JP3190260B2 - 光学吸収セル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、試料ガスにレー
ザ光を照射し、その光吸収スペクトルを観測するレーザ
分光分析装置等に適用して好適な光学吸収セルに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】まず、この発明の背景について説明す
る。

【０００３】レーザ分光分析手法は、主としてガスの光
スペクトル分析によって微量分子量の測定を行うもので
あり、その有力な応用に同位体の測定がある。

【０００４】同位体の変化をトレースする手法は、医学
分野では病気の診断、農業分野では光合成の研究や植物
の代謝作用の研究、地球科学分野では生態系のトレース
に利用することができる。

【０００５】このような用途に使われる同位体として
は、窒素、酸素等があるが、周知のように、炭素におい
ては質量数が１２（以下、単に¹²Ｃと略記する。）と質
量数が１３（以下、単に¹³Ｃと略記する。）の安定同位
体があり、この安定同位体は放射性同位体のように放射
線被爆がなく取り扱いが容易であるので、医療分野での
利用が積極的に研究されている。

【０００６】従来、このような用途の炭素同位体分析装
置として赤外線分光計がある。この装置は赤外域の発光
波長範囲の広いランプを光源とし、分散型分光器等を用
いて光波長を選択し、¹²ＣＯ₂ および¹³ＣＯ₂ のスペク
トル吸収強度を観測していた。しかしながら、この方式
では、分散型分光器の光波長選択性能がネックとなり、
十分な光波長分解能が得られず、炭素同位体の測定精度
は十分とはいえなかった。

【０００７】また、このような用途の他の装置として、
質量分析計がある。この装置は、分子の質量そのものを
測定するため、高い精度で炭素同位体の測定が可能であ
るが、装置が大型で取り扱いが難しく、装置価格も非常
に高価であるという欠点があった。

【０００８】ここで、レーザ分光分析手法は、光源とし
て狭帯域の半導体レーザを用いることによって、小型で
高い光波長分解能が得られるため、上記した従来の問題
点を解決し、簡便な操作性で炭素同位体の十分な測定精
度が得られる分析手法として注目されている。

【０００９】レーザ分光分析手法では、光源として用い
る半導体レーザの温度および電流を安定化することによ
って、所定の光波長を得、試料ガスを透過した後のレー
ザビームの光強度変化によってガス分子による光スペク
トル吸収量を測定する。ただし、レーザ分光分析手法で
は、非常に微弱な光スペクトル吸収を高感度で検出する
ため、試料ガス以外の不要ガスが測定系へ混入すること
を防いだり、光学系の機械的安定性を保つことが要求さ
れ、この達成度が測定系の性能を大きく左右することが
分かっている。

【００１０】次に、図１０により、レーザ分光分析用の
光学吸収セルの従来例について説明する。

【００１１】図１０に示す光学吸収セル１において、光
学系は、大きく分けて、投光部１０、試料セル部３０
Ａ、受光部４０および構造保持部５０の４つの部分から
構成される。

【００１２】投光部１０は、半導体レーザ１１、コリメ
ートレンズ１２、温度制御装置１３、気密容器１４、光
学窓１５およびガスポート１６から構成される。試料セ
ル部３０Ａは、試料セル３１、ガスポート３２および光
学窓３３、３４から構成される。受光部４０は、受光素
子４１から構成される。これら投光部１０、試料セル部
３０Ａおよび受光部４０が構造保持部５０に固定され
る。この図１０例において、試料セル部３０Ａは単一光
路型の構造を有する。

【００１３】以下に、各々の構成要素の機能を述べる。

【００１４】まず、投光部１０は、光スペクトル吸収観
測用の光波長の安定化されたレーザビーム（レーザ光と
もいう。）を発生する機能を有する。

【００１５】半導体レーザ１１は、図示していない真空
コネクタを経由して外部の安定化電流源によって駆動さ
れ、単一波長のレーザ光を発生する。

【００１６】コリメートレンズ１２は、半導体レーザ１
１から発生したレーザ光を集光し、平行光にする。ここ
で平行光化されたレーザビームは、気密容器１４の側壁
に設けられている光学窓１５を通して出射される。レー
ザ光の波長は温度に依存して変動するため、半導体レー
ザ１１は温度制御装置１３に固定され、一定温度に保た
れる。

【００１７】なお、レーザ分光分析には、高い光波長安
定度が必要であるため、半導体レーザ１１、コリメート
レンズ１２、温度制御装置１３は気密容器１４に収納さ
れる。この気密容器１４により、その内部を低圧または
真空に保つことによって対流による熱伝導を遮断し、高
精度な温度安定化を行っている。さらに、気密容器１４
の真空度を維持するためにガスポート１６が取り付けら
れ、外部の真空ポンプにより真空引きが行われて真空度
が保たれる。

