JP2019514000A - レーザ検出システム及び方法 - Google Patents

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Abstract

レーザ検出システムは、各レーザが一又は複数の異なった化合物の励起用の各々のレーザビームを発生するように構成された複数のレーザと、一定の容量のサンプルガスを収容するためのサンプルセルと、これらのレーザビームをサンプルセルに方向付けるよう構成された少なくとも１つの方向付けデバイスであってこれらのレーザビームをサンプルセルへ共通光学パスに沿って方向付けるよう構成されているものと、このレーザ検出システムはセルから出力される光を検出するための検出装置とを含んでいる。

Description

本発明は、レーザ検出システム及び方法、例えばレーザ吸収分光法に基づくガス分析用のシステム及び方法に関する。
様々な連続的な排出モニタリング機器は、種々の工業用地、例えば、種々の発電所、種々のプロセス産業工場、及び種々の商業上の輸送施設における産業汚染排出量をモニタすることが益々必要とされる。このニーズは、例えば、様々な効率改善、様々な健康及び安全性の考慮、及び様々な法的な要求から生ずる。排出される種々の化合物、例えば、二酸化硫黄、酸化窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水、及び酸素のある範囲についての色々な測定値を得ることが望ましい場合がある。
種々の公知のガス分析システムは、単一の化合物又は少数の化合物には感応する。様々な公知のシステムを用いて複数の化合物をカバーするために、非効率で、複雑で、更にかなりの空間を占めることになる可能性がある、幾つかの異なった連続的な排出モニタリング機器を設置することが必要となる場合がある。
本発明の第１の態様において、各レーザが一又は複数の異なった化合物の励起用の各々のレーザビームを発生するように構成された複数のレーザと、一定の容量のサンプルガスを収容するためのサンプルセルと、これらのレーザビームをサンプルセルに方向付けるよう構成された少なくとも１つの方向付けデバイスであって、これらのレーザビームをサンプルセルへ共通光学パスに沿って方向付けるよう構成されたものと、セルから出力される光を検出するための検出装置を含む、レーザ検出システムが提供される。
少なくとも１つの方向付けデバイスは、複数の光学部品を含み、複数の光学部品は、これらの光学部品の各々少なくとも１つが共通光学パスに沿ってレーザビームを方向付けるように配置されるように、レーザビームごとに配置されていてもよい。
これらの複数の光学部品は、略一直線に配置されていてもよい。
これらの複数の光学部品は、共通光学パス上に、複数のレーザビームがそれらの直径の少なくとも９０％、随意的にそれらの直径の少なくとも５０％、随意的にそれらの直径の少なくとも２０％、随意的にそれらの直径の少なくとも１０％だけオーバラップしてもよいように配置されてもよい。これらのレーザビームは、赤外光又は可視光、又は任意の他の適切な波長又は電磁スペクトルの任意の適切な部分からの光を含んでいてもよい。
複数のレーザの各々は、動作に際して、これらのレーザの各々がそのレーザビームを直線に略直交した方向へ複数の光学部品のその対応する少なくとも１つに伝達するように配置されていてもよい。これらのレーザの少なくとも１つは、随意的に各々は、量子カスケードレーザを含んでいてもよい。
これらの光学部品の少なくとも１つは、平坦な又は非くさび形状（non-wedged）の光学部品を含んでいてもよく、随意的に、これらの光学部品の各々は、各々平坦な又は非くさび形状の光学部品を含んでいてもよい。
複数の光学部品は、少なくとも１つのミラー、随意的に少なくとも１つの部分反射ミラー及び／又は少なくとも１つのダイクロイックミラーとを含んでいてもよい。
これらの光学部品の各々は、０．１ｍｍから１ｍｍの範囲の厚さを有していてもよい。
これらの光学部品は直列に配置されてもよく、そして動作に際して、共通光学パスに結合するように各光学部品がその関連したレーザからのレーザビームを方向付けて、及び／又は共通光学パスに沿って直列の複数の先行する光学部品からのレーザビーム（複数も可）の通過を方向付けるか又は許容するように構成されていてもよい。
これらの光学部品の少なくとも１つは、随意的に各々は、少なくとも部分的に反射的であると共に少なくとも部分的に透過的であってもよい。
少なくとも１つの方向付けデバイスは、複数の光学部品の最後とサンプルセルとの間にステアリング光学系を含むと共にこれらのレーザビームを光学セル内へ方向付けるよう構成されていてもよい。
検出装置は複数の検出器を含んでいており、各検出器は、各々の波長又は一定範囲の複数の波長の光線を検出するように構成されていてもよい。
このシステムは、
複数のレーザビームが時間的にインターリーブされた複数のパルス化されたレーザビームであるように、複数のレーザの動作をコントロールするように構成されているコントローラを
更に含んでいてもよい。
