JP2008026190A - Gas detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、赤外光により都市ガス等の燃料ガス又は大気汚染ガスや排気ガス等の有害ガスを検知するガス検知装置に関する。 The present invention relates to a gas detection device that detects fuel gas such as city gas or harmful gas such as air pollution gas and exhaust gas by infrared light.
従来より、都市ガス等の燃料ガスが漏洩しているのを検知するために赤外線を用いた検知方法が提案されている。例えば、特許文献1では、ガス配管などからガスが漏洩している領域に、ガスに吸収される吸収波長と非吸収波長との2波長の赤外線を含む可視化用赤外線を照射し、その反射光を受光素子で受光して、画像処理回路による受光強度の比較からガスの濃度分布を可視化した点が記載されている。また、特許文献2においても、ガスに吸収される吸収波長と非吸収波長との2波長を含むレーザ光を照射して照射領域をビデオカメラにより撮影して漏洩ガスの画像を表示するようにした点が記載されている。
都市ガスに含まれるメタンガスを検知する場合には、一般に吸収強度が大きい赤外域の波長のレーザ光が選択されるが、この波長域を検知する検知器は、検知感度が低く、また検知対象が赤外光となることから、検知器自体から発生する熱によるノイズや装置に組込まれたプリアンプ等から発生する熱ノイズによって影響を受けやすい欠点がある。そのため、最小検知パワーが制限されてショットノイズ限界での計測が難しいため、高精度でメタンガスの濃度検知を行うためには高出力のレーザ光源が必要となり、装置が大型化して高価なものとならざるを得ない。 When detecting methane gas contained in city gas, a laser beam having an infrared wavelength with a large absorption intensity is generally selected. However, a detector that detects this wavelength band has a low detection sensitivity and a detection target. Since it becomes infrared light, there is a drawback that it is easily affected by heat noise generated from the detector itself or heat noise generated from a preamplifier incorporated in the apparatus. Therefore, since the minimum detection power is limited and measurement at the shot noise limit is difficult, a high-power laser light source is required to detect the methane gas concentration with high accuracy, and the equipment becomes large and expensive. I must.
都市ガスの漏洩検知作業は、ガス配管に沿って検知する必要があるが、ガス配管の配設場所が地下や天井裏といった狭い空間であることを考えると、大型化した装置ではこうした作業に使用することは制限されてしまうのが現状である。 City gas leak detection work needs to be detected along the gas piping, but considering the fact that the installation location of the gas piping is a narrow space such as the basement or the back of the ceiling, it is used for such work in larger equipment. This is currently limited.
そこで、本発明は、赤外光の検知感度を高めると共に装置をコンパクト化することが可能なガス検知装置を提供することを目的とするものである。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a gas detection device capable of increasing the detection sensitivity of infrared light and making the device compact.
本発明に係るガス検知装置は、検知対象ガスを検知するための赤外光を検知対象領域に照射する照射手段と、検知対象領域から散乱又は反射された赤外光を受光する受光手段と、受光された赤外光を和周波変換により近赤外光又は可視光に変換する変換手段と、変換手段により変換された近赤外光又は可視光に基づいて検知対象ガスを検知する検知手段とを備えていることを特徴とする。さらに、前記変換手段に用いられる励起光源を、前記照射手段における赤外光の発生のための励起光源として用いていることを特徴とする。さらに、前記変換手段は、和周波変換を行う擬似位相整合非線形光学結晶を備えていることを特徴とする。さらに、前記照射手段は、所定の赤外光を発生させるための擬似位相整合非線形光学結晶を備えていることを特徴とする。さらに、前記照射手段は、異なる波長の赤外光を発生させるドメイン周期構造が異なる複数の光伝搬部を有する擬似位相整合非線形光学結晶を備えており、前記変換手段は、異なる波長の赤外光の和周波変換を行うドメイン周期構造が異なる複数の光伝搬部を有する擬似位相整合非線形光学結晶を備えていることを特徴とする。 The gas detection device according to the present invention includes an irradiation unit that irradiates a detection target region with infrared light for detecting a detection target gas, a light receiving unit that receives infrared light scattered or reflected from the detection target region, Conversion means for converting received infrared light into near infrared light or visible light by sum frequency conversion, and detection means for detecting a detection target gas based on near infrared light or visible light converted by the conversion means; It is characterized by having. Furthermore, the excitation light source used for the conversion means is used as an excitation light source for generating infrared light in the irradiation means. Further, the conversion means includes a quasi phase matching nonlinear optical crystal that performs sum frequency conversion. Furthermore, the irradiating means includes a quasi phase matching nonlinear optical crystal for generating predetermined infrared light. Further, the irradiating means includes a quasi-phase matching nonlinear optical crystal having a plurality of light propagation portions having different domain periodic structures for generating infrared light having different wavelengths, and the converting means includes infrared light having different wavelengths. A quasi-phase-matching nonlinear optical crystal having a plurality of light propagation portions having different domain periodic structures for performing the sum frequency conversion.