【００１８】次に、試料セル部３０Ａは、試料ガスを導
入し投光部１０から入射されるレーザビームによって光
スペクトル吸収を発生する機能を有する。試料ガスはガ
スポート３２を通して試料セル３１に導入、排出され
る。すなわち、投光部１０を構成する光学窓１５を介し
て出射されたレーザビームは、試料セル部３０Ａを構成
する光学窓３３を介して試料セル３１内に入射され、試
料セル３１内で光スペクトル吸収発生後のレーザビーム
は光学窓３４を通して受光部４０へ出射される。

【００１９】受光部４０は、試料セル部３０Ａから出射
するレーザビームの光強度を受光素子４１により検出す
ることによって光スペクトル吸収量を観測する機能を有
する。この場合、試料セル部３０Ａから入射したレーザ
ビームは、受光素子４１によって電気信号に変換された
後、外部の公知の検出回路によって光スペクトル吸収量
の観測が行なわれる。

【００２０】構造保持部５０は、各々別体となっている
投光部１０と試料セル部３０Ａと受光部４０を所定の位
置関係に調整した上で固定する機能を有する。

【００２１】図１１は、従来のレーザ分光分析用光学吸
収セルの他の例の構成を示している。この図１１におい
て、図１０に示したものと対応するものには同一の符号
を付けその詳細な説明は省略する。

【００２２】図１１例に示す光学吸収セル２では、光学
系は、大きく分けて、投光部１０、光軸調整部２０、試
料セル部３０Ｂ、受光部４０および構造保持部５０の５
つの部分から構成される。

【００２３】投光部１０は、図１０例と同様に、半導体
レーザ１１、コリメートレンズ１２、温度制御装置１
３、気密容器１４、光学窓１５およびガスポート１６か
ら構成される。光軸調整部２０は、ステージ付平面ミラ
ー２１、２２から構成される。試料セル部３０Ｂは、試
料セル３１、ガスポート３２、光学窓３３、３４および
凹面ミラー３５、３６、３７から構成される。受光部４
０は、図１０例と同様に、受光素子４１から構成され
る。

【００２４】これら投光部１０、光軸調整部２０、試料
セル部３０Ｂおよび受光部４０が、図１０例と同様に構
造保持部５０に固定される。

【００２５】図１１例において、試料セル部３０Ｂはホ
ワイト型多重反射光路型の試料セル３１を有する。

【００２６】以下に、各々の構成要素の機能を述べる。

【００２７】投光部１０は、図１０例と同様に、光スペ
クトル吸収観測用の光波長の安定化されたレーザビーム
を発生する機能を有する。光波長の安定化されたレーザ
ビームを発生する構成は、図１０例と同様である。

【００２８】光軸調整部２０は、投光部１０から出射さ
れるレーザビームの光軸を調整する機能を有する。投光
部１０から出射されるレーザビームは、ステージ付平面
ミラー２１で反射され、ステージ付平面ミラー２２に照
射される。さらに、ステージ付平面ミラー２２で反射さ
れたレーザビームは、試料セル部３０Ｂに入射される。
ここで、各々の平面ミラー２１、２２には、あおりステ
ージが付いており、２枚の平面ミラー２１、２２のあお
り角度の組み合わせによってレーザビームの高さや角度
を調整することができる。

【００２９】一般に、図１１例に示したようなホワイト
型多重反射光路型の試料セル３１は、試料セル３１へ入
射されるレーザビームの入射経路（入射光路）に制約が
あり、所定の位置精度が要求される。このため、各々の
光学ユニットが別体となっている構成において、この精
度を達成するために、光軸調整部２０の上述した機能が
必要となる。

【００３０】試料セル部３０Ｂは、図１０例と同様に、
試料ガスを導入し、投光部１０から照射されるレーザビ
ームによって、光スペクトル吸収を発生する機能を有す
る。また、ホワイト型多重反射光路を採用しているの
で、全長の短いセルでも実質的に長い光路長を得ること
ができ、微弱な光スペクトル吸収を光学的に増幅する機
能をも有する。試料セル部３０Ｂにおいて、試料ガスは
ガスポート３２を通して試料セル３１に導入、排出され
る。

【００３１】レーザビームは、光軸調整部２０を介し、
光学窓３３を通して試料セル３１に入射し、凹面ミラー
３６→凹面ミラー３５→凹面ミラー３７→凹面ミラー３
５→凹面ミラー３６→凹面ミラー３５→凹面ミラー３７
の順に反射を繰り返す。実際上、レーザビームは、凹面
ミラー３５、３６、３７の位置関係で規定される回数だ
け内部で多重反射した後、光学窓３４を通して試料セル
３１から出射する。

