JP5950593B2 - 閉鎖系信号伝搬装置、およびそれを含む吸光分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、繰り返し伝播する信号の繰り返し数或いは繰り返し時間を長くすることができる閉鎖系の光信号伝播経路と電気信号伝送経路とを含む閉鎖系信号伝播装置、および、それを含む吸光分析装置および光メモリ装置に関するものである。

特許文献１および特許文献２に示されているように、光透過性を有する物質の吸光特性を利用して試料を分析する装置として、所謂キャビティリングダウン法を用いた吸光分析装置や、光信号を所定時間記憶させる光メモリなどには、光源から入力された第１波長の光が閉じられた光信号伝播経路内で繰り返し伝播させられる閉鎖系光回路が用いられる。たとえば、環状の光信号伝播経路に沿って光が周回的に伝播させられる光信号周回回路や、線状の光信号伝播経路に沿って光が往復的に伝播させられる光信号往復回路がそれである。このような閉鎖系光回路内において、たとえばパルス状レーザ光である光信号が繰り返し伝播させられた結果、その閉鎖系光回路内の伝播光の一部（十分の１乃至百分の１程度）が外部へ順次取り出される光信号は、特に、空間結合効率が低いサンプルセルを用いた場合に、時間経過に伴って強度が減衰するとともに、その減衰波形にノイズが混入してＳ／Ｎ比が低いという問題があった。このため、たとえば吸光分析装置では、パルス状レーザ光である入力信号の入力当初から上記信号光が１／ｅの光強度まで減衰するまでの時間であるリングダウンタイムが短く、しかも正確に得られないし、或いは、減衰率も同様に正確に得られないので、測定精度が十分に得られなかった。また、たとえば光メモリでは、記憶時間が十分に得られなかった。

これに対して、上記閉鎖系光回路から順次取り出される光信号の減衰やＳ／Ｎ比の低下を解消することを意図として、光増幅器を上記閉鎖系光回路内に介挿することで、その閉鎖系光回路内で繰り返し伝播する光を繰り返し増幅させることが考えられる。この光増幅器を用いて閉鎖系光回路内で繰り返し伝播する光のゲインを高めようとすると、パルス状レーザ光である第１波長の入力光の波長とその波長に隣接する周囲波長の周囲光（自然光）とを含む相対的に幅広のスペクトル（波長帯）を有する大きなゲインの増幅光が閉鎖系光回路内で発生させられるので、その一部を閉鎖系光回路から外部へ取り出した増幅光から第１波長の光を通過させる波長選択器を通して第１波長の信号光すなわち出力光が得られる。

特開２００４−３３３３３７号公報 特開２００７−０９３５２９号公報

しかし、上記の光増幅器を閉鎖系光回路内に介挿した場合には、光増幅器の利得を増加させると発振が生じて波形が潰れ、出力信号を取り出すことが困難となるという問題があった。これに対して、発振周波数帯域を避けることが考えられるが、そのように発振周波数帯域を避けようとして使用するレーザ光の波長を変更しても、閉鎖系光回路内での光増幅器の増幅帯と整合しない場合は十分な出光することが煩雑で困難であった。

本発明は以上の事情を背景としてなされたものであり、その目的とするところは、信号強度の減衰が少なく安定した光信号が得られる、光信号伝播経路と電気信号伝播経路とを含む閉鎖系信号伝播装置、および、それを含む吸光分析装置および光メモリ装置を提供することにある。

本発明者は以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、閉鎖系の光回路内の一部を、伝播する光信号を検出して電気信号に変換する光センサとその光センサから出力された電気信号を光信号に変換して出力するレーザ素子とから構成される電気信号伝播経路で置換すると、光増幅器を用いる必要がないので、発振やその発振に起因して信号波形が潰れず、十分に出力信号を取り出すことができるとともに、光増幅器の増幅帯とレーザ光の周波数との整合性が不要となり、容易に出力信号を得ることができるという点が見いだされた。本発明はこの知見に基づいて為されたものである。

すなわち、本発明の要旨とするところは、周回する経路で信号を繰り返し伝播させる閉鎖系信号伝播装置であって、（ａ）光源からの光信号を始端から終端へ向かう経路で伝播させる光信号伝播経路と、（ｂ）該光信号伝播経路の終端から出力される光信号を受けて電気信号に変換する光／電変換素子と、（ｃ）該光／電変換素子から出力された電気信号を光信号に変換して前記光信号伝播経路の始端へ帰還させる電／光変換素子と、（ｄ）前記光／電信号変換素子から出力される電圧に応じた大きさの電流を負荷抵抗の大きさに拘わらず出力して前記電／光変換素子を駆動する電／光変換素子駆動回路とを、備え、（ｅ）前記光信号伝播経路と、前記光／電変換素子と電／光変換素子との間の電気信号伝播経路とにより構成される周回路内で周回させられる信号が、指数関数的に減衰させられることを特徴とする。

