JP2698314B2 - Optical gas analyzer - Google Patents

Optical gas analyzer

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JP2698314B2
JP2698314B2 JP6228394A JP6228394A JP2698314B2 JP 2698314 B2 JP2698314 B2 JP 2698314B2 JP 6228394 A JP6228394 A JP 6228394A JP 6228394 A JP6228394 A JP 6228394A JP 2698314 B2 JP2698314 B2 JP 2698314B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、被測定ガスを導入した
試料セルにレーザ光を照射し、前記被測定ガスの光吸収
強度からその濃度を検出する光学式ガス分析装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical gas analyzer for irradiating a sample cell into which a gas to be measured has been introduced with a laser beam and detecting the concentration of the gas to be measured from the light absorption intensity thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、試料セル内に導入されたガス
の光吸収スペクトルを測定し、そのスペクトルの光吸収
強度より試料セル中のガス濃度を求める装置が知られて
いる。この光学式ガス分析装置は、非接触で簡易にガス
濃度を測定できる利点を有している。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an apparatus which measures a light absorption spectrum of a gas introduced into a sample cell and obtains a gas concentration in the sample cell from the light absorption intensity of the spectrum. This optical gas analyzer has an advantage that the gas concentration can be easily measured without contact.

【0003】図4に従来の光学式ガス分析装置の構成を
示す。この装置は、半導体レーザ1と、試料ガス導入・
排出口3より被測定ガス(試料ガス)が導入され、半導
体レーザ1から出力されたレーザ光が照射される試料セ
ル2と、試料セル2を透過したレーザ光の強度を検出す
る光検出器4とを備える。半導体レーザ1は、温度制御
部6による温度掃引によって被測定ガスの吸収スペクト
ル近辺の周波数が掃引可能であり、また、電流制御部7
による駆動電流の制御によってレーザ光の出力が制御可
能である。さらに、半導体レーザ1は、発振器8からの
信号によって前記電流制御部7を介して電流変調される
ことで周波数変調が可能である。
FIG. 4 shows a configuration of a conventional optical gas analyzer. This apparatus includes a semiconductor laser 1 and a sample gas introduction /
The sample cell 2 to which the gas to be measured (sample gas) is introduced from the outlet 3 and irradiated with the laser light output from the semiconductor laser 1, and the photodetector 4 for detecting the intensity of the laser light transmitted through the sample cell 2 And The semiconductor laser 1 can sweep the frequency near the absorption spectrum of the gas to be measured by the temperature sweep by the temperature controller 6.
The output of the laser beam can be controlled by controlling the driving current. Further, the semiconductor laser 1 can be frequency-modulated by being current-modulated by a signal from the oscillator 8 via the current control unit 7.

【0004】そこで、周波数掃引、周波数変調された半
導体レーザ1からのレーザ光は、試料セル2に入射し、
試料セル2内部の被測定ガスによって一部が吸収された
後、光検出器4によりその強度が検出される。次いで、
ロックイン増幅器5において、前記光検出器4により検
出された強度信号から、発振器8と同期のとれた信号の
みが検出され、その結果、半導体レーザ1の光強度のド
リフトが除去でき、S/N比の良い信号が検出できる。
Therefore, the laser beam from the semiconductor laser 1 whose frequency has been swept and modulated is incident on the sample cell 2,
After a part is absorbed by the gas to be measured in the sample cell 2, the intensity is detected by the photodetector 4. Then
In the lock-in amplifier 5, only the signal synchronized with the oscillator 8 is detected from the intensity signal detected by the photodetector 4, and as a result, the drift of the light intensity of the semiconductor laser 1 can be removed, and the S / N A signal with a good ratio can be detected.

【0005】このようにして検出された信号は、光吸収
スペクトルの一次微分形状となっている。従って、前記
光吸収スペクトルの周波数近辺での検出信号のピーク値
から光吸収強度を求めることにより、被測定ガスの濃度
が得られる。なお、ロックイン増幅器5で発振器8によ
る発振信号の2倍の周波数成分のみを検出すれば、光吸
収強度の2次微分形状を測定することができる。この方
式によれば、半導体レーザ1から出力されたレーザ光の
光強度の1次的変化、2次的変化をキャンセルすること
ができ、より高感度にガス濃度を測定することができ
る。
[0005] The signal detected in this manner has a first derivative shape of the light absorption spectrum. Therefore, the concentration of the gas to be measured can be obtained by obtaining the light absorption intensity from the peak value of the detection signal near the frequency of the light absorption spectrum. If the lock-in amplifier 5 detects only the frequency component twice as high as the oscillation signal from the oscillator 8, the second derivative shape of the light absorption intensity can be measured. According to this method, a primary change and a secondary change in the light intensity of the laser light output from the semiconductor laser 1 can be canceled, and the gas concentration can be measured with higher sensitivity.

【0006】ところで、前記の光学式ガス分析装置にお
いて、ガス濃度の検出感度をさらに高めることのできる
装置として、多重反射型の長光路試料セルを使用した装
置がある。多重反射型の長光路試料セルとしては、3枚
の凹面ミラーを用いたホワイト(White )型試料セル、
2枚のミラーを用いたヘリオット(Herriot )型試料セ
ル等が知られている。
Meanwhile, in the above-mentioned optical gas analyzer, there is an apparatus using a multi-reflection type long optical path sample cell as an apparatus capable of further improving the detection sensitivity of the gas concentration. As a multiple reflection type long optical path sample cell, a white (White) type sample cell using three concave mirrors,
A Herriot type sample cell using two mirrors is known.

