JP2009229250A - ガス測定装置、ガス測定方法、及びガス測定用光源 - Google Patents

Abstract

【課題】大気ガスの分析に使用される光を高出力化する。
【解決手段】被測定ガスの吸収線波長を含む波長の光を出射し、該光の吸収量から前記被測定ガスの濃度を測定するガス測定装置であって、レーザ光源と、一定周期で分極反転した誘電体結晶を有し、光パラメトリック発生によって前記レーザ光源からの光を波長変換して被測定ガスに応じた波長の光を発生させる波長変換手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の吸収を用いて被測定ガスの濃度を測定するガス測定装置、ガス測定方法、及びガス測定用の光を発生させるガス測定用光源に関する。

近年、地球温暖化の問題がクローズアップされている。温暖化の主な原因の一つは、ＣＯｘ（炭素酸化物）であると言われている。
また、大気汚染物質であるＮＯｘ（窒素酸化物）やＳＯｘ（硫黄酸化物）によって光化学スモッグが発生するという問題も注目を集めている。
これらを背景として、大気ガスを直接的に常時監視することが重要となってきている。

大気ガスの分析方法としては、大気ガスをサンプリングし、分析に不要な成分を除去する前処理を行った上で、発光分析や赤外吸収分析や化学分析等の手法を用いて、定量分析を行う方法があるが、定期的なサンプリングが必要で前処理に時間もかかるため、常時リアルタイムで分析結果を得ることができないという問題がある。また、サンプリング地点の局所的な情報しか得られない欠点もある。

一方、最近では、レーザ光を大気中に放射し、大気ガスにより吸収を受けた光を受光して、その吸収量から大気ガスの分析を行うレーザ吸収分析法が実用化され始めている。この方法では、サンプリングや前処理が不要であるため、常時リアルタイムの分析結果を得ることが可能となる。また、レーザ光の光路全てが分析対象となるので、より広い範囲の平均化された分析結果が得られる。

レーザ吸収分析法を用いて大気ガスを分析する場合、ＣＯｘ等の各種の被測定ガスの吸収波長に合わせて、波長２〜６μｍの中赤外波長帯のレーザが用いられる。このようなレーザ光源としては、従来、量子カスケードレーザや、差周波発生により基本光の波長を変換する波長変換レーザ（例えば、特許文献１参照）が知られている。
特開２００７−１０８５９３号公報

ところで、レーザ光の吸収量に基づいて大気ガスを分析する際、大気中の塵等によって光が散乱してしまうと、被測定ガスによる吸収量が正確に求まらなくなる。そのため、正確な測定を行うには、レーザ光の波長を吸収波長の周りに周期的に高速掃引する。こうすると、被測定ガスによるレーザ光の吸収量が波長の掃引に合わせて周期的に変化するので、測定される受光強度の振幅から被測定ガスの濃度を求めることができる。

しかしながら、上述した従来の中赤外波長帯レーザである量子カスケードレーザは、素子の温度を制御することで波長を変化させるので、高速に波長を掃引することが難しいという問題がある。また、上述の特許文献１に開示された波長変換レーザは、誘電体結晶中にチャープした分極反転構造を設け、入射するシグナル光の波長を変化させることで出力光の波長を可変にするものであるが、分極反転の周期がチャープしているため、単位波長当りの相互作用長が短く高出力が得られないという問題がある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、大気ガスの分析に使用される光を高出力化することが可能なガス測定装置、ガス測定方法、及びガス測定用光源を提供することを目的としている。また、大気ガスの分析に使用される光の波長を高速に掃引することが可能なガス測定装置、ガス測定方法、及びガス測定用光源を提供することを目的としている。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、被測定ガスの吸収線波長を含む波長の光を出射し、該光の吸収量から前記被測定ガスの濃度を測定するガス測定装置であって、レーザ光源と、一定周期で分極反転した誘電体結晶を有し、光パラメトリック発生によって前記レーザ光源からの光を波長変換して被測定ガスに応じた波長の光を発生させる波長変換手段と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、一定の周期で分極反転した誘電体結晶を使用して光パラメトリック発生を行うので、相互作用長が長くなって変換効率が上がり、大気ガス測定用の高出力な光を発生させることができる。測定光が高出力になることで、大気ガスの分析がなされる光路長（光源から受光部まで）を長くとることが可能となり、広い範囲にわたって分析を行うことができる。

