JP2011108930A - 半導体レーザ素子を用いたレーザ式ガス分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ素子の素子温度を常時、所定の狭い温度域に維持することができるガス分析装置を提供する。
【解決手段】ヒータ１８により半導体レーザ素子１２の周囲温度をその素子に対して設定されている動作温度域よりも高く維持しながら、温度センサ１４により得られる半導体レーザ素子１２の素子温度の測定値に基づいて、ペルチェ素子１３により半導体レーザ素子１２を常に冷却し、素子温度を動作温度域に維持する。このような温度制御であれば、実回路でのリレー等の切り替え動作が不要であり、切り替えに伴う待ち時間が生じないため、素子温度を常に連続的に制御することができ、素子温度を常時、所定の狭い温度域に維持することができる。従って、レーザ光の発光強度と波長が安定し、レーザ式ガス分析装置の分析精度が高まる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源に半導体レーザ素子を用いたレーザ式ガス分析装置に関する。

分析対象のガスにレーザ光を照射し、それにより得られるスペクトル等に基づいてガスの分析を行うレーザ式ガス分析装置では、レーザ光源として半導体レーザ素子が広く用いられている。そのようなレーザ式ガス分析装置の分析精度を高めるためには、半導体レーザ素子から発せられるレーザ光の発光強度と波長を安定化させることが重要である。

半導体レーザ素子から発せられるレーザ光の発光強度と波長は半導体レーザ素子の素子温度に依存するため、従来よりペルチェ素子等の温度調節手段を用いて半導体レーザ素子の加熱及び冷却を適宜行い、素子温度を所定の温度域に維持することが行われている（特許文献１参照）。

図５に半導体レーザ素子を用いた従来のレーザ式ガス分析装置の光源部２０の概略構成を示す。光源部２０の筐体部２６内の底部には台座部２１が設けられており、その上面に半導体レーザ素子２２が固定されている。半導体レーザ素子２２の下面にはペルチェ素子２３及び温度センサ２４が接しており、各電子部品は制御部２５により制御される。制御部２５は各電子部品の駆動回路、ＣＰＵ、メモリ等を備え、メモリには半導体レーザ素子２２が所定波長のレーザ光を効率よく発振することができる温度である設定温度、ペルチェ素子２３に流す電流の大きさに対応した加熱制御値及び冷却制御値が記憶されている。筐体部２６には窓２７が設けられており、半導体レーザ素子２２から発せられたレーザ光は窓２７から出射し、分析対象のガスに照射される。

図６に従来のレーザ式ガス分析装置における半導体レーザ素子２２の温度制御処理に関するフローチャートの一例を示す。制御部２５はこの図に示す温度制御処理を所定時間毎に繰り返し実行する。この温度制御処理では、まず、温度センサ２４により半導体レーザ素子２２の素子温度を測定する（ステップＳ２１）。次に、測定された素子温度とメモリに記憶されている設定温度を比較する（ステップＳ２２）。ここで、測定された素子温度の方が高い場合、ペルチェ素子２３による加熱動作を弱めるべきか冷却動作を強める（又は開始する）べきかを判断し（ステップＳ２３）、前者であれば加熱制御値を小さくし（ステップＳ２５）、後者であれば冷却制御値を大きくする（ステップＳ２６）。
逆に、測定された素子温度の方が設定温度よりも低い場合には、ペルチェ素子２３による加熱動作を強める（又は開始する）べきか冷却動作を弱めるべきかを判断し（ステップＳ２４）、前者であれば加熱制御値を大きくし（ステップＳ２７）、後者であれば冷却制御値を小さくする（ステップＳ２８）。

次に、ステップＳ２５〜Ｓ２８による加熱制御値又は冷却制御値の変更が、ペルチェ素子２３の加熱・冷却動作を前回の温度制御処理と逆にする（つまり加熱から冷却、又は冷却から加熱に切り替える）ものであるのか、前回と同じにする（つまり加熱又は冷却を維持する）ものであるのかを判断する（ステップＳ２９）。
上記変更が加熱と冷却を切り替えるものである場合には、まず、実回路であるペルチェ素子駆動回路の中の機械式のリレー等を切り替える（ステップＳ３０）。これにより、ペルチェ素子２３に逆向きの電流を流すことが可能になるが、実際にはリレー等の動作が完了するまでに数m秒程度の遅延時間が生じるため、その切り替え動作に要する時間（例えば数m秒程度）が経過してから（ステップＳ３１）、ステップＳ２５〜Ｓ２８で設定された制御値に応じた電流がペルチェ素子２３に流れる（ステップＳ３２）。
一方、上記変更が加熱と冷却を切り替えずに加熱又は冷却を維持するものである場合には、実回路での切り替え動作が不要であるため、ステップＳ３０、Ｓ３１の処理は行われずに、ステップＳ２５〜Ｓ２８で設定された制御値に応じた電流がペルチェ素子２３に流れる（ステップＳ３２）。

