JPH11344434A - Optical absorption cell device - Google Patents

Optical absorption cell device

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JPH11344434A
JPH11344434A JP14905398A JP14905398A JPH11344434A JP H11344434 A JPH11344434 A JP H11344434A JP 14905398 A JP14905398 A JP 14905398A JP 14905398 A JP14905398 A JP 14905398A JP H11344434 A JPH11344434 A JP H11344434A
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JP
Japan
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light
absorption
optical
unit
light intensity
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Application number
JP14905398A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroaki Igarashi
裕明 五十嵐
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Japan Radio Co Ltd
Original Assignee
Japan Radio Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH11344434A publication Critical patent/JPH11344434A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical absorption cell device for accurately measuring the amount of optical spectrum absorption of a sample gas by excluding an optical interference noise to be generated attended with change of a light path length. SOLUTION: When an absorption detection part 8A comprising an optical absorption cell device 20A samples a light intensity being detected by a light reception part 6 and detects the amount of optical spectrum absorption, at PZT(piezoelectric transducer) 5 is displaced through a PZT drive part 9A according to a sweep signal to change the multiple reflection light path length relating to mirrors 4A, 4B, and 4C and observes at least one period of the optical interference noise. Since the central value of the top and bottom of the observation waveform is detected as the amount of light spectrum absorption, the optical interference noise, that is, an amount of light spectrum absorption excluding what is called a fringe, can be measured accurately.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、試料ガスにレー
ザ光を照射し、その光吸収スペクトルを観測するレーザ
分光分析装置等に適用して好適な光学吸収セル装置に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical absorption cell device suitable for application to a laser spectroscopic analyzer for irradiating a sample gas with a laser beam and observing its light absorption spectrum.

【0002】[0002]

【従来の技術】まず、この発明の背景について説明す
る。
2. Description of the Related Art First, the background of the present invention will be described.

【0003】レーザ分光分析手法は、主としてガスの光
スペクトル分析によって微量分子量の測定を行うもので
あり、その有力な応用に同位体の測定がある。
[0003] The laser spectroscopic analysis technique mainly measures a trace molecular weight by optical spectrum analysis of a gas, and one of its promising applications is the measurement of isotopes.

【0004】同位体の変化を観察する手法は、医学分野
では病気の診断、農業分野では光合成の研究や植物の代
謝作用の研究、地球科学分野では生態系のトレースに利
用することができる。
Techniques for observing changes in isotopes can be used for diagnosing diseases in the medical field, researching photosynthesis and plant metabolism in the agricultural field, and tracing ecosystems in the earth science field.

【0005】このような用途に使われる同位体として
は、窒素、酸素等があるが、周知のように、炭素におい
ては質量数が12(以下、単に12Cと略記する。)と質
量数が13(以下、単に13Cと略記する。)の安定同位
体があり、この安定同位体は放射性同位体のように放射
線被曝がなく取り扱いが容易であるので、医療分野での
利用が積極的に研究されている。
[0005] Isotopes used in such applications include nitrogen, oxygen and the like. As is well known, carbon has a mass number of 12 (hereinafter simply abbreviated as 12 C) and a mass number of 12 . There are 13 stable isotopes (hereinafter simply abbreviated as 13 C). These stable isotopes, unlike radioisotopes, are not exposed to radiation and are easy to handle. Has been studied.

【0006】従来、このような用途の炭素同位体分析装
置として赤外線分光計がある。この装置は赤外域の発光
波長範囲の広いランプを光源とし、分散型分光器等を用
いて光波長を選択し、12CO2 および13CO2 のスペク
トル吸収強度を観測していた。しかしながら、この方式
では、分散型分光器の光波長選択性能がネックとなり、
十分な光波長分解能が得られず、炭素同位体の測定精度
は十分とはいえなかった。
Conventionally, there has been an infrared spectrometer as a carbon isotope analyzer for such use. This apparatus used a lamp having a wide emission wavelength range in the infrared region as a light source, selected a light wavelength using a dispersion type spectroscope or the like, and observed the spectral absorption intensities of 12 CO 2 and 13 CO 2 . However, in this method, the optical wavelength selection performance of the dispersion type spectrometer becomes a bottleneck,
Sufficient optical wavelength resolution was not obtained, and the measurement accuracy of carbon isotopes was not sufficient.

【0007】また、このような用途の他の装置として、
質量分析計がある。この装置は、分子の質量そのものを
測定するため、高い精度で炭素同位体の測定が可能であ
るが、装置が大型で取り扱いが難しく、装置価格も非常
に高価であるという欠点があった。
Further, as another apparatus for such a use,
There is a mass spectrometer. This device can measure carbon isotopes with high accuracy because it measures the mass of the molecule itself, but has the drawback that the device is large and difficult to handle, and the device price is very expensive.

【0008】ここで、レーザ分光分析手法では、光源と
して用いる半導体レーザの温度および電流を安定化する
ことによって所定の光波長を得、試料ガスを透過した後
のレーザビームの光強度変化によってガス分子による光
スペクトル吸収量を測定する。ただし、レーザ分光分析
手法では、非常に微弱な光スペクトル吸収を高感度で検
出するため、測定系においてレーザの光学干渉雑音、い
わゆるフリンジをどのように低減するかが重要な技術的
課題となっている。
Here, in the laser spectroscopic analysis method, a predetermined light wavelength is obtained by stabilizing the temperature and current of a semiconductor laser used as a light source, and gas molecules are changed by a change in light intensity of a laser beam after passing through a sample gas. The amount of light spectrum absorption due to is measured. However, in the laser spectroscopic analysis method, since very weak optical spectrum absorption is detected with high sensitivity, it is an important technical issue how to reduce laser optical interference noise, so-called fringe, in the measurement system. I have.

