JP2014235103A - Light absorption measurement laser source and light absorption measurement apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光吸収測定用レーザ光源およびそれを用いた光吸収測定装置に関し、具体的には波長変換素子を用いた光吸収測定用レーザ光源およびそれを用いた光吸収測定装置に関する。 The present invention relates to a laser light source for light absorption measurement and a light absorption measurement apparatus using the same, and more specifically to a laser light source for light absorption measurement using a wavelength conversion element and a light absorption measurement apparatus using the same.
環境保護や安全衛生上の観点からCH4、CO2、CO、N2Oなどの温室効果ガス、NOx、SOx、アンモニア類等の環境ガス、多くの有機系ガスまたは残留農薬等の極微量ガス分析技術の確立が強く望まれている。ガス濃度を検出する一手法として、被測定ガスにレーザ光を当て、その吸収特性を観測する手法が知られている。ガスは、それぞれ特有の吸収線を有しているので、吸収線付近の波長を有するレーザ光を波長掃引し、吸収スペクトルを観測することによりガス濃度を計測することができる。 From the viewpoints of environmental protection and health and safety, extreme gases such as greenhouse gases such as CH 4 , CO 2 , CO, N 2 O, environmental gases such as NO x , SO x , ammonia, many organic gases or residual agricultural chemicals The establishment of trace gas analysis technology is strongly desired. As a technique for detecting the gas concentration, a technique is known in which laser light is applied to a gas to be measured and its absorption characteristics are observed. Since each gas has its own absorption line, the gas concentration can be measured by sweeping the wavelength of a laser beam having a wavelength near the absorption line and observing the absorption spectrum.
これらの被測定物質の吸収線の多くは波長2μm以上の中赤外領域に、原子間結合の振動モードに起因する基本振動またはその低次の倍音として存在している。従って、特に波長2μm以上の中赤外領域において、高感度でガスの吸収線を測定できる光吸収測定への期待が高まっている。 Most of the absorption lines of these substances to be measured exist in the mid-infrared region of a wavelength of 2 μm or more as fundamental vibrations or lower harmonics due to vibration modes of interatomic bonds. Accordingly, there is an increasing expectation for optical absorption measurement capable of measuring gas absorption lines with high sensitivity, particularly in the mid-infrared region having a wavelength of 2 μm or more.
中赤外領域における光吸収測定が困難な理由は、波長2μm以上の中赤外光を室温で安定に連続発振できる適切な光源が少ないためである。2μm帯から長波長側で発振する半導体レーザとしては、Pb塩レーザ、量子カスケードレーザが知られている。しかし、低温動作、またはパルス駆動でのみ安定した発振が得られる光源が多く、特に3μm帯〜5μm帯の波長領域において室温で安定動作する光源は少ない。 The reason why light absorption measurement in the mid-infrared region is difficult is that there are few appropriate light sources that can stably oscillate mid-infrared light having a wavelength of 2 μm or more at room temperature. Pb salt lasers and quantum cascade lasers are known as semiconductor lasers that oscillate on the long wavelength side from the 2 μm band. However, there are many light sources that can obtain stable oscillation only by low-temperature operation or pulse driving, and particularly, there are few light sources that stably operate at room temperature in the wavelength region of 3 μm band to 5 μm band.
最近になって、InP系半導体からなり、高歪活性層が形成された2.7μm帯半導体DFB(Distributed Feedback)型レーザが実用化されているが、波長可変幅が1nm以下と狭いため使用しにくい。 Recently, a 2.7 μm-band semiconductor DFB (Distributed Feedback) type laser made of an InP-based semiconductor and having a high strain active layer formed has been put into practical use. Hateful.