特開2001-15819号公報

レーザ式ガス分析装置においてレーザ光の発光強度と波長を安定化させるためには半導体レーザ素子２２の素子温度を狭い温度域（例えば±0.015℃）に維持することが望ましく、そのためには、図６に示した温度制御処理を短い周期で（例えば1m秒毎に）実行することが望ましい。しかし、上述したとおり、ペルチェ素子２３の加熱・冷却動作を切り替えるときには、実回路のリレー等の切り換え動作に数m秒程度の時間が掛かるため、その間には半導体レーザ素子２２の温度を制御することができず、素子温度を常時±0.015℃程度の狭い温度域に維持することが容易でない。なお、このような問題は温度調節手段にペルチェ素子を用いる場合に限らず、加熱と冷却の切り替えが指示されてから実際に切替後の加熱又は冷却が開始されるまでにタイムラグが生じる他の温度調節手段を用いる場合にも起こりうるものである。

本発明は以上のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、半導体レーザ素子の素子温度を常時、所定の狭い温度域に維持することができるガス分析装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るレーザ式ガス分析装置は、
a)レーザ光を発する半導体レーザ素子と、
b)前記半導体レーザ素子の周囲温度を、該半導体レーザ素子に対して設定されている動作温度域と重複しない周囲温度域で維持するための周囲温度維持手段と、
c)前記半導体レーザ素子の素子温度を測定する温度センサと、
d)前記半導体レーザ素子の素子温度を、前記周囲温度維持手段により維持された周囲温度域側から前記動作温度域側に向かう方向に変化させるための素子温度変更手段と、
e)前記半導体レーザ素子の素子温度が前記動作温度域に維持されるように、前記温度センサにより得られた測定値に基づいて前記素子温度変更手段を制御する素子温度制御手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係るレーザ式ガス分析装置によれば、周囲温度維持手段により半導体レーザ素子の周囲温度をその素子に対して設定されている動作温度域と重複しない周囲温度域に維持しながら、温度センサにより得られる半導体レーザ素子の素子温度の測定値に基づいて、素子温度変更手段により素子温度を周囲温度域側から動作温度域側に向かう方向に適宜変化させ、それにより素子温度を動作温度域に維持する。つまり、半導体レーザ素子の周囲温度を動作温度域よりも高く維持する場合には半導体レーザ素子を常に冷却し、半導体レーザ素子の周囲温度を動作温度域よりも低く維持する場合には半導体レーザ素子を常に加熱して、素子温度を動作温度域に維持する。このような温度制御であれば、実回路でのリレー等の切り替え動作が不要であり、切り替えに伴う待ち時間が生じないため、素子温度を常に連続的に制御することができ、素子温度を常時、所定の狭い温度域に維持することができる。従って、レーザ光の発光強度と波長が安定し、レーザ式ガス分析装置の分析精度が高まる。

本発明の一実施例であるレーザ式ガス分析装置の光源部の概略構成を示す断面図。 本実施例のレーザ式ガス分析装置における半導体レーザ素子の温度制御処理に関するフローチャート。 実施例のレーザ式ガス分析装置での素子温度と制御値の時間変化を示す図。 従来のレーザ式ガス分析装置での素子温度と制御値の時間変化を示す図。 従来のレーザ式ガス分析装置の光源部の概略構成を示す断面図。 従来のレーザ式ガス分析装置における半導体レーザ素子の温度制御処理に関するフローチャート。

以下、本発明の一実施例であるレーザ式ガス分析装置について、図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施例のレーザ式ガス分析装置の光源部１０は、レーザ光源室１１Ａを形成する包囲部１１と、包囲部１１の底板上面に取り付けられておりガス分析に適した波長のレーザ光を発振する半導体レーザ素子１２と、半導体レーザ素子１２の下面に接するペルチェ素子１３及び温度センサ１４と、包囲部１１の天板下面に取り付けられたヒータ１８と、各電子部品を制御する制御部１５とを備える。

