JP4853255B2 - ガス分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光を被測定ガスに照射し被測定ガスの吸収線を測定してガス分析を行うガス分析装置に関し、特に光源の強度変動やダストによる影響を受けないガス分析装置に関する。
従来のレーザ光を被測定ガスに照射し被測定ガスの吸収線を測定してガス分析を行うガス分析装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
特開平１０−２８１９８８号公報 特開２０００−１９３６４５号公報
図３はこのような従来のガス分析装置の一例を示す構成ブロック図である。図３において、１はレーザ光源である半導体レーザ、２は被測定ガス、３はフォトダイオード等の受光素子、４は受光素子３で受光された光の強度信号を測定する強度信号測定回路、５は半導体レーザ１の発振波長を制御すると共に強度信号測定装置４からの測定信号に基づき被測定ガス２の分析を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）等の制御回路である。
半導体レーザ１の出力光であるレーザ光は、図３中”ＬＧ０１”に示すように被測定ガス２に照射され、被測定ガス２を透過したレーザ光が受光素子３に入射される。
受光素子３の出力端子は強度信号測定回路４の入力端子に接続され、強度信号測定回路４の出力端子は制御回路５の入力端子に接続される。また、制御回路５からの制御信号は半導体レーザ１の制御入力端子に印加される。
ここで、図３に示す従来例の動作を説明する。制御回路５の制御信号により半導体レーザ１の出力光であるレーザ光の発振波長は、被測定ガス２の吸収線を中心に掃引される。このように発振波長が掃引されたレーザ光は被測定ガス２を透過して受光素子３で受光される。
そして、強度信号測定回路４で強度信号が測定され、制御回路５は測定された強度信号と発振波長との関係からガス種及びガス濃度を求め図示しない表示手段等に適宜表示する。
例えば、図４は図３に示す従来例で測定されたアンモニアガスの吸収線の一例を示す特性曲線である。図４中”ＣＨ１１”に示すようにアンモニアガスの吸収線の一つは波長が”１５０１．５ｎｍ〜１５０２．０ｎｍ”の間に存在する。但し、図４において縦軸は透過率で現している。
言い換えれば、掃引した発振波長に対する被測定ガス２の吸収線によるレーザ光の吸収率（吸光度）を求めることにより被測定ガスの分析を行うことができる。
この結果、レーザ光の発振波長を掃引する共に被測定ガスを透過したレーザ光の強度信号に基づき被測定ガスの吸収線による吸収率（吸光度）を求めることにより、被測定ガスの分析を行うことができる。
しかし、図３に示す従来例では、光源である半導体レーザ１の出力光の測定中の強度変動により測定誤差が生じ、また、測定中にダスト等の物体がレーザ光の光路を通過等することによる強度変動により測定誤差を生じると言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、光源の強度変動やダストによる影響を受けないガス分析装置を実現することにある。
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
レーザ光を被測定ガスに照射し被測定ガスの吸収線を測定してガス分析を行うガス分析装置において、
レーザ光源と、このレーザ光源の出力光を信号光と参照光に分岐させ前記信号光を被測定ガスに照射させる光分岐手段と、前記被測定ガスを透過した前記信号光と前記参照光とを合波させ干渉光を発生させる光合波手段と、前記干渉光を受光する受光素子と、この受光素子で受光された干渉信号を測定する干渉信号測定回路と、前記レーザ光源の出力光の発振波長を掃引すると共に前記干渉信号に基づき前記信号光の群遅延を求め前記群遅延と前記発振波長との関係からガス種及びガス濃度を求める制御回路とを備えたことにより、光源の強度変動やダストによる影響を受けることなく被測定ガスの分析を行うことができる。また、信号光と干渉光を合波した干渉信号に基づき群遅延を求めるため高感度であり、信号光の減衰が大きなアプリケーションへの適用が可能になる。
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明であるガス分析装置において、
前記レーザ光源が、