また、本発明は、上記のガス測定装置において、前記レーザ光源は、外部共振器型のレーザ光源であって該外部共振器内に発振波長を可変に制御する波長可変手段を有し、前記波長可変手段は、発振波長の制御により、前記波長変換手段からの出力光の波長を被測定ガスの吸収線波長の周りに掃引し、前記波長が掃引された出力光を受光し、その受光強度の周期的変化の振幅に基づいて被測定ガスの濃度を測定することを特徴とする。

この構成によれば、波長可変手段によって出力光の波長を掃引するので、大気中の塵等による散乱の影響を受けず、正確な測定を行うことができる。

また、本発明は、上記のガス測定装置において、前記波長可変手段は、印加電界に応じて屈折率が変化する液晶と、該液晶に電界を印加する電極と、前記液晶を挟んで対向して配置された反射鏡と、を有する波長フィルタであることを特徴とする。

この構成によれば、電界の印加により液晶の屈折率を変化させることで発振波長を可変にするので、大気ガス測定用の光の波長を高速（例えば１００Ｈｚ）に掃引することができる。これにより、大気中の塵等による散乱の影響を受けない正確な測定が可能となる。

また、本発明は、上記のガス測定装置において、前記レーザ光源は、ブロードエリア型の半導体レーザ素子を有することを特徴とする。

この構成によれば、ブロードエリア型の半導体レーザ素子を用いることで高出力化が可能である。

また、本発明は、上記のガス測定装置において、前記波長変換手段は、波長２〜６μｍの中赤外波長帯の光を発生させることを特徴とする。

この構成によれば、ＣＯｘ，ＮＯｘ，ＳＯｘ等の各種の物質の分析を行うことが可能である。

また、本発明は、レーザ光源からの光を所定周期で分極反転した誘電体結晶に入力して光パラメトリック発生により被測定ガスの吸収線波長を含む波長に波長変換し、前記波長変換された光を被測定ガス中に透過させて透過後の光の吸収量から前記被測定ガスの濃度を測定することを特徴とするガス測定方法である。

また、本発明は、被測定ガスの吸収線波長を含む波長の光を出射するガス測定用光源であって、レーザ光源と、所定周期で分極反転した誘電体結晶を有し、光パラメトリック発生によって前記レーザ光源からの光を波長変換して被測定ガスに応じた波長の光を発生させる波長変換手段と、を備えることを特徴とするガス測定用光源である。

本発明によれば、大気ガスの分析に使用される光を高出力化することが可能である。また、大気ガスの分析に使用される光の波長を高速に掃引することが可能である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は本発明のガス測定用光源の一実施形態を示した概略構成図である。本実施形態によるガス測定用光源１００は、外部共振型半導体レーザ１、バルク型波長変換素子２、及び波長フィルタ６、から構成されている。

外部共振型半導体レーザ１は、半導体素子１１と、第１のビーム整形素子１２と、第２のビーム整形素子１３と、反射手段１４と、波長フィルタ３と、を備えている。
半導体素子１１は、同一端面（１つの出射面１１ａ）から少なくとも互いに異なる２方向に光を出射するものであり、例えば、利得導波路型半導体レーザである。利得導波路型半導体レーザとは、レーザの活性層がｐ型半導体およびｎ型半導体との接合面に沿って５０μｍ〜４００μｍ程度の広い幅を持つものである。この利得導波路型半導体レーザは、駆動電流の増加に伴い活性層の両端部の屈折率が高くなるため、活性層自身が凹レンズとしての効果を持ち、出射光が異なる２方向に曲げられるという特性を持つ。
半導体素子１１としては、ブロードエリア型半導体レーザ素子（ＢＡＬＤ）が好ましく、特に本実施形態では発振波長域に９７６ｎｍを含むものが好ましい。例えば発振波長９７０〜９８０ｎｍのＢＡＬＤが好適に用いられる。本発明において好ましいブロードエリア型半導体レーザ（ＢＡＬＤ）は、利得導波路型半導体レーザであって、横（空間）モードがマルチモードであるレーザ光を発振する。