このコントローラは、検出装置と複数のレーザの動作を同期化することにより、各検出信号が複数のレーザの各々一つに関連した一連の検出信号を得るように構成されていてもよい。
このコントローラは、各レーザビームが１ｋＨｚから２００ｋＨｚの範囲で、随意的１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲で、ある速度でパルス化されるようにこれらのレーザの動作をコントロールするように構成されていてもよく、及び／又はこのコントローラは、各レーザビームが１００ｎｓから５０００ｎｓの範囲の複数のパルス長を用いてパルス化されるようにこれらのレーザをコントロールするように構成されている。
このシステムは、複数の検出された光出力に基づいてＮＯｘの量を決定するように構成されている処理リソースを更に含んでいてもよい。
複数の化合物は、ＮＯ，ＮＯ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ，ＣＯ２，ＣＨ４，ＳＯ２，ＮＨ３，Ｃ２Ｈ２，及びＯ２の少なくとも一つを含んでいてもよい。
複数のレーザの各々は、赤外レーザ光線を発生するように構成されていてもよい。
複数のレーザの各々は、各々異なった波長又は一定範囲の複数の波長のレーザビームを発生するように構成されていてもよい。
複数の波長の複数の範囲の少なくとも一つは、随意的に各々は、以下の複数の範囲：５．２６３２から５．２３５６μｍ、６．１５３８から６．１１６２μｍ、４．４７４２から４．４７４３μｍ、７．４６２７から７．４３４９μｍ、０．７６０５から０．７５９９μｍ、及び１０．０から１０．２μｍから選択されてもよい。
検出装置は、複数のレーザと少なくとも１つの方向付けデバイスに対するサンプルセルの対向側に配置されていてもよい。
このシステムは、サンプル、随意的にリモートサンプルガスを、サンプルセルへ供給するように構成されたガス供給装置を更に含んでいてもよい。
このサンプルセルは、ヘリオットセル、マルチパスセルの少なくとも一つを含んでいてもよい。
このシステムは、連続的な排出モニタリングシステムであってもよい。
独立に提供される本発明の更なる態様において、複数の異なった化合物を検出する方法が提供され、この方法は、化合物のうちの一又は複数の異なったものをそれぞれ励起するための複数のレーザビームを発生する工程と、これらのレーザビームを共通光学パスに沿って一定の容量のサンプルガスを収容するためのサンプルセルに向けて方向付ける工程と、このセルから出力される光を検出する工程とを含む。
ある態様における種々の特徴は、任意の適切な組み合わせでその他の態様における種々の特徴として適用可能である。例えば、方法の夫々の特徴は、システムの夫々の特徴として適用可能であり、その逆も可能である。
本発明の種々の態様は、例によってのみ及び添付図面を参照して以下記載されるであろう
図１はレーザ分光システムの概略的な表現である。 図２は本レーザ分光システムのレーザモジュールの概略図である。 図３は本レーザ分光システム用のハウジングの概略図である。
発明の詳細な説明
図１はセンサ装置１２のサンプルセル１０内で収集されるガスを分析するためのレーザ分光システムの概略的な表現である。このシステムは、センサ装置１２に光学的に結合されているレーザモジュール１４を含んでいる。このシステムは、電子的に、電気的に又は別のやり方でレーザモジュール１４及びセンサ装置１２に接続されているコントローラ１６も含んでいる。このレーザモジュール１４は、図２に関連して以下でより詳しく記載されるように、複数のレーザ１８と、共通な光学パスに沿った複数のレーザからサンプルセル１０内へ複数のレーザビームを方向付けるよう配置された複数の光学部品２０の形態での少なくとも１つの方向づけデバイスとを含んでいる。
サンプルセル１０に加えて、センサ装置１２は複数のステアリング光学部品２２と、複数の検出器を含む検出装置２４とをまた含んでいる。これらの検出器は、サンプルセルからの光を検出するように構成されている。この光は、赤外光又は可視光、又は任意の他の適切な波長の又は電磁スペクトルの任意の適切な部分からの光であってもよい。コントローラ１６は、コントロールモジュール２６と、信号プロセッサ２８とを含んでいる。このコントロールモジュール２６は複数のレーザの動作を制御するように構成されており、更に信号プロセッサ２８は検出装置２４から得られる複数の信号を処理するように構成されている。このコントローラ１６は、例えば、適切にプログラムされたＰＣ又は他のコンピュータの形態であってもよく、又は専用の回路又は他のハードウェア、例えば一又は複数のＡＳＩＣｓ又はＦＰＧＡｓ又はハードウェア及びソフトウエアの任意の適切な混合を含んでいてもよい。このコントロールモジュール２６及び処理モジュールは、図１に示されるような同じコントローラ部品内に設けられるというより、幾つかの実施の形態においては分離した区別される複数の部品、例えば分離した複数の処理リソースとして提供されてもよい。