【0007】例えば、前記ホワイト型試料セル9は、図
5に示すように、レーザ光を凹面ミラー12、13、1
4の間で複数回往復させて出射する構成となっている。
すなわち、入射窓10より入射したレーザ光は、凹面ミ
ラー12の脇を通過した後、凹面ミラー13で反射さ
れ、凹面ミラー12のa点に結像される。次に、凹面ミ
ラー12のa点からの反射レーザ光は、凹面ミラー14
で反射され、凹面ミラー12のb点に結像される。この
b点からの反射レーザ光は、凹面ミラー13で反射さ
れ、凹面ミラー12のc点に結像される。次いで、凹面
ミラー12のc点で反射された反射レーザ光は、凹面ミ
ラー14で反射され、凹面ミラー12の脇を通過した
後、出射窓11より出射する。
For example, as shown in FIG. 5, the white-type sample cell 9 radiates laser light to concave mirrors 12, 13, and 1.
The laser beam is reciprocated a plurality of times between the laser beams 4 and emitted.
That is, the laser light incident from the entrance window 10 passes by the concave mirror 12, is reflected by the concave mirror 13, and forms an image on the point a of the concave mirror 12. Next, the reflected laser light from point a of the concave mirror 12 is
At the point b of the concave mirror 12. The reflected laser light from the point b is reflected by the concave mirror 13 and forms an image at the point c of the concave mirror 12. Next, the reflected laser light reflected at the point c of the concave mirror 12 is reflected by the concave mirror 14, passes by the concave mirror 12, and is emitted from the emission window 11.

【0008】この場合、調整ネジ15、16を操作し、
レーザ光が入射窓10から入射し、凹面ミラー12のa
点、b点、c点にそれぞれ結像し、出射窓11より出射
するように、各凹面ミラー13、14の角度が調整され
る。この凹面ミラー13、14の角度を調整することに
よって、レーザ光が入射してから出射するまでの往復回
数を増減させることができる。この時の光路長Lは、凹
面ミラー12、13(14)間の距離をd、光の往復回
数をNとすれば、L=2(N+1)dとなり、光路長を
2(N+1)倍長くすることができる。その結果、光吸
収強度が光路長に比例して増加し、より高感度に、光吸
収スペクトルを測定できることになる。
In this case, the adjusting screws 15 and 16 are operated,
A laser beam enters from an entrance window 10 and a
The angles of the concave mirrors 13 and 14 are adjusted so that images are formed at points, b and c, respectively, and the light is emitted from the emission window 11. By adjusting the angles of the concave mirrors 13 and 14, it is possible to increase or decrease the number of reciprocations from when the laser beam enters to when the laser beam exits. The optical path length L at this time is L = 2 (N + 1) d, where d is the distance between the concave mirrors 12 and 13 (14) and N is the number of reciprocations of light, and the optical path length is increased by 2 (N + 1) times. can do. As a result, the light absorption intensity increases in proportion to the optical path length, and the light absorption spectrum can be measured with higher sensitivity.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したホ
ワイト型試料セル9を使用すれば、被測定ガスのガス濃
度を高感度に検出することが可能であるが、現場での使
用におけるその光路長は100m程度までが実用限界と
なっている。例えば、光路長Lを1kmとして、超高感
度で光吸収スペクトルを検出するための試料セルを実現
しようとした場合、凹面ミラー12および13(14)
の間隔dが100cmとすると、レーザ光の往復回数は
499回となり、凹面ミラー12の表面で結像するレー
ザ光の間隔が3mmとすると、凹面ミラー12の直径が
約75cm以上必要になる計算となる。従って、光路長
1kmのホワイト型試料セル9は、寸法が約75φ×1
00cmと超大型化するだけでなく、容量も約4400
リットルと大容量となり、試料セルに導入すべき被測定
ガスの量が莫大なものとなってしまう。
By using the above-mentioned white type sample cell 9, it is possible to detect the gas concentration of the gas to be measured with high sensitivity. Is a practical limit up to about 100 m. For example, if the optical path length L is set to 1 km and a sample cell for detecting a light absorption spectrum with ultra-high sensitivity is to be realized, the concave mirrors 12 and 13 (14)
If the distance d is 100 cm, the number of reciprocations of the laser light is 499 times, and if the distance between the laser lights imaged on the surface of the concave mirror 12 is 3 mm, the diameter of the concave mirror 12 needs to be about 75 cm or more. Become. Therefore, the white type sample cell 9 having an optical path length of 1 km has a size of about 75φ × 1.
It is not only super large size of 00cm but also capacity is about 4400
The volume becomes as large as liter, and the amount of the gas to be measured to be introduced into the sample cell becomes enormous.

【0010】従って、従来のホワイト型試料セルを用い
た光学式ガス分析装置では、超高感度に被測定ガスの濃
度測定を行うために、試料セルの寸法を大型化せざるを
得ず、また、多量の被測定ガスが必要となる不都合があ
った。さらに、レーザ光の試料セル内での往復回数が極
めて多くなるため、凹面ミラーの角度が温度や振動など
の影響で微小にずれた場合、装置の安定度が低下する不
都合が生じていた。
Therefore, in the conventional optical gas analyzer using a white sample cell, the size of the sample cell must be increased in order to measure the concentration of the gas to be measured with ultra-high sensitivity. However, there is a disadvantage that a large amount of gas to be measured is required. Furthermore, since the number of reciprocations of the laser light in the sample cell becomes extremely large, when the angle of the concave mirror is slightly shifted due to the influence of temperature, vibration, or the like, there has been a problem that the stability of the apparatus is reduced.

