JP2006038765A - 吸収計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 キャビティリングダウン分光法を用いて被測定試料の吸収特性を高感度に計測でき、小型化が可能な吸収計測装置を提供する。
【解決手段】 吸収計測装置１は、同一中心周波数を有する測定パルス光Ｌ１と参照パルス光Ｌ２とを異なる光路Ｒ１，Ｒ２上に出力する光供給手段２０と、測定パルス光Ｌ１の光路上に配置されており、一対のミラー１１ａ，１１ｂからなるキャビティ１１内に被測定試料Ｓが導入されるキャビティリングダウン（ＣＲＤ）部１０と、ＣＲＤ部１０が有するキャビティ内での測定パルス光Ｌ１の多重反射に応じて出力される複数の透過パルス光Ｌ１_ｎからなる信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２との間の遅延時間を調整する光学遅延手段３１，３２と、信号光と参照パルス光とを干渉させて干渉光を検出する検出手段５０と、検出手段で検出される干渉光の強度の時間的変化に基づいて被測定試料Ｓの吸収特性を決定する解析手段６０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、キャビティリングダウン分光法を用いた吸収計測装置に関するものである。

被測定試料の吸収係数を取得する手法として、吸収分光法の１つであるキャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ）が知られている。このＣＲＤＳでは、まず、被測定試料が導入されたキャビティ内にパルス光を入射する。キャビティ内に入射されたパルス光は、キャビティ内で多重反射するが、その際、被測定試料に含まれる光吸収物質によって吸収される成分とキャビティを構成するミラー対の反射・透過率によって減衰する成分によって、反射毎に強度が減少する。これにより、キャビティを構成するミラーでの反射毎にパルス光がそのミラーを透過して得られる透過パルス光の強度は、指数関数的に減衰する。ＣＲＤＳでは、パルス光が入射されたキャビティからの複数の透過パルス光の強度を測定した後、その指数関数的な減衰曲線から被測定試料の吸収係数を決定する。このように、被測定試料の吸収係数が決定されると、その吸収係数を利用することによって、被測定試料に含まれる光吸収物質の濃度等を決定することができる。

上記ＣＲＤＳを利用した計測装置として、特許文献１には、検出感度の向上を図るために、ヘテロダイン法を適用した装置が開示されている。すなわち、特許文献１に記載の装置では、周波数のわずかに異なる２つの光を同時にキャビティ内を通過させ、それら２つの光を干渉させて、その干渉成分から透過パルス光の時間強度の変化を検出している。
米国特許第６０９４２６７号明細書

ところで、干渉法を利用する場合、干渉させる２つの光の一方の光（参照光）の強度を大きくすれば、検出される信号も大きくなるので、高感度な計測が期待される。しかしながら、特許文献１に記載の装置では、周波数のわずかに異なる２つの光を両方とも被測定試料に通過させるため、参照光の強度を上げると被測定試料の光破壊が生じるおそれがあり、高感度な計測が難しい。更に、特許文献１記載の装置では、２つの光の周波数差を高精度に制御しなければならず、装置の構成が複雑になるという問題点がある。また、特許文献１に記載のように干渉法を利用せずに、光検出器で透過パルス光を直接検出して時間分解計測する場合には、透過パルス光の時間変化に追随する検出器と、オシロスコープやストリークカメラなどの時間分解計測装置とが必要になるため、装置が大型化するという問題点がある。

そこで、本発明は、キャビティリングダウン分光法を用いて被測定試料の吸収特性を高感度に計測でき、小型化が可能な吸収計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る吸収計測装置は、同一中心周波数を有する測定パルス光と参照パルス光とをそれぞれ異なる光路上に出力する光供給手段と、互いに対向する一対のミラーで構成されたキャビティ内に被測定試料が導入されており、測定パルス光の光路上に配置されるキャビティリングダウン部と、測定パルス光が入射されたキャビティリングダウン部におけるキャビティ内での測定パルスの多重反射に応じてキャビティリングダウン部から出力される複数の透過パルス光からなる信号光と参照パルス光との間の遅延時間を調整する光学遅延手段と、信号光と参照パルス光とを干渉させて、信号光と参照パルス光との干渉光を検出する検出手段と、検出手段で検出される干渉光の強度の時間的変化に基づいて被測定試料の吸収特性を決定する解析手段と、を備えることを特徴とする。

