JP4634956B2 - Light absorption measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、光吸収測定装置に関し、より詳細には、中赤外領域の2μm帯から20μm帯のコヒーレント光を発生する波長変換装置を含む光吸収測定装置に関する。 The present invention relates to a light absorption measurement device, and more particularly to a light absorption measurement device including a wavelength conversion device that generates coherent light in the 2 to 20 μm band in the mid-infrared region.
環境保護、安全衛生上の観点から、CH4、CO2、CO、N2Oなどの温室効果ガス、NOx、SOx、アンモニア系等の環境ガス、水の吸収ピーク、多くの有機系ガスまたは残留農薬の極微量分析技術の確立が強く望まれている。極微量分析技術として、被測定ガスを特定の物質に吸着し、電気化学的手法による定量分析と、被測定物質の固有の光学吸収特性を測定する光学的方法とが一般的である。このうち、光学的手法は、実時間測定が可能であり、測定光の通過する広範囲な領域の観測が可能という特徴を有する。 From the viewpoints of environmental protection and health and safety, greenhouse gases such as CH 4 , CO 2 , CO, and N 2 O, environmental gases such as NOx, SOx, and ammonia, water absorption peaks, and many organic gases or residues There is a strong demand for the establishment of trace analysis technology for agricultural chemicals. As trace analysis techniques, a gas to be measured is adsorbed on a specific substance, a quantitative analysis by an electrochemical method, and an optical method for measuring a specific optical absorption characteristic of the substance to be measured are generally used. Among these, the optical method has a feature that real-time measurement is possible and observation of a wide area through which the measurement light passes is possible.
被測定物質の吸収ピークは、原子間結合の振動モードに起因し、主に2μmから20μmの中赤外領域にある。中赤外領域にはガスの基準振動を代表とする強い吸収線があり、光学的な吸収線観測による濃度計測器、分析機器に適用できる小型で安価な光源の需要が高まっている。近年、環境計測の観点からこれらガスの同位体分子種(Isotopomer)の存在率が注目されている。しかし、分子量の変化率が小さいものは質量分析が困難なため、光学的な計測に期待が寄せられている。 The absorption peak of the substance to be measured is caused by the vibration mode of the interatomic bond, and is mainly in the mid-infrared region of 2 μm to 20 μm. In the mid-infrared region, there are strong absorption lines typified by gas reference vibration, and there is an increasing demand for small and inexpensive light sources that can be applied to concentration measuring instruments and analytical instruments based on optical absorption line observation. In recent years, the abundance of isotopomer species of these gases has attracted attention from the viewpoint of environmental measurement. However, since mass spectrometry is difficult for those having a small change rate of molecular weight, optical measurement is expected.
一方、よりコンパクトで安価な光吸収測定装置への需要も高まっている。従来から利用されているロックイン検波などの位相敏感検出を用いない簡便な方法により、コストを削減することができる光吸収測定装置への期待が高まっている。 On the other hand, there is an increasing demand for more compact and inexpensive optical absorption measurement devices. There is an increasing expectation for an optical absorption measurement apparatus that can reduce costs by a simple method that does not use phase-sensitive detection such as lock-in detection that has been conventionally used.
2μm帯から長波長側で発振する半導体レーザとしては、Pb塩レーザ、量子カスケードレーザが知られている。しかし、低温動作またはパルス駆動でのみの発振が得られるのみで、実用化の域に達していない。最近、InP系半導体からなり、高歪活性層が形成された2.7μm帯半導体レーザが実用化されている。しかし、出力は最大3mWであり、DFB(Distributed Feedback)型レーザ(DFB−LD)であるので、注入電流に対する波長可変幅が10pm/mA以下と非常に狭く、1つのレーザの波長可変幅は1nm以下である。 Pb salt lasers and quantum cascade lasers are known as semiconductor lasers that oscillate on the long wavelength side from the 2 μm band. However, only oscillation at low temperature operation or pulse drive can be obtained, and it has not reached the practical range. Recently, a 2.7 μm band semiconductor laser made of an InP-based semiconductor and having a high strain active layer has been put into practical use. However, the maximum output is 3 mW, and since it is a DFB (Distributed Feedback) type laser (DFB-LD), the wavelength variable width with respect to the injection current is very narrow as 10 pm / mA or less, and the wavelength variable width of one laser is 1 nm. It is as follows.
