JP6827932B2 - 広間隔波長のためのｔｄｌａｓ構造 - Google Patents

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Description

著作権ステートメント
[0001]この特許文献の開示の一部には著作権保護を受ける材料が含まれる。著作権者は、特許商標庁特許ファイルまたは記録に登場する際には何人によって行われる特許文献または特許開示の複製にも異存はないが、その他の場合にはあらゆる一切の著作権権利を留保する。
[0002]波長可変半導体レーザ吸収分光（ＴＤＬＡＳ）は、ガス混合物中の様々な化学種の濃度を検出して測定するきわめて実績のある技術である。ＴＤＬＡＳは対象とされている化学種の固有吸収スペクトルに依拠して、非常に限定された波長で半導体レーザビームの減衰を測定し、その波長は、化学種が測定領域を通過する際に、測定されている化学種の吸収線上に調整される。波長がこれらの吸収線とわずかに異なっても、その波長で吸収は実質的に存在しない。
[0003]一般的に、動作に際して、半導体レーザビームの波長は、注目化学種の少なくとも１つの吸収線を包含する狭い範囲と、吸収が存在しない領域とにわたって走査される。サンプルを透過する光の光強度を光検出器により測定する。その後、光検出器信号を解析して、温度を考慮した上でのビーム経路の長さにわたって目標化学種の平均濃度を得る。
[0004]各目標化学種の分子は特定の周波数で光を吸収するので、異なる化学種を測定するのに異なる半導体レーザが一般的には必要である。特定の用途については、酸素（Ｏ２）検出用の約７６０ｎｍから一酸化炭素（ＣＯ）検出用の２．３３ミクロンまでの広い波長範囲を包含する波長を用いるのにＴＤＬＡＳシステムが必要である。７６０ｎｍ〜１５５９ｎｍの波長を用い、１５５９ｎｍの波長をＣＯ検出に用いる波長多重化ＴＤＬＡＳシステムが存在する。ただし、いくつかの用途では、１５５９ｎｍで実現することができるよりも低い、ＣＯについての検出限界が要求される。たとえば、石炭燃焼ボイラの用途では、測定経路長は１０メートルを超えることがあり、燃焼領域では、ＣＯ濃度は５０００ｐｐｍから上に及ぶ場合がある。このような条件下では、１５５０ｎｍの領域にある第２倍音バンドを用いるＣＯ検出が十分に有効である。この波長領域は遠距離通信に広く用いられているので、高い透過性を持つ単一モード光ファイバは、スイッチ、レーザおよびスプリッタのような強力な光ファイバコンポネントとともに容易に利用することができる。
[0005]ただし、特定の用途では、非常に低い濃度で非常に短い経路にわたってなされるＣＯの検出の能力が要求される。たとえば、１メートルの経路にわたって１００ｐｐｍの範囲でＣＯを検出するには、透過ビームの光強度に対する約５００倍小さい作用を測定することが必要であり、検出は石炭ボイラ用途において実質的に一層困難になる。これには、ＣＯが１５５９ｎｍでの遷移線強度よりも約５００倍大きい遷移線強度を持つ約２．３３ミクロンの第１倍音でＣＯを測定することが必要である。
[0006]近年では、１３５０ｎｍ〜２ミクロンの波長で動作するＴＤＬＡＳシステムが広く用いられている。２ミクロンに拡張することで、鉄鋼用途においてカーボンバランスを決定するのに高感度でＣＯ２を検出することが可能になる。多くの鉄鋼用途では、Ｏ２を測定する必要はないので、７６０ｎｍの波長は必要ない。この波長範囲拡張を行っても、このすべての波長範囲（１３５０ｎｍ〜２０００ｎｍ）で光を透過させるのに単一モード様式で同じ単一モードファイバを用いることができる。しかしながら、高い透過性および低い曲げ損失を持つ約７６０ｎｍ〜２．３３ミクロンの単一モードの波長を伝えることは一種類の単一モードファイバではできないために、高感度のＣＯ検出のために約２．３３ミクロンまでさらに拡張し、また７６０ｎｍでＯ２を測定することを必要とするとなると、完全に異なる構造が必要である。
[0007]約７６０ｎｍ〜２．３３ミクロンの波長の光は同じ単一モードファイバにおいてともに伝播することができないので、Ｏ２検出と高感度のＣＯ検出との両方を必要とする用途には、新規の波長多重化対策を発明しなければならない。このような用途にはガラス炉モニタがある。１００ｐｐｍレベル以下でのＣＯ検出が必要なこの用途にはＯ２、水（Ｈ２Ｏ）およびＣＯを測定するのに３つの波長が必要である。また、この用途には、同時にまたはほぼ同時に約１０個の経路にわたって測定する能力が必要である。
[0008]実施の形態の様々な組に係れば、広間隔波長のためのＴＤＬＡＳのためのシステム、デバイスおよび方法が提供される。
[0009]一態様では、広間隔波長の波長可変半導体レーザ吸収分光のためのシステムは、第１および第２の波長可変半導体レーザを少なくとも含む。第１の波長可変半導体レーザは第１の波長のレーザ光を発生させてもよく、第２の波長可変半導体レーザは第２の波長のレーザ光を発生させてもよい。単一モードファイバにおいて高い効率を同時に持つ単一横モードでともに伝播することができない第１および第２の波長のレーザ光を利用する。
[0010]システムは、近位端および遠位端を有する第１のファイバを含み、第１のファイバは、近位端で第１の波長可変半導体レーザに光学的に結合されており、第１のファイバは、第１の波長の光を搬送するように構成されている単一モード光ファイバである。近位端および遠位端を有する第２のファイバが設けられ、第２のファイバは、近位端で第２の波長可変半導体レーザに光学的に結合されており、第２のファイバは、第２の波長の光を搬送するように構成されている単一モード光ファイバである。少なくとも第１および第２のファイバの遠位端を備えるファイバ束が設けられ、第１および第２のファイバの遠位端では、これらのファイバのそれぞれのコーティングが剥離され、第１のファイバの第１の光ファイバコアと第２のファイバの第２の光ファイバコアとは、これらのファイバのクラッドが互いに隣接して束構成を形成する状態で配置される。
[0011]システムは、送出光学部品を備える１つ以上の投入ヘッドを含み、送出光学部品は、ファイバ束の第１および第２のファイバの遠位端を介して第１および第２の波長可変半導体レーザに光学的に結合される。投入ヘッドは、第１の光ファイバコアと第２の光ファイバコアとからレーザ光のそれぞれのビームを投射するように構成されており、投入ヘッドは、第１および第２の光ファイバコアの各々から測定領域を通過させてそれぞれのビームを投射するように向けられる。１つ以上のセンサが設けられ、各センサは、少なくとも１つの光検出器をそれぞれ備えており、少なくとも１つの光検出器の各々は、第１および第２の波長の光の光パワーを検出するように構成されている。さらにまた、１つ以上の捕捉ヘッドが、１つ以上の投入ヘッドから、選択された距離だけ測定領域をまたいで位置し、１つ以上の捕捉ヘッドは、１つ以上の投入ヘッドのそれぞれの投入ヘッドと光通信を行って、第１および第２の光ファイバコアのそれぞれのビームを受け、１つ以上のセンサの少なくとも１つ上にそれぞれのビームを導く。