本発明の閉鎖系信号伝播装置によれば、（ａ）光源からの光信号を始端から終端へ向かう経路で伝播させる光信号伝播経路と、（ｂ）該光信号伝播経路の終端から出力される光信号を受けて電気信号に変換する光／電変換素子と、（ｃ）該光／電変換素子から出力された電気信号を光信号に変換して前記光信号伝播経路の始端へ帰還させる電／光変換素子とが備えられ、該光信号伝播経路と、（ｄ）前記光／電信号変換素子から出力される電圧に応じた大きさの電流を負荷抵抗の大きさに拘わらず出力して前記電／光変換素子を駆動する電／光変換素子駆動回路とを、備え、（ｅ）前記光信号伝播経路と、前記光／電変換素子と電／光変換素子との間の電気信号伝播経路とにより構成される周回路内で周回させられる信号が、指数関数的に減衰させられる。このため、光増幅器を用いる必要がないので、発振やその発振に起因して信号波形が潰れず、十分に出力信号を取り出すことができるとともに、光増幅器の増幅帯とレーザ光の周波数との整合性が不要となり、容易に出力信号を得ることができる。また、光信号伝播経路だけで閉鎖系信号伝播装置が構成される場合に比較して、光増幅器、信号減衰器、波長可変フィルタ、光カプラ等が不要となり、部品点数が少なく、装置が小型且つ安価となる。また、低い領域の電圧信号は光に変換しないという電／光変換素子の出力特性に拘わらず、指数関数的に減衰する電気信号および光信号が得られ、測定精度が得られる利点がある。

ここで、好適には、前記光源からの光信号が出力され、或いは前記電／光変換素子から光信号が出力されてから、その光信号が前記光信号伝播経路を伝播して前記光／電変換素子に検知されてそれから出力される電気信号が前記電／光変換素子へ供給されるまでの時間を遅延させる信号遅延素子が設けられている。このようにすれば、前記光源からの光信号が前記光信号伝播経路の始端に入力されてから電気信号が前記電／光変換素子へ供給されるまでの時間が遅延素子により遅延させられるので、その光源からの光信号とその電／光変換素子から前記光信号伝播経路の始端へ出力させられる光信号との重なりが回避されるとともに、繰り返し検出される光信号の間に十分な間隔が得られ、測定が容易となる。

また、好適には、前記光信号伝播経路は第１光ファイバにより構成され、前記光源は、第２光ファイバを介して波長選択フィルタおよび光検出器と順次接続され、該第１光ファイバの前記光源と波長選択フィルタとの間と該第２光ファイバとは、光カプラを介して結合され、前記光検出器から出力信号が出力される。このようにすれば、第１光ファイバと前記光／電変換素子から電／光変換素子までの電気信号伝播経路とにより周回する経路で信号を繰り返し伝播させる閉鎖系信号伝播経路が構成される。

また、好適には、前記電／光変換素子は、前記光源としても機能しており、前記光／電変換素子は、前記電／光変換素子への電気信号の他に、出力信号も出力する。このようにすれば、電／光変換素子およびそれを駆動する駆動回路の個数が少なくなる利点がある。

また、好適には、前記光信号伝播経路の一部に、先端に光信号を反射するミラーを有する往復伝播経路が設けられ、該光信号往復伝播経路の基端部には、該光信号伝播経路の先端で前記ミラーにより反射された光信号を分波して前記光／電信号変換素子へ供給する光カプラが設けられている。このようにすれば、光信号伝播経路およびミラーによって往復する経路で信号を繰り返し伝播させる閉鎖型信号伝播経路が構成される。

また、好適には、前記電／光変換素子はレーザダイオードであり、該レーザダイオードは、前記光／電信号変換素子から出力される電圧に応じた大きさの電流を、負荷抵抗の大きさに拘わらず出力するレーザダイオード駆動回路により駆動される。このようにすれば、低い領域の電圧信号は光に変換しないというレーザダイオードの出力特性に拘わらず、指数関数的に減衰する電気信号および光信号が得られ、測定精度が得られる利点がある。

また、好適には、前記レーザダイオードは、入力電流閾値を超える入力信号に応じた大きさの出力光を出力する特性を有し、前記レーザダイオード駆動回路は、前記入力電流閾値と同等以上の直流バイアス電流を出力するものである。このようにすれば前記レーザダイオードへ供給される入力信号に直流バイアス電流を加えると、入力電流閾値以下の入力信号でも出力光を出力させることができ、リングダウン信号を一層明確とすることができる。

また、好適には、前記閉鎖系信号伝播装置の前記光信号伝播経路の中間部に、測定試料を収容する光透過性の試料収容容器が備えられる。このようにすれば、精度の高い測定が可能な吸光分析装置が得られる。

前記電／光変換素子は発光ダイオードであり、前記光信号伝播経路は、前記発光ダイオードと前記光／電変換素子との間で空間により構成されている。このようにすれば、光ファイバを用いないで光信号伝播経路が構成されるので、発光ダイオードから出力された光を低損失で伝播させることができる。

また、好適には、前記発光ダイオードは、炭酸ガスの吸収波長帯の波長を有する光信号を出力するものであり、前記光信号伝播経路には、試料を介在させるための開放空間を挟んで一定の距離を隔てる一対の光学素子を備えて該一対の光学素子間に該光信号伝播経路の一部を構成する試料伝播空間形成装置が設けられている。このようにすれば、たとえば地球環境の研究、評価、植物向上の管理のために好適に炭酸ガス濃度を高精度で測定できる小型且つ安価な炭酸ガス濃度測定装置が得られる。

