JP2005274507A - レーザ分光分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価で、安定なレーザ分光分析装置を実現する。
【解決手段】 波長可変レーザを用いて波長を掃引し、分光分析を行うレーザ分光分析装置において、
波長参照用エタロンと、波長参照用フォトダイオードと、予めエタロン信号のパターンを記憶するエタロン信号パターン記憶装置と、前記波長参照用エタロンを透過し、前記波長参照用フォトダイオードで検出されたエタロン信号パターンと前記エタロン信号パターン記憶装置に記憶された信号パターンとを比較するエタロン信号パターン比較装置と、前記波長可変レーザの波長を掃引するレーザ波長掃引制御装置とからなり、
前記波長可変レーザから出射したレーザ光の一部を分岐して前記参照用エタロンを透過させ、透過した光を前記参照用フォトダイオードで受光したエタロン信号と、前記エタロン信号パターン記憶装置に記憶した信号パターとを前記エタロンパターン比較装置で比較した結果を基にレーザ波長掃引範囲を制御する。

【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ分光分析装置の光源部分に関し、レーザ光源の波長制御方法の改善に関するものである。

レーザの波長を掃引する際の波長の基準として参照セル内に測定対象となるガスを封入し、その吸収線を基準に掃引先行技術として、例えば下記のようなものがある。

Ｓｉｍｅｎｓ ｌａｓｅｒ Ａｎａｌｙｔｉｃｓ ＡＢ ［平成１６年３月１日検索］インターネット＜ＵＲＬ：http://siesla.siemens.se/documents/Product%20information/LDS%203000%20basic%20operation.pdf

図３は上記非特許文献１に記載された従来のレーザ分光分析装置を示す要部構成図である。図において、Ｃｅｎｔｒａｌ Ｕｎｉｔ内２０のＣＰＵ ａｎｄ Ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ部２１よりＬａｓｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ部２２に指令を出し、Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ２３の発振波長をコントロールする。

Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ２３より出力したレーザ光はＯｐｔｉｃａｌ ｓｐｌｉｔｔｅｒ２４で５つの光に分割される。そのうち３つの光はＨｙｂｒｉｄｅ Ｃａｂｌｅ２５により測定点まで運ばれ、そこで測定対象サンプル（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｖｏｌｕｍｅ）２６ａ，２６ｂ，２６ｃを透過した後、検出器（ＰＴ）で受光されて電気信号に変換され、Ｅ／Ｏ素子により光信号に変換される。

光信号に変換された光はＨｙｂｒｉｄｅ Ｃａｂｌｅ２５により運ばれてＯ／Ｅ素子で電気信号に変換されＳｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ２７に入力される。即ち、測定対象サンプルを透過して検出された光を解析することでサンプル内の測定対象成分の濃度が測定される。

残りの２つの光の内１つは直接検出器ＰＯで検出され、レーザ光の出力パワーがモニターされる。最後の光はＲｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｅｌｌ２８を透過し検出器ＰＲで検出される。Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｅｌｌ２８には測定対象となる成分が封入されており、レーザ光の波長を変え、光の透過量をモニターすることで、レーザの波長を適当な範囲に設定する。レーザの波長は、Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ２３にＬａｓｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ部２２より加えられる電流値により変えることができる。

