JP2002526765A

JP2002526765A - キャビティ内レーザの出力の波長を測定することによる汚染種の同定及び濃度決定

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Publication number: JP2002526765A
Application number: JP2000574911A
Authority: JP
Inventors: エイチアトキンソン，ジョージ; エスピルグリム，ジェフリー
Original assignee: イノヴェイティヴレーザーズコーポレーション
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2002-08-20
Also published as: CA2346015A1; CN1329717A; KR100429731B1; EP1117984A1; CN1171084C; US5999259A; EP1117984A4; TW480332B; KR20010090738A; WO2000020844A1

Abstract

(57)【要約】ガス試料中の較正された範囲内にある特定の濃度のガス種の存在を検出するための方法及び装置が開示される。発明のＩＬＳガス検出システム(１０)は単にＩＬＳレーザ(１２)、波長選択性光素子(５２)及び光検出器(１６)を含む。しかし、ＩＬＳレーザ(１２)のとり得る波長、すなわち動作波長のバンド幅は、測定されているキャビティ内ガス種に起因する吸収帯すなわち領域の内の１つの中に完全に含まれることが好ましい。すなわち、較正された範囲内で、ガス種の存在によりＩＬＳレーザ(１２)のレーザ出力波長、または特定の波長における出力強度が変わる。したがって、発明のＩＬＳレーザ法を用いる場合、較正された範囲内にある、吸収を行っているガス種の濃度を定量的に決定するために必要なことは、ＩＬＳレーザ(１２)の出力波長を測定するかまたは特定の波長における出力強度を測定することだけである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】関連出願の説明本出願は、本出願と同日に出願された米国特許出願第０９/１６５,８８４号に
関連する。前記出願は、いかなる外付波長選択性素子ももたず、よって総出力強
度がガス種濃度を決定するために用いられるＩＬＳレーザを用いて、ガス試料内
の特定の濃度のガス種の存在を検出するための方法に関する。本出願は、レーザ
の分光出力における変化を測定するための波長選択性素子をもつ、ＩＬＳレーザ
の使用に向けられる。

【０００２】発明の分野本発明は概ねガス中の汚染種の検出に関し、さらに詳しくは、キャビティ内レ
ーザ分光法と一般に称されるレーザ手法による、ガス分子、原子、ラジカル及び
／またはイオンの高感度検出に関する。

【０００３】発明の背景レーザは、その最も簡単な形態において、２つのミラーの間に配置された増幅
媒体を含むとして図式的に示すことができる。レーザキャビティ内の光はミラー
の間で繰返し反射され、その都度、光利得を生みだす増幅媒体を通過する。第１
のミラーの鏡面コーティングは全反射性とすることができ、一方第２のミラーの
鏡面コーティングは半透過性とすることができ、よっていくらかの光がレーザキ
ャビティから漏れ出ることができる。ミラーの反射面間の空間領域は、レーザ共
振器すなわちキャビティを定め、本発明の状況においてはいわゆる“キャビティ
内領域”と関係する。

【０００４】レーザ出力強度は増幅媒体が動作する波長領域及び共振器素子の反射率の両者
の関数である。通常、この出力はバンド幅が広く、また尖鋭で判然とした分光的
特徴をもたない。

【０００５】レーザ分光法によるガス種、例えば原子、分子、ラジカルまたはイオンの同定
には、そのようなガス種が吸収する波長領域にレーザ出力があることが必要であ
る。ガス種の検出への従来のレーザ適用においては、レーザ外部にあるガス試料
を励起して、イオン化または蛍光のような２次信号をつくるために、レーザ光が
用いられる。あるいは、従来の吸収分光法においては、レーザの外部にあるガス
試料にレーザ光を通過させて、波長にともなって変化する減衰を測定する。

【０００６】約２０年前、別の検出方法論であるキャビティ内レーザ分光法(ＩＬＳ)が初め
て探究された；例えば、“ジャーナル・オブ・ケミカル・フィジックス(Journal
of Chemical Physics)”誌，第５９巻(１９７３年７月１日)，３５０〜３５４
ページのジー・アトキンソン(G. Atkinson)，エイ・ローファー(A. Laufer)，エ
ム・クリヨ(M. Kｕrylo)による「キャビティ内ダイレーザ技法による自由ラジカ
ルの検出」を参照されたい。ＩＬＳでは、レーザ自体が検出器として用いられる
。分析されるべきガス試料が、多モードの、バンド幅が均等に拡張されたレーザ
の光キャビティに挿入される。上掲のアトキンソン等は、基底状態及び励起状態
にあるガス分子、原子、ラジカル、及び／またはイオンを光キャビティの内部に
入れることにより、レーザ出力を変化させ得ることを示した。詳しくは、キャビ
ティ内のガス種の吸収スペクトルがレーザの分光出力に現れる。

【０００７】レーザ出力における弁別的な特性吸収は、吸収を行っているガス種によりもた
らされるキャビティ内損失により生じる（本明細書に用いられるように、“特性
吸収”とは、光強度対波長のグラフにおいて光強度が単独の光強度極小値に到達
する一連の波長系列に該当する）。多モードレーザにおいて、キャビティ内吸収
損失は基準モードダイナミクスによるレーザ利得と競合する。この結果、キャビ
ティ内特性吸収が競合するレーザの利得より実効的に強い波長で、レーザ出力強
度の減衰を観測することができる。特性吸収が強くなるほど、上記の波長におけ
るレーザ出力強度は大きく減少する。

【０００８】ＩＬＳでは、吸収を行うガス種をレーザ共振器内に挿入することにより、従来
の分光法より高められた検出感度が得られる。ＩＬＳ技法の高められた検出感度
は、(１)レーザ増幅媒体で生みだされる利得と(２)吸収体損失との間の非線形的
競合により得られる。この結果、ＩＬＳは弱い吸収及び／または極めて低い吸収
体濃度のいずれの検出にも利用することができる。

【０００９】光キャビティ内のそれぞれのガス種は、それぞれの吸収スペクトルすなわち識
別特性により一意的に同定することができる。さらに、分光識別特性における特
定の１つまたは複数の特性吸収の強度は、センサを適切に較正しさえすれば、ガ
ス種の濃度の決定に用いることができる（本明細書に用いられるように、“分光
識別特性”とは、ガス種を一意的に同定する、吸収強度すなわち吸光度に対して
プロットされた波長に該当する）。

【００１０】ガス種の分光識別特性はＩＬＳレーザ出力を波長に関して分散することにより
得ることができる。ＩＬＳレーザ出力を分散し、よってガス種の分光識別特性を
得るためには、２種類の検出手法が一般に用いられる。ＩＬＳレーザ出力を波長
が固定された分散分光計に通し、この分光計により分解された特定のスペクトル
領域をマルチチャネル検出器を用いて記録することができる；名称を「キャビテ
ィ内レーザ分光法(ＩＬＳ)による超高感度ガス検出のためのダイオードレーザで
ポンピングされるレーザシステム」とする、１９９８年５月５日に発行された、
ジー・エイチ・アトキンソン等への米国特許第５,７４７,８０７号を参照された
い。あるいは、単チャネル検出器で記録される様々なスペクトル領域を選択的に
分解するために、波長をスキャンできる分光計を用いることができる（上記特許
を参照されたい）。

【００１１】従来技術のＩＬＳ検出システムは、検出されるべきキャビティ内ガス種の吸収
スペクトルにおける特性吸収のバンド幅よりもかなり広いスペクトルバンド幅を
有するＩＬＳレーザを用いる；名称を「汚染種の高感度検出のためのキャビティ
内レーザ分光器」とする、１９９７年１１月１８日に発行された、ジー・エイチ
・アトキンソン等への米国特許第５,６８９,３３４号を参照されたい。詳しくは
、そのようなレーザシステムは測定されているガス種の特性吸収のバンド幅より
少なくとも３倍は広い動作波長バンド幅を有している。