半導体レーザであることにより、光源の強度変動やダストによる影響を受けることなく被測定ガスの分析を行うことができる。また、信号光と干渉光を合波した干渉信号に基づき群遅延を求めるため高感度であり、信号光の減衰が大きなアプリケーションへの適用が可能になる。
請求項３記載の発明は、
請求項２記載の発明であるガス分析装置において、
前記制御回路が、
前記半導体レーザに供給する注入電流を制御することにより前記発振波長を掃引することにより、光源の強度変動やダストによる影響を受けることなく被測定ガスの分析を行うことができる。また、信号光と干渉光を合波した干渉信号に基づき群遅延を求めるため高感度であり、信号光の減衰が大きなアプリケーションへの適用が可能になる。
請求項４記載の発明は、
請求項１記載の発明であるガス分析装置において、
前記レーザ光源が、
面発光型波長可変レーザであることにより、光源の強度変動やダストによる影響を受けることなく被測定ガスの分析を行うことができる。また、信号光と干渉光を合波した干渉信号に基づき群遅延を求めるため高感度であり、信号光の減衰が大きなアプリケーションへの適用が可能になる。
請求項５記載の発明は、
請求項１記載の発明であるガス分析装置において、
前記レーザ光源が、
外部共振型波長可変レーザであることにより、光源の強度変動やダストによる影響を受けることなく被測定ガスの分析を行うことができる。また、信号光と干渉光を合波した干渉信号に基づき群遅延を求めるため高感度であり、信号光の減衰が大きなアプリケーションへの適用が可能になる。
請求項６記載の発明は、
請求項１記載の発明であるガス分析装置において、
前記受光素子が、
フォトダイオードアレイであることにより、光源の強度変動やダストによる影響を受けることなく被測定ガスの分析を行うことができる。また、信号光と干渉光を合波した干渉信号に基づき群遅延を求めるため高感度であり、信号光の減衰が大きなアプリケーションへの適用が可能になる。
請求項７記載の発明は、
請求項１記載の発明であるガス分析装置において、
前記光分岐手段が、
ハーフミラー若しくはファイバカプラであることにより、光源の強度変動やダストによる影響を受けることなく被測定ガスの分析を行うことができる。また、信号光と干渉光を合波した干渉信号に基づき群遅延を求めるため高感度であり、信号光の減衰が大きなアプリケーションへの適用が可能になる。
請求項８記載の発明は、
請求項１記載の発明であるガス分析装置において、
前記光光波手段が、
ハーフミラー若しくはファイバカプラであることにより、光源の強度変動やダストによる影響を受けることなく被測定ガスの分析を行うことができる。また、信号光と干渉光を合波した干渉信号に基づき群遅延を求めるため高感度であり、信号光の減衰が大きなアプリケーションへの適用が可能になる。
本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４，５，６，７及び請求項８の発明によれば、レーザ光の発振波長を掃引する共にレーザ光を参照光と被測定ガスを透過する信号光に分岐し、両者を再び合波して干渉信号を生成し、干渉信号に基づき信号光のガス種及びガス濃度を求めることにより、光源の強度変動やダストによる影響を受けることなく被測定ガスの分析を行うことができる。
また、信号光と干渉光を合波した干渉信号に基づきガス種及びガス濃度を求めるため高感度であり、信号光の減衰が大きなアプリケーションへの適用が可能になる。
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るガス分析装置の一実施例を示す構成ブロック図である。
図１において、６はレーザ光源である半導体レーザ、７及び１０は光分岐手段若しくは光合波手段として機能するハーフミラー、８は被測定ガス、９はミラー、１１はフォトダイオード等の受光素子、１２は受光素子１１で受光された光の干渉信号を測定する干渉信号測定回路、１３は半導体レーザ６の発振波長を制御すると共に干渉信号測定装置１２からの測定信号に基づき被測定ガス８の分析を行うＣＰＵ等の制御回路である。
半導体レーザ６の出力光であるレーザ光は、図１中”ＬＧ２１”に示すように光分岐手段として機能するハーフミラー７に照射され、ハーフミラー７を透過した光は、図１中”ＳＧ２１”に示す信号光として被測定ガス８に照射される。
図１中”ＳＧ２１”に示す被測定ガス８を透過した信号光はミラー９で反射され、ミラー９での反射光は、図１中”ＳＧ２２”に示す信号光として再び被測定ガス８に照射され、被測定ガス８を透過した信号光は光合波手段として機能するハーフミラー１０に照射される。
