JP2022124718A - 多重反射器具および多重反射セル - Google Patents

Abstract

【課題】高出力で指向性のよいレーザー光に適した多重反射器具および多重反射セルを提供する。【解決手段】多重反射器具１および多重反射セルは、所定の入射角φのレーザー光をジグザクに多重反射させる一対の平行平面鏡２，３と、平行平面鏡２，３間の一端まで進行した多重反射光を折り返すための直角な２つの反射面４１，４２を有する直角二面鏡４と、一端側の直角二面鏡４から平行平面鏡２，３間の他端まで進行した多重反射光を再び折り返すための直角な２つの反射面５１，５２を有する直角二面鏡５と、を備える。平行平面鏡２，３を構成する平行な２つの鏡面２１，３１がｘ－ｙ－ｚ軸座標系のｚ－ｘ面に平行に配置されている場合、直角二面鏡４，５を構成する２つの反射面４１，４２，５１，５２は、ｘ－ｙ面に垂直であり、また、入射角φのレーザー光は、ｘ－ｙ面と所定の角φｚで交差する。【選択図】 図１

Description

本発明は、一対のミラー面間でレーザー光を多重反射させて、そのミラー面間にあるガス等の測定対象物質を光学分析するために用いられる多重反射器具に関し、特に、これがセル内に内蔵された多重反射セルに関する。

ガス分析の一例として、高純度ガスに含まれる数ｐｐｍ以下の不純物ガスの濃度をその吸光度に基づいて測定することが挙げられる。このようなガス分析では、同じ容積のセルであっても、より長い光路を確保できる多重反射型（マルチパス式）のセルが適しており、代表的なものとして、セル内に一対の凹状球面鏡を配置したヘリオット型がある。

一方、最近の赤外吸光法によるガス分析では、従来の高輝度セラミック光源やハロゲンランプ等と比べて非常に高出力で、指向性（小さな発散角）にも優れている量子カスケードレーザーを光源に採用する場合が見られる（例えば、特許文献１の段落００４４，特許文献２の段落０００２，００２１など）。

特表２００１－５０９５９５号公報 ＷＯ２０１５／０３３５８２号公報

しかしながら、特許文献１（段落００１６、図１））のガスセルは、従来のヘリオット型であり、特許文献２（段落００２２、図３）においても従来のヘリオット型が用いられ、ガスセルの構造が量子カスケードレーザーの長所を十分に生かしているとは言えなかった。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、高出力で指向性のよいレーザー光に適した多重反射器具および多重反射型セルを提供することにある。

前記目的を達成するために本発明にかかる多重反射器具は、
所定の入射角（φ）のレーザー光をジグザクに多重反射させる一対の平行平面鏡と、
平行平面鏡間の一端まで進行した多重反射光を折り返すための直角な２つの反射面を有する一端側の直角二面鏡と、
一端側の直角二面鏡から平行平面鏡間の他端まで進行した多重反射光を再び折り返すための直角な２つの反射面を有する他端側の直角二面鏡と、
を備えることを特徴とする。
ここで、平行平面鏡を構成する平行な２つの鏡面がｘ－ｙ－ｚ軸座標系のｚ－ｘ面に平行に配置されている場合、直角二面鏡を構成する２つの反射面は、ｘ－ｙ面に垂直であり、また、入射角（φ）のレーザー光は、ｘ－ｙ面と所定の角（φｚ）で交差する。

本書にて平面鏡など「鏡」が付く構成は、少なくとも一部に平らな鏡面が形成された光学部材を指し、例えば表面に反射コーティングを有するプリズム等が含まれる。

上記の多重反射器具の構成をｚ軸方向から見た図（例えば、図１（Ａ））を用いて説明すると、レーザー光は、平行平面鏡間を所定の入射角φｘで多重反射しながらその一端に向けて進行する。「φｘ」は、レーザー光の入射角φをｘ－ｙ面へ投影した角を示す。鏡面には反射スポットが一定のピッチＰｘで形成される。平行平面鏡間の一端まで進行した多重反射光は、一端側の直角二面鏡の第１反射面を反射し、続けて、その反射光は第１反射面に直角な第２反射面を反射する。そうすると、ｚ軸方向から見た図での第１反射面への入射光と第２反射面からの反射光は平行になる。一端側の直角二面鏡で折り返された多重反射光は、再び平行平面鏡間を多重反射して他端に向けて進行する。折り返しの前後で、平行平面鏡の鏡面へのレーザー光の入射角φｘは変わらないので、他端に向けて進行する多重反射光によって鏡面に形成される反射スポットのピッチＰｘも変わらない。しかし、第１反射面への入射光と第２反射面からの反射光とは、ｚ軸方向から見た場合に間隔ｄｘだけ平行にシフトした関係（ｘ軸の正方向にシフトする場合とｘ軸の負方向にシフトする場合とがある。図１（Ａ）では正方向にシフトしている。）になり、一端側の直角二面鏡で折り返しの前後で、鏡面上の反射スポットの位置がシフトした分だけずれる。なお、多重反射光が他端側の直角二面鏡で折り返される際も、一端側と同様になる。