半導体レーザ以外の光源であって、3μm帯〜5μm帯の波長可変光源として使用できる光源は、ランプ、非線形光学結晶または擬似位相整合(QPM)型バルク素子を用いた波長変換装置が知られている。ランプではスペクトル純度が低く、波長変換装置では出力が低いために、ガスの吸収観測法として、圧力幅限界またはドップラー幅限界の線形吸収観測がかろうじて行えるだけである。従って、現状では、ガスの吸収観測法として、高分解能分光、自然幅観測に不可欠なドップラーフリー分光を実現する飽和吸収観測などの非線形吸収観測を行うことができない。 As a light source other than a semiconductor laser that can be used as a wavelength tunable light source in a 3 μm band to a 5 μm band, a wavelength converter using a lamp, a nonlinear optical crystal, or a quasi phase matching (QPM) type bulk element is known. . Since the spectral purity of the lamp is low and the output of the wavelength converter is low, linear absorption observation at the pressure width limit or Doppler width limit can be barely performed as a gas absorption observation method. Therefore, at present, nonlinear absorption observation such as saturated absorption observation that realizes high resolution spectroscopy and Doppler-free spectroscopy essential for natural width observation cannot be performed as a gas absorption observation method.
また、2μm帯から20μm帯の波長域における光吸収測定装置において、室温で使用できる受光器は、光照射によって電気伝導度が変化する光導電素子、または光照射の有無を温度変化として検出するサーモパイル(パイロメータ)などの熱型検出素子が知られているのみである。これらの受光器は、室温での使用条件において、光検出の物理的な要請から、電気伝導の変化または温度の変化がないと光の有無を検知できない。従って、一般的には、観測に用いるレーザ光に対して、機械的なチョッピング操作が不可欠である。このチョッピング操作を行わないと、1/f雑音が蓄積され、測定系のS/Nが著しく低下することが知られている。従って、チョッピング操作を行わない場合には、受光感度限界の極端な劣化が観測され、冷却装置の装着が不可欠となる。 In addition, in a light absorption measuring apparatus in the wavelength range of 2 μm to 20 μm, a light receiver that can be used at room temperature is a photoconductive element whose electrical conductivity changes due to light irradiation, or a thermopile that detects the presence or absence of light irradiation as a temperature change. Only thermal detection elements such as (pyrometers) are known. These light receivers cannot detect the presence or absence of light without a change in electrical conduction or a change in temperature due to a physical request for light detection under the use conditions at room temperature. Therefore, in general, a mechanical chopping operation is indispensable for the laser light used for observation. It is known that if this chopping operation is not performed, 1 / f noise is accumulated and the S / N of the measurement system is significantly reduced. Therefore, when the chopping operation is not performed, extreme deterioration of the light receiving sensitivity limit is observed, and it is indispensable to attach a cooling device.
本発明の目的は、高効率、高安定、小型、低価格の2μm帯から20μm帯の波長域における光吸収測定装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a light absorption measuring device in a wavelength range from 2 μm to 20 μm that is highly efficient, highly stable, small, and low in cost.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、レーザ光出射手段と、該レーザ光出射手段から出射され被測定物質を通過した光を検出するレーザ光検出手段と、オシロスコープとを含み、前記被測定物質の光学吸収特性を測定する光吸収測定装置において、前記レーザ光出射手段は、波長λ1のレーザ光を発生する第1のレーザと、波長λ2のレーザ光を発生する第2のレーザと、前記波長λ1のレーザ光と前記波長λ2のレーザ光とを入力し、1/λ1−1/λ2=1/λ3の関係にある波長λ3の差周波光を出力する非線形光学結晶と、前記第1のレーザおよび前記第2のレーザの少なくとも一方が電流駆動型の半導体レーザ半導体レーザであって、前記半導体レーザを駆動する直流駆動電流をランプ波形または三角波形の変調信号で強度変調することにより、前記半導体レーザの発振周波数を連続的に掃引させる駆動回路とを備え、前記レーザ光検出手段は、光導電素子または熱型検出素子であり、前記レーザ光検出手段の出力と前記変調信号とを前記オシロスコープに入力して光学吸収特性を測定することを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, the invention described in claim 1 includes a laser beam emitting means, and a laser beam detector for detecting light emitted from the laser beam emitting means and passing through the substance to be measured. And an oscilloscope, wherein the laser light emitting means includes a first laser that generates laser light having a wavelength λ 1 , and a wavelength λ 2. there of a second laser for generating a laser beam, the type wavelength lambda 1 between the laser beam and the wavelength lambda 2 of the laser beam, the 1 / λ 1 -1 / λ 2 = 1 / λ 3 relationships and a non-linear optical crystal to output a difference frequency light having a wavelength lambda 3, at least one of the first laser and the second laser is a semiconductor laser semiconductor laser of a current-driven DC drive for driving the semiconductor laser The current is ramped Is by intensity modulation with a modulation signal of the triangular waveform, and a drive circuit to continuously sweep the oscillation frequency of said semiconductor laser, said laser beam detecting means is a photoconductive element or thermal detection device, the An optical absorption characteristic is measured by inputting the output of the laser light detection means and the modulation signal to the oscilloscope.
