JP2011163767A - キャビティリングダウン分光装置、吸光分析装置及びキャビティリングダウン分光方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】キャビティリングダウン分光装置1は、所定波長の光を出力する光出力部12と、光出力部12から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能にされた光循環系20と、光循環系20を循環する光の光強度を検出する光強度検出部21と、光循環系20内に設けられ、光循環系20を進行する光を増幅すると共に、光循環系20内で発生したノイズの光強度を低減させる負帰還光増幅器10とを有する。
【選択図】図1
Description
前記負帰還光増幅器は、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、前記光増幅器よりも前記光循環系の他端側に配置され、前記光増幅器から出力された出力光と周囲光とを該光増幅器に反射する第2反射部材とを有していてもよい。
前記光ファイバプローブは、コアとクラッドとを備え、一端側から前記光が導入される光ファイバと、前記光ファイバの他端をプローブ先端として含み、該プローブ先端から前記測定対象物に挿入されるプローブ部と、前記プローブ部に形成され、少なくとも前記クラッド内部に前記測定対象物を導入する導入部と、前記プローブ先端に設けられ、前記導入部よりも前記プローブ先端側に配置された前記第1反射部材とを有していてもよい。
前記各負帰還光増幅器は、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、前記光増幅器よりも前記光循環系の端部側に配置され、前記光増幅器から出力された出力光と周囲光とを該光増幅器に反射する第2反射部材とを有していてもよい。
前記各負帰還光増幅器は、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、前記光増幅器から出力された前記周囲光を、前記出力光から分離し、前記光増幅器に帰還及び入力させる光帰還手段とを有していてもよい。
前記測定対象物の配置位置を挟んだ前記光循環系の一端部において、光の全部を入力方向とは逆方向に反射させ、
前記光循環系の他端部において、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを、前記光循環系の他端側に出力させ、
前記光循環系の他端側に出力された前記出力光と周囲光とを該光循環系の一端側に反射させる。
(キャビティリングダウン分光装置)
図1に示すように、本実施形態のキャビティリングダウン分光装置1は、所定波長の光を出力する光出力部12と、光出力部12の出力側に配置された光分岐結合器13と、光分岐結合器13に光結合された光循環系20と、光分岐結合器13の出力側に配置された光強度検出部21とを有している。キャビティリングダウン分光装置1は、光に対して透過率が高い石英ガラスやプラスチック等により形成された光ファイバ53により光路が形成されている。尚、キャビティリングダウン分光装置1は、光を空間で取り扱うバルク部品が一部に用いられていてもよい。ここで、『所定波長』は、特に限定されるものではないが、例えば1551nm等の波長を挙げることができる。また、『所定波長』は、各種の測定対象物に応じて最適な吸収性能を発揮させる波長に設定されていてもよい。
光循環系20は、光出力部12から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能に形成されている。ここで、『循環』とは、光が測定対象物を繰り返して通過することを意味し、線状の光路を往復移動する循環態様と、環状の光路を一方向に移動する循環態様とを含む。『測定対象物』は、トマトやレタス、ハーブ、芋、西瓜、蜜柑、リンゴ、イチゴ等の植物、貝や鳥等の動物、樹木、水耕栽培の苗床、養殖池、生簀、ビニールハウスであってもよい。即ち、『測定対象物』は、液体やガスが経時変化する全ての種類の物を含むと共に、物質の種別や同じ物質の状態変化を検出する用途に適用され得る全ての種類のものを含む。
負帰還光増幅器10は、図2に示すように、光を増幅する光増幅器11と、光増幅器11から出力された光の全部または一部を出力元の光増幅器11に反射する第2反射部材19とを有している。光増幅器11は、光循環系20を循環する光が入力光として入力された場合、この入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、この出力光とは異なる周囲波長であって出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する相互利得変調作用を起こす機能を有している。
上記の負帰還光増幅器10の第2反射部材19は、図1に示すように、光循環系20の光ファイバ53を介して第1反射部材18に対向されている。これにより、光循環系20は、光を第1反射部材18と第2反射部材19とで往復移動させるようになっている。第1反射部材18は、光ファイバ53の一端部の端面に配置されており、光の全部を入力方向とは逆方向に反射するように形成されている。