本発明の一実施例の閉鎖系信号伝播装置を含む吸光分析装置の要部構成を説明する概略図である。 図１の吸光分析装置において用いられているレーザダイオード駆動回路の構成例を説明する回路図である。 図１の吸光分析装置に用いられるレーザダイオードの出力特性を示す図である。 図１の吸光分析装置において、その光検出器から順次出力される信号光の大きさが減少するリングダウン波形を示す図である。 図１の吸光分析装置において、アンモニアガスの濃度測定に用いられる予め記憶されたアンモニアガスの圧力ＭＰａと減衰曲線の傾き指数βとの関係を示す図である。 本発明の他の実施例（実施例２）の閉鎖系信号伝播装置を含む吸光分析装置の要部構成を説明する概略図であって、図１に相当する図である。 本発明の他の実施例（実施例３）の閉鎖系信号伝播装置を含む吸光分析装置の要部構成を説明する概略図であって、図１に相当する図である。 本発明の他の実施例（実施例４）の閉鎖系信号伝播装置を含む吸光分析装置の要部構成を説明する概略図であって、図１に相当する図である。 本発明の他の実施例（実施例５）の閉鎖系信号伝播装置を含む吸光分析装置の要部構成を説明する概略図であって、図１に相当する図である。 本発明の他の実施例（実施例６）の閉鎖系信号伝播装置を含む吸光分析装置の要部構成を説明する概略図であって、図１に相当する図である。 本発明の他の実施例（実施例７）の閉鎖系信号伝播装置を含む光メモリ装置の要部構成を説明する概略図であって、図１に相当する図である。 図１１の実施例において用いられるレーザダイオードの入力電圧に対する出力特性を示す図である。 図１１の実施例の光メモリ装置の光信号出力例を示す図である。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。尚、以下の説明に用いる図面において各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例の吸光分析装置８の構成の要部を示す略図である。図１において、吸光分析装置８は、パルスジェネレータ１０から出力され且つレーザダイオード駆動回路１２によりパルス状の駆動電流により所定波長の第１波長λ１たとえば１５３１ｎｍのパルス状レーザ光Ｌを出力するレーザダイオード（電／光変換素子）１４と、そのレーザダイオード１４から入力された第１波長λ１の入力光を光カプラ１６および第１波長付近たとえば１５３１ｎｍ±６．５ｎｍの波長の光信号のみを通過させる波長選択フィルタ１８を通して光検出器２０へ伝播させる線状の第２光ファイバ２２と、上記光カプラ１６により第２光ファイバ２２と９：１程度でカップリングされ、試料収容容器２４および光信号遅延素子（信号遅延素子）２６を直列に有する第１光ファイバ２８と、第１光ファイバ２８の始端に接続されたレーザダイオード（電／光変換素子）３０と、第１光ファイバ２８の終端に接続され、それを伝播してきた光信号を電気信号に変換して出力し、帰還信号用のレーザダイオード駆動回路３２により駆動電流に変換された電気信号をレーザダイオード３０へ供給する光検出器（光／電変換素子）３４と、予め記憶された関係から、光検出器２０により検出された周期的に減衰する光信号（リングダウン信号）に基づいて試料収容容器２４内に収容された物質或いはその濃度を特定し、表示装置３６に測定結果を表示する電子制御装置３８とを、備えている。

上記レーザダイオード駆動回路１２および３２は、たとえば図２に示すようにそれぞれ構成される。図２において、一対の帰還抵抗Ｒ_ｆが設けられることにより、帰還型オペアンプＯＰＡは、その入力端子＋が入力電圧Ｖ_ｉｎとなるように出力電圧を調節する結果、出力抵抗Ｒ１およびレーザダイオード１４或いはレーザダイオード３０と等価の負荷抵抗Ｒ_Ｌには、負荷抵抗Ｒ_Ｌの変化に拘わらず、入力電圧Ｖ_ｉｎすなわち上記パルスジェネレータ１０から出力されたパルス信号の電圧に比例した出力電流Ｉ_ｏｕｔが出力されるようになっている。すなわち、レーザダイオード駆動回路１２および３２は、負荷抵抗Ｒ_Ｌの大きさに拘わらず入力電圧Ｖ_ｉｎに応じた大きさの一定電流を出力する定電流電源として機能している。これにより、レーザダイオード１４およびレーザダイオード３０は、低い領域の電圧信号は光に変換しないという出力特性を有しているにも拘わらず、供給されるパルス状の電気信号の電圧に応じた大きさのパワーを有する光信号を出力する。特に、レーザダイオード３０は、光検出器３４によって検出される光信号光が周回または往復によって順次小さくなり、それに応じて出力する電気信号（電圧）が順次低くなっていくが、その電気信号の電圧低下に応じて、指数関数的に減衰する光信号を出力するようになっている。また、上記レーザダイオード駆動回路１２は、たとえば出力抵抗Ｒ１を可変としてレーザダイオード１４へ供給する駆動電流（注入電流）を調節することにより、１発目の光信号強度を変化させることができる。注入電流を大きくしても波形は大きくなるが減衰波形の傾きは変化しない。レーザダイオード駆動回路３２は、たとえば出力抵抗Ｒ１を可変としてレーザダイオード３０へ供給する駆動電流（注入電流）を調節することにより、２発目以降のリングダウンパルス（光信号）の減衰寿命を変化させることができる。