この場合、光供給手段によって、同一中心周波数を有する測定パルス光と参照パルス光とが生成され、それぞれ異なる光路上に出力される。そして、キャビティリングダウン部は、光供給手段から出力される測定パルス光の光路上に配置されているので、光供給手段から出力された測定パルス光は、キャビティリングダウン部に入射する。キャビティリングダウン部は、一対のミラーからなるキャビティを有していることから、キャビティリングダウン部に入射した測定パルス光はキャビティ内で多重反射する。また、このキャビティ内には、被測定試料が導入されているので、測定パルス光は、多重反射によってキャビティ内の被測定試料を通過する毎に被測定試料によって吸収される。そのため、測定パルス光がキャビティリングダウン部を通過して得られる複数の透過パルスからなる信号光の強度は、被測定試料の吸収特性とミラー対の反射・透過特性に応じて時間的に減衰する。上記吸収計測装置では、検出手段によって、上記測定パルス光と同一の中心周波数を有する信号光と、光供給手段から出力され測定パルス光と同一の中心周波数を有する参照パルス光と、を干渉させ、干渉光を検出する。そして、干渉光の強度の時間変化を解析手段によって解析することで、被測定試料の吸収特性を決定する。そのため、その吸収特性から被測定試料に含まれる光吸収物質の濃度等を算出可能である。

上記吸収計測装置では、同一中心周波数の信号光と参照パルス光とを干渉させてその干渉光を検出する、いわゆるホモダイン法を採用しているので、吸収計測装置の構成が簡素であり、小型化が可能である。また、参照パルス光は被測定試料を通過していないので、被測定試料にダメージを与えることなく参照パルス光の強度を上げることができる結果、高感度な計測が可能である。

また、本発明に係る吸収計測装置における光供給手段は、パルス光を出力するパルス光源部と、パルス光源部から出力されたパルス光を測定パルス光と参照パルス光とに分岐して、測定パルス光と参照パルス光とをそれぞれ異なる光路上に出力する光分岐部と、を有することが好ましい。この構成では、同じパルス光源部から出力された１つのパルス光が光分岐部で測定パルス光と参照パルス光とに分岐されて、異なる光路上に出力される。この場合、同一中心周波数を有する測定パルス光と参照パルス光とを容易に生成できる。

更に、本発明に係る吸収計測装置における光供給手段は、互いに対向する端面のうちの一方から測定パルス光を出力し、他方から参照パルス光を出力する半導体レーザであることが好ましい。この場合、１つの半導体レーザから同時に測定パルス光と参照パルス光とが出力されているので、装置の構成が更に簡素になり、小型化を図りやすい。

また、本発明に係る吸収計測装置における光学遅延手段は、測定パルス光の光路上及び参照パルス光の光路上のうち少なくとも一方に設けられた光路長が可変の遅延光学系からなることが好ましい。この場合、信号光及び参照パルス光の少なくとも一方の光路長を上記遅延光学系によって変えることで、信号光と参照パルス光との遅延時間を調整することができる。

更に、本発明に係る吸収計測装置においては、信号光と参照パルス光との間の光路長差を変調する変調手段を更に有し、変調手段は、測定パルス光及び参照パルス光の少なくとも一方の光路上に設けられることが好ましい。この場合、変調手段によって信号光と参照パルス光との光路長差が変調されているので、変調手段の変調周波数に同期させて干渉光を検出することにより、より高いＳ／Ｎ比を実現できる傾向にある。

更に、本発明に係る吸収計測装置においては、光供給手段、キャビティリングダウン部、光学遅延手段及び検出手段は、同じ支持板上に設けられることが好ましい。この場合、同じ支持板上に、光供給部、キャビティリングダウン部、光学遅延手段及び検出手段が設けられているので、吸収計測装置に用いられている光学系が安定する。

