JP2023554186A - 光音響効果を介してレーザー放射を計測する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、光音響効果を介してレーザー放射のパワー及び波長を計測する装置（Ｄ）に関し、これは、－中心波長λｃを有する吸収線を有する少なくとも１つのガス（Ｇ）を収容しているセル（Ｃ）と、－セル内において配置された且つセル内の光音響信号を表す信号（Ｓｉ）を生成するのに適した電気－音響トランスデューサ（ＭＰ）と、－電気－音響トランスデューサによって生成された信号を処理する手段（ＵＴ）であって、１つ又は複数のガスの濃度の推定値が保存されている手段と、－セル内に、セル内において収容されている少なくとも１つのガスを励起するのに適した波長においてレーザー放射（ＬＬ）を放出するのに適した少なくとも１つのレーザーソース（Ｌ）であって、前記レーザー放射は、レーザー放射とセル内において収容されている少なくとも１つのガスとの間の相互作用が電気－音響トランスデューサの検出周波数において光音響信号の生成を誘発するように、変調周波数（ｆ１）において平均波長λｍｏｙを中心として発振方式で可変である波長を有する、レーザーソースと、を有し、前記セルは、セル内において収容されている１つ又は複数のガスに対して不透過性を有するようにメンブレイン（ＭＢ）によって封止され、且つ、レーザー放射に対して透明である光学アパーチャを有し、前記処理手段は、前記光音響信号に基づいて光音響信号の位相Φ（ｔ）の変動を判定するように構成されており、前記処理手段は、光音響信号に基づいて放射の波長を計測するのに適している。

Description

本発明は、光音響法の分野に関し、且つ、更に詳しくは、光音響法を介したレーザー放射のパワー及び波長の計測に関する。

本発明は、使用されているレーザーのパワー及び波長を知ること又はこれらを正確に制御することが必要とされているレーザー分光法の方法に関する。

これらの技法のうちで、光音響分光法（ＰＡ）は、当業者には周知の方法である。この定性的且つ定量的な分析技法は、様々な固体、液体、及びガスの組成の判定を許容している。この技法は、材料との間のレーザー放射の相互作用に基づいており、前記相互作用は、音波を生成し、次いで、これが、検討対象の材料を特徴付けするために分析されている。これは、ガス原子の線吸収スペクトルの自然な選択性に起因して、単色ソースを使用してガスを検出するのに特に適している。過去十年間におけるコンパクトな赤外線レーザーソース（例えば、レーザーダイオード）の迅速な開発は、ＰＡを介したガス検出を安定した、コンパクトな、且つ、簡単な解決策に変換している。ＰＡに基づいたガス分析は、振幅及び／又は波長変調されたパルス化又は連続波レーザーソース、分析対象のガスを収容する音響共振器を形成しているセル、及び検出マイクロフォンを必要としている。ガス検出において、ＰＡ効果は、（１）レーザー放射がガスによって吸収され、これにより、回転的、電子的、且つ、振動的エネルギーレベルが励起される、（２）ｒｏ－振動励起のケースにおいては、ガスが好ましくは分子衝突を介して逆励起され、これが、回転／振動エネルギー及び運動エネルギーの伝達を結果的にもたらし、これにより、ガスの局所化された加熱が生成される、という４つのステージに分離され得る。放射放出は、ＰＡにおいて通常使用されている圧力（約１バール）においては、非放射的なものとの比較において、ｒｏ－振動放射レベルの長寿命に起因して、ｒｏ－振動励起のケースにおいては支配的ではない。実際に、ガスによって吸収されたエネルギーは、ガス原子に対する運動エネルギーの伝達を介して完全に熱に変換されている；（３）ガスの加熱に起因した膨張によってもたらされる音波及び熱波の生成、（４）音響信号のマイクロフォンによる検出。マイクロフォンの振動の振幅は、ガスの濃度を表し、且つ、ガスによって吸収されるレーザー放射の波長は、その組成を通知している。

ほとんどのケースにおいて、ガスが分析されている最中に、レーザーと検討対象のガスとの間の相互作用によって生成されるＰＡ信号は、検出の前に、特定の周波数において共振を提示する音響セルを使用して増幅されている。当然のことながら、これは、ＰＡ信号がセルの共振周波数と同一の周波数において生成されることを必要としている。例えば、デュアルヘルムホルツ共振器タイプのセルなどの従来技術において既知の１つの共振セルは、検出マイクロフォンにリンクされた２つの第１空洞を有する。

増幅の終了時点まで、セルの共振周波数におけるレーザー放射の振幅を変調することが知られており、この場合に、これは、同一周波数におけるＰＡ信号の変調をもたらしている。レーザー放射の振幅変調は、多くの形態を有するが、関連する技法は、連続波光音響法及びパルス化光音響法、という２つのカテゴリに分割され得る。

パルス化光音響法は、外部の機械的又は電子光学的変調器を有するパルス化光源又は連続波ソースを使用している。セルの共振周波数においてＰＡ信号を生成するために、準連続波（ＱＣＷ）方式で動作するソースを使用することが知られている。このケースにおいては、レーザーの振幅は、セルの共振のものよりも格段に大きい反復レートと呼称される周波数において変調され、且つ、従って、レーザー放射は、音響共振に対応する変調周波数の視点においては、連続的なものとして出現する。

また、光音響法においては、Ｊ．Ｓａａｒｅｌａ ｅｔ ａｌ，“Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．４８，７４３－７４７（２００９）において示されているように、レーザー放射の波長を変調することが知られている。このケースにおいては、レーザー波長は、検討対象のガスの吸収ピークを中心として変調されている。レーザー波長の変調は、理論的には、レーザー放射とセルの壁との間の相互作用に起因したノイズが検討対象のガスの濃度の判定を妨げることの防止を可能にしている。