3μm帯〜5μm帯の波長領域において室温で安定動作する光源として、擬似位相整合型波長変換素子による差周波発生を利用して上述の波長領域のレーザ光を出力する光源が多数発表されている(例えば、非特許文献1参照)。この光源は、波長変換素子に入力する励起光、および信号光として、技術的に安定した波長2μm以下の半導体レーザを用いることができるので、実用化が容易である。 As a light source that stably operates at room temperature in the wavelength region of 3 μm band to 5 μm band, a number of light sources that output laser light in the above-described wavelength region using the difference frequency generation by the quasi phase matching wavelength conversion element have been announced ( For example, refer nonpatent literature 1). Since this light source can use a technically stable semiconductor laser having a wavelength of 2 μm or less as excitation light and signal light input to the wavelength conversion element, it can be easily put to practical use.
図5に、波長変換素子を利用した中赤外レーザ光源を用いて安定にガス濃度計測を行うための基本的な構成図を示す。被測定ガスの吸収線付近の波長を有する光を発生するための波長変換レーザ光源500は、励起光および信号光を入力するための半導体レーザ501、502、励起光および信号光を合波する合波器503、周期的に分極反転された非線形光学材料からなる波長変換素子504から構成されている。
FIG. 5 shows a basic configuration diagram for stably measuring a gas concentration using a mid-infrared laser light source using a wavelength conversion element. The wavelength conversion
吸収スペクトルを測定するためには、出力されるレーザ光の波長を掃引する必要があるが、通常これは、励起光、信号光を出力する半導体レーザ501、502のいずれかの直流駆動電流をランプ波形または三角波形に変調して行う。レーザの波長は駆動電流の2次の関数で近似可能な特性を有するため、波長の掃引を行うことが出来る。
In order to measure the absorption spectrum, it is necessary to sweep the wavelength of the laser beam to be output. Usually, this means that the DC drive current of either of the
より精密に微少な吸収を測定する場合には、前述のランプ波形または三角波形に周波数fの正弦波を重畳するなどして掃引波長に周波数fの変調を行い、この周波数fの変調に応答した成分、又はその倍波の2f成分を、ロックインアンプ509などで検出する波長変調分光(WMS:wavelength modulation spectroscopy)法があり、微量ガスの測定ではこの方法がよく用いられる。
When measuring minute absorption more precisely, the frequency f is modulated to the sweep wavelength by, for example, superimposing the sine wave of the frequency f on the ramp waveform or the triangular waveform, and responding to the modulation of the frequency f. There is a wavelength modulation spectroscopy (WMS) method in which a component or a 2f component of its harmonic wave is detected by a lock-in
ランプ波形、三角波形、周波数fの正弦波などの変調は、主にファンクションジェネレータ510などの任意波形発生器からの変調信号を、半導体レーザ501、502のいずれかのレーザドライバ(レーザ駆動装置)に作用させて行う。
For modulation of a ramp waveform, a triangular waveform, a sine wave of frequency f, etc., a modulation signal from an arbitrary waveform generator such as a
波長変換レーザ光源500から出射した光は、出射後に通過するコリメートレンズ505の作用により平行光となり、その後、中赤外光以外の光を除去するために波長フィルタ506を通過する。波長フィルタ506としてはSi、InP、GaAs、Ge等の半導体を用いる場合が多い。
The light emitted from the wavelength conversion