また、上記の多重反射器具において入射角φのレーザー光は、ｘ－ｙ面に平行ではなく、ｘ－ｙ面と角φｚ（例えば図２の立体図）で交差している。そのため、多重反射器具をｙ軸方向から見た図（例えば図１（Ｂ））では、平行平面鏡の鏡面上の反射スポットの配列は、ｘ軸に平行にならず、ｘ軸と角θ（上り角または下り角）を成す傾斜方向になる。一端側の直角二面鏡によって折り返された後の反射スポットの配列も、ｘ軸と角θを成す傾斜方向になる。

レーザー光のビームの干渉に関しては、鏡面上の反射スポット同士が重なるとビームの干渉（ビームが強め合ったり、打ち消し合ったりすること）が生じるので、多重反射器具の鏡面間の測定対象物を測定する場合は、このようなビームの干渉を出来る限り避けることが好ましい。

以上のことから、一対の平行平面鏡およびその両端の直角二面鏡を備えた本発明の多重反射器具を用いれば、所定の入射角φで入射するレーザー光によって鏡面上に形成される多数の反射スポットを、互いに重なり合わないようにして、かつ、密な状態にすることができる。そのため、鏡面間の限られた容積に長い光路を効率よく形成することができ、しかも、ビームの干渉による測定光への影響を小さく抑えることができる。

また、本発明の多重反射器具において、直角二面鏡は、互いに直角な第１および第２反射面を有し、平行平面鏡間の多重反射光の光路をｘ－ｙ面に投影した場合に、第１反射面に入射するレーザー光の光路、および、第１反射面を反射した後第２反射面を反射して返されてくるレーザー光の光路の間隔（ｄｘ）は、平行平面鏡間の多重反射光の半ピッチの長さであることが好ましい。

ここにいう「１ピッチ」とは、レーザー光が平行平面鏡間を１往復した際に、その多重反射光の進行方向へのレーザー光の移動距離を指す。言い換えると、平行平面鏡間での多重反射に伴って一方の鏡面上に形成される反射スポットの間隔に等しい。本発明では、上述のレーザー光の光路の間隔（ｄｘ）を、多重反射するレーザー光の半ピッチの長さにすることで、もっとも効果的に、鏡面上の反射スポットを密な状態にして、かつ、反射スポットを互いに重なり合わないようにすることができる。

また、本発明の多重反射器具は、鏡面へレーザー光を導く入射用の光学素子と、入射角（φ）の角度変更のために、光学素子の位置及び向きを変化させる入射用の駆動装置と、を備えることが好ましい。あるいは、本発明の多重反射器具は、鏡面へレーザー光を導く入射用の光学素子と、入射角（φ）の角度変更のために、入射用の光学素子に対して平行平面鏡および直角二面鏡の位置及び向きを一体として変化させる平行平面鏡用の駆動装置と、を備えることが好ましい。

この構成によれば、平行平面鏡へのレーザー光の入射角φを変化させると、多重反射光のピッチが増減する。従って、平面鏡面間を多重反射するレーザー光の光路長の調整が可能になる。

駆動装置は、入射角（φ）をｘ－ｙ面へ投影した角（φｘ）が０～２５°の範囲で変化するように、当該入射角（φ）を変化させることが好ましい。

本書では、入射角φをｘ－ｙ面へ投影した角φｘを「方位角」とも呼ぶ。例えば、平行平面鏡および直角二面鏡が一体的に構成され、平行平面鏡に垂直入射（φｘ＝０°）するレーザー光が直角二面鏡の第１反射面に対して４５°入射する場合を基準にする。レーザー光の入射角（φｘ）を０°から「０°＋ｘ」（ｘ＞０°）まで大きくすると、第１反射面への入射角（または、第２反射面からの反射角）は「４５°＋ｘ」になり、レーザー光の進行方向に対する第１反射面（または、第２反射面）の開口が小さくなってしまう。反射面の開口が小さくなると、レーザー光の一部が反射されなくなって直角二面鏡の反射性能が不十分になる場合がある。

そこで、本発明の構成では、垂直入射（φｘ＝０°）時の第１反射面（または、第２反射面）の開口の大きさを１００％として、その開口の大きさが５０％以上確保されるように、入射角φｘの上限が２５°程度に設定される。この結果、駆動装置によって入射角φを変化させても、直角二面鏡の反射性能は十分に維持される。

