JP2009036578A - Light absorption measuring instrument - Google Patents

Light absorption measuring instrument Download PDF

Info

Publication number
JP2009036578A
JP2009036578A JP2007199738A JP2007199738A JP2009036578A JP 2009036578 A JP2009036578 A JP 2009036578A JP 2007199738 A JP2007199738 A JP 2007199738A JP 2007199738 A JP2007199738 A JP 2007199738A JP 2009036578 A JP2009036578 A JP 2009036578A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
tuning fork
signal
absorption
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007199738A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tsutomu Yanagawa
勉 柳川
Osamu Tadanaga
修 忠永
Yoshiki Nishida
好毅 西田
Katsuaki Magari
克明 曲
Masao Yube
雅生 遊部
Takeshi Umeki
毅伺 梅木
Hiroyuki Suzuki
博之 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2007199738A priority Critical patent/JP2009036578A/en
Publication of JP2009036578A publication Critical patent/JP2009036578A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect many kinds of absorbing substances with high sensitivity by a compact device by detecting a plurality of absorbing lines while sweeping the wavelength of incident light without requiring a large-scaled multi-path cell. <P>SOLUTION: In this light absorption measuring instrument for measuring the optical absorbing characteristics of a substance to be measured by applying the beam, which is emitted from a laser beam emitting means, to the substance to be measured, a first tuning fork is arranged in the substance to be measured so as to cross the light path of the incident beam incident on the substance to be measured. Further, the light absorbing and measuring instrument includes modulation means for modulating the intensity of the incident beam by the signal in the vicinity of the resonance frequency of the first tuning fork, conversion means for converting the resonance vibration of the first tuning fork to a first electric signal, and measuring means that subject the first electric signal and the signal in the vicinity of the resonance frequency to lock-in detection to measure the optical absorbing characteristics of the substance to be measured. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、光吸収測定装置に関し、より詳細には、環境ガス、危険性を伴うガスおよび残留農薬の光学的な極微量検出を行う光吸収分析装置に関する。   The present invention relates to a light absorption measurement device, and more particularly to a light absorption analyzer that performs optical trace detection of environmental gases, hazardous gases, and residual pesticides.

環境保護、安全衛生上の観点から、NOx、SOx、アンモニア系等の環境ガス、水の吸収、あるいは多くの有機系ガスまたは残留農薬の極微量分析技術の確立が強く望まれている。極微量分析技術としては、被測定ガスを特定の物質に吸着し、電気化学的手法による定量分析、または被測定物質の固有の光学吸収特性を測定する方法が一般的である。さらに、他の光学的手法による極微量分析の検討がなされている。光学的手法は、実時間測定が可能で、測定光の通過する広範囲な領域の観測が可能といった特徴を有する。   From the viewpoint of environmental protection and safety and health, it is strongly desired to establish a trace analysis technique for environmental gases such as NOx, SOx, and ammonia, water absorption, or many organic gases or residual agricultural chemicals. As an ultra-trace analysis technique, a method in which a gas to be measured is adsorbed on a specific substance and a quantitative analysis by an electrochemical method or a characteristic optical absorption characteristic of the substance to be measured is generally used. Furthermore, studies on trace analysis using other optical methods have been made. The optical method has characteristics that real-time measurement is possible and a wide area through which measurement light passes can be observed.

希薄なガスに代表される極微弱な吸収の検出には、実質的に光路長を長くとれるマルチパスセル、光の共振器、遠方に配した反射板ないしは散乱板が用いられる。これらの光学系は、光路長が長くなればなるほど光軸調整が難しくなる。また、これら光学系を含む測定系全体が必然的に大きくなり、可般性が乏しくなる。   For the detection of extremely weak absorption typified by a rare gas, a multipath cell having a substantially long optical path length, an optical resonator, a reflecting plate or a scattering plate disposed far away are used. In these optical systems, the optical axis adjustment becomes more difficult as the optical path length becomes longer. In addition, the entire measurement system including these optical systems is inevitably large, and generality is poor.

図1を参照して、従来の光吸収測定の測定原理を説明する。図1(a)は、光吸収信号の増幅に関する模式図である。本来、光吸収測定は透過測定であるため、光吸収信号は背景信号に重畳されて存在している。従って、光吸収信号の増幅は背景信号の増幅を伴うため、S/Nの向上は望めず、増幅率の増加には必然的に限界がある。ここで、限界増幅率をAとしておく。   With reference to FIG. 1, the measurement principle of the conventional light absorption measurement will be described. FIG. 1A is a schematic diagram regarding amplification of a light absorption signal. Originally, since the light absorption measurement is a transmission measurement, the light absorption signal is superimposed on the background signal. Therefore, since the amplification of the light absorption signal is accompanied by the amplification of the background signal, an improvement in S / N cannot be expected, and the increase in the amplification factor is necessarily limited. Here, the limiting amplification factor is set to A.

一方、図1(b)は、零位法に関する模式図である。光音響分光法は、光吸収によって発生するガスの膨張の有無に基づく疎密波としての音響信号を検知する。従って、吸収が存在する部分にしか信号が発生しない。このため原理的には、S/N低下を招くことなく増幅することが可能となる。この場合の増幅率をGとすると、G>>Aは容易であり、光吸収測定と比較して零位法が有利であることがわかる。   On the other hand, FIG. 1B is a schematic diagram relating to the null method. Photoacoustic spectroscopy detects an acoustic signal as a dense wave based on the presence or absence of gas expansion caused by light absorption. Therefore, a signal is generated only in a portion where absorption exists. Therefore, in principle, it is possible to amplify without causing a decrease in S / N. If the amplification factor in this case is G, G >> A is easy, and it can be seen that the null method is more advantageous than the optical absorption measurement.

オシロスコープの波形観測などでしばしば経験することであるが、直流信号の変化を観測する場合、直流信号に重畳した交流成分のみを観測することによって変化が見やすくなり、ほぼ所望の信号成分だけを増幅できる。これは、正弦波による周波数変調を施した光を用いることにより、位相敏感測定を行い、微分検波を実施する手法と似通っている。信号光の変調周波数fmと同じ周波数を有する位相参照信号を用いる場合は1次微分、信号光の変調周波数の倍の周波数2fmの参照信号を用いる場合は2次微分、3倍の周波数3fmの参照信号を用いる場合は3次微分信号が得られ、変化率だけの観測が可能になる。なお、各々の信号の大きさは、微分係数とともに吸収線の波形をテーラー展開した場合の係数にも依存する。 As is often experienced in oscilloscope waveform observation, when observing changes in a DC signal, it is easier to see the change by observing only the AC component superimposed on the DC signal, and only the desired signal component can be amplified. . This is similar to the technique of performing phase-sensitive measurement and differential detection by using light that has been frequency-modulated by a sine wave. When using a phase reference signal having the same frequency as the modulation frequency f m of the signal light, the first order differentiation, and when using a reference signal having a frequency 2f m that is twice the modulation frequency of the signal light, a second order differentiation, a frequency 3f that is three times higher. When the m reference signal is used, a third-order differential signal is obtained, and only the change rate can be observed. The magnitude of each signal also depends on the coefficient when the absorption line waveform is Taylor-expanded together with the differential coefficient.

希薄ガスの検出に用いられる光音響分光法は、図1(b)に示した零位法による測定となり、検出感度が向上する。しかしながら、対象とする被測定物に応じた装置特有の共鳴ガスセルの作製が必要となることには変わりなく、光吸収測定の測定系より小型化が期待できるとは言え、基本的には減圧可能なガスセルを使用せざるを得ない。従って、可般性の実現という観点からも限界がある。   The photoacoustic spectroscopy used for the detection of the rare gas is the measurement by the null method shown in FIG. 1B, and the detection sensitivity is improved. However, it is still necessary to create a resonance gas cell unique to the device according to the object to be measured, and although it can be expected to be smaller than the measurement system for optical absorption measurement, it can basically be decompressed. A strong gas cell must be used. Therefore, there is a limit from the viewpoint of realizing generality.

図2を参照して、従来の位相敏感測定の測定原理を説明する。吸収線の最大吸収点f0(透過率の最小点)では、波形歪みは避けられないにしても信号光の変調周波数の倍波の信号が発生する。位相参照信号を信号光の変調周波数と一致させる場合、あるいは3倍の周波数にする場合は、f0を中心に左右で出力信号の符号が変わるため、周波数安定化などに利用される周波数弁別特性が得られる。位相参照信号を2倍の周波数にすると、吸収スペクトルの2次微分波形となり、実スペクトルより幅の狭いスペクトルが得られる。これら微分波形を得る微分検波は、上述したように、オシロスコープにおける交流成分の観測のように変化率のみを見ているため、弱い吸収が存在する媒質の光透過特性など、背景に直流成分の多い信号の観測には非常に有効な観測手法となる。 With reference to FIG. 2, the measurement principle of the conventional phase sensitive measurement will be described. At the maximum absorption point f 0 of the absorption line (minimum point of transmittance), even if waveform distortion is unavoidable, a signal having a harmonic wave of the modulation frequency of the signal light is generated. When the phase reference signal matches the modulation frequency of the signal light, or when the frequency is tripled, the sign of the output signal changes on the left and right with f 0 as the center, so the frequency discrimination characteristics used for frequency stabilization etc. Is obtained. When the frequency of the phase reference signal is doubled, a second-order differential waveform of the absorption spectrum is obtained, and a spectrum narrower than the actual spectrum is obtained. As described above, differential detection to obtain these differential waveforms looks only at the rate of change as in the case of observing the alternating current component with an oscilloscope, so there are many direct current components in the background, such as the light transmission characteristics of a medium with weak absorption. This is a very effective observation technique for signal observation.

光音響分光法の場合は、吸収線の最大吸収点f0において音響信号が最大になると期待できる。しかし、このことは強度変調を施した場合であり、周波数変調を用いる場合には少々事情が異なる。図2に示したように、周波数変調を施す場合、f0においては変調周波数fmの倍音、つまり2fmの周波数の出力波形が主に発生する。従って、f0における2fmの振幅と、f0からずれたf1におけるfmの振幅の大小は、変調振幅Δfの大きさ、吸収線の周波数に関する変化率などに依存し、一意的には決まらない。希薄ガスの場合は、必然的に吸収が小さくなるため、光音響分光法の場合には、音響信号が最大となる吸収の中心周波数f0における変調周波数fmの振幅が、f0の周辺部より更に小さくなる。従って、周波数変調は、得策ではないと言える。 In the case of photoacoustic spectroscopy, the acoustic signal can be expected to become maximum at the maximum absorption point f 0 of the absorption line. However, this is a case where intensity modulation is performed, and the situation is slightly different when frequency modulation is used. As shown in FIG. 2, when subjected to frequency modulation, in f 0 is harmonic of the modulation frequency f m, i.e. the frequency of the output waveform of the 2f m primarily occur. Therefore, the amplitude of the 2f m in f 0, the amplitude of the magnitude of f m in f 1 that is offset from f 0 is the magnitude of the modulation amplitude Delta] f, depending on such rate of change with respect to frequency of the absorption line, unique to the not decided. For dilute gas, because inevitably absorption is reduced, in the case of the photoacoustic spectroscopy, the amplitude of the modulation frequency f m at the center frequency f 0 of the absorption sound signal is maximized, the peripheral portion of the f 0 Even smaller. Thus, frequency modulation is not a good idea.