【0009】次に、図2により、レーザ分光分析用の光
学吸収セル装置20の従来例について説明する。
Next, a conventional example of an optical absorption cell device 20 for laser spectroscopic analysis will be described with reference to FIG.

【0010】図2に示す光学吸収セル装置20は、ガス
ポート2が取り付けられた試料セル3を有し、この試料
セル3の一端部にレーザを有する投光部1と受光素子を
有する受光部6が取り付けられ、さらに試料セル3の内
部にミラー4A〜4C(以下、代表的にはミラー4とも
いう。)と圧電変換器(piezoelectric transducerであ
り、以下、PZTともいう。)5が配置されている。さ
らに光学吸収セル装置20は、ローパスフィルタ(LP
F)10を通じてフィルタされた受光部6の出力が供給
される吸収検出部8と、この吸収検出部8から光波長情
報が供給され投光部1を制御するレーザ制御部7と、P
ZT5をPZT駆動部9を通じて駆動する変調回路11
とを備えている。
An optical absorption cell device 20 shown in FIG. 2 has a sample cell 3 to which a gas port 2 is attached, and a light projecting unit 1 having a laser at one end of the sample cell 3 and a light receiving unit having a light receiving element. A mirror 4A to 4C (hereinafter, also typically referred to as mirror 4) and a piezoelectric transducer (hereinafter, also referred to as PZT) 5 are arranged inside the sample cell 3. ing. Further, the optical absorption cell device 20 includes a low-pass filter (LP
F) an absorption detection unit 8 to which the output of the light receiving unit 6 filtered through 10 is supplied; a laser control unit 7 to which light wavelength information is supplied from the absorption detection unit 8 to control the light projection unit 1;
Modulation circuit 11 for driving ZT5 through PZT driver 9
And

【0011】以下、各々の構成要素の機能を説明する。Hereinafter, the function of each component will be described.

【0012】投光部1は、レーザを有し、光吸収スペク
トルの観測を目的として、レーザ制御部7によって所定
の光波長に制御された強度安定化レーザビームを前記レ
ーザから発生する。
The light projecting section 1 has a laser and generates an intensity stabilized laser beam controlled to a predetermined light wavelength by the laser control section 7 from the laser for the purpose of observing a light absorption spectrum.

【0013】レーザ制御部7は、吸収検出部8から供給
される光波長情報に従いレーザに印加する電流や温度を
制御し、光吸収スペクトルを観測するための所定の光波
長を、安定した光強度で得る機能を有する。
The laser control unit 7 controls the current and temperature applied to the laser in accordance with the light wavelength information supplied from the absorption detection unit 8, and changes the predetermined light wavelength for observing the light absorption spectrum to a stable light intensity. It has a function to obtain.

【0014】試料セル3は、導入された試料ガスに対し
て、投光部1から照射されるレーザビームによる光スペ
クトル吸収を発生する。試料ガスは、ガスポート2を通
じて試料セル3に対して導入・排出される。
The sample cell 3 generates optical spectrum absorption by a laser beam irradiated from the light projecting unit 1 for the introduced sample gas. The sample gas is introduced into and discharged from the sample cell 3 through the gas port 2.

【0015】試料セル3の内部には、ここでは、3枚の
ミラー4A〜4Cによる多重反射光路が構成され、試料
ガスの微弱な光スペクトル吸収を光学的に増幅する。図
2は、3枚の凹面ミラーを組み合わせたホワイト型の多
重反射光路の構造を示している。
In the sample cell 3, a multiple reflection optical path is formed by three mirrors 4A to 4C, and optically amplifies the weak optical spectrum absorption of the sample gas. FIG. 2 shows the structure of a white-type multiple reflection optical path combining three concave mirrors.

【0016】PZT5は、ミラー4A、4Cを矢印方向
に変位できるように試料セル3に取り付けられており、
PZT駆動部9からの印加電圧に応じて多重反射光路長
を変化させる。PZT駆動部9には、変調回路11から
20Hz〜1kHz程度の低周波で正弦波や三角波など
の連続信号が印加される。
The PZT 5 is mounted on the sample cell 3 so that the mirrors 4A and 4C can be displaced in the directions of the arrows.
The multiple reflection optical path length is changed according to the voltage applied from the PZT drive unit 9. A continuous signal such as a sine wave or a triangular wave is applied to the PZT driving unit 9 at a low frequency of about 20 Hz to 1 kHz from the modulation circuit 11.

【0017】受光部6は、試料セル3から出射するレー
ザビームの光強度を検出する。この検出信号には、光路
長の変化に伴って発生したフリンジが交流信号として重
畳しているので、LPF10によってこれを平滑化しフ
リンジの影響を低減した上で吸収検出部8において光ス
ペクトル吸収量を検出する。
The light receiving section 6 detects the light intensity of the laser beam emitted from the sample cell 3. Since a fringe generated due to a change in the optical path length is superimposed on the detection signal as an AC signal, the fringe is smoothed by the LPF 10 to reduce the influence of the fringe. To detect.

【0018】ここで、図3A、図3Bを参照して、光ス
ペクトル吸収量の検出過程(観測過程)におけるフリン
ジの影響について説明する。
Here, with reference to FIGS. 3A and 3B, the influence of the fringe in the detection process (observation process) of the light spectrum absorption amount will be described.

