JP2015219040A

JP2015219040A - 同位体比測定装置及び同位体比測定方法

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Publication number: JP2015219040A
Application number: JP2014100939A
Authority: JP
Inventors: 吉村　了行; Ryoko Yoshimura; 了行吉村; 神徳　正樹; Masaki Kamitoku; 正樹神徳; 彰啓 ▲薮▼下; Akihiro Yabushita
Original assignee: Kyoto University; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Kyoto University; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2015-12-07

Abstract

【課題】超高精度で大掛かりな温調機構を用いなくても、高精度で同位体比測定を行うことができる同位体比測定装置を提供する。【解決手段】二酸化炭素の近赤外乃至中赤外域に存在する12Ｃ16Ｏ2及び13Ｃ16Ｏ2の吸収線強度を測定することにより炭素の同位体比を測定する同位体比測定装置において、12Ｃ16Ｏ2及び13Ｃ16Ｏ2を導入するセル７と、12Ｃ16Ｏ2の吸収線の波長と一致する発振波長の第１のレーザ光及び13Ｃ16Ｏ2の吸収線の波長と一致する発振波長の第２のレーザ光を出射するレーザ光源５と、12Ｃ16Ｏ2及び13Ｃ16Ｏ2が導入されているセルを通過した第１のレーザ光及び第２のレーザ光を検出する光検出器１２とを備えた。12Ｃ16Ｏ2及び13Ｃ16Ｏ2の吸収線が同一の振動回転遷移のペアである。【選択図】図３

Description

本発明は、同位体比測定装置及び同位体比測定方法に関し、より詳細には、レーザ分光技術を用いて二酸化炭素などのガスの同位体比を測定する同位体比測定装置及び同位体比測定方法に関する。

半導体レーザを分光用光源として用い、ガス分析計等に応用する波長可変レーザ吸収分光法（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy；以下、レーザ分光法、又はＴＤＬＡＳと記す）（非特許文献１）と呼ばれる技術が近年注目されている。

図１を参照して、レーザ分光法の大まかな動作原理を説明する。図１（ａ）に示すように、レーザ光源１から出射し被検査物３へ入射したレーザ光２を光検出器４で受光する。レーザ分光法では、レーザ光源１の発振波長を図１（ｂ）のように繰り返し掃引する。掃引した波長範囲内に被検査物３の吸収線がある場合、光検出器４が受光する受光強度には図１（ｃ）に示すように被検査物３の吸収線に対応したディップが現れる。このディップの位置と深さにより被検査物のガス種と濃度を測定・分析するというのがレーザ分光法の基本的な動作原理である。

実際の応用では、図１（ｂ）に示すような鋸波の上に、より繰り返し周波数の高い正弦波を重畳させレーザを駆動し、受光した信号をロックイン検波する波長変調分光法（Wavelength Modulation Spectroscopy）、または周波数変調分光法（Frequency Modulation Spectroscopy）（非特許文献２参照）と呼ばれる方法や、被測定ガスを高反射率ミラーを用いた光学キャビティの中で往復させることにより実効光路長を長くして高感度化するキャビティリングダウン分光法（Cavity Ring Down spectroscopy）を代表とするキャビティ増幅吸収分光法（Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy）など、種々の高感度化手法が多く用いられている。

レーザ分光法は高感度、高分解能なガス分析法であるため、単にガスの濃度を測定するだけでなく、同位体比を測定する分析法として注目されている。

同位体比測定について、二酸化炭素を例として説明する。自然界に存在する二酸化炭素はそのほとんどは、質量数１２の炭素原子1つと質量数１６の酸素原子２つとからなる¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂であるが、ごく微量ながら質量数１３の炭素や質量数１８の酸素の同位体原子を含む、¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂や¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏなどの同位体分子が存在する。これらの存在比（¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂／¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂や¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏ／¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂）を測定するのが同位体比測定である。

これらの同位体分子は化学的性質にほとんど違いがないため、化学的な分析法では同位体比を測定することは難しかったが、吸収線の波長は同位体分子ごとに異なるため、レーザ分光法を用いると同位体比を測定することができる。

レーザ分光法を用いて同位体比測定をする場合、各々の同位体分子の濃度・吸収強度を測定するためにどの吸収線を選択するかは極めて重要であるが、その説明を¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂／¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の測定を例として説明する。

図２は２μｍ帯（１．９９〜２．０５μｍ）における¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の位置（波長）と吸収強度を示す図である。図２から¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線は各々多数の吸収線が重なり合うように存在していることがわかる。二酸化炭素の吸収は１．６μｍ帯にもあることが知られており、よく利用されているが、２μｍ帯の吸収は１．６μｍ帯に比べおよそ２桁吸収線強度が強く、高感度化をするのに適した波長帯である。