中赤外光は、波長フィルタ506を透過後、被測定物質が封入されたマルチパスセル507を通って光検出器508により検出される。検出結果は、ロックインアンプ509で特定周波数を抽出して信号処理装置511に送られる。波長変調分光法の場合はパルスジェネレータ等の変調信号を参照信号として利用し、変調に応答した成分をロックイン検波してオシロスコープ等に表示、あるいはデータを記録装置に送り、吸収スペクトルを得る。ガス濃度計測では、このようにして得られた吸収スペクトルから被測定物質の濃度を算出する。
The mid-infrared light passes through the
以上が、波長変換レーザ光源500を用いて安定にガス濃度計測を行うための基本的な構成である。
The above is the basic configuration for stably measuring the gas concentration using the wavelength conversion
しかしながら、従来の波長変換レーザ光源500を用いたガス濃度計測には、以下のような問題点が存在する。励起光および信号光を出力する半導体レーザ501、502は外部環境等の影響により、その出力が揺らぐことがあるため、半導体レーザ501、502を基にして変換されている中赤外光の出力も揺らいでしまう。中赤外光の出力が揺らぐと光吸収による信号強度も変化してしまうため、出力の揺らぎが濃度の変化として検出されてしまうという課題があった。
However, the following problems exist in gas concentration measurement using the conventional wavelength conversion
また、半導体レーザ501、502は外部環境や経年変化により、出力波長がシフトすることがある。このため、取得したスペクトル上での吸収線の位置が外部環境や時間の経過と共にずれてゆくという課題があった。その結果、吸収信号が強いときは吸収ピーク等により吸収線の位置を認識できるが、微量ガス測定など信号強度が極めて弱い場合は、吸収線の位置を正確に特定することが困難となる。
In addition, the output wavelengths of the
また、さらに、波長変換レーザ光源を用いる場合、周期分極反転された非線形光学結晶からなる波長変換素子504を使用する。この波長変換素子504は半導体レーザ501、502により出力される励起光、信号光を入力され、励起光、信号光に応じた波長の中赤外光を変換光として出力する。通常、入力端面と出力端面には、内部での反射による干渉を防ぐために反射防止膜を形成しているが、反射率は完全に0%とはならず、1〜2%程度の反射が生じてしまう。そのため、素子が共振器となり、出力光のスペクトルには干渉効果による強度分布が重畳してしまう。この強度分布は小さいが、波長変調分光法のような微少な吸収を測定する場合には、吸収スペクトルのピークの大きさがこの干渉による強度分布と同等程度の大きさになるため、吸収線の位置と強度の正確な測定を妨げ、光吸収測定の感度が著しく下がるという課題があった。
Furthermore, when a wavelength conversion laser light source is used, a
測定における工夫として、図6に示すように、参照物質を利用してその影響を補正する構成を採用することがある(例えば、非特許文献2参照)。しかしながら、このような構成を採用した場合、レーザ光線を分岐するミラー512、参照物質用のガスセル513、光検出器514、ロックインアンプ515等を別に配置しなくてはならず、測定においてかなりのスペースが必要になる。そのため、狭いスペースでの測定が困難になるのと同時に、この参照光路にも光軸合わせが必要となり、測定作業を煩雑にしてしまう。また、被測定物質と同じ物質を参照物質に選ぶことが多いが、この場合、レーザ光の出力変動と吸収線位置の特定は可能であるが、干渉効果由来のスペクトルの強度分布は取り除くことができないという課題があった。
As a contrivance in measurement, as shown in FIG. 6, a configuration in which the influence is corrected using a reference substance may be employed (for example, see Non-Patent Document 2). However, when such a configuration is adopted, the
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、レーザ光の出力変動および共振器構造がもたらす干渉による強度分布を取り除くことが可能で、吸収線位置の特定が容易な、高感度で小型化可能な光吸収測定を実現する光吸収用レーザ光源およびそれを用いた光吸収測定装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to determine the position of the absorption line by removing the intensity distribution due to the output fluctuation of the laser beam and the interference caused by the resonator structure. It is an object of the present invention to provide a light absorption laser light source and a light absorption measurement apparatus using the light absorption laser light source capable of realizing high-sensitivity and miniaturized light absorption measurement.