【0019】図3Aは、光強度観測結果における吸収量
を説明する概略図であり、横軸は光波長、縦軸は観測さ
れる光強度、実線は例としての光スペクトル吸収波形で
ある光強度信号22を示す。図3Aにおいて、光波長を
λ0としたときの光強度Aと、吸収が存在しない光波長
λにおける光強度Bの差が、光スペクトル吸収量であ
る。実際上、吸収量の測定は、波形そのものを観測する
必要はなく、光波長λ0における光強度Aと、吸収のな
い光波長λにおける光強度Bを観測する、2点の定点観
測で実現できる。定点観測であるので、本来は、一定の
値が得られるはずであるが、現実の観測光強度には、フ
リンジが重畳しているため、光路長の変化に伴う光強度
の変動を発生する。
FIG. 3A is a schematic diagram for explaining the amount of absorption in the light intensity observation result. The horizontal axis is the light wavelength, the vertical axis is the observed light intensity, and the solid line is the light intensity as an example light spectrum absorption waveform. 5 shows a signal 22. In FIG. 3A, the difference between the light intensity A when the light wavelength is λ0 and the light intensity B at the light wavelength λ where there is no absorption is the light spectrum absorption amount. In practice, the measurement of the absorption amount does not need to observe the waveform itself, but can be realized by two fixed-point observations in which the light intensity A at the light wavelength λ0 and the light intensity B at the light wavelength λ without absorption are observed. Since it is a fixed point observation, a constant value should be obtained originally. However, since the fringe is superimposed on the actual observation light intensity, a change in the light intensity occurs due to a change in the optical path length.

【0020】図3Bは、光強度観測におけるフリンジの
影響を説明する概略図であり、横軸は光路長、縦軸は観
測される光強度、実線は、例えば、光波長をλ0とした
ときの光強度Aにおいて、PZT5を単一方向に変位さ
せて光路長を変化させた場合の拡大波形の光強度信号2
4を示す。
FIG. 3B is a schematic diagram for explaining the influence of fringe on the light intensity observation. The horizontal axis represents the optical path length, the vertical axis represents the observed light intensity, and the solid line represents, for example, when the light wavelength is λ0. At the light intensity A, the light intensity signal 2 having an enlarged waveform when the optical path length is changed by displacing the PZT 5 in a single direction.
4 is shown.

【0021】図3Bから理解されるように、可干渉性の
高いレーザ光学系において不可避のフリンジが、光路長
の変位に伴ってλ/2(ここで、λは、投光部1から出
射されるレーザビームの光波長を意味する。)毎に光強
度信号24上に、光強度の山Cと谷Dを生じる。
As can be understood from FIG. 3B, inevitable fringes in the laser optical system having high coherence cause λ / 2 (where λ is emitted from the light projecting unit 1) with the displacement of the optical path length. The peak C and the trough D of the light intensity are generated on the light intensity signal 24 every time.

【0022】多重反射光路における光路長は、ミラー4
の間隔によって決定されるが、ミラー4の間隔を固定に
した場合には、光強度(真値)Aに固定のフリンジが重
畳される結果、光強度は、山Cと谷Dの間のいずれかの
値を示すことになる。しかし、ミラー4の間隔は、試料
セル3を構成する構造体の熱膨張により光波長レベル
(1μm程度)では常に変化するため、現実には、光波
長は山Cと谷Dとの間で温度に依存して常に変動する。
The optical path length in the multiple reflection optical path is determined by the mirror 4
When the distance between the mirrors 4 is fixed, a fixed fringe is superimposed on the light intensity (true value) A. As a result, the light intensity can be any one between the peak C and the valley D. Will be shown. However, the distance between the mirrors 4 always changes at the light wavelength level (about 1 μm) due to the thermal expansion of the structure constituting the sample cell 3. Always fluctuates depending on the

【0023】そこで、図2の従来技術による光学吸収セ
ル装置20のように、PZT5により光路長を周期的に
変化させると、光路長の変化量に応じて図3Bの横軸を
折り返す交流波形(観測信号)としての光強度信号24
にフリンジ成分が置換される。より具体的に説明する
と、例えば、光路長aからより長い光路長bまで直線的
に光路長を変化させ、その後、光路長bから光路長aま
で直線的に変化させてもどし、さらに、光路長aからよ
り短い光路長cまで直線的に変化させ、その後、光路長
cから光路長aまでもどすように、光路長を三角波的に
変化させた場合に、図3Bに示した光強度信号24の実
線に沿って、光強度が折り返すように変化して、フリン
ジ成分(光強度の変化量)が顕在化する。
Therefore, when the optical path length is periodically changed by the PZT 5 as in the optical absorption cell device 20 according to the prior art in FIG. 2, an AC waveform (FIG. 3B) which turns the horizontal axis in accordance with the change amount of the optical path length. Light intensity signal 24 as observation signal)
Is replaced with a fringe component. More specifically, for example, the optical path length is linearly changed from the optical path length a to the longer optical path length b, and then linearly changed from the optical path length b to the optical path length a. When the optical path length is changed in a triangular wave so as to linearly change from the optical path length c to the shorter optical path length c and then return from the optical path length c to the optical path length a, the light intensity signal 24 shown in FIG. Along the solid line, the light intensity changes so as to turn back, and the fringe component (the amount of change in the light intensity) becomes apparent.

【0024】そこで、上述したように、この観測信号で
ある光強度信号24をLPF10を通過させることによ
りフリンジ成分が平滑化され、フリンジの影響が低減さ
れた真値Aに近い値が得られる。
Therefore, as described above, by passing the light intensity signal 24 as the observation signal through the LPF 10, the fringe component is smoothed, and a value close to the true value A in which the influence of the fringe is reduced is obtained.

【0025】この図2例の手法では、PZT5の変位量
を大きくとるかまたは変調周波数を高くすることにより
前記交流波形としての光強度信号24に置換されるフリ
ンジ成分の周波数が高くなるので、LPF10による減
衰率を大きくとれる。
In the method shown in FIG. 2, the frequency of the fringe component replaced by the light intensity signal 24 as the AC waveform is increased by increasing the displacement of the PZT 5 or increasing the modulation frequency. , The attenuation rate can be increased.

【0026】[0026]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、容量性
負荷であるPZT5は、変位量の大きいものほど静電容
量が大きく、これを高周波で駆動するためには大きなパ
ワー(大電力)が必要であり、限界があるという問題が
ある。
However, the larger the displacement of the PZT5, which is a capacitive load, the greater the capacitance. To drive the PZT5 at a high frequency, a large power (large power) is required. There is a problem that there is a limit.

