sample light optical system and the signal light optical system in an example of the remote analyzer according to the present invention. Amplified spontaneous emission light emitted from the glass light emitting element 39 is used as the sample light and the sample optical waveguide fiber 4
It is coupled to 0 and guided to the sensor part 41 to interact with the substance to be analyzed. The light after the interaction, that is, the signal light is coupled to the signal light guide fiber 42 and guided to the measurement unit 43, where the target substance is analyzed. An example of a remote infrared spectroscopic analyzer using optical fibers for the sample light optical system and the signal light optical system will be described below.

【0015】[0015]

【実施例4】図8に、ガラス発光素子の中心波長を 2.7
μm に設定し、ガス状態の物質の分析を目的とした単光
束型の遠隔赤外分光分析装置の実施例を示す。ガラス発
光素子としては、実施例1に記載のものを用いる。図で
は、発光媒質Er を含む発光母材ガラスファイバ8と励
起用半導体レーザ3だけを示しているが、その詳細は図
1と実施例1に記載してある。試料光と信号光の導波用
ファイバ 40 と 42 は、発光母材ガラスファイバ8と同
様にフッ化物ガラスからなるコアとそれより低屈折率の
フッ化物ガラスからなるクラッドよりなる。導波用ファ
イバ 40 と 42 のコアとクラッドのフッ化物ガラスの組
成は、発光ガラスファイバ8のコアとクラッドのフッ化
物ガラスの組成と同一であることが望ましいがその限り
ではない。また、試料光導波用ファイバ40 のコアとク
ラッドのフッ化物ガラスの組成は、信号光導波用ファイ
バ 42 のコアとクラッドのフッ化物ガラスの組成と同一
に限らない。発光母材ガラスファイバ8と試料光導波用
ファイバ 40 とは、例えば融着法にて高効率で結合され
た接続部 44 でつながっている。センサー部 41 は、例
えば一対の凹面鏡 45 より成り、試料光導波用ファイバ
40 の端部 46 より出射した試料光を一対の凹面鏡で多
重反射させる。この多重反射の際にセンサー部 41 内の
分析対象ガスと相互作用させ連続スペクトルをもつ試料
光の特定の波長の光を分析対象ガスに吸収させる。相互
作用後の信号光を信号光導波ファイバ 42 の端部 47 に
結合させ、計測部43 内の分光器 16 の入射口 48 に導
波させる。計測部 43 は分光器 16 、光検出器 18 、電
気信号増幅器 20 、コンピュータ 21 からなる。分光器
16 の出射光 17 を光検出器 18 で受光し、電気信号 1
9 に変換し、電気増幅器 20 で増幅し、さらに電気デジ
タル信号に変換して出力しスペクトル情報とする。これ
を、コンピュータ 21 に送り、定量・定性解析のデータ
処理を行い、グラフ・数値として表示する。または場合
によっては、コンピュータを用いずにそのまま記録計に
送りグラフ表示の分析結果とすることもできる。この実
施例では、光源に用いたガラス発光素子の波長範囲が中
心波長 2.7μmで 2.65 μm から 2.77 μm であるため
この波長範囲に吸収を持つガス状物質、例えば H2Oガス
や CO2ガスを分析対象とした遠隔赤外分光分析装置とす
ることができる。
[Embodiment 4] FIG. 8 shows the center wavelength of a glass light emitting device as 2.7
An example of a single-beam type remote infrared spectroscopic analyzer set to μm for the purpose of analyzing a substance in a gas state is shown. As the glass light emitting element, the one described in Example 1 is used. In the drawing, only the light emitting base material glass fiber 8 containing the light emitting medium Er and the pumping semiconductor laser 3 are shown, but the details thereof are described in FIG. 1 and the first embodiment. The waveguide fibers 40 and 42 for the sample light and the signal light are composed of a core made of fluoride glass and a clad made of fluoride glass having a lower refractive index than that of the light emitting base material glass fiber 8. The composition of the fluoride glass of the core and the clad of the waveguide fibers 40 and 42 is preferably the same as the composition of the fluoride glass of the core and the clad of the light emitting glass fiber 8, but it is not limited thereto. Further, the composition of the fluoride glass of the core and the clad of the sample light guiding fiber 40 is not limited to the same as the composition of the fluoride glass of the core and the clad of the signal light guiding fiber 42. The light emitting base material glass fiber 8 and the sample optical waveguide fiber 40 are connected by a connecting portion 44 which is highly efficiently coupled by, for example, a fusion method. The sensor section 41 is composed of, for example, a pair of concave mirrors 45, and includes a sample optical waveguide fiber.
The sample light emitted from the end portion 46 of 40 is multiply reflected by a pair of concave mirrors. At the time of this multiple reflection, the gas to be analyzed is allowed to interact with the gas to be analyzed in the sensor section 41 so that the light having a specific wavelength of the sample light having a continuous spectrum is absorbed by the gas to be analyzed. The signal light after the interaction is coupled to the end 47 of the signal light guiding fiber 42 and guided to the entrance 48 of the spectroscope 16 in the measuring unit 43. The measuring unit 43 includes a spectroscope 16, a photodetector 18, an electric signal amplifier 20, and a computer 21. Spectroscope
The emitted light 17 of 16 is received by the photodetector 18, and the electrical signal 1
It is converted to 9 and amplified by an electric amplifier 20 and further converted to an electric digital signal and output as spectrum information. This is sent to the computer 21, the data processing of quantitative / qualitative analysis is performed, and it is displayed as a graph / numerical value. Alternatively, depending on the case, the analysis result can be sent to the recorder as it is without using a computer and used as the analysis result of the graph display. In this example, since the wavelength range of the glass light emitting element used as the light source is 2.65 μm to 2.77 μm at the central wavelength of 2.7 μm, a gaseous substance having absorption in this wavelength range, for example, H 2 O gas or CO 2 gas is used. It can be a remote infrared spectroscopic analysis device that is an analysis target.