上記のような構成を備えることで、検知する赤外光を近赤外光又は可視光に変換して検知するようにしているので、高感度で検知可能な近赤外光又は可視光用の検知手段を用いることが可能となり、近赤外光又は可視光で検知することから、装置自体のプリアンプ等から発生する熱ノイズの影響を受けることがなくなり、より検知感度を高めることができる。 Since the infrared light to be detected is converted into near-infrared light or visible light and detected by providing the above-described configuration, it can be detected with high sensitivity for near-infrared light or visible light. Detection means can be used and detection is performed with near-infrared light or visible light, so that it is not affected by thermal noise generated from a preamplifier or the like of the apparatus itself, and detection sensitivity can be further increased.
すなわち、近赤外光又は可視光用の検知手段としては、例えば、光電子増倍管のように、従来の赤外線検知器であるIn−As検知器に比べて検知感度が100倍程度向上するものが実用化されており、受光可能な最小検知パワーが向上してわずかなガス濃度でも高精度で検知することができる。そのため、高出力の赤外光を発生させて照射する必要がなくなって装置をコンパクトなものとすることが可能となり、装置の製造コストの低減を図ることができる。そして、装置をコンパクト化できれば、地下や天井裏といった狭い場所へも装置を携行していくことができ、特に漏洩ガスの検知装置として好適なものとなる。 That is, as a detection means for near-infrared light or visible light, for example, a photomultiplier tube, the detection sensitivity of which is improved by about 100 times compared to an In-As detector that is a conventional infrared detector. Has been put to practical use, and the minimum detection power capable of receiving light is improved, so that even a slight gas concentration can be detected with high accuracy. Therefore, it is not necessary to generate and irradiate high-output infrared light, and the apparatus can be made compact, and the manufacturing cost of the apparatus can be reduced. If the apparatus can be made compact, the apparatus can be carried in a narrow place such as the basement or the ceiling, and is particularly suitable as a leakage gas detection apparatus.
また、変換手段に用いられる励起光源を、照射手段における赤外光の発生のための励起光源として用いていることで、励起光源を共通化することが可能となり、装置のコンパクト化及び軽量化をさらに進めることができる。 In addition, since the excitation light source used for the conversion means is used as the excitation light source for generating infrared light in the irradiation means, it becomes possible to share the excitation light source, thereby reducing the size and weight of the apparatus. You can go further.
また、変換手段に和周波変換を行う擬似位相整合非線形光学結晶を備えることで、さらに最小検知能力を向上させて検知感度を高めることができる。 Further, by providing the conversion means with a quasi phase matching nonlinear optical crystal that performs sum frequency conversion, the minimum detection capability can be further improved and the detection sensitivity can be increased.
また、照射手段に所定の赤外光を発生させるための擬似位相整合非線形光学結晶を備えることで、低出力で小型の光源を用いることが可能となり、さらに装置全体のコンパクト化及びコストの低減を図ることができる。 In addition, by providing the irradiating means with a quasi phase matching nonlinear optical crystal for generating predetermined infrared light, it is possible to use a small light source with low output, further reducing the overall size of the apparatus and reducing the cost. Can be planned.