【0027】また、光波長の変化量が光波長λ0の整数
倍のときは、光強度の平均値が真値Aとなるが、そうで
ない場合には、直流的な残留成分が発生し、真値Aが得
られなくなるという問題がある。
When the change amount of the light wavelength is an integral multiple of the light wavelength λ0, the average value of the light intensity becomes the true value A. Otherwise, a DC residual component is generated, and the true value A is generated. There is a problem that the value A cannot be obtained.

【0028】その上、光波長レベルで、光波長λ0の整
数倍の変位を正確に得ることが困難であるため、微弱な
光スペクトル吸収を検出対象とする場合、従来技術によ
る手法ではフリンジを十分に低減することができないと
いう問題があった。
In addition, since it is difficult to accurately obtain a displacement of an integral multiple of the optical wavelength λ0 at the optical wavelength level, when the weak optical spectrum absorption is to be detected, the fringe can be sufficiently increased by the conventional technique. There is a problem that it cannot be reduced.

【0029】この発明はこのような課題を考慮してなさ
れたものであり、常に一定のフリンジ除去効果が得られ
ることを可能とする光学吸収セル装置を提供することを
目的とする。
The present invention has been made in consideration of such problems, and has as its object to provide an optical absorption cell device that can always obtain a constant fringe removal effect.

【0030】また、この発明は、環境温度変化を無視で
きるほか、変位手段、例えば、圧電変換器の負荷が軽く
なり、結果として小形で簡素な光学吸収セル装置を提供
することを目的とする。
Another object of the present invention is to provide a small and simple optical absorption cell device in which the load on the displacement means, for example, the piezoelectric transducer can be reduced, and the environmental temperature change can be ignored.

【0031】[0031]

【課題を解決するための手段】この発明は、例えば、図
1に示すように、レーザを光源とし、この光源の光波長
を制御することによって、試料セル(3)内に導入した
ガス分子の微弱な光スペクトル吸収を観測するレーザ分
光分析用の光学吸収セル装置において、レーザを光源と
する投光部(1)と、試料ガスを導入・排出するガスポ
ート(2)と、試料ガスが封入された前記試料セル
(3)と、前記試料ガスの微弱な光吸収スペクトルを光
学的に増幅する多重反射光路を構成するミラー(4A〜
4C)と、前記ミラーの一部または全部を変位させる変
位手段(5)と、前記試料セルから出射されるレーザの
光強度を検出する受光部(6)と、前記投光部の光強度
と光波長を制御するレーザ制御部(7A)と、前記受光
部の検出信号から光スペクトル吸収量を検出する吸収検
出部(8A)と、前記変位手段に駆動信号を供給する変
位手段駆動部(9A)とを備え、前記吸収検出部は、前
記受光部により検出された光強度から光スペクトル吸収
量を検出するとき、前記変位手段駆動部を通じて前記変
位手段を変位させて前記多重反射光路長を変化させ、光
学的干渉雑音の1周期以上を観測し、この観測波形の中
央値を光スペクトル吸収量として検出することを特徴と
する。
According to the present invention, for example, as shown in FIG. 1, a laser is used as a light source, and the light wavelength of the light source is controlled so that gas molecules introduced into the sample cell (3) can be reduced. In an optical absorption cell device for laser spectroscopy for observing weak optical spectrum absorption, a light projecting unit (1) using a laser as a light source, a gas port (2) for introducing and discharging a sample gas, and a sample gas sealed. And the mirrors (4A to 4A) constituting a multiple reflection optical path for optically amplifying a weak light absorption spectrum of the sample gas.
4C), a displacement unit (5) for displacing a part or all of the mirror, a light receiving unit (6) for detecting a light intensity of a laser emitted from the sample cell, and a light intensity of the light projecting unit. A laser control unit (7A) for controlling a light wavelength, an absorption detection unit (8A) for detecting an optical spectrum absorption amount from a detection signal of the light receiving unit, and a displacement unit drive unit (9A) for supplying a drive signal to the displacement unit The absorption detecting unit changes the multiple reflection optical path length by displacing the displacement unit through the displacement unit driving unit when detecting the optical spectrum absorption amount from the light intensity detected by the light receiving unit. Then, one or more periods of the optical interference noise are observed, and the median of the observed waveform is detected as an optical spectrum absorption amount.

【0032】この発明によれば、吸収検出部が、受光部
により検出された光強度から光スペクトル吸収量を検出
するとき、変位手段駆動部を通じて変位手段を変位させ
て多重反射光路長を変化させ、光学的干渉雑音の1周期
以上を観測し、この観測波形の中央値を光スペクトル吸
収量として検出するようにしているので、光学的干渉雑
音を排除した光スペクトル吸収量を正確に測定すること
ができる。
According to this invention, when the absorption detecting section detects the light spectrum absorption amount from the light intensity detected by the light receiving section, the displacement means is displaced through the displacement means driving section to change the multiple reflection optical path length. Since one or more periods of optical interference noise are observed and the median of the observed waveform is detected as the optical spectrum absorption amount, it is necessary to accurately measure the optical spectrum absorption amount excluding the optical interference noise. Can be.

【0033】なお、変位手段としては、電気信号を機械
的な変位信号に変換する圧電変換器を用いることができ
る。また、他の変位手段として、電磁アクチュエータ、
磁力による非接触変位を利用したもの、ダイヤフラム構
造と圧力制御を利用したものなどを用いることができ
る。
As the displacement means, a piezoelectric converter for converting an electric signal into a mechanical displacement signal can be used. Also, as other displacement means, an electromagnetic actuator,
One using non-contact displacement due to magnetic force, one using a diaphragm structure and pressure control, or the like can be used.