非特許文献３に、２μｍ帯の吸収線を利用した¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂／¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂同位体比測定の例が記載されている。この測定例では下記の２つのペアが使われている。

これらの吸収線のペアは、吸収線強度が比較的大きいため高感度化のために有利であり、また、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長の差が０．２ｎｍ以下と小さく分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザの駆動電流制御のみで容易に掃引することができるため、１台の光源でかつ高速に測定できるという利点がある。従って、高感度化、低コスト化という観点で優れた選択であるということができる。

M. G. Allen, "Diode laser absorption sensors for gas-dynamic and combustion flows", Measurement Science and Technology, 9(4), pp. 545-562 (1998). G. C. Bjorklund, "Frequency-modulation spectroscopy: a new method for measuring weak absorption and dispersion," Opt. Lett. 5(1), pp. 15-17 (1980). K. Tanaka, and K. Tonokura, "Sensitive measurements of stable carbon isotopes of CO2 with wavelength modulation spectroscopy near 2 μm", Appl Phys B (2011) 105:463-469

しかしながら、一般的に吸収スペクトルは、温度・圧力が変わると、その形が変化してしまうという問題がある。特に、非特許文献３に示されたように、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂で異なる振動回転遷移を用いる場合には、温度・圧力変化によるスペクトル形の変化が異なるので、測定誤差を生じる原因となる。

また、測定誤差を小さく保つためには被測定ガスの温度を高精度で温調する必要があり、被測定ガスの温調の精度により、測定誤差が大きくなってしまうという問題もある。

被測定ガスの温調を超高精度で行い、測定誤差を小さく保つためには大掛かりな温調機構が必要となり、装置サイズが大きくなってしまい、コストも高くなるという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、超高精度で大掛かりな温調機構を用いなくても、高精度で同位体比測定を行うことができる同位体比測定装置及び方法を提供することにあり、また、小型化、低コスト化した同位体比測定装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本願発明の第１の態様は、二酸化炭素の近赤外乃至中赤外域に存在する被測定ガスの吸収線強度を測定することにより被測定ガスの同位体比を測定する同位体比測定装置である。この同位体比測定装置は、被測定ガスを導入するセルと、該セルに波長の異なるレーザ光を入射するレーザ光源と、セルを通過したレーザ光を検出する検出器とを備える。

一実施形態では、被測定ガスは、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂であり、同位体比測定装置は、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長と一致する発振波長の第１のレーザ光及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長と一致する発振波長の第２のレーザ光をそれぞれ出射するレーザ光源を備え、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線が同一の振動回転遷移のペアであり、炭素の同位体比を測定する。

一実施形態では、被測定ガスは¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏであり、同位体比測定装置は、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長と一致する発振波長の第１のレーザ光及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線の波長と一致する発振波長の第２のレーザ光をそれぞれ出射するレーザ光源を備え、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線が同一の振動回転遷移のペアであり、酸素の同位体比を測定する。

また、本願発明の第２の態様は、二酸化炭素の近赤外乃至中赤外域に存在する被測定ガスの吸収線強度を測定することにより被測定ガスの同位体比を測定する同位体比測定方法である。この方法は、被測定ガスを導入するステップと、該セルに波長の異なるレーザ光を入射するステップと、セルを通過したレーザ光を検出するステップとを備える。この同位体比測定方法は、例えば、被測定ガスを導入するセルと、該セルに波長の異なるレーザ光を入射するレーザ光源と、セルを通過したレーザ光を検出する検出器とを備えた同位体比測定装置で実施することができる。

一実施形態では、被測定ガスは、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂であり、同位体比測定方法は、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長と一致する発振波長の第１のレーザ光及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長と一致する発振波長の第２のレーザ光をセルに入射するステップを含む。¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線が同一の振動回転遷移のペアであり、炭素の同位体比を測定する。

一実施形態では、被測定ガスは、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏであり、同位体比測定方法は、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長と一致する発振波長の第１のレーザ光及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線の波長と一致する発振波長の第２のレーザ光をセルに入射するステップを含む。¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線が同一の振動回転遷移のペアであり、酸素の同位体比を測定する。

一実施形態では、第１のレーザ光及び第２のレーザ光は、２つのＤＦＢレーザが同一チップ上に集積された多波長半導体ＤＦＢレーザから発射され、被測定ガスが導入されているセルに入射される。第１のレーザ光の発振波長と第２のレーザ光の発振波長との差は、２０ｎｍ以上である。