また、照射手段として、異なる波長の赤外光を発生させるドメイン周期構造が異なる複数の光伝搬部を有する擬似位相整合非線形光学結晶を用い、変換手段として、異なる波長の赤外光の和周波変換を行うドメイン周期構造が異なる複数の光伝搬部を有する擬似位相整合非線形光学結晶を用いることで、検知対象ガスの吸収波長に対応する赤外光に切り換えて出力するとともに受光された赤外光を近赤外光又は可視光に和周波変換することができるようになり、大気汚染ガスや自動車の排気ガスのように複数種類の有害ガスが含まれている場合でもそれぞれの有害ガスに対応して赤外光を発生させて検知することができる。 In addition, a quasi-phase matched nonlinear optical crystal having a plurality of light propagation parts with different domain periodic structures that generate infrared light of different wavelengths is used as the irradiation means, and sum frequency conversion of infrared light of different wavelengths is used as the conversion means. By using a quasi-phase-matching nonlinear optical crystal having a plurality of light propagation parts with different domain periodic structures, the infrared light corresponding to the absorption wavelength of the detection target gas is switched and output, and the received infrared light is It becomes possible to perform sum frequency conversion to near-infrared light or visible light, and even if it contains multiple types of harmful gases, such as air pollutant gases and automobile exhaust gases, it can handle each harmful gas. Infrared light can be generated and detected.
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail. The embodiments described below are preferable specific examples for carrying out the present invention, and thus various technical limitations are made. However, the present invention is particularly limited in the following description. Unless otherwise specified, the present invention is not limited to these forms.
図1は、本発明に係る実施形態に関する概略構成図である。ガス検知装置1は、赤外光照射部10、和周波変換器16及び光検知器17を備えており、赤外光照射部10は、シードレーザ光源11、励起レーザ光源12、光パラメトリック変換器13、送受信鏡14及び走査機構15を備えている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram relating to an embodiment of the present invention. The gas detection apparatus 1 includes an infrared
シードレーザ光源11及び励起レーザ光源12からのレーザ光が光パラメトリック変換器13に導入されて所定周波数の赤外光が出射される。光パラメトリック変換器13では、導入されたシードレーザ光源11のレーザ光を励起レーザ光源12からのレーザ光とともに同時に非線形光学結晶に入射することで、光パラメトリック相互作用により単一周波数化された高出力の赤外光を得ることができる。そのため、検知対象ガスの吸収波長に一致させた赤外光を出射することが可能となって微量のガスでも高精度で検知することが可能となる。
Laser light from the seed
上述した光パラメトリック変換器13は、差周波変換器によるもので単一周波数を発生させる場合に好適であるが、こうした変換器以外に、励起レーザ光源を非線形光学結晶に入射して複数の異なる波長のレーザ光を発生させる光パラメトリック発生器を用いてもよい。光パラメトリック発生器の場合には、所望の赤外光以外にレーザ光が発生するが、出射する光を干渉フィルタに通して赤外光のみ出力することができる。光パラメトリック発生器と同様に光パラメトリック発振器を用いてもよい。光パラメトリック発振器は、共振ミラーを用いて入射する励起レーザ光源のレーザ光を共振させながら非線形光学結晶に入射して複数の異なる波長のレーザ光を発生させ、出射する光を干渉フィルタに通して赤外光のみ出力することができる。
The above-described optical
出射された赤外光は、反射ミラー等により送受信鏡14に導かれ、送受信鏡14により反射されて構造物の壁面等のターゲットWに向かって照射される。送受信鏡14には、走査機構15が取り付けられており、送受信鏡14を回転させて赤外光の入射角度を変化させることで、ターゲットWの表面の照射位置を所定方向に走査移動させるようになっている。ターゲットWに向かって照射された赤外光は、ターゲットWの表面で散乱又は反射して送受信鏡14に受光されて検知装置1内に導かれる。
The emitted infrared light is guided to the transmission /