【００１２】しかし従来のＩＬＳ実施方法は、実験室での実際の使用には成功しているが、
多くの市場向け用途には大きすぎ、また複雑すぎる。特に、ダイオードアレイ検
出器とともに用いられる波長が固定された分光計または単チャネル検出器ととも
に用いられる可変波長分光計を必要とすること、あるいは特性吸収を分析するた
めのコンピュータを必要とすることが、検出システムをさらに大きく、また複雑
にする。対照的に、市場の現実的制約により、ガス検出器は使いやすい大きさに
つくられ、比較的安価で、信頼性が高くなければならない。

【００１３】すなわち、例えばコンピュータの必要を排除することにより、(１)ＩＬＳ測定
の複雑性を大きく低減し、(２)ＩＬＳ装置の大きさを相当に縮小する方法論が必
要とされている。

【００１４】発明の概要本発明にしたがえば、ガス試料内の特定の濃度のガス種の存在を検出するため
の方法が開示される。本方法は： (ａ)ガス種が少なくとも１つの連続波長吸収帯を有することを決定し、較正さ
れた範囲内でガス種の濃度を決定するステップ； (ｂ) (i)レーザキャビティと； (ii)増幅媒体と；を含むＩＬＳレーザを提供するステップ；ここでＩＬＳレーザは、ガス種が吸収
を行っている連続波長バンド内に完全に含まれる波長においてのみ動作するよう
に構成され、ガス種により誘起された吸収は較正された範囲内でレーザの１つま
たは複数の波長を変化させるのに十分な大きさである； (ｃ)レーザキャビティを出る前にレーザキャビティに入れられるガス試料を通
る方向に、増幅媒体からの出力ビームが向けられるような位置に増幅媒体を置く
ステップ； (ｄ)絶対波長または選ばれた波長基準（フィルタまたは波長分散光学系の定点
部分）に対する波長のいずれかを定量的に測定するために、ＩＬＳレーザを出て
くる出力を検出するような位置に検出器を置くステップ；及び (ｅ)波長選択性光素子を、ＩＬＳレーザから出てくる出力が検出器に到達する
前にまず波長選択性光素子を通過しなければならないように、ＩＬＳレーザの外
部で、ＩＬＳレーザと検出器との間の位置に置くステップ；波長選択性光素子は
ＩＬＳレーザの出力波長の一部分の内にある波長を有する光のみを透過させる；を含む。

【００１５】さらに、ガス試料中の、較正された範囲内の特定の濃度のガス種の存在を検出
するためのガス検出システムが提供され、ここで、ガス種は連続波長の少なくと
も１つの単一バンド内の光を吸収し、よってＩＬＳレーザを出てくる出力の波長
を特定の量だけ変化させる。本ガス検出システムは： (ａ) (i)レーザキャビティと； (ii)増幅媒体と；を含むＩＬＳレーザ；ＩＬＳレーザは、ガス種が吸収を行っている連続波長のバ
ンド内に完全に含まれる波長においてのみ動作するように構成され、ガス種によ
り誘起された吸収は、較正された範囲内で、レーザの出力波長を変えるかまたは
特定の波長における強度を変えるのに十分な大きさである； (ｂ)レーザキャビティ内にガス試料をいれるための容器；この容器により、増
幅媒体から出てくる出力ビームがレーザキャビティを出る前にガス試料を通過す
ることができる； (ｃ)特定の波長における絶対レーザ出力パワーを定量的に測定するための検出
器；及び (ｄ)波長選択性光素子；この波長選択性光素子は、ＩＬＳレーザから出てくる
出力が検出器に到達する前にまず波長選択性光素子を通過しなければならないよ
うに、ＩＬＳレーザの外部で、ＩＬＳレーザと検出器との間の位置に置かれる；
波長選択性光素子はＩＬＳレーザの出力波長の一部分の内にある波長を有する光
のみを透過させる；を含む。

【００１６】本発明にしたがい、本発明は、従来技術で開示されたいずれのＩＬＳレーザシ
ステムよりも小さく、簡単で、製作費用が少ない、市場向けの汚染種センサシス
テムを創出した。

【００１７】本発明のその他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付図面の考
察により明らかになるであろう。添付図面を通して、同じ参照数字は同じ要素を
表す。

【００１８】好ましい実施形態の説明本説明に参照される図面は、特に注記した場合を除き、正確に比例して描かれ
てはいないことは当然である。

【００１９】本発明の実施に関して発明者等が現在考えている最良の態様を示す、本発明の
特定の実施形態をここで詳細に参照する。別の実施形態も適用可能な範囲で簡単
に説明する。

【００２０】本発明はＩＬＳセンサを用いる極めて高感度のガス種検出に向けられる。本明
細書に用いられるように、“ガス種”とは、シリコン膜製造に用いられるような
ガス材料中に存在し得る、分子、原子、ラジカル及び／またはイオン種を指す。
したがって、本発明のＩＬＳガス検出システムはガス材料（例えば窒素）中の汚
染種（例えば水）の存在の検出に用いることができる。あるいは、ガス配管（例
えば窒素ガス配管）がガス材料（すなわち窒素）で十分パージされたか否かを決
定するためにＩＬＳ検出を用いることができる。

【００２１】図１ａ及び１ｂは、従来技術のＩＬＳ検出実施方法を簡略に示す。詳しくは、
図１ａには、ＩＬＳレーザ１２，集成分光計装置１４，光検出器１６及び光検出
器からの電気的出力を分析するためのコンピュータ１８を含む、ＩＬＳガス検出
システム１０の断面が示されている。

【００２２】図１ａに描かれるＩＬＳレーザ１２には、増幅媒体２０及び、ミラー２６及び
２８の間の全光路長により定められる光共振器２４内に置かれた、ガス試料セル
２２が含まれる。ＩＬＳレーザ１２にはさらに、増幅媒体２０に放射光を与え、
よってＩＬＳレーザ１２を駆動する光ポンピング源のような、ポンピング源（図
示せず）が必要であることは当然である。

【００２３】図１ａは、増幅媒体２０内で発生したレーザ光がガス試料セル２２に向けられ
て、セル内のガス試料を通過することを示す。上述したように、光共振器すなわ
ちレーザキャビティ２４内及び、特に、ガス試料セル２２内のガス種は、ＩＬＳ
レーザ１２が動作する波長領域に特性吸収が位置していれば、吸収損失をもたら
すことができる。したがって、ＩＬＳレーザ１２の出力ビーム３２を分析して、
ＩＬＳレーザを出てくる出力ビームがガス種の分光識別特性と同じ特性吸収を含
んでいるか否かを決定することにより、レーザキャビティ２４内で吸収を行って
いるガス種の存在を識別することができる。分光識別特性には強度及び波長に関
する情報が含まれることに注意されたい。

【００２４】本明細書で用いられるように、特性吸収は吸収線、すなわち、光強度対波長の
グラフに見ることができる、光強度の単独の極小点（すなわち吸収が極大に達す
る点）及びそのまわりの連続波長領域に対応する。吸収線のそれぞれは有限の波
長バンド幅及び吸収が極大に達する（すなわち出力強度が極小に達する）点を有
する。本発明に関しては、特性吸収を構成する波長の全てが、ガス種が吸収を行
っている波長であるから、特性吸収が重要である。