上記の課題を解決するために、本発明は、光吸収測定装置であって、光吸収測定用レーザ光源であって、2つ以上の出力周波数の異なる半導体レーザ、前記各半導体レーザからの出力光を合波する合波器、前記合波器から出力された出力光が入射する、周期的に分極反転された非線形光学材料からなる波長変換素子、前記波長変換素子から出力された出力光を分岐する分岐手段、前記分岐手段で分岐された第1の分岐光を出力する第1の出力ポート、前記分岐手段で分岐された第2の分岐光が入射する参照物質が入った参照セル、および前記参照セルを透過した透過光を出力する第2の出力ポート、を備え、前記参照物質は、前記第1の出力ポートから出射される出力光を用いて被測定物質を測定した結果から検出されない物質である、光吸収測定用レーザ光源と、前記被測定物質が入ったマルチパスセルと、前記マルチパスセルを透過した前記第1の出力ポートから出射された出力光を検出する第1の光検出器と、前記第2の出力ポートから出射された出力光を検出する第2の光検出器と、前記第1の光検出器の測定結果と前記第2の光検出器の測定結果との強度をそろえ、前記第1の光検出器の測定結果から前記第2の光検出器の測定結果を引くことにより、前記波長変換素子の干渉縞を除去する信号処理装置と、を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention is an optical absorption measurement device, which is a laser light source for optical absorption measurement, and includes two or more semiconductor lasers having different output frequencies, and output light from each of the semiconductor lasers A wavelength conversion element made of a periodically poled nonlinear optical material on which the output light output from the multiplexer enters, and the output light output from the wavelength conversion element is branched Branching means, a first output port for outputting the first branched light branched by the branching means, a reference cell containing a reference material into which the second branched light branched by the branching means is incident, and A second output port that outputs transmitted light that has passed through the reference cell, and the reference substance is not detected from the result of measuring the substance to be measured using the output light emitted from the first output port. Light absorption A laser light source for measurement; a multipass cell containing the substance to be measured; a first photodetector for detecting output light emitted from the first output port that has passed through the multipass cell; The second photodetector for detecting the output light emitted from the two output ports, the intensity of the measurement result of the first photodetector and the measurement result of the second photodetector are aligned, and the first detector And a signal processing device that removes interference fringes of the wavelength conversion element by subtracting the measurement result of the second photodetector from the measurement result of the first photodetector.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光吸収測定装置において、前記参照物質が入った参照セルを前記被測定物質に応じて交換可能であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the light absorption measurement apparatus according to the first aspect, the reference cell containing the reference substance can be exchanged according to the substance to be measured.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の光吸収測定装置において、前記波長変換素子は、ニオブ酸リチウム(LN)、タンタル酸リチウム(LT)、ZnもしくはMgが添加されているLN、LT、又はそれらの混晶から構成された導波路構造を有することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the light absorption measurement apparatus according to the first or second aspect, the wavelength conversion element is added with lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), Zn or Mg. It has a waveguide structure composed of LN, LT, or a mixed crystal thereof.
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の光吸収測定装置であって、前記信号処理装置は、前記第2の光検出器の測定結果から前記参照物質の吸収線のずれに基づき前記第1の光検出器で測定された前記被測定物質の吸収線のずれを補正することを特徴とする。 A fourth aspect of the present invention is the light absorption measurement apparatus according to any one of the first to third aspects, wherein the signal processing apparatus absorbs the reference substance from the measurement result of the second photodetector. The shift of the absorption line of the substance to be measured measured by the first photodetector is corrected based on the shift of the line.
請求項5に記載の発明は、光吸収測定用レーザ光源において、2つ以上の出力周波数の異なる半導体レーザと、前記各半導体レーザからの出力光を合波する合波器と、前記合波器から出力された出力光が入射する、周期的に分極反転された非線形光学材料からなる波長変換素子と、前記波長変換素子から出力された出力光を分岐する分岐手段と、前記分岐手段で分岐された第1の分岐光を出力する第1の出力ポートと、前記分岐手段で分岐された第2の分岐光が入射する参照物質が入った参照セルと、
前記参照セルを透過した透過光を出力する第2の出力ポートと、を備え、前記参照物質は、前記第1の出力ポートから出射される出力光を用いて被測定物質を測定した結果から検出されない物質であることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the laser light source for light absorption measurement, two or more semiconductor lasers having different output frequencies, a multiplexer for multiplexing output light from each of the semiconductor lasers, and the multiplexer A wavelength conversion element made of a periodically poled nonlinear optical material, on which the output light output from the light enters, a branching means for branching the output light output from the wavelength conversion element, and branched by the branching means A first output port for outputting the first branched light; a reference cell containing a reference material into which the second branched light branched by the branching unit is incident;
A second output port that outputs transmitted light that has passed through the reference cell, and the reference substance is detected from a result of measuring the substance to be measured using the output light emitted from the first output port. It is a material that is not treated.