レーザー分光法の技法の欠点の１つは、正確なガス計測値の取得には、レーザー波長及び時間に伴うそのパワーの変動に関する完全な知識が必要とされるという点にある。具体的には、波長の誤差は、例えば、検出対象のガスの濃度の推定値の誤差に結び付き得る。しばしば、このようなインスツルメントは、パワー検出器を内蔵しており、この結果、組立が複雑化し、且つ、装置の費用が増大している。波長を判定するために、スキャニング方法が利用され得るが、これらは、インスツルメントの感度限度に近接したガス濃度を計測する際には、効率が相対的に低いことがわかっている。いずれの場合にも、レーザーの特性の時間に伴う変動は、非常にわずかなものであり得るが、ガスを検出するインスツルメントの調節を必要とするには十分なものである。

Ｊ．Ｓａａｒｅｌａ ｅｔ ａｌ，"Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ"，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．４８，７４３－７４７（２００９）

本発明は、従来技術の上述の問題点のいくつかを軽減することを狙いとしている。更に正確には、本発明は、レーザー放射の波長及びパワーが簡単且つ廉価な組立体を使用して光音響法を介して判定又は制御されることを許容する装置に関する。

これを目的として、本発明の１つの主題は、光音響効果を介してレーザー放射を計測する装置であり、これは、
－中心波長λ_ｃを有する吸収線を有する少なくとも１つのガスを収容するセルと、
－セル内において配置された且つセル内の光音響信号を表す電気信号を生成するのに適した電気－音響トランスデューサと、
－電気－音響トランスデューサによって生成された電気信号を処理する手段であって、１つ又は複数のガスの濃度の推定値が保存されている処理手段と、
－セル内に、セル内において収容されている少なくとも１つのガスを励起するのに適した波長においてレーザー放射を放出するのに適した少なくとも１つのレーザーソースであって、前記レーザー放射は、レーザー放射とセル内において収容されている少なくとも１つのガスとの間の相互作用が電気－音響トランスデューサの検出周波数における光音響信号の生成を誘発するように、変調周波数において平均波長λ_ｍｏｙを中心として発振方式で可変である波長又は前記変調周波数において平均パワーを中心として発振方式で可変である光学パワーを有する、レーザーソースと、
を有し、
－前記セルは、セル内において収容されている１つ又は複数のガスに対して不透過性を有するようにメンブレインによって封止されており、且つ、レーザー放射に対して透明である光学アパーチャを有し、
－前記処理手段は、光音響信号からレーザー放射の波長を判定するのに適している。

本発明の特定の実施形態によれば、
－１つ又は複数のレーザーソースは、前記平均波長が時間に伴って変化するように且つ平均波長における偏位が前記中心波長を含むように、更に構成されており、これにより、前記処理手段は、
－前記電気信号に基づいた時間に伴う光音響信号の位相Φ（ｔ）の変動、
－光音響信号の前記位相の時間に伴う変動に基づいたレーザー放射の波長、
を判定するのに更に適しており、
－前記処理手段は、電気信号及び前記推定値に基づいてレーザー放射のパワーＰ_Ｌを判定するのに更に適しており、
－セルは、複数の別個のガスを収容しており、このそれぞれは、その他のものとはスペクトル的に別個である少なくとも１つの吸収線を有し、前記装置は、セルの外側においてそれぞれが配置された且つ１つの関連するガスを励起するのに適した複数のレーザーソースを更に有し、
－処理手段は、１つ又は複数のレーザーソースのサーボ波長と呼称される波長λ_ＡＳに対して取得された光音響信号をサーボ制御するためのサーボ位相と呼称される位相Φ_ＡＳを判定するように構成されており、
－１つ又は複数のレーザーソースは、電子的にポンピングされているレーザーを有し、前記装置は、１つ又は複数のレーザーソースがパルス化モードにおいて動作するようにするために、１つ又は複数のレーザーソースをポンピングする生成電流と呼称されるパルス化電流を生成する電源回路を有し、処理手段は、電源回路に接続されており、前記電源回路は、レーザーパルスの間において非ゼロ値を有する且つレーザーパルスの際に生成電流の振幅未満である振幅を有するベース電流と呼称される電流を更に生成するように構成されており、ベース電流は、波長の前記発振変動を生成するために振幅変調されており、
－電源回路は、前記サーボ位相に対して光音響信号の位相をサーボ制御するようにベース電流が振幅変調されるように、構成されており、
－装置は、１つ又は複数のレーザーソースの活性領域の温度を制御する装置を有し、前記温度を制御する装置は、処理手段に接続されており、且つ、前記サーボ位相に対して光音響信号の位相をサーボ制御するように、１つ又は複数のレーザーソースの活性領域の温度を調節するように構成されており、
－温度を制御する装置は、抵抗器、熱電気システム、又は前記電源回路であり、
－１つ又は複数のガスの濃度は、１ｐｐｍ超であり、且つ、好ましくは１００ｐｐｍ超であり、
－トランスデューサは、１つ又は複数のガスに対して不透過性を有するパッケージを有するマイクロフォンであり、その内部には、光音響信号を検出するのに適したダイアフラムが含まれており、この場合に、セルは、前記パッケージによって形成されている。

本発明の別の主題は、光音響システムであり、これは、
－本発明による計測装置と、
－レーザー入口面を有する光音響ガス検出装置であって、少なくとも１つのレーザーソースによって放出されたレーザー放射の第１部分が光音響ガス検出システムの前記入口面を照明するように構成された装置と、
を有する。

このシステムの特定の実施形態によれば、前記セルは、レーザー出口面を有し、少なくとも１つのレーザーソース及び前記光音響ガス検出装置は、前記第１部分が前記レーザー出口面を通過するレーザー放射に対応するように構成されており、或いは、これは、前記光音響システムの前記レーザー入口面に向かって導かれる前記第１部分と前記セル内に導かれる第２部分に前記レーザー放射を分割するのに適した光学コンポーネントを有する。