送受信鏡14から出射した赤外光の光路にガス導管Pから漏出したガスGが滞留している場合、出射した赤外光の波長がガスGの吸収波長と同じであると、ガスGを透過する間に赤外光が吸収されるようになる。したがって、送受信鏡14には、出射した赤外光の反射光及び散乱光が、ガスGに対して透過する間に吸収されて減衰した状態で入射することになる。
When the gas G leaked from the gas conduit P stays in the optical path of the infrared light emitted from the transmission /
和周波変換器16は、励起レーザ光源12からのレーザ光と送受信鏡14から導かれた反射光及び散乱光が導入されて近赤外光又は可視光に和周波変換される。和周波変換では、位相整合条件を満たす非線形光学結晶を用いて、入射した2つの光の周波数の和の周波数を有する光が出射されるようになる。
The
和周波変換は差周波変換の逆過程であることから、和周波変換において差周波変換器で用いた励起レーザ光源12からのレーザ光を兼用することで、効率の高い変換を行うことができ、装置の小型化及びコスト節減を図ることも可能となる。
Since sum frequency conversion is the reverse process of difference frequency conversion, high efficiency conversion can be performed by combining the laser light from the excitation
光検知器17には、和周波変換器16から出射された近赤外光又は可視光がバンドパスフィルタを通して入射され、吸収波長の赤外光に対応して変換された波長の光が検知されて検知出力が信号処理回路2に入力される。光検知器17は、近赤外光又は可視光を検知するため、赤外光を検知する検知器よりも格段に検知性能が向上し、例えば従来使用されている赤外光の検知器(In−As検知器)の最小検知パワー(W)が10-8レベルであるのに対し、近赤外光又は可視光の検知器(光電子増倍管)では10-10レベルであり、検知感度が約100倍向上する。また、近赤外光又は可視光の検知器は、従来の赤外光の検知器ではノイズレベルが高いために困難であったショットノイズ限界での検知が可能であり、さらに従来の赤外光の検知器では必要であった冷却設備も不要となる。
Near-infrared light or visible light emitted from the
信号処理回路2は、光検知器17からの検知出力に基づいて画像処理を行い、モニタ3に検知結果を画像表示させる。また、信号処理回路2は、温度制御回路4、電流制御回路5及び走査駆動回路6とともに検知装置1の制御を行う。温度制御回路4は、シードレーザ光源11、励起レーザ光源12、光パラメトリック変換器13や和周波変換器16に用いられる非線形光学結晶の温度が所定の温度に保たれるようにヒータ等の加熱手段の加熱制御を行う。
The signal processing circuit 2 performs image processing based on the detection output from the
電流制御回路5は、シードレーザ光源11に供給される電流を切換制御して2種類の異なる周波数を有するレーザ光が発生するように制御し、それぞれのレーザ光に基づいて光パラメトリック変換器13から検知対象となるガスの吸収波長(λon)及び非吸収波長(λoff)を有する2種類の赤外光が同レベルの出力で交互に出射するようになる。シードレーザ光源として半導体レーザを使用すると、半導体レーザに供給する電流値を変化させることで発振波長を変化させることができ、電流値を高レベル及び低レベルの2つのレベルに交互にに切換制御することで、その電流値レベルに対応した2つの異なる波長の赤外光を交互に発生させることが可能となる。
The current control circuit 5 switches and controls the current supplied to the seed
図2は、シードレーザ光源11から出射されるレーザ光の波長λs及び出力Psを示す下のグラフ及び光パラメトリック変換器13から出射されるレーザ光の波長λ及び出力Pを示す上のグラフである。これらのグラフからわかるように、シードレーザ光源11から出射される波長λ0及びλ1の2種類のレーザ光に対応して、光パラメトリック変換器13から、ガスの吸収強度Sの強い吸収波長λon及び吸収強度の弱い非吸収波長λoffの赤外光が高出力で出力される。
FIG. 2 is a lower graph showing the wavelength λs and output Ps of the laser light emitted from the seed
一般に、検知対象ガスの吸収波長は複数存在し、例えばメタンガスでは、1.5μm帯、2.5μm帯、3.5μm帯のように吸収波長が存在する。そして、他のガス(例えば、水蒸気)の吸収波長と関連性の低い波長帯を選択して検知に用いる。メタンガスでは、一般に3.5μm帯が吸収波長として選択され、吸収波長付近において吸収が大幅に低い波長を非吸収波長として選択する。 In general, there are a plurality of absorption wavelengths of the detection target gas. For example, methane gas has absorption wavelengths such as a 1.5 μm band, a 2.5 μm band, and a 3.5 μm band. Then, a wavelength band having low relevance to the absorption wavelength of another gas (for example, water vapor) is selected and used for detection. In methane gas, the 3.5 μm band is generally selected as the absorption wavelength, and a wavelength having a significantly low absorption near the absorption wavelength is selected as the non-absorption wavelength.
