JP2024032657A - Optical measuring device and method for manufacturing the optical measuring device - Google Patents

Optical measuring device and method for manufacturing the optical measuring device Download PDF

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JP2024032657A JP2023118229A JP2023118229A JP2024032657A JP 2024032657 A JP2024032657 A JP 2024032657A JP 2023118229 A JP2023118229 A JP 2023118229A JP 2023118229 A JP2023118229 A JP 2023118229A JP 2024032657 A JP2024032657 A JP 2024032657A
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Abstract

【課題】装置の簡素化及び小型化を図ることができる光測定装置及び当該光測定装置の製造方法を提供する。【解決手段】分光測定装置1Aは、レーザ光L1を出射する光源部2と、レーザ光L1が入射するミラー面41aを有する平面ミラー41と、ミラー面41aと対向するミラー面42aを有する平面ミラー42と、を有し、ミラー面41aとミラー面42aとの間に測定対象物が導入されるミラー部4と、ミラー面41aとミラー面42aとの間で多重反射して折り返されたレーザ光L1を検出する光検出部3と、を備える。ミラー面41aとミラー面42aとは、ミラー面41aとミラー面42aとの間で多重反射しながらY軸方向に往復するレーザ光L1の光路OPが形成されるように、Z軸方向から見た場合に、互いに非平行に配置されている。ミラー面41aとミラー面42aとの間におけるレーザ光L1の光路OPは、Z軸方向に対して傾斜している。【選択図】図1The present invention provides an optical measurement device that can simplify and downsize the device, and a method for manufacturing the optical measurement device. A spectrometer 1A includes a light source unit 2 that emits a laser beam L1, a plane mirror 41 having a mirror surface 41a on which the laser beam L1 is incident, and a plane mirror having a mirror surface 42a opposite to the mirror surface 41a. 42, a mirror section 4 in which the object to be measured is introduced between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a, and a laser beam that is multiple-reflected and returned between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a. It includes a photodetector section 3 that detects L1. The mirror surface 41a and the mirror surface 42a are arranged so that an optical path OP of the laser beam L1 that reciprocates in the Y-axis direction while undergoing multiple reflections between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a is formed when viewed from the Z-axis direction. In some cases, they are arranged non-parallel to each other. The optical path OP of the laser beam L1 between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a is inclined with respect to the Z-axis direction. [Selection diagram] Figure 1

Description

本開示は、光測定装置及び光測定装置の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a light measurement device and a method of manufacturing the light measurement device.

中赤外光(波長3μm~20μm)は、分子の基本振動に由来した強い吸収が観測されるため、ガス分子を対象とした吸収分光法(分光測定)に用いられる。また、非特許文献1に開示されているように、上述した吸収分光法の感度を向上させるための手法として、2つの凹面ミラーを対向配置し、この2つの凹面ミラー間で光を多重反射させることで長光路を実現するヘリオットセルと呼ばれる技術が知られている。 Mid-infrared light (wavelength 3 μm to 20 μm) is used for absorption spectroscopy (spectrometry) targeting gas molecules because strong absorption derived from the fundamental vibrations of molecules is observed. In addition, as disclosed in Non-Patent Document 1, as a method for improving the sensitivity of the above-mentioned absorption spectroscopy, two concave mirrors are arranged facing each other, and light is multiple-reflected between these two concave mirrors. A technology called the Herriot cell is known, which enables long optical paths.

Donald R. Herriott and Harry J. Schulte, “Folded Optical Delay Lines”,Applied Optics vol.4, pp.883-889, August 1, 1965.Donald R. Herriott and Harry J. Schulte, “Folded Optical Delay Lines”, Applied Optics vol.4, pp.883-889, August 1, 1965.

しかしながら、非特許文献1に開示されたヘリオットセルのように凹面ミラーを用いたガス吸収分光器には、高度な加工精度及び高度な組み立て精度が要求されるため、高額になると共に装置が大型化し易いという問題があった。 However, gas absorption spectrometers using concave mirrors, such as the Herriot cell disclosed in Non-Patent Document 1, require a high degree of processing precision and assembly precision, resulting in higher costs and larger equipment. The problem was that it was easy.

そこで、本開示の一側面は、装置の簡素化及び小型化を図ることができる光測定装置及び当該光測定装置の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, one aspect of the present disclosure aims to provide an optical measurement device that can simplify and downsize the device, and a method for manufacturing the optical measurement device.

本開示は、以下の[1]~[20]の光測定装置と、[21]の光測定装置の製造方法と、を含んでいる。 The present disclosure includes the following optical measurement devices [1] to [20] and the method for manufacturing the optical measurement device [21].

[1]
レーザ光を出射する光源部と、
前記光源部から出射された前記レーザ光が入射する第1ミラー面を有する第1平面ミラーと、前記第1ミラー面と対向する第2ミラー面を有する第2平面ミラーと、を有し、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間に測定対象物が導入されるミラー部と、
前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間で多重反射して折り返された前記レーザ光を検出する光検出部と、
を備え、
前記第1ミラー面と前記第2ミラー面とは、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間で多重反射しながら前記第1ミラー面に直交する第1方向に直交する第2方向に往復する前記レーザ光の光路が形成されるように、前記第1方向及び前記第2方向に直交する第3方向から見た場合に、互いに非平行に配置されており、
前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間における前記レーザ光の光路は、前記第3方向に対して傾斜している、
光測定装置。
[1]
a light source unit that emits laser light;
a first plane mirror having a first mirror surface onto which the laser beam emitted from the light source section is incident; and a second plane mirror having a second mirror surface opposite to the first mirror surface; a mirror section in which a measurement object is introduced between the first mirror surface and the second mirror surface;
a light detection unit that detects the laser beam that is multiple-reflected and returned between the first mirror surface and the second mirror surface;
Equipped with
The first mirror surface and the second mirror surface perform multiple reflections between the first mirror surface and the second mirror surface in a second direction perpendicular to a first direction perpendicular to the first mirror surface. are arranged non-parallel to each other when viewed from a third direction orthogonal to the first direction and the second direction, so that an optical path of the laser beam reciprocating is formed;
The optical path of the laser beam between the first mirror surface and the second mirror surface is inclined with respect to the third direction.
Light measurement device.

上記光測定装置によれば、2つの平面ミラー(第1平面ミラー及び第2平面ミラー)を非平行に対向配置した構成(すなわち、従来の凹面ミラーを用いたヘリオットセル等の構成と比較して安価且つ簡素な構成)によって、長光路の光測定装置を実現できる。また、平面ミラー間におけるレーザ光の光路を第3方向に対して傾斜するように設定することにより、平面ミラー間のレーザ光の往路と復路とを第3方向において空間的に分離できるため、平面ミラー間に導入された測定対象物の光測定(例えば、所定の波長(単一波長)の吸光度測定、複数の波長に対する吸収分光測定等)を適切に実施することができる。より具体的には、平面ミラー間で往路光と復路光とが干渉することを防止できると共に、ミラー部で折り返されたレーザ光が光源部に再入射することを防止し、折り返し光を光検出部に適切に導くことができる。従って、上記光測定装置によれば、装置の簡素化(低価格化)及び小型化を図ることができる。 According to the above-mentioned optical measuring device, the configuration in which two plane mirrors (the first plane mirror and the second plane mirror) are disposed opposite to each other in a non-parallel manner (i.e., compared to the configuration of a Herriot cell etc. using a conventional concave mirror) A long optical path optical measuring device can be realized with a low cost and simple configuration. In addition, by setting the optical path of the laser beam between the plane mirrors to be inclined with respect to the third direction, the outgoing path and the returning path of the laser beam between the plane mirrors can be spatially separated in the third direction. Optical measurement of a measurement target introduced between mirrors (for example, absorbance measurement at a predetermined wavelength (single wavelength), absorption spectrometry at multiple wavelengths, etc.) can be appropriately performed. More specifically, it is possible to prevent the outgoing light and the returning light from interfering between the plane mirrors, prevent the laser light reflected by the mirror from re-entering the light source, and detect the reflected light. be able to guide them appropriately. Therefore, according to the above optical measuring device, it is possible to simplify the device (lower price) and downsize the device.

[2]
前記第1ミラー面に最初に入射する前記レーザ光の光路は、前記第3方向に対して傾斜しており、
前記第1ミラー面及び前記第2ミラー面は、前記第3方向と平行である、
[1]の光測定装置。
上記構成によれば、第1ミラー面に最初に入射するレーザ光の光路を第3方向に対して傾斜させることにより、第1平面ミラー及び第2平面ミラーを第3方向に対して傾斜させることなく、平面ミラー間のレーザ光の光路が第3方向に対して傾斜する構成を容易に実現することができる。
[2]
The optical path of the laser beam that first enters the first mirror surface is inclined with respect to the third direction,
the first mirror surface and the second mirror surface are parallel to the third direction;
[1] Optical measuring device.
According to the above configuration, by tilting the optical path of the laser beam that first enters the first mirror surface with respect to the third direction, the first plane mirror and the second plane mirror can be tilted with respect to the third direction. Therefore, it is possible to easily realize a configuration in which the optical path of the laser beam between the plane mirrors is inclined with respect to the third direction.

[3]
前記第3方向から見た場合の前記第1ミラー面に最初に入射する前記レーザ光の前記第1ミラー面に対する入射角度は、前記第3方向から見た場合の第1ミラー面に対する前記第2ミラー面の傾斜角度の自然数倍となるように調整されている、
[1]又は[2]の光測定装置。
上記構成によれば、第3方向から見た場合に、平面ミラー間のレーザ光の往路と復路とが重なるように、平面ミラー間のレーザ光の光路を設定することができる。これにより、光源部からミラー部へとレーザ光を導くための往路光学系及びミラー部から折り返された折り返し光を光検出部へと導くための復路光学系の配置を容易に行うことが可能となる。
[3]
When viewed from the third direction, the incident angle of the laser beam that first enters the first mirror surface is equal to Adjusted to be a natural number multiple of the inclination angle of the mirror surface,
The optical measuring device according to [1] or [2].
According to the above configuration, the optical path of the laser beam between the plane mirrors can be set so that the outgoing path and the returning path of the laser beam between the plane mirrors overlap when viewed from the third direction. This makes it possible to easily arrange the forward optical system for guiding the laser beam from the light source section to the mirror section and the return optical system for guiding the reflected light from the mirror section to the photodetecting section. Become.

[4]
前記第1ミラー面に対して前記レーザ光が最初に入射する位置から前記レーザ光の往路方向における第1ミラー面の端部までの前記第2方向に沿った距離は、300mm以下である、
[1]~[3]のいずれかの光測定装置。
上記構成によれば、より一層効果的に装置の小型化を図ることができる。
[4]
A distance along the second direction from a position where the laser beam first enters the first mirror surface to an end of the first mirror surface in the outgoing direction of the laser beam is 300 mm or less,
The optical measuring device according to any one of [1] to [3].
According to the above configuration, it is possible to further effectively downsize the device.

[5]
前記第3方向における前記ミラー部の長さは、50mm以下である、
[1]~[4]のいずれかの光測定装置。
上記構成によれば、ミラー部の第3方向の高さを一定以下に抑えることによって、装置の小型化を図ると共に、平面ミラー間に導入(充填)される測定対象物(例えばガス)の量を一定以下に抑えることができる。すなわち、比較的少量の測定対象物を平面ミラー間に導入するだけで、当該測定対象物の光測定を行うことが可能となる。
[5]
The length of the mirror portion in the third direction is 50 mm or less,
The optical measuring device according to any one of [1] to [4].
According to the above configuration, by suppressing the height of the mirror part in the third direction below a certain level, the apparatus can be made smaller, and the amount of the object to be measured (for example, gas) introduced (filled) between the plane mirrors can be reduced. can be kept below a certain level. That is, by simply introducing a relatively small amount of the object to be measured between the plane mirrors, it is possible to perform optical measurement of the object to be measured.

[6]
前記レーザ光の復路方向における前記第1ミラー面の端部は、前記第2ミラー面の前記復路方向における端部よりも前記復路方向に突出している、
[1]~[5]のいずれかの光測定装置。
上記構成によれば、第1ミラー面に対してレーザ光を入射させ易くすることができる。また、平面ミラー間の多重反射による長光路の伝搬を経てレーザ光のビーム径が拡がる場合において、最後に第1ミラー面で反射して光検出部側へと導光されるレーザ光が第2ミラー面に遮られてしまうこと(すなわち、折り返し光のビーム損失が生じること)を抑制することができる。
[6]
An end of the first mirror surface in the backward direction of the laser beam protrudes in the backward direction than an end of the second mirror surface in the backward direction.
The optical measurement device according to any one of [1] to [5].
According to the above configuration, it is possible to make it easier for laser light to enter the first mirror surface. In addition, when the beam diameter of the laser beam expands through long optical path propagation due to multiple reflections between plane mirrors, the laser beam that is finally reflected on the first mirror surface and guided to the photodetector side is It is possible to prevent the reflected light from being blocked by the mirror surface (that is, the beam loss of the reflected light).

[7]
前記第3方向から見た場合の前記第1ミラー面に最初に入射する前記レーザ光の前記第1ミラー面に対する入射角度をθと表した場合、前記レーザ光の復路方向における前記第2ミラー面の端部から前記復路方向における前記第1ミラー面の前記端部までの前記第2方向に沿った距離は、前記第1方向に沿った前記第1ミラー面と前記第2ミラー面の前記端部との距離にtanθを乗じた値以上に設定されている、
[6]の光測定装置。
上記構成によれば、第2ミラー面の復路方向における端部で反射して第1ミラー面へと向かう折り返し光が第1ミラー面の復路方向における端部よりも外側(復路方向側)に抜けてしまうことに起因するビーム損失を回避することが可能となる。
[7]
If the incident angle of the laser beam that first enters the first mirror surface when viewed from the third direction is expressed as θ H , then the second mirror in the return path direction of the laser beam The distance along the second direction from the end of the surface to the end of the first mirror surface in the return direction is the distance between the first mirror surface and the second mirror surface along the first direction. It is set to a value greater than or equal to the distance from the end multiplied by tanθH ,
[6] Optical measuring device.
According to the above configuration, the return light that is reflected at the end of the second mirror surface in the return direction and travels to the first mirror surface escapes to the outside (return direction side) of the end of the first mirror surface in the return direction. This makes it possible to avoid beam loss caused by

[8]
前記復路方向における前記第2ミラー面の端部から前記復路方向における前記第1ミラー面の前記端部までの前記第2方向に沿った距離は、前記第1方向に沿った前記第1ミラー面と前記第2ミラー面の前記端部との距離にtanθを乗じた値に設定されている、
[7]の光測定装置。
上記構成によれば、上記[7]の効果を奏すると共に、第2平面ミラー(第2ミラー面)に対する第1平面ミラー(第1ミラー面)の突出長を上記のビーム損失を回避するために必要十分な長さに設定することにより、ビーム損失の回避と装置の小型化との両立を図ることができる。
[8]
The distance along the second direction from the end of the second mirror surface in the return direction to the end of the first mirror surface in the return direction is equal to the distance along the second direction from the end of the second mirror surface in the return direction. and the distance between the second mirror surface and the end of the second mirror surface multiplied by tanθH ,
[7] Optical measuring device.
According to the above configuration, in addition to achieving the effect of [7] above, the protrusion length of the first plane mirror (first mirror surface) with respect to the second plane mirror (second mirror surface) can be adjusted to avoid the above beam loss. By setting the length to a necessary and sufficient length, it is possible to avoid beam loss and downsize the device.

[9]
前記第3方向から見た場合の第1ミラー面に対する前記第2ミラー面の傾斜角度は、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間を通過する前記レーザ光の前記第3方向から見た場合の拡がり角よりも大きくなるように設定されている、
[1]~[8]のいずれかの光測定装置。
上記構成によれば、平面ミラー間の多重反射による長光路の伝搬を経てレーザ光のビーム径が拡がる場合において、折り返し光のビーム損失を効果的に抑制することができる。
[9]
The inclination angle of the second mirror surface with respect to the first mirror surface when viewed from the third direction is such that the laser beam passing between the first mirror surface and the second mirror surface is tilted from the third direction. It is set to be larger than the divergence angle when viewed,
The optical measuring device according to any one of [1] to [8].
According to the above configuration, when the beam diameter of the laser light expands through long optical path propagation due to multiple reflections between plane mirrors, beam loss of the folded light can be effectively suppressed.

[10]
前記光源部と前記光検出部とは、前記第3方向において互いに重なるように配置されている、
[1]~[9]のいずれかの光測定装置。
平面ミラー間におけるレーザ光の光路を第3方向に対して傾斜させることによって、光源部からミラー部へと導光されるレーザ光の光路とミラー部から光検出部へと導光される折り返し光の光路とを第3方向に分離することができる。これを利用して光源部と光検出部とを第3方向に並べて配置することによって、光源部と光検出部とを第3方向に重ねずに配置する場合と比較して、光源部及び光検出部の配置に必要な面積(第3方向から見た場合の面積)を小さくすることができる。その結果、より効果的に装置の小型化を図ることができる。
[10]
The light source section and the light detection section are arranged so as to overlap each other in the third direction,
The optical measuring device according to any one of [1] to [9].
By tilting the optical path of the laser beam between the plane mirrors with respect to the third direction, the optical path of the laser beam is guided from the light source section to the mirror section, and the reflected light is guided from the mirror section to the photodetecting section. The optical path can be separated into a third direction. Utilizing this, by arranging the light source section and the light detection section side by side in the third direction, the light source section and the light detection section can be arranged side by side in the third direction. The area required for arranging the detection unit (the area when viewed from the third direction) can be reduced. As a result, it is possible to more effectively downsize the device.

[11]
前記光源部の前記レーザ光が出射される側に配置され、前記レーザ光を集光又はコリメートするレンズを更に備え、
前記光源部は、量子カスケードレーザ素子であり、
前記レンズと前記量子カスケードレーザ素子との距離は、前記第1方向における前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との最短距離よりも短い、
[1]~[10]のいずれかの光測定装置。
上記構成によれば、光源部から出射されたレーザ光の拡がりをレンズによって効果的に抑制できる。その結果、平面ミラー間におけるレーザ光のビーム径の拡がりを抑制でき、ビーム径の拡がりに起因する折り返し光のビーム損失を低減することができる。
[11]
Further comprising a lens disposed on a side of the light source unit from which the laser beam is emitted and condenses or collimates the laser beam,
The light source section is a quantum cascade laser element,
The distance between the lens and the quantum cascade laser element is shorter than the shortest distance between the first mirror surface and the second mirror surface in the first direction.
The optical measuring device according to any one of [1] to [10].
According to the above configuration, the spread of the laser light emitted from the light source section can be effectively suppressed by the lens. As a result, it is possible to suppress the spread of the beam diameter of the laser light between the plane mirrors, and it is possible to reduce the beam loss of the reflected light due to the spread of the beam diameter.

[12]
前記光源部は、量子カスケードレーザ素子であり、
前記光検出部は、前記量子カスケードレーザ素子と対応する特性を有する量子カスケード光検出器である、
[1]~[11]のいずれかの光測定装置。
上記構成によれば、中赤外で動作する量子カスケードレーザ素子及び量子カスケード光検出器を光源部及び光検出部として用いることにより、分子の基本振動に由来した強い吸収を観測できるため、高感度な光測定を行うことが可能となる。
[12]
The light source section is a quantum cascade laser element,
The photodetector is a quantum cascade photodetector having characteristics corresponding to the quantum cascade laser element.
The optical measurement device according to any one of [1] to [11].
According to the above configuration, by using a quantum cascade laser element and a quantum cascade photodetector that operate in the mid-infrared as the light source section and the photodetection section, strong absorption derived from the fundamental vibration of molecules can be observed, resulting in high sensitivity. This makes it possible to perform optical measurements.

[13]
前記特性は、偏光方向に関する特性であり、
前記光源部と前記光検出部とは、前記光源部から出射された後に前記ミラー部を経て前記光検出部に入射する前記レーザ光の偏光方向と前記光検出部が感度を有する偏光方向とが一致するように、配置されている、
[12]の光測定装置。
上記構成によれば、散乱等によって偏光方向が乱れた迷光成分が、光検出部でノイズとして検出されることを防ぎ、信号対雑音比(S/N)の向上を図ることができる。
[13]
The characteristic is a characteristic related to the polarization direction,
The light source section and the photodetection section are configured such that the polarization direction of the laser beam that is emitted from the light source section and then enters the photodetection section via the mirror section is different from the polarization direction to which the photodetection section is sensitive. arranged to match,
The optical measurement device of [12].
According to the above configuration, stray light components whose polarization direction is disturbed due to scattering or the like can be prevented from being detected as noise by the photodetector, and the signal-to-noise ratio (S/N) can be improved.

[14]
前記特性は、波長に関する特性であり、
前記光検出部は、前記光源部の発振波長に対応する感度波長を有する、
[12]又は[13]の光測定装置。
上記構成によれば、量子カスケード光検出器が擬似的に波長フィルタの役割を果たすため、背景光ノイズの影響を抑制し、高感度な光測定を行うことが可能となる。
[14]
The characteristic is a characteristic related to wavelength,
The photodetector has a sensitivity wavelength corresponding to the oscillation wavelength of the light source.
The optical measuring device according to [12] or [13].
According to the above configuration, since the quantum cascade photodetector plays the role of a pseudo wavelength filter, it is possible to suppress the influence of background light noise and perform highly sensitive optical measurement.

[15]
前記光源部から出射された前記レーザ光を反射することにより、前記レーザ光を前記第1ミラー面に導光する第1導光ミラーと、
前記折り返された前記レーザ光を反射することにより、前記レーザ光を前記光検出部に導光する第2導光ミラーと、を更に備え、
前記第1導光ミラーと前記第2導光ミラーとは、前記第3方向において互いに重なるように配置されている、
[1]~[14]のいずれかの光測定装置。
上記構成によれば、第1導光ミラー及び第2導光ミラーを用いることにより、ミラー部に対する光源部及び光検出部の配置(レイアウト)の自由度を向上させることができる。また、第1導光ミラーと第2導光ミラーとを第3方向に並べて配置することによって、第1導光ミラーと第2導光ミラーとを第3方向に重ねずに配置する場合と比較して、第1導光ミラー及び第2導光ミラーの配置に必要な面積(第3方向から見た場合の面積)を小さくすることができ、装置の小型化を図ることもできる。
[15]
a first light guide mirror that guides the laser light to the first mirror surface by reflecting the laser light emitted from the light source;
further comprising a second light guide mirror that guides the laser light to the photodetector by reflecting the folded laser light,
The first light guide mirror and the second light guide mirror are arranged to overlap each other in the third direction,
The optical measuring device according to any one of [1] to [14].
According to the above configuration, by using the first light guide mirror and the second light guide mirror, the degree of freedom in arrangement (layout) of the light source section and the light detection section with respect to the mirror section can be improved. In addition, by arranging the first light guide mirror and the second light guide mirror side by side in the third direction, a comparison is made with the case where the first light guide mirror and the second light guide mirror are arranged without overlapping in the third direction. As a result, the area required for arranging the first light guide mirror and the second light guide mirror (the area when viewed from the third direction) can be reduced, and the device can be downsized.

[16]
前記光源部は、第1波長の前記レーザ光を出射する第1光源部と、前記第1波長とは異なる第2波長の前記レーザ光を出射する第2光源部と、を有し、
前記光検出部は、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間で多重反射して折り返された前記第1波長の前記レーザ光を検出する第1光検出部と、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間で多重反射して折り返された前記第2波長の前記レーザ光を検出する第2光検出部と、を有し、
前記第1光源部、前記第2光源部、前記第1光検出部、及び前記第2光検出部は、前記第3方向において互いに重なるように配置されている、
[1]~[15]のいずれかの光測定装置。
上記構成によれば、第1光源部、第2光源部、第1光検出部、及び第2光検出部を第3方向において互いに重なるように配置することにより、2つの系統の光源部及び光検出部をコンパクトに配置することができる。また、系統間で波長帯を異ならせることによって、互いに異なる2つの波長帯の吸収分光測定を同時に行うことができる。
[16]
The light source section includes a first light source section that emits the laser beam of a first wavelength, and a second light source section that emits the laser beam of a second wavelength different from the first wavelength,
The photodetector includes a first photodetector that detects the laser beam of the first wavelength that is multiple-reflected and returned between the first mirror surface and the second mirror surface, and the first mirror. a second light detection unit that detects the laser beam of the second wavelength that is multiple-reflected and returned between the surface and the second mirror surface;
The first light source section, the second light source section, the first light detection section, and the second light detection section are arranged to overlap each other in the third direction.
The optical measuring device according to any one of [1] to [15].
According to the above configuration, by arranging the first light source section, the second light source section, the first light detection section, and the second light detection section so as to overlap each other in the third direction, the light source section and the light The detection unit can be arranged compactly. Furthermore, by varying the wavelength bands between the systems, absorption spectroscopic measurements of two different wavelength bands can be performed simultaneously.

[17]
前記光源部は、第1波長の前記レーザ光を出射する第1光源部と、前記第1波長とは異なる第2波長の前記レーザ光を出射する第2光源部と、を有し、
前記光検出部は、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間で多重反射して折り返された前記第1波長の前記レーザ光を検出する第1光検出部と、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間で多重反射して折り返された前記第2波長の前記レーザ光を検出する第2光検出部と、を有し、
前記第1光源部と前記第2光源部とは、前記第1方向に並んで配置されており、
前記第1光検出部と前記第2光検出部とは、前記第1方向に並んで配置されており、
前記第1光源部と前記第1光検出部とは、前記第3方向において互いに重なるように配置されており、
前記第2光源部と前記第2光検出部とは、前記第3方向において互いに重なるように配置されている、
[1]~[15]のいずれかの光測定装置。
上記構成によれば、第1光源部と第1光検出部とを第3方向に重ねて配置すると共に、第2光源部と第2光検出部とを第3方向に重ねて配置することにより、2つの系統の光源部及び光検出部をコンパクトに配置することができる。また、系統間で波長帯を異ならせることによって、互いに異なる2つの波長帯の吸収分光測定を同時に行うことができる。
[17]
The light source section includes a first light source section that emits the laser beam of a first wavelength, and a second light source section that emits the laser beam of a second wavelength different from the first wavelength,
The photodetector includes a first photodetector that detects the laser beam of the first wavelength that is multiple-reflected and returned between the first mirror surface and the second mirror surface, and the first mirror. a second light detection unit that detects the laser beam of the second wavelength that is multiple-reflected and returned between the surface and the second mirror surface;
The first light source section and the second light source section are arranged side by side in the first direction,
The first photodetector and the second photodetector are arranged side by side in the first direction,
The first light source section and the first light detection section are arranged to overlap each other in the third direction,
The second light source section and the second light detection section are arranged to overlap with each other in the third direction.
The optical measuring device according to any one of [1] to [15].
According to the above configuration, by arranging the first light source section and the first light detection section in an overlapping manner in the third direction, and arranging the second light source section and the second light detection section in an overlapping manner in the third direction, , two systems of light source sections and light detection sections can be arranged compactly. Furthermore, by varying the wavelength bands between the systems, absorption spectroscopic measurements of two different wavelength bands can be performed simultaneously.