【0034】[0034]

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態に
ついて図面を参照して説明する。なお、以下に参照する
図面において、上記図2、図3に示したものと対応する
ものには同一の符号を付ける。また、繁雑さを避けるた
めに、必要に応じて上記図2、図3をも参照して説明す
る。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings referred to below, the same reference numerals are given to those corresponding to those shown in FIGS. In addition, in order to avoid complexity, description will be made with reference to FIGS. 2 and 3 as needed.

【0035】図1は、この発明の一実施の形態が適用さ
れたレーザ分光分析用の光学吸収セル装置20Aの構成
を示している。
FIG. 1 shows a configuration of an optical absorption cell device 20A for laser spectroscopic analysis to which an embodiment of the present invention is applied.

【0036】図1に示す光学吸収セル装置20Aは、ガ
スポート2が取り付けれた試料セル3を有し、この試料
セル3の一端部にレーザを有する投光部1と受光素子を
有する受光部6が取り付けられ、さらに試料セル3の内
部にミラー4A〜4C(代表的には、ミラー4ともい
う。)と変位手段としての圧電変換器(PZT)5が配
置されている。さらに光学吸収セル装置20は、受光部
6の出力が供給される吸収検出部8Aと、この吸収検出
部8Aの出力が供給され投光部1を制御するレーザ制御
部7Aと、吸収検出部8Aからの、のこぎり波状の掃引
信号(繰り返しランプ波形ともいう。)が供給されPZ
T5を駆動するPZT駆動部9Aとを備えている。
The optical absorption cell device 20A shown in FIG. 1 has a sample cell 3 to which a gas port 2 is attached, and a light projecting unit 1 having a laser at one end of the sample cell 3 and a light receiving unit 6 having a light receiving element. Are mounted, and inside the sample cell 3, mirrors 4A to 4C (typically, also referred to as mirror 4) and a piezoelectric transducer (PZT) 5 as a displacement means are arranged. Further, the optical absorption cell device 20 includes an absorption detection section 8A to which the output of the light receiving section 6 is supplied, a laser control section 7A to which the output of the absorption detection section 8A is supplied to control the light projecting section 1, and an absorption detection section 8A. , A sawtooth sweep signal (also referred to as a repetitive ramp waveform) is supplied to the PZ
A PZT driving section 9A for driving T5.

【0037】以下、各々の構成要素の機能を説明する。The function of each component will be described below.

【0038】投光部1は、光吸収スペクトルの観測を目
的として、レーザ制御部7によって所定の光波長に制御
された強度安定化レーザビームを発生する。
The light projecting section 1 generates an intensity-stabilized laser beam controlled to a predetermined light wavelength by the laser control section 7 for the purpose of observing a light absorption spectrum.

【0039】レーザ制御部7は、吸収検出部8から供給
される光波長情報に従い投光部1を構成するレーザに印
加する電流や温度を制御し、光吸収スペクトルを観測す
るための所定の光波長を、安定した光強度で得る機能を
有する。
The laser control unit 7 controls the current and temperature applied to the laser constituting the light projecting unit 1 in accordance with the light wavelength information supplied from the absorption detecting unit 8, and controls the predetermined light for observing the light absorption spectrum. It has the function of obtaining a wavelength with a stable light intensity.

【0040】試料セル3は、導入された試料ガスにおい
て、投光部1から照射されるレーザビームによって光ス
ペクトル吸収を発生する。試料ガスは、ガスポート2を
通じて試料セル3に対して導入・排出される。
The sample cell 3 generates optical spectrum absorption by a laser beam emitted from the light projecting unit 1 in the introduced sample gas. The sample gas is introduced into and discharged from the sample cell 3 through the gas port 2.

【0041】試料セル3の内部には、ここでは、3枚の
ミラー4による多重反射光路が構成され、試料ガスの微
弱な光スペクトル吸収を光学的に増幅する。図1は、3
枚の凹面ミラーを組み合わせたホワイト型の多重反射光
路の構造を示している。
In the sample cell 3, a multiple reflection optical path is formed by three mirrors 4 to optically amplify the weak optical spectrum absorption of the sample gas. FIG.
3 shows the structure of a white-type multiple reflection optical path combining a plurality of concave mirrors.

【0042】PZT5は、2枚のミラー4A、4Cを矢
印方向に変位できるように試料セル3に取り付けられて
おり、PZT駆動部9からの印加電圧に応じて多重反射
光路長を変化させる。なお、PZT5により1枚のミラ
ーのみを変位させるように構成してもよく、ミラー4
A、4B、4Cの全てを変位させるようにしてもよい。
The PZT 5 is attached to the sample cell 3 so that the two mirrors 4A and 4C can be displaced in the direction of the arrow, and changes the multiple reflection optical path length in accordance with the voltage applied from the PZT drive unit 9. Note that the PZT 5 may be used to displace only one mirror, and the mirror 4
A, 4B, and 4C may all be displaced.

【0043】受光部6は、試料セル3から出射するレー
ザビームの光強度を検出(観測)する。
The light receiving section 6 detects (observes) the light intensity of the laser beam emitted from the sample cell 3.

【0044】吸収検出部8Aは、受光部6から供給され
る光強度信号を、例えば、1〜100(ms)毎にサン
プリングし、このサンプリング結果から光スペクトル吸
収量を検出する。1ポイント当たりのサンプリング時間
を、1〜100(ms)に設定するのは、総サンプリン
グ時間を、例えば、1〜60秒程度とし、この期間でフ
リンジの1周期以上を観測するために、約100〜10
00点程度のデータが必要になると判断したからであ
る。
The absorption detecting section 8A samples the light intensity signal supplied from the light receiving section 6 every 1 to 100 (ms), for example, and detects the amount of light spectrum absorption from the sampling result. The reason why the sampling time per point is set to 1 to 100 (ms) is that the total sampling time is, for example, about 1 to 60 seconds, and in order to observe one or more fringe periods during this period, about 100 -10
This is because it is determined that data of about 00 points is required.