半導体素子１１から２方向に出射する光のうちの一方の出射光１８は、半導体素子１１の励起光となる外部共振用の光として利用される。すなわち、該一方の出射光１８は、第１のビーム整形素子１２および第２のビーム整形素子１３を順に通過することによって、半導体素子１１の中心軸１７に沿う平行ビームにコリメートされる。コリメートされた出射光１８は、波長フィルタ３を通った後に反射手段１４で反射され、反射されたビームは、再度、波長フィルタ３と第２のビーム整形素子１３と第１のビーム整形素子１２とを順に通過して、半導体素子１１に帰還し、半導体素子１１の励起光となる。
また、図示していないが、半導体素子１１の出射面１１ａ上には共振波長に対する反射防止膜を設けることが好ましい。本実施形態では波長９７６ｎｍの光の反射を防止する膜が設けられている。
他方の出射光１９は、第１のビーム整形素子１２および第２のビーム整形素子１３を順に通過することによって半導体素子１１の中心軸１７に沿う平行ビームにコリメートされ、更に波長フィルタ３を通って外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａとなる。

また、半導体素子１１において、前記出射面１１ａと対向する端面側には反射膜１１ｂが設けられている。したがって、半導体素子１１に帰還したレーザ光は、この反射膜１１ｂで反射されて再び出射面１１ａから出射される。
このとき、一方の出射光１８の光路を伝搬して帰還した光の大部分は、反射膜１１ｂで反射された後、再び該一方の出射光１８として出射されるが、一部は反射膜１１ｂで反射される前後に他方の出射光１９と結合し、該他方の出射光１９の光路を伝搬して出射される。
すなわち他方の出射光１９および外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａは、反射手段１４と反射膜１１ｂとの間での共振によって発振されるレーザ光である。
該反射膜１１ｂとしては、例えば誘電体多層膜フィルタや金属蒸着膜などを用いることができる。

第１および第２のビーム整形素子１２，１３は、半導体素子１１から２方向に出射される光１８，１９の両方の光路に跨って配置されている。
ここで、半導体素子１１から出射される２方向の出射光１８，１９の光軸の両方を含む面に垂直な方向を第一の方向（図１において紙面と垂直をなす方向）とし、半導体素子１１の中心軸１７方向を第三の方向とし、前記第一の方向と第三の方向に垂直な方向を第二の方向とする。
第１および第２のビーム整形素子１２，１３のうち、半導体素子１１に近い方の第１のビーム整形素子１２は、第一の方向に出射光を絞り込む作用を有するものであり、第２のビーム整形素子１３は、第一の方向と第二の方向の両方向に出射光を絞り込む作用を有するものである。かかる構成とすることにより、半導体素子１１から出射される２方向の出射光１８，１９を、共通の光学系（第１および第２のビーム整形素子１２，１３）で効率良くコリメートすることが可能となる。
たとえば、第１のビーム整形素子１２として、円筒形レンズよりなる速軸用コリメータ（以下、「ＦＡＣ」という場合がある。）を用い、第２のビーム整形素子１３として、球レンズよりなる遅軸用コリメータ（以下、「ＳＡＣ」という場合がある。）を用いることが好ましい。

反射手段１４としては、反射ミラーを用いることができる。該反射ミラーとしては、一方の出射光（外部共振用の光）１８が照射される領域にのみ鏡面状の反射面１５が形成されている、部分反射ミラーが好ましい。
かかる構成においては、反射面１５の形成領域を調整することにより、ビーム形状を調整することも可能である。反射面１５の形成領域の調整方法は、ダイシングにより非反射領域を削る方法でもよく、あるいは、反射面１５以外の領域に光吸収膜や反射防止膜などを形成する方法でもよい。

なお、反射手段１４において、反射面１５の形成領域に、特定波長光のみを選択的に反射するフィルタ膜を形成してもよい。かかる構成とすれば、共振器構造における波長選択性が高まり、結果的に、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａのスペクトル幅（線幅）がより狭窄化される。