最近、水晶振動子を用いた光音響分光法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。しかし、測定系の構成は、被測定物となるガスを減圧セルに封入し、光吸収によって発生するガスの膨張の有無に基づく粗密波としての音響信号を検出するので、従来の光音響分光法と同一である。光音響セルにおける音響信号の検出に、圧電素子、コンデンサマイクロフォンに代えて、水晶振動子を用いているに過ぎない。また、半導体レーザ(LD)を直接使用するため波長掃引幅が確保できず、測定対象物は注目する1〜2本の吸収線に限られる。非特許文献1の例では、ガスの吸収が弱い1.6μm近傍の近赤外で発振するLDからの出射光を用いており、大気中の希薄ガスの測定は不可能である。   Recently, photoacoustic spectroscopy using a quartz resonator has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1). However, the configuration of the measurement system is such that the gas to be measured is sealed in a decompression cell and an acoustic signal as a dense wave based on the presence or absence of gas expansion generated by light absorption is detected, so conventional photoacoustic spectroscopy Is the same. Instead of a piezoelectric element and a condenser microphone, a quartz resonator is merely used for detecting an acoustic signal in the photoacoustic cell. In addition, since a semiconductor laser (LD) is used directly, the wavelength sweep width cannot be secured, and the object to be measured is limited to one or two absorption lines of interest. In the example of Non-Patent Document 1, light emitted from an LD that oscillates in the near infrared near 1.6 μm where gas absorption is weak is used, and measurement of a rare gas in the atmosphere is impossible.

また、非特許文献1においては、光吸収の測定系に、LDの電流を変調する直接周波数変調を用いている。このとき、零位法による測定を行うので、正弦波を用いた周波数変調による微分波形の計測は、上述したように必ずしも得策ではない。一方、手軽さからも有利と思われるLDの直接変調方式は、周波数変調と共に強度変調も重畳しており、変調信号の波形歪みは避けられない。非特許文献1の例では1次微分波形の検出が採用されており、音響信号出力最大点が0になっている。2次微分波形が得られる倍波の信号波形を観測すれば、音響信号出力最大点が有効に利用できることになるが、図2に示したような整流波形に近い波形しか得られない。従って、水晶振動子を含む音叉を用いる信号検出の場合は、機械的なチョッパ、外部変調方式による強度(振幅)変調を用いた手法の方が望ましいということになる。また、非特許文献1の例では、LDの周波数変調には音叉の共鳴周波数の半分を用いる。このことは、モニタ感度の向上には有効であっても、吸収信号の高感度化には必ずしも得策ではない。   In Non-Patent Document 1, direct frequency modulation that modulates the current of the LD is used for the light absorption measurement system. At this time, since the measurement is performed by the null method, the measurement of the differential waveform by frequency modulation using a sine wave is not necessarily a good measure as described above. On the other hand, the LD direct modulation method, which seems to be advantageous from the viewpoint of simplicity, superimposes intensity modulation as well as frequency modulation, and waveform distortion of the modulation signal is inevitable. In the example of Non-Patent Document 1, detection of a first-order differential waveform is employed, and the acoustic signal output maximum point is 0. By observing a double-wave signal waveform from which a second-order differential waveform is obtained, the acoustic signal output maximum point can be used effectively, but only a waveform close to the rectified waveform as shown in FIG. 2 can be obtained. Therefore, in the case of signal detection using a tuning fork including a crystal resonator, a technique using a mechanical chopper and intensity (amplitude) modulation by an external modulation method is more desirable. In the example of Non-Patent Document 1, half of the resonance frequency of the tuning fork is used for frequency modulation of the LD. This is effective for improving the monitor sensitivity, but is not necessarily a good measure for increasing the sensitivity of the absorption signal.

次に、測定系のレーザ光源について説明する。被測定物質の吸収ピークは、原子間結合の振動回転モードに起因し、主に2μmから20μmの中赤外領域に基本振動に基づく強い吸収バンドがある。しかし、波長2μm以上の中赤外領域で室温での連続発振が安定に得られるレーザは、未だ実用化が困難である。量子カスケードレーザの研究開発がなされているものの、上述した光学的手法に用いることのできるレーザ光源がないことが大きな支障になっている。   Next, the measurement system laser light source will be described. The absorption peak of the substance to be measured is caused by the vibration rotation mode of the interatomic bond, and has a strong absorption band based on fundamental vibration mainly in the mid-infrared region of 2 μm to 20 μm. However, a laser that can stably obtain continuous oscillation at room temperature in the mid-infrared region with a wavelength of 2 μm or more is still difficult to put into practical use. Although quantum cascade lasers have been researched and developed, the lack of a laser light source that can be used in the optical method described above is a major obstacle.

中赤外領域における実用可能なレーザ光源が存在しないので、通常は、既存の通信用半導体レーザ(0.8μmから2μm)が使用される。しかし、この波長で各種ガスなどの微量分析を行う場合、本来のガスの基本吸収波長の倍音(=基本吸収波長の2分の1)、3倍音(=基本吸収波長の3分の1)、または結合音(=複数の基本吸収波長の組み合わせ)における吸収を利用することになる。しかし、倍音程度であれば必要な感度が得られる場合もあるが、3倍音以上に相当するような高次の吸収ピークでの測定となると、吸収量そのものが小さいために検出に限界が生じる。従って、本来の基本吸収ピークにおける測定に較べて、3桁程度あるいはそれ以上の感度の低下を招くことになる。   Since there is no practical laser light source in the mid-infrared region, an existing communication semiconductor laser (0.8 μm to 2 μm) is usually used. However, when performing microanalysis of various gases at this wavelength, the harmonics of the fundamental absorption wavelength of the original gas (= 1/2 of the fundamental absorption wavelength), the third harmonic (= 1/3 of the fundamental absorption wavelength), Alternatively, the absorption in the combined sound (= combination of a plurality of fundamental absorption wavelengths) is used. However, the required sensitivity may be obtained if it is about harmonics. However, when the measurement is performed at a high-order absorption peak corresponding to 3rd harmonic or more, detection is limited because the amount of absorption itself is small. Therefore, the sensitivity is reduced by about three orders of magnitude or more compared to the measurement at the original basic absorption peak.

上述したように、環境ガス、危険性を伴うガスなどを分析する際に高い検出感度を得るためには、中赤外レーザ光源の開発が不可欠である。最近では、波長3μm等において中赤外光を発生させ、ガスセンサー動作を確認したことが報告されている(例えば、非特許文献2参照)。この報告では、光源に、周期的な分極反転構造を有するニオブ酸リチウム(LiNbO3)からなる波長変換素子を用いて、差周波発生により中赤外光を発生させている。 As described above, the development of a mid-infrared laser light source is indispensable for obtaining high detection sensitivity when analyzing environmental gases, dangerous gases, and the like. Recently, it has been reported that mid-infrared light is generated at a wavelength of 3 μm or the like to confirm the gas sensor operation (for example, see Non-Patent Document 2). In this report, a mid-infrared light is generated by difference frequency generation using a wavelength conversion element made of lithium niobate (LiNbO 3 ) having a periodic domain-inverted structure as a light source.

A.A.Kosterev et al., "Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy", Optics Letters, Vol.27, No.21, po.1902-1904 (2002)A.A.Kosterev et al., "Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy", Optics Letters, Vol.27, No.21, po.1902-1904 (2002) D.Richter, et al., "Development of an automated diode-laser-based multicomponent gas sensor", Applied Optics, Vol.39, No.24, pp.4444-4450 (2000)D. Richter, et al., "Development of an automated diode-laser-based multicomponent gas sensor", Applied Optics, Vol.39, No.24, pp.4444-4450 (2000) A.Miklos, et al., "Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology", Review of scientific instruments, Vol.72, No.4, pp.1937-1955, 2001A. Miklos, et al., "Application of acoustic resonators in photoacoustic trace gas analysis and metrology", Review of scientific instruments, Vol.72, No.4, pp.1937-1955, 2001

以上述べたように、従来の光吸収測定装置は、100m近くの光路長を有するマルチパスセルを用い、1〜2本の吸収線の検出しかできなかった。これに対して、(1)可視域から赤外域(0.45〜5.5μm)まで、特に波長域1.9〜5.5μmの広い中赤外域の波長範囲において測定が可能なこと、(2)大気に存在する環境ガスに応じて複数の吸収線を検知することができるように波長を可変できること、(3)大気中の環境ガスを直接検知することができるように高感度であること、および(4)コンパクトで可般型の光吸収測定装置が求められている。   As described above, the conventional optical absorption measurement apparatus can detect only one or two absorption lines using a multipath cell having an optical path length of about 100 m. In contrast, (1) measurement is possible from the visible range to the infrared range (0.45 to 5.5 μm), particularly in the wide mid-infrared wavelength range of 1.9 to 5.5 μm, 2) The wavelength can be varied so that a plurality of absorption lines can be detected according to the environmental gas present in the atmosphere, and (3) the sensitivity is high so that the environmental gas in the atmosphere can be directly detected. And (4) A compact and portable light absorption measuring device is required.

本発明の目的は、大掛かりなマルチパスセルを必要とせず、入射光の波長を掃引しながら複数の吸収線を検知し、多種の吸収物質をコンパクトな装置で高感度に検出するための光吸収測定装置を提供することにある。   The object of the present invention is not to require a large-scale multi-pass cell, but to detect a plurality of absorption lines while sweeping the wavelength of incident light, and to absorb various kinds of absorbing substances with high sensitivity by a compact device. It is to provide a measuring device.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、レーザ光出射手段から出射された光を被測定物質に入射して、該被測定物質の光学吸収特性を測定する光吸収測定装置において、前記被測定物質に入射された入射光の光路と交差するように、前記被測定物質内に配置された第1の音叉と、該第1の音叉の共鳴周波数近傍の信号で前記入射光の強度を変調する変調手段と、前記第1の音叉の共鳴振動を第1の電気信号に変換する変換手段と、前記第1の電気信号と前記共鳴周波数近傍の信号とをロックイン検波して、前記測定物質の光学吸収特性を測定する測定手段とを備えたことを特徴とする。   In order to achieve such an object, the invention according to claim 1, the light emitted from the laser beam emitting means is incident on the substance to be measured, and the optical absorption characteristics of the substance to be measured are adjusted. In the light absorption measurement device to be measured, a first tuning fork disposed in the measured substance so as to intersect an optical path of incident light incident on the measured substance, and a vicinity of a resonance frequency of the first tuning fork Modulation means for modulating the intensity of the incident light with the signal, conversion means for converting the resonance vibration of the first tuning fork into a first electric signal, the first electric signal and a signal in the vicinity of the resonance frequency, And a measuring means for measuring the optical absorption characteristic of the measurement substance.

この構成によれば、音叉の共鳴周波数近傍の信号で入射光の強度を変調し、被測定物質であるガス内に配置された音叉に入射する。光吸収によって発生するガスの膨張に基づく疎密波により、音叉の共鳴振動が生ずる。この共鳴振動を音響信号として検出し、電気信号に変換する。変換された電気信号と共鳴周波数近傍の信号とをロックイン検波して、測定物質の光学吸収特性を測定することができる。   According to this configuration, the intensity of incident light is modulated by a signal in the vicinity of the resonance frequency of the tuning fork, and the light enters the tuning fork disposed in the gas to be measured. The resonance vibration of the tuning fork is generated by the dense wave based on the expansion of the gas generated by light absorption. This resonance vibration is detected as an acoustic signal and converted into an electrical signal. The converted electrical signal and the signal in the vicinity of the resonance frequency are lock-in detected, and the optical absorption characteristic of the measurement substance can be measured.