【００３２】受光部４０は、図１０例と同様に、試料セ
ル部３０Ｂから出射するレーザビームの光強度を検出す
ることによって、光スペクトル吸収量を観測する機能を
有する。試料セル部３０Ｂから出射するレーザビームの
光強度を検出する構成は、図１０例と同様である。

【００３３】構造保持部５０は、各々別体となっている
投光部１０、光軸調整部２０、試料セル部３０Ｂおよび
受光部４０を所定の位置関係に調整した上で固定する機
能を有する。

【００３４】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
図１０と図１１に示した従来のレーザ分光分析用光学吸
収セル１、２では、投光部１０、光軸調整部２０、試料
セル部３０Ａ（３０Ｂ）、受光部４０等の各光学ユニッ
トは各々別体で構成されており、これらの位置関係を調
整した上で堅牢な構造保持部５０に固定して使用されて
いた。

【００３５】このため、光学吸収セル１、２の構造全体
が大型化する上、各々の光学ユニットはそれぞれ単体構
造であるため、環境温度変化や振動等のストレスに対し
機械的な安定性を保つことが困難である。

【００３６】また、各々の光学ユニットは気密性を要求
されるため、レーザビームの入出射は、前述の通り複数
の光学窓を経由する必要がある。

【００３７】しかしながら、レーザ光学系においては、
光路中に存在する光学窓等の光学素子はレーザの光学的
干渉雑音を生じる原因となるため、微弱な光スペクトル
吸収を観測する妨げとなっている。

【００３８】さらに、各々の光学ユニットの間には大気
が存在し、試料ガスの種別や観測したい光スペクトル吸
収量によっては、大気に含まれるガス成分が誤差要因と
なる。

【００３９】さらにまた、投光部１０と試料セル部３０
Ｂとで２系統のガスポート１６、３２が必要であったた
め、配管構造が単純化できず、製造歩留りや長期間の使
用にあたって、気密度を安定的に維持する点で不利であ
った。

【００４０】この発明は、これらの課題を考慮してなさ
れたものであって、半導体レーザを光源とし光源の光波
長を掃引することによって、試料セル内に導入したガス
分子の微弱な光スペクトル吸収を観測するレーザ分光分
析装置で試料セルとして用いられる光学吸収セルにおい
て、光学素子が低減でき、かつレーザビームの光路中か
ら測定対象外の不要なガスを排除することを可能とし、
長期的に、高確度、高精度および高安定性を維持するこ
とを可能とする光学吸収セルを提供することを目的とす
る。

【００４１】

【課題を解決するための手段】この発明は、例えば、図
１に示すように、半導体レーザを光源とし、この光源の
光波長を掃引することによって、試料セル内に導入した
ガス分子の微弱な光スペクトル吸収を観測するレーザ分
光分析装置で、試料セルとして用いられる光学吸収セル
において、半導体レーザと、その温度制御装置と、前記
半導体レーザから出射されるレーザ光を平行光にするコ
リメートレンズとを低圧または真空に封じる気密容器か
らなる投光部１０と、試料ガスを導入、排出するガスポ
ートと、前記平行光とされたレーザ光が入射され導入さ
れた試料ガスの光スペクトル吸収を観測する単一光路ま
たは多重反射光路を有する試料セルとからなる試料セル
部３０Ａと、前記試料セルを通過したレーザ光が入射さ
れ、レーザの光強度を検出する受光素子と、この受光素
子で反射したレーザ光を終端する反射光終端部とからな
る受光部４０と、前記投光部のレーザ光出射部と、前記
試料セル部のレーザ光入射部とを直接連結させるシール
構造４５と、前記試料セル部のレーザ光出射部と、前記
受光部のレーザ光入射部とを直接連結させるシール構造
４６とを備え、 前記試料ガスとしては、炭素同位体分析
用のガスが導入され、 前記試料セル部内の単一光路上に
は、導入された前記試料ガスのみが存在し、 前記試料セ
ル部内の多重反射光路上には、導入された前記試料ガス
と、光学部材として、前記入射されたレーザ光を多重反
射する反射ミラーのみが存在することを特徴とする。

【００４２】この発明によれば、投光部と試料セル部と
受光部とが、シール構造により直接的に連結されるの
で、光学吸収セルが一体的な構造とされ、光学窓等の光
学素子が不要となる。また、同時に、測定対象外のガス
が光路中には存在しなくなる。結果として、この発明に
よれば、小型であって、かつ長期的に高確度、高精度お
よび高安定性を維持することができる。

【００４３】この場合、例えば、図８に示すように、前
記投光部１０のレーザ光出射部と前記試料セル部３０Ａ
のレーザ光入射部とを直接連結させるシール構造４５内
に前記コリメートレンズ１２を配設するようにしてもよ
い。

