JP3411779B2 - ガス濃度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザを光
源とし、光の吸収を利用して光学的にガス濃度を測定し
て例えば大気中のガス濃度の測定、都市ガス、科学プラ
ント等のガス漏洩を検出するにあたり、測定ガス濃度の
安定した取得が行えるガス濃度測定装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】メタン、二酸化炭素、アセチレン、アン
モニア等の気体には、分子の回転や構成原子間の振動等
に応じて特定波長の光を吸収する吸収帯があることは既
に知られている。例えば、メタンの場合には、１．６μ
ｍ、３μｍ、７μｍ帯に吸収帯を有している。

【０００３】この吸収帯を利用したガス濃度測定装置で
は、所定距離（この距離によって測定光路長が確定され
る）隔てて光源部と受光部を配置し、光源部の半導体レ
ーザ（ＬＤ）より周波数変調されたレーザ光を測定対象
ガスの雰囲気に通し、その透過光を受光部のフォト検出
部で受けたときの出力信号から測定対象ガスのガス濃度
を測定している。

【０００４】ここで、受光部出力信号から検出される変
調周波数の基本波位相敏感検波信号（１ｆ信号）には、
強度変調に起因する大きなオフセットが生じるため、特
に微少なガス濃度を高感度で測定するには、１ｆ信号に
比べてオフセットのかなり小さい２倍波位相敏感検波信
号（２ｆ信号）が用いられる。

【０００５】ところで、半導体レーザの発振波長は、半
導体レーザの動作温度により変化する性質があり、また
半導体レーザに流す電流値によっても変化する性質があ
る。従って、最大の２ｆ信号を得るには、半導体レーザ
の発振周波数を吸収線の中心と一致させて安定化する必
要がある。

【０００６】一般に、半導体レーザモジュールを使用し
ている半導体レーザ発振波長安定化装置は、波長安定化
用ガスとしての測定対象ガスを封入した参照ガスセルに
周波数Ｆｍで変調したレーザ光を通す。その測定対象ガ
スのレーザ光吸収帯のうちの一つの吸収線を利用してそ
の最大吸収点を見つけてそこに位置するように半導体レ
ーザの動作温度、または電流を変えている。すなわち、
周波数Ｆｍの成分を抽出増幅し、それを微分してその微
分波形出力値が零になるように半導体レーザの動作温
度、または半導体レーザの電流をフィードバックしてい
る（信号位相微分検波）。

【０００７】ここで、参照ガスセル内の測定対象ガスの
レーザ光吸収波形を図２０（ａ）の実線で示し、信号位
相微分検波した波形を図２０（ｂ）の破線で示す。図２
０（ｂ）のＡ点が目的の半導体レーザの発振波長であ
る。このＡ点の波長で発振するように半導体レーザの動
作温度、または半導体レーザの電流をマニュアルで設定
する。Ａ点に設定されたらフィードバック手段により、
Ａ点で安定するように半導体レーザの動作温度、または
半導体レーザの電流安定化回路を動作させる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の半導
体レーザモジュールを使用したガス濃度測定装置では、
光路上に配置されたレンズ等の光学部品で光の反射が生
じ、このときの光は半導体レーザに戻り光として反射す
る。この戻り光は半導体レーザにおける誘導放出とは位
相が異なり、半導体レーザの発振に乱れが生じる。ま
た、半導体レーザが発振するレーザ光はコヒーレント性
が優れているので発光部と受光部との光路上鵜に配置さ
れたレンズ等の光学部品で光の干渉を起こし、周囲温度
の変動を原因とする受光レベルの変動がどうしてもおき
てしまう。この結果、図２１に示すように２ｆ信号の受
光レベル変動が生じ、測定誤差を招いて常に安定した高
精度なガス濃度の測定を行うことができなかった。

【０００９】ところで、ガウシアンノイズ、ホワイトノ
イズを重畳し、線幅を広げてコヒーレントをやわらげる
方法が知られている。しかしながら、この方法では、ガ
ス濃度によってその深さが変化するガスの吸収線幅が２
〜３ＧＨｚであるのに対し、ノイズを重畳したレーザ光
の線幅が１ＧＨｚ以上となるため、ガス濃度の測定感度
が低下し、測定精度に悪影響を及ぼすという問題があっ
た。

【００１０】そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなさ
れたものであって、２ｆ信号を用いても半導体レーザの
戻り光、光学測定系の影響を十分に取り除くことがで
き、受光部が受光した光による電気信号の変動を抑え、
ガス濃度の測定分解能、安定度を高めて常に安定した高
精度なガス濃度測定が行えるガス濃度測定装置を提供す
ることを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、所定周波数Ｆｍで変調したレー
ザ光を発射する半導体レーザ３を有する光源部５１と、
該光源部より所定の距離隔てて前記半導体レーザの光路
上に配置され、該半導体レーザからの光を集光して受光
する受光部３１と、該受光部が受光した光による電気信
号に基づいて前記光源部と前記受光部との間におけるガ
ス濃度を計測する計測部３２とを備えたガス濃度測定装
置において、前記周波数で変調したレーザ光を発射する
半導体レーザにさらに前記周波数より５０倍から５００
倍高い倍率ｎの周波数ｎＦｍで変調を重畳する信号重畳
手段１４と、前記光源部から前記受光部への出射光と戻
り光の位相がずれて互いに打ち消しあうように、前記光
源部又は前記受光部の少なくとも一方における光路上の
光学部品を光軸方向に振動させ、前記光源部と前記受光
部との間の光路長を変更させるための光路長可変手段６
１，６２を備えたことを特徴としている。

