JP2009515159A - レーザ放射源 - Google Patents

Abstract

開放通路式ガス検出器用の送信器ユニットを記載する。このユニットは、窓１６を有するエンクロージャ１４、及び、エンクロージャ内に配置され、放射ビームを窓を通して方向付けるように構成された、たとえば同調可能なレーザ・ダイオード送信器など干渉性放射線送信器１０を備える。窓は、窓に直接入射される送信器からの放射線が窓によって直接送信器に全く反射されないように、送信器によって出射されるビームの軸に対して傾斜される。それによって、出射された放射線内の干渉縞が低減される。別法として、窓をレンズに置き換え、レンズに開口が後続し、送信器によって出射されるビームが開口に集束されて、エンクロージャの外に通過する放射ビームが形成されるようにすることができる。

Description

本発明は光源としてのレーザの使用に関する。本明細書で使用されるように、用語「光」は、可視又は不可視にかかわらず電磁放射線を包含し、具体的には赤外線域の放射線を含む。本発明は、ガスを検出するための開放通路式ガス検出器のこうしたレーザの使用にも関する。この検出器は、レーザを含み監視される空間内の通路を横切る放射ビームを送信する送信器ユニット、及び空間を通過する放射線を検出する検出ユニットも備える。用語「開放通路式検出器」は、通路の長さに関係なく、通路が大気状態に開放されているか、かつ／又は閉鎖されているかどうかに関係なく、ガス検出器を包含するものとして使用される。

炭化水素ガスの検出での非分散性赤外分光学の使用は確立された用法である。それは本質的に、監視される領域内の通路に沿った赤外線の送信であり、赤外線の波長は、赤外線が監視される領域の大気中の対象のガス（以後「対象ガス」と呼ぶ）には吸収されるが、他のガスには実質的に吸収されないように選択される。戸外で監視する場合、理想的には、波長が液体又はガス状の水（たとえば、湿気、結露、霧、雨、又は噴霧など）によって吸収されてはならない。監視される領域内の通路に沿って通過した放射線の強度が測定され、放射線の強度の減衰によって監視領域内の対象ガスの量が測定される。

周知のように、ポイント・ガス検出器を使用して大気中の有毒ガスの存在が監視される。ポイント・ガス検出器は、電気化学的でも光学的なものでもよい。（本明細書の文脈における用語「有毒」ガスは、たとえば酸素、窒素など大気中に一般に見られるガスではなく、硫化水素、フッ化水素、アンモニア、亜硫酸、二酸化炭素、及び一酸化炭素などのガス又は蒸気を指す。）ポイント・ガス検出器の設置では、広域を監視する場合に問題が生じる。なぜなら、領域中に多数の検出器を配置するのはコスト高になるためである。さらに、検出器の間に対象ガスが溜まっても、それが検出されないであろう。１メートルを超える長さ、通常は少なくとも１０ｍの通路を有する開放通路式検出器では、単一の器具ではるかに広域を監視することができるようになる。

最近は、非常に狭い波長に同調して対象ガスの特性吸収波長を検出することができる同調可能なダイオード・レーザ（ＧＢ−２３５３５９１を参照）が手ごろな値段で入手しやすくなっているため、開放通路式ガス検出器の使用がより魅力的になっている。しかし、検出しなければならない有毒ガスのレベルは低く、通常は５ｐｐｍ（１００万分の１）であり、たとえば１ｐｐｍなど、さらに低いこともある。こうした低レベルでは、検出器の信号雑音が対象ガスの信号よりも大きい可能性があり、そのためこうした低レベルの有毒対象ガスの検出が非常に難しくなっている。さらに、信号が、長期にわたる電子又は光学構成要素のドリフト、温度変化、及び／又は大気の状態などのために識別できなくなることがある。また、同調可能なレーザ・ダイオードからのコヒーレント・レーザ照射を使用すると、明と暗の縞の間の放射強度の変化が、低レベルの対象ガスが存在する場合に発生する信号をはるかに超える干渉縞の問題が生じる。

干渉縞の１つの特定の原因は、同じ光学系内でのレーザ・ダイオードによって送信される主ビームと同じビームの迷反射の干渉の結果として生じる。非常に弱い反射でも、対象ガスによって生成される信号にまさる明と暗の縞の差を有する縞が生成される可能性がある。こうした干渉縞はレーザ光源を使用する測定の信頼性を実質的に制限するものである。