【0011】本発明は上記の不都合を解消するものであ
り、被測定ガスを導入する試料セルを小型、小容量化
し、且つ、動作が安定で、高感度に被測定ガスの濃度を
検出することのできる光学式ガス分析装置を提供するこ
とを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned inconvenience, and it is an object of the present invention to reduce the size and volume of a sample cell into which a gas to be measured is introduced, and to detect the concentration of the gas to be measured with stable operation and high sensitivity. It is an object of the present invention to provide an optical gas analyzer which can be used.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、試料セル内に導入した被測定ガスにレ
ーザ光を照射し、被測定ガスによる前記レーザ光の光吸
収強度からその濃度を検出する光学式ガス分析装置にお
いて、両端部に前記レーザ光の一部を透過可能な反射ミ
ラーが配設され、被測定ガスが前記反射ミラー間に導入
されるファブリー・ペロー共振器型の試料セルと、発振
スペクトル幅が前記試料セルのフリンジ幅以下に設定さ
れ、発振周波数が可変なレーザ光を出力する周波数可変
レーザと、前記周波数可変レーザの発振周波数を掃引制
御する制御回路と、前記反射ミラーの間隔を調整すべ
く、前記反射ミラーの少なくとも一方を他方に対して変
位させる変位手段と、前記制御回路による前記レーザ光
の周波数掃引に同期して、前記試料セル内で前記レーザ
光を共振させるべく前記変位手段を駆動する駆動回路
と、前記試料セルを透過する前記レーザ光の光吸収強度
を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method of irradiating a gas to be measured introduced into a sample cell with a laser beam and measuring a light absorption intensity of the laser beam by the gas to be measured. In an optical gas analyzer for detecting the concentration, a reflection mirror capable of transmitting a part of the laser light is disposed at both ends, and a Fabry-Perot resonator type in which a gas to be measured is introduced between the reflection mirrors. A sample cell, an oscillation spectrum width is set to be equal to or less than the fringe width of the sample cell, a frequency variable laser that outputs laser light having a variable oscillation frequency, and a control circuit that sweeps and controls the oscillation frequency of the frequency variable laser, A displacement unit for displacing at least one of the reflection mirrors with respect to the other so as to adjust an interval between the reflection mirrors, and synchronizing with a frequency sweep of the laser light by the control circuit; A driving circuit that drives the displacement unit so that the laser light resonates in the sample cell; and a photodetector that detects the light absorption intensity of the laser light transmitted through the sample cell. And

【0013】また、本発明は、試料セル内に導入した被
測定ガスにレーザ光を照射し、被測定ガスによる前記レ
ーザ光の光吸収強度からその濃度を検出する光学式ガス
分析装置において、両端部に前記レーザ光の一部を透過
可能な反射ミラーが配設され、被測定ガスが前記反射ミ
ラー間に導入されるファブリー・ペロー共振器型の試料
セルと、前記反射ミラーの間隔を連続的に掃引すべく、
前記反射ミラーの少なくとも一方を他方に対して変位さ
せる変位手段と、前記被測定ガスと同種のガスが導入さ
れる参照セルと、発振スペクトル幅が前記試料セルの自
由スペクトル領域以下に設定され、発振周波数が可変な
レーザ光を出力する周波数可変レーザと、前記参照セル
を透過する前記レーザ光の光吸収強度を検出する第1光
検出手段と、前記第1光検出手段により検出された前記
レーザ光の光吸収強度から前記被測定ガスの光吸収スペ
クトルの中心周波数f0 を求め、前記周波数可変レーザ
の発振周波数を前記中心周波数f0 に制御する制御回路
と、前記反射ミラーの間隔をc/(2・f0 )の程度の
範囲で連続的に掃引すべく、前記変位手段を駆動する駆
動回路と、前記試料セルを透過する前記レーザ光の光吸
収強度を検出する第2光検出器と、を備え、前記第2光
検出器により検出された前記レーザ光の光吸収強度から
その濃度を検出することを特徴とする。
The present invention also provides an optical gas analyzer for irradiating a gas to be measured introduced into a sample cell with a laser beam and detecting the concentration of the gas from the light absorption intensity of the laser beam by the gas to be measured. A reflection mirror capable of transmitting a part of the laser light is disposed in the portion, and a Fabry-Perot resonator type sample cell in which a gas to be measured is introduced between the reflection mirrors, and a gap between the reflection mirrors are continuously arranged. To sweep
A displacement unit for displacing at least one of the reflection mirrors with respect to the other, a reference cell into which a gas of the same type as the gas to be measured is introduced, and an oscillation spectrum width set to be equal to or less than a free spectrum region of the sample cell; A frequency-variable laser that outputs a laser light with a variable frequency, first light detection means for detecting the light absorption intensity of the laser light transmitted through the reference cell, and the laser light detected by the first light detection means The central frequency f 0 of the light absorption spectrum of the gas to be measured is obtained from the light absorption intensity of the target gas, and the control circuit for controlling the oscillation frequency of the frequency variable laser to the central frequency f 0 and the interval between the reflection mirrors are c / ( A driving circuit for driving the displacement means for continuously sweeping in a range of about 2 · f 0 ), and a driving circuit for detecting the light absorption intensity of the laser light transmitted through the sample cell. And a two-photodetector, wherein the concentration is detected from the light absorption intensity of the laser light detected by the second photodetector.

【0014】[0014]

【作用】本発明の光学式ガス分析装置では、変位手段に
より光路長が調整可能なファブリー・ペロー共振器型の
試料セルを用い、この試料セルに発振周波数を掃引させ
たレーザ光を導入し、前記発振周波数に同期して光路長
を調整して共振させ、高精度に被測定ガスの光吸収強度
を検出し、これから前記被測定ガスの濃度を分析するこ
とができる。
In the optical gas analyzer of the present invention, a Fabry-Perot resonator type sample cell whose optical path length can be adjusted by a displacement means is used, and a laser beam whose oscillation frequency is swept is introduced into this sample cell. By adjusting the optical path length in synchronization with the oscillation frequency and causing resonance, the light absorption intensity of the gas to be measured can be detected with high accuracy, and the concentration of the gas to be measured can be analyzed from this.