[18]
前記ミラー部を気密に収容する筐体を更に備え、
前記測定対象物は、ガスであり、
前記筐体には、前記筐体の外側から前記筐体の内側へと前記ガスを導入するための開口部が設けられており、
前記光源部及び前記光検出部は、前記筐体の外側に配置されている、
[1]~[17]のいずれかの光測定装置。
上記構成によれば、ミラー部のみを気密に収容する筐体の内部を減圧した上で、開口部からガスを導入することにより、より精密な測定を行うことが可能となる。
[18]
further comprising a casing that airtightly accommodates the mirror section,
The measurement target is a gas,
The housing is provided with an opening for introducing the gas from the outside of the housing to the inside of the housing,
The light source section and the light detection section are arranged outside the housing,
The optical measurement device according to any one of [1] to [17].
According to the above configuration, more precise measurements can be performed by introducing gas through the opening after reducing the pressure inside the casing that airtightly accommodates only the mirror portion.

[19]
前記光源部、前記光検出部、及び前記ミラー部を収容する筐体を更に備え、
前記測定対象物は、ガスであり、
前記筐体には、前記筐体の外側から前記筐体の内側へと前記ガスを導入するための開口部が設けられている、
[1]~[18]のいずれかの光測定装置。
上記構成によれば、光源部、光検出部、及びミラー部を1つの筐体内に収めることにより、光測定装置を構成する各部材を、外部からの汚染、機械的衝撃等から適切に保護することができる。
[19]
Further comprising a casing that accommodates the light source section, the light detection section, and the mirror section,
The measurement target is a gas,
The casing is provided with an opening for introducing the gas from the outside of the casing into the inside of the casing.
The optical measurement device according to any one of [1] to [18].
According to the above configuration, by housing the light source section, the light detection section, and the mirror section in one housing, each member constituting the optical measurement device is appropriately protected from external contamination, mechanical shock, etc. be able to.

[20]
前記測定対象物は、ガスであり、
前記光源部は、前記ガスに吸収される第1波長の前記レーザ光と、前記ガスに吸収される度合いが前記第1波長よりも小さい第2波長の前記レーザ光と、を出射可能に構成されている、
[1]~[19]のいずれかの光測定装置。
上記構成によれば、第1波長に対応する測定値と第2波長に対応する測定値との差分に基づく分析、すなわち差分吸収分光法によるガス濃度の測定を実施することが可能となる。
[20]
The measurement target is a gas,
The light source section is configured to be able to emit the laser light of a first wavelength that is absorbed by the gas and the laser light of a second wavelength that is absorbed by the gas to a smaller degree than the first wavelength. ing,
The optical measuring device according to any one of [1] to [19].
According to the above configuration, it is possible to perform analysis based on the difference between the measured value corresponding to the first wavelength and the measured value corresponding to the second wavelength, that is, measure the gas concentration by differential absorption spectroscopy.

[21]
前記光源部は、単一のレーザ素子から出射される光に基づいて、前記第1波長の前記レーザ光と前記第2波長の前記レーザ光とを切り替えて出射可能に構成されている、
[20]の光測定装置。
上記構成によれば、単一のレーザ光源によって、上記[20]の構成を実現できる。
[21]
The light source section is configured to be able to switch and emit the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength based on light emitted from a single laser element.
The optical measurement device of [20].
According to the above configuration, the configuration [20] above can be realized using a single laser light source.

[22]
[1]~[21]のいずれかの光測定装置の製造方法であって、
前記光測定装置は、前記光源部から出射された前記レーザ光を反射することにより、前記レーザ光を前記第1ミラー面に導光する第1導光ミラーと、前記折り返された前記レーザ光を反射することにより、前記レーザ光を前記光検出部に導光する第2導光ミラーと、を更に備え、
前記光源部、前記光検出部、前記ミラー部、及び前記第2導光ミラーの各々を固定するステップと、
前記固定するステップの後に、前記光源部から前記レーザ光を出射させながら、前記光検出部における光検出強度が最大となるように、前記第1導光ミラーの位置及び角度を調整及び固定するステップと、
を含む、光測定装置の製造方法。
上記構成によれば、光源部、光検出部、ミラー部、及び第2導光ミラーを予め機械精度の範囲で位置決め(固定)した上で、光検出部における光検出強度を最大化するという比較的単純な指標に基づいて、第1導光ミラーの厳密な角度調整等を行うことができる。上記方法は、特に光源部から出射されるレーザ光が不可視の中赤外光である場合において有効である。
[22]
A method for manufacturing an optical measuring device according to any one of [1] to [21],
The light measurement device includes a first light guide mirror that guides the laser light to the first mirror surface by reflecting the laser light emitted from the light source section, and a first light guide mirror that guides the laser light to the first mirror surface, and a first light guide mirror that guides the laser light that is emitted from the light source section. further comprising a second light guide mirror that guides the laser beam to the photodetector by reflecting it,
fixing each of the light source section, the light detection section, the mirror section, and the second light guide mirror;
After the fixing step, adjusting and fixing the position and angle of the first light guiding mirror while emitting the laser light from the light source section so that the light detection intensity in the photodetecting section is maximized. and,
A method of manufacturing an optical measuring device, including:
According to the above configuration, the light source section, the light detection section, the mirror section, and the second light guiding mirror are positioned (fixed) in advance within a mechanical precision range, and then the light detection intensity in the light detection section is maximized. Based on a simple index, it is possible to precisely adjust the angle of the first light guide mirror. The above method is particularly effective when the laser light emitted from the light source is invisible mid-infrared light.

本開示の一側面によれば、装置の簡素化及び小型化を図ることができる光測定装置及び当該光測定装置の製造方法を提供することができる。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to provide an optical measurement device that can simplify and downsize the device, and a method for manufacturing the optical measurement device.

図1は、第1実施形態の分光測定装置の概略斜視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view of a spectrometer according to a first embodiment. 図2は、図1のII-II線に沿った筐体の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the casing taken along line II-II in FIG. 図3は、光源部及び光検出部の偏光特性の説明に用いる図である。FIG. 3 is a diagram used to explain the polarization characteristics of the light source section and the light detection section. 図4は、光源部の発振スペクトル及び光検出部の感度スペクトルの一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of the oscillation spectrum of the light source section and the sensitivity spectrum of the photodetector section. 図5は、ミラー部で折り返される前のレーザ光に関する光学系を概略的に示す平面図である。FIG. 5 is a plan view schematically showing an optical system for laser light before being reflected by a mirror section. 図6は、ミラー部で折り返された後のレーザ光に関する光学系を概略的に示す平面図である。FIG. 6 is a plan view schematically showing an optical system regarding laser light after being reflected by a mirror section. 図7は、Y軸方向から見た場合の第1導光ミラーと第2導光ミラーとの間を通過するレーザ光の光路を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the optical path of the laser beam passing between the first light guide mirror and the second light guide mirror when viewed from the Y-axis direction. 図8は、出射導光ミラーに到達するレーザ光のビーム形状を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the beam shape of the laser light reaching the output light guide mirror. 図9は、出射導光ミラーに到達するレーザ光のビーム径を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the beam diameter of the laser light reaching the output light guiding mirror. 図10は、第2実施形態の分光測定装置の構成の一部を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing part of the configuration of a spectrometer according to the second embodiment. 図11は、第3実施形態の分光測定装置の構成のうちミラー部で折り返される前のレーザ光に関する光学系を概略的に示す平面図である。FIG. 11 is a plan view schematically showing an optical system related to a laser beam before being reflected by a mirror portion in the configuration of a spectrometer according to a third embodiment. 図12は、第3実施形態の分光測定装置の構成のうちミラー部で折り返された後のレーザ光に関する光学系を概略的に示す平面図である。FIG. 12 is a plan view schematically showing an optical system related to laser light after being reflected by a mirror part in the configuration of the spectrometer of the third embodiment. 図13は、第4実施形態の分光測定装置の構成の一部を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing part of the configuration of a spectrometer according to the fourth embodiment. 図14は、第5実施形態の分光測定装置の概略斜視図である。FIG. 14 is a schematic perspective view of a spectrometer according to the fifth embodiment. 図15は、図14のXV-XV線に沿った概略断面図である。FIG. 15 is a schematic cross-sectional view taken along line XV-XV in FIG. 14. 図16は、第6実施形態の分光測定装置の構成を概略的に示す平面図である。FIG. 16 is a plan view schematically showing the configuration of a spectrometer according to the sixth embodiment. 図17は、第7実施形態の分光測定装置の構成を概略的に示す平面図である。FIG. 17 is a plan view schematically showing the configuration of a spectrometer according to the seventh embodiment. 図18は、第8実施形態の分光測定装置の構成を概略的に示す平面図である。FIG. 18 is a plan view schematically showing the configuration of a spectrometer according to the eighth embodiment. 図19は、固体の測定対象物の光測定を行う場合の分光測定装置の構成例を示す図である。FIG. 19 is a diagram illustrating a configuration example of a spectrometer for optical measurement of a solid measurement target.

以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。 Hereinafter, one embodiment of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted.

[第1実施形態]
図1~図9を参照して、第1実施形態の分光測定装置1A(光測定装置)について説明する。図1及び図2に示されるように、分光測定装置1Aは、光源部2と、光検出部3と、ミラー部4と、入射調整ミラー6(第1導光ミラー)と、出射導光ミラー7(第2導光ミラー)と、支持部材8と、を有している。ミラー部4は、ミラー面41a(第1ミラー面)を有する平面ミラー41(第1平面ミラー)と、ミラー面41aに対向するミラー面42a(第2ミラー面)を有する平面ミラー42(第2平面ミラー)と、を有している。ミラー面41aとミラー面42aとの間には、分光測定の対象となるガス(測定対象物)が導入される。
[First embodiment]
A spectrometer 1A (light measurement device) of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 9. As shown in FIGS. 1 and 2, the spectrometer 1A includes a light source section 2, a light detection section 3, a mirror section 4, an entrance adjustment mirror 6 (first light guide mirror), and an output light guide mirror. 7 (second light guide mirror) and a support member 8. The mirror section 4 includes a plane mirror 41 (first plane mirror) having a mirror surface 41a (first mirror surface), and a plane mirror 42 (second mirror surface) having a mirror surface 42a (second mirror surface) opposite to the mirror surface 41a. plane mirror). A gas (measurement object) to be subjected to spectroscopic measurement is introduced between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a.

一例として、光源部2及び光検出部3は、同一の筐体10に収容されている。筐体10は、略直方体状の外形を有しており、ミラー部4の側方に配置されている。より具体的には、筐体10は、平面ミラー42に対して平面ミラー41が位置する側とは反対側において、平面ミラー42の側方に配置されている。言い換えると、筐体10は、平面ミラー42のミラー面42aとは反対側の裏面42fに対向する位置に配置されている。 As an example, the light source section 2 and the light detection section 3 are housed in the same housing 10. The housing 10 has a substantially rectangular parallelepiped outer shape and is disposed on the side of the mirror section 4 . More specifically, the housing 10 is disposed on the side of the plane mirror 42 on the opposite side of the plane mirror 42 from the side where the plane mirror 41 is located. In other words, the housing 10 is arranged at a position facing the back surface 42f of the plane mirror 42 on the opposite side to the mirror surface 42a.

支持部材8は、矩形板状に形成されており、平面状の支持面8aを有している。筐体10及びミラー部4は、支持部材8の支持面8a上に固定(支持)されている。平面ミラー41,42は、ミラー面41a,42aが支持面8aに垂直となるように、支持面8a上に配置されている。入射調整ミラー6及び出射導光ミラー7についても、図示しない支柱等の支持部材を介して、支持部材8に固定されてもよい。 The support member 8 is formed into a rectangular plate shape and has a planar support surface 8a. The housing 10 and the mirror section 4 are fixed (supported) on the support surface 8a of the support member 8. The plane mirrors 41 and 42 are arranged on the support surface 8a so that the mirror surfaces 41a and 42a are perpendicular to the support surface 8a. The entrance adjustment mirror 6 and the output light guide mirror 7 may also be fixed to the support member 8 via a support member such as a column (not shown).

以降の説明において、ミラー面41aに直交する方向をX軸方向(第1方向)と表し、支持面8aに直交する方向をZ軸方向(第3方向)と表し、X軸方向及びZ軸方向に直交する方向をY軸方向(第2方向)と表す。平面ミラー41,42は、Z軸方向から見た場合にミラー面41aとミラー面42aとが非平行となるように配置されている(図5参照)。より具体的には、Y軸負方向に向かうにつれてミラー面41aとミラー面42aとの間隔(X軸方向の距離)が小さくなるように、ミラー面41aはミラー面42aに対して傾斜している。本実施形態では、便宜上、Y軸負方向(すなわち、ミラー面41a,42aの間隔が狭まる方向)を「後方」と定義し、Y軸正方向(すなわち、ミラー面41a,42aの間隔が拡がる方向)を「前方」と定義する。また、支持面8aに対してミラー部4等の各部材が配置される側を「上方」と定義する。 In the following description, the direction perpendicular to the mirror surface 41a will be referred to as the X-axis direction (first direction), the direction perpendicular to the support surface 8a will be referred to as the Z-axis direction (third direction), and the X-axis direction and the Z-axis direction The direction perpendicular to is expressed as the Y-axis direction (second direction). The plane mirrors 41 and 42 are arranged so that the mirror surface 41a and the mirror surface 42a are non-parallel when viewed from the Z-axis direction (see FIG. 5). More specifically, the mirror surface 41a is inclined with respect to the mirror surface 42a so that the distance between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a (distance in the X-axis direction) becomes smaller toward the negative direction of the Y-axis. . In this embodiment, for convenience, the Y-axis negative direction (i.e., the direction in which the distance between the mirror surfaces 41a and 42a narrows) is defined as "rear", and the Y-axis positive direction (i.e., the direction in which the distance between the mirror surfaces 41a and 42a increases). ) is defined as "forward". Further, the side on which each member such as the mirror portion 4 is arranged with respect to the support surface 8a is defined as "upper".

図2に示されるように、筐体10は、光源部2及び光検出部3と共に、レンズ11、レンズ12、ヒートシンク15、及びペルチェ素子16を気密に収容している。一例として、光源部2及び光検出部3は、ヒートシンク15及びペルチェ素子16を介して、筐体10の側壁10aの内側面に固定されている。側壁10aは、筐体10のうちミラー部4(平面ミラー42)に対向する壁部である。ペルチェ素子16は、側壁10aの内側面に固定されており、ヒートシンク15は、ペルチェ素子16の側壁10aに対向する側とは反対側において、ペルチェ素子16に固定されている。光源部2及び光検出部3は、ヒートシンク15のペルチェ素子16に対向する側とは反対側において、ヒートシンク15に固定されている。ペルチェ素子16は、筐体10内の温度制御を行う役割を果たす。すなわち、光源部2において発生した熱が、ヒートシンク15を介してペルチェ素子16に吸熱(冷却)されることにより、光源部2及び光検出部3の温度が一定の範囲内に保たれる。なお、光源部2、光検出部3、ヒートシンク15、及びペルチェ素子16の配置及び形状は上記に限定されない。例えば、ヒートシンク15の代わりに、側壁10aに固定される平板状の第1部分と、第1部分の後端部からX軸正方向に延びる平板状の第2部分と、からなるL字状のヒートシンクが用いられてもよい。また、このようなヒートシンクが用いられる場合、第2部分の後面にペルチェ素子の冷却面が対向するようにペルチェ素子が配置されてもよい。さらに、このように配置されたペルチェ素子の後方(排熱側)にペルチェ素子を冷却するファン等の2次冷却部が設けられてもよい。 As shown in FIG. 2, the housing 10 hermetically accommodates the lens 11, the lens 12, the heat sink 15, and the Peltier element 16, as well as the light source section 2 and the light detection section 3. As an example, the light source section 2 and the light detection section 3 are fixed to the inner surface of the side wall 10a of the housing 10 via a heat sink 15 and a Peltier element 16. The side wall 10a is a wall portion of the housing 10 that faces the mirror portion 4 (plane mirror 42). The Peltier element 16 is fixed to the inner surface of the side wall 10a, and the heat sink 15 is fixed to the Peltier element 16 on the side opposite to the side of the Peltier element 16 facing the side wall 10a. The light source section 2 and the light detection section 3 are fixed to the heat sink 15 on the side opposite to the side of the heat sink 15 that faces the Peltier element 16 . The Peltier element 16 plays a role of controlling the temperature inside the housing 10. That is, the heat generated in the light source section 2 is absorbed (cooled) by the Peltier element 16 via the heat sink 15, so that the temperatures of the light source section 2 and the light detection section 3 are maintained within a certain range. Note that the arrangement and shape of the light source section 2, photodetection section 3, heat sink 15, and Peltier element 16 are not limited to the above. For example, instead of the heat sink 15, an L-shaped part is formed, which is made up of a flat first part fixed to the side wall 10a and a flat second part extending in the positive direction of the X-axis from the rear end of the first part. A heat sink may also be used. Moreover, when such a heat sink is used, the Peltier element may be arranged so that the cooling surface of the Peltier element faces the rear surface of the second portion. Furthermore, a secondary cooling unit such as a fan may be provided behind (on the heat exhaust side) of the Peltier element arranged in this manner to cool the Peltier element.

光源部2は、レーザ光L1を出射する光源である。例えば、光源部2は、活性層を含む量子カスケードレーザ素子である。一例として、光源部2は、分布帰還型の量子カスケードレーザ素子(DFB-QCL:Distributed Feedback Quantum Cascade Laser)である。本実施形態では、光源部2は、波長4.6μmの単一モードで動作するDFB-QCLである。活性層は、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された量子井戸構造を含む層であり、レーザ光L1を発生させる。活性層は、例えば、InGaAs層とInAlAs層とを積層方向に沿って交互に複数積層した構造を有している。光源部2は、前方(Y軸正方向)にレーザ光L1を出射するように配置されている。すなわち、光源部2は、前方を向き、前方にレーザ光L1を出射する光出射面2aを有している。 The light source section 2 is a light source that emits laser light L1. For example, the light source section 2 is a quantum cascade laser device including an active layer. As an example, the light source section 2 is a distributed feedback quantum cascade laser device (DFB-QCL). In this embodiment, the light source unit 2 is a DFB-QCL that operates in a single mode with a wavelength of 4.6 μm. The active layer is a layer including a quantum well structure in which quantum well layers and barrier layers are alternately stacked, and generates laser light L1. The active layer has, for example, a structure in which a plurality of InGaAs layers and InAlAs layers are alternately stacked along the stacking direction. The light source section 2 is arranged so as to emit the laser beam L1 forward (in the Y-axis positive direction). That is, the light source section 2 has a light emitting surface 2a that faces forward and emits the laser beam L1 forward.

レンズ11は、光源部2のレーザ光L1が出射される側(すなわち、光源部2の前方)に配置されている。レンズ11は、レーザ光L1を集光又はコリメートすることにより、レーザ光L1の拡がりを抑える役割を果たす。一例として、レンズ11は、レーザ光L1をコリメートするコリメートレンズである。レンズ11は、レーザ光L1が入射する入射面11aと、レンズ内を通過したレーザ光L1を外部に出射する出射面11bと、を有している。一例として、入射面11aは平面状に形成され、出射面11bは凸面状に形成される。筐体10の小型化を図る観点から、例えば、焦点距離が10mm以下のZnSe製の非球面レンズをレンズ11として用いることができる。レンズ11の入射面11a及び出射面11bには、レーザ光L1の波長に対する透過率が90%以上となるような低反射コーティングが施されてもよい。また、レンズ11の母材はZnSeに限られず、中赤外光(レーザ光L1)を低損失に透過させることが可能な他の材料によって構成されてもよい。本実施形態では、レンズ11は、焦点距離が1mmでありレンズ径(直径)が5mmであるZnSe非球面レンズによって構成されている。 The lens 11 is arranged on the side from which the laser beam L1 of the light source section 2 is emitted (that is, in front of the light source section 2). The lens 11 serves to suppress the spread of the laser beam L1 by focusing or collimating the laser beam L1. As an example, the lens 11 is a collimating lens that collimates the laser beam L1. The lens 11 has an entrance surface 11a into which the laser beam L1 enters, and an exit surface 11b which outputs the laser beam L1 that has passed through the lens to the outside. As an example, the entrance surface 11a is formed in a planar shape, and the exit surface 11b is formed in a convex shape. From the viewpoint of downsizing the housing 10, for example, an aspherical lens made of ZnSe and having a focal length of 10 mm or less can be used as the lens 11. The entrance surface 11a and the exit surface 11b of the lens 11 may be provided with a low-reflection coating that has a transmittance of 90% or more for the wavelength of the laser beam L1. Further, the base material of the lens 11 is not limited to ZnSe, but may be made of other materials that can transmit mid-infrared light (laser light L1) with low loss. In this embodiment, the lens 11 is constituted by a ZnSe aspherical lens having a focal length of 1 mm and a lens diameter (diameter) of 5 mm.

筐体10の前方の側壁10bのうちレンズ11の出射面11bに対向する部分には、光源部2から出射されたレーザ光L1(レンズ11によってコリメートされたレーザ光L1)を通過させるための開口部10cが設けられている。開口部10cには、レーザ光L1を透過させるための窓部材13が設けられている。窓部材13の材料としては、例えば、レンズ11と同様に、ZnSeを用いることができる。また、窓部材13の内面(レンズ11に対向する面)及び外面(内面とは反対側の面)には、レンズ11と同様の低反射コーティングが施されてもよい。 A portion of the front side wall 10b of the housing 10 that faces the emission surface 11b of the lens 11 has an opening for passing the laser beam L1 emitted from the light source section 2 (the laser beam L1 collimated by the lens 11). A section 10c is provided. A window member 13 for transmitting the laser beam L1 is provided in the opening 10c. As the material of the window member 13, for example, ZnSe can be used similarly to the lens 11. Further, a low reflection coating similar to that of the lens 11 may be applied to the inner surface (the surface facing the lens 11) and the outer surface (the surface opposite to the inner surface) of the window member 13.

図1及び図2に示されるように、光源部2から出射されたレーザ光L1は、レンズ11及び窓部材13を通過し、入射調整ミラー6を介して、所定の角度条件(後述するθ及びθ)で平面ミラー41のミラー面41aの位置P1に入射する。位置P1は、最初にミラー面41aに入射するレーザ光L1の光軸とミラー面41aとが交差する位置である。平面ミラー41,42間において、ミラー面41a,42a間で多重反射しながら前後方向(Y軸方向)に往復するレーザ光L1の光路OPが形成される。光路OPは、後方(往路方向)にレーザ光L1が進む往路OP1と、折り返されて前方(復路方向)にレーザ光L1(折り返し光L2)が進む復路OP2と、を含んでいる。 As shown in FIGS. 1 and 2, the laser beam L1 emitted from the light source section 2 passes through the lens 11 and the window member 13, and then passes through the incident adjustment mirror 6 under a predetermined angle condition (θ H and θ V ) and enters the mirror surface 41a of the plane mirror 41 at a position P1. The position P1 is a position where the optical axis of the laser beam L1 that first enters the mirror surface 41a intersects with the mirror surface 41a. Between the plane mirrors 41 and 42, an optical path OP of the laser beam L1 is formed which reciprocates in the front-rear direction (Y-axis direction) while undergoing multiple reflections between the mirror surfaces 41a and 42a. The optical path OP includes an outgoing path OP1 in which the laser beam L1 travels backward (in the outward direction), and a backward path OP2 in which the laser beam L1 (returning light L2) is turned back and proceeds forward (in the backward direction).

ミラー面41aに入射したレーザ光L1は、ミラー面41aとミラー面42aとの間で多重反射しながら後方(Y軸負方向)に進む。すなわち、平面ミラー41,42間において、位置P1から後方(往路方向)に多重反射しながら向かう往路OP1が形成される。その後、進行方向が後方から前方へと折り返されたレーザ光L1である折り返し光L2が、ミラー面41aとミラー面42aとの間で多重反射しながら前方(Y軸正方向)に進む。すなわち、平面ミラー41,42間において、折り返し点(本実施形態では、後述する位置P2(図5参照))から前方(復路方向)に多重反射しながら向かう復路OP2が形成される。 The laser beam L1 incident on the mirror surface 41a travels backward (in the Y-axis negative direction) while undergoing multiple reflections between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a. That is, between the plane mirrors 41 and 42, an outgoing path OP1 is formed that travels backward (in the outgoing path direction) from the position P1 while being subjected to multiple reflections. Thereafter, the folded light L2, which is the laser beam L1 whose traveling direction is folded back from the rear to the front, travels forward (in the Y-axis positive direction) while undergoing multiple reflections between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a. That is, between the plane mirrors 41 and 42, a return path OP2 is formed which travels forward (in the return path direction) from a turning point (in this embodiment, a position P2 (see FIG. 5) to be described later) while being subjected to multiple reflections.

ミラー面41aの位置P3で最後に反射された折り返し光L2は、出射導光ミラー7を介して、筐体10へと導光される。位置P3は、最後にミラー面41aに入射する折り返し光L2の光軸とミラー面41aとが交差する位置であり、復路OP2の最終到達地点である。 The return light L2 finally reflected at the position P3 of the mirror surface 41a is guided to the housing 10 via the output light guide mirror 7. The position P3 is a position where the optical axis of the reflected light L2 that finally enters the mirror surface 41a intersects with the mirror surface 41a, and is the final destination of the return path OP2.

光検出部3は、上述したようにミラー面41a,42aの間で多重反射して折り返されたレーザ光L1(折り返し光L2)を検出する。光検出部3は、前方を向き、前方から入射する折り返し光L2を受光(検出)する光検出面3aを有している。例えば、光検出部3は、量子カスケードレーザ素子(光源部2)と対応する特性を有する量子カスケード光検出器(QCD:Quantum Cascade Photodetector)である。量子カスケード光検出器は、上述した量子カスケードレーザ素子と同様の活性層を含んでいる。中赤外で動作する量子カスケードレーザ素子及び量子カスケード光検出器を光源部2及び光検出部3として用いることにより、分子の基本振動に由来した強い吸収を観測できるため、高感度な吸収分光測定を行うことが可能となる。なお、上記特性の例としては、以下に述べる偏光方向に関する特性と、波長に関する特性と、が挙げられる。 The light detection unit 3 detects the laser beam L1 (reflected light L2) that is multiple-reflected and returned between the mirror surfaces 41a and 42a as described above. The light detection section 3 has a light detection surface 3a that faces forward and receives (detects) the reflected light L2 incident from the front. For example, the photodetector section 3 is a quantum cascade photodetector (QCD) having characteristics corresponding to a quantum cascade laser element (light source section 2). A quantum cascade photodetector includes an active layer similar to the quantum cascade laser device described above. By using a quantum cascade laser element and quantum cascade photodetector that operate in the mid-infrared as the light source section 2 and photodetector section 3, strong absorption derived from the fundamental vibrations of molecules can be observed, allowing highly sensitive absorption spectrometry. It becomes possible to do this. Note that examples of the above-mentioned characteristics include the characteristics related to the polarization direction and the characteristics related to the wavelength, which will be described below.