[0012]別の態様では、広間隔波長の波長可変半導体レーザ吸収分光のための投入ヘッドを利用してもよい。投入ヘッドは、ファイバ束と光学的に結合されるように構成されているハウジングを含み、ファイバ束は、少なくとも、１つの第１の入力ファイバと複数の第２の入力ファイバの遠位端とを備えており、第１の入力ファイバは、第１の波長のレーザ光を搬送する単一モードファイバであり、第２の入力ファイバは、第２の波長のレーザ光を搬送する単一モードファイバであり、第１および第２の波長のレーザ光は、単一モードファイバにおいてともに伝播することができない。少なくとも第１および第２の入力ファイバの遠位端では、これらのファイバのそれぞれのコーティングが剥離され、第１の入力ファイバの第１の光ファイバコアと第２の入力ファイバの第２の光ファイバコアとは、これらのファイバのクラッドが互いに隣接して束構成を形成する状態で配置される。
[0013]投入ヘッドは、少なくとも第１および第２の光ファイバコアの各々から測定領域を通過させてレーザ光のそれぞれのビームを投射するように構成されている投入光学部品をさらに含んでもよい。ハウジングは、それぞれのビームが、ハウジングから選択された距離、測定領域をまたいで位置する捕捉ヘッドに達するように向けられる。
[0014]さらに別の態様では、広間隔波長の波長可変レーザ半導体レーザ分光のための方法が提供される。方法は、第１の波長の第１のレーザビームを発生させる工程と、第２の波長の第２のレーザビームを発生させる工程と、第１の単一モード光ファイバで第１のレーザビームを搬送し、第２の単一モード光ファイバで第２のレーザビームを搬送する工程であって、第１および第２の波長のレーザ光は、単一モードファイバにおいてともに伝播することができない、工程と、第１および第２の単一モード光ファイバの遠位端からこれらのファイバのそれぞれのコーティングを剥離する工程と、第１の単一モード光ファイバのクラッドが第２の単一モード光ファイバの第２の光ファイバコアのクラッドに隣接して束構成を形成する状態で第１の単一モード光ファイバの第１の光ファイバコアを配置する工程と、第１および第２の光ファイバコアの束構成からファイバ束を形成する工程とを含む。方法は、ファイバ束の第１および第２の光ファイバコアの各々から測定領域を通過させてレーザ光のそれぞれのビームを投入ヘッドを用いて送出する工程と、投入ヘッドから選択された距離、測定領域をまたいで位置する捕捉ヘッドで各ビームを受ける工程と、第１および第２の波長の各々の光の光パワーを捕捉ヘッドで検出する工程と、第１および第２の波長の吸収線を持つ目標化学種の濃度を決定する工程とをさらに含む。
[0015]発明の範囲を逸脱しない範囲で、説明されている実施の形態に対して様々な修正および付加を行うことができる。たとえば、上述の実施の形態では特定の特徴が言及されるが、この発明の範囲は、特徴の異なる組み合せを持つ実施の形態も、上述の特徴のすべてを含むというわけではない実施の形態も含む。
[0016]特定の実施の形態の性質および利点のさらなる理解は、明細書の残りの部分と図面との参照によって実現される。明細書の残りの部分と図面では、同様の参照番号が類似の構成要素を参照するのに用いられる。いくつかの例では、複数の類似の構成要素の１つを示す参照番号にサブラベルが関連づけられている。存在するサブラベルに対する説明がなしに参照番号が参照される場合、このような複数の類似の構成要素のすべてを参照することを意図する。
[0017]
広間隔波長ＴＤＬＡＳシステムにおける投入ヘッドのためのファイバ束アセンブリを示す。 [0018] 広間隔波長ＴＤＬＡＳシステムで用いる二重バンド光検出器を示す。 [0019] 広間隔波長ＴＤＬＡＳシステムのシステムブロック図を示す。 [0020] 広間隔波長ＴＤＬＡＳを利用する方法のフローチャートである。 [0021] 広間隔ＴＤＬＡＳシステムにおけるファイバ束アセンブリからのビーム発散を示す。 [0022] 広間隔波長ＴＤＬＡＳシステムで用いられるような制御システムのブロック図である。 [0023] 広間隔波長ＴＤＬＡＳシステムにおける投入ヘッドまたは捕捉ヘッドのためのダイクロイックビームコンバイナを示す。
[0024]いくつかの実施の形態の様々な態様および特徴の概要が上述されているが、以下の詳細な説明にはさらに詳細にいくつかの実施の形態が示されており、当業者はこのような実施の形態を実施することができる。記載されている例は例示目的で設けられており、発明の範囲を限定することを意図しない。
[0025]以下の記載では、説明のために、記載されている実施の形態の完全な理解をもたらすために多くの特定の詳細を示す。ただし、本発明の他の実施の形態をこれらの特定の詳細の一部がない状態で実施し得ることは当業者には明らかである。いくつかの実施の形態がここに記載されており、様々な特徴が異なる実施の形態に基づくが、これに加えて、１つの実施の形態に関して記載されている特徴を他の実施の形態と組み合わせることができることは当然である。ただし、同じ理由により、記載されている実施の形態の１つの特徴または複数の特徴が発明のすべての実施の形態に必須ではないと当然みなされるが、これは本発明の他の実施の形態がこのような特徴を削除し得るのと同様である。
[0026]特に明記しない限り、用いられる量、寸法などを表現するのに用いられるすべての数字は、用語「約（ａｂｏｕｔ）」によってすべての例で修正されると考える。この出願においては、単数の使用は特に述べられない限り複数を含み、用語「および（ａｎｄ）」と用語「または（ｏｒ）」の使用は特に明記しない限り「および／または」を意味する。さらに、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」ならびに「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および「含まれる（ｉｎｃｌｕｄｅｄ）」のような他の形態の使用は非排他的であるとみなす。また、「要素」または「コンポネント（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）」のような用語は、特に述べられない限り、１つのユニットと、１つ以上のユニットを備える複数の要素および複数のコンポネントとを備える要素およびコンポネントの両方を包含する。本技術においてよく知られているように、一般的に、それを通過する光の方向に応じて、多重化か逆多重化のいずれかに同一のデバイスを用いてもよい。したがって、ここで用いられる用語「マルチプレクサ」または「ｍｕｘ」は、多重化機能と逆多重化機能との両方を含むと考える。
単一モードファイバに入射する７６０ｎｍ〜２３３０ｎｍの範囲にわたる波長を持つ信号を多重化するのに従来の波長分割多重化（ＷＤＭ）技術を用いることはできない。これは、波長の範囲にわたる複数の信号を搬送する適当な出力ファイバを生成するか、見つけるのがきわめて困難であるからである。
ファイバ束ＴＤＬＡＳ構造
[0027]図１は、１つの送出（投入）ヘッドから、対応する１つの受光（捕捉）ヘッドまで、単一モード動作で、７６０ｎｍ〜２３３０ｎｍの範囲にわたる波長のビームを伝送することができるファイバ束アセンブリ１００を示す。ファイバ束アセンブリ１００は、３つの単一モード光ファイバ１１０、１１５、１２０のコア１３５ａ、１３５ｂ、１３５ｃ（まとめて１３５）を備えるファイバ束１０５を含む。単一モード光ファイバ１１０、１１５、１２０の各々は遠位端と近位端とを有する。単一モード光ファイバ１１０、１１５、１２０はこれらの近位端でそれぞれの波長可変半導体レーザに光学的に結合される。各波長可変半導体レーザを調整して、選択された波長のレーザ光を発生させてもよい。これらの波長は、１つ以上の目標化学種の吸収線に対応するように選択してもよい。
