DE102018210992A1 - Fluidanalysevorrichtung - Google Patents

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Tatsuo Dougakiuchi
Akio Ito
Kazuue FUJITA
Tadataka Edamura
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Abstract

Eine Fluidanalysevorrichtung umfasst: ein Substrat; einen Quantenkaskadenlaser, der auf einer Fläche des Substrats ausgebildet ist und eine erste Lichtemissionsfläche und eine zweite Lichtemissionsfläche, die einander in einer vorbestimmten Richtung parallel zu der Fläche zugewandt sind, umfasst; einen Quantenkaskadendetektor, der auf der Fläche ausgebildet ist, den gleichen Schichtaufbau aufweist wie der Quantenkaskadenlaser und eine Lichteinfallsfläche, die der zweiten Lichtemissionsfläche in der vorbestimmten Richtung zugewandt ist, umfasst; und ein optisches Element, das in einem optischen Pfad des von der ersten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts über einen Prüfungsbereich, in dem ein zu analysierendes Fluid vorgesehen ist, hinweg angeordnet ist und das Licht reflektiert, um das Licht zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückzuführen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidanalysevorrichtung.
  • Hintergrund
  • Es ist eine Bildaufnahmevorrichtung bekannt, die ein Objekt mit von einem Quantenkaskadenlaser emittierten Licht bestrahlt, von dem Objekt reflektiertes Licht zu dem Quantenkaskadenlaser zurückführt und eine Änderung in den elektrischen Eigenschaften des Quantenkaskadenlasers misst, um Bildinformationen des Objekts zu erhalten (siehe Paul Dean et al. „Terahertz imaging through self-mixing in a quantum cascade laser" OPTICS LETTERS, Optical Society of America, 1. Juli 2011, Band 36, Nr. 13, Seiten 2587-2589).
  • Zusammenfassung
  • Der Quantenkaskadenlaser ist als eine für die Analyse eines Fluids geeignete Lichtquelle bekannt. Zum Beispiel wird eine Spektroskopie mit einer differentiellen optischen Absorption des von dem Quantenkaskadenlaser emittierten Lichts für ein zu analysierendes Fluid durchgeführt, um das Fluid zu analysieren. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Absorption oder Streuung des Lichts, die durch das zu analysierende Fluid verursacht wird, mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit zu messen. Dabei wird auch ein Verfahren unter Verwendung der oben genannten Vorrichtung aus dem Stand der Technik auf die Analyse eines Fluids angewendet. Weil jedoch externe Einflüsse aufgrund von externen Faktoren (wie zum Beispiel Variationen von externen Umgebungsbedingungen wie etwa der Temperatur und von elektrischem Rauschen des Quantenkaskadenlasers) auf eine Änderung in den elektrischen Eigenschaften des Quantenkaskadenlasers nicht ignoriert werden können, besteht die Gefahr einer Beeinträchtigung der Empfindlichkeit und Genauigkeit der Analyse.
  • Es ist eine Aufgabe eines Aspekts der Erfindung, eine Fluidanalysevorrichtung vorzusehen, die ein zu analysierendes Fluid mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit analysieren kann.
  • Eine Fluidanalysevorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst: ein Substrat; einen Quantenkaskadenlaser, der auf einer Fläche des Substrats ausgebildet ist und eine erste Lichtemissionsfläche und eine zweite Lichtemissionsfläche, die einander in einer vorbestimmten Richtung parallel zu der Fläche zugewandt sind, umfasst; einen Quantenkaskadendetektor, der auf der Fläche ausgebildet ist, den gleichen Schichtaufbau wie der Quantenkaskadenlaser aufweist und eine der zweiten Lichtemissionsfläche in der vorbestimmten Richtung zugewandte Lichteinfallsfläche umfasst; und ein optisches Element, das in einem optischen Pfad des von der ersten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts über einen Prüfungsbereich, in dem ein zu analysierendes Fluid vorzusehen ist, hinweg angeordnet ist und das Licht reflektiert, um das Licht zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückzuführen.
  • In der ersten Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung wird das von der ersten Lichtemissionsfläche emittierte Licht durch das optische Element reflektiert und wird das reflektierte Licht zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückgeführt. Wenn das Licht zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückgeführt wird, wird ein Licht mit einer Intensität in Entsprechung zu der Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückgeführten Lichts von der zweiten Lichtemissionsfläche emittiert. Weil die durch das Fluid verursachte Absorption oder Streuung des Lichts auftritt, wenn das zu analysierende Fluid in dem Prüfungsbereich vorgesehen ist, ändert sich die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts im Vergleich zu der Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts für den Fall, dass das Fluid nicht in dem Prüfungsbereich vorgesehen ist. Dabei ist das von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierte Licht ein Laserstrahl, der von der zweiten Lichtemissionsfläche als einer Endfläche eines optischen Resonators oszilliert wird und eine Intensität in Entsprechung zu der Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückgeführten Lichts aufweist. Aus diesem Grund wird eine Änderung in der Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts wahrscheinlich bedeutender als eine Änderung in den elektrischen Eigenschaften des Quantenkaskadenlasers in Reaktion auf die Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückgeführten Lichts. Dementsprechend ist es möglich, eine Änderung in der Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückgeführten Lichts zu messen und dabei eine Beeinflussung der Empfindlichkeit und Genauigkeit aufgrund von externen Faktoren zu unterdrücken, indem eine Änderung in der Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts durch den Quantenkaskadendetektor gemessen wird. Deshalb kann bei der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung das zu analysierende Fluid mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit analysiert werden.
  • In der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann ein optischer Resonator zwischen der ersten Lichtemissionsfläche und der zweiten Lichtemissionsfläche gebildet werden. Bei der Fluidanalysevorrichtung funktioniert der Quantenkaskadenlaser als ein Oszillationslaser mit einem optischen Resonator. Aus diesem Grund kann die Analyse (sogenanntes Monitoring) auf das Vorhandensein des Fluids in dem Prüfungsbereich mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit durchgeführt werden, indem die Oszillationswellenlänge des Quantenkaskadenlasers in Reaktion auf die Art des zu analysierenden Fluids gesetzt wird.
  • In der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann der Quantenkaskadenlaser als ein in einem Mehrfachmodus oszillierendes Fabry-Perot-Element ausgebildet sein. Weil bei der Fluidanalysevorrichtung des Aspekts der Erfindung Licht, das breiter als das in einem Einfachmodus erhaltene Licht ist, von der ersten Lichtemissionsfläche des Quantenkaskadenlasers emittiert wird, können verschiedene Fluide als ein zu analysierendes Objekt analysiert werden. Dabei werden die Oszillation des Quantenkaskadenlasers und die durch den Quantenkaskadendetektor durchgeführte Erfassung des Lichts kaum durch die Anordnungsposition des optischen Elements beeinflusst. Aus diesem Grund ist der Freiheitsgrad für das Layout des optischen Elements vergrößert und können der Quantenkaskadenlaser und das optische Element einfach miteinander ausgerichtet werden.
  • In der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung ist der Quantenkaskadenlaser als ein in einem Einfachmodus oszillierendes verteiltes Rückkopplungselement ausgebildet und kann die Länge des optischen Pfads des Lichts von der ersten Lichtemissionsfläche bis zu dem optischen Element ein ganzzahliges Vielfaches der halben Oszillationswellenlänge des Quantenkaskadenlasers sein. Indem bei der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung die Oszillationswellenlänge des Quantenkaskadenlasers gleich der Wellenlänge des durch das Fluid absorbierten oder gestreuten Lichts gesetzt wird, wenn zum Beispiel die Art des zu analysierenden Fluids im voraus spezifiziert wird, kann die Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückgeführten Lichts beträchtlich geändert werden, wenn das Fluid in dem Prüfungsbereich vorgesehen ist. Dementsprechend kann die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts bedeutender geändert werden. Und weil die Länge des optischen Pfads des Lichts von der ersten Lichtemissionsfläche bis zu dem optischen Element ein ganzzahliges Vielfaches der halben Oszillationswellenlänge ist, interferieren das zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückgeführte und auf den Quantenkaskadenlaser einfallende Licht und das in dem Quantenkaskadenlaser vorhandene Licht miteinander. Weil die Oszillationseigenschaften des optischen Resonators beträchtlich durch diese Interferenz beeinflusst werden, wird eine Änderung in der Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts bedeutend. Dementsprechend kann die Analyse des Fluids mit einer höheren Empfindlichkeit durchgeführt werden.
  • Bei der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann das optische Element ein Beugungsgitter sein, das das von der ersten Lichtemissionsfläche emittierte Licht beugt und reflektiert, wobei das Beugungsgitter betrieben werden kann, um, innerhalb des Lichts, Licht mit einer Wellenlänge in Entsprechung zu dem Einfallswinkel des Lichts zu reflektieren und das Licht mit der Wellenlänge zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückzuführen, und kann ein optischer Resonator zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche und dem Beugungsgitter gebildet werden. Bei der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung wird ein optischer Resonator zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche und dem Beugungsgitter gebildet. Der optische Resonator oszilliert in einem Einfachmodus mit einer Wellenlänge, die dem Einfallswinkel des von der ersten Lichtemissionsfläche emittierten und auf das Beugungsgitter einfallenden Lichts entspricht, als einer Oszillationswellenlänge. Dementsprechend kann die Analyse (sogenannte Erfassung) der Zusammensetzung des zu analysierenden Fluids, das in dem Prüfungsbereich vorgesehen ist, mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit durchgeführt werden, während die Oszillationswellenlänge in einem Zustand, in dem die Einfachmodus-Oszillation aufrechterhalten wird, durch eine Änderung des Einfallswinkels auf das Beugungsgitter geändert wird. Weiterhin ist in der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung ein optischer Resonator des externen Resonatortyps, in dem Licht zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche und dem Beugungsgitter hin und her geht, ausgebildet und ist der Prüfungsbereich in dem optischen Resonator vorgesehen. Aus diesem Grund bewegt sich das Licht wiederholt zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche und dem Beugungsgitter hin und her, während das Licht durch das zu analysierende Fluid absorbiert oder gestreut wird. Weil dementsprechend die Oszillationseigenschaften des optischen Resonators direkt durch eine Änderung in der Intensität des in dem optischen Resonator vorhandenen Lichts beeinflusst werden, wird eine Änderung in der Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts bedeutend im Vergleich zu einer Änderung in der Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts, wenn der Prüfungsbereich außerhalb des optischen Resonators angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Analyse des Fluids mit einer höheren Empfindlichkeit durchgeführt werden.
  • Die Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann weiterhin ein Beugungsgitter, das das von der ersten Lichtemissionsfläche emittierte Licht beugt und reflektiert, und einen Spiegel, der das durch das Beugungsgitter gebeugte und reflektierte Licht reflektiert, umfassen. Der Spiegel kann betrieben werden, um, innerhalb des Lichts, Licht mit einer Wellenlänge in Entsprechung zu dem Einfallswinkel des Lichts zu reflektieren und das Licht mit der Wellenlänge zu der ersten Lichtemissionsfläche durch das Beugungsgitter zurückzuführen; ein optischer Resonator kann zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche und dem Spiegel gebildet werden; und das optische Element kann in einem optischen Pfad eines reflektierten Lichts der Nullordnung des durch das Beugungsgitter reflektierten Lichts über den Prüfungsbereich, in dem das zu analysierende Fluid vorzusehen ist, hinweg angeordnet werden und kann das reflektierte Licht der Nullordnung reflektieren, um das Licht zu der ersten Lichtemissionsfläche durch das Beugungsgitter zurückzuführen. Bei der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung wird ein optischer Resonator zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche und dem Spiegel gebildet. Der optische Resonator oszilliert in einem Einfachmodus mit einer Wellenlänge, die dem Einfallswinkel des durch das Beugungsgitter gebeugten und reflektierten und auf den Spiegel einfallenden Lichts entspricht, als einer Oszillationswellenlänge. Dementsprechend kann die Analyse (sogenannte Erfassung) der Zusammensetzung des zu analysierenden Fluids, das in dem Prüfungsbereich vorgesehen ist, mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit durchgeführt werden, während die Oszillationswellenlänge in einem Zustand, in dem die Einfachmodus-Oszillation aufrechterhalten wird, aktiv durch eine Änderung des Einfallswinkels auf den Spiegel geändert wird.
