JP2015015310A - レーザ装置及びガス成分計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザラマン型のガス分析計に適用するレーザ装置及びガス成分計測装置を提供する。
【解決手段】レーザ装置１０は、レーザ装置本体１１内に設けられ、レーザ結晶１２にレーザ光１３を連続発振させて、基本波（１０６４ｎｍ）のレーザ光１４を励起する半導体レーザ１５と、前記レーザ結晶１２を挟むように対向して設けられ、励起された基本波のレーザ光１４を１００％共振させるリアミラー１６及び出力ミラー１７と、前記出力ミラー１７と前記レーザ結晶１２との間に設けられ、第２高調波のレーザ光１８を発生させる非線形光学結晶１９と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザラマン型のガス分析計に適用するレーザ装置に関するものである。

従来、燃料ガス中のガス成分（ＣＯ₂、Ｎ₂、Ｈ₂、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ，ＣＨ₄、ＮＨ₃等）の濃度をレーザ装置により計測することが知られている（特許文献１及び２）。

特開２００５−２４２４９号公報 特開２０１１−１１２５４６号公報

しかしながら、従来技術のガス成分計測装置では、レーザ装置から照射された第１のレーザ光（波長：１０６４ｎｍ）をレーザ装置の外部に設けた波長変換器で半分の波長（５３２ｎｍ）の可視光域の第２のレーザ光に変換している構成としているので、例えば第２のレーザ光の出力を１Ｗ得たい場合には、少なくとも２Ｗ以上の高い出力の第１のレーザ光をレーザ装置から出射する必要があり、レーザ装置が大掛かりとなる、という問題がある。

よって、簡易な構成となるレーザラマン型のガス成分計測装置に適用するレーザ装置の出現が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、簡易な構成となるレーザラマン型のガス分析計に適用するレーザ装置及びガス成分計測装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、レーザ装置本体内に設けられ、レーザ結晶にレーザ光を連続発振させて、基本波のレーザ光を励起する半導体レーザと、前記レーザ結晶を挟むように対向して設けられ、励起された基本波のレーザ光をリアミラー及び出力ミラーと、前記出力ミラーと前記レーザ結晶との間に設けられ、第２高調波のレーザ光を発生させる非線形光学結晶と、を具備することを特徴とするレーザ装置にある。

第１の発明によれば、レーザ装置本体内で、連続発振のレーザ光により励起された基本波のレーザ光をレーザ結晶により励起させ、この励起されたレーザ光を出力ミラーとリアミラーとで共振させ、この共振と共に、非線形光学結晶により第２高調波のレーザ光とするので、レーザ装置から出射する際の第２高調波のレーザ光を低出力で出射することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記リアミラーと出力ミラーとが基本波のレーザ光を１００％反射することを特徴とするレーザ装置にある。

第２の発明によれば、基本波のレーザ光を１００％反射するので、共振効率が向上する。

第３の発明は、第１又は２のレーザ装置と、前記レーザ装置から出射される第２高調波のレーザ光を伝送する送光用光ファイバと、前記送光用光ファイバにより送光されたレーザ光を被測定ガス内に導入する送光部と、被測定ガス内で発生したラマン散乱光を受光する集光部と、前記集光部で受光したラマン散乱光を送光する受光用光ファイバと、前記受光用光ファイバで伝送されたラマン散乱光を検出する光検出装置とを具備することを特徴とするガス成分計測装置にある。

第３の発明によれば、レーザ装置は連続発振のレーザ光とするので、レーザ光を光ファイバで送光する際に、従来のパルスレーザを用いる場合に比べて、一時的な大出力のフラッシュランプによる励起するものではないので、光ファイバ端面の損傷が防止される。

本発明によれば、レーザ装置本体内で、連続発振のレーザ光により励起された基本波のレーザ光をレーザ結晶により励起させ、この励起されたレーザ光を出力ミラーとリアミラーとで共振させ、この共振と共に、非線形光学結晶により第２高調波のレーザ光とするので、レーザ装置から出射する際の第２高調波のレーザ光を低出力で出射することができる。