レーザ・ダイオードを使用する場合は、湿度及び大気汚染によってレーザの寿命が実質的に短縮されるため、レーザを外部環境から気密密閉された小さいエンクロージャ内に密閉する必要がある。レーザを含む（「パッケージ」と呼ばれることが多い）エンクロージャ又はキャップは、レーザによって出射される光の一部を反射する可能性があり、上記のように、この反射光が最終的に干渉縞になる恐れがある。

図１を参照すると、通常の同調可能なレーザ・ダイオード・パッケージ１が示されている。レーザ・ダイオード・パッケージ１は、レーザによって出力される放射波長が温度に依存するために非常に狭い温度範囲にレーザを保持するＴＥＣ温度安定器１２上に取り付けられたレーザ１０を備える。レーザ及び温度安定器は、レーザによって出射される放射ビーム１８をその所望の通路に沿った方向に向けることができるようにする窓１６を有するキャップ又はエンクロージャ１４内に保持される。大部分の放射線は窓１６を通過するが、出力のほんの一部がキャップの内部を照明し、キャップ内に散乱されて、レーザによって出射される放射ビーム１８内に干渉縞が発生する。さらに、干渉の他の原因が窓から反射される光であることが判明した。それが窓を超えた位置２０に位置付けられた干渉性放射の弱い源であると考えることができる。やはりこの反射も、出射されたビーム１８内に干渉縞を発生させる。窓に塗布した抗反射被覆の使用によって、窓１６から反射される放射量を減少させることができるが、これはこの干渉源を完全に除去するものではない。

したがって、多くの有毒ガス、すなわち対象ガスのレベルが１０ｐｐｍなど弱い吸収を示すガス用の低コストの開放通路式検出器が今まで不可能であった。

本発明により、
窓を有するエンクロージャと、
エンクロージャ内に配置され、窓を通る放射ビームを検出するように構成された、たとえば同調可能なレーザ・ダイオード送信器など干渉性放射線送信器とを備え、
送信器及び窓が、窓に直接入射される送信器からの放射が窓によって直接送信器に全く反射されないように構成される、開放通路式ガス検出器用の送信器を提供する。

窓はビームの方向に対して傾斜してもよく、たとえば、窓はビームの軸に対して角度３０〜６０°、たとえば約４５°傾斜してもよい。ダイオード・レーザの出力が全般的に偏光された平面であると考えると、ブルースター角（通常、一般の屈折率１．５のガラスでは約５７°）に近い角度を選択することによって表面からの反射を最小限に抑えることができる。窓の方向がレーザ出力の偏光面に対して正確に選択されれば、それによって窓の通過を最大に（結束に近づくように）することができる。しかし、この技法で反射を完全に除去するのは不可能である。なぜなら、窓を通過する様々な角度が常に存在し、正確にブルースター角で窓に入射する光だけが全く反射せずに送られ、それよりも僅かに小さい、又は大きい角度では表面で幾らかの反射が生じるからである。角度は、ビームのひずみを招く可能性があるために大きすぎないことが好ましい。以下でより詳細に説明するように、角度が小さくなるに従って、窓に送信器の反射によって生じる干渉縞を回避するために、送信器を窓から離して配置しなければならないが、それによってビームが細くなりすぎる結果を招くことがある。ビームの幅を大きくするため、送信器をシールドの背後に配置することができる。シールドは、放射線送信器の波長に対して不透明であり、エンクロージャの前部の一部の外に通過する放射線を遮断するように配置される。

ビームを形成又は送信する必要のないエンクロージャの内面は、散乱放射線を吸収する無光沢黒である。用語「無光沢黒」は、表面に向けられた入射光の最少量を反射する表面を指し、さらに、こうした反射が生じた場合は、鏡の表面に適用される正常な反射の法則に従う角度ではない広範な角度に拡散される。