前記非線形光学結晶は、ニオブ酸リチウム(LN)、タンタル酸リチウム(LT)またはその混晶、ZnもしくはMgが添加されているLN、LTまたはその混晶、あるいはAgGaS2、GaAs、GaP、Te、CdGeAs2、ZnGeP2、GaSe、Tl3AsSe3、AgGaSe3、CdSe、Ag3SbS3、Ag3AsS3またはその混晶であり、周期的に分極反転構造が形成されている。 The nonlinear optical crystal includes lithium niobate (LN), lithium tantalate (LT) or a mixed crystal thereof, LN, LT or a mixed crystal to which Zn or Mg is added, or AgGaS 2 , GaAs, GaP, Te, CdGeAs 2 , ZnGeP 2 , GaSe, Tl 3 AsSe 3 , AgGaSe 3 , CdSe, Ag 3 SbS 3 , Ag 3 AsS 3, or a mixed crystal thereof, and a periodically poled structure is formed.
以上説明したように、本発明によれば、半導体レーザを駆動する直流駆動電流を、ランプ波形または三角波形の変調信号で強度変調することにより、半導体レーザの発振周波数を連続的に掃引できるので、高効率、高安定、小型、低価格の2μm帯から20μm帯の波長域における光吸収測定装置を提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, the DC drive current for driving the semiconductor laser, by intensity modulating a ramp waveform or a triangular waveform of the modulation signal, because the oscillation frequency of the semiconductor laser can be continuously swept, It is possible to provide an optical absorption measurement device in the wavelength range of 2 μm to 20 μm that is highly efficient, highly stable, small, and inexpensive.
また、本発明によれば、半導体レーザを用いるので、光通信帯域で用いられるレーザを適用することにより、高出力化が容易となり、従来の大出力レーザを用いなくとも、非線形吸収の観測を含む高分解能分光が可能となる。 In addition, according to the present invention, since a semiconductor laser is used, it is easy to increase the output by applying a laser used in the optical communication band, and includes observation of nonlinear absorption without using a conventional high-power laser. High resolution spectroscopy is possible.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。最初に、図1を参照して、光吸収測定装置の原理について説明する。半導体レーザ1からレンズ5を介して出力された光は、チョッパの回転円盤6に形成されたスリットを通過することによりチョッピングされ、ガスセル11を通過して、受光器12に入射される。参照光が必要な場合は、回転円盤6とガスセル11との間にビームスプリッタ9を挿入して分岐させる。ロックインアンプ13は、回転円盤6を制御するチョッパの制御部から同期信号を入力し、受光器12からの電気信号を、ロックイン検波する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the principle of the light absorption measurement apparatus will be described with reference to FIG. The light output from the semiconductor laser 1 through the lens 5 is chopped by passing through a slit formed in the rotating disk 6 of the chopper, passes through the
この光吸収測定装置は、2μm帯から20μm帯の波長帯で直接発振する半導体レーザを用いる。光吸収の分光スペクトル測定においては、プリズム、グレーティングなどの分光素子を用いる分光器を使用しないので、より高分解能の分光測定を行うことができる。受光器には、簡便に入手が可能な光導電素子、または熱型検出素子を用いる。これら受光器には、上述した理由によりチョッパ操作が不可欠であるため、高感度観察が可能となるロックイン検波を前提としている。測定対象は、図中に示したガスセルに限るものではない。ビームスプリッタで分岐された参照光は、光源の揺らぎ、系の安定性に起因する雑音、光源のスペクトル形状の影響を排除する目的で使用する。参照光を用いるほうが、正確なスペクトル観測を可能にすることは言うまでもない。 This optical absorption measurement apparatus uses a semiconductor laser that directly oscillates in the wavelength band of 2 μm to 20 μm. In the spectroscopic measurement of light absorption, since a spectroscope using a spectroscopic element such as a prism or a grating is not used, a spectroscopic measurement with higher resolution can be performed. For the light receiver, a photoconductive element or a thermal detection element that can be easily obtained is used. For these light receivers, chopper operation is indispensable for the reasons described above, and therefore, it is assumed that lock-in detection that enables high-sensitivity observation is possible. The measurement object is not limited to the gas cell shown in the figure. The reference light branched by the beam splitter is used for the purpose of eliminating the influence of the fluctuation of the light source, the noise caused by the stability of the system, and the spectral shape of the light source. It goes without saying that the use of the reference light enables accurate spectrum observation.
