JP2000501831A - コンパクト・レーザ・ダイオード・モニタおよび方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 気体および半透明流体双方において個々の原子種および分子種の濃度を測定する第１のコンパクト・レーザ・ダイオード・モニタ（３０）は、サンプル（３４）の特定の原子種または分子種の第１の選択された電子項遷移を共鳴的に励起する出力を有する第１のダイオード・レーザ（３６）と、前記サンプル（３４）の前記特定の原子種または分子種の第２の選択された電子項遷移を共鳴的に励起する出力を有する第２のダイオード・レーザ（３８）とを含む。前記第１および第２の周波数出力間の差は、特定の原子種または分子種の振動エネルギ・レベル出力に等しい。更に、選択された原子種または分子種に、第１の周波数出力から第２の周波数出力を減じたものの２倍に等しい周波数を有するコヒーレント光子信号を、選択された方向に放出させるように選択された運動量ベクトルを用いて、前記第１および第２の周波数出力を、同時に前記サンプル（３４）内に導入する。放出されたコヒーレント光子信号を受け取り、放出されたコヒーレント光子信号を分光的に分析する検出器（７４）を備える。

Description

【発明の詳細な説明】 コンパクト・レーザ・ダイオード・モニタおよび方法 本発明は、一般的に、論理的時間および波長分光分析を利用した、原子種(ato mic species)および分子種(molecular species)の散乱および蛍光機構の光学的 検査装置および方法に関する。更に特定すれば、本発明は、気体および半透明液 体双方における個々の原子種および分子種の濃度を測定するための、コンパクト ・レーザ・ダイオード・モニタを対象とするものである。 少量の個々の原予種および分子種の濃度検出および測定は、多数の国家的およ び産業的な用途を含む。監督官庁(regulatory agency)は、例えば、自然および 人工双方の毒性化学物質の監視のような、多くの非軍事的目的のために、本発明 の分野に重大な関心を有している。もちろん、軍事的用途は、兵器の拡散および 使用に関連するので、核、化学的、および生物学的環境の監視を含む。 本発明は、更に、石油精製所における毒性物質の放出判定、毒性物質の品質制 御が最も重要な半導体業界、紙パルプ業界における有機および硫黄毒性化学物質 の監視のように、大多数の業界において、商業的用途を見いだすことができる。 加えて、かかるモニタを用いれば、自動車エンジン、単一段航空機タービン、お よび発電用多段タービンの効率改善に役立てることができる。 これまで、研究者は、光媒体の吸着、散乱、再放出を利用して、媒体内の原子 分子成分の同定(identity)を決定していた。しかしながら、これらの開発は、全 てではないにしても、その殆どは、非常に高価で大型の機器の使用を伴うため、 前述の多数の用途では、その使用が阻まれている。 ラマン分光法(Raman spectroscopy)およびレーザ蛍光について記載する多くの 優れた基本的な文献が今日では存在する。例えば、"Practical Raman Spectrosc opy",Gardianer および Graves,1989,Springer-Verlag,Berlin および New York ,"Analytical Raman Spectroscopy",Grasselli および Bulkin,1991,Chemical A nalysis の第１１４巻,John Wiley ＆ Sons,Inc.,New York，ならびに"Topics o f Fluorescent Spectroscopy",Lakowcz,1991,Plenum Press,New York,第Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ巻がある。これらの参考文献は全て、ラマン散乱の未 知サンプルにおける分子結合の分析に対する応用についての概要を示す目的のた めに、その全体が本願にも含まれるものとする。 本発明は、ラマンおよび蛍光機構を分離し、原子種および分子種の低い濃度を 識別し検出する方法および装置を提供する。例えば、本発明は、多くの大気種(a tmospheric species)の背景に対する低濃度の汚染物質を検出するために用いる ことができる。この場合、大気種の分圧および大気混成物(atmospheric mixture )は、その大きさが４ないし９倍も大きい。 発明の概要 本発明の方法および装置は、以下で更に詳細に説明するように、特定の原子種 または分子種の選択された電子項遷移(electronic transition)と共鳴する周波 数を有する２つのレーザ・ダイオードを利用する。これらレーザ・ダイオードの 少なくとも一方は、同調可能であり、選択された振動エネルギ・レベル差と等し い差が、レーザの周波数間に確立され、放出される信号が、単一の平行方向にコ ヒーレントに現れるようにしなければならない。 更に特定すれば、気体および半透明流体双方において個々の原子種および分子 種の濃度を測定するための、本発明によるコンパクト・レーザ・ダイオード・モ ニタは、概略的に、サンプルの特定の原子種または分子種の第１の選択された電 子項遷移を励起する手段を与える第１のレーザ・ダイオードを含む。この場合、 第１のレーザは、第１の選択された電子項遷移と共鳴(resonant)する第１の周波 数出力を有する。 重要なのは、第２のダイオード・レーザが、前述のサンプルの特定の原子種お よび分子種の第２の選択された電子項遷移を励起する手段を与え、第２のレーザ が、第２の選択された電子項遷移と共鳴する第２の周波数出力を有することであ る。最も重要なのは、第１および第２の周波数出力の差が、特定の原子種または 分子種の振動エネルギ・レベル差に等しいことである。 前述の選択された原子種または分子種に、第１の周波数出力から前記第２の周 波数出力を減じたものの２倍に等しい周波数を有するコヒーレント光子信号を選 択された方向に放出させるように選択された運動量ベクトルを用いて、レーザか らの第１および第２の周波数出力を同時にサンプル内に導入する手段を備える。 