【0016】[0016]

【実施例5】図9に、ガラス発光素子の中心波長を 2.3
μm, 2.7μm, 2.9μm に設定しガス状態の物質を対象に
した遠隔赤外分光分析装置の実施例を示す。ガラス発光
素子として、実施例2に記載のものを用いる。図では、
3種類の発光媒質 Tm, Er, Ho を同時に含む発光母材ガ
ラスファイバと励起用半導体レーザアレイだけを示して
あるが、その詳細は図3と実施例2に記載してる。この
実施例では、光源に用いたガラス発光素子の波長範囲が
中心波長 2.3μm,2.7μm, 2.9μm でそれぞれ 2.25 μm
から 2.50 μm, 2.65 μm から 2.77 μm, 2.83 μm
から 2.95 μm であるためこの波長範囲に吸収を持つガ
ス状物質、例えば H2O, CO, CO2, NO, N2O, NH3 等ガス
を分析対象とした遠隔赤外分光分析装置とすることがで
きる。
[Embodiment 5] FIG. 9 shows the center wavelength of a glass light emitting device with 2.3
An example of a remote infrared spectroscopic analyzer for gas substances set to μm, 2.7 μm, and 2.9 μm is shown. As the glass light emitting element, the one described in Example 2 is used. In the figure,
Only the light-emitting base material glass fiber containing three kinds of light-emitting mediums Tm, Er, and Ho at the same time and the pumping semiconductor laser array are shown, and the details thereof are described in FIG. 3 and the second embodiment. In this example, the wavelength range of the glass light emitting element used as the light source was 2.25 μm at the center wavelengths of 2.3 μm, 2.7 μm, and 2.9 μm, respectively.
To 2.50 μm, 2.65 μm to 2.77 μm, 2.83 μm
To 2.95 μm, so a remote infrared spectroscopic analyzer is used for the analysis of gaseous substances that have absorption in this wavelength range, such as gases such as H 2 O, CO, CO 2 , NO, N 2 O and NH 3. be able to.