[0028]レーザビームの各波長は、その波長に適するそれぞれの単一モードファイバ１１０、１１５、１２０により搬送される。たとえば、１組の実施の形態に係れば、単一モードファイバ１１０は２３３０ｎｍの波長光を搬送し、単一モードファイバ１１５は１３５０ｎｍの光を搬送し、単一モードファイバ１２０は７６０ｎｍの光を搬送する。さらなる実施の形態では、２３３０ｎｍの光を搬送する単一モードファイバ１１０にＳＭ１９５０光ファイバを用いてもよく、１３５０ｎｍの光を搬送する単一モードファイバ１１５にＳＭＦ２８ｅ光ファイバを用いてもよく、７６０ｎｍの光を搬送する単一モード光ファイバ１２０にＳＭ７５０光ファイバを用いてもよい。ＳＭ１９５０光ファイバを利用する実施の形態では、２３３０ｎｍの光は１ｄＢ／ｍの損失を受ける。ただし、損失のこのレベルは短い長さで許容可能である。
[0029]３つの単一モードファイバ１１０、１１５、１２０は結合ジョイント１６５で結合されてファイバ束１０５を形成する。１組の実施の形態に係れば、単一モード光ファイバ１１０、１１５、１２０の各々の遠位端では光ファイバのコーティング１２５が剥離されている。様々な実施の形態では、取り除かれるコーティング１２５は、光ファイバの外被材料または緩衝材料の一部もしくは全部を含んでもよいが、これに限定されるものではない。ただし、コアにじかに隣接するクラッドを含むことを意図しない。この場合、剥離された光ファイバ１１０、１１５、１２０は、三角形構成１３０で配置されて束にされ、光ファイバのそれぞれのクラッドが当接する状態でファイバ束１０５を形成する。いくつかの実施の形態では、結合ジョイント１６５により、３つの剥離された光ファイバ１１０、１１５、１２０が合流してファイバ束１０５を形成する点の周囲に保護構造が設けられてもよい。さらに、結合ジョイント１６５により、光ファイバ１１０、１１５、１２０をファイバ束１０５に対して適所に安定させる、すなわち維持してもよい。いくつかの実施の形態では、コア１３５は、コア１３５が、１２５ミクロン、すなわち、２つの隣接する光ファイバ１１０、１１５、１２０間のクラッド１４０の厚さだけ離れている三角形構成１３０で束にされる。実施の形態の別の組では、束にされたファイバをマルチコアファイバに置換してもよい。様々な実施の形態では、ファイバ束１０５は、露出したコアをさらに物理的に保護するために光ファイバコア１３５の束構成に適用される外被、緩衝体または他の被覆体をさらに備えて、コアの三角形構成を維持して信号特性を改善してもよい。ファイバ束１０５からの光をコリメートするのにアクロマティックダブレット（図示せず）または他の好適な光コリメータを用いることができる。ただし、焦点面の光の横のオフセットのために、ビームはコリメータを出射した後に約２ミリラジアン（１２５ミクロン／５０ｍｍ焦点距離（ｆ．ｌ．））だけ発散する。したがって、レーザビームの異なる波長の各々は、経路長に応じて、別の位置で捕捉側に到達することになる。これは、図６に関して以下により詳細に示されて説明されている。
[0030]このように、ファイバ束アセンブリ１００では、システムが投入側光学部品と捕捉側光学部品との間のアライメントを維持することが必要である場合がある。このようなアライメントシステムの例は、「燃焼のモニタおよび制御のための方法および装置」と題する米国特許第７，２４８，７５５号（’７５５特許）に記載されており、その全体は参照により本開示に含まれる。‘７５５特許に記載されている自動アライメントシステムは、投入側光学ヘッドもしくは捕捉側光学ヘッドのいずれかまたは投入側光学ヘッドおよび捕捉側光学ヘッドの両方のチップおよびチルトを自動的にかつ動的に調節することによってこのようなアライメント不良問題を解決して、アライメントを維持し、十分な信号を各周波数で確実に受ける。自動アライメントシステムは、図６に関して以下により詳細に説明されている。
[0031]いくつかの実施の形態では、各波長レーザビームには、自動アライメントシステムによる投入光学部品および／または捕捉光学部品の再アライメントが必要である場合がある。このような実施の形態では、時分割多重化（ＴＤＭ）が適する場合がある。ＷＤＭベースのシステムの代わりにＴＤＭを採用することで、捕捉ヘッドにおいて波長逆多重化を行う必要をなくすることができる。従来の波長デマルチプレクサでは、捕捉ヘッドで追加の光ファイバを用いる必要がある。しかしながら、２３３０ｎｍの波長で、追加の光ファイバにより受光信号が大きく減衰する場合がある。
[0032]入力コネクタ１５５ａ、１５５ｂ、１５５ｃ（まとめて１５５）の各々はそれぞれの光源（図示せず）に結合される。たとえば、様々な実施の形態では、入力コネクタ１５５ａにより単一モード光ファイバ１１０を２３３０ｎｍ波長光源に結合してもよく、入力コネクタ１５５ｂにより単一モード光ファイバ２１５を１３５０ｎｍ波長光源に結合してもよく、入力コネクタ１５５ｃにより単一モード光ファイバ２２０を７６０ｎｍ波長光源に結合してもよい。その後、ファイバ束１０５を出力コネクタ１６０により投入ヘッドまたは送出光学部品に結合する。
[0033]動作において、１つの光源だけが所定の時刻に送出されるように、ＴＤＭ手順の後、順繰りに光源の各々をオン／オフしてもよい。たとえば、様々な実施の形態では、約２３３０ｎｍの光を発生する第１の光源をオンにしてもよい。２３３０ｎｍの信号を送出光学部品に単一モード光ファイバ１１０によって搬送し、光ファイバ１１０に対応するそれぞれのコア１３５で、ファイバ束１０５の一部として搬送する。その後、第１の光源をオフにし、１３５０ｎｍの光を発生する第２の光源をオンにする。その後、１３５０ｎｍの信号を送出光学部品に単一モード光ファイバ１１５によって搬送し、光ファイバ１１５に対応するそれぞれのコア１３５で、ファイバ束１０５の一部として搬送する。その後、第２の光源をオフにし、７６０ｎｍで光を発生する第３の光源をオンにする。その後、７６０ｎｍの信号を送出光学部品に単一モード光ファイバ１２０によって搬送し、光ファイバ１２０に対応するそれぞれのコア１３５で、ファイバ束１０５の一部として搬送する。これの代わりに、１つの波長のみの光が所定の時刻にファイバ束の遠位端に存在するように、レーザ源の各々から、単一モードファイバ束の適当な脚部内に光を切り替えるか、ダミー光路に光を切り替えるのに１×２光学スイッチを用いることができる。スイッチ化した実施の形態により半導体レーザのより安定した動作が可能になる。
[0034]この波長は二酸化ケイ素ファイバで高減衰を受ける（約１ｄＢ／ｍ）ので、ＣＯ検出のために約２３３０ｎｍの長波長を用いる場合には、光ファイバを用いて、光を捕捉し、検出および定量化のために中央に配置されたラックに返送することが問題になる。たとえば、配置には精練所で展開されるシステムが含まれる場合があり、精練所では、捕捉ヘッドは多くの例で１キロメートル以上の距離離れている場合がある、異なる溶鉱炉に取り付けられ得る。これには大量のファイバが必要であるので、ファイバ１キロメートルあたり約１×１０−１００のオーダーの伝送損を持つ２３３０ｎｍの伝送光を検出することができない。多モード捕捉ファイバの長期稼動に関する別の問題は、ファイバ中の干渉効果によって発生するモードノイズが、吸収ピークの検出、フィッティングおよび定量化を妨げる伝送ノイズを引き起こすことである。