上記の第1反射部材18を備えた光ファイバプローブ5は、図6に示すように、測定対象物4に挿入されるプローブ本体51を備えている。プローブ本体51は、光ファイバ53により形成されている。光ファイバ53は、内周側のコア531と外周側のクラッド532とを有している。尚、光ファイバ53は、必要に応じてクラッド532に被覆した図示しない被覆部材を、後述のプローブ部54以外の部分に有していてもよい。また、プローブ本体51は、幅方向に支持する鞘部材に装着及び抜脱可能にされていてもよい。
以上のように、キャビティリングダウン分光装置1は、図1に示すように、所定波長の光を出力する光出力部12と、光出力部12から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能にされた光循環系20と、光循環系20を循環する光の光強度を検出する光強度検出部21と、光循環系20内に設けられ、光循環系20を進行する光を増幅すると共に、光ノイズ強度を低減させる負帰還光増幅器10とを有した構成にされている。
尚、本実施形態においては、負帰還光増幅器10を光循環系20の一端部に備えた場合について説明しているが、これに限定されるものではなく、図8に示すように、光循環系20の両端部に負帰還光増幅器10を備えた構成にされていてもよい。或いは、負帰還光増幅器10は、光循環系20の他端部に配置されていてもよい。換言すれば、キャビティリングダウン分光装置1は、負帰還光増幅器10を光循環系20の一端部及び他端部の少なくとも一方に備え、この負帰還光増幅器10の対向側において負帰還光増幅器10又は第1反射部材18を備えていてもよい。
次に、キャビティリングダウン分光装置1を備えた吸光分析装置200について図11及び図12に基づいて説明する。尚、以下の吸光分析装置200の説明においては、トマト等の植物を測定対象物4として説明しているが、これに限定されるものではない。
監視装置本体201の作動が開始されると、図12の監視制御ルーチンが実行され、先ず、操作部212のキー操作等による操作データの入力が受け付けられる(S1)。続いて、受け付けた操作データが測定感度の調整であるか否かが判定される(S2)。測定感度の調整である場合には(S2,YES)、調整内容に応じた測定感度調整処理が実行され、例えば、レーザー光出力装置205に対してレーザー光の出力状態(パルス幅や光強度等)が設定されたり、吸収係数算出部210に対して測定対象物4の種類に応じた演算情報が出力される(S3)。この後、S1から再実行される。
先ず、図13に示す構成を、下記の部材を用いて組み上げた。即ち、光出力部12として半導体レーザー(Anritsu GB5AO16)、減衰器171としてANDO製 AQ−3105A)、光分岐結合器13としてサーキュレータ(FDK製 YC−1100−ZJ1−155)、負帰還光増幅器10としてRSOA(kamelian製 10−TO−C−FA39−07−0301279897)、波長フィルタ14としてU−CONN製 Add drop filter 1551nm、光強度検出部15としてディテクター受光センサ(Newport製 IR DC−125MHz Low Noise Photoreceiver 1811)、オシロスコープ16としてHEWLETT PACKARD製 infinium Oscilloscope 500MHz 2GSa/sを用いた。
次に、本実施形態の負帰還光増幅器10として負帰還半導体光増幅器(RSOA)を備えたキャビティリングダウン分光装置1(実施例2)のリングダウンパルスを測定すると共に、比較例として、増幅器を備えないキャビティリングダウン分光装置(比較例2)と、半導体光増幅器(SOA)だけを備えたキャビティリングダウン分光装置(比較例3)と、EDFAの光増幅器だけを備えたキャビティリングダウン分光装置(比較例4)とのリングダウンパルスを測定した。
次に、本実施形態の負帰還光増幅器10として負帰還半導体光増幅器(RSOA)を備えたキャビティリングダウン分光装置1を図1に示す構成で組み上げ、測定対象物として空気と水とを用いた場合のリングダウンパルスをそれぞれ測定した(実施例3・4)。尚、機器は、実施例1と同一のものを用いた。また、図21に示すように、導入部17は、一対の光ファイバ23・23の端面をフェルール25により所定間隔を隔てて対向させることにより形成した。測定結果を図22及び図23に示す。
図14及び図16に示した測定結果によると、RSOA及びSOAの何れを増幅実験回路に用いた場合であっても、リングダウンパルスとなるピーク電圧の初期値が2500mV程度のように、ほぼ同一であるのに対し、ベース電圧がRSOAとSOAとで異なっている。即ち、RSOAのベース電圧が100mV程度である一方、SOAのベース電圧が250mV程度となっている。従って、RSOAを用いた場合は、ピーク電圧を維持しつつ、SOAを用いた場合よりもベース電圧を2倍以上低減できることが判明した。この結果、RSOAを用いた場合は、ベース電圧がリングダウンパルスのノイズとして作用し難くできることが判明した。