このサンプルセル１０は、光学的な入口開口部と、光学的な出口開口部とを有している。このサンプルセル１０は、例えば、へリオットセル又はサンプルセルの任意の他の適切なタイプであってもよい。図１のサンプルセル１０は、その中へガスのサンプルが導入及び収集できる容量を規定している。このガスは、関心のある一又は複数の異なった化合物を含むことができる。サンプルセル１０内で収集されるガス中のこれらの化合物の存在の表示は、サンプルセル１０を介して複数のレーザ１８からの光を通過させることによって決定できる。光が関心のある化合物の吸収スペクトル又は各吸収線に相当する波長範囲内に存在する場合、それがセルを通過する時の光の任意の吸収は、サンプル内の関心のある化合物の存在に起因していてもよい。一旦決定されたら、吸収のレベルはサンプル内の関心のある化合物の物理的な性質、例えば、濃度を決定すべく使用することができる。異なった化合物が異なった波長において吸収スペクトルを夫々有しているので、光の異なった波長がサンプルセル１０に供給される。
図２は、図１に示されるレーザ分光システムのレーザモジュール１４の一部のより詳しい概略図である。これらの光学部品２０は、一組の部分反射ミラー３２と、ダイクロイックミラー３４とを含んでいる。これらの部分反射ミラー３２は、第１のミラー３６と、第２のミラー３８と、第３のミラー４０と、第４のミラー４２、及び第５のミラー４４とを含んでいる。これらのレーザ１８は、第１のレーザ４６と、第２のレーザ４８と、第３のレーザ５０と、第４のレーザ５２と、第５のレーザ５４及び第６のレーザ５６とを含んでいる。これらの部分反射ミラー３２及びダイクロイックミラー３４は、共通光学パスに沿った複数のレーザ１８からポイント５８へ複数のレーザビームを方向付けるように構成されている。共通光学パスに沿ったポイント５８からサンプルセル１０へ合成されたレーザビーム３０を導くための付加的な複数のステアリング光学部品がシステム内に含まれているが、図２には示されていない。これらのレーザ４６，４８，５０，５２，５４，５６の各々は対応するミラー３６，３８，４０，４２，４４，３４を有している。これらの部分反射ミラー３２及びダイクロイックミラー３４は、一直線に配置されている。各ミラーは、４５度の角度でこの直線に対して傾斜している。この直線は第１のミラー３６からダイクロイックミラー３４へ次いでポイント５８への伝搬の方向を規定している。合成されたレーザビーム３０は伝搬方向に沿って伝搬する。
種々の任意の適切な部分反射ミラーを用いることが可能である。図２の実施の形態において、これらの部分反射ミラーの各々はフロントサーフィスのブロードバンド反射を制御すべく適用される光学的なコーティングを有する複数の被膜化赤外ＢａＦ２又はＣａＦ２ウインドウを含んでいる。種々の任意の他の適切な材料が複数の代替的な実施の形態において使用することができる。図２の実施の形態において、２つのコーティング、即ち８０：２０（８０％透過、２０％反射）及び５０：５０（５０％透過、５０％反射）が用いられる。これにより、出力パワーを（種々の実用限界内の）各レーザ用の一定の値に調和させるべく種々のレーザパワーが調整可能である。複数の代替的な実施の形態において、より多くの又はより少ないコーティングを使用することができる。図２の複数の部分反射ミラーの夫々のコーティングは、波長とくに関心のある複数の波長の前後における変化に対するそれらの応答における任意の変化分が減少又は最小化されるように、ブロードバンドとなるよう設計されている。
種々の任意の適切なダイクロイックミラーを使用可能である。図２の実施の形態において、ダイクロイックミラーは特定の波長よりも小さい光を反射させると共にこの特定の波長よりも大きい光を透過すべく適用される光学的なコーティングを有する被膜化赤外ＢａＦ２ウインドウを含んでいる。種々の他の任意の適切な材料が複数の代替的な実施の形態において使用できる。図２の実施の形態においては、このコーティングは波長が１μｍ未満の光を反射すると共に波長が１μｍより大である光を透過するようになっている。
他の複数の実施の形態において、ミラーの複数の他の適切なタイプ又は種々の光学的なデバイスが種々の部分反射ミラー及びダイクロイックミラーの代わりに使用することが可能である。例えば、幾つかの実施の形態において、ダイクロイックミラー又は部分反射ミラー以外のミラーが、ダイクロイックミラー３４の位置において例えば、ポイント５８より前の最後のミラー位置において、使用することが可能である。このようなミラーは、より多くのパワーをセル内へ導入すべく最後の位置において使用可能である。これはいかなるレーザも最終位置を通過する必要がないように、最後の位置がその後ろに如何なる付加的な複数のレーザも有していないので、又はそうである場合、可能となることができる。複数の代替的な実施の形態において、複数の部分反射ミラーと複数のダイクロイックミラーの任意の適切な数及びその組み合わせが使用可能である。