【００１２】また、請求項２の発明は、請求項１のガス
濃度測定装置において、前記半導体レーザ３は、周波数
変調されたレーザ光を前方および後方の両面より出射
し、該半導体レーザの前方からのレーザ光を集光する第
１の非球面レンズ２ａと、該第１の非球面レンズと該第
１の非球面レンズの前方の光路上に配置された第１の光
アイソレータ２３と、前記半導体レーザの後方からのレ
ーザ光を集光する第２の非球面レンズ２ｂと、内部に波
長安定化用ガスを封入した参照ガスセル５と、該参照ガ
スセルと前記第２の非球面レンズとの間の光路上に配置
された第２の光アイソレータ２４と、前記参照ガスセル
を通ったレーザ光を検出するフォト検出器６と、該フォ
ト検出器の出力に対応して前記半導体レーザの温度を安
定化する温度制御素子４，４４とを備えたことを特徴と
している。

【００１３】

【００１４】

【００１５】本発明のガス濃度測定装置によれば、半導
体レーザを基本波変調周波数Ｆｍで変調することに加え
て基本変調周波数Ｆｍより５０倍〜５００倍高い倍率ｎ
の周波数ｎＦｍで変調することにより、レーザモジュー
ルおよび受光部までの光学系に起因する戻り光、レーザ
光の干渉等の影響を大幅に抑え、受光信号の変動を小さ
くすることができる。従来技術と比較してより精密に半
導体レーザの発振レベルを安定化でき、２ｆ信号を用い
た場合でも、測定対象ガスのガス濃度を安定して高精度
に測定することができる。しかも、動作中において光源
部と受光部との間の光路長を変更できるので、光源部か
ら受光部への出射光と戻り光の位相がずれて互いに打ち
消しあい、戻り光による異常発振も抑圧することができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。

【００１７】〔第１実施の形態〕図１は本発明のガス濃
度測定装置に適用される第１実施の形態の半導体レーザ
モジュール（光源部）の外観図であり、構成部品の形
状、および配置概略を示す。傾斜した前面に保護ガラス
１が固着された円筒型ケース１７の中心軸線上には半導
体レーザ３が配設されている。半導体レーザ３は温度コ
ントロールを可能とするため、円筒型ケース１７内の基
板１９上の基台２０表面に取り付けられたペルチェ素子
４の上に搭載され、温度により波長を制御される。半導
体レーザ３の前後両側の光軸上には、平な面を持たない
非球面レンズ２（２ａ，２ｂ）が配設されている。これ
ら非球面レンズ２は半導体レーザ３の出射光を集光する
ために位置を調整後、半導体レーザ３と共にペルチェ素
子（温度制御素子）４上の取付台２１に固定される。こ
のとき非球面レンズ２を集光用レンズとして使用するこ
とにより、非球面レンズ２は、平な面を持たないため半
導体レーザ３に光が反射し戻ることを防止できる。

【００１８】半導体レーザ３の前側の光軸上で、保護ガ
ラス１と非球面レンズ２ａとの間には光アイソレータ２
３が配設されている。光アイソレータ２３は９０°の偏
波面の光のみを通す偏光子と、４５°の偏波面の光のみ
を通す検光子との間に配置された結晶に磁力を印加する
ことで、結晶中を透過する光の偏波面を回転させて偏光
子での反射光の通過を阻止し、半導体レーザ３に反射光
が戻るのを防止している。

【００１９】半導体レーザ３の後ろ側の光路上には参照
ガスセル５が配設されている。参照ガスセル５は、半導
体レーザ３への戻り光を低減するために両端面５ａ、５
ｂが斜めに（例えば射光軸に対して約６度）形成されて
いる。そして、参照ガスセル５は、非球面レンズ２ｂの
後ろ側に、後方出射光が入射しやすい位置に固定され、
参照ガスセル５の後ろ側に置かれたフォト検出器６に光
が入射する構造とされている。また、半導体レーザ３の
後ろ側の光路上で、非球面レンズ２ｂと参照ガスセル５
との間には、半導体レーザ３に反射光が戻るのを阻止す
るための光アイソレータ２４が配設されている。

【００２０】〔第２実施の形態〕第２実施の形態の半導
体レーザモジュール（光源部）は、第１実施の形態のフ
ォト検出器６を、射光軸に対して約１０度角度を付けた
ものである。図２は半導体レーザモジュールの具体的数
値を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面
図を示す。非球面レンズ２ａは、焦点距離が約０．７ｍ
ｍであり、外周には外径２．５ｍｍの金属性の円筒が取
りつけてある。この非球面レンズ２ａは、半導体レーザ
３の発光点より０．２ｍｍ離れた位置で出射光が平行光
になるように位置調整され、金属性の円筒部分でペルチ
ェ素子４上の取付台２１にＹＡＧレーザ溶接で固定す
る。また、非球面レンズ２ｂは、焦点距離が約３ｍｍで
あり、半導体レーザ３の発光点より３ｍｍ離れた位置で
出射光が平行光になるように位置調整されて取付台２１
にＹＡＧレーザ溶接で固定する。