ここで、レーザダイオード１４および３０は、一般に図３に示すように、入力電流閾値ＴＣ以下の小さい入力信号に対しては動作せず、入力電流閾値ＴＣ以下の入力信号について、その大きさに応じたパワーを有するレーザ光を出力する特性を有する。このため、レーザダイオード１４および３０へ供給される入力信号に直流バイアス電流ＩＢを加えると、入力電流閾値ＴＣ以下の入力信号でもレーザ光を出力させることができ、リングダウン信号を一層明確とすることができる。たとえば、図２に示す、入力バイアス電圧ＶＢを出力するバイアス回路ＫＢはその一例である。

上記第１光ファイバ２８の終端に接続された光検出器３４が、その第１光ファイバ２８内を伝播してきた光信号を電気信号に変換して出力し、帰還信号用のレーザダイオード駆動回路３２により駆動電流に変換された電気信号をレーザダイオード３０へ供給すると、それに応答して、レーザダイオード３０からは第１光ファイバ２８の始端に光信号が出力されるので、第１光ファイバ２８に対応する光信号伝播経路と、光検出器３４とレーザダイオード３０との間に対応する電気信号伝播経路とで構成された周回経路で信号が繰り返し伝播させられる閉鎖系信号伝播装置４０が構成される。

上記光カプラ１６は、たとえば第２光ファイバ２２と第１光ファイバ２８のコアが相互に並行状態で溶着されることにより構成されたものであり、第２ファイバ２２内を伝播するパルス状の第１波長λ１の単色光を第１光ファイバ２８内へ取り込むため、および、第１光ファイバ２８内を繰り返し伝播する光信号の一部を取り出すためのたとえば取込み時の結合係数５：５および取出し時の結合係数９：１をそれぞれ備えている。この光カプラ１６は、２分割形式に構成されていてもよいし、ハーフミラーなどの他の形式の光取入装置或いは取出装置に替えられ得る。

上記第２光ファイバ２２、第１光ファイバ２８は、クラッド型やセルホック型などのガラス製ファイバ或いはプラスチック製ファイバが用いられる。なお、第２光ファイバ２２、第１光ファイバ２８は、光信号伝播経路として機能するものであればよく、光信号を周回させ或いは往復させる複数のミラーから構成されもよいし、ＰＬＤＣなどの導波路から構成されてもよい。

上記試料収容容器２４は、気体或いは液体の試料４２を閉じ込めるか或いは流通させることが可能な閉鎖型或いは開放型の空室（キャビティ）を有し、たとえば石英ガラス製の透明な容器によって構成され、第１光ファイバ２８の途中に介在させられている。

上記光信号遅延素子２６は、閉鎖系信号伝播装置４０内の周回させられる信号の伝播を数μｓｅｃ程度たとえば３μｓｅｃ程度遅延させるために、第１光ファイバ２８の途中の一部をたとえば数百ｍに相当する距離となるように多回数周回させて構成したものである。この周回によって発生する伝播距離の増加に対応した伝播時間が遅延時間となる。この遅延時間は、当初の光信号とそれにより周回した次の光信号との間および周回した光信号間が重複せず、個別の光信号の大きさが容易に測定可能な十分に分離されたパルス間隔となるように設定される。

以上のように構成された吸光分析装置８では、測定開始操作に応答して、レーザダイオード駆動回路１２から１パルスの駆動電流が供給されると、レーザダイオード（電／光変換素子）１４からたとえば２００乃至４００ｎｓ程度のパルス幅を有する単発のパルス状レーザ光である単一のパルス状の光信号が第２光ファイバ２２へ出力され、光カプラ１６を通して閉鎖系信号伝播装置４０の第１光ファイバ２８内へ入力される。閉鎖系信号伝播装置４０では、第１光ファイバ２８に対応する光信号伝播経路では光信号として、光検出器３４とレーザダイオード３０との間に対応する電気信号伝播経路では電気信号として周回し、光信号が試料収容容器２４を繰り返し通過することで、試料収容容器２４内の試料４２に応じた減衰を受ける。この第１光ファイバ２８内で繰り返し伝播する光信号は、光カプラ１６を介して第２光ファイバ２２へ取り出され、波長選択フィルタ１８を通して光検出器２０により検知され、そこで電気信号に変換された出力信号が電子制御装置３８へ出力される。この出力信号は、たとえば図５に示すように指数関数的に減衰している。

電子制御装置３８は、マイクロコンピュータなどから構成され、予め記憶されたプログラムに従って光検出器２０からの出力信号を処理し、光検出器２０により検出された第１波長λ１の信号（出力）光の減衰波形の減衰状態に基づき、リングダウン分光法を用いて試料４２を特定したり、試料４２の濃度を測定する。このようにして得られた減衰波形、減衰曲線、減衰率ｋ、リングダウンタイムτ、数密度ｎ、吸光率Δｋなどの一部或いは全部の分析結果は、表示装置３６に表示される。たとえば、電子制御装置３８は、試料４２を試料収容容器２４内に未だ収容しないときにパルス状レーザ光である入力光が取り込まれたときに光検出器２０から順次得られるパルス群（列）の大きさの減衰波形を算出するとともに、その減衰波形からそのリングダウンタイムτ０を予め求め、次いで、試料４２を試料収容容器２４内に未だ収容しないときにパルス状レーザ光Ｌである入力光が取り込まれたときに光検出器２０から得られるパルス群（列）の減衰波形を算出するとともに、その減衰波形からそのリングダウンタイムτを算出し、たとえば後述する（４）式に示す予め記憶された関係から実際のそれらリングダウンタイムτ０およびτに基づいて試料４２の数密度ｎを算出して試料４２を特定する。また、上記試料収容容器２４内に標準濃度の試料を入れたときのリングダウンタイムτ０を求める場合には、上記と同様にして、試料４２の濃度を特定する。

