JP5537174B2 - Gas concentration measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、共振器内に存在する測定対象ガスの濃度を測定するためのラマン散乱光を利用したガス濃度測定装置に関し、例えば、共振器を開放形とすることで大気中のガス濃度が測定され、また共振器を閉鎖系とすることで吸引したガスの濃度が測定される光ファイバー結合外部共振器型ガス濃度測定装置に関する。 The present invention relates to a gas concentration measurement apparatus using Raman scattered light for measuring the concentration of a measurement target gas existing in a resonator, and for example, the gas concentration in the atmosphere is measured by opening the resonator. In addition, the present invention relates to an optical fiber coupled external resonator type gas concentration measuring device in which the concentration of the sucked gas is measured by making the resonator a closed system.
従来、大気中の公害物質の測定や、プラント施設での可燃性ガスや毒性ガスの発生監視などにガス検出器が広く使用されている。微量ガス検出方法として光学的方法、特にレーザー分光分析技術が盛んに研究されている。レーザー光を用いたガス検出手法としては、レーザー吸収分光法、レーザー誘起蛍光法、ラマン散乱分光法などがある。 Conventionally, gas detectors are widely used for measuring pollutants in the atmosphere and monitoring generation of flammable gas and toxic gas in plant facilities. An optical method, particularly a laser spectroscopic analysis technique has been actively studied as a trace gas detection method. Gas detection methods using laser light include laser absorption spectroscopy, laser-induced fluorescence, and Raman scattering spectroscopy.
ここで、ラマン散乱は、単色光を分子に照射したときに、散乱光の周波数が分子の振動周波数だけ変移する現象であり、この散乱光の周波数変移量は、照射した単色光の周波数に無関係で、物質に固有の量である。そのため、特定波長のレーザー光を測定対象の物質に照射すると、レーザー光が当たった物質から、レーザー光の波長と異なる波長のラマン散乱光が発生する。また、その散乱光の強度は、その物質の濃度に比例することが知られている。 Here, Raman scattering is a phenomenon in which when the molecule is irradiated with monochromatic light, the frequency of the scattered light changes by the vibration frequency of the molecule, and the frequency shift amount of the scattered light is independent of the frequency of the emitted monochromatic light. This is the amount specific to the substance. Therefore, when laser light having a specific wavelength is irradiated onto a measurement target substance, Raman scattered light having a wavelength different from the wavelength of the laser light is generated from the substance hit with the laser light. Further, it is known that the intensity of the scattered light is proportional to the concentration of the substance.
ラマン散乱分光法を利用したガスの可視化ないし計測に関する技術としては、出願人が提案した、レーザー光により監視対象空間を走査し、当該レーザー光の波長をラマンシフトした波長に透過波長中心を有する第1の光学バンドパスフィルターによりラマン散乱光を集光し、1素子の受光素子により電気信号に変換し、第1の時間波形を測定すると共に、前記第1の光学バンドパスフィルターの透過光と波長域が異なる光を透過する第2の光学バンドパスフィルターにより特定波長の光を集光し、1素子の受光素子により電気信号に変換し、時間波形を測定し、続いて第1の時間波形と第2の時間波形との差分をとり、レーザー光の走査位置情報に基づいて監視対象空間の対応する位置座標を着色したラマン散乱光信号画像を作成し、それを監視対象空間の背景画像上に重畳表示することで水素ガスを可視化することを特徴とする水素ガス可視化方法及びそのシステム(特許文献1参照)、並びに、対象空間にレーザー光を照射し、窒素ガスからの散乱光を集光機構で集光し、第一の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第一工程、第一工程と同期して、対象空間にレーザー光を照射し、対象ガスの散乱光を集光機構で集光し、第二の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第二工程、窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光強度の強度比に基づいて対象空間における対象ガスの濃度を計算する第三工程、とを含むガス濃度遠隔計測方法および装置(特許文献2参照)がある。 As a technique related to gas visualization or measurement using Raman scattering spectroscopy, the applicant proposed a first technique that scans a space to be monitored with laser light and has a transmission wavelength center at a wavelength obtained by Raman-shifting the wavelength of the laser light. Raman scattered light is collected by one optical bandpass filter, converted into an electric signal by one light receiving element, a first time waveform is measured, and transmitted light and wavelength of the first optical bandpass filter are measured. Light of a specific wavelength is collected by a second optical bandpass filter that transmits light having a different range, converted into an electrical signal by a single light receiving element, a time waveform is measured, and then the first time waveform and The difference from the second time waveform is taken, and a Raman scattered light signal image in which the corresponding position coordinates of the monitoring target space are colored based on the scanning position information of the laser beam is created. A hydrogen gas visualization method and system (see Patent Document 1) characterized in that hydrogen gas is visualized by being superimposed on a background image of a monitoring target space, and nitrogen gas is irradiated to the target space by laser light. The target light is irradiated with laser light in synchronism with the first process and the first process in which the scattered light from the light is collected by the light collecting mechanism and the Raman scattered light signal intensity is measured by the first light receiving mechanism. The second step of collecting the scattered light of the target by the light collecting mechanism and measuring the Raman scattered light signal intensity by the second light receiving mechanism, the target in the target space based on the intensity ratio of the Raman scattered light intensity of the nitrogen gas and the target gas There is a gas concentration remote measurement method and apparatus (see Patent Document 2) including a third step of calculating a gas concentration.
また、小型で、短時間での測定が可能であり、故障が少なく、極めて実用的とされるガス検出器としては、例えば、半導体レーザーと、半導体レーザーから出力されたレーザー光の強度を高める外部共振器と、この外部共振器と並行に配置された散乱光集光用の半円柱レンズと、外部共振器の光軸を挟んで半円柱レンズの反対側に配置された散乱光反射用のミラーと、半円柱レンズを通じて集光された散乱光からラマン散乱光を抽出するフィルタと、このフィルタにより抽出されたラマン散乱光の強度を検出する光センサーとを備えるガス検出器がある(特許文献3参照)。 Gas detectors that are small, can be measured in a short time, have few failures, and are extremely practical are, for example, semiconductor lasers and external lasers that increase the intensity of laser light output from semiconductor lasers. A resonator, a semi-cylindrical lens for collecting scattered light arranged in parallel with the external resonator, and a mirror for reflecting scattered light arranged on the opposite side of the semi-cylindrical lens across the optical axis of the external resonator And a gas detector including a filter that extracts Raman scattered light from the scattered light collected through the semi-cylindrical lens, and an optical sensor that detects the intensity of the Raman scattered light extracted by the filter (Patent Document 3). reference).
また、光フィードバックによる外部共振器型半導体レーザー(PLEC-DL)を利用したラマン散乱分析法による水素の検出技術が知られている。この文献に記載の技術では、ラマン散乱光を集光するための光学系としてロッドレンズを用い、反対側に出る散乱光をシリンドリカルミラーでロッドレンズ側に戻るように反射させ、平行に出てきた散乱光を一枚の両凸レンズで集光することにより、従来の光学系と対比して2.58倍の集光率が得たことが報告されている(非特許文献1)。 In addition, hydrogen detection technology by Raman scattering analysis using an external cavity semiconductor laser (PLEC-DL) by optical feedback is known. In the technique described in this document, a rod lens is used as an optical system for condensing Raman scattered light, and the scattered light exiting on the opposite side is reflected back to the rod lens side by a cylindrical mirror and comes out in parallel. It has been reported that by condensing scattered light with a single biconvex lens, a condensing rate 2.58 times that of a conventional optical system was obtained (Non-patent Document 1).