本発明の第２の実施例により、放射ビームを送信するように構成された開放通路式ガス検出器用の送信器ユニットであって、
エンクロージャの内部と外部の間の光路を提供する開口を有するエンクロージャと、
エンクロージャ内に配置された、たとえば同調可能なレーザ・ダイオード送信器など干渉性放射線送信器と、
送信器によって出射された放射線を受け、それを開口に集束することによって、エンクロージャの外に通過する放射ビームを形成するように構成された、エンクロージャ内に配置された光学装置とを備える、送信器ユニットを提供する。開口の径は、送信器からの放射ビームが実質的に全て光学装置によって収集され、開口を通るように方向付けられて、エンクロージャの内面に当たって干渉縞を生成する放射線が実質的に存在しないように有益に選択される。径が小さくなるに従って、エンクロージャの外部からの迷走放射線が開口を通ってエンクロージャに入ることによって干渉が生じる可能性が小さくなる。通常、径は２００μｍ未満であり、たとえば約５０μｍなど１００μｍ未満であるが、光学装置の品質及び開口と光学装置の正確な位置合せが可能な場合は、より小さい径を提供することができる。

光学装置はレンズ又は鏡でもよい。

この構成は２つの実質的な利点がある。第１に、放射源によって生成される放射線がレーザ内の内側壁に全く入射されないため、干渉を起こす恐れのある反射がない。

さらに、レンズの使用により、レーザ・パッケージによって出射されるビームの発散角を変更することができるようになり、それによってレーザ出力の外部光学系への結合を向上させることができる。

次に、添付の図面を参照して、単なる一例として本発明の２つの態様による実施例を記載する。

図２を参照すると、図１のパッケージと同様であるが、ＴＥＣ温度安定器が省かれ、エンクロージャ３４の前部だけが示されている、パッケージ２が示されている。エンクロージャの前部は、エンクロージャ３４をベースに連結してエンクロージャ３４内の空間を密閉することができるようにするコネクタ３５を有する。

エンクロージャ又はキャップ３４は、レーザ３０によって出射される放射ビーム３８を所望の通路に沿った方向に向けることができるようにする窓３６を有する。窓は、ビームの軸３９に対して約４５°の角度αに存在する。レーザ・ダイオード３０は、窓３６に対して垂直でない位置に配置される。こうした垂直の１つが参照番号４０で示されている。これは、窓３６に直接入射されるダイオードからの放射線が窓によって送信器に全く反射されず、干渉が生じないことを指す。換言すれば、窓に反射される送信器の像が窓を通して送信されるビーム３８内に全く存在せず、干渉が生じない。

図２で示した構成では、長いエンクロージャ缶３４がこの条件を満たす必要があり、通常のレーザ・エンクロージャ（たとえばＴＯ５サイズの缶）のサイズでは長さは概ね１５ｍｍである。

図３に代替構成が示されている。図２に関連して使用されたものと同じ参照番号が図３で同じ特徴を示すために使用される。図３の場合、エンクロージャ３４の前部の一部が不透明な無光沢黒のシールド４２によって覆われて、送信器３０はまだ窓３６に対する直交線４０を超えたところに配置されている。シールド４２のために、エンクロージャ缶３４を（おそらく１１又は１２ｍｍ）短く作成することができる。図３のより短いバージョンは、図２のより長いバージョンと比較して僅かに広い幅のビーム３８も提供する。しかし、これには、放射線がシールドから反射されて干渉が生じる可能性がある図２以上の欠点があるが、シールドの無光沢黒の表面が放射線を吸収するため、こうした反射が低減される。

本発明の第２の態様は、窓１６がレンズ５２に置き換えられている以外は、図１の構成に基づくものである。このレンズは、レーザ５０の内部の像をレンズのすぐ前の領域に投影するものである。追加のキャップ５６はパッケージ５４の外部に正確に位置付けられる（複合物又は２区画パッケージを作成する）。この外部キャップは（約５０ミクロンの）小さい穴５８をキャップ内に有し、穴５８はレンズによって形成されるレーザの像が穴５８内に存在するように正確に位置付けられる。レンズ５２が小さければ、像はレーザと非常に正確に結合し、像のゆがみ（ぶれ）が非常に小さいであろう。より複雑な（非球面の）レンズ設計を使用すると、作成される像の品質をさらに向上することができ、より小さい開口５８が可能になり、主エンクロージャ５４内の迷光がより良好に容易に除去される。