(偏光方向に関する特性について)
量子カスケードレーザ素子と量子カスケード光検出器とは、互いに共通の偏光依存性を有している。そこで、図3に示されるように、光源部2(量子カスケードレーザ素子)と光検出部3(量子カスケード光検出器)とは、光源部2から出射された後にミラー部4を経て光検出部3に入射するレーザ光L1(すなわち、折り返し光L2)の偏光方向D1と光検出部3が感度を有する偏光方向とが一致するように、配置されてもよい。ここで、レーザ光L1の偏光方向D1は、レーザ光L1の電場振動方向であり、光源部2に含まれる活性層の積層方向D2と平行な方向である。また、光検出部3が感度を有する偏光方向は、光検出部3に含まれる活性層の積層方向D3と平行な方向である。よって、光検出部3に入射する折り返し光L2(レーザ光L1)の偏光方向D1が積層方向D3(すなわち、光検出部3が感度を有する偏光方向)と一致するように、光検出部3が配置されればよい。上記構成によれば、光出射面2aから光検出面3aに至るまでの光路上で散乱等によって発生した偏光方向が乱れた迷光成分が、光検出部3でノイズとして検出されることを防ぎ、信号対雑音比(S/N)の向上を図ることができる。
(About characteristics related to polarization direction)
The quantum cascade laser element and the quantum cascade photodetector have a common polarization dependence. Therefore, as shown in FIG. 3, the light source unit 2 (quantum cascade laser element) and the photodetector unit 3 (quantum cascade photodetector) The polarization direction D1 of the laser beam L1 (that is, the folded light L2) incident on the photodetector 3 may be arranged so that the polarization direction to which the photodetector 3 is sensitive matches. Here, the polarization direction D1 of the laser beam L1 is the electric field vibration direction of the laser beam L1, and is a direction parallel to the stacking direction D2 of the active layer included in the light source section 2. Further, the polarization direction to which the photodetector 3 is sensitive is a direction parallel to the stacking direction D3 of the active layer included in the photodetector 3. Therefore, the photodetector 3 is configured so that the polarization direction D1 of the reflected light L2 (laser light L1) that enters the photodetector 3 matches the stacking direction D3 (that is, the polarization direction to which the photodetector 3 is sensitive). It is enough if it is placed. According to the above configuration, stray light components whose polarization direction is disturbed due to scattering or the like on the optical path from the light emission surface 2a to the light detection surface 3a are prevented from being detected as noise by the light detection section 3, It is possible to improve the signal-to-noise ratio (S/N).

(波長に関する特性について)
図4に示されるように、光検出部3は、光源部2の発振波長(一例として、4.6μm)に対応する感度波長を有してもよい。図4において、OSは光源部2の発振スペクトルを示しており、SSは光検出部3の感度スペクトルを示している。図4は、平面ミラー41,42間に測定対象のガスとして二酸化炭素(CO)が導入された場合の例を示している。光検出部3は、例えば、光源部2の発振波長(4.6μm)に対して最大の感度を有するように設計される。例えば、光源部2の発振波長を測定対象のガスの赤外領域における吸収帯(図4の例では、COの吸収帯である4.3μm)付近の値(4.6μm)に設定すると共に、光検出部3の感度波長のピークを光源部2の発振波長に合わせればよい。図4の感度スペクトルSSに示されるように、量子カスケード光検出器は、一般的な光検出器と比較して感度波長範囲が狭い。このため、量子カスケード光検出器である光検出部3は、擬似的に波長フィルタの役割を果たす。従って、上述したように、例えば、光検出部3の感度が最大となる波長を光源部2の発振波長と一致させることにより、背景光ノイズの影響を抑制し、高感度な吸収分光測定を行うことが可能となる。
(About wavelength-related characteristics)
As shown in FIG. 4, the photodetector 3 may have a sensitivity wavelength corresponding to the oscillation wavelength of the light source 2 (for example, 4.6 μm). In FIG. 4, OS indicates the oscillation spectrum of the light source section 2, and SS indicates the sensitivity spectrum of the photodetector section 3. FIG. 4 shows an example in which carbon dioxide (CO 2 ) is introduced between the plane mirrors 41 and 42 as a gas to be measured. The photodetector 3 is designed to have maximum sensitivity to the oscillation wavelength (4.6 μm) of the light source 2, for example. For example, the oscillation wavelength of the light source unit 2 is set to a value (4.6 μm) near the absorption band in the infrared region of the gas to be measured (in the example of FIG. 4, the absorption band of CO 2 is 4.3 μm), and , the peak of the sensitivity wavelength of the photodetector 3 may be matched to the oscillation wavelength of the light source 2. As shown in the sensitivity spectrum SS of FIG. 4, the quantum cascade photodetector has a narrower sensitivity wavelength range than a general photodetector. Therefore, the photodetector 3, which is a quantum cascade photodetector, plays the role of a pseudo wavelength filter. Therefore, as described above, for example, by matching the wavelength at which the sensitivity of the photodetector 3 is maximum with the oscillation wavelength of the light source 2, the influence of background light noise can be suppressed and highly sensitive absorption spectrometry can be performed. becomes possible.

レンズ12は、光検出部3の折り返し光L2が入射する側(すなわち、光検出部3の前方)に配置されている。レンズ12は、折り返し光L2を集光する集光レンズである。レンズ12は、折り返し光L2が入射する入射面12aと、レンズ内を通過した折り返し光L2を光検出面3aに向けて出射する出射面12bと、を有している。一例として、入射面12aは凸面状に形成され、出射面12bは平面状に形成される。例えば、レンズ12は、レンズ11と同様に、焦点距離が10mm以下のZnSe製の非球面レンズによって構成され得る。また、レンズ12の入射面12a及び出射面12bには、折り返し光L2の波長に対する透過率が90%以上となるような低反射コーティングが施されてもよい。また、レンズ12の母材はZnSeに限られず、中赤外光(レーザ光L1)を低損失に透過させることが可能な他の材料によって構成されてもよい。本実施形態では、レンズ12は、レンズ11と同様に、焦点距離が1mmであり、レンズ径(直径)が5mmであるZnSe非球面レンズによって構成されている。 The lens 12 is arranged on the side where the reflected light L2 of the photodetector 3 enters (that is, in front of the photodetector 3). The lens 12 is a condensing lens that condenses the reflected light L2. The lens 12 has an entrance surface 12a into which the reflected light L2 enters, and an exit surface 12b which emits the reflected light L2 that has passed through the lens toward the light detection surface 3a. As an example, the entrance surface 12a is formed in a convex shape, and the exit surface 12b is formed in a planar shape. For example, like the lens 11, the lens 12 may be configured with an aspherical lens made of ZnSe and having a focal length of 10 mm or less. Further, the entrance surface 12a and the exit surface 12b of the lens 12 may be provided with a low-reflection coating such that the transmittance for the wavelength of the reflected light L2 is 90% or more. Further, the base material of the lens 12 is not limited to ZnSe, but may be made of other materials that can transmit mid-infrared light (laser light L1) with low loss. In this embodiment, the lens 12, like the lens 11, is composed of a ZnSe aspherical lens having a focal length of 1 mm and a lens diameter (diameter) of 5 mm.

筐体10の側壁10bのうちレンズ12の入射面12aに対向する部分には、折り返し光L2を筐体10の内部に導光するための開口部10dが設けられている。開口部10dには、折り返し光L2を透過させるための窓部材14が設けられている。窓部材14は、窓部材13と同様の材料によって形成され得る。また、窓部材14の内面(レンズ12に対向する面)及び外面(内面とは反対側の面)には、レンズ12と同様の低反射コーティングが施されてもよい。 An opening 10d for guiding the reflected light L2 into the interior of the housing 10 is provided in a portion of the side wall 10b of the housing 10 that faces the entrance surface 12a of the lens 12. A window member 14 for transmitting the reflected light L2 is provided in the opening 10d. Window member 14 may be formed of the same material as window member 13. Further, the inner surface (the surface facing the lens 12) and the outer surface (the surface opposite to the inner surface) of the window member 14 may be provided with a low-reflection coating similar to that of the lens 12.

筐体10内において、光源部2と光検出部3とは、Z軸方向において互いに重なるように配置されている。本実施形態では、一例として、光源部2が光検出部3よりも上方に配置されている。図2に示されるように、光源部2の光軸(光出射面2aの中心を通る軸線)と光検出部3の光軸(光検出面3aの中心を通る軸線)とは、Z軸方向において、距離hだけ離間している。同様に、光源部用のレンズ11及び窓部材13も、それぞれ光検出部用のレンズ12及び窓部材14とZ軸方向において重なるように、レンズ12及び窓部材14の上方に配置されている。 In the housing 10, the light source section 2 and the light detection section 3 are arranged so as to overlap each other in the Z-axis direction. In this embodiment, as an example, the light source section 2 is arranged above the photodetector section 3. As shown in FIG. 2, the optical axis of the light source section 2 (the axis passing through the center of the light output surface 2a) and the optical axis of the light detection section 3 (the axis passing through the center of the light detection surface 3a) are in the Z-axis direction. , and are separated by a distance h. Similarly, the lens 11 and the window member 13 for the light source section are also arranged above the lens 12 and the window member 14 so as to overlap in the Z-axis direction with the lens 12 and the window member 14 for the light detection section, respectively.

入射調整ミラー6は、光源部2の光出射面2aに対向する位置において、レンズ11を通過したレーザ光L1が入射する位置に配置されている。入射調整ミラー6は、光源部2の光出射面2aから出射されたレーザ光L1を反射することにより、レーザ光L1を平面ミラー41のミラー面41a(位置P1)に所定の角度(後述する入射角度θ及び入射角度θ)で入射するように導光する。すなわち、入射調整ミラー6は、ミラー面41aに対するレーザ光L1の入射角度を三次元的に調整する機能を有している。本実施形態では、入射調整ミラー6は、レーザ光L1が後方(Y軸負方向)及び下方(Z軸負方向)に進むように、レーザ光L1を導光する。本実施形態では、入射調整ミラー6は、平面ミラーである。ただし、入射調整ミラー6は、凹面ミラーでもよい。入射調整ミラー6を凹面ミラーにした場合には、レーザ光L1の拡がりを抑制することができる。 The entrance adjustment mirror 6 is disposed at a position facing the light output surface 2a of the light source section 2, and at a position where the laser light L1 that has passed through the lens 11 is incident. The incident adjustment mirror 6 reflects the laser beam L1 emitted from the light output surface 2a of the light source section 2, thereby directing the laser beam L1 to the mirror surface 41a (position P1) of the plane mirror 41 at a predetermined angle (described later). The light is guided so as to be incident at an angle θ H and an incident angle θ V ). That is, the incidence adjustment mirror 6 has a function of three-dimensionally adjusting the incident angle of the laser beam L1 with respect to the mirror surface 41a. In this embodiment, the incidence adjustment mirror 6 guides the laser beam L1 so that the laser beam L1 travels backward (in the Y-axis negative direction) and downward (in the Z-axis negative direction). In this embodiment, the incidence adjustment mirror 6 is a plane mirror. However, the incidence adjustment mirror 6 may be a concave mirror. When the incidence adjustment mirror 6 is a concave mirror, the spread of the laser beam L1 can be suppressed.

出射導光ミラー7は、光検出部3の光検出面3aに対向する位置において、ミラー面41a(位置P3)で最後に反射された折り返し光L2が入射する位置に配置されている。出射導光ミラー7は、折り返し光L2を反射することにより、折り返し光L2を光検出部3の光検出面3aに導光する。本実施形態では、出射導光ミラー7は、平面ミラーである。ただし、出射導光ミラー7は、凹面ミラーでもよい。出射導光ミラー7を凹面ミラーにした場合には、折り返し光L2の拡がりを抑制することができる。 The output light guide mirror 7 is disposed at a position facing the photodetection surface 3a of the photodetection section 3, at a position where the return light L2 finally reflected by the mirror surface 41a (position P3) is incident. The output light guiding mirror 7 guides the reflected light L2 to the light detection surface 3a of the photodetector 3 by reflecting the reflected light L2. In this embodiment, the output light guiding mirror 7 is a plane mirror. However, the output light guiding mirror 7 may be a concave mirror. When the output light guiding mirror 7 is a concave mirror, the spread of the reflected light L2 can be suppressed.

本実施形態では、Z軸方向から見た場合に、往路OP1が復路OP2と重なる(一致する)と共に、往路OP1と復路OP2とが高さ方向(Z軸方向)にずれる(分離される)ように、位置P1に対するレーザ光L1の入射角度(後述するθ及びθ)が入射調整ミラー6によって調整されている。これにより、入射調整ミラー6と出射導光ミラー7とは、互いに異なる高さ位置において、Z軸方向において互いに重なるように配置されている。本実施形態では、入射調整ミラー6は、出射導光ミラー7よりも上方に配置されている。また、光源部2から入射調整ミラー6までのレーザ光L1の光路、及び出射導光ミラー7から光検出部3までの折り返し光L2の光路は、いずれもY軸方向に沿っている。このため、図7に示されるように、入射調整ミラー6及びレーザ光L1の光軸が交わる位置と出射導光ミラー7及び折り返し光L2の光軸が交わる位置との距離は、上述した光源部2と光検出部3とのZ軸方向の距離hと等しくされている。なお、距離hは、例えば15mmに設定される。この場合、筐体10を一辺30mmの立方体よりも小さくなるように構成することが可能となる。 In this embodiment, when viewed from the Z-axis direction, the outbound path OP1 overlaps (coincides with) the return path OP2, and the outbound path OP1 and the return path OP2 are shifted (separated) in the height direction (Z-axis direction). In addition, the incident angle (θ H and θ V to be described later) of the laser beam L1 with respect to the position P1 is adjusted by an incident adjustment mirror 6. Thereby, the entrance adjustment mirror 6 and the output light guide mirror 7 are arranged so as to overlap each other in the Z-axis direction at different height positions. In this embodiment, the entrance adjustment mirror 6 is arranged above the output light guide mirror 7. Further, the optical path of the laser beam L1 from the light source section 2 to the incident adjustment mirror 6, and the optical path of the reflected light L2 from the output light guide mirror 7 to the photodetector section 3, are both along the Y-axis direction. Therefore, as shown in FIG. 7, the distance between the position where the optical axis of the incident adjustment mirror 6 and the laser beam L1 intersect and the position where the optical axis of the output light guiding mirror 7 and the reflected light L2 intersect is 2 and the photodetector 3 in the Z-axis direction. Note that the distance h is set to, for example, 15 mm. In this case, the casing 10 can be configured to be smaller than a cube with sides of 30 mm.

次に、図1及び図5~図7を参照して、ミラー部4の構成と、ミラー部4によって形成されるレーザ光L1の光路と、について詳細に説明する。 Next, the configuration of the mirror section 4 and the optical path of the laser beam L1 formed by the mirror section 4 will be described in detail with reference to FIG. 1 and FIGS. 5 to 7.

平面ミラー41は、矩形板状に形成されている。平面ミラー41は、平面ミラー42に対して筐体10が配置される側とは反対側に配置されている。平面ミラー41は、ミラー面41aと、下面41bと、上面41cと、前端面41dと、後端面41eと、を有する。下面41bは、支持面8aに固定される面である。上面41cは、下面41bの反対側の面である。前端面41dは、前方(Y軸正方向)を向く面であり、後端面41eは、後方(Y軸負方向)を向く面である。 The plane mirror 41 is formed into a rectangular plate shape. The plane mirror 41 is disposed on the opposite side of the plane mirror 42 from the side on which the housing 10 is disposed. The plane mirror 41 has a mirror surface 41a, a lower surface 41b, an upper surface 41c, a front end surface 41d, and a rear end surface 41e. The lower surface 41b is a surface fixed to the support surface 8a. The upper surface 41c is a surface opposite to the lower surface 41b. The front end surface 41d is a surface facing forward (Y-axis positive direction), and the rear end surface 41e is a surface facing rearward (Y-axis negative direction).

平面ミラー42は、矩形板状に形成されている。平面ミラー42は、平面ミラー41と筐体10との間に配置されている。平面ミラー42は、ミラー面42aと、下面42bと、上面42cと、前端面42dと、後端面42eと、裏面42fと、を有する。下面42bは、支持面8aに固定される面である。上面42cは、下面42bの反対側の面である。前端面42dは、前方(Y軸正方向)を向く面であり、後端面42eは、後方(Y軸負方向)を向く面である。裏面42fは、ミラー面42aの反対側の面である。 The plane mirror 42 is formed into a rectangular plate shape. The plane mirror 42 is arranged between the plane mirror 41 and the housing 10. The plane mirror 42 has a mirror surface 42a, a lower surface 42b, an upper surface 42c, a front end surface 42d, a rear end surface 42e, and a back surface 42f. The lower surface 42b is a surface fixed to the support surface 8a. The upper surface 42c is a surface opposite to the lower surface 42b. The front end surface 42d is a surface facing forward (Y-axis positive direction), and the rear end surface 42e is a surface facing rearward (Y-axis negative direction). The back surface 42f is a surface opposite to the mirror surface 42a.

平面ミラー41,42のミラー面41a,42aは、例えば、対象波長(光源部2から出射されるレーザ光L1の発振波長)に対する反射率が90%以上となるような面精度を有している。或いは、ミラー面41a,42aには、上記反射率を実現するための表面処理が施されてもよい。一例として、ミラー面41a,42aには、金コートが施されてもよい。 The mirror surfaces 41a and 42a of the plane mirrors 41 and 42 have surface precision such that, for example, the reflectance for the target wavelength (the oscillation wavelength of the laser beam L1 emitted from the light source section 2) is 90% or more. . Alternatively, the mirror surfaces 41a and 42a may be subjected to surface treatment to achieve the above reflectance. As an example, the mirror surfaces 41a and 42a may be coated with gold.

Y軸方向において、ミラー面41aの前端部41g(すなわち、ミラー面41aと前端面41dとの境界部)は、ミラー面42aの前端部42g(すなわち、ミラー面42aと前端面42dとの境界部)よりも前方に突出している。本実施形態では、Y軸方向において、前端部41gは、前端部42gよりも距離d3(d3>0)だけ前方に位置している。一方、Y軸方向において、ミラー面41aの後端部41h(すなわち、ミラー面41aと後端面41eとの境界部)の位置は、ミラー面42aの後端部42h(すなわち、ミラー面42aと後端面42eとの境界部)の位置と一致している。 In the Y-axis direction, the front end 41g of the mirror surface 41a (that is, the boundary between the mirror surface 41a and the front end surface 41d) is the front end 42g of the mirror surface 42a (that is, the boundary between the mirror surface 42a and the front end surface 42d). ) protrudes forward. In this embodiment, the front end portion 41g is located ahead of the front end portion 42g by a distance d3 (d3>0) in the Y-axis direction. On the other hand, in the Y-axis direction, the rear end 41h of the mirror surface 41a (that is, the boundary between the mirror surface 41a and the rear end surface 41e) is located at the rear end 42h of the mirror surface 42a (that is, the rear end 42h of the mirror surface 42a and the rear end 41h of the mirror surface 41a). The position coincides with the position of the boundary portion with the end surface 42e.

図5及び図6に示されるように、ミラー面41aとミラー面42aとは、ミラー面41aとミラー面42aとの間で多重反射しながらY軸方向(前後方向)に往復するレーザ光L1の光路OPが形成されるように、Z軸方向から見た場合に、互いに非平行に配置されている。上述した通り、本実施形態では、後方(Y軸負方向)に進む往路OP1と、前方(Y軸正方向)に進む復路OP2と、が形成される。 As shown in FIGS. 5 and 6, the mirror surface 41a and the mirror surface 42a allow the laser beam L1 to reciprocate in the Y-axis direction (back and forth direction) while being multiple-reflected between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a. They are arranged non-parallel to each other when viewed from the Z-axis direction so that an optical path OP is formed. As described above, in this embodiment, an outgoing path OP1 that proceeds backward (in the Y-axis negative direction) and a return path OP2 that proceeds forward (in the Y-axis positive direction) are formed.

図5に示されるように、Z軸方向から見た場合に、平面ミラー41,42の間隔(ミラー面41a,42a間のX軸方向の距離)が後方(Y軸負方向)に向かうにつれて短くなるように、平面ミラー41に対して平面ミラー42が傾斜角度αで傾斜している。すなわち、平面ミラー42は、Z軸方向から見た場合に、後方に向かうにつれてミラー面42aがミラー面41aに近づくように、Y軸方向(YZ平面)に対して傾斜している。このため、X軸方向におけるミラー面41aとミラー面42aとの距離は、ミラー面42aの前端部42gにおいて最長の距離d1(最長距離)となる。本実施形態では、一例として、距離d1は、55mmである。 As shown in FIG. 5, when viewed from the Z-axis direction, the distance between the plane mirrors 41 and 42 (distance in the X-axis direction between the mirror surfaces 41a and 42a) becomes shorter toward the rear (in the Y-axis negative direction). The plane mirror 42 is inclined with respect to the plane mirror 41 at an angle of inclination α. That is, when viewed from the Z-axis direction, the plane mirror 42 is inclined with respect to the Y-axis direction (YZ plane) so that the mirror surface 42a approaches the mirror surface 41a toward the rear. Therefore, the distance between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a in the X-axis direction is the longest distance d1 (longest distance) at the front end portion 42g of the mirror surface 42a. In this embodiment, as an example, the distance d1 is 55 mm.

図5に示されるように、レーザ光L1は、入射調整ミラー6によって、Z軸方向から見た場合にミラー面41aに対して傾斜する方向に沿ってミラー面41aに導光される。すなわち、入射調整ミラー6で反射されたレーザ光L1は、Z軸方向から見た場合に、入射角度θ(θ≠0)でミラー面41aの位置P1(最初の入射位置)に入射する。上記のようにミラー面41aに対してミラー面42aを傾斜させる(すなわち、ミラー面41aとミラー面42aとを非平行に対向させる)と共に、ミラー面41aに対して入射角度θでレーザ光L1を入射させることにより、ミラー面41aとミラー面42aとの間で多重反射しながら前後方向(Y軸方向)に往復するレーザ光L1の光路OPを形成することができる。 As shown in FIG. 5, the laser beam L1 is guided by the incident adjustment mirror 6 to the mirror surface 41a along a direction that is inclined with respect to the mirror surface 41a when viewed from the Z-axis direction. That is, the laser beam L1 reflected by the incident adjustment mirror 6 is incident on the mirror surface 41a at a position P1 (initial incident position) at an incident angle θ HH ≠0) when viewed from the Z-axis direction. . As described above, the mirror surface 42a is inclined with respect to the mirror surface 41a (that is, the mirror surface 41a and the mirror surface 42a are opposed to each other in a non-parallel manner), and the laser beam L1 is directed at an incident angle θH with respect to the mirror surface 41a. By making the laser beam L1 incident, it is possible to form an optical path OP of the laser beam L1 that reciprocates in the front-rear direction (Y-axis direction) while undergoing multiple reflections between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a.

図7に示されるように、レーザ光L1は、入射調整ミラー6によって、Z軸方向に対して傾斜する方向に沿ってミラー面41aに導光される。すなわち、入射調整ミラー6で反射されたレーザ光L1は、Z軸方向に対して垂直な方向(すなわち、X軸方向及びY軸方向に平行なXY平面に沿った方向)ではなく、XY平面に対して傾斜する方向に沿ってミラー面41aに導光される。本実施形態では、入射調整ミラー6で反射されたレーザ光L1は、Y軸方向から見た場合に、入射角度θ(θ≠0)でミラー面41aの位置P1に入射する。これにより、往路OP1と復路OP2との高さ位置をずらし、往路OP1と復路OP2とを空間的に分離することができる。これにより、折り返し光L2が光源部2の光出射面2aに再入射することが防止され、光源部2の動作が不安定となることが防止される。 As shown in FIG. 7, the laser beam L1 is guided by the incident adjustment mirror 6 to the mirror surface 41a along a direction inclined with respect to the Z-axis direction. That is, the laser beam L1 reflected by the incident adjustment mirror 6 is not directed perpendicularly to the Z-axis direction (that is, along the XY plane parallel to the X-axis direction and the Y-axis direction), but in the XY plane. The light is guided to the mirror surface 41a along a direction inclined to the opposite direction. In this embodiment, the laser beam L1 reflected by the incidence adjustment mirror 6 is incident on the mirror surface 41a at a position P1 at an incident angle θ VV ≠0) when viewed from the Y-axis direction. Thereby, the height positions of the outbound route OP1 and the return route OP2 can be shifted, and the outbound route OP1 and the return route OP2 can be spatially separated. This prevents the reflected light L2 from re-entering the light exit surface 2a of the light source section 2, and prevents the operation of the light source section 2 from becoming unstable.

図5に示されるように、位置P1は、ミラー面41aの前端部41gよりも後方に位置している。すなわち、位置P1からミラー面41aの後端部41hまでのY軸方向に沿った距離をd2とすると、ミラー面41aのY軸方向の長さd4(すなわち、前端部41gから後端部41hまでの距離)は、距離d2よりも長い。分光測定装置1Aの小型化の観点から、距離d2は、例えば300mm以下に設定される。本実施形態では、一例として、距離d2は150mmである。また、本実施形態では、位置P1のY座標は、ミラー面42aの前端部42gのY座標と一致している。このため、位置P1から前端部41gまでのY軸方向に沿った距離は、前端部42gから前端部41gまでのY軸方向に沿った距離d3(すなわち、ミラー面42aの前端部42gに対するミラー面41aの前端部41gの突出量)と一致している。 As shown in FIG. 5, the position P1 is located behind the front end 41g of the mirror surface 41a. That is, if the distance along the Y-axis direction from the position P1 to the rear end 41h of the mirror surface 41a is d2, then the length d4 of the mirror surface 41a in the Y-axis direction (that is, from the front end 41g to the rear end 41h) ) is longer than the distance d2. From the viewpoint of downsizing the spectrometer 1A, the distance d2 is set to, for example, 300 mm or less. In this embodiment, as an example, the distance d2 is 150 mm. Furthermore, in this embodiment, the Y coordinate of the position P1 matches the Y coordinate of the front end portion 42g of the mirror surface 42a. Therefore, the distance along the Y-axis direction from the position P1 to the front end 41g is the distance d3 along the Y-axis direction from the front end 42g to the front end 41g (that is, the mirror surface of the mirror surface 42a relative to the front end 42g). 41a).

一例として、入射角度θは、傾斜角度αの自然数倍となるように設定される。この場合、図5に示されるように、ミラー面41aの位置P1に入射したレーザ光L1は、ミラー面41aとミラー面42aとの間で繰り返し反射されながら後方(Y軸負方向)に進むが、ミラー面42aがミラー面41aに対して傾斜角度αだけ傾斜していることにより、レーザ光L1がミラー面41a,42aで反射する度に、Z軸方向から見た場合のミラー面41aに対するレーザ光L1の入射角度が傾斜角度αずつ減少する。その結果、最終的に、Z軸方向から見た場合のミラー面41a又はミラー面42aに対するレーザ光L1の入射角度が0となる。すなわち、Z軸方向から見た場合にレーザ光L1がミラー面41a又はミラー面42aに対して垂直に入射する。入射角度θが傾斜角度αの偶数倍の場合には、レーザ光L1はミラー面41aに垂直に入射し、入射角度θが傾斜角度αの奇数倍の場合には、レーザ光L1はミラー面42aに垂直に入射する。 As an example, the incident angle θ H is set to be a natural number multiple of the inclination angle α. In this case, as shown in FIG. 5, the laser beam L1 incident on the position P1 of the mirror surface 41a travels backward (in the Y-axis negative direction) while being repeatedly reflected between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a. , because the mirror surface 42a is inclined by the inclination angle α with respect to the mirror surface 41a, each time the laser beam L1 is reflected by the mirror surfaces 41a and 42a, the laser beam on the mirror surface 41a when viewed from the Z-axis direction is The incident angle of the light L1 decreases by the inclination angle α. As a result, the incident angle of the laser beam L1 with respect to the mirror surface 41a or the mirror surface 42a finally becomes 0 when viewed from the Z-axis direction. That is, when viewed from the Z-axis direction, the laser beam L1 is perpendicularly incident on the mirror surface 41a or the mirror surface 42a. When the incident angle θ H is an even multiple of the inclination angle α, the laser beam L1 is perpendicularly incident on the mirror surface 41a, and when the incident angle θ H is an odd multiple of the inclination angle α, the laser beam L1 is incident on the mirror surface 41a. The light is incident perpendicularly to the surface 42a.