【００２１】光アイソレータ２３は、その中心が半導体
レーザ３の光軸と一致するように基板１９上の取付台２
５に固定し、保護ガラス１と非球面レンズ２ａとの間の
光路上に配置する。また、光アイソレータ２４は、その
中心が半導体レーザ３の光軸と一致するように基台２０
上の取付台２６に固定し、非球面レンズ２ｂと参照ガス
セル５との間の光路上に配置する。

【００２２】参照ガスセル５は、直径１０ｍｍ、長さ２
０ｍｍの円筒型で、材質ガラスで構成されている。両端
面５ａ、５ｂのガラス窓は、反射した戻り光を少なくす
るために約６度傾けてあり、半導体レーザ３の後方出力
光が効率よく内部を透過するように非球面レンズ２ｂの
すぐ後方に参照ガスセル５の中心と光軸が一致するよう
に配置する。また、フォト検出器６を、光軸面に対して
約１０度角度を付けて円筒型ケース１７に取りつけてあ
るため、半導体レーザ３への戻り光を少なくできる。

【００２３】また、参照ガスセル５には予めガスを封入
してある。ガスは固有の波長の光を吸収する性質がある
ため、本半導体レーザモジュールでは参照ガスセル５内
のガスの吸収線をフォト検出器６で検出し、半導体レー
ザ３の波長を安定化できる構成となっている。また、保
護ガラス１と円筒型ケース１７は、半導体レーザ３、非
球面レンズ２、参照ガスセル５、およびペルチェ素子４
をほこり等から守るために、これらの部品を外気から遮
断している。

【００２４】〔第３実施の形態〕第３実施の形態の半導
体レーザモジュール（光源部）は、図３に示すように、
上面側が開口した箱型形状のケース本体１６の内部に、
各部品（基台２０に設けられた非球面レンズ２、半導体
レーザ３、ペルチェ素子４をはじめ、取付台２５，２６
に設けられた光アイソレータ２３，２４や参照ガスセル
５、フォト検出器６）を収容したものである。開口した
ケース本体１６の上面はカバー部材１８が溶接封止され
ており、光アイソレータ２３の前方の光路上に位置して
ケース本体１６の側面に形成されたレーザ出射窓２２の
結露を防ぐことができる。

【００２５】なお、ケース本体１６に収容される内部構
成については、前述した第１および第２実施の形態の半
導体レーザモジュールと同一なので、その構成部品には
同一番号を付し、詳細な説明については省略している。

【００２６】〔第４実施の形態〕第４実施の形態の半導
体レーザモジュールは、図４および図５に示すように、
箱型形状のケース本体４１の内部に、半導体ユニット４
２、参照ガスセル５、フォト検出器６が収容されてい
る。ケース本体４１の底面には、冷却用フィン４３が取
り付けられたペルチェ素子４４が配設されている。な
お、図示はしないが、半導体ユニット４２には、前述し
た第１乃至第３実施の形態の半導体レーザモジュールと
同様に、半導体レーザを中心として、その前後両側の光
軸上に非球面レンズ、光アイソレータが対称に配設され
ている。

【００２７】このように構成される半導体レーザモジュ
ールは、例えば図６（ａ），（ｂ）に示す光路可変型の
ガス濃度測定装置に接続して使用される。このガス濃度
測定装置の光学計測部４５は、レール４６が形成された
保持部材４７に対して移動可能に保持された２つの筐体
４８，４９を備えている。一方の筐体４８は、延長コネ
クタ５０を介して半導体ユニット４２との間に接続する
ことにより光源部５１を構成している。他方の筐体４９
は、受光部３１を構成している。

【００２８】図７（ａ）に示すように、光源部５１の筐
体４８には、アダプタを備えたＬ字状の支持部材５２が
固定されている。この支持部材５２のアダプタには、延
長コネクタ５０が着脱可能に取り付けられる。また、延
長コネクタ５０の出射端面５０ａの光軸上には、平な面
を持たない非球面レンズ５３が取り付けられたホルダ５
４が配設されている。

【００２９】図６（ｂ）に示すように、受光部３１の筐
体４９には、光源部５１側の非球面レンズ５３と対向す
る光軸上に、同様の平な面を持たない非球面レンズ５５
が配設されている。この非球面レンズ５５後方の筐体４
９内には、光軸上にフォト検出器３１ａが取り付けられ
たＬ字状の支持部材５６が配設されている。

【００３０】それぞれの筐体４８，４９の底面側部に
は、レール４６の側面に対して取付片５７が取り付けら
れている。取付片５７には筐体４８，４９をレール４６
に対して固定するための固定ネジ５８が取り付けられて
いる。各筐体４８，４９は、固定ネジ５８を緩めた状態
で光軸に沿った方向（図６（ｂ）の矢印Ｘ方向）にレー
ル４６上を移動する。これにより、光源部５１と受光部
３１との間の測定光路長を任意に可変できる。そして、
光源部５１と受光部３１とは、測定光路長が一度調整設
定されると、その後は固定して使用される。