更に、放出されたコヒーレント光子信号を検出し、これを分光的に分析する手段 も備える。 更に特定すれば、第１および第２周波数出力をサンプル内に導入する手段は、 第１および第２周波数出力をサンプル内に収束させるレンズ・システムを含み、 ミラー構造が、サンプルを通過した第１および第２周波数出力を、選択された回 数だけ、例えば、少なくとも１００回までまたはそれ以上、サンプルに再入射さ せる手段を与える。 重要なのは、前述のミラー構成において、レンズ・システムが互いに１０セン チメートル以下だけ離間されており、約１，０００ｃｃ以下の体積および１キロ グラム未満の質量を有する光学系の構築を可能とする。これについては、以下で 更に詳しく説明する。 加えて、光学手段を備え、サンプルと放出信号を検出する手段との間に配置し て、サンプルによって発生される背景の蛍光信号を減少させるようにしてもよい 。これは、放出されたコヒーレント光子信号を検出する手段に入射する蛍光信号 の量を減少させることによって達成する。 更に一層特定すれば、放出された光子信号を検出する手段が、同調可能な波長 フィルタを含んでもよく、これは熱を加えることによって同調可能なものとする とよい。この点について、同調可能波長フィルタは、２枚の離間した平面平行プ レートを有し、これらのプレートの間に有機化学物質が配されたファブリ・ペロ ー素子から成るものとするとよい。 以下で更に詳細に論ずるが、用いる有機化学物質は、温度による屈折率変化率 、更に具体的には、温度の上昇に伴って低下する屈折率を有することが好ましい 。 あるいは、同調可能な波長フィルタは、温度による屈折率変化率を有する固体 の無機物質から成るものとしてもよい。本発明の一実施形態では、同調可能な波 長フィルタからの出力を受け取るように配置され、ファブリ・ペロー出力内の縞 を選択し検出する手段を含んでもよい。 更に特定すれば、放出されたコヒーレント光子信号を検出する手段は、選択さ れた縞を受け取り、それに対応する電気信号を生成する検出アレイを含んでもよ い。 一実施形態では、放出されたコヒーレント光子信号を検出する手段は、ファブ リ・ぺロー素子から出力される、単一次数のフリンジを分離する広帯域フィルタ を含んでもよい。具体的には、広帯域フィルタは、音響光学的同調可能フィルタ から成るものとするとよい。 更に、本発明によれば、気体および半透明流体双方において個々の原子種およ び分子種の濃度を比較するための、コンパクト・レーザ・モニタを提供すること も可能である。 この場合、第１のレーザ・ダイオードが、サンプルおよび標準の特定の原子種 または分子種の、第１の選択された電子項遷移を励起する第１のダイオード・レ ーザ手段を与える。第１のレーザは、前記第１の選択された電子項遷移と共鳴す る第１の周波数出力を有する。加えて、第２のダイオード・レーザを用いて、前 述のサンプルおよび標準の特定の原子種または分子種の第２の選択された電子項 遷移を励起する第２のダイオード・レーザ手段を与える。第２のレーザは、第２ の選択された電子項遷移と共鳴する第２の周波数出力を有する。第１および第２ の周波数出力間の差は、特定の原子種または分子種の振動エネルギ・レベル差に 等しい。 加えて、前述のサンプルおよび標準内で選択された原子種または分子種に、第 １の周波数出力から第２の周波数出力を減じたものの２倍に等しい周波数を有す るコヒーレント光子信号を、選択された方向に放出させるように選択された運動 量ベクトルを用いて、第１および第２の周波数出力を同時にサンプルおよび標準 内に導入する手段を備える。また、放出されたコヒーレント信号を検出し、それ らを比較する手段も備える。 気体および半透明流体双方において個々の原子種および分子種の濃度を監視す るための、本発明による方法は、特定の原子種または分子種の第１の選択された 電子項遷移と共鳴する周波数を有する第１のレーザを、特定の原子種または分子 種から成るサンプルに導入するステップを含む。 同時に、第２のレーザをサンプルに導入し、選択された原子種または分子種に 、選択された方向にコヒーレント光子信号を放出させ、放出されたコヒーレント 光子信号を検出する。 図面の簡単な説明 本発明の利点および特徴は、添付図面との関連において、以下の説明を検討す ることによって、よりよく理解されよう。 図１は、本発明の機構を記述する範囲における、原子種および分子種の簡略エ ネルギ・レベル図である。 図２は、本発明の一実施形態のブロック図である。 図３は、本発明の、特に、そのコンパクトな光学系の特徴、および蛍光のよう な背景放出光からのコヒーレントなラマン信号の特徴について、本発明を詳細に 説明する図である。 詳細な説明 図１は、仮説的な原子種または分子種の簡略エネルギ・レベル図である。図１ のエネルギ・レベル図によって表される原子種または分子種、即ち、媒体には、 振動エネルギ・レベルを励起する周波数範囲のエネルギが照射される。種々のタ イプのレイリーおよびラマン散乱が発生し、放出されるラマン・スペクトル(Ram an spectrun)を分光的に分析し、その媒体を識別することができる。 図１は、種々の散乱機構媒体(scattering mechanism medium)を記述するのに 有用である。図１において、ｖ”は、図示の原子種または分子種の基底振動レベ ル(ground vibrational level)を表す。最初の励起振動エネルギ・レベルを、線 ｖ’で識別する。これらの振動エネルギ・レベルの差、Δｖ＝ｖ’−ｖ”は、各 分子に特定的なものである。ストークス共鳴散乱（ＳＲＳ：Stokes resonancesc attering）は、媒体が周波数ｖ_eを照射されると発生する。 これは、媒体の電子状態を、破線１０で示す仮想連続レベルに励起させる。散 乱放射として、異なる周波数のエネルギを放出する。この周波数をｖ_sとする。 これは、通常のラマン散乱減少を記述するものであり、媒体に周波数ｖ_eを照射 する１つのレーザを用いる。 例示の目的のために、レイリー散乱（ＲＡＳ）も図１に示す。この機構では、 吸収されたレーザ周波数ｖ_eによって、仮想連続レベル１０への電子項遷移が発 生する。しかしながら、放出光は、同じ周波数ｖ’_sにおいて発生する。したが って、ラマン散乱は、レイリー散乱とは散乱光の周波数が異なる。