【0015】また、本発明の光学式ガス分析装置では、
被測定ガスと同種のガスが導入された参照セルを透過し
たレーザ光の被測定ガスによる光/吸収スペクトルの中
心周波数を検出し、次いで、発振周波数を前記中心周波
数に固定した周波数可変レーザからのレーザ光を試料セ
ルに導入し、前記試料セルの光路長を前記中心周波数で
決まる範囲で掃引し、前記試料セルを透過したレーザ光
の光吸収強度を高精度に検出する。
Further, in the optical gas analyzer according to the present invention,
The center frequency of the light / absorption spectrum of the laser light transmitted through the reference cell into which the same kind of gas as the gas to be measured has been detected by the gas to be measured is detected. The laser light is introduced into the sample cell, the optical path length of the sample cell is swept within a range determined by the center frequency, and the light absorption intensity of the laser light transmitted through the sample cell is detected with high accuracy.

【0016】[0016]

【実施例】光共振器やスペクトルアナライザ、光干渉計
としてファブリー・ペロー共振器が知られている。近
年、イオンビームコーティング技術を利用して誘電体を
ガラス基板に蒸着し、反射損失が極端に小さく、且つ、
反射率が0.9999以上である所謂スーパーミラーが実現さ
れている。本発明に係る光学式ガス分析装置は、このよ
うな優れた特性を持つミラーを用いた長光路の試料セル
をファブリー・ペロー共振器型セルとして実現し、これ
を光学式ガス分析装置に利用したものである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Fabry-Perot resonators are known as optical resonators, spectrum analyzers and optical interferometers. In recent years, a dielectric has been deposited on a glass substrate using ion beam coating technology, and the reflection loss is extremely small, and
A so-called supermirror having a reflectance of 0.9999 or more is realized. The optical gas analyzer according to the present invention realizes a sample cell with a long optical path using a mirror having such excellent characteristics as a Fabry-Perot resonator type cell, which is used for the optical gas analyzer. Things.

【0017】図1は本発明に係る光学式ガス分析装置の
第1の実施例を示すブロック図である。この光学式ガス
分析装置は、チタンサファイアレーザ、色素レーザ、半
導体レーザ等からなる周波数可変レーザ20、被測定ガ
スが導入されるファブリー・ペロー共振器型の試料セル
22および光検出器30を備える。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the optical gas analyzer according to the present invention. This optical gas analyzer includes a frequency tunable laser 20 composed of a titanium sapphire laser, a dye laser, a semiconductor laser or the like, a Fabry-Perot resonator type sample cell 22 into which a gas to be measured is introduced, and a photodetector 30.

【0018】周波数可変レーザ20は、単一縦モードで
発振し、その発振スペクトル幅は、レーザ共振器または
外部共振器等により試料セル22のフリンジ幅以下に狭
窄されている。また、周波数可変レーザ20の発振周波
数は、レーザ共振器または外部共振器等の間隔、また
は、半導体素子レーザにおいては環境温度、駆動電流に
よって変えることができる。
The frequency variable laser 20 oscillates in a single longitudinal mode, and its oscillation spectrum width is narrowed to be equal to or less than the fringe width of the sample cell 22 by a laser resonator or an external resonator. Further, the oscillation frequency of the frequency variable laser 20 can be changed depending on the distance between the laser resonator or the external resonator, or the ambient temperature and the driving current in the case of a semiconductor device laser.

【0019】試料セル22は、ゼロデュアーガラス、ス
ーパーインバール等の熱膨張係数の小さい材料を用いた
円筒状のキャビティー26と、スーパーミラー等の反射
損失が小さく、且つ、表面の反射率が高いミラー24
a、24bと、ミラー24a、24bの間隔dを微調整
するために一方のミラー24bに装着されるピエゾ素子
(変位手段)28とから構成される。ミラー24a、2
4bは、反射面が対向して配置されており、特定の周波
数のレーザ光を共振させるファブリー・ペロー共振器構
造となっている。なお、ミラー24a、24bは、凹面
ミラー、平面ミラーの何れであってもよい。
The sample cell 22 has a cylindrical cavity 26 made of a material having a small coefficient of thermal expansion such as zero-dur glass or super invar, a reflection mirror such as a supermirror having a small reflection loss, and a low surface reflectance. High mirror 24
a, 24b, and a piezo element (displacement means) 28 attached to one of the mirrors 24b to finely adjust the distance d between the mirrors 24a, 24b. Mirror 24a, 2
Reference numeral 4b has a Fabry-Perot resonator structure in which the reflection surfaces are arranged to face each other and resonates laser light of a specific frequency. The mirrors 24a and 24b may be either concave mirrors or flat mirrors.

【0020】制御回路32は、周波数可変レーザ20の
発振周波数を掃引し、同時に、ミラー24a、24bの
間隔dを制御すべくドライブ回路34を介してピエゾ素
子28を駆動する。
The control circuit 32 sweeps the oscillation frequency of the frequency variable laser 20, and simultaneously drives the piezo element 28 via the drive circuit 34 to control the distance d between the mirrors 24a and 24b.

【0021】ここで、試料セル22のミラー24a、2
4bの間隔をdとすると、試料セル22の自由スペクト
ル領域(Free Spectral Range 、以下単にFSRと呼
ぶ)は、c/2ndで表される(但し、cは光速度、n
は屈折率)。発振スペクトル幅が試料セル22のフリン
ジ幅以下に狭窄化された周波数可変レーザ20のレーザ
光を試料セル22に入射すると、入射したレーザ光は、
ミラー24a、24bの間を多数回往復反射を繰り返し
た後に、ミラー24bを透過する。
Here, the mirrors 24a and 2a of the sample cell 22
Assuming that the interval of 4b is d, the free spectral range (Free Spectral Range, hereinafter simply referred to as FSR) of the sample cell 22 is represented by c / 2nd (where c is the light speed, n
Is the refractive index). When the laser light of the frequency variable laser 20 whose oscillation spectrum width is narrowed to be equal to or less than the fringe width of the sample cell 22 is incident on the sample cell 22, the incident laser light is
After repeating the reciprocating reflection many times between the mirrors 24a and 24b, the light passes through the mirror 24b.