本発明の別の手段は、光音響効果を介してレーザー放射の波長及びパワーを判定する方法であって、これは、
－中心波長λ_ｃを有する吸収線を有する少なくとも１つのガスを収容しているセルＣ内において、セル内において収容されている少なくとも１つのガスを励起するのに適した波長においてレーザー放射を生成するステップであって、前記レーザー放射は、レーザー放射とセル内において収容されている少なくとも１つのガスとの間の相互作用が光音響信号の生成を誘発するように、変調周波数において平均波長λ_ｍｏｙを中心として発振方式で変化する波長を有し、レーザー放射の平均波長偏位は、前記中心波長を含み、前記平均波長は、時間に伴って変化しており、前記セルは、セル内において収容されている１つ又は複数のガスに対して不透過性を有するように、メンブレインによって封止されている、ステップと、
－前記光音響信号を検出し、且つ、セル内の光音響信号を表す電気信号（Ｓｉ）を生成するステップと、
－前記光音響信号に基づいて光音響信号の位相Φ（ｔ）の時間に伴う変動を判定するステップと、
－光音響信号の前記位相の時間に伴う変動に基づいて放射の波長を計測するステップと、
－電気信号及び１つ又は複数のガスの濃度の推定値に基づいてレーザー放射のパワーＰ_Ｌを計測するステップと、
を有する。

本発明の方法の特定の一実施形態によれば、波長は、光音響信号の位相の前記変動の導関数の最大値の演算に基づいて計測されている。

本発明のその他の特徴、詳細、及び利点については、例として付与された且つ以下の図をそれぞれが示す添付図面を参照して付与されている説明を参照した際に明らかとなろう。

本発明による光音響効果を介してレーザー放射ＬＬのパワー及び波長を計測する装置の概略図である。 本発明による光音響効果を介してレーザー放射の波長及びパワーを判定する方法の概略図である。 本発明の第１実施形態による装置の概略図である。 本発明の第２実施形態による装置の概略図である。 本発明による装置Ｄを有する光音響検出システムの概略図である。 本発明の一代替肢による光音響検出システムの概略図である。 本発明の一実施形態による光音響検出システムの概略図である。 本発明の別の実施形態による光音響検出システムの概略図である。

図における参照符号は、それらが同一である際には、同一の要素に対応している。

図においては、そうではない旨が通知されていない限り、要素は正確な縮尺で示されてはいない。

図１は、本発明による光音響効果を介してレーザー放射ＬＬのパワー及び波長を計測する装置Ｄを概略的に示している。装置Ｄは、中心波長λ_ｃを有する吸収線を有する少なくとも１つのガスＧを収容するセルＣを有する。これに加えて、装置は、セルＣ内に、セル内において収容されているガスを励起するのに適した波長においてレーザー放射ＬＬを放出するのに適した少なくとも１つのレーザーソースＬを有する。

また、装置Ｄは、セル内において配置された且つセル内において生成された光音響信号を表す信号Ｓｉを生成するのに適した電気－音響トランスデューサＭＰを有する。トランスデューサは、音波の振幅と、従って、レーザー放射のパワーと、の判定を許容しており、この場合に、検討対象のガス種の濃度は、既知である（以下を参照されたい）。このトランスデューサは、例えば、マイクロフォン、或いは、場合によっては、チューニングフォーク、であってよい。別の実施形態においては、これは、音響－光－電気トランスデューサであってよい。

それ自体が既知の方式において、レーザーソースは、レーザー放射とセル内において収容されているガスとの間の相互作用が電気－音響トランスデューサの検出周波数における光音響（ＰＡ）信号の生成を誘発するように（第１条件）、レーザー放射ＬＬが変調周波数ｆ_１において平均波長λ_ｍｏｙを中心として発振方式で変化する波長を有するように、構成されている。

これに加えて、本発明によるレーザーソースＬは、平均波長λ_ｍｏｙ（ｔ）が周期Ｔ_ｅによって時間に伴って変化するように且つ平均波長偏位が中心波長λ_ｃを含むような方式で（第２条件）、構成されている。従って、これは、λ_ｍｏｙ（ｔ）＜λ_ｃとなるように第１の複数の値が存在するように且つλ_ｍｏｙ（ｔ）＞λ_ｃとなるように第２の複数の値が存在するように、平均波長が、周期Ｔ_ｅによって変化し且つ複数の別個の値を取得することを意味している。

具体的には、上述の２つの条件下においてレーザーソースＬによって放出される波長は、λ（ｔ）＝λ_ｍｏｙ（ｔ）＋λ_ＰＡ（ｔ）という式において表現されてもよく、この場合に、λ_ｍｏｙ（ｔ）は、放射の波長の平均値に対応する関数であり、且つ、λ_ＰＡは、周波数ｆ_１における波長の発振部分を表す関数であり、その平均値は、０に等しく、且つ、これは、ＰＡ信号がセル内において生成されることを許容している。関数λ_ｍｏｙは、例えば、ランプ関数であり、且つ、関数λ_ＰＡは、例えば、三角波又は方形波又は正弦波関数である。後述するように、これらの条件の両方を充足することにより、ＰＡ信号の位相に基づいた放射の波長の正確な判定が可能となる。これらの波形は、非限定的な例として付与されており、且つ、当業者には既知の且つ波長との関係における上述の条件の充足を許容する任意のその他の波形が使用され得る。

別の実施形態によれば、レーザーソースは、レーザー放射とセル内において収容されているガスとの間の相互作用が電気－音響トランスデューサの検出周波数における光音響信号の生成を誘発するように、レーザー放射ＬＬが変調周波数ｆ_１において平均パワーを中心として発振方式で変化する光学パワーを有するように、構成されている。この実施形態においては、レーザーソースは、次いで、放出された波長が単純にλ（ｔ）＝λ_ＰＡ（ｔ）という形態を取得するように構成されている。

特に、本発明のすべての実施形態において、セルＣは、セル内において収容されているガスに対して不透過性を有するように、メンブレインＭＢによって封止されている。このメンブレインＭＢは、１つ又は複数のレーザーソースＬによって放出されたレーザー放射に対して透明である光学アパーチャを有する。透明とは、本明細書においては、メンブレインの透過率が、トランスデューサＭＰによって生成された信号Ｓｉの信号対雑音比が１超となるのに十分なものであることを意味している。このメンブレインは、ビームが伝播するのに伴ってビームの幾何学的プロパティを変更しない又は無視可能な方式で変更する、のいずれかである透明壁である。従来技術の光音響ガス検出装置とは対照的に、装置は、１つ又は複数の既知のガスの存在を保証するために且つ装置が光音響センサとして動作することを許容するために空洞を封止するメンブレインＭＢを有する。従って、セル内の様々なガスの濃度は、設定されており、且つ、既知であり、且つ、波長が正確性を伴って判定されたら、ＰＡ信号の振幅によって放射のパワーを判定することができる（以下を参照されたい）。