ラマン散乱光の強度は極めて微弱であるため、ラマン散乱を利用してガス検出を行うには散乱光路長を長く取ることが必要となるため、ガス濃度測定装置が大型化したり、装置のレイアウトを自由に決定できないという問題がある。
また、測定装置を利用する環境が可燃ガスを扱うなどの防爆区域である場合においては、ガス濃度測定装置を防爆構造とする必要があるが、接触式のガスセンサのように電極にガスを直接接触させるなど完全な防爆構造のガス濃度測定装置は存在しなかった。
Since the intensity of Raman scattered light is extremely weak, it is necessary to increase the length of the scattered light path in order to detect gas using Raman scattering. There is a problem that it cannot be decided freely.
In addition, when the environment where the measuring device is used is an explosion-proof area where flammable gas is handled, the gas concentration measuring device needs to have an explosion-proof structure, but the gas directly contacts the electrode like a contact-type gas sensor. There was no complete explosion-proof gas concentration measuring device.
ところで、近年、燃料電池車両、家庭用燃料電池発電装置などの開発が行われ、それに伴い水素ガスを供給する水素ガスプラント、水素ステーション等の整備が進んでいる。水素ガスは常温常圧の空気中で濃度4%から75%の範囲では急激に燃焼反応が進むため、低濃度から高濃度のガス濃度を迅速に測定するガスセンサが必要となる。接触式水素ガスセンサは高濃度のガスに接触すると復帰時間が遅くなることや、センサーの寿命が短くなるなどの短所があり、非接触の水素ガスセンサの開発が望まれている。
上述したように水素は4%の濃度で爆発するガスであり、高圧ガス保安法では、ガスセンサとして爆発下限濃度の1/4の濃度(1%)以下を測定する能力が求められており、漏洩した水素ガスが微量であっても迅速に検知できる水素ガスセンサの開発が望まれている。
また、水素ガスセンサとしては、インフラ設備等における設置型のものから、燃料電池車両等における搭載型のものまで求められており、いずれもメンテナンスの必要性が少ない非接触型のセンサーの開発が望まれている。
さらに、水素ガスの存在下に置かれるセンサー部を電気・電子回路が存在しない完全防爆型としながら、装置のレイアウトを制約せず、しかも小型のガス濃度測定装置の開発が望まれている。
By the way, in recent years, development of fuel cell vehicles, household fuel cell power generators, and the like has been performed, and accordingly, maintenance of hydrogen gas plants, hydrogen stations, and the like for supplying hydrogen gas is progressing. Since hydrogen gas undergoes a rapid combustion reaction in a range of 4% to 75% in air at normal temperature and pressure, a gas sensor that quickly measures gas concentrations from low to high is required. The contact-type hydrogen gas sensor has disadvantages such as a slow recovery time when contacted with a high-concentration gas and a shortened sensor life, and the development of a non-contact hydrogen gas sensor is desired.
As described above, hydrogen is a gas that explodes at a concentration of 4%, and the high-pressure gas safety method requires the ability to measure a concentration (1%) or less that is 1/4 of the lower explosion limit concentration as a gas sensor. Development of a hydrogen gas sensor that can quickly detect even a small amount of hydrogen gas is desired.
In addition, hydrogen gas sensors are required from those installed in infrastructure facilities to those installed in fuel cell vehicles, etc., and development of non-contact type sensors that require little maintenance is desired. ing.
Furthermore, it is desired to develop a small gas concentration measuring device that does not restrict the layout of the device while the sensor unit placed in the presence of hydrogen gas is a complete explosion-proof type in which no electric / electronic circuit exists.
本発明は、上記課題を解決することを可能とするガス濃度測定装置を提供するものである。 The present invention provides a gas concentration measuring apparatus that can solve the above-described problems.
上記課題を解決するためには、ガス濃度に関係なく迅速に濃度測定が行え、かつ長寿命とするためには非接触型とすること、さらには、設置性・操作性が良くかつ完全防爆型とするには、センサー部に電気・電子機器を搭載せず複雑で耐振動性に劣る部品を用いないことが前提とされる。
また、微弱なラマン散乱光を検出するためには、レーザー光の強度を高める必要があるが、他方で小型化を実現するためには高出力のレーザー装置を用いることは好ましくない。そこで、本発明では、半導体レーザーを用いて装置全体の大きさを抑えると共に、外部共振器を用いてレーザー光の強度を高める構成を採用した。さらに、本発明では、共振器内で増強された光の一部を偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザー発振部に戻すことにより共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じ込めている。これにより、共振器内では入射レーザー光が数千倍に増強される。
さらに、センサー部へのレーザー光の伝送とセンサー部からのラマン散乱光の伝送に光ファイバーを用いることで、センサー部の電気・電子部品を皆無として完全防爆をはかっている。
In order to solve the above problems, it is possible to measure the concentration quickly regardless of the gas concentration, and to make it a non-contact type in order to achieve a long service life. In order to achieve this, it is assumed that no electrical or electronic device is mounted on the sensor unit and no complicated and inferior vibration resistance components are used.
In order to detect weak Raman scattered light, it is necessary to increase the intensity of the laser beam. On the other hand, it is not preferable to use a high-power laser device in order to achieve downsizing. Therefore, the present invention employs a configuration in which the size of the entire apparatus is suppressed using a semiconductor laser and the intensity of the laser beam is increased using an external resonator. Furthermore, in the present invention, a part of the light enhanced in the resonator is returned to the semiconductor laser oscillation unit via the polarization maintaining optical fiber, thereby confining the linearly polarized laser light in the resonator. Thereby, the incident laser beam is enhanced several thousand times in the resonator.
Furthermore, by using an optical fiber for the transmission of the laser light to the sensor unit and the transmission of the Raman scattered light from the sensor unit, there is no electrical / electronic component of the sensor unit, thereby achieving complete explosion protection.
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
[1]レーザー出射窓に反射防止処理を施した半導体レーザー装置を含む光源部と、入射側に配置され第1の反射ミラーおよび第1の反射ミラーと対向する第2の反射ミラーとを備えてなる共振器、並びに、共振器内のレーザー光の電界と直交する方向に配置された集光系を含むセンサー部と、共振器内に存在する測定対象ガスからのラマン散乱光を検出する光検出器および測定対象ガスの濃度を算出する制御部を含む検出部と、光源部およびセンサー部を光学的に接続する偏波保持光ファイバーと、センサー部および検出部を光学的に接続する光ファイバーと、を備えたガス濃度測定装置であって、前記センサー部が、前記共振器のレーザー光軸に対して前記集光系の反対側に配置した散乱光反射用曲面ミラーを備え、半導体レーザー装置から照射されたレーザー光を偏波保持光ファイバーを介して共振器に入射し、共振器内で増強された光の一部を偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザーの発振部に戻して共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じこめることにより発振波長がロックされた狭帯域のレーザー光を発振することを特徴とするガス濃度測定装置。
[2]前記半導体レーザー装置から照射された楕円ビームを円形に成形するプリズムを備える[1]に記載のガス濃度測定装置。
[3]前記制御部は、前記半導体レーザーの発振を特定周波数で変調させ、この周波数に同期して受光信号を同期増幅して信号強度を測定すること、及び、
前記半導体レーザーに組み込まれたフォトダイオードの信号強度に基づき半導体レーザー光の出力強度を一定に保つことを特徴とする[1]または[2]に記載のガス濃度測定装置。
[4]さらに、前記第2の反射ミラーから漏れるレーザー光を測定する補正光測定器を備え、前記制御部は、補正光測定器における光量変化に基づいて、共振器内に照射されるレーザー光強度が一定になるように半導体レーザーの電流を制御すること、及び、予め算出した検量線に基づき測定対象ガスからのラマン散乱光強度から濃度を換算するに際し、前記補正光測定器における光量変化に基づいて検量線を補正することを特徴とする[1]ないし[3]のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
[5]前記測定対象ガスが水素ガスである[1]ないし[4]のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
[1] A light source unit including a semiconductor laser device in which an antireflection treatment is performed on the laser emission window, a first reflection mirror disposed on the incident side, and a second reflection mirror facing the first reflection mirror are provided. And a sensor unit including a condensing system arranged in a direction orthogonal to the electric field of the laser beam in the resonator, and light detection for detecting Raman scattered light from the measurement target gas existing in the resonator And a detector including a controller that calculates the concentration of the gas to be measured, a polarization maintaining optical fiber that optically connects the light source and the sensor, and an optical fiber that optically connects the sensor and the detector. a gas concentration measuring apparatus comprising the sensor unit is provided with a scattered light reflecting curved mirror disposed on the opposite side of the light collecting system with respect to the laser beam axis of the resonator, the semiconductor laser device The laser light emitted from the laser beam is incident on the resonator via the polarization maintaining optical fiber, and a part of the light enhanced in the resonator is returned to the oscillation part of the semiconductor laser via the polarization maintaining optical fiber. A gas concentration measuring device which oscillates a narrow-band laser beam whose oscillation wavelength is locked by confining a linearly polarized laser beam with a laser beam.