駆動装置は、一端側および他端側の直角二面鏡間の多重反射光の往復回数がＮ回（Ｎは１以上の整数）増減するように、レーザー光の入射方向とｘ－ｙ面との成す角（φｚ）を変化させることが好ましい。

本書では、レーザー光の入射方向がｘ－ｙ面と成す角φｚを「仰角」とも呼ぶ。本発明の構成によれば、直角二面鏡間の多重反射光の往復回数が増減するように、この仰角φｚが変更されるので、平行平面鏡間の光路長をその１往復分の光路ずつ細かく調整することができる。

また、駆動装置は、一端側の直角二面鏡から他端側の直角二面鏡までの平行平面鏡間におけるレーザー光の往復回数がＭ回（Ｍは１以上の整数）増減するように、入射角（φ）をｘ－ｙ面へ投影した角（φｘ）を変化させることが好ましい。

本発明の構成によれば、平行平面鏡間のレーザー光の往復回数が増減するように、入射角φをｘ－ｙ面へ投影した角φｘ（方位角）が変更されるので、平行平面鏡間の光路長をその１往復分の光路ずつ細かく調整することができる。

本発明にかかる多重反射セルは、上述の多重反射器具と、測定対象物質を出し入れ可能に構成されたセル本体と、を備え、
セル本体が多重反射器具を内蔵している構成、
セル本体が多重反射器具の平行平面鏡の間に配置されている構成、および、
セル本体の一部が多重反射器具によって形成されている構成のうちのいずれかの構成を有することを特徴とする。

以上の構成を備えれば、高出力で指向性のよいレーザー光に適した多重反射器具および多重反射型セルを提供することができる。

（Ａ）は、一実施形態の多重反射器具の鏡面間に生じる多重反射光の光路をｚ軸方向から見た図であり、（Ｂ）は、前記多重反射器具をｙ軸方向から見た図である。 前記鏡面へのレーザー光の入射角φを説明するための立体視図である。 前記多重反射器具に生じる多重反射光の進み方を説明するための図である。 前記多重反射器具の直角二面鏡の加工精度が要求される範囲を説明する図。 前記多重反射器具を内蔵するガスセルの入射角を調整する機構の図である。 前記入射角を調整する別の機構の図である。 前記入射角の大きさに応じて、前記直角二面鏡の開口の大きさが変化することを説明するための図である。

以下に図面を参照して本発明に係る多重反射器具およびこれを備えた多重反射セルの実施の形態について説明する。

図１（Ａ），（Ｂ）に本実施形態の多重反射器具１を示す。多重反射器具１は、一対の平行平面鏡２，３と、平行平面鏡２の一端に設けられた直角二面鏡４と、平行平面鏡３の他端に設けられた直角二面鏡５と、を備えている。平行平面鏡２，３の鏡面２１，３１は、例えば正方形であり、平行に向かい合って配置されている。説明上、鏡面２１，３１は、ｘ－ｙ－ｚ軸座標系のｚ－ｘ面に対して平行とする。図１（Ａ）は、多重反射器具１をｚ軸方向から見た図であり、図１（Ｂ）は、多重反射器具１をｙ軸方向から見た図である。ここでは、一対の平行平面鏡２，３で挟まれた空間について、そのｘ軸の正方向の端を「一端」と呼び、ｘ軸の負方向の端を「他端」と呼ぶ。

直角二面鏡４は、鏡面２１の端辺に沿って配置された第１反射面４１と、この第１反射面４１に直角な同形状の第２反射面４２とを有する。直角を成す２つの反射面４１，４２の交線はｚ軸に平行である。つまり、反射面４１，４２はｘ－ｙ面に垂直である。

同様に、直角二面鏡５も、鏡面３１の端辺に沿って配置された第１反射面５１と、この第１反射面５１に直角な同形状の第２反射面５２を有する。直角を成す２つの反射面５１，５２の交線はｚ軸に平行である。つまり、反射面５１，５２はｘ－ｙ面に垂直である。

直角二面鏡４，５には、ルーフトップミラー、ルーフプリズムミラー、直角プリズムミラー（直角構成面に反射コーティング）など市販の光学素子を用いることができる。また、平行平面鏡２，３と直角二面鏡４，５を一体に形成してもよい。

図１（Ｂ）に示すように、直角二面鏡５の第２反射面５２のｚ軸の負方向の端には、外部からのレーザー光の入射孔５３が形成され、この入射孔５３から進入したレーザー光が平行平面鏡２，３間をジグザクに多重反射しながら一端側へ進行する。以降、入射光５３の位置をｘ－ｙ－ｚ軸座標系の原点Ｏとして説明する。