【００４４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態に
ついて添付の図面を参照して説明する。なお、以下に参
照する図面において、上述の図１０および図１１に示し
たものと対応するものには同一の符号を付ける。また、
図面を繰り返して掲載する煩雑さを避けるために、必要
に応じてそれらの図面をも参照する。

【００４５】図１は、この発明の一実施の形態の構成を
示す示すブロック図である。図１に示す光学吸収セル３
において、１０は投光部、３０Ａは試料セル部、４０は
受光部、１１は半導体レーザ、１２はコリメートレン
ズ、１３は温度制御装置、１４は気密容器、３１は試料
セル、３２はガスポート、４１は受光素子、４２は反射
光終端部、４５、４６はシール構造である。なお、図１
例の光学吸収セル３の試料セル部３０Ａは、単一光路型
である。

【００４６】投光部１０は、半導体レーザ１１、コリメ
ートレンズ１２、温度制御装置１３およびこれらを収納
する気密容器１４から構成され、光スペクトル吸収観測
用の光波長の安定化されたレーザビームを発生する機能
を有する。

【００４７】半導体レーザ１１は、図示していない真空
コネクタを経由して外部の安定化電流源によって駆動さ
れ、単一波長の光を発生する。

【００４８】コリメートレンズ１２は、半導体レーザ１
１から発生したレーザ光を集光し、平行光にする。ここ
で平行光化されたレーザビームＬは、試料セル部３０Ａ
に対して直接出射される。レーザ光の波長は温度に依存
して変動するため、半導体レーザ１１は温度制御装置１
３に固定され一定温度に保たれる。

【００４９】半導体レーザ１１、コリメートレンズ１
２、温度制御装置１３は気密容器１４に収納され、この
気密容器１４が詳細を後述するシール構造４５を介して
直接的に試料セル部３０Ａに連結される。この結果、投
光部１０と試料セル部３０Ａとは、光学窓等の一切の光
学素子（光学部品）を介さず、光学的および流体ガス的
に、直接、接続される。

【００５０】レーザ分光分析には高い光波長安定度が必
要であるため、半導体レーザ１１、コリメートレンズ１
２、温度制御装置１３の周辺を低圧または真空に保つこ
とによって対流による熱伝導を遮断し、高精度な温度安
定化を図る必要がある。しかし、レーザ分光分析は高感
度であるため、測定対象となる試料ガスは一般に真空に
近い低圧であり、試料ガスが気密容器１４内に充満され
る上記直接接続構成によっても、測定に必要な温度安定
性能を得ることができる。

【００５１】ここで、半導体レーザ１１としては、シン
グルモードのＤＦＢ（ディストリビューテッドフィード
バック）レーザ等が用いられる。特に、炭素同位体測定
には、１．５〜２．０μｍ程度の赤外波長帯のものが高
感度で有効である。コリメートレンズ１２には半導体レ
ーザ１１の光波長に適合した非球面レンズ等が用いられ
る。温度制御装置１３には白金薄膜温度センサとペルチ
ェ素子等が用いられる。気密容器１４には、例えば、Ｏ
リングと金属シャーシが用いられる。

【００５２】試料セル部３０Ａは、試料セル３１および
ガスポート３２から構成され、試料ガスを導入し、投光
部１０から照射されるレーザビームによって光スペクト
ル吸収を発生する他、構造を維持する機能を有する。試
料ガスは、ガスポート３２を通して試料セル３１に導
入、排出され、レーザビームは、前述の通り、直接、試
料セル３１に入射される。

【００５３】ここで、試料セル３１として、例えば、図
２に概略的に示すように、周囲に鉄やスーパーインバー
等、膨張係数の小さい材料で作られた支柱１０１によっ
て保持されたアルミニウム製等のフランジ１０２に気密
性を確保するためにＯリング１０３を介して取り付けら
れたガラス管９９を用いることができる。なお、支柱１
０１の両端にはねじが切られており、ナット１０５によ
りフランジ１０２に固定される。支柱１０１の先端にタ
ップをたてておき、六角穴付ボルトにより固定する構造
としてもよい。

【００５４】また、試料セル３１として、図３に概略的
に示すように、両端にステンレス製のフランジ１０２を
気密溶接した円筒または角筒のステンレス管１０４を用
いることができる。この図３例の試料セル３１において
は、構造上の強度がステンレス管１０４により確保され
るので、支柱は不要である。符号１０６は、溶接ビード
を示している。ステンレス管１０４を用いた他の理由
は、ガスの吸着が比較的少なく、機械寸法精度、周囲雰
囲気に対する安定性にも優れているからである。この意
味からステンレス管１０４に代替して同等の性能を有す
るスーパーインバー等の他の金属を用いることもでき
る。

