JP6144881B2

JP6144881B2 - 濃度測定装置及び濃度測定方法

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Publication number: JP6144881B2
Application number: JP2012138624A
Authority: JP
Inventors: 淳伊澤; 聡一郎大海
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: JP2014002101A

Description

本発明は、レーザ光を用いた差分吸収法により物質の濃度を測定する濃度測定装置及び濃度測定方法に関する。

二酸化炭素ガスやメタンガス等の測定対象物の濃度を測定する方法の１つとして、レーザ光を用いた差分吸収法が知られている。この方法では、測定対象物で吸収される波長（即ち、オン波長）のレーザ光と測定対象物で吸収されない波長（即ち、オフ波長）のレーザ光の各透過率を基に測定対象物の濃度を算出する。特許文献１乃至特許文献４は、上記の差分吸収法を用いた濃度測定装置を開示している。

特開平０８−１２２２５４号公報特開２０１１−３３９４１号公報特開２０１２−２６９４９号公報特開２０１０−１８１１９３号公報

差分吸収法では、測定対象物を通過したレーザ光の透過率を算出するために、測定対象物に入射する前後でレーザ光の強度を測定する。通常、これらの測定には半導体検出器等の光検出器が個別に使用される。ところが、光検出器の量子効率にばらつきがあるため、得られた強度比に誤差が生じる。

本発明は、測定対象物の濃度を精度良く測定できる濃度測定装置及び濃度測定方法の提供を目的とする。

本発明の第１の態様は濃度測定装置であって、励起光としてのレーザ光を発生するレーザ光源と、前記励起光の波長変換によって、測定対象物に対するオン波長及びオフ波長のプローブ光を交互に発生するプローブ光発生部と、オン波長及びオフ波長の前記プローブ光の一部を強度基準光として分岐させる光路分岐部と、オン波長及びオフ波長の前記強度基準光、並びに前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射したオン波長及びオフ波長の前記プローブ光を同一の受光面で受光する光検出器と、オン波長及びオフ波長のそれぞれについて前記強度基準光および前記プローブ光の前記光検出器までの各到達時間の違いから前記プローブ光を特定すると共に、前記プローブ光の強度から前記測定対象物の濃度を算出する濃度算出部とを備え、前記光路分岐部はオン波長及びオフ波長の前記プローブ光の一部に挿入される散乱体であることを要旨とする。

本発明の第２の態様は濃度測定方法であって、励起光としてのレーザ光を発生し、前記励起光の波長変換によって、測定対象物に対するオン波長及びオフ波長のプローブ光を交互に発生し、オン波長及びオフ波長の前記プローブ光の一部に挿入された散乱体を用いてオン波長及びオフ波長の前記プローブ光の一部を強度基準光として分岐させ、オン波長及びオフ波長の前記強度基準光、並びに前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射したオン波長及びオフ波長の前記プローブ光を同一の受光面で受光し、オン波長及びオフ波長のそれぞれについて前記強度基準光および前記プローブ光の前記受光面までの各到達時間の違いから前記プローブ光を特定すると共に、前記プローブ光の強度から前記測定対象物の濃度を算出することを要旨とする。

本発明によれば、測定対象物の濃度を精度良く測定できる濃度測定装置及び濃度測定方法を提供できる。

本発明の一実施形態に係る濃度測定装置の構成図である。本発明の一実施形態に係るプローブ光発生部の構成図である。本発明の一実施形態に係るプローブ光発生部の構成図であり、図２の変形例である。本発明の一実施形態に係るプローブ光及び参照光の各波長と、測定対象物の吸収線の波長との関係を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る光路分岐部および光路合流部の構成図である。本発明の一実施形態に係る光路分岐部の構成図である。本発明の一実施形態に係る濃度測定方法によって得られる測定結果の一例である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る濃度測定装置の構成図である。図２は、本実施形態に係るプローブ光発生部の構成図である。図３は、図２に示すプローブ光発生部の変形例である。図１に示すように、本実施形態の濃度測定装置は、レーザ光源２２と、プローブ光発生部２４と、光路分岐部２７と、光路合流部２９と、光検出器２６と、濃度算出部２８とを備える。