レイリー散乱 は、非散乱光と同じ周波数の散乱光を生成し、図１には示されていないが、確定 した位相関係を維持する。 図１に示すストークス・ローマン散乱では、散乱は非コヒーレントであり、位 相がランダムに変化する。 吸収エネルギｖ’_eが仮想連続レベル１０への遷移を生ずるとき、反ストーク ス・ラマン散乱（ＡＲＳ：anti-Stokes Raman scattering）として知られている 、別のスペクトル線集合が発生し、その後に放出される散乱光子ｖ”_sは、エネ ルギが吸収光よりも上回る。これは、図１に、「反ストークス」という見出しで 示されている。 典型的に、基底状態が安定であり、通常、より高い母集団分数(populationfra ctions)を有するので、ストークス線の方が強い。ストークス、反ストークスお よびレイリー散乱に対する断面積は全て、実験に用いられるレーザ周波数の４乗 として増加することは公知である。しかしながら、分析者にとっては不幸なこと に、ラマン散乱は、近赤外線（１，０００ｎｍ）では、レーザ蛍光よりも約８百 万分の１と、確率が大幅に低い（典型的な断面積は、それぞれ、１０^-29ｃｍ²お よび１０^-19ｃｍ²である）。 これらの波長では、電子項遷移および振動的遷移で蛍光を発する分子の分量(f raction)は、スペクトルの中で最低である。ＵＶ、可視、ＩＲ等他の波長の多く では、単純な媒体における各分子の非常に強力なレーザ蛍光が、多数の異なる波 長において、複雑なスペクトル線の集合を形成する。したがって、多くの分子に よるサンプル・スペクトルは、多くの場合、複雑で混成されたスペクトルを有し 、レーザに加えて高い解像度の分光分析を必要とする。更に、レイリー散乱は、 約１０^-25ｃｍ²の断面積、およびレーザ周波数において、それ自体の背景ノイズ を発生する。 したがって、レイリー散乱および蛍光は双方共、放出スペクトルを混成(conta mination)する。蛍光の混成は、赤外線範囲（３，０００〜３０，０００ｎｍ） のダイオード・レーザ波長において最も緩いが、双方共ＵＶ範囲（４０〜４００ ｎｍ）では非常に厳しい。これらの波長では、ほとんどの分子がそれらの基本振 動帯域（赤外線）または電子項遷移（ＵＶ）のいずれかを有する。先に注記した ように、本発明は、上述の背景混成に対する、低濃度の特定の原子種および分子 種の検出を可能にするものである。 他の一般的なラマン散乱技法に、特定の分子の電子項遷移のエネルギ・レベル 差に正確に対応する周波数を有するレーザを利用するものがある。分子の各電子 項遷移は、図１の線１４，１６で表される、多くの振動および回転サブバンドを 有する。したがって、ＮＯ₂またはＯ₃のような適切な分子が可視電子状態(visib leelectronic state)を有するのであれば、発生し得る二次的遷移(subtransitio n)の１つが、可視または近赤外線レーザ周波数と一致する可能性がある。 この共鳴ラマン技法によって、オフ共鳴レーザ周波数において、ストークスお よび反ストークス散乱よりも１０，０００倍強力な（１０^-24ｃｍ²）断面積が得 られる。この技法は、Ｎ₂，Ｏ₂，Ｈ₂Ｏ，およびＣＯ₂のような豊富な大気種の存 在の中で、ｐｐｂ単位のＮＯ₂の検出を可能にする。 他の公知技法に、ハイパー・ラマン効果(hyper Raman effect)として知られて いるものがある。これは、ラマン散乱技法の一種でレーザを２つ用いるものであ り、同じ分子に対して、ラマン断面積を蛍光のそれよりも更に強化する。この技 法は、ストークス形態ではＣＳＲＳとして、反ストークス形態ではＣＡＲＳとし て知られている。これは、先に論じた共鳴ラマン散乱（ＲＲＳ）に対して、コヒ ーレント・ラマン散乱（ＣＲＳ：coherent Raman scattering）を表す。 この技法では、２つのＣＲＳレーザ技法間の差を、研究のために選択された各 分子の振動的エネルギ・レベル差に正確に等しくしなければならない。２つのレ ーザ周波数間の差のみが、ＣＡＲＳおよびＣＳＲＳ双方にとって重大である。更 に、この技法では、レーザの一方は、典型的に、パルス駆動されサンプルに対す る瞬時的なパワー強度を増大させる。この技法では、主要なハイパー・ラマン散 乱光は、第１のレーザの周波数から第２のレーザの周波数を減じたものの２倍に 等しい周波数において表れる。 本発明は、１対の正確に同調させたレーザを用いて、光学的に増強したラマン 散乱断面積を与える。図２に示すように、第１のレーザ３６は、対象とする分子 の電子項遷移と正確に共鳴する周波数を有する。ＣＳＲＳおよびＣＡＲＳ技法に おいて述べたように、第２のレーザ３８は、第１のレーザ２０とは周波数が異な っている。したがって、周波数差は、分子振動エネルギ差に等しい。 更に、本発明では、レーザ２０，２２は、各分子のエネルギ・バンド図に正確 に同調させることによって、光学的に増強したラマン散乱断面積を与えるように した。 その結果、放出信号はコヒーレントとなり、選択された方向に向かう。 通常のラマン散乱では、運動量集中度(momentum concentration)は、以下のベ クトル式で表される。 Ｋｓ＝Ｋｅ−Ｋａ このベクトル式は、３つのスカラー式を表し、各々三次元の１つを表している。 単一のレーザのベクトル運動量はＫｅであり、分子のベクトル運動量はＫａであ る。 Ｋａの絶対値は、図１上に与えられたもののΔｖの振動エネルギ差に等しい。 散乱からの信号光子は、ベクトルＫｓで表されている。 このべクトル式では、唯一でない解も可能である。何故なら、５つの未知数、 即ち、ｒ_s、θ_s、φ_s、θ_a、およびφ_aに対して、スカラー式は３つのみである からである。ここで、θ_sおよびφ_sは、分子のベクトル運動量を定義する角度で あり、θ_aおよびφ_aは分子のベクトル運動量を定義する角度であり、ｒ_sは信号 ベクトルの値である。結果的に、通常のラマン散乱では、信号は、平行化ビーム 状にコヒーレントに表れるのではなく、広い円錐状に非コヒーレントに表れる。 一方、本発明によれば、２つのレーザを使用することにより、分子運動量ベク トルＫａとの２回の光子運動量交換(photon momentum exchange)Ｋｅが得られ る。