【００５５】この場合、フランジ１０２の接合方法とし
ては、気密が確保されればろう付けや接着等も利用でき
る。

【００５６】なお、微量ガスを対象として光スペクトル
吸収を測定する場合、試料セル３１の壁面に対するガス
分子の吸着が問題となることがあるが、表面を研磨した
ステンレス管等は、脱吸着性に優れ、試料セル３１の材
質として極めて有用である。ガスポート３２としては、
ＪＩＳに規定された一般配管用接続金具を使用すること
ができる。

【００５７】再び、図１において、受光部４０は、受光
素子４１、反射光終端部４２から構成され、試料セル部
３０Ａから出射するレーザビームの光強度を検出するこ
とによって、光スペクトル吸収量を観測する他、受光素
子からの反射光を終端、減衰し、試料セル部３０Ａ内部
に戻さない機能を有する。また、受光部４０は、投光部
１０と同様に、シール構造４６を介して直接試料セル部
３０Ａに連結される。すなわち、試料セル部３０Ａと受
光部４０は、一切の光学的部品を介さず、光学的に直接
接続される。

【００５８】図４は、投光部１０と試料セル部３０Ａと
を直接接続するシール構造４５および試料セル部３０Ａ
と受光部４０とを直接接続するシール構造４６の例とし
て、シール構造４５の構造例についての一部省略断面図
を示している。なお、シール構造４６も図４に示すシー
ル構造４５と同様の構成である。

【００５９】図４において、投光部１０の気密容器１４
の一側面と図３に示した試料セル３１を構成するフラン
ジ１０２とが複数のボルト（図示していない）によって
強度、気密が保持できる程度に固定される。気密容器１
４は、基本的には、アルミニウム製等のケーシング１２
５と、このケーシング１２５に対して、図示しないボル
トによって固定されるアルミニウム製のアダプタ１２６
とアルミニウム製または銅製の基台を兼用する蓋部材１
２７とから構成される。蓋部材１２７は、温度制御装置
１３の放熱部材としても機能する。なお、アダプタ１２
６は、投光部１０を試料セル部３０Ａに固定する機能を
有するが、シール構造４５上不可欠なものではなく、例
えば、ケーシング１２５と一体的な構造とすることもで
きる。

【００６０】半導体レーザ１１とコリメートレンズ１２
と温度制御装置１３とは一体的な構造とされ、温度制御
装置１３と蓋部材１２７とがガイドピン１３０を介して
蓋部材１２７上に位置決めされ取付位置精度が保持され
る。

【００６１】また、フランジ１０２とアダプタ１２６も
ガイドピン１３２により位置決めされ、アダプタ１２６
と蓋部材１２７もガイドピン１３１により位置決めされ
ている。この図４例において、ガイドピン１３０〜１３
２の材質はステンレスである。

【００６２】なお、フランジ１０２とアダプタ１２６の
対向する面にはＯリング１３５が、アダプタ１２６とケ
ーシング１２５との対向する面にはＯリング１３６が、
ケーシング１２５と蓋部材１２７との対向する面にはＯ
リング１３７が各々介装される。この図４例において、
Ｏリング１３５〜１３７は、シール材としての真空グリ
スを塗布した合成ゴム製（例えば、ニトリルゴム、シリ
コンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、クロロプレン等）
のものを用いている。

【００６３】ガスポート３２は、図示はしていないが、
フランジ１０２、ステンレス管１０４、アダプタ１２
６、ケーシング１２５、または蓋部材１２７等、内部気
密室に接するいずれの部材にも形成することができる。

【００６４】また、図４例においては、保守性等を考慮
して各部材の気密接合部にＯリングを使用しているが、
ガスケットに代替することも可能である。さらに、長期
的な安定性という点では、接着剤にて接合することも可
能である。

【００６５】図５は、投光部１０と試料セル部３０Ａと
を直接接続するシール構造４５の他の構造例についての
一部省略断面図を示している。この図５例においては、
円筒状のねじ１４１の主面上にガイドピン１３１を介し
て温度制御装置１３を位置決めする。次に、有底円筒状
の気密容器１４の開口部内側にねじ部１４０を設け、そ
のねじ部１４０にシール用のポリテトラフルオロエチレ
ン製のテープ１３９を密着させた状態で、前記ねじ１４
１の外側周面に設けられたねじ部をねじ込み、さらに、
ねじ１４１の内側周面に設けられたねじ部１４２にシー
ル用のポリテトラフルオロエチレン製のテープ１３８を
密着させた状態で円筒状のステンレス管１０４の先端部
外周状に設けられたねじ部をねじ込むようにしている。
このような構成では、Ｏリング等の使用は不要となる。