入射孔５３から進入したレーザー光は、鏡面２１，３１を入射角φで交互に反射する。鏡面２１，３１が平行であり、指向性の高いレーザー光を用いることにより、入射角φが一定に維持され、鏡面２１，３１での反射スポットの形状も一定に維持される。図１（Ａ）の角φｘは、入射角φをｘ－ｙ面に投影した角であり、ｘ－ｙ面を水平面とした場合の「方位角」に相当する。

レーザー光が鏡面２１，３１を反射するポイントには、そのビーム径に応じた円形の反射スポットが形成される。鏡面２１，３１に対するレーザー光の入射角φに方位角の成分（角φｘ）があるため、これらの反射スポットは一定のピッチＰｘで形成される。

図１（Ａ）の例では、鏡面２１，３１間を７往復した後、レーザー光は直角二面鏡４の第１反射面４１に進む。図１（Ｂ）の鏡面３上にピッチＰｘで並んだ多数の小円は、反射スポットを示す。黒塗りの小円は、入射孔５３から第１反射面４１まで多重反射光が進行した際に形成される７箇所の反射スポットである。なお、ピッチＰｘは、反射スポットのピッチＰのｘ軸方向の成分である。

また、レーザー光の入射角φは仰角の成分（角φｚ）を有するため、図１（Ｂ）の黒塗りの小円の配列方向は、ｘ軸に対して上り角θの方向になる。図２の立体視図に、入射角φと上り角θの関係を示す。角φｘは、入射角φをｘ－ｙ面に投影した角であるのに対し、角φｚは、入射孔５３（原点Ｏ）から進入する入射光がｘ－ｙ面と成す角に等しい。

図１（Ａ）のように、一端側の第１反射面４１に入射したレーザー光は、第１反射面４１と第２反射面４２を順に反射する。第１反射面４１と第２反射面４２が互いに直角であるから、レーザー光の光路をｘ－y平面に投影した図において、第１反射面４１への入射角に関わらず、第１反射面４１への入射光と第２反射面４２からの反射光とが平行になる。ただし、レーザー光の入射角φには仰角の成分（φｚ）があるため、レーザー光の光路をｙ－ｚ平面に投影した図では、第１反射面４１への入射光と第２反射面４２からの反射光とが仰角の成分の２倍の角（２φｚ）を成している。

このようにして直角二面鏡４は、一端まで進行した多重反射光を他端に向けて折り返すとともに、折り返された多重反射光は、同様にｘ軸に対して上り角θの方向へ進行する。

直角二面鏡４で折り返された多重反射光の反射スポットは、図１（Ｂ）のように、黒塗りの小円で示した反射スポットに対して、丁度ピッチＰｘの半分だけずれた位置に形成される。図１（Ａ）では、第１反射面４１への入射光と、第２反射面４２からの反射光との間隔をｄで示す。図１（Ｂ）に示すように、第１反射面４１への入射光に関する鏡面３１上の反射スポットＳＰ１と第２反射面４２からの反射光に関する鏡面３１上の反射スポットＳＰ２との間隔のｘ軸方向の成分ｄｘは、多重反射光の半ピッチ（Ｐｘ／２）に等しい。

直角二面鏡４によってｘ軸方向に半ピッチずれた状態で他端側へ進行する多重反射光は、鏡面２１，３１間を７往復した後、他端側の直角二面鏡５によって再び折り返される。直角二面鏡４，５は、互いに回転対称に設けられており、他端側においても一端側と同様に多重反射光が折り返される。

つまり、第１反射面５１への入射光に関する鏡面２１上の反射スポットと、第２反射面５２からの反射光に関する鏡面２１上の反射スポットとの間隔のｘ軸方向の成分がｄｘと同じであり、多重反射光の半ピッチ（Ｐｘ／２）に等しい。そして、他端側で折り返された多重反射光は、入射孔５３から進入したレーザー光の多重反射の光路に対して、ｚ軸方向に１ピッチ（Ｐｚ）だけずれた位置から同様の光路を形成しつつ一端側に進行する。

このようにして多重反射光は、直角二面鏡４，５間を複数回往復して、ｚ軸方向へジグザクに進行していく。本実施形態では直角二面鏡４の２つの反射面４１，４２が、その交線（ｚ軸方向）に沿って長く、直角二面鏡５の反射面５１，５２も同様に長い。そのため、多重反射光が直角二面鏡４，５間を複数回往復する際に、直角二面鏡４，５上での折り返しポイントが、その交線に沿って所定のピッチ（Ｐｚ）ずつ移動していく。そのｚ軸方向のピッチＰｚは一定に維持される。図１（Ｂ）の例では、直角二面鏡４，５間を１３往復した後、レーザー光は、直角二面鏡５の第１反射面５１のｚ軸の正方向の端に形成された出射孔５４を通って外部に出る。なお、入射孔５３および出射孔５４は、レーザー光を透過できればよく、光学分析装置に搭載されるレーザーの波数域（例えば、ＱＣＬ光源の場合は中赤外から遠赤外帯域の発振が想定される。）に応じて適宜選択された、ＺｎＳ（硫化亜鉛）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ダイヤモンドなどの赤外透過窓材やガラス等によって形成される。