複数の部分反射ミラー３２の各々は、それに入射される光を部分的に反射及び部分的に透過させるように構成されている。このミラーの反射特性及び透過特性は、共通光学パスに沿って複数のレーザ１８からの複数のレーザビームを方向付けるように選択される。図２の実施の形態において、これらの部分反射ミラー３２の各々は、複数のレーザ１８の相当する一つから入射光の２０％を反射すると共に入射光の８０％を透過する。これらの部分反射ミラー３２は、複数の代替的な実施の形態において、異なった反射特性及び透過特性を有していてもよい。ダイクロイックミラー３４は、反射波長範囲によって規定され、そして反射波長範囲内のある波長を有する光を反射すると共に反射波長範囲外のある波長を備えた光を透過させるように構成されている。ダイクロイックミラー３４の反射波長範囲は、第６のレーザ５６からの光が反射され並びに第１から第５のレーザからの光が透過されるように、この第６のレーザ５６の波長範囲に相当するように選択されている。これらのミラーは夫々平坦な又は非くさび形状の複数の光学部品である。有益には、これにより、システムが直交したやり方で動作させられる。例えば、このシステムは、第１のミラー３６からダイクロイックミラー３４への伝搬方向が複数のレーザ１８から出力される複数のレーザビームに略直交するような幾何学的配置を有している。
複数の実施の形態における平坦な又は非くさび形状の複数の光学部品を用いるその他の利点は、夫々のレーザビームを共通光学パスに方向付けることが、例えば、これらの光学部品によって引き起こされる任意の種々の歪み効果又は他のアーティファクトが略波長とは独立であってもよいように略波長に独立であってもよいことである。しかしながら、複数のミラーを使用することによって、結果的に得られる光信号が色々な干渉縞効果を受ける可能性がある。これらの効果はシステムの自由スペクトル領域を制御すべく複数の光学部品の夫々の寸法、特に厚さを選択することによって減少できる。この自由スペクトル領域は２個の連続した最大値又は最小値間の波長差の量である。典型的には、これらの光学部品の適切な厚さは１ｍｍ未満である。この選択は最悪の場合でも４ｃｍ−１又はそれ以上の自由スペクトル領域を提示する。この自由スペクトル領域を制御することによって、種々の縞効果が生ずる周波数は、サンプルセル１０内の種々の化合物の測定と一致しない及び／又はそれと干渉しないようにシフトできる。
この大きさの自由スペクトル領域は、全体のレーザスキャンによってカバーされるスペクトルウインドウに幅が類似しているスペクトルウインドウを提供する。予測される効果は、レーザパルスのバックグラウンド上の湾曲である。このバックグラウンドは、信号を処理する部分として、種々のスペクトルフィティングアルゴリズムを用いて容易に取り除くことができる。種々の付加的な縞効果は、非平坦又はくさび形状の複数の光学部品の使用によってサンプルセル１０へ光を導くべく使用されるセンサ装置１２内の複数のステアリング光学部品２２及び光学系内では避けられる。
図２における各レーザは、一組の５個の部分反射ミラー３２に属する相当するミラーと１つのダイクロイックミラー３４とを有している。動作に際して、第１のレーザ４６からのレーザビームは第１のミラー３６へ、次いで第１のミラー３６からポイント５８へ通過する。この第１のミラー３６は、第１のレーザ４６からのレーザビームが第１のミラー３６によって直角に反射されるように傾斜している。同様に、第２から第５のレーザの各々は、第２から第５のミラーによって画定される相当する光学パスを有している。第６の光学パスは、第６のレーザ５６からダイクロイックミラー３４へ更にポイント５８へ同様なやり方で画定される。これらのミラーのすべては、それらの光学パスの各々がその相当するミラーとのその交差点において直角に曲がるように第１のミラー３６と同じ傾度で配置されている。
これらのミラーは、レーザ４６，４８，５０，５２，５４，５６からの夫々のレーザビームがそれらの相当する光学部品３６，３８，４０，４２，４４，３４による反射の後ポイント５８を経由してセル１０への共通光路に沿って通過するように配置されている。この共通光路は、例えば、第１のミラー３６において一端を並びにサンプルセル１０への入口開口部８４において他端を有し、そしてポイント５８を通って延在してもよく、更に共通光路に沿って通過するように方向付けられる場合、各々のレーザの夫々の光路が共通光路に結合される。従って、各レーザの夫々の光路は略オーバラップしてもよい。
動作に際して、これらのレーザ１８は、複数のパルスを順次発生すべく、制御モジュール２６、又は他の複数の実施の形態における他の制御部品によって制御される。このシーケンスは以下のようであってもよい。第１のレーザ４６は、複数の光学部品によってポイント５８へ向けられ、そしてサンプルセル１０へ前方へ通過する第１のパルスを発生する。引き続いて、第２のレーザ４８は、複数の光学部品によってポイント５８へ向けられ、そしてサンプルセル１０へ前方へ通過する第２のパルスを発生する。複数の光学部品によってポイント５８へ向けられ、そしてサンプルセル１０へ前方へ通過する第３のレーザ５０によって発生する第３のパルスと、複数の光学部品によってポイント５８へ向けられ、そしてサンプルセル１０へ前方へ通過する第４のレーザ５２によって発生する第４のパルスと、複数の光学部品によってポイント５８へ向けられ、そしてサンプルセル１０へ前方へ通過する第５のレーザ５４によって発生する第５のパルスと、複数の光学部品によってポイント５８へ向けられ、そしてサンプルセル１０へ前方へ通過する第６のレーザ５６によって発生する第６のパルスとが今度はこれに続く。この第６のパルスに続いて、このシーケンスが繰り返される。これらのレーザの各々からの複数のパルス化されたビームは、インターリーブされ及び／又は時間において非オーバラップであり、そしてサンプルセル１０への共通パスに沿って伝搬する。