【００６６】図１に示すように、試料セル部３０Ａから
出射したレーザビームは、受光素子４１によって電気信
号に変換され、図示しない外部の検出回路によって光ス
ペクトル吸収量の観測を行う。また、受光素子４１で発
生する反射光は、試料セル部３０Ａではなく、後に詳し
く説明する反射光終端部４２に入射し、終端、減衰され
る。

【００６７】この発明にかかる光学吸収セル３は、光学
的に完全にクローズした（閉塞された）構造となるた
め、受光素子４１によって反射した反射光を、試料セル
部３０Ａの内部に戻さない機能は、不要な迷光によって
発生する光学雑音の低減を図る作用がある。ここで、受
光素子４１には、半導体レーザ１１の光波長に適合した
フォトダイオードが用いられる。１．５〜２．０μｍ程
度の赤外波長に対しては、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ等のフォ
トダイオードが適している。

【００６８】図６に示すように、反射光終端部４２とし
ては、光学的反射の低い黒色多孔質のスポンジ材や、表
面に黒色繊維を植毛した植毛フイルム等を、レーザビー
ムＬに対し所定の角度でくさび状に配置した構造が用い
られる。

【００６９】また、図７に示すように、受光素子４１に
より検出された残りのレーザビームは、測定上不要であ
るので、光学窓からなる反射光終端部４２を通して、試
料セル部３０Ａ、受光部４０の外部へ出射する構造とす
ることも可能である。

【００７０】なお、図１例では、投光部１０と試料セル
部３０Ａは、一切の光学部品を介さず、光学的および流
体ガス的に直接接続されていたが、半導体レーザ１１、
コリメートレンズ１２、温度制御装置１３の周辺を真空
に保つことによって、さらに高い光波長安定度を達成し
たい場合や、試料ガスの少量化のため、試料セル部３０
Ａの容積を少なくしたい場合には、コリメートレンズ１
２によって、投光部１０と試料セル部３０Ａを流体ガス
的に分離する構造をとることもできる。

【００７１】すなわち、図８に示すように、投光部１０
と試料セル部３０Ａのシール構造４５にコリメートレン
ズ１２を設け、このコリメートレンズ１２により投光部
１０の室内と試料セル３１を構成するステンレス管１０
４の室内とを仕切る構造とすることもできる。コリメー
トレンズ１２の周囲を接着剤により固定するリング状の
枠体１６１は、接着剤によりフランジ１０２に固定され
る。なお、図８例の場合、投光部１０を構成する気密容
器１４の室内のガスを真空または不活性ガス等に操作す
るためのポートを設ける必要があるが、このガス操作ポ
ートは、例えば、同図に示すように、封じきりポート１
６２とすることも可能である。

【００７２】なお、この封じきりポート１６２を設けな
くとも、一般的に気密容器１４の内部は、真空に近い低
圧であることが望ましいという要請に基づいて、投光部
１０を高圧側、試料セル部３０Ａを低圧側とする逆流防
止弁１６３をシール構造４５の仕切部に取り付けておく
ことによって、試料セル部３０Ａの被測定ガスをガスポ
ート３２から排出する度に、投光部１０の気密容器１４
の室内の不要なガスが排出されるという機能が得られ
る。このように構成すれば、長期的に保守を行うことを
不要にすることができる。

【００７３】なお、図８例において、フランジ１０２と
気密容器１４との間の気密接続は、図７例と同様にポリ
テトラフルオロエチレン製のテープを用いたねじ嵌合に
より実施することができる。この図８例においても、光
学素子の増加を伴わないため、図４例、図５例と同等の
光学性能が得られる。

【００７４】次に、図９を用いて、この発明の他の実施
の形態について説明する。

【００７５】図９は、この発明の他の実施の形態に係る
光学吸収セル４の構成を示すブロック構成図である。図
９において、１０は投光部、３０Ｂは試料セル部、４０
は受光部、１１は半導体レーザ、１２はコリメートレン
ズ、１３は温度制御装置、１４は気密容器、３１は試料
セル、３２はガスポート、３５、３６、３７は凹面ミラ
ー、４１は受光素子、４２は反射光終端部である。

【００７６】なお、図９例の光学吸収セル４を構成する
試料セル部３０Ｂは、３枚の凹面ミラー３５、３６、３
７を組み合わせて構成されるホワイト型多重反射光路で
ある。