メタンガス(CH4)以外にも、CO2、CO、NO、HF、HCl、SO2、H2S、NH3、HCHOといった大気汚染ガスや排気ガスに含まれる物質についても赤外光吸収領域を有しており、こうした物質の吸収波長及びその波長付近の非吸収波長を選択して検知することができる。 In addition to methane gas (CH 4 ), the infrared light absorption region is also used for substances contained in air pollutants and exhaust gases such as CO 2 , CO, NO, HF, HCl, SO 2 , H 2 S, NH 3 and HCHO. The absorption wavelength of such a substance and the non-absorption wavelength near the wavelength can be selected and detected.
吸収波長λon及び非吸収波長λoffの赤外光が交互に出力されて送受信鏡14からターゲットWに照射されるようになるが、吸収波長λonの赤外光に対応するターゲットからの散乱光は、上述したようにガスGを透過する間に吸収され、受信パワーが減衰される。非吸収波長λoffの赤外光に対応するターゲットからの散乱光は、ガスGによる影響をほとんど受けない。
The infrared light having the absorption wavelength λon and the non-absorption wavelength λoff is alternately output and irradiated to the target W from the transmission /
こうして受光された各走査位置における2種類の赤外光を和周波変換器16により近赤外光又は可視光に変換して光検知器17により検知する。吸収波長λon及び非吸収波長λoffの赤外光に対応して変換された近赤外光又は可視光は、ほぼ同じ波長の光に変換されるが、吸収波長λon及び非吸収波長λoffの赤外光が交互に出射されているためその波長の光の時間的な変動を検知することで、吸収波長λonの赤外光に対応する検知出力が非吸収波長λoffの赤外光に対応する検知出力に対してどの程度低下したか検知することができる。そして、検知出力の低下した比率に基づいて各走査位置におけるガスGの濃度を算出し、算出データに基づいてモニタ3に画像表示を行う。
The two types of infrared light at each scanning position received in this way are converted into near infrared light or visible light by the
走査駆動回路6は、電流制御回路5の切換制御と同期して走査機構15を駆動制御し、送受信鏡14から照射される2種類の赤外光がターゲットWの表面に設定された各走査ラインに沿って照射されるように動作させる。この場合、送受信鏡14からターゲットWまでの間の領域において赤外光が走査した領域全体が検知対象領域となり、上述のように算出されたガスGの濃度は、検知対象領域での平均的な濃度を示すことになる。
The
図3は、和周波変換器16として導波路型の擬似位相整合非線形光学結晶16’を用いた例を示しており、送受信鏡14及び励起レーザ光源12からの光は光ファイバ内を伝搬してファイバカプラ18を介して導波路型の擬似位相整合非線形光学結晶16’に入射される。導波路型の擬似位相整合非線形光学結晶16’は、光パラメトリック相互作用により入射した光の波長を所定の波長に変換させることができ、そのドメイン反転周期を変化させることで変換する波長を変化させることができる。代表的なものとして、MgOドープ周期反転ニオブ酸リチウム結晶が挙げられる。こうした導波路型の擬似位相整合非線形光学結晶を用いることで、送受信鏡14に受光された赤外光を近赤外光又は可視光に変換する変換効率を向上させることができる。また、こうした非線形光学結晶は、長さが3cm以下の小さいサイズのものでよいため、検知装置の部品の小型化を図ることができ、装置の携帯性及び利便性が向上する。
FIG. 3 shows an example in which a waveguide-type quasi phase matching nonlinear
また、図4は、光パラメトリック変換器13として導波路型の擬似位相整合非線形光学結晶13’を用いた例を示しており、シードレーザ光源11及び励起レーザ光源12からの光は光ファイバ内を伝搬してファイバカプラ19を介して導波路型の擬似位相整合非線形光学結晶13’に入射される。この場合にも、発生する赤外線の変換効率を向上させることができ、励起レーザ光源やシードレーザ光源として価格の高い高出力のものではなく低価格のものを使用することができる。そして、こうした導波路型の非線形光学結晶を用いることで、検知装置の部品の小型化を図ることができ、装置の携帯性及び利便性がさらに向上する。
FIG. 4 shows an example in which a waveguide-type quasi phase matching nonlinear