本発明で提案する構成により、測定する¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂、及び¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線の温度特性の差を極めて小さく抑えることができ、さらに従来法のような超高精度で大掛かりな温調機構を用いなくても、高精度で同位体比測定を行うことができる。その結果として、同位体比測定装置の小型化、低コスト化をすることができる。

また、同一の振動回転遷移のペアを用いる場合、吸収線の波長差が大きくなり、通常一台の半導体ＤＦＢレーザで両方の波長をカバーすることは難しくなる。そのため、各々の波長用に１台ずつ半導体ＤＦＢレーザを用意する必要が生じる。これは、装置の小型化、低コスト化を阻害する要因になるが、本発明の方法を用いれば１台の多波長ＤＦＢレーザで両方の波長をカバーすることが可能となるため、前記の阻害要因を解決し、同位体比測定装置の小型化、低コスト化を実現することができる。

以上説明したように、本発明を用いれば、従来法のような超高精度で大掛かりな温調機構を用いなくても、高精度で同位体比測定を行うことができる。その結果として、同位体比測定装置の小型化、低コスト化をすることができる。

波長可変レーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ）の動作原理を説明するための図であり、（ａ）はＴＤＬＡＳの構成の概要構成を示す図を、（ｂ）は光源の駆動方法（時間と波長の関係）を説明する図を、（ｃ）は光検出器が受光する受光強度を説明する図である。２μｍ帯における¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の位置（波長）と吸収強度を示す図である。本発明の一実施形態にかかる同位体比測定装置の概略構成を示す図である。２μｍ帯における¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の位置（波長）と吸収強度を示す図に、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の同一の振動回転遷移のペアの例として、回転線がそれぞれＲ（１４）、Ｒ（１６）、Ｒ（１８）で振動モードが２ν₁＋ν₃の３ペアの位置を図示したものである。本発明の一実施形態にかかる同位体比測定装置を構成することができる多波長半導体ＤＦＢレーザ光源の一例の斜視図である。２μｍ帯における¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線の位置（波長）と吸収強度を示す図に、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの同一の振動回転遷移のペアの例として、回転線がそれぞれＲ（１４）、Ｒ（１６）、Ｒ（１８）で振動モードが２ν₁＋ν₃の３ペアの位置を図示したものである。振動回転スペクトル図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。ここでは、¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂／¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂を測定する同位体比測定装置を説明する。¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂／¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂を測定することにより炭素の同位体比を測定することができるが、¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏ／¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂を測定することにより酸素の同位体比を測定するための同位体比測定装置を構成することもできる。

（実施形態１）
図３は、本発明の第１の実施形態にかかる同位体比測定装置の概略構成図である。図３に示すように、本実施形態の同位体比測定装置は、レーザ光源５と、被測定ガス１０を封入するセル７と、セル７の温度を調整・制御するヒーター等からなる温調機構１１と、光検出器１２と、レーザ光源５、温調機構１１及び光検出器１２を制御しデータ処理する制御装置１３とを備える。

被測定ガス１０は吸入口８からセル内に吸入され、排出口９より排出され圧力が測定中ほぼ一定になるよう管理されている。例えば、吸入口８と排出口９に配置したマスフローコントローラ（不図示）により、圧力が一定となるように制御する。これにより、圧力変化によって引き起こされるスペクトル幅の変化の影響を低減する。

図３では簡略化のためシングルパスセルを利用した場合の図面を示したが、マルチパスセルを用いたり、または高反射率ミラーを用いた光学キャビティをセル内に構成してキャビティリングダウン分光法等のキャビティ増幅吸収分光法を用いるなどの高感度化技術を併用したりすることにより、より一層の高感度化を図ることもできる。

レーザ光源５は、２００４．０２ｎｍ、及び２０４０．９８ｎｍの近傍を掃引できるような半導体ＤＦＢレーザ光源から成る。この２波長を用いることにより、比較的吸収強度が強く、かつ¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂で同一の振動回転遷移（Ｒ（１６），２ν₁＋ν₃）を測定することができるため、高感度で、かつ被測定ガスの僅かな温度変化に起因する測定誤差を小さくすることが可能となる。そのため、従来の同位体比測定装置と比べ温調機構を簡素化することができるため、小型化、低コスト化を実現することが可能となる。なお、Ｒ（１６）の回転線は、回転量子数が１６であるＲ枝の吸収線である（以下、同様）。なお、図７に示すように、Ｒ枝とは、遷移（吸収）によって回転量子数が１増加する線のことで、Ｐ枝はその逆で１減少する線である。例えば、Ｒ（１６）は、下の振動準位における回転量子数が１６で上の振動準位における回転量子数が１７に対応する遷移である。