本発明の吸収計測装置によれば、キャビティリングダウン分光法を用いて被測定試料の吸収特性を高感度で計測でき、小型化も可能である。

以下、図面を参照して本発明による吸収計測装置の好適な実施形態について説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態に係る吸収計測装置は、キャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ）を利用して被測定試料Ｓの吸収特性を取得するものである。先ず、このＣＲＤＳの原理について説明する。

図１に示すように、ＣＲＤＳでは、反射率の高い（例えば、反射率が９９％以上）一対のミラー１１ａ，１１ｂからなるキャビティ１１に、被測定試料Ｓを保持する試料セル１２を配置しておく。そして、この試料セル１２内に被測定試料Ｓを導入した状態で、キャビティ１１内に測定パルス光Ｌ１を入射する。測定パルス光Ｌ１は、一対のミラー１１ａ，１１ｂ間で多重反射するが、その一部はミラー１１ｂから漏れ出し、パルス間隔Δｔを有する複数の透過パルス光Ｌ１_ｎ（ｎは、１以上の整数）の列からなる信号光Ｍが得られる。

なお、パルス間隔Δｔは、主として、ミラー１１ａ，１１ｂ間の距離Ｗと被測定試料Ｓの屈折率によって決まっており、例えば、被測定試料Ｓの屈折率を１．３とし、ミラー１１ａ，１１ｂ間の距離Ｗを１ｃｍとすると、パルス間隔Δｔは、（２×１[ｃｍ]×１．３）を光速で除したものに相当し、約８７ｐｓである。

ここで、試料セル１２には被測定試料Ｓが導入されているので、キャビティ１１内で多重反射している測定パルス光Ｌ１は、被測定試料Ｓを通過する毎に、被測定試料Ｓによって吸収される。そのため、各透過パルス光Ｌ１_ｎの強度は被測定試料Ｓの吸収に応じて減衰する。したがって、信号光Ｍの強度の時間変化（減衰特性）から被測定試料Ｓの吸収係数（吸収特性）を得ることができ、この吸収係数から被測定試料Ｓに含まれる光吸収物質の濃度などを求めることが可能である。

図２に示す本実施形態に係る吸収計測装置１は、信号光Ｍの検出にホモダイン法を適用したことを特徴としており、吸収計測装置１では、ホモダイン法を適用するために、測定パルス光Ｌ１と同一中心周波数の参照パルス光Ｌ２と、上述した信号光Ｍと、を干渉させるＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型の干渉計を採用している。以下、吸収計測装置１の構成について説明する。

吸収計測装置１は、測定パルス光Ｌ１及び参照パルス光Ｌ２を生成する光供給手段２０を有している。光供給手段２０は、特定の波長とパルス幅を有するパルス光Ｌを出力するレーザ光源（パルス光源部）２１と、レーザ光源２１から出力されたパルス光Ｌを２つに分ける光分岐部２２とを含んで構成されている。光分岐部２２としては、例えば、ハーフミラーやビームスプリッタである。

光供給手段２０においては、レーザ光源２１から出力したパルス光Ｌを、光分岐部２２で測定パルス光Ｌ１と参照パルス光Ｌ２とに分岐した後に、互いに異なる第１及び第２の光路Ｒ１，Ｒ２に出力する。この測定パルス光Ｌ１と参照パルス光Ｌ２とは、１つのパルス光Ｌから分岐されて生成されているので、同一の中心周波数及び位相を有している。ここで、同一の位相とは、互いの位相において一定の関係を有するという意味である。

光供給手段２０によって生成された測定パルス光Ｌ１の第１の光路Ｒ１上には、キャビティリングダウン（ＣＲＤ）部１０が配置されている。ＣＲＤ部１０は、図１に示した一対のミラー１１ａ，１１ｂからなるキャビティ１１と、そのキャビティ１１内に配置された試料セル１２とを含んで構成される。試料セル１２には、配管を介して試料供給源１３が接続されており、試料供給源１３からポンプ１４によって、液体又は気体の被測定試料Ｓが導入される。そして、試料セル１２内に被測定試料Ｓが溜められた状態で測定パルス光Ｌ１がキャビティ１１内に入射されたとき、ＣＲＤ部１０は、複数の透過パルス光Ｌ１_ｎからなる信号光Ｍを第１の光路Ｒ１に出力する。また、試料セル１２には、配管を介して廃棄溜１５が接続されており、測定された被測定試料Ｓは、廃棄溜１５に排出される。