【００２５】さらに、本明細書に用いられるように、“吸収帯”は吸収がそれぞれの波長で
生じている吸収スペクトルにおける単一の連続波長領域として定義される。した
がって、吸収が見られない領域,Ｂで隔てられた２本の吸収線,Ａ_１及びＡ_２を吸
収スペクトルが含んでいれば、２本の吸収線,Ａ_１及びＡ_２は別々の吸収帯に対
応する。しかし２本の吸収線,Ａ_１及びＡ_２が極小吸収（すなわち極大出力）で
隔てられているだけであれば、２本の吸収線,Ａ_１及びＡ_２は単一の吸収帯に対
応する。吸収を行っているガス種の濃度は吸収スペクトルに影響するから、吸収
スペクトルにおける吸収帯の数は濃度とともに代わるであろう。例えば、第１の
濃度では分離されて明瞭な吸収線が、第２の、より高い濃度では会合して合体し
、単一の吸収帯を形成することがある。温度、生成時間及びポンピングパワーも
出力スペクトル及び測定される吸収スペクトルに影響することは当然である。し
たがって測定される吸収スペクトルにおける吸収帯の数も、温度、生成時間及び
ポンピングパワーにより変化するであろう。

【００２６】ＩＬＳレーザ１２の分光出力を分析するため、ＩＬＳレーザからのＩＬＳ出力
ビーム３２は、出力ビームを波長に関して分散する、集成分光計装置１４に送ら
れる。図１ａでは、ＩＬＳレーザ１２を出てくる出力ビーム３２を分散するため
に、回折格子３８及び４０が用いられる。回折格子３８及び４０に入射する前に
レンズ３４及び３６が出力ビーム３２を拡げる。レンズ４２が、集成分光計装置
１４の出力を光検出器１６に集束する。

【００２７】従来技術の方法の１つでは、(１)集成分光計装置１４が波長に関してスキャン
させることができる分散光学素子を含み、また(２)光検出器１６が単チャネル検
出器を含む。図１ａは、このスキャンを行う分散光学素子を回折格子３８として
描いている。

【００２８】レーザキャビティ２４内のガス種の分光識別特性は、集成分光計装置１４を通
して送られる光が（単チャネル）光検出器１６の前面に置かれた適切なアパーチ
ャ４６を通過している間に、分散光学素子（回折格子３８）をスキャンさせるこ
とにより得られる（アパーチャ４６は単にスリットからなっていてよい）。回折
格子３８でスキャンされながら集成分光計装置１４を通して送られた光の強度が
光検出器１６で測定される。光検出器１６はこの強度を表す電気信号を出力する
（例えば、電気信号はＩＬＳレーザ強度に比例することができる）。さらに、分
光計はそれぞれの波長を表す電気信号をコンピュータ１８に送る。このようにし
て、コンピュータ１８は光検出器１６で決定された強度を集成分光計装置１４で
決定された波長と相関させる。すなわち、集成分光計装置１４及び光検出器１６
はコンピュータ１８とともに動作して、ＩＬＳレーザ１２から出てくる出力ビー
ム３２のスペクトル分布の測定を可能にする。

【００２９】図１ｂは従来技術のＩＬＳ検出法から得られたその種のデータを簡略に示す。
曲線４８は、波長をスキャンし、集成分光計装置１４を通して送られた光の強度
を測定することにより得られた、典型的な分光分散ＩＬＳレーザ出力スペクトル
（すなわち吸収スペクトル）を表す。特性吸収が位置する波長において、ＩＬＳ
レーザ１２の強度が減衰している。矢印４９が５つのそのような特性吸収を示し
ている（曲線５０は吸収を行っているいかなるガス種も存在しないＩＬＳレーザ
１２のスペクトル分布を示す）。

【００３０】コンピュータ１８は曲線４８で示される吸収スペクトルを用いてガス種を同定
することができる。詳しくは、ＩＬＳレーザ１２の出力スペクトル内に数多くの
特性吸収を含む吸収スペクトルが測定されて、測定されるべきガス種の既知の分
光識別特性と比較される。ガス種の特定の特性吸収の位置及び相対強度を、検出
されるべきガス種を一意的に同定するために用いることができる。レーザキャビ
ティ２４内にあるキャビティ内ガス種の濃度または量は、吸収の大きさがあらか
じめ既知の濃度で較正されていれば、吸収スペクトルに見られる特性吸収の大き
さから決定することができる。

【００３１】従来技術の別の方法では、(１)ＩＬＳレーザ１２から出てくる出力ビーム３２
に固定分散光学素子を有する（すなわち回折格子３８及び４０でスキャンを行わ
ない）分光計を通過させ、(２)光検出器１６がマルチチャネル検出器アレイを含
む。ＩＬＳレーザ１２が動作するスペクトル領域は集成分光計装置１４により定
められ、（マルチチャネルアレイ）光検出器１６の面上に空間的に分配される。
光検出器４６の前面に置かれたアパーチャ４６は（もしあれば）検出器アレイの
複数の検出器を照射できるように十分大きく、よって検出器アレイの多数の検出
器が多数の波長を同時に観測する。

【００３２】したがって、集成分光計装置１４により分解される特定のスペクトル領域は、
（マルチチャネルアレイ）光検出器１６で同時に測定される。コンピュータ１８
は、（マルチチャネルアレイ）光検出器１６を操作し、光検出器の多数の検出器
から測定された強度を読み込む。さらに、集成分析計装置１４は集成分析計装置
１４により分解された波長を表す電気信号をコンピュータ１８に送る。コンピュ
ータ１８は（マルチチャネルアレイ）光検出器１６及び集成分光計装置１４から
の電気信号をそれぞれ強度及び波長に変換するようにプログラムされる。このよ
うにして、コンピュータ１８は光検出器１６で決定された強度を集成分光計装置
１４で決定された波長と相関させる。

【００３３】すなわち、集成分光計装置１４及び（マルチチャネルアレイ）光検出器１６は
コンピュータ１８とともに動作して、ＩＬＳレーザ１２から出てくる出力ビーム
３２のスペクトル分布を測定して記録する。図１ｂに示したものと同様の吸収識
別特性を得ることができる。

【００３４】上述したように、レーザキャビティ２４内のガス種を同定するために分光識別
特性が用いられる。コンピュータは、ＩＬＳレーザ１２の出力スペクトル内の数
多くの特性吸収すなわち吸収線を含む測定された吸収帯を記録し、これらを測定
されるべきガス種の既知の分光識別特性と比較する。吸収の大きさが既知の濃度
を用いて較正されていさえすれば、キャビティ内ガス種の濃度を分光識別特性に
見られる特性吸収の大きさから決定することができる。

【００３５】しかし従来技術の上記の方法では、特性吸収に対応する波長を含む複数の波長
だけではなく、吸収が極大の特性吸収のまわりの波長領域も含む、複数の波長に
おける強度を測定して記録することにより強度対波長のグラフを効率よく生成す
るために、コンピュータ１８が必要となること当然である。

【００３６】対照的に、本発明の方法は上記の従来技術の手法より概念的にかなり単純であ
る。本発明の方法は、複数の波長にわたる強度分布を測定するのではなく、全出
力バンド幅の一部分内に、動作時に、すなわち光発生時にＩＬＳレーザ１２によ
りつくられる出力の決定だけを必要とする。本発明の方法は本質的に、ＩＬＳレ
ーザ１２が動作しているバンド幅の一部分内でのレーザ出力の変化を利用する。
すなわち、従来技術の方法ではレーザ出力を分散することにより測定されていた
特性吸収が、本発明の方法ではＩＬＳレーザ１２の出力波長に作用することまた
は特定の波長における強度に作用することに利用される。ＩＬＳレーザ１２のス
ペクトル内の多数の特性吸収を測定して記録することは必要ではない。