装置Ｄは、トランスデューサＭＰによって生成された電気信号Ｓｉを処理するための手段ＵＴを更に有する。処理手段は、放射ＬＬの波長の計測値を判定し、これにより、ＰＡ信号を生成するのに適している。これを実行するために、処理手段は、平均波長の変動の一周期Ｔ_ｅにわたって時間に伴うＰＡ信号の変動を判定するように構成されている。この変動に基づいて、手段ＵＴは、信号Ｓｉ（ｔ）によって表されるＰＡ信号の位相Φ（ｔ）の変動を判定するように構成されている。例えば、位相Φ（ｔ）は、以下の方式（式１）において演算されてもよく、

ここで、Ｔ＝１／ｆ_１であり、且つ、ＰＡ信号Ｓｉ（ｔ）のＧａｂｏｒ変換であるＧ（Ｓ（ｔ））は、次式のとおりである。

或いは、この代わりに、トランスデューサＭＰによって生成された電気信号Ｓｉを処理する手段ＵＴは、ＰＡ信号及びＰＡ信号の位相の変動を表す信号を同時に生成するのに適した同期検出器を有する。

一実施形態によれば、次いで、処理手段は、周期Ｔ_ｅにわたって位相Φ（ｔ）の変動の導関数を演算するように且つこの期間にわたって導関数の最大値を判定するように、構成されている。それ自体が既知であるように、この最大値には、ガスの吸収ピークの中心波長λ_ｃに等しい波長において到達している。従って、位相の変動の導関数の最大値の判定は、レーザー放射の波長の値がλ＝λ_ｃとなる時点が正確に判定されることを許容している。電気的にポンピングされているレーザーソースのケースにおいては、次いで、レーザー放射がこの波長λ＝λ_ｃにおいて生成されることを許容する供給電流の値を判定することができる。以下においては、この供給電流の値は、この波長に対してレーザーをサーボ制御するために使用されることになる（以下を参照されたい）。

これに加えて、λ＝λ_ｃであることが判定された時点の後に、時間に伴う波長λ（ｔ）の既知の変動とＰＡ信号の位相Φ（ｔ）の計測された変動を比較することにより、ＰＡ信号の位相が時点ｔにおけるレーザー放射の波長λ（ｔ）と関連付けられている。従って、ＰＡ信号の位相Φ（ｔ）の後続の計測は、対応するレーザー放射の波長の瞬間的な判定を許容している。

以下においては、サーボ位相と呼称される位相Φ_ＡＳに対応するサーボ波長と呼称される波長λ_ＡＳが処理手段によって選択されている。

この波長計測は、通常、幅０．１５ｃｍ^－１の吸収ピークの場合に且つ１００というトランスデューサＭＰによって検出されたＰＡ信号の信号対雑音比の場合に、０．０１ｃｍ^－１内において正確である。これらの値は、非限定的な例として付与されている。この計測精度は、主には、封止された空洞内のガス濃度、空洞内に入力されたレーザーパワー、及び空洞の性能（品質係数及びノイズ）に依存している。

一実施形態によれば、波長の変動のシーケンスは、処理手段がそれぞれの反復において得られたＰＡ信号の変動の平均を取得し得るように、複数回にわたって反復されている。これは、相対的に安定した平均ＰＡ信号が得られることを許容し、且つ、従って、信号対雑音比の改善を許容し、且つ、従って、波長計測の精度の改善を許容している。

重要なことには、本発明の装置Ｄにおいて、様々なガス種Ｇ（ｉ）の濃度Ｃ（ｉ）は、既知であり、且つ、手段ＵＴ内において保存されている。時点ｔ_ＡＳにおけるレーザー長λ_ＡＳ＝λ_ｃの場合には、レーザー放射のパワーＰ_Ｌは、ＰＡ信号を表す信号Ｓｉの振幅の最大値Ｓｉ_ｍａｘ及びＰＡ信号が生成されるガスの濃度Ｃに基づいて演算されている。

以下の式が得られ、
Ｐ_Ｌ＝Ａ×Ｃ×Ｓｉ_ｍａｘ
この場合に、Ａは、インスツルメントの事前の較正によって判定された変換係数である。

レーザー長λ_ＡＳ≠λ_ｃの場合には、レーザーパワーＰ_Ｌは、ＰＡ信号を表す信号Ｓｉの振幅のＳｉ_ｍａｘ、波長λ_ｃとの関係における長さλ_ＡＳの一部分に関係する係数Ｋ、及び吸収ピークの形状に基づいて推定されている。

以下の式が得られる。
Ｐ_Ｌ＝Ａ×Ｋ×Ｃ×Ｓｉ_ｍａｘ

従って、これは、波長の正確な判定であり、且つ、対応するレーザー放射のパワーが判定されることを許容している、セルＣが既知のガス濃度を有するように封止されているという事実。従って、本発明による装置Ｄは、パワーセンサに対する且つ従来技術のその他の波長判定技法に対する一代替肢である低費用の光音響センサである。

好ましくは、セル内の１つ又は複数のガスＧの濃度は、１ｐｐｍ超である。これは、波長及びパワーＰ_Ｌの十分に正確な判定を許容するのに十分なＰＡ信号を取得するために必要とされている。好ましくは、セル内の１つ又は複数のガスの濃度は、レーザー放射ＬＬの波長のわずかな変動を計測することができるように、１００ｐｐｍ超である。