このＣＲＤ部１０から出力された信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２とを、後述する検出手段５０において干渉させるために、吸収計測装置１は、信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２との遅延時間を調整する光学遅延手段としての測定側遅延手段３１及び参照側遅延手段３２を有している。

測定側遅延手段３１は、第１の光路Ｒ１上であってＣＲＤ部１０の後段に配置されており、自動ステージ３３上にコーナキューブプリズム（以下、単にプリズムという）３４が設けられた遅延光学系からなる。このプリズム３４は、ミラーＭ１によって反射された後に入射される信号光Ｍの進行方向を反転させて出力する。すなわち、プリズム３４は、側面３４ａに入射された信号光Ｍを、互いに直交している側面３４ｂ，３４ｃで反射させて側面３４ａから出力する。このプリズム３４が取り付けられている自動ステージ３３は、信号光Ｍのプリズム３４への入射方向に沿って前後に移動可能であり、測定側遅延手段３１は、自動ステージ３３の移動によって信号光Ｍの光路長を変えることができる。

また、参照側遅延手段３２は、第２の光路Ｒ２上に配置されており、自動ステージ３５上にプリズム３６が設けられた遅延光学系からなる。このプリズム３６は、入射される参照パルス光Ｌ２の進行方向を反転させて出力する。すなわち、プリズム３６は、側面３６ａから入射される参照パルス光Ｌ２を、互いに直交している側面３６ｂ，３６ｃで反射させて側面３６ａから出力する。プリズム３６が取り付けられている自動ステージ３５は、プリズム３６への参照パルス光Ｌ２の入射方向に沿って前後に移動可能であり、参照側遅延手段３２は、自動ステージ３５の移動によって参照パルス光Ｌ２の光路長を変えることができる。

吸収計測装置１では、測定側遅延手段３１及び参照側遅延手段３２とを互いに連携させて信号光Ｍ及び参照パルス光Ｌ２の光路長を変えることで、信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２との遅延時間を調整する。より具体的には、例えば、１０個の透過パルス光Ｌ１_１〜Ｌ１_１０に対して測定を実施する場合、透過パルス光Ｌ１_１〜Ｌ１_１０のパルス間隔Δｔを、仮に、８７ｐｓとすれば、全体として８７０ｐｓの遅延時間を必要とするので、各プリズム３４，３６をいずれかを約１３ｃｍ移動させる。ここでは、説明の簡単化のため、プリズム３４，３６は同一形状としている。なお、この移動距離は、ミラー１１ａ，１１ｂ間の距離Ｗ（図１参照）と被測定試料Ｓの屈折率とで主に決まるパルス間隔Δｔに依存しているので、被測定試料Ｓの屈折率に応じてミラー１１a，１１ｂ間の距離Wを変えることによって、干渉計の安定性の向上及び吸収計測装置１の小型化を図るように移動距離を最適化することができる。

更に、吸収計測装置１は、干渉計の不安定性に起因するノイズを低減するために、信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２との光路長差を変調する変調手段４０を有している。この変調手段４０は、ピエゾ素子４１が取り付けられたミラーＭ２と、ピエゾ素子４１を駆動する変調信号発生器４２とを含んで構成されている。

このミラーＭ２は、第２の光路Ｒ２上であってプリズム３６の後段に配置されており、プリズム３６から出力される参照パルス光Ｌ２を反射して、後述する検出手段５０に入射させる。ミラーＭ２に取り付けられたピエゾ素子４１は、変調信号発生器４２から入力される変調信号によって駆動され、参照パルス光Ｌ２の波長の数倍の振幅であって所定の周波数（例えば、１ｋHz）で振動する。なお、この所定の周波数は、透過パルス光Ｌ１_ｎのパルス間隔Δｔに対応する周波数（≒１／Δｔ）と相違していればよく、通常、その周波数よりも低い周波数である。これにより、参照パルス光Ｌ２の光路長は、ピエゾ素子４１の振動に応じて時間的に変化する結果、参照パルス光Ｌ２と信号光Ｍとの干渉光に対応する干渉信号の干渉成分は、変調周波数に応じて変化する交流信号成分となる。