[2] The gas concentration measuring device according to [1], further comprising a prism that shapes an elliptical beam irradiated from the semiconductor laser device into a circular shape .
[3] The control unit modulates the oscillation of the semiconductor laser at a specific frequency, synchronously amplifies the received light signal in synchronization with the frequency , and measures the signal intensity , and
The gas concentration measuring device according to [1] or [2], wherein the output intensity of the semiconductor laser light is kept constant based on the signal intensity of a photodiode incorporated in the semiconductor laser .
[4] Further, a correction light measuring device that measures laser light leaking from the second reflecting mirror is provided, and the control unit is configured to emit laser light that is irradiated into the resonator based on a change in the light amount in the correction light measuring device. When controlling the current of the semiconductor laser so that the intensity is constant and converting the concentration from the Raman scattered light intensity from the measurement target gas based on the calibration curve calculated in advance, the light intensity change in the correction light measuring instrument The gas concentration measuring device according to any one of [1] to [3], wherein the calibration curve is corrected based on the calibration curve .
[ 5 ] The gas concentration measurement device according to any one of [1] to [ 4 ], wherein the measurement target gas is hydrogen gas.
本発明によれば、光源部および検出部とセンサー部とを光ファイバーで接続したため、ガスと接するセンサー部には電気・電子回路がない完全防爆構造が実現可能である。
また、光ファイバーにより光源部、検出部およびセンサー部を接続するため、その構造上、各部のレイアウトの制約が少ない。
また、本発明は、非接触型のセンサー部を有し、迅速な濃度測定が行える。しかも、光学部品の汚れが生じた場合においても、検量線を自動補正することにより濃度値を精度よく算出することができる。
According to the present invention, since the light source unit, the detection unit, and the sensor unit are connected by an optical fiber, a complete explosion-proof structure in which the sensor unit in contact with the gas has no electric / electronic circuit can be realized.
Further, since the light source unit, the detection unit, and the sensor unit are connected by an optical fiber, there are few restrictions on the layout of each unit due to its structure.
Further, the present invention has a non-contact type sensor unit and can perform quick concentration measurement. In addition, even when the optical component is contaminated, the density value can be accurately calculated by automatically correcting the calibration curve.
本発明は、レーザー出射窓に反射防止処理を施した半導体レーザーの出射光を端面に反射防止膜処理を施した偏波保持光ファイバーを介して共振器に入射し、共振器内で増強された光の一部を前記偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザー発振部に戻すことにより共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じこめ、共振器内の直線偏光レーザー光の電界と直交する方向に集光系を配置し、共振器内に存在する分子からのラマン散乱光を集光して光ファイバーにより受光器に伝送し、受光器の前方に設置した測定対象分子のラマン散乱光波長を透過する光学バンドパスフィルターによって選択した測定対象分子のラマン散乱光波長の強度を受光素子で電気信号に変換し、その強度から測定対象分子の密度を計測する光ファイバー結合外部共振器型ガス濃度計に関するものである。
好ましくは、レーザー光軸に対して集光系の反対側に共振器からの光を集光系に反射する散乱光集光用曲面ミラーを配置する。
In the present invention, light emitted from a semiconductor laser having an antireflection treatment applied to a laser emission window is incident on a resonator via a polarization-maintaining optical fiber having an antireflection coating applied to an end face, and is enhanced in the resonator. Part of the laser beam is returned to the semiconductor laser oscillation section via the polarization maintaining optical fiber, thereby confining the linearly polarized laser beam in the resonator and condensing the light in the direction orthogonal to the electric field of the linearly polarized laser beam in the resonator. An optical bandpass that collects the Raman scattered light from the molecules present in the resonator, transmits it to the receiver via an optical fiber, and transmits the Raman scattered light wavelength of the molecule to be measured installed in front of the receiver Optical fiber coupled external resonator that converts the intensity of the Raman scattered light wavelength of the target molecule selected by the filter into an electrical signal using the light receiving element, and measures the density of the target molecule from the intensity The present invention relates to gas concentration meter.
Preferably, a scattered light collecting curved mirror for reflecting the light from the resonator to the condensing system is disposed on the opposite side of the condensing system with respect to the laser optical axis.
分子に電場がかかると分子の電子分布がわずかに変化する。この現象は分子の分極と称され、この分極によって起こるラマン散乱現象を利用して本発明は分子の濃度を測定するものである。
レーザー光の電場(電界)によって分極が起こると、散乱光は分極と直角な方向に強く放射される。このため、レーザー光の偏光を直線偏光となし、電界とは直角の方向からラマン散乱光を測定すると大きな信号が得られる。
一般的な半導体レーザーは楕円形のビームパターンで、短軸方向に偏光面を持つ直線偏光で発振する。そのため、偏波保持光ファイバーの偏光軸を半導体レーザー光の偏光面に合わせるように接続することで偏光を保持することが好ましい。
また、レーザーの直線偏光を保持した状態で共振器に導き、共振器内に直線偏光のレーザー光を閉じこめると、共振器内では閉じこめられたレーザー光の強度は強くなる。そこで、レーザー光の照射により共振器内部に存在するガスから発せられるラマン散乱光をレーザー偏光面に対して直角の方向から観測することにより大きな信号が得られる。
本発明ではこの現象を利用するために半導体レーザーからの直線偏光レーザー光を偏波保持光ファイバーを用いて偏光を保持して伝送する。ラマン散乱光はその強度だけを測定することで十分なため、集光されたラマン散乱光は通常の光ファイバー(シングルモードでもマルチモードでも良い)で伝送することができる。
When an electric field is applied to a molecule, the electron distribution of the molecule changes slightly. This phenomenon is called molecular polarization, and the present invention uses the Raman scattering phenomenon caused by this polarization to measure the concentration of the molecule.
When polarization occurs due to the electric field (electric field) of laser light, scattered light is strongly emitted in a direction perpendicular to the polarization. Therefore, a large signal can be obtained when the polarization of the laser beam is linearly polarized and the Raman scattered light is measured from a direction perpendicular to the electric field.
A general semiconductor laser has an elliptical beam pattern and oscillates with linearly polarized light having a polarization plane in the minor axis direction. Therefore, it is preferable to hold the polarization by connecting the polarization axis of the polarization maintaining optical fiber so as to match the polarization plane of the semiconductor laser light.