変調手段は、入射光の強度を変調してもよいし、入射光の周波数を変調してもよい。変換手段は、音叉の共鳴振動である音響信号を、コンデンサマイクロフォンにより電気信号に変換してもよいし、音叉の共鳴振動を、歪みセンサで電気信号に変換してもよい。音叉として水晶振動子を用いて、変換手段に前置増幅器とインピーダンス変換器とを含めることもできる。   The modulating means may modulate the intensity of the incident light or may modulate the frequency of the incident light. The conversion means may convert an acoustic signal, which is a resonance vibration of the tuning fork, into an electric signal using a condenser microphone, or may convert a resonance vibration of the tuning fork into an electric signal using a strain sensor. It is also possible to use a crystal resonator as a tuning fork and include a preamplifier and an impedance converter in the conversion means.

入射光の光路と第1の音叉とが交差する点を内挿し、音叉の共鳴周波数近傍で共振する共鳴器をさらに備えてもよい。入射光の光路上に配置され、入射光の光路と音叉とが交差する点を挟んで対向する反射鏡をさらに備えてもよい。   There may be further provided a resonator that interpolates a point where the optical path of the incident light and the first tuning fork intersect, and resonates near the resonance frequency of the tuning fork. A reflection mirror may be further provided that is disposed on the optical path of the incident light and is opposed to the point where the optical path of the incident light and the tuning fork cross each other.

請求項9に記載の発明は、請求項1ないし8のいずれかに記載の光吸収測定装置において、前記入射光の光路上に配置され、前記入射光の一部を分岐する分岐手段と、前記分岐された入射光を第2の電気信号に変換する光電気変換手段と、前記第2の気信号と前記共鳴周波数近傍の信号とをロックイン検波して、前記測定手段で測定された前記測定物質の光学吸収特性を補正する第1の補正手段とを備えたことを特徴とする。   The invention according to claim 9 is the optical absorption measurement device according to any one of claims 1 to 8, wherein the branching means is arranged on the optical path of the incident light and branches a part of the incident light; The measurement measured by the measurement means by performing lock-in detection on the photoelectric conversion means for converting the branched incident light into a second electric signal, the second air signal and a signal in the vicinity of the resonance frequency. And a first correction unit that corrects the optical absorption characteristic of the substance.

この構成によれば、入射光の強度信号と検出した音響信号とをそれぞれ検波するので、音響信号の入射光強度の波長依存性および強度揺らぎの影響を相殺することができる。   According to this configuration, since the intensity signal of the incident light and the detected acoustic signal are respectively detected, the wavelength dependence of the incident light intensity of the acoustic signal and the influence of intensity fluctuation can be offset.

請求項10に記載の発明は、請求項1ないし9のいずれかに記載の光吸収測定装置において、前記入射光の光路と交差しないように前記被測定物質内に配置された第2の音叉と、該第2の音叉の共鳴振動を第3の電気信号に変換する変換手段と、前記第3の電気信号と前記共鳴周波数近傍の信号とをロックイン検波して、前記測定手段で測定された前記測定物質の光学吸収特性を補正する第2の補正手段とを備えたことを特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, in the light absorption measurement apparatus according to any one of the first to ninth aspects, the second tuning fork disposed in the measured substance so as not to intersect the optical path of the incident light, The second tuning fork resonance vibration is converted into a third electric signal, the third electric signal and a signal in the vicinity of the resonance frequency are lock-in detected, and measured by the measuring means. And a second correction unit that corrects the optical absorption characteristic of the measurement substance.

この構成によれば、入射光と交差しない音叉で検出される音響信号と検出した音響信号とをそれぞれ検波するので、背景の音響雑音を除去することができる。   According to this configuration, since the acoustic signal detected by the tuning fork that does not intersect the incident light and the detected acoustic signal are detected, the background acoustic noise can be removed.

請求項11に記載の発明は、請求項1ないし10のいずれかに記載の光吸収測定装置において、前記レーザ光出射手段は、波長λ1のレーザ光を発生する第1のレーザと、波長λ2のレーザ光を発生する第2のレーザと、前記波長λ1のレーザ光と前記波長λ2のレーザ光とを入力し、1/λ1−1/λ2=1/λ3の関係にある波長λ3の差周波光を出力する非線形光学結晶とを備えたことを特徴とする。 An eleventh aspect of the present invention is the light absorption measurement apparatus according to any one of the first to tenth aspects, wherein the laser beam emitting means includes a first laser that generates a laser beam having a wavelength λ1, and a wavelength λ. The second laser that generates the laser beam 2, the laser beam having the wavelength λ 1 , and the laser beam having the wavelength λ 2 are input, and the relationship 1 / λ 1 −1 / λ 2 = 1 / λ 3 is satisfied. And a non-linear optical crystal that outputs a difference frequency light having a certain wavelength λ 3 .

より具体的には、第1のレーザは、波長λ1=0.9〜1.1μmのレーザ光を発生し、第2のレーザは、波長λ2=1.25〜1.75μmのレーザ光を発生し、非線形光学結晶は、波長λ3=1.9〜5.7μmを有する差周波光を出力する。 More specifically, the first laser generates laser light with a wavelength λ 1 = 0.9 to 1.1 μm, and the second laser has laser light with a wavelength λ 2 = 1.25 to 1.75 μm. The nonlinear optical crystal outputs difference frequency light having a wavelength λ 3 = 1.9 to 5.7 μm.

非線形光学結晶は、LiNbO3(LN)、LiTaO3(LT)またはその混晶、あるいはZnもしくはMgが添加されているLN、LTまたはその混晶であり、周期的に分極反転構造が形成されていることが好ましい。また、非線形光学結晶は、導波路構造を有することが好適である。 The nonlinear optical crystal is LiNbO 3 (LN), LiTaO 3 (LT) or a mixed crystal thereof, or LN, LT or a mixed crystal to which Zn or Mg is added, and a domain-inverted structure is periodically formed. Preferably it is. The nonlinear optical crystal preferably has a waveguide structure.

以上説明したように、本発明によれば、大掛かりなマルチパスセルを必要とせず、入射光の波長を掃引しながら複数の吸収線を検知し、多種の吸収物質をコンパクトな装置で高感度に検出することが可能となる。   As described above, according to the present invention, a large multipath cell is not required, a plurality of absorption lines are detected while sweeping the wavelength of incident light, and various types of absorbing materials are made highly sensitive with a compact device. It becomes possible to detect.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明では、光吸収を音叉で検出する新規な光音響分光法を提供する。本発明では、強度変調であれ周波数変調であれ、用いる変調周波数は音叉の共鳴周波数とほぼ同一であるということが大きな特徴である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention provides a novel photoacoustic spectroscopy that detects light absorption with a tuning fork. A major feature of the present invention is that the modulation frequency used, whether intensity modulation or frequency modulation, is almost the same as the resonance frequency of the tuning fork.

(動作原理)
光の吸収媒質は直接遷移(放射遷移)がない限り、光を照射すると光の吸収による熱H(r,t)を発生する。H(r,t)は、位置rと時間tの関数である。熱の発生は光の吸収媒質を膨張させることになるので、強度変調された光を当てると、光の変調周波数の粗密波、つまり音波が発生する。音波はそのまま圧力変化pとなるので、この音圧を測定すれば光吸収分析装置が実現できる。
(Operating principle)
As long as there is no direct transition (radiative transition) in the light absorbing medium, heat H (r, t) is generated by light absorption when irradiated with light. H (r, t) is a function of position r and time t. The generation of heat causes the light absorbing medium to expand, and therefore, when an intensity-modulated light is applied, a density wave of light modulation frequency, that is, a sound wave is generated. Since the sound wave becomes the pressure change p as it is, an optical absorption analyzer can be realized by measuring this sound pressure.

熱源H(r,t)による音波の発生理論(例えば、非特許文献3参照)によれば、圧力変化pは、次の波動方程式で表される。   According to the generation theory of sound waves by the heat source H (r, t) (for example, see Non-Patent Document 3), the pressure change p is expressed by the following wave equation.

Figure 2009036578
Figure 2009036578

ここで、cは音速、γはガスの比熱比(=Cp/Cv)である。光源が正弦波で変調されている場合、式1は圧力変化pを正規音響モードpjを用いてフーリエ変換することにより解ける。圧力変化pは、すべての正規音響モードpjの和として表すことができ、下記の式が得られる。 Here, c is the speed of sound, and γ is the specific heat ratio of gas (= C p / C v ). When the light source is modulated with a sine wave, Equation 1 can be solved by Fourier transforming the pressure change p using the normal acoustic mode p j . The pressure change p can be expressed as the sum of all normal acoustic modes p j and the following equation is obtained.

Figure 2009036578
Figure 2009036578

また、上記の正規音響モードpjは、次式の波動方程式の解である。 The normal acoustic mode p j is a solution of the following wave equation.

Figure 2009036578
Figure 2009036578

音波の共鳴体を用いる場合、正規音響モードpjは、壁面では0になるので、円筒状の共鳴体では次式を満たすことになる。 When a sound wave resonator is used, the normal acoustic mode p j is 0 on the wall surface, so that the following equation is satisfied for the cylindrical resonator.

Figure 2009036578
Figure 2009036578

Figure 2009036578
Figure 2009036578

ここで、k,m,nは、軸方向、方位角方向、径方向のモード次数、 Here, k, m, and n are axial, azimuthal and radial mode orders,

Figure 2009036578
Figure 2009036578

はベッセル関数で、Pjは規格化定数、Lは共鳴体の長さ、Rは共鳴体の半径、αm,nは、共鳴体の壁面(r=R)で0になるという境界条件dJm/dr=0を満たすn次の根である。 Is a Bessel function, P j is a normalization constant, L is the length of the resonator, R is the radius of the resonator, α m, n is a boundary condition dJ that is 0 on the wall of the resonator (r = R) It is an n-th order root satisfying m / dr = 0.

吸収媒質への入射光が共鳴体の中心軸に沿って入射し、かつ吸収が微弱であるという通常の状況においては、径方向に変化するモードのみが高次モードとして励振される。従って、角周波数ωで強度が正弦波変調された入射光によって励振される音圧は、入射光の径が共鳴体の内径より充分小さい場合は、壁面において次式で与えられる。   In a normal situation where light incident on the absorption medium is incident along the central axis of the resonator and the absorption is weak, only the mode changing in the radial direction is excited as a higher-order mode. Therefore, the sound pressure excited by the incident light whose intensity is sinusoidally modulated at the angular frequency ω is given by the following equation on the wall surface when the diameter of the incident light is sufficiently smaller than the inner diameter of the resonator.

Figure 2009036578
Figure 2009036578

ここでQjは、j次モードのQ値、Vrは共鳴体の内容積、Pabsは共鳴体内で吸収されたピークパワーのほぼ1/2で与えられる値である。j次の共鳴周波数は、次式で表される。 Here, Q j is the Q value of the j-th mode, V r is the internal volume of the resonator, and Pabs is a value given by approximately ½ of the peak power absorbed in the resonator. The j-th resonance frequency is expressed by the following equation.

Figure 2009036578
Figure 2009036578

ω=ωjの場合に、式(5)は次式になる。 When ω = ω j , Equation (5) becomes the following equation.