本発明の一実施形態によれば、セルＣは、複数の別個のガスを収容しており、そのそれぞれは、その他のものとはスペクトル的に別個である少なくとも１つの吸収線を有しており、且つ、装置は、セルの外側においてそれぞれが配置された、且つ、セルを照射するのに、且つ、従って、１つの関連するガスを励起するのに、適した複数の単色レーザーソースを有する。従って、この実施形態においては、装置は、複数のレーザーソースのパワー及び波長を計測することを可能にしている。説明の残りの部分においては、簡潔性を目的として、１つのレーザーソース及びセル内の単一のガスについてのみが言及することとする。これは、１つの単一の例であるに過ぎず、且つ、本発明による装置の実施形態のすべては、複数のレーザーソース及びセルＣ内の複数のガスを装置が有するケースにも適用されることを理解されたい。或いは、この代わりに、レーザーソースは、周波数コムを放出するのにも適しており、この場合に、このコムの周波数のそれぞれは、セルを照射するために且つ１つの関連するガスを励起するために適している。

図２は、光音響効果を介してレーザー放射の波長及びパワーを判定するのに適した本発明の方法を示している。この方法は、図１及び図３～図６の装置によって実装されている。

この方法は、１つ又は複数のレーザーソースＬによって実装された、且つ、セルＣ内において、セルＣ内において収容されている少なくとも１つのガスを励起するに適した波長においてレーザー放射ＬＬを生成するステップを有する、第１ステップＡを有する。上述のように、生成されるレーザー放射ＬＬは、レーザー放射とセル内において収容されている少なくとも１つのガスとの間の相互作用が電気－音響トランスデューサＭＰの検出周波数における光音響信号の生成を誘発するように、変調周波数ｆ_１において平均波長λ_ｍｏｙを中心として発振方式で可変である波長λ（ｔ）を有する。これに加えて、生成される放射は、セル内のガスの吸収線の中心波長を含む平均レーザー放射波長偏位を有し、且つ、平均波長は、周期Ｔ_ｅによって時間に伴って変化している。波長偏位は、吸収線をスキャニングするために放射の波長の中心波長λ_ｃを含むことが必要とされ、且つ、従って、ＰＡ信号の最大値を吸収線の中心波長と関連付けることにより、波長を正確に較正することが可能となることが必要とされている。

図２の方法は、ステップＡの後に、セル内において生成されたＰＡ信号を電気－音響トランスデューサを利用して検出するステップＢを有する。ステップＢは、セル内の光音響信号を表す信号Ｓｉを生成するステップを有する。

ステップＢの後に、方法は、周期Ｔ_ｅの全体を通じて、検出された光音響信号に基づいて光音響信号の位相Φ（ｔ）の時間に伴う変動を判定するステップＣを有する。以上において理解されるように、位相は、変調周波数ｆ_１におけるＰＡ信号のＧａｂｏｒ変換を演算する予備ステップを介して、且つ、式１により、判定することができる。或いは、この代わりに、この位相計測は、ＰＡ信号及びＰＡ信号の位相の変動を表す信号を同時に生成するのに適した同期検出器を利用して実行されている。別の代替肢によれば、位相Φ（ｔ）は、当業者には既知の任意の方法を使用することにより、トランスデューサＭＰによって生成された信号に基づいて処理手段ＵＴによって判定されている。

ステップＣの後に、方法は、周期Ｔ_ｅにわたる光音響信号の位相の時間に伴う変動に基づいて放射の波長を判定するステップＤを有する。上述のように、これは、周期Ｔ_ｅにわたる光音響信号の位相の変動の導関数の最大値を演算することにより、実行されており、この場合に、この最大値は、中心波長λ_ｃに等しい放射波長について得られている。

最後に、図２の方法は、光音響信号及びガスの濃度の推定値に基づいてレーザー放射のパワーＰ_Ｌを判定する最終ステップＥを有する。具体的には、セル内のガスの濃度が既知であることから、処理手段は、式Ｐ_Ｌ＝Ａ×Ｃ×Ｓ_ｍａｘを使用することにより、中心波長λ_ｃと等しい波長について取得されたレーザー放射のパワーＰ_Ｌを演算するように構成されている。

ステップＣ、Ｄ、及びＥは、処理手段ＵＴによって実装されている。

従って、図２の方法は、ＰＡ信号を生成するレーザー放射の波長と、次いで、レーザーパワーＰ_Ｌと、が正確に判定されることを許容している。

図３は、本発明の第１実施形態による装置を示しており、この場合に、１つ又は複数のレーザーソースは、電源回路ＣＡによって電気的にポンピングされているソースである。例えば、レーザーソースは、量子カスケードレーザーであるか、或いは、場合によってはレーザーダイオードである。この電源回路は、処理手段ＵＴに接続されており、且つ、１つ又は複数のレーザーソースがパルス化モードにおいて動作するようにするためにレーザーソースをポンピングする生成電流と呼称されるパルス化電流を生成している。

レーザーソースは、Ｉ（ｔ）＝Ｉ_０＋ｇ．ｔ＋ｈ．ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ）という形態の生成電流を周期Ｔ_ｅによって反復された状態においてレーザーソースＬに印加する電源回路ＣＡによってパワー供給されており、ここで、０≦ｔ≦Ｔ_ｅであり、且つ、Ｉ_０は、電流のオフセットであり、ｇは、電流のスロープであり、且つ、ｈは、変調電流の振幅である。この波形は、非限定的な例として付与されており、且つ、当業者には既知の且つ波長との関係における上述の条件が充足されることを許容する任意のその他の波形が使用され得る（例えば、Ｊ．Ｓａａｒｅｌａ ｅｔ ａｌ，“Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．４８，７４３－７４７（２００９）を参照されたい）。

更には、それ自体が既知の方式により、電源回路ＣＡは、生成電流の印加に加えて、レーザーパルスの間において非ゼロ値を取得する且つレーザーパルスの際に生成電流の振幅未満の振幅を有するベース電流と呼称される電流を生成するようにも構成されている。このベース電流は、波長の発振変動を生成するために、且つ、従って、ＰＡ信号を生成するために、振幅変調されている。

或いは、この代わりに、別の実施形態によれば、周期Ｔ_ｅによって反復される波形を担持しているのは、生成電流ではなく、ベース電流である。従って、例えば、ベース電流は、上述の波形ｇ．ｔ＋ｈ．ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ）を担持しており、この場合に、０≦ｔ≦Ｔ_ｅであり、且つ、生成電流は、Ｉ（ｔ）＝Ｉ_０という形態を単純に有する。