本実施例に用いられる分光分析測定の原理および上記（４）式の導出方法を以下に説明する。第１光ファイバ２８において周回させられるパルス状のレーザ光である入力光およびその増幅光の一部は、周回する毎に光カプラ１６から所定の割合たとえば１／１０乃至１／１００の取出割合で順次取り出されるので、パルス状レーザ光である入力光が取り込まれる毎にたとえば図４に示すように上記順次取り出された信号光すなわちパルス群（列）の減衰波形すなわちリングダウン波形が時系列的に観測される。この波形は、時間経過に伴って減衰し、その減衰率は、周回させられるパルス状である入力光およびその増幅光が透過する試料４２の物質状態に応じて変化する。上記波形は、その初期値の強度をＩ０とすると、次式（１）の時間関数Ｉ（ｔ）で表わされるものである。
Ｉ（ｔ）＝Ｉ０ ｅｘｐ−（１／τ０）ｔ ・・・（１）
ここで、（１／τ０）は減衰率である。τ０ は強度が１／ｅとなるまでの時間すなわち時定数であり、基準リングダウンタイムとも称される。光カプラ１６における光の取出割合をＲ、光速をｃ、キャビティ長（ 周回長） をＬとすると、τ０は後述する次式（２）で示される。
τ０ ＝Ｌ／ｃ（１−Ｒ） ・・・（２）
次いで、試料をある吸光物質としたときのリングダウンタイムτ、その試料の物質の吸収断面積をσ、物質の数密度をｎとすると、（１）式は（３）式に書き換えられる。（２）式から（４）式が得られる。
Ｉ（ｔ）＝Ｉ０ ｅｘｐ−（ｔ／τ０ −σｎｃｔ） ・・・（３）
ｎ＝１／σｃ（１／τ−１／τ０ ） ・・・（４）
これにより、吸収断面積σが既知である水等の媒質の振動回転遷移を対象とし、τ０とτとを測定で求めることにより、（４）式を用いて物質の数密度ｎを算出することができる。

吸光分析装置８では、光検出器２０によって順次検出された信号光の強度（パワー）は図４の破線に示すような減衰波形が表示装置３６に表示される。破線Ａは、試料収容容器２４内が真空の場合であり、破線Ｂは、０．１ＭＰａのアンモニアガスの場合を示している。図４の曲線ＡおよびＢはτを求めるための減衰曲線の近似曲線である。また、電子制御装置３８は、その実線で示される減衰曲線の初期値時点とその初期値の１／ｅとなる時点との間の時間を計測することでリングダウンタイムτを測定し、（４）式からリングダウンタイムτに基づいて試料４２の数密度ｎを算出し、又は、たとえば図５の直線に示す予め記憶された関係から傾き指数β（＝１／τ）に基づいて試料４２の圧力（すなわち密度或いは濃度）を算出し、表示装置３６に表示させる。図５は、試料４２が、複数種類の濃度を有するアンモニアガスである場合に測定された傾き指数βを示している。

上述のように、本実施例の吸光分析装置８によれば、レーザダイオード１４（光源）からの光信号を始端から終端へ向かう経路で伝播させる第１光ファイバ（光信号伝播経路）２８と、その第１光ファイバ２８の終端（一端）から出力される光信号を受けて電気信号に変換する光検出器（光／電変換素子）３４と、その光検出器３４から出力された電気信号を光信号に変換して上記第１光ファイバ２８の始端（他端）へ帰還させるレーザダイオード（電／光変換素子）３０とが備えられ、その第１光ファイバ（光信号伝播経路）２８と、光検出器３４とレーザダイオード３０との間の電気信号伝播経路とにより周回する閉経路で信号を繰り返し伝播させる閉鎖系信号伝播装置４０が構成されることから、光増幅器を用いる必要がないので、発振やその発振に起因して信号波形が潰れず、十分に出力信号を取り出すことができるとともに、光増幅器の増幅帯とレーザ光の周波数との整合性が不要となり、容易に出力信号を得ることができる。また、第１光ファイバ（光信号伝播経路）２８だけで閉鎖系信号伝播装置４０が構成される従来の場合に比較して、光増幅器、アッテネータ（信号減衰器）、波長可変フィルタ等が不要となり、部品点数が少なく、装置が小型且つ安価となる。

また、本実施例の吸光分析装置８によれば、レーザダイオード１４（光源）からの光信号が出力されてから、或いは、レーザダイオード３０から光信号が出力されてから、その光信号が第１光ファイバ（光信号伝播経路）２８を伝播して光検出器３４に検知されてそれから出力される電気信号がレーザダイオード３０へ供給されるまでの時間を遅延させる光信号遅延素子２６が設けられている。このため、レーザダイオード１４（光源）からの光信号が出力されてから、或いは、レーザダイオード３０から光信号が出力され、それに続いてレーザダイオード３０が光信号出力するまでの時間が遅延させられるので、レーザダイオード１４或いはレーザダイオード３０からの光信号とそれに引き続きレーザダイオード３０から第１光ファイバ２８の始端へ出力される光信号との重なりが回避されるとともに、繰り返し検出される光信号の間に十分な間隔が得られ、測定が容易となる。