Figure 2009036578
Figure 2009036578

なお、 In addition,

Figure 2009036578
Figure 2009036578

のとき、 When,

Figure 2009036578
Figure 2009036578

である。p(ω)が測定系のS/Nを考慮した上で測定可能なレベルに達したとき、光吸収分析装置になり得ることになる。ちなみに、本実施形態において、時計のクロックに用いる水晶振動子を音叉として用いる場合、水晶振動子の共鳴周波数にて入射光強度を正弦波変調すると、原理的には式(7)の音圧に対して検出器のQ値(10,000前後)が乗算されて増幅されることになる。 It is. When p (ω) reaches a measurable level in consideration of the S / N of the measurement system, it can be an optical absorption analyzer. Incidentally, in the present embodiment, when a crystal resonator used for a clock of a watch is used as a tuning fork, if the incident light intensity is sine-wave modulated at the resonance frequency of the crystal resonator, in principle, the sound pressure of Equation (7) is obtained. On the other hand, the Q value (around 10,000) of the detector is multiplied and amplified.

ここで、光源は、非線形光学結晶と2つの励起レーザ光とを用いた和周波発生、差周波発生、または非線形光学結晶と1つの励起レーザ光とを用いた倍波発生を行う。前者を分光応用に用いるとき、2つのレーザ光の波長λ1、λ2と、発生する出力光の波長λ3との関係は、 Here, the light source performs sum frequency generation, difference frequency generation using the nonlinear optical crystal and two excitation laser beams, or harmonic generation using the nonlinear optical crystal and one excitation laser beam. When the former is used for spectroscopic applications, the relationship between the wavelengths λ 1 and λ 2 of the two laser beams and the wavelength λ 3 of the generated output light is

Figure 2009036578
Figure 2009036578

で与えられる。ここで、波長λ1とλ2の大小関係は問わないが、便宜上、λ3>0とするため、λ1<λ2とする。λ3を効率よく発生させるためには、位相整合条件k3=k1±k2を満足する必要がある。ki(i=1,2,3)は、非線形結晶内を伝搬するレーザ光の伝搬定数であり、λiにおける非線形光学結晶の屈折率をniとすると、 Given in. Here, the magnitude relationship between the wavelengths λ 1 and λ 2 is not limited, but for the sake of convenience, λ 3 > 0, so that λ 12 . In order to generate λ 3 efficiently, it is necessary to satisfy the phase matching condition k 3 = k 1 ± k 2 . k i (i = 1, 2, 3) is a propagation constant of laser light propagating in the nonlinear crystal, and when the refractive index of the nonlinear optical crystal at λ i is n i ,

Figure 2009036578
Figure 2009036578

となる。しかし、結晶のもつ分散特性により、一般的には、位相整合条件を満足することは難しい。 It becomes. However, it is generally difficult to satisfy the phase matching condition due to the dispersion characteristics of the crystal.

これを解決する方法として、非線形結晶を周期的に分極反転させた擬似位相整合法が用いられている。擬似位相整合法には、LiNbO3のような強誘電体結晶が有利なのであるが、これらの非線形光学定数の符号は自発分極の極性に対応する。この自発分極を、光の伝搬方向に周期Λで変調した場合、位相整合条件は、 As a method for solving this, a quasi-phase matching method in which a nonlinear crystal is periodically poled is used. For the quasi phase matching method, a ferroelectric crystal such as LiNbO 3 is advantageous, but the sign of these nonlinear optical constants corresponds to the polarity of spontaneous polarization. When this spontaneous polarization is modulated with a period Λ in the light propagation direction, the phase matching condition is

Figure 2009036578
Figure 2009036578

で表され、特定の波長λ1、λ2を励起光として用いた場合は、高効率な出力光λ3の発生が可能となる。 In the case where specific wavelengths λ 1 and λ 2 are used as excitation light, highly efficient output light λ 3 can be generated.

しかしながら、波長λ1、λ2を変化させて異なる波長λ3の出力光を得ようとする場合、波長λ1、λ2に変動がある場合には、式(9)を満足することができず、λ3の強度は低下する。ここで、波長λ1、λ2、λ3、および周期Λと出力光の発生効率ηとの関係について考えると、以下のようになる。まず、位相不整合量Δkを However, when changing the wavelengths λ 1 and λ 2 to obtain output light having different wavelengths λ 3 , if the wavelengths λ 1 and λ 2 vary, the equation (9) can be satisfied. However, the intensity of λ 3 decreases. Here, the relationship between the wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 , the period Λ, and the output light generation efficiency η is as follows. First, the phase mismatch amount Δk is

Figure 2009036578
Figure 2009036578

と定義する。このとき、試料長をlとすると、差周波光の発生効率ηは、位相不整合量Δkと試料長lの積に依存し、 It is defined as At this time, assuming that the sample length is l, the generation efficiency η of the difference frequency light depends on the product of the phase mismatch amount Δk and the sample length l,

Figure 2009036578
Figure 2009036578

と表される。式(11)において、ηoは、k=0の時の差周波発生効率である。このηoは、LiNbO3など結晶の非線形光学定数、励起光強度、試料長などで決まる。その発生強度は、二つの入力光強度の積に比例する。 It is expressed. In Equation (11), η o is the difference frequency generation efficiency when k = 0. This η o is determined by a nonlinear optical constant of crystal such as LiNbO 3 , excitation light intensity, sample length, and the like. The generated intensity is proportional to the product of the two input light intensities.

本実施形態で用いる光源は、上記の手法による出力光によって確保されることになる。また、擬似位相整合法によって得られるLiNbO3の波長変換素子を導波路構造とすると、光の閉じ込め効果が得られ、更に高効率な波長変換が可能となる。 The light source used in this embodiment is secured by the output light by the above method. Further, when the wavelength conversion element of LiNbO 3 obtained by the quasi phase matching method has a waveguide structure, a light confinement effect can be obtained, and wavelength conversion can be performed more efficiently.

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

図3に、本発明の実施例1にかかる測定系の基本構成を示す。レーザ光出射手段である光源1からの出射された光を、外部変調器30により音叉32の共鳴周波数で強度(振幅)変調し、被測定物3に入射する。発振器31から出力された信号は、音叉32の共鳴周波数を有し、増幅器33Aで増幅されて、外部変調器30に入力される。変調波形は正弦波が基本であるが、基本波成分が音叉32の共鳴周波数であれば、方形波や矩形波はもとより、三角波や鋸歯状波、その他の如何なる波形でも差し支えない。   FIG. 3 shows a basic configuration of a measurement system according to Example 1 of the present invention. The light emitted from the light source 1, which is a laser beam emitting means, is intensity (amplitude) modulated at the resonance frequency of the tuning fork 32 by the external modulator 30 and is incident on the object to be measured 3. The signal output from the oscillator 31 has the resonance frequency of the tuning fork 32, is amplified by the amplifier 33A, and is input to the external modulator 30. The modulation waveform is basically a sine wave. However, as long as the fundamental wave component is the resonance frequency of the tuning fork 32, a square wave, a rectangular wave, a triangular wave, a sawtooth wave, or any other waveform may be used.

分光測定を行う被測定物3に入射された光が、音叉32のU字状脚部の内側を通過するように配置する。すなわち、音叉32が、被測定物3に入射された光の光路と交差するように配置する。図3において、音叉32を90度左に傾け、入射された光が音叉32の股部分(U字状の底部)に当たるように、音叉32を配置してもよい。   It arrange | positions so that the light which injected into the to-be-measured object 3 which performs a spectroscopic measurement may pass the inner side of the U-shaped leg part of the tuning fork 32. FIG. That is, the tuning fork 32 is disposed so as to intersect the optical path of the light incident on the DUT 3. In FIG. 3, the tuning fork 32 may be arranged so that the tuning fork 32 is tilted 90 degrees to the left and the incident light strikes the crotch portion (U-shaped bottom) of the tuning fork 32.

音叉32で検出される音響信号を、コンデンサマイクロフォンで電気信号に変換したり、圧電素子である歪みセンサで電気信号に変換し、必要に応じて前置増幅器33Bで増幅する。なお、音叉32として水晶振動子などの圧電素子を用いる場合は、前置増幅器33Bにインピ−ダンス変換器の役割を持たせる。前置増幅器33Bで増幅された信号と、発振器31から出力された信号(参照信号として用いる)とを、ロックインアンプ25に入力する。   An acoustic signal detected by the tuning fork 32 is converted into an electric signal by a condenser microphone, or converted into an electric signal by a strain sensor which is a piezoelectric element, and is amplified by a preamplifier 33B as necessary. When a piezoelectric element such as a crystal resonator is used as the tuning fork 32, the preamplifier 33B has a role of an impedance converter. The signal amplified by the preamplifier 33B and the signal output from the oscillator 31 (used as a reference signal) are input to the lock-in amplifier 25.

ロックインアンプ25は、発振器31の周波数成分、つまり音叉32の共鳴周波数成分を検出する。光源1からの出射された光の周波数を掃引させれば、被測定物3の分光が可能である。このようにして、光吸収測定装置を具体化することができる。なお、入力光を正弦波で周波数変調、または位相変調を用いることもできるが、音叉32の共鳴周波数を用いることから、強度変調を行うものとする。また、LDを用いる場合には直接変調も可能ではあるが、望ましくは外部変調を行う。前置増幅器33Bで増幅された信号として得られる出力波形は微分波形になる。   The lock-in amplifier 25 detects the frequency component of the oscillator 31, that is, the resonance frequency component of the tuning fork 32. If the frequency of the light emitted from the light source 1 is swept, the spectrum of the DUT 3 can be obtained. In this way, the light absorption measuring device can be embodied. The input light can be frequency-modulated or phase-modulated with a sine wave. However, since the resonance frequency of the tuning fork 32 is used, intensity modulation is performed. Further, when LD is used, direct modulation is possible, but external modulation is preferably performed. The output waveform obtained as the signal amplified by the preamplifier 33B is a differential waveform.

図4に、本発明の実施例2にかかる測定系の基本構成を示す。実施例2の構成は、実施例1の構成に加えて、音叉32の共鳴周波数近傍の共鳴振動で共振する共鳴器35を配置している。共鳴器35は、被測定物3に入射された光の光路と音叉32が交差する点を内挿するように配置する。例えば、図4では、両端開放型の円筒形状の共鳴器35が2つ示されている。被測定物3に入射された光の光軸を、円筒の中心軸とし、音叉32を挟んで共鳴器35を配置する。共鳴器35を、1つの円筒とし、円筒の中央にスリットを設け、音叉32を挿入する構成としてもよい。   FIG. 4 shows a basic configuration of a measurement system according to the second embodiment of the present invention. In the configuration of the second embodiment, in addition to the configuration of the first embodiment, a resonator 35 that resonates by resonance vibration in the vicinity of the resonance frequency of the tuning fork 32 is disposed. The resonator 35 is disposed so as to interpolate a point where the optical path of the light incident on the DUT 3 and the tuning fork 32 intersect. For example, in FIG. 4, two cylindrical resonators 35 having open ends are shown. The resonator 35 is disposed with the tuning fork 32 interposed therebetween with the optical axis of the light incident on the DUT 3 being the central axis of the cylinder. The resonator 35 may be a single cylinder, a slit may be provided at the center of the cylinder, and the tuning fork 32 may be inserted.