【００３１】なお、光学計測部４５の光源部５１として
は、前述した第１乃至第３実施の形態の半導体レーザモ
ジュールを用いることもできる。

【００３２】光学計測部４５の光源部５１および受光部
３１は、図７（ａ），（ｂ）に示す光路長可変手段とし
ての振動機構６１，６２を備えている。

【００３３】図７（ａ）は光源部５１側の振動機構６１
の構成を示しており、延長コネクタ５０の端部は、Ｌ字
状の支持部材５２を介して筐体４８に固定される。非球
面レンズ５３が配設されたホルダ５４は、例えばゴム材
やゲル材等からなる振動吸収材６３を介して支持部材５
２、筐体４８のそれぞれに取り付けられる。また、ホル
ダ５４上には、例えばモータ等の振動源６４が設けられ
る。このように構成される振動機構６１では、ホルダ５
４上の振動源６４が駆動されると、ホルダ５４が振動す
る。これにより、ホルダ５４に取り付けられた非球面レ
ンズ５３が光軸方向に微振動する（例えば５０Ｈｚ程度
の周波数で１０μｍ程度）。その際、振動吸収材６３
は、ホルダ５４の振動を他の部材に伝達することなく、
ホルダ５４のみを安定した周期で振動する役割もする。

【００３４】図７（ｂ）は受光部３１側の振動機構６２
の構成を示しており、Ｌ字状の支持部材５６には、フォ
ト検出器３１ａが取り付けられる。支持部材５６は、例
えばゴム材やゲル材等からなる振動吸収材６５を介して
筐体４９に取り付けられる。また、支持部材５６上に
は、例えばモータ等の振動源６６が設けられる。このよ
うに構成される振動機構６２では、支持部材５６上の振
動源６６が駆動されると、支持部材５６が振動する。こ
れにより、支持部材５６に取り付けられたフォト検出器
３１ａが光軸方向に微振動する（例えば５０Ｈｚ程度の
周波数で１０μｍ程度）。その際、振動吸収材６５は、
支持部材５６の振動を他の部材に伝達することなく、支
持部材５６のみを安定した周期で振動する役割もする。

【００３５】そして、振動機構６１，６２を光源部５１
と受光部３１の両方の光学系に採用することにより、延
長コネクタ５０の出射端面と非球面レンズ５３の入射端
面との間、非球面レンズ５３の出射端面とフォト検出器
３１ａの受光端面との間の距離、すなわち、測定光路長
を変更することができる。その結果、フォト検出器３１
ａへの出射光と戻り光の位相がずれ、互いに打ち消しあ
うので、戻り光による異常発振が抑圧される。

【００３６】なお、振動機構６１，６２は、光源部５１
又は受光部３１の一方の光学系のみに設けても効果があ
り、半導体ユニット４２内の半導体レーザを光軸方向に
振動させる構成としてもよい。また、振動機構６１，６
２としては、上記振動吸収材６３，６５と振動源６４，
６６を用いて構成する他、例えば携帯電話やＰＨＳ等の
振動呼び出し装置として使用されるバイブレータ、ボイ
スコイルモータ、ピエゾ効果を利用したＰＺＴ素子等の
リニアアクチュエータを用いて構成し、光学系を例えば
５０Ｈｚ程度の周波数で１０μｍ程度の幅をもって光軸
方向に振動させてもよい。

【００３７】ところで、第１実施の形態、および第２実
施の形態の半導体レーザモジュールは円筒型をしている
が、用途に応じて角型等の他の形状にすることも可能で
ある。

【００３８】次に、図８は多重セル型ガス濃度測定装置
の一実施の形態を示している。この多重セル型ガス濃度
測定装置は、多重セル６７と光学系（光源部５１および
受光部３１）が筐体６８内に配設されて一つのユニット
を構成している。なお、光学系である光源部５１および
受光部３１は、図６に示すものと同一構成なので、同一
の構成要素には同一番号を付し、その説明については省
略する。

【００３９】多重セル６７は、基部が気密構造の円筒型
形状の管６９で構成されている。管６９の内壁面両端部
には、複数の反射ミラー（図示の例では、管６９の左側
部に一つ、右側部に二つ）７０（７０ａ，７０ｂ，７０
ｃ）が配置されている。管６９の左側部の上部には光源
部５１が着脱可能に取り付けられている。また、管６９
の左側部の下部には、光源部５１と光軸が平行となるよ
うに受光部３１が着脱可能に取り付けられている。管６
９の上部には、測定対象ガスの注入、排出を行うための
ガス取入パイプ７１とガス排出パイプ７２とが並設され
ている。この多重セル６７では、光源部５１からの光が
管６９内の複数の反射ミラー７０により多重反射されて
受光部３１に導かれる。

【００４０】この多重セル型ガス濃度測定装置によれ
ば、多重セル６７と光学系５１，３１が同一箇所に配置
されるので、単一の振動機構を用いて筐体６８を光軸方
向に振動させることにより、光源部５１と受光部３１と
の間の測定光路長を変更することができる。しかも、装
置全体の小型化が図れ、小さいスペースで測定光路長を
長く設定して測定感度を向上させることができ、特に低
濃度のガスを測定する場合に最適である。