図３は、効果の説明を容易化するために本実施形態の多重反射器具１の構成を簡略して示した図である。図３（Ａ）は多重反射器具１をｚ軸方向から見た概略図であり、入射角φをｘ－ｙ平面に投影した角をφｘで示す。図３（Ｂ）は多重反射器具１をｙ軸方向から見た概略図であり、鏡面２１，３１間の多重反射光の上り角をθで示す。他端から一端へ進行する多重反射光を実線とし、一端から他端へ進行する多重反射光を破線とした。

図３（Ａ），（Ｂ）で明らかなように、他端側の第２反射面５２上の折り返しポイント（原点Ｏ）から一端側の第２反射面４２上の折り返しポイントまでのｘ軸方向の長さ（Ｌｘ）は、直角二面鏡４，５での光路のシフト量（ｄｘと同じ）の整数倍であることが、レーザー光が効率よく出射孔５４から外部に出るための条件になる。

次に、図３（Ｃ）は多重反射器具１をｘ軸方向から見た概略図である。多重反射光が他端側の直角二面鏡５から一端側の直角二面鏡４まで進行する間におけるｚ軸方向の移動量をｄｚ（ピッチＰｚの半分）で示す。この図で明らかなように、レーザー光の入射孔５３の位置（座原点Ｏ）から出射孔５４の位置までのｚ軸方向の長さ（Ｌｚ）は、ｚ軸方向の移動量（ｄｚ）の整数倍であることが、レーザー光が効率よく出射孔５４から外部に出るための条件になる。

直角二面鏡４，５の配置は、図３の配置に限られず、同じ鏡面（２又は３）の両端に直角二面鏡４，５を配置することでもよい。また、レーザー光の入射孔５３、出射孔５４の位置は、図３に示す位置に限られず、鏡面２１，３１のいずれかの反射スポットの位置や、直角二面鏡４，５の折り返しポイントの位置であってもよい。また、図３のレーザー光の進行方向を逆にしてもよい。

図４を用いて、直角二面鏡４の加工精度が要求される範囲を説明する。本実施形態では、直角二面鏡４のそれぞれの反射面４１，４２の全面をレーザー光の反射に用いるわけではない。よって、反射面４１，４２が直角に交わる交線（接合部）の付近については、高い加工精度は要求されない。図４のように、交線の付近は丸みがあってもよいし、溝などが残っていても構わない。このように直角二面鏡４の不完全性が許容されることから、擬似的なルーフトップ形状の金属鏡なども利用することができる。

図５～図７を用いてレーザー光の入射角φの調整機構について説明する。

まず、図５、図６に、多重反射器具１を内蔵する多重反射型のガスセル（多重反射セル）１０を示す。このガスセル１０は、測定対象のガスを出し入れ可能に構成されたセル本体９を有し、セル本体９に多重反射器具１が収容されている。セル本体９にはガス送入管９１とガス排出管９２がそれぞれ接続され、これらの接続部以外は気密構造である。セル本体９の材質については、レーザー光が通過する部分が少なくとも透光性であればよく、特に限定されない。

図５、６では、多重反射器具１へレーザー光を入射するための光学素子６が、ガスセル１０の外部に配置されている。光学素子６には、例えば、偏光特性の維持のために、９０°反射を想定した２枚の平面鏡の組合せによるアライメント機構などを採用できる。光学素子６の構成はこれに限られるものでなく、他の構成の光学素子も採用できる。この入射用の光学素子６を介して、例えば、高出力、高指向性に優れたＱＣＬ（量子カスケードレーザー）等の光源１１からのレーザー光が多重反射器具１の入射孔５３に導入される。ＱＣＬは、従来の高輝度セラミック光源やハロゲンランプ等と比べて非常に高出力が得られ、指紋領域（１８５０～８９０ｃｍ^－１）での狭帯域（半値幅が非常に狭い）赤外レーザーの掃引が可能で、かつ指向性（発散角が小さい）にも優れている。ただし、光源１１としては、ＱＣＬに限られず、その他の高出力、高指向性の各種レーザーを採用してもよい。

図５、６の例では、ガス導入管９１が多重反射器具１の一端側に測定対象ガスを送り込み、ガス排出管９２が多重反射器具１の他端側から測定対象ガスを排出するように構成されているが、ガス導入管９１及びガス排出管９２の接続位置については特に限定されるものではない。また、図５、６の例は、セル本体９と多重反射器具１とを組み合わせた構成であるが、ガスセル１０としては、多重反射器具１をセル本体９の一部にして両者を一体に構成したものでもよい。