【0017】[0017]

【実施例6】図10に、ガラス発光素子の中心波長を
2.3μm, 2.7μm, 2.9μm に設定しガス状態の物質を対
象にした遠隔赤外分光分析装置の実施例5とは異なる実
施例を示す。ガラス発光素子として、実施例3に記載の
ものを用いる。図では、発光媒質 Tm, Er, Ho をそれぞ
れ含む三本の発光母材ガラスファイバ 30, 31, 32 から
なる発光母材ガラス群と3本の発光母材ガラスファイバ
を励起する3個の励起用半導体レーザ 33, 34, 35 だけ
を示してあるが、その詳細は図5と実施例3に記載され
ている。この実施例では、光源に用いたガラス発光素子
の波長範囲が中心波長 2.3μm,2.7μm, 2.9μm でそれ
ぞれ 2.25 μm から 2.50 μm, 2.65 μm から 2.77 μ
m, 2.83 μm から 2.95 μm であるためこの波長範囲に
吸収を持つガス状物質、例えば H2O, CO, CO2, NO, N
2O, NH3 等ガスを分析対象とした遠隔赤外分光分析装置
とすることができる。
Example 6 FIG. 10 shows the center wavelength of the glass light emitting device.
An example different from the example 5 of the remote infrared spectroscopic analyzer for the substances in the gas state, which are set to 2.3 μm, 2.7 μm, and 2.9 μm, will be shown. As the glass light emitting element, the one described in Example 3 is used. In the figure, the luminescent matrix glass group consisting of three luminescent matrix glass fibers 30, 31 and 32 each containing the luminescent medium Tm, Er, and Ho, and the three luminescent matrix glass fibers for exciting the three luminescent matrix glass fibers Only the semiconductor lasers 33, 34, 35 are shown, the details of which are given in FIG. 5 and in the third embodiment. In this example, the wavelength range of the glass light emitting element used as the light source is 2.25 μm to 2.50 μm, 2.65 μm to 2.77 μm at the center wavelengths of 2.3 μm, 2.7 μm, and 2.9 μm, respectively.
m, 2.83 μm to 2.95 μm, so gaseous substances that absorb in this wavelength range, such as H 2 O, CO, CO 2 , NO, N
It can be used as a remote infrared spectroscopic analyzer that analyzes gases such as 2 O and NH 3 .

【0018】上記実施例1から6では、発光媒質 Tm, E
r, Ho を励起する励起用半導体レーザの波長をそれぞれ
790 nm, 790 nm, 640 nm として説明したが発光媒質で
あるTm, Er, Ho の中心波長 2.3μm, 2.7μm, 2.9μm
の発光を励起するものであればこれに限らない。
In Examples 1 to 6 above, the luminescent medium Tm, E
The wavelengths of the pumping semiconductor lasers that pump r and Ho are respectively
Although described as 790 nm, 790 nm, and 640 nm, the central wavelengths of Tm, Er, and Ho, which are light emitting media, are 2.3 μm, 2.7 μm, and 2.9 μm.
It is not limited to this as long as it excites the light emission of.

【0019】発光母材ガラスとしてフッ化物ガラスを例
にとって説明したが、フッ化物ガラスに限ることなく、
発効媒質の放出光に対して透過率の高い物質であって導
波構造を設けられる物質であればよい。
Fluoride glass has been described as an example of the light emitting base material glass, but it is not limited to fluoride glass.
Any substance that has a high transmittance with respect to the emitted light of the effect medium and can be provided with a waveguide structure may be used.