上記シーケンスに続いて、第１のパルスは第１のミラー３６に入射して、そしてそれによって反射され、次いで第２，３，４，及び５のミラー更にダイクロイックミラー３４によってポイント５８へ伝達され、そしてサンプルセル１０及び検出装置２４に続く。引き続いて、第２のパルスは第２のミラー３８に入射して、そしてそれによって反射され、次いで第３，４及び５のミラー、更にダイクロイックミラー３４によってポイント５８へ更にサンプルセル１０及び検出装置２４に前方に伝達される。引き続いて、第３のパルスは第３のミラー４０に入射して、そしてそれによって反射され、次いで第４及び５のミラー、更にダイクロイックミラー３４によってポイント５８へ更にサンプルセル１０及び検出装置２４に前方に伝達される。引き続いて、第４のパルスは第４のミラー４２に入射して、そしてそれによって反射され、次いで第５のミラー４４及びダイクロイックミラー３４によってポイント５８へ更にサンプルセル１０及び検出装置２４に前方に伝達される。引き続いて、第５のパルスは第５のミラー４４に入射して、そしてそれによって反射され、次いでダイクロイックミラー３４によってポイント５８へ更にサンプルセル１０及び検出装置２４に前方に伝達される。このシーケンスにおける最後のパルスは第６のパルスであり、そしてこのパルスはダイクロイックミラー３４に入射して、そしてポイント５８へ更にサンプルセル１０及び検出装置２４に前方にそれによって反射される。このパルスシーケンスが次いで繰り返される。
これらのパルスは、センサ装置１２へサンプルセル１０を通って伝搬する。センサ装置１２におけるこれらのステアリング光学部品２２は、セルから第１から第５のレーザへの光に感応する第１の検出器へ（第１から第５のレーザから発生する）光を導く。かくして、この実施の形態において、これらの検出器の一つは、これらのレーザの複数のものからの光に感応する。センサ装置１２におけるこれらのステアリング光学部品２２は、セルから第６のレーザ５６からの光に感応する第２の検出器へ（第６のレーザから発生する）光を導く。これらのステアリング光学部品２２は、第６のレーザ５６の光を第２の検出器に向けて方向付けるべく且つ第１から第５のレーザの光を第１の検出器に方向付けるべく第２のダイクロイックミラーを含んでいる。この第２のダイクロイックミラーの種々の光学的な特性はレーザモジュール１４のダイクロイックミラー３４の種々の特性に整合していてもよい。これらのステアリング光学部品２２は、光の２個の異なった分岐を２個の検出器上に焦点を絞るべく、２個の分離したオフアクシス放物面ミラーを含んでいる。制御モジュールは、複数の検出信号の各々がこれらのレーザの各々一つから受け取られた光に相当するようにこれらのレーザ及び第１と第２の検出器の動作を同期化する。
図１の複数のレーザ１８は、夫々複数の波長のサブレンジに渡って光を発生するように動作可能である種々の半導体ダイオードレーザである。これらのレーザは、レーザの任意の他の適切な複数のタイプが複数の代替的な実施の形態において使用可能であるけれども、夫々様々な量子カスケードレーザ、例えば、様々なパルス化されたチャープト量子カスケードレーザであってもよい。これらのレーザは、例えば、直径で２から３ｍｍの、又は任意の他の適切なサイズの複数のビームを発生してもよい。
複数の波長の夫々のサブレンジは赤外スペクトル内に存在してもよい。複数の波長範囲は、一又は複数の化合物の測定に相当するように選択される。一緒に、この機器は光の複数の波長範囲を提供することが可能であり、例えば、各化合物のための複数の最も適切な波長を利用すべく、可視光、近赤外光及び／又は中間の赤外光を合成する。表１は、この波長範囲内の光によって検出される、これらのレーザ１８用の夫々の波長範囲、相当する波数範囲、並びに相当する化合物の一実施例を示している。
これらのレーザの複数の波長範囲の慎重な選択は、レーザ波長毎の複数回の測定を許容する。表１において理解されるように、最初の５個のレーザの複数の波長範囲は、大きさの同じ規模を有している。しかしながら、酸素を検出するための第６のレーザの波長範囲は、１桁小さい。第１と第２の検出器は、夫々第１から第５のレーザの複数の波長範囲又は第６の検出器の波長範囲内の光を検出するように選択される。