次に、図2を参照して、非線形光学結晶における差周波発生により得られたレーザ光を用いる光吸収測定装置の原理を説明する。レーザ21から出力される信号光とレーザ22から出力される励起光とは、合波器23により合波され、非線形光学結晶24に入射される。非線形光学結晶24における差周波発生により、2μm帯から20μm帯の差周波光が出射される。非線形光学結晶24からレンズ25を介して出力された光は、短波長側を反射し中赤外光を透過する2色ミラー27およびフィルタ28により、差周波光のみが取り出される。
Next, with reference to FIG. 2, the principle of the optical absorption measurement apparatus using the laser beam obtained by the difference frequency generation in the nonlinear optical crystal will be described. The signal light output from the
差周波光は、チョッパの回転円盤26に形成されたスリットを通過することによりチョッピングされ、ガスセル31を通過して、受光器32に入射される。参照光が必要な場合は、フィルタ28とガスセル31との間にビームスプリッタ29を挿入して分岐させる。ロックインアンプ33は、回転円盤26を制御するチョッパの制御部から同期信号を入力し、受光器32からの電気信号を、ロックイン検波する。
The difference frequency light is chopped by passing through a slit formed in the rotating
このようにして、2μm帯から20μm帯の光源を用いた光吸収測定装置を実現することができる。しかしながら、これらの光吸収測定装置では、ロックイン検出が前提となるため、依然として系が複雑であり、小型化、可搬性、コストを抑えることが困難である。 In this way, it is possible to realize a light absorption measurement device using a light source of 2 μm band to 20 μm band. However, since these light absorption measurement devices are premised on lock-in detection, the system is still complicated, and it is difficult to reduce the size, portability, and cost.
(第1の実施形態)
図3に、本発明の第1の実施形態にかかる光吸収測定装置の構成を示す。半導体レーザ41からレンズ45を介して出力された光は、ガスセル51を通過して、受光器52に入射される。参照光が必要な場合は、レンズ45とガスセル51との間にビームスプリッタ49を挿入して分岐させる。受光器52の出力は、増幅器54を介してオシロスコープ57に入力され、被測定物質の光学吸収特性が測定される。半導体レーザ41には駆動回路55が接続され、オシロスコープ57および駆動回路55に、ランプ波形または三角波形の信号を出力する発振器56が接続されている。
(First embodiment)
FIG. 3 shows the configuration of the light absorption measurement apparatus according to the first embodiment of the present invention. Light output from the
半導体レーザ41を駆動する駆動回路55について説明する。従来のチョッピング操作は、光の有無の2値状態を作ることができれば、電気伝導度の逐次変化、温度の逐次変化を測定することができるので、光のオン・オフ機能を利用しさえすればよい。一方、光吸収測定装置には分光機能、または波長掃引機能が不可欠であり、光源の波長を掃引することが必要となる。そこで、駆動回路55において、半導体レーザ41の発振状態を注入電流により制御して、出射光の強度と周波数とを同時に制御する。すなわち、オン・オフ機能と波長掃引機能とを同時に実現する。
A
機械的なチョッピング操作は、矩形波変調に相当し、光の強度の2値状態(オン・オフ)しかとり得ないため、駆動回路による制御を行っても、周波数は離散的な2値しかとり得ない。そこで、三角波またはランプ波を基準にした波形によって強度変調する。消光状態と発光状態との間をなだらかに変化することから、周波数も同様に連続的に掃引することができる。また、長波長帯における受光器の周波数帯域が数100kHzまでと低いことから、光の強度の変化率が小さい場合でも、低雑音の増幅器を用いることができ、S/Nの低下を招くことなく、オン・オフ状態と位相変調を含む周波数変調とを同時に検出することができる。 The mechanical chopping operation corresponds to rectangular wave modulation and can only take a binary state (on / off) of the light intensity. Therefore, even if the control by the drive circuit is performed, the frequency takes only a discrete binary value. I don't get it. Therefore, intensity modulation is performed with a waveform based on a triangular wave or a ramp wave. Since the transition between the extinction state and the light emission state changes smoothly, the frequency can be swept continuously as well. Further, since the frequency band of the light receiver in the long wavelength band is as low as several hundred kHz, even when the change rate of the light intensity is small, a low-noise amplifier can be used without causing a decrease in S / N. On-off state and frequency modulation including phase modulation can be detected simultaneously.