In addition, when the linearly polarized laser beam is guided to the resonator while the linearly polarized laser beam is confined in the resonator, the intensity of the laser beam confined in the resonator is increased. Therefore, a large signal can be obtained by observing the Raman scattered light emitted from the gas existing inside the resonator by laser light irradiation from a direction perpendicular to the laser polarization plane.
In the present invention, in order to use this phenomenon, linearly polarized laser light from a semiconductor laser is transmitted while maintaining polarization using a polarization maintaining optical fiber. Since it is sufficient to measure only the intensity of the Raman scattered light, the collected Raman scattered light can be transmitted by a normal optical fiber (single mode or multi mode).
本発明は、半導体レーザーから発せられたレーザー光を共振させると共に、その一部を半導体レーザーにフィードバックさせる外部共振器を備えるものであり、光フィードバックにより半導体レーザーの発振波長(周波数)がロックされる。これにより波長が安定したレーザー光を共振器内に閉じこめることができる。このとき、半導体レーザー装置のレーザー射出窓には反射防止処理を施すことにより自己発振を抑制すると共にフィードバックを良好に行なうことができる。
また、半導体レーザーの発振を特定周波数で変調させておき、この周波数に同期して受光信号を同期増幅することが好ましい。
The present invention includes an external resonator that resonates laser light emitted from a semiconductor laser and feeds back part of the laser light to the semiconductor laser, and the oscillation wavelength (frequency) of the semiconductor laser is locked by the optical feedback. . As a result, laser light with a stable wavelength can be confined in the resonator. At this time, an antireflection treatment is applied to the laser emission window of the semiconductor laser device, so that self-oscillation can be suppressed and feedback can be favorably performed.
Further, it is preferable that the oscillation of the semiconductor laser is modulated at a specific frequency, and the received light signal is synchronously amplified in synchronization with this frequency.
電場が弱い場合(通常のレーザー光の場合)は、分子の分極は電界強度(レーザー光強度)に比例する。
すなわち、ラマン散乱光信号強度は、(レーザー光強度)×(分子数)×(ラマン散乱断面積)×(受光面積)×(受光効率)×(光/電気変換効率)の式で表わすことができる。
When the electric field is weak (in the case of normal laser light), the molecular polarization is proportional to the electric field strength (laser light strength).
That is, the Raman scattered light signal intensity can be expressed by the formula of (laser light intensity) × (number of molecules) × (Raman scattering cross section) × (light receiving area) × (light receiving efficiency) × (light / electric conversion efficiency). it can.
ここで、受光系の部品や配置を変更しなければ、ラマン散乱光信号強度の変動は、共振器内のレーザー光強度変化にだけ依存することになる。共振器内のレーザー光強度の変動は、光源の強度変化と共振器ミラーの反射率変化に起因することがほとんどである。そこで、共振器内のレーザー光強度を一定に保つ方法として、共振器のレーザー光入射とは反対方向のミラーから漏れるレーザー光の強度を受光器で測定して共振器内部のレーザー強度変化をモニターし、そのレーザー光強度が一定となるように半導体レーザーの電流を制御することによりラマン散乱光信号強度を補正してより高精度な測定を実現できる。
また、共振器のミラーから漏れるレーザー光を測定して光学部品の汚れによる光量変化を求めて検量線を補正することにより正確な分子濃度を測定することが可能である。
Here, unless the components and arrangement of the light receiving system are changed, the change in the Raman scattered light signal intensity depends only on the change in the laser light intensity in the resonator. Most of the fluctuations in the intensity of the laser beam in the resonator are caused by a change in the intensity of the light source and a change in the reflectance of the resonator mirror. Therefore, as a method of keeping the laser light intensity inside the resonator constant, the laser light intensity leaking from the mirror in the direction opposite to the laser light incidence of the resonator is measured with a light receiver to monitor the laser intensity change inside the resonator. Then, by controlling the current of the semiconductor laser so that the laser light intensity becomes constant, the Raman scattered light signal intensity can be corrected to realize higher-accuracy measurement.
It is also possible to measure the exact molecular concentration by measuring the laser light leaking from the mirror of the resonator, obtaining the change in the amount of light due to contamination of the optical component, and correcting the calibration curve.
半導体レーザーの中心波長が637nmである場合におけるガス分子のラマン散乱光波長とラマン散乱断面積を表1に示す。 Table 1 shows the Raman scattering light wavelength and the Raman scattering cross section of gas molecules when the center wavelength of the semiconductor laser is 637 nm.
また、本発明では、反射防止膜(ARコート)付き半導体レーザーを使用することが好ましい。通常の半導体レーザーはレーザー放出面にコーティングを施し、半導体レーザー単体でレーザー光を放出する。しかし、本発明では、レーザー放出面に反射防止膜を蒸着し、半導体レーザーから光ファイバーを介して共振器内に放出し、共振器内の光の一部を半導体レーザーの発振部に戻すことによって、半導体レーザーと共振器の性質で決まる波長とモード(レーザー強度分布)でレーザー発振が起こるようにしている。
より詳細には、半導体レーザーの出力鏡に反射防止膜(ARコート)を施すと、半導体レーザーの自己発振が抑制された状態(半導体レーザーにとっては共振器が無い状態)となり、半導体レーザーの発光波長幅は光の自然放出の波長幅となり、比較的広い波長の光を放出するようになる。そこで、放出面にARコートをした半導体レーザーに外部ミラーを用いて光をフィードバックすると、通常のレーザー発振動作を得ることができる。この時、フィードバックする波長を特定すれば、その波長で発振させることも可能である。そして、共振器は、共振器の間隔とミラーの形状(平面、凹面、凸面)によって共振条件(波長とモード)が決定される。共振波長についてみると、共振条件がマッチングした波長にエネルギーが集中する(発振波長幅が極度に狭まり、広い波長域で放出していたエネルギーがその波長に集中し、その結果共振器で決まる特定波長のピーク強度が増大する)。この共振器条件で決まる波長の光をフィードバックすることで半導体レーザーの発振波長がロックされ、狭帯域のレーザーの発振が得られる。
なお、強力なレーザーを用いれば、上記の反射防止膜も共振器も不要である。しかし、この場合、小型・少出力の半導体レーザーを用いて、共振器内でレーザー強度を高めて濃度測定を行うという本発明の特徴が損なわれることとなる。
以上の構成を有する本発明においては、レーザー光放出部の外部に共振器を設置して、共振器からの漏れ光を半導体レーザーにフィードバックすることで、共振器の性質で決まる発振波長とモードが得られる。
In the present invention, it is preferable to use a semiconductor laser with an antireflection film (AR coating). A normal semiconductor laser has a coating on the laser emission surface, and emits laser light by itself. However, in the present invention, an antireflection film is deposited on the laser emission surface, emitted from the semiconductor laser into the resonator through the optical fiber, and a part of the light in the resonator is returned to the oscillation part of the semiconductor laser, Laser oscillation occurs at a wavelength and mode (laser intensity distribution) determined by the properties of the semiconductor laser and the resonator.
More specifically, when an antireflection film (AR coating) is applied to the output mirror of the semiconductor laser, the semiconductor laser self-oscillation is suppressed (the semiconductor laser has no resonator), and the emission wavelength of the semiconductor laser The width becomes the wavelength width of spontaneous emission of light, and light having a relatively wide wavelength is emitted. Therefore, when laser light is fed back to the semiconductor laser with the AR coating on the emission surface using an external mirror, a normal laser oscillation operation can be obtained. At this time, if the wavelength to be fed back is specified, it is possible to oscillate at that wavelength. In the resonator, the resonance condition (wavelength and mode) is determined by the interval between the resonators and the shape of the mirror (plane, concave, convex). Looking at the resonance wavelength, the energy is concentrated at the wavelength that matches the resonance condition (the oscillation wavelength width is extremely narrow, the energy that was emitted in a wide wavelength range is concentrated at that wavelength, and the specific wavelength determined by the resonator as a result. Peak intensity increases). By feeding back light having a wavelength determined by this resonator condition, the oscillation wavelength of the semiconductor laser is locked, and oscillation of a narrow band laser can be obtained.