【００３７】本発明の方法は，別の観点において、ＩＬＳガス検出のための従来技術の方法
と概念的に異なる；すなわち、本発明に用いられるＩＬＳレーザ１２は関係する
特性吸収のバンド幅と同等なバンド幅を有することが好ましい。従来技術のＩＬ
Ｓ検出方法は検出されるべきキャビティ内ガス種にともなう個々の特性吸収のバ
ンド幅よりかなり広いスペクトルバンド幅を有するＩＬＳレーザ１２を用いる。
詳しくは、従来技術のＩＬＳレーザ１２では、測定されているガス種の特性吸収
のバンド幅より少なくとも３倍は広い動作バンド幅を有することが好ましい。

【００３８】いくつかの理由により、ガス種により与えられる特性吸収のバンド幅よりかな
り広い波長バンド幅を有するＩＬＳレーザ１２の使用が好まれる。上述したよう
に、分光識別特性の様々な特性吸収が、検出されるべき特定のガス種の同定に際
してコンピュータ１８の役に立つ。すなわち、吸収を行っているガス種の従来技
術の同定方法は、１つより多い特性吸収を含むのに十分な広さのスペクトルバン
ド幅を有するＩＬＳレーザ１２に依存する。さらに、ＩＬＳ手法の高められた検
出感度は主に多モードレーザの利得対損失の非線形的競合から得られるため、多
数の縦モードを有するＩＬＳレーザ１２が最も有利である。したがって、従来技
術の方法は多数の縦モードを含むのに十分な広さのスペクトルバンド幅を有する
ＩＬＳレーザ１２を用いる。

【００３９】しかし、本発明の第１の実施形態のＩＬＳレーザ１２は、測定されているキャ
ビティ内ガス種にともなう吸収帯の内の１つのバンド幅と同等かまたはそれより
狭い動作バンド幅を有することが好ましい。さらに、本発明の方法を用いて好結
果を得るためには、ＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅は吸収帯に直接に重なるよ
うに同調されなければならない（上で論じたように、吸収帯は単一の特性吸収ま
たは複数の連続する特性吸収を含み得る）。

【００４０】ＩＬＳレーザ１２のとり得るバンド幅すなわち動作バンド幅（Δν_レーザ）は
、増幅媒体２０が動作し得る波長領域、ミラー２６及び２８の分光特性及び光共
振器２４内の光素子のそれぞれが通過させている光の波長領域により定められる
。詳しくは、Δν_レーザは増幅媒体２０のバンド幅並びにミラー２６及び２８の
バンド幅、さらにその他の全ての個々のキャビティ内光素子、例えばレーザキャ
ビティ２４内のペリクルまたは複屈折同調素子のバンド幅の、たたみこみにより
定められる。

【００４１】好ましくは、ＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅の、（例えば、１つの特性吸収
または複数の連続する特性吸収を含む）吸収帯の前記重なり部分のバンド幅に対
する比は１対１である。ＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅は、(１)多モード動作
を維持するには十分に広いが、(２)注目するガス種にともなう吸収帯にしか重な
り得ないように十分に狭いことがさらに好ましい。以降、吸収帯の重なり部分は
Ｗ_吸収と、またそのバンド幅はΔν_吸収と表される。

【００４２】上述したように、多モード動作を行えるのに十分な広いバンド幅を有するＩＬ
Ｓレーザ１２を用いることにより、ＩＬＳで達成可能な高められた検出感度が維
持される。しかし、ＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅は検出されるべきガス種に
ともなう吸収帯にしか重なり得ないように十分に狭いから、レーザからの特定の
波長の出力はガス種の濃度が変化するとともに量的に変化するであろう。

【００４３】吸収を行っているガス種の重なり部分バンド幅,Δν_吸収とＩＬＳレーザ１２
のバンド幅,Δν_レーザとが同等である（すなわち、Ｗ_吸収がＷ_レーザに完全に
重なる）場合には、キャビティ内ガス種による吸収が特定の波長においてレーザ
で発生される光の量を制限することができ、よって出力波長をＩＬＳレーザの利
得特性、反射率及び透過率にとってより有利な別の値にシフトさせる。ＩＬＳレ
ーザ１２は吸収損失が見られる波長領域では効率よく動作することができない。
吸収を行うガス種が存在すれば、ＩＬＳレーザ１２が動作し得る唯一の領域が吸
収帯に占有され、これは特定の波長におけるレーザの動作を妨げる。

【００４４】ガス種の濃度が高くなるほど、吸収損失が大きくなり、特定の波長における損
失に打ち勝つのに十分な光(すなわち利得)を増幅媒体２０で発生させるという課
題がますます達成困難になる。すなわち、キャビティ内ガス種の濃度が高くなる
につれて、ＩＬＳレーザ１２からの光出力の波長は変化するであろう。キャビテ
ィ内吸収体濃度の関数としての特定の波長における光出力強度は、ＩＬＳセンサ
の較正に用いることができる。このアイデアを、吸収を行うガス種の濃度が十分
高く、よってＩＬＳレーザ１２が閾値に全く達し得ず、動作を行い得ない、特殊
な場合にまで延長することができる。いかなる波長においても、ＩＬＳレーザに
より光出力がつくられることはない。

【００４５】したがって、本発明のＩＬＳ法を用いる場合、吸収を行っているガス種の濃度
を定量的に決定するためには、特定の波長におけるＩＬＳレーザ１２の出力強度
だけを測定すればよい。

【００４６】図２ａ及び２ｂは、ガス試料中のガス種の検出に向けられる、本発明の方法及
び装置を簡略に示す。詳しくは、図２ａは本発明にしたがって構成されたＩＬＳ
ガス検出システム１０の断面を示し、図２ｂは、ＩＬＳレーザの２つの相異なる
動作条件についての本発明のＩＬＳレーザの出力波長を示す、強度及び波長を座
標とする、グラフである。

【００４７】本発明のＩＬＳガス検出システム１０は単に、ＩＬＳレーザ１２、波長選択性
光素子５２及び出力波長の変化または特定の波長におけるレーザ出力の相対変化
のいずれかを定量的に測定するための光検出器１６を含む。

【００４８】図２ａに示される本発明の実施形態に描かれているように、ＩＬＳレーザ１２
は増幅媒体２０及びガス試料セル２２を含み、それぞれはミラー２６と２８との
間に形成される光共振器２４内に置かれる。

【００４９】図２ａに示されるレーザキャビティ２４は線型キャビティであるが、別のキャ
ビティ構造も本発明にしたがって用い得ることは当然である。そのような別のキ
ャビティ構造は、ＩＬＳレーザ１２のとり得る（すなわち動作）波長バンド幅,
Δν_レーザが、検出されるべきガス種にともなう特性吸収の吸収帯の重なり部分
バンド幅,Δν_吸収と同等である限り、すなわち１対１に整合するかあるいはΔ
ν_吸収内にちょうど収まる限り、許容される。

【００５０】図２ａに示される波長選択性光素子５２は、所要の狭バンド同調が得られる薄
い高反射率ファブリー−ペローエタロンとしてはたらく金属化ペリクルを含む。
金属化により、エタロンの仕上精度が向上し、バンド幅が狭められ、よって狭帯
域バンドパスフィルタがつくられる。本発明に適切に用い得るその他の波長選択
性光素子５２の例には、光バンドパスフィルタ、回折格子、プリズム、電気光学
バンドパスフィルタ、偏光特性に基づいて動作するフィルタ、非線形光学特性に
基づいて動作するフィルタ、及びこれらの組合せがある。

【００５１】ＩＬＳレーザ１２のとり得る（すなわち動作）波長バンド,Ｗ_レーザ（及びバ
ンド幅,Δν_レーザ）が増幅媒体２０及び、ミラー２６及び２８上に形成される
いかなる光学コーティングにも、またレーザキャビティ２４内に置かれる光コン
ポーネント上に形成されるいかなる光学コーティングにも、依存することは当然
である。したがって増幅媒体２０及びＩＬＳレーザ１２に用いられる光コンポー
ネント、例えばミラー２６及び２８上のいかなるコーティング、またはガス試料
セル２２の窓、あるいは増幅媒体２０上のコーティングを、上述した態様で測定
されるべきガス種にともなう吸収帯だけに重なるように、ＩＬＳレーザのとり得
る（すなわち動作）バンド幅,Ｗ_レーザを狭めて同調するための構成とすること
ができる。