[0035]図２は、時分割多重化法と組み合わせて捕捉ヘッド内で、または捕捉ヘッドに隣接して用いて、受光信号２２０、２２５、２３０にそれぞれ関連する各波長で第１の受光信号２２０、第２の受光信号２２５および第３の受光信号２３０の各々を検出することができる二重バンド検出器２００の断面略図を示す（波長デマルチプレクサは使用する必要はない）。これにしたがって、二重バンド検出器２００により、検出、デジタル化および／または信号処理を捕捉ヘッドで行うことを可能にすることで、ファイバの長い長さにわたって搬送される２３３０ｎｍの波長光の潜在的な減衰に対処する。結果データは、銅媒体または光ファイバ媒体のいずれかでイーサネット（登録商標）プロトコルによって最終処理および定量化のために中央ラックに返送することができる。
[0036]二重バンド検出器２００は、第１の光検出器層２１０と第２の光検出器層２１５とを有するサンドイッチ検出器アセンブリ２０５を備える。第１および第２の光検出器層２１０、２１５の各々は、各受光信号２２０、２２５、２３０のそれぞれの波長の各々を検出することができるように構成されている。たとえば、いくつかの実施の形態では、７６０ｎｍの波長を持つ第１の受光信号２２０、１３５０ｎｍの波長を持つ第２の受光信号２２５、および２３３０ｎｍの波長を持つ第３の受光信号２３０を検出するために、第１の光検出器層２１０はシリコン（Ｓｉ）ＰＩＮ光検出器層であってもよく、第２の光検出器層２１５は拡張インジウムガリウムヒ素（ｅｘ−ＩｎＧａＡｓ）光検出器であってもよい。第１の受光信号由来の７６０ｎｍの光はＳｉ ＰＩＮ光検出器２１０により良好に検出されるが、第２および第３の受光信号２２５、３３０の波長を含む近赤外の波長（約１〜３ミクロン）はＳｉ ＰＩＮ光検出器２１０を通過して検出されない。このように、長波長は、約１．３ミクロン〜２．５ミクロンで高い感度を持つ第２の光検出器層、すなわちｅｘ−ＩｎＧａＡｓ光検出器２１５に入射する。ただし、ｅｘ−ＩｎＧａＡｓ光検出器２１５は、たとえば、２つの異なる周波数で第２および第３の受光信号を変調して検出された光の周波数に基づいて識別する周波数分割多重化（ＦＤＭ）のような、より複雑な技術に頼らずに、第２の受光信号２２５と第３の受光信号２３０とを区別することはできない。したがって、ＦＤＭなしで、信号を同時に検出するのに二重バンド検出器２００を用いることはできない。上記で提案されているようなファイバ束アセンブリ１００で用いるＴＤＭを利用することによって、第２の２２５の受光信号および第３の２３０の受光信号の１３５０ｎｍおよび２３３０ｎｍのビームを物理的に分離することを必要とせずに、３つの受光信号２２０、２２５、２３０の１つのみが任意の所定の時刻にオンになる。このように、ＴＤＭおよび二重バンド検出器を用いると、受光側で逆多重化する必要をなくすことができる。
[0037]図３は、様々な実施の形態に係る、広間隔波長ＴＤＬＡＳシステム３００のブロック図である。広間隔波長ＴＤＬＡＳシステム３００は、特定の波長のレーザ光を発生させる第１のレーザ源３０５、第２のレーザ源３１０および第３のレーザ源３１５を備える。たとえば、レーザ源３０５、３１０、３１５は波長可変半導体レーザ列であってもよい。第１、第２および第３のレーザ源３０５、３１０、３１５の各々は、測定領域内の各注目化学種の吸収スペクトル中の吸収線に対応する特定の波長のレーザビームを発生させるように構成されている。たとえば、いくつかの実施の形態では、第１のレーザ源３０５は酸素分子（Ｏ２）の検出に対応する７６０ｎｍのレーザビームを発生し、第２のレーザ源３１０は水分子（Ｈ２Ｏ）の検出に対応する１３５０ｎｍのレーザビームを発生し、第３のレーザ源３１５は一酸化炭素（ＣＯ）分子の検出に対応する２３３０ｎｍのレーザビームを発生する。この例では、３つのレーザ源のみが例として設けられており、他の実施の形態では、任意の他の数の選択吸収線波長のレーザビームを発生させるのに任意の数のレーザ源を用いてもよいことは当然である。いくつかの実施の形態では、レーザ源３０５、３１０、３１５の各々は、測定箇所から遠く離れて位置する場合があるラックまたはキャビネットの中央に収容され、制御される。
[0038]レーザ源３０５、３１０、３１５の各々からの信号は複数の投入ヘッド３２０ａ〜３２０ｎに光学的にカップリングされる。いくつかの実施の形態では、レーザ源３０５、３１０、３１５の各々からの信号を複数の投入ヘッド３２０ａ〜３２０ｎの各々間で切り替えて複数の経路Ａ−Ａ〜Ｎ−Ｎの各々に沿って測定を行う。単一モード動作を確実にするために、各投入ヘッド３２０ａ〜３２０ｎに向かう光の波長毎に光学スイッチを設けて各投入ヘッドから逐次的に単一の波長を送出してもよい。
[0039]これの代わりに、いくつかの実施の形態では、複数の投入ヘッド３２０ａ〜３２０ｎの各々にそれぞれのレーザビームを並列に（同時に）提供するように複数の経路の各々に沿って分割される、レーザ源３０５、３１０、３１５の各々からの信号が必要である。広間隔波長ＴＤＬＡＳシステムは、たとえばガラス炉やその他天然ガス燃焼炉のような実質的に粒子のない（したがって、炉自体によって無視し得る程度のレーザパワー減衰しか生じない）測定領域で多くの場合用いられる。このように、レーザ源３０５、３１０、３１５からの光は、各投入ヘッド３２０ａ〜３２０ｎ間で逐次的に光を切り替えるのではなく、分割して複数の経路に並列に供給することができ、これは、レーザパワー減衰が十分に大きい石炭および製鋼電気アーク炉のような高散乱用途、すなわちすべてのパワーがすべての経路での測定に利用可能でなければならない用途に必要である。上述の時間多重化法と組み合わせて、すべての経路Ａ−Ａ〜Ｎ−Ｎを化学種について同時に測定することができ、切り替えは複数の経路の間ではなく、測定化学種（すなわち波長）間で行うことができる。
[0040]レーザ源３０５、３１０、３１５の各々から対応する投入ヘッド３２０ａ〜３２０ｎにレーザビームの各々を届けるファイバ束アセンブリ３２５ａ〜３２５ｎが設けられている。１組の実施の形態では、上記の図１および図２に関して記載されているように、各信号の波長に対応するそれぞれの単一モードファイバを用いてレーザ源３０５、３１０、３１５の各々からの信号を搬送する。その後、ファイバ束アセンブリ３２５ａ〜３２５ｎによりレーザビームの各々を伝送して所定の時刻に単一の波長ビームのみを持つ離散時分割多重化信号を生成する。単一モード動作を波長の全範囲にわたって維持し、投入ヘッド３２０ａ〜３２０ｎ中の、１セットの投入光学部品に届ける。
[0041]投入ヘッド３２０ａ〜３２０ｎは、測定領域３３０にわたって離散時分割多重化ビームを投射するコリメータまたは他の投入光学部品を含んでもよい。各捕捉ヘッド３３５ａ〜３３５ｎは対応する投入ヘッド３２０ａ〜３２０ｎから測定領域３３０をまたいで離間している。投入ヘッド３２０ａ〜３２０ｎの各々は、各離散時分割多重化ビームが捕捉ヘッドによって受けられるようにそれぞれの捕捉ヘッド３３５ａ〜３３５ｎに対してアライメントされる。いくつかの実施の形態では、投入ヘッドおよび／または捕捉ヘッドは、’７５５特許に記載され、また以下に図６に関してさらに詳細に記載されているように、自動アライメントシステムによってアライメントされる。