これらの交換は、散乱ビームが、以下の式で定義されるものとして表れる固 定角度を決定する。 Ｋｐ＝Ｋｅ−Ｋａ ここで、 Ｋａ＝Ｋｅ−Ｋｃ である。 したがって、双方のベクトルＫｅおよびＫｃは、以下で述べるように、光学系 の幾何学的形状で決定されるので、放出光子Ｋｐのベクトルが定義される。 その結果、ベクトルＫｐによって定義される放出光子信号は、θ_pおよびφ_pに よって定義される方向に放出される、コヒーレントなビームとなる。正規のラマ ン散乱とは対照的に、ビームは既知の方向に放出されるので、適正な光学的設計 を用いれば、捕獲可能な散乱光子の分量を増加させることができる。これについ ては、図３との関連において以下で論ずる。 ここで図２に戻る。気体および半透明流体双方における個々の原子種および分 子種の濃度を測定し比較する、コンパクト・レーザ・ダイオード・モニタ３０を 、ブロック図形態で示す。 図２に示すモニタは、既知の即ち標準的なサンプル３２の照射を未知の試料即 ちサンプル３４の照射と比較するという事実を特徴とするものであるが、本装置 は、基準３２なしでも、サンプル３４における中性種の濃度測定および／または 検出に利用可能であることは認められよう。構成要素の説明における冗長性をな くすために、標準３２なしで本発明を用いる際の説明は、別個には行わない。し かしながら、本明細書は、本発明の特徴および構成要素の全てが図２に示されて いるので、かかる実施形態全てを含むことを意図するものである。 本発明によれば、コンパクト・レーザ・ダイオード・モニタ３０は、概略的に 、サンプル３４および標準３２の特定の原子種または分子種の第１の選択された 電子項遷移を励起する手段を与える、第１のダイオード・レーザ３６を含む。以 下で更に詳しく論ずるが、第１のレーザ３６は、第１の選択された電子項遷移と 共鳴する、第１の周波数出力を有する。 また、サンプル３４および標準３２の分子種の前述の特定のサンプルの第２の 選択された電子項遷移を励起する手段を与える、第２のダイオード・レーザ３８ も備えている。第２のレーザ３８は、第２の選択された電子項遷移と共鳴する第 ２の周波数出力を与え、先に注記したように、第１および第２の周波数出力間の 差は、前述の特定の原子種または分子種の振動エネルギ・レベル差に等しい。 レーザ・ダイオード３６，３８には、パワーが少なくとも０．５ワットのもの が、商業的に入手可能であり、先に述べた第１および第２の選択された電子項遷 移の共鳴励起のための各周波数出力に基づいて選択される。当然、波長の選択は 、考慮対象の原子種または分子種に適した周波数差を有するように、行わなけれ ばならない。 一例として、本発明に適した、ハイ・パワーＡｌＧａＩｎＡｓレーザ・ダイオ ード（ＬＤ）対を、表１に明示するが、ここに示唆する対が、適切なレーザの限 定を意図するものではない。 レーザ・ダイオード３６，３８の波長は、表１に明示したＣＡＲＳ信号の波長 を決定する。何故なら、図１から、信号波長λ_pは以下の式で表されるからであ る。 λ_p＝１／ω_p ここで、ω_p＝２ω_e−ω_e,ならびにｘ＝ｅおよびｃについて、 ω_x＝ｖ_xｃ／ｎ（空気） ここでは、ω_eぉよびω_cは、表１のレーザλ_eおよびλ_cの波数であり、対応する ｖ_e−ｖ_cは、図１の周波数であり、ｃは真空における光速であり、ｎ（空気）は 、空気の屈折率である。 また、レーザ・ダイオード３６，３８の選択は、光源の背景蛍光を最小に抑え ることも考慮して行わなければならない。 選択されたレーザ３６，３８は、従来のヒート・シンク４２，４４によって支 持され、必要に応じて、本発明によって選択された、小形化に適した質量および コストの電源４６による給電を受ける。 レンズ４８およびミラー５０の組み合わせにより、レーザ・ビームを平行化し 、同一のレーザ・ダイオード・ビームを形成し、図２に示す、標準サンプル３２ および未知サンプル３４に向けて送出する手段が備えられる。先に注記したよう に、本発明によるモニタが、標準サンプル３２なしで用いられる場合、レンズ４ ８およびミラー５０は、レーザ・ビーム５４，５６を平行化し、検査対象サンプ ル３４に向けてのみ送出するように選択され、配置される。 以下で更に詳しく論ずるが、入射レーザ・ビームの有効断面積を拡大する、即 ち、より大きな有効断面積を形成するために、ホワイト・セル６２，６４が、サ ンプル６４、サンプル６２を通過した第１および第２周波数出力を、選択された 回数だけサンプル３４および標準３２に再入射させる手段を与える。移動距離を ２ｃｍとして、約５０回ビームがサンプル３４および標準３２に再入射した場合 、全長１００ｃｍの経路を得ることができる。しかしながら、少なくとも１００ 回以上の繰り返し(pass)を使用する場合もあることが予測される。 光学部材６８，７０は、ホワイト・セル６２，６４からの散乱信号を捕獲する 手段を与える。これについては、以下で更に詳しく論ずる。この点について、光 学部材６８，７０には、楕円形ミラーが好ましい。何故なら、これらは大きな立 体角を有することができるからである。 図２において概略的に破線で示すように、そして以下で更に詳しく論ずるよう に、放出コヒーレント光子信号を検出し、この放出コヒーレント光子信号を分光 的に分析する手段７４を備える。この分析は、サンプル３４および標準３２双方 からのコヒーレント光子信号の比較を含むことができる。 検出手段７４は、概略的に、レンズ７６，７８、ファブリ・ペロー・フィルタ ８２，８４、広帯域フィルタ９０，９２、および検出器９６，９８のような、分 光分析用平行化および捕獲光学系を含むものとすることができる。 以下で更に詳しく提示するが、ファブリ・ペロー・制御システム１０２，１０ ４が、以下で論ずる、ファブリ・ペロー・フィルタまたはそれに代わる音響光学 的同調可能フィルタ（ＡＯＴＦ：acoustic-optic tunable filter）の熱電気的 温度制御を行う。 検出器９６，９８には、従来の制御電子電源１０６，１０８が、検出器９６， ９８の出力のための増幅器１１２と共に備えられている。検出器９６，９８の出 力は、データ・プロセッサ１１４に結合され、図１１８によって表されるような 、電気信号および対応する光学出力を生成することができる。 