【００５２】図２ａに描かれるＩＬＳレーザについては、ＩＬＳレーザ１２のとり得る（ま
たは動作）波長バンド,Ｗ_レーザは、増幅媒体２０が動作し得る波長バンド、ミ
ラー２６及び２８が反射している波長バンド、ミラー２８が透過させている波長
バンド、さらにはレーザキャビティ２４内のその他のキャビティ内光素子のそれ
ぞれ（例えば、波長選択性光素子）が通過させている波長バンドのたたみこみに
より定められる。

【００５３】さらに、ＩＬＳレーザ１２がその閾値でまたは閾値より若干上でＩＬＳレーザ
を駆動するためのポンピング源（図示せず）を必要とすることも当然である。例
えば、増幅媒体２０に放射光を与える光ポンピング源を用いることができる。

【００５４】図２ａは、増幅媒体２０内で発生したレーザ光がガス試料セル２２に向けられ
て、その中のガス試料を通過することを示す。上述したように、レーザキャビテ
ィ２４内、特にガス試料セル２２内のガス種が、吸収損失をもたらし得る。しか
し本発明にしたがえば、ＩＬＳレーザ１２のとり得るバンド幅Δν_レーザは、測
定されているガス種にともなう吸収帯の重なり部分,Ｗ_吸収のバンド幅,Δν_吸収と同等である。すなわち、キャビティ内ガス種による吸収はＩＬＳレーザ１２の
出力波長を変化させ、よって特定の波長における出力強度を変化させるであろう
。したがってガス種の濃度を決定するためには、明確に定められた動作条件内で
ＩＬＳレーザ１２が較正されなければならない。レーザから出てくる出力ビーム
３２は、波長選択性光素子５２を通過した後に、光検出器１６で直接に検出され
る。

【００５５】最も簡単な形態において、光検出器１６はフォトダイオード、光伝導体、また
は光電子増倍管のような単チャネル検出器を含む。その他の検出器も本発明に適
切に用いることができる。光検出器１６の唯一の要件は、検出器がＩＬＳレーザ
ビーム３２を検知し、結果としての電気信号をつくりだすことができなければな
らないことである。したがって、光検出器１６から伸びる電気出力端子５４が図
２ａに描かれている。

【００５６】本発明のガス検出システム１０は、コンピュータ１８が用いられていない点で
図１ａに示される従来技術のシステムと異なる。図２ａに描かれるガス検出シス
テム１０は、マルチチャネル検出器アレイも必要としない。

【００５７】さらに本発明の光検出システム１０は、検出されるべきガス種にともなう吸収
帯だけに一致させるためにＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅を狭めて同調する、
追加の波長選択性光素子５２’を必要に応じてレーザキャビティ２４内に含むこ
とができる。

【００５８】ＩＬＳは従来技術の方法より高められた感度を提供するから、かつては測定さ
れなかった弱い遷移が本発明のガス検出システム１０により初めて測定可能とな
り得ることは理解されよう。ＩＬＳレーザ１２をどこに同調させるかについての
知識を、様々な特性吸収のスペクトル上の位置を示す、注目するガス種の分光学
的研究から得なければならない。ＩＬＳレーザ１２の波長及び動作バンド幅をい
かにして光学的に制御するかについての理解も、ＩＬＳレーザの分光出力を１つ
（または複数の）特性吸収に整合させるために必要である。

【００５９】さらに、誤って真と読み取られる信号を生じさせ得るスペクトル干渉がおこる
可能性を排除するために、ある与えられたガス試料に存在する可能性があるいか
なる付加的ガス種についても分光学的研究が必要である。そのような付加的ガス
種が検出されてはならない場合には、ＩＬＳレーザ１２の分光出力をそのような
他のガス種でつくられるいかなる特性吸収からも離して同調させなければならな
い。そうすれば、その他のガス種で生じる特性吸収からの潜在的寄与は、ＩＬＳ
レーザ１２が光を放射する波長領域には存在しないであろう。すなわち、ＩＬＳ
レーザ１２の動作波長は、(１)検出されるべきガス種にともなう１つ（または複
数の）特性吸収に一致し、(２)注目していないガス種からのスペクトル干渉を避
けるように選ばれなければならない。上述の要件が満足されれば、ＩＬＳレーザ
１２の出力に関係する分光的相互作用は測定されるべきガス種による吸収のみに
起因するであろう。したがって、較正されていれば、測定されるガス種の濃度が
ＩＬＳレーザ１２の出力波長により正確に測定されるであろう。

【００６０】波長選択性光素子５２の選択された通過スペクトル帯は、あるガス種だけが出
力強度の変化に寄与する、ＩＬＳレーザ１２の出力波長の特定の部分と一致する
ように選ばれるから、そのガス種が何であるかがわかる。

【００６１】明確に定められた動作条件の下で、波長選択性光素子５２の通過帯に対応する
特定の波長における出力波長または強度をレーザキャビティ２４内の既知のガス
種濃度で較正することにより、ガス種の濃度がわかる。この濃度は、温度、圧力
、レーザ利得、生成時間(ｔ_ｇ)すなわちキャビティ内モード競合が生じていられ
る時間、及びＩＬＳレーザ１２の出力波長を変えるその他のいかなるパラメータ
も含む、動作パラメータの特定の組合せに依存する。ガス検出システム１０が較
正された状態にあることを保証するためには、上記の動作パラメータが一定に保
たれなければならないことは当然である。あるいは、上記の動作パラメータを変
えることにより、ガス検出システムの較正された感度が変わり、よってガス検出
システムのダイナミックレンジを拡げるための、様々な明確に定められた動作条
件の下での多重較正が可能になる。いずれにしても、拡張された用法にわたり較
正を維持するガス検出システム１０を構成するためには、ＩＬＳレーザ１２の出
力強度に影響する特定の動作パラメータについての知識が必要である。

【００６２】ここで図２ｂを参照すると、異なる２つの動作条件についてＩＬＳレーザ１２
の出力強度が波長に対して示されている。曲線５６は、特定の濃度において特定
のレーザ出力波長をもって動作しているＩＬＳレーザ１２に対応する。曲線５８
は、別の汚染種濃度において別のレーザ出力波長をもって動作しているＩＬＳレ
ーザ１２に対応する。

【００６３】次に図３を参照すると、本発明の別の実施形態が示される。本発明にしたがえ
ば、図３に描かれるＩＬＳレーザ１２のとり得る（すなわち動作）波長バンド幅
（Δν_レーザ）は、測定されるべきガス種にともなう吸収帯すなわち領域（Ｗ_吸 _収）に排他的に一致するのに十分に狭い。

【００６４】上で論じたように、“吸収帯”は吸収がそれぞれの波長でおこる吸収スペクト
ルにおける単一の連続波長領域として定義される。したがって、吸収が見られな
い領域,Ｂにより隔てられた２本の吸収線,Ａ_１及びＡ_２を吸収スペクトルが含ん
でいれば、２本の吸収,Ａ_１及びＡ_２は別々の吸収帯に対応する。しかし、２本
の吸収線,Ａ_１及びＡ_２が極小吸収（すなわち極大強度）で隔てられているだけ
であれば、２本の吸収線,Ａ_１及びＡ_２は単一の吸収帯に対応する。