  • In der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann die Lichteinfallsfläche derart geneigt sein, dass sie eine Positionsbeziehung aufweist, in der ein spitzer Winkel zwischen der Lichteinfallsfläche und der zweiten Lichtemissionsfläche gebildet wird. Bei der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung wird das von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierte Licht durch die Lichteinfallsfläche reflektiert und wird eine Rückkehr des reflektierten Lichts zu der zweiten Lichtemissionsfläche unterdrückt. Deshalb wird ein Einfluss des zusammengesetzten Resonators, der zwischen der Lichteinfallsfläche und der ersten Lichtemissionsfläche gebildet wird, auf die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts unterdrückt. Aus diesem Grund kann eine Änderung in der Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts genau in Reaktion auf die Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückgeführten Lichts gemessen werden. Dementsprechend kann eine Analyse des Fluids mit einer größeren Genauigkeit durchgeführt werden.
  • In der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann die Lichteinfallsfläche derart geneigt sein, dass sie eine Positionsbeziehung aufweist, In der ein spitzer Winkel zwischen der Lichteinfallsfläche und der zweiten Lichtemissionsfläche gebildet wird, und kann derart geneigt sein, dass ein rechter Winkel zusammen mit einer imaginären Ebene senkrecht zu der Fläche des Substrats und parallel zu der vorbestimmten Richtung gebildet wird, um einen Winkel von 45° oder mehr zusammen mit der Fläche des Substrats zu bilden. Weil bei der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung eine Reflexion des von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts auf die Lichteinfallsfläche ausreichend unterdrückt werden kann, kann das von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierte Licht effizient in den Quantenkaskadendetektor eingeführt werden. Dementsprechend kann ein Einfluss des zusammengesetzten Resonators, der zwischen der Lichteinfallsfläche und der ersten Lichtemissionsfläche gebildet wird, auf die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts weiter unterdrückt werden. Das von der zweiten Lichtemissionsfläche emittierte Licht kann zuverlässiger durch den Quantenkaskadendetektor absorbiert werden.
  • Die Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann weiterhin eine Linse umfassen, die zwischen der ersten Lichtemissionsfläche und dem Prüfungsbereich angeordnet ist und das von der ersten Lichtemissionsfläche emittierte Licht kollimiert. Weil bei der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung das Licht kollimiert wird, kann die Länge des optischen Pfads von der ersten Lichtemissionsfläche bis zu dem optischen Element einfach vergrößert werden. Aus diesem Grund kann die Absorption oder Streuung des Lichts, die durch das in dem Prüfungsbereich vorgesehene Fluid verursacht wird, weiter vereinfacht werden. Auf diese Weise kann die Analyse des Fluids mit einer größeren Genauigkeit durchgeführt werden.
  • Die Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann weiterhin eine Mehrpfad-Zelle umfassen, die den Prüfungsbereich enthält. Bei der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung wird die Länge des optischen Pfads des Lichts in dem Prüfungsbereich durch die Mehrpfad-Zelle verlängert. Aus diesem Grund kann eine Änderung in der Intensität des Lichts, wenn das zu analysierende Fluid in dem Prüfungsbereich positioniert ist, bedeutender gemacht werden.
  • Bei der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung kann der Quantenkaskadendetektor eine Lichtreflexionsfläche, die der Lichteinfallsfläche in der vorbestimmten Richtung zugewandt ist, umfassen, und kann ein Reflexionsfilm, der von der zweiten Lichtemissionsfläche emittiertes Licht reflektiert, auf der Lichtreflexionsfläche ausgebildet sein. Weil bei der Fluidanalysevorrichtung gemäß dem Aspekt der Erfindung das in dem Quantenkaskadendetektor vorhandene Licht durch den Reflexionsfilm reflektiert wird, kann das Licht kaum von dem Quantenkaskadendetektor nach außen emittiert werden. Aus diesem Grund kann das Licht stärker In dem Quantenkaskadendetektor absorbiert werden.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Fluidanalysevorrichtung vorgesehen werden, die ein zu analysierendes Fluid mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit analysieren kann.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Draufsicht auf eine Fluidanalysevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
    • 2 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie II-II von 1.
    • 3 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen einem an einem QCL der Fluidanalysevorrichtung von 1 angelegten Strom und der Intensität eines Erfassungssignals eines QCD zeigt.
    • 4A ist ein Kurvendiagram, das eine zeitliche Änderung in der Intensität eines Erfassungssignals des QCD zeigt, wenn N2O in einen optischen Pfad des Lichts ausgestoßen wird.
    • 4B ist ein Kurvendiagramm, das eine zeitliche Änderung in der Intensität eines Erfassungssignals des QCD zeigt, wenn der optische Pfad des Lichts physikalisch blockiert wird.
    • 5 ist eine schematische Draufsicht auf eine Fluidanalysevorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
    • 6 ist eine schematische Draufsicht auf eine Fluidanalysevorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
    • 7 ist eine schematische Draufsicht auf eine Fluidanalysevorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
    • 8 ist eine schematische Draufsicht auf eine Fluidanalysevorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
    • 9 ist eine schematische Seitenansicht eines QCD gemäß einer Modifikation.
    • 10 ist ein Kurvendiagramm, das den Reflexionsgrad an einer Lichteinfallsfläche in Bezug auf einen Winkel θ von 9 zeigt.
    • 11 ist eine schematische Draufsicht auf einen QCD gemäß einer anderen Modifikation.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Gleiche Teile oder einander entsprechende Teile werden in den jeweiligen Zeichnungen durch gleiche Bezugszeichen angegeben, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Teile verzichtet wird.
  • [Erste Ausführungsform]
  • Wie in 1 gezeigt, enthält eine Fluidanalysevorrichtung 1A ein Substrat 2, einen Quantenkaskadenlaser 20 (nachfolgend als „QCL 20“ bezeichnet), einen Quantenkaskadendetektor 30 (nachfolgend als „QCD 30“ bezeichnet), eine Linse 40 und ein Reflexionsglied (optisches Element) 50.
  • Das Substrat 2 besteht zum Beispiel aus einem semiisolierenden Halbleitermaterial wie etwa InP. Aus einer Z-Achsenrichtung betrachtet, beträgt die Breite des Substrats 2 in einer Y-Achsenrichtung zum Beispiel einige hundert µm und beträgt die Länge des Substrats 2 in einer X-Achsenrichtung (einer vorbestimmten Richtung parallel zu einer Fläche 2a des Substrats 2) zum Beispiel einige mm. Die Z-Achsenrichtung ist eine Richtung senkrecht zu der Fläche 2a des Substrats 2. Die Y-Achsenrichtung ist eine Richtung senkrecht zu der Z-Achsenrichtung. Die X-Achsenrichtung ist eine Richtung senkrecht zu der Z-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung.
  • Der QCL 20 ist auf der Fläche 2a des Substrats 2 ausgebildet. Die Breite des QCL 20 in der Y-Achsenrichtung liegt im Bereich von zum Beispiel einigen µm bis zu einigen zehn µm. Die Länge des QCL 20 in der X-Achsenrichtung beträgt zum Beispiel einige mm. Wie in 2 gezeigt, enthält der QCL 20 einen Schichtaufbau 10.
  • Der Schichtaufbau 10 enthält eine aktive Schicht 11, eine obere Führungsschicht 12a und eine untere Führungsschicht 12b, eine obere Hüllschicht 13a und eine untere Hüllschicht 13b sowie eine obere Kontaktschicht 14a und einer untere Kontaktschicht 14b. Die untere Kontaktschicht 14b besteht zum Beispiel aus InGaAs und ist auf der Fläche 2a des Substrats 2 ausgebildet. Die untere Hüllschicht 13b besteht zum Beispiel aus InP und ist auf der unteren Kontaktschicht 14b ausgebildet. Die untere Führungsschicht 12b besteht zum Beispiel aus InGaAs und ist auf der unteren Hüllschicht 13b ausgebildet. Die aktive Schicht 11 weist einen Quantenkaskadenaufbau auf und ist auf der unteren Führungsschicht 12b ausgebildet. Die obere Führungsschicht 12a besteht zum Beispiel aus InGaAs und ist auf der aktiven Schicht 11 ausgebildet. Die obere Hüllschicht 13a besteht zum Beispiel aus InP und ist auf der oberen Führungsschicht 12a ausgebildet. Die obere Kontaktschicht 14a besteht zum Beispiel aus InGaAs und ist auf der oberen Hüllschicht 13a ausgebildet. Der Schichtaufbau 10 wird sequentiell durch zum Beispiel eine Molekularstrahlepitaxie, eine organometallische Gasphasenepitaxie oder ähnliches gezüchtet.
  • Ein Beispiel für den Quantenkaskadenaufbau der aktiven Schicht 11 pro Zyklus ist in der Tabelle 1 gezeigt. In dem Quantenkaskadenaufbau der aktiven Schicht 11 wiederholen sich zum Beispiel die Quantenkaskadenaufbauten der Tabelle 1 nach jeweils 35 Zyklen und sind in einer Kaskadenverbindung organisiert. [Tabelle 1]
    Halbleiterschicht Zusammensetzung Dicke (nm) Dotierung
    Absorptions-/Lichtemissionsbereich Grenzschicht 1 AlInAs 2,7 undotiert
    Wellschicht 1 InGaAs 2,1 undotiert
    Grenzschicht 2 AlInAs 0,9 undotiert
    Wellschicht 2 InGaAs 6,1 undotiert
    Transport-/Injektionsbereich Grenzschicht 3 AlInAs 1,4 undotiert
    Wellschicht 3 InGaAs 5,2 undotiert
    Grenzschicht 4 AlInAs 1,4 undotiert
    Wellschicht 4 InGaAs 4,4 undotiert
    Grenzschicht 5 AlInAs 1,4 undotiert
    Wellschicht 5 InGaAs 4,0 undotiert
    Grenzschicht 6 AlInAs 1,6 undotiert
    Wellschicht 6 InGaAs 3,9 undotiert
    Grenzschicht 7 AlInAs 1,8 Si dotiert mit 2×1017 cm-3
    Wellschicht 7 InGaAs 3,7 Si dotiert mit 2×1017 cm-3
    Grenzschicht 8 AlInAs 2,0 Si dotiert mit 2×1017 cm-3
    Wellschicht 8 InGaAs 3,3 Si dotiert mit 2x1017 cm-3
    Grenzschicht 9 AlInAs 2,1 undotiert
    Wellschicht 9 InGaAs 2,8 undotiert
    Grenzschicht 10 AlInAs 1,7 undotiert
    Wellschicht 10 InGaAs 2,8 undotiert
  • In dem QCL 20 ist die Breite der unteren Kontaktschicht 14b in der Y-Achsenrichtung gleich der Breite des Substrats 2 in der Y-Achsenrichtung. Die Breite jeweils der unteren Hüllschicht 13b, der unteren Führungsschicht 12b, der aktiven Schicht 11, der oberen Führungsschicht 12a, der oberen Hüllschicht 13a und der oberen Kontaktschicht 14a in der Y-Achsenrichtung ist kleiner als die Breite des Substrats 2 in der Y-Achsenrichtung. Dementsprechend stehen beide Randteile der unteren Kontaktschicht 14b in der Y-Achsenrichtung zu beiden Seiten in der Y-Achsenrichtung von beiden Seitenflächen jeweils der unteren Hüllschicht 13b, der unteren Führungsschicht 12b, der aktiven Schicht 11, der oberen Führungsschicht 12a, der oberen Hüllschicht 13a und der oberen Kontaktschicht 14a in der Y-Achsenrichtung vor.