図４に、２μｍ帯における¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の位置（波長）と吸収強度を示す。本願発明は、（Ｒ（１６），２ν₁＋ν₃）の振動回転遷移のペアに限定されるものではなく、（Ｒ（１６），２ν₁＋ν₃）の振動回転遷移のペアと異なる別のペアを測定してもよい。例えば、（Ｒ（１４），２ν₁＋ν₃：¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂→２００４．５５ｎｍ、¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂→２０４１．５３ｎｍ）、（Ｒ（１８），２ν₁＋ν₃：¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂→２００３．５０ｎｍ、¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂→２０４０．４３ｎｍ）など、吸収強度が強く、同一の振動回転遷移のペアが多数存在するので、それら別のペアを利用してもよい。

いずれの振動回転遷移のペアを利用するにしても、吸収線の波長差は２０ｎｍ以上ある。１台の半導体ＤＦＢレーザがレーザへの注入電流制御でカバーできる波長差は、通常１ｎｍ程度までであり、レーザチップの温度制御を併用しても５ｎｍ程度が限界であるため、１台の半導体ＤＦＢレーザで２０ｎｍ以上の波長差をカバーすることは難しい。したがって、従来と同様に、基本的にはレーザ光源５は２台の半導体ＤＦＢレーザから構成されることになる。

（実施形態２）
上記構成では、温調機構の簡素化による同位体比測定装置の小型化、低コスト化は実現できたが、半導体ＤＦＢレーザが２台必要となるため、レーザ光源５に関しては、従来法と比べ逆にサイズ、コストともに不利になるという課題が残されている。

そこで、本実施形態においては、レーザ光源５に関するサイズ及びコストの課題を解決するため、レーザ光源５を図５に示すような２つのＤＦＢレーザが同一チップ上に集積された多波長半導体ＤＦＢレーザを用いることにより、光源部（レーザ光源５）の小型化、低コスト化を実現する。

図５に示す多波長半導体ＤＦＢレーザは、ｎ−ＩｎＰクラッド層１５と、ノンドープのバンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６と、１．６５％の歪みを持つＩｎＧａＡｓ井戸層とＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓ障壁層からなるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造（ＭＱＷ）発光層１７、ノンドープのバンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１８、ノンドープのバンドギャップ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１９が形成されている。その上に、ストライプ状のｐ−ＩｎＰクラッド層２０、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２１が形成されている。注入電流を分離するため、ストライプの脇にはＳｉＯ２層２２が形成され、その上にｐ型電極２３が形成されている。また、ｎ−ＩｎＰクラッド層１５の下にはｎ型電極１４が形成されている。

単一縦モード発振するＤＦＢレーザとするため、バンドギャップ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１９の左側のストライプ（ストライプ１）、右側のストライプ（ストライプ２）を含む部分には、それぞれ発振波長が２００４．０２ｎｍ、２０４０．９８ｎｍとなるように設計されたパラメータを持つ回折格子が電子ビーム露光及びウエットエッチングを用いて形成されている。

このようにして作製された多波長半導体ＤＦＢレーザは発振波長が２０ｎｍ以上離れた¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の同一の振動回転遷移のペアをワンチップでカバーすることができるため、本実施形態の構成を用いることにより、温調機構を簡素化し、さらに光源部（レーザ光源５）のサイズ及びコストを増大させること無く、同位体比測定装置の小型化、低コスト化を実現することができる。

本実施形態では、波長２００４．０２ｎｍ及び２０４０．９８ｎｍに存在する（Ｒ（１６），２ν₁＋ν₃）の振動回転遷移のペアを選択したが、（Ｒ（１４），２ν₁＋ν₃）：¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂→２００４．５５ｎｍ、¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂→２０４１．５３ｎｍ）、（Ｒ（１８），２ν₁＋ν₃）：¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂→２００３．５０ｎｍ、¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂→２０４０．４３ｎｍ）など、吸収強度が強く、同一の振動回転遷移の他の多数の吸収線のペアを選択することもできることは明らかである。

本実施形態では、図５に示すようなリッジ構造のＤＦＢレーザを作製したが、本発明は、活性層の発光波長が制御できていれば良く、その効果はレーザの構造に依らないことは明らかである。すなわち、ｐ−ＩｎＰとｎ−ＩｎＰで交互に埋め込んだｐｎ埋め込み構造や、半絶縁性ＩｎＰで埋め込んだ埋め込み構造のＤＦＢレーザも適用できることは明らかである。また、本実施形態では直線導波路を用いたが、各レーザの出射端を近接させた湾曲した導波路、別途導波路層を設けて合波器（カプラ）により単一の出射端とする構造でも適用できることは明らかである。