【0020】また、ガラス発光素子の発光母材ガラスが
含む発光媒質として希土類元素である Tm, Er, Ho を例
に取って説明したが、 Tm, Er, Ho に限ることなく、こ
れら以外の希土類元素のみならず希土類元素以外の元素
であっても発光特性を有する元素であれば発光中心波長
と発光波長範囲及び励起用半導体レーザの励起波長を異
にするのみで、本発明の目的にかなったガラス発光素子
及び遠隔分析装置を実施することができる。更に、発光
媒質の条件としては発光特性を有する物質であれば良
く、元素物質に限らない。例えば、Al1-v-w Inv Gaw P
1-X-yAsx Sby (0≦v,w,x,y ≦1,v+w ≦1,x+y≦
1), あるいは Pb1-qSnq Se1-r Ter (0≦q,r ≦1)
で表される化合物半導体物質も発光媒質の条件を満足す
ることができる。
Although the rare earth elements Tm, Er, and Ho are described as examples of the light emitting medium contained in the light emitting base material glass of the glass light emitting device, the rare earth elements other than these are not limited to Tm, Er, and Ho. Not only the element but also an element other than the rare earth element, as long as it has an emission characteristic, only the emission center wavelength and the emission wavelength range and the excitation wavelength of the excitation semiconductor laser are different, and the object of the present invention is achieved. A glass light emitting device and a remote analyzer can be implemented. Further, the condition of the light emitting medium is not limited to the elemental substance as long as it is a substance having a light emitting property. For example, Al 1-vw In v Ga w P
1-Xy As x Sb y ( 0 ≦ v, w, x, y ≦ 1, v + w ≦ 1, x + y ≦
1), or Pb 1-q Sn q Se 1-r Te r (0 ≦ q, r ≦ 1)
The compound semiconductor material represented by can also satisfy the conditions of the light emitting medium.

【0021】ガラス発光素子の発光母材ガラスの形状を
円柱状に限って記載したが、円柱形状は発光母材ガラス
に与える導波構造の一つの例でありこれに限ることはな
い。
Although the shape of the light-emitting base material glass of the glass light-emitting element is limited to the cylindrical shape, the cylindrical shape is an example of the waveguide structure given to the light-emitting base material glass, and the shape is not limited to this.

【0022】また、センサー部については凹面鏡による
多重反射を利用したものとしたが、分析対象物と試料光
とが効果的に相互作用できるものであればよくこれに限
ることはない。
Further, although the sensor section uses the multiple reflection by the concave mirror, it is not limited to this as long as it can effectively interact the analyte and the sample light.

【0023】計測部の分光器としては、通常のもの例え
ば回折格子やプリズムと言った分散素子を利用した分散
型分光器あるいはフーリエ変換式干渉分光光度計で代表
される干渉計を利用した干渉型分光器を用いればよい。
As the spectroscope of the measuring unit, a normal spectroscope, for example, a dispersive spectroscope using a dispersive element such as a diffraction grating or a prism, or an interferometer using an interferometer typified by a Fourier transform interference spectrophotometer A spectroscope may be used.

【0024】また、実施例1から3においては光源であ
るガラス発光素子からの光を二つの光束とするいわゆる
複光束法を用いて記載したが、これに限ることなく一つ
の光束とするいわゆる単光束法を用いても良い。
In the first to third embodiments, the so-called multi-beam method is used in which the light from the glass light emitting element as the light source is made into two light beams, but the present invention is not limited to this, and a so-called single light beam is used. The luminous flux method may be used.

【0025】また逆に、実施例4から6においては光源
であるガラス発光素子からの光を一つの光束とするいわ
ゆる単光束法を用いて記載したが、これに限ることなく
二つの光束とするいわゆる複光束法を用いても良い。
On the contrary, in the fourth to sixth embodiments, the so-called single-beam method in which the light from the glass light emitting element which is the light source is used as one light flux is described. However, the light flux is not limited to this and two light fluxes are used. A so-called multiple beam method may be used.