【００７７】以下に、各々の構成要素の機能を述べる。

【００７８】投光部１０は、半導体レーザ１１、コリメ
ートレンズ１２、温度制御装置１３、気密容器１４から
構成され、図１例と同様に、光スペクトル吸収観測用の
光波長の安定化されたレーザビームを発生する機能を有
する。光波長の安定化されたレーザビームを発生する構
造、構成品、作用は、図１例と同様である。なお、図９
例では、半導体レーザ１１とコリメートレンズ１２の位
置関係は、予め、試料セル部３０Ｂの凹面ミラー３６に
入射するように設計されているので、従来の技術の項で
示した図１１例のように、光軸調整部２０は必要としな
い。

【００７９】半導体レーザ１１、コリメートレンズ１
２、温度制御装置１３は、気密容器１４に収納され、図
１例と同様に、シール構造４５を介して、直接、試料セ
ル部３０Ｂに連結される。この結果、投光部１０と試料
セル部３０Ｂは、一切の光学部品を介さず、光学的およ
び流体ガス的に直接接続されるため、投光部１０から出
射したレーザビームは試料セル部３０Ｂの内部に直接入
射する。試料セル部３０Ｂは、試料セル３１、ガスポー
ト３２、凹面ミラー３５、３６、３７から構成される。

【００８０】試料セル部３０Ｂは、図１例と同様に、試
料ガスを導入し、投光部１０から照射されるレーザビー
ムによって、光スペクトル吸収を発生し、さらに構造を
維持する機能を有する他、ホワイト型多重反射光路なの
で、全長の短いセルでも実質的に長い光路長を得ること
ができ、微弱な光スペクトル吸収を光学的に増幅する機
能をも有する。試料セル部３０Ｂにおいて、試料ガスは
ガスポート３２を通して試料セル３１に導入、排出され
る。

【００８１】また、レーザビームは、直接試料セル３１
に入射し、凹面ミラー３７→凹面ミラー３５→凹面ミラ
ー３６→凹面ミラー３５→凹面ミラー３７→凹面ミラー
３５→凹面ミラー３６の順に反射を繰り返す。なお、レ
ーザビームは、凹面ミラー３５、３６、３７の位置関係
で規定される回数だけ内部で多重反射した後、受光部４
０に照射される。

【００８２】凹面ミラー３５、３６、３７は、半導体レ
ーザ１１の光波長に適合した反射膜が適しており、炭素
同位体の観測に有利な赤外波長帯では、金蒸着や誘電体
多層膜等が用いられる。その他の構造、構成品、作用
は、図１例の光学吸収セル３と同様である。

【００８３】受光部４０は、受光素子４１、反射光終端
部４２から構成され、図１例と同様に、試料セル部３０
Ｂから出射するレーザビームの光強度を検出することに
よって、光スペクトル吸収量を観測する機能と、受光素
子４１からの反射光を終端、減衰し、試料セル部３０Ｂ
の内部に戻さない機能を有する。受光部４０は、図１例
と同様に、シール構造４６を介して、直接、試料セル部
３０Ｂに連結されるため、試料セル部３０Ｂと受光部４
０は、一切の光学部品を介さず、光学的に直接接続され
る。

【００８４】試料セル部３０Ｂから出射するレーザビー
ムの光強度を検出することによって、光スペクトル吸収
量を観測し、受光素子４１からの反射光を終端、減衰し
て、試料セル部３０Ｂの内部に戻さないための構造、構
成品、作用は、図１例と同様である。

【００８５】以上のように、図９例の光学吸収セル４
も、図１例の光学吸収セル３と基本的には同様な構造、
構成品、作用によって実現される。

【００８６】なお、図９例に示すホワイト型多重反射光
路を利用した試料セル部３０Ｂを有する光学吸収セル４
では、多重反射という構成上、ミラーから僅かに発生す
る拡散光成分が、レーザ光の干渉を生じ、光学雑音とな
る場合がある。干渉によって生じる光学雑音の低減に
は、干渉を生じている対向した光学素子間隔を、微小に
連続変位（振動）させ、検出信号処理の際に電気的な平
均化フィルタをかけると効果がある。図９例では、凹面
ミラー３６、３７が固定されているベース板をＰＺＴ
（ピエゾ素子）等で光軸方向に微小に連続変位（振動）
することによって、光学雑音の低減が図られる。その
他、多重反射光路としては、２枚の凹面ミラーから構成
されるヘリオット型等も使用できる。

【００８７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、投光部および受光部を試料セル部と各々シール構造
を介して一体化し、必要不可欠な光学素子のみで光学系
を構成することが可能になるとともに、同時に測定対象
以外のガスを光路中から排除することが可能になること
によって、以下に示す効果が達成される。