  • Ein Isolationsfilm 21 aus zum Beispiel SiN ist auf jeder der beiden Seitenflächen der unteren Hüllschicht 13b, der unteren Führungsschicht 12b, der aktiven Schicht 11, der oberen Führungsschicht 12a, der oberen Hüllschicht 13a und der oberen Kontaktschicht 14a in der Y-Achsenrichtung ausgebildet. Eine obere Elektrode 22 aus zum Beispiel Au ist auf der oberen Kontaktschicht 14a ausgebildet. Eine untere Elektrode 23 aus zum Beispiel Au ist auf jeweils beiden Randteilen der unteren Kontaktschicht 14b in der Y-Achsenrichtung ausgebildet.
  • Wie in 1 gezeigt, enthält der QCL 20 eine erste Lichtemissionsfläche 20a und eine zweite Lichtemissionsfläche 20b, die einander in der X-Achsenrichtung zugewandt sind.
  • Die erste Lichtemissionsfläche 20a ist eine Endfläche des QCL 20 in der X-Achsenrichtung. Die erste Lichtemissionsfläche 20a ist parallel zu der Y-Z-Ebene senkrecht zu der X-Achsenrichtung. Die erste Lichtemissionsfläche 20a ist eine geschnittene Fläche wie etwa eine Spaltfläche, die zum Beispiel während des Dicing entsteht. Die erste Lichtemissionsfläche 20a reflektiert einen Teil eines von der ersten Lichtemissionsfläche 20a emittierten Laserstrahls L1 und lässt den Rest des Laserstrahls L1 durch.
  • Die zweite Lichtemissionsfläche 20b ist die andere Endfläche des QCL 20 in der X-Achsenrichtung. Die zweite Lichtemissionsfläche 20b ist parallel zu der Y-Z-Ebene senkrecht zu der X-Achsenrichtung. Die zweite Lichtemissionsfläche 20b wird zum Beispiel unter Verwendung einer photolithographischen Technik und einer Trockenätztechnik ausgebildet. Die zweite Lichtemissionsfläche 20b reflektiert einen Teil eines von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 und lässt den Rest des Laserstrahls L2 durch. In dieser Ausführungsform wird ein optischer Resonator zwischen der ersten Lichtemissionsfläche 20a und der zweiten Lichtemissionsfläche 20b gebildet. Der QCL 20 wird also als ein in einem Mehrfachmodus oszillierendes Fabry-Perot-Element ausgebildet.
  • Der QCD 30 ist auf der Fläche 2a des Substrats 2 ausgebildet. Der QCD 30 ist auf der anderen Seite des QCL 20 in der X-Achsenrichtung angeordnet. Die Breite des QCD 30 in der Y-Achsenrichtung beträgt zum Beispiel einige zehn µm (zum Beispiel 50 µm), und die Länge des QCD 30 in der X-Achsenrichtung liegt im Bereich von zum Beispiel mehreren hundert µm bis mehreren mm (zum Beispiel 500 µm).
  • Der QCD 30 enthält den gleichen Schichtaufbau 10 wie der QCL 20, und die aktive Schicht 11 des QCD 30 weist den gleichen Quantenkaskadenaufbau auf wie die aktive Schicht 11 des QCL 20. Der QCD 30 enthält einen Isolationsfilm, eine obere Elektrode und eine untere Elektrode (alle nicht gezeigt), die dem Isolationsfilm 21, der oberen Elektrode 22 und der unteren Elektrode 23 des QCL 20 entsprechen, anstelle des Isolationsfilms 21, der oberen Elektrode 22 und der unteren Elektrode 23 des QCL 20.
  • Der QCD 30 umfasst eine Lichteinfallsfläche 30a und eine Lichtreflexionsfläche 30b, die einander in der X-Achsenrichtung zugewandt sind.
  • Die Lichteinfallsfläche 30a ist eine Endfläche des QCD 30 in der X-Achsenrichtung. Die Lichteinfallsfläche 30a ist der zweiten Lichtemissionsfläche 20b des QCL 20 in der X-Achsenrichtung zugewandt. Die Lichteinfallsfläche 30a ist derart geneigt, dass sie eine Positionsbeziehung aufweist, in der ein spitzer Winkel zwischen der Lichteinfallsfläche 30a und der zweiten Lichtemissionsfläche 20b gebildet wird. Zum Beispiel ist die Lichteinfallsfläche 30a derart geneigt, dass sie einen rechten Winkel zusammen mit einer X-Y-Ebene senkrecht zu der Z-Achsenrichtung bildet und einen Winkel von 45° zusammen mit der Y-Z-Ebene senkrecht zu der X-Achsenrichtung bildet. Weil also Licht, das durch die Lichteinfallsfläche 30a reflektiert wird, des Laserstrahls L2 zu einem Rückkehrlicht wird, wird das Einfallen des Rückkehrlichts auf die zweite Lichtemissionsfläche 20b unterdrückt. Die Lichteinfallsfläche 30a wird zum Beispiel unter Verwendung einer photolithographischen Technik und einer Trockenätztechnik ausgebildet. Die Distanz zwischen der Lichteinfallsfläche 30a und der zweiten Lichtemissionsfläche 20b beträgt zum Beispiel einige zehn µm. In diesem Fall ist es sehr schwierig, eine Antireflexionsbeschichtung, die zum Beispiel durch eine dielektrische Mehrschicht gebildet wird, auf der Lichteinfallsfläche 30a auszubilden. Die Neigung der Lichteinfallsfläche 30a ist sehr wichtig für das Unterdrücken eines Einflusses eines zusammengesetzten Resonators, der zwischen der Lichteinfallsfläche 30a und der ersten Lichtemissionsfläche 20a gebildet wird, auf die Intensität des Laserstrahls L2. Wenn dagegen die Distanz zwischen der Lichteinfallsfläche 30a und der zweiten Lichtemissionsfläche 20b zum Beispiel 100 µm oder mehr beträgt, kann die aus einer dielektrischen Mehrschicht gebildete Antireflexionsbeschichtung auf der Lichteinfallsfläche 30a ausgebildet werden und kann die Lichteinfallsfläche 30a parallel zu der Y-Z-Ebene senkrecht zu der X-Achsenrichtung sein.
  • Die Lichtreflexionsfläche 30b ist die andere Endfläche des QCD 30 in der X-Achsenrichtung. Die Lichtreflexionsfläche 30b ist parallel zu der Y-Z-Ebene. Die Lichtreflexionsfläche 30b ist eine geschnittene Fläche wie etwa eine Spaltfläche, die während zum Beispiel einem Dicing entsteht. Ein stark reflexiver Film 3 ist auf der Lichtreflexionsfläche 30b ausgebildet. Der stark reflexive Film 3 ist zum Beispiel eine dielektrische Mehrschicht oder ein Metallabscheidungsfilm. Der stark reflexive Film 3 verhindert, dass in dem QCD 30 geführtes Licht durch die Lichtreflexionsfläche 30b gelassen und nach außen emittiert wird. Der stark reflexive Film 3 reflektiert den Laserstrahl L2, der von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittiert wird und auf die Lichteinfallsfläche 30a einfällt, mit einem Reflexionsgrad von 90% oder mehr.
  • In der Fluidanalysevorrichtung 1A sind die Linse 40 und das Reflexionsglied 50 in dem optischen Pfad des von der ersten Lichtemissionsfläche 20a des QCL 20 emittierten Laserstrahls L1 angeordnet. Ein Prüfungsbereich R, in dem ein zu analysierendes Fluid (zum Beispiel ein Gas) vorzusehen ist, ist zwischen der Linse 40 und dem Reflexionsglied 50 angeordnet. Die Distanz zwischen der ersten Lichtemissionsfläche 20a und dem Reflexionsglied 50 kann korrekt in Entsprechung zu der Intensität des von dem QCL 20 ausgegebenen Laserstrahls L1 und dem Zustand des zu analysierenden Gases gesetzt werden. Das „Vorsehen eines zu analysierenden Gases in dem Prüfungsbereich R“ umfasst: einen Fall, in dem ein zu analysierendes Gas absichtlich unter Verwendung von zum Beispiel einer Gaszelle oder ähnlichem in dem Prüfungsbereich R vorgesehen wird; und einen Fall, in dem ein zu analysierendes Gas in einem Raum einschließlich des Prüfungsbereichs R vorhanden ist (zum Beispiel in einem Raum, in dem die Fluidanalysevorrichtung 1A angeordnet ist), sodass das zu analysierende Gas in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist.
  • Die Linse 40 ist zwischen der ersten Lichtemissionsfläche 20a und dem Prüfungsbereich R angeordnet. Die Linse 40 kollimiert den von der ersten Lichtemissionsfläche 20a des QCL 20 emittierten Laserstrahl L1. Die Linse 40 ist zum Beispiel eine asphärische Linse aus einem Material, das bei einer Oszillationswellenlänge transparent ist (zum Beispiel ZnSe, Ge oder ähnliches). Ein Reflexionsreduktionsfilm (nicht gezeigt) aus einer dielektrischen Mehrschicht kann auf jeder der beiden Flächen der Linse 40 vorgesehen sein. Der Reflexionsreduktionsfilm reduziert den Reflexionsgrad des Laserstrahls L1 auf 1% oder weniger bei zum Beispiel der Oszillationswellenlänge des QCL 20. Die Linse 40 kann von verschiedenen Linsentypen und zum Beispiel von einem plankonvexen Linsentyp sein und kann zum Beispiel eine zusammengesetzte Linse oder eine parabolische Linse sein. Die Linse 40 kann derart vorgesehen sein, dass sie in Kontakt mit der ersten Lichtemissionsfläche 20a ist, und kann einstückig mit der ersten Lichtemissionsfläche 20a ausgebildet sein.
  • Das Reflexionsglied 50 ist in dem optischen Pfad des von der ersten Lichtemissionsfläche 20a emittierten Laserstrahls L1 über den Prüfungsbereich R hinweg angeordnet. Die Distanz zwischen der Linse 40 und dem Reflexionsglied 50 liegt im Bereich von ungefähr einigen cm bis einigen zehn cm (zum Beispiel 20 cm). Ein Laserstrahl L1a, der durch die Linse 40 kollimiert wird, fällt auf das Reflexionsglied 50 durch den Prüfungsbereich R ein. Das Reflexionsglied 50 reflektiert den einfallenden Laserstrahl L1a, um das Rückkehrlicht L1b zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a durch den Prüfungsbereich R zurückzuführen. Das Reflexionsglied 50 ist zum Beispiel ein Planspiegel. Ein Metallabscheidungsfilm oder eine dielektrische Mehrschicht, die den Laserstrahl L1a mit einem Reflexionsgrad von 90% oder mehr reflektiert, ist auf dem Reflexionsglied 50 ausgebildet. Das Reflexionsglied 50 kann ein konkaver Spiegel sein, dessen Brennweite länger als die Distanz zwischen der Linse 40 und dem Reflexionsglied 50 ist. Das Reflexionsglied 50 kann ein Tripelspiegelreflektor sein, der den Laserstrahl L1a in der X-Achsenrichtung reflektieren kann. Weil in diesem Fall der Laserstrahl L1a durch den Tripelspiegelreflektor reflektiert wird, kann die Ausrichtung des Reflexionsglieds 50 einfach durchgeführt werden. Das Reflexionsglied 50 kann ein Raumlichtmodulator (SLM) sein, der den Laserstrahl L1a in der X-Achsenrichtung reflektieren kann.