(第2の実施形態)
図4に、本発明の第2の実施形態にかかる光吸収測定装置の構成を示す。第2の実施形態では、非線形光学結晶における差周波発生により得られたレーザ光を用いる。レーザ61から出力される信号光とレーザ62から出力される励起光とは、合波器63により合波され、非線形光学結晶64に入射される。非線形光学結晶64における差周波発生により、2μm帯から20μm帯の差周波光が出射される。非線形光学結晶64からレンズ65を介して出力された光は、短波長側を反射し中赤外光を透過する2色ミラー67およびフィルタ68により、差周波光のみが取り出される。差周波光は、ガスセル71を通過して、受光器72に入射される。参照光が必要な場合は、フィルタ68とガスセル71との間にビームスプリッタ69を挿入して分岐させる。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows the configuration of a light absorption measurement apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, laser light obtained by difference frequency generation in a nonlinear optical crystal is used. The signal light output from the
受光器72の出力は、増幅器74を介してオシロスコープ77に入力され、被測定物質の光学吸収特性が測定される。レーザ61,62にはそれぞれ駆動回路75a,75bが接続され、オシロスコープ77および駆動回路75aに、ランプ波形または三角波形の信号を出力する発振器76が接続されている。
The output of the
第2の実施形態において、差周波光のエネルギーは、信号光と励起光とのエネルギー差で与えられるため、差周波光の波長の組み合わせの自由度は大きい。従って、所望の波長変換効率が得られれば、任意の波長のレーザ光を出力することができる。三角波またはランプ波形を基準にした波形に変調するのは、励起光か信号光のどちらか一方でよいので、少なくとも一方は、電流駆動型の半導体レーザを用いる。外部共振器型の半導体レーザ(ECLD)を含む波長可変光源、DFB(Distributed Feedback)型レーザ(DFB−LD)、半導体レーザとファイバブラックグレーティング(FBG)とを組み合わせて線幅の狭窄化、単一縦モード化した光源なども適用することができる。また、ファイバアンプなどを信号光を出力するレーザと併用することにより、高出力化が可能であり、非線形吸収の観測が容易になる。一方、0.92μm〜1.1μmの励起光を出力するレーザにも、FBGを併用する高出力半導体レーザを適用することができる。このように、光通信帯域で用いられるレーザを適用することにより、高出力化が容易となり、従来の大出力レーザを用いなくとも、非線形吸収の観測を含む高分解能分光が可能となる。 In the second embodiment, since the energy of the difference frequency light is given by the energy difference between the signal light and the excitation light, the degree of freedom of the combination of the wavelengths of the difference frequency light is great. Therefore, if desired wavelength conversion efficiency is obtained, laser light having an arbitrary wavelength can be output. Since either the excitation light or the signal light may be modulated into the waveform based on the triangular wave or the ramp waveform, at least one of them uses a current-driven semiconductor laser. Variable wavelength light source including external cavity type semiconductor laser (ECLD), DFB (Distributed Feedback) type laser (DFB-LD), combination of semiconductor laser and fiber black grating (FBG), narrowing of line width, single A light source in a vertical mode can also be applied. Further, when a fiber amplifier or the like is used in combination with a laser that outputs signal light, the output can be increased, and observation of nonlinear absorption becomes easy. On the other hand, a high-power semiconductor laser that also uses FBG can be applied to a laser that outputs excitation light of 0.92 μm to 1.1 μm. Thus, by applying the laser used in the optical communication band, it is easy to increase the output, and high-resolution spectroscopy including observation of nonlinear absorption is possible without using a conventional high-power laser.