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の光吸収測定用レーザ光源において、前記波長変換素子は、ニオブ酸リチウム(LN)、タンタル酸リチウム(LT)、ZnもしくはMgが添加されているLN、LT、又はそれらの混晶から構成された導波路構造を有することを特徴とする。 The invention according to claim 6 is the laser light source for optical absorption measurement according to claim 5, wherein the wavelength conversion element is added with lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT), Zn or Mg. It has a waveguide structure composed of LN, LT, or a mixed crystal thereof.
本発明によれば、レーザ光出力強度の揺れ、レーザ光の出力周波数のシフトを補正するだけでなく、波長変換素子によって生じる、共振器構造由来の強度分布の影響を取り除いて補正することが可能になり、光吸収測定の感度を高めることが可能となる。また、測定の際、新たに参照物質を配置する空間を確保する必要や、参照光路の光軸を合わせる等の煩雑な測定作業も不要になり、測定系を小型にすることができる。この結果、より高感度で小型の光吸収測定を実現でき、従来測定できなかった微量な物質の検出やより狭い空間における測定が可能となる。 According to the present invention, it is possible not only to correct the fluctuation of the laser beam output intensity and the shift of the output frequency of the laser beam, but also to correct by removing the influence of the intensity distribution derived from the resonator structure caused by the wavelength conversion element. Thus, the sensitivity of light absorption measurement can be increased. In addition, it is not necessary to secure a space for newly arranging the reference substance at the time of measurement, and complicated measurement work such as alignment of the optical axis of the reference light path is eliminated, and the measurement system can be reduced in size. As a result, it is possible to realize a light absorption measurement with higher sensitivity and a smaller size, and it is possible to detect a small amount of substance and measurement in a narrower space that could not be measured conventionally.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図1に、本発明の一実施形態に係る光吸収測定用レーザ光源および測定構成を示す。まず、本発明である光吸収測定用レーザ光源100について説明する。光吸収測定用レーザ光源100は、例えば2μm〜20μm帯の波長のレーザ光を出力することを想定しているが、ここではN2O(亜酸化窒素)を測定する4.6μm帯の中赤外光を出力する構成とした。光吸収測定用レーザ光源100は、周期的に分極反転された構造を持つ光導波路からなる波長変換素子105、励起光として1.06μmの波長を出力するDFB型半導体レーザ101、信号光として1.39μmの波長を出力するDFB型半導体レーザ102、波長変換素子から出力された光を分岐するハーフミラー106、5%の濃度のH2O(水)を封じ込めた小型の参照セル107から構成されている。
FIG. 1 shows a laser light source for light absorption measurement and a measurement configuration according to an embodiment of the present invention. First, the
尚、参照セル107は被測定物質であるN2Oガスを含んでいない。含まないとは、光吸収測定においてその影響を及ぼしえない検出限界以下しか含まないという意味である。また、参照セル107は、光軸調整等の煩雑な作業の必要が無く容易に取り替えることができるように実装されており、被測定物質に応じて参照物質も簡単に交換できる。 Note that the reference cell 107 does not contain N 2 O gas which is a substance to be measured. The term “not included” means that it contains only a detection limit or less that cannot affect the light absorption measurement. The reference cell 107 is mounted so that it can be easily replaced without the need for complicated operations such as optical axis adjustment, and the reference material can be easily replaced according to the substance to be measured.