また、本実施例の吸光分析装置８によれば、レーザダイオード１４（光源）は、第２光ファイバ２２を介して波長選択フィルタ１８および光検出器２０と順次接続され、第１光ファイバ２８（光信号伝播経路）と第２光ファイバ２２とは光カプラ１６を介して結合され、第１光ファイバ２８の終端に接続された光検出器３４から出力信号が出力される。このため、第１光ファイバ２８と光検出器（光／電変換素子）３４からレーザダイオード３０（電／光変換素子）までの電気信号伝播経路とにより周回する経路で信号を繰り返し伝播させる閉鎖系信号伝播装置４０が構成される。

また、本実施例の吸光分析装置８によれば、好適には、レーザダイオード３０（電／光変換素子）は、光検出器（光／電変換素子）３４から出力される電圧に応じた大きさの電流を負荷抵抗の大きさに拘わらず出力するレーザダイオード駆動回路３２により駆動される。このため、低い領域の電圧信号は光に変換しないというレーザダイオード３０の出力特性に拘わらず、指数関数的に減衰する電気信号および光信号が得られ、測定精度が得られる利点がある。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、実施例相互に共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図６の吸光分析装置５０は、実施例１（図１）の吸光分析装置８と比較して、レーザダイオード１４を削除し、その替わりにレーザダイオード３０に光源としても機能させるとともに、そのレーザダイオード３０には、レーザダイオード駆動回路１２からの駆動電流とレーザダイオード駆動回路３２からの駆動電流とが択一的に供給されるようにした点で、相違するが、その他の構成は同様である。本実施例の吸光分析装置５０によれば、前述の実施例１と同様閉鎖系信号伝播装置４０を備えているので、その吸光分析装置８と同様の作用効果が得られる。また、本実施例によれば、レーザダイオード１４が不要となるので、閉鎖系信号伝播装置４０が一層小型となる利点がある。なお、上記レーザダイオード３０とレーザダイオード駆動回路１２およびレーザダイオード駆動回路３２との間には、光検出器３４およびレーザダイオード駆動回路３２とレーザダイオード駆動回路１２およびパルスジェネレータ１０との間を電気的に分離するために、レーザダイオード駆動電流と同じ方向の一対のダイオードＤとレーザダイオード３０と直列接続となるたとえば１００〜１５０Ω程度の直列抵抗Ｒとを含むアイソレータ５２が設けられている。

図７の吸光分析装置６０は、実施例２（図６）の吸光分析装置５０と比較して、光カプラ１６、波長選択フィルタ１８、光検出器２０、およびそれらを接続する第２光ファイバ２２を削除し、その替わりに、光検出器３４から出力信号を電子制御装置３８へ出力させるようにした点で、相違するが、その他の構成は同様である。本実施例の吸光分析装置６０によれば、実施例１の吸光分析装置８および実施例２の吸光分析装置５０と同様の閉鎖系信号伝播装置４０を備えているので、その吸光分析装置５０と同様の作用効果が得られる。また、本実施例によれば、光カプラ１６、波長選択フィルタ１８、光検出器２０、およびそれらを接続する第２光ファイバ２２が不要となるので、閉鎖系信号伝播装置４０が一層小型となる利点がある。

図８の吸光分析装置７０は、実施例３（図７）の吸光分析装置６０と比較して、閉鎖系信号伝播装置４０の光信号伝播経路に対応する第１光ファイバ２８に設けられていた光信号遅延素子２６を削除し、その替わりに、電気信号の伝播を電気的に数μｓｅｃ程度たとえば３μｓｅｃ程度遅延させる電気信号遅延回路（信号遅延素子）４４を、その閉鎖系信号伝播装置４０の電気信号伝播経路に対応する光検出器３４とレーザダイオード駆動回路３２との間に設けた点で相違する。このようにしても、光信号遅延素子２６と同様に、実施例３（図７）の吸光分析装置６０と同様の作用効果が得られる。また、本実施例によれば、第１光ファイバ２８を数百ｍ分に相当するように多回数巻回させることにより構成する光信号遅延素子２６が不要となるので、閉鎖系信号伝播装置４０が一層小型となる利点がある。
る利点がある。