【0045】光強度信号から光スペクトル吸収量を検出
する方法について、従来技術の項で示した図3Aを参照
して説明する。
A method of detecting the light spectrum absorption amount from the light intensity signal will be described with reference to FIG.

【0046】すなわち、図3Aは、光強度観測結果にお
ける吸収量を説明する概略図であり、横軸は光波長、縦
軸は観測される光強度、実線は例としての光スペクトル
吸収波形である光強度信号22を示す。図3Aにおい
て、光波長をλ0としたときの光強度Aと、吸収が存在
しない光波長における光強度Bの差が、光スペクトル吸
収量である。
That is, FIG. 3A is a schematic diagram for explaining the amount of absorption in the light intensity observation result. The horizontal axis is the light wavelength, the vertical axis is the observed light intensity, and the solid line is the light spectrum absorption waveform as an example. 2 shows a light intensity signal 22. In FIG. 3A, the difference between the light intensity A when the light wavelength is λ0 and the light intensity B at a light wavelength where there is no absorption is the light spectrum absorption amount.

【0047】この場合、吸収検出部8Aは、光強度Aま
たは光強度Bのサンプリング中に、PZT駆動部9Aを
通じてPZT5に対し、ミラー4A、4B、4Cにより
可変される多重反射光路長(投光部1から受光部6に至
るまでの光路長)が、レーザの光学干渉雑音、いわゆる
フリンジの1周期以上に相当する量の定速の繰り返しラ
ンプ波形(ランプ波形の傾斜期間が、総サンプリング時
間の1〜60秒に設定される。)の掃引信号を印加す
る。なお、フリンジの1周期は、対象とする光波長λ0
によって、例えば、光波長がλ0のときは、λ0/2と
決定され、これに対応するPZT5の変位量は、多重反
射光路の構成と変位させるミラー4A、4B、4Cによ
って決定される。
In this case, during the sampling of the light intensity A or the light intensity B, the absorption detection unit 8A sends the PZT 5 to the PZT 5 through the PZT driving unit 9A with the multiple reflection optical path length (light projection The optical path length from the unit 1 to the light receiving unit 6) is a constant-speed repetitive ramp waveform (the ramp period of the ramp waveform is equal to or more than one fringe period) of the optical interference noise of the laser. (Set for 1 to 60 seconds). Note that one cycle of the fringe corresponds to the target light wavelength λ0.
Thus, for example, when the light wavelength is λ0, it is determined to be λ0 / 2, and the corresponding displacement of the PZT 5 is determined by the configuration of the multiple reflection optical path and the mirrors 4A, 4B, and 4C that are displaced.

【0048】このようにすれば、受光部6から出力さ
れ、吸収検出部8Aで観測(検出)される観測波形とし
ての光強度信号(サンプリングされた信号)は、図3B
に示した光強度信号24になる。このサンプリングされ
た光強度信号24は、吸収検出部8A内の図示していな
いメモリに記憶される。図3Bに示す観測波形としての
光強度信号24(結果として、前記メモリに記憶された
信号)には、フリンジの1周期以上が含まれ、山Cと谷
Dの光強度(ピーク値C、ピーク値Dともいう。)が明
らかになっているので、ピーク値検出手段、平均値算出
手段としても機能する吸収検出部8Aにより、この各ピ
ーク値C、Dを検出し、各ピーク値C、Dの平均値を算
出することで、光スペクトル吸収量の真値A(図3A、
図3B参照)を平均値A=(C+D)/2として高精度
に得ることが可能となる。
In this way, the light intensity signal (sampled signal) as an observation waveform output from the light receiving unit 6 and observed (detected) by the absorption detection unit 8A is shown in FIG. 3B.
The light intensity signal 24 shown in FIG. The sampled light intensity signal 24 is stored in a memory (not shown) in the absorption detection unit 8A. The light intensity signal 24 (as a result, the signal stored in the memory) as the observation waveform shown in FIG. 3B includes one or more fringe periods, and the light intensity of the peak C and the valley D (peak value C, peak value C). Value D), the peak values C and D are detected by the absorption detector 8A which also functions as a peak value detecting means and an average value calculating means, and the respective peak values C and D are detected. Is calculated, the true value A of the optical spectrum absorption amount (FIG. 3A,
3B) can be obtained with high accuracy by setting the average value A = (C + D) / 2.

【0049】次に、図1例の各構成要素の具体例につい
て説明する。
Next, a specific example of each component in the example of FIG. 1 will be described.

【0050】投光部1に内蔵されるレーザ出力手段とし
ては、シングルモードのDFB半導体レーザ(distribu
ted feedback semiconductor laser)等を用いることが
できる。特に、呼気を試料ガスとする炭素同位体測定に
は、1.5〜2.0μm程度の赤外波長帯が高感度であ
り、有効である。
The laser output means incorporated in the light projecting section 1 is a single mode DFB semiconductor laser (distribute
ted feedback semiconductor laser) can be used. In particular, in the carbon isotope measurement using breath as a sample gas, an infrared wavelength band of about 1.5 to 2.0 μm has high sensitivity and is effective.

【0051】ガスポート2としては、一般配管用接続金
具を使用することができる。
As the gas port 2, a connection fitting for general piping can be used.

【0052】試料セル3としては、ガラス管やステンレ
ス管等を使用することができる。
As the sample cell 3, a glass tube, a stainless steel tube or the like can be used.

【0053】ミラー4A、4B、4Cとしては、投光部
1の光波長に適合した反射膜が適しており、炭素同位体
の観測に有利な赤外波長帯では、金蒸着や誘電体多層膜
等が用いられる。
As the mirrors 4A, 4B, and 4C, a reflection film suitable for the light wavelength of the light projecting unit 1 is suitable. In an infrared wavelength band that is advantageous for observation of carbon isotopes, gold deposition or dielectric multilayer film is used. Are used.