以下図1のように、励起光または信号光を増幅するために光ファイバアンプ103を備えていても良く、ここではDFB型半導体レーザ101の出力光である1.06μmの励起光を増幅するために、Ybドープの光ファイバアンプであるYDFAを用いた。
As shown in FIG. 1, an
励起光と信号光は、例えば光カプラ等の合波器104で結合され、波長変換素子105に導入される。合波された光は波長変換素子105内でレンズにより導波路素子に結合され、差周波発生により4.6μm帯の光に変換される。本実施形態では、波長変換素子105としてZnをドープしたニオブ酸リチウム(LN)からなる、幅20μm、高さ15μm、長さが50mm、分極反転周期26μmの導波路を用いた。導波路はベース基板となるタンタル酸リチウム(LT)と熱拡散を用いた直接接合により接合されており、ダイシングソーにより導波路構造を作製した。
The excitation light and the signal light are combined by a
尚、波長変換素子105の材料、サイズ、作製方法は一例であり、上記に限定されるものではない。波長変換素子105は、LN、LT、ZnもしくはMgが添加されているLN、LT、又はそれらの混晶から構成された導波路構造を有していてもよい。
In addition, the material, size, and manufacturing method of the
波長変換素子105から出力された光の一部は光吸収測定用のレーザ光として出力ポート109から出力され、分岐手段であるハーフミラー106により分岐された残りの光は参照物質が封入された小型参照セル107を透過し、ミラー108によって光路を調整され、参照光として出力ポート110から出力される。
Part of the light output from the
増幅された励起光として500mW、信号光として50mWを入力したところ、出力ポート109から0.75mW、出力ポート2から、水の吸収線以外の波長領域で0.25mWの出力を得た。
When 500 mW was input as the amplified excitation light and 50 mW was input as the signal light, an output of 0.75 mW was obtained from the
図2に、光によるガス吸収のデータベースであるHITRANを利用した、100Torrにおける大気成分ガスの吸収線のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションでは、端数2205.69cm−1(波長4533.7μm)の吸収線を測定するため、2205.2cm−1付近に吸収線を持つ水を参照物質として選択したが、参照物質は吸収線に合わせて自由に選択してよく、本実施例に縛られるものではない。 FIG. 2 shows a simulation result of atmospheric component gas absorption lines at 100 Torr using HITRAN, which is a gas absorption database for light. In this simulation, water having an absorption line in the vicinity of 2205.2 cm −1 was selected as a reference substance in order to measure an absorption line with a fraction of 220.69 cm −1 (wavelength 4533.7 μm). They can be freely selected and are not limited to the present embodiment.
N2Oを測定する場合、上述の水の他、例えばCO2(二酸化炭素)、CO(一酸化炭素)等も用いることが出来る。波長変換素子105から出力される光の分岐手段も同様に本実施例に限らない。参照セル107として小型のガスセルを採用すれば、レーザ光源のサイズを小さく済ませることができる。
When N 2 O is measured, for example, CO 2 (carbon dioxide), CO (carbon monoxide), or the like can be used in addition to the water described above. Similarly, the branching means for the light output from the
また、出力ポート110の直後にコリメート用レンズ113、近赤外光を除去するGeフィルタ114、光検出器118を設置することができ、参照光用の光軸あわせが非常に簡単になった。これにより参照物質を光源の外部に設置した場合に比較して、ガス測定系に必要なスペースを従来の30%以上削減できた。
In addition, a
また、参照セル107を準備する必要、およびそれに伴うわずらわしい光軸調整等の作業が不要であるため、測定に要する時間もおよそ20%短縮することができた。出力ポート109から出力された光はコリメート用レンズ111、Geフィルタ112を経て測定用のガスセルであるマルチパスセル115へ導入され、測定ガスを透過した後、光検出器116により検出される。
Moreover, since it is not necessary to prepare the reference cell 107 and the troublesome adjustment of the optical axis associated therewith, the time required for the measurement can be shortened by about 20%. The light output from the
本実施形態では、測定光および参照光を検出する光検出器116、118として、電子冷却型のInSbを用い、測定には波長変調測定法を用いた。波長掃引のためのランプ波および変調のための正弦波はファンクションジェネレータ120によって発生させ、信号光用のレーザドライバを介して波長掃引および変調を行った。ランプ波の周期は0.1Hz、変調周波数は15kHzであった。測定光および参照光の検出信号のうち、変調の倍波である2f成分がロックインアンプ117、119により抽出され、信号処理装置121で演算され濃度に変換される。光検出器の種類、ランプ光の周期、変調周波数は測定に合わせて適切なものを選択することができる。