図９の吸光分析装置８０は、実施例２（図６）の吸光分析装置５０と比較して、光検出器２０に換えてミラー４６が設けられ、試料収容容器２４および光信号遅延素子２６が第１光ファイバ２８から第２光ファイバ２２の光カプラ１６とミラー４６との間に設けられている点で相違するが、その他の構成は同様である。本実施例の吸光分析装置８０に備えられた閉鎖系信号伝播装置４８では、レーザダイオード３０から第１光ファイバ２８の始端へ出力された光信号は、光カプラ１６を介して第２光ファイバ２２の基端部へ伝送され、試料収容容器２４を介して第２光ファイバ２２の先端部へ到達した光信号はミラー４６により反射されて第２光ファイバ２２の基端部へ戻され、光カプラ１６を介して再び第１光ファイバ２８へ戻されて光検出器３４により検出される。ついで、光信号の受信によって光検出器３４から出力された電気信号は、レーザダイオード駆動回路３２を介してレーザダイオード３０へ帰還され、これが繰り返されることにより光検出器３４からリングダウン信号が電子制御装置３８へ出力される。このため、本実施例の吸光分析装置８０によれば、実施例２（図６）の吸光分析装置５０と同様の作用効果が得られる。また、本実施例によれば、第２光ファイバ２２が、光信号を往復させる線状の光信号往復伝播経路で光信号伝播経路の一部を構成するとともに、その線状の伝播経路に試料収容容器２４を備えているので、大きな容器を構成する外壁に形成された貫通穴から第２光ファイバ２２を差し入れてその容器内のガス分析をすることが可能となる利点がある。本実施例では、これら第１光ファイバ２８および第２光ファイバ２２が光信号伝播経路に対応し、第１光ファイバ２８が光信号伝播経路の一部である光信号一方向伝播経路に対応し、第２光ファイバ２２が光信号伝播経路の他の一部である線状の光信号往復伝播経路に対応している。

図１０に示す吸光分析装置９０は、図８に記載された実施例４の吸光分析装置７０に対して、２０５０ｎｍの中心波長を有するレーザダイオード３０およびそれを駆動するレーザダイオード駆動回路１２、３２に替えて、ＬＥＤ（発光ダイオード、電／光変換素子）９２およびそれに駆動電流を出力するＬＥＤ駆動回路９３、９４が用いられ、試料収容容器２４に替えて、試料を介在させる開放空間を挟んで一定の距離を隔てて対向する一対の集光レンズ（光学素子）９５とそれらを支持する支持フレーム９６とを備えて一対の集光レンズ９５間に光信号伝播経路の一部を構成する試料伝播空間形成装置９７が用いられ、電気信号遅延回路４４が６００ｍの同軸ケーブルで構成され、光信号伝播経路に光ファイバが用いられていない点で相違し、他は同様に構成されている。本実施例の吸光分析装置９０では、ＬＥＤ９２からの出力光は一対の集光レンズ９５の間で太い平行ビームとされた後、光検出器３４に集光される。これにより、前述の実施例と同様に、集光レンズ９５の間の試料の種類或いは濃度が測定される。本実施例では、ＬＥＤ９２の出力光の波長帯はレーザ光に比較して広く且つ炭酸ガスの吸収帯波長と略一致させられており、集光レンズ９５間の平行ビームが太いので、高い精度且つ安定な炭酸ガス濃度の測定ができる。このため、本実施例の吸光分析装置９０によれば、空気中の炭酸ガス濃度を高精度で測定できる小型且つ安価な二酸化炭素濃度測定装置が得られる。なお、本実施例の光信号伝播経路は、光ファイバを用いないで、ＬＥＤ９２と光検出器３４との間で空間及び光学素子により構成されているので、ＬＥＤ（発光ダイオード）９２から出力された光を低損失で伝播させることができる。本実施例の閉鎖系信号伝播装置４０は、ＬＥＤ９２から光検出器３４までの間の空間で構成された光信号伝播経路と、光検出器３４からＬＥＤ９２までの間の電気信号伝播経路とにより構成されている。

図１１は、たとえば図７の吸光分析装置６０に備えられた閉鎖系信号伝播装置４０を基本的に用いた光メモリ装置１００を示している。この光メモリ装置１００は、吸光分析装置６０に備えられた閉鎖系信号伝播装置４０に比較して、レーザダイオード駆動回路１２および３２とアイソレータ１０２とが除去されている点、レーザダイオード３０と直列接続となる直列抵抗Ｒを備えず且つ光検出器３４とパルスジェネレータ１０との間を電気的に分離するための一対のダイオードＤを備えるアイソレータ１０２を備える点で相違し、他は同様に構成されている。

本実施例の光メモリ装置１００では、定電流回路として機能するレーザダイオード駆動回路１２および３２が除去されて光検出器３４およびパルスジェネレータ１０の出力電圧が直接的にレーザダイオード３０に供給されるとともに、レーザダイオード３０の直列抵抗Ｒが除去された結果、図１２に示すように、レーザダイオード３０の入力電圧がたとえば１．２Ｖ程度の予め設定された出力飽和入力電圧Ｖ_ＩＮＳを超えると、出力される光信号の電圧（強度）が飽和して一定となる出力特性となるので、光検出器３４により検出される光信号は一定の大きさとなり、たとえば図１３に示すように持続する。この持続期間において光信号が維持されるのでメモリ装置として機能する。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例では、閉鎖系信号伝播装置４０、４８が吸光分析装置８０、５０、６０、７０、８０、９０および光メモリ装置１００に適用された場合について説明されていたが、他の用途にも適用されることができる。

また、前述の実施例５の吸光分析装置８０に備えられる閉鎖系信号伝播装置４０は、その光信号伝播経路の一部が光信号往復経路により構成されていたが、全部が光信号往復経路により構成されていてもよい。