【0026】さらに、実施例4から6においてはセンサ
ー部での分析対象物質と試料光との相互作用を分析対象
物質による試料光の吸収による強度変化に限って記載し
たが、これに限らず例えば分析対象物質による試料光の
反射、屈折、散乱、回折、位相変化、偏波面回転、周波
数変化等あるいは試料光励起による分析対象物質の蛍光
・燐光といった物理光学的現象を広く利用することがで
きる。
Further, in the fourth to sixth embodiments, the interaction between the substance to be analyzed and the sample light in the sensor part is described only by the intensity change due to the absorption of the sample light by the substance to be analyzed, but not limited to this, for example. It is possible to widely use physical-optical phenomena such as reflection, refraction, scattering, diffraction, phase change, polarization plane rotation, frequency change, etc. of sample light by the substance to be analyzed or fluorescence / phosphorescence of the substance to be analyzed by excitation of sample light.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明による赤外分光分析装置は、室温
で動作し高輝度で高集光性で同調・掃引操作をせずに連
続スペクトル光を発生すると言った特有の効果をもつガ
ラス発光素子を光源としているため、寒剤の必要がなく
かつ同調・掃引による時間遅れがなく分光分析ができる
いといった特殊の効果がある。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The infrared spectroscopic analyzer according to the present invention is a glass light-emitting device that has a unique effect that it operates at room temperature, has high brightness, high condensing property, and generates continuous spectrum light without tuning and sweeping operation. Since it is used as a light source, it has a special effect that it does not require a cryogen and can perform spectroscopic analysis without time delay due to tuning and sweeping.

【0028】光学系にファイバを用いた遠隔赤外分光分
析装置は、寒剤を貯蔵する特殊な断熱容器と自動供給で
きる設備の必要がなく、かつまた掃引による時間遅れを
生ずることのないため、石油化学・食品・鉄鋼・農業等
のプラントにおけるインライン分析装置、各種産業にお
ける装置・設備より排出される有害物質のモニター用分
析装置のような連続運転で常時分析できる効果がある。
The remote infrared spectroscopic analyzer using a fiber as an optical system does not require a special heat insulating container for storing a cryogen and a facility capable of automatically supplying the cryogen, and does not cause a time delay due to sweeping. It has the effect of being able to perform continuous analysis in continuous operation, such as an in-line analyzer for chemical, food, steel and agricultural plants, and an analyzer for monitoring harmful substances emitted from devices and equipment in various industries.

【0029】これに加えて、光学系にファイバを用いた
遠隔赤外分光分析装置は、分析対象ガスが存在するスペ
ースがきわめて狭あいであってもセンサー部さえ導入で
きれば分析することができる。また、分析対象ガスが人
間にきわめて危険なガス例えば爆発性ガスや有毒ガスで
ある場合、また分析対象ガスが存在する地点が人間にき
わめて危険な環境である場合に、そのような危険なガス
や環境から離れた地点で分析することができる。さら
に、分析対象ガスが存在する地点が赤外分光分析装置に
不適格な環境例えば高温・高湿である場合にも、そこか
ら離れた地点で分析することができる。
In addition to this, the remote infrared spectroscopic analyzer using a fiber for the optical system can perform analysis even if the space in which the gas to be analyzed exists is extremely narrow as long as the sensor unit can be introduced. In addition, if the gas to be analyzed is a gas that is extremely dangerous to humans, such as an explosive gas or a toxic gas, and if the point where the gas to be analyzed is an environment that is extremely dangerous to humans, such dangerous gas or It can be analyzed at a location remote from the environment. Further, even when the point where the gas to be analyzed is present is an environment unsuitable for the infrared spectroscopic analyzer, for example, high temperature and high humidity, it is possible to perform analysis at a point distant therefrom.

【0030】また、光源に発光母材ガラスを1種類とし
発光媒質を2種類以上としたガラス発光素子を光源とし
た赤外分光分析装置はより広い波長範囲の分析が可能で
ある。
Further, an infrared spectroscopic analyzer using a glass light emitting element having one kind of light emitting base material glass as the light source and two or more kinds of light emitting mediums as the light source can analyze in a wider wavelength range.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】1種類の発光媒体を含む1本の発光母材ガラス
ファイバよりなり本発明における光源に用いられるガラ
ス発光素子の一例を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a glass light emitting element which is composed of one light emitting base material glass fiber containing one kind of light emitting medium and is used for a light source in the present invention.