If a powerful laser is used, neither the antireflection film nor the resonator is required. However, in this case, the feature of the present invention that the concentration measurement is performed by increasing the laser intensity in the resonator using a small-sized and low-power semiconductor laser is impaired.
In the present invention having the above configuration, an oscillation wavelength and mode determined by the properties of the resonator can be obtained by installing a resonator outside the laser light emitting section and feeding back the leaked light from the resonator to the semiconductor laser. can get.
また、本発明では偏波保持光ファイバーを介して直線偏光のレーザーが共振器に入射される。ここで、通常、半導体レーザーの発光パターンは、レーザー放出エリアのエッジで回折が起こり、楕円形のビームとなっている。そこで、好ましい態様の本発明アナモルフィックプリズムペアの構成を採用している。すなわち、アナモルフィックプリズムペアは、半導体レーザービームのような楕円ビーム軸の一つを拡大・縮小することで、楕円ビームを円形に成形するプリズムである。このようなダイオードレーザビームの成形は、光ファイバーへのカップリング効率の改善や外部共振器とのモードマッチングに有効である。 In the present invention, a linearly polarized laser is incident on the resonator via the polarization maintaining optical fiber. Here, normally, the light emission pattern of the semiconductor laser is diffracted at the edge of the laser emission area and becomes an elliptical beam. Therefore, the configuration of the preferred embodiment of the anamorphic prism pair of the present invention is adopted. That is, the anamorphic prism pair is a prism that shapes an elliptical beam into a circular shape by enlarging / reducing one of the elliptical beam axes such as a semiconductor laser beam. Such shaping of the diode laser beam is effective for improving the coupling efficiency to the optical fiber and for mode matching with the external resonator.
[ガス濃度計の構造]
本発明の光ファイバー結合外部共振器型ガス濃度計の構造についてその一例を図1に基づいて説明する。本発明のガス濃度計は、光源部A、センサー部Bおよび検出部Cからなり、これらの各部は光ファイバーにより光学的に接続されている。
[Structure of gas concentration meter]
An example of the structure of the optical fiber coupled external resonator type gas concentration meter of the present invention will be described with reference to FIG. The gas concentration meter of the present invention includes a light source part A, a sensor part B, and a detection part C, and these parts are optically connected by optical fibers.
[光源部A]
光源部Aでは、ARコートされた半導体レーザー1よりレーザー光が射出され、そのレーザー光はARコートされたコリメートレンズ2で集光して細いレーザービームとされ、ARコートされたアナモルフィックプリズムペア3により直線偏光の円形光とされ、次いで、ARコートされたカップリングレンズ4から端面にARコートされた偏波保持光ファイバー51へと導入される。こうして直線偏光レーザー光は偏波保持光ファイバーを介してからセンサー部Bへと導入される。光学部品にARコート処理を施すことで、半導体レーザーへの反射光(フィードバック光)を低減している。
[Light Source A]
In the light source section A, laser light is emitted from the AR-coated semiconductor laser 1, and the laser light is condensed by the AR-coated collimator lens 2 to form a thin laser beam, and the AR-coated anamorphic prism pair. 3 is converted into linearly polarized circular light, and then introduced from the AR-coated coupling lens 4 into the polarization-maintaining optical fiber 51 AR-coated on the end face. Thus, the linearly polarized laser light is introduced into the sensor unit B after passing through the polarization maintaining optical fiber. By applying the AR coating to the optical component, the reflected light (feedback light) to the semiconductor laser is reduced.
[センサー部B]
センサー部Bは、外部共振器6および集光系からなる。共振器6は一対の共振用反射ミラー61,62から構成され、共振用反射ミラー61のレーザー光入射面はARコート処理が施されている。共振器6内に導入されたレーザー光は共振器内部で反射を繰り返すことによりレーザー光強度が増強されると共に、共振器6内でレーザー光と測定対象分子との相互作用によりラマン散乱光がレーザー光の偏光方向に直角な方向に発生する。共振器6内の分子から発せられたラマン散乱光を集光するためのレンズ群からなる集光系および散乱光反射用曲面ミラー7が、共振器の光軸に直角に対向して設けられている。ラマン散乱光はシリンドリカルレンズ8、コリメートレンズ32により集光されてカップリングレンズ24を介して光ファイバー52へと導入される。共振器6のシリンドリカルレンズ8とは反対側に放出された散乱光もまた、散乱光反射用曲面ミラー(凹面又はシリンドリカルミラー)7により反射されてシリンドリカルレンズ8側へと集められ、光ファイバー52へと導入される。センサー部Bから検出部Cへの伝送は光の強度を測定するためのものであることから、センサー部Bと検出部Cを結ぶ光ファイバー52は必ずしも偏波保持機能を有さなくてもよい。
[Sensor part B]
The sensor unit B includes an external resonator 6 and a light collecting system. The resonator 6 includes a pair of resonance reflecting mirrors 61 and 62, and the laser light incident surface of the resonance reflecting mirror 61 is subjected to AR coating. The laser light introduced into the resonator 6 is repeatedly reflected inside the resonator to enhance the laser light intensity, and the Raman scattered light is laser-induced by the interaction between the laser light and the molecule to be measured in the resonator 6. It occurs in a direction perpendicular to the polarization direction of light. A condensing system comprising a lens group for condensing Raman scattered light emitted from molecules in the resonator 6 and a curved mirror 7 for reflecting scattered light are provided so as to face the optical axis of the resonator at right angles. Yes. The Raman scattered light is condensed by the cylindrical lens 8 and the collimating lens 32 and introduced into the optical fiber 52 through the coupling lens 24. The scattered light emitted to the opposite side of the resonator 6 from the cylindrical lens 8 is also reflected by the scattered light reflecting curved mirror (concave surface or cylindrical mirror) 7 and collected to the cylindrical lens 8 side to the optical fiber 52. be introduced. Since the transmission from the sensor unit B to the detection unit C is for measuring the intensity of light, the optical fiber 52 connecting the sensor unit B and the detection unit C does not necessarily have a polarization maintaining function.
[検出部C]
検出部Cでは、光ファイバー52で伝達されたラマン散乱光の強度を測定するにあたり、バンドパスフィルター9により測定する分子が発する波長のラマン散乱光を選択的に取り出し、光電子増倍管、半導体光検出素子、アバランシェフォトダイオードなどの光検出器10によりその強度を測定する。検出された信号はロックインアンプ201により同期増幅されその強度が測定される。性能試験では同期増幅器信号強度をオシロスコープ204により観測したが、同期増幅器の出力電圧をADコンバーターでデジタル信号化してパーソナルコンピュータ等からなる処理部と接続して濃度を算出することもできる。
[Detector C]
In the detection unit C, when measuring the intensity of the Raman scattered light transmitted by the optical fiber 52, the Raman scattered light having a wavelength emitted by the molecule to be measured by the bandpass filter 9 is selectively extracted to detect the photomultiplier tube and the semiconductor light. The intensity is measured by a photodetector 10 such as an element or an avalanche photodiode. The detected signal is synchronously amplified by the lock-in amplifier 201 and its intensity is measured. In the performance test, the signal intensity of the synchronous amplifier was observed with the oscilloscope 204. However, the output voltage of the synchronous amplifier can be converted into a digital signal by an AD converter and connected to a processing unit such as a personal computer to calculate the concentration.