【００４１】〔波長安定化装置への応用〕戻り光の影響
を受けない状態で、基本波、２倍波を検出し、発振波長
を精度よく安定化する手段を説明する。図９は本発明の
ガス濃度測定装置の半導体レーザ発振波長安定化装置の
一実施の形態を示すブロック図、図１０は同装置の２倍
波信号増幅器および信号同期検出器の一実施の形態を示
すブロック図、図１１は同装置の基本波信号増幅器およ
び信号微分検出器の一実施の形態を示すブロック図、図
１２は同装置の温度安定化ＰＩＤ（Proportional Integ
ration and Differential ）回路の一実施の形態を示す
ブロック図、図１３は同装置の電流安定化回路の一実施
の形態を示すブロック図である。

【００４２】（構成）上述した半導体レーザモジュール
を備えた半導体レーザ発振波長安定化装置の構成を図９
および図１３で説明する。信号重畳手段としての電流安
定化回路１４は、ＬＤバイアス電流を設定するバイアス
電流生成回路１４ａ，１４ｂ，１４ｃと、変調周波数の
基本波であるＦｍのレベルを設定する基本波変調電流生
成回路１４ｄ，１４ｅ，１４ｆと、変調周波数の２倍波
（２Ｆｍ）のレベルを設定する抑圧電流生成回路１４
ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍ
と、基本波変調周波数のｎ倍（例えばｎ＝５０〜５００
倍程度）の変調周波数（ｎＦｍ）のレベルを設定する受
光レベル変動抑圧電流生成回路１４ｐ，１４ｑと、これ
ら各回路で設定された電流を加算する加算回路１４ｎ
と、加算された電流を増幅し、この増幅された電流によ
り半導体レーザを駆動する半導体レーザ駆動アンプ１４
ｏとを備えて構成される。

【００４３】電流安定化回路１４では、半導体レーザバ
イアス電流、半導体レーザ変調電流（基本波変調電
流）、ＬＤ抑圧電流、ＬＤ受光レベル変動抑圧電流をそ
れぞれ設定し、これらの電流設定値を加算して半導体レ
ーザ電流として半導体レーザ３に流す。図１の半導体レ
ーザモジュールを例にとって説明すれば、半導体レーザ
３に電流が流れると、半導体レーザ３の前方、後方にレ
ーザ光を出射する。前方に出射したレーザ光は非球面レ
ンズ２ａにより集光され光アイソレータ２３を通過し保
護ガラス１を通して放射する。この際、光アイソレータ
２３によって半導体レーザ３への戻り光を低減してい
る。後方に出射したレーザ光は非球面レンズ２ｂにより
集光され光アイソレータ２４を通過し参照ガスセル５に
導かれる。この際、光アイソレータ２４によって半導体
レーザ３への戻り光を低減している。参照ガスセル５を
通過したレーザ光はフォト検出器６で検出され電流電圧
変換プリアンプ７により増幅される。参照ガスセル５内
部には測定対象ガスが封入されており、その吸収線によ
りレーザ光が吸収され２倍波が生成される。電流電圧変
換プリアンプ７により増幅された信号（Ｓ１）は、基本
波信号増幅器８で増幅され（Ｓ２）、信号微分検出器９
により位相微分検波され（Ｓ３）、図２０（ｂ）破線に
示す出力波形になる。また、２倍波は２倍波信号増幅器
１０で増幅され（Ｓ５）、信号同期検出器１１によりレ
ベル検出され（Ｓ６）、図２０（ｂ）実線に示す出力波
形になる。温度安定化ＰＩＤ回路１３は、温度センサ４
ａの誤差入力をＰＩＤ演算し、その演算結果をペルチェ
素子４に出力し、半導体レーザの動作温度を所定の温度
に設定する。波長安定化制御回路１５は、マイクロプロ
セッサ、メモリ等を使用し、以下に説明する図１５等の
処理を実行する。

【００４４】（設定温度の検索）まず、温度を設定する
処理を説明する。温度安定化ＰＩＤ回路１３は、半導体
レーザの温度設定値を、吸収線の中心波長に一致する温
度、例えば２６℃に設定する。この際、波長安定化制御
回路１５から入力したデジタル信号をＤ／Ａ変換器（Ｄ
ＡＣ）１３ｄでアナログ信号に変換する。また、電流安
定化回路１４により半導体レーザ３のバイアス電流を、
例えば１００ｍＡに、半導体レーザ３の変調電流を、例
えば２５ｍＡに設定する。次に、温度安定化ＰＩＤ回路
１３で、動作温度バイアス値を徐々に高くし、そのとき
の信号微分検出器９の信号強度を測定し、図２０（ｂ）
破線に示す出力波形を得る。なお、本設定温度の検索
は、半導体レーザの動作条件、例えばバイアス電流を変
更した際に、行えばよい。

【００４５】（初期設定の説明）次に、半導体レーザ発
振波長初期設定処理を図１５のフローチャートを用いて
説明する。半導体レーザ動作温度をＢ点の温度に設定す
る（ａ）。つぎにＣ点の温度まで徐々に変えていく
（ｂ）。Ｂ点の動作温度からＣ点の動作温度まで変える
（ｅ）間に信号微分検出器９の出力を監視し（ｃ）、出
力が最大値および最小値となる半導体レーザ３の動作温
度を記憶する（ｄ）。最小値の動作温度と最大値の動作
温度とのちょうど中間の動作温度を算出し（ｆ）、その
動作温度を温度安定化ＰＩＤ回路１３に設定する
（ｇ）。動作温度を設定した後、信号微分検出器９の出
力がほぼ零であることを確認する（ｈ）。つぎに動作温
度を少し高く設定し、信号微分検出器９の出力が下がり
マイナス方向に変動することを確認し、反対に温度を低
く設定すると出力が上がりプラス方向に変動することを
確認する（ｉ）。この確認が終了した後、スイッチ１２
をオンにして温度安定化ＰＩＤ回路１３にフィードバッ
クする（ｊ）。その後、半導体レーザの温度が安定して
いることを確認する（ｋ）。温度が安定していればフィ
ードバックが正しく動作していることになる。