半導体レーザ素子１２には所定波長のレーザ光を最も効率よく発振することができる温度（例えば29℃）が設定温度として定められており、その前後の所定温度域（例えば29±0.003℃）が動作温度域として定められている。なお、半導体レーザ素子の設定温度は製造ロットが同じでも素子毎に大きくばらつくことが多いため、通常は半導体レーザ素子の製品種別毎に比較的広い温度範囲（例えば0〜50℃）が定められており、各素子はその範囲内の或る温度にて所定波長のレーザ光を効率よく発振することができる。
半導体レーザ素子１２は制御部１５により制御され、素子から発せられるレーザ光は包囲部１１に設けられた窓１９及び筐体部１６に設けられた窓１７から出射し、分析対象のガスに照射される。

本実施例のペルチェ素子１３は半導体レーザ素子１２の冷却のみに用いられるものであり、制御部１５により制御される。

温度センサ１４は半導体レーザ素子１２の素子温度を測定するためのものであり、その測定値は制御部１５にて読み取られる。

レーザ光源室１１Ａは密閉されており、そこには分析に用いる波長のレーザ光を透過するガスが封入されている。なお、レーザ光源室１１Ａには上記電子部品の他にレンズやミラー等の光学部品を配置してもよい。

ヒータ１８はレーザ光源室１１Ａ内のガスを加熱して、半導体レーザ素子１２の周囲温度を動作温度域よりも高い温度域である周囲温度域に維持するためのものである。周囲温度域の下限値は動作温度域の上限値よりも大きければよく、例えば動作温度域の上限値である29.003℃よりも5℃程度高い34℃としたり、半導体レーザ素子１２の製品種別毎に設定された温度範囲の上限値である50℃よりも10℃高い60℃としたりすることができる。なお、周囲温度は厳密に管理する必要がないため、ヒータ１８については周囲温度の測定値に基づいたフィードバック制御を行わなくてもよく、周囲温度測定用の温度センサは必要ない。

制御部１５は各電子部品の駆動回路、ＣＰＵ、メモリ等を備え、メモリには半導体レーザ素子１２の設定温度、ペルチェ素子１３に流す電流の大きさに対応した冷却制御値が記憶されている。

図２に本実施例のレーザ式ガス分析装置における半導体レーザ素子１２の温度制御処理に関するフローチャートの一例を示す。制御部１５はこの図に示す温度制御処理を所定時間（例えば1m秒）毎に繰り返し実行する。この温度制御処理では、まず、温度センサ１４により半導体レーザ素子１２の素子温度を測定する（ステップＳ１１）。次に、測定された素子温度とメモリに記憶されている設定温度を比較する（ステップＳ１２）。ここで、測定された素子温度の方が高い場合には冷却制御値を大きくし（ステップＳ１３）、測定された素子温度の方が低い場合には冷却制御値を小さくする（ステップＳ１４）。次に、前回の温度制御処理での冷却制御値の変化によって素子温度がどの程度変化したかを考慮して、今回の温度制御処理での冷却制御値の変化量を調節するフィードバック処理を行い（ステップＳ１５）、その調節後の冷却制御値に応じた電流をペルチェ素子１３に流す（ステップＳ１６）。

図３は、実施例のレーザ式ガス分析装置周囲の環境温度を、装置近傍に配置した加熱装置により次第に上昇させたときの素子温度と制御値の時間変化を示すグラフである。なお図３では、制御値の数値が大きいほど冷却作用が大きいことを示す。
この図に示すように、制御値は測定された素子温度に基づいて3000前後の比較的大きな値で変動し、その制御値に応じた電流によりペルチェ素子１３は常に半導体レーザ素子１２の冷却を行う。これにより、素子温度は測定期間のほぼ全域にて29±0.003℃の温度域に維持されている。なお、実施例ではペルチェ素子１３による冷却とヒータ１８による加熱のバランスを取るために、ペルチェ素子１３に比較的大きな電流を流し十分な冷却作用を生じさせている。ペルチェ素子１３の冷却作用は或る程度以上の大きさの電流に対しては線形に変化するため、このように大きな電流でペルチェ素子１３を動作させることにより、素子温度の制御を容易に行うことができる。
以上の結果、実施例ではレーザ光の発光強度と波長が安定し、高い分析精度が得られる。