In this embodiment, as the
また、本発明に係る光吸収測定用レーザ光源では、予め測定光と参照光の分岐比を測定しておいた状態で、測定信号を参照信号で割る処理を行うことで、半導体レーザ101、102の出力信号の揺れを除去することができる。また、測定ガスの吸収線と参照物質の吸収線の間隔は一定で既知であるため、参照物質の吸収線のずれから半導体レーザ101、102の出力波長のシフトを把握し、測定ガスの吸収線のずれを補正することができる。
In the laser light source for light absorption measurement according to the present invention, the
図3に、27ppbの濃度のN2Oガスを測定した波長変調分光スペクトルの生波形を示す。吸収ピークの周辺に、波長変換素子105の共振器構造に由来する干渉のための強度分布(干渉縞)の存在が確認できる。吸収ピークの大きさがこの干渉縞と同程度にまで小さくなった濃度では、ピーク中の成分の大半が干渉縞で占められることになるため、分解能の劣化により測定限界となる。そこで、強度をそろえた後、測定スペクトルから参照スペクトルを差し引くことで、この干渉縞を差し引くことが可能である。
FIG. 3 shows a raw waveform of a wavelength modulation spectrum obtained by measuring N 2 O gas having a concentration of 27 ppb. The presence of an intensity distribution (interference fringes) for interference originating from the resonator structure of the
図4に、強度をそろえた後に測定スペクトルから参照スペクトルを差し引いた差スペクトルを示す。本発明では、参照物質として測定物質を実質的に含まないため、差スペクトルをとった場合に測定対象である吸収ピーク成分に影響を与えずに干渉縞のみを除去することができる。これにより測定能力が向上し、限界濃度を従来の1/3にまで抑えることが出来る。このようなスペクトルの補正作業には参照光が必要であるが、参照セル107を光源100に備えることで、非常に容易に補正を行い、検出感度を向上させることができる。
FIG. 4 shows a difference spectrum obtained by subtracting the reference spectrum from the measured spectrum after aligning the intensities. In the present invention, since the measurement substance is substantially not included as the reference substance, only the interference fringes can be removed without affecting the absorption peak component to be measured when the difference spectrum is taken. As a result, the measuring ability is improved, and the limit concentration can be reduced to 1/3 of the conventional one. Reference light is required for such spectrum correction work, but by providing the reference cell 107 in the
上述してきたように、従来とは異なる、被測定対象物質を実質的に含まない物質を参照物質とし、参照セルを光源内に備える工夫によって、従来よりも省スペースの測定構成になり、また参照セルの準備や交換にわずらわしい光軸調整等の作業が不要となり測定に要する時間の短縮が可能となった。また、容易に参照光を利用できることで、従来の光源に存在した半導体レーザの出力変動、レーザの出力波長の変動、素子の共振器構造に由来する干渉縞の影響を容易に除去し、高感度な測定を行うことができる。 As described above, a material that does not substantially contain the target substance to be measured is used as a reference material, and a reference cell is provided in the light source, resulting in a space-saving measurement configuration and a reference. Work such as optical axis adjustment, which is troublesome for cell preparation and replacement, is no longer necessary, and the time required for measurement can be shortened. In addition, because the reference light can be used easily, the influence of interference fringes derived from the fluctuations in the output of the semiconductor laser, the fluctuations in the output wavelength of the laser, and the resonator structure of the elements that existed in conventional light sources can be easily removed. Measurements can be made.