次に、図３に移ると、本発明によるコンパクト・レーザ・ダイオード・モニタ が、一層概略的な形式で示されており、明確化の目的のために、未知サンプル３ ４に２本のレーザ・ビームを方向付ける１つのチャネルが示されている。図２お よび図３における参照番号は、モニタ３０の同様または同一の構成要素を表すこ とは認められよう。 図３には、第１および第２周波数出力５４，５６をサンプル３４上に収束させ る手段を与えるレンズ１２２，１２４が表されている。 既に論じたように、ミラー１２６，１２８，１３０，１３２は、第１および第 ２の周波数出力５４，５６が、ミラー１２６，１３２および１２８，１３０間の ２ｃｍの間隔にわたって、サンプル３４を通過し、選択された回数、例えば、５ ０回サンプルに再度入射するように配置されている。 本発明にしたがって、入射ビーム５４，５６のために、効果的に所望のラマン 断面積の拡張を図るためには、約１００回まで、またはそれ以上の繰り返しを用 いる場合があるが、この繰り返される横断は、明確化のために、図面には示され ていない。 レンズ１２２，１２４およびミラー１２６，１２８，１３０，１３２の角度位 置を適切に決めることによって、先に定義した、レーザ・ビーム５４，５６に関 連するレーザ運動量ベクトルＫｅおよびＫｃの定義が可能となる。これらは、図 ３に示すように、コヒーレントな光子信号１３４の放出を選択された方向に行わ せる。更に特定すれば、レーザ・ビーム５４，５６に関連する運動量ベクトルＫ_e およびはＫ_c、以下のように計算することができる。 ＣＡＲＳ散乱光運動量ベクトルＫｐは、３つの直交成分に比例する。 Ｋ_p＝（＋ω_pｓｉｎθ_pｃｏｓφ_p，ω_pｓｉｎθ_pｓｉｎφ_p，ω_pｃｏｓθ_p） したがって、Ｅ_p＝Ｐ_p ^cとなり、ここで、光子エネルギＥ_pおよび運動量Ｅ_p＝運 動量Ｐ_p＝ｈ／２_p＝ｈω_p，ｈ＝８頁の式からのプランク定数であり、Ｋ_p＝２Ｋ_e −Ｋ_cが得られる。 Ｋ_p＝（２ω_eｓｉｎθ_eｃｏｎφ_e−ω_cｓｉｎθ_cｃｏｓφ_c, ２ω_eｓｉｎθ_eｓｉｎθ_e−ω_cｓｉｎθ_cｓｉｎφ_c, ２ω_eｃｏｓθ_e−ω_cｃｏｓθ_c） ω_e，ω_c，θ_e，φ_e，θ_cおよびφ_cは、ＣＡＲＳホワイト・セルの設計によっ て決められるので、上述のＫｐベクトルの３番目の成分を用いて、ｃｏｓθおよ びｓｉｎθ_pを計算することができる。次に、この同じベクトルの最初の成分お よび２番目の成分を用いて、ｓｉｎφ_pおよびｃｏｓφ_pを計算することができる 。ω_p＝２ω_e−ω_cであるので、このベクトルは完全に決定される。 本発明のこの特徴は、放出信号の背景ノイズからの分離において、重要な利点 が得られる。即ち、背景ノイズはサンプルからランダムに放出されるので、特定 の方向に向かうコヒーレント信号の生成によって、多大な幾何学的な利点が得ら れる。ＣＡＲＳ光は、角度θ_pおよびφ_pにおいてのみ表れる。したがって、検出 レンズは、この光を、検出器の小さな点に集中させることができる。同時に、蛍 光信号が、全ての角度で表れ、光学系によって分散される。 更に、放出信号を光学手段１３８に通過させることによって、ランダムに送出 される背景に対して放出信号１３の一層の強調が得られる。光学手段１３８は、 スリット１４０，１４２、レンズ１４４，１４６、およびスリット１４８を含む ものとすることができ、これらは全て従来通りに配列され、ランダムに発生する 背景ノイズから、放出信号１３４を光学的に分離する。 図３に示すように、放出コヒーレント光子信号１３４を検出する手段７４は、 分光分析器を含む。これは、先に簡単に説明した、ファブリ・ペロー・フィルタ ８２、またはＺｎＳｅプリズム（ＺＳＰ）、あるいは、限定する訳ではないが、 例えば、Ｏ₂結晶(Ｏ₂crystal)で作られた、音響光学フィルタ即ち同調可能フィ ルタ（ＡＯＴＦ）とすることができる。これらのフィルタは、検出レンズによる ＣＡＲ信号の合焦特性を乱すものではない。 ファブリ・ペローとは、一般的にはエタロン(etalon)と呼ばれる、２枚のコー ティングを施した、平面で平行度が高いプレート１５４，１５６から成る、マル チ・バンドパス・スペクトル・デバイスのことである。ファブリ・ペロー１５２ によって透過される波長は、以下に示す次数ｍの関数である。 ｍλ＝２ｎｈｃｏｓθ ここで、λは波長、ｎはエタロン間にある媒体の屈折率、ｈはエタロンの分離度 、θは入力信号および光学的アクセス間の角度である。次数が１の場合、以下の 式で示すエタロンの自由構造範囲Δλ（ＦＳＲ：free structural range）によ って与えられる、狭い帯域の波長を分離する。 Δλ（ＦＳＲ）＝λ²／２ｎｈ ファブリ・ペロー１５２は、非常に狭い波長フィルタであり、先に明示した式 で示される波長のみを透過させる。マルチパス・フィルタの幅は、直前に示した 式を細度(fineness)と呼ばれる量Ｆで除算することによって得られる。Ｆは通常 約３０である。また、フィルタ１５２は、屈折率ｎ、またはｈ即ちエタロン１５ ４，１５６間の空間のいずれかを変化させることによって、同調が可能である。 ファブリ・ペローのエタロン１５４，１５６の間隔は、エタロン１５４，１５ ６間にある物質の屈折率に応じて、約４ｃｍ−１の自由スペクトル範囲即ち約１ ００ＧＨｚに対応して、約０．１ｃｍとすればよい。この解像度は、プレートの 細度が約２５の場合、５４０ｎｍにおける約０．００４ｎｍ、または、８６０ｎ ｍにおける約０．０１２ｎｍの波長解像度と等価である。 本発明によれば、プレート１５４，１５６間に配される有機的液体の使用によ って、ファブリ・ペローを効果的に同調させる。屈折率変化率温度(index ofref raction change rate temperature)を有する有機化学物質、摂氏数度のプレー トおよび有機的液体の温度変化、および低パワーの熱電気（ＴＥ:thermoelectri c）装置の使用により、移動部品即ち圧電クリスタルを用いずに、ファブリ・ペ ロー・キャビティを均一に同調させることができる。 例えば、エタノール、アセトンおよびその他の多くの有機化学物質は、２０℃ の温度で、少なくとも−０．００４２／℃の屈折率変化率を有する。