図５には、第１の入射角調整器として、光学素子の駆動装置７が設けられている。例えば光学素子６が角度可変ミラーを有するときのその角度調整装置がこの駆動装置７に該当する。駆動装置７は、例えば回転傾斜ステージであり、レーザー光の入射角φを変化させるために入射用光学素子６の姿勢を変化させる。また、駆動装置７は、上記の回転軸の他に、光学素子６の位置を少なくとも１つの駆動軸に沿って移動するための駆動機構を持っていてもよい。なお、光学素子６が例えば、上述した２枚の平面鏡のアライメント機構である場合は、その駆動部分がこの駆動装置７に相当する。

図６には、第２の入射角調整器として、ガスセルの駆動装置８が設けられている。この駆動装置８は、レーザー光の入射角φを変化させるためにガスセル１０の位置および姿勢を変化させる装置である。例えば、光学素子６の姿勢や位置を変化させることに制限がある場合に、このガスセルの駆動装置８が役立つ。

駆動装置７，８の少なくとも一方は、入射角φをｘ－ｙ面へ投影した角φｘが０～２５°の範囲で変化するように、入射角φを変化させる。駆動装置７，８のどちらかを利用しても、両方を利用してもよい。これらの駆動装置７，８は、レーザー光を入射孔５３に入射させるための位置合わせにも利用できる。

駆動装置７，８は、一端側および他端側の直角二面鏡４，５間の多重反射光の往復回数がＮ回（Ｎは１以上の整数）増減するように、入射角φを変化させるように構成されている。本実施形態では、ｚ軸方向に長い２枚の反射面４１，４２を有する直角二面鏡４および同様の構成の直角二面鏡５を用いているので、入射角φを調整するだけで、直角二面鏡４，５間の多重反射光の往復回数を簡単に増減させることができる。

また、駆動装置７，８は、一端側の直角二面鏡４から他端側の直角二面鏡５までの間において、鏡面２１，３１間をレーザー光が往復する回数がＭ回（Ｍは１以上の整数）増減するように、入射角φを変化させるように構成してもよい。この場合は、往復回数に応じて、ピッチＰｘが変化するため、両端の直角二面鏡４の第１および第２反射面４１，４２の位置関係を変化させるとよい。

本実施形態の多重反射器具１を試料ガスの吸光度測定用のセルとして用いれば、必要な測定対象ガスの容量を少なくすることが容易になる。または、測定対象ガスを通過する光の光路長を長くすることも容易になり、測定感度の向上を図りやすい。或いはこれらの効果を同時に得ることもできる。

同じ濃度の測定対象ガスをより小さい容積のセルで分析することができるので、ガスをセルへ送入する／セルから排出する時間が短くなり、例えば、測定対象ガスに含まれる低濃度成分の時間変化を測定したい場合に、短い時間ピッチの変化を測定することが可能になる。

従来の球面鏡を用いたセルと比較すると、平面鏡２，３を用いることで、光学的な設計の自由度が向上する。例えば、一対の球面鏡の配置など（一方の曲率半径の中心が反対側の球面上になるように設計すること等）の設計上の制約がなくなる。光学的な構造が単純化されて製造時間・コストが下がるとともに、ミラーの向き等の調整も容易になる。また、構造が複雑でないため、メンテナンスも容易になる。

本実施形態の多重反射器具１によれば、所定の入射角φで入射するレーザー光によって鏡面２１，３１上に形成される多数の反射スポットを、互いに重なり合わないようにして、かつ、密な状態にすることができる。そのため、鏡面２１，３１間の限られた容積に長い光路を効率よく形成することができ、しかも、ビームの干渉による測定光への影響を小さく抑えることができる。

本実施形態において、光源にＣＱＬおよび他の高出力レーザーを用いることのメリットは、まず、これらのレーザーの出力が、鏡面（平行平面鏡２，３および直角二面鏡４，５）での多重反射に伴う表面反射損失を十分にカバーできる程度に大きいことである。

従来の赤外吸光度を計測する装置（例えば、ＦＴＩＲ）には、ＴＧＳ検出器が標準的な検出器として搭載される場合が多い。また、より微弱な光を検出することが可能なＭＣＴ検出器をオプション的に搭載する場合がある。ＴＧＳ検出器は、ＭＣＴ検出器よりも感度および応答性が低いが、液体窒素冷却が不要であることや、測定帯域が比較的広いこと、および安価であることなどのメリットがあり、測定値の縦軸安定性や長時間測定などの面で有用である。しかし、従来の赤外光源は出力が十分に高くなく、１００回程度の多重反射によって出力（透過光量）が不足してしまうので、ＴＧＳ検出器が使えず、ＭＣＴ検出器を使わざるを得なかった。これに対して本実施形態では、高出力の赤外光レーザーを用いることで、このような検出器の選択の制限がなくなり、ＴＧＳ検出器のような標準的な検出器を用いた測定が可能になる。このことは、例えば、平行平面鏡２，３の間に試料ガス用のガスセルを配置する場合にも当て嵌り、赤外光レーザーがガスセルでの表面反射損失を繰り返し受けても、透過光量の不足が生じず、標準的な検出器の使用が可能になる。