[共振器からのフィードバック]
共振器6内に閉じ込められた光の漏れ光を半導体レーザー1に戻し、半導体レーザー1と共振器で共振状態を起こして半導体レーザー1の発振モードをロックする。このとき、ミラー61の裏面で反射した光や共振器内のレーザー光軸から外れた光を半導体レーザー1の発光部に戻さないように調整する必要がある。このことを図2および3を参照しながら説明する。
図2に示すように、共振器6からのフィードバック光71が偏波保持光ファイバー51により半導体レーザー1にフィードバックされるが、この際ミラー61の裏面で反射された反射光や共振器内のレーザー光軸から外れた光72もフィードバックされる。ここで、図3に示すように、共振器6内からのフィードバック光は光軸12の中央付近71に分布し、反射光72は主にその周囲72に分布する。そこで、半導体レーザー1のLD活性層11を光軸を中心とする中央部分に設ける構成とすることにより、LD活性層11に共振器内基本モードのフィードバック光71のみが照射されるようにすることができる。
なお、図3では模式的に示しているが、実際は、戻り光の受け口は偏波保持光ファイバー51の端面となり、光ファイバー51を介して半導体レーザー1に光フィードバックされることとなる。
[Feedback from resonator]
The leakage light of the light confined in the resonator 6 is returned to the semiconductor laser 1, and a resonance state is caused between the semiconductor laser 1 and the resonator to lock the oscillation mode of the semiconductor laser 1. At this time, it is necessary to adjust so that the light reflected from the back surface of the mirror 61 or the light deviated from the laser optical axis in the resonator does not return to the light emitting portion of the semiconductor laser 1. This will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 2, the feedback light 71 from the resonator 6 is fed back to the semiconductor laser 1 by the polarization maintaining optical fiber 51. At this time, the reflected light reflected by the back surface of the mirror 61 or the laser light in the resonator. Off-axis light 72 is also fed back. Here, as shown in FIG. 3, the feedback light from inside the resonator 6 is distributed near the center 71 of the optical axis 12, and the reflected light 72 is mainly distributed around the periphery 72. Therefore, by providing the LD active layer 11 of the semiconductor laser 1 in the central portion with the optical axis as the center, the LD active layer 11 is irradiated with only the feedback light 71 in the fundamental mode in the resonator. Can do.
Although schematically shown in FIG. 3, in fact, the return light receiving port is the end face of the polarization maintaining optical fiber 51 and is optically fed back to the semiconductor laser 1 through the optical fiber 51.
[照射レーザー光強度の安定化]
正確な測定値を得るためには、安定した強度のレーザー光を共振器6に照射することが必要である。その具体的手段として、共振器6のレーザー入射側とは反対側のミラー62から漏れるレーザー光の強度を測定し、その値が一定値となるように半導体レーザー1に入力する電流を制御することにより、レーザー光の強度を一定の値に保持するようにしてもよい。また、半導体レーザーに組み込まれたフォトダイオードの信号強度を監視し調整することによっても半導体レーザー光出力強度を一定に保つことが可能となる。
[Stabilization of irradiation laser light intensity]
In order to obtain an accurate measurement value, it is necessary to irradiate the resonator 6 with a laser beam having a stable intensity. As a specific means, the intensity of the laser beam leaking from the mirror 62 on the side opposite to the laser incident side of the resonator 6 is measured, and the current input to the semiconductor laser 1 is controlled so that the value becomes a constant value. Thus, the intensity of the laser beam may be held at a constant value. It is also possible to keep the semiconductor laser light output intensity constant by monitoring and adjusting the signal intensity of the photodiode incorporated in the semiconductor laser.
[検量線の補正]
共振器内6には測定対象分子が出入りするために、共振用反射ミラー61,62の反射面の汚染などの光学部品の性能低下などにより測定条件が変化することは避けられない。光学部品の性能低下が軽度のものである場合には、既知濃度の分子を共振機内に収納して検量線をチェックし補正することにより正確な測定値を得ることが可能である。もっとも、光学系の汚染が軽度とはいえない場合には、検量線の補正では対処することはできない。この場合には、反射ミラー、レンズなどの清浄化、部品の交換などにより新たに光学系を組みなおす必要がある。
[Correction of calibration curve]
Since molecules to be measured enter and exit the resonator 6, it is inevitable that the measurement conditions change due to degradation of the performance of optical components such as contamination of the reflecting surfaces of the reflecting mirrors 61 and 62 for resonance. If the performance degradation of the optical component is slight, it is possible to obtain an accurate measurement value by storing a molecule having a known concentration in the resonator and checking and correcting the calibration curve. However, if the contamination of the optical system is not mild, correction of the calibration curve cannot deal with it. In this case, it is necessary to reassemble the optical system by cleaning the reflecting mirror and the lens and replacing parts.
以下では、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
本実施例の光ファイバー結合外部共振器型ガス濃度計の概要は、図1に記載のとおりであり、このガス濃度計を構成する各要素の詳細は次のとおりである。
[光源部A]
光源部Aは、ARコート付き半導体レーザー1(以下、「LD1」という)、コリメートレンズ2、アナモルフィックプリズムペア3、カップリングレンズ4が接続されて構成され、LD1はLD電源203により作動する。光源部Aの大きさは、25(W)×25(H)×90(L)mmである(但し、LD電源203とファンクションジェネレーター202を含まず)。
また、各部品の仕様は以下のとおりである。
(LD1)発振波長:637nm、最大出力:10mW
(コリメートレンズ2)反射防止膜付き、焦点距離:4.51mm、開口径:4.95mm、NA:0.55、設計中心波長:780nm、適用波長帯域:600〜1050nm
(アナモルフィックプリズムペア3)反射防止膜付き、アナモルフィック倍率:3.8、設計中心波長:670nm
(カップリングレンズ4)反射防止膜付き、焦点距離:13.86mm、開口径:5.10mm、NA:0.18、設計中心波長:780nm、適用波長帯域:600〜1050nm
(ファンクションジェネレーター202)周波数:100Hz
(LD電源203)直流電圧印加外部変調方式
The outline of the optical fiber coupled external resonator type gas concentration meter of the present embodiment is as shown in FIG. 1, and details of each element constituting the gas concentration meter are as follows.
[Light Source A]
The light source section A is configured by connecting an AR-coated semiconductor laser 1 (hereinafter referred to as “LD1”), a collimating lens 2, an anamorphic prism pair 3, and a coupling lens 4, and the LD 1 is operated by an LD power source 203. . The size of the light source unit A is 25 (W) × 25 (H) × 90 (L) mm (however, the LD power source 203 and the function generator 202 are not included).
The specifications of each part are as follows.
(LD1) Oscillation wavelength: 637nm, maximum output: 10mW
(Collimate lens 2) With antireflection film, focal length: 4.51 mm, aperture diameter: 4.95 mm, NA: 0.55, design center wavelength: 780 nm, applicable wavelength band: 600 to 1050 nm
(Anamorphic prism pair 3) with anti-reflection coating, anamorphic magnification: 3.8, design center wavelength: 670 nm
(Coupling lens 4) with antireflection film, focal length: 13.86 mm, aperture diameter: 5.10 mm, NA: 0.18, design center wavelength: 780 nm, applicable wavelength band: 600-1050 nm
(Function generator 202) Frequency: 100Hz
(LD power supply 203) DC voltage applied external modulation system
[偏波保持光ファイバー51]
偏波保持光ファイバー51は、光源部Aとセンサー部Bとを接続し、直線偏光のレーザー光を共振器6へ伝達する部材である。偏波保持光ファイバー51の仕様は、以下のとおりである。
名称:パンダファイバー
ファイバー長:1m
端面反射防止膜処理:反射率0.27%(at 637nm)
クラッド径:125μm
モードフィールド径:4.5±0.5μm
動作波長域:630〜780nm
伝送損失:<12dB/km(at 630nm)
カットオフ波長:570±50nm
[Polarization-maintaining optical fiber 51]
The polarization maintaining optical fiber 51 is a member that connects the light source part A and the sensor part B and transmits linearly polarized laser light to the resonator 6. The specifications of the polarization maintaining optical fiber 51 are as follows.