この液体の 温度変化は、温度が６℃のみで波長が７００ｎｍの場合に、エタロン・プレート １５４，１５６間で、１自由スペクトル範囲全体（約２ｎｍまたは１次数）にわ たって波長を変化させることになる。動作に必要な温度は、以下の式から求める ことができる。 Δλ（δＴ）＝２（（ｎ）Ｔ１−ｎ（Ｔ２）（ｈ（Ｔ１））−ｈ（Ｔ２））ｃ ｏｓθ／ｍ いずれの波長λにおいても、プレートの自由スペクトル範囲Δλ（ＦＳＲ）は 、以下の式で示される。 Δλ（ＦＳＲ）＝λ²／２ｍｎ（Ｔ１）ｈ（Ｔ１）ｃｏｓθ Δλ（δＴ）＞δλ（ＦＳＲ）であることが必要である。これらの式において 、ｍは干渉縞の次数であり、ｎ（Ｔ）は温度Ｔにおける有機的液体の屈折率であ り、ｈ（Ｔ）は、温度と共に変化する、ファブリ・ペロー・プレート１５４，１ ５６間の間隔であり、θは入射光およびプレートの光軸間の角度である。 プレートの間に配される液体は、その屈折率が温度の上昇に伴って低下するも のを選択する。このようにするのは、プレート１５４，１５６間の分離ｔは、温 度によってわずかしか増加しないからである。融解シリカの熱膨張率は約１０（ −７）ｃｍ／ｃｍ℃である。温度の上昇によってシリコンが膨張し、プレート間 の分離が減少するので、プレート間の分離の変化は小さく、同調には効果的であ る。 ファブリ・ペロー・プレートは寸法が小さく、例えば、３ｃｍｘ２ｃｍ程度な ので、質量が小さく、数秒間でプレート１５４，１５６を１自由スペクトル範囲 において同調させるには、約１５ワットのパワーを有する熱電気式冷却機１６０ で十分である。熱電気的冷却機１６０は、従来の設計のものでよく、図２および 図３に示すように、電源１０２によって制御することができる。 同調可能な波長フィルタの他の選択肢として、例えば、ＺｎＳ，ＡｇＧａＳ₂, ＬｉＩＯ₃，ＧＢＯ，ＡＤＰおよびＫＮ₆Ｏ₃のような熱電気光学係数(thermoelec tric optical coefficient)が高い物質を、エタロン１５４に用いることがあげ られる。かかる固体無機物質の屈折率は、約２０℃の温度で急激に変化する。こ れらの結晶は、CSK Optronics社またはSkytek Corporationから入手可能である 。 前述の物質の殆どは、１０℃未満の温度変化で、１自由スペクトル範囲にわた る同調が可能である。この温度範囲は、電源１０２を通じて、熱電気的装置によ って容易に達成される。電源１０２は、勿論、コンピュータ制御とすることがで きる。シリコン・サーミスタを用いて０．０１℃の精度で、温度を監視すること ができ、この場合、１自由スペクトル範囲だけファブリ・ペロー１５２を同調さ せるために必要な温度変化は、次の通りである。 ΔＴ＝ｎ（ｄλ／λ）_FSR／（ｄｎ／ｄＴ＋ｎ（ｄｈ／ｄＴ）） ここで、（ｄλ／λ）_FSRはファブリ・ペロー・エタロンの自由スペクトル範囲 ＝λ／２ｎｈ、ｄｎ／ｄＴはエタロンの材料の熱光学係数、ｎはエタロンの材料 の屈折率、（ｄｈ／ｄＴ）は熱膨張係数である。適切なファブリ・ペロー・フィ ルタは、Melles Griot社またはBurleigh Instruments社から入手可能である。 あるいは、波数に対してほぼ一定である約４０ｃｍ^-1のバンドバスを有する高 解像度の音響光学的に同調可能なフィルタを用いてもよい。かかるＡＯＴフィル タは、メリーランド州バルチモアの Brimose 社から入手可能であり、選択した プレート間分離に完全に一致する。適切なＡＯＴＦは、ファブリ・ペロー・プレ ート１５４，１５６と同様に、１／λ²として、波長と共に増減するバンドパス を有する。 広帯域フィルタ９０は、ＡＯＦＴまたは１つ以上のＺｎＳｅプリズム１６６， １６８としてもよい。２つ以上のプリズム１６６，１６８を組み合わせて(intan dem)用い、ファブリ・ペロー１５２によって放出される単一値ｍ、即ち、次数の 干渉縞（図示せず）を分離することも可能である。適切なプリズム１６６，１６ ８は、II-VI Corporation から入手可能であり、それらの高スペクトル分散ｄｎ ／ｄλに、その主要な利点がある。かかるプリズムの他の利点は、同時に多くの 次数ｍのファブリ・ペロー・プレート１５４，１５６の観察を可能にする機 能を有することである。あるいは、プリズム１６６，１６８の代わりに、ＡＯＴ Ｆを用いてもよい。しかしながら、これらはＺｎＳｅプリズム程経済的ではない 。 プリズム１６６，１６８に関して、逆スペクトル分散率(reciprocal spectral dispersion)ｄｙ／ｄλは、以下の式で示される。 ｄｙ（ＺＳＰ）／ｄλ＝Ｆ_m（ｄｎ／ｄλ）Ｂ／ｂ ここで、Ｆ_mは単位がｃｍの捕獲用レンズの焦点距離であり、Ｂはプリズムの波 長であり、ｂはプリズムの前而に入射するビームの開放アパーチャ(openapertur e)である。 適切なプリズム１６６，１６８は、その底辺対アパーチャ比Ｂ／ｂが１．７２ である。この比は、二等辺（６０゜）プリズムを示唆し、ファブリ・ペロー・エ タロンのアパーチャに対応するためには、ｂ＝２ｃｍであることも要求する。Ｚ ｎＳｅの差分屈折率ｄｎ／ｄλは、０．５４ミクロンにおける０．９９４／ミク ロンから、０．７４ミクロンにおける０．３８６／ミクロンまで変化する。この 変化によって、ＺｎＳｅプリズムの逆分散率は、０．５４ミクロンにおいて約１ １１ミクロン／ｎｍ、０．７４ミクロンにおいて約８４ミクロン／ｎｍとなる。 この逆分散率を計算するために、検出捕獲用レンズの焦点距離Ｆ_mはわずか６ｃ ｍであると仮定する。 次数１におけるファブリ・ペロー逆スペクトル分散率は、以下の式で計算する ことができる。 ｄｙ（ＦＰ）／ｄｍ=Ｆ_mｔａｎθ₂ ここで、θ₂＝ａｒｃ ｃｏｓ（（ｍ−１）ｃｏｓθ₁／ｍ）、およびｍは（２ａ ）またはｃｏｓθ₁＝１の場合ｍ＝２ｎｔ／λで与えられる。ｃｏｓθ₁＝１（中 央の縞の場合）とすると、次の縞までの直線距離は、０．５６ミクロンにおいて 約０．３２ｃｍであり、０．７４ミクロンにおいて約０．３６ｃｍである。これ らの結果は、エタロンの細度が３０の場合、空間解像度要素(spatialresolution element)が約１００ミクロンであることを暗示する。 この数値は、ナノメートル当たりのＺｎＳｅプリズム１６６，１６８のスペク トル分散に非常によく一致する。