図5は、光パラメトリック変換器13及び和周波変換器16として、ドメイン周期構造が異なる複数の光伝搬部を有する擬似位相整合非線形光学結晶を用いた例を示している。擬似位相整合非線形光学結晶13”は、ドメイン反転周期Λ1〜Λ3が異なるように設定された周期構造を有する3つの光伝搬部が並列して設けられている。そして、各光伝搬部のドメイン反転周期は、励起レーザ光源12’から入射したレーザ光を、上述した大気汚染ガスや排気ガスに含まれる複数種類の物質の吸収波長にそれぞれ対応した波長に変換するように設定されている。なお、こうした擬似位相整合非線形光学結晶以外にも導波路型の非線形光学結晶を用いることで同様の機能を実現することができる。
FIG. 5 shows an example in which a quasi phase matching nonlinear optical crystal having a plurality of light propagation portions having different domain periodic structures is used as the optical
赤外光を発生させる場合には、励起レーザ光源12’からのレーザ光を各光伝搬部に順次入射するように擬似位相整合非線形光学結晶13”の位置をシフトするようにすればよい。また、ミラー等の光学的な手段を用いて励起レーザ光源12’からのレーザ光が各光伝搬部に選択的に入射するように制御するようにしてもよい。そして、励起レーザ光源12’に供給される電流を制御して各物質の吸収波長及び非吸収波長の赤外光が出射されるように制御する。
In the case of generating infrared light, the position of the quasi-phase matching nonlinear
こうして出射された赤外光は、上述したようにターゲットWに照射されその散乱光又は反射光が受光されて擬似位相整合非線形光学結晶16”に入射され、それと同時に励起レーザ光源12’からのレーザ光が入射される。擬似位相整合非線形光学結晶16”は、擬似位相整合非線形光学結晶13”と同様に、ドメイン反転周期Λ1’〜Λ3’が異なるように設定された周期構造を有する3つの光伝搬部が並列して設けられている。そして、各光伝搬部のドメイン反転周期は、擬似位相整合非線形光学結晶13”から出射された赤外光に対応してそれぞれの赤外光を近赤外光又は可視光に和周波変換するように設定されている。そのため、擬似位相整合非線形光学結晶13”が位置をシフトして入射するドメイン周期構造の光伝搬部を変更させたのに同期して、擬似位相整合非線形光学結晶16”の位置をシフトさせて対応するドメイン周期構造の光伝搬部に、受光した赤外光及び励起レーザ光源12’からのレーザ光が入射するようにすれば、変更した赤外光に合せて和周波変換を行い近赤外光又は可視光に変換することができる。
The infrared light thus emitted is irradiated onto the target W as described above, and the scattered light or reflected light is received and incident on the quasi phase matching nonlinear
このように複数種類の物質の吸収波長に対応した赤外光を出射するとともにそれぞれの赤外光に合せて和周波変換により近赤外光又は可視光に変換して複数種類の物質の有無及び濃度を検知することが可能となる。したがって、例えば、自動車の排気口や工場の排気塔に対して検知対象となるガスの吸収波長の赤外光を選択して照射すれば、排気口や排気塔からの排気ガスをリアルタイムで検知することができる。 In this way, infrared light corresponding to the absorption wavelengths of a plurality of types of substances is emitted and converted to near-infrared light or visible light by sum frequency conversion according to each infrared light, and the presence or absence of a plurality of types of substances The density can be detected. Therefore, for example, if infrared light having an absorption wavelength of a gas to be detected is selected and irradiated to an exhaust port of a car or an exhaust tower of a factory, exhaust gas from the exhaust port or the exhaust tower is detected in real time. be able to.