図5は、入射角度θが傾斜角度αの偶数倍に設定されている場合の例である。図5における位置P2は、Z軸方向から見た場合にレーザ光L1がミラー面41aに対して垂直に入射する位置であり、往路OP1の最終到達地点となる。往路OP1は、位置P1から位置P2までのレーザ光L1の光路である。なお、入射角度θが傾斜角度αの奇数倍の場合には、位置P2は、ミラー面41aではなくミラー面42aに位置する。 FIG. 5 is an example in which the incident angle θ H is set to an even multiple of the inclination angle α. A position P2 in FIG. 5 is a position where the laser beam L1 is perpendicularly incident on the mirror surface 41a when viewed from the Z-axis direction, and is the final destination of the outgoing path OP1. The outgoing path OP1 is an optical path of the laser beam L1 from the position P1 to the position P2. Note that when the incident angle θ H is an odd multiple of the inclination angle α, the position P2 is located not on the mirror surface 41a but on the mirror surface 42a.

図6に示されるように、ミラー面41aの位置P2で反射されて折り返されたレーザ光L1(折り返し光L2)は、Z軸方向から見た場合に往路OP1と重なる光路(復路OP2)を形成するように、ミラー面41aとミラー面42aとの間で繰り返し反射されながら前方(Y軸正方向)に進む。最終的に、ミラー面41aの位置P3で反射された折り返し光L2は、出射導光ミラー7へと導光される。復路OP2は、位置P2から位置P3までの折り返し光L2の光路である。 As shown in FIG. 6, the laser beam L1 (reflected light L2) reflected and returned at the position P2 of the mirror surface 41a forms an optical path (return path OP2) that overlaps the outgoing path OP1 when viewed from the Z-axis direction. As such, the light travels forward (in the positive direction of the Y-axis) while being repeatedly reflected between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a. Finally, the folded light L2 reflected at the position P3 of the mirror surface 41a is guided to the output light guiding mirror 7. The return path OP2 is the optical path of the returned light L2 from the position P2 to the position P3.

Z軸方向から見た場合に往路OP1と復路OP2とが重なるように傾斜角度α及び入射角度θが調整されると共に、図7に示されるようにミラー面41a,42a間における光路OPがZ軸方向に対して入射角度θで傾斜しているため、位置P3は、位置P1よりも下方において、Z軸方向で位置P1と重なる位置となる。なお、入射調整ミラー6の反射点からミラー部4を経由して出射導光ミラー7の反射点に至るまでの光路長をDと表すと、「h=D×tanθ」の関係が成り立つ。 The inclination angle α and the incident angle θH are adjusted so that the outgoing path OP1 and the incoming path OP2 overlap when viewed from the Z-axis direction, and as shown in FIG. 7, the optical path OP between the mirror surfaces 41a and 42a is Since it is inclined at an incident angle θ V with respect to the axial direction, the position P3 is located below the position P1 and overlaps with the position P1 in the Z-axis direction. Note that if the optical path length from the reflection point of the input adjustment mirror 6 to the reflection point of the output light guide mirror 7 via the mirror unit 4 is expressed as D T , then the relationship “h=D T ×tanθ V ” is established. It works.

また、パラメータE,Eをそれぞれ下記式(1)及び(2)のように定義すると、入射角度θが下記式(3)の条件を満たす場合に、Z軸方向から見た場合の平面ミラー41,42間の往路OP1及び復路OP2が完全に重なり、且つ、光路OPの総光路長を最大にすることができる。すなわち、下記式(3)の条件を満たすように、入射角度θを調整することにより、往路OP1の最終到達地点である位置P2をなるべく後端部41h(又は後端部42h)に近づけると共にミラー面41a,42a間の反射回数を最大化することができる。

Figure 2024032657000002
Furthermore, if the parameters E 1 and E 2 are defined as shown in equations (1) and (2) below, then when the incident angle θ H satisfies the condition of equation (3) below, the The outgoing path OP1 and the incoming path OP2 between the plane mirrors 41 and 42 completely overlap, and the total optical path length of the optical path OP can be maximized. That is, by adjusting the incident angle θH so as to satisfy the condition of the following formula (3), the position P2, which is the final destination of the outgoing route OP1, is brought as close to the rear end 41h (or the rear end 42h) as possible, and The number of reflections between mirror surfaces 41a and 42a can be maximized.
Figure 2024032657000002

一例として、上述した距離d1、距離d2、及び傾斜角度αは、それぞれ以下のように設定され得る。
・d1=55mm
・d2=150mm
・α=0.3°
As an example, the distance d1, the distance d2, and the inclination angle α described above may be set as follows.
・d1=55mm
・d2=150mm
・α=0.3°

上記のようにd1、d2、及びαが設定されている場合、上記式(1)~(3)に基づいて、光路OPの総光路長を最大にする入射角度θは9.6°と求められる。この場合、位置P1から折り返し位置(位置P2)を経て位置P3に至るまでの光路OPの光路長は、およそ3.5mとなる。また、入射角度θは、3.5mの光路長を経た後でレーザ光L1の中心位置がZ軸方向に距離h(本実施形態では15mm)だけずれるように調整されればよいため、上記条件下においては、「θ=tan-1(15/3500)=0.25°」と算出される。ここで、中赤外光であるレーザ光L1は、レンズ11においてコリメートされているものの、可視光及び近赤外光に比べて波長が長いことから、長距離伝搬に伴ってビーム径が拡がり易い。すなわち、図8に示されるように、位置P1に最初に入射したレーザ光L1のビーム径b1よりも、位置P3で最後に反射して出射導光ミラー7に向かうレーザ光L1(折り返し光L2)のビーム径b2の方が大きくなる。なお、本実施形態で用いられる光源部2(波長4.6μmの単一モードで動作するDFB-QCL)とレンズ11(焦点距離1mmのコリメートレンズ)との組み合わせでは、レーザ光L1の伝搬に伴うレーザ光L1の拡がり角(強度が1/e2となる幅(ここでは後述するFast方向の幅))が片側で0.28°となるため、3.5mの伝搬後のレーザ光L1のビーム径b2は25mm程度となる。 When d1, d2, and α are set as above, the incident angle θ H that maximizes the total optical path length of optical path OP is 9.6° based on equations (1) to (3) above. Desired. In this case, the optical path length of the optical path OP from position P1 to position P3 via the turning position (position P2) is approximately 3.5 m. In addition, the incident angle θ V only needs to be adjusted so that the center position of the laser beam L1 is shifted by a distance h (15 mm in this embodiment) in the Z-axis direction after passing through an optical path length of 3.5 m. Under the conditions, it is calculated as “θ V =tan −1 (15/3500)=0.25°”. Here, although the laser beam L1, which is mid-infrared light, is collimated by the lens 11, it has a longer wavelength than visible light and near-infrared light, so the beam diameter tends to expand as it propagates over long distances. . That is, as shown in FIG. 8, the laser beam L1 (returning light L2) that is finally reflected at the position P3 and directed toward the output light guide mirror 7 is smaller than the beam diameter b1 of the laser beam L1 that first enters the position P1. The beam diameter b2 becomes larger. Note that in the combination of the light source unit 2 (DFB-QCL operating in a single mode with a wavelength of 4.6 μm) and the lens 11 (collimating lens with a focal length of 1 mm) used in this embodiment, the Since the spread angle of the laser beam L1 (width at which the intensity is 1/e 2 (width in the Fast direction described later)) is 0.28° on one side, the beam of the laser beam L1 after propagating 3.5 m The diameter b2 is approximately 25 mm.

このようにビーム径b2が比較的大きくなると、位置P3から出射導光ミラー7へと向かう折り返し光L2の一部が平面ミラー42に遮られてビーム損失(図8の破線で示した欠損部分DE1)が生じるおそれがある。また、折り返し光L2が位置P3に向かう前に平面ミラー42のミラー面42aで反射する際に、折り返し光L2の一部がミラー面42aの外側に抜けてしまうことによってビーム損失(図8の破線で示した欠損部分DE2)が生じるおそれもある。その結果、最終的に出射導光ミラー7へと導光される折り返し光L2のビーム形状Bが、Y軸方向の両側部分が欠損した状態になるおそれがある。すなわち、ビーム形状Bを有する折り返し光L2のY軸方向の幅bは、ビーム径b2よりも小さくなるおそれがある。 When the beam diameter b2 becomes relatively large in this way, a part of the reflected light L2 traveling from the position P3 to the output light guide mirror 7 is blocked by the plane mirror 42, resulting in beam loss (the missing portion DE1 indicated by the broken line in FIG. 8). ) may occur. Furthermore, when the reflected light L2 is reflected by the mirror surface 42a of the plane mirror 42 before heading toward the position P3, a part of the reflected light L2 escapes to the outside of the mirror surface 42a, resulting in beam loss (broken line in FIG. 8). There is also a possibility that the defective portion DE2) shown in . As a result, there is a possibility that the beam shape B of the folded light L2 that is finally guided to the output light guiding mirror 7 will be in a state where both sides in the Y-axis direction are missing. That is, the width b of the reflected light L2 having the beam shape B in the Y-axis direction may be smaller than the beam diameter b2.

ここで、ビーム形状Bにおいて、欠損前の折り返し光L2の少なくとも半分以上の面積を確保する(幅bをビーム径b2の1/2以上にする)ためには、傾斜角度αをレーザ光L1の拡がり角(本実施形態では、0.28°)よりも大きくすればよい。また、図9に示されるように、出射導光ミラー7へと戻される折り返し光L2のZ軸方向から見たビーム範囲は、距離d3が十分に長い場合には、ミラー面42aの前端部42gで反射した後にミラー面41aで反射する部分Laからミラー面42aの前端部42gの近傍をすり抜ける部分Lb(すなわち、ぎりぎり前端部42gで遮られずに出射導光ミラー7へと向かう部分)までの範囲となる。ここで、部分Laがミラー面42aの前端部42gで反射した後にミラー面41aに入射する位置を位置P4とすると、前端部42gと位置P4とのY軸方向に沿った距離d6は「d1×tanθ」と表される。従って、折り返し光L2のビーム損失を回避する観点から、下記式(4)が成立するように、距離d3を設定することが好ましい。さらに、上記の折り返し光L2のビーム損失を回避しつつ、なるべく分光測定装置1Aの小型化(すなわち、分光測定装置1Aを構成する部材(平面ミラー41)の小型化)を図る観点からは、下記式(5)が成立するように、距離d3を設定することが好ましい。 Here, in beam shape B, in order to secure an area of at least half of the reflected light L2 before the defect (width b is 1/2 or more of the beam diameter b2), the inclination angle α must be adjusted to It may be made larger than the divergence angle (in this embodiment, 0.28°). Further, as shown in FIG. 9, the beam range of the reflected light L2 returned to the output light guiding mirror 7 when viewed from the Z-axis direction is, when the distance d3 is sufficiently long, the front end 42g of the mirror surface 42a. from the portion La that is reflected by the mirror surface 41a to the portion Lb that passes near the front end 42g of the mirror surface 42a (that is, the portion that goes toward the output light guide mirror 7 without being blocked by the front end 42g). range. Here, if the position where the portion La is reflected by the front end 42g of the mirror surface 42a and then enters the mirror surface 41a is defined as the position P4, then the distance d6 along the Y-axis direction between the front end 42g and the position P4 is "d1× tan θ H ”. Therefore, from the viewpoint of avoiding beam loss of the reflected light L2, it is preferable to set the distance d3 so that the following formula (4) holds true. Furthermore, from the viewpoint of reducing the size of the spectrometer 1A as much as possible (that is, reducing the size of the members (plane mirror 41) constituting the spectrometer 1A) while avoiding the beam loss of the reflected light L2, the following It is preferable to set the distance d3 so that equation (5) holds true.

d3≧d1×tanθ …(4)
d3=d1×tanθ …(5)
d3≧d1×tanθ H …(4)
d3=d1× tanθH …(5)

また、分光測定装置1Aの小型化の観点から、距離d2は、300mm以下であることが好ましい。同様の理由により、平面ミラー41,42のZ方向の長さd5(高さ)は、50mm以下であることが好ましい。ここで、例えば、距離d1と距離d2とを同じ長さにした場合、ジグザグに多重反射しながらY軸方向に進む往復の光路OPを実現しつつ、光路OPをガス計測にとって有意な長光路にするためには、入射角度θ及び傾斜角度αを制御が困難な程に小さくする必要が生じ得る。また、入射角度θ及び傾斜角度αを小さくする程、レーザ光L1のビーム径の拡大に伴って生じる折り返し光L2のビーム損失(図8参照)が大きくなる。一方、距離d2に対する距離d1の比をある程度小さくすることにより、入射角度θをある程度大きくして折り返し光L2のビーム損失を低減しつつ、ミラー部4のY軸方向(奥行方向)の全体を有効活用して光路OPを長くすることが容易となる。以上のような観点から、距離d1は、例えば距離d2の1/3以下に設定されることが好ましい。上記のように寸法を設定した場合、測定対象のガスを満たすべき空間(すなわち、平面ミラー41,42間の空間)の体積を、最大でも「300(距離d2)×50(長さd5)×100(距離d1)mm」以下に抑えることができ、少量のサンプルガスによる測定が可能となる。本実施形態では、Z軸方向における折り返し光L2のビーム損失を回避する観点から、長さd5を例えば30mm以上とすればよい。 Further, from the viewpoint of downsizing the spectrometer 1A, the distance d2 is preferably 300 mm or less. For the same reason, the length d5 (height) of the plane mirrors 41 and 42 in the Z direction is preferably 50 mm or less. Here, for example, if the distance d1 and the distance d2 are set to the same length, the optical path OP can be made to be a long optical path that is significant for gas measurement while realizing a round trip optical path OP that proceeds in the Y-axis direction while performing multiple reflections in a zigzag manner. In order to do so, it may be necessary to make the incident angle θ H and the inclination angle α so small that they are difficult to control. Furthermore, the smaller the incident angle θ H and the inclination angle α are, the greater the beam loss of the reflected light L2 (see FIG. 8) that occurs as the beam diameter of the laser light L1 increases. On the other hand, by reducing the ratio of the distance d1 to the distance d2 to a certain extent, the incident angle θH is increased to a certain extent to reduce the beam loss of the reflected light L2, and the entire Y-axis direction (depth direction) of the mirror section 4 is reduced. It becomes easy to make effective use of this and lengthen the optical path OP. From the above viewpoint, it is preferable that the distance d1 is set to, for example, ⅓ or less of the distance d2. When the dimensions are set as described above, the volume of the space to be filled with the gas to be measured (i.e., the space between the plane mirrors 41 and 42) is at most 300 (distance d2) x 50 (length d5) x 100 (distance d1) mm 3 '' or less, making it possible to perform measurements using a small amount of sample gas. In this embodiment, the length d5 may be set to 30 mm or more, for example, from the viewpoint of avoiding beam loss of the reflected light L2 in the Z-axis direction.

次に、分光測定装置1Aの製造方法について説明する。上述した通り、光源部2から出射されレンズ11によってコリメートされたレーザ光L1は、ミラー部4に入射し、Z軸方向において重なる往路OP1及び復路OP2を形成する。このような光路OPは、ミラー面41aに対して、厳密に入射角度θで入射した場合にのみ成立する。また、入射角度θによって定まる光路の位置ずれ(すなわち、入射調整ミラー6に入射したレーザ光L1の高さ位置(Z軸方向の位置)と出射導光ミラー7に入射した折り返し光L2の高さ位置との差)が、入射調整ミラー6と出射導光ミラー7とのZ軸方向の距離hと一致した場合に、光検出部3での信号強度(光検出強度)が最大となる。上記に基づいて、まず、光源部2、光検出部3、ミラー部4、及び出射導光ミラー7の各々を固定する。例えば、支持部材8に対して、光源部2、光検出部3、ミラー部4、及び出射導光ミラー7の各々を予め設計された位置及び向きに位置決め及び固定する。続いて、光源部2からレーザ光L1を出射させながら、光検出部3における信号強度が最大となるように、入射調整ミラー6の位置及び角度を調整及び固定する。このような手順によれば、光源部2、光検出部3、ミラー部4、及び出射導光ミラー7を予め機械精度の範囲で位置決め(固定)した上で、光検出部3における信号強度を最大化するという比較的単純な指標に基づいて、入射調整ミラー6の厳密な角度調整等を行うことができる。上記方法は、特に、本実施形態のように光源部2から出射されるレーザ光L1が不可視の中赤外光である場合において有効である。 Next, a method for manufacturing the spectrometer 1A will be described. As described above, the laser beam L1 emitted from the light source section 2 and collimated by the lens 11 enters the mirror section 4, forming an outgoing path OP1 and an incoming path OP2 that overlap in the Z-axis direction. Such an optical path OP is established only when the light is incident on the mirror surface 41a at a strictly incident angle θH . In addition, the positional deviation of the optical path determined by the incident angle θV (that is, the height position (position in the Z-axis direction) of the laser beam L1 incident on the incident adjustment mirror 6 and the height of the reflected light L2 incident on the output light guide mirror 7) When the distance h between the incident adjustment mirror 6 and the output light guiding mirror 7 in the Z-axis direction corresponds to the distance h in the Z-axis direction, the signal intensity (light detection intensity) at the photodetector 3 becomes maximum. Based on the above, first, each of the light source section 2, light detection section 3, mirror section 4, and output light guide mirror 7 is fixed. For example, each of the light source section 2, the light detection section 3, the mirror section 4, and the output light guide mirror 7 is positioned and fixed to the support member 8 at predesigned positions and orientations. Subsequently, while emitting the laser beam L1 from the light source section 2, the position and angle of the incident adjustment mirror 6 are adjusted and fixed so that the signal intensity at the photodetector section 3 is maximized. According to such a procedure, the light source section 2, the light detection section 3, the mirror section 4, and the output light guiding mirror 7 are positioned (fixed) in advance within a mechanical precision range, and then the signal intensity at the light detection section 3 is determined. Based on the relatively simple index of maximizing the angle, the angle of the incident adjustment mirror 6 can be precisely adjusted. The above method is particularly effective when the laser beam L1 emitted from the light source section 2 is invisible mid-infrared light as in this embodiment.

[第1実施形態の作用効果]
以上説明した分光測定装置1Aによれば、2つの平面ミラー41,42を非平行に対向配置した構成(すなわち、従来の凹面ミラーを用いたヘリオットセル等の構成と比較して安価且つ簡素な構成)によって、長光路の分光測定装置1Aを実現できる。また、平面ミラー41,42間におけるレーザ光L1の光路OPをZ軸方向に対して傾斜するように設定することにより、平面ミラー41,42間のレーザ光L1の往路OP1と復路OP2とをZ軸方向において空間的に分離できるため、平面ミラー41,42間に導入されたガスの分光測定を適切に実施することができる。より具体的には、平面ミラー41,42間で往路光(往路OP1)と復路光(復路OP2)とが干渉することを防止できると共に、ミラー部4で折り返されたレーザ光L1(折り返し光L2)が光源部2に再入射することを防止し、折り返し光L2を光検出部3に適切に導くことができる。従って、分光測定装置1Aによれば、装置の簡素化(低価格化)及び小型化を図ることができる。
[Operations and effects of the first embodiment]
According to the spectrometer 1A described above, the configuration is such that the two plane mirrors 41 and 42 are arranged facing each other in a non-parallel manner (that is, the configuration is cheaper and simpler than the configuration of a conventional Herriot cell using a concave mirror, etc.). ), it is possible to realize a long optical path spectrometer 1A. Furthermore, by setting the optical path OP of the laser beam L1 between the plane mirrors 41 and 42 to be inclined with respect to the Z-axis direction, the outgoing path OP1 and the returning path OP2 of the laser beam L1 between the plane mirrors 41 and 42 are Since they can be spatially separated in the axial direction, spectroscopic measurements of the gas introduced between the plane mirrors 41 and 42 can be appropriately performed. More specifically, it is possible to prevent the outgoing light (outgoing path OP1) and the incoming path light (returning path OP2) from interfering between the plane mirrors 41 and 42, and also to prevent the laser beam L1 (returning light L2) that has been turned back by the mirror section 4. ) can be prevented from entering the light source section 2 again, and the reflected light L2 can be appropriately guided to the light detection section 3. Therefore, according to the spectrometer 1A, the device can be simplified (lower in price) and smaller.

このように、分光測定装置1Aによれば、非平行に対向配置された平面ミラー対を用いて光を多重反射させることで、小さな体積の中に長光路を折り畳むことが可能となる。これにより、コンパクトな構成を採用しつつ、平面ミラー41,42で挟まれた空間に導入された測定対象のガスに対して、長光路による高感度な吸収分光を実現することができる。また、平面ミラー41,42は、一般的な長光路ガスセルで使用されるような球面(凹面)ミラーと比較して安価であるため、分光測定モジュールとしての価格を低く抑えることができる。 In this way, according to the spectrometer 1A, it is possible to fold a long optical path into a small volume by multiple-reflecting light using a pair of plane mirrors disposed opposite to each other in a non-parallel manner. Thereby, it is possible to realize highly sensitive absorption spectroscopy using a long optical path for the gas to be measured introduced into the space sandwiched between the plane mirrors 41 and 42 while employing a compact configuration. Furthermore, since the plane mirrors 41 and 42 are cheaper than spherical (concave) mirrors used in general long-path gas cells, the price of the spectroscopic measurement module can be kept low.

また、ミラー面41aに最初に入射するレーザ光L1の光路は、Z軸方向に対して入射角度θで傾斜している。また、ミラー面41a及びミラー面42aは、Z軸方向と平行である。上記構成によれば、ミラー面41aに最初に入射するレーザ光L1の光路をZ軸方向に対して傾斜させることにより、平面ミラー41,42をZ軸方向に対して傾斜させることなく(すなわち、平面ミラー41,42を単純に支持面8a上に垂直に配置することによって)、平面ミラー41,42間のレーザ光L1の光路OPがZ軸方向に対して傾斜する構成を容易に実現することができる。 Further, the optical path of the laser beam L1 that first enters the mirror surface 41a is inclined at an incident angle θV with respect to the Z-axis direction. Further, the mirror surface 41a and the mirror surface 42a are parallel to the Z-axis direction. According to the above configuration, by tilting the optical path of the laser beam L1 that first enters the mirror surface 41a with respect to the Z-axis direction, the plane mirrors 41 and 42 are not tilted with respect to the Z-axis direction (i.e., To easily realize a configuration in which the optical path OP of the laser beam L1 between the plane mirrors 41 and 42 is inclined with respect to the Z-axis direction (by simply arranging the plane mirrors 41 and 42 perpendicularly on the support surface 8a). Can be done.

また、Z軸方向から見た場合のミラー面41aに最初に入射するレーザ光L1のミラー面41aに対する入射角度θは、Z軸方向から見た場合のミラー面41aに対するミラー面42aの傾斜角度αの自然数倍となるように調整されている。上記構成によれば、Z軸方向から見た場合に、平面ミラー41,42間のレーザ光L1の往路OP1と復路OP2とが重なるように、平面ミラー41,42間のレーザ光L1の光路OPを設定することができる。これにより、光源部2からミラー部4へとレーザ光L1を導くための往路光学系(本実施形態では、レンズ11、窓部材13、入射調整ミラー6等)及びミラー部4から折り返された折り返し光L2を光検出部3へと導くための復路光学系(本実施形態では、レンズ12、窓部材14、出射導光ミラー7等)の配置を容易に行うことが可能となる。 Furthermore, the incident angle θ H of the laser beam L1 that first enters the mirror surface 41a when viewed from the Z-axis direction is the inclination angle of the mirror surface 42a with respect to the mirror surface 41a when viewed from the Z-axis direction. It is adjusted to be a natural number multiple of α. According to the above configuration, the optical path OP of the laser beam L1 between the plane mirrors 41 and 42 is adjusted so that the outgoing path OP1 and the return path OP2 of the laser beam L1 between the plane mirrors 41 and 42 overlap when viewed from the Z-axis direction. can be set. Thereby, the outgoing optical system (in this embodiment, the lens 11, the window member 13, the incident adjustment mirror 6, etc.) for guiding the laser beam L1 from the light source section 2 to the mirror section 4, and the It becomes possible to easily arrange the return path optical system (in this embodiment, the lens 12, the window member 14, the output light guide mirror 7, etc.) for guiding the light L2 to the light detection section 3.

また、ミラー面41aに対してレーザ光L1が最初に入射する位置P1からミラー面41aの後端部41h(すなわち、レーザ光L1の往路方向におけるミラー面41aの端部)までのY軸方向に沿った距離d2(図5参照)は、300mm以下である。上記構成によれば、より一層効果的に装置の小型化を図ることができる。 Also, in the Y-axis direction from the position P1 where the laser beam L1 first enters the mirror surface 41a to the rear end 41h of the mirror surface 41a (that is, the end of the mirror surface 41a in the outgoing direction of the laser beam L1). The distance d2 (see FIG. 5) along the line is 300 mm or less. According to the above configuration, it is possible to further effectively downsize the device.

また、Z軸方向におけるミラー部4(平面ミラー41,42)の長さd5(図7参照)は、50mm以下である。上記構成によれば、ミラー部4の高さを一定以下に抑えることによって、装置の小型化を図ると共に、平面ミラー41,42間に導入(充填)されるガスの量を一定以下に抑えることができる。すなわち、比較的少量のガスを平面ミラー41,42間に導入するだけで、ガスの分光測定を行うことが可能となる。 Further, the length d5 (see FIG. 7) of the mirror portion 4 (plane mirrors 41, 42) in the Z-axis direction is 50 mm or less. According to the above configuration, by keeping the height of the mirror part 4 below a certain level, it is possible to downsize the device and to suppress the amount of gas introduced (filled) between the flat mirrors 41 and 42 to below a certain level. Can be done. That is, by simply introducing a relatively small amount of gas between the plane mirrors 41 and 42, it is possible to perform spectroscopic measurement of the gas.