[0042]様々な実施の形態では、捕捉ヘッド３３５ａ〜３３５ｎはまた、時分割多重化ビームの各々を受けるそれぞれのファイバ束アセンブリ３４０ａ〜３４０ｎを任意に備えてもよい。たとえば、いくつかの実施の形態では、伝送信号の特定の波長に対応するコアをアライメントしてビームを受けるファイバ束アセンブリ３４０ａ〜３４０ｎを用いてもよい。たとえば、いくつかの実施の形態では、捕捉ヘッド３３５ａは、波長を一まとめにしたビーム（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｂｕｎｄｌｅｄ ｂｅａｍ）をファイバ束の適当なファイバ上に集束させるレンズを含んでもよい。この場合、自動アライメントシステムは、レンズ、捕捉側ファイバ束アセンブリ３４０ａ、投入側ファイバ束アセンブリ、投入ヘッドまたはこれらの要素の組み合せを調節して、捕捉側ファイバ束アセンブリ３４０ａに対してビームをアライメントしてもよい。
[0043]受けたビームは捕捉ヘッド３３５ａ〜３３５ｎによりそれぞれの光検出器３４５ａ〜３４５ｎ上に導かれる。いくつかの実施の形態では、信号の各波長を搬送するのに対応する単一モードファイバを用いる。他の実施の形態では、信号を受けて、多モードファイバにより搬送してもよい。様々な実施の形態では、光検出器３４５ａ〜３４５ｎは、捕捉ヘッド３３５ａ〜３３５ｎから光検出器３４５ａ〜３４５ｎまで信号を搬送するのに用いる光ファイバの長さを最小にするように捕捉ヘッド３３５ａ〜３３５ｎに近接してもよい。いくつかのさらなる実施の形態では、各捕捉ヘッド３３５ａ〜３３５ｎ中の受光光学部品により受光ビームを直接それぞれの光検出器３４５ａ〜３４５ｎに集束させるように、光検出器３４５ａ〜３４５ｎを各捕捉ヘッド３３５ａ〜３３５ｎ内に設けてもよい。
[0044]各光検出器３４５ａ〜３４５ｎは、受けた光の各波長の光強度を検出して測定するように構成されている。一実施の形態では、光検出器３４５ａ〜３４５ｎは図２に示されているような二重バンド光検出器２００である。この場合、光検出器３４５ａ〜３４５ｎからの測定値は、さらなる処理および解析のために制御システム３５０に返送する。いくつかの実施の形態では、制御システム３５０は中央ラックに配置してもよく、銅媒体または光ファイバ媒体のような物理リンク、または、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、仮想ネットワーク、インターネット、イントラネットまたはパーソナルエリアネットワークを含むがこれらに限定されない通信ネットワークを直接用いてデータを中央ラックに返送してもよい。通信ネットワークへの接続は有線か無線のいずれかであってもよい。様々な実施の形態では、測定領域３３０の燃焼環境を制御するフィードバックループの一部として制御システム３５０を用いてもよい。いくつかの実施の形態では、たとえば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）によって受光信号の所定の処理（たとえば波形平均化）をヘッドで行って、帯域幅伝送要件を最小化して制御システムに戻してもよい。
[0045]図４は、様々な実施の形態に係る広間隔波長ＴＤＬＡＳのための方法のフローチャート４００である。ブロック４０５では、目標化学種の選択吸収線波長のレーザビームを選択する。いくつかの実施の形態では、ブロック４２０に関して以下にさらに詳細に記載されているように、発生させる各レーザビーム間で切り替えるＴＤＭ手順の後にレーザビームを発生させてもよいが、他の実施の形態ではレーザビームを同時に発生させてもよい。一実施の形態では、少なくとも、１００ｐｐｍのレベルのＣＯの検出に対応する波長のような第１の波長と、Ｏ２の検出に対応する波長のような第２の波長とでレーザビームを発生させる。この例では、さらに第１および第２の波長は、これらを共通の単一モードファイバにより搬送することができない程度に広い間隔を持ってもよい。
[0046]このようにはせずに、ブロック４１０では、レーザビームの特定の波長毎にそれぞれの単一モード光ファイバを用いてレーザビームの各々を搬送する。ビームをそれぞれの単一モード光ファイバによりファイバ束アセンブリに搬送する。たとえば、いくつかの実施の形態では、投入ヘッドはファイバ束アセンブリの全部または一部を備えてもよい。他の実施の形態では、ファイバ束アセンブリは投入ヘッドとは別体であってもよい。
[0047]ブロック４１５では、光ファイバをファイバ束アセンブリ内に配置する。上記に図１に関して説明されているように、様々な実施の形態では、光ファイバの各々の遠位端では光ファイバのコーティングが剥離されており、光ファイバのクラッドおよびコアが完全な状態で三角形構成に配置されている。この三角形構成はパッケージ化されてファイバ束を形成する。
[0048]ブロック４２０では、ファイバ束アセンブリにより測定領域を通じてプローブ信号を伝送する。プローブ信号はそれぞれ選択された波長の各々で複数の成分信号を備えてもよく、各成分信号は対応する単一モード光ファイバを用いて搬送される。様々な実施の形態では、成分信号の１つの波長のみが、ＴＤＭ手順の後、所定の時刻にファイバ束アセンブリを介して伝送されてもよい。
[0049]ブロック４２５では、投入ヘッドから測定領域をまたいで離間している捕捉ヘッドでプローブ信号を受ける。様々な実施の形態では、捕捉ヘッドでは、１つ以上の受光要素を用いて、多モードファイバ、それぞれの単一モードファイバ、ファイバ束アセンブリ、光検出器にプローブ信号を導くか、捕捉ヘッドの特定の構成に適するような別の仕方でプローブ信号を導いてもよい。たとえば、いくつかの実施の形態において、捕捉ヘッドでは、成分信号の各波長を受けるのに用いられることができる、対応するファイバ束アセンブリを使用してもよい。対応するファイバ束アセンブリは、単一モード光ファイバがその波長に対応する状態で使用する。さらなる実施の形態では、捕捉ヘッドでは’７５５特許に記載されているような自動アライメントシステムを使用することもできる。自動アライメントシステムは、受けた、波長を一まとめにしたビームの検出光強度に基づいて投入ヘッドに対するアライメントを維持するために、捕捉ヘッドチルトおよびチップを動的に調節する。いくつかの実施の形態では、光検出器を捕捉ヘッド内に設けてもよく、捕捉ヘッドは、自由空間（空気）を通過して受けた、波長を一まとめにしたビームを直接、内部光検出器に導いてもよい。
[0050]ブロック４３０では、プローブ信号の各成分波長を検出する。これを実現するために、図２に関して記載されている二重バンド光検出器２００と組み合わせたＴＤＭシステムを用いるようにして、各成分波長を検出することができる単一の光検出器アセンブリを設けてもよい。これの代わりに、それぞれ選択された各波長に対して高い感度を持つ個々の光検出器を用いてもよい。
[0051]ブロック４３５では、光検出器を経由した各成分波長について光強度を決定する。その後、捕捉ヘッド中に位置するか、離れた場所に別体として位置する他のコンポネントによって光強度をさらに処理して、プローブ信号の経路にわたる、測定領域での目標化学種の相対濃度を決定することができる。
[0052]任意に選択できるブロック４４０では、測定領域での少なくとも１つの化学種の測定濃度に基づいて１つ以上の燃焼パラメータを調節する。燃焼パラメータは、燃料組成、濃度、量、空燃比もしくは他の燃料関連パラメータ、空気取り入れ口もしくはバルブパラメータ、全体炉温度、電気アーク炉中の電極に供給される電圧、または測定領域内で燃焼特性に影響を及ぼすその他入力パラメータを含んでもよいが、これに限定されるものではない。