【００８８】第１に、一体化構造（一体化シール構造）
としたので、環境温度変化や振動等のストレスに対し、
機械的な安定性の向上が図られる。

【００８９】第２に、光路に配設される光学素子がコリ
メートレンズのみとなるため、レーザの光学的干渉雑音
を低減し、光学Ｓ／Ｎを改善することができる。

【００９０】第３に、試料セル部に対して、投光部と受
光部とが連通する一室化構造とすることが可能となるた
め、試料ガスの測定にあたって、周囲環境ガス成分が誤
差要因とならない。

【００９１】第４に、気密構造が単純であるため、製造
保守上、高い気密度の維持が容易である。

【００９２】従って、これらの総合性能として、微弱な
光スペクトル吸収を観測するレーザ分光分析用光学吸収
セルにおいて、長期的に高確度、高精度、高安定性を維
持することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態（単一光路型）の構成
を示すブロック図である。

【図２】試料セルの構成例を示す斜視図である。

【図３】試料セルの他の構成例を示す斜視図である。

【図４】シール構造例を示す一部省略断面図である。

【図５】他のシール構造例を示す一部省略断面図であ
る。

【図６】受光部の構成例を示す概略的な断面図である。

【図７】受光部の他の構成例を示す概略的な断面図であ
る。

【図８】シール構造のさらに他の例を示す一部省略断面
図である。

【図９】この発明の他の実施の形態（ホワイト型多重反
射光路型）の構成を示すブロック図である。

【図１０】従来の技術（単一光路型）の構成を示すブロ
ック図である。

【図１１】従来の他の技術（ホワイト型多重反射光路）
の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１〜４…光学吸収セル １０…投光部 １１…半導体レーザ １２…コリメート
レンズ １３…温度制御装置 １４…気密容器 １５…光学窓 １６、３２…ガス
ポート ２０…光軸調整部 ２１、２２…ステ
ージ付平面ミラー ３０Ａ…試料セル部（単一光路型） ３０Ｂ…試料セル部（ホワイト型多重反射光路型） ３１…試料セル ３３、３４…光学
窓 ３５、３６、３７…凹面ミラー ４０…受光部 ４１…受光素子 ４２…反射光終端
部 ４５、４６…シール構造 ５０…構造保持部 ９９…ガラス管 １０１…支柱 １０２…フランジ １０３、１３５〜
１３７…Ｏリング １０４…ステンレス管 １０５…ナット １０６…溶接ビード １２５…ケーシン
グ １２６…アダプタ １２７…蓋部材 １３０〜１３２…ガイドピン １３８、１３９…
テープ １４０、１４２…ねじ部 １４１…ねじ Ｌ…レーザ光（レーザビーム）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−99845（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−281559（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−148070（ＪＰ，Ａ) Ｗ．Ｆ．Ｘ．Ｆｒａｎｋ、「Ｎｉｔｒ ｏｇｅｎ Ｐｕｒｇｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ ／Ｓｏｌｉｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｒ ａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｅｌｌ」、Ｉ ＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃｌ ｏｓｕｒｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、1981、 Ｖｏｌ．24、Ｎｏ．２、第996頁 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/61 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザを光源とし、この光源の光波
   長を掃引することによって、試料セル内に導入したガス
   分子の微弱な光スペクトル吸収を観測するレーザ分光分
   析装置で、試料セルとして用いられる光学吸収セルにお
   いて、 半導体レーザと、その温度制御装置と、前記半導体レー
   ザから出射されるレーザ光を平行光にするコリメートレ
   ンズとを低圧または真空に封じる気密容器からなる投光
   部と、 試料ガスを導入、排出するガスポートと、前記平行光と
   されたレーザ光が入射され導入された試料ガスの光スペ
   クトル吸収を観測する単一光路または多重反射光路を有
   する試料セルとからなる試料セル部と、 前記試料セルを通過したレーザ光が入射され、レーザの
   光強度を検出する受光素子と、この受光素子で反射した
   レーザ光を終端する反射光終端部とからなる受光部と、 前記投光部のレーザ光出射部と、前記試料セル部のレー
   ザ光入射部とを直接連結させるシール構造と、 前記試料セル部のレーザ光出射部と、前記受光部のレー
   ザ光入射部とを直接連結させるシール構造とを備え、 前記試料ガスとしては、炭素同位体分析用のガスが導入
   され、 前記試料セル部内の単一光路上には、導入された前記試
   料ガスのみが存在し、 前記試料セル部内の多重反射光路上には、導入された前
   記試料ガスと、光学部材として、前記入射されたレーザ
   光を多重反射する反射ミラーのみが存在す ることを特徴
   とする光学吸収セル。
2. 【請求項２】請求項１記載の光学吸収セルにおいて、 前記投光部のレーザ光出射部と前記試料セル部のレーザ
   光入射部とを直接連結させるシール構造内に前記コリメ
   ートレンズを配設するようにしたことを特徴とする光学
   吸収セル。