本実施形態によれば、チョッピング操作とロックイン検出とを行う位相敏感検出を利用する必要がない。励起光、信号光、差周波光のいずれかに三角波またはランプ波形による強度変調を施すことにより、1/f雑音の蓄積を抑圧すると同時に、周波数変調を同時に行うことができる。従って、さらに、小型化、可搬性、低価格を実現する光吸収測定装置を構成することができる。 According to the present embodiment, it is not necessary to use phase sensitive detection that performs chopping operation and lock-in detection. By applying intensity modulation using either a triangular wave or a ramp waveform to any of the excitation light, signal light, and difference frequency light, it is possible to suppress the accumulation of 1 / f noise and simultaneously perform frequency modulation. Therefore, it is possible to further configure a light absorption measuring device that realizes miniaturization, portability, and low cost.
図5に、実施例1にかかる光吸収測定装置の構成を示す。レーザ81から出力される信号光とレーザ82から出力される励起光とは、合波器83により合波され、非線形光学結晶84に入射される。レーザ81は、1569nmで発振するDFB−LDを用いる。レーザ82は、976.3nmを中心波長とするFBGを装着したファブリペローレーザ(FP)を用いる。非線形光学結晶84への入射光の結合は、バッティングによる結合手法を用いたり、レンズ結合を用いることもできる。非線形光学結晶84における差周波発生により、2μm帯から20μm帯の差周波光が出射される。
FIG. 5 shows a configuration of the light absorption measuring apparatus according to the first embodiment. The signal light output from the
実施例1では、非線形光学結晶84は、擬似位相整合型のLiNbO3(LN)からなる導波路を使用し、差周波発生により、
1/λ3=1/λ1−1/λ2
の関係を有する波長λ3=2583nmの変換光を出力する。この波長は、水の吸収線に一致するため、大気の水蒸気濃度を測定することができる。
In Example 1, the nonlinear
1 / λ 3 = 1 / λ 1 −1 / λ 2
The converted light with the wavelength λ 3 = 2583 nm having the relationship of Since this wavelength matches the absorption line of water, the water vapor concentration in the atmosphere can be measured.
非線形光学結晶84は、LNの他に、LiTaO3(LT)、またはその混晶、あるいはZnもしくはMgが添加されているLN、LTまたはその混晶を用いることができる。また、AgGaS2、GaAs、GaP、Te、CdGeAs2、ZnGeP2、GaSe、Tl3AsSe3、AgGaSe3、CdSe、Ag3SbS3、Ag3AsS3またはその混晶を用いることもできる。非線形光学結晶84には、周期的に分極反転構造が形成されており、これに加えて、導波路構造を有することにより、波長変換効率を高くすることができる。
As the nonlinear
非線形光学結晶84からレンズ85を介して出力された光は、短波長側を反射し中赤外光を透過する2色ミラー87およびフィルタ88により、差周波光のみが取り出される。レンズ85は、出射光の波長に応じて無水石英、CaF2、KBrを用いる。2μm帯では無水石英でもよいが、2〜7μm帯の全域で吸収がなく潮解性もなく取り扱い易いCaF2が好ましい。7μm帯以上では、KBrを用いなければ光が透過しない。フィルタ88は、Geを用いた波長フィルタが使い易く、信号光および励起光をカットして、差周波光のみを取り出すことができる。参照光が必要な場合は、フィルタ88と受光器92との間にビームスプリッタ89を挿入して分岐させる。
From the light output from the nonlinear
差周波光は、大気中の被測定物質を通過して、受光器92に入射される。受光器92には、PbSe光導電素子を室温で用いる。PbS、HgCdTeなどの光導電素子の他、サーモパイル、コンデンサマイクロフォン、焦電素子などの熱型検出素子を用いることもできる。
The difference frequency light passes through the substance to be measured in the atmosphere and enters the
受光器92の出力は、増幅器94を介してオシロスコープ97に入力され、被測定物質の光学吸収特性が測定される。増幅器94は、低雑音の直流増幅器を使用する。使用周波数に応じて交流増幅器を使用することもできるが、PbSe光導電素子の感度が広域には延びておらず、高々数kHz程度であることから、直流増幅器が好ましい。レーザ81,82にはそれぞれ駆動回路95a,95bが接続され、オシロスコープ97および駆動回路95aに、ランプ波形または三角波形の信号を出力する発振器96が接続されている。
The output of the
駆動回路95aからレーザ81への注入電流には、100Hz〜1kHzの繰り返しランプ波形を±50mA程度で重畳する。オン・オフ機能により、隣の吸収線も含む2nm相当の波長幅に亘って吸収スペクトルを観測できる。受光器92として、PbSe光導電素子を室温で用いるが、S/N劣化は観測されず良好に動作する。一日8時間連続動作させ、3日間観測したが、結果に変化はなかった。