図１は、実施例１に係るレーザ装置の概略図である。 図２は、実施例２に係るガス成分計測装置の概略図である。 図３は、従来技術のレーザ装置の構成の概略図の概略構成図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、実施例１に係るレーザ装置の概略図である。図１に示すように、本実施例に係るレーザ装置１０は、レーザ装置本体１１内に設けられ、レーザ結晶１２にレーザ光１３を連続発振させて、基本波（１０６４ｎｍ）のレーザ光１４を励起する半導体レーザ１５と、前記レーザ結晶１２を挟むように対向して設けられ、励起された基本波のレーザ光１４を１００％共振させるリアミラー１６及び出力ミラー１７と、前記出力ミラー１７と前記レーザ結晶１２との間に設けられ、第２高調波のレーザ光１８を発生させる非線形光学結晶１９と、を具備するものである。

本実施例では、励起レーザとして半導体レーザ１５から連続発振のレーザ光１３を用いてレーザ結晶１２に導入し、基本波のレーザ光１４を得るものである。
ここで、レーザ結晶１２としては、例えばＮｄ：ＧｄＶＯ₄、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＶＯ₄、等の結晶を用いることができ、波長が１０６４ｎｍのレーザを得る。
この際の半導体レーザ１５の波長は例えば８０８ｎｍのものを用いている。

この励起された波長１０６４ｎｍの基本波のレーザ光１４をリアミラー１６と出力ミラー１７との間で共振させるようにしている。

この際、出力ミラー１７と前記レーザ結晶１２との間に、第２高調波のレーザ光１８を発生させる非線形光学結晶１９を設けているので、発振と共に、波長が半分の５３２ｎｍの第２高調波のレーザ光１８を発生させることとなる。

この非線形光学結晶１９としては、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）、ＫＤＰ（ＫＨ₂ＰＯ₄）などの２倍の周波数で波長が半分となる光を創出することのできる結晶を用いることができる。

このレーザ装置によれば、レーザ装置本体１１内で、連続発振のレーザ光１３により励起された基本波のレーザ光１４をレーザ結晶１２により励起させ、この励起された基本波のレーザ光１４を出力ミラー１６とリアミラー１７とで共振させ、この共振と共に、非線形光学結晶１９により第２高調波のレーザ光１８とするので、レーザ装置本体１１から出射する際の第２高調波のレーザ光１８を低出力で出射することができ、レーザラマン型のガス分析計に適用することが可能となる。

図３は、従来技術のレーザ装置の構成の概略図である。
図３に示すように、従来のようにパルス型レーザ装置３１内で基本波のレーザ光１４を先ず発振させ、その基本波のレーザ光１４を外部に出射させて、ついで非線形光学結晶１９を用いて第２の高調波のレーザ光１８を得る場合には、第２の高調波のレーザ光１８の出力として１Ｗの出力を得たい場合には、基本波のレーザ光１４の出力は少なくとも２倍の２Ｗの出力とする必要があり、レーザ装置の大型化となっていた。

これに対して、本実施例では、レーザ装置本体１１内で、第２高調波を得ることができるので、出力が１Ｗの第２高調波のレーザ光１８とすることで、レーザ装置がコンパクトになる。

また、基本波のレーザ光１４を外部に放出する必要がないので、リアミラー１６と出力ミラー１７とが基本波のレーザ光１４を１００％反射するミラー構成とすることとしているので、共振効率が向上する。

なお、第２高調波（５３２ｎｍ）のレーザ光１８については、外部に出射するために、出力ミラー１７については、その出力に必要なための反射特性を備えたミラー特性としている。

ここで、石炭ガスを使用した火力発電では、石炭ガス化炉にて生成される生成ガスを燃料として、ガスタービン等の発電設備に導いて使用している。発電設備では、目標とする発電量が設定されており、それに応じて生成ガスの発熱量を制御することが重要である。本実施例に係るレーザ装置を用いることにより、水分を含むガス化炉からの燃料ガスの組成の迅速分析が可能となる。