かかる構成の外部共振型半導体レーザ１にあっては、半導体素子１１（反射膜１１ｂ）と反射手段１４（反射面１５）との間で外部共振器構造が構成されており、したがって、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａは横（空間）シングルモードのレーザ光となる。
ここで、本発明における「横（空間）シングルモードのレーザ光」とは、ニアフィールドパターンの測定により得られるビームプロファイルがシングルモードであるものをいう。

波長フィルタ３は、第２のビーム整形素子１３と反射手段１４の間の一方の出射光１８の光路、及び第２のビーム整形素子１３を通過後の他方の出射光１９の光路を跨ぐようにして設けられており、特定の波長のみを選択的に透過する機能を有している。外部共振型半導体レーザ１の発振波長（出射光１０ａの波長）は、この波長フィルタ３による波長の選択によって制御される。即ち、半導体素子１１の反射膜１１ｂと反射手段１４の反射面１５とによって構成された共振器内においては、半導体素子１１の出射光１８は、波長フィルタ３によって選択された波長のみが増幅されて発振に寄与することとなる。したがって、波長フィルタ３の選択波長を選ぶことにより、外部共振型半導体レーザ１の発振波長を制御することができる。波長フィルタ３の選択波長は、固定ではなく、大気ガスの分析時には所定の周波数、例えば１００Ｈｚで可変に動かせることが好ましい。また、波長フィルタ３によって選択される波長の帯域幅は、出射光１０ａのスペクトル線幅が１ｎｍ以下となることが好ましく、０．１ｎｍ以下となることがより好ましい。更に、出射光１０ａが縦シングルモードとなるようにすることが望ましい。なお、波長フィルタ３は、出射光１８の光路のみを跨ぐように設けてもよく、この場合にも上記と同様に、当該波長フィルタ３によって選択された波長のみが増幅されて発振することとなる。

波長フィルタ３としては、ファブリーペロー干渉系内の媒質に液晶を用い、電界の印加によって液晶の屈折率を変化させる液晶エタロンフィルタや、ファブリーペロー干渉系をエアギャップ（空気層）で構成し、ピエゾ素子を用いてエアギャップ長を変化させるピエゾ駆動型エアギャップエタロンフィルタ等を用いることができる。

図２は、液晶エタロンフィルタの概略構成図である。液晶エタロンフィルタ３ａは、石英ガラス３２の一方の面に透明電極３３を形成するとともに他方の面に反射防止膜３５を形成し、透明電極３３の石英ガラス３２と反対の面に反射膜３４を形成してなる第１部材と、同様の構成の第２部材とを互いの反射膜３４が対向するようにして正確に平行に向かい合わせ、その間隙に所定の液晶材料からなる液晶層３１を設けた構成を有する。一方の反射防止膜３５の側から液晶エタロンフィルタ３ａに入射した光は、２つの反射膜３４の間を多重反射して液晶層３１の部分でファブリーペロー干渉を起こす。この結果、液晶材料の屈折率に応じて決まる波長の光のみが干渉により強め合い、他方の反射防止膜３５の側から出射される。これにより、液晶エタロンフィルタ３ａは、液晶材料の屈折率に応じて決まる波長の光のみを透過させる波長フィルタとして機能することになる。液晶材料の屈折率は、透明電極３３により電界を発生させ液晶層３１へ印加することで制御可能である。一般に、液晶材料の応答速度は８ｍｓ程度であるので、液晶材料の屈折率を例えば周波数１００Ｈｚで可変に制御することができる。

なお、ピエゾ駆動型エアギャップエタロンフィルタを用いた場合にも、ピエゾ素子の駆動により、エアギャップ長に応じた波長の光のみが選択的に透過する。ピエゾ素子の駆動周波数は、液晶エタロンフィルタ３ａと同程度の周波数とすることができる。