また、ミラー面41aの前端部41gは、ミラー面42aの前端部42gよりも前方(Y軸正方向)に突出している。図5に示されるように、本実施形態では、ミラー面41aの前端部41gは、ミラー面42aの前端部42gよりも距離d3だけ前方に位置している。上記構成によれば、ミラー面41aに対してレーザ光L1を入射させ易くすることができる。また、平面ミラー41,42間の多重反射による長光路の伝搬を経てレーザ光L1のビーム径が拡がる場合において、最後にミラー面41a(位置P3)で反射して光検出部3側へと導光されるレーザ光L1(折り返し光L2)がミラー面42aに遮られてしまうこと(すなわち、折り返し光L2のビーム損失が生じること)を抑制することができる。 Further, the front end 41g of the mirror surface 41a projects further forward (in the Y-axis positive direction) than the front end 42g of the mirror surface 42a. As shown in FIG. 5, in this embodiment, the front end 41g of the mirror surface 41a is located ahead of the front end 42g of the mirror surface 42a by a distance d3. According to the above configuration, it is possible to easily make the laser beam L1 incident on the mirror surface 41a. Furthermore, when the beam diameter of the laser beam L1 expands through long optical path propagation due to multiple reflections between the plane mirrors 41 and 42, it is finally reflected at the mirror surface 41a (position P3) and guided to the photodetector 3 side. It is possible to prevent the emitted laser beam L1 (reflected light L2) from being blocked by the mirror surface 42a (that is, beam loss of the reflected light L2).

また、ミラー面42aの前端部42gからミラー面41aの前端部41gまでのY軸方向に沿った距離d3は、X軸方向に沿ったミラー面41aとミラー面42aの前端部42gとの距離d1にtanθを乗じた値以上に設定されている。すなわち、上述した式(4)を満たすように、距離d3が設定されている。上記構成によれば、図9に示したように、ミラー面42aの前端部42gで反射してミラー面41aへと向かう折り返し光がミラー面41aの前端部41gよりも外側(前方)に抜けてしまうことに起因するビーム損失を回避することが可能となる。 Further, the distance d3 along the Y-axis direction from the front end 42g of the mirror surface 42a to the front end 41g of the mirror surface 41a is the distance d1 between the mirror surface 41a and the front end 42g of the mirror surface 42a along the X-axis direction. is set to a value greater than or equal to the value obtained by multiplying by tan θ H. That is, the distance d3 is set so as to satisfy the above-mentioned equation (4). According to the above configuration, as shown in FIG. 9, the return light that is reflected by the front end 42g of the mirror surface 42a and goes toward the mirror surface 41a passes outside (forward) of the front end 41g of the mirror surface 41a. It becomes possible to avoid beam loss due to storage.

なお、本実施形態(例えば図5、図6、及び図9参照)では、距離d3は、距離d1にtanθを乗じた値よりも長く設定されているが、距離d3は、距離d1にtanθを乗じた値と一致するように設定されてもよい。すなわち、上述した式(5)を満たすように、距離d3が設定されてもよい。この場合、上記式(4)を満たす場合と同様の効果が得られると共に、平面ミラー42(ミラー面42a)に対する平面ミラー41(ミラー面41a)の突出長(すなわち、距離d3)を上記のビーム損失を回避するために必要十分な長さに設定することにより、ビーム損失の回避と装置の小型化との両立を図ることができる。 Note that in this embodiment (see, for example, FIGS. 5, 6, and 9), the distance d3 is set longer than the value obtained by multiplying the distance d1 by tanθH ; It may be set to match the value multiplied by H. That is, the distance d3 may be set so as to satisfy the above-mentioned formula (5). In this case, the same effect as when satisfying the above formula (4) can be obtained, and the protrusion length (i.e., distance d3) of the plane mirror 41 (mirror surface 41a) with respect to the plane mirror 42 (mirror surface 42a) is By setting the length to be necessary and sufficient to avoid beam loss, it is possible to avoid beam loss and downsize the device at the same time.

また、ミラー面41aに対するミラー面42aの傾斜角度αは、ミラー面41aとミラー面42aとの間を通過するレーザ光L1のZ軸方向から見た場合の拡がり角よりも大きくなるように設定されている。上記構成によれば、平面ミラー41,42間の多重反射による長光路の伝搬を経てレーザ光L1のビーム径が拡がる場合(図8参照)において、折り返し光L2のビーム損失を効果的に抑制することができる。例えば、上述したように、ビーム形状B(図8参照)において、欠損前の折り返し光L2の少なくとも半分以上の面積を確保すること(すなわち、ビーム形状Bを有する折り返し光L2のY軸方向の幅bをビーム径b2の半分以上にすること)が容易となる。ただし、ビーム形状Bにおいて欠損前の折り返し光L2の半分以上の面積を確保することは必須ではない。例えば、光検出強度が非常に高い光検出部3を用いることができる場合等には、ビーム形状Bにおいて欠損前の折り返し光L2の半分以上の面積が確保されなくともよい。 Further, the inclination angle α of the mirror surface 42a with respect to the mirror surface 41a is set to be larger than the spread angle of the laser beam L1 passing between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a when viewed from the Z-axis direction. ing. According to the above configuration, when the beam diameter of the laser beam L1 expands through long optical path propagation due to multiple reflections between the plane mirrors 41 and 42 (see FIG. 8), beam loss of the reflected light L2 is effectively suppressed. be able to. For example, as described above, in the beam shape B (see FIG. 8), ensure an area that is at least half or more of the reflected light L2 before the defect (that is, the width in the Y-axis direction of the reflected light L2 having the beam shape B). This makes it easy to make b more than half the beam diameter b2. However, in the beam shape B, it is not essential to ensure an area equal to or more than half of the reflected light L2 before the defect. For example, when it is possible to use the photodetector 3 with very high photodetection intensity, it is not necessary to secure an area of half or more of the folded light L2 before the defect in the beam shape B.

なお、上記実施形態(図8)では、レーザ光L1のビーム径が円形になると仮定したが、実際には、量子カスケードレーザ素子である光源部2から出射されるレーザ光L1は、ビーム拡がりについての異方性を有している。より具体的には、図3に示されるように、活性層の積層方向D2に沿った方向DF(Fast方向)に沿ったレーザ光L1の拡がり角(放射角)の方が、積層方向D2に直交する方向DS(Slow方向)に沿ったレーザ光L1の放射角よりも大きくなる。上記実施形態において想定した拡がり角(片側で0.28°)は、方向DFに沿った拡がり角である。このように、傾斜角度αをより大きい拡がり角(方向DFに沿った拡がり角)よりも大きくすることにより、より確実にビーム損失を抑制又は回避することができる。また、図8に示したようなY軸方向におけるビーム損失を抑制するために、平面ミラー41,42間を通過するレーザ光L1の方向DSがY軸方向に沿うように、光源部2の向き、入射調整ミラー6の位置及び角度等が設定されてもよい。 In the above embodiment (FIG. 8), it is assumed that the beam diameter of the laser beam L1 is circular, but in reality, the laser beam L1 emitted from the light source section 2, which is a quantum cascade laser element, has a beam spread. It has anisotropy of More specifically, as shown in FIG. 3, the spread angle (radiation angle) of the laser beam L1 along the direction DF (Fast direction) along the stacking direction D2 of the active layer is larger than that in the stacking direction D2. It is larger than the radiation angle of the laser beam L1 along the orthogonal direction DS (Slow direction). The divergence angle assumed in the above embodiment (0.28° on one side) is the divergence angle along the direction DF. In this way, by making the inclination angle α larger than the larger divergence angle (the divergence angle along the direction DF), beam loss can be suppressed or avoided more reliably. In addition, in order to suppress beam loss in the Y-axis direction as shown in FIG. , the position and angle of the incident adjustment mirror 6 may be set.

また、光源部2と光検出部3とは、Z軸方向において互いに重なるように配置されている。平面ミラー41,42間におけるレーザ光L1の光路OPをZ軸方向に対して傾斜させることによって、光源部2からミラー部4へと導光されるレーザ光L1の光路とミラー部4から光検出部3へと導光される折り返し光L2の光路とをZ軸方向に分離することができる。これを利用して光源部2と光検出部3とをZ軸方向に並べて配置することによって、光源部2と光検出部3とをZ軸方向に重ねずにX軸方向又はY軸方向にずらして配置する場合と比較して、光源部2及び光検出部3の配置に必要な面積(Z軸方向から見た場合の面積)を小さくすることができる。その結果、より効果的に装置の小型化を図ることができる。 Furthermore, the light source section 2 and the light detection section 3 are arranged so as to overlap each other in the Z-axis direction. By tilting the optical path OP of the laser beam L1 between the plane mirrors 41 and 42 with respect to the Z-axis direction, the optical path of the laser beam L1 guided from the light source section 2 to the mirror section 4 and the light detection from the mirror section 4 are realized. The optical path of the folded light L2 guided to the section 3 can be separated in the Z-axis direction. By utilizing this and arranging the light source section 2 and the light detection section 3 side by side in the Z-axis direction, the light source section 2 and the light detection section 3 can be arranged in the X-axis direction or the Y-axis direction without overlapping in the Z-axis direction. Compared to the case where the light source section 2 and the light detection section 3 are arranged in a staggered manner, the area required for the arrangement of the light source section 2 and the light detection section 3 (the area when viewed from the Z-axis direction) can be made smaller. As a result, the device can be more effectively miniaturized.

また、レンズ11と光源部2(量子カスケードレーザ素子)との距離(光出射面2aと入射面11aとの距離)は、X軸方向におけるミラー面41aとミラー面42aとの最短距離(後端部41hと後端部42hとの距離)よりも短い。上記構成によれば、光源部2から出射されたレーザ光L1の拡がりをレンズ12によって効果的に抑制できる。すなわち、レーザ光L1のビーム径を十分に小さくすることができる。その結果、平面ミラー41,42間におけるレーザ光L1のビーム径の拡がりを抑制でき、ビーム径の拡がりに起因する折り返し光L2のビーム損失を低減することができる。 Further, the distance between the lens 11 and the light source section 2 (quantum cascade laser element) (the distance between the light exit surface 2a and the entrance surface 11a) is the shortest distance between the mirror surface 41a and the mirror surface 42a in the X-axis direction (the rear end (distance between the portion 41h and the rear end portion 42h). According to the above configuration, the spread of the laser beam L1 emitted from the light source section 2 can be effectively suppressed by the lens 12. That is, the beam diameter of the laser light L1 can be made sufficiently small. As a result, it is possible to suppress the spread of the beam diameter of the laser light L1 between the plane mirrors 41 and 42, and it is possible to reduce the beam loss of the reflected light L2 due to the spread of the beam diameter.

また、分光測定装置1Aは、入射調整ミラー6及び出射導光ミラー7を備えており、入射調整ミラー6と出射導光ミラー7とは、Z軸方向において互いに重なるように配置されている。上記構成によれば、入射調整ミラー6及び出射導光ミラー7を用いることにより、ミラー部4に対する光源部2及び光検出部3の配置(レイアウト)の自由度を向上させることができる。例えば、本実施形態のように、光源部2及び光検出部3を収容する筐体10をミラー部4の側方にコンパクトに配置することが可能となる。また、入射調整ミラー6と出射導光ミラー7とをZ軸方向に並べて配置することによって、入射調整ミラー6と出射導光ミラー7とをZ軸方向に重ねずに配置する場合と比較して、入射調整ミラー6及び出射導光ミラー7の配置に必要な面積(Z軸方向から見た場合の面積)を小さくすることができ、装置の小型化を図ることもできる。 Further, the spectrometer 1A includes an entrance adjustment mirror 6 and an output light guide mirror 7, and the entrance adjustment mirror 6 and the output light guide mirror 7 are arranged so as to overlap each other in the Z-axis direction. According to the above configuration, by using the incident adjustment mirror 6 and the output light guide mirror 7, the degree of freedom in arrangement (layout) of the light source section 2 and the light detection section 3 with respect to the mirror section 4 can be improved. For example, as in this embodiment, the housing 10 that houses the light source section 2 and the light detection section 3 can be compactly arranged on the side of the mirror section 4. Furthermore, by arranging the entrance adjustment mirror 6 and the output light guide mirror 7 side by side in the Z-axis direction, compared to the case where the entrance adjustment mirror 6 and the output light guide mirror 7 are arranged without overlapping in the Z-axis direction, The area required for arranging the entrance adjustment mirror 6 and the output light guide mirror 7 (the area when viewed from the Z-axis direction) can be reduced, and the device can also be made smaller.

[第2実施形態]
図10を参照して、第2実施形態の分光測定装置1Bについて説明する。分光測定装置1Bは、複数(一例として2つ)の光源(光源部2)及び光検出器(光検出部3)の組み合わせ(系統)を含んでおり、平面ミラー41,42間に導入されたガスの分光測定を複数系統で同時に実施可能に構成されている点で、分光測定装置1Aと主に相違している。第2実施形態の構成は、長光路を実現するための構成として平面ミラー対(ミラー部4)を採用していることにより、容易に実現することができる。
[Second embodiment]
With reference to FIG. 10, a spectrometer 1B according to the second embodiment will be described. The spectrometer 1B includes a combination (system) of a plurality (for example, two) of light sources (light source section 2) and photodetectors (photodetection section 3), and includes a combination (system) of a plurality of (for example, two) light sources (light source section 2) and photodetectors (photodetection section 3), and is installed between plane mirrors 41 and 42. This device is mainly different from the spectrometer 1A in that it is configured to be able to simultaneously perform gas spectrometry measurements in multiple systems. The configuration of the second embodiment can be easily realized by employing a plane mirror pair (mirror section 4) as a configuration for realizing a long optical path.

図10の例では、光源部2は、第1波長(例えば、発振波長4.6μm)のレーザ光L1Aを出射する光源部2A(第1光源部)と、第1波長とは異なる第2波長(例えば、発振波長7.4μm)のレーザ光L1Bを出射する光源部2B(第2光源部)と、を有している。また、光検出部3は、ミラー面41a,42a間で多重反射して折り返された第1波長のレーザ光L1A(折り返し光L2A)を検出する光検出部3A(第1光検出部)と、ミラー面41a,42a間で多重反射して折り返された第2波長のレーザ光L1B(折り返し光L2B)を検出する光検出部3B(第2光検出部)と、を有している。光源部2A、光源部2B、光検出部3A、及び光検出部3Bは、Z軸方向において互いに重なるように配置されている。 In the example of FIG. 10, the light source unit 2 includes a light source unit 2A (first light source unit) that emits a laser beam L1A of a first wavelength (for example, an oscillation wavelength of 4.6 μm), and a second wavelength that is different from the first wavelength. (For example, a light source section 2B (second light source section) that emits a laser beam L1B with an oscillation wavelength of 7.4 μm). The photodetector 3 also includes a photodetector 3A (first photodetector) that detects the first wavelength laser beam L1A (returning light L2A) that is multiple-reflected and returned between the mirror surfaces 41a and 42a; It has a light detection section 3B (second light detection section) that detects the second wavelength laser light L1B (reflected light L2B) that is multiple-reflected and returned between the mirror surfaces 41a and 42a. The light source section 2A, the light source section 2B, the light detection section 3A, and the light detection section 3B are arranged so as to overlap each other in the Z-axis direction.

第1実施形態と同様に、各光源部2A,2Bは、量子カスケードレーザ素子(DFB-QCL)によって構成され得る。また、各光検出部3A,3Bは、各光源部2A,2Bに対応する特性(例えば、感度波長)を有する量子カスケード光検出器によって構成され得る。 As in the first embodiment, each light source section 2A, 2B may be configured by a quantum cascade laser element (DFB-QCL). Further, each of the photodetectors 3A and 3B may be configured by a quantum cascade photodetector having characteristics (for example, sensitivity wavelength) corresponding to each of the light sources 2A and 2B.

分光測定装置1Bでは、光源部2Aと光検出部3Aとの組み合わせに対応する第1系統の光路(すなわち、光源部2Aから入射調整ミラー6を経てミラー部4に入射し、ミラー部4で折り返されて出射導光ミラー7を経て光検出部3Aへと導光される光路)と、光源部2Bと光検出部3Bとの組み合わせに対応する第2系統の光路(すなわち、光源部2Bから入射調整ミラー6を経てミラー部4に入射し、ミラー部4で折り返されて出射導光ミラー7を経て光検出部3Bへと導光される光路)と、が同時に形成される。 In the spectrometer 1B, the optical path of the first system corresponding to the combination of the light source section 2A and the photodetector section 3A (i.e., from the light source section 2A, passes through the incident adjustment mirror 6, enters the mirror section 4, and is reflected by the mirror section 4). and a second system optical path corresponding to the combination of the light source section 2B and the light detection section 3B (that is, an optical path where the light is guided from the light source section 2B to the light detection section 3A). An optical path in which the light enters the mirror unit 4 via the adjustment mirror 6, is turned back by the mirror unit 4, and is guided to the light detection unit 3B via the output light guide mirror 7) is formed at the same time.

また、分光測定装置1Bは、光源部2Aに対応するレンズ11Aと、光源部2Bに対応するレンズ11Bと、光検出部3Aに対応するレンズ12Aと、光検出部3Bに対応するレンズ12Bと、を含んでいる。各レンズは、それぞれ対応する部材の前方に配置されている。 The spectrometer 1B also includes a lens 11A corresponding to the light source section 2A, a lens 11B corresponding to the light source section 2B, a lens 12A corresponding to the photodetector section 3A, and a lens 12B corresponding to the photodetector section 3B. Contains. Each lens is arranged in front of its corresponding member.

光源部2Aの光軸(光源部2Aの光出射面2aの中心を通る軸線)と光検出部3Aの光軸(光検出部3Aの光検出面3aの中心を通る軸線)とは、Z軸方向において、距離hだけ離間している。同様に、光源部2Bの光軸(光源部2Bの光出射面2bの中心を通る軸線)と光検出部3Bの光軸(光検出部3Bの光検出面3bの中心を通る軸線)とは、Z軸方向において、距離hだけ離間している。光源部2Bは、光源部2Aと光検出部3Aとの間に配置されている。光検出部3Aは、光源部2Bと光検出部3Bとの間に配置されている。光源部2Bの光軸と光検出部3Aの光軸とは、Z軸方向において、距離h1だけ離間している。このため、分光測定装置1Bでは、最上段に位置する光源部(光源部2A)と最下段に位置する光検出部(光検出部3B)との間の距離が、分光測定装置1Aにおける距離hよりも「h-h1」だけ長くなっている。 The optical axis of the light source section 2A (the axis passing through the center of the light output surface 2a of the light source section 2A) and the optical axis of the light detection section 3A (the axis passing through the center of the light detection surface 3a of the light detection section 3A) are the Z-axis. are spaced apart by a distance h in the direction. Similarly, the optical axis of the light source section 2B (the axis passing through the center of the light output surface 2b of the light source section 2B) and the optical axis of the light detection section 3B (the axis passing through the center of the light detection surface 3b of the light detection section 3B) are , are separated by a distance h in the Z-axis direction. The light source section 2B is arranged between the light source section 2A and the photodetector section 3A. The photodetector 3A is arranged between the light source 2B and the photodetector 3B. The optical axis of the light source section 2B and the optical axis of the photodetector section 3A are separated by a distance h1 in the Z-axis direction. Therefore, in the spectrometer 1B, the distance between the light source section (light source section 2A) located at the top and the light detection section (photodetection section 3B) located at the bottom is the distance h in the spectrometer 1A. It is longer by ``h−h1'' than ``h−h1''.

第2実施形態におけるミラー部4、入射調整ミラー6、及び出射導光ミラー7は、上記の2つの系統に対して共通に用いることができる。すなわち、ミラー部4、入射調整ミラー6、及び出射導光ミラー7は、系統毎に個別に設ける必要がない。従って、第2実施形態におけるミラー部4、入射調整ミラー6、及び出射導光ミラー7の構成は、第1実施形態と同様である。ただし、第2実施形態では、Z軸方向に互いに位置がずらされた2つの系統の光路を形成する必要があるため、その分だけミラー部4、入射調整ミラー6、及び出射導光ミラー7の寸法を、第1実施形態の寸法よりも大きくする必要がある。例えば、第1実施形態と比較してZ軸方向における光路のずれ幅が「h-h1」だけ増加しているため、ミラー部4の長さd5を第1実施形態よりも「h-h1」だけ大きくすればよい。また、入射調整ミラー6及び出射導光ミラー7についても、2つの系統の光路を同時に反射することが可能な形状及び大きさとされればよい。 The mirror section 4, the incident adjustment mirror 6, and the output light guide mirror 7 in the second embodiment can be used in common for the above two systems. That is, the mirror unit 4, the incident adjustment mirror 6, and the output light guiding mirror 7 do not need to be provided individually for each system. Therefore, the configurations of the mirror section 4, the incident adjustment mirror 6, and the output light guide mirror 7 in the second embodiment are the same as those in the first embodiment. However, in the second embodiment, it is necessary to form two systems of optical paths whose positions are shifted from each other in the Z-axis direction. The dimensions need to be larger than those of the first embodiment. For example, since the deviation width of the optical path in the Z-axis direction has increased by "hh1" compared to the first embodiment, the length d5 of the mirror section 4 has been increased by "hh1" compared to the first embodiment. Just make it bigger. Furthermore, the incident adjustment mirror 6 and the output light guide mirror 7 may also have a shape and size that can reflect the two systems of optical paths simultaneously.

上記のようにミラー部4、入射調整ミラー6、及び出射導光ミラー7を構成することにより、第1系統の光路と第2系統の光路とは、Z軸方向においてずれているのみで、Z軸方向から見た場合に完全に一致し、各光路の総光路長も一致する。 By configuring the mirror unit 4, the incident adjustment mirror 6, and the output light guiding mirror 7 as described above, the optical path of the first system and the optical path of the second system are only shifted in the Z-axis direction, and the Z They match perfectly when viewed from the axial direction, and the total optical path length of each optical path also matches.

分光測定装置1Bによれば、光源部2A、光源部2B、光検出部3A、及び光検出部3BをZ軸方向において互いに重なるように配置することにより、2つの系統の光源及び検出器をコンパクトに配置することができる。また、系統間で波長帯を異ならせることによって、互いに異なる2つの波長帯の吸収分光測定を同時に行うことができる。本実施形態では、第1系統(波長4.6μm)の光路によって、例えば、CO、NO等の吸収分光測定を好適に行うことができる。また、第2系統(波長7.4μm)の光路によって、例えば、CH等の吸収分光測定を好適に行うことができる。 According to the spectrometer 1B, by arranging the light source section 2A, the light source section 2B, the light detection section 3A, and the light detection section 3B so as to overlap each other in the Z-axis direction, the light sources and detectors of two systems can be made compact. can be placed in Furthermore, by varying the wavelength bands between the systems, absorption spectroscopic measurements of two different wavelength bands can be performed simultaneously. In this embodiment, absorption spectroscopic measurements of, for example, CO, N 2 O, etc. can be suitably performed using the optical path of the first system (wavelength: 4.6 μm). Furthermore, absorption spectroscopic measurements of, for example, CH 4 etc. can be suitably performed using the optical path of the second system (wavelength 7.4 μm).

このように、複数の系統の吸収分光測定を同時に行うことが可能な構成を、互いに非平行に対向配置された平面ミラー41,42を用いることによって容易に実現できる。これに対して、凹面ミラーを用いたヘリオットセル、キャビティリングダウン分光法等の方法では、複雑な光学系が必要であるため、本実施形態のような複数系統の吸収分光測定を同時に行う構成を実現することは容易ではない。 In this way, a configuration in which absorption spectroscopic measurements of a plurality of systems can be performed simultaneously can be easily realized by using the plane mirrors 41 and 42 that are disposed non-parallel to each other and facing each other. On the other hand, methods such as Herriot cell using a concave mirror and cavity ring-down spectroscopy require complicated optical systems. It is not easy to achieve this.

なお、2つの系統間で、感度波長に重なりが生じてしまう場合には、各系統間で上述した偏光方向が直交するように光源部2A,2B及び光検出部3A,3Bを配置することによって、各系統における測定が互いに影響を及ぼすことを回避してもよい。また、各系統の光路に、測定対象となる波長域のみを通す光学フィルタを配置してもよい。また、複数系統の光源部2及び光検出部3をZ軸方向に並べる順番、及び各部材間の間隔は、図10に示した形態に限られない。また、分光測定装置1Bは、3つ以上の光源部2及び光検出部3の組み合わせを有してもよい。 In addition, if the sensitivity wavelengths overlap between the two systems, by arranging the light sources 2A, 2B and the photodetectors 3A, 3B so that the above-mentioned polarization directions are orthogonal between the two systems. , measurements in each system may be prevented from influencing each other. Furthermore, an optical filter may be placed in the optical path of each system to pass only the wavelength range to be measured. Furthermore, the order in which the plurality of systems of light source units 2 and light detection units 3 are arranged in the Z-axis direction and the intervals between each member are not limited to the form shown in FIG. 10. Moreover, the spectrometer 1B may have a combination of three or more light source sections 2 and light detection sections 3.

[第3実施形態]
図11及び図12を参照して、第3実施形態の分光測定装置1Cについて説明する。分光測定装置1Cは、複数系統(一例として2系統)の光源(光源部2A,2B)及び光検出器(光検出部3A,3B)の組み合わせを含む点において、第2実施形態と同様であるが、光源部2A,2BがZ軸方向ではなくX軸方向に並んで配置されている点、光検出部3A,3BがZ軸方向ではなくX軸方向に並んで配置されている点、1つのレンズ11Cが光源部2A,2Bに共通に用いられる点、及び1つのレンズ12Cが光検出部3A,3Bに共通に用いられる点において、第2実施形態と相違している。また、分光測定装置1Cでは、光源部2Aの光出射面2aと光源部2Bの光出射面2bとがZ軸方向ではなくX軸方向にずれているため、各系統の光路は、Z軸方向から見た場合に一致していない。
[Third embodiment]
A spectrometer 1C according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 11 and 12. The spectrometer 1C is similar to the second embodiment in that it includes a combination of multiple systems (two systems as an example) of light sources (light source units 2A, 2B) and photodetectors (photodetectors 3A, 3B). However, the light source sections 2A and 2B are arranged side by side in the X-axis direction instead of the Z-axis direction, and the light detection sections 3A and 3B are arranged side-by-side in the X-axis direction instead of the Z-axis direction. This embodiment is different from the second embodiment in that one lens 11C is commonly used for the light source sections 2A and 2B, and one lens 12C is commonly used for the light detection sections 3A and 3B. In addition, in the spectrometer 1C, the light exit surface 2a of the light source section 2A and the light exit surface 2b of the light source section 2B are shifted not in the Z-axis direction but in the X-axis direction, so the optical path of each system is They do not match when viewed from above.

すなわち、分光測定装置1Cでは、光源部2Aと光源部2Bとは、X軸方向に並んで配置されており、光検出部3Aと光検出部3Bとは、X軸方向に並んで配置されている。また、第1系統の組み合わせ(光源部2A及び光検出部3A)は、Z軸方向において互いに重なるように配置されており、第2系統の組み合わせ(光源部2B及び光検出部3B)は、Z軸方向において互いに重なるように配置されている。 That is, in the spectrometer 1C, the light source part 2A and the light source part 2B are arranged side by side in the X-axis direction, and the light detection part 3A and the light detection part 3B are arranged in line in the X-axis direction. There is. Furthermore, the combinations of the first system (light source section 2A and photodetector section 3A) are arranged so as to overlap each other in the Z-axis direction, and the combination of the second system (light source section 2B and photodetector section 3B) is arranged so as to overlap with each other in the Z-axis direction. They are arranged so as to overlap each other in the axial direction.