【0022】試料セル22を透過したレーザ光の透過特
性を図2Aに示す。図2Aにおいて、縦軸は光検出器3
0で検出した透過レーザ光の光強度It /I0 (但し、
0は試料セル22に入射したレーザ光の強度、It
試料セル22から出射したレーザ光の強度)を示し、横
軸はレーザ光の発振周波数fを示す。なお、試料セル2
2に導入された被測定ガスの光吸収スペクトルの中心周
波数をf0 とする。図2Aから諒解されるように、透過
レーザ光の光強度It /I0 は、試料セル22のFSR
の間隔でピークを生ずる。
FIG. 2A shows the transmission characteristics of the laser beam transmitted through the sample cell 22. In FIG. 2A, the vertical axis represents the photodetector 3
Light intensity I t / I 0 of the transmitted laser light detected at 0 (where,
I 0 is the intensity of the laser beam incident on the sample cell 22, I t represents the intensity) of the laser beam emitted from the sample cell 22, the horizontal axis represents the oscillation frequency f of the laser beam. The sample cell 2
The center frequency of the light absorption spectrum of the gas to be measured introduced into 2 is f 0 . As can be understood from FIG. 2A, the light intensity I t / I 0 of the transmitted laser light depends on the FSR of the sample cell 22.
Peaks at intervals of.

【0023】一方、ミラー24a、24bの反射率が高
くなると、レーザ光の反射回数も増加する。例えば、ミ
ラー24a、24bの反射率をRとすると、試料セル2
2の共振性のよさの指標を表すフィネスFは、 F=π×R1/2 /(1−R) で表される。この場合、フリンジ幅Δνは、 Δν=FSR/F となる。さらに、試料セル22に入射したレーザ光の減
衰時間tc は、損失が主としてミラー24a、24bの
反射率に基づくとすると、 tc =nd/C(1−R) と近似できる。
On the other hand, as the reflectance of the mirrors 24a and 24b increases, the number of times of reflection of the laser beam also increases. For example, if the reflectance of the mirrors 24a and 24b is R, the sample cell 2
The finesse F representing the index of the good resonation of No. 2 is represented by F = π × R 1/2 / (1-R). In this case, the fringe width Δν is Δν = FSR / F. Furthermore, the decay time t c of the laser light incident on the sample cell 22 can be approximated if the loss is primarily based on the mirror 24a, 24b reflectance, t c = nd / C and (1-R).

【0024】ここで、例えば、ミラー24a、24bの
間隔d=10cm、ミラー24a、24bの反射率R=
0.9999とすると、FSR=1.5GHz、F=約3000、
Δν=50kHz、tc =(3×105 -1秒となる。
従って、試料セル22に入射したレーザ光は、光路長約
1kmのミラー24a、24bの間を往復して出射する
ことになる。
Here, for example, the distance d between the mirrors 24a and 24b is d = 10 cm, and the reflectance R of the mirrors 24a and 24b is R =
Assuming 0.9999, FSR = 1.5 GHz, F = about 3000,
Δν = 50 kHz and t c = (3 × 10 5 ) −1 seconds.
Therefore, the laser light incident on the sample cell 22 reciprocates between the mirrors 24a and 24b having an optical path length of about 1 km and is emitted.

【0025】そこで、第1の実施例における光学式ガス
分析装置では、以下のようにして被測定ガスの濃度測定
が行われる。
Therefore, the optical gas analyzer of the first embodiment measures the concentration of the gas to be measured in the following manner.

【0026】すなわち、試料導入・排出口23より試料
セル22に試料である被測定ガスを導入した後、周波数
可変レーザ20からのレーザ光を試料セル22に入射す
る。試料セルに入射したレーザ光は、前述したように、
試料セル22内で多数回往復反射を繰り返し、セル内部
に導入された被測定ガスで吸収を受けて試料セル22か
ら出射する。この出射光が光検出器30により検出され
る。
That is, after introducing a gas to be measured, which is a sample, into the sample cell 22 through the sample inlet / outlet 23, a laser beam from the frequency variable laser 20 is incident on the sample cell 22. The laser light incident on the sample cell is, as described above,
The reciprocating reflection is repeated many times in the sample cell 22, and is absorbed by the gas to be measured introduced into the cell and emitted from the sample cell 22. This emitted light is detected by the photodetector 30.

【0027】この場合、周波数可変レーザ20は、制御
回路32により発振周波数が掃引されており、また、試
料セル22は、ピエゾ素子28により前記発振周波数に
共振するように光路長が制御されている。従って、光検
出器30で検出したレーザ光の透過特性(被測定ガスの
光吸収スペクトル)は、図2Bのようになる。なお、図
2Bにおいて、縦軸は、光検出器30で検出した透過レ
ーザ光の光強度It /I0 を示し、横軸は周波数可変レ
ーザ20の発振周波数fを示す。レーザ光は、試料セル
22内でミラー24a、24bの間を多数回往復反射
し、被測定ガスに吸収された後、光検出器30で検出さ
れるため、近似的には、光路長に比例して吸収強度が大
きくなっており、被測定ガスの光吸収スペクトルの中心
周波数f0でピークとなる。
In this case, the oscillation frequency of the variable frequency laser 20 is swept by the control circuit 32, and the optical path length of the sample cell 22 is controlled by the piezo element 28 so as to resonate at the oscillation frequency. . Accordingly, the transmission characteristics of the laser beam (light absorption spectrum of the gas to be measured) detected by the photodetector 30 are as shown in FIG. 2B. Incidentally, in FIG. 2B, the vertical axis represents the light intensity I t / I 0 of the transmitted laser beam detected by the photodetector 30, the horizontal axis represents the oscillation frequency f of the frequency-tunable laser 20. The laser light is reflected back and forth many times between the mirrors 24a and 24b in the sample cell 22 and is detected by the photodetector 30 after being absorbed by the gas to be measured. Therefore, the laser light is approximately proportional to the optical path length. As a result, the absorption intensity increases, and peaks at the center frequency f 0 of the light absorption spectrum of the gas to be measured.