【００６５】本発明にしたがえば、図３に描かれるガス検出システム１０は、ＩＬＳレーザ
１２、波長選択性光素子５２及び光検出器１６を含む。ＩＬＳレーザ１２はミラ
ー２６及び２８で定められるレーザキャビティ２４内に置かれた増幅媒体２０を
含む。レーザキャビティ２４は線型キャビティであり、増幅媒体２０はイオンド
ープ結晶を含む。第１のミラー２６はイオンドープ結晶の一端６０上に反射コー
ティングを被着することにより形成される。第２のミラー２８は曲面反射器を含
む。図２ａと同様に、波長選択性光素子５２’を必要に応じてレーザキャビティ
２４内に含めることができる。

【００６６】図３に示されるレーザキャビティ２４は線型キャビティであるが、別のキャビ
ティ構造も本発明にしたがって用い得ることは当然である。そのような別のキャ
ビティ構造は、ＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅,Δν_レーザが、検出されるべ
きガス種にともなう吸収帯の重なり部分のバンド幅と同等である、すなわち１対
１で整合するかあるいはその中にちょうど収まる限り、許容できる。

【００６７】本発明のこの第２の実施形態において、増幅媒体２０として用いられるイオン
ドープ結晶はＴｍ^３＋:Ｔｂ^３＋:ＹＬＦ結晶である。しかし、考えられる特定の
用途に適したその他のイオンドープ結晶も用い得ることは当然である。したがっ
て、以下に列挙されるイオンドープ結晶を含む、本明細書に特定的に開示される
イオンドープ結晶が全てを網羅しているはずであるとは考えていない。

【００６８】本発明の方法及び装置に適切に用い得るイオンドープ結晶の例には、Ｃｒ:Ｔ
ｍ:Ｈｏ:ＹＡＧ，Ｃｒ^４＋:ＹＳＯ，Ｃｒ^４＋:ＹＡＧ，Ｃｒ^４＋:ＹＳＡＧ，Ｅ
ｒ^３＋:ＧＳＧＧ，Ｅｒ^３＋:ＹＳＧＧ，Ｅｒ^３＋:ＹＬＦ，Ｅｒ^３＋:Ｙｂ^３＋:
ガラス，Ｈｏ^３＋:ＹＳＧＧ，Ｈｏ^３＋:Ｔｍ^３＋:ＬＵＡＧ，Ｔｍ^３＋:Ｈｏ^３＋ :ＹＬＦ，Ｔｍ^３＋:Ｈｏ^３＋:ＹＡＧ，Ｔｍ^３＋:ＣａＹＳＯＡＰ，Ｔｍ^３＋:
ＹＬＦ，Ｔｍ^３＋:ガラス，Ｔｍ^３＋:ＣａＬａＳＯＡＰ，Ｔｍ^３＋:ＹＯＳ，
Ｔｍ^３＋:ＹＳＧＧ，Ｔｍ^３＋:ＹＡＧ，Ｔｍ^３＋:ＹＶＯ_４，Ｙｂ^３＋:ＹＡＧ，
Ｃｒ:ケイ酸マグネシウム，Ｅｒ:Ｙｂ:ガラス，ＣＯ_２:ＭｇＦ_２，Ｃｒ^２＋:Ｚ
ｎＳｅ，及びＣｒ^２＋:ＺｎＳ/ＺｎＳｅ/ＺｎＴｅがある。その他の材料も、ガ
スであろうと、液体であろうと、または固体であろうとも、増幅媒体２０として
用いることができる。

【００６９】図３はさらに、レーザキャビティ２４内に位置するガス試料セル２２を示す。
ガス試料セル２２はガス試料をレーザコンポーネントから隔離する。非腐食性ガ
ス試料に対してはガス試料セル２２が必要でないことは当然であり、この場合に
は、ガス試料を全レーザキャビティ２４内に入れることができる。

【００７０】ガス試料セル２２には流入導管６２及び流出導管６４が設けられる。セルの窓
６６及び６８のそれぞれはガス試料セル２２の両遠位端に取り付けられ、ビーム
７０に分析されるべきガス試料を通過させる。また、窓６６及び６８はガス試料
セル２２を封止する。

【００７１】ガス試料セルがＩＬＳレーザ１２を収めるチャンバ７２内に存在する場合は、
検出されるべきガス種をチャンバから除去または排除する必要がある。チャンバ
７２からガス種を除去することにより、ガス検出システム１０を用いて得られる
システム応答は、ガス試料セル２２内に入れられたガス種の存在及び量を正確に
表す。チャンバ７２からガス種をパージするか排気した後に、（例えばガス試料
が腐食性ガスを含む場合に）ガス試料が流入導管６２及び流出導管６４を介して
ガス試料セル２２に供給される。しかし、ガス試料がレーザのコンポーネントと
化学的な反応を行わないような場合には、ガス試料をチャンバ７２に通すことが
できる。

【００７２】上で論じたように、ＩＬＳレーザ１２には増幅媒体２０を励起するためのポン
ピング源７４が必要である。イオンドープ結晶増幅媒体２０の光励起は、半導体
ダイオードレーザ７６を含むポンピング源７４により与えられる。

【００７３】ポンピング源７４は、ＩＬＳレーザ１２を駆動する、コヒーレントであるかイ
ンコヒーレントであるか、連続波かパルス波かの、適当ないずれの光ポンピング
源も含み得ることは当然である。例えば、ポンピング源７４は代わりに、固体結
晶レーザ（例えばＮｄ:ＹＡＧ）、ガスレーザ、１つないしそれ以上のフラッシ
ュランプ、ファイバレーザ、またはＩＬＳレーザ１２のポンピングに適当なその
他のいかなるポンピング源も含み得る。

【００７４】図３は、電源７８により電力が与えられ、また熱電冷却器８０により冷却され
ている半導体ダイオードレーザ７６を示す。半導体ダイオードレーザ７６及び熱
電冷却器８０は、半導体ダイオードレーザで発生する熱を放散するために与えら
れたヒートシンク８２に搭載される。

【００７５】しかし、ポンピング源７４として半導体ダイオードレーザ７６を使用すると一
般に、半導体ダイオードレーザ７６とＩＬＳレーザ１２との間の光整合を容易に
するためのビーム整形光学系８４を使用する必要がある。ビーム整形光学系の例
には、回折光学系、屈折光学系、屈折率が軸方向で変化する分布屈折率光学系、
屈折率が径方向で変化する分布屈折率光学系、微小光学系、及びこれらの組合せ
がある。図３は、一対のアナモルフィックプリズム８６及び一対のレンズ８８を
含む、巨視的光学系からなるビーム整形光学系８４を示す。あるいは、ビーム拡
大望遠鏡または半導体ダイオードレーザ７６から数μｍ以内に置かれた微小光学
系を用いることもできる。

【００７６】図３はさらに、ビーム整形光学系８４と増幅媒体２０との間に挿入された第１
の変調器９０を示す。第１の変調器９０は変調器ドライバ９２により電力が与え
られ、制御される。第１の変調器９０は半導体ダイオードレーザ７６から出てく
るポンピングビーム９６を交互に減衰及び透過し、よってポンピングビームによ
る増幅媒体２０のポンピングを周期的に妨げる。このようにして、第１の変調器
９０はポンピングビーム９６に増幅媒体２０の再帰的なポンピングをおこさせ、
よってＩＬＳレーザ１２がオンとオフの間で切り換えられる。

【００７７】第２の変調器９４が、ＩＬＳレーザ１２を出てくる出力ビーム３２の行路に挿
入される。第２の変調器９４はレーザキャビティ２４を出てくる出力ビーム３２
を交互に減衰及び透過し、よって、出力を光検出器１６に通すことにより、ＩＬ
Ｓレーザ１２からの出力ビームを周期的にサンプリングする。