Name: Panda fiber Fiber length: 1m
End face anti-reflective coating treatment: reflectance 0.27% (at 637nm)
Cladding diameter: 125μm
Mode field diameter: 4.5 ± 0.5μm
Operating wavelength range: 630-780nm
Transmission loss: <12dB / km (at 630nm)
Cut-off wavelength: 570 ± 50nm
[センサー部B]
センサー部Bは、コリメートレンズ22、共振器6、散乱光反射用曲面ミラー7および集光系からなる。共振器6は共振用反射ミラー61,62を備えてなり、直線偏光レーザー光の反射を共振用反射ミラー61,62間で繰り返すことによりレーザー光を増強すると共に測定対象分子にラマン散乱光を発生させる。共振器6からのラマン散乱光はシリンドリカルレンズ8、コリメートレンズ32により集光されカップリングレンズ24から光ファイバー52に導入される。散乱光反射用曲面ミラー7は共振器6の集光系とは反対側に配置されたシリンドリカルミラーである。センサー部Bの大きさは、100(W)×40(H)×90(L)mmであり、共振器6の大きさは30(W)×30(H)×90(L)mmである。
また、センサー部Bを構成する各部品の仕様は、以下のとおりである。
(コリメートレンズ22)反射防止膜付き、焦点距離:5.0mm、開口径:1.5mm、NA:0.15、設計中心波長:780nm、適用波長帯域:600〜1050nm
(共振器6)共振器長:80mm、設計波長:633nm
(入射ミラー61)レーザー光入射面反射防止膜付き、反射率:99.97%、曲率半径:-100mm
(反射ミラー62)反射率:99.999%、曲率半径:-100mm
(散乱光反射用曲面ミラー7)反射面:金コート、曲率半径:-10mm
(シリンドリカルレンズ8)焦点距離:20.4mm、寸法:20×40mm
(コリメートレンズ32)焦点距離:42.1mm、開口径:40mm
(カップリングレンズ24)反射防止膜付き、焦点距離:15.29mm、開口径:5mm、NA:0.16、設計中心波長:780nm、適用波長帯域:600〜1050nm
[Sensor part B]
The sensor unit B includes a collimating lens 22, a resonator 6, a scattered light reflecting curved mirror 7, and a condensing system. The resonator 6 includes resonance reflecting mirrors 61 and 62. By repeating the reflection of linearly polarized laser light between the resonance reflecting mirrors 61 and 62, the laser light is enhanced and Raman scattered light is generated in the molecule to be measured. Let The Raman scattered light from the resonator 6 is condensed by the cylindrical lens 8 and the collimating lens 32 and introduced into the optical fiber 52 from the coupling lens 24. The curved mirror 7 for reflecting scattered light is a cylindrical mirror disposed on the opposite side of the light collecting system of the resonator 6. The size of the sensor B is 100 (W) × 40 (H) × 90 (L) mm, and the size of the resonator 6 is 30 (W) × 30 (H) × 90 (L) mm. .
Moreover, the specification of each component which comprises the sensor part B is as follows.
(Collimate lens 22) with antireflection film, focal length: 5.0mm, aperture diameter: 1.5mm, NA: 0.15, design center wavelength: 780nm, applicable wavelength band: 600-1050nm
(Resonator 6) Resonator length: 80 mm, design wavelength: 633 nm
(Incoming mirror 61) Laser light incident surface with antireflection film, reflectance: 99.97%, radius of curvature: -100mm
(Reflection mirror 62) Reflectivity: 99.999%, curvature radius: -100mm
(Curved mirror 7 for scattered light reflection) Reflective surface: gold coat, radius of curvature: -10 mm
(Cylindrical lens 8) Focal length: 20.4mm, Dimensions: 20x40mm
(Collimate lens 32) Focal length: 42.1mm, aperture diameter: 40mm
(Coupling lens 24) with antireflection film, focal length: 15.29mm, aperture diameter: 5mm, NA: 0.16, design center wavelength: 780nm, applicable wavelength band: 600-1050nm
[光ファイバー52]
光ファイバー52は、センサー部Bから検出部Cにラマン散乱光を伝達するための部材である。光ファイバー52の仕様は、以下のとおりである。
ファイバー長:1.5m
コア径:1mm
適用波長帯域:340〜2500nm
[Optical fiber 52]
The optical fiber 52 is a member for transmitting Raman scattered light from the sensor unit B to the detection unit C. The specifications of the optical fiber 52 are as follows.
Fiber length: 1.5m
Core diameter: 1mm
Applicable wavelength band: 340-2500nm
[検出部C]
検出部Cは、光ファイバー52により送られてきたラマン散乱光から、バンドパスフィルター9により選択された測定対象ガスが発する波長のラマン散乱光をアバランシェフォトダイオードからなる光検出器10により検出し、オシロスコープ204に出力する。検出部Cの大きさは50(W)×25(H)×100(L)mmである(但し、ロックインアンプ201とオシロスコープ204を含まず)。
また、検出部Cを構成する各部品の仕様は、以下のとおりである。
(バンドパスフィルター9)中心波長:872.98nm、半値全幅:9.82nm
(光検出器10)受光面:3.0mmφ、感度:0.5A/W(at 800nm 倍率1)、応答周波数帯域:DC〜100kHz、測定波長帯域:400〜1000nm
(ロックインアンプ201)同期周波数:100Hz、積分時間:3秒
(オシロスコープ204)結合:DC結合
[Detector C]
The detection unit C detects the Raman scattered light having a wavelength emitted from the measurement target gas selected by the bandpass filter 9 from the Raman scattered light transmitted by the optical fiber 52 by using the photodetector 10 formed of an avalanche photodiode. To 204. The size of the detection unit C is 50 (W) × 25 (H) × 100 (L) mm (however, the lock-in amplifier 201 and the oscilloscope 204 are not included).
Moreover, the specification of each component which comprises the detection part C is as follows.
(Band pass filter 9) Center wavelength: 872.98 nm, full width at half maximum: 9.82 nm
(Photodetector 10) Light-receiving surface: 3.0 mmφ, sensitivity: 0.5 A / W (at 800 nm magnification 1), response frequency band: DC to 100 kHz, measurement wavelength band: 400 to 1000 nm
(Lock-in amplifier 201) Synchronization frequency: 100 Hz, integration time: 3 seconds (oscilloscope 204) coupling: DC coupling
[検量線]
図4は、本実施例のガス濃度計により水素濃度を測定するための検量線を示したグラフである。図4における水素ガス濃度とラマン散乱光の相関係数R2=0.9906である。
なお、他の種類のガスについても、共振器6内に他のガスを収容してレーザー光を照射して検量線を作成することにより、水素以外のガス濃度を測定できることは言うまでもない。
[Calibration curve]
FIG. 4 is a graph showing a calibration curve for measuring the hydrogen concentration with the gas concentration meter of this example. In FIG. 4, the correlation coefficient R 2 = 0.9906 between the hydrogen gas concentration and the Raman scattered light.
Needless to say, for other types of gases, the concentration of gases other than hydrogen can be measured by accommodating other gases in the resonator 6 and irradiating them with laser light to create a calibration curve.