[0053]１組の実施の形態では、制御システムは、様々な目標化学種の濃度の決定に基づいて１つ以上の燃焼パラメータを調節してもよい。いくつかの実施の形態では、目標化学種を、燃焼バランス、効率、および燃焼プロセスによって生じる排出物のような燃焼プロセスの様々な特徴の指標としてもよい。たとえば、ＣＯおよびＯ２の測定濃度に対応させて空燃比を調節してもよく、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２またはＣＯ、ＣＯ２およびＯ２の組み合せの測定濃度に対応させて燃料濃度を調節してもよい、などである。少なくとも１つの化学種の対応する測定濃度に基づいて燃焼パラメータを調節してもよい。
[0054]さらなる実施の形態では、測定領域のそれぞれのエリアに対応する測定に基づいて測定領域の各エリアで個別に燃焼パラメータを調節してもよい。たとえば、２組以上の投入ヘッドおよび捕捉ヘッドの測定値から導かれる測定濃度は、投入ヘッドおよび捕捉ヘッドの各組のそれぞれの測定経路によって定義される測定領域のエリアに対応してもよい。したがって、上記の定義エリアでの測定濃度に基づいて燃焼パラメータを定義エリアで局所的に調節してもよい。たとえば、定義エリアに最も直接的に影響を及ぼす従来の炉の１つ以上のバーナーを特定して、特定されたバーナーに対する燃焼パラメータを個別に調節してもよい。
[0055]図５は、広間隔波長ＴＤＬＡＳシステム５００におけるファイバ束アセンブリの様々なコアからのビーム発散を概略的に示す。広間隔波長ＴＤＬＡＳシステム５００は、送出コリメート光学部品５３０の後に配置される投入側ファイバ束アセンブリ５０５、受光レンズ５３５および捕捉ヘッド５５５を含む。捕捉ヘッドは、仮想線で示されている光検出器５６０を任意に含んでもよい。図１に関して上述されているように、各投入側ファイバ束アセンブリ５０５は、３つの単一モード光ファイバを有するファイバ束を含む。各単一モード光ファイバによりレーザのそれぞれの波長が搬送される。単一モード光ファイバの各々のコーティングは剥離されており、三角形構成で配置されている。ファイバ束からの光をコリメートするのにアクロマティックダブレット（図示せず）または他の好適なコリメート光学部品５３０を用いてもよい。
[0056]焦点面の光の横のオフセットのために、ビームの各々はわずかに発散し、捕捉ヘッド光学部品の焦点面内の異なる位置でレンズ５３５により集束させられ、異なり方は投入ヘッドと捕捉ヘッドとの間の距離の増大にともなって線形に増大する。この横のオフセットは、それぞれコアの各々に端を発する発散円錐５１５、５２０、５２５により示されている。光路Ｘ−Ｘ、Ｙ−ＹおよびＺ−Ｚは、３つの円錐５１５、５２０、５２５の各々の光に対応する。したがって、レンズ５３５により集束するとき、各ビームは空間中の異なる点に集束する。たとえば、発散円錐５１５を持ち、光路Ｘ−Ｘをとる、三角形束構成の一番上のファイバに端を発するビームは点５４０によって示されている位置に集束する。発散円錐５２０を持ち、光路Ｙ−Ｙに沿って進む、右下のファイバからのビームは、点５４５によって示されている位置に集束する。発散円錐５２５を持ち、光路Ｚ−Ｚに沿って進む、左下のファイバからのビームは、点５５０によって示されている位置に集束する。したがって、ビームが捕捉ヘッド５５５に達するときに、捕捉ヘッド５５５は、伝送されたビームに対応する点５４０、５４５、５５０で信号を受けるようにアライメントされていなければならない。様々な実施の形態では、捕捉ヘッドは、’７５５特許に記載され、また、以下に図６に関してさらに詳細に記載されているような自動アライメントシステムを含んでもよい。いくつかの実施の形態では、捕捉ヘッド５５５は、伝送波長の各々を検出する光検出器５６０を単に含んでもよく、これにしたがえば、ビームをセンサで受けるように捕捉ヘッド５５５、投入ヘッド（図示せず）または両方を調節する。したがって、ビームが伝送される時間の窓の期間中に点５４０で、また、ビームが伝送される時間窓の期間中に点５４５で、また、適当な時間窓の時点に点５５０で光検出器５６０がそれぞれのビームを受けるように、光検出器５６０を位置決めしなければならない。
[0057]実施の形態の別の組では、ビームを捕捉ヘッドでそれぞれのファイバに向けて導いてもよい。たとえば、いくつかの実施の形態では、捕捉ヘッドは、捕捉側ファイバ束アセンブリを含んでもよく、捕捉側ファイバ束アセンブリでは、各波長ビームが捕捉側ファイバ束アセンブリのファイバ束のそれぞれのファイバコアによって受けられるように、捕捉ヘッド５５５、捕捉側ファイバ束アセンブリ、投入ヘッド（図示せず）、投入側ファイバ束アセンブリ５０５またはこれらの要素の組み合せを自動アライメントシステムによってアライメントしなければならない。たとえば、いくつかの実施の形態では、捕捉側ファイバ束アセンブリの一番上のファイバは、投入側ファイバ束アセンブリ５０５の一番上のファイバに対応してもよいか、投入側ファイバ束アセンブリ５０５の一番上のファイバと同じタイプのファイバであってもよい。同様に、左下のファイバは互いに対応してもよく、右下のファイバも互いに対応してもよい。
[0058]図６は、広間隔ＴＤＬＡＳシステムのための自動アライメントシステム６００のシステムブロック図である。自動アライメントシステム６００は、投入ヘッドプラットホーム６７５に結合され、捕捉ヘッド６２０と光通信を行う投入ヘッド６０５を含み、捕捉ヘッド６２０は捕捉ヘッドプラットホーム６６５に結合されている。投入ヘッド６０５は光路ｌ−ｌを介して捕捉ヘッド６２０に光信号を伝送する。投入ヘッド６０５は送出光学部品６１０を含み、様々な実施の形態では、ファイバ束アセンブリ６１５を任意に含んでもよい。捕捉ヘッド６２０は、受光光学部品６２５、任意に選択できるファイバ束アセンブリ６３０（仮想線で示されている）およびセンサ６３５を含む。
[0059]投入ヘッドプラットホーム６７５は１つ以上の制御デバイス６７０に結合され、捕捉ヘッドプラットホーム６６５は１つ以上の制御デバイス６６０に結合されている。制御デバイス６６０、６７０の各々は電子コントローラ６５５に通信で結合されている。電子コントローラ６５５は制御システム６４０に結合されている。捕捉ヘッド６２０のセンサ６３５も通信で制御システム６４０に結合されており、測定信号に基づいて数ある演算および機能の中で特にフィードバックベースのアライメント制御のために測定データを制御システム６４０に提供する。様々な実施の形態では、センサ６３５は図２に関して上述されているような二重バンド検出器を含む。制御システム６４０は、プロセッサ６４５、メモリ６５０およびコンピュータ可読媒体６８０を含む。制御システムは様々なソフトウェア要素およびコンピュータ命令を含んでもよく、これらは、コンピュータ可読媒体６８０に保存され、システムメモリ６５０にロードさてもよい。システムメモリ６５０は、プログラム可能、フラッシュアップデート可能などとすることができるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または読出し専用メモリ（ＲＯＭ）を含んでもよいが、これに限定されるものではない。