レーザ光源２２は、後段のプローブ光発生部２４に入力される励起光（ポンプ光）２３としてのレーザ光を発生する。レーザ光の波長や発振モード（パルス発振又は連続発振）は、プローブ光発生部２４における波長変換の仕様（変換方法、出力波長など）に応じて選定する。本実施形態では、パルスレーザ光源であるＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザは、基本波である１０６４ｎｍのパルスレーザ光を、数ｎｓ〜数十ｎｓのパルス幅、且つ、１０Ｈｚ〜数ｋＨｚの繰り返し周波数で出力する。

プローブ光発生部２４は、励起光２３の波長変換によって、測定対象物に対するオン波長のプローブ光１０及びオフ波長のプローブ光１２（図４参照）を発生する。以下、説明の便宜上、オフ波長のプローブ光１２を単に参照光１２と称する。吸収の感度を高める観点からは、図４に示すように、プローブ光１０の波長λｏｎが測定対象物Ｓの吸収線１４の波長に一致していることが好ましい。しかしながら、少なくとも吸収線１４の波長が、プローブ光１０の線幅内に含まれていれば吸収を確認することは可能である。

図２に示すように、プローブ光発生部２４は、反射面が対向するように光軸（光路）２０に沿って配置された終端鏡３２と出力鏡３４とを有する。出力鏡３４と終端鏡３２との間隔Ｄは例えば２０ｍｍである。更に、終端鏡３２と出力鏡３４の間の光軸２０上には、波長変換を行う光学素子として、非線形光学結晶３６が設けられている。後述するように、非線形光学結晶３６は、励起光２３の光パラメトリック発振によってプローブ光１０及び参照光１２を発生する。

終端鏡３２は、励起光２３を透過させ、且つ、非線形光学結晶３６によって発生したプローブ光１０及び参照光１２を反射する波長特性を有する。通常、励起光２３の波長はプローブ光１０及び参照光１２の各波長よりも短いので、終端鏡３２は所謂ロングパスフィルター（ＬＰＦ）である。一方、出力鏡３４も、終端鏡３２と同じく、プローブ光１０及び参照光１２を反射する波長特性を有する。従って、終端鏡３２及び出力鏡３４は所謂光共振器を構成する。終端鏡３２及び出力鏡３４のプローブ光１０及び参照光１２に対する反射率は５０〜９９．５％である。

非線形光学結晶３６は例えばＫＴＰ結晶やＢＢＯ結晶であり、励起光２３による光パラメトリック発振によってオン波長のプローブ光１０及びオフ波長の参照光１２を発生する。プローブ光１０の中心波長λｏｎは例えば２００４ｎｍ、参照光１２の中心波長λｏｆｆは例えば１９９８ｎｍである。非線形光学結晶３６によって発生する光の波長は、励起光２３の光軸に対する結晶の光学軸３６ａの角度θを調整することで適宜変更可能である。そこで、本実施形態の非線形光学結晶３６は、この角度θを調整できるように回転ステージ３８に搭載されている。即ち、回転ステージ３８の回転・逆回転を例えば所定の周期で繰り返すことで、プローブ光１０及び参照光１２が出力鏡３４から交互に出射され、測定対象物Ｓに照射される。なお、回転ステージ３８の回転は制御部（図示せず）によって制御される。

なお、本実施形態のプローブ光発生部については、次のように変形できる。図３に示すプローブ光発生部２５は、図２に示すプローブ光発生部２４の変形例である。図２のプローブ光発生部２４では、波長変換を行う光学素子として非線形光学結晶３６を用いていた。一方、図３のプローブ光発生部２５は、波長変換を行う光学素子としてレーザ結晶４６を用いる。レーザ結晶４６は、例えば、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｔｍ：ＹＶＯ_４、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＶＯ_４などある。これらのうちの何れかをレーザ結晶４６に用いる場合、励起光２３を発生するレーザ光源には半導体レーザ（ＬＤ）を使用する。半導体レーザは、励起光２３として中心波長が例えば７８５ｎｍの光を発生する。半導体レーザから出射した光は、レーザ結晶４６内での変換効率を上げるため、レンズ等の光学系４８によってレーザ結晶４６に集光される。