  • Die Fluidanalysevorrichtung 1A mit dem oben beschriebenen Aufbau wird wie folgt in einem Zustand verwendet, in dem die Fluidanalysevorrichtung 1A an zum Beispiel einer Leiterplatte montiert ist. Die Fluidanalysevorrichtung 1A wird also einer Gasatmosphäre ausgesetzt, die kein zu analysierendes Fluid (kein Gas, das einen durch das QCL 20 oszillierten Laserstrahl absorbiert) enthält, und eine Vorspannung wird an dem QCL 20 über die obere Elektrode 22 und die untere Elektrode 23 angelegt, sodass ein Strom an dem QCL 20 in einem Zustand angelegt wird, in dem das zu analysierende Gas nicht in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist. Dadurch wird eine Laseroszillation in dem QCL 20 verursacht. Dementsprechend wird der Laserstrahl L1 von der ersten Lichtemissionsfläche 20a des QCL 20 emittiert und wird der Laserstrahl L2 von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittiert.
  • Der Laserstrahl L1, der von der ersten Lichtemissionsfläche 20a des QCL 20 emittiert wird, wird durch die Linse 40 kollimiert. Der Laserstrahl L1a wird von dem Reflexionsglied 50 durch den Prüfungsbereich R hindurch reflektiert. Das Rückkehrlicht L1b wird zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a durch den Prüfungsbereich R hindurch zurückgeführt. Wenn das Rückkehrlicht L1b zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführt wird, wird ein Laserstrahl L2 mit einer Intensität in Entsprechung zu der Intensität des Rückkehrlichts L1b, das nicht durch das zu analysierende Gas absorbiert oder gestreut wird, von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittiert. Der Laserstrahl L2 fällt auf die Lichteinfallsfläche 30a ein.
  • Weil keine Vorspannung an dem QCD 30 mit einem Aufbau der aktiven Schicht 11 gleich demjenigen in dem QCL 20 angelegt wird, wird der QCD 30 als ein Detektor zum Erfassen der auf die Lichteinfallsfläche 30a einfallenden Laserstrahls L2 betrieben. Wenn der Laserstrahl L2 auf die Lichteinfallsfläche 30a einfällt, wird ein Signal von dem QCD 30 über die obere Elektrode und die untere Elektrode ausgegeben. Dieses Signal wird als ein Referenzsignal für eine Spektroskopie mit einer differentiellen optischen Absorption verwendet, die für das zu analysierende Gas durchzuführen ist. Weiterhin kann das Referenzsignal in einer Speichereinheit gespeichert werden, die in einer Verarbeitungsschaltung in einer folgenden Stufe vorgesehen ist.
  • Weiterhin wird die Fluidanalysevorrichtung 1A der Atmosphäre des zu analysierenden Gases ausgesetzt, sodass das zu analysierende Gas in dem Prüfungsbereich R vorgesehen wird. In diesem Zustand wird eine Vorspannung an dem QCL 20 über die obere Elektrode 22 und die untere Elektrode 23 angelegt und wird also ein Strom an dem QCL 20 angelegt. Dadurch wird eine Laseroszillation in dem QCL 20 verursacht. Dementsprechend wird ein Laserstrahl L1 von der ersten Lichtemissionsfläche 20a des QCL 20 emittiert und wird ein Laserstrahl L2 von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittiert.
  • Der von der ersten Lichtemissionsfläche 20a des QCL 20 emittierte Laserstrahl L1 wird durch die Linse 40 kollimiert. Ein Laserstrahl L1a wird von dem Reflexionsglied 50 durch das in dem Prüfungsbereich R vorgesehene zu analysierende Gas hindurch reflektiert. Ein Rückkehrlicht L1 b wird zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a durch das zu analysierende Gas hindurch zurückgeführt. Wenn das Rückkehrlicht L1b zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführt wird, wird ein Laserstrahl L2 mit einer Intensität in Entsprechung zu der Intensität des Rückkehrlichts L1b, das durch das zu analysierende Gas absorbiert oder gestreut wird, von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittiert. Der Laserstrahl L2 fällt auf die Lichteinfallsfläche 30a ein. Und wenn der Laserstrahl L2 auf die Lichteinfallsfläche 30a des QCD 30 einfällt, wird ein Signal von dem QCD 30 über die obere Elektrode und die untere Elektrode ausgegeben.
  • Weil dabei die durch das Gas verursachte Absorption oder Streuung des Laserstrahls L1 (des Laserstrahls L1 a und des Rückkehrlichts L1b) auftritt, während das zu analysierende Gas in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist, tritt eine Änderung In den Oszillationseigenschaften des QCL 20 in Reaktion auf eine Änderung in der Intensität des Rückkehrlichts L1b auf. Das heißt, dass die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 im Vergleich zu der Intensität des Laserstrahls, wenn das zu analysierende Gas nicht in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist, reduziert ist. Dementsprechend wird eine Differenz zwischen dem durch den QCD 30 ausgegebenen Signal und dem oben genannten Referenzsignal in der Verarbeitungsschaltung in der folgenden Stufe für die Analyse des zu analysierenden Gases verwendet. Auf diese Weise wird eine Spektroskopie mit einer differentiellen optischen Absorption für das zu analysierende Gas mittels eines Vergleichs des von dem QCD 30 ausgegebenen Signals mit dem Referenzsignal durchgeführt.
  • 3 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen einem an dem QCL 20 der Fluidanalysevorrichtung 1A von 1 angelegten Strom und der Intensität eines Erfassungssignals des QCD 30 zeigt. In 3 gibt eine durchgezogene Linie die Intensität eines Erfassungssignals des QCD 30, der den Laserstrahl L2 erfasst, in Bezug auf einen an dem QCL 20 angelegten Strom an, wenn der Laserstrahl L1a durch das Reflexionsglied 50 reflektiert und zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a als das Rückkehrlicht L1 b zurückgeführt wird. Eine Strichlinie gibt die Intensität eines Erfassungssignals des QCD 30 in Bezug auf einen an dem QCL 20 angelegten Strom für den Fall an, dass der Laserstrahl L1a nicht durch das Reflexionsglied 50 reflektiert wird (das Rückkehrlicht L1b nicht zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführt wird). In dem Beispiel von 3 wird eine asphärische Linse, die eine Brennweite von 3 mm und eine numerische Apertur von 0,85 aufweist und aus ZnSe ausgebildet ist, als die Linse 40 verwendet und wird ein Planspiegel, auf dem ein Au-Film ausgebildet ist, als das Reflexionsglied 50 verwendet. Die Distanz zwischen der Linse 40 und dem Reflexionsglied 50 ist auf 20 cm gesetzt.
  • In 3 entspricht die Intensität eines Erfassungssignals des QCD 30, der den Laserstrahl L2 erfasst, wenn der Laserstrahl L1a nicht durch das Reflexionsglied 50 reflektiert wird, der Intensität des Laserstrahls L2, wenn keine durch das Rückkehrlicht L1b verursachte Änderung in den Oszillationseigenschaften des QCL 20 auftritt. Die Intensität eines Erfassungssignals des QCD 30, der den Laserstrahl L2 erfasst, wenn der Laserstrahl L1a durch das Reflexionsglied 50 zurückgeführt wird, entspricht der Intensität des Laserstrahls L2, wenn eine Änderung in den Oszillationseigenschaften des QCL 20 in Reaktion auf eine Änderung in der Intensität des Rückkehrlichts L1b auftritt. Wie in 3 gezeigt, hat sich herausgestellt, dass die Intensität eines Erfassungssignals des QCD 30, der den Laserstrahl L2 erfasst (die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2), wenn der Laserstrahl L1a durch das Reflexionsglied 50 reflektiert wird, in einem Bereich, in dem ein an dem QCL 20 angelegter Strom ungefähr 0,7 A oder mehr beträgt, im Wesentlichen verdoppelt ist im Vergleich zu der Intensität des Erfassungssignals, wenn der Laserstrahl L1a nicht durch das Reflexionsglied 50 reflektiert wird.
  • 4A ist ein Kurvendiagramm, das eine zeitliche Änderung in der Intensität eines Erfassungssignals des QCD 30 zeigt, wenn N2O in den optischen Pfad des Laserstrahls L1a ausgestoßen wird. In dem Beispiel von 4A ist ein an dem QCL 20 angelegter Strom bei einem vorbestimmten Wert fixiert. In einem Zustand, in dem das Rückkehrlicht L1b zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführt wird und der Laserstrahl L2 kontinuierlich durch den QCD 30 erfasst wird, wird N2O in den optischen Pfad des Laserstrahls L1 mit einem vorbestimmten Timing ausgestoßen. N2O ist ein Gas, das den durch den QCL 20 oszillierten Laserstrahl L1a einfach absorbiert. Wie in 4A gezeigt, wird während des Ausstoßens von N2O die Intensität des Rückkehrlichts L1b geändert und tritt eine Änderung in den Oszillationseigenschaften des QCL 20 auf. Daraus resultiert, dass die Intensität eines Erfassungssignals des QCD 30, der den Laserstrahl L2 erfasst, beträchtlich reduziert wird. Es hat sich herausgestellt, dass das Vorhandensein eines den Laserstrahl L1 (den Laserstrahl L1a und das Rückkehrlicht L1b) absorbierenden Gases (hier N2O) in dem Prüfungsbereich R als eine Reduktion in der Intensität eines Erfassungssignals des den Laserstrahl L2 erfassenden QCD 30 angegeben wird.
  • 4B ist ein Kurvendiagramm, das eine zeitliche Änderung in der Intensität eines Erfassungssignals des QCD 30 zeigt, wenn der optische Pfad des Laserstrahls L1a physikalisch blockiert ist. In dem Beispiel von 4B wird der optische Pfad des Laserstrahls L1a physikalisch zu einer vorbestimmten Zeit durch ein Objekt wie etwa Papier in einem Zustand blockiert, in dem der Laserstrahl L2 kontinuierlich durch den QCD 30 erfasst wird. Wie in Flg. 4B gezeigt, wird die Intensität des Rückkehrlichts L1 b geändert und tritt eine Änderung in den Oszillationseigenschaften des QCL 20 zu einer Zeit oder Periode auf, während welcher der optische Pfad des Laserstrahls L1a blockiert ist. Deshalb wird die Intensität eines Erfassungssignals des QCD 30, der den Laserstrahl L2 erfasst, beträchtlich reduziert. Es hat sich herausgestellt, dass das Vorhandensein eines die Intensität des Rückkehrlichts L1b ändernden Objekts in dem Prüfungsbereich R als eine Reduktion in der Intensität eines Erfassungssignals des den Laserstrahl L2 erfassenden QCD 30 angegeben wird.