[0060]各捕捉ヘッドおよび投入ヘッドは、捕捉ヘッドプラットホームおよび投入ヘッドプラットホーム６６５、６７５にそれぞれ取り付けられる。捕捉ヘッドプラットホームおよび投入ヘッドプラットホーム６６５、６７５は、自由度の少なくとも２つの軸に沿って調節可能である。たとえば、１組の実施の形態では、捕捉ヘッドプラットホームおよび投入ヘッドプラットホームにより、光軸ｌ−ｌに直交する軸まわりのチップおよびチルトと光軸ｌ−ｌまわりの回転とを可能にしてもよい。さらなる実施の形態では、捕捉ヘッドプラットホームおよび投入ヘッドプラットホーム６６５、６７５は光軸ｌ−ｌに直交する平面に沿って横に（ｌａｔｅｒａｌｌｙ）移動してもよく、前後に、すなわち光軸ｌ−ｌに沿って横断的に（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ）移動してもよい。１つ以上のそれぞれの制御デバイス６６０、６７０によりチップ運動、チルト運動、横運動および軸上運動を開始してもよい。制御デバイス６６０、６７０は、捕捉ヘッドプラットホームおよび投入ヘッドプラットホーム６６５、６７５の位置を調節する動作に関するサーボモータ、ステッピングモータ、空気圧アクチュエータ、液圧アクチュエータまたはその他電気機械的手段を含むが、これに限定されるものではない。実施の形態の別の組に係れば、投入ヘッドおよび捕捉ヘッド６０５、６２０のコンポネントの各々は、各コンポネントを別体の可調ステージに搭載して、個々に制御してもよい。たとえば、様々な実施の形態では、送出光学部品６１０、ファイバ束アセンブリ６１５、投入ヘッド６０５、受光光学部品６２５、任意に選択できる捕捉側ファイバ束アセンブリ６３０、光検出器６３５および捕捉ヘッド６２０の一部または全部を個々の可調ステージに搭載してもよい。
[0061]制御デバイス６６０、６７０を電子コントローラ６５５により制御してもよい。システムアラインメント中に、様々な実施の形態では、センサ６３５により検出される受光レーザ光の光パワーをモニタする制御システム６４０が必要である。アライメント不良により受光信号の光パワーは減少する。自動アライメント中、制御システム６４０はセンサ６３５からの検出信号を評価し、制御デバイス６６０、６７０の一方または両方を一方向に予め決められた変位だけ移動させるように電子コントローラ６５５に指示する。その後、制御システム６４０は検出信号を再評価する。信号が増大する場合、制御システム６４０は、信号がそれ以上増大しなくなるまで、制御デバイス６６０、６７０に同じ方向にステップ移動を続けさせるように電子コントローラ６５５に指示する。その後、制御システム６４０は、１つ以上の制御デバイス６６０、６７０のうちの別の制御デバイスを以前の軸に直交する軸に沿って移動させるように電子コントローラ６５５に指示する。チップ運動、チルト運動、横（ｌａｔｅｒａｌ）運動および横断（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ）運動をこのように行って、投入ヘッドおよび捕捉ヘッド６０５、６２０をアライメントしてもよい。このように、センサ６３５は自動アライメントの目的でフィードバックを制御システム６４０に提供する。他の実施の形態では、複数の軸に沿って同時に、順繰りに、または、逐次的に、一度に１つの軸に沿って投入ヘッドおよび捕捉ヘッドをアライメントしてもよい。いくつかの実施の形態では、制御システム６４０は電子コントローラ６５５に測定信号レベルを単に中継するだけであってもよく、その後、電子コントローラ６５５は測定信号レベルを用いてアライメント手順を実行してもよい。他の実施の形態では、制御システム６４０は電子コントローラ６５５を必要とすることなく、制御デバイス６６０、６７０に制御信号を直接送ってもよい。様々な実施の形態では、制御システム６４０は個々にまたは組み合わせて捕捉ヘッドプラットホーム６６５および投入ヘッドプラットホーム６７５を移動させてもよい。
[0062]ファイバ束アセンブリのファイバコアの横のオフセット（すなわち、焦点面でのオフセット）のために、伝送されたビームの各々はわずかに発散する。したがって、受光光学部品６２５によってデコリメートされるとき、ビームは空間中の異なる点で集束する。したがって、システムによって自動アライメントするとき、ファイバ束のコアの各々からの信号の各々に対応して複数のアライメントが必要である場合がある。いくつかの実施の形態では、制御システム６４０は、各ファイバコアに対応する波長ビーム毎に自動アライメント手順を実行してもよい。したがって、センサ６３５が投入側ファイバ束アセンブリ６１５から対応する波長ビームを受けるように捕捉ヘッド６２０をアライメントしなければならない。
[0063]様々な実施の形態では、自動アライメント手順は実際の動作の前に実行されてもよく、受けた波長ビーム毎のアライメント位置は電子コントローラ６５５および／または制御システム６４０により保存してもよく、また、伝送された波長ビームに対応する保存された位置の各々に捕捉ヘッド６２０を調節してもよい。他の実施の形態では、各ビームを伝送する際にリアルタイムで捕捉ヘッド６２０のアライメントを調節してもよい。
[0064]一態様では、本発明の様々な実施の形態に係る方法を実行する制御システム６４０を実施の形態で使用してもよい。１組の実施の形態に係れば、このような方法の手順の一部もしくは全部は、プロセッサ６４５が１つ以上の命令の１つ以上の列を実行するのに応じて、制御システム６４０によって実行される。１つ以上の命令は、オペレーティングシステムおよび／またはアプリケーションプログラムのような、メモリ６５０に含まれ得る他のコードに組み込んでもよい。このような命令は、記憶デバイス（図示せず）の１つ以上のようなコンピュータ可読媒体６８０からメモリ６５０に読み出してもよい。
代替ダイクロイックビームコンバイナ構造
[0065]図７は、様々な実施の形態に係る、ダイクロイックビームコンバイナ７００を用いて単一の投入ヘッドから対応する単一の捕捉ヘッドに単一モード動作で広間隔波長ビームを伝送する代替構造を示す。ダイクロイックビームコンバイナ７００は、広間隔波長ＴＤＬＡＳシステムの各送出投入ヘッド、捕捉ヘッドまたは投入ヘッドと捕捉ヘッドとの両方に設けられる。
[0066]ダイクロイックビームコンバイナ７００は、第１のダイクロイック要素７０５と第２のダイクロイック要素７１０とを有するハウジング７３０を備える。ダイクロイック要素７０５、７１０の各々は、特定の波長の光または波長の特定の範囲の光を反射する一方で他の波長の光を通過させるダイクロイックビームスプリッタまたはミラーとして機能する。たとえば、１組の実施の形態に係れば、単一モードファイバ７１５は２３３０ｎｍの波長光を伝送するのに用いてもよく、単一モードファイバ７２０は１３５０ｎｍの光を伝送するのに用いられ、単一モードファイバ７２５は７６０ｎｍの光を伝送するのに用いられる。したがって、ダイクロイック要素７０５、７１０は２３３０ｎｍの光を通過させるように選択され、ダイクロイック要素７０５は１３５０ｎｍで光を反射し、また、ダイクロイック要素７１０は７６０ｎｍで光を反射してさらに１３５０ｎｍの光を通過させる。
[0067]したがって、レーザビームの各波長は、単一モードファイバ７１５、７２０および７２５の各々がハウジング７３０に光学的に結合された状態で、その波長に適するそれぞれの単一モードファイバ７１５、７２０、７２５を介してダイクロイックビームコンバイナ７００に入射する。ハウジング７３０、単一モード光ファイバ７１５、７２０、７２５およびダイクロイック要素７０５、７１０は、ハウジング７３０の出射開口でコリメートレンズ７３５を通ってコリメートされる波長結合ビームを生成するように構成されてアライメントされている。