【００４６】このとき、図２１のようにフィードバック
信号が変動していると、半導体レーザの発振波長は変動
する。それに対し、本発明の半導体レーザモジュールを
用いると、フィードバック信号が滑らかなため、半導体
レーザの発振波長は安定する。

【００４７】（２倍波ピーク安定化の説明）続いて処理
する、半導体レーザ３の発振波長の２倍波ピーク安定化
処理を説明する。温度安定化ＰＩＤ回路１３の動作温度
バイアス値を増減する（ｌ）。信号同期検出器１１の出
力を監視し、出力が最大値になる動作温度バイアス値を
温度安定化ＰＩＤ回路１３に設定する（ｍ）。その後、
信号ピーク検出出力値を常に監視し（ｎ）、常に極大値
になるように動作温度バイアス値を変化させ温度安定化
ＰＩＤ回路１３に設定する。この処理を短い間隔で繰り
返すことにより測定対象ガスの最大吸収点（波長λ₀ ）
に半導体レーザ３の発振波長を維持し安定にすることが
できる。設定温度の検索、および初期設定をした後、２
倍波ピーク安定化の処理をするため、半導体レーザ３の
発振波長を、所定の吸収線の最大吸収点に安定化するこ
とができる。

【００４８】（信号同期検出器の説明）信号同期検出器
１１の詳細を、図１０に基づいて説明する。フォト検出
器７で受けた信号を増幅器１０ａで増幅する。混合器１
０ｃは、その信号と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０ｉ
で発振させた周波数信号と混合し、中間周波数を生成す
る。本実施の形態では、局部発振器１１ａの周波数を４
５５ｋＨｚ−２Ｆｍとし、中間周波数を４５５ｋＨｚと
した。これを狭帯域フィルタ１０ｄに通し、位相同期検
波器１１ｇで同期検波する。同期検波した信号を低域フ
ィルタ１１ｈを経て直流アンプ１１ｉで増幅する。この
増幅された信号の最大値が２倍波のピークとなる。ここ
で、位相シフト器１１ｂで、光学系等で遅延した信号の
位相と、発振器１１ａの２Ｆｍの位相とを調整する。

【００４９】（２倍波歪抑圧動作の説明）電流安定化回
路１４の２倍波歪抑圧動作を図１３で説明する。電流安
定化回路１４は、波長安定化制御回路１５からの制御信
号（Ｓ９）により、半導体レーザ３に駆動電流（Ｓ１
２）を発生する。ＬＤバイアス電流値により、半導体レ
ーザ３のバイアス電流を設定する。基本波変調電流値に
より、変調周波数の基本波であるＦｍのレベル（電流
値）を設定する。ＬＤ抑圧電流値により、変調周波数の
２倍波（２Ｆｍ）のレベル（電流値）を設定する。ＬＤ
受光レベル変動抑圧電流値により、基本波変調周波数の
ｎ倍波（ｎＦｍ、ｎ＝５０〜５００）のレベル（電流
値）を設定する。

【００５０】なお、抑圧電流生成回路におけるＬＤ抑圧
電流値、受光レベル変動抑圧電流生成回路における発振
器１４ｐの倍率ｎおよびアッテネータ１４ｑの出力電流
値は、使用される半導体レーザによって周波数特性が異
なるため、ある程度の可変範囲を持っており、使用され
る半導体レーザに応じて最適な値に設定される。具体的
な可変範囲は、基本波変調電流値を２０ｍＡppとしたと
き、ＬＤ抑圧電流値０．１〜０．５ｍＡ、ｎ＝５０〜５
００、出力電流値５〜２０ｍＡppである。

【００５１】そして、上記設定による電流は加算器１４
ｎで重畳され、バッファ１４ｏを介して半導体レーザ３
に供給される。戻り光の影響を無くしても、半導体レー
ザにより変調波２倍波歪が出る場合には、２倍波歪抑圧
電流を設定して、基本波に重畳し、２倍波歪が最小にな
るようにする。具体的には、発振器１４ｇの２Ｆｍの位
相を、位相シフト器１４ｈで逆相にして、基本波に重畳
する。その際、重畳するレベルを、基本波から発生する
２倍波の歪をキャンセルするように、減衰器（ＡＴＴ）
１４ｍを調整する。

【００５２】次に、上記のように安定化されたレーザ光
を測定対象ガスの雰囲気に通してガス濃度を測定する構
成および動作を説明する。図１４は本発明のガス濃度測
定装置における受光系のブロック図である。

【００５３】受光系は受光部３１と計測部３２を有し、
計測部３２は電流電圧変換器３３、ＬＤ変調基本波増幅
回路３４、ＬＤ変調２倍波増幅回路３５、除算器３６を
備えて構成されている。この受光系では、測定対象ガス
の雰囲気を通って受光部３１が受光したレーザ光の出力
信号から１ｆ信号と２ｆ信号を検波し、１ｆ信号と２ｆ
信号の比から測定対象ガスのガス濃度を計測している。