本実施形態において、光源にＣＱＬおよび他の高出力レーザーを用いることの２点目のメリットは、赤外光レーザーのスペクトル幅が狭いため、測定対象物質の吸収ピークが環境下にあるガス（例えばＣＯ_２やＨ_２Ｏ）の吸収帯に近くても、測定対象物質の吸収ピークを選択的に取り出すことができることである。

また、本実施形態では、特に、直角二面鏡４への入射光および反射光の間隔（図１（Ｂ）のｄｘで示す間隔）が、鏡面２１，３１間を多重反射するレーザー光の半ピッチ（Ｐｘ／２）の長さに等しくなるようにすれば、もっとも効果的に、鏡面２１，３１上の反射スポットを密な状態にして、かつ、反射スポットを互いに重なり合わないようにすることができる。

また、本実施形態の多重反射器具１の駆動装置７，８によって方位角φｘを０～２５°の範囲で変化させることで、鏡面２１，３１間のレーザー光の光路長を容易に調整することができる。ここで、図７に示すように、垂直入射（φｘ＝０°）時の第１反射面４１（または、第２反射面４２）の開口の大きさを１００％とする場合に、方位角φｘの上限を２５°にすることで、その開口の大きさを５０％以上確保することができる。従って、方位角φｘを変化させても、直角二面鏡４（または直角二面鏡５）の反射性能を十分に維持することができる。

ここで、図７を用いて直角二面鏡４の特徴を説明する。図７のように、ミラー開口の範囲内であれば、入射光に対する反射面４１の角度が変化した場合であっても、反射面４２からの反射光は角度変化前と同じ経路（ｘ－ｙ平面に投影した経路が同じになる。）を通って戻ってくる。ただし、直角二面鏡４の中心線から入射光までの長さが変化しないことが条件である。つまり、反射面４１の角度に関わらず、反射前後における平行移動量が一定になる。本実施形態では、このような特性のある直角二面鏡４，５を採用したことで、多重反射器具１の組立て調整作業が容易になった。

図５、図６の駆動装置７，８を使って角φｘを調整することで、鏡面２１，３１間を往復するレーザー光の光路長をその１往復分の光路ずつ細かく調整することができる。また、駆動装置７，８は、角φｚを調整することもでき、両端の直角二面鏡４，５間を往復する多重反射光の光路長をその１往復分の光路ずつ細かく調整することができる。

例えば、本実施形態の多重反射器具１を有するガスセル１０を使って、試料ガス中の特定成分の吸収スペクトルを測定する場合について説明する。試料ガスが高い吸光度の成分と低い吸光度の成分とを含んでいる場合に、もし、高吸光度成分の検出がサチレーション（飽和）してしまっても、本実施形態の光路長の自動切換機構を使って短光路化することで、適切な光路長の条件でその高吸光度成分の測定を続けることができる。つまり、光路長の自動切換機構により、試料ガスの再封入を実施する手間を省けて、異なる測定系でのデータ取得をスムーズに実行することができる。

例えば、図１（Ａ），（Ｂ）の鏡面２１，３１の形状が１辺５０ｍｍの正方形であり、鏡面２１，３１の間隔が５０ｍｍである場合、両端の直角二面鏡４，５間を一往復する間に、レーザー光は鏡面２１，３１間を約１５往復する。その光路長は、
１００ｍｍ×１５往復＝１．５ｍ
になる。更に、多重反射光は、両端の直角二面鏡４，５間を１３往復するので、全体の光路長は、
１．５ｍ×１３往復＝１９．５ｍ
になる。このような多重反射器具１を用いたガスセル１０は、１辺８０ｍｍ以下の箱状（約５１２ｍｌの容積）に作成することができる。これは従来型のガスセルの１／４以下の容量になり、ガスセルを小型化することができる。小型化されたガスセルであれば、使用できる試料の量に制限がある場合などに好適である。

本実施形態のガスセルの一例として、一対の平行平面鏡２，３の間に、赤外透過性の窓板からなるセル室を配置したものでもよい。試料ガスは平面鏡２，３間のセル室に封入される。或いは、上述したように、セル本体９の表面の一部を多重反射器具１の一対の平行平面鏡２，３で形成したものでもよい。