【図2】図1のガラス発光素子を光源とする本発明によ
る複光束型赤外分光分析装置を示す系統図である。
FIG. 2 is a system diagram showing a double-beam type infrared spectroscopic analyzer according to the present invention which uses the glass light emitting element of FIG. 1 as a light source.

【図3】3種類の発光媒体を含む1本の発光母材ガラス
ファイバよりなり本発明における光源に用いられるガラ
ス発光素子の一例を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a glass light emitting element which is composed of a single glass fiber of a light emitting base material containing three types of light emitting media and which is used as a light source in the present invention.

【図4】図3のガラス発光素子を光源とする本発明によ
る複光束型赤外分光分析装置を示す系統図である。
FIG. 4 is a system diagram showing a double-beam type infrared spectroscopic analyzer according to the present invention which uses the glass light emitting element of FIG. 3 as a light source.

【図5】1種類の発光媒体を含む1本の発光母材ガラス
ファイバを3本集合した発光母材ガラスファイバ群より
なり本発明における光源に用いられるガラス発光素子の
一例を示す略図である。
FIG. 5 is a schematic view showing an example of a glass light emitting element used for the light source in the present invention, which is composed of a group of light emitting base material glass fibers in which three light emitting base material glass fibers containing one kind of light emitting medium are assembled.

【図6】図5のガラス発光素子を光源とする本発明によ
る複光束型赤外分光分析装置を示す系統図である。
6 is a system diagram showing a double-beam infrared spectroscopic analyzer according to the present invention which uses the glass light emitting device of FIG. 5 as a light source.

【図7】試料光学系・信号光学系に光ファイバを用いた
遠隔分析装置の構成例を示す系統図である。
FIG. 7 is a system diagram showing a configuration example of a remote analyzer using an optical fiber for a sample optical system and a signal optical system.

【図8】図1のガラス発光素子を光源とする本発明によ
る単光束型の遠隔赤外分光分析装置の1例を示す系統図
である。
8 is a system diagram showing an example of a single-beam type remote infrared spectroscopic analyzer according to the present invention, which uses the glass light emitting element of FIG. 1 as a light source.

【図9】図3のガラス発光素子を光源とする本発明によ
る単光束型の遠隔赤外分光分析装置の1例を示す系統図
である。
9 is a system diagram showing an example of a single-beam type remote infrared spectroscopic analyzer according to the present invention, which uses the glass light emitting element of FIG. 3 as a light source.