例えば、共鳴器35となる円筒の直径は、水晶振動子を用いる場合、音叉32の共鳴周波数の半波長λ/2に開口端補正を行い、2.5mmφとする。このとき共鳴器35の全長は、4mm程度となる。なお、現状の開口端補正に関する理論には異論が唱えられており、厳密には決着がついていないが、概略は同程度の寸法となる。また、ガスの種類、ガスの圧力の差で若干の補正が必要である(例えば、非特許文献3参照)。また、共鳴器35は両端開放型でなくてもよく、片方が閉じた閉管でもよい。この場合、円筒の直径2.5mmφでは、全長1.5mm程度となる。楽器の共鳴に用いる音叉であれば、6cmφ程度の閉管の共鳴器の場合、17〜18cm程の長さが適当である。   For example, the diameter of the cylinder serving as the resonator 35 is set to 2.5 mmφ by performing aperture end correction to the half wavelength λ / 2 of the resonance frequency of the tuning fork 32 when a crystal resonator is used. At this time, the total length of the resonator 35 is about 4 mm. In addition, although the objection is advocated in the present theory regarding the opening end correction, and it is not strictly settled, the outline is approximately the same size. Further, some correction is necessary depending on the difference in gas type and gas pressure (for example, see Non-Patent Document 3). Further, the resonator 35 does not have to be open at both ends, and may be a closed tube with one end closed. In this case, when the diameter of the cylinder is 2.5 mmφ, the total length is about 1.5 mm. In the case of a tuning fork used for resonance of a musical instrument, a length of about 17 to 18 cm is appropriate for a closed tube resonator of about 6 cmφ.

式(4)が成立するためには、ガスセルなど壁面のあるもので被測定ガス3を覆うことが必要である。しかし、共鳴効果を用いなくても音圧が充分確保できている場合は、共鳴器を用いる必要はない。もちろん、ガスセルの中に共鳴器35を配置してもよい。共鳴器の形状、共鳴器として用いる管や箱が閉管、開放管にかかわらず、どのような共鳴器を用いてもよい。通常の音響振動理論で利用されている補正を用いれば、共鳴器の寸法は、ほぼ決定できる。   In order for Formula (4) to hold, it is necessary to cover the gas 3 to be measured with a wall such as a gas cell. However, if the sound pressure is sufficiently secured without using the resonance effect, it is not necessary to use a resonator. Of course, the resonator 35 may be disposed in the gas cell. Regardless of the shape of the resonator and the tube or box used as the resonator, whether it is a closed tube or an open tube, any resonator may be used. With the corrections used in normal acoustic vibration theory, the dimensions of the resonator can be determined approximately.

図5に、実施例1および2における応用例を示す。図5(a)では、被測定物3に入射された光の光軸上、音叉32の前後に平行平板反射鏡40A,40Bを配置する。平行平板反射鏡40A,40Bにより、入射光の光路と音叉32とが交差する点を挟んで対向する位置に、光の共振器を形成する。図5(b)では、音叉32の前後に凹面鏡40C,40Dを配置する。凹面鏡40C,40Dにより、音叉32を挟んで多重反射光路を形成する。いずれの場合も、音叉32を通過する複数の光路を確保できれば、通過する回数分だけ被測定物となるガスの吸収が増加するため、音叉32で検知する音響信号は強調されることになる。   FIG. 5 shows an application example in the first and second embodiments. In FIG. 5A, parallel plate reflectors 40 </ b> A and 40 </ b> B are arranged before and after the tuning fork 32 on the optical axis of the light incident on the DUT 3. The parallel plate reflecting mirrors 40A and 40B form a light resonator at a position opposite to each other across the point where the optical path of the incident light and the tuning fork 32 intersect. In FIG. 5B, concave mirrors 40 </ b> C and 40 </ b> D are arranged before and after the tuning fork 32. A concave reflection mirror 40C, 40D forms a multiple reflection optical path across the tuning fork 32. In any case, if a plurality of optical paths that pass through the tuning fork 32 can be secured, the absorption of the gas to be measured increases by the number of times of passage, so that the acoustic signal detected by the tuning fork 32 is enhanced.

図5(c)では、音叉32を内挿する共鳴器35の前後に平行平板反射鏡40E,40Fを配置する。図5(d)では、音叉32を内挿する共鳴器35の前後に凹面鏡40G,40Hを配置する。   In FIG. 5C, parallel plate reflecting mirrors 40E and 40F are arranged before and after the resonator 35 in which the tuning fork 32 is inserted. In FIG. 5D, concave mirrors 40G and 40H are arranged before and after the resonator 35 in which the tuning fork 32 is inserted.

図6に、本発明の実施例4にかかる測定系の基本構成を示す。この測定系では、音叉32で検出される音響信号の入射光強度の波長依存性および強度揺らぎの影響を相殺する。入射光の強度は、式(7)から類推できるように、吸収測定にそのまま比例して影響する。中赤外光の強度は、例えば、LiNbO3結晶の位相整合曲線に基づくsinc関数曲線に近い波長依存性を示す。また、入射光の光路上に存在する光学部品で生じる多重反射に基づく光学フリンジなども強度変化として吸収測定に影響する。そこで、音響信号の強度補正を行って、入射光強度の波長依存性のないフラットな吸収スペクトルを得る。 FIG. 6 shows a basic configuration of a measurement system according to Example 4 of the present invention. In this measurement system, the wavelength dependence of the incident light intensity of the acoustic signal detected by the tuning fork 32 and the influence of intensity fluctuation are canceled out. The intensity of the incident light directly affects the absorption measurement as can be inferred from the equation (7). The intensity of the mid-infrared light exhibits, for example, wavelength dependence close to a sinc function curve based on a phase matching curve of LiNbO 3 crystal. In addition, optical fringes based on multiple reflections generated by optical components existing on the optical path of incident light also affect the absorption measurement as intensity changes. Therefore, the intensity of the acoustic signal is corrected to obtain a flat absorption spectrum having no wavelength dependency of the incident light intensity.

実施例4では、被測定物3の手前で強度変調された入射光を、分岐手段であるビームスプリッタ23により分岐し、光電気変換手段である受光器24に入力する。ロックインアンプ25Aには、発振器31から出力された信号(参照信号として用いる)と、受光器24から出力される電気信号を入力する。音叉32で検出される音響信号は、前置増幅器33Bを介してロックインアンプ25Bに入力する。   In the fourth embodiment, incident light whose intensity is modulated before the object to be measured 3 is branched by a beam splitter 23 which is a branching means, and is input to a light receiver 24 which is a photoelectric conversion means. A signal (used as a reference signal) output from the oscillator 31 and an electric signal output from the light receiver 24 are input to the lock-in amplifier 25A. The acoustic signal detected by the tuning fork 32 is input to the lock-in amplifier 25B via the preamplifier 33B.

なお、ビームスプリッタ23は、被測定物3を通過した後の入射光を分岐するようにしてもよい。ただし、音叉32の厚みにおいて被測定物3の吸収が、光の透過で観測できる程度の強いものである場合には、被測定物3に入射前に、ビームスプリッタ23で分岐する方が好適である。   The beam splitter 23 may branch incident light after passing through the DUT 3. However, if the thickness of the tuning fork 32 is such that the absorption of the object to be measured 3 is strong enough to be observed by light transmission, it is preferable to branch by the beam splitter 23 before entering the object to be measured 3. is there.

ロックインアンプ25A,25Bは、発振器31の周波数成分、つまり音叉32の共鳴周波数成分のみを検出し、各々の出力同士を除算して、強度補正を行う。光吸収による音響信号は入射光強度に比例している。入射光の強度信号と検出した音響信号とをそれぞれ検波するので、音響信号の入射光強度の波長依存性および強度揺らぎの影響を相殺することができる。   The lock-in amplifiers 25A and 25B detect only the frequency component of the oscillator 31, that is, the resonance frequency component of the tuning fork 32, and divide each output to perform intensity correction. The acoustic signal due to light absorption is proportional to the incident light intensity. Since the intensity signal of the incident light and the detected acoustic signal are detected, the wavelength dependence of the incident light intensity of the acoustic signal and the influence of intensity fluctuations can be offset.

図7に、本発明の実施例5にかかる測定系の基本構成を示す。この測定系では、音叉を複数用いて音響信号の背景雑音を相殺する。音叉32Aで検出される信号には、被測定物3の光吸収信号のみならず背景の音響雑音が含まれる。この背景の音響雑音を除去するために、入射光と交差しない音叉32Bで検出される音響信号をロックインアンプ25に入力する。差動入力型のロックインアンプ25Cであれば、そのまま差動増幅すれば、被測定物3の光吸収信号のみを測定することができる。差動入力端子がないロックインアンプの場合は、実施例4と同様に、2台のロックインアンプを用いて、各々の出力の差を算出するか除算を実施すればよい。   FIG. 7 shows a basic configuration of a measurement system according to Example 5 of the present invention. In this measurement system, the background noise of the acoustic signal is canceled by using a plurality of tuning forks. The signal detected by the tuning fork 32 </ b> A includes not only the light absorption signal of the DUT 3 but also background acoustic noise. In order to remove the background acoustic noise, an acoustic signal detected by the tuning fork 32B that does not intersect the incident light is input to the lock-in amplifier 25. If the differential input type lock-in amplifier 25C is differentially amplified as it is, only the light absorption signal of the DUT 3 can be measured. In the case of a lock-in amplifier without a differential input terminal, the difference between the outputs may be calculated or divided using two lock-in amplifiers as in the fourth embodiment.

図8に、本発明の実施例6にかかる測定系の基本構成を示す。この測定系では、音叉32で検出される音響信号の入射光強度の波長依存性および強度揺らぎの影響を相殺し、かつ音叉を複数用いて音響信号の背景雑音を相殺する。実施例4および実施例5は、独立の現象に関しての雑音除去であるため、単純な組み合わせによって、双方の雑音を相殺することができる。   FIG. 8 shows a basic configuration of a measurement system according to Example 6 of the present invention. In this measurement system, the wavelength dependence of the incident light intensity of the acoustic signal detected by the tuning fork 32 and the influence of intensity fluctuation are canceled, and the background noise of the acoustic signal is canceled by using a plurality of tuning forks. Since the fourth embodiment and the fifth embodiment are noise removal with respect to independent phenomena, both noises can be canceled by a simple combination.

被測定物3の手前で強度変調された入射光を、ビームスプリッタ23により分岐して、受光器24に入力する。ロックインアンプ25Aには、発振器31から出力された信号(参照信号として用いる)と、受光器24から出力される電気信号を入力する。音叉32Aで検出される音響信号と、光入射のない音叉32Bで検出される音響信号とを、それぞれ前置増幅器33B,33Cを介して、差動入力型のロックインアンプ25Cに入力する。ロックインアンプ25Cの出力により、音響信号の背景雑音が相殺され、ロックインアンプ25A,25Cの出力を除算すれば、音響信号の入射光強度の波長依存性および強度揺らぎの影響が相殺される。なお、ロックインアンプ25Cは、2台のロックインアンプを使用して、各々の出力同士を除算してもよい。   Incident light whose intensity is modulated in front of the DUT 3 is branched by the beam splitter 23 and input to the light receiver 24. A signal (used as a reference signal) output from the oscillator 31 and an electric signal output from the light receiver 24 are input to the lock-in amplifier 25A. The acoustic signal detected by the tuning fork 32A and the acoustic signal detected by the tuning fork 32B without light incidence are input to the differential input type lock-in amplifier 25C via the preamplifiers 33B and 33C, respectively. The background noise of the acoustic signal is canceled by the output of the lock-in amplifier 25C. If the outputs of the lock-in amplifiers 25A and 25C are divided, the influence of the wavelength dependency of the incident light intensity of the acoustic signal and the intensity fluctuation are canceled. The lock-in amplifier 25C may divide outputs from each other using two lock-in amplifiers.