【００５４】受光部３１は半導体レーザモジュールの半
導体レーザ３の光軸上に所定距離（この距離によって測
定光路長を確定している）隔てて対向配置されるケース
内部に測定対象ガスの雰囲気を通ったレーザ光を受光す
るフォト検出器３１ａが収容されている。

【００５５】ＬＤ変調基本波増幅回路３４はバンドパス
フィルタ３４ａ、増幅器３４ｂ、基本波ローカル信号発
生器３４ｃ、位相敏感検波器３４ｄ、増幅器３４ｅを備
えて構成されており、電流電圧変換器３３からの電圧信
号をバンドパスフィルタ３４ａに通して増幅した後、基
本波信号を位相敏感検波し増幅して除算器３６に出力し
ている。

【００５６】ＬＤ変調２倍波増幅回路３５はバンドパス
フィルタ３５ａ、増幅器３５ｂ、２倍波ローカル信号発
生器３５ｃ、位相敏感検波器３５ｄ、増幅器３５ｅを備
えて構成されており、電流電圧変換器３３からの電圧信
号をバンドパスフィルタ３５ａに通して増幅した後、２
ｆ信号を位相敏感検波し増幅して除算器３６に出力して
いる。

【００５７】除算器３６はＬＤ変調２倍波増幅回路３５
からの２ｆ信号の振幅を、ＬＤ変調基本波増幅回路３４
からの基本波信号の振幅で除算してガス濃度に比例した
信号検出出力を得ている。

【００５８】

【実施例】受光レベル変動抑圧電流生成回路により基本
周波数の５０〜５００倍の周波数を重畳する。その値
は、半導体レーザの周波数特性に応じて決定される。本
実施例では、基本周波数１０ＫＨｚに対して、１ＭＨｚ
の周波数を重畳した。その際、電流値は、ＬＤバイアス
電流値１００ｍＡpp、基本波変調電流値２０ｍＡpp、Ｌ
Ｄ抑圧電流値０．１〜０．５ｍＡpp、ＬＤ受光レベル変
動抑圧電流値５〜２０ｍＡppとした。上記条件において
４つの実施例の波形図を図１６〜図１９に示す。

【００５９】それぞれの図からも判るように、光学系に
非球面レンズを使用した構成（図１６：実施例１）で
は、分解能４ｐｐｍが得られる。光学系に非球面レンズ
を使用し、フォト検出器３１ａを振動させた構成（図１
７：実施例２）では、分解能０．２ｐｐｍが得られる。
光学系に非球面レンズを使用し、受光レベル変動抑圧電
流生成回路により高周波数重畳を行なった構成（図１
８：実施例３）では、分解能０．３ｐｐｍが得られる。
光学系に非球面レンズを使用し、フォト検出器３１ａを
振動させ、受光レベル変動抑圧電流生成回路により高周
波数重畳を行なった構成（図１９：実施例４）では、分
解能０．１ｐｐｍが得られる。

【００６０】なお、実施例３又は実施例４の構成におい
て、抑圧電流を重畳して半導体レーザを駆動しても、半
導体レーザのレーザ光の線幅は２ＭＨｚ程度と変化がな
く、ガスの吸収線幅は２ＧＨｚあるので、レーザ光の線
幅によりガス濃度の測定感度を低下させず測定を行なう
ことができる。

【００６１】このように、本発明のガス濃度測定装置に
よれば、半導体レーザへの戻り光が大幅に低減し、測定
対象ガスの吸収線への発振波長安定化が精密に行え、戻
り光による影響を受けずに常に安定した状態でガス濃度
を高精度に測定することができる。

【００６２】ところで、上述したガス濃度測定装置で
は、半導体レーザ３の発振波長をその他のガスの吸収帶
に適合したものを使用すれば、二酸化炭素ガス、アセチ
レンガス等にも応用でき、半導体レーザ３をセンサにし
た大気汚染測定装置を実現できる。その他、共同溝、都
市ガス配管のガス漏れ検出装置、化学プラント等のガス
モニタリングシステムにも応用できる。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のガス濃度
測定装置によれば、半導体レーザを基本波変調周波数で
変調することに加えて基本波変調周波数より５０倍〜５
００倍高い倍率の周波数で変調し、両者の合成周波数で
半導体レーザを変調駆動する構成なので、光源部および
受光部までの光学系に起因する戻り光、レーザ光の干渉
等の影響を大幅に抑え、受光信号の変動を小さくするこ
とができ、２ｆ信号を用いた場合でも、分解能を向上さ
せて測定対象ガスのガス濃度を安定して高精度に測定す
ることができる。しかも、動作中において光源部と受光
部との間の光路長を変更できるので、光源部から受光部
への出射光と戻り光の位相がずれて互いに打ち消しあ
い、戻り光による異常発振も抑圧することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス濃度測定装置に適用される第１実
施の形態の半導体レーザモジュールの外観図である。