【図10】図5のガラス発光素子を光源とする本発明に
よる単光束型の遠隔赤外分光分析装置の1例を示す系統
図である。
FIG. 10 is a system diagram showing an example of a single-beam type remote infrared spectroscopic analyzer according to the present invention which uses the glass light emitting element of FIG. 5 as a light source.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 希土類元素の Er を発光媒質として添加したフッ化
物ガラスからなるコア 2 コアより低屈折率のフッ化物ガラスからなるクラッ
ド 3 励起光源である発振波長 790 nm の半導体レーザ 4,6 発光母材ガラスの終端面 5 励起光に対して0%に近い反射率をもたせた光学膜 7 励起光に対しては 100%に近く増幅自然放出光に対
しては0%に近い反射率をもたせた光学膜 8 発光媒質 Er を含む発光母材ガラスファイバ 9 増幅自然放出光 10 ハーフミラー 11 試料用光束 12 対照光束 13,14 反射鏡 15 セレクター 16 分光器 17 分光器からの出射光 18 光検出器 19 変換された電気信号 20 電気信号増幅器 21 コンピュータ 22 希土類元素の Tm, Er, Ho を発光媒質として添加し
たフッ化物ガラスからなるコア 23 クラッド 24 640nm と 790 nm の2波長で発振する励起用半導体
レーザアレイ 25,27 発光母材ガラスファイバ終端部 26 励起光に対して0%に近い反射率をもたせた膜 28 励起光に対しては 100%に近く増幅自然放出光に対
しては0%に近い反射率をもたせた膜 29 希土類元素の Tm, Er, Ho を発光媒質として含む発
光母材ガラスファイバ 30 希土類元素の Tm を発光媒質として添加したフッ化
物ガラスからなるコア 31 希土類元素の Er を発光媒質として添加したフッ化
物ガラスからなるコア 32 希土類元素の Ho を発光媒質として添加したフッ化
物ガラスからなるコア 33 励起光源である発振波長 790 nm の半導体レーザ 34 励起光源である発振波長 790 nm の半導体レーザ 35 励起光源である発振波長 640 nm の半導体レーザ 36,37 ファイバカップラー 38 出力ファイバ 39 ガラス発光素子 40 試料光導波ファイバ 41 センサー部 42 信号光導波ファイバ 43 計測部 44 ガラス発光素子ファイバと試料光導波ファイバとの
接続部 45 一対の凹面鏡 46 試料光導波ファイバの端部 47 信号光導波ファイバの端部 48 分光器の入射口
1 Core made of fluoride glass to which Er of rare earth element is added as a light emitting medium 2 Cladding made of fluoride glass with a lower refractive index than the core 3 Semiconductor laser with an oscillation wavelength of 790 nm that is an excitation light source 4,6 Terminal surface 5 Optical film with reflectivity close to 0% for excitation light 7 Optical film with reflectivity close to 100% for excitation light and close to 0% for amplified spontaneous emission light 8 Luminescent matrix glass fiber containing luminescent medium 9 Amplified spontaneous emission light 10 Half mirror 11 Luminous flux for sample 12 Reference luminous flux 13,14 Reflective mirror 15 Selector 16 Spectroscope 17 Light emitted from spectroscope 18 Photodetector 19 Converted Electrical signal 20 Electrical signal amplifier 21 Computer 22 Core made of fluoride glass doped with rare earth elements Tm, Er, and Ho as light emitting medium 23 Cladding 24 Excitation semiconductor laser oscillating at two wavelengths of 640 nm and 790 nm The array 25,27 Emitting matrix glass fiber end 26 Film with reflectivity close to 0% for excitation light 28 Close to 100% for excitation light and close to 0% for amplified spontaneous emission light Film with reflectivity 29 Emitting matrix glass fiber containing Tm, Er, and Ho of rare earth elements as light emitting medium 30 Core made of fluoride glass with Tm of rare earth element added as light emitting medium 31 Er of rare earth element as light emitting medium A core made of fluoride glass added as a core 32 A core made of a fluoride glass doped with Ho of a rare earth element as a light emitting medium 33 A semiconductor laser having an oscillation wavelength of 790 nm as an excitation light source 34 A semiconductor laser having an oscillation wavelength of 790 nm as an excitation light source 35 Semiconductor laser with an oscillation wavelength of 640 nm as an excitation light source 36,37 Fiber coupler 38 Output fiber 39 Glass light emitting element 40 Sample optical waveguide fiber 41 Sensor section 42 Signal optical waveguide Fiber 43 Measurement part 44 Connection part between glass light emitting element fiber and sample optical waveguide fiber 45 Pair of concave mirrors 46 End of sample optical waveguide fiber 47 End of signal optical waveguide fiber 48 Entrance of spectroscope

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新堀 理 東京都新宿区西新宿二丁目3番2号 国際 電信電話株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Osamu Shinbori 2-32 Nishishinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo International Telegraph and Telephone Corporation