また、吸収計測装置１は、測定側遅延手段３１から出力された信号光Ｍと、変調手段４０で変調された参照パルス光Ｌ２とを干渉させて干渉光を検出する検出手段５０を有する。検出手段５０は、光合波器５１と、一対の検出器５２，５３と、差動アンプ５４とを有しており、平衡型ホモダイン検出系を構成している。光合波器５１は、例えば、ハーフミラーやビームスプリッタであって、プリズム３４から出力された信号光Ｍと、ミラーＭ２で反射された参照パルス光Ｌ２とを合波して、各検出器５２，５３に出力する。

各検出器５２，５３は、例えば、光電子増倍管であり、光合波器５１によって合波された結果得られる信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２との干渉光を検出し、その干渉光に対応する干渉信号を差動アンプ５４に入力する。差動アンプ５４は、干渉信号のうち、干渉光の干渉成分に対応する信号成分を差動増幅して、データ解析回路（解析手段）６０に入力する。本実施形態では、信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２との光路長差が変調手段４０によって変調されているので、Ｌｏｃｋｉｎアンプや高感度交流電流・電圧計などを併用して交流信号成分を抽出することによって、Ｓ／Ｎ比を改善することができる。

デジタル処理回路６０は、コンピュータを有しており、差動アンプ５４から入力されたデータ信号を解析して、被測定試料Ｓの吸収特性を取得する。すなわち、差動アンプ５４から入力されたデータ信号の各ピーク強度の遅延時間に対する変化率から被測定試料Ｓの吸収係数（吸収特性）を算出する。そして、その吸収係数に基づいて、被測定試料Ｓに含まれる光吸収物質の濃度等を求める。

上記吸収計測装置１は、ホモダイン法を用いているので、精度良く測定を実施するには、干渉計の機械的な安定性がよいことが要求される。そのため、吸収計測装置１では、光供給手段２０、ＣＲＤ部１０、測定側遅延手段３１、参照側遅延手段３２、変調手段４０、及び、検出手段５０などの吸収計測装置１の各構成要素を、同一の支持板７０上に設けている。この支持板７０は、アルミ、インバー、あるいはステンレスなどの金属ブロック、或いは、アクリルなどのプラスチック材料ブロックから削り出して製造されたものである。この場合、１つの支持板７０上に、光供給手段２０、ＣＲＤ部１０、測定側遅延手段３１、参照側遅延手段３２、変調手段４０、及び、検出手段５０が設けられるので、より安定した計測を実施できる。なお、上述した支持板７０が容器の一部であり、上述した吸収計測装置１の各構成要素がその容器内に内蔵されていることは、装置の安定性の観点から更に好ましい。

上記吸収計測装置１の動作を説明する。先ず、ＣＲＤ部１０の試料セル１２に試料供給源１３から被測定試料Ｓを導入した状態で、光供給手段２０によって測定パルス光Ｌ１と参照パルス光Ｌ２とを生成して第１及び第２の光路Ｒ１，Ｒ２に出力する。この測定パルス光Ｌ１は、第１の光路Ｒ１上に配置されたＣＲＤ部１０に入射し、被測定試料Ｓによりその一部が吸収される一方、キャビティ１１内で多重反射する。そして、測定パルス光Ｌ１は、被測定試料Ｓの吸収と一対のミラー１１ａ，１１ｂの反射・透過特性に応じて減衰した複数の透過パルス光Ｌ１_ｎからなる信号光Ｍとして、ＣＲＤ部１０から出力される。この信号光Ｍは、測定側遅延手段３１によって参照パルス光Ｌ２との光路長を調整するように光学遅延を受けてから光合波器５１に入射する。また、光供給手段２０から出力された参照パルス光Ｌ２は、参照側遅延手段３２によって信号光Ｍとの光路長を調整するように光学遅延を受け、更に、変調手段４０によって変調されてから光合波器５１に入射する。