  • Wie weiter oben beschrieben, wird in der Fluidanalysevorrichtung 1A ein von der ersten Lichtemissionsfläche 20a emittierter Laserstrahl L1 durch das Reflexionsglied 50 reflektiert und wird ein reflektiertes Rückkehrlicht L1b zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführt. Wenn das Rückkehrlicht L1 b zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführt wird, wird ein Laserstrahl L2 mit einer Intensität in Entsprechung zu der Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführten Rückkehrlichts L1 b von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittiert. Weil die durch das Gas verursachte Absorption oder Streuung des Laserstrahls L1 auftritt, wenn das zu analysierende Gas in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist, wird die Intensität des Laserstrahls L2 im Vergleich zu der Intensität des Laserstrahls, wenn das Gas nicht in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist, geändert. Dabei ist der von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierte Laserstrahl L2 ein Laserstrahl, der von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b als einer Endfläche des optischen Resonators oszilliert wird und eine Intensität in Entsprechung zu der Intensität des von der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführten Rückkehrlichts L1b aufweist. Aus diesem Grund ist es wahrscheinlich, dass eine Änderung in der Intensität des Laserstrahls L2 bedeutender wird als eine Änderung in den elektrischen Eigenschaften des QCL 20 in Reaktion auf die Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführten Rückkehrlichts L1 b. Dementsprechend kann eine Änderung in der Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführten Rückkehrlichts L1b gemessen werden, wobei eine Abhängigkeit der Empfindlichkeit und der Genauigkeit von dem Einfluss externer Faktoren unterdrückt wird, indem eine Änderung in der Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 durch die QCD 30 gemessen wird. Deshalb kann bei der Fluidanalysevorrichtung 1A das zu analysierende Fluid mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit analysiert werden.
  • In der Fluidanalysevorrichtung 1A wird ein optischer Resonator zwischen der ersten Lichtemissionsfläche 20a und der zweiten Lichtemissionsfläche 20b gebildet. Dementsprechend funktioniert der QCL 20 als ein Oszillationslaser mit einem optischen Resonator. Aus diesem Grund kann die Analyse (sogenanntes Monitoring) auf das Vorhandensein des Gases in dem Prüfungsbereich R mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit durchgeführt werden, indem die Oszillationswellenlänge des QCL 20 in Entsprechung zu der Art des zu analysierenden Gases gesetzt wird.
  • In der Fluidanalysevorrichtung 1A ist der QCL 20 als ein in einem Mehrfachmodus oszillierendes Fabry-Perot-Element ausgebildet. Weil dementsprechend Licht, das breiter als ein in einem Einfachmodus erhaltenes Licht ist, von der ersten Lichtemissionsfläche 20a des QCL 20 emittiert wird, können verschiedene Gase als ein zu analysierendes Objekt analysiert werden. Weil weiterhin die Oszillation des QCL 20 und die Erfassung des Laserstrahls L2 durch den QCD 30 kaum durch die Anordnungsposition des Reflexionsglieds 50 beeinflusst werden, ist der Freiheitsgrad für das Layout des Reflexionsglieds 50 verbessert und können der QCL 20 und das Reflexionsglied 50 einfach miteinander ausgerichtet werden.
  • In der Fluidanalysevorrichtung 1A ist die Lichteinfallsfläche 30a geneigt, sodass sie eine Positionsbeziehung aufweist, in der ein spitzer Winkel zwischen der Lichteinfallsfläche 30a und der zweiten Lichtemissionsfläche 20b gebildet wird. Dementsprechend wird der von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierte Laserstrahl L2 durch die Lichteinfallsfläche 30a reflektiert und wird eine Rückkehr des reflektierten Laserstrahls L2 zu der zweiten Lichtemissionsfläche 20b unterdrückt. Deshalb wird ein Einfluss des zusammengesetzten Resonators, der zwischen der Lichteinfallsfläche 30a und der ersten Lichtemissionsfläche 20a gebildet wird, auf die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 unterdrückt. Aus diesem Grund kann eine Änderung in der Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 genau in Reaktion auf die Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführten Rückkehrlichts L1b gemessen werden. Dementsprechend kann die Analyse eines Fluids mit einer größeren Genauigkeit durchgeführt werden.
  • Die Fluidanalysevorrichtung 1A umfasst weiterhin die Linse 40, die zwischen der ersten Lichtemissionsfläche 20a und dem Prüfungsbereich R angeordnet ist und den von der ersten Lichtemissionsfläche 20a emittierten Laserstrahl L1 kollimiert. Weil der Laserstrahl L1 kollimiert wird, kann die Länge des optischen Pfads des Laserstrahls L1a und des Rückkehrlichts L1b von der ersten Lichtemissionsfläche 20a bis zu dem Reflexionsglied 50 einfach verlängert werden. Aus diesem Grund kann die durch das Gas in dem Prüfungsbereich R verursachte Absorption oder Streuung des Laserstrahls L1a und des Rückkehrlichts L1b weiter vereinfacht werden. Auf diese Weise kann die Analyse eines Fluids mit einer größeren Genauigkeit durchgeführt werden.
  • In der Fluidanalysevorrichtung 1A enthält die QCD 30 die Lichtreflexionsfläche 30b, die der Lichteinfallsfläche 30a in der X-Achsenrichtung zugewandt ist, und ist der stark reflexive Film 3, der den von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahl L2 reflektiert, auf der Lichtreflexionsfläche 30b ausgebildet. Weil das in dem QCD 30 vorhandene Licht durch den stark reflexiven Film 3 reflektiert wird, wird das Licht kaum von dem QCD 30 nach außen emittiert. Aus diesem Grund kann das Licht in der QCD 30 weiter absorbiert werden.
  • [Zweite Ausführungsform]
  • Wie in 5 gezeigt, unterscheidet sich eine Fluidanalysevorrichtung 1B von der oben beschriebenen Fluidanalysevorrichtung 1A vor allem dadurch, dass die Fluidanalysevorrichtung 1B einen Quantenkaskadenlaser 20B (nachfolgend als „QCL 20B“ bezeichnet) anstelle des QCL 20 enthält und die Länge des optischen Pfads des Laserstrahls L1 (des Laserstrahls L1a und des Rückkehrlichts L1b) von der ersten Lichtemissionsfläche 20a des QCL 20B bis zu dem Reflexionsglied 50 (nachfolgend für diese Ausführungsform einfach als „Länge des optischen Pfads des Laserstrahls L1“ bezeichnet) ein ganzzahliges Vielfaches der halben Oszillationswellenlänge des QCL 20B ist.
  • Der Aufbau des QCL 20B ist im Grunde gleich dem Aufbau des QCL 20. Der QCL 20B unterscheidet sich von dem QCL 20 dadurch, dass der QCL 20B ein an dem Schichtaufbau 10 vorgesehenes Beugungsgitter enthält und als ein verteiltes Rückkopplungselement ausgebildet ist. Der QCL 20B oszilliert in einem Einfachmodus. Die Oszillationswellenlänge des QCL 20B kann beliebig innerhalb des Bereichs der Verstärkung des QCL 20B ausgewählt werden. Die Oszillationswellenlänge des QCL 20B kann die Wellenlänge des Lichts sein, die einfach durch ein zu analysierendes Gas absorbiert oder gestreut wird. Weil dementsprechend die Qualität des durch die Linse 40 kollimierten Laserstrahls L1a verbessert ist, kann die Länge des optischen Pfads des Laserstrahls L1 auf eine längere Länge gesetzt werden. Und weil der Durchmesser des Rückkehrlichts L1b an der Linse 40 reduziert ist, ist die Effizienz der Kopplung zwischen der Linse 40 und dem QCL 20B verbessert und ist die Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführten Rückkehrlichts L1 b vergrößert.
  • Die Länge des optischen Pfads des Laserstrahls L1 ist ein ganzzahliges Vielfaches der halben Oszillationswellenlänge des QCL 20B. Um die Länge des optischen Pfads des Laserstrahls L1 als ein ganzzahliges Vielfaches der halben Oszillationswellenlänge vorzusehen, kann die Position des Reflexionsglieds 50 mit einer großen Genauigkeit durch zum Beispiel ein piezoelektrisches Stellglied oder ähnliches gesteuert werden und kann die Oszillationswellenlänge in Reaktion auf eine Änderung in der Temperatur des QCL 20B fein eingestellt werden. Dementsprechend kann eine Eigeninterferenz auftreten, bei der zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a als das Rückkehrlicht L1b zurückgeführtes und an dem QCL 20B einfallendes Licht und in dem QCL 20B vorhandenes Licht miteinander interferieren (resonieren). Weil die Oszillationseigenschaften des optischen Resonators durch diese Interferenz wesentlich beeinflusst werden, wird eine Änderung in der Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 bedeutend.
  • Die Länge des optischen Pfads des Laserstrahls L1 wird in Entsprechung zu zum Beispiel einer für die Fluidanalysevorrichtung 1B erforderlichen analytischen Performanz (Empfindlichkeit) gesetzt. Die Länge des optischen Pfads des Laserstrahls L1 kann 50 cm oder weniger betragen, wenn ein Planspiegel als das Reflexionsglied 50 verwendet wird. Wenn zum Beispiel die Länge des optischen Pfads des Laserstrahls L1 auf eine Länge von mehr als 50 cm gesetzt ist, kann ein Einfluss, der in einem Fall erzeugt wird, in dem der durch die Linse 40 kollimierte Laserstrahl L1a aufgrund einer Fresnel-Beugung gespreizt wird, auch dann nicht ignoriert werden, wenn der QCL 20B in einem Einfachmodus oszilliert. In diesem Fall kann ein Konkavspiegel mit einer vorbestimmten Krümmung als das Reflexionsglied 50 anstelle des Planspiegels verwendet werden.
  • In der Fluidanalysevorrichtung 1B mit dem oben beschriebenen Aufbau wird eine Spektroskopie mit einer differentiellen optischen Absorption für ein zu analysierendes Gas in gleicher Weise wie In der Fluidanalysevorrichtung 1A in einem Zustand verwendet, in dem die Oszillationswellenlänge des QCL 20B auf die Wellenlänge des Lichts, das einfach durch das zu analysierende Gas absorbiert oder gestreut wird, gesetzt ist und die Laserausgabe des QCL 20B (ein an dem QCL 20B angelegter Strom) fixiert ist.
  • Wenn bei der oben beschriebenen Fluidanalysevorrichtung 1B die Oszillationswellenlänge des QCL 20B gleich der Wellenlänge des durch das Gas absorbierten oder gestreuten Lichts gesetzt ist, weil zum Beispiel die Art des zu analysierenden Gases zuvor spezifiziert wird, kann die Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführten Rückkehrlichts L1b beträchtlich geändert werden, wenn das Gas in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist. Dementsprechend kann die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20B emittierten Laserstrahls L2 beträchtlicher geändert werden. Weiterhin ist die Länge des optischen Pfads des Laserstrahls L1a und des Rückkehrlichts L1b (die Länge des optischen Pfads des Laserstrahls L1) von der ersten Lichtemissionsfläche 20a bis zu dem Reflexionsglied 50 ein ganzzahliges Vielfaches der halben Oszillationswellenlänge. Dementsprechend interferieren zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a als das Rückkehrlicht L1b zurückgeführtes und auf den QCL 20B einfallendes Licht und in dem QCL 20B vorhandenes Licht miteinander. Weil die Oszillationseigenschaften des optischen Resonators durch diese Interferenz beträchtlich beeinflusst werden, wird eine Änderung in der Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 bedeutend. Dementsprechend kann die Analyse des Fluids mit einer höheren Empfindlichkeit durchgeführt werden. Insbesondere kann bei der Fluidanlaysevorrichtung 1B die Analyse (sogenanntes Monitoring) des Vorhandenseins des Gases in dem Prüfungsbereich R mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit durchgeführt werden, indem die Oszillationswellenlänge des QCL 20 in Reaktion auf das zu analysierende Gas gesetzt wird. Weiterhin ist zu erwarten, dass die Fluidanalysevorrichtung 1B auch für zum Beispiel einen Bereichsfinder, eine Vorrichtung für Stufenprofile und einen Drehzahlmesser verwendet werden kann.
  • [Dritte Ausführungsform]
  • Wie in 6 gezeigt, unterscheidet sich die Fluidanalysevorrichtung 1C von der oben beschriebenen Fluidanalysevorrichtung 1A vor allem dadurch, dass die Fluidanalysevorrichtung 1C ein Beugungsgitter 51 anstelle des Reflexionsglieds 50 enthält und ein Reflexionsreduktionsfilm 4 an der ersten Lichtemissionsfläche 20a ausgebildet ist.