【００７８】第１の変調器９０がポンピングビーム９６の全強度を周期的に増幅媒体２０に
到達させ、一方第２の変調器９４が出力ビーム３２の全強度を周期的に光検出器
１６に到達させるように、第２の変調器９４は第１の変調器９０と同期される。
変調器９０及び９４の双方を用いることにより、増幅媒体２０における利得がガ
ス種により生じる吸収損失と競合する時間の長さを制御することができる。詳し
くは、生成時間,ｔ_ｇの値を２つの変調器９０及び９４を用いて調節することが
できる。本明細書で用いられるように、“生成時間”は、測定の前にＩＬＳレー
ザ１２内でモード競合がおこっている時間として定義される（あるいはポンピン
グ源７４の出力をパルス化し、よってポンピングビーム９６を低強度値と高強度
値との間で交互させて、増幅媒体２０を交互に閾値の下及び上（または閾値）に
置くことにより、第１の変調器９０及び／または第２の変更器９４を使用せずに
、生成時間,ｔ_ｇを変えることができる）。

【００７９】ポンピングの中断は、機械的に動作するチョッパ、電気光学または音響光学変
調器及びシャッタの使用を含むが、これらには限定されない、様々な手段を用い
て達成することができる。あるいはポンピング源７４（例えば半導体ダイオード
レーザ７６）に供給される電力を変え、よってレーザ動作に必要な閾値のすぐ上
及びすぐ下に増幅媒体２０を周期的に置く、高強度レベル及び低強度レベルとの
間の変動を半導体ダイオードレーザの出力に生じさせることができる。

【００８０】さらに、第２の変調器９４は音響光学変調器を含むが、機械的に動作するチョ
ッパまたはシャッタのようなその他の器具も本発明の方法及び装置に適切に用い
得ることは当然である。あるいは、第２の変調器９４を用いる代わりに、光検出
器１６をオンとオフの間で交互に切り換えて、ＩＬＳレーザ１２の出力を周期的
にサンプリングすることもできる。

【００８１】図３は、波長選択性光素子５２を通して光検出器１６に向けられている、ＩＬ
Ｓレーザ１２からの出力ビーム３２を描いている。代わりに、ＩＬＳレーザ１２
からの光出力を光ファイバリンク、すなわち光ファイバまたは光ファイバ束を介
して、光検出器１６が置かれている離れた場所に送り得ることは当然である。

【００８２】上で論じたように、本発明のＩＬＳレーザ１２のとり得る（すなわち動作）波
長バンド,Ｗ_レーザは、測定されるべきガス種の吸収スペクトルの単一吸収帯す
なわち領域に排他的に一致するのに十分に狭いことが好ましい。増幅媒体２０が
Ｔｍ^３＋:Ｔｂ^３＋:ＹＬＦを含む、図３に示されるＩＬＳレーザ１２については
、その波長バンド幅が水蒸気の吸収スペクトルの単一吸収帯に直接に重なる。

【００８３】水蒸気についての吸収データを、第１の変調器９０が用いられていないことを
除き、図３に簡略に示したものと同様のＩＬＳレーザ１２を用いて得た。その代
わりに、半導体ダイオードレーザ７６への電力を変調した。さらに、ＩＬＳレー
ザ１２の出力を分散し、よって図４に描かれるグラフをつくるために、図１ａに
示したものと同様の集成分光計装置１４が必要であった。ただし、ＩＬＳレーザ
１２は半導体ダイオードレーザ７６で光励起された、Ｔｍ^３＋:Ｔｂ^３＋:ＹＬＦ
からなるイオンドープ結晶を含んでいた。

【００８４】図４は窒素ガス中の高濃度の水蒸気についての正規化レーザ強度／水の吸収対
波長のグラフを示す。図４は１４５０ｎｍから１４５５ｎｍの波長領域での水蒸
気の分光識別特性を示している。１４５２.５ｎｍ及び１４５２.１ｎｍにある水
の吸収線がそれぞれ矢印９８及び１００で示されている。これらの２本の吸収線
は極小吸収により隔てられた特性吸収と考えられる。これらの２本の吸収線は合
同し、よってダイオードでポンピングされたＴｍ^３＋:Ｔｂ^３＋:ＹＬＦのバンド
幅内で一致する単一吸収帯すなわち領域を形成していた。図４は、ダイオードレ
ーザでポンピングされたＴｍ^３＋:Ｔｂ^３＋:ＹＬＦＩＬＳレーザのバンド幅が
、２本の水の吸収線によりつくられる水の吸収帯とおおよそ同等である（実際に
は水の吸収帯より若干広い）ことを示す。濃度が十分高い場合には、これらの２
本の吸収線を含む吸収帯すなわち領域は、ＩＬＳレーザ１２の動作バンド幅に完
全に重なり、これを包含する（すなわち少なくとも同じ広さである）。したがっ
て、ＩＬＳレーザ１２からの出力波長が変化するか、または特定の波長における
ＩＬＳレーザの出力が変化する。

【００８５】ＩＬＳレーザ１２のとり得る、すなわち動作するバンド幅,Δν_レーザが、測
定されているキャビティ内ガス種に起因する吸収帯の重なり部分のバンド幅,Δ
ν_吸収と同等である場合は、本発明の方法及び装置を前記ガス種を同定するため
にも、またガス種濃度を測定するためにも利用することができる。

【００８６】本発明の方法を利用することにより、ＩＬＳレーザ１２の出力の波長分布のマ
ッピングに依存する従来技術のＩＬＳセンサよりも、かなり小さく、簡単で、安
価であり、使用が容易なＩＬＳガス検出システム１０が得られる。より小さく、
より低コストで、操作が簡単であることの結果として、本発明のガス検出システ
ム１０を、ガス検出において全く別個の様々な用途に向けることができる。

【００８７】以上、較正された範囲内の濃度のガス種の存在を検出するための方法及び装置
を開示した。特許請求の範囲に表明される本発明の範囲を逸脱することなく、本
明細書に述べられた要素の構成及び配置に様々な改変がなされ得ることが、当業
者には容易に明らかであろう。さらにガス検出システム１０の適用対象も、例え
ば半導体製造ラインにおけるような、ＩＬＳガス検出器の設置場所も、所望に応
じて変えることができる。例えばＩＬＳチャンバ７２内の様々な要素の特定の配
置及びガス検出システム１０自体を、それらの構成及び配置がＩＬＳレーザ１２
の光励起を容易に再現可能な態様で適切に可能にする限り、改変することができ
る。現在知られているかまたは今後当業者により案出される、本発明の構成、配
置及び適用における上記及びその他の改変は、特許請求の範囲で考慮されている
。

【図面の簡単な説明】

【図１ａ】ＩＬＳレーザ、集成分光計装置、光検出器、及び光検出器からの電気的出力を
分析するためのコンピュータを含む、従来技術のガス検出システムを描いた断面
図である

【図１ｂ】従来技術のＩＬＳレーザの、(i)吸収を行っているガス種がレーザキャビティ
内に存在する場合と、(ii)吸収を行っているガス種がレーザキャビティ内に存在
しない場合とのそれぞれについての、スペクトル分解された出力の、強度及び波
長を座標とするグラフである

【図２ａ】ＩＬＳレーザ、波長選択性光素子及び光検出器を含む、本発明のガス検出シス
テムを描いた断面図である

【図２ｂ】２つの相異なるＩＬＳレーザ動作条件に関する、本発明のＩＬＳレーザの出力
波長の、強度及び波長を座標とするグラフである

【図３】本発明のＩＬＳレーザの別の実施形態を示す略図である

【図４】高水蒸気濃度に対する、１４５０ｎｍから１４５５ｎｍの波長にかけての吸収
スペクトルを示す、レーザ強度／水の吸収(任意単位)及び波長(単位：ｎｍ)を座
標とするグラフである