図３に示すように、レーザ結晶４６の出射側と出力鏡３４との間には、レーザ結晶４６から出射した光の波長を選別する波長調整機構４２が設置される。波長調整機構４２は、例えばエタロンやプリズムであり、波長調整機構４２を搭載した回転ステージ４４の回転によって、出力鏡３４へ進行する光の波長を選別できる。つまり、回転ステージ４４の回転・逆回転を例えば所定の周期で繰り返すことで、プローブ光１０及び参照光１２を交互に出射させることができる。

プローブ光発生部２４（２５）から出射したプローブ光１０及び参照光１２は、光路分岐部２７に入射する。光路分岐部２７は、プローブ光１０及び参照光１２の一部をそれぞれ強度基準光１５として分岐させる。残りのプローブ光１０及び参照光１２は、測定対象物Ｓに照射される。光路分岐部２７の分岐比は予め設定されている。従って、強度基準光１５を後述の光検出器２６で測定することで、出力鏡３４を出射した直後のプローブ光１０及び参照光１２の強度を逆算できる。さらに、逆算したプローブ光１０及び参照光１２の各強度は、プローブ光１０及び参照光１２の各透過率を算出する際の基準値として使用される。

図５に示すように、本実施形態の光路分岐部２７は、例えば、反射率（透過率）が規定されたビームスプリッタである。この場合、ビームスプリッタによって取り出された強度基準光１５は、光検出器２６の前段に配置された光路合流部２９に入射する。

光路合流部２９は、光路分岐部２７によって取り出された強度基準光１５の光路と、測定対象物から到達したプローブ光１０及び参照光１２の光路を合流させ、これらの光を光検出器２６に導くものである。光路合流部２９は例えばハーフミラーであり、合流したプローブ光１０、参照光１２、強度基準光１５の全てを光検出器２６の受光面（図示せず）に導く。

また、図６に示すように、本実施形態の光路分岐部２７は、プローブ光１０及び参照光１２を散乱させる散乱体でもよい。散乱体は反射面を有する線状、棒状、板状などの部材であり、プローブ光１０及び参照光１２の散乱光が光検出器２６の受光面に届く位置で、プローブ光１０及び参照光１２の一部に挿入される。

光検出器２６は、測定対象物Ｓを透過した又は測定対象物Ｓから反射した、プローブ光１０及び参照光１２を検出する。さらに、光検出器２６は、光路分岐部２７によって取り出されたプローブ光１０及び参照光１２の各強度基準光１５も検出する。つまり、光検出器２６は、これらの光を同一の受光面で受光する。本実施形態では、光検出器２６として、周知の半導体検出器を使用する。半導体検出器は、光の強度に比例した電圧を検出信号として出力する。なお、光検出器２６の前段にはプローブ光１０及び参照光１２を集光するためのレンズ等の光学系３０が設けられており、集光率を向上させている。

光検出器２６は、上述した三種類の光を検出する。従って、そこから得られる検出信号は同一の量子効率の下で生成されることになる。つまり、光検出器の個体差による検出信号上の誤差を排除できるため、測定対象物Ｓの濃度の算出における精度が向上する。また、従来の濃度測定装置と比べて、使用する検出器の個数を削減できる。従って、構成が簡略になると共に製造コストを削減することができる。

濃度算出部２８は、濃度測定装置の全体を制御する制御部（図示せず）の一部として構成され、光検出器２６によって検出されたプローブ光１０及び参照光１２の各透過率（吸光度）から測定対象物Ｓの濃度を算出する。具体的には、濃度算出部２８は、参照光１２の強度基準光１５と、測定対象物を経由した参照光１２の各強度から、参照光１２の透過率（第１の透過率）を算出する。濃度算出部２８は、更に、プローブ光１０の強度基準光１５と、測定対象物を経由したプローブ光１０の各強度から、プローブ光１０の透過率（第２の透過率）を算出する。第２の透過率は、第１の透過率に、測定対象物Ｓへの吸収による透過率（第３の透過率）を乗じたものであることを考慮して、濃度算出部２８は、第１の透過率を用いて、第２の透過率から第３の透過率を逆算する。その結果、第３の透過率から測定対象物Ｓの濃度を算出する。