一例として、一方の光源部2Aは、レンズ11Cの中心を通る光路と光源部2Aの光軸(光出射面2aの中心)とが一致するように配置される。また、他方の光源部2Bは、光源部2Aと同じ高さ位置において、光源部2Aに対してX軸方向に僅かにずれた位置に、光源部2Aと平行に配置される。光源部2A,2Bの発光点(光出射面2a,2bの各々の中心)は、レンズ11Cの焦点面に配置される。光源部2Aの光軸と光源部2Bの光軸とのX軸方向における離間幅は、例えば、0.5mm程度に設定される。光検出部3A,3Bについても、Z軸方向から見た場合の光検出部3A,3Bの位置関係がZ軸方向から見た場合の光源部2A,2Bの位置関係と同じになるように配置される。 As an example, one light source section 2A is arranged so that the optical path passing through the center of the lens 11C and the optical axis of the light source section 2A (the center of the light exit surface 2a) match. Further, the other light source section 2B is arranged parallel to the light source section 2A at a position slightly shifted from the light source section 2A in the X-axis direction at the same height position as the light source section 2A. The light emitting points of the light sources 2A and 2B (the centers of the light exit surfaces 2a and 2b) are arranged on the focal plane of the lens 11C. The separation width in the X-axis direction between the optical axis of the light source section 2A and the optical axis of the light source section 2B is set to, for example, about 0.5 mm. The photodetectors 3A and 3B are also arranged so that the positional relationship between the photodetectors 3A and 3B when viewed from the Z-axis direction is the same as the positional relationship between the light source units 2A and 2B when viewed from the Z-axis direction. be done.

図11に示されるように、レンズ11Cとしては、第1実施形態のレンズ11よりも焦点距離が長く、レンズ径が大きいレンズが用いられる。例えば、レンズ11Cの焦点距離は5mmであり、レンズ11Cのレンズ径(直径)は15mmである。また、図12に示されるように、レンズ12Cも、レンズ11Cと同様に、第1実施形態のレンズ12よりも焦点距離が長く、レンズ径が大きいレンズが用いられる。例えば、レンズ12Cの焦点距離は5mmであり、レンズ12Cのレンズ径(直径)は15mmである。 As shown in FIG. 11, a lens having a longer focal length and a larger lens diameter than the lens 11 of the first embodiment is used as the lens 11C. For example, the focal length of the lens 11C is 5 mm, and the lens diameter (diameter) of the lens 11C is 15 mm. Further, as shown in FIG. 12, the lens 12C is also a lens having a longer focal length and a larger lens diameter than the lens 12 of the first embodiment, similarly to the lens 11C. For example, the focal length of the lens 12C is 5 mm, and the lens diameter of the lens 12C is 15 mm.

図11及び図12に示されるように、第1系統において光源部2Aの光出射面2aから出射されてレンズ11Cでコリメートされたレーザ光L1Aは、入射調整ミラー6で反射した後、Z軸方向から見た場合に入射角度θ1で平面ミラー41のミラー面41aの位置P1Aに入射し、ミラー面41a,42aの間で多重反射しながら後方(Y軸負方向)へと進む。また、ミラー部4で折り返されて前方(Y軸正方向)へと進むレーザ光L1A(折り返し光L2A)は、ミラー面41aの位置P3Aで最後に反射されて、出射導光ミラー7及びレンズ12Cを介して、光検出部3Aの光検出面3aに至る。 As shown in FIGS. 11 and 12, in the first system, the laser beam L1A that is emitted from the light output surface 2a of the light source section 2A and collimated by the lens 11C is reflected by the incident adjustment mirror 6, and then reflected in the Z-axis direction. When viewed from above, the light enters the mirror surface 41a of the plane mirror 41 at a position P1A at an incident angle θ1, and travels backward (Y-axis negative direction) while undergoing multiple reflections between the mirror surfaces 41a and 42a. Further, the laser beam L1A (reflected light L2A) that is reflected by the mirror portion 4 and proceeds forward (in the Y-axis positive direction) is finally reflected at the position P3A of the mirror surface 41a, and is reflected by the output light guide mirror 7 and the lens 12C. The light reaches the photodetection surface 3a of the photodetection section 3A via the photodetection section 3A.

一方、第2系統において光源部2Bの光出射面2bから出射されてレンズ11Cでコリメートされたレーザ光L1Bは、入射調整ミラー6で反射した後、Z軸方向から見た場合に入射角度θ1とは異なる入射角度θ2で平面ミラー41のミラー面41aの位置P1Bに入射し、ミラー面41a,42aの間で多重反射しながら後方(Y軸負方向)へと進む。また、ミラー部4で折り返されて前方(Y軸正方向)へと進むレーザ光L1B(折り返し光L2B)は、ミラー面41aの位置P3Bで最後に反射されて、出射導光ミラー7及びレンズ12Cを介して、光検出部3Bの光検出面3bに至る。 On the other hand, in the second system, the laser beam L1B that is emitted from the light output surface 2b of the light source section 2B and collimated by the lens 11C is reflected by the incident adjustment mirror 6, and then has an incident angle θ1 when viewed from the Z-axis direction. is incident on the mirror surface 41a of the plane mirror 41 at a position P1B at a different incident angle θ2, and propagates backward (in the Y-axis negative direction) while undergoing multiple reflections between the mirror surfaces 41a and 42a. Further, the laser beam L1B (reflected light L2B) that is reflected by the mirror portion 4 and proceeds forward (in the Y-axis positive direction) is finally reflected at the position P3B of the mirror surface 41a, and is reflected by the output light guide mirror 7 and the lens 12C. The light reaches the light detection surface 3b of the light detection section 3B via the light detection section 3B.

レンズ11Cの焦点面に配置された光源からレンズ11Cの入射面11aに向けて出射されたレーザ光はコリメートされてレンズ11Cの中心を通る方向へと伝搬する。このため、図11に示されるように、Z軸方向から見た場合に、光源部2Bから出射されるレーザ光L1Bの光路は、光源部2Aから出射されるレーザ光L1Aの光路に対して、「tan-1(0.5mm/5mm)=5.7°」だけ傾斜している。このため、第1系統の入射角度θ1は、第2系統の入射角度θ2よりも5.7°だけ小さくなる。例えば、第1実施形態と同様に、距離d1を55mmとし、距離d2(図5参照)を150mmとし、傾斜角度αを0.3°とする場合について考える。また、例えば第2系統のレーザ光L1Bの光路が最長となるように(すなわち、第1実施形態における式(3)を満たすように)、入射角度θ2が調整される場合について考える。この場合、入射角度θ2は、第1実施形態のθと同様に9.6°と求められ、入射角度θ1は、3.9°となる。ここで、入射角度θ1,θ2はいずれも傾斜角度αの自然数倍となる。従って、第1系統の往路(図11に示されるレーザ光L1A)と復路(図12に示される折り返し光L2A)とは、Z軸方向から見た場合に一致している。同様に、第2系統の往路(図11に示されるレーザ光L1B)と復路(図12に示される折り返し光L2B)とは、Z軸方向から見た場合に一致している。 Laser light emitted from a light source placed on the focal plane of the lens 11C toward the entrance surface 11a of the lens 11C is collimated and propagated in a direction passing through the center of the lens 11C. Therefore, as shown in FIG. 11, when viewed from the Z-axis direction, the optical path of the laser beam L1B emitted from the light source section 2B is different from the optical path of the laser beam L1A emitted from the light source section 2A. It is inclined by "tan -1 (0.5 mm/5 mm) = 5.7°". Therefore, the incident angle θ1 of the first system is smaller than the incident angle θ2 of the second system by 5.7°. For example, as in the first embodiment, consider a case where the distance d1 is 55 mm, the distance d2 (see FIG. 5) is 150 mm, and the inclination angle α is 0.3°. Further, consider a case where the incident angle θ2 is adjusted so that, for example, the optical path of the second system of laser light L1B becomes the longest (that is, so that formula (3) in the first embodiment is satisfied). In this case, the incident angle θ2 is determined to be 9.6°, similar to θH in the first embodiment, and the incident angle θ1 is 3.9°. Here, the incident angles θ1 and θ2 are both natural number times the inclination angle α. Therefore, the forward path (laser light L1A shown in FIG. 11) and the backward path (return light L2A shown in FIG. 12) of the first system match when viewed from the Z-axis direction. Similarly, the outward path (laser light L1B shown in FIG. 11) and the return path (return light L2B shown in FIG. 12) of the second system coincide when viewed from the Z-axis direction.

分光測定装置1Cによれば、光源部2Aと光検出部3AとをZ軸方向に重ねて配置すると共に、光源部2Bと光検出部3BとをZ軸方向に重ねて配置することにより、2つの系統の光源部及び光検出部をコンパクトに配置することができる。また、第2実施形態と同様に、系統間で波長帯を異ならせることによって、互いに異なる2つの波長帯の吸収分光測定を同時に行うことができる。また、1つのレンズ11Cを複数の光源部2A,2Bで共有すると共に、1つのレンズ12Cを複数の光検出部3A,3Bで共有することができるため、複数系統の測定と同時に行う構成を実現しつつ、装置の小型化を図ることができる。 According to the spectrometer 1C, the light source section 2A and the light detection section 3A are arranged in an overlapping manner in the Z-axis direction, and the light source section 2B and the light detection section 3B are arranged in an overlapping manner in the Z-axis direction. Two systems of light source units and light detection units can be arranged compactly. Furthermore, similarly to the second embodiment, by making the wavelength bands different between the systems, absorption spectroscopic measurements of two different wavelength bands can be performed simultaneously. In addition, one lens 11C can be shared by multiple light source units 2A, 2B, and one lens 12C can be shared by multiple photodetectors 3A, 3B, making it possible to simultaneously measure multiple systems. At the same time, the device can be made smaller.

なお、平面ミラー41,42間のレーザ光L1A,L1Bの光路長は、それぞれ入射角度θ1,θ2に依存する。上記例では、平面ミラー41,42間のレーザ光L1A,L1Bの光路長は、それぞれ1.4m,3.5mとなる。例えば、分光測定装置1Cを用いて、複数の波長帯のガスについての吸収分光測定を行う場合、吸収係数の大きいガスに対応する発振波長を持つ系統の光路を、光路長が短くなる方の光路に設定し、吸収係数の小さいガスに対応する発振波長を持つ系統の光路を、光路長が長くなる方の光路に設定してもよい。上記構成によれば、測定対象のガスの吸収係数に応じて各系統の光路長を適切に調整することができる。また、分光測定装置1Cでは、分光測定装置1Aよりも焦点距離の長いレンズ11Cを用いることになるが、このように焦点距離の長いレンズ11Cを用いることにより、長距離伝搬におけるビームの拡がりを抑制することができるため、図8に示したようなビーム拡がりに起因するビーム損失を抑制することができる。 Note that the optical path lengths of the laser beams L1A and L1B between the plane mirrors 41 and 42 depend on the incident angles θ1 and θ2, respectively. In the above example, the optical path lengths of the laser beams L1A and L1B between the plane mirrors 41 and 42 are 1.4 m and 3.5 m, respectively. For example, when performing absorption spectroscopic measurements on gases in multiple wavelength bands using the spectrometer 1C, the optical path of the system with the oscillation wavelength corresponding to the gas with a large absorption coefficient is changed to the optical path with the shorter optical path length. , and the optical path of a system having an oscillation wavelength corresponding to a gas with a small absorption coefficient may be set to the optical path with a longer optical path length. According to the above configuration, the optical path length of each system can be appropriately adjusted according to the absorption coefficient of the gas to be measured. In addition, the spectrometer 1C uses a lens 11C with a longer focal length than the spectrometer 1A, but by using the lens 11C with a longer focal length in this way, beam spread during long-distance propagation is suppressed. Therefore, beam loss caused by beam expansion as shown in FIG. 8 can be suppressed.

また、平面ミラー42の前端部42gは、Y軸方向において、平面ミラー41の位置P1Aと位置P1Bとの間に位置するように設定されればよい。これにより、一方の光路のレーザ光のビーム損失が極端に大きくなることを回避することができる。また、平面ミラー41の前端部41gと位置P1Aとの距離は、レーザ光L1Aが最初にミラー面42aで反射する位置P5と位置P1AとのY軸方向に沿った距離以上に設定されればよい。また、分光測定装置1Cは、分光測定装置1Bと同様に、3つ以上の光源部2及び光検出部3の組み合わせを有してもよい。 Further, the front end portion 42g of the plane mirror 42 may be set to be located between the position P1A and the position P1B of the plane mirror 41 in the Y-axis direction. Thereby, it is possible to avoid an extremely large beam loss of the laser light on one optical path. Further, the distance between the front end portion 41g of the plane mirror 41 and the position P1A may be set to be greater than or equal to the distance along the Y-axis direction between the position P5 and the position P1A, where the laser beam L1A is first reflected on the mirror surface 42a. . Further, the spectrometer 1C may have a combination of three or more light source sections 2 and light detection sections 3, similarly to the spectrometer 1B.

[第4実施形態]
図13を参照して、第4実施形態の分光測定装置1Dについて説明する。分光測定装置1Dは、ミラー部4を気密に収容する筐体51を備える点において、分光測定装置1Aと相違している。分光測定装置1Dの他の構成は、分光測定装置1Aと同様である。図13は、分光測定装置1Dのうちミラー部4が収容される筐体51のみを図示している。図13の例では、筐体51は、支持部材8(図1参照)の支持面8a上においてミラー部4の周囲を取り囲むように立設された側壁(図13においてハッチングにより図示された部分)と、当該側壁の上端部を塞ぐように設けられた天壁(不図示)と、によって構成されている。つまり、筐体51は、支持面8a上において、ミラー部4のみを気密に取り囲んでいる。
[Fourth embodiment]
A spectrometer 1D according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. 13. The spectrometer 1D differs from the spectrometer 1A in that it includes a casing 51 that airtightly houses the mirror section 4. The other configuration of the spectrometer 1D is the same as that of the spectrometer 1A. FIG. 13 illustrates only the housing 51 in which the mirror section 4 is housed in the spectrometer 1D. In the example of FIG. 13, the casing 51 has a side wall (portion shown by hatching in FIG. 13) that stands upright on the support surface 8a of the support member 8 (see FIG. 1) so as to surround the mirror part 4. and a ceiling wall (not shown) provided so as to close the upper end of the side wall. In other words, the housing 51 hermetically surrounds only the mirror portion 4 on the support surface 8a.

分光測定装置1Dにおいては、筐体51の側方に光源部2及び光検出部3が収容された筐体10が配置される。すなわち、光源部2及び光検出部3は、筐体51の外側に配置されている。本実施形態では、光源部2及び光検出部3を収容する筐体10と、入射調整ミラー6と、出射導光ミラー7とは、筐体51の外側において、分光測定装置1Aと同様に配置されている。 In the spectrometer 1D, a housing 10 in which the light source section 2 and the light detection section 3 are housed is arranged on the side of the housing 51. That is, the light source section 2 and the light detection section 3 are arranged outside the housing 51. In this embodiment, a housing 10 that accommodates the light source section 2 and the light detection section 3, the entrance adjustment mirror 6, and the output light guiding mirror 7 are arranged outside the housing 51 in the same manner as in the spectrometer 1A. has been done.

筐体51の側壁には、筐体51の外側から筐体51の内側へと測定対象のガスを導入するためのガス導入口51b(開口部)が設けられている。また、筐体51の側壁には、筐体51の内部に充填されたガスを筐体51の外側に排気するためのガス排気口51cも設けられている。ガス導入口51b及びガス排気口51cの位置、形状及び大きさは特に限定されない。ガス導入口51b及びガス排気口51cは、筐体51の内部の圧力の維持、筐体51の内部のガスの置換を行う機能を有している。図13に示されるように、効率的なガスの置換を実現するためには、ガス導入口51b及びガス排気口51cは、筐体51の長手方向(Y軸方向)において互いに十分に離間するように、筐体51の長手方向の両側端部に近い位置にそれぞれ配置されることが好ましい。 A gas introduction port 51b (opening) for introducing the gas to be measured from the outside of the housing 51 to the inside of the housing 51 is provided in the side wall of the housing 51. Further, a gas exhaust port 51c for exhausting the gas filled inside the housing 51 to the outside of the housing 51 is also provided on the side wall of the housing 51. The position, shape, and size of the gas inlet 51b and the gas exhaust port 51c are not particularly limited. The gas inlet 51b and the gas exhaust port 51c have the functions of maintaining the pressure inside the casing 51 and replacing the gas inside the casing 51. As shown in FIG. 13, in order to realize efficient gas replacement, the gas inlet 51b and the gas exhaust port 51c are spaced sufficiently apart from each other in the longitudinal direction (Y-axis direction) of the housing 51. In addition, it is preferable that they be arranged at positions close to both ends of the housing 51 in the longitudinal direction.

また、筐体51の側壁のうち平面ミラー42に遮られることなくミラー面41aの位置P1と対向する部分には、入射調整ミラー6からミラー面41a(位置P1)へと導光されるレーザ光L1を透過させる光透過窓52が設けられている。光透過窓52は、例えば、CaF2、ZnSe等によって形成され得る。また、光透過窓52の内面(筐体51の内部を向く面)及び外面(筐体51の外側を向く面)には、第1実施形態の窓部材13,14と同様の低反射コーティングが施されてもよい。或いは、光透過窓52に対するレーザ光L1の入射角度がブリュースター角となるように調整することにより、低反射コーティングが省略されてもよい。同様に、筐体51の側壁のうち平面ミラー42に遮られることなくミラー面41aの位置P3(図1等参照)と対向する部分には、ミラー面41a(位置P3)で反射して出射導光ミラー7へと向かう折り返し光L2を透過させる光透過窓(不図示)も設けられている。この折り返し光L2を透過させるための光透過窓の構成は、上述した光透過窓52の構成と同様である。 Further, a portion of the side wall of the housing 51 that is not blocked by the plane mirror 42 and faces the position P1 of the mirror surface 41a is provided with a laser beam guided from the incidence adjustment mirror 6 to the mirror surface 41a (position P1). A light transmitting window 52 that transmits L1 is provided. The light transmission window 52 may be formed of, for example, CaF2, ZnSe, or the like. Further, the inner surface (the surface facing the inside of the casing 51) and the outer surface (the surface facing the outside of the casing 51) of the light transmission window 52 are coated with a low reflection coating similar to the window members 13 and 14 of the first embodiment. may be applied. Alternatively, the low reflection coating may be omitted by adjusting the incident angle of the laser beam L1 to the light transmission window 52 to be the Brewster angle. Similarly, a portion of the side wall of the casing 51 that is not obstructed by the plane mirror 42 and faces position P3 of the mirror surface 41a (see FIG. 1, etc.) has a portion that is reflected by the mirror surface 41a (position P3) and guided out. A light transmission window (not shown) is also provided to transmit the reflected light L2 toward the light mirror 7. The configuration of the light transmission window for transmitting the reflected light L2 is similar to the configuration of the light transmission window 52 described above.

分光測定装置1Dによれば、ミラー部4のみを気密に収容する筐体51を設けることにより、当該筐体51の内部を減圧した上で、ガス導入口51bからガスを導入することによってより精密な測定を行うことが可能となる。より具体的には、筐体51の内部を減圧することにより、筐体51内に導入されたガスの吸収線が狭くなるため、干渉ガスの影響を回避して測定を行うことが可能となる。また、ミラー部4のみを筐体51で気密に収容することにより、位相敏感検波等の高精度な測定手法を適用することも容易となる。 According to the spectrometer 1D, by providing the casing 51 that airtightly houses only the mirror section 4, the interior of the casing 51 is depressurized, and then gas is introduced from the gas inlet 51b to improve precision. This makes it possible to perform accurate measurements. More specifically, by reducing the pressure inside the housing 51, the absorption line of the gas introduced into the housing 51 becomes narrower, making it possible to perform measurements while avoiding the influence of interfering gases. . Further, by airtightly accommodating only the mirror section 4 in the housing 51, it becomes easy to apply highly accurate measurement methods such as phase sensitive detection.

[第5実施形態]
図14及び図15を参照して、第5実施形態の分光測定装置1Eについて説明する。分光測定装置1Eは、光源部2、光検出部3、及びミラー部4を収容する筐体61を備える点において、分光測定装置1Aと相違している。本実施形態では、分光測定装置1Eの筐体61は、筐体61の底壁としての支持部材8(図1参照)と、支持部材8の支持面8aの周縁部に立設された側壁62と、側壁62の上端部を塞ぐ天壁63と、によって直方体状に形成されている。筐体61の内部に配置される筐体10(光源部2及び光検出部3)、ミラー部4、入射調整ミラー6、及び出射導光ミラー7の構成は、分光測定装置1Aと同様である。
[Fifth embodiment]
A spectrometer 1E according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 14 and 15. The spectrometer 1E is different from the spectrometer 1A in that it includes a casing 61 that accommodates a light source section 2, a light detection section 3, and a mirror section 4. In this embodiment, the casing 61 of the spectrometer 1E includes a support member 8 (see FIG. 1) as a bottom wall of the casing 61, and a side wall 62 erected at the peripheral edge of the support surface 8a of the support member 8. and a ceiling wall 63 that closes the upper end of the side wall 62, forming a rectangular parallelepiped shape. The configurations of the casing 10 (light source section 2 and light detection section 3), mirror section 4, entrance adjustment mirror 6, and output light guiding mirror 7 arranged inside the casing 61 are the same as those of the spectrometer 1A. .

筐体61は、例えば、金属、プラスチック等の内部構造の保護と形状の維持が可能な材料によって形成され得る。本実施形態では、筐体61の底壁が、各構成部材を支持するベース部材(支持部材8)を兼ねているが、支持部材8は、筐体61の底壁とは別部材として構成されてもよい。その場合、支持部材8は、例えば、筐体61の底壁上に固定されてもよい。 The housing 61 may be formed of a material that can protect the internal structure and maintain its shape, such as metal or plastic. In this embodiment, the bottom wall of the casing 61 also serves as a base member (support member 8) that supports each component, but the support member 8 is configured as a separate member from the bottom wall of the casing 61. It's okay. In that case, the support member 8 may be fixed on the bottom wall of the housing 61, for example.

筐体61には、筐体61の外側から筐体61の内側へと測定対象のガスを導入するための通気口61a,61b(開口部)が設けられている。本実施形態では、一例として、2つの通気口61a,61bが、側壁62のうち互いに対向する壁部(本実施形態では、Y軸方向に対向する壁部)の各々に設けられている。ただし、筐体61に設けられる通気口の数、位置、大きさ及び形状は、上記例に限定されない。通気口の数、位置、大きさ及び形状は、筐体61の強度を著しく損なわない範囲で、任意に設計され得る。例えば、1つの通気口が天壁63に設けられてもよい。また、筐体61の通気口61a,61b以外の部分は、気密性を有することが好ましい。また、筐体61は、筐体61の内部のガスを置換するための排気又は吸気用のファン等を備えていてもよい。また、通気口61a,61bには、外部からの埃等が筐体61の内部に入り込むことを防止するための防塵フィルタが設けられてもよい。 The housing 61 is provided with vents 61 a and 61 b (openings) for introducing gas to be measured from the outside of the housing 61 to the inside of the housing 61 . In this embodiment, as an example, two ventilation holes 61a and 61b are provided in each of the wall portions of the side wall 62 that face each other (wall portions that face each other in the Y-axis direction in this embodiment). However, the number, position, size, and shape of the vents provided in the housing 61 are not limited to the above example. The number, position, size, and shape of the vents can be arbitrarily designed as long as the strength of the housing 61 is not significantly impaired. For example, one vent hole may be provided in the ceiling wall 63. Further, it is preferable that the portions of the housing 61 other than the vents 61a and 61b have airtightness. Further, the casing 61 may include an exhaust or intake fan for replacing the gas inside the casing 61. Further, the ventilation holes 61a and 61b may be provided with dust filters to prevent dust and the like from entering the housing 61 from outside.

分光測定装置1Eによれば、光源部2、光検出部3、及びミラー部4を1つの筐体61内に収めることにより、分光測定装置1Eを構成する各部材を、外部からの汚染、機械的衝撃等から適切に保護することができる。 According to the spectrometer 1E, by housing the light source section 2, the light detection section 3, and the mirror section 4 in one housing 61, each member constituting the spectrometer 1E can be protected from external contamination and mechanical damage. can be properly protected from physical impact, etc.

[第6実施形態]
図16を参照して、第6実施形態の分光測定装置1Fについて説明する。分光測定装置1Fは、光源部2の代わりに光源部2Fを備え、入射調整ミラー6の代わりに回折格子6Fを備える点において、分光測定装置1Aと相違している。
[Sixth embodiment]
With reference to FIG. 16, a spectrometer 1F according to the sixth embodiment will be described. The spectrometer 1F is different from the spectrometer 1A in that it includes a light source section 2F instead of the light source section 2, and a diffraction grating 6F instead of the incident adjustment mirror 6.

光源部2Fは、波長λon(第1波長)のレーザ光Lonと、波長λonとは異なる波長λoff(第2波長)のレーザ光Loffと、を出射可能に構成されている。平面ミラー41,42間に導入される測定対象のガスにレーザ光Lonが吸収される度合いは、当該ガスにレーザ光Loffが吸収される度合いよりも高い。例えば、波長λonは、測定対象のガスに吸収される波長(例えば、当該ガスの吸収帯に対応する波長)であり、波長λoffは、測定対象のガスへの吸収が波長λonよりも小さい波長(例えば、当該ガスの吸収帯から外れた波長)である。光源部2Fは、例えば、光源部2と同様の分布帰還型の量子カスケードレーザ素子(DFB-QCL)によって構成され得る。光源部2Fは、光源部2Fに対する電流注入量を変化させることにより、少なくとも波長λon及び波長λoffを含む波長範囲で波長掃引可能に構成されている。このように、本実施形態では、光源部2Fは、単一の量子カスケードレーザ素子(本実施形態では、DFB-QCL)から出射される光に基づいて、レーザ光Lonとレーザ光Loffとを切り替えて出射可能に構成されている。すなわち、分光測定装置1Fは、光源として複数のレーザ素子を必要とせず、単一のレーザ素子(本実施形態では光源部2F)から出射される光の波長を制御することにより、レーザ光Lonとレーザ光Loffとを切り替えて出射する構成を実現している。 The light source section 2F is configured to be able to emit laser light L on having a wavelength λ on (first wavelength) and laser light L off having a wavelength λ off (second wavelength) different from the wavelength λ on . The degree to which the laser beam L on is absorbed by the gas to be measured introduced between the plane mirrors 41 and 42 is higher than the degree to which the laser beam L off is absorbed by the gas. For example, the wavelength λ on is a wavelength that is absorbed by the gas to be measured (e.g., a wavelength corresponding to the absorption band of the gas), and the wavelength λ off is the wavelength at which the absorption by the gas to be measured is lower than the wavelength λ on . A small wavelength (eg, a wavelength outside the absorption band of the gas). The light source section 2F may be configured by, for example, a distributed feedback quantum cascade laser device (DFB-QCL) similar to the light source section 2. The light source section 2F is configured to be capable of wavelength sweeping in a wavelength range including at least the wavelength λ on and the wavelength λ off by changing the amount of current injected into the light source section 2F. In this way, in this embodiment, the light source unit 2F distinguishes between laser light L on and laser light L off based on the light emitted from a single quantum cascade laser element (DFB-QCL in this embodiment). It is configured so that it can be emitted by switching. That is, the spectrometer 1F does not require a plurality of laser elements as a light source, and by controlling the wavelength of light emitted from a single laser element (in this embodiment, the light source section 2F), the spectrometer 1F can generate laser light L on A configuration is realized in which the laser beam is emitted by switching between the laser beam and the laser beam L off .