この光合波器５１で信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２とが合波されて得られる干渉光は、一対の検出器５２，５３で受光される。そして、その干渉光に対応する干渉信号が差動アンプ５４に入力されて、干渉成分が差動増幅される。そして、差動アンプ５４から出力された信号のうち、干渉成分に対応する交流信号成分がデータ信号としてデジタル処理回路６０に入力されると、データ信号に含まれるピーク強度の時間的変化に基づいて被測定試料Ｓの吸収係数が算出される。そして、その吸収係数から被測定試料Ｓに含まれる光吸収物質の濃度などが求められる。なお、吸収計測装置１において、測定された被測定試料Ｓは、試料セル１２から配管を介して廃棄溜１５に排出される。

この吸収計測装置１では、光学遅延手段としての測定側遅延手段３１及び参照側遅延手段３２をともに利用して、信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２との遅延時間を変化させながら信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２とを干渉させ、その結果得られる干渉光を、検出器５２，５３で検出している。そのため、遅延時間に対する干渉信号の波形は、信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２との相互相関波形に相当する。そして、その干渉信号のピーク強度の遅延時間に対する変化率が各透過パルス光Ｌ１_ｎの減衰率に対応している。したがって、吸収計測装置１における時間分解能は、測定側遅延手段３１及び参照側遅延手段３２によって実現される光学遅延に依存する、すなわち、プリズム３４，３６の移動精度に依存している。

このように、吸収計測装置１の時間分解能が、主として、プリズム３４，３６の移動精度に依存しているので、信号光Ｍを直接時間分解計測する場合に比べて、高速な検出器や、時間分解計測装置（オシロスコープやストリークカメラなど）を要しない。更に、吸収計測装置１の時間分解能が、測定側遅延手段３１及び参照側遅延手段３２の機械精度（プリズム３４，３６の移動精度）によって決定されるため、フェムト秒オーダーの時間分解能も実現可能であり、吸収特性のより詳細な解析も容易にできる。

また、同一中心周波数の信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２とを干渉させるホモダイン法を採用いていることから、例えば、ヘテロダイン法を採用した場合のように、周波数のわずかに異なる信号光と参照パルス光との間の周波数のズレを高精度に制御する必要がないため、装置構成が簡易になり、吸収計測装置１の小型化が可能であり、低コスト化も図れる。

また、ＣＲＤＳでは、各透過パルス光Ｌ１_ｎのピーク強度の減衰率を取得することが重要であるため、各透過パルス光Ｌ１_ｎのピーク位置近傍のデータのみ得られれば十分である。したがって、測定側遅延手段３１及び参照側遅延手段３２によって信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２との間の遅延時間をステップ的に飛ばし、各透過パルス光Ｌ１_ｎと参照パルス光Ｌ２とをピーク位置近傍で干渉させることによって、計測時間を短縮することも可能である。

更に、ＣＲＤＳを適用する装置において通常利用される検出器の時間応答は、遠赤外線領域（例えば、波長範囲３〜２０μｍ）の光に対して遅いことが知られており、従来のように信号光Ｍを直接時間分解計測する装置では、遠赤外線領域の信号光Ｍから被測定試料Ｓの吸収特性を得ることは困難である。これに対して、本実施形態に係る吸収計測装置１の時間分解能は、検出器５２，５３の時間応答速度よりも、主に、プリズム３４，３６の移動精度に依存しているため、従来では計測できなかった遠赤外線領域に対する被測定試料Ｓの吸収特性を得ることができる。なお、遠赤外線領域の光に対して計測を実施する際には、レーザ光源２１として、遠赤外線領域で干渉性の高い光源（例えば、量子カスケードレーザ）を利用すればよい。

更にまた、吸収計測装置１では、参照パルス光Ｌ２の強度を増大させることによって干渉光の強度も大きくできるので、高感度な計測が可能である。その際、参照パルス光Ｌ２は、被測定試料Ｓを通過していないため、参照パルス光Ｌ２の強度を増加させても、被測定試料Ｓがダメージを受けることはない。また、２つの検出器５２，５３で検出された干渉信号を差動アンプ５４が差動増幅してデータ信号を得ていることから、１つの検出器で干渉光を検出する場合に比べて倍の信号強度を得られる結果、感度の向上が図られている。更に、各検出器５２，５３は、コモンモードとして知られる、被測定試料Ｓからの蛍光や散乱光による雑音も検出しているが、これらは各検出器５２，５３によって同程度検出されているので、差動アンプ５４によって差動増幅された後のデータ信号としては現れない。従って、コモンモードが取り除かれＳ／Ｎ比の改善されたデータ信号を解析できる。