A repetitive ramp waveform of 100 Hz to 1 kHz is superimposed on the injection current from the
また、被測定物質を透過した差周波光を、参照光で割り算することにより、0〜100%の透過スペクトルが得られる。ここでは大気を被測定物質としているが、封じ切のガスセル、フロータイプのガスセル、マルチパスセルを用いても、同様に透過スペクトルを得ることができる。参照光の利用は、ガスセルであれば参照セルを用いるのがよく、マルチパスセルや大気では、被測定物質への光入射直前の位置に受光器を配置すればよい。 Moreover, a transmission spectrum of 0 to 100% can be obtained by dividing the difference frequency light transmitted through the substance to be measured by the reference light. Here, air is used as the substance to be measured, but a transmission spectrum can be obtained in the same manner even if a sealed gas cell, a flow type gas cell, or a multi-pass cell is used. For use of the reference light, a reference cell is preferably used in the case of a gas cell, and in a multi-pass cell or the atmosphere, a light receiver may be disposed at a position immediately before light is incident on the substance to be measured.
図6に、実施例2にかかる光吸収測定装置の構成を示す。光源101から出射されたレーザ光は、凹面鏡103、ミラー105,107からなる反射光学系と、ビームスプリッタ109とを介してマルチパスセル111に入力される。光源101は、量子カスケードレーザ(QCL)またはPb塩レーザ(LSL)を用いる。勿論、光源はこれらに限るものではなく、非線形光学結晶における差周波発生を利用する光源でもよい。
FIG. 6 shows a configuration of a light absorption measuring apparatus according to the second embodiment. Laser light emitted from the
実施例2では、被測定物がマルチパスセル111を用いて観測しないと検出できないような希薄なガスを想定している。大気中のCO2、CO、N2O、CH4、COS、NH3などである。マルチパスセル111は、分解能を向上させるため、減圧操作を行って分析する場合もある。水蒸気の吸収が共存する場合など、スペクトルを分離させるために、減圧を行う場合もある。
In the second embodiment, a dilute gas that cannot be detected unless the object to be measured is observed using the
マルチパスセル111から出力された光は、凹面鏡110、ミラー113からなる反射光学系を介して、受光器112aに入射される。参照光を用いない場合には、例えば、ランプ波形の包絡線に吸収線が重畳されて観測される。参照光を用いる場合には、ビームスプリッタ109で分岐された光を、受光器112bに入射する。被測定物を透過した光と参照光とは、各々独立に電気信号に変換され、増幅器114a,114bで増幅され、差動増幅器119で差分を取り出し、オシロスコープ117により被測定物質の光学吸収特性を測定する。ここでは、参照光の電気信号を減衰器118で強度を調節する。光源101には駆動回路115が接続され、オシロスコープ117および駆動回路115に、ランプ波形または三角波形の信号を出力する発振器116が接続されている。
The light output from the
光源101として、4868nm近傍で発振するQCLを用いると、大気中または呼気中に存在するカルボニルサルファイド(COS)を観測することができる。マルチパスセル111は、数10m〜100m程度の光路長を有するセルが適している。COSスペクトルを背景吸収から分離して観測しやすくするためには、マルチパスセル111を減圧し、大気圧(760Torr)より若干低い100Torr〜40Torr程度で使用する。駆動回路115は、例えば、1A程度の波高値のランプ波形を100Hz〜1kHzの繰り返し周期で、QCLを駆動する。
When QCL that oscillates in the vicinity of 4868 nm is used as the
本発明によれば、環境ガス、工業プロセスガスなどガスの計測・分析機器への応用が可能な光吸収測定装置を提供することができる。本発明にかかる光吸収測定装置は、直接光吸収を観測することは勿論、発光過程を示す遷移には吸収発光観測を、非発光過程を示す遷移には光音響分光を適用することができる。また、自然幅観測に有効な非線形現象として知られる飽和吸収観測も可能となる。