【図２】同装置に適用される第２実施の形態の半導体レ
ーザモジュールの外観図であり、（ａ）は平面図、
（ｂ）は側面図を示す。

【図３】同装置に適用される第３実施の形態の半導体レ
ーザモジュールの外観図であり、（ａ）は平面図、
（ｂ）は側面図を示す。

【図４】同装置に適用される第４実施の形態の半導体レ
ーザモジュールの外観を示す平面図

【図５】同装置に適用される第４実施の形態の半導体レ
ーザモジュールの外観を示す側面図

【図６】（ａ）は図４、図５の半導体レーザモジュール
が接続される本発明の光路長可変型のガス濃度測定装置
を示す平面図、（ｂ）は同側面図である。

【図７】（ａ），（ｂ） 本発明のガス濃度測定装置の
光学系に適用される光路長変更手段の構成図を示す図で
ある。

【図８】多重セル型ガス濃度測定装置の一実施の形態を
示す側面図である。

【図９】本発明のガス濃度測定装置の半導体レーザ発振
波長安定化装置の一実施の形態を示すブロック図であ
る。

【図１０】同装置の２倍波信号増幅器および信号同期検
出器の一実施の形態を示すブロック図である。

【図１１】同装置の基本波信号増幅器および信号微分検
出器の一実施の形態を示すブロック図である。

【図１２】同装置の温度安定化ＰＩＤ回路の一実施の形
態を示すブロック図である。

【図１３】同装置の電流安定化回路の一実施の形態を示
すブロック図である。

【図１４】同装置の受光系の一実施の形態を示すブロッ
ク図である。

【図１５】本発明に係わる半導体レーザ発振波長安定化
の処理を示すフローチャートである。

【図１６】本発明のガス濃度測定装置における半導体モ
ジュールに非球面レンズを使用したときの波形図であ
る。

【図１７】同装置における半導体モジュールに非球面レ
ンズを使用し、フォト検出器を振動させたときの波形図
である。

【図１８】同装置における半導体モジュールに非球面レ
ンズを使用して高周波数重畳を行なったときの波形図で
ある。

【図１９】同装置における半導体モジュールに非球面レ
ンズを使用し、フォト検出器を振動させ、高周波数重畳
を行なったときの波形図である。

【図２０】（ａ）は参照ガスセル内の測定対象ガスのレ
ーザ光吸収波形を示し、（ｂ）破線は信号微分波形を示
し、（ｂ）実線は２ｆ信号のピーク検出波形を示す。

【図２１】従来の半導体レーザモジュールを用いた電流
電圧変換プリアンプの出力波形である。

【符号の説明】

２（２ａ，２ｂ）…非球面レンズ、３…半導体レーザ、
４…温度制御素子、５…参照ガスセル、６…フォト検出
器、７…電流電圧変換プリアンプ、８…基本波信号増幅
器、９…信号微分検出器、１０…２倍波信号増幅器、１
１…信号同期検出器、１２…スイッチ、１３…温度安定
化ＰＩＤ回路、１４…電流安定化回路、１４ｐ，１４ｑ
…受光レベル変動抑圧電流生成回路、１５…波長安定化
制御回路、３１…受光部、３２…計測部、３３…電流電
圧変換器、３４…ＬＤ変調基本波増幅回路、３５…ＬＤ
変調２倍波増幅回路、３６…除算器、５１…光源部、５
３，５５…非球面レンズ、６１，６２…振動機構、６
３，６５…振動吸収材、６４，６６…振動源。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−132737（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−253953（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−202329（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−247939（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−106778（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定周波数（Ｆｍ）で変調したレーザ光
   を発射する半導体レーザ（３）を有する光源部（５１）
   と、該光源部より所定の距離隔てて前記半導体レーザの
   光路上に配置され、該半導体レーザからの光を集光して
   受光する受光部（３１）と、該受光部が受光した光によ
   る電気信号に基づいて前記光源部と前記受光部との間に
   おけるガス濃度を計測する計測部（３２）とを備えたガ
   ス濃度測定装置において、 前記周波数で変調したレーザ光を発射する半導体レーザ
   にさらに前記周波数より５０倍から５００倍高い倍率
   （ｎ）の周波数（ｎＦｍ）で変調を重畳する信号重畳手
   段（１４）と、前記光源部から前記受光部への出射光と戻り光の位相が
   ずれて互いに打ち消しあうように、 前記光源部又は前記
   受光部の少なくとも一方における光路上の光学部品を光
   軸方向に振動させ、前記光源部と前記受光部との間の光
   路長を変更させるための光路長可変手段（６１，６２）
   を備えたことを特徴とするガス濃度測定装置。
2. 【請求項２】 前記半導体レーザ（３）は、周波数変調
   されたレーザ光を前方および後方の両面より出射し、 該半導体レーザの前方からのレーザ光を集光する第１の
   非球面レンズ（２ａ）と、 該第１の非球面レンズと該第１の非球面レンズの前方の
   光路上に配置された第１の光アイソレータ（２３）と、 前記半導体レーザの後方からのレーザ光を集光する第２
   の非球面レンズ（２ｂ）と、 内部に波長安定化用ガスを封入した参照ガスセル（５）
   と、 該参照ガスセルと前記第２の非球面レンズとの間の光路
   上に配置された第２の光アイソレータ（２４）と、 前記参照ガスセルを通ったレーザ光を検出するフォト検
   出器（６）と、 該フォト検出器の出力に対応して前記半導体レーザの温
   度を安定化する温度制御素子（４，４４）とを備えた請
   求項１記載のガス濃度測定装置。