【0028】なお、ピエゾ素子28の制御は、予め周波
数可変レーザの20の発振周波数に対して、試料セル2
2を共振させるために必要な制御信号を求めておき、制
御回路32で、周波数可変レーザの20の発振周波数を
掃引するための周波数掃引信号に対応させてピエゾ素子
28に制御信号を出力するようにすればよい。また、制
御回路32で、周波数可変レーザの20の発振周波数を
掃引するための周波数掃引信号を出力しながら、光検出
器30で検出する出射レーザ光の光強度が最大となるよ
うに、すなわち、試料セル22に入射したレーザ光が共
振するように、ピエゾ素子28に加える信号を制御する
ようにしてもよい。
The control of the piezo element 28 is performed in advance with respect to the oscillation frequency of 20 of the frequency-variable laser.
A control signal required to resonate 2 is obtained, and the control circuit 32 outputs a control signal to the piezo element 28 in correspondence with a frequency sweep signal for sweeping the oscillation frequency of the frequency variable laser 20. What should I do? Further, while the control circuit 32 outputs a frequency sweep signal for sweeping the oscillation frequency of the frequency variable laser 20, the light intensity of the emitted laser light detected by the photodetector 30 is maximized, that is, The signal applied to the piezo element 28 may be controlled so that the laser light incident on the sample cell 22 resonates.

【0029】上記の実施例において、ミラー24a、2
4bの直径は入射レーザ光のビーム径の3倍程度あれば
よく、非常に小さい寸法で、光路長が1km以上の試料
セル22を容易に実現できる。従って、高感度で被測定
ガスの光吸収スペクトルを測定でき、それから高感度で
ガス濃度の検出、測定が可能となる。一例として、前述
の例で使用するミラー24a、24bの直径を1cmと
すれば、試料セルの寸法は、1φ×10cm、試料セル
の容量は0.008 リットルとなり、非常に小型、小容量で
光路長1kmの試料セルが実現でき、且つ、構造的にも
小型、堅牢にできるため、温度、振動の影響を受けにく
く、安定した動作の装置を提供することができる。
In the above embodiment, the mirrors 24a,
The diameter of 4b may be about three times the beam diameter of the incident laser light, and a sample cell 22 having a very small dimension and an optical path length of 1 km or more can be easily realized. Therefore, the optical absorption spectrum of the gas to be measured can be measured with high sensitivity, and the detection and measurement of the gas concentration can be performed with high sensitivity. As an example, if the diameter of the mirrors 24a and 24b used in the above example is 1 cm, the size of the sample cell is 1φ × 10 cm, and the capacity of the sample cell is 0.008 liter. Since the sample cell of the present invention can be realized and can be made compact and robust in terms of structure, it is possible to provide a device which is hardly affected by temperature and vibration and operates stably.

【0030】図3は本発明に係る光学式ガス分析装置の
第2の実施例を示すブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram showing a second embodiment of the optical gas analyzer according to the present invention.

【0031】この実施例における光学式ガス分析装置
は、図1の実施例におけるミラー24a、24bとピエ
ゾ素子28を設けた試料セル22と、これに並行して設
けられ、被測定ガスと同種のガスを封入した参照セル3
6とを有し、ビームスプリッタ38(レーザ光分割手
段)により、周波数可変レーザ20からのレーザ光を分
岐し、分岐されたレーザ光の一方を試料セル22に入射
し、他方をミラー40を介して参照セル36に入射し、
試料セル22から出射するレーザ光を光検出器30a
(第2光検出手段)により検出し、参照セル36から出
射するレーザ光を光検出器30b(第1光検出手段)に
より検出するように構成したものである。
The optical gas analyzer of this embodiment is provided with the sample cell 22 provided with the mirrors 24a and 24b and the piezo element 28 in the embodiment of FIG. 1, and provided in parallel with the sample cell 22 and of the same type as the gas to be measured. Reference cell 3 containing gas
The laser beam from the frequency variable laser 20 is branched by a beam splitter 38 (laser beam splitting means), one of the branched laser beams is incident on the sample cell 22, and the other is transmitted via a mirror 40. Incident on the reference cell 36,
The laser beam emitted from the sample cell 22 is detected by the photodetector 30a.
The laser light emitted from the reference cell 36 is detected by the (second light detecting means) and detected by the light detector 30b (first light detecting means).

【0032】制御回路32は、参照セル36内のガスの
光吸収スペクトルの中心周波数にロックするように、周
波数可変レーザ20の発振周波数を制御する。参照符号
42は、周波数可変レーザ20に周波数変調をかけるた
めの発振器であり、この発振器42の信号はロックイン
増幅器44に入力され、ロックイン増幅器44におい
て、光検出器30bで検出した信号から、当該発振器4
2と同期した信号のみを検出する。参照符号46は掃引
回路であり、ドライブ回路34を介してピエゾ素子28
を制御し、ミラー24a、24b間の間隔をc/2f0
(1/2波長)程度に掃引する。
The control circuit 32 controls the oscillation frequency of the frequency variable laser 20 so as to lock to the center frequency of the light absorption spectrum of the gas in the reference cell 36. Reference numeral 42 denotes an oscillator for frequency-modulating the frequency-variable laser 20. The signal of the oscillator 42 is input to the lock-in amplifier 44, and the lock-in amplifier 44 detects the signal detected by the photodetector 30b. The oscillator 4
Only signals synchronized with 2 are detected. Reference numeral 46 denotes a sweep circuit, which is a piezo element 28 via a drive circuit 34.
And the distance between the mirrors 24a and 24b is set to c / 2f 0
(1 / wavelength).