しかしながら、上述の従来例においては、レーザの波長を掃引する際の波長の基準としてＲｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｅｌｌ２８内に測定対象となるガスを封入し、その吸収線を基準に掃引しているため、各々のｃｅｌｌにガスを充填し封止する必要があるので、高価であり、また、ガスのリークやｃｅｌｌ壁面などへの吸着など不安定な要素があった。
従って、本発明の目的は、
Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｅｌｌを用いず波長掃引を行うことで、安価で、安定なレーザガス分光分析計を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
波長可変レーザを用いて波長を掃引し、分光分析を行うレーザ分光分析装置において、
波長参照用エタロンと、波長参照用フォトダイオードと、予めエタロン信号のパターンを記憶するエタロン信号パターン記憶装置と、前記波長参照用エタロンを透過し、前記波長参照用フォトダイオードで検出されたエタロン信号パターンと前記エタロン信号パターン記憶装置に記憶された信号パターンとを比較するエタロン信号パターン比較装置と、前記波長可変レーザの波長を掃引するレーザ波長掃引制御装置とからなり、
前記波長可変レーザから出射したレーザ光の一部を分岐して前記参照用エタロンを透過させ、透過した光を前記参照用フォトダイオードで受光したエタロン信号と、前記エタロン信号パターン記憶装置に記憶した信号パターとを前記エタロンパターン比較装置で比較した結果を基にレーザ波長掃引範囲を制御することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のレーザ分光分析装置において、
エタロン信号微分装置を有し、エタロン信号を微分した信号またはエタロン信号と微分信号を基にレーザ波長掃引範囲を制御するよう構成したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ分光分析装置において、
エタロンとして、ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）の異なる複数のエタロンを用い、その複数のエタロンからのエタロン信号パターンをエタロン信号パターン記憶装置に記憶し、複数のエタロン信号とエタロン信号パターン記憶装置に記憶した信号パターンとを比較した結果を基にレーザ波長掃引範囲を制御するように構成したことを特徴とする。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１に記載の発明によれば、 波長可変レーザを用いて波長を掃引し、分光分析を行うレーザ分光分析装置において、
波長参照用エタロンと、波長参照用フォトダイオードと、予めエタロン信号のパターンを記憶するエタロン信号パターン記憶装置と、前記波長参照用エタロンを透過し、前記波長参照用フォトダイオードで検出されたエタロン信号パターンと前記エタロン信号パターン記憶装置に記憶された信号パターンとを比較するエタロン信号パターン比較装置と、前記波長可変レーザの波長を掃引するレーザ波長掃引制御装置とからなり、前記波長可変レーザから出射したレーザ光の一部を分岐して前記参照用エタロンを透過させ、透過した光を前記参照用フォトダイオードで受光したエタロン信号と、前記エタロン信号パターン記憶装置に記憶した信号パターとを前記エタロンパターン比較装置で比較した結果を基にレーザ波長掃引範囲を制御するようにしたので、
掃引波長範囲をコントローする基準としてＲｅｆａｒｅｎｃｅ Ｃｅｌｌを用いる必要がない。その結果、安価で、安定なレーザ分光分析装置を実現することができる。

請求項２に記載の発明によれば、エタロン信号微分装置を有し、エタロン信号を微分した信号またはエタロン信号と微分信号を基にレーザ波長掃引範囲を制御するよう構成したので、レーザ波長に対して周期的に変化するエタロン信号のみでは、信号の頂点や谷となる波長では十分な感度（分解能）で波長を検出できない場合があるが、エタロン信号と位相が異なる微分信号を用い、全ての波長に対して、掃引波長範囲を正確にコントロールすることが出来るようになる。

請求項３に記載の発明によれば、エタロンとして、ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）の異なる複数のエタロンを用い、その複数のエタロンからのエタロン信号パターンをエタロン信号パターン記憶装置に記憶し、複数のエタロン信号とエタロン信号パターン記憶装置に記憶した信号パターンとを比較した結果を基にレーザ波長掃引範囲を制御するよう構成したので、
レーザ波長に対して周期的で、かつ、周期の異なる複数のエタロン信号が得られるため、その組み合わせにより、レーザ波長の絶対値を得ることが出来、波長掃引範囲を正確に制御することが出来る。また、一つのエタロン信号では、信号の頂点や谷となる波長では十分な感度（分解能）で波長を検出できない場合があるが、複数の周期の異なるエタロン信号により、補間しあえるため、全ての波長に対して、掃引波長範囲を正確にコントロールすることが出来るようになる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明に係るレーザ分光分析装置の要部構成図である。
図において、１は本発明に係る分光分析装置の光源部であり、レーザ制御装置２、レーザ駆動装置７、波長可変レーザ８、レンズ９、ビームスプリッタ１０、エタロン１１、フォトダイオード（ＰＤ）１２などで構成されている。
なお、レーザ制御装置２にはレーザ波長掃引制御装置３、エタロンパターン比較装置４、エタロン信号パターン記憶装置５、エタロン信号微分装置６が設けられている。

上述の構成において、波長可変レーザ８はレーザ制御装置２よりの信号を基にレーザ駆動装置７により駆動される。波長可変レーザ８より出射した光はレンズ９ａを通り、ビームスプリッタ１０ａである一定の割合が反射されレンズ９ｂで集光されて検出器ＰＤ１２ａで検出される。

ビームスプリッタ１０ａを透過した光はビームスプリッタ１０ｂである一定の割合が反射され、エタロン１１を透過した後、レンズ９ｃで集光されて検出器ＰＤ１２ｂで検出される。検出器ＰＤ１２ａ、ＰＤ１２ｂで検出された信号はそれぞれレーザ制御装置２に送られる。