第一変形による図３の装置においては、電源回路は、処理手段によって更に制御されており、且つ、中心波長λ_ｃに対してレーザー放射ＬＬの波長をサーボ制御するようにベース電流が振幅変調されるように、構成されている。このサーボ制御は、ＰＡ信号の位相の変動を介して実現されており、これが誤差信号を形成している。具体的には、位相は、大きなスロープ（最大導関数）と、中心波長λ_ｃを中心とした線形振る舞い、即ち、サーボ誤差信号用の理想的な特性、と、を有する。従って、電源回路を制御する処理手段は、波長λ_ｃが取得されることを許容する生成電流の値を回路ＣＡが注入するように、構成されている。

サーボ制御は、従来のサーボ制御方法を使用することにより、フィードバック電子回路を介して、且つ、非限定的に、例えば、ＰＩ又はＰＩＤフィードバック電子回路を使用することにより、処理手段によって実行されている（ＰＩＤは、Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅの略号であり、これらの用語は、フィードバック電子回路の誤差信号に対する３つの動作モードを示唆している）。誤差信号が設定値に収束するようにすることを許容しているこのタイプのフィードバックについては、自動制御の技術分野において周知である。

第２変形によれば、処理手段は、選択されたサーボ制御波長λ_ＡＳ≠λ_ｃをサーボ制御するように構成されている。この結果、処理手段は、サーボ位相において光音響信号の位相を維持するように、且つ、従って、サーボ波長においてレーザーソースの波長を維持するように、電源回路ＣＡ又は制御装置Ｔｅｍｐ（図４を参照されたい）をサーボ制御するように構成されている。

有利には、処理手段は、波長が常に波長λ_ＡＳに対してサーボ制御されるように、サーボ位相Φ_ＡＳがドリフトした際に（このドリフトは、恐らくは、多くの実験的パラメータによってもたらされる）時間に伴ってサーボ位相Φ_ＡＳを調節するのに適している。

図４は、ここでは、サーボ制御が、レーザーＬの活性領域の温度を制御するために装置Ｔｅｍｐを使用して処理手段によって実行されているという例外を伴って、図３の実施形態と同一である本発明の第２実施形態を概略的に示している。具体的には、それ自体が既知の方式により、電気的にポンピングされているレーザーにおいて、レーザーに印加される電流が注入閾値超である際には、レーザーＬによって放出される波長は、次式として表現されてもよく、
λ（Ｉ，Ｔ）＝λ_０＋ａＴ＋ｂＩ
ここで、λ_０は、０Ｋにおける且つ電流の０ｍＡの下におけるレーザーの理論長であり、ａは、波長の温度係数であり、ｂは、波長の電流係数であり、Ｔは、レーザーの温度であり、且つ、Ｉは、レーザーに印加される電流である。

従って、処理手段ＵＴによって活性領域の温度Ｔを制御することは、サーボ位相Φ_ＡＳにおいて光音響信号の位相を維持することにより、且つ、従って、レーザーソースの波長をサーボ波長λ_ＡＳにおいて維持することにより、レーザーがサーボ制御されることを許容している。

一実施形態によれば、制御装置Ｔｅｍｐは、その温度を制御し得るように、活性領域に装着された又はこれに近接して配置された抵抗器である。或いは、この代わりに、別の実施形態によれば、装置Ｔｅｍｐは、レーザーＬを有する且つ活性領域の温度Ｔが正確に調節されることを許容する熱電気システムである。

或いは、この代わりに、第３の実施形態によれば、温度を制御する装置は、レーザーＬの電源回路ＣＡである。具体的には、相対的に大きな注入電流は、活性領域を加熱することになり、且つ、従って、放出される波長を変更することになる。従って、電源回路を通じて活性領域の温度を制御することにより、レーザーをサーボ制御することができる。

本発明による装置の１つの適用例は、光音響ガス検出装置との組合せにおいてレーザーの波長及びパワーの制御を許容するというものである。従って、図５は、光音響法を介してレーザー放射の波長及びパワーを計測するのに適した本発明による装置Ｄを有する光音響検出システムＤＰを概略的に示している。これに加えて、システムＤＰは、レーザー入口面ＥＬを有する従来の光音響ガス検出装置ＤＰＡを有する。装置ＤＰＡは、従来の光音響ガス検出装置である。図５の実施形態において、装置Ｄは、レーザー出口面ＦＬと呼称される光学ウィンドウを有しており、これは、セル内にソースＬによって放出されたレーザー放射の第１部分によって通過されている。装置ＤＰＡは、この第１部分が、面ＥＬを通過するように、且つ、ガス検出が発生することを許容するように、構成されている。セル内の既知のガスの存在が保証されることを許容し且つ装置Ｄが光音響センサとして機能することを許容しているのは、セルＣが封止されているという事実である。従って、装置Ｄは、光音響組立体内に容易に統合可能である且つレーザー放射のパワー及び波長が計測されることを許容するセンサである。これに加えて、装置Ｄは、装置ＤＰＡによるガス検出に有害である任意のドリフトを回避するために、レーザー波長がターゲット値λ_ＡＳに対して正確にサーボ制御されることを許容している。

図６は、ビームスプリッタＬＳがソースＬによって放出された放射をレーザー入口面ＥＬに向かう且つＤＰＡ装置内へのソースＬによって放出された第１レーザー放射部分と、セルＣ内に導かれる第２部分と、に分割している図５の実施形態に対する一代替肢である。図５の実施形態との関係において、この実施形態は、装置ＤＰＡに向かって導かれるレーザービームの光学プロパティを劣化させず且つコンポーネントのアーキテクチャに対する制約を低減しているという利点を有する。

図５の実施形態に対する別の代替肢において、装置ＤＰＡは、レーザー出口面を有しており、且つ、装置Ｄは、装置ＤＰＡのレーザー出口面によって透過された放射がセルＣに進入するように、構成されている。この実施形態は、レーザー進入面の妨害などの、装置ＤＰＡのガスセル内において発生し得るレーザーパワーの可能な更なる劣化を考慮しているという利点を有する。別の実施形態によれば、波長が計測されており、且つ、トランスデューサＭＰによって検出されるＰＡ信号に基づいたサーボ制御は、当業者には既知の任意の方法を使用して実行されている。