また、変調手段４０によって、参照パルス光Ｌ２と信号光Ｍとの光路長差を変調しているので、干渉信号に含まれる交流信号成分の周波数は、ピエゾ素子４１の振動における変調周波数と振幅とに依存する。そのため、変調周波数のみならず、振幅を変えることによっても交流信号の周波数を変えることができる。したがって、干渉信号から交流信号を読み出すときに、読み出し回路の周波数特性に応じた交流信号を得ることができる。

なお、本実施形態では、変調手段４０を備えているとしたが、変調手段４０は、必ずしも使用しなくてもよく、また、変調手段４０は、測定パルス光Ｌ１の光路（及び信号光Ｍの光路）である第１の光路Ｒ１、及び、参照パルス光Ｌ２の光路である第２の光路Ｒ２のうちの少なくとも一方に配置して、信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２との間の光路長差を変調してもよい。また、パルス光源部として、パルス光を出力するレーザ光源２１としたが、例えば、連続発振するレーザ光源を利用して、出力されたレーザ光からパルス光を生成してもよい。

（第２の実施形態）
図３に示す第２の実施形態に係る吸収計測装置２の構成と吸収計測装置１の構成とは、吸収計測装置２が光供給手段２０として半導体レーザ２３を利用している点で、主に相違する。この相違点を中心に、吸収計測装置２について説明する。

この吸収計測装置２では、半導体レーザ２３をレーザ発振させて特定の波長とパルス幅を有するパルス光を生成した時に、半導体レーザ２３の前端面及び後端面から同時に出力される一対のパルス光の一方を測定パルス光Ｌ１とし、他方を参照パルス光Ｌ２として利用する。これにより、同一中心周波数で同位相である測定パルス光Ｌ１と参照パルス光Ｌ２とを簡易に得られる。

ここで、吸収計測装置２の動作について説明する。先ず、第１の実施形態と同様に、ＣＲＤ部１０の試料セル１２に試料供給源１３から被測定試料Ｓを導入する。そして、試料セル１２に被測定試料Ｓが導入された状態で、半導体レーザ２３から測定パルス光Ｌ１及び参照パルス光Ｌ２を出力する。

この測定パルス光Ｌ１は、ＣＲＤ部１０を通過することによって信号光Ｍとなる。そして、その信号光Ｍが、測定側遅延手段３１によって参照パルス光Ｌ２との光路長を調整するように光学遅延を受けた後に、ミラーＭ３で反射されてから光合波器５１に入射する。また、半導体レーザ２３から出力され、測定パルス光Ｌ１と同一の周波数を有する参照パルス光Ｌ２は、参照側遅延手段３２によって信号光Ｍとの光路長を調整するように光学遅延を受けた後に光合波器５１に入射する。

この光合波器５１で信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２とが合波されると、それらは干渉光として検出器５２，５３でそれぞれ受光される。そして、その干渉光に対応する干渉信号が差動アンプ５４に入力されて、その干渉信号に含まれる干渉成分が差動増幅される。続いて、差動アンプ５４からの信号がデータ信号としてデジタル処理回路６０に入力されると、デジタル処理回路６０によって、被測定試料Ｓの吸収係数（吸収特性）が算出される。そして、その吸収係数から被測定試料Ｓに含まれる光吸収物質の濃度等が求められる。なお、吸収計測装置２において、測定された被測定試料Ｓは、試料セル１２から配管を介して廃棄溜１５に排出される。