図9に、本発明の実施例7にかかる光吸収分析装置の構成を示す。波長域1.9〜5.5μmの広い中赤外域の波長範囲において、波長を可変することができ、大気中の環境ガスの直接検知する光吸収分析装置の構成を示す。光吸収分析装置の光源は、波長λ1(λ1=0.9〜1.1μm帯とする)の半導体レーザ10の出射光と、波長λ2(λ2=1.25〜1.75μm帯すべて、あるいはこの範囲内のいずれかの波長領域で波長可変とする)の半導体レーザ11の出射光とを、合波器18で合波して、非線形光学結晶であるLiNbO3結晶21に入射する。 FIG. 9 shows the configuration of a light absorption analyzer according to Example 7 of the present invention. The structure of a light absorption analyzer capable of changing the wavelength in the wide mid-infrared wavelength range of 1.9 to 5.5 μm and directly detecting environmental gas in the atmosphere is shown. The light source of the light absorption analyzer is a light emitted from the semiconductor laser 10 having a wavelength λ 11 = 0.9 to 1.1 μm band) and a wavelength λ 22 = 1.25 to 1.75 μm band). The light emitted from the semiconductor laser 11 (all or any wavelength region within this range) is combined by the multiplexer 18 and is incident on the LiNbO 3 crystal 21 which is a nonlinear optical crystal. .

半導体レーザ10は、端面10Aが90%以上の高反射膜を形成し、反対側の端面10Bは、反射率2%以下の低反射膜を形成している。半導体レーザ10の出力には、光ファイバ16が接続され、ファイバブラッググレーティング16Aを設けて波長安定性を向上させている。光ファイバ16から出射された光は、光アイソレータ14Bおよび外部変調器30を介して合波器36に入力される。   The semiconductor laser 10 has a high reflection film with an end face 10A of 90% or more, and the opposite end face 10B has a low reflection film with a reflectance of 2% or less. An optical fiber 16 is connected to the output of the semiconductor laser 10, and a fiber Bragg grating 16A is provided to improve the wavelength stability. The light emitted from the optical fiber 16 is input to the multiplexer 36 via the optical isolator 14B and the external modulator 30.

半導体レーザ11の出力には、光ファイバアンプ15が接続され、必要に応じて出射光を増幅する。光ファイバアンプ15から出射された光は、光アイソレータ14Aおよび光ファイバ17を介して合波器36に入力される。なお、本実施例のように、差周波発生を行う場合には、2つの励起光の偏光方向が一致するとき、最大の中赤外光が発生する、従って、光ファイバ16,17として、偏波保持ファイバを使用すると、簡便で効率の良い中赤外光の発生が得られる。   An optical fiber amplifier 15 is connected to the output of the semiconductor laser 11 and amplifies the emitted light as necessary. The light emitted from the optical fiber amplifier 15 is input to the multiplexer 36 via the optical isolator 14 </ b> A and the optical fiber 17. In the case where difference frequency generation is performed as in the present embodiment, the maximum mid-infrared light is generated when the polarization directions of the two excitation lights coincide with each other. When a wave holding fiber is used, simple and efficient generation of mid-infrared light can be obtained.

合波器18からの出射光は、光結合用のレンズ13を介して、LiNbO3結晶21に入射される。LiNbO3結晶21は、周期的な分極反転構造を有し、光導波路が形成されている。LiNbO3結晶21に対して温度制御を行い、差周波発生を行うことにより、1.9μm<λ2<5.5μmの波長範囲の中赤外光が得られ。半導体レーザ11の波長、出力を一定とし、波長λ2を変化させる場合、波長λ2の変化が、中赤外光の波長λ3の変化に対応する。発生した中赤外光の波長は、分光器により確認できる。実施例8では、素子長10mmのLiNbO3結晶バルクを用い、変換効率は全ての波長域で1%/W程度以下であった。素子長50mmの導波路素子を用いると、波長λ3が3.3μmのとき、40%/Wであった。 The outgoing light from the multiplexer 18 enters the LiNbO 3 crystal 21 via the optical coupling lens 13. The LiNbO 3 crystal 21 has a periodic domain-inverted structure, and an optical waveguide is formed. By controlling the temperature of the LiNbO 3 crystal 21 and generating a difference frequency, mid-infrared light in the wavelength range of 1.9 μm <λ 2 <5.5 μm can be obtained. When the wavelength and output of the semiconductor laser 11 are constant and the wavelength λ 2 is changed, the change of the wavelength λ 2 corresponds to the change of the wavelength λ 3 of the mid-infrared light. The wavelength of the generated mid-infrared light can be confirmed by a spectroscope. In Example 8, a LiNbO 3 crystal bulk having an element length of 10 mm was used, and the conversion efficiency was about 1% / W or less in all wavelength regions. When a waveguide element having an element length of 50 mm was used, it was 40% / W when the wavelength λ 3 was 3.3 μm.

なお、中赤外光の発生効率が低下するが、導波路構造を有しないLiNbO3結晶のバルク素子を用いてもよい。また、LiTaO3結晶またはその混晶、あるいはZnもしくはMgが添加されているLN、LTまたはその混晶でもよい。 Although the generation efficiency of mid-infrared light is reduced, a bulk element of LiNbO 3 crystal that does not have a waveguide structure may be used. Further, it may be a LiTaO 3 crystal or a mixed crystal thereof, or LN, LT or a mixed crystal added with Zn or Mg.

LiNbO3結晶21からの出射光は、光結合用のレンズ12とフィルタ22とを介して、被測定物3に入射される。光結合用のレンズ12,13は必ずしもレンズである必要はなく、光ファイバのバットジョイントで行ってもよい。フィルタ22は、LiNbO3結晶21から出射される中赤外光と、LiNbO3結晶21に入射された光の分離を行う。実施例7では、Geのフィルタを用いる。フィルタの代わりに、ダイクロイックミラーなどを利用してもよい。ただし、入力光の消去に関する消光比は、現状ではGeのフィルタの方が優れている。 The outgoing light from the LiNbO 3 crystal 21 enters the device under test 3 via the optical coupling lens 12 and the filter 22. The optical coupling lenses 12 and 13 do not necessarily need to be lenses, and may be performed by an optical fiber butt joint. Filter 22 performs a mid-infrared light emitted from the LiNbO 3 crystal 21, the separation of the incident light in the LiNbO 3 crystal 21. In Example 7, a Ge filter is used. A dichroic mirror or the like may be used instead of the filter. However, at present, the Ge filter is superior in the extinction ratio for erasing input light.

被測定物3への入射光を強度(振幅)変調あるいは周波数(位相)変調する用途に、外部変調器30を用いる。実施例8では、半導体レーザ10の出力側に振幅変調器を接続すする。半導体レーザ11の出力側に振幅変調器を接続してもよい。また、外部変調器30として位相変調器を用いてもよい。また、外部変調器には電気光学変調器(EO変調器)を用いているが、音響光学変調器(AO変調器)でも差し支えない。   The external modulator 30 is used for the purpose of intensity (amplitude) modulation or frequency (phase) modulation of incident light on the DUT 3. In the eighth embodiment, an amplitude modulator is connected to the output side of the semiconductor laser 10. An amplitude modulator may be connected to the output side of the semiconductor laser 11. A phase modulator may be used as the external modulator 30. Further, although the electro-optic modulator (EO modulator) is used as the external modulator, an acousto-optic modulator (AO modulator) may be used.

発振器31は、発振周波数を音叉32の共鳴周波数に合致させる。外部変調器30の駆動入力に要する電力は、増幅器33Aを用いて確保する。音叉32に水晶振動子を用いる場合は、例えばfr=33.7kHzが共振周波数となる。実施例7では、外形が6mm×1.4mm×0.2mmの水晶振動子を用いる(図9では機械的な音叉32として記載されている)。 The oscillator 31 matches the oscillation frequency with the resonance frequency of the tuning fork 32. The power required for driving input of the external modulator 30 is secured by using the amplifier 33A. When a crystal resonator is used for the tuning fork 32, for example, f r = 33.7 kHz is the resonance frequency. In Example 7, a crystal resonator having an outer shape of 6 mm × 1.4 mm × 0.2 mm is used (described as a mechanical tuning fork 32 in FIG. 9).

機械的な音叉を用いる場合には、圧力センサ、歪みセンサを音叉32に直結して音響信号を検出する。ただし、共鳴周波数が低くなり、背景雑音との分離が容易ではなくなる。また、音叉とコンデンサマイクロフォンとを用いる方法もあるが、接触部の密着性の問題を克服し、トータルな音圧−電気変換効率を確保する必要がある。変調波形は正弦波が基本であるが、振幅変調では方形波など他の波形(周波数の異なる正弦波の重なりとして扱える)であっても構わない。基本波周波数が、音叉32の共振周波数にほぼ一致していれば差し支えない。   When a mechanical tuning fork is used, an acoustic signal is detected by directly connecting a pressure sensor and a strain sensor to the tuning fork 32. However, the resonance frequency is lowered and separation from background noise is not easy. There is also a method using a tuning fork and a condenser microphone, but it is necessary to overcome the problem of adhesion at the contact portion and to ensure total sound pressure-electrical conversion efficiency. The modulation waveform is basically a sine wave, but may be another waveform such as a square wave (can be handled as an overlap of sine waves of different frequencies) in amplitude modulation. If the fundamental frequency substantially matches the resonance frequency of the tuning fork 32, there is no problem.

音叉32としての水晶振動子は、圧電素子として働くため、圧力変化が直接電気信号として得られる。前置増幅器33Bにおいて、得られた電気信号のうち、音叉32の共振周波数成分を効率よく増幅する。増幅器33Bは、Q値は約6000、利得は15dB程度である。増幅された電気信号の共振周波数に発振器の発振周波数を一致させてロックイン検出することにより、吸収線の信号強度を再現する。LiNbO3結晶21への入射光の一方を波長掃引することにより、吸収線スペクトルを得ることができる。 Since the crystal resonator as the tuning fork 32 functions as a piezoelectric element, a pressure change is directly obtained as an electric signal. The preamplifier 33B efficiently amplifies the resonance frequency component of the tuning fork 32 in the obtained electrical signal. The amplifier 33B has a Q value of about 6000 and a gain of about 15 dB. The signal intensity of the absorption line is reproduced by performing lock-in detection by matching the oscillation frequency of the oscillator with the resonance frequency of the amplified electrical signal. An absorption line spectrum can be obtained by wavelength sweeping one of the incident light on the LiNbO 3 crystal 21.

なお、図4に示した実施例2のように、音響信号を効率的に取り出すために、共鳴器を用いてもよい。実施例8において、共鳴器35は、全長3.8mm、内径が2.5mmφで、中央部に音叉32を挿入するスリットが設けられている。音圧の検出感度の向上には、上述した増幅器33Bにおける電気の共振現象を利用し、共鳴器35では音波の共振現象を利用しており、2重の感度向上を図っていることになる。   In addition, as in the second embodiment shown in FIG. 4, a resonator may be used to efficiently extract the acoustic signal. In the eighth embodiment, the resonator 35 has a total length of 3.8 mm, an inner diameter of 2.5 mmφ, and a slit into which the tuning fork 32 is inserted at the center. In order to improve the detection sensitivity of the sound pressure, the electrical resonance phenomenon in the amplifier 33B described above is used, and the resonator 35 uses the resonance phenomenon of the sound wave, so that double sensitivity improvement is achieved.