半導体レーザで波長を掃引する場合、投入電流又はペルチェ素子等により温度を変化させて行う。そのため出力パワーが変化する。検出器ＰＤ１２ａからの信号はパワーのモニター用として使用する。

レーザ制御装置２ではそれらの信号を基にレーザ駆動装置７を制御し波長可変レーザ８を介してパワーを変調したり、波長を掃引するなど必要な光を出射する。
可変波長レーザ８より出射され、ビームスプリッタ１０ａ，ビームスプリッタ１０ｂを透過した光はサンプル１６に照射され、透過した光がレンズ９ｄで集光されて検出器ＰＤ１２ｃで検出される。その検出された光を解析することでサンプル内の測定対象成分の濃度が測定される。

レーザの発振波長はレーザ制御装置２内のレーザ波長掃引制御装置３により制御される。レーザ波長掃引制御装置３では、レーザ波長を掃引しながら検出器ＰＤ１２ｂからのエタロン信号を得、エタロン信号パターン比較装置４においてエタロン信号パターン記憶装置５に記憶したエタロン信号パターンと比較を行い、パターンが一致するように波長可変レーザの波長掃引範囲を制御する。

エタロン信号はレーザの波長に対して周期的な信号となるため、複数のＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）の異なるエタロンの組み合わせや、波長可変レーザの波長を制御するための信号と波長の大まかな特性を予め得ておき、それにより粗調を行った上で、エタロン信号により波長掃引範囲を制御することで、必要な波長のレーザ光を得ることが可能となる。
図２はエタロンの透過波長特性を示すものである。図に示すように、一つのエタロンで制御しようとすると、エタロン信号は波長に対して周期的な信号となるため、自分が何周期目にいるかを最初に粗調する必要がある。
即ち、一つのエタロンでは波長に対して周期的な信号となるため、その信号だけでは波長の絶対値は分からない。波長に対する周期の異なる複数のエタロンを組み合わせて使うとバーニアのような効果を得ることができ波長を特定できるようになる。

なお、波長可変レーザ７としては半導体レーザに加える電流値を制御したり、また、温度を制御するなどして波長を制御するものや、外部共振器により波長を変えるもの等が使用可能である。
以上図面と共に詳細に説明したように本発明によれば、波長掃引範囲をコントロールする基準にＲｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｅｌｌを用いず、エタロンを用い行うように構成したので、安価で、安定なレーザガス分光分析計を実現することが出来る。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明に係るレーザ分光分析装置の要部構成図である。。 エタロンの透過波長特性を示す図である。 従来のレーザ分光分析装置を示す要部構成図である。

符号の説明

１ 光源部
２ レーザ制御装置
３ レーザ波長掃引制御装置
４ エタロン信号パターン比較装置
５ エタロン信号パターン記憶装置
６ エタロン信号微分装置
７ レーザ駆動装置
８ 波長可変レーザ
９ レンズ
１０ ビームスプリッタ
１１ エタロン
１２ 検出器（ＰＤ）
１６ サンプル

Claims (3)

1. 波長可変レーザを用いて波長を掃引し、分光分析を行うレーザ分光分析装置において、
   波長参照用エタロンと、波長参照用フォトダイオードと、予めエタロン信号のパターンを記憶するエタロン信号パターン記憶装置と、前記波長参照用エタロンを透過し、前記波長参照用フォトダイオードで検出されたエタロン信号パターンと前記エタロン信号パターン記憶装置に記憶された信号パターンとを比較するエタロン信号パターン比較装置と、前記波長可変レーザの波長を掃引するレーザ波長掃引制御装置とからなり、
   前記波長可変レーザから出射したレーザ光の一部を分岐して前記参照用エタロンを透過させ、透過した光を前記参照用フォトダイオードで受光したエタロン信号と、前記エタロン信号パターン記憶装置に記憶した信号パターとを前記エタロンパターン比較装置で比較した結果を基にレーザ波長掃引範囲を制御することを特徴とするレーザ分光分析装置。
2. エタロン信号微分装置を有し、エタロン信号を微分した信号またはエタロン信号と微分信号を基にレーザ波長掃引範囲を制御するよう構成したことを特徴とする請求項１記載のレーザ分光分析装置
3. エタロンとして、ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）の異なる複数のエタロンを用い、その複数のエタロンからのエタロン信号パターンをエタロン信号パターン記憶装置に記憶し、複数のエタロン信号とエタロン信号パターン記憶装置に記憶した信号パターンとを比較した結果を基にレーザ波長掃引範囲を制御するよう構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ分光分析装置。