図６に、２μｍ帯における¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線の位置（波長）と吸収強度を示す。例えば、図６に図示した、（Ｒ（１４），２ν₁＋ν₃）：¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂→２００４．５５ｎｍ、¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏ→２０３４．５５ｎｍ）、（Ｒ（１６），２ν₁＋ν₃）：¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂→２００４．０２ｎｍ、¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏ→２０３４．０３ｎｍ）、（Ｒ（１８），２ν₁＋ν₃）：¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂→２００３．５０ｎｍ、¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏ→２０３３．５２ｎｍ）などの吸収線強度が強く、同一の振動回転遷移ペアを選択すればよい。

いずれの吸収線のペアを利用するにしても、吸収線の波長差は２０ｎｍ以上あるため、上述したように１台の半導体ＤＦＢレーザでカバーすることは難しいので、基本的にはレーザ光源５は２台の半導体DFBレーザから構成されることになるが、この場合も、図５に示すような２つのＤＦＢレーザが同一チップ上に集積された多波長半導体ＤＦＢレーザを用いることにより、光源部（レーザ光源５）を含めた装置の小型化、低コスト化を実現させることができる。

１レーザ光源
２レーザ光
３被検査物
４光検出器
５レーザ光源
６レーザ光
７セル
８吸入口
９排出口
１０被測定ガス
１１温調機構
１２光検出器
１３制御装置
１４ｎ型電極
１５ｎ−ＩｎＰクラッド層
１６ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
１７多重量子井戸構造（ＭＱＷ）発光層
１８ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
１９ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
２０ｐ−ＩｎＰクラッド層
２１ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
２２ＳｉＯ２層
２３ｐ型電極

Claims

二酸化炭素の近赤外乃至中赤外域に存在する¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線強度を測定することにより炭素の同位体比を測定する同位体比測定装置であって、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂を導入するセルと、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長と一致する発振波長の第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長と一致する発振波長の第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂が導入されている前記セルを通過した第１のレーザ光及び第２のレーザ光を検出する光検出器と
を備え、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線が同一の振動回転遷移のペアであることを特徴とする同位体比測定装置。
二酸化炭素の近赤外乃至中赤外域に存在する¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線強度を測定することにより酸素の同位体比を測定する同位体比測定装置であって、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏを導入するセルと、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長と一致する発振波長の第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線の波長と一致する発振波長の第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏが導入されている前記セルを通過した第１のレーザ光及び第２のレーザ光を検出する光検出器と
を備え、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線が同一の振動回転遷移のペアであることを特徴とする同位体比測定装置。
第１のレーザ光源と第２のレーザ光源は、同一チップ上に集積された多波長半導体ＤＦＢレーザであることを特徴とする請求項１又は２に記載の同位体比測定装置。
第１のレーザ光の発振波長と第２のレーザ光の発振波長との差は、２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の同位体比測定装置。
二酸化炭素の近赤外乃至中赤外域に存在する¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線強度を測定することにより炭素の同位体比を測定する同位体比測定方法であって、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂をセルに導入するステップと、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長と一致する発振波長の第１のレーザ光を前記セルに入射するステップと、
¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長と一致する発振波長の第２のレーザ光を前記セルに入射するステップと、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂が導入されている前記セルを通過した第１のレーザ光及び第２のレーザ光を検出するステップと
を備え、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線が同一の振動回転遷移のペアであることを特徴とする同位体比測定方法。
二酸化炭素の近赤外乃至中赤外域に存在する¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線強度を測定することにより酸素の同位体比を測定する同位体比測定装置であって、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏをセルに導入するステップと、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収線の波長と一致する発振波長の第１のレーザ光を前記セルに入射するステップと、
¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線の波長と一致する発振波長の第２のレーザ光を前記セルに入射するステップと、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏが導入されている前記セルを通過した第１のレーザ光及び第２のレーザ光を検出するステップと
を備え、
¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂及び¹⁶Ｏ¹²Ｃ¹⁸Ｏの吸収線が同一の振動回転遷移のペアであることを特徴とする同位体比測定方法。
２つのＤＦＢレーザが同一チップ上に集積された多波長半導体ＤＦＢレーザから前記セルに第１のレーザ光と第２のレーザ光とが入射されることを特徴とする請求項５又は６に記載の同位体比測定方法。
第１のレーザ光の発振波長と第２のレーザ光の発振波長との差は、２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の同位体比測定方法。