この構成では、半導体レーザ２３の両端面から同時に出力される一対のパルス光を測定パルス光Ｌ１及び参照パルス光Ｌ２として用いているので、吸収計測装置１の構成がより簡易になり、吸収計測装置１の小型化が更に図れる。また、干渉計を構成する光学素子の数の減少を図ることができるので、安定した計測ができる傾向にある。なお、ホモダイン法を採用していることの効果は第１の実施形態と同様である。また、本実施形態においても、第１の実施形態で説明した変調手段４０を、第１及び第２の光路Ｒ１，Ｒ２の少なくとも一方に配置してもよい。この場合にＳ／Ｎ比を改善できることは第１の実施形態と同様である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記第１及び第２の実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、光学遅延手段としての測定側遅延手段３１及び参照側遅延手段３２は、自動ステージ３３，３５上に設けられたプリズム３４，３６を利用した遅延光学系としたが、光路長が可変であればよい。例えば、信号光Ｍ及び参照パルス光Ｌ２を反射可能であればプリズム３４，３６以外の反射光学素子（例えば、ミラー）を利用することもできるし、反射光学素子を移動させる手段としては自動ステージに限らず、例えば、回転モータとクランクをつけた直線可動機構なども利用できる。また、測定側遅延手段３１及び参照側遅延手段３２によって、信号光Ｍと参照パルス光Ｌ２との光路長を調整しているが、光学遅延手段としては、どちらか一方を利用するようにしてもよい。更に、第１及び第２の実施形態の検出手段５０は、２つの検出器５２，５３を用いて平衡型ホモダイン検出系を構成しているとしたが、１つの検出器で干渉光を検出することも可能である。

キャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ）の原理を説明する図である。 本発明に係る吸収計測装置の第１の実施形態の構成を示す模式図である。 本発明に係る吸収計測装置の第２の実施形態の構成を示す模式図である。

符号の説明

１…吸収計測装置、１０…キャビティリングダウン（ＣＲＤ）部、１１…キャビティ、１１ａ，１１ｂ…ミラー、２０…光供給手段、２３…半導体レーザ（光供給手段）、２１…レーザ光源（パルス光源部）、２２…光分岐部、３１…測定側遅延手段（光学遅延手段）、３２…参照側遅延手段（光学遅延手段）、５０…検出手段、６０…デジタル処理回路（解析手段）、７０…支持板、Ｌ１…測定パルス光、Ｌ１_ｎ…透過パルス光、Ｌ２…参照パルス光、Ｍ…信号光、Ｒ１…測定パルス光（信号光）の光路、Ｒ２…参照パルス光の光路、Ｓ…被測定試料。

Claims (6)

1. 同一中心周波数を有する測定パルス光と参照パルス光とをそれぞれ異なる光路上に出力する光供給手段と、
   互いに対向する一対のミラーで構成されたキャビティ内に被測定試料が導入されており、前記測定パルス光の光路上に配置されるキャビティリングダウン部と、
   前記測定パルス光が入射されたキャビティリングダウン部における前記キャビティ内での前記測定パルスの多重反射に応じて前記キャビティリングダウン部から出力される複数の透過パルス光からなる信号光と前記参照パルス光との間の遅延時間を調整する光学遅延手段と、
   前記信号光と前記参照パルス光とを干渉させて、前記信号光と前記参照パルス光との干渉光を検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出される前記干渉光の強度の時間的変化に基づいて前記被測定試料の吸収特性を決定する解析手段と、
   を備えることを特徴とする吸収計測装置。
2. 前記光供給手段は、
   パルス光を出力するパルス光源部と、
   前記パルス光源部から出力されたパルス光を前記測定パルス光と前記参照パルス光とに分岐して、前記測定パルス光と前記参照パルス光とをそれぞれ異なる光路上に出力する光分岐部と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の吸収計測装置。
3. 前記光供給手段は、
   互いに対向する端面のうちの一方から前記測定パルス光を出力し、他方から前記参照パルス光を出力する半導体レーザであることを特徴とする請求項１に記載の吸収計測装置。
4. 前記光学遅延手段は、
   前記測定パルス光の光路上及び前記参照パルス光の光路上のうち少なくとも一方に設けられた光路長が可変の遅延光学系からなることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の吸収計測装置。
5. 前記信号光と前記参照パルス光との間の光路長差を変調する変調手段を更に有し、
   前記変調手段は、前記測定パルス光及び前記参照パルス光の少なくとも一方の光路上に設けられることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の吸収計測装置。
6. 前記光供給手段、前記キャビティリングダウン部、前記光学遅延手段及び前記検出手段は、同じ支持板上に設けられることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の吸収計測装置。

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