プリズム１６６，１６８およびエタロン１５４ ，１５６間の分散関係は、単に９０゜回転させるだけで、ｔａ２５６要素線型ア レ イ・ダイオード（ＬＡＤ）検出器（図示せず）が、高解像度および低解像度双方 において機能可能なことを保証する。移動が必要でない場合、二次元冷却電荷結 合素子９６を用いて、縞を直接視認してもよい。この構造によって、高解像度測 定および低解像度測定が同時に可能となる。ＣＣＤ検出アレイ９５は、データ・ プロセッサ１１４内のビデオ・ボードと共に、低解像度即ち１ｎｍ解像度におけ るスペクトルを調査し、更に約０．０５ｎｍの高スペクトル解像度において、よ り強いスペクトル線の表示も行う。 適切な二次元冷却電荷結合素子９６，９８は、Hamamatsuf 社または EG＆GRet icon社から入手可能である。 要約すれば、本発明によるモニタは、移動部品を用いずに、５００ないし４， ０００ｎｍの波長全てにアクセスすることができる。この設計は、図２において Ｓという印を付けた位置に１００ミクロン・アパーチャを止めて、異なる放出線 からファブリ・ペロー次数を分離することを必要とする。次数はアパーチャがな いと重なり合うが、ＣＣＤ二次元アレイ９６，９８が縞の重複を分解する。単一 のスペクトル線を観察するには、線型変数即ち音響光学（ＡＯＴＦ）フィルタを 用いて、重複を除去すればよい。この設計は、ＬＡＤ検出アレイの９０゜回転に よって、ファブリ・ペロー（高）およびプリズム（低）解像度モード双方で、ス ペクトルに最大限アクセスする選択肢を有する。高（ファブリ・ペロー）モード における高解像度は７００ｎｍにおいて約１．２ｃｍ^-1、即ち、０．０５ｎｍで あり、低（プリズム）モードでは、７００ｎｍにおいて約３０ｃｍ^-1、即ち、１ ．２ｎｍである。ＣＬＭ２およびＣＬＭＳＷ計器は各々、異なるレーザを必要と する。 以上、本発明によるモニタおよび方法について、本発明を用いてそれを役立て ることができる態様を例示する目的のために記載したが、本発明はそれに限定さ れる訳ではないことは認められよう。したがって、当業者に想起し得るあらゆる および全ての変更物、変形物、または均等物は、添付の特許請求の範囲に定義さ れている本発明の範囲に該当すると見なすこととする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．気体および半透明流体双方において、個々の原子種および分子種の濃度を測 定するためのコンパクト・レーザ・ダイオード・モニタであって、 サンプルの特定の原子種または分子種の、第１の選択された電子項遷移を励起 する第１のダイオード・レーザ手段であって、前記第１の選択された電子項遷移 と共鳴する第１の周波数出力を有する前記第１のレーザ手段と、 前記サンプルの前記特定の原子種または分子種の第２の選択された電子項遷移 を励起する第２のダイオード・レーザ手段であって、前記第２の選択された電子 項遷移と共鳴する第２の周波数出力を有し、前記第１および第２の周波数出力間 の差が、前記特定の原子種または分子種の振動エネルギ・レベル差に等しい、前 記第２のレーザ手段と、 前記選択された原子種または分子種に、前記第１の周波数出力から前記第２の 周波数出力を減じたものの２倍に等しい周波数を有するコヒーレント光子信号を 、選択された方向に放出させるように選択された運動量ベクトルを用いて、前記 第１および第２の周波数出力を同時に前記サンプル内に導入する手段と、 前記放出されたコヒーレント光子信号を検出し、前記放出されたコヒーレント 光子信号を分光的に分析する手段と、 から成ることを特徴とするコンパクト・レーザ・ダイオード・モニタ。 ２．前記第１および第２周波数出力を前記サンプル内に導入する手段が、前記第 １および第２周波数出力を前記サンプル内に収束させるレンズ手段を備えること を特徴とする請求項１記載のモニタ。 ３．前記第１および第２の周波数出力を前記サンプル内に導入する手段が、更に 、前記サンプルを通過した第１および第２周波数出力を、選択された回数だけ、 前記サンプルに再入射させるミラー手段を備えることを特徴とする請求項２記載 のモニタ。 ４．前記選択された回数は少なくとも５０回であることを特徴とする請求項３記 載のモニタ。 ５．前記レンズ手段および前記ミラー手段が、互いから２センチメートル以下離 間されていることを特徴とする請求項４記載のモニタ。 ６．更に、前記サンプルおよび前記検出手段間に配置され、前記サンプルによっ て発生され、前記放出されたコヒーレント光子信号を検出する前記手段に入射す る蛍光信号を減少させる光学手段を備えることを特徴とする請求項２記載のモニ タ。 ７．前記放出されたコヒーレント光子信号を検出する前記手段が、同調可能な波 長フィルタからから成ることを特徴とする請求項６記載のモニタ。 ８．前記同調可能な波長フィルタは、それに熱を加えることによって同調可能で あることを特徴とする請求項７記載のモニタ。 ９．前記同調可能な波長フィルタが、２枚の離間した平面平行プレートを有し、 該プレートの間に無機化学物質が配されたファブリ・ペロー素子から成り、前記 有機化学物質が、温度による屈折率変化率を有することを特徴とする請求項８記 載のモニタ。 １０．前記無機化学物質は、温度の上昇に伴って、その屈折率が低下することを 特徴とする請求項９記載のモニタ。 １１．前記同調可能な波長フィルタが、固体無機物質で作られた２枚の離間した 平面平行プレートを有するファブリ・ペロー素子から成り、前記固体有機物質が 、温度による屈折率変化率を有することを特徴とする請求項８記載のモニタ。 １２．更に、前記ファブリ・ペロー素子を同調させるための熱電気的加熱手段を 備えることを特徴とする請求項９、１０または１１記載のモニタ。 １３．前記放出されたコヒーレント光子信号を検出する前記手段が、選択された ファブリ・ペロー縞を受け取り、それに対応する電気信号を生成する検出アレイ 手段を備えることを特徴とする請求項９記載のモニタ。 １４．前記放出されたコヒーレント光子信号を検出する前記手段が、前記選択さ れたファブリ・ペロー縞を受け取り、それに対応する電気信号を生成する検出ア レイ手段を備えることを特徴とする請求項１３記載のモニタ。 １５．