なお、上述の濃度算出において、濃度算出部２８は時間分解しながら光検出器２６の検出信号を受信することで、当該検出信号を発生した光が、プローブ光１０、参照光１２、及びこれらの強度基準光１５の何れかであるかを特定している。上述したように、プローブ光１０、参照光１２、及びこれらの強度基準光１５は、何れも同一の光検出器２６によって検出される。ただし、測定対象物Ｓに一度に照射されるのはプローブ光１０及び参照光１２の何れかである。また、測定対象物Ｓを経由して光検出器２６に到達するプローブ光１０及び参照光１２の光路長は、強度基準光１５として光検出器２６に到達するプローブ光１０及び参照光１２の光路長よりも圧倒的に長い。従って、濃度算出部２８は、時間分解しながら光検出器２６の検出信号を受信することで、図７に示すような測定結果を得る。この図において、時刻ｔ１で現れたピークＰ１は、強度基準光１５の検出信号である。また、時刻ｔ２（＞ｔ１）で現れたＰ２は、Ｐ１の強度基準光１５として一部が取り出されたプローブ光１０（又は参照光１２）であって、測定対象物Ｓを経由したものの検出信号である。このような時間差があるため、光検出器までの各到達時間の違いから前記プローブ光を特定でき、濃度の算出が可能になる。

なお、本実施形態では測定対象物として二酸化炭素ガスを挙げたが、本発明が適用される測定対象物はこれに限られず、他の種のガスにも適用可能である。また、気体以外の相（即ち、液体や固体）にも適用可能である。

また、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１０…プローブ光、１２…参照光（プローブ光）、１４…吸収線、１５…強度基準光、２０…光軸、２２…レーザ光源、２３…励起光、２４，２５…プローブ光発生部、２６…光検出器、２７…光路分岐部、２８…濃度算出部、２９…光路合流部、３０…光学系、３２…終端鏡、３４…出力鏡、３６…非線形光学結晶、３６ａ…光学軸、３８…回転ステージ、４２…波長調整機構、４４…回転ステージ、４６…レーザ結晶、４８…光学系

Claims

励起光としてのレーザ光を発生するレーザ光源と、
前記励起光の波長変換によって、測定対象物に対するオン波長及びオフ波長のプローブ光を交互に発生するプローブ光発生部と、
オン波長及びオフ波長の前記プローブ光の一部を強度基準光として分岐させる光路分岐部と、
オン波長及びオフ波長の前記強度基準光、並びに前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射したオン波長及びオフ波長の前記プローブ光を同一の受光面で受光する光検出器と、
オン波長及びオフ波長のそれぞれについて前記強度基準光および前記プローブ光の前記検出器までの各到達時間の違いから前記プローブ光を特定すると共に、前記プローブ光の強度から前記測定対象物の濃度を算出する濃度算出部と
を備え、
前記光路分岐部はオン波長及びオフ波長の前記プローブ光の一部に挿入される散乱体であることを特徴とする濃度測定装置。
励起光としてのレーザ光を発生し、
前記励起光の波長変換によって、測定対象物に対するオン波長及びオフ波長のプローブ光を交互に発生し、
オン波長及びオフ波長の前記プローブ光の一部に挿入された散乱体を用いてオン波長及びオフ波長の前記プローブ光の一部を強度基準光として分岐させ、
オン波長及びオフ波長の前記強度基準光、並びに前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射したオン波長及びオフ波長の前記プローブ光を同一の受光面で受光し、
オン波長及びオフ波長のそれぞれについて前記強度基準光および前記プローブ光の前記受光面までの各到達時間の差から前記プローブ光を特定すると共に、前記プローブ光の強度から前記測定対象物の濃度を算出する
ことを特徴とする濃度測定方法。