図17の測定結果によると、実施例2は、リングダウンパルスとなるピーク電圧が多数検出されると共に、これらのピーク電圧が指数関数的に減衰している。即ち、実施例2のRSOAを用いたCRDSは、RSOAの負帰還効果によって発振現象を抑制した増幅が得られることにより、忠実な波形増幅が可能であることが分かった。これは、上述の図14及び図16に示した信号増幅波形において、実施例1のRSOAについてはベースライン信号増幅が比較例1よりも抑制されていることからも認められる。また、負帰還増幅効果は増幅器内部で発生する雑音を抑制し、非線形歪みを低減することができると考えられる。
図22の測定結果によると、測定対象物が空気である実施例3は、リングダウンパルスとなるピーク電圧の初期値が250mVであり、以後に連続して検出されるピーク電圧が指数関数的に減衰し、合計9個のピーク電圧を検出することが可能であることが確認された。
4 測定対象物
5 光ファイバプローブ
11 光増幅器
12 光出力部
13 光分岐結合器
14 波長フィルタ
15 光強度検出部
16 オシロスコープ
17 導入部
18 第1反射部材
19 第2反射部材
20 光循環系
21 光強度検出部
Claims (9)
- 所定波長の光を出力する光出力部と、
前記光出力部から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能にされた光循環系と、
前記光循環系を循環する前記光の光強度を検出する光強度検出部と、
前記光循環系内に設けられ、該光循環系を進行する光を増幅すると共に、該光循環系内で発生したノイズの光強度を低減させる負帰還光増幅器と
を有することを特徴とするキャビティリングダウン分光装置。 - 前記光循環系は、
前記測定対象物の配置位置を挟んだ一端部において、前記光の全部を入力方向とは逆方向に反射する第1反射部材を配置すると共に、他端部において前記負帰還光増幅器を配置しており、
前記負帰還光増幅器は、
前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、
前記光増幅器よりも前記光循環系の他端側に配置され、前記光増幅器から出力された出力光と周囲光とを該光増幅器に反射する第2反射部材とを有していることを特徴とする請求項1に記載のキャビティリングダウン分光装置。 - 前記光循環系は、
前記一端部が光ファイバプローブにより形成されており、
前記光ファイバプローブは、
コアとクラッドとを備え、一端側から前記光が導入される光ファイバと、
前記光ファイバの他端をプローブ先端として含み、該プローブ先端から前記測定対象物に挿入されるプローブ部と、
前記プローブ部に形成され、少なくとも前記クラッド内部に前記測定対象物を導入する導入部と、
前記プローブ先端に設けられ、前記導入部よりも前記プローブ先端側に配置された前記第1反射部材と
を有することを特徴とする請求項2に記載のキャビティリングダウン分光装置。 - 前記光循環系は、
前記測定対象物の配置位置を挟んだ両端部において、前記負帰還光増幅器をそれぞれ配置しており、
前記各負帰還光増幅器は、
前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、
前記光増幅器よりも前記光循環系の端部側に配置され、前記光増幅器から出力された出力光と周囲光とを該光増幅器に反射する第2反射部材とを有していることを特徴とする請求項2に記載のキャビティリングダウン分光装置。 - 前記光循環系は、前記光を一方向に進行させる環状に形成されており、
前記各負帰還光増幅器は、
前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、
前記光増幅器から出力された前記周囲光を、前記出力光から分離し、前記光増幅器に帰還及び入力させる光帰還手段と
を有することを特徴とする請求項1に記載のキャビティリングダウン分光装置。 - 前記負帰還光増幅器は、負帰還半導体光増幅器であることを特徴とすることを特徴とする請求項1に記載のキャビティリングダウン分光装置。
- 請求項1乃至6の何れかに記載のキャビティリングダウン分光装置を備えたことを特徴とする吸光分析装置。
- 測定対象物を配置可能にされた光循環系に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出するキャビティリングダウン分光方法であって、
前記光循環系内に配置された負帰還光増幅器により、前記光循環系を進行する光を増幅すると共に、該光循環系内で発生したノイズの光強度を低減させることを特徴とするキャビティリングダウン分光方法。 - 測定対象物を配置可能にされた光循環系に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出するキャビティリングダウン分光方法であって、
前記測定対象物の配置位置を挟んだ前記光循環系の一端部において、光の全部を入力方向とは逆方向に反射させ、
前記光循環系の他端部において、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを、前記光循環系の他端側に出力させ、
前記光循環系の他端側に出力された前記出力光と周囲光とを該光循環系の一端側に反射させることを特徴とするキャビティリングダウン分光方法。
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