一方、光分岐手段として機能するハーフミラー７で反射された光は、図１中”ＲＦ２１”に示す参照光として光合波手段として機能するハーフミラー１０に照射される。
図１中”ＳＧ２２”に示す信号光と、図１中”ＲＦ２１”に示す参照光は光合波手段として機能するハーフミラー１０で合波されて干渉し、図１中”ＬＧ２２”に示す干渉光として受光素子１１に入射される。
受光素子１１の出力端子は干渉信号測定回路１２の入力端子に接続され、干渉信号測定回路１２の出力端子は制御回路１３の入力端子に接続される。また、制御回路１３からの制御信号は半導体レーザ６の制御入力端子に印加される。
ここで、図１に示す実施例の動作を図２を用いて説明する。図２は波長変化に対する群遅延（相対値）の関係を示す特性曲線図である。
一般的に、物質の誘電率の実部（屈折率に関係する量）と虚部（吸収率に関係する量）との間にはクラマース・クローニッヒの関係があることが知られており、ガスの吸収線が存在して吸収率に関係する量（誘電率の実部）が変化する波長帯では、屈折率に関係する量（誘電率の虚部）も波長により変化する。そして、その変化は、クラマース・クローニッヒの関係により一対一に対応している。
例えば、図４に示すピークの吸収率が”５％（透過率が”０．９５”）”の吸収線からクラマース・クローニッヒの関係により群遅延を計算すると、吸収線を基準にした群遅延の変化は図２中”ＣＨ３１”に示すようになり、ピークで”１．４ｐｓ”程度の変化になる。
ここで、群遅延とは、光信号が測定対象（被測定ガス８）を通過する時間であり光路長に関係する量、言い換えれば、測定対象（被測定ガス８）の屈折率に関係する量のことである。
すなわち、図１に示す実施例では発振波長を掃引して被測定ガスの吸収線による吸収率（吸光度）を求めるのではなく、測定光の群遅延（被測定ガスの屈折率変化）を測定することにより、実質的に被測定ガスの分析を行う。
群遅延は、信号光の位相の波長（角周波数）依存性から求められる。郡遅延を”τｇ”、信号光の波長（角周波数）を”ω”、信号光の位相を”θ”とすれば、
Figure 0004853255
 となる。
言い換えれば、信号光の波長（角周波数）”ω”を変化させながら、信号光の位相”θ”の変化量を測定することにより、信号光の群遅延”τｇ”を計算することができる。
但し、このような波長帯では、信号光の角周波数（波長）は”約２００ＴＨｚ”であり、位相を直接測定する困難であるので、信号光と参照光を干渉させて当該干渉信号に基づき信号光の位相変化を測定する。
すなわち、制御回路１３の制御信号により半導体レーザ６の出力光であるレーザ光の発振波長は、被測定ガス８の吸収線を中心に掃引される。
このように発振波長が掃引されたレーザ光は、ハーフミラー７で図１中”ＳＧ２１”に示す信号光と図１中”ＲＦ２１”に示す参照光とに分岐され、図１中”ＳＧ２１”に示す信号光は被測定ガス８を透過後、ミラー９で反射されて図１中”ＳＧ２２”に示す信号光として再び被測定ガス８を透過してハーフミラー１０に照射される。
ハーフミラー１０では図１中”ＳＧ２２”に示す信号光と、図１中”ＲＦ２１”に示す参照光とが合波され、信号光と参照光との位相差に対応した図１中”ＬＧ２２”に示す干渉信号となり、受光素子１１で受光され干渉信号測定回路１２で測定される。
この時、参照光の位相の波長（角周波数）依存性は参照光の光路によって一意に決まる値であるので、干渉信号から信号光の位相の波長（角周波数）依存性、言い換えれば、信号光の群遅延が求まる。
そして、制御回路１３は干渉信号測定回路１２で測定された干渉信号に基づき信号光の群遅延を求め、当該信号光の群遅延と発振波長との関係からガス種及びガス濃度を求めて図示しない表示手段等に適宜表示する。
例えば、信号光の群遅延と発振波長との関係は、図２中”ＣＨ３１”に示すような特性曲線になり、発振波長を掃引して被測定ガスの吸収線による吸収率（吸光度）を求めた場合と同様に、アンモニアガスの吸収線の一つは波長が”１５０１．５ｎｍ〜１５０２．０ｎｍ”の間に存在することになる。
言い換えれば、掃引した発振波長に対する信号光の群遅延を求めることにより被測定ガスの分析を行うことができる。
また、強度変化ではなく、被測定ガスの屈折率変化（群速度）を測定しているため、光源の強度変動や光路中のダスト等による強度変動の影響を受けないことになる。
この結果、レーザ光の発振波長を掃引する共にレーザ光を参照光と被測定ガスを透過する信号光に分岐し、両者を再び合波して干渉信号を生成し、干渉信号に基づき信号光の群遅延を求めることにより、光源の強度変動やダストによる影響を受けることなく被測定ガスの分析を行うことができる。