【0054】なお、図1に示す光学吸収セル装置20A
では、それぞれが凹面ミラーである3枚のミラー4A、
4B、4Cの組合せで構成されるホワイト型多重反射光
路を例示したが、この他の多重反射光路としては、2枚
の凹面ミラーから構成されるヘリオット型なども使用で
きる。
The optical absorption cell device 20A shown in FIG.
Now, three mirrors 4A, each of which is a concave mirror,
Although the white-type multiple reflection optical path composed of a combination of 4B and 4C has been exemplified, a Heriot type or the like composed of two concave mirrors can be used as another multiple reflection optical path.

【0055】また、圧電素子としてのPZT5は、レー
ザ分光では低圧ガスを測定対象とする場合が多く、0.
1Torr前後の低圧においては電圧リークが発生し易
い。この電圧リークを回避するために、例えば、定格電
圧が100V程度の低電圧PZTや金属ケースに封入さ
れた真空用PZT等を用いることが有効である。
In PZT5 as a piezoelectric element, low-pressure gas is often measured in laser spectroscopy.
At a low pressure of about 1 Torr, voltage leakage is likely to occur. In order to avoid this voltage leakage, it is effective to use, for example, a low-voltage PZT having a rated voltage of about 100 V or a vacuum PZT sealed in a metal case.

【0056】なお、変位手段としては、PZT5に限ら
ず、電磁アクチュエータ、磁力による非接触変位を利用
したもの、またはダイヤフラム構造を利用した圧力制御
を利用したもの等を採用することができる。
The displacement means is not limited to PZT5, but may employ an electromagnetic actuator, a means utilizing non-contact displacement by magnetic force, a means utilizing pressure control utilizing a diaphragm structure, or the like.

【0057】受光部6には、投光部1の光波長に適合し
たフォトダイオードが用いられる。1.50〜2.0μ
m程度の赤外波長に対しては、Ge、InGaAs等が
適している。
As the light receiving section 6, a photodiode suitable for the light wavelength of the light projecting section 1 is used. 1.50-2.0μ
Ge or InGaAs is suitable for an infrared wavelength of about m.

【0058】レーザ制御部7は、投光部1と一体的に構
成され、演算増幅器、温度センサおよびペルチェ素子な
どから構成される。
The laser control unit 7 is integrally formed with the light projecting unit 1 and includes an operational amplifier, a temperature sensor, a Peltier device, and the like.

【0059】吸収検出部8は、演算増幅器、A/Dコン
バータ、D/Aコンバータ、記憶手段としてのメモリ、
および演算、制御、判断、処理等の各手段として機能す
るCPU等から構成される。
The absorption detector 8 includes an operational amplifier, an A / D converter, a D / A converter, a memory as storage means,
And a CPU or the like functioning as each means of calculation, control, determination, processing, and the like.

【0060】なお、図1例では、光強度を直流的にとら
える最も基本的な構成(方法)を示しているが、微弱光
検出に広く用いられる構成(方法)として、光学チョッ
パを用いてロックインアンプにより検出する構成や、光
波長に周波数fで変調をかけ光強度を2fのロックイン
アンプで検出する構成に対しても、本発明を適用できる
ことはもちろんである。
In the example shown in FIG. 1, the most basic configuration (method) for capturing light intensity in a DC manner is shown. However, as a configuration (method) widely used for detecting weak light, an optical chopper is used for locking. It is needless to say that the present invention can be applied to a configuration in which the detection is performed by an in-amplifier or a configuration in which the light wavelength is modulated at a frequency f and the light intensity is detected by a 2f lock-in amplifier.

【0061】PZT駆動部9Aは、トランスやトランジ
スタから構成される直流高電圧発生回路を使用できる。
The PZT driving section 9A can use a DC high voltage generating circuit composed of a transformer and a transistor.

【0062】このように上述の実施の形態によれば、吸
収検出部8Aが、光強度信号をサンプリング中に、PZ
T駆動部9Aを通じてPZT5に対して多重反射光路長
がフリンジの1周期以上に相当する掃引信号を印加し、
光強度の観測波形である光強度信号24(図3B参照)
において、フリンジの山Cと谷Dを明らかにし、この平
均値から真値A{A=(C+D)/2}を算出する構成
としている。
As described above, according to the above-described embodiment, the absorption detector 8A sets the PZ during the sampling of the light intensity signal.
A sweep signal having a multiple reflection optical path length corresponding to one or more fringe periods is applied to the PZT 5 through the T drive unit 9A,
Light intensity signal 24 which is an observation waveform of light intensity (see FIG. 3B)
, The peaks C and the valleys D of the fringe are clarified, and the true value A {A = (C + D) / 2} is calculated from the average value.

【0063】このため、測定を繰り返す度に、構造体の
熱膨張によってミラー4A、4B、4Cの間隔が光波長
レベル(1μm程度)で変化し、フリンジの初期状態が
異なることを原因として山Cと谷Dの間のどの光強度で
あっても、相対的にフリンジの山Cと谷Dとを捉えるこ
とができ、この平均値を算出するようにすることで、常
に一定のフリンジ除去効果を達成することができる。
For this reason, each time the measurement is repeated, the distance between the mirrors 4A, 4B, and 4C changes at the optical wavelength level (about 1 μm) due to the thermal expansion of the structure, and the initial state of the fringe is different. Regardless of the light intensity between the valley D and the valley D, the peak C and the valley D of the fringe can be relatively captured, and by calculating the average value, the constant fringe removal effect can be obtained. Can be achieved.