波長フィルタ３を通過した外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａは、バルク型波長変換素子２に入射される。
バルク型波長変換素子２は、強誘電体結晶からなるバルクの素子であり、その内部は、所定の方向に沿って結晶の分極方向が一定の周期で反転している構造を有する。バルク型波長変換素子２に周波数ωｐの光を入射すると、ωｐ＝ωｓ＋ωｉを満たす周波数ωｓのシグナル光と周波数ωｉのアイドラー光が発生する。バルク型波長変換素子２の温度を変えることによって、シグナル光とアイドラー光の周波数を変化させることができる（光パラメトリック発生）。このように、バルク型波長変換素子２は、外部共振型半導体レーザ１からの出射光１０ａを光パラメトリック発生によって波長変換し、シグナル光とアイドラー光を含んだ光１０ｂを出射する。本実施形態では、波長９７６ｎｍの入力光に対して波長３．４μｍのシグナル光が発生するように、バルク型波長変換素子２の各パラメータ（分極反転周期、温度）を設定する。バルク型波長変換素子２として、具体的には、ＭｇＯドープＬＮ（ニオブ酸リチウム）に周期的にドメイン反転させてなるＰＰＬＮが好適に用いられる。

バルク型波長変換素子２は上記のとおり分極反転の周期が一定であり、このバルク型波長変換素子２を用いて光パラメトリック発生を行うので、光パラメトリック発生における相互作用長は結晶中の分極反転部分の全長とほぼ等しく、高い変換効率を得ることができる。そのため、シグナル光（出射光１０ｃ）の高出力化が可能である。

なお、図示していないが、バルク型波長変換素子２からの出射光１０ｂを平行光としてコリメートするため、バルク型波長変換素子２の前後に適宜レンズを挿入してもよい。

バルク型波長変換素子２からの出射光１０ｂは、波長フィルタ６に入射される。波長フィルタ６は、バルク型波長変換素子２から出射される出射光１０ｂのうちシグナル光（本実施形態では波長３．４μｍの光）を透過するように構成される。
これにより、波長フィルタ６からは、大気ガスの分析に使用される中赤外波長帯の出射光１０ｃが出力される。

本実施形態のガス測定用光源１００にあっては、半導体素子１１を作動させると、外部共振器半導体レーザ１から、波長９７６ｎｍの出射光１０ａが出射される。出射光１０ａの波長は、液晶エタロンフィルタ３ａにおける液晶に印加する電界を制御することで、可変とすることができる。この出射光１０ａがバルク型波長変換素子２に入射され、光パラメトリック発生によって波長変換されて、波長３．４μｍの出射光１０ｃがガス測定用光源１００の出力として得られる。

図３は、本発明のガス測定装置及びガス測定方法の一実施形態を示した概略図である。本実施形態によるガス測定装置は、ガス測定用光源１００と、光出射部２００と、ガス測定用光源１００と光出射部２００とを接続した光ファイバ３００と、受光部４００と、解析部５００と、を含んで構成される。

ガス測定用光源１００からの出力光は、光ファイバ３００に導入され、光出射部２００から受光部４００へ向けて出射される。本実施形態では、光出射部２００と受光部４００は、道路６００上の所定の高さを光が横切るようにして配置される。このとき、光出射部２００からの出射光が拡散しないよう、ビーム径を例えば１ｍｍ程度にコリメートすることが好ましい。

ここで、ガス測定用光源１００の液晶エタロンフィルタ３ａにおいて、液晶層３１へ周期的に変化する電界を印加することにより、図４に示すように、ガス測定用光源１００の出力光波長を被測定ガス（ＮＯｘ等）の吸収線波長を中心として例えば幅４ｎｍ程度で周期的に掃引させる。掃引の周波数は例えば１００Ｈｚとする。このとき、出力光を掃引する際の中心波長が被測定ガスの吸収線波長と合うように、バルク型波長変換素子２の温度を制御する。半導体素子１１にブロードエリア型半導体レーザ素子（ＢＡＬＤ）を用いた場合、ＢＡＬＤのゲインは１０ｎｍ程度の波長幅を有するので、上記のような波長掃引は問題なく行える。なお、被測定ガスの種類によって、吸収線波長は２〜６μｍの中赤外波長帯に及ぶので、被測定ガスに応じたゲイン波長を有するＢＡＬＤを適宜選択してガス測定用光源１００を構成する必要がある。また、吸収線波長に応じた分極周期を持ったバルク型波長変換素子２（ＰＰＬＮ）を適宜選択して、ガス測定用光源１００を構成してもよい。