また、信号光と干渉光を合波した干渉信号に基づき群遅延を求めるため高感度であり、信号光の減衰が大きなアプリケーションへの適用が可能になる。
なお、図１に示す実施例では、レーザ光源として半導体レーザを例示しているが、面発光型波長可変レーザ、外部共振型波長可変レーザ等のレーザ光が出力可能な光源であればどのような光源であっても構わない。
また、半導体レーザを光源として用いる場合には、制御回路が半導体レーザに供給する注入電流を制御することにより発振波長を掃引することが可能である。
また、図１に示す実施例では、受光素子１１としてはフォトダイオードを例示しているが、フォトダイオードアレイを用いても構わない。
また、図１に示す実施例では、光分岐手段若しくは光合波手段としてハーフミラーを例示しているが、ファイバカプラであっても構わない。
また、図１に示す実施例では、ミラー９によって図１中”ＳＧ２１”示す信号光を反射させているが、光合波手段である、ハーフミラー１０によって図１中”ＳＧ２１”に示す信号光と図１中”ＲＦ２１”に示す参照光を合波するような光学系を構成すればミラー９は不要である。
また、干渉計型波長モニタを用いて一定の光周波数間隔で干渉信号を測定しても構わない。すなわち、一定の周波数間隔（一定の”ω”間隔）で位相（”θ”）を測定することが望ましいので、干渉計型波長モニタにより信号光の周波数を測定し、所定の周波数間隔で干渉信号を測定しても構わない。
また、図１に示す実施例では、被測定ガス８の光路への導入方法について明示していないが、ガスセル等に被測定ガスを封入して光路に設置しても良いし、大気中に光路を設定し大気中のガスを被測定ガスとして直接測定するものであっても構わない。
また、図１に示す実施例では、半導体レーザ６の出力光でハーフミラー７を透過した光を信号光、ハーフミラー７で反射された光を参照光としているが、勿論、半導体レーザ６の出力光でハーフミラー７を透過した光を参照光、ハーフミラー７で反射された光を信号光としても構わない。
本発明に係るガス分析装置の一実施例を示す構成ブロック図である。 波長変化に対する群遅延の関係を示す特性曲線図である。 従来のガス分析装置の一例を示す構成ブロック図である。 アンモニアガスの吸収線の一例を示す特性曲線である。
符号の説明
１，６ 半導体レーザ
２，８ 被測定ガス
３，１１ 受光素子
４ 強度信号測定回路
５，１３ 制御回路
７、１０ ハーフミラー
９ ミラー
１２ 干渉信号測定回路

Claims (8)

  1. レーザ光を被測定ガスに照射し被測定ガスの吸収線を測定してガス分析を行うガス分析装置において、
    レーザ光源と、
    このレーザ光源の出力光を信号光と参照光に分岐させ前記信号光を被測定ガスに照射させる光分岐手段と、
    前記被測定ガスを透過した前記信号光と前記参照光とを合波させ干渉光を発生させる光合波手段と、
    前記干渉光を受光する受光素子と、
    この受光素子で受光された干渉信号を測定する干渉信号測定回路と、
    前記レーザ光源の出力光の発振波長を掃引すると共に前記干渉信号に基づき前記信号光の群遅延を求め前記群遅延と前記発振波長との関係からガス種及びガス濃度を求める制御回路と
    を備えたことを特徴とするガス分析装置。
  2. 前記レーザ光源が、
    半導体レーザであることを特徴とする
    請求項１記載のガス分析装置。
  3. 前記制御回路が、
    前記半導体レーザに供給する注入電流を制御することにより前記発振波長を掃引することを特徴とする
    請求項２記載のガス分析装置。
  4. 前記レーザ光源が、
    面発光型波長可変レーザであることを特徴とする
    請求項１記載のガス分析装置。
  5. 前記レーザ光源が、
    外部共振型波長可変レーザであることを特徴とする
    請求項１記載のガス分析装置。
  6. 前記受光素子が、
    フォトダイオードアレイであることを特徴とする
    請求項１記載のガス分析装置。
  7. 前記光分岐手段が、
    ハーフミラー若しくはファイバカプラであることを特徴とする
    請求項１記載のガス分析装置。
  8. 前記光光波手段が、
    ハーフミラー若しくはファイバカプラであることを特徴とする
    請求項１記載のガス分析装置。
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