本実施形態には本来必要ではないが、被測定物3に入射された変調光のモニタとして、受光器24とオシロスコープ34とを接続している。受光器24には、例えば、PbSeなどの中赤外光用の光導電検出器を用いる。   Although not necessary in the present embodiment, the light receiver 24 and the oscilloscope 34 are connected as a monitor of the modulated light incident on the DUT 3. For the light receiver 24, for example, a photoconductive detector for mid-infrared light such as PbSe is used.

図10に、従来のマルチパスセルを用いた光吸収分析装置との比較を行うための測定系の構成を示す。従来の光吸収分析装置は、マルチパスセル26に被測定物を充填し、マルチパスセル26を透過した変調光を、受光器24Bで検出し、スイッチ36を介して、電気信号としてロックインアンプ25Aに出力する。実施例7にかかる光吸収分析装置は、被測定物3(図示を省略している)に入射された変調光が、音叉32を通過するように、音叉32と共鳴器35(図示を省略している)とを配置する。   FIG. 10 shows a configuration of a measurement system for comparison with a light absorption analyzer using a conventional multipath cell. In a conventional optical absorption analyzer, a multipass cell 26 is filled with an object to be measured, the modulated light transmitted through the multipass cell 26 is detected by a light receiver 24B, and a lock-in amplifier as an electrical signal is passed through a switch 36. Output to 25A. The optical absorption analyzer according to the seventh embodiment has a tuning fork 32 and a resonator 35 (not shown) so that the modulated light incident on the DUT 3 (not shown) passes through the tuning fork 32. ) And arrange.

また、実施例4と同様に、強度変調された入射光を、ビームスプリッタ23により分岐して、受光器24Aに入力する。ロックインアンプ25Bには、発振器31から出力された信号(参照信号として用いる)と、受光器24Aから出力される電気信号を入力する。   Similarly to the fourth embodiment, the intensity-modulated incident light is branched by the beam splitter 23 and input to the light receiver 24A. The lock-in amplifier 25B receives a signal output from the oscillator 31 (used as a reference signal) and an electrical signal output from the light receiver 24A.

図11に、従来の光吸収分析装置と実施例7にかかる光吸収分析装置との比較結果を示す。3.3μm帯において大気中に含まれる1.78ppmのメタン(CH4)の測定結果である。図11(a)は、切替スイッチ36をA側に接続し、107mの光路長を有するマルチパスセル26の透過光を測定した結果を示す。ロックインアンプ25A,25Bの各々の出力同士を除算した結果である。図11(b)は、切替スイッチ36をB側に接続し、音叉により検出した光吸収に基づく光音響信号である。 FIG. 11 shows a comparison result between the conventional optical absorption analyzer and the optical absorption analyzer according to Example 7. It is a measurement result of 1.78 ppm methane (CH 4 ) contained in the atmosphere in the 3.3 μm band. FIG. 11A shows the result of measuring the transmitted light of the multipath cell 26 having the optical path length of 107 m with the changeover switch 36 connected to the A side. This is a result of dividing the outputs of the lock-in amplifiers 25A and 25B. FIG. 11B shows a photoacoustic signal based on light absorption detected by a tuning fork when the changeover switch 36 is connected to the B side.

図11(a)の水(H2O)とメタン(CH4)の吸収線に対応して、図11(b)の出力が変化しているのがわかる。すなわち、107mのマルチパスセル26を通さなくても、大気中のメタンの吸収を測定できることがわかる。音叉の信号検出部の構成、共鳴管の最適設計により、さらにS/Nを向上させることができる。音叉の厚みが0.2mmであることを考慮すると、高感度であることがよくわかる。なお、増幅器33Bから出力された信号と受光器24Bから出力された電気信号とを、切替スイッチ36を介さずに、2台のロックインアンプに入力すれば、マルチパスセル26の透過光を変換した信号と音叉32により検出した光音響信号とを直接比較することができる。 It can be seen that the output in FIG. 11B changes corresponding to the absorption lines of water (H 2 O) and methane (CH 4 ) in FIG. That is, it can be seen that the absorption of methane in the atmosphere can be measured without passing through the 107 m multipass cell 26. The S / N can be further improved by the configuration of the signal detection unit of the tuning fork and the optimum design of the resonance tube. Considering that the thickness of the tuning fork is 0.2 mm, it can be seen that the sensitivity is high. If the signal output from the amplifier 33B and the electrical signal output from the light receiver 24B are input to the two lock-in amplifiers without passing through the changeover switch 36, the light transmitted through the multipath cell 26 is converted. And the photoacoustic signal detected by the tuning fork 32 can be directly compared.

図12に、本発明の実施例8にかかる光吸収分析装置の構成を示す。この測定系では、図9に示した実施例7の構成に加えて、図8に示した実施例6と同様に、音叉32で検出される音響信号の入射光強度の波長依存性および強度揺らぎの影響を相殺し、かつ音叉を複数用いて音響信号の背景雑音を相殺する。   FIG. 12 shows the configuration of a light absorption analyzer according to Example 8 of the present invention. In this measurement system, in addition to the configuration of the seventh embodiment shown in FIG. 9, the wavelength dependence and the intensity fluctuation of the incident light intensity of the acoustic signal detected by the tuning fork 32, as in the sixth embodiment shown in FIG. The background noise of the acoustic signal is canceled using a plurality of tuning forks.

実施例8では、被測定物3を通過した後の入射光を受光器24で受光し、受光器24から出力される電気信号をロックインアンプ25Cに入力する。なお、図8で示したように、ビームスプリッタ23で分岐した光を、ロックインアンプ25Cで参照してもよい。ロックインアンプ25A,25Cは、発振器31の周波数成分、つまり音叉32Aの共鳴周波数成分のみを検出し、各々の出力同士を除算して、音響信号の入射光強度の波長依存性を補正する。   In Example 8, incident light after passing through the DUT 3 is received by the light receiver 24, and an electric signal output from the light receiver 24 is input to the lock-in amplifier 25C. As shown in FIG. 8, the light branched by the beam splitter 23 may be referred to by the lock-in amplifier 25C. The lock-in amplifiers 25A and 25C detect only the frequency component of the oscillator 31, that is, the resonance frequency component of the tuning fork 32A, divide each output, and correct the wavelength dependence of the incident light intensity of the acoustic signal.

また、背景の音響雑音を除去するために、光入射のない同じ音叉32Bで検出される音響信号をロックインアンプ25Bに入力する。ロックインアンプ25A,25Bは、発振器31の周波数成分のみを検出し、各々の出力同士を除算する。なお、ロックインアンプ25A,25Bは、差動入力型のロックインアンプに置き換えることもできる。   Further, in order to remove background acoustic noise, an acoustic signal detected by the same tuning fork 32B without light incidence is input to the lock-in amplifier 25B. The lock-in amplifiers 25A and 25B detect only the frequency component of the oscillator 31 and divide each output. The lock-in amplifiers 25A and 25B can be replaced with a differential input type lock-in amplifier.

従来の光吸収測定の測定原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measurement principle of the conventional light absorption measurement. 従来の位相敏感測定の測定原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measurement principle of the conventional phase sensitive measurement. 本発明の実施例1にかかる測定系の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the measurement system concerning Example 1 of this invention. 本発明の実施例2にかかる測定系の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the measurement system concerning Example 2 of this invention. 実施例1および2における応用例を示す図である。6 is a diagram illustrating an application example in Examples 1 and 2. FIG. 本発明の実施例4にかかる測定系の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the measurement system concerning Example 4 of this invention. 本発明の実施例5にかかる測定系の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the measurement system concerning Example 5 of this invention. 本発明の実施例6にかかる測定系の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the measurement system concerning Example 6 of this invention. 本発明の実施例7にかかる光吸収分析装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the light absorption analyzer concerning Example 7 of this invention. 従来のマルチパスセルを用いた光吸収分析装置との比較を行うための測定系の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measurement system for performing the comparison with the light absorption analyzer using the conventional multipass cell. 従来の光吸収分析装置と実施例7にかかる光吸収分析装置との比較結果を示す図である。It is a figure which shows the comparison result of the conventional light absorption analyzer and the light absorption analyzer concerning Example 7. FIG. 本発明の実施例8にかかる光吸収分析装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the light absorption analyzer concerning Example 8 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 光源
3 被測定物
10,11 半導体レーザ
12,13 レンズ
14A,B アイソレータ
15 光ファイバアンプ
16,17 光ファイバ
16A ファイバブラッググレーティング
18 合波器
21 LiNbO3結晶
22 波長フィルタ
23 ビームスプリッタ
24,24A,B 受光器
25,25A〜C ロックインアンプ
26 マルチパスセル
30 外部変調器
31 発振器
32,32A,B 音叉
33A〜C 増幅器
34 オシロスコープ
35 共鳴器
36 切替スイッチ
40A,B,E,F 平行平板反射鏡
40C,D,G,H 凹面鏡
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 3 Device to be measured 10, 11 Semiconductor laser 12, 13 Lens 14A, B Isolator 15 Optical fiber amplifier 16, 17 Optical fiber 16A Fiber Bragg grating 18 Multiplexer 21 LiNbO 3 crystal 22 Wavelength filter 23 Beam splitter 24, 24A, B Light receivers 25, 25A to C Lock-in amplifier 26 Multipath cell 30 External modulator 31 Oscillator 32, 32A, B Tuning fork 33A to C Amplifier 34 Oscilloscope 35 Resonator 36 Changeover switch 40A, B, E, F Parallel plate reflector 40C, D, G, H Concave mirror

Claims (14)