回折格子6Fは、反射型の回折格子である。回折格子6Fにおけるレーザ光Lon,Loffの入射面は、例えばブレーズドグレーティング等のグレーティング構造が形成された回折格子面である。回折格子6Fで反射されて平面ミラー41に向かうレーザ光の進行方向(すなわち、平面ミラー41のミラー面41aに対する入射角度θ)は、回折格子6Fに入射するレーザ光の波長によって変化する。例えば、波長λonと波長λoffとの間で波長掃引を行った場合には、入射角度θは、波長λonのレーザ光Lonの入射角度θonと波長λoffのレーザ光Loffの入射角度θoffとの間で連続的に変化する。ここで、入射角度θon及び入射角度θoffは、傾斜角度αの自然数倍である条件を満たすように設定され、それ以外の角度(すなわち、入射角度θonと入射角度θoffとの間の角度)は、上記条件を満たさないように設定されることが好ましい。このような構成によれば、波長λonと波長λoffとの間で波長掃引して光検出部3による折り返し光L2の検出を行った場合に、波長λon及び波長λoffの各々に対応する検出結果を容易に観測することが可能となる。より具体的には、波長λon及び波長λoff以外の波長のレーザ光に対応する信号は光検出部3によって検出されない(検出されたとしても僅かである)ため、波長λon及び波長λoffに対応する2つのピーク値を観測することができる。その結果、2つのピーク値の差分に基づく分析(後述する差分吸収分光法)を容易に行うことができる。 The diffraction grating 6F is a reflection type diffraction grating. The incident surface of the laser beams L on and L off in the diffraction grating 6F is a diffraction grating surface on which a grating structure such as a blazed grating is formed, for example. The traveling direction of the laser beam reflected by the diffraction grating 6F and directed toward the plane mirror 41 (that is, the incident angle θ H with respect to the mirror surface 41a of the plane mirror 41) changes depending on the wavelength of the laser beam incident on the diffraction grating 6F. For example, when wavelength sweeping is performed between the wavelength λ on and the wavelength λ off , the incident angle θ H is the incident angle θ on of the laser beam L on with the wavelength λ on and the laser beam L off with the wavelength λ off . The incident angle θ off changes continuously between Here, the incident angle θ on and the incident angle θ off are set to satisfy the condition of being a natural number multiple of the inclination angle α, and other angles (i.e., between the incident angle θ on and the incident angle θ off angle) is preferably set so as not to satisfy the above conditions. According to such a configuration, when the wavelength is swept between the wavelength λ on and the wavelength λ off and the reflected light L2 is detected by the photodetector 3, the wavelength λ on and the wavelength λ off are respectively corresponded to. It becomes possible to easily observe the detection results. More specifically, since signals corresponding to laser beams with wavelengths other than the wavelength λ on and the wavelength λ off are not detected by the photodetector 3 (even if detected, they are few), the wavelength λ on and the wavelength λ off Two peak values corresponding to can be observed. As a result, analysis based on the difference between two peak values (differential absorption spectroscopy described below) can be easily performed.

分光測定装置1Fによれば、差分吸収分光法(例えば、差分吸収ライダー(DIAL:Differential Absorption Lidar)等)によるガス濃度の測定を実施することが可能となる。例えば、上述したように波長λonと波長λoffとの間で波長掃引を行うことでレーザ光Lonとレーザ光Loffとを交互に切り替えて出射し、各信号(光検出部3に検出されるピーク信号)の差(すなわち、波長λonについての吸収量と波長λoffについての吸収量との差)を解析することにより、平面ミラー41,42間に導入された測定対象のガス分子の濃度分布を精度良く測定することが可能となる。すなわち、波長λoffに対応する測定値を基準値として用いて波長λonに対応する測定値をキャリブレーションすることにより、環境由来のゆらぎ(ノイズ)を排除することができ、ガス分子の濃度分布を高精度に行うことが可能となる。上記のノイズの例としては、光源部2Fのぶれ、平面ミラー41,42の表面(ミラー面41a,42a)の汚れ、光源部2Fから光検出部3までの光路のアライメントのずれ、測定対象のガス以外の気体による吸収の影響等が挙げられる。すなわち、波長λonに対応する測定値に対して波長λoffに対応する測定値によるキャリブレーションを随時行うことができるため、計測環境の大気の影響等によるノイズをキャンセルして高精度の計測を行うことができる。また、回折格子として、後述する分光測定装置1Hの可動回折格子6Hのような可動部材ではなく、角度が固定された回折格子6Fを用いることにより、機械的強度の高い安定した構成を実現できる。 According to the spectrometer 1F, it is possible to measure gas concentration by differential absorption spectroscopy (for example, differential absorption lidar (DIAL), etc.). For example, as described above, by performing a wavelength sweep between the wavelength λ on and the wavelength λ off , the laser beam L on and the laser beam L off are alternately switched and emitted, and each signal (detected by the photodetector 3 By analyzing the difference (that is, the difference between the absorption amount for the wavelength λ on and the absorption amount for the wavelength λ off ), the gas molecules to be measured introduced between the plane mirrors 41 and 42 are analyzed. It becomes possible to measure the concentration distribution with high accuracy. In other words, by calibrating the measured value corresponding to the wavelength λ on using the measured value corresponding to the wavelength λ off as a reference value, it is possible to eliminate fluctuations (noise) derived from the environment, and the concentration distribution of gas molecules can be corrected. can be performed with high precision. Examples of the above noise include blurring of the light source section 2F, dirt on the surfaces of the plane mirrors 41 and 42 (mirror surfaces 41a and 42a), misalignment of the optical path from the light source section 2F to the light detection section 3, and Examples include the influence of absorption by gases other than gas. In other words, since the measurement value corresponding to the wavelength λ on can be calibrated with the measurement value corresponding to the wavelength λ off at any time, it is possible to cancel noise due to the influence of the atmosphere in the measurement environment and achieve highly accurate measurement. It can be carried out. Further, by using a diffraction grating 6F with a fixed angle as the diffraction grating instead of a movable member like a movable diffraction grating 6H of a spectrometer 1H described later, a stable configuration with high mechanical strength can be realized.

また、DFB-QCLは掃引幅が比較的狭いため、波長λon及び波長λoffは比較的近い値となる。このため、入射角度θonと入射角度θoffとの差は比較的小さくなり、平面ミラー41,42間におけるレーザ光Lonの光路長とレーザ光Loffの光路長とのずれ(差)も比較的小さくなる。従って、光源部2FとしてDFB-QCLを用いて波長λonと波長λoffとの間の波長掃引を行うことにより、上述した差分吸収分光法による測定を高精度に実施することが可能となる。 Furthermore, since the sweep width of DFB-QCL is relatively narrow, the wavelength λ on and the wavelength λ off have relatively close values. Therefore, the difference between the incident angle θ on and the incident angle θ off becomes relatively small, and the deviation (difference) between the optical path length of the laser beam L on and the optical path length of the laser beam L off between the plane mirrors 41 and 42 also becomes relatively small. Becomes relatively small. Therefore, by performing wavelength sweeping between the wavelength λ on and the wavelength λ off using the DFB-QCL as the light source section 2F, it becomes possible to perform the measurement by the differential absorption spectroscopy described above with high precision.

[第7実施形態]
図17を参照して、第6実施形態の分光測定装置1Gについて説明する。分光測定装置1Gは、単一の量子カスケードレーザ素子2G(以下、「QCL素子2G」)と、回折格子21と、によって構成された光源部20Gを備える点において、分光測定装置1Aと相違している。分光測定装置1Gも、分光測定装置1Fと同様に、光源として複数のレーザ素子を必要とせず、単一のレーザ素子(本実施形態ではQCL素子2G)から出射される光の波長を制御することにより、レーザ光Lonとレーザ光Loffとを切り替えて出射する構成を実現している。
[Seventh embodiment]
With reference to FIG. 17, a spectrometer 1G according to the sixth embodiment will be described. The spectrometer 1G differs from the spectrometer 1A in that it includes a light source section 20G composed of a single quantum cascade laser element 2G (hereinafter referred to as "QCL element 2G") and a diffraction grating 21. There is. Similarly to the spectrometer 1F, the spectrometer 1G does not require multiple laser elements as a light source and can control the wavelength of light emitted from a single laser element (QCL element 2G in this embodiment). This realizes a configuration in which laser light L on and laser light L off are switched and emitted.

光源部20Gは、光源部2Fと同様に、波長λonのレーザ光Lonと波長λoffのレーザ光Loffとを出射可能に構成されている。上述した分光測定装置1Fは、QCL素子単体で波長掃引可能なDFB-QCLを光源部2Fとして備えることにより、レーザ光Lon,Loffを切替可能な構成を実現していた。これに対して、分光測定装置1Gは、QCL素子2Gと回折格子21とによって構成される外部共振型量子カスケードレーザ(EC-QCL:External Cavity Quantum Cascade Laser)を光源部20Gとして備えることにより、レーザ光Lon,Loffを切替可能な構成を実現している。 The light source section 20G, like the light source section 2F, is configured to be able to emit laser light L on having a wavelength λ on and laser light L off having a wavelength λ off . The above-mentioned spectrometer 1F has a configuration in which the laser beam L on and L off can be switched by providing a DFB-QCL capable of wavelength sweeping with a single QCL element as the light source section 2F. On the other hand, the spectrometer 1G is equipped with an external cavity quantum cascade laser (EC-QCL) composed of a QCL element 2G and a diffraction grating 21 as a light source section 20G. A configuration is realized in which the light L on and L off can be switched.

QCL素子2Gは、入射調整ミラー6に対向する端面2Gaと、端面2Gaとは反対側の端面2Gbと、を有する。また、回折格子21は、QCL素子2Gと共に筐体10内に収容され、端面2Gbに対向する位置に配置されている。回折格子21は、回折格子6Fと同様の反射型の回折格子である。すなわち、端面2Gbに対向する回折格子21の表面は、例えばブレーズドグレーティング等のグレーティング構造が形成された回折格子面である。 The QCL element 2G has an end surface 2Ga facing the incidence adjustment mirror 6, and an end surface 2Gb on the opposite side to the end surface 2Ga. Moreover, the diffraction grating 21 is housed in the housing 10 together with the QCL element 2G, and is disposed at a position facing the end surface 2Gb. The diffraction grating 21 is a reflective diffraction grating similar to the diffraction grating 6F. That is, the surface of the diffraction grating 21 facing the end surface 2Gb is a diffraction grating surface on which a grating structure such as a blazed grating is formed, for example.

端面2Gbから出射された光は、回折格子21に入射し、回折及び反射されることにより、端面2Gbに帰還する。これにより、QCL素子2Gの端面2Gaと回折格子21との間で、リトロー型の外部共振器が構成される。QCL素子2Gに対する回折格子21の角度(傾斜)を変化させることにより、回折格子21からQCL素子2Gへと帰還する光の波長を変化させることができる。これにより、端面2Gaから入射調整ミラー6へと出射される出力光(すなわち、共振によって増幅する光)の波長を変化させることができる。 The light emitted from the end face 2Gb enters the diffraction grating 21, is diffracted and reflected, and returns to the end face 2Gb. Thereby, a Littrow-type external resonator is configured between the end face 2Ga of the QCL element 2G and the diffraction grating 21. By changing the angle (inclination) of the diffraction grating 21 with respect to the QCL element 2G, the wavelength of the light that returns from the diffraction grating 21 to the QCL element 2G can be changed. Thereby, the wavelength of the output light (that is, the light amplified by resonance) emitted from the end face 2Ga to the incidence adjustment mirror 6 can be changed.

分光測定装置1Gによれば、上述した分光測定装置1Fと同様の効果が奏される。また、分光測定装置1Gでは、回折格子6Fではなく入射調整ミラー6が用いられている。このため、分光測定装置1Gでは、レーザ光Lon,Loff間の光路長差は生じない。すなわち、レーザ光Lon,Loffは、同じ方向で入射調整ミラー6に入射し、同じ角度で反射されるため、レーザ光Lonの入射角度θonは、レーザ光Loffの入射角度θoffと一致する。このため、分光測定装置1Gでは、平面ミラー41,42間におけるレーザ光Lonの光路長は、レーザ光Loffの光路長と一致する。従って、分光測定装置1Gによれば、分光測定装置1Fのような回折格子6Fを用いる場合よりも、上述した差分吸収分光法による測定をより高精度に実施することが可能となる。 According to the spectrometer 1G, the same effects as the above-mentioned spectrometer 1F are achieved. Furthermore, in the spectrometer 1G, the incidence adjustment mirror 6 is used instead of the diffraction grating 6F. Therefore, in the spectrometer 1G, there is no difference in optical path length between the laser beams L on and L off . That is, since the laser beams L on and L off enter the incident adjustment mirror 6 in the same direction and are reflected at the same angle, the incident angle θ on of the laser beam L on is equal to the incident angle θ off of the laser beam L off . matches. Therefore, in the spectrometer 1G, the optical path length of the laser beam L on between the plane mirrors 41 and 42 matches the optical path length of the laser beam L off . Therefore, according to the spectrometer 1G, it is possible to carry out the measurement by the differential absorption spectroscopy described above with higher precision than when using the diffraction grating 6F like the spectrometer 1F.

なお、分光測定装置1Fにおいて、回折格子6Fの代わりに入射調整ミラー6が用いられてもよい。また、分光測定装置1Gにおいて、入射調整ミラー6の代わりに回折格子6Fが用いられてもよい。上述したとおり、回折格子6Fを用いた場合には、入射角度θon,θoffのみが傾斜角度αの自然数倍となるように調整することにより、波長λon及びλoffの各々に対応する結果(2つのピーク値)を観測することができるというメリットが得られる。一方、入射調整ミラー6を用いた場合には、レーザ光Lon,Loffの光路長を一致させることができるため、差分吸収分光法による測定をより高精度に実施することができるというメリットが得られる。より具体的には、光源として連続的に波長を掃引するDFB-QCLを用いる分光測定装置1Fで入射調整ミラー6を用いた場合には、狙いの2波長λon,λoff以外の波長の光についても光検出部3で検出されてしまうというデメリットが生じるが、回折格子6Fを用いることにより、このようなデメリットを回避し、2つのピーク値のみを観測することが可能となる。一方、光源としてEC-QCLを用いる分光測定装置1Gでは、光源(EC-QCL)側で2波長λon,λoffを適切に選択できることから、上述したように分光測定装置1Fにおいて入射調整ミラー6を用いる場合のデメリット(すなわち、狙いの2波長λon,λoff以外の波長の光についても光検出部3で検出されてしまうこと)は生じない。すなわち、分光測定装置1Gによれば、EC-QCLを用いることによって、入射調整ミラー6を用いることによる上記デメリットを回避しつつ、上記メリット(すなわち、レーザ光Lon,Loffの光路長を一致させることによる測定精度の向上)を得ることができる。 In addition, in the spectrometer 1F, the incidence adjustment mirror 6 may be used instead of the diffraction grating 6F. Furthermore, in the spectrometer 1G, a diffraction grating 6F may be used instead of the incidence adjustment mirror 6. As described above, when the diffraction grating 6F is used, by adjusting only the incident angles θ on and θ off to be a natural number multiple of the inclination angle α, the wavelengths λ on and λ off can be adjusted. The advantage is that the results (two peak values) can be observed. On the other hand, when the incidence adjustment mirror 6 is used, the optical path lengths of the laser beams L on and L off can be matched, so there is an advantage that measurement by differential absorption spectroscopy can be carried out with higher precision. can get. More specifically, when the incidence adjustment mirror 6 is used in the spectrometer 1F that uses a DFB-QCL that continuously sweeps the wavelength as a light source, light with wavelengths other than the two target wavelengths λ on and λ off However, by using the diffraction grating 6F, such a disadvantage can be avoided and only two peak values can be observed. On the other hand, in the spectrometer 1G using EC-QCL as a light source, since the two wavelengths λ on and λ off can be appropriately selected on the light source (EC-QCL) side, the incidence adjustment mirror 6 There is no disadvantage (that is, light having wavelengths other than the two target wavelengths λ on and λ off will also be detected by the photodetector 3) when using this method. That is, according to the spectrometer 1G, by using EC-QCL, the above-mentioned disadvantages caused by using the incident adjustment mirror 6 can be avoided, and the above-mentioned advantages (i.e., the optical path lengths of the laser beams L on and L off can be matched) (Improvement of measurement accuracy) can be obtained by

[第8実施形態]
図18を参照して、第8実施形態の分光測定装置1Hについて説明する。分光測定装置1Hは、単一の量子カスケードレーザ素子2H(以下、「QCL素子2H」)と、可動回折格子6Hと、によって構成された光源部20Hを備える点において、分光測定装置1Aと相違している。可動回折格子6Hは、QCL素子2Hとの外部共振器を構成すると共に、QCL素子2Hから出射されたレーザ光を平面ミラー41のミラー面41aへと導く役割(すなわち、入射調整ミラー6の役割)を有している。すなわち、分光測定装置1Hは、入射調整ミラー6の代わりに可動回折格子6Hを備えている点においても、分光測定装置1Aと相違している。
[Eighth embodiment]
With reference to FIG. 18, a spectrometer 1H according to the eighth embodiment will be described. The spectrometer 1H differs from the spectrometer 1A in that it includes a light source section 20H composed of a single quantum cascade laser element 2H (hereinafter referred to as "QCL element 2H") and a movable diffraction grating 6H. ing. The movable diffraction grating 6H constitutes an external resonator with the QCL element 2H, and also plays the role of guiding the laser beam emitted from the QCL element 2H to the mirror surface 41a of the plane mirror 41 (that is, the role of the incident adjustment mirror 6). have. That is, the spectrometer 1H is different from the spectrometer 1A in that it includes a movable diffraction grating 6H instead of the incident adjustment mirror 6.

光源部20Hは、光源部2Fと同様に、波長λonのレーザ光Lonと波長λoffのレーザ光Loffとを出射可能に構成されている。分光測定装置1Hは、分光測定装置1Gと同様に、QCL素子2Hと可動回折格子6Hとによって構成される外部共振型量子カスケードレーザ(EC-QCL:External Cavity Quantum Cascade Laser)を光源部20Hとして備えることにより、レーザ光Lon,Loffを切替可能な構成を実現している。ただし、分光測定装置1Gが、入射調整ミラー6とは別の回折格子21を筐体10内に備えていたのに対して、分光測定装置1Hは、入射調整ミラー6の役割を兼ねる可動回折格子6Hを筐体10の外側(すなわち、入射調整ミラー6に対応する位置)に備えている。 The light source section 20H, like the light source section 2F, is configured to be able to emit laser light L on having a wavelength λ on and laser light L off having a wavelength λ off . Similar to the spectrometer 1G, the spectrometer 1H includes an external cavity quantum cascade laser (EC-QCL) constituted by a QCL element 2H and a movable diffraction grating 6H as a light source 20H. As a result, a configuration in which the laser beams L on and L off can be switched is realized. However, whereas the spectrometer 1G includes a diffraction grating 21 separate from the incident adjustment mirror 6 in the housing 10, the spectrometer 1H has a movable diffraction grating that also serves as the input adjustment mirror 6. 6H is provided outside the housing 10 (that is, at a position corresponding to the incident adjustment mirror 6).

QCL素子2Hは、可動回折格子6Hに対向する端面2Haと、端面2Haとは反対側の端面2Hbと、を有する。また、可動回折格子6Hは、端面2Haに対向する位置(すなわち、分光測定装置1Aにおける入射調整ミラー6に対応する位置)に配置されている。可動回折格子6Hは、回折格子21と同様の反射型の回折格子であるが、Z軸周りに回動することによって、端面2Haから出射されたレーザ光の可動回折格子6Hの表面(回折格子面)に対する入射角度が可変に構成されている点において、回折格子21と相違している。 The QCL element 2H has an end surface 2Ha facing the movable diffraction grating 6H, and an end surface 2Hb opposite to the end surface 2Ha. Moreover, the movable diffraction grating 6H is arranged at a position facing the end surface 2Ha (that is, a position corresponding to the incidence adjustment mirror 6 in the spectrometer 1A). The movable diffraction grating 6H is a reflection type diffraction grating similar to the diffraction grating 21, but by rotating around the Z axis, the surface of the movable diffraction grating 6H (diffraction grating surface) of the laser beam emitted from the end face 2Ha is ) is different from the diffraction grating 21 in that the angle of incidence relative to the grating 21 is configured to be variable.

端面2Haから出射された光は、可動回折格子6Hに入射し、回折及び反射されることにより、端面2Haに帰還する。これにより、QCL素子2Hの端面2Hbと可動回折格子6Hとの間で、リトロー型の外部共振器が構成される。上述したように、QCL素子2Hに対する可動回折格子6Hの角度(傾斜)を変化させることにより、可動回折格子6HからQCL素子2Hへと帰還する光の波長が変化する。これにより、端面2Haから出射される出力光(すなわち、共振によって増幅する光)の波長を変化させることができる。また、端面2Haから出射されて可動回折格子6Hに入射した光の一部は、0次光として、可動回折格子6Hの表面でミラー反射し、平面ミラー41のミラー面41aへと向かう。分光測定装置1Hでは、このような0次光が、レーザ光Lon,Loffに相当する。言い換えれば、分光測定装置1Hは、このような0次光を利用することにより、差分吸収分光法による測定を実施可能に構成されている。 The light emitted from the end surface 2Ha enters the movable diffraction grating 6H, is diffracted and reflected, and returns to the end surface 2Ha. Thereby, a Littrow-type external resonator is configured between the end surface 2Hb of the QCL element 2H and the movable diffraction grating 6H. As described above, by changing the angle (inclination) of the movable diffraction grating 6H with respect to the QCL element 2H, the wavelength of the light that returns from the movable diffraction grating 6H to the QCL element 2H changes. Thereby, the wavelength of the output light (that is, the light amplified by resonance) emitted from the end surface 2Ha can be changed. Further, a part of the light emitted from the end surface 2Ha and incident on the movable diffraction grating 6H is mirror-reflected on the surface of the movable diffraction grating 6H as zero-order light, and heads toward the mirror surface 41a of the plane mirror 41. In the spectrometer 1H, such zero-order light corresponds to laser beams L on and L off . In other words, the spectrometer 1H is configured to be able to perform measurement by differential absorption spectroscopy by using such zero-order light.

分光測定装置1Hにおいては、波長掃引を行うために可動回折格子6Hの角度が変化する。このため、分光測定装置1Hでは、分光測定装置1Fと同様に、レーザ光Lonの入射角度θonは、レーザ光Loffの入射角度θoffと相違する。よって、分光測定装置1Hにおいても、分光測定装置1Fと同様に、入射角度θon及び入射角度θoffは、傾斜角度αの自然数倍である条件を満たすように設定され、それ以外の角度(すなわち、入射角度θonと入射角度θoffとの間の角度)は、上記条件を満たさないように設定されることが好ましい。上記構成によれば、分光測定装置1Fと同様に、波長λonと波長λoffとの間で波長掃引して光検出部3による折り返し光L2の検出を行った場合に、波長λon及び波長λoffの各々に対応する2つのピーク値を観測することが可能となる。 In the spectrometer 1H, the angle of the movable diffraction grating 6H changes in order to perform wavelength sweeping. Therefore, in the spectrometer 1H, the incident angle θ on of the laser beam L on is different from the incident angle θ off of the laser beam L off , as in the spectrometer 1F. Therefore, in the spectrometer 1H, as in the spectrometer 1F, the incident angle θ on and the incident angle θ off are set to satisfy the condition of being a natural number multiple of the inclination angle α, and the other angles ( That is, the angle between the incident angle θ on and the incident angle θ off is preferably set so as not to satisfy the above condition. According to the above configuration, similarly to the spectrometer 1F, when the reflected light L2 is detected by the photodetector 3 by sweeping the wavelength between the wavelength λ on and the wavelength λ off , the wavelength λ on and the wavelength It becomes possible to observe two peak values corresponding to each of λ off .

分光測定装置1Hによれば、上述した分光測定装置1Fと同様の効果が奏される。また、分光測定装置1Hでは、入射調整ミラー6の代わりに用いられる可動回折格子6HをQCL素子2Hとの外部共振器として機能させることができるため、分光測定装置1Gにおける回折格子21が不要となる。これにより、部品点数を削減すると共にパッケージ(筐体10)の小型化を図ることができる。 According to the spectrometer 1H, the same effects as the spectrometer 1F described above are achieved. In addition, in the spectrometer 1H, the movable diffraction grating 6H used instead of the incidence adjustment mirror 6 can function as an external resonator with the QCL element 2H, so the diffraction grating 21 in the spectrometer 1G is unnecessary. . This makes it possible to reduce the number of parts and downsize the package (casing 10).

[変形例]
以上、本開示のいくつかの実施形態及びいくつかの変形例について説明したが、本開示は、上記の各実施形態及び各変形例で示した構成に限られない。各構成の材料及び形状には、上述した具体的な材料及び形状に限らず、上述した以外の様々な材料及び形状を採用することができる。また、上記の各実施形態及び各変形例に含まれる一部の構成は、適宜省略又は変更されてもよいし、任意に組み合わせることが可能である。例えば、形成される光路に関する実施形態(第1~第3、及び第6~第8実施形態)と分光測定装置の収容形態に関する実施形態(第4及び第5実施形態)と組み合わせることができる。また、第4実施形態と第5実施形態とを組み合わせることもできる。すなわち、ミラー部4は、筐体61内に配置された筐体51に収容されてもよい。
[Modified example]
Although some embodiments and some modifications of the present disclosure have been described above, the present disclosure is not limited to the configurations shown in each of the embodiments and modifications described above. The materials and shapes of each structure are not limited to the specific materials and shapes described above, and various materials and shapes other than those described above can be employed. Furthermore, some of the configurations included in each of the above embodiments and modifications may be omitted or changed as appropriate, or may be combined arbitrarily. For example, the embodiments relating to the formed optical path (first to third and sixth to eighth embodiments) can be combined with the embodiments relating to the accommodation form of the spectrometer (fourth and fifth embodiments). Moreover, the fourth embodiment and the fifth embodiment can also be combined. That is, the mirror section 4 may be housed in the housing 51 disposed within the housing 61.

また、光源部2と光検出部3の位置関係は逆でもよい。すなわち、上記実施形態では、光源部2が光検出部3よりも上方に配置されたが、光検出部3が光源部2よりも上方に配置されてもよい。この場合、入射調整ミラー6と出射導光ミラー7の位置関係も逆となる。また、入射角度θの符号(向き)が逆になり、往路OP1が復路OP2よりも上方に位置することになる。 Further, the positional relationship between the light source section 2 and the light detection section 3 may be reversed. That is, in the embodiment described above, the light source section 2 is arranged above the light detection section 3, but the light detection section 3 may be arranged above the light source section 2. In this case, the positional relationship between the entrance adjustment mirror 6 and the output light guide mirror 7 is also reversed. Further, the sign (direction) of the incident angle θ V is reversed, and the outgoing path OP1 is located above the incoming path OP2.