図２は、実施例２に係るガス成分計測装置の概略図である。なお、実施例１に係るレーザ装置の構成と重複する部材には同一符号を付してその説明は省略する。図２に示すように、本実施例に係るガス成分計測装置２０は、実施例１に係るレーザ装置１０と、レーザ装置１０から出射される第２高調波（５３２ｎｍ）のレーザ光１８を伝送する送光用光ファイバ２１と、送光用光ファイバ２１により送光された第２高調波のレーザ光１８を被測定ガスである燃料ガス２２が導入させるガス通路２３ａ内に導入する送光部２４と、ガス通路２３ａ内の測定領域２５で発生したラマン散乱光２６を受光する集光部２７と、前記集後部２７で受光したラマン散乱光２６を送光する受光用光ファイバ２８と、前記受光用光ファイバ２８で伝送されたラマン散乱光２６を検出する分光器２９ａと光検出器２９ｂとからなる光検出装置２９とを具備するものである。３０はビームダンパを図示する。

図２に示すように測定領域２５のガス通路２３ａは、燃料供給母管２３から分岐される計測用のラインとしている。

このガス成分計測装置２０を用いて、測定領域２５で発生したラマン散乱光２６を分光器２９ａで分光して光検出器２９ｂで計測することにより、燃料ガス２２中のガス成分を計測することができる。

ここで、前記光検出器２９ｂとしては、ＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ等を用いることができる。

以下、レーザ計測の手順を説明する。先ず、図２に示すように、レーザ装置１０からの波長５３２ｎｍの第２高調波のレーザ光１８は、送光用光ファイバ２１を介して防爆エリア内のガス通路２３ａに設けられた送光部２４に送光される。そして送光部２４から測定領域２５側へレーザ光１８を集光させ、ガス通路２３ａ内の測定領域２５内にレーザ光１８を入射させる。

このレーザ照射によって測定領域２５の中心部から散乱されたラマン散乱光２６は、例えば集光部２７で集光され、受光用光ファイバ２８を経由して分光器２９ａで分光され、該分光器２９ａに接続された光検出器２９ｂにより各波長の光の強度を計測する。前記光検出器２９ｂからの計測データは、図示しない制御装置のデータ処理手段（ＣＰＵ）に送られ、ここで組成から燃料カロリが算出される。

本実施例のガス成分計測装置２０を用いることにより、レーザ装置１０は連続発振のレーザ光とするので、レーザ光を送光用光ファイバ２１で送光する際に、従来のパルスレーザを用いる場合に比べて、一時的な大出力のフラッシュランプによる励起するものではないので、光ファイバ端面の損傷が防止される。この結果、長期間にわたって安定して計測が可能となる。

すなわち、従来のパルス発振によるレーザ装置では、パルスレーザ光のピーク値が高い出力であるので、送光用光ファイバの端面の損傷がある。これに対し、実施例１のレーザ装置１０を用いているので、半導体レーザ１５を連続発振レーザとする結果、一定の安定した低いピークであるので、ファイバ端面の損傷が防止される。

また、本実施例のように、光ファイバを用いて、計測のためのレーザ光１８及びラマン散乱光２６を送光できるので、例えば防爆エリア内にレーザ装置を設置する必要がなくなり、ガス成分計測装置が安価となる。

１０ レーザ装置
１１ レーザ装置本体
１２ レーザ結晶
１３ レーザ光
１４ 基本波（１０６４ｎｍ）のレーザ光
１５ 半導体レーザ
１６ リアミラー
１７ 出力ミラー
１８ 第２高調波のレーザ光
１９ 非線形光学結晶

Claims (3)

1. レーザ装置本体内に設けられ、レーザ結晶にレーザ光を連続発振させて、基本波のレーザ光を励起する半導体レーザと、
   前記レーザ結晶を挟むように対向して設けられ、励起された基本波のレーザ光をリアミラー及び出力ミラーと、
   前記出力ミラーと前記レーザ結晶との間に設けられ、第２高調波のレーザ光を発生させる非線形光学結晶と、を具備することを特徴とするレーザ装置。
2. 請求項１において、
   前記リアミラーと出力ミラーとが基本波のレーザ光を１００％反射することを特徴とするレーザ装置。
3. 請求項１又は２のレーザ装置と、
   前記レーザ装置から出射される第２高調波のレーザ光を伝送する送光用光ファイバと、
   前記送光用光ファイバにより送光されたレーザ光を被測定ガス内に導入する送光部と、
   被測定ガス内で発生したラマン散乱光を受光する集光部と、
   前記集光部で受光したラマン散乱光を送光する受光用光ファイバと、
   前記受光用光ファイバで伝送されたラマン散乱光を検出する光検出装置とを具備することを特徴とするガス成分計測装置。

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