レーザ光出射手段から出射された光を被測定物質に入射して、該被測定物質の光学吸収特性を測定する光吸収測定装置において、
前記被測定物質に入射された入射光の光路と交差するように、前記被測定物質内に配置された第1の音叉と、
該第1の音叉の共鳴周波数近傍の信号で前記入射光の強度を変調する変調手段と、
前記第1の音叉の共鳴振動を第1の電気信号に変換する変換手段と、
前記第1の電気信号と前記共鳴周波数近傍の信号とをロックイン検波して、前記測定物質の光学吸収特性を測定する測定手段と
を備えたことを特徴とする光吸収測定装置。
In a light absorption measuring apparatus for measuring the optical absorption characteristics of the material to be measured by making the light emitted from the laser light emitting means incident on the material to be measured,
A first tuning fork disposed in the material to be measured so as to intersect an optical path of incident light incident on the material to be measured;
Modulation means for modulating the intensity of the incident light with a signal near the resonance frequency of the first tuning fork;
Conversion means for converting resonance vibration of the first tuning fork into a first electrical signal;
An optical absorption measurement apparatus comprising: a measuring unit that locks-in-detects the first electric signal and a signal in the vicinity of the resonance frequency to measure an optical absorption characteristic of the measurement substance.
前記変調手段は、前記入射光の強度を変調することを特徴とする請求項1に記載の光吸収測定装置。   The light absorption measurement apparatus according to claim 1, wherein the modulation unit modulates the intensity of the incident light. 前記変調手段は、前記入射光の周波数を変調することを特徴とする請求項1に記載の光吸収測定装置。   The light absorption measuring apparatus according to claim 1, wherein the modulation unit modulates a frequency of the incident light. 前記変換手段は、前記第1の音叉の共鳴振動である音響信号を第1の電気信号に変換するコンデンサマイクロフォンであることを特徴とする請求項1、2または3に記載の光吸収測定装置。   4. The light absorption measuring apparatus according to claim 1, wherein the conversion means is a condenser microphone that converts an acoustic signal, which is resonance vibration of the first tuning fork, into a first electric signal. 5. 前記変換手段は、前記第1の音叉の共鳴振動を第1の電気信号に変換する歪みセンサであることを特徴とする請求項1、2または3に記載の光吸収測定装置。   4. The light absorption measuring apparatus according to claim 1, wherein the converting means is a strain sensor that converts a resonance vibration of the first tuning fork into a first electric signal. 前記音叉は、水晶振動子であり、前記変換手段は、前置増幅器とインピーダンス変換器とを含むことを特徴とする請求項1、2または3に記載の光吸収測定装置。   4. The light absorption measuring apparatus according to claim 1, wherein the tuning fork is a crystal resonator, and the conversion means includes a preamplifier and an impedance converter. 前記入射光の光路と前記第1の音叉とが交差する点を内挿し、前記共鳴周波数近傍の共鳴振動で共振する共鳴器をさらに備えたことを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の光吸収測定装置。   The resonator according to any one of claims 1 to 6, further comprising a resonator that interpolates a point where the optical path of the incident light and the first tuning fork intersect, and resonates by resonance vibration near the resonance frequency. The light absorption measuring apparatus as described. 前記入射光の光路上に配置され、前記入射光の光路と前記第1の音叉とが交差する点を挟んで対向する反射鏡をさらに備えたことを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の光吸収測定装置。   8. The reflector according to claim 1, further comprising a reflecting mirror disposed on the optical path of the incident light and facing the point where the optical path of the incident light and the first tuning fork intersect. The light absorption measuring device according to 1. 前記入射光の光路上に配置され、前記入射光の一部を分岐する分岐手段と、
前記分岐された入射光を第2の電気信号に変換する光電気変換手段と、
前記第2の電気信号と前記共鳴周波数近傍の信号とをロックイン検波して、前記測定手段で測定された前記測定物質の光学吸収特性を補正する第1の補正手段と
を備えたことを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の光吸収測定装置。
A branching unit arranged on the optical path of the incident light and branching a part of the incident light;
Photoelectric conversion means for converting the branched incident light into a second electric signal;
First correction means for correcting the optical absorption characteristics of the measurement substance measured by the measurement means by performing lock-in detection on the second electric signal and a signal in the vicinity of the resonance frequency. The light absorption measuring device according to claim 1.
前記入射光の光路と交差しないように前記被測定物質内に配置された第2の音叉と、
該第2の音叉の共鳴振動を第3の電気信号に変換する変換手段と、
前記第3の電気信号と前記共鳴周波数近傍の信号とをロックイン検波して、前記測定手段で測定された前記測定物質の光学吸収特性を補正する第2の補正手段と
を備えたことを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の光吸収測定装置。
A second tuning fork disposed in the material to be measured so as not to intersect the optical path of the incident light;
Conversion means for converting resonance vibration of the second tuning fork into a third electrical signal;
And second correction means for correcting the optical absorption characteristics of the measurement substance measured by the measurement means by performing lock-in detection on the third electric signal and a signal in the vicinity of the resonance frequency. The light absorption measuring device according to any one of claims 1 to 9.
前記レーザ光出射手段は、
波長λ1のレーザ光を発生する第1のレーザと、
波長λ2のレーザ光を発生する第2のレーザと、
前記波長λ1のレーザ光と前記波長λ2のレーザ光とを入力し、1/λ1−1/λ2=1/λ3の関係にある波長λ3の差周波光を出力する非線形光学結晶と
を備えたことを特徴とする請求項1ないし10のいずれかに記載の光吸収測定装置。
The laser beam emitting means is
A first laser that generates laser light of wavelength λ 1 ;
A second laser that generates laser light of wavelength λ 2 ;
Nonlinear optics for inputting the laser light having the wavelength λ 1 and the laser light having the wavelength λ 2 and outputting the difference frequency light having the wavelength λ 3 in the relationship of 1 / λ 1 −1 / λ 2 = 1 / λ 3. The light absorption measuring device according to claim 1, further comprising: a crystal.
前記第1のレーザは、波長λ1=0.9〜1.1μmのレーザ光を発生し、
前記第2のレーザは、波長λ2=1.25〜1.75μmのレーザ光を発生し、
前記非線形光学結晶は、波長λ3=1.9〜5.7μmを有する差周波光を出力することを特徴とする請求項11に記載の光吸収測定装置。
The first laser generates laser light having a wavelength λ 1 = 0.9 to 1.1 μm,
The second laser generates laser light having a wavelength λ 2 = 1.25 to 1.75 μm,
12. The optical absorption measurement apparatus according to claim 11, wherein the nonlinear optical crystal outputs difference frequency light having a wavelength [lambda] 3 = 1.9 to 5.7 [mu] m.
前記非線形光学結晶は、LiNbO3(LN)、LiTaO3(LT)またはその混晶、あるいはZnもしくはMgが添加されているLN、LTまたはその混晶であり、周期的に分極反転構造が形成されていることを特徴とする請求項12に記載の光吸収測定装置。 The nonlinear optical crystal is LiNbO 3 (LN), LiTaO 3 (LT) or a mixed crystal thereof, or LN, LT or a mixed crystal to which Zn or Mg is added, and a domain-inverted structure is periodically formed. The optical absorption measuring device according to claim 12, wherein 前記非線形光学結晶は、導波路構造を有していることを特徴とする請求項13に記載の光吸収測定装置。   The optical absorption measurement apparatus according to claim 13, wherein the nonlinear optical crystal has a waveguide structure.
JP2007199738A 2007-07-31 2007-07-31 Light absorption measuring instrument Pending JP2009036578A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007199738A JP2009036578A (en) 2007-07-31 2007-07-31 Light absorption measuring instrument

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007199738A JP2009036578A (en) 2007-07-31 2007-07-31 Light absorption measuring instrument

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009036578A true JP2009036578A (en) 2009-02-19

Family

ID=40438633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007199738A Pending JP2009036578A (en) 2007-07-31 2007-07-31 Light absorption measuring instrument

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009036578A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018528426A (en) * 2015-09-29 2018-09-27 シンテフ・ティーティーオー・アクチェセルスカベット Noise canceling detector
WO2019217507A1 (en) * 2018-05-11 2019-11-14 Carrier Corporation Photoacoustic detection system
CN110726673A (en) * 2018-07-17 2020-01-24 中国科学院福建物质结构研究所 Optical probe for phase change detection of ferroelectric crystal and detection method thereof
US11221271B2 (en) 2015-09-17 2022-01-11 Fraunhofer Uk Research Ltd Photoacoustic sensor for detecting trace amounts of hydrocarbons in gases or liquids
CN114370937A (en) * 2022-01-19 2022-04-19 河北大学 Infrared optical detection system and method based on quartz tuning fork surface plasmon enhanced absorption

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04501767A (en) * 1988-09-12 1992-03-26 エフエルエス・エアログ アー/エス Gas detection method and device using photoacoustic spectroscopy
JPH0675760A (en) * 1992-08-27 1994-03-18 Hitachi Ltd Extracting method for software design information
JP2008532036A (en) * 2005-03-04 2008-08-14 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Photoacoustic spectroscopy detector and system
JP2008539416A (en) * 2005-04-26 2008-11-13 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Low-cost instrument for detecting nitrogen-containing gas compounds

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04501767A (en) * 1988-09-12 1992-03-26 エフエルエス・エアログ アー/エス Gas detection method and device using photoacoustic spectroscopy
JPH0675760A (en) * 1992-08-27 1994-03-18 Hitachi Ltd Extracting method for software design information
JP2008532036A (en) * 2005-03-04 2008-08-14 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Photoacoustic spectroscopy detector and system
JP2008539416A (en) * 2005-04-26 2008-11-13 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Low-cost instrument for detecting nitrogen-containing gas compounds

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11221271B2 (en) 2015-09-17 2022-01-11 Fraunhofer Uk Research Ltd Photoacoustic sensor for detecting trace amounts of hydrocarbons in gases or liquids
JP2018528426A (en) * 2015-09-29 2018-09-27 シンテフ・ティーティーオー・アクチェセルスカベット Noise canceling detector
TWI735466B (en) * 2015-09-29 2021-08-11 挪威商新泰夫提圖股份有限公司 Noise canceling detector
WO2019217507A1 (en) * 2018-05-11 2019-11-14 Carrier Corporation Photoacoustic detection system
CN112384785A (en) * 2018-05-11 2021-02-19 开利公司 Photoacoustic detection system
US11754533B2 (en) 2018-05-11 2023-09-12 Carrier Corporation Photoacoustic detection system with clocked tuning fork positions
CN110726673A (en) * 2018-07-17 2020-01-24 中国科学院福建物质结构研究所 Optical probe for phase change detection of ferroelectric crystal and detection method thereof
CN114370937A (en) * 2022-01-19 2022-04-19 河北大学 Infrared optical detection system and method based on quartz tuning fork surface plasmon enhanced absorption
CN114370937B (en) * 2022-01-19 2023-11-14 河北大学 Infrared optical detection system and method based on quartz tuning fork surface plasmon enhanced absorption

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4921307B2 (en) Optical absorption analyzer
Wysocki et al. Molecular dispersion spectroscopy for chemical sensing using chirped mid-infrared quantum cascade laser
Wang et al. Fiber-ring laser intracavity QEPAS gas sensor using a 7.2 kHz quartz tuning fork
JP5041256B2 (en) Quantum entanglement generation apparatus and method, and quantum entanglement generation detection apparatus and method
US9012851B2 (en) Optical chamber module assembly
JP2007193034A (en) Wavelength conversion device and light absorption measuring instrument
Xiao et al. Ultra-sensitive ppb-level methane detection based on NIR all-optical photoacoustic spectroscopy by using differential fiber-optic microphones with gold-chromium composite nanomembrane
Kachanov et al. Cavity-enhanced optical feedback-assisted photo-acoustic spectroscopy with a 10.4 μm external cavity quantum cascade laser
WO2005108939A1 (en) Cavity ringdown spectroscopy with swept-frequency laser
JP2009036578A (en) Light absorption measuring instrument
US20170268930A1 (en) Spectroscopic Apparatus and Method
McNaghten et al. Simultaneous detection of trace gases using multiplexed tunable diode lasers and a photoacoustic cell containing a cantilever microphone
Zhang et al. Quartz tuning fork enhanced photothermal spectroscopy gas detection system with a novel QTF-self-difference technique
Pan et al. All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy for remote and non-contact gas sensing
Gong et al. Sub-ppb level detection of nitrogen dioxide based on an optimized H-type longitudinal acoustic resonator and a lock-in white-light interferometry demodulation algorithm
JP4883350B2 (en) Terahertz wave generator / detector
JP5494889B2 (en) Light source device, analysis device, light generation method, and analysis method
JP2012181554A (en) Mid-infrared light source, and infrared light absorption analyzer using the same
Zhao et al. Ppb-level all-optical off-axis QEPAS gas sensor based on dual-wavelength demodulation of out-of-plane vibration mode
Hong et al. Improved IP-QEPAS sensor based on cylindrical cavity enhancement
JP2014235103A (en) Light absorption measurement laser source and light absorption measurement apparatus using the same
JP2015076467A (en) Mid-infrared laser light source
JP2011033941A (en) Intermediate-infrared light source, and infrared light absorption analyzer using the same
JP4853255B2 (en) Gas analyzer
Ma et al. Corner cube prism-enhanced photoacoustic spectroscopy based gas sensing

Legal Events

Date Code Title Description
RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20100519

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20100519

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20100909

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110218

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110225

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20110701