  • Das Beugungsgitter 51 beugt und reflektiert einen Laserstrahl L3, der von der ersten Lichtemissionsfläche 20a emittiert wird. Das Beugungsgitter 51 ist zum Beispiel ein geblaztes Beugungsgitter mit einem sägezahnförmigen Querschnitt. Ein Laserstrahl L3a, der durch die Linse 40 kollimiert wird, fällt auf das Beugungsgitter 51 ein. Das Beugungsgitter 51 ist zum Beispiel eine um eine Z-Achse oszillierende MEMS-Einrichtung. Das Beugungsgitter 51 wird derart betrieben, dass die Gitterfläche des Beugungsgitters 51 mit einer hohen Geschwindigkeit geändert wird. Das Beugungsgitter 51 reflektiert einen Laserstrahl L3b, der eine Wellenlänge in Entsprechung zu dem Zyklus von Vertiefungen des Beugungsgitters 51 und dem Einfallswinkel des Laserstrahls L3a an dem Beugungsgitter 51 des Laserstrahls L3a aufweist. Das Beugungsgitter 51 wird betrieben, um den Laserstrahl L3b mit der Wellenlänge zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückzuführen. Weil dementsprechend der Einfallswinkel des Laserstrahls L3a an dem Beugungsgitter 51 mit einer hohen Geschwindigkeit geändert werden kann, kann der Wellenlängenwechsel (Abtastung) des von dem Beugungsgitter 51 zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführten Laserstrahls L3b mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden. Praktischerweise liegt die Distanz zwischen der ersten Lichtemissionsfläche 20a und dem Beugungsgitter 51 im Bereich von zum Beispiel 10 cm bis 20 cm. Dementsprechend ist die Wellenlängenauflösung bei der Auswahl einer Wellenlänge an dem Beugungsgitter 51 verbessert.
  • Der Reflexionsreduktionsfilm 4 reduziert den Reflexionsgrad, wenn der Laserstrahl L3 von der ersten Lichtemissionsfläche 20a nach außen emittiert wird. Der Reflexionsreduktionsfilm 4 reflektiert einen Teil des von der ersten Lichtemissionsfläche 20a emittierten Laserstrahls L3 und lässt den Rest des Laserstrahls L3 durch. Der Reflexionsreduktionsfilm 4 reflektiert den Laserstrahl L3 mit einem Reflexionsgrad von zum Beispiel 10% oder weniger, wenn der Laserstrahl L3 von der ersten Lichtemissionsfläche 20a nach außen emittiert wird.
  • Ein externer Littrow-Resonator (optischer Resonator) wird zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche 20b und dem Beugungsgitter 51 gebildet. Der externe Resonator oszilliert in einem Einfachmodus mit einer Wellenlänge, die dem Einfallswinkel des Laserstrahls L3 auf das Beugungsgitter 51 entspricht, als einer Resonanzwellenlänge. Weil der durch das Beugungsgitter 51 reflektierte Laserstrahl L3b ein in dem externen Resonator vorhandenes Licht ist, verursacht der Laserstrahl L3b keine Eigeninterferenz in dem externen Resonator im Gegensatz zu dem von außerhalb des externen Resonators einfallenden Rückkehrlicht. Aus diesem Grund kann der Wellenlängenwechsel für das Abtasten einer Wellenlänge in dem Zustand, in dem ein Einfachmodus aufrechterhalten wird, einfach in dem externen Resonator durchgeführt werden. Der Aufbau des externen Resonators ist jedoch nicht auf einen Littrow-Typ beschränkt und kann auch von einem Littman-Typ sein.
  • Wenn die Fluidanalysevorrichtung 1C mit dem oben beschriebenen Aufbau einer Gasatmosphäre einschließlich des zu analysierenden Gases ausgesetzt wird, wird ein Zustand geschaffen, in dem ein zu analysierendes Gas in dem Prüfungsbereich R in dem externen Resonator vorgesehen ist. In diesem Zustand wird eine Vorspannung an dem QCL 20 über die obere Elektrode 22 und die untere Elektrode 23 angelegt und wird also ein Strom an dem QCL 20 angelegt. Daraus resultiert, dass ein spontanes Emissionslicht von der ersten Lichtemissionsfläche 20a des QCL 20 emittiert wird. Das spontane Emissionslicht, das von der ersten Lichtemissionsfläche 20a des QCL 20 emittiert wird, wird durch die Linse 40 kollimiert. Das durch die Linse 40 kollimierte Licht wird durch das Beugungsgitter 51 durch den Prüfungsbereich R hindurch gebeugt und reflektiert. Licht, das eine Wellenlänge in Entsprechung zu dem Zyklus von Vertiefungen des Beugungsgitters 51 und dem Einfallswinkel des Lichts an dem Beugungsgitter 51 aufweist, innerhalb des kollimierten Lichts wird durch das Beugungsgitter 51 reflektiert und zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a durch den Prüfungsbereich R hindurch zurückgeführt. Wenn dabei die Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführten Lichts einen vorbestimmten Schwellwert aufgrund einer Vergrößerung in dem an dem QCL 20 angelegten Strom usw. überschreitet, wird eine Laseroszillation in dem durch die zweite Lichtemissionsfläche 20b und das Beugungsgitter 51 gebildeten optischen Resonator verursacht. Ein Laserstrahl L2 wird von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittiert, wenn eine Laseroszillation in dem optischen Resonator verursacht wird. Der Laserstrahl L2 fällt auf die Lichteinfallsfläche 30a ein. Und wenn der Laserstrahl L2 auf der Lichteinfallsfläche 30a des QCD 30 einfällt, wird ein Signal von dem QCD 30 über die obere Elektrode und die untere Elektrode ausgegeben.
  • Weil dabei das Beugungsgitter 51 derart betrieben wird, dass die Richtung der Gitterfläche des Beugungsgitters 51 geändert wird, wird ein Wellenlängenwechsel (Abtastung) des von dem Beugungsgitter 51 zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführten Laserstrahls L3b durchgeführt. Dementsprechend tritt eine Reduktion in der Intensität des Laserstrahls L3b bei einer Wellenlänge auf, bei welcher der Laserstrahl L3a und der Laserstrahl L3b durch ein in dem Prüfungsbereich R vorgesehenes Gas absorbiert oder gestreut werden, sodass eine Änderung in den Oszillationseigenschaften des QCL 20 auftritt. Die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 wird also reduziert im Vergleich zu der Intensität des Laserstrahls L2, wenn der Laserstrahl L3a und der Laserstrahl L3b nicht durch das in dem Prüfungsbereich R vorgesehene Gas absorbiert oder gestreut werden. Dementsprechend wird eine Differenz zwischen einem von dem QCD 30 ausgegebenen Signal und einem Signal (Referenzsignal), das erhalten wird, wenn der Laserstrahl L3a und der Laserstrahl L3b nicht durch das in dem Prüfungsbereich R vorgesehene Gas absorbiert oder gestreut werden, in der Verarbeitungsschaltung in der folgenden Stufe für die Analyse des zu analysierenden Gases verwendet. Auf diese Weise wird eine Spektroskopie mit einer differentiellen optischen Absorption für das zu analysierende Gas durch den Vergleich des von dem QCD 30 ausgegebenen Signals mit dem Referenzsignal durchgeführt. Insbesondere kann in der Fluidanalysevorrichtung 1C die Analyse (sogenannte Erfassung) der Zusammensetzung des zu analysierenden Gases, das in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist, durchgeführt werden, während die Oszillationswellenlänge in einem Zustand, in dem die Einfachmodus-Oszillation aufrechterhalten wird, aktiv durch eine Änderung des Einfallswinkels an dem Beugungsgitter 51 geändert wird.
  • Bei der Fluidanalysevorrichtung 1C wird wie oben beschrieben ein optischer Resonator zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche 20b und dem Beugungsgitter 51 gebildet. Der optische Resonator oszilliert in einem Einfachmodus mit einer Wellenlänge, die dem Einfallswinkel des von der ersten Lichtemissionsfläche 20a emittierten und auf dem Beugungsgitter 51 einfallenden Laserstrahls L3 entspricht, als einer Oszillationswellenlänge. Dementsprechend kann die Analyse (sogenannte Erfassung) der Zusammensetzung des zu analysierenden Gases, das in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist, mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit durchgeführt werden, während die Oszillationswellenlänge in einem Zustand, in dem eine Einfachmodus-Oszillation aufrechterhalten wird, aktiv durch eine Änderung des Einfallswinkels an dem Beugungsgitter 51 geändert wird. Weiterhin ist ein optischer Resonator des externen Resonatortyps, in dem sich der Laserstrahl L3a und der Laserstrahl L3b zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche 20b und dem Beugungsgitter 51 hin und her bewegen, in der Fluidanalysevorrichtung 1C ausgebildet. Der Prüfungsbereich R ist in dem optischen Resonator angeordnet. Aus diesem Grund bewegen sich der Laserstrahl L3a und der Laserstrahl L3b wiederholt zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche 20b und dem Beugungsgitter 51 hin und her, während der Laserstrahl L3a und der Laserstrahl L3b durch das zu analysierende Gas absorbiert oder gestreut werden. Dementsprechend werden die Oszillationseigenschaften des optischen Resonators direkt durch eine Änderung in der Intensität des Laserstrahls L3b in dem optischen Resonator beeinflusst. Aus diesem Grund wird eine Änderung in der Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 bedeutend im Vergleich zu einer Änderung in der Intensität des Laserstrahls L2, wenn der Prüfungsbereich R außerhalb des optischen Resonators angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Analyse des Fluids mit einer höheren Empfindlichkeit durchgeführt werden.
  • [Vierte Ausführungsform]
  • Wie in 7 gezeigt, unterscheidet sich eine Fluidanalysevorrichtung 1D von der oben beschriebenen Fluidanalysevorrichtung 1C vor allem dadurch, dass die Fluidanalysevorrichtung 1D weiterhin ein Beugungsgitter 52 und einen Spiegel 53 umfasst und ein Reflexionsglied 54 anstelle des Beugungsgitters 51 enthält.
  • Das Beugungsgitter 52 beugt und reflektiert einen Laserstrahl L4, der von der ersten Lichtemissionsfläche 20a emittiert wird. Das Beugungsgitter 52 ist zum Beispiel ein geblazetes Beugungsgitter mit einem sägezahnförmigen Querschnitt. Das Beugungsgitter 52 ist in dem optischen Pfad eines durch die Linse 40 kollimierten Laserstrahls L4a angeordnet. Der Laserstrahl L4a fällt auf das Beugungsgitter 52 ein. Das Beugungsgitter 52 ist im Gegensatz zu dem Beugungsgitter 51 nicht als eine MEMS-Einrichtung ausgebildet und ist derart fixiert, dass der Einfallswinkel des Laserstrahls L4a an dem Beugungsgitter 52 einen vorbestimmten Winkel aufweist.
  • Der Spiegel 53 ist in dem optischen Pfad eines Laserstrahls L5a angeordnet, der durch das Beugungsgitter 52 gebeugt und reflektiert wird. Der Laserstrahl L5a fällt auf den Spiegel 53 ein. Der Spiegel 53 ist zum Beispiel als eine um eine Z-Achse oszillierende MEMS-Einrichtung ausgebildet. Der Spiegel 53 wird derart betrieben, dass die Richtung der Reflexionsfläche des Spiegels 53 mit einer hohen Geschwindigkeit geändert wird. Der Spiegel 53 reflektiert einen Laserstrahl L5b, der eine Wellenlänge in Entsprechung zu dem Einfallswinkel des Laserstrahls L5a auf den Spiegel 53 aufweist, innerhalb des Laserstrahls L5a. Der Spiegel 53 wird derart betrieben, dass er den Laserstrahl L5b mit der Wellenlänge zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a durch das Beugungsgitter 52 hindurch als einen Laserstrahl L4b zurückführt. Weil dementsprechend der Einfallswinkel des Laserstrahls L5a auf den Spiegel 53 mit einer hohen Geschwindigkeit geändert werden kann, kann der Wellenlängenwechsel (Abtastung) des Laserstrahls L5b, der von dem Spiegel 53 zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführt wird, mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden.