【0064】なお、サンプリングは、1〜60秒程度の
時間内に十分実施することができるため、環境温度変化
の影響を無視することができる他、PZT5に対する要
求変位も1μm以下・1Hz以下となってPZT駆動部
9の負荷が軽くなり、PZT駆動部9を小形で簡素な回
路とすることができる。結果として、光学吸収セル装置
20Aを小形にすることができる。
Since the sampling can be sufficiently performed within a time period of about 1 to 60 seconds, the influence of the environmental temperature change can be neglected, and the required displacement for PZT5 is 1 μm or less and 1 Hz or less. As a result, the load on the PZT drive unit 9 is reduced, and the PZT drive unit 9 can be made a small and simple circuit. As a result, the size of the optical absorption cell device 20A can be reduced.

【0065】なお、この発明は、上述の実施の形態に限
らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成
を採り得ることはもちろんである。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can adopt various configurations without departing from the gist of the present invention.

【0066】[0066]

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、光強度から光スペクトル吸収量を検出するとき、多
重反射光路長を変化させ、光学的干渉雑音の1周期以上
を観測し、この観測波形の中央値を光スペクトル吸収量
として検出するようにしているので、光学的干渉雑音、
いわゆるフリンジを排除した光スペクトル吸収量を正確
に測定することができる。
As described above, according to the present invention, when detecting the optical spectrum absorption amount from the light intensity, the multiple reflection optical path length is changed, and one or more periods of the optical interference noise are observed. Since the median value of the observed waveform is detected as the amount of optical spectrum absorption, optical interference noise,
The so-called fringe-eliminated light spectrum absorption amount can be accurately measured.

【0067】したがって、この発明によれば、常に一定
のフリンジ除去効果が達成される。
Therefore, according to the present invention, a constant fringe removing effect is always achieved.

【0068】また、この発明によれば、光スペクトル吸
収量を比較的短時間で測定することが可能となり、環境
温度変化を無視できるほか、圧電変換器の負荷が軽くな
り、結果として小形で簡素な光学吸収セル装置を製作す
ることができる。
Further, according to the present invention, it is possible to measure the amount of optical spectrum absorption in a relatively short time, and it is possible to disregard the environmental temperature change, and to reduce the load on the piezoelectric transducer. A simple optical absorption cell device can be manufactured.

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

【図1】この発明の一実施の形態の構成を示すブロック
図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention.

【図2】従来技術例の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a conventional example.

【図3】図3Aは、光強度観測結果における光スペクト
ル吸収量を説明する概略的線図、図3Bは、光強度観測
における光学的干渉雑音、いわゆるフリンジの影響等の
説明に供される概略的線図である。
FIG. 3A is a schematic diagram illustrating an optical spectrum absorption amount in a light intensity observation result, and FIG. 3B is a schematic diagram used for explaining optical interference noise in light intensity observation, a so-called fringe effect, and the like. FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…投光部 2…ガスポート 3…試料セル 4(4A、4
B、4C)…ミラー 5…PZT(圧電変換器) 6…受光部 7(7A)…レーザ制御部 8(8A)…吸
収検出部 9(9A)…PZT駆動部 10…LPF 11…変調回路 20(20A)
…光学吸収セル装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light projection part 2 ... Gas port 3 ... Sample cell 4 (4A, 4
B, 4C) mirror 5 PZT (piezoelectric transducer) 6 light receiving unit 7 (7A) laser control unit 8 (8A) absorption detection unit 9 (9A) PZT drive unit 10 LPF 11 modulation circuit 20 (20A)
… Optical absorption cell device

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】レーザを光源とし、この光源の光波長を制
御することによって、試料セル内に導入したガス分子の
微弱な光スペクトル吸収を観測するレーザ分光分析用の
光学吸収セル装置において、 レーザを光源とする投光部と、 試料ガスを導入・排出するガスポートと、 試料ガスが封入された前記試料セルと、 前記試料ガスの微弱な光吸収スペクトルを光学的に増幅
する多重反射光路を構成するミラーと、 前記ミラーの一部または全部を変位させる変位手段と、 前記試料セルから出射されるレーザの光強度を検出する
受光部と、 前記投光部の光強度と光波長を制御するレーザ制御部
と、 前記受光部の検出信号から光スペクトル吸収量を検出す
る吸収検出部と、 前記変位手段に駆動信号を供給する変位手段駆動部とを
備え、 前記吸収検出部は、前記受光部により検出された光強度
から光スペクトル吸収量を検出するとき、前記変位手段
駆動部を通じて前記変位手段を変位させて前記多重反射
光路長を変化させ、光学的干渉雑音の1周期以上を観測
し、この観測波形の中央値を光スペクトル吸収量として
検出することを特徴とする光学吸収セル装置。
An optical absorption cell apparatus for laser spectroscopy for observing weak optical spectrum absorption of gas molecules introduced into a sample cell by controlling a light wavelength of the light source using a laser as a light source. A light source, a gas port for introducing and discharging a sample gas, the sample cell filled with the sample gas, and a multiple reflection optical path for optically amplifying a weak light absorption spectrum of the sample gas. A constituent mirror; a displacement unit for displacing part or all of the mirror; a light receiving unit for detecting a light intensity of a laser emitted from the sample cell; and controlling a light intensity and a light wavelength of the light projecting unit. A laser control unit; an absorption detection unit that detects an optical spectrum absorption amount from a detection signal of the light receiving unit; and a displacement unit drive unit that supplies a drive signal to the displacement unit. The unit, when detecting an optical spectrum absorption amount from the light intensity detected by the light receiving unit, changes the multiple reflection optical path length by displacing the displacement unit through the displacement unit driving unit, and detects one of optical interference noise. An optical absorption cell device which observes a cycle or more and detects a median value of the observed waveform as an optical spectrum absorption amount.
【請求項2】請求項1記載の光学吸収セル装置におい
て、 前記変位手段が圧電変換器であることを特徴とする光学
吸収セル装置。
2. The optical absorption cell device according to claim 1, wherein said displacement means is a piezoelectric transducer.
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