【0033】第2実施例の光学式ガス分析装置は次のよ
うに動作する。周波数可変レーザ20の発振スペクトル
幅は、試料セル22のFSR以下に狭窄化されており、
また、発振器42の信号で僅かに周波数変調がかけられ
ている。狭窄化され、且つ、周波数変調がかけられた周
波数可変レーザ20のレーザ光は、ビームスプリッタ3
8で分岐され、一方のレーザ光はミラー40で反射さ
れ、参照セル36に入射される。参照セル36に入射し
たレーザ光はセル内に封入された被測定ガスと同種のガ
スで吸収を受けた後に、参照セル36から出射し、光検
出器30bで検出される。光検出器30bで検出された
レーザ光は電気信号に変換されて、ロックイン増幅器4
4で、発振器42の信号と同期のとれた信号のみが検出
される。ロックイン増幅器44で検出される信号は、従
来技術の場合と同様であり、光吸収強度の一次微分形と
なっている。制御回路32は、この一次微分形状の0ク
ロス点に周波数可変レーザ20の発振周波数がロックさ
れるように周波数可変レーザ20を制御する。このよう
な制御を行うことにより、周波数可変レーザ20の発振
周波数は、被測定ガスの光吸収スペクトルの中心周波数
0 に設定される。
The optical gas analyzer of the second embodiment operates as follows. The oscillation spectrum width of the frequency variable laser 20 is narrowed below the FSR of the sample cell 22,
The frequency of the signal from the oscillator 42 is slightly modulated. The laser light of the frequency-variable laser 20 which has been narrowed and frequency-modulated is applied to the beam splitter 3.
At 8, one laser beam is reflected by the mirror 40 and enters the reference cell 36. The laser beam incident on the reference cell 36 is absorbed by a gas of the same type as the gas to be measured sealed in the cell, and then emitted from the reference cell 36 and detected by the photodetector 30b. The laser light detected by the photodetector 30b is converted into an electric signal,
At 4, only the signal synchronized with the signal of the oscillator 42 is detected. The signal detected by the lock-in amplifier 44 is the same as that of the prior art, and has a first-order differential form of the light absorption intensity. The control circuit 32 controls the frequency variable laser 20 so that the oscillation frequency of the frequency variable laser 20 is locked at the zero cross point of the first derivative. By performing such control, the oscillation frequency of the frequency variable laser 20 is set to the center frequency f 0 of the light absorption spectrum of the gas to be measured.

【0034】ビームスプリッタ38で分岐されたレーザ
光のもう一方は、試料セル22に入射され、この入射レ
ーザ光は、前述の第1の実施例と同様に、ミラー24
a、24b間を多数回往復反射し、当該試料セル22内
に導入された被測定ガスで吸収を受けた後、試料セル2
2から出射し、光検出器30aで検出される。掃引回路
46は、ドライブ回路34によりピエゾ素子28を制御
し、ミラー24a、24b間の間隔をc/2f0 (1/
2波長)程度に掃引する。そして、光検出器30aで検
出する光強度のピーク値を求めれば、中心周波数f0
光吸収強度を求めることができる。
The other of the laser beams split by the beam splitter 38 is incident on the sample cell 22, and the incident laser beam is applied to the mirror 24 in the same manner as in the first embodiment.
a and 24b are reflected back and forth many times, and are absorbed by the gas to be measured introduced into the sample cell 22;
2 and is detected by the photodetector 30a. The sweep circuit 46 controls the piezo element 28 by the drive circuit 34 and sets the distance between the mirrors 24a and 24b to c / 2f 0 (1/2).
(2 wavelengths). Then, by obtaining the peak value of the light intensity detected by the photodetector 30a, it is possible to obtain the light absorption intensity of the center frequency f 0.

【0035】なお、掃引回路46を用いずに、光検出器
30aで検出する光強度が最大となるようにピエゾ素子
28を制御してもよく、更に、光検出器30aで検出し
た信号をロックイン増幅器44a(図3の破線で示す)
に入力し、発振器42の信号の2倍の周波数と同期の取
れた信号のみを検出するように構成すれば、光吸収スペ
クトルの2次微分形状が測定でき、更に高感度で光吸収
スペクトルのピーク位置における光強度を求めることが
でき、一層感度の良いガス濃度測定が可能となる。
The piezo element 28 may be controlled so as to maximize the light intensity detected by the photodetector 30a without using the sweep circuit 46. Further, the signal detected by the photodetector 30a is locked. In-amplifier 44a (shown by a broken line in FIG. 3)
To detect only the signal synchronized with twice the frequency of the signal of the oscillator 42, the second derivative shape of the light absorption spectrum can be measured, and the peak of the light absorption spectrum can be detected with higher sensitivity. The light intensity at the position can be obtained, and the gas concentration can be measured with higher sensitivity.

【0036】[0036]

【発明の効果】以上のように、本発明に係る光学式ガス
分析装置によれば、非常に小型化された試料セルを容易
に実現でき、しかも、高感度に被測定ガスの光吸収スペ
クトルを測定できるため、高感度でガス濃度の検出、測
定が可能となる。また、構造的にも小型、堅牢な構造の
試料セルとすることができ、温度、振動の影響を受けに
くい、安定した動作の装置が提供できるとともに、被測
定ガスの容量も極僅かですむという効果が得られる。
As described above, according to the optical gas analyzer of the present invention, a very small sample cell can be easily realized, and the optical absorption spectrum of the gas to be measured can be detected with high sensitivity. Since the measurement can be performed, the gas concentration can be detected and measured with high sensitivity. In addition, it is possible to provide a sample cell with a small structure and a robust structure in terms of structure, to provide a stable operation device that is not easily affected by temperature and vibration, and to minimize the capacity of the gas to be measured. The effect is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例に係る光学式ガス分析装
置の構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical gas analyzer according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図2Aおよび図2Bは、レーザ光の試料セルに
おける共振特性および透過特性を示す図である。
FIG. 2A and FIG. 2B are diagrams showing resonance characteristics and transmission characteristics of a laser beam in a sample cell.