制御モジュール２６は、一又は複数の電子的な制御信号を夫々のレーザ１８に送出するように構成されている。これらの電子的な制御信号に応答して、これらのレーザ１８は、合成されたレーザビーム３０を発生する。制御信号は逐次的にこれらのレーザ１８をパルス化するよう作用する。言い換えると、この制御信号は、サンプルタイムインターバルに渡って、１つのレーザからの光だけが複数の光学部品２０に供給されるように、順次これらのレーザ１８の各々を駆動するように作用する。これらの光学部品２０は、サンプルセル１０への共通パスに続くように、レーザの光路に沿って各レーザからの光を方向付けるよう構成されている。このようにして、制御モジュール２６は、合成されたレーザビーム３０を発生すると共に、この合成されたレーザビーム３０をサンプルセル１０に供給するようにレーザモジュール１４を制御する。
各レーザ間のスイッチング周波数は、センサ装置１２における信頼性の高い測定を確かにするように選択される。特に、そのサンプルセル光路を横断するための光のパルスに対して要する時間は、このパルスの種々の物理的な性質及びサンプルセル１０の夫々の寸法に依存している。複数のレーザからの光がサンプルタイムインターバルに渡ってサンプルセル１０内に入射する場合、干渉が生じて信頼性のない測定となる可能性がある。それ故、複数のパルス長及び複数の後続するレーザパルスの周波数が、１つのレーザのみからの光がサンプルタイムインターバルに渡ってサンプルセル１０の内側に存在することを確かにするために、そのサンプルセル光学パスを横断する光によって要する時間を考慮するように制御され、また選択される。これらのレーザ１８からの複数のパルス用の夫々の適切なパルス持続時間は、１００ナノ秒から５０００ナノ秒の間であってもよい。逐次的なパルス化の周波数は幾つかの実施の形態において最大１００ｋＨｚであってもよい。
信号プロセッサ２８は、調査中の異なった化合物の複数の濃度及び／又は複数のそれらの相対的な量を決定すべく、又は任意の他の複数の所望の特性を決定すべく複数の検出器からの夫々の検出信号を処理する。この信号プロセッサ２８は、複数の濃度、複数の相対的な量又は他の複数の特性を決定するための種々の任意の適切な公知の処理技法を使用している。
ある較正機構が設けられていてもよい。一例としての較正機構はカメラと、ミラー調整構造とを含んでいる。カメラは合成されたレーザビーム３０の伝搬の所望の方向と交差するようポイント５８において又はその近傍に位置決めされている。所望の伝搬の方向、は合成されたレーザビーム３０が共通光路を経由して、通常の動作ではサンプルセル１０に入ることになるようなものである。較正工程の期間、複数のサンプルビームは複数のレーザ１８によって発生され、そしてこれらのサンプルビームは複数の光学部品２０によってカメラに方向付けられる。このカメラは、所望の伝播方向に対してそれに入射される複数のサンプルビームの位置を検出する。このミラー調整構造は、これらのレーザ１８の夫々の光学パスを所望の伝播方向に略位置合わせすると共に、夫々の光学パスを互いに略位置合わせすべく、複数の部分反射ミラー３２及びダイクロイックミラー３４の位置、とくに伝播方向に対する傾斜を調整する。例えば、これらの光学パスは、１．１度の許容度内で略位置合わせされる。較正工程はこれらのレーザ１８の各々に対して繰り返される。
図３は、レーザ分光システム用のハウジングの斜視図である。このハウジングは上方セクション６０と、下方セクション６２とを有している。この上方セクション６０は、第１及び第２のリリースキャッチ６６によって閉鎖位置で固着されているリフトオフカバー６４を有している。サンプルセル１０は、このハウジングの上方セクション６０内に位置している。サンプルサプライチューブ６８の形態でのガス供給装置はガスをサンプルセルに供給する。サンプルリターンチューブ７０はサンプルセルからのガス用のアウトレットを提供する。換気が上方セクション６０内のベント７２を経由してサンプルセルに対して行われる。この下方セクション６２はローカルオペレータユーザインプットディスプレイ７４と、パージコントロールディスプレイ７６とを有している。図３の実施の形態において、ユーザインプットディスプレイはアナライザとの相互作用、更に複数の測定及びステータスのビジュアルコミュニケーションのためである。幾らかのメンテナンスが機能的にこの実施の形態においてユーザインプットディスプレイによって提供されるものの、その目的はほとんど複数の測定値及びステータスのコミュニケーションである。
図３の実施の形態のパージコントロールディスプレイ７６は、エンクロージャのエアパージを制御すべく使用されている。これは、火災の危険を防止すべく様々な措置を取らなければならない危険区域の設置要件であることができる。この場合、パージコントロールディスプレイ７６を経由して制御されるエアパージは、爆発性環境が増進することを防止すべく、システムのエンクロージャ又はハウジングに新鮮な空気を供給、例えば絶えず供給する。
３個の出力導管７８も下方のセクション６２に接続されている。これらの導管は、パワー及びコントロール用の各信号がシステムに送出され且つデータをこのシステムから送られるようにする種々の電気的なブレークスルーを提供する。伝送されるデータは、例えば、種々のデジタル信号、種々のデジタルヘルス信号、例えば色々なガスの夫々の測定値を示す複数の４−２０ｍＡ信号などの種々のアナログ信号、モッドバスなどのより洗練された種々のプロトコルの形態、又は任意の他の適切なフォーマットであってもよい。上記記載されたアレンジメントはコンパクトなシステムを提供する。幾つかの実施の形態において、ハウジングは長さが約５５０ｃｍであってもよく、上方セクションは高さが約２００ｃｍであってもよく、更に下方セクションは高さが約３７０ｃｍであってもよい。