このように波長を掃引すると、光出射部２００から出射された光が光路中の被測定ガスに吸収されることにより、波長の掃引に合わせて被測定ガスによる吸収量も周期的に変化し、受光部４００で受光される光の強度も同様に周期的に変化することになる。受光部４００は、この周期的に変化する光強度に応じた電流値を出力する。図５に受光部４００の出力信号の例を示す。被測定ガスの濃度と受光部４００の出力信号の振幅値との関係は、予め濃度が既知である各種の被測定ガスについて測定を行ってデータベース化しておく。図６に、あるＮＯｘに関するデータベースの一例を示す。このデータベースによれば、例えば振幅値が７０ｍＡの場合、このＮＯｘの濃度は２．４ｐｐｍであることが分かる。解析部５００は、このデータベースを参照して、受光部４００の出力信号の振幅値から被測定ガスの濃度を求める。

半導体素子１１は、利得導波路型半導体レーザ素子からなる発振波長９７５〜９７９ｎｍのＢＡＬＤを用いた。その最大出力パワーは、２Ｗである。
第１のビーム整形素子１２としては、直径１２５μｍ、屈折率１．４５、焦点距離０．０８ｍｍの円筒形レンズ（光ファイバ片）からなるＦＡＣを用いた。
第２のビーム整形素子１３としては、焦点距離２０ｍｍの軸対象球面レンズからなるＳＡＣを用いた。
反射手段１４としては、縦３ｍｍ×横３ｍｍの領域を鏡面仕上げした反射ミラーを用いた。

液晶エタロンフィルタ３ａの作製方法は次のとおりである。サイズが２×２×０．１ｃｍのガラスプレート（石英ガラス３２）の片面に反射防止膜３５を形成し、もう一方の面にＩＴＯ電極（透明電極３３）を形成し、ＩＴＯ電極の上に反射率８０〜９９．５％の反射膜３４を形成して第１部材とする。同様に第２部材を作る。第１部材と第２部材を互いの反射膜３４が対向するように正確に平行に向き合わせ、そのギャップを１５〜１００μｍとする。このギャップにネマティック液晶を注入すると、液晶エタロンフィルタ３ａが完成する。

外部共振型半導体レーザ１からの出力光を、ＭｇＯドープＬＮ（ニオブ酸リチウム）のドメインを周期的に反転させてなるＰＰＬＮ（バルク型波長変換素子２）に入射した。ＰＰＬＮの温度は、波長３．４μｍ付近のシグナル光が発生するように温度制御を行った。また、シグナル光のパワーをモニタしてその値が一定となるように外部共振型半導体レーザ１の出力光パワーを制御した。ＰＰＬＮへの入力光パワーと光パラメトリック発生により発生した中赤外のシグナル光（出射光１０ｃ）のパワーとの関係を測定した結果を図７に示す。シグナル光が発生する閾値は１００ｍＷであり、２５０ｍＷの入力光パワーで２０ｍＷのシグナル光パワーが得られた。また、液晶エタロンフィルタ３ａのＩＴＯ電極へ印加する電圧を変えた際に得られるシグナル光の波長を測定した結果を図８に示す。ＩＴＯ電極への印加電圧を０．２Ｖ程度の幅で振ることで、シグナル光の波長を３．４μｍ付近で４ｎｍ変化させることができた。なお、このとき外部共振型半導体レーザ１の出力光波長は、９７６〜９７９ｎｍの範囲で変化した。印加電圧を上述したように周波数１００Ｈｚで変化させ、シグナル光の波長をＮＯｘの吸収波長である３．４６μｍを中心として幅４ｎｍで掃引することで、図５のような受光部４００からの出力信号が得られる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

本発明のガス測定用光源の一実施形態を示した概略構成図である。 液晶エタロンフィルタの概略構成図である。 本発明のガス測定装置及びガス測定方法の一実施形態を示した概略図である。 ガス測定用光源の出力光波長を被測定ガスの吸収線波長を中心として周期的に掃引させた様子を示す図である。 波長を掃引して測定を行った際の受光部の出力信号の例を示す図である。 被測定ガスの濃度と受光部の出力信号の振幅値との関係を表すデータベースの一例を示す図である。 ＰＰＬＮへの入力光パワーと光パラメトリック発生により発生した中赤外のシグナル光のパワーとの関係を測定した結果を示す図である。 液晶エタロンフィルタのＩＴＯ電極へ印加する電圧を変えた際に得られるシグナル光の波長を測定した結果を示す図である。