本発明においては、トランスデューサＭＰは、例えば、ＭＥＭＳマイクロフォン（ＭＥＭＳは、Ｍｉｃｒｏ－ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍの略号である）又はＥＣＭマイクロフォン（ＥＣＭは、Ｅｌｅｃｔｒｅｔ Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ Ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅの略号である）などのマイクロフォンである。マイクロフォンは、ダイアフラムＤＰ（例えば、ＭＥＭＳ又はＥＣＭダイアフラム）によって検出されるように音波がパッケージ内に貫通するようにするのに適した音響進入ゾーンを有する外部保護パッケージ（或いは、空洞）を有する。本発明においては、マイクロフォンＭＰを取り囲むパッケージは、セルＣを形成しており、且つ、ガスに対して不透過性を有する。従って、セル内において収容されている１つ又は複数のガスに対して不透過性を有するようにセルＣを封止しているメンブレインＭＢは、音響進入ゾーンを形成している。性能の過大な劣化をもたらすことなしに、この特徴は、装置のコンパクトさの改善を許容している。従って、重要なことには、本発明においては、セルＣは、この結果、共振音響空洞ではない。具体的には、本発明者らは、約１０００ｐｐｍのＨ２Ｏの濃度及び１ｍＷの光学パワーの場合には、ＰＡ信号を増幅するために共振音響セルを使用する必要がないことを観察した。これらの値は、例として付与されており、且つ、別の濃度を有する別のガスが、匹敵する光学パワーと共に使用され得ることを理解されたい。これは、通常従来技術において使用されている共振音響空洞よりも格段に小さなサイズのセルＣの使用を可能にしている。非限定的な例として、本発明の好適な実施形態において、マイクロフォンＭＰのパッケージによって形成されたセルＣは、３ｍｍ×４ｍｍ×１．２ｍｍ未満の、且つ、場合によっては更に好ましくは９００μｍ×３００μｍ×９００μｍ未満の、寸法を有する。従って、本発明の装置は、非常にコンパクトである。

図７は、マイクロフォンＭＰが、ダイアフラムＤＰを有するＭＥＭＳマイクロフォンである一実施形態を概略的に示している。図７の装置は、ダイアフラムＤＰを保護するための外部パッケージＢＥを有する。このパッケージＢＥは、ガスＧを収容しており、且つ、セルＣを形成するためにメンブレインＭＢによって封止されている。更には、装置は、マイクロフォンの電気接点と、マイクロフォンを処理手段ＵＴに接続する接続ケーブルＣＣと、を有する印刷回路基板ＰＣＢを有する。処理手段ＵＴは、例えば、用途固有の集積回路（ＡＳＩＣ）である。これに加えて、装置は、セルＣの封止密封性を保証するために基板ＰＣＢ上において配置された任意選択の封止層ＣＥを有する。この実施形態は、非常にコンパクトである。

図８は、本発明の好適な一実施形態を示している。この実施形態においては、空洞Ｃを封止しているメンブレインＭＢは、印刷回路基板ＰＣＢ上において堆積されたレーザー放射ＬＬに対して透明である基材Ｓｕｂを有する組立体によって形成されている。印刷回路基板ＰＣＢは、マイクロフォンＭＰの電気接点を有しており、これは、接続ケーブルＣＣによって処理手段ＵＴに接続されている。これに加えて、基板ＰＣＢは、光音響信号が生成されることを許容するために放射ＬＬが空洞Ｃ内に送られることを許容するギャップＨを有する。このメンブレインの構造は、封止密封性を有する且つ処理手段ＵＴの電気接点の両方をマイクロフォン及び任意選択によってレーザーＬの電気接点に再分配する能力を有するメンブレインを得ることを可能にしている。具体的には、任意選択により、図８に示されているように、レーザーＬは、装置のコンパクトさを向上させるために、基材Ｓｕｂに装着されている。

好ましくは、図８の実施形態において、装置は、セルＣの封止密封性を保証するために、基材と基板ＰＣＢの間において且つ基板ＰＣＢとダイアフラムＤＰの間においてはんだ結合部を有する。有利には、基板ＰＣＢとダイアフラムＤＰの間のはんだ結合部には、マイクロフォンの電気接点を生成するような機能を持たせることができる。

Claims (15)