サンプルサプライチューブ６８及びサンプルリターンチューブ７０は，サンプルセルを介して流体連通パスを提供する。サンプルガスは遠い位置から収集されることができ、そしてサンプルされるべきサンプルセルへサンプルサプライチューブ６８を経由して供給されることができる。このサンプルガスは、次いでサンプルリターンチューブ７０を経由してサンプルセルから排出できる。一緒に、サンプルサプライチューブ６８及びサンプルリターンチューブ７０は，インサイチュ（in-situ）排出センシングとは対照的に、機器が遠方で動作することを見込んでいる。任意の他の適切なガス供給装置は、色々な代替的な実施の形態において使用することが可能である。
（図示しない）サンプルハンドリングシステム（ＳＨＳ）ユニットは、サンプルセル１０内のガスの圧力をコントロールすべく提供されてもよい。ポンプを含んでも又は含まなくてもよく、又はポンプによって駆動されても又はされなくてもよく、更に複数のバルブのアレンジメントなどの種々の他の圧力コントロール部品を含んでも又は含まなくてもよい、任意の適切なＳＨＳユニット又は他の圧力コントロールデバイスが使用されてもよい。図３の実施の形態においては、このＳＨＳユニットは、ポンプ又は他の圧力コントロールデバイス又は複数の部品が色々な他の実施の形態において使用されることが可能であるけれども、ポンプというよりむしろ、アスピレータを含んでいる。
付加的に、ハウジングは、サンプルセル１０への共通パスに沿って方向付けられていないレーザ光を吸収すべく、少なくとも１つのアブソーバ部品を含んでいる。この少なくとも１つのアブソーバ部品は、複数の付加的な光学部品、例えば複数のくさび形状の光学部品を含んでいてもよい。
任意の適切なサンプルセルは、サンプルセル１０として使用可能である。図１から３の実施の形態において、ヘリオットセルがサンプルセルとして使用されている。任意の適切なヘリオットセル、又は任意の適切なマルチパス分光吸収セル、又は例えば、ガスを収容するチャンバの夫々のサーフィス間のレーザビームの反射によって、レーザビーム（複数も可）とサンプルガスとの間の相互作用を提供するように構成されている、例えば、任意の他のセルが使用可能である。
当業者は、記載された複数の実施の形態の夫々の変化が主張された本発明の範囲から逸脱することなく可能であることを評価するであろう。例えば、コントローラ内の制御モジュールが各レーザの出力を順次パルス化して、合成されたビームを発生せしめるべく使用されることが論議されているものの、他の種々のコントローラアレンジメントを使用することもできる。一つの代替案は、たった一つのレーザが時間の所定のインターバルに渡って光を複数の光学部品に供給するように、レーザ光を物理的に制御する機械的な光学スイッチングアレンジメントである。他の例として、記載されたこれらのレーザは、波長範囲に渡って動作する種々の半導体ダイオードレーザである。しかしながら、これらのレーザは、光の複数の適切な波長を提供することができる任意の適切な放射ソースであってもよい。付加的に、これらのレーザは、単一波長であってもよい。変形例の他の例は、任意の適切なフォーカシングアレンジメントで種々のオフアクシス放物面ミラーを置換えることである。従って、複数の特定の実施の形態の上述した記載は、一例によってのみなされており色々な限定のためではない。種々のマイナーな修正が記載された色々な動作に対する重要な種々の変化無しでなされてもよいことが当業者にとって明らかになるであろう。

Claims (24)

  1. 各レーザが一又は複数の異なった化合物の励起用の各々のレーザビームを発生するように構成された複数のレーザと、
    一定の容量のサンプルガスを収容するためのサンプルセルと、
    前記レーザビームを前記サンプルセルに方向付けるよう構成された少なくとも１つの方向付けデバイスであって、前記レーザビームを前記サンプルセルに共通光学パスに沿って方向付けるよう構成されたものと、
    前記セルから出力される光を検出するための検出装置とを含む
    レーザ検出システム。
  2. 前記少なくとも１つの方向付けデバイスは、複数の光学部品を含み、前記複数の光学部品は、前記複数の光学部品の各々少なくとも１つが前記共通光学パスに沿って前記レーザビームを方向付けるべく配置されるように、前記レーザビームごとに配置されている
    請求項１に記載のシステム。
  3. 前記複数の光学部品は、略一直線に配置されている
    請求項２に記載のシステム。
  4. 前記複数のレーザの各々は、動作に際して、前記複数のレーザの各々がそのレーザビームを前記直線に略直交した方向へ前記複数の光学部品のその対応する少なくとも１つに伝達するように配置されている