【符号の説明】

１０ＩＬＳガス検出システム１２ＩＬＳレーザ１６光検出器２０増幅媒体２２ガス試料セル２４レーザキャビティ２６，２８ミラー３２レーザ出力ビーム５２，５２’ 波長選択性光素子６６，６８窓７２ＩＬＳレーザチャンバ７４ポンピング源７６半導体ダイオードレーザ７８電源８０熱電冷却器８２ヒートシンク８４ビーム整形光学系８６アナモルフィックプリズム８８レンズ９０，９４変調器９２変調器ドライバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｇ０１Ｊ 3/10 Ｇ０１Ｊ 3/12 3/12 3/14 3/14 3/18 3/18 3/26 3/26 3/32 3/32 3/42 Ｕ 3/42 Ｈ０１Ｓ 3/094 Ｓ (72)発明者ピルグリム，ジェフリーエスアメリカ合衆国ニューメキシコ州 87505 サンタフェエスカイナロード 19 Ｆターム(参考） 2G020 AA03 BA02 BA03 BA12 CA02 CB04 CB07 CB23 CB42 CB51 CC02 CC13 CC23 CC27 CC30 CC31 CC48 CC55 CD03 CD22 2G059 AA01 BB01 CC02 DD12 DD13 EE01 EE12 GG01 GG02 GG07 HH01 JJ05 JJ11 JJ13 JJ24 KK04 MM01 MM09 5F072 AB15 JJ01 JJ08 KK06 KK26 KK30 MM03 PP07 TT05 TT15 YY11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス試料中の較正された範囲内にある特定の濃度のガス種の
存在を検出するためのガス検出システム(１０)において、前記ガス種が少なくと
も１つの単一連続波長バンド内の光を吸収し、前記システムが： (ａ) (i)レーザキャビティ(２４)と； (ii)イオンドープ結晶を含む増幅媒体(２０)と；を含むＩＬＳレーザ(１２)；前記ＩＬＳレーザ(１２)は前記ガス種が吸収を行う
前記連続波長バンド内に完全に含まれる波長においてのみ動作するように構成さ
れ、また前記ガス種により導入される前記吸収は、較正された範囲内で、前記レ
ーザ(１２)の出力波長を変えるか、または特定の波長における出力強度を変える
のに十分に大きい； (ｂ)前記ガス試料を前記レーザキャビティ内に入れるための容器(２２)；前記
容器(２２)により、前記増幅媒体(２０)から出てくる出力ビーム(３２)は、前記
レーザキャビティ(２４)を出る前に前記ガス試料を通過できる； (ｃ)特定の波長における絶対レーザ出力パワーを定量的に測定するための検出
器(１６)；及び (ｄ)前記ＩＬＳレーザ(１２)の外部で、前記ＩＬＳレーザ(１２)と前記検出器
(１６)との間に置かれた波長選択性光素子(５２)；これにより前記ＩＬＳレーザ
(１２)を出てくる前記出力ビーム(３２)は前記検出器(１６)に到達する前に前記
波長選択性光素子(５２)をまず通過しなければならず、また前記波長選択性光素
子(５２)は前記ＩＬＳレーザ(１２)の出力波長の一部分内にある波長を有する光
のみを透過させる；を含むことを特徴とするガス検出システム(１０)。
【請求項２】前記ＩＬＳレーザ(１２)が１つの単一連続波長領域内でのみ
動作するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のガス検出システ
ム(１０)。
【請求項３】前記ＩＬＳレーザ(１２)が、前記ガス種が吸収を行っている
前記バンドの外側の波長における前記ＩＬＳレーザ(１２)の動作を防止するコン
ポーネントを含むことを特徴とする請求項１記載のガス検出システム(１０)。
【請求項４】追加の波長選択性光素子(５２’)が前記レーザキャビティ(
２４)内に置かれ、前記追加の波長選択性光素子(５２’)が、前記ガス種が吸収
を行っている前記バンドの外側の波長における前記ＩＬＳレーザ(１２)の動作を
防止することを特徴とする請求項３記載のガス検出システム(１０)。
【請求項５】前記増幅媒体(２０)が、前記ガス種が吸収を行っている前記
バンドの外側の波長における前記ＩＬＳレーザ(１２)の動作を防止するのに十分
に狭いバンド幅を有するか、あるいは前記ガス種が吸収を行っている前記バンド
の外側の波長における前記ＩＬＳレーザ(１２)の動作を防止する光学コーティン
グをその上に有することを特徴とする請求項３記載のガス検出システム(１０)。
【請求項６】前記容器(２２)が前記レーザキャビティ(２４)内に置かれた
ガス試料セル(２２)を含み、前記ガス試料セル(２２)は前記増幅媒体(２０)から
の前記出力ビーム(３２)に前記ガス試料を通過させ得る窓(６６，６８)を有し、
前記窓(６６，６８)の内の少なくとも１つが、前記ガス種が吸収を行っている前
記バンドの外側の波長における前記ＩＬＳレーザ(１２)の動作を防止する光学コ
ーティングをその上に有することを特徴とする請求項３記載のガス検出システム
(１０)。
【請求項７】前記レーザキャビティ(２４)が少なくとも２つのミラー(２
６，２８)で形成され、前記ミラー(２６，２８)の内の少なくとも１つが、前記
ガス種が吸収を行っている前記バンドの外側の波長における前記ＩＬＳレーザ(
１２)の動作を防止する光学コーティングをその上に有することを特徴とする請
求項３記載のガス検出システム(１０)。
【請求項８】光ポンピング源(７４)が前記増幅媒体(２０)に放射光を与え
、よって前記ＩＬＳレーザ(１２)を駆動することを特徴とする請求項１記載のガ
ス検出システム(１０)。
【請求項９】前記ガス種が吸収を行っている前記バンドが、(ａ)単一の特
性吸収を含み、前記ＩＬＳレーザ(１２)が多モード動作を維持するのに十分に広
く、前記単一の特性吸収の波長のみに重なるのに十分に狭い動作バンド幅を有す
るか、あるいは(ｂ)複数の特性吸収を含み、前記ＩＬＳレーザ(１２)が多モード
動作を維持するのに十分に広く、前記複数の特性吸収の内の少なくとも１つの波
長のみに重なるのに十分に狭い動作バンド幅を有することを特徴とする請求項１
記載のガス検出システム(１０)。
【請求項１０】請求項１記載の前記ガス検出システム(１０)を用いる、ガ
ス試料中の構成された範囲の特定の濃度のガス種の存在を検出するための方法に
おいて、前記方法が： (ａ)前記ガス種が前記較正された範囲内の量で前記ガス試料中に存在する場合
に、前記ガス種が少なくとも１つの単一連続波長バンド内の光を吸収することを
決定するステップ； (ｂ)請求項１記載の前記ＩＬＳレーザ(１２)を提供するステップ； (ｃ)前記増幅媒体(２０)からの前記出力ビーム(３２)が、前記レーザキャビテ
ィ(２４)を出る前に、前記レーザキャビティ(２４)内に入れられる前記ガス試料
を通る方向に向けられるような位置に、前記増幅媒体(２０)を置くステップ； (ｄ)前記ＩＬＳレーザ(１２)を出てくる出力の強度を検出し、よって特定の波
長における出力パワーを定量的に測定するような位置に、前記検出器(１６)を置
くステップ；及び (ｅ)前記ＩＬＳレーザ(１２)を出てくる前記出力ビーム(３２)が前記検出器(
１６)に到達する前に前記波長選択性光素子(５２)をまず通過しなければならな
いように、前記波長選択性光素子(５２)を、前記ＩＬＳレーザ(１２)の外部で、
前記ＩＬＳレーザ(１２)と前記検出器(１６)との間の位置に置くステップ；前記
波長選択性光素子(５２)は前記ＩＬＳレーザ(１２)の出力波長の一部分内の波長
を有する光のみを透過させる；を含むことを特徴とする方法。