1. 光音響効果を介してレーザー放射を計測する装置（Ｄ）であって、
   －中心波長λ_ｃを有する吸収線を有する少なくとも１つのガス（Ｇ）を収容しているセル（Ｃ）と、
   －ダイアフラム（ＤＰ）と、前記１つ又は複数のガスに対して不透過性を有するパッケージ（ＢＥ）と、を有するマイクロフォンである電気－音響トランスデューサ（ＭＰ）であって、前記ダイアフラムは、前記セル内において配置されており、且つ、前記セル内の前記光音響信号を表す電気信号（Ｓｉ）を生成するのに適しており、前記セル（Ｃ）は、前記パッケージによって形成されている、電気－音響トランスデューサと、
   －前記電気－音響トランスデューサによって生成された前記電気信号を処理する手段（ＵＴ）であって、前記１つ又は複数のガスの濃度の推定値が保存される処理手段と、
   －前記セル内に、前記セル内において収容されている少なくとも１つのガスを励起するのに適した波長においてレーザー放射（ＬＬ）を放出するのに適した少なくとも１つのレーザーソース（Ｌ）であって、前記レーザー放射は、前記レーザー放射と前記セル内において収容されている少なくとも１つのガスとの間の相互作用が前記電気－音響トランスデューサの検出周波数における光音響信号の生成を誘発するように、変調周波数（ｆ_１）において平均波長λ_ｍｏｙを中心として発振方式で変化する波長又は前記変調周波数（ｆ_１）において平均パワーを中心として発振方式で変化する光学パワーを有する、レーザーソースと、
   を有し、
   前記セルは、前記セル内において収容されている前記１つ又は複数のガスに対して不透過性を有するようにメンブレイン（ＭＢ）によって封止されており、且つ、前記レーザー放射に対して透明である光学アパーチャを有し、
   前記処理手段は、前記光音響信号から前記レーザー放射の前記波長を判定するのに適している、装置。
2. 前記１つ又は複数のレーザーソースは、前記平均波長が時間に伴って変化するように且つ平均波長における偏位が前記中心波長を含むように、更に構成されており、前記処理手段は、
   －前記電気信号（Ｓｉ）に基づいた前記光音響信号の時間に伴う位相Φ（ｔ）の変動、
   －前記光音響信号の前記位相の時間に伴う変動に基づいた前記レーザー放射の前記波長、
   を判定するのに更に適している請求項１に記載の装置。
3. 前記処理手段は、前記電気信号（Ｓｉ）及び前記推定値に基づいて前記レーザー放射のパワーＰ_Ｌを判定するのに更に適している請求項２に記載の装置。
4. 前記セルは、複数の別個のガスを収容しており、そのそれぞれは、その他のものとはスペクトル的に別個である少なくとも１つの吸収線を有し、前記装置は、前記セルの外側においてそれぞれが配置された且つ１つの関連するガスを励起するのに適した複数のレーザーソースを更に有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記処理手段は、前記１つ又は複数のレーザーソースのサーボ波長と呼称される波長λ_ＡＳに対して前記得られた光音響信号をサーボ制御するために、サーボ位相と呼称される位相Φ_ＡＳを判定するように構成されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記１つ又は複数のレーザーソースは、電気的にポンピングされているレーザーを有し、前記装置は、前記１つ又は複数のレーザーソースがパルス化モードにおいて動作するようにするために、前記１つ又は複数のレーザーソースをポンピングする生成電流と呼称されるパルス化電流（ＣＧ）を生成する電源回路（ＣＡ）を有し、
   前記処理手段は、前記電源回路に接続されており、前記電源回路は、レーザーパルスの間において非ゼロ値を有する且つ前記レーザーパルスの際に前記生成電流の振幅未満の振幅を有するベース電流と呼称される電流（ＣＢ）を更に生成するように構成され、前記ベース電流は、前記波長の前記発振変動を生成するために、振幅変調されている請求項５に記載の装置。
7. 前記電源回路は、前記サーボ位相に対して前記光音響信号の前記位相をサーボ制御するように、前記ベース電流が振幅変調されるように、構成されている請求項６に記載の装置。
8. 前記１つ又は複数のレーザーソースの活性領域の温度を制御する装置（Ｔｅｍｐ）を有し、前記温度を制御する装置は、前記処理手段に接続されており、且つ、前記サーボ位相に対して前記光音響信号の前記位相をサーボ制御するように、前記１つ又は複数のレーザーソースの前記活性領域の前記温度を調節するように構成されている請求項６に記載の装置。
9. 前記温度を制御する装置は、抵抗器、熱電気システム、又は前記電源回路である請求項８に記載の装置。
10. 前記１つ又は複数のガスの前記濃度は、１ｐｐｍ超であり、且つ、好ましくは１００ｐｐｍ超である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。
11. 光音響検出システム（ＤＰ）であって、
    －請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の計測装置と、
    －レーザー入口面（ＥＬ）を有する光音響ガス検出装置（ＤＰＡ）であって、少なくとも１つのレーザーソースによって放出された前記レーザー放射の第１部分が前記光音響ガス検出システムの前記入口面を照明するように構成されている、光音響ガス検出装置と、
    を有するシステム。
12. 前記セルは、レーザー出口面（ＳＬ）を有し、前記少なくとも１つのレーザーソース及び前記光音響ガス検出装置は、前記第１部分が前記レーザー出口面を通過した前記レーザー放射に対応するように構成されている請求項１１に記載のシステム。
13. 前記光音響システムの前記レーザー入口面に向かって導かれる前記第１部分と、前記セル内に導かれる第２部分と、に前記レーザー放射を分割するのに適した光学コンポーネント（ＬＳ）を有する請求項１１に記載のシステム。
14. 光音響効果を介してレーザー放射の波長及びパワーを判定する方法であって、
    Ａ．中心波長λ_ｃを有する吸収線を有する少なくとも１つのガス（Ｇ）を収容しているセルＣ内において、前記セル内において収容されている少なくとも１つのガスを励起するのに適した波長においてレーザー放射（ＬＬ）を生成するステップであって、前記レーザー放射は、前記レーザー放射と前記セル内において収容されている少なくとも１つのガスとの間の相互作用が光音響信号の生成を誘発するように、変調周波数（ｆ_１）において平均波長λ_ｍｏｙを中心として発振方式で変化する波長を有し、前記レーザー放射の平均波長偏位は、前記中心波長を含み、前記平均波長は、時間に伴って変化し、前記セルは、前記セル内において収容されている前記１つ又は複数のガスに対して不透過性を有するように、メンブレイン（ＭＢ）によって封止されている、ステップと、
    Ｂ．ダイアフラム（ＤＰ）と、１つ又は複数のガスに対して不透過性を有するパッケージ（ＢＥ）と、を有するマイクロフォンによって前記光音響信号を検出するステップであって、前記ダイアフラムは、前記セル内において配置され、前記セル（Ｃ）は、前記パッケージによって形成されており、前記ダイアフラムは、前記セル内の前記光音響信号を表す電気信号（Ｓｉ）を生成するのに適している、ステップと、
    Ｃ．前記光音響信号に基づいて前記光音響信号の位相Φ（ｔ）の時間に伴う変動を判定するステップと、
    Ｄ．前記光音響信号の前記位相の時間に伴う変動に基づいて前記放射の前記波長を計測するステップと、
    Ｅ．前記電気信号及び前記１つ又は複数のガスの濃度の推定値に基づいて前記レーザー放射のパワーＰ_Ｌを計測するステップと、
    を有する方法。
15. 前記波長は、前記光音響信号の前記位相の前記変動の導関数の最大値の演算に基づいて計測されている請求項１４に記載の方法。

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