  • Ein externer Littman-Resonator (optischer Resonator) ist zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche 20b und dem Spiegel 53 durch das Beugungsgitter 52 hindurch ausgebildet Der externe Resonator oszilliert in einem Einfachmodus mit einer Wellenlänge, die dem Einfallswinkel des Laserstrahls L5a auf den Spiegel 53 entspricht, als einer Resonanzwellenlänge. Der externe Resonator kann von einem Littman-Typ sein, in dem die durch einen Wellenlängenwechsel verursachte Abweichung einer optischen Achse nicht auftritt, wenn ein Laserstrahl L6a, der ein reflektiertes Licht der Nullordnung ist, für das zu dem Reflexionsglied 54 ausgegebene Licht verwendet wird. Der Aufbau des externen Resonators ist jedoch nicht auf einen Littman-Typ beschränkt und kann auch von einem Littrow-Typ sein.
  • Das Reflexionsglied 54 ist in dem optischen Pfad des von dem Beugungsgitter 52 reflektierten Laserstrahls L6a durch den Prüfungsbereich R, in dem das zu analysierende Gas vorgesehen ist, angeordnet. Das Reflexionsglied 54 reflektiert den Laserstrahl L6a, um Licht L6b zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a durch das Beugungsgitter 52 hindurch zurückzuführen. In der Fluidanalysevorrichtung 1D wird der Laserstrahl L6a, der von dem externen Resonator nach außen emittiert wird, durch das Reflexionsglied 54 reflektiert und kehrt wieder zu dem externen Resonator zurück.
  • Wenn die Fluidanalysevorrichtung 1D mit dem oben beschriebenen Aufbau einer Gasatmosphäre einschließlich des zu analysierenden Gases ausgesetzt wird, wird ein Zustand hergestellt, in dem das zu analysierende Gas in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist. In diesem Zustand wird eine Vorspannung auf den QCL 20 über die obere Elektrode 22 und die untere Elektrode 23 angelegt und wird also ein Strom an dem QCL 20 angelegt. Daraus resultiert, dass ein spontanes Emissionslicht von der ersten Lichtemissionsfläche 20a des QCL 20 emittiert wird. Das von der ersten Lichtemissionsfläche 20a des QCL 20 emittierte spontane Emissionslicht wird durch die Linse 40 kollimiert. Das kollimierte Licht wird durch das Beugungsgitter 52 gebeugt und reflektiert. Licht mit einer Wellenlänge in Entsprechung zu dem Einfallswinkel an dem Spiegel 53 des durch das Beugungsgitter 52 gebeugten und reflektierten Lichts wird durch den Spiegel 53 reflektiert. Dementsprechend wird das Licht mit der Wellenlänge zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a durch das Beugungsgitter 52 zurückgeführt. Wenn dabei die Intensität des zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführten Lichts einen vorbestimmten Schwellwert aufgrund einer Vergrößerung des an dem QCL 20 angelegten Stroms übersteigt, wird eine Laseroszillation in dem durch die zweite Lichtemissionsfläche 20b und den Spiegel 53 gebildeten optischen Resonator verursacht. In einem Fall, in dem eine Laseroszillation in dem optischen Resonator verursacht wird, wird der Laserstrahl L6a zu dem Reflexionsglied 54 ausgegeben.
  • Der Laserstrahl L6a wird durch das Reflexionsglied 54 durch den Prüfungsbereich R hindurch ausgegeben. Das Rückkehrlicht L6b wird zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a durch den Prüfungsbereich R hindurch als der Laserstrahl L4b zurückgeführt. Wenn der Laserstrahl L4b zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a zurückgeführt wird, wird ein Laserstrahl L2 mit einer Intensität in Entsprechung zu der Intensität des Rückkehrlichts L6b, das durch das zu analysierende Gas absorbiert oder gestreut wird, von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittiert, Der Laserstrahl L2 fällt auf der Lichteinfallsfläche 30a ein. Und wenn der Laserstrahl L2 auf der Lichteinfallsfläche 30a des QCD 30 einfällt, wird ein Signal von dem QCD 30 über die obere Elektrode und die untere Elektrode ausgegeben.
  • Weil dabei der Spiegel 53 derart betrieben wird, dass die Richtung des Spiegels 53 geändert wird, wird der Wellenlängenwechsel (Abtastung) des Laserstrahls L4b, der zu der ersten Lichtemissionsfläche 20a von dem Spiegel 53 durch das Beugungsgitter 52 zurückgeführt wird, durchgeführt. Dementsprechend wird der Laserstrahl L6a zu dem Reflexionsglied 54 mit einer Wellenlänge ausgegeben, die dem Einfallswinkel des Laserstrahls L5a an dem Spiegel 53 entspricht. Eine Reduktion in der Intensität des Rückkehrlichts L6b tritt bei einer Wellenlänge auf, bei welcher der Laserstrahl L6a und das Rückkehrlicht L6b durch das in dem Prüfungsbereich R vorgesehene Gas absorbiert oder gestreut werden, sodass eine Änderung in den Oszillationseigenschaften des QCL 20 auftritt. Die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 wird also im Vergleich zu der Intensität des Laserstrahls L2 für den Fall, dass der Laserstrahl L6a und das Rückkehrlicht L6b nicht durch das in dem Prüfungsbereich R vorgesehene Gas absorbiert oder gestreut werden, reduziert. Dementsprechend wird eine Differenz zwischen einem von dem QCD 30 ausgegebene Signal und einem Signal (Referenzsignal), das erhalten wird, wenn der Laserstrahl L6a und das Rückkehrlicht L6b nicht durch das in dem Prüfungsbereich R vorgesehene Gas absorbiert oder gestreut werden, in der Verarbeitungsschaltung in der folgenden Stufe für die Analyse des zu analysierenden Gases verwendet. Auf diese Weise wird eine Spektroskopie mit einer differentiellen optischen Absorption für das zu analysierende Gas durch den Vergleich des von dem QCD 30 ausgegebenen Signals mit dem Referenzsignal durchgeführt. Insbesondere kann bei der Fluidanalysevorrichtung 1D die Analyse (sogenannte Erfassung) der Zusammensetzung des zu analysierenden Gases, das in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist, durchgeführt werden, während die Oszillationswellenlänge in einem Zustand, in dem eine Einfachmodus-Oszillation aufrechterhalten wird, aktiv durch eine Änderung des Einfallswinkels an dem Spiegel 53 geändert wird.
  • In der Fluidanalysevorrichtung 1 D wird wie oben beschrieben ein optischer Resonator zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche 20b und dem Spiegel 53 gebildet. Der optische Resonator oszilliert in einem Einfachmodus mit einer Wellenlänge, die dem Einfallswinkel des durch das Beugungsgitter 52 gebeugten und reflektierten und auf den Spiegel 53 einfallenden Laserstrahls L5a entspricht, als einer Oszillationswellenlänge. Dementsprechend kann die Analyse (sogenannte Erfassung) der Zusammensetzung des zu analysierenden Gases, das in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist, mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit durchgeführt werden, indem die Oszillationswellenlänge in einem Zustand, in dem die Einfachmodus-Oszillation aufrechterhalten wird, aktiv durch eine Änderung des Einfallswinkels an dem Spiegel 53 geändert wird.
  • [Fünfte Ausführungsform]
  • Wie in 8 gezeigt, unterscheidet sich eine Fluidanalysevorrichtung 1E von der weiter oben beschriebenen Fluidanalysevorrichtung 1B vor allem dadurch, dass die Fluidanalysevorrichtung 1E weiterhin eine Mehrpfadzelle 60 mit darin einem Prüfungsbereich R umfasst und einen Konkavspiegel 55 als das Reflexionsglied 50 enthält.
  • Die Mehrpfadzelle 60 enthält zum Beispiel einen Mehrfachreflexionsmechanismus, in dem eine Vielzahl von Spiegeln in dem darin angeordneten Prüfungsbereich R verwendet werden. In der Mehrfachpfadzelle 60 kann zum Beispiel die Länge eines optischen Einwegpfads (die Länge des optischen Pfads eines Laserstrahls L1a oder die Länge des optischen Pfads des Rückkehrlichts L1b) 1 m oder mehr betragen. Weil dementsprechend die Absorptionslänge des Lichts, mit der Licht durch ein in dem Prüfungsbereich R vorgesehenes Gas absorbiert wird, vergrößert wird, kann die Analyse eines Fluids mit einer höheren Empfindlichkeit durchgeführt werden. Alternativ dazu kann die Größe der Fluidanalysevorrichtung 1E in einem Zustand reduziert werden, in dem die Absorptionslänge des Lichts, bei welcher Licht durch ein in dem Prüfungsbereich R vorgesehenes Gas absorbiert wird, aufrechterhalten wird. Weil die Länge des optischen Pfads durch die Mehrpfadzelle 60 verlängert wird, kann ein in einem Einfachmodus oszillierender QCL 20B in der Fluidanalysevorrichtung 1E verwendet werden.
  • Der Konkavspiegel 55 weist zum Beispiel einen Krümmungsradius in Entsprechung zu dem Aufbau der Mehrpfadzelle 60 auf. Der Krümmungsradius kann ein Krümmungsradius im Bereich von zum Beispiel 1 bis 5 m sein.
  • Bei der Fluidanalysevorrichtung 1E wird wie oben beschrieben die Länge des optischen Pfads des Laserstrahls L1a und des Rückkehrlichts L1b in dem Prüfungsbereich R durch die Mehrpfadzelle 60 verlängert. Aus diesem Grund kann eine Änderung in der Intensität des Laserstrahls L1a und des Rückkehrlichts L1b, wenn ein zu analysierendes Gas in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist, bedeutender gemacht werden.
  • [Modifikationen]
  • Es wurden vorstehend erste bis fünfte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Zum Beispiel ist der Schichtaufbau 10 jeweils des QCL 20, des QCL 20B und des QCD 30 nicht auf den oben beschriebenen Schichtaufbau beschränkt. Weiterhin ist auch der Quantenkaskadenaufbau der aktiven Schicht 11 des Schichtaufbaus 10 nicht auf den oben beschriebenen Quantenkaskadenaufbau beschränkt.
  • Das in dem Prüfungsbereich R vorzusehende Fluid ist nicht auf ein Gas beschränkt und kann auch ein Fluid sein, das von der ersten Lichtemissionsfläche 20a emittiertes Licht absorbieren oder streuen kann.
  • In der ersten Ausführungsform wurde ein Beispiel beschrieben, in dem die Oszillationswellenlänge des QCL 20 derart gesetzt ist, dass die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 aufgrund der Absorption des Lichts, die durch ein in dem Prüfungsbereich R vorgesehenes Gas verursacht wird, reduziert wird. Die Oszillationswellenlänge des QCL 20 kann aber auch derart gesetzt sein, dass die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 vergrößert wird, wenn ein Fluid in dem Prüfungsbereich R vorgesehen ist. Auch in diesem Fall kann ein zu analysierendes Fluid mit einer hohen Empfindlichkeit und einer großen Genauigkeit analysiert werden, weil der von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierte Laserstrahl L2 durch den QCD 30 erfasst wird.