100、500 光吸収測定用レーザ光源
101、102、501、502 DFB型半導体レーザ
103 光ファイバ増幅器
104、503 合波器
105、504 波長変換素子
106、512 ハーフミラー
107、513 参照セル
108 ミラー
109、110 出力ポート
111、113、505 コリメート用レンズ
112、114、506 Geフィルタ
115、507 マルチパスセル
116、118、508、514 光検出器
117、119、509、515 ロックインアンプ
120、510 ファンクションジェネレータ
121、511 信号処理装置
100, 500 Laser light source for
Claims (6)
2つ以上の出力周波数の異なる半導体レーザ、
前記各半導体レーザからの出力光を合波する合波器、
前記合波器から出力された出力光が入射する、周期的に分極反転された非線形光学材料からなる波長変換素子、
前記波長変換素子から出力された出力光を分岐する分岐手段、
前記分岐手段で分岐された第1の分岐光を出力する第1の出力ポート、
前記分岐手段で分岐された第2の分岐光が入射する参照物質が入った参照セル、および
前記参照セルを透過した透過光を出力する第2の出力ポート、
を備え、前記参照物質は、前記第1の出力ポートから出射される出力光を用いて被測定物質を測定した結果から検出されない物質である、光吸収測定用レーザ光源と、
前記被測定物質が入ったマルチパスセルと、
前記マルチパスセルを透過した前記第1の出力ポートから出射された出力光を検出する第1の光検出器と、
前記第2の出力ポートから出射された出力光を検出する第2の光検出器と、
前記第1の光検出器の測定結果と前記第2の光検出器の測定結果との強度をそろえ、前記第1の光検出器の測定結果から前記第2の光検出器の測定結果を引くことにより、前記波長変換素子の干渉縞を除去する信号処理装置と、
を備えたことを特徴とする光吸収測定装置。 A laser light source for measuring light absorption,
Two or more different semiconductor lasers with different output frequencies,
A multiplexer for multiplexing the output light from each of the semiconductor lasers;
A wavelength conversion element made of a nonlinear optical material periodically polarized in which the output light output from the multiplexer is incident;
Branching means for branching the output light output from the wavelength conversion element;
A first output port for outputting the first branched light branched by the branching means;
A reference cell containing a reference material into which the second branched light branched by the branching unit is incident, and a second output port that outputs transmitted light that has passed through the reference cell;
The reference substance is a substance that is not detected from the result of measuring the substance to be measured using the output light emitted from the first output port;
A multipass cell containing the substance to be measured;
A first photodetector for detecting output light emitted from the first output port that has passed through the multipath cell;
A second photodetector for detecting output light emitted from the second output port;
The intensity of the measurement result of the first photodetector and the measurement result of the second photodetector are aligned, and the measurement result of the second photodetector is subtracted from the measurement result of the first photodetector. A signal processing device for removing interference fringes of the wavelength conversion element;
A light absorption measuring device comprising:
前記各半導体レーザからの出力光を合波する合波器と、
前記合波器から出力された出力光が入射する、周期的に分極反転された非線形光学材料からなる波長変換素子と、
前記波長変換素子から出力された出力光を分岐する分岐手段と、
前記分岐手段で分岐された第1の分岐光を出力する第1の出力ポートと、
前記分岐手段で分岐された第2の分岐光が入射する参照物質が入った参照セルと、
前記参照セルを透過した透過光を出力する第2の出力ポートと、
を備え、前記参照物質は、前記第1の出力ポートから出射される出力光を用いて被測定物質を測定した結果から検出されない物質であることを特徴とする光吸収測定用レーザ光源。 Two or more semiconductor lasers having different output frequencies;
A multiplexer that multiplexes output light from each of the semiconductor lasers;
A wavelength conversion element made of a nonlinear optical material periodically polarized in which the output light output from the multiplexer is incident;
Branching means for branching the output light output from the wavelength conversion element;
A first output port for outputting the first branched light branched by the branching means;
A reference cell containing a reference material into which the second branched light branched by the branching unit is incident;
A second output port for outputting transmitted light that has passed through the reference cell;
And the reference substance is a substance that is not detected from the result of measuring the substance to be measured using the output light emitted from the first output port.
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