図1に示す検知装置を構成するシードレーザ光源として半導体レーザ(注入同期法で発振;発振波長1.55μm)を用い、励起レーザ光源としてNd:YAGレーザ(発振波長1.06μm)を用い、光パラメトリック変換器として、MgOドープ周期反転ニオブ酸リチウム結晶(長さ30mm厚さ0.5mm;ドメイン反転周期30.5μm)を用いた。シードレーザ光源に供給する電流を切換制御することで、光パラメトリック変換器から吸収波長として3391.6nm及び非吸収波長として3390.2nmの赤外光を交互に出射し、5m離れた位置に滞留するメタンガスに照射した。和周波変換器として、MgOドープ周期反転ニオブ酸リチウム結晶(長さ30mm厚さ0.5mm;ドメイン反転周期22.4μm)を用い、受光した赤外光を励起レーザ光源からのレーザ光とともに入射させた。この場合、受光された赤外光は、808nm付近の近赤外光に変換された。光検知器として、光電子増倍管を用い、変換された808nm付近の近赤外光を検知した。近赤外光の検知結果に基づいてその時間的な変動から検知出力の低下率を算出した。その結果メタンガスを10ppm・mのレベルまで検知できることがわかった。 A semiconductor laser (oscillation by injection locking method; oscillation wavelength: 1.55 μm) is used as a seed laser light source constituting the detection device shown in FIG. 1, and an Nd: YAG laser (oscillation wavelength: 1.06 μm) is used as an excitation laser light source. As a parametric converter, an MgO-doped periodic inversion lithium niobate crystal (length 30 mm, thickness 0.5 mm; domain inversion period 30.5 μm) was used. By switching and controlling the current supplied to the seed laser light source, infrared light having an absorption wavelength of 3391.6 nm and a non-absorption wavelength of 3390.2 nm are alternately emitted from the optical parametric converter and stays at a position 5 m away. Irradiated with methane gas. As the sum frequency converter, MgO-doped period-reversed lithium niobate crystal (length 30 mm, thickness 0.5 mm; domain reversal period 22.4 μm) is used to receive the received infrared light together with the laser light from the excitation laser light source. It was. In this case, the received infrared light was converted to near infrared light near 808 nm. As a photodetector, a photomultiplier tube was used to detect the converted near-infrared light near 808 nm. Based on the detection result of near infrared light, the decrease rate of the detection output was calculated from the temporal variation. As a result, it was found that methane gas could be detected to a level of 10 ppm · m.
なお、励起レーザ光源として発振波長が980nmのレーザ光源を用いれば、和周波変換器により吸収波長3.4μmの赤外光は760nmの可視光に変換されることから、光検知器として光電子増倍管を用いることで、同様にメタンガスを10ppm・mのレベルまで検知できると考えられる。 If a laser light source having an oscillation wavelength of 980 nm is used as the excitation laser light source, infrared light having an absorption wavelength of 3.4 μm is converted into visible light having a wavelength of 760 nm by the sum frequency converter. It is considered that methane gas can be similarly detected up to a level of 10 ppm · m by using a pipe.
また、炭酸ガス(吸収波長2.1μm)を検知する場合には、励起レーザ光源としてNd:YAGレーザ(発振波長1.06μm)を用いた場合、和周波変換器により吸収波長2.1μmの赤外光が704nmの可視光に変換されることから、光検知器として光電子増倍管を用いることで、炭酸ガスを数10ppm・mのレベルまで検知できると考えられる。同様に、励起レーザ光源として発振波長が980nmのレーザ光源を用いれば、和周波変換器により吸収波長2.1μmの赤外光は660nmの可視光に変換されることから、光検知器として光電子増倍管を用いることで、同様に炭酸ガスを数10ppm・mのレベルまで検知できると考えられる。 When carbon dioxide gas (absorption wavelength: 2.1 μm) is detected, when an Nd: YAG laser (oscillation wavelength: 1.06 μm) is used as an excitation laser light source, red light having an absorption wavelength of 2.1 μm is obtained by a sum frequency converter. Since external light is converted into visible light having a wavelength of 704 nm, it is considered that carbon dioxide can be detected to a level of several tens of ppm · m by using a photomultiplier tube as a photodetector. Similarly, if a laser light source having an oscillation wavelength of 980 nm is used as an excitation laser light source, infrared light having an absorption wavelength of 2.1 μm is converted into visible light having a wavelength of 660 nm by the sum frequency converter. Similarly, it is considered that carbon dioxide gas can be detected to a level of several tens of ppm · m by using a double tube.
1 ガス検知装置
2 信号処理回路
3 モニタ
4 温度制御回路
5 電流制御回路
6 走査駆動回路
10 赤外光照射部
11 シードレーザ光源
12 励起レーザ光源
13 光パラメトリック変換器
14 送受信鏡
15 走査機構
16 和周波変換器
17 光検知器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas detection apparatus 2 Signal processing circuit 3 Monitor 4 Temperature control circuit 5
10 Infrared light irradiation unit
11 Seed laser light source
12 Excitation laser source
13 Optical parametric converter
14 Transceiver mirror
15 Scanning mechanism
16 Sum frequency converter
17 Light detector
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