図４の構成では、レーザ５０によるエンクロージャ５４の内部の内部照明は穴５８に集束されないため、パッケージによって出射されるビーム６０に干渉縞が発生しない。やはり（器具のエンクロージャの主本体又は外部光学系を除く）開口を超える反射面が存在しない。

図４の手法は２つのさらなる利点を有する。第１に、幾つかのタイプのダイオード・レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋレーザ又はＤＦＢ）を使用する場合、レーザの設計では通常、レーザ自体の背後の領域を直接照明するレーザの後部からの出射が行われる。この後部出射は干渉縞を生成する可能性がある。本明細書に記載されるように、レンズ５２及びピン穴５８の使用によって、開放通路式ガス検出器の外部光学系によるこの後部出射に結合される範囲が有効に制限される。

第２に、レンズの使用によって、出力ビーム６０の発散を変更することができるようになる。これは、物体／像距離（すなわち、レーザ５０からレンズ５２までの距離、及びレンズ５２からピン穴５８のレーザの像までの距離）の比率を変えることによって行われる。それによって、レーザ出力の外部光学系への結合を向上させ、又は必要とされる外部光学系を単純化し、或いはそのサイズを縮小することができるようになる。

図４の構成では、ピン穴５８を有する外部キャップ５６は、主エンクロージャ５４に対して正確な位置に配置され固定されなければならない。この操作には、ピン穴５８とレーザの像との正確な位置合せが必要である。この操作に必要な正確さは、ピン穴５８の径の約１０％以上の可能性が高いが、この正確さでの位置合せ及び固定は、（たとえば従来の低コストのマイクロメータ調整機器を使用して）開放通路式ガス検出器の分野で普通に行われている。

エンクロージャの一部が切欠き図である、従来技術のレーザ・ダイオード・パッケージを示す側面図である。 エンクロージャの一部が切欠き図である、本発明の第１の態様によるレーザ・ダイオード・パッケージを示す側面図である。 図２で示したレーザ・ダイオード・パッケージの変形形態を示す側面図である。 エンクロージャの一部が切欠き図である、本発明の第２の態様によるレーザ・ダイオード・パッケージを示す側面図である。

Claims (10)

1. 開放通路式ガス検出器用の送信器ユニットであって、
   窓（１６）を有するエンクロージャ（１４）と、
   前記エンクロージャ内に配置され、放射光を前記窓を通して方向付けるように構成された、たとえば同調可能なレーザ・ダイオード送信器など干渉性放射線送信器（１０）とを備え、
   前記送信器及び前記窓が、前記窓に直接入射される前記送信器からの放射線が前記窓によって直接前記送信器に全く反射されないように構成される送信器。
2. 前記窓が前記ビームの方向に対して傾斜される、請求項１に記載の送信器。
3. 前記窓が前記ビームの軸に対して角度３０〜６０°傾斜される、請求項２に記載の送信器。
4. 前記エンクロージャが前記窓を含む前部を備え、
   前記送信器が、前記放射線送信器の波長に対して不透明であり、前記エンクロージャの前記前部の一部の外に通過する放射線を遮断するように配置されたシールドを備え、前記送信器が前記シールドの後ろに配置される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の送信器。
5. 前記ビームを形成又は送信する必要のない前記エンクロージャの内面が無光沢黒である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の送信器。
6. 放射ビームを送信するように構成された開放通路式ガス検出器用の送信器ユニットであって、
   エンクロージャの内部と外部の間の光路を提供する開口（５８）を有するエンクロージャ（５４）と、
   前記エンクロージャ内に配置された、たとえば同調可能なレーザ・ダイオード送信器など干渉性放射線（５０）の送信器と、
   前記送信器によって出射される放射線を受け、それを前記開口に集束することによって、前記エンクロージャの外に通過する放射ビームを形成するように構成された、前記エンクロージャ内に配置された光学装置とを備える送信器。
7. 前記開口の径が２００μｍ未満、たとえば約５０μｍなど１００μｍ未満である、請求項６に記載の送信器。
8. 前記光学装置がレンズ又は鏡である、請求項６又は請求項７に記載の送信器ユニット。
9. 前記光学装置がレンズである、請求項６又は請求項７に記載の送信器ユニット。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の送信器ユニットを備える開放通路式ガス検出器。

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