    請求項２又は３に記載のシステム。
  5. 前記複数の光学部品の少なくとも１つは、平坦な又は非くさび形状の光学部品を含んでいる
    請求項２から４の何れかに記載のシステム。
  6. 前記複数の光学部品は、少なくとも１つの部分反射ミラー及び／又は少なくとも１つのダイクロイックミラーを含んでいる
    請求項２から５の何れかに記載のシステム。
  7. 前記複数の光学部品の各々は、０．１ｍｍから１ｍｍの範囲の厚さを有している
    請求項２から６の何れかに記載のシステム。
  8. 前記複数の光学部品は直列に配置され、そして動作時に、前記共通光学パスに結合するように各光学部品がその関連したレーザからのレーザビームを方向付け、更に前記共通光学パスに沿って前記直列の複数の先行する光学部品からのレーザビームの通過を方向付けるか又は許容するように構成されている
    請求項２から７の何れかに記載のシステム。
  9. 前記複数の光学部品の各々は、少なくとも部分的に反射的であると共に少なくとも部分的に透過的である
    請求項２から８の何れかに記載のシステム。
  10. 前記少なくとも１つの方向付けデバイスは、前記複数の光学部品の最後と前記サンプルセルとの間にステアリング光学系を含み、そして前記複数のレーザビームを前記光学セル内へ方向付けるよう構成されている
    請求項２から９の何れかに記載のシステム。
  11. 前記検出装置は複数の検出器を含んでおり、各検出器は、各々の波長又は一定範囲の複数の波長の光線を検出するように構成されている
    請求項１から１０の何れかに記載のシステム。
  12. 前記レーザビームが夫々時間的にインターリーブされる複数のパルス化されたレーザビームであるように、前記複数のレーザの動作をコントロールするように構成されているコントローラを更に含んでいる
    請求項１から１１の何れかに記載のシステム。
  13. 前記コントローラは、前記検出装置と前記複数のレーザの動作を同期化することにより、各々が前記複数のレーザの各々一つに関連した一連の検出信号を得るように構成されている
    請求項１２に記載のシステム。
  14. 前記コントローラは、各レーザビームが１ｋＨｚから２００ｋＨｚの範囲、随意的に１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲であるレートにおいてパルス化されるように前記複数のレーザの動作をコントロールするように構成されており、及び／又は前記コントローラは、各レーザビームが１００ｎｓから５０００ｎｓの範囲の複数のパルス長を用いてパルス化されるように前記複数のレーザをコントロールするように構成されている
    請求項１２又は１３に記載のシステム。
  15. 前記複数の検出された光出力に基づいてＮＯｘの量を決定するように構成されている処理リソースを更に含んでいる
    請求項１から１４の何れかに記載のシステム。
  16. 前記複数の異なった化合物は、ＮＯ，ＮＯ２，Ｈ２Ｏ，ＣＯ，ＣＯ２，ＣＨ４，ＳＯ２，ＮＨ３，Ｃ２Ｈ２，及びＯ２の少なくとも一つを含んでいる
    請求項１から１５の何れかに記載のシステム。
  17. 前記複数のレーザの各々は、赤外レーザ光線を発生するように構成されている
    請求項１から１６の何れかに記載のシステム。
  18. 前記複数のレーザの各々は、各々異なった波長又は一定範囲の複数の波長のレーザビームを発生するように構成されている
    請求項１から１７の何れかに記載のシステム。
  19. 複数の波長の前記複数の範囲の少なくとも一つは、以下の複数の範囲：５．２６３２から５．２３５６μｍ、６．１５３８から６．１１６２μｍ、４．４７４２から４．４７４３μｍ、７．４６２７から７．４３４９μｍ、０．７６０５から０．７５９９μｍ、及び１０．０から１０．２μｍから選択される
    請求項１８に記載のシステム。
  20. 前記検出装置は、前記複数のレーザと前記少なくとも１つの方向付けデバイスに対する前記サンプルセルの対向側に配置されている
    請求項１から１９の何れかに記載のシステム。
  21. リモートサンプルガスを前記サンプルセルへ供給するように構成されたガス供給装置を更に含んでいる
    請求項１から２０の何れかに記載のシステム。
  22. 前記サンプルセルは、ヘリオットセルを含んでいる
    請求項１から２１の何れかに記載のシステム。
  23. 前記システムは連続的な排出モニタリングシステムである
    請求項１から２２の何れかに記載のシステム。
  24. 複数の異なった化合物を検出する方法であって、前記化合物ののうちの一又は複数の異なったものをそれぞれ励起させるための複数のレーザビームを発生させる工程と、前記複数のレーザビームを共通光学パスに沿って一定の容量のサンプルガスを収容するためのサンプルセルに向けて方向付ける工程と、前記セルから出力される光を検出する工程とを含む方法。
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