また、入射調整ミラー6及び出射導光ミラー7は、省略されてもよい。ただし、その場合には、位置P1に対して入射角度θ及びθでレーザ光L1が入射するように光源部2の位置及び向きを高精度に調整する必要が生じる。同様に、位置P2で反射した折り返し光L2が光検出面3aに入射するように光検出部3の位置及び向きを精度良く調整する必要が生じる。入射調整ミラー6及び出射導光ミラー7を用いることにより、本実施形態のように、光源部2及び光検出部3の向きを単純にY軸方向に平行に配置するだけでよくなる。また、光源部2及び光検出部3(本実施形態ではこれらを収容する筐体10)をミラー部4の側方にコンパクトに配置することが可能となる。 Moreover, the entrance adjustment mirror 6 and the output light guide mirror 7 may be omitted. However, in that case, it is necessary to adjust the position and orientation of the light source section 2 with high precision so that the laser beam L1 is incident at the incident angles θ H and θ V with respect to the position P1. Similarly, it is necessary to accurately adjust the position and orientation of the photodetector 3 so that the return light L2 reflected at the position P2 enters the photodetection surface 3a. By using the entrance adjustment mirror 6 and the output light guiding mirror 7, it is possible to simply arrange the light source section 2 and the light detection section 3 in parallel to the Y-axis direction as in this embodiment. Further, the light source section 2 and the light detection section 3 (in this embodiment, the housing 10 that houses them) can be arranged compactly on the side of the mirror section 4.

また、光源部2は、量子カスケードレーザ素子に限られず、光検出部3は、量子カスケード光検出器に限られない。また、光源部2から出射されるレーザ光L1も中赤外光に限られない。例えば、レーザ光L1の波長帯は可視光領域であってもよい。また、光源部2から出射されるレーザ光L1の拡がり角が比較的小さい場合等には、レンズ11,12は省略されてもよい。 Further, the light source section 2 is not limited to a quantum cascade laser element, and the photodetector section 3 is not limited to a quantum cascade photodetector. Furthermore, the laser light L1 emitted from the light source section 2 is not limited to mid-infrared light. For example, the wavelength band of the laser beam L1 may be in the visible light region. Furthermore, in cases where the divergence angle of the laser beam L1 emitted from the light source section 2 is relatively small, the lenses 11 and 12 may be omitted.

また、入射角度θは、必ずしも上記式(3)を満たす必要はない。例えば、上記実施形態で述べたように、中赤外光であるレーザ光L1は、可視光、近赤外光と比較して波長が長いため、平面ミラー41,42間の多重反射を利用したレーザ光L1の長距離伝搬に伴って、レーザ光L1のビーム径が拡がり易い。このため、折り返しの位置P2を後端部41hに近づけ過ぎると、ビーム径が拡がったレーザ光L1の一部が後端部41hよりも後方にはみ出してしまい、レーザ光L1の損失が生じ得る。このようなレーザ光L1の損失を抑制するために、入射角度θを、あえて上記式(3)を満たす角度よりも小さい角度に設定してもよい。 Furthermore, the incident angle θ H does not necessarily have to satisfy the above formula (3). For example, as described in the above embodiment, the laser beam L1, which is mid-infrared light, has a longer wavelength than visible light and near-infrared light, so multiple reflections between the plane mirrors 41 and 42 are used. As the laser light L1 propagates over a long distance, the beam diameter of the laser light L1 tends to expand. For this reason, if the folding position P2 is brought too close to the rear end 41h, a portion of the laser light L1 whose beam diameter has expanded will protrude rearward beyond the rear end 41h, which may cause loss of the laser light L1. In order to suppress such a loss of the laser beam L1, the incident angle θ H may be intentionally set to be smaller than the angle that satisfies the above formula (3).

また、入射角度θは、必ずしも傾斜角度αの自然数倍に設定されなくてもよい。すなわち、往路OP1と復路OP2とは、Z軸方向から見た場合に、必ずしも完全に一致する(重なる)必要はない。この場合、Z軸方向から見た場合に、折り返し光L2の光路が折り返し前のレーザ光L1の光路と一致しないが、このような場合でも、例えば出射導光ミラー7の位置及び角度を調整することによって、折り返し光L2を光検出部3へと導くことができる。ただし、往路OP1と復路OP2とがZ軸方向に重なるように設計することにより、光学系(入射調整ミラー6、出射導光ミラー7等)の配置設計が容易になると共に、上記実施形態のように入射調整ミラー6と出射導光ミラー7とをZ軸方向に重ねてコンパクトに配置することが容易になるというメリットが得られる。 Further, the incident angle θ H does not necessarily have to be set to a natural number multiple of the inclination angle α. That is, the outbound path OP1 and the return path OP2 do not necessarily need to completely match (overlap) when viewed from the Z-axis direction. In this case, when viewed from the Z-axis direction, the optical path of the folded light L2 does not match the optical path of the laser beam L1 before folding, but even in such a case, for example, the position and angle of the output light guide mirror 7 can be adjusted. By doing so, the reflected light L2 can be guided to the photodetector 3. However, by designing the outgoing path OP1 and the incoming path OP2 to overlap in the Z-axis direction, the layout design of the optical system (incidence adjustment mirror 6, output light guide mirror 7, etc.) is facilitated, and the same Another advantage is that it becomes easy to arrange the input adjustment mirror 6 and the output light guide mirror 7 in a compact manner, overlapping each other in the Z-axis direction.

また、分光測定装置が備える光学系は、上記実施形態に示したものに限られない。例えば、レーザ光L1の平面ミラー41,42間を除く光路上の任意の位置に、レーザ光L1のビーム拡がりを抑制するためのコリメートレンズが配置されてもよい。 Further, the optical system included in the spectrometer is not limited to that shown in the above embodiment. For example, a collimating lens for suppressing beam spread of the laser beam L1 may be placed at any position on the optical path except between the plane mirrors 41 and 42 of the laser beam L1.

また、第2実施形態及び第3実施形態において、光源部2A,2Bが出射するレーザ光L1A,L1Bの波長(第1波長及び第2波長)は、第6~第8実施形態における波長λon及び波長λoffに設定されてもよい。この場合、第2実施形態及び第3実施形態において、光検出部3Aにより検出される信号と光検出部3Bにより検出される信号との差分に基づいて、第6~第8実施形態で説明したような差分吸収分光法によるガス濃度の測定を実施することができる。 Further, in the second embodiment and the third embodiment, the wavelengths (first wavelength and second wavelength) of the laser beams L1A and L1B emitted by the light source units 2A and 2B are different from the wavelength λ on in the sixth to eighth embodiments. and the wavelength λ off . In this case, in the second embodiment and the third embodiment, based on the difference between the signal detected by the photodetector 3A and the signal detected by the photodetector 3B, the Measurement of gas concentration by differential absorption spectroscopy can be carried out.

また、上記の各実施形態及び各変形例では、2つの平面ミラー41,42間に導入されるガス(気体)が測定対象物とされたが、測定対象物はガスに限定されない。測定対象物は、2つの平面ミラー41,42間におけるレーザ光の光路上に配置されればよく、固体であってもよいし、液体(例えば、光を透過させる容器内に格納された液体等)であってもよい。 Furthermore, in each of the embodiments and modifications described above, the gas introduced between the two plane mirrors 41 and 42 is the object to be measured, but the object to be measured is not limited to gas. The measurement target only needs to be placed on the optical path of the laser beam between the two plane mirrors 41 and 42, and may be a solid or a liquid (for example, a liquid stored in a container that transmits light). ).

図19は、固体の試料Sを測定対象物として用いる場合の分光測定装置1Aの構成例を示す図である。図19の例では、試料Sは、薄膜状の物質であり、平面ミラー41,42のミラー面41a,42a上に固着されている。図19に示されるように、レーザ光が平面ミラー41,42間を多重反射して往復する方向(Y軸方向)に沿って所定幅を有するように試料Sを配置することにより、レーザ光が試料Sを透過する距離を確保することができる。なお、試料Sは、ミラー面41a,42aのいずれか一方のみに設けられてもよいが、ミラー面41a,42aの両方に試料Sを配置することにより、レーザ光が試料Sを透過する距離をより好適に確保することができる。また、試料Sは、必ずしもミラー面41a,42aに固着されなくてもよい。例えば、レーザ光を透過させる透光性部材が平面ミラー41,42間に配置され、当該透光性部材の表面に試料Sが固着されてもよい。ただし、図19の例のように、ミラー面41a,42aを試料Sを固着するための部材として利用することにより、上記透光性部材を省略できるため、測定に必要となる装置構成の簡略化と部品点数の削減を図ることができる。 FIG. 19 is a diagram showing a configuration example of a spectrometer 1A when a solid sample S is used as a measurement target. In the example of FIG. 19, the sample S is a thin film-like substance, and is fixed on mirror surfaces 41a and 42a of plane mirrors 41 and 42. As shown in FIG. 19, the laser beam is A distance for passing through the sample S can be secured. Although the sample S may be provided on only one of the mirror surfaces 41a and 42a, by placing the sample S on both the mirror surfaces 41a and 42a, the distance through which the laser beam passes through the sample S can be reduced. This can be secured more suitably. Further, the sample S does not necessarily have to be fixed to the mirror surfaces 41a and 42a. For example, a light-transmitting member that transmits laser light may be placed between the plane mirrors 41 and 42, and the sample S may be fixed to the surface of the light-transmitting member. However, as in the example of FIG. 19, by using the mirror surfaces 41a and 42a as members for fixing the sample S, the above-mentioned light-transmitting member can be omitted, which simplifies the device configuration required for measurement. This makes it possible to reduce the number of parts.

また、上記の各実施形態及び各変形例では、複数の波長についての吸収分光測定を実施するように構成された光測定装置(分光測定装置1A~1H)について説明したが、本開示の光測定装置は、単一波長の測定(例えば、特定の波長についての吸光度測定)に用いられてもよい。例えば、ある物質について、テラヘルツ波(例えば、0.1THz~0.3THzの範囲に含まれる波長の光)に対する透過性を把握したいというニーズが存在し得る。このような場合、光源部は、テラヘルツ領域に含まれる特定の単一波長の光を出射するように波長が固定された光源として構成されてもよい。 Further, in each of the embodiments and modifications described above, a light measurement device (spectrometry devices 1A to 1H) configured to perform absorption spectrometry with respect to a plurality of wavelengths has been described, but the light measurement device of the present disclosure The device may be used for single wavelength measurements (eg, absorbance measurements for a particular wavelength). For example, there may be a need to understand the transparency of a certain material to terahertz waves (for example, light with a wavelength within the range of 0.1 THz to 0.3 THz). In such a case, the light source unit may be configured as a light source with a fixed wavelength so as to emit light of a specific single wavelength included in the terahertz region.

1A,1B,1C,1D,1E,1F,1G,1H…分光測定装置(光測定装置)、2,2F,20G,20H…光源部、2A…光源部(第1光源部)、2B…光源部(第2光源部)、2G,2H…量子カスケードレーザ素子、3…光検出部、3A…光検出部(第1光検出部)、3B…光検出部(第2光検出部)、4…ミラー部、6…入射調整ミラー(第1導光ミラー)、7…出射導光ミラー(第2導光ミラー)、11…レンズ、41…平面ミラー(第1平面ミラー)、41a…ミラー面(第1ミラー面)、42…平面ミラー(第2平面ミラー)、42a…ミラー面(第2ミラー面)、51b…ガス導入口(開口部)、D1…偏光方向、L1,L1A,L1B,Lon,Loff…レーザ光、L2,L2A,L2B…折り返し光(レーザ光)、OP…光路、OP1…往路、OP2…復路、S…試料(測定対象物)、α…傾斜角度、θ…入射角度、θ…入射角度、θ1,θ2…入射角度。 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H... Spectrometer (light measurement device), 2, 2F, 20G, 20H... Light source section, 2A... Light source section (first light source section), 2B... Light source part (second light source part), 2G, 2H... quantum cascade laser element, 3... photodetection part, 3A... photodetection part (first photodetection part), 3B... photodetection part (second photodetection part), 4 ...Mirror part, 6...Incidence adjustment mirror (first light guide mirror), 7...Output light guide mirror (second light guide mirror), 11...Lens, 41...Plane mirror (first plane mirror), 41a...Mirror surface (first mirror surface), 42...plane mirror (second plane mirror), 42a...mirror surface (second mirror surface), 51b...gas inlet (opening), D1...polarization direction, L1, L1A, L1B, L on , L off ... Laser light, L2, L2A, L2B ... Returned light (laser light), OP ... Optical path, OP1 ... Outward path, OP2 ... Return path, S ... Sample (object to be measured), α ... Inclination angle, θ H ...Incidence angle, θ V ...Incidence angle, θ1, θ2...Incidence angle.

Claims (22)

レーザ光を出射する光源部と、
前記光源部から出射された前記レーザ光が入射する第1ミラー面を有する第1平面ミラーと、前記第1ミラー面と対向する第2ミラー面を有する第2平面ミラーと、を有し、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間に測定対象物が導入されるミラー部と、
前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間で多重反射して折り返された前記レーザ光を検出する光検出部と、
を備え、
前記第1ミラー面と前記第2ミラー面とは、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間で多重反射しながら前記第1ミラー面に直交する第1方向に直交する第2方向に往復する前記レーザ光の光路が形成されるように、前記第1方向及び前記第2方向に直交する第3方向から見た場合に、互いに非平行に配置されており、
前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間における前記レーザ光の光路は、前記第3方向に対して傾斜している、
光測定装置。
a light source unit that emits laser light;
a first plane mirror having a first mirror surface onto which the laser beam emitted from the light source section is incident; and a second plane mirror having a second mirror surface opposite to the first mirror surface; a mirror section in which a measurement object is introduced between the first mirror surface and the second mirror surface;
a light detection unit that detects the laser beam that is multiple-reflected and returned between the first mirror surface and the second mirror surface;
Equipped with
The first mirror surface and the second mirror surface perform multiple reflections between the first mirror surface and the second mirror surface in a second direction perpendicular to a first direction perpendicular to the first mirror surface. are arranged non-parallel to each other when viewed from a third direction orthogonal to the first direction and the second direction, so that an optical path of the laser beam reciprocating is formed;
The optical path of the laser beam between the first mirror surface and the second mirror surface is inclined with respect to the third direction.
Light measurement device.
前記第1ミラー面に最初に入射する前記レーザ光の光路は、前記第3方向に対して傾斜しており、
前記第1ミラー面及び前記第2ミラー面は、前記第3方向と平行である、
請求項1に記載の光測定装置。
The optical path of the laser beam that first enters the first mirror surface is inclined with respect to the third direction,
the first mirror surface and the second mirror surface are parallel to the third direction;
The optical measuring device according to claim 1.
前記第3方向から見た場合の前記第1ミラー面に最初に入射する前記レーザ光の前記第1ミラー面に対する入射角度は、前記第3方向から見た場合の第1ミラー面に対する前記第2ミラー面の傾斜角度の自然数倍となるように調整されている、
請求項1に記載の光測定装置。
When viewed from the third direction, the incident angle of the laser beam that first enters the first mirror surface is equal to Adjusted to be a natural number multiple of the inclination angle of the mirror surface,
The optical measuring device according to claim 1.
前記第1ミラー面に対して前記レーザ光が最初に入射する位置から前記レーザ光の往路方向における第1ミラー面の端部までの前記第2方向に沿った距離は、300mm以下である、
請求項1に記載の光測定装置。
A distance along the second direction from a position where the laser beam first enters the first mirror surface to an end of the first mirror surface in the outgoing direction of the laser beam is 300 mm or less,
The optical measuring device according to claim 1.
前記第3方向における前記ミラー部の長さは、50mm以下である、
請求項1に記載の光測定装置。
The length of the mirror portion in the third direction is 50 mm or less,
The optical measuring device according to claim 1.
前記レーザ光の復路方向における前記第1ミラー面の端部は、前記第2ミラー面の前記復路方向における端部よりも前記復路方向に突出している、
請求項1に記載の光測定装置。
An end of the first mirror surface in the backward direction of the laser beam protrudes in the backward direction than an end of the second mirror surface in the backward direction.
The optical measuring device according to claim 1.
前記第3方向から見た場合の前記第1ミラー面に最初に入射する前記レーザ光の前記第1ミラー面に対する入射角度をθと表した場合、前記レーザ光の復路方向における前記第2ミラー面の端部から前記復路方向における前記第1ミラー面の前記端部までの前記第2方向に沿った距離は、前記第1方向に沿った前記第1ミラー面と前記第2ミラー面の前記端部との距離にtanθを乗じた値以上に設定されている、
請求項6に記載の光測定装置。
If the incident angle of the laser beam that first enters the first mirror surface when viewed from the third direction is expressed as θ H , then the second mirror in the return path direction of the laser beam The distance along the second direction from the end of the surface to the end of the first mirror surface in the return direction is the distance between the first mirror surface and the second mirror surface along the first direction. It is set to a value greater than or equal to the distance from the end multiplied by tanθH ,
The optical measuring device according to claim 6.
前記復路方向における前記第2ミラー面の端部から前記復路方向における前記第1ミラー面の前記端部までの前記第2方向に沿った距離は、前記第1方向に沿った前記第1ミラー面と前記第2ミラー面の前記端部との距離にtanθを乗じた値に設定されている、
請求項7に記載の光測定装置。
The distance along the second direction from the end of the second mirror surface in the return direction to the end of the first mirror surface in the return direction is equal to the distance along the second direction from the end of the second mirror surface in the return direction. and the distance between the second mirror surface and the end of the second mirror surface multiplied by tanθH ,
The optical measuring device according to claim 7.
前記第3方向から見た場合の第1ミラー面に対する前記第2ミラー面の傾斜角度は、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間を通過する前記レーザ光の前記第3方向から見た場合の拡がり角よりも大きくなるように設定されている、
請求項1に記載の光測定装置。
The inclination angle of the second mirror surface with respect to the first mirror surface when viewed from the third direction is such that the laser beam passing between the first mirror surface and the second mirror surface is tilted from the third direction. It is set to be larger than the divergence angle when viewed,
The optical measuring device according to claim 1.
前記光源部と前記光検出部とは、前記第3方向において互いに重なるように配置されている、
請求項1に記載の光測定装置。
The light source section and the light detection section are arranged so as to overlap each other in the third direction,
The optical measuring device according to claim 1.
前記光源部の前記レーザ光が出射される側に配置され、前記レーザ光を集光又はコリメートするレンズを更に備え、
前記光源部は、量子カスケードレーザ素子であり、
前記レンズと前記量子カスケードレーザ素子との距離は、前記第1方向における前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との最短距離よりも短い、
請求項1に記載の光測定装置。
further comprising a lens disposed on a side of the light source unit from which the laser beam is emitted and condenses or collimates the laser beam;
The light source section is a quantum cascade laser element,
The distance between the lens and the quantum cascade laser element is shorter than the shortest distance between the first mirror surface and the second mirror surface in the first direction.
The optical measuring device according to claim 1.
前記光源部は、量子カスケードレーザ素子であり、
前記光検出部は、前記量子カスケードレーザ素子と対応する特性を有する量子カスケード光検出器である、
請求項1に記載の光測定装置。
The light source section is a quantum cascade laser element,
The photodetector is a quantum cascade photodetector having characteristics corresponding to the quantum cascade laser element.
The optical measuring device according to claim 1.
前記特性は、偏光方向に関する特性であり、
前記光源部と前記光検出部とは、前記光源部から出射された後に前記ミラー部を経て前記光検出部に入射する前記レーザ光の偏光方向と前記光検出部が感度を有する偏光方向とが一致するように、配置されている、
請求項12に記載の光測定装置。
The characteristic is a characteristic related to the polarization direction,
The light source section and the photodetection section are configured such that the polarization direction of the laser beam that is emitted from the light source section and then enters the photodetection section via the mirror section is different from the polarization direction to which the photodetection section is sensitive. arranged to match,
The optical measuring device according to claim 12.
前記特性は、波長に関する特性であり、
前記光検出部は、前記光源部の発振波長に対応する感度波長を有する、
請求項12に記載の光測定装置。
The characteristic is a characteristic related to wavelength,
The photodetector has a sensitivity wavelength corresponding to the oscillation wavelength of the light source.
The optical measuring device according to claim 12.
前記光源部から出射された前記レーザ光を反射することにより、前記レーザ光を前記第1ミラー面に導光する第1導光ミラーと、
前記折り返された前記レーザ光を反射することにより、前記レーザ光を前記光検出部に導光する第2導光ミラーと、を更に備え、
前記第1導光ミラーと前記第2導光ミラーとは、前記第3方向において互いに重なるように配置されている、
請求項1に記載の光測定装置。
a first light guide mirror that guides the laser light to the first mirror surface by reflecting the laser light emitted from the light source;
further comprising a second light guide mirror that guides the laser light to the photodetector by reflecting the folded laser light,
The first light guide mirror and the second light guide mirror are arranged to overlap each other in the third direction,
The optical measuring device according to claim 1.
前記光源部は、第1波長の前記レーザ光を出射する第1光源部と、前記第1波長とは異なる第2波長の前記レーザ光を出射する第2光源部と、を有し、
前記光検出部は、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間で多重反射して折り返された前記第1波長の前記レーザ光を検出する第1光検出部と、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間で多重反射して折り返された前記第2波長の前記レーザ光を検出する第2光検出部と、を有し、
前記第1光源部、前記第2光源部、前記第1光検出部、及び前記第2光検出部は、前記第3方向において互いに重なるように配置されている、
請求項1に記載の光測定装置。
The light source section includes a first light source section that emits the laser beam of a first wavelength, and a second light source section that emits the laser beam of a second wavelength different from the first wavelength,
The photodetector includes a first photodetector that detects the laser beam of the first wavelength that is multiple-reflected and returned between the first mirror surface and the second mirror surface, and the first mirror. a second light detection unit that detects the laser beam of the second wavelength that is multiple-reflected and returned between the surface and the second mirror surface;
The first light source section, the second light source section, the first light detection section, and the second light detection section are arranged to overlap with each other in the third direction.
The optical measuring device according to claim 1.
前記光源部は、第1波長の前記レーザ光を出射する第1光源部と、前記第1波長とは異なる第2波長の前記レーザ光を出射する第2光源部と、を有し、
前記光検出部は、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間で多重反射して折り返された前記第1波長の前記レーザ光を検出する第1光検出部と、前記第1ミラー面と前記第2ミラー面との間で多重反射して折り返された前記第2波長の前記レーザ光を検出する第2光検出部と、を有し、
前記第1光源部と前記第2光源部とは、前記第1方向に並んで配置されており、
前記第1光検出部と前記第2光検出部とは、前記第1方向に並んで配置されており、
前記第1光源部と前記第1光検出部とは、前記第3方向において互いに重なるように配置されており、
前記第2光源部と前記第2光検出部とは、前記第3方向において互いに重なるように配置されている、
請求項1に記載の光測定装置。
The light source section includes a first light source section that emits the laser beam of a first wavelength, and a second light source section that emits the laser beam of a second wavelength different from the first wavelength,
The photodetector includes a first photodetector that detects the laser beam of the first wavelength that is multiple-reflected and returned between the first mirror surface and the second mirror surface, and the first mirror. a second light detection unit that detects the laser beam of the second wavelength that is multiple-reflected and returned between the surface and the second mirror surface;
The first light source section and the second light source section are arranged side by side in the first direction,
The first photodetector and the second photodetector are arranged side by side in the first direction,
The first light source section and the first light detection section are arranged to overlap each other in the third direction,
The second light source section and the second light detection section are arranged to overlap with each other in the third direction.
The optical measuring device according to claim 1.
前記ミラー部を気密に収容する筐体を更に備え、
前記測定対象物は、ガスであり、
前記筐体には、前記筐体の外側から前記筐体の内側へと前記ガスを導入するための開口部が設けられており、
前記光源部及び前記光検出部は、前記筐体の外側に配置されている、
請求項1に記載の光測定装置。
further comprising a casing that airtightly accommodates the mirror section,
The measurement target is a gas,
The housing is provided with an opening for introducing the gas from the outside of the housing to the inside of the housing,
The light source section and the light detection section are arranged outside the housing,
The optical measuring device according to claim 1.
前記光源部、前記光検出部、及び前記ミラー部を収容する筐体を更に備え、
前記測定対象物は、ガスであり、
前記筐体には、前記筐体の外側から前記筐体の内側へと前記ガスを導入するための開口部が設けられている、
請求項1に記載の光測定装置。
Further comprising a casing that accommodates the light source section, the light detection section, and the mirror section,
The measurement target is a gas,
The casing is provided with an opening for introducing the gas from the outside of the casing into the inside of the casing.
The optical measuring device according to claim 1.
前記測定対象物は、ガスであり、
前記光源部は、前記ガスに吸収される第1波長の前記レーザ光と、前記ガスに吸収される度合いが前記第1波長よりも小さい第2波長の前記レーザ光と、を出射可能に構成されている、
請求項1に記載の光測定装置。
The measurement target is a gas,
The light source section is configured to be able to emit the laser light of a first wavelength that is absorbed by the gas and the laser light of a second wavelength that is absorbed by the gas to a smaller degree than the first wavelength. ing,
The optical measuring device according to claim 1.
前記光源部は、単一のレーザ素子から出射される光に基づいて、前記第1波長の前記レーザ光と前記第2波長の前記レーザ光とを切り替えて出射可能に構成されている、
請求項20に記載の光測定装置。
The light source section is configured to be able to switch and emit the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength based on light emitted from a single laser element.
The optical measuring device according to claim 20.
請求項1に記載の光測定装置の製造方法であって、
前記光測定装置は、前記光源部から出射された前記レーザ光を反射することにより、前記レーザ光を前記第1ミラー面に導光する第1導光ミラーと、前記折り返された前記レーザ光を反射することにより、前記レーザ光を前記光検出部に導光する第2導光ミラーと、を更に備え、
前記光源部、前記光検出部、前記ミラー部、及び前記第2導光ミラーの各々を固定するステップと、
前記固定するステップの後に、前記光源部から前記レーザ光を出射させながら、前記光検出部における光検出強度が最大となるように、前記第1導光ミラーの位置及び角度を調整及び固定するステップと、
を含む、光測定装置の製造方法。
A method for manufacturing the optical measuring device according to claim 1, comprising:
The light measurement device includes a first light guide mirror that guides the laser light to the first mirror surface by reflecting the laser light emitted from the light source section, and a first light guide mirror that guides the laser light to the first mirror surface, and a first light guide mirror that guides the laser light that is emitted from the light source section. further comprising a second light guide mirror that guides the laser light to the photodetector by reflecting it,
fixing each of the light source section, the light detection section, the mirror section, and the second light guide mirror;
After the fixing step, adjusting and fixing the position and angle of the first light guiding mirror while emitting the laser light from the light source section so that the light detection intensity in the photodetecting section is maximized. and,
A method of manufacturing an optical measuring device, including:
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