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光による励起で光を放出する発光媒質を
少なくとも一種類含み光導波構造をもたせた発光母材ガ
ラスまたは該発光媒質の異なる少なくとも2種類の該発
光母材ガラスよりなり該発光母材ガラスのそれぞれの発
光媒質から放出されるそれぞれの光を合波する構造をも
たせた発光母材ガラス群からなる発光母材と、該発光母
材での該発光媒質の放出光によるレーザ発振を抑圧する
手段と、該発光母材の光導波終端面の一つに光結合し該
発光媒質を励起する光を発する励起光源と、該発光母材
の放出光を試料光と対照光に分配する手段と、該試料光
を分析対象物質と相互作用させるセンサー部と、該セン
サー部で前記分析対象物質と相互作用した前記試料光と
前記対照光を交互に取り出す手段と、取り出す手段より
得た該試料光と該対照光を計測する計測部とを備えた赤
外分光分析装置。
1. A luminescent matrix comprising at least one luminescent medium that emits light when excited by light and having a light-guiding structure, or at least two types of luminescent matrix glass different in the luminescent medium. A light emitting base material composed of a light emitting base material glass group having a structure for combining respective lights emitted from respective light emitting media of the material glass, and laser oscillation by the emission light of the light emitting medium in the light emitting base material Suppressing means, an excitation light source that emits light that excites the luminescent medium by optically coupling to one of the optical waveguide termination surfaces of the luminescent base material, and the light emitted from the luminescent base material is divided into sample light and reference light. Means, a sensor part for interacting the sample light with the substance to be analyzed, a means for alternately extracting the sample light and the control light interacting with the substance to be analyzed by the sensor part, Sample light and the pair An infrared spectroscopic analyzer having a measuring unit for measuring illumination.
【請求項2】 光による励起で光を放出する発光媒質を
少なくとも一種類含み光導波構造をもたせた発光母材ガ
ラスまたは該発光媒質の異なる少なくとも2種類の該発
光母材ガラスよりなり該発光母材ガラスのそれぞれの発
光媒質から放出されるそれぞれの光を合波する構造をも
たせた発光母材ガラス群からなる発光母材と、該発光母
材での該発光媒質の放出光によるレーザ発振を抑圧する
手段と、該発光母材の光導波終端面の一つに光結合し該
発光媒質を励起する光を発する励起光源と、該発光母材
の放出光を試料光として分析対象物質と相互作用させる
センサー部と、該センサー部で前記分析対象と相互作用
した試料光である信号光を計測する計測部と、前記発光
母材の放出光を前記センサー部に到達させる試料光光学
系と、前記センサー部からの前記信号光を前記計測部に
到達させる信号光光学系を備えた赤外分光分析装置。
2. A luminescent matrix comprising at least one luminescent medium that emits light when excited by light and having an optical waveguide structure, or at least two types of luminescent matrix glass different in the luminescent medium. A light emitting base material composed of a light emitting base material glass group having a structure for combining respective lights emitted from respective light emitting media of the material glass, and laser oscillation by the emission light of the light emitting medium in the light emitting base material Means for suppressing, an excitation light source that emits light that optically couples to one of the optical waveguide termination surfaces of the luminescent base material and excites the luminescent medium, and the emitted light of the luminescent base material as sample light to interact with the substance to be analyzed. A sensor section to act, a measuring section to measure signal light that is sample light interacting with the analysis target in the sensor section, and a sample light optical system to make the emitted light of the luminescent base material reach the sensor section, The sensor An infrared spectroscopic analysis apparatus comprising a signal light optical system that allows the signal light from a unit to reach the measuring unit.
【請求項3】 該試料光光学系と該信号光光学系の形状
が円柱状であり、コアとクラッドで導波構造に形成した
ことを特徴とする請求項2に記載の赤外分光分析装置。
3. The infrared spectroscopic analyzer according to claim 2, wherein the sample light optical system and the signal light optical system have a cylindrical shape, and the core and the clad are formed into a waveguide structure. .
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008528983A (en) * 2005-01-28 2008-07-31 バイエル・テクノロジー・サービシーズ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング Mechanical coupling between near-infrared material concentration measurement and temperature profile measurement by fiber Bragg grating of glass fiber
JP2020079752A (en) * 2018-11-13 2020-05-28 株式会社フジクラ Method for manufacturing optical fiber preform and optical fiber

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