【図3】本発明の第2の実施例に係る光学式ガス分析装
置の構成を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an optical gas analyzer according to a second embodiment of the present invention.

【図4】従来の光学式ガス分析装置の構成を示す図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a conventional optical gas analyzer.

【図5】従来の光学式ガス分析装置に使用されるホワイ
ト型試料セルの構造を示す図である。
FIG. 5 is a view showing the structure of a white sample cell used in a conventional optical gas analyzer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20…周波数可変レーザ 22…試料セル 24a、24b、40…ミラー 28…ピエゾ素
子 30、30a、30b…光検出器 32…制御回路 34…ドライブ回路 36…参照セル 38…ビームスプリッタ 42…発振器 44、44a…ロックイン増幅器 46…掃引回路
Reference Signs List 20 frequency variable laser 22 sample cell 24a, 24b, 40 mirror 28 piezo element 30, 30a, 30b photodetector 32 control circuit 34 drive circuit 36 reference cell 38 beam splitter 42 oscillator 44 44a: Lock-in amplifier 46: Sweep circuit

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】試料セル内に導入した被測定ガスにレーザ
光を照射し、被測定ガスによる前記レーザ光の光吸収強
度からその濃度を検出する光学式ガス分析装置におい
て、 両端部に前記レーザ光の一部を透過可能な反射ミラーが
配設され、被測定ガスが前記反射ミラー間に導入される
ファブリー・ペロー共振器型の試料セルと、 発振スペクトル幅が前記試料セルのフリンジ幅以下に設
定され、発振周波数が可変なレーザ光を出力する周波数
可変レーザと、 前記周波数可変レーザの発振周波数を掃引制御する制御
回路と、 前記反射ミラーの間隔を調整すべく、前記反射ミラーの
少なくとも一方を他方に対して変位させる変位手段と、 前記制御回路による前記レーザ光の周波数掃引に同期し
て、前記試料セル内で前記レーザ光を共振させるべく前
記変位手段を駆動する駆動回路と、 前記試料セルを透過する前記レーザ光の光吸収強度を検
出する光検出器と、 を備えることを特徴とする光学式ガス分析装置。
An optical gas analyzer for irradiating a gas to be measured introduced into a sample cell with a laser beam and detecting its concentration from the light absorption intensity of the laser beam by the gas to be measured. A reflection mirror capable of transmitting a part of light is provided, and a Fabry-Perot resonator-type sample cell in which a gas to be measured is introduced between the reflection mirrors; and an oscillation spectrum width equal to or less than a fringe width of the sample cell. A frequency variable laser that outputs a laser beam having a variable oscillation frequency that is set, a control circuit that sweeps and controls the oscillation frequency of the frequency variable laser, and at least one of the reflection mirrors to adjust an interval between the reflection mirrors. Displacement means for displacing the laser light relative to the other, in order to resonate the laser light in the sample cell in synchronization with the frequency sweep of the laser light by the control circuit. A drive circuit for driving the serial displacement means, optical gas analyzer, characterized in that it comprises a photodetector for detecting a light absorption intensity of the laser light passing through the sample cell.
【請求項2】試料セル内に導入した被測定ガスにレーザ
光を照射し、被測定ガスによる前記レーザ光の光吸収強
度からその濃度を検出する光学式ガス分析装置におい
て、 両端部に前記レーザ光の一部を透過可能な反射ミラーが
配設され、被測定ガスが前記反射ミラー間に導入される
ファブリー・ペロー共振器型の試料セルと、 前記反射ミラーの間隔を連続的に掃引すべく、前記反射
ミラーの少なくとも一方を他方に対して変位させる変位
手段と、 前記被測定ガスと同種のガスが導入される参照セルと、 発振スペクトル幅が前記試料セルの自由スペクトル領域
以下に設定され、発振周波数が可変なレーザ光を出力す
る周波数可変レーザと、 前記参照セルを透過する前記レーザ光の光吸収強度を検
出する第1光検出手段と、 前記第1光検出手段により検出された前記レーザ光の光
吸収強度から前記被測定ガスの光吸収スペクトルの中心
周波数f0 を求め、前記周波数可変レーザの発振周波数
を前記中心周波数f0 に制御する制御回路と、 前記反射ミラーの間隔をc/(2・f0 )の程度の範囲
で連続的に掃引すべく、前記変位手段を駆動する駆動回
路と、 前記試料セルを透過する前記レーザ光の光吸収強度を検
出する第2光検出器と、 を備え、前記第2光検出器により検出された前記レーザ
光の光吸収強度からその濃度を検出することを特徴とす
る光学式ガス分析装置。
2. An optical gas analyzer for irradiating a gas to be measured introduced into a sample cell with a laser beam and detecting its concentration from the light absorption intensity of the laser beam by the gas to be measured. A reflection mirror capable of transmitting a part of light is provided, and a Fabry-Perot resonator-type sample cell in which a gas to be measured is introduced between the reflection mirrors; and for continuously sweeping an interval between the reflection mirrors. A displacement unit for displacing at least one of the reflection mirrors with respect to the other, a reference cell into which a gas of the same type as the gas to be measured is introduced, and an oscillation spectrum width set to be equal to or smaller than a free spectrum region of the sample cell; A frequency-variable laser that outputs a laser light having a variable oscillation frequency; a first light detection unit that detects the light absorption intensity of the laser light that passes through the reference cell; A control circuit which obtains a center frequency f 0 of the optical absorption spectrum of the gas to be measured from the light absorption intensity is detected the laser beam, and controls the oscillation frequency of the variable frequency laser to the center frequency f 0 by, the reflection A drive circuit for driving the displacement means, and a light absorption intensity of the laser light transmitted through the sample cell, for continuously sweeping the mirror interval in a range of c / (2 · f 0 ). An optical gas analyzer comprising: a second light detector; and detecting the concentration of the laser light from the light absorption intensity of the laser light detected by the second light detector.
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