前記放出されたコヒーレント光子信号を検出する前記手段が、前記ファブ リ・ペロー縞の１つおよび前記選択された縞を受け取り、それに対応する電気信 号を生成する検出アレイ手段を備えることを特徴とする請求項１３記載のモニタ 。 １６．前記放出されたコヒーレント光子信号を検出する前記手段が、前記ファブ リ・ペリー・デバイスの単一次数の縞出力を分離する広帯域フィルタ手段を備え ることを特徴とする請求項９記載のモニタ。 １７．前記広帯域フィルタ手段が、音響光学的同調可能フィルタから成ることを 特徴とする請求項１６記載のモニタ。 １８．気体および半透明流体双方において、個々の原子種および分子種の濃度を 比較するためのコンパクト・レーザ・ダイオード・モニタであって、 サンプルおよび標準の特定の原子種または分子種の、第１の選択された電子項 遷移を励起する第１のダイオード・レーザ手段であって、前記第１の選択された 電子項遷移と共鳴する第１の周波数出力を有する前記第１のレーザ手段と、 前記サンプルおよび前記標準の前記特定の原子種または分子種の第２の選択さ れた電子項遷移を励起する第２のダイオード・レーザ手段であって、前記第２の 選択された電子項遷移と共鳴する第２の周波数出力を有し、前記第１および第２ の周波数出力間の差が、前記特定の原子種または分子種の振動エネルギ・レベル 差に等しい、前記第２のレーザ手段と、 前記サンプルおよび前記標準における前記選択された原子種または分子種に、 前記第１の周波数出力から前記第２の周波数出力を減じたものの２倍に等しい周 波数を有するコヒーレント光子信号を、選択された方向に放出させるように選択 された運動量ベクトルを用いて、前記第１および第２の周波数出力を同時に前記 サンプルおよび前記標準内に導入する手段と、 前記放出されたコヒーレント信号を検出し、それを比較する手段と、 から成ることを特徴とするコンパクト・レーザ・ダイオード・モニタ。 １９．前記第１および第２周波数出力を前記サンプル内に導入する手段が、前記 第１および第２周波数出力を前記サンプルおよび前記標準上に収束させるレンズ 手段を備えることを特徴とする請求項１８記載のモニタ。 ２０．前記第１および第２の周波数出力を前記サンプル内に導入する手段が、更 に、前記サンプルを通過した第１および第２周波数出力を、選択された回数だけ 、前記サンプルおよび前記標準に再入射させるミラー手段を備えることを特徴と する請求項１９記載のモニタ。 ２１．前記選択された回数は少なくとも５０回であることを特徴とする請求項２ ０記載のモニタ。 ２２．前記レンズ手段および前記ミラー手段が、互いから２センチメートル以下 離間されていることを特徴とする請求項２１記載のモニタ。 ２３．更に、前記サンプルおよび前記標準と前記検出手段との間に配置され、前 記サンプルによって発生され、前記放出されたコヒーレント光子信号を検出する 前記手段に入射する蛍光信号を減少させる光学手段を備えることを特徴とする請 求項１９記載のモニタ。 ２４．前記放出されたコヒーレント光子信号を検出する前記手段が、同調可能な 波長フィルタからから成ることを特徴とする請求項２３記載のモニタ。 ２５．前記同調可能な波長フィルタは、それに熱を加えることによって同調可能 であることを特徴とする請求項２４記載のモニタ。 ２６．前記同調可能な波長フィルタが、２枚の離間した平面平行プレートを有し 、該プレートの間に有機化学物質が配されたファブリ・ペロー素子から成り、前 記有機化学物質が、温度による屈折率変化率を有することを特徴とする請求項２ ５記載のモニタ。 ２７．前記有機化学物質は、温度の上昇に伴って、その屈折率が低下することを 特徴とする請求項２６記載のモニタ。 ２８．前記同調可能な波長フィルタが、固体無機物質で作られた２枚の離間した 平面平行プレートを有するファブリ・ペロー素子を備え、前記固体無機物質が、 温度による屈折率変化率を有することを特徴とする請求項２５記載のモニタ。 ２９．更に、前記ファブリ・ペロー素子を同調させるための熱電気的加熱手段を 備えることを特徴とする請求項２６、２７または２８記載のモニタ。 ３０．前記放出されたコヒーレント光子信号を検出する前記手段が、前記同調可 能な波長フィルタからの出力を受け取るように配置され、該出力内のファブリ・ ペロー縞を選択し視認する分散手段を備えることを特徴とする請求項２６記載の モニタ。 ３１．前記放出されたコヒーレント光子信号を検出する前記手段が、前記選択さ れたファブリ・ペロー縞を受け取り、それに対応する電気信号を生成する検出ア レイ手段を備えることを特徴とする請求項３０記載のモニタ。 ３２．前記放出されたコヒーレント光子信号を検出する前記手段が、前記ファブ リ・ペロー縞の１つおよび前記選択された縞を受け取り、それに対応する電気信 号を生成する検出アレイ手段を備えることを特徴とする請求項３０記載のモニタ 。 ３３．前記放出されたコヒーレント光子信号を検出する前記手段が、前記ファブ リ・ペリー・デバイスの単一次数の縞出力を分離する広帯域フィルタ手段を備え ることを特徴とする請求項２６記載のモニタ。 ３４．前記広帯域フィルタ手段が、音響光学的同調可能フィルタから成ることを 特徴とする請求項３３記載のモニタ。 ３５．気体および半透明流体双方において、個々の原子種および分子種の濃度を 監視する方法であって、 特定の原子種または分子種の第１の選択された電子項遷移と共鳴する周波数を 有する第１のレーザを、前記特定の原子種または分子種を含むサンプル内に導入 するステップと、 第２のレーザを同時に前記サンプル内に導入し、前記選択された原子種または 分子種に、選択された方向にコヒーレント光子信号を放出させるステップであっ て、前記第２のレーザが、前記特定の原子種または分子種の第２の選択された電 子項遷移と共鳴する周波数を有し、前記第１および第２のレーザ共鳴周波数が、 前記特定の原子種または分子種の振動エネルギ・レベル差に等しく、 前記放出されたコヒーレント光子信号を検出するステップと、 から成ることを特徴とする方法。 ３６．更に、前記選択された原子種または分子種に、前記選択された方向にコヒ ーレント光子信号を放出させるベクトル運動量を用いて、前記第１および第２の レーザを前記サンプル内に導入するステップを含むことを特徴とする請求項３５ 記載の方法。