図４は、従来のレーザ式ガス分析装置周囲の環境温度を図３の実験と同じように上昇させたときの素子温度と制御値の時間変化を示すグラフである。なお、図４では、制御値の＋側が加熱側、−側が冷却側を示す。また、制御値の絶対値は図３と同じスケールであり、図３の制御値と比べると2〜3桁小さい。そのため、ペルチェ素子には小さい電流しか流れていない。
この比較例では、素子温度が実施例よりも大きく変動しており、3800m秒以降にて29±0.003℃の温度域外である割合が高い。また、6000m秒付近にて制御値が0を挟んで加熱側及び冷却側に変動し、このときに加熱・冷却の切り替えに伴う制御不能期間が存在するため、素子温度が大きく変動している。また、ペルチェ素子の加熱・冷却作用は0付近の小さい電流に対しては非線形に変化するため、このように小さい電流でペルチェ素子を動作させると素子温度を的確に制御することができず、素子温度が所定の温度域からはみ出しやすい。
以上の結果、比較例ではレーザ光の発光強度と波長が不安定になり、高い分析精度が得られない。

本実施例のレーザ式ガス分析装置によれば、ヒータ１８により半導体レーザ素子１２の周囲温度をその素子に対して設定されている動作温度域よりも高く維持しながら、温度センサ１４により得られる素子温度の測定値に基づいて、ペルチェ素子１３により半導体レーザ素子１２を常に冷却し、素子温度を動作温度域に維持する。このような温度制御であれば、実回路でのリレー等の切り替え動作が不要であり、切り替えに伴う待ち時間が生じないため、素子温度を常に連続的に制御することができ、素子温度を常時、所定の狭い温度域に維持することができる。従って、レーザ光の発光強度と波長が安定し、レーザ式ガス分析装置の分析精度が高まる。

また、加熱と冷却の切り替え処理が不要であるため、従来よりも制御処理を単純化することができ、温度制御用の電気回路の簡略化とコストダウンが可能となる。また、機械式のリレーが不要であるため、リレー接点の劣化による故障が生じない。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容される。例えば、ヒータ１８の代わりに冷却機構を用いてレーザ光源室１１Ａ内のガスを動作温度域の下限値よりも低い温度まで冷却しつつ、ペルチェ素子やヒータ等で半導体レーザ素子１２を加熱し、素子温度を動作温度域に維持してもよい。
動作温度域の上限値よりも高温の環境下で装置を使用する際には、第１の冷却機構で周囲温度を動作温度域の上限値よりも少し高い温度まで冷却し、さらにペルチェ素子等の第２の冷却機構で半導体レーザ素子１２を冷却することにより、素子温度を動作温度域に維持してもよい。その逆に、動作温度域の下限値よりも低温の環境下で装置を使用する際には、ヒータ１８等の第１の加熱機構で周囲温度を動作温度域の下限値よりも少し低い温度まで加熱し、さらにペルチェ素子やヒータ等の第２の加熱機構で半導体レーザ素子１２を加熱することにより、素子温度を動作温度域に維持してもよい。
半導体レーザ素子１２の周囲を金属部材等で覆い、その金属部材等を加熱又は冷却することにより半導体レーザ素子１２の周囲温度を調節してもよい。

１０、２０…光源部
１１…包囲部
１２、２２…半導体レーザ素子
１３、２３…ペルチェ素子
１４、２４…温度センサ
１５、２５…制御部
１６、２６…筐体部
１７、１９、２７…窓
１８…ヒータ
２１…台座部

Claims (3)

1. a)レーザ光を発する半導体レーザ素子と、
   b)前記半導体レーザ素子の周囲温度を、該半導体レーザ素子に対して設定されている動作温度域と重複しない周囲温度域で維持するための周囲温度維持手段と、
   c)前記半導体レーザ素子の素子温度を測定する温度センサと、
   d)前記半導体レーザ素子の素子温度を、前記周囲温度維持手段により維持された周囲温度域側から前記動作温度域側に向かう方向に変化させるための素子温度変更手段と、
   e)前記半導体レーザ素子の素子温度が前記動作温度域に維持されるように、前記温度センサにより得られた測定値に基づいて前記素子温度変更手段を制御する素子温度制御手段と、
   を備えることを特徴とするレーザ式ガス分析装置。
2. 前記周囲温度維持手段が加熱機構であり、前記周囲温度域が前記動作温度域よりも高い温度であって、前記素子温度変更手段が冷却機構であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ式ガス分析装置。
3. 前記周囲温度維持手段が冷却機構であり、前記周囲温度域が前記動作温度域よりも低い温度であって、前記素子温度変更手段が加熱機構であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ式ガス分析装置。

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