前述の実施例６の閉鎖系信号伝播装置４０で用いられた試料伝播空間形成装置９７は、実施例１〜５の閉鎖系信号伝播装置４０の試料収容容器２４に替え用いられてもよい。

その他一々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

８、５０、６０、７０、８０、９０：吸光分析装置
１４：レーザダイオード（電／光変換素子、光源）
１６：光カプラ
１８：波長選択フィルタ
２０：光検出器
２２：第２光ファイバ
２４：試料収容容器
２６：光信号遅延素子（信号遅延素子）
２８：第１光ファイバ（光信号伝播経路）
３０：レーザダイオード（電／光変換素子）
３４：光検出器（光／電変換素子）
３６：表示装置
３８：電子制御装置
４０、４８：閉鎖系信号伝播装置
４２：試料
４４：電気信号遅延回路（信号遅延素子）
９２：ＬＥＤ（発光ダイオード、電／光変換素子）
９５：集光レンズ（光学素子）
９７：試料伝播空間形成装置
１００：光メモリ装置
１０２、５２：アイソレータ

Claims (11)

1. 周回する経路で信号を繰り返し伝播させる閉鎖系信号伝播装置であって、
   光源からの光信号を始端から終端へ向かう経路で伝播させる光信号伝播経路と、
   該光信号伝播経路の終端から出力される光信号を受けて電気信号に変換する光／電変換素子と、
   該光／電変換素子から出力された電気信号を光信号に変換して前記光信号伝播経路の始端へ帰還させる電／光変換素子と、
   前記光／電信号変換素子から出力される電圧に応じた大きさの電流を負荷抵抗の大きさに拘わらず出力して前記電／光変換素子を駆動する電／光変換素子駆動回路とを、備え、
   前記光信号伝播経路と、前記光／電変換素子と電／光変換素子との間の電気信号伝播経路とにより構成される周回路内で周回させられる信号が、指数関数的に減衰させられる
   ことを特徴とする閉鎖系信号伝播装置。
2. 前記光源からの光信号が出力されてから、または、前記電／光変換素子から光信号が出力されてから、該光信号が前記光信号伝播経路を伝播して前記光／電変換素子に検知されてそれから出力される電気信号が前記電／光変換素子へ供給されるまでの時間を遅延させる信号遅延素子が設けられている
   ことを特徴とする請求項１の閉鎖系信号伝播装置。
3. 前記光信号伝播経路は第１光ファイバにより構成され、
   前記光源は、第２光ファイバを介して波長選択フィルタおよび光検出器と順次接続され、
   該第１光ファイバの前記光源と波長選択フィルタとの間と該第２光ファイバとは、光カプラを介して結合され、前記検出器から出力信号が出力されている
   ことを特徴とする請求項１又は２の閉鎖系信号伝播装置。
4. 前記電／光変換素子は、前記光源としても機能しており、
   前記光／電変換素子は、前記電／光変換素子への電気信号の他に、出力信号も出力することを特徴とする請求項１又は２の閉鎖系信号伝播装置。
5. 前記光信号伝播経路の一部に、先端に光信号を反射するミラーを有する往復伝播経路が設けられ、
   該光信号往復伝播経路の基端部には、該光信号伝播経路の先端で前記ミラーにより反射された光信号を分波して前記光／電信号変換素子へ供給する光カプラが設けられている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１の閉鎖系信号伝播装置。
6. 前記電／光変換素子は、レーザダイオードであり、
   前記レーザダイオードは、前記光／電信号変換素子から出力される電圧に応じた大きさの電流を、負荷抵抗の大きさに拘わらず出力するレーザダイオード駆動回路により駆動される
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１の閉鎖系信号伝搬装置。
7. 前記レーザダイオードは、入力電流閾値を超える入力信号に応じた大きさの出力光を出力する特性を有し、
   前記レーザダイオード駆動回路は、前記入力電流閾値と同等以上の直流バイアス電流を出力する
   ことを特徴とする請求項６の閉鎖系信号伝播装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系信号伝播装置を備え、
   前記閉鎖系信号伝播装置の前記光信号伝播経路の中間部に、測定試料を収容する光透過性の試料収容容器が備えられている
   ことを特徴とする吸光分析装置。
9. 請求項１または２のいずれか１の閉鎖系信号伝播装置を備え、
   前記電／光変換素子は発光ダイオードであり、
   前記光信号伝播経路は、前記発光ダイオードと前記光／電変換素子との間で空間により構成されている
   ことを特徴とする吸光分析装置。
10. 前記発光ダイオードは、炭酸ガスの吸収波長帯の波長を有する光信号を出力するものであり、
    前記光信号伝播経路には、試料を介在させるための開放空間を挟んで一定の距離を隔てる一対の光学素子を備えて該一対の光学素子間に該光信号伝播経路の一部を構成する試料伝播空間形成装置が設けられている
    ことを特徴とする請求項９の吸光分析装置。
11. 前記光信号伝播経路に介挿された試料収容容器と、
    前記光信号伝播経路と、前記光／電変換素子と電／光変換素子との間の電気信号伝播経路とにより周回する経路で伝播する信号を検出する光検出器と、
    前記試料収容容器内に試料が収容された状態で前記光検出器により検出された信号の減衰波形から該減衰波形の時定数に対応する実際のリングダウンタイムを算出し、予め記憶された関係から、予め求められた基準リングダウンタイムおよび前記実際のリングダウンタイムに基づいて前記試料の数密度を算出する電子制御装置とを、含む
    ことを特徴とする請求項１又は２の吸光分析装置。

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