  • In den ersten bis fünften Ausführungsformen ist die Lichteinfallsfläche 30a des QCD 30 derart geneigt, dass sie eine Positionsbeziehung aufweist, in der ein spitzer Winkel zwischen der Lichteinfallsfläche 30a und der zweiten Lichtemissionsfläche 20b gebildet wird, und derart geneigt, dass sie einen rechten Winkel zusammen mit der X-Y-Ebene senkrecht zu der Z-Achsenrichtung bildet und einen Winkel von 45° zusammen mit der Y-Z-Ebene senkrecht zu der X-Achsenrichtung bildet. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann wie in 9 gezeigt ein Quantenkaskadendetektor 30U (nachfolgend als „QCD 30U“ bezeichnet) auf der Fläche 2a des Substrats 2 anstelle des QCD 30 ausgebildet sein.
  • Der Aufbau des QCD 30U ist im Grunde gleich dem Aufbau des QCD 30 mit Ausnahme des Aufbaus einer Lichteinfallsfläche 30a. Die Lichteinfallsfläche 30a des QCD 30U ist derart geneigt, dass sie eine Positionsbeziehung aufweist, in der ein spitzer Winkel zwischen der Lichteinfallsfläche 30a und der zweiten Lichtemissionsfläche 20b gebildet wird, und ist derart geneigt, dass sie einen rechten Winkel zusammen mit der Z-X-Ebene senkrecht zu der Y-Achsenrichtung (einer imaginären Ebene senkrecht zu der Fläche 2a des Substrats 2 und parallel zu einer vorbestimmten Richtung) bildet und einen Winkel θ zusammen mit der X-Y-Ebene senkrecht zu der Z-Achsenrichtung (der Fläche 2a des Substrats 2) bildet. Die Lichteinfallsfläche 30a kann zum Beispiel durch einen fokussierten lonenstrahl oder ein Trockenätzen unter Verwendung einer Maske, deren Dicke stufenweise von dem QCD 30U zu dem QCL 20 reduziert wird, ausgebildet werden.
  • Wenn dabei die Lichteinfallsfläche 30a in Bezug auf die zweite Lichtemissionsfläche 20b wie oben beschrieben geneigt ist, kann der Reflexionsgrad an der Lichteinfallsfläche 30a im Vergleich zu dem Reflexionsgrad an der Lichteinfallsfläche 30a für den Fall, dass der Laserstrahl L2 auf die Lichteinfallsfläche 30a senkrecht zu der Lichteinfallsfläche 30a einfällt, reduziert werden und kann zusätzlich die Rückkehr des Rückkehrlichts des durch die Lichteinfallsfläche 30a reflektierten Laserstrahls L2 zu der zweiten Lichtemissionsfläche 20b unterdrückt werden. Insbesondere weil der Einfall des Lichts auf den QCD 30U von dem QCL 20 ein Lichteinfall mit einer TM-Polarisierung wird, kann der Reflexionsgrad der Lichteinfallsfläche 30a unendlich nahe zu null geführt werden, indem der Winkel θ auf einen Brewster-Winkel gesetzt wird.
  • 10 ist ein Kurvendiagramm, das den Reflexionsgrad auf der Lichteinfallsfläche 30a in Bezug auf den Winkel θ von 9 zeigt. Die horizontale Achse des Kurvendiagramms von 10 gibt den Winkel θ wieder, der zwischen der Lichteinfallsfläche 30a und der Fläche 2a des Substrats 2 gebildet wird, und die vertikale Achse gibt den Reflexionsgrad des Laserstrahls L2 an der Lichteinfallsfläche 30a wieder. In dem Beispiel von 10 ist der Brechungsindex der aktiven Schicht 11 auf 3,3 gesetzt und ist der Brechungsindex der Luft auf 1 gesetzt, um den Reflexionsgrad zu berechnen. Wie in 10 gezeigt, beträgt der Reflexionsgrad ungefähr 28% oder weniger, wenn der Winkel θ im Bereich von 0° bis 75° liegt. Weiterhin beträgt der Reflexionsgrad ungefähr 17% oder weniger, wenn der Winkel θ im Bereich von 45° bis 75° liegt. Weiterhin beträgt der Reflexionsgrad ungefähr 1% oder weniger, wenn der Winkel θ im Bereich von 69° bis 75° liegt. Und wenn der Winkel θ ungefähr 73° (Brewster-Winkel) beträgt, beträgt der Reflexionsgrad ungefähr 0,001 % oder weniger und geht unendlich nahe zu null.
  • Weil bei dem QCD 30U die Reflexion des Laserstrahls L2 auf die Lichteinfallsfläche 30a ausreichend unterdrückt werden kann, kann der Laserstrahl L2 effizient in den QCD 30U eingeführt werden. Dementsprechend kann ein Einfluss eines zusammengesetzten Resonators, der zwischen der Lichteinfallsfläche 30a und der ersten Lichtemissionsfläche 20a gebildet wird, auf die Intensität des von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittierten Laserstrahls L2 weiter unterdrückt werden. Der Laserstrahl L2 kann also zuverlässiger durch den QCD 30U absorbiert werden.
  • Weiterhin kann wie zum Beispiel in 11 gezeigt ein Quantenkaskadendetektor 30V (nachfolgend als „QCD 30V“ bezeichnet) auf der Fläche 2a des Substrats 2 anstelle des QCD 30 ausgebildet sein.
  • Der Aufbau des QCD 30V ist im Grunde gleich dem Aufbau des QCD 30 mit Ausnahme der Form der Lichteinfallsfläche 30a. Die Lichteinfallsfläche 30a umfasst ein Paar von ersten und zweiten flachen Flächen 30c und 30d, die symmetrisch in Bezug auf eine optische Achse LA des Laserstrahls L2 sind, der von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b emittiert wird. Die ersten und zweiten flachen Flächen 30c und 30d nähern sich aneinander an, je weiter sie sich von der zweiten Lichtemissionsfläche 20b erstrecken. Dementsprechend bilden die ersten und zweiten flachen Flächen 30c und 30d eine V-Form in einer Draufsicht.
  • Mit dem QCD 30V kann die Flächengröße der Lichteinfallsfläche 30a, auf die der Laserstrahl L2 einfallen kann, wesentlich vergrößert werden. Es wird davon ausgegangen, dass der Laserstrahl L2 wahrscheinlich in den QCD 30V eintritt, wenn die Reflexion des Laserstrahls L2 mehrere Male zwischen den ersten und zweiten flachen Flächen 30c und 30d, die eine V-Form bilden, wiederholt wird. Der QCD 30V kann also den Laserstrahl L2 unter Umständen effizienter empfangen als der QCD 30.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Paul Dean et al. „Terahertz imaging through self-mixing in a quantum cascade laser“ OPTICS LETTERS, Optical Society of America, 1. Juli 2011, Band 36, Nr. 13, Seiten 2587-2589 [0002]

Claims (11)

  1. Fluidanalysevorrichtung, umfassend: ein Substrat, einen Quantenkaskadenlaser, der auf einer Fläche des Substrats ausgebildet ist und eine erste Lichtemissionsfläche und eine zweite Lichtemissionsfläche, die einander in einer vorbestimmten Richtung parallel zu der Fläche zugewandt sind, umfasst, einen Quantenkaskadendetektor, der auf der Fläche ausgebildet ist, den gleichen Schichtaufbau wie der Quantenkaskadenlaser aufweist und eine der zweiten Lichtemissionsfläche in der vorbestimmten Richtung zugewandte Lichteinfallsfläche umfasst, und ein optisches Element, das in einem optischen Pfad des von der ersten Lichtemissionsfläche emittierten Lichts über einen Prüfungsbereich, in dem ein zu analysierendes Fluid vorzusehen ist, hinweg angeordnet ist und das Licht reflektiert, um das Licht zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückzuführen.
  2. Fluidanalysevorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein optischer Resonator zwischen der ersten Lichtemissionsfläche und der zweiten Lichtemissionsfläche gebildet wird.
  3. Fluidanalysevorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Quantenkaskadenlaser als ein in einem Mehrfachmodus oszillierendes Fabry-Perot-Element ausgebildet ist.
  4. Fluidanalysevorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Quantenkaskadenlaser als ein in einem Einfachmodus oszillierendes verteiltes Rückkopplungselement ausgebildet ist, und die Länge des optischen Pfads des Lichts von der ersten Lichtemissionsfläche bis zu dem optischen Element ein ganzzahliges Vielfaches der halben Oszillationswellenlänge des Quantenkaskadenlasers ist.
  5. Fluidanalysevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische Element ein Beugungsgitter ist, das das von der ersten Lichtemissionsfläche emittierte Licht beugt und reflektiert, wobei das Beugungsgitter betrieben wird, um, innerhalb des Lichts, Licht mit einer Wellenlänge in Entsprechung zu dem Einfallswinkel des Lichts zu reflektieren und das Licht mit der Wellenlänge zu der ersten Lichtemissionsfläche zurückzuführen, und wobei ein optischer Resonator zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche und dem Beugungsgitter gebildet wird.
  6. Fluidanalysevorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin umfasst: ein Beugungsgitter, das das von der ersten Lichtemissionsfläche emittierte Licht beugt und reflektiert, und einen Spiegel, der das durch das Beugungsgitter gebeugte und reflektierte Licht reflektiert, wobei der Spiegel betrieben wird, um innerhalb des Lichts, Licht mit einer Wellenlänge in Entsprechung zu dem Einfallswinkel des Lichts zu reflektieren und Licht mit der Wellenlänge zu der ersten Lichtemissionsfläche durch das Beugungsgitter zurückzuführen, wobei ein optischer Resonator zwischen der zweiten Lichtemissionsfläche und dem Spiegel gebildet wird, und wobei das optische Element in einem optischen Pfad eines reflektierten Lichts der Nullordnung des durch das Beugungsgitter reflektierten Lichts über den Prüfungsbereich, in dem das zu analysierende Fluid vorzusehen ist, angeordnet ist und das reflektierte Licht der Nullordnung reflektiert, um das zu der ersten Lichtemissionsfläche durch das Beugungsgitter zurückzuführen.
  7. Fluidanalysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Lichteinfallsfläche derart geneigt ist, dass sie eine Positionsbeziehung aufweist, in der ein spitzer Winkel zwischen der Lichteinfallsfläche und der zweiten Lichtemissionsfläche gebildet wird.
  8. Fluidanalysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Lichteinfallsfläche derart geneigt ist, dass sie eine Positionsbeziehung aufweist, in der ein spitzer Winkel zwischen der Lichteinfallsfläche und der zweiten Lichtemissionsfläche gebildet wird, und derart geneigt ist, dass sie einen rechten Winkel zusammen mit einer imaginären Ebene senkrecht zu der Fläche des Substrats und parallel zu der vorbestimmten Richtung bildet und einen Winkel von 45° oder mehr zusammen mit der Fläche des Substrats bildet.
  9. Fluidanalysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die weiterhin umfasst: eine Linse, die zwischen der ersten Lichtemissionsfläche und dem Prüfungsbereich angeordnet ist und das von der ersten Lichtemissionsfläche emittierte Licht kollimiert.
  10. Fluidanalysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die weiterhin umfasst: eine Mehrpfadzelle, die den Prüfungsbereich in der Mehrpfadzelle enthält.
  11. Fluidanalysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Quantenkaskadendetektor eine Lichtreflexionsfläche, die der Lichteinfallsfläche in der vorbestimmten Richtung zugewandt ist, enthält, und wobei ein Reflexionsfilm, der von der zweiten Lichtemissionsfläche emittiertes Licht reflektiert, auf der Lichtreflexionsfläche ausgebildet ist.
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