[実施例1の効果]
本実施例のガス濃度計により機能検証試験を行った結果、LDを出力3mWで動作させた場合の偏波保持光ファイバーからのレーザー照射強度が1mW、共振器内部のレーザー強度が3Wの条件において、100ppmの水素濃度が測定できることを確認できた。
本実施例のガス濃度計は、小型・少出力の半導体レーザーを用いた小型装置でありながら、外部共振器を用いてレーザー光の強度を高め、しかも共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じ込めることで、100ppmの微量ガスを約3秒で計測することを可能としている。
また、レーザー光およびラマン散乱光を光ファイバーで伝送するため、ガスと接するセンサー部には電気・電子回路がないため完全に防爆されている。
[Effect of Example 1]
As a result of performing a function verification test using the gas concentration meter of this example, the laser irradiation intensity from the polarization maintaining optical fiber when the LD is operated at an output of 3 mW is 1 mW, and the laser intensity inside the resonator is 3 W. It was confirmed that a hydrogen concentration of 100 ppm could be measured.
The gas concentration meter of the present embodiment is a small apparatus using a small and low-power semiconductor laser, but uses an external resonator to increase the intensity of the laser light and confine linearly polarized laser light within the resonator. This makes it possible to measure a trace amount of 100 ppm in about 3 seconds.
In addition, since laser light and Raman scattered light are transmitted by optical fiber, the sensor part in contact with the gas is completely explosion-proof because there is no electric / electronic circuit.
本発明は、光ファイバーで光源、センサー部および検出部を接続する構成とすることにより、センサー部を任意の位置に設置することを可能とするものであり、任意のガスの濃度測定に有用であるが、特に可燃性、爆発性、または有毒ガスの濃度測定に有用である。 The present invention enables a sensor unit to be installed at an arbitrary position by connecting a light source, a sensor unit and a detection unit with an optical fiber, and is useful for measuring the concentration of an arbitrary gas. Is particularly useful for measuring concentrations of flammable, explosive or toxic gases.
対象ガス種に計測するラマン散乱波長を選択することにより、複数種のガス、例えば、窒素、酸素、水素、一酸化炭素、二酸化窒素、硫化水素などの濃度測定が可能である。こうした各種のガス濃度を、防爆性を有し高感度で測定することができる本発明のガス濃度計は、燃料電池車両、家庭用燃料電池発電装置などへの搭載から、水素ステーション、各種のガス製造プラントでの漏洩検知などまで、幅広く用いることができる。 By selecting the Raman scattering wavelength to be measured for the target gas species, it is possible to measure concentrations of a plurality of gases, for example, nitrogen, oxygen, hydrogen, carbon monoxide, nitrogen dioxide, hydrogen sulfide and the like. The gas concentration meter of the present invention capable of measuring such various gas concentrations with explosion proof and high sensitivity can be used from a fuel cell vehicle, a household fuel cell power generator, etc., to a hydrogen station, various gases. It can be widely used for leak detection in manufacturing plants.
1:半導体レーザー(LD)
2,22,32:コリメートレンズ
3:アナモルフィックプリズムペア
4,24:カップリングレンズ
6:共振器
7:散乱光反射用曲面ミラー
8:シリンドリカルレンズ
9:バンドパスフィルター
10:光検出器
11:LD活性層
12:光軸
13:LD端面
51:偏波保持光ファイバー
52:光ファイバー
61,62:共振用反射ミラー
71:共振器内基本モードのフィードバック光
72:反射光
201:ロックインアンプ
202:ファンクションジェネレーター
203:LD電源
204:オシロスコープ
A:光源部
B:センサー部
C:検出部
1: Semiconductor laser (LD)
2, 22, 32: Collimating lens 3: Anamorphic prism pair 4, 24: Coupling lens 6: Resonator 7: Curved mirror for reflecting scattered light 8: Cylindrical lens 9: Band pass filter 10: Photo detector 11: LD active layer 12: optical axis 13: LD end face 51: polarization-maintaining optical fiber 52: optical fiber 61, 62: reflection mirror 71 for resonance: feedback light 72 in resonator basic mode 72: reflected light 201: lock-in amplifier 202: function Generator 203: LD power supply 204: Oscilloscope A: Light source unit B: Sensor unit C: Detection unit
Claims (5)
入射側に配置され第1の反射ミラーおよび第1の反射ミラーと対向する第2の反射ミラーとを備えてなる共振器、並びに、共振器内のレーザー光の電界と直交する方向に配置された集光系を含むセンサー部と、
共振器内に存在する測定対象ガスからのラマン散乱光を検出する光検出器および測定対象ガスの濃度を算出する制御部を含む検出部と、
光源部およびセンサー部を光学的に接続する偏波保持光ファイバーと、
センサー部および検出部を光学的に接続する光ファイバーと、を備えたガス濃度測定装置であって、
前記センサー部が、前記共振器のレーザー光軸に対して前記集光系の反対側に配置した散乱光反射用曲面ミラーを備え、
半導体レーザー装置から照射されたレーザー光を偏波保持光ファイバーを介して共振器に入射し、共振器内で増強された光の一部を偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザーの発振部に戻して共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じこめることにより発振波長がロックされた狭帯域のレーザー光を発振することを特徴とするガス濃度測定装置。 A light source unit including a semiconductor laser device in which an antireflection treatment is applied to the laser emission window;
A resonator comprising a first reflecting mirror and a second reflecting mirror facing the first reflecting mirror disposed on the incident side, and disposed in a direction perpendicular to the electric field of the laser light in the resonator A sensor unit including a condensing system;
A detector including a photodetector for detecting Raman scattered light from the measurement target gas existing in the resonator and a control unit for calculating the concentration of the measurement target gas;
A polarization maintaining optical fiber that optically connects the light source unit and the sensor unit;
An optical fiber for optically connecting the sensor unit and the detection unit, and a gas concentration measuring device comprising:
The sensor unit includes a curved mirror for reflecting scattered light disposed on the opposite side of the light condensing system with respect to the laser optical axis of the resonator,
The laser light emitted from the semiconductor laser device is incident on the resonator via the polarization maintaining optical fiber, and a part of the light enhanced in the resonator is returned to the semiconductor laser oscillation part via the polarization maintaining optical fiber. A gas concentration measuring device that oscillates a narrow-band laser beam whose oscillation wavelength is locked by confining linearly polarized laser beam in a resonator.
前記半導体レーザーに組み込まれたフォトダイオードの信号強度に基づき半導体レーザー光の出力強度を一定に保つことを特徴とする請求項1または2に記載のガス濃度測定装置。 The control unit modulates the oscillation of the semiconductor laser at a specific frequency, synchronously amplifies the received light signal in synchronization with the frequency , and measures the signal intensity ; and
3. The gas concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the output intensity of the semiconductor laser light is kept constant based on the signal intensity of the photodiode incorporated in the semiconductor laser .
前記制御部は、補正光測定器における光量変化に基づいて、共振器内に照射されるレーザー光強度が一定になるように半導体レーザーの電流を制御すること、及び、予め算出した検量線に基づき測定対象ガスからのラマン散乱光強度から濃度を換算するに際し、前記補正光測定器における光量変化に基づいて検量線を補正することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のガス濃度測定装置。 And a correction light measuring device for measuring laser light leaking from the second reflecting mirror,
The control unit controls the current of the semiconductor laser based on the change in the light amount in the correction light measuring device so that the intensity of the laser light irradiated in the resonator becomes constant , and based on a calibration curve calculated in advance. 4. The gas concentration according to claim 1 , wherein, when the concentration is converted from the Raman scattered light intensity from the measurement target gas, the calibration curve is corrected based on a change in the amount of light in the correction light measuring device. measuring device.
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