また、一対の平行平面鏡２，３として、赤外透過性の窓板の裏面に反射膜を形成したものを採用してもよい。これらのガスセルの構成であれば、試料ガスで平面鏡２，３の鏡面が直接汚れずに済む（鏡面の汚損防止）。代わりに、赤外透過性の窓板の表面が試料ガスで汚れることになるが、拭き取りや交換をすればよいのでメンテナンスが容易になる。

本発明に係るレーザー光を多重反射させる手法は、セル内のガスの吸光度測定に限られず、オープンな雰囲気のガスの吸光度測定にも好適である。また、吸光度測定に限られず、ラマン分光法においてガスを励起してラマン散乱光を取り出す際や、蛍光法においてガスを励起して蛍光を取り出す際にも、気体のラマン散乱光や蛍光は非常に微弱であることから、本発明に係る手法が好適である。

１ 多重反射器具
２，３ 一対の平行平面鏡
４ 一端側の直角二面鏡
５ 他端側の直角二面鏡
６ 入射用の光学素子
７ 光学素子の駆動装置
８ ガスセルの駆動装置
９ セル本体
１０ ガスセル（多重反射セル）
１１ 光源
２１ 第１鏡面
３１ 第２鏡面
４１，５１ 第１反射面
４２，５２ 第２反射面
５３ 入射孔
５４ 出射孔
９１ ガス送入管
９２ ガス排出管

Claims (8)

1. 所定の入射角（φ）のレーザー光をジグザクに多重反射させる一対の平行平面鏡と、
   前記平行平面鏡間の一端まで進行した多重反射光を折り返すための直角な２つの反射面を有する一端側の直角二面鏡と、
   前記一端側の直角二面鏡から前記平行平面鏡間の他端まで進行した多重反射光を再び折り返すための直角な２つの反射面を有する他端側の直角二面鏡と、を備え、
   前記平行平面鏡を構成する平行な２つの鏡面がｘ－ｙ－ｚ軸座標系のｚ－ｘ面に平行に配置されている場合、前記直角二面鏡を構成する前記２つの反射面はｘ－ｙ面に垂直であり、前記入射角（φ）のレーザー光は、前記ｘ－ｙ面と所定の角（φｚ）で交差することを特徴とする多重反射器具。
2. 請求項１記載の多重反射器具において、
   前記直角二面鏡は、互いに直角な第１および第２反射面を有し、
   前記平行平面鏡間の多重反射光の光路を前記ｘ－ｙ面に投影した場合に、
   前記第１反射面に入射する前記レーザー光の光路、および、前記第１反射面を反射した後前記第２反射面を反射して返されてくる前記レーザー光の光路の間隔（ｄｘ）は、前記平行平面鏡間の前記多重反射光の半ピッチの長さであることを特徴とする多重反射器具。
3. 請求項１または２記載の多重反射器具において、
   前記鏡面へ前記レーザー光を導く入射用の光学素子と、
   前記入射角（φ）の角度変更のために、前記光学素子の位置及び向きを変化させる入射用の駆動装置と、を備えることを特徴とする多重反射器具。
4. 請求項１または２記載の多重反射器具において、
   前記鏡面へ前記レーザー光を導く入射用の光学素子と、
   前記入射角（φ）の角度変更のために、前記入射用の光学素子に対して前記平行平面鏡および前記直角二面鏡の位置及び向きを一体として変化させる平行平面鏡用の駆動装置と、を備えることを特徴とする多重反射器具。
5. 請求項３または４記載の多重反射器具において、前記駆動装置は、前記入射角（φ）を前記ｘ－ｙ面へ投影した角（φｘ）が０～２５°の範囲で変化するように、当該入射角（φ）を変化させることを特徴とする多重反射器具。
6. 請求項３から５のいずれかに記載の多重反射器具において、
   前記駆動装置は、前記一端側および前記他端側の直角二面鏡間の多重反射光の往復回数がＮ回（Ｎは１以上の整数）増減するように、レーザー光の入射方向と前記ｘ－ｙ面との成す角（φｚ）を変化させることを特徴とする多重反射器具。
7. 請求項３から６のいずれかに記載の多重反射器具において、
   前記駆動装置は、前記一端側の直角二面鏡から前記他端側の直角二面鏡までの前記平行平面鏡間におけるレーザー光の往復回数がＭ回（Ｍは１以上の整数）増減するように、前記入射角（φ）を前記ｘ－ｙ面へ投影した角（φｘ）を変化させることを特徴とする多重反射器具。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の多重反射器具と、
   測定対象物質を出し入れ可能に構成されたセル本体と、を備え、
   前記セル本体が前記多重反射器具を内蔵している構成、
   前記セル本体が前記多重反射器具の前記平行平面鏡の間に配置されている構成、および、
   前記セル本体の一部が前記多重反射器具によって形成されている構成のうちのいずれかの構成を有することを特徴とする多重反射セル。

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