さらに、散乱光、ソフトターゲットからの反射を利用するフィールドにおけるガス吸収分光、ライダー計測にも応用することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optical absorption measuring device which can be applied to measurement / analysis apparatus of gas, such as environmental gas and industrial process gas, can be provided. The light absorption measuring apparatus according to the present invention can directly observe light absorption, and can apply absorption emission observation to transitions showing a light emission process and photoacoustic spectroscopy to transitions showing a non-light emission process. In addition, saturated absorption observation known as a nonlinear phenomenon effective for natural width observation is also possible. Furthermore, it can be applied to gas absorption spectroscopy and lidar measurement in the field using scattered light and reflection from a soft target.
1,41,101 半導体レーザ
21,22,61,62,81,82 レーザ
23,63,83 合波器
24,64,84 非線形光学結晶
5,25,45,65,85 レンズ
6,26 回転円盤
27,30,67,87,105,107,113 ミラー
28,68,88 フィルタ
9,29,49,69,89,109 ビームスプリッタ
11,31,51,71 ガスセル
12,32,52,72,92,112 受光器
13,33 ロックインアンプ
54,74,94,114 増幅器
55,75,95,115 駆動回路
56,76,96,116 発振器
57,77,97,117 オシロスコープ
103,110 凹面鏡
111 マルチパスセル
118 減衰器
119 差動増幅器
1, 41, 101
Claims (3)
波長λ1のレーザ光を発生する第1のレーザと、
波長λ2のレーザ光を発生する第2のレーザと、
前記波長λ1のレーザ光と前記波長λ2のレーザ光とを入力し、1/λ1−1/λ2=1/λ3の関係にある波長λ3の差周波光を出力する非線形光学結晶と、
前記第1のレーザおよび前記第2のレーザの少なくとも一方が電流駆動型の半導体レーザであって、前記半導体レーザを駆動する直流駆動電流をランプ波形または三角波形の変調信号で強度変調することにより、前記半導体レーザの発振周波数を連続的に掃引させる駆動回路とを備え、
前記レーザ光検出手段は、光導電素子または熱型検出素子であり、
前記レーザ光検出手段の出力と前記変調信号とを前記オシロスコープに入力して光学吸収特性を測定することを特徴とする光吸収測定装置。 An optical absorption measuring device including laser light emitting means, laser light detecting means for detecting light emitted from the laser light emitting means and passing through the substance to be measured, and an oscilloscope, and measuring optical absorption characteristics of the substance to be measured In the laser beam emitting means,
A first laser that generates laser light of wavelength λ 1 ;
A second laser that generates laser light of wavelength λ2,
Nonlinear optics for inputting the laser light having the wavelength λ 1 and the laser light having the wavelength λ 2 and outputting the difference frequency light having the wavelength λ 3 in the relationship of 1 / λ 1 −1 / λ 2 = 1 / λ 3. Crystals,
At least one of the first laser and the second laser is a current-driven semiconductor laser, and the intensity of a direct-current drive current for driving the semiconductor laser is modulated with a ramp waveform or a triangular waveform modulation signal, A drive circuit for continuously sweeping the oscillation frequency of the semiconductor laser,
The laser light detection means is a photoconductive element or a thermal detection element,
An optical absorption measurement apparatus, wherein an optical absorption characteristic is measured by inputting an output of the laser light detection means and the modulation signal to the oscilloscope.
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