符号の説明

１…外部共振型半導体レーザ ２…バルク型波長変換素子 ３…波長フィルタ ３ａ…液晶エタロンフィルタ ６…波長フィルタ １１…半導体素子 １２…第１のビーム整形素子 １３…第２のビーム整形素子 １４…反射手段 ３１…液晶層 ３２…石英ガラス ３３…透明電極 ３４…反射膜 ３５…反射防止膜 １００…ガス測定用光源 ２００…光出射部 ３００…光ファイバ ４００…受光部 ５００…解析部

Claims (12)

1. 被測定ガスの吸収線波長を含む波長の光を出射し、該光の吸収量から前記被測定ガスの濃度を測定するガス測定装置であって、
   レーザ光源と、
   一定周期で分極反転した誘電体結晶を有し、光パラメトリック発生によって前記レーザ光源からの光を波長変換して被測定ガスに応じた波長の光を発生させる波長変換手段と、
   を備えることを特徴とするガス測定装置。
2. 前記レーザ光源は、外部共振器型のレーザ光源であって該外部共振器内に発振波長を可変に制御する波長可変手段を有し、
   前記波長可変手段は、発振波長の制御により、前記波長変換手段からの出力光の波長を被測定ガスの吸収線波長の周りに掃引し、
   前記波長が掃引された出力光を受光し、その受光強度の周期的変化の振幅に基づいて被測定ガスの濃度を測定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス測定装置。
3. 前記波長可変手段は、印加電界に応じて屈折率が変化する液晶と、該液晶に電界を印加する電極と、前記液晶を挟んで対向して配置された反射鏡と、を有する波長フィルタであることを特徴とする請求項２に記載のガス測定装置。
4. 前記レーザ光源は、ブロードエリア型の半導体レーザ素子を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１の項に記載のガス測定装置。
5. 前記波長変換手段は、波長２〜６μｍの中赤外波長帯の光を発生させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１の項に記載のガス測定装置。
6. レーザ光源からの光を所定周期で分極反転した誘電体結晶に入力して光パラメトリック発生により被測定ガスの吸収線波長を含む波長に波長変換し、
   前記波長変換された光を被測定ガス中に透過させて透過後の光の吸収量から前記被測定ガスの濃度を測定する
   ことを特徴とするガス測定方法。
7. 前記レーザ光源は、外部共振器内に発振波長を可変に制御する手段を有する外部共振器型のレーザ光源であり、
   前記レーザ光源の発振波長を制御して前記波長変換された光の波長を被測定ガスの吸収線波長の周りに掃引し、
   前記波長が掃引された出力光を受光し、その受光強度の周期的変化の振幅に基づいて被測定ガスの濃度を測定する
   ことを特徴とする請求項６に記載のガス測定方法。
8. 前記レーザ光源は、ブロードエリア型の半導体レーザ素子を有することを特徴とする請求項６又は７に記載のガス測定方法。
9. 被測定ガスの吸収線波長を含む波長の光を出射するガス測定用光源であって、
   レーザ光源と、
   所定周期で分極反転した誘電体結晶を有し、光パラメトリック発生によって前記レーザ光源からの光を波長変換して被測定ガスに応じた波長の光を発生させる波長変換手段と、
   を備えることを特徴とするガス測定用光源。
10. 前記レーザ光源は、外部共振器型のレーザ光源であって該外部共振器内に発振波長を可変に制御する波長可変手段を有し、
    前記波長可変手段は、発振波長の制御により、前記波長変換手段からの出力光の波長を被測定ガスの吸収線波長の周りに掃引する
    ことを特徴とする請求項９に記載のガス測定用光源。
11. 前記波長可変手段は、印加電界に応じて屈折率が変化する液晶と、該液晶に電界を印加する電極と、前記液晶を挟んで対向して配置された反射鏡と、を有する波長フィルタであることを特徴とする請求項１０に記載のガス測定用光源。
12. 前記レーザ光源は、ブロードエリア型の半導体レーザ素子を有することを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１の項に記載のガス測定用光源。

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