[0068]ダイクロイックビームコンバイナ７００構造を利用するＴＤＭ構成またはＷＤＭ構成を利用してもよい。たとえば、１組の実施の形態に係れば、光の様々な波長を順繰りに伝送してもよく、光の１つの波長のみが所定の時刻に伝送される。ＴＤＭ構成を利用する実施の形態では、捕捉ヘッドは、伝送された信号を直接受ける光検出器を備えてもよい。これの代わりに、対応する捕捉側ダイクロイックビームコンバイナ（デコンバイナ）を利用してもよい。実施の形態の別の組に係れば、ＷＤＭ構成を利用してもよく、この場合、光の各波長を同時に伝送する。このような構成では、ダイクロイックビームコンバイナの対応するセットを利用してもよい。
[0069]一対の対応する投入および捕捉側ダイクロイックビームコンバイナ７００を用いる場合、波長結合ビームを生成するのに投入側ダイクロイックビームコンバイナを用いてもよいのとまさに同様に、波長結合ビームの結合解除を行うのに捕捉側ダイクロイックビームコンバイナを用いてもよい。たとえば、いくつかの実施の形態では、投入側ダイクロイック要素７０５、７１０は２３３０ｎｍの光を通過させるように選択され、ダイクロイック要素７０５は１３５０ｎｍで光を反射し、また、ダイクロイック要素７１０は７６０ｎｍで光を反射してさらに１３５０ｎｍの光を通過させる。受光側では、ダイクロイック要素７０５、７１０は同様に、２３３０ｎｍの光を通過させるが、捕捉側のダイクロイック要素７１０に１３５０ｎｍおよび２３３０ｎｍの光を通過させつつ、７６０ｎｍで光を反射させ、捕捉側のダイクロイック要素７０５に１３５０ｎｍで光を反射させるが、２３３０ｎｍの光を通過させるように選択してもよい。
[0070]さらなる実施の形態では、ダイクロイックビームコンバイナは、上記の実施の形態に関して記載されているようなファイバ束アセンブリおよびファイバ束アセンブリに関して記載されている自動アライメントシステムと組み合わせて利用することもできる。
[0071]ここに記載されている方法およびプロセスの手順は、特に説明を容易にするために記載されているが、文脈上別異に解される場合を除き、様々な実施の形態にしたがって様々な手順に対して並べ替え、付加および／または削除を行ってもよい。さらに、ある方法またはプロセスに関して記載されている手順は、記載されている他の方法またはプロセスに組み込んでもよい。同様に、特定の構造にしたがって記載されているシステムコンポネントおよび／またはあるシステムに関して記載されているシステムコンポネントは、代替構造に編入してもよく、かつ／または記載されている他のシステムに組み込んでもよい。したがって、説明を容易にするために、また、これらの実施の形態の典型的な態様を示すために、様々な実施の形態がいくつかの特徴とともに（またはいくつかの特徴をともなわずに）記載されているが、文脈上別異に解される場合を除き、特定の実施の形態に関してここに記載されている様々なコンポネントおよび／または特徴を置換し、付加し、かつ／または特に、記載されている実施の形態の中から削除することができる。したがって、いくつかの典型的な実施の形態が上述されているが、本発明が以下の請求項の範囲内ですべての修正および均等物をカバーすることを意図すると考える。

Claims (20)

  1. 少なくとも１つの第１および第２の波長可変半導体レーザであって、前記第１の波長可変半導体レーザは第１の波長のレーザ光を発生させ、前記第２の波長可変半導体レーザは第２の波長のレーザ光を発生させ、前記第１および第２の波長のレーザ光は、単一モードファイバにおいて高い効率を持つ単一横モードで同時にともに伝播することができない、少なくとも１つの第１および第２の波長可変半導体レーザと、
    近位端および遠位端を有しており、前記近位端で前記第１の波長可変半導体レーザに光学的に結合されており、前記第１の波長の光を搬送するように構成されている単一モード光ファイバである第１のファイバと、
    近位端および遠位端を有しており、前記近位端で前記第２の波長可変半導体レーザに光学的に結合されており、前記第２の波長の光を搬送するように構成されている単一モード光ファイバである第２のファイバと、
    少なくとも前記第１および第２のファイバの前記遠位端を備えるファイバ束であって、前記第１および第２のファイバの前記遠位端では、これらのファイバのそれぞれのコーティングが剥離され、前記第１のファイバの第１の光ファイバコアと前記第２のファイバの第２の光ファイバコアとは、これらのファイバのクラッドが互いに隣接して束構成を形成する状態で配置される、ファイバ束と、
    送出光学部品を備える複数の投入ヘッドであって、前記送出光学部品は、前記ファイバ束の前記第１および第２のファイバの前記遠位端を介して前記第１および第２の波長可変半導体レーザに光学的に結合され、前記投入ヘッドは、前記第１の光ファイバコアと前記第２の光ファイバコアとからレーザ光のそれぞれのビームを投射するように構成されており、前記投入ヘッドは、前記第１および第２の光ファイバコアの各々から測定領域を通過させて前記それぞれのビームを投射するように向けられる、複数の投入ヘッドと、
    １つ以上のセンサであって、各センサは、少なくとも１つの光検出器をそれぞれ備えており、前記少なくとも１つの光検出器の各々は、前記第１および第２の波長の光の光パワーを検出するように構成されている、１つ以上のセンサと、
    前記複数の投入ヘッドから、選択された距離だけ前記測定領域をまたいで位置する複数の捕捉ヘッドであって、前記複数の捕捉ヘッドは、前記複数の投入ヘッドのそれぞれの投入ヘッドと光通信を行って、前記第１および第２の光ファイバコアの前記それぞれのビームを受け、前記１つ以上のセンサの少なくとも１つ以上に前記それぞれのビームを導く、複数の捕捉ヘッドと
    を備える広間隔波長の波長可変半導体レーザ吸収分光のためのシステム。
  2. 前記複数の捕捉ヘッドは、
    受光光学部品と、
    前記１つ以上のセンサの少なくとも１つとをそれぞれさらに備えており、
    前記送出光学部品または前記受光光学部品の少なくとも１つは、前記１つ以上のセンサの前記少なくとも１つ上に前記それぞれのビームを導くように構成されている、請求項１に記載のシステム。
  3. 第３の波長のレーザ光を発生させる第３の波長可変半導体レーザと、
    近位端および遠位端を有しており、前記近位端で前記第３の波長可変半導体レーザに光学的に結合されており、前記第３の波長の光を搬送するように構成されている単一モード光ファイバである第３のファイバとをさらに備えており、
    前記ファイバ束は前記第３のファイバの前記遠位端をさらに備えており、前記第３のファイバの前記遠位端では、そのファイバのコーティングが剥離され、前記第３のファイバの第３の光ファイバコアは、そのファイバのクラッドが前記第１または第２の光ファイバコアの少なくとも１つに隣接して前記束構成の一部を形成する状態で配置され、
    前記少なくとも１つの光検出器の各々は、前記第３の波長の光の光パワーを検出するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記束構成は、前記第１、第２および第３の光ファイバコアの三角形構成である、請求項３に記載のシステム。
  5. 前記第１および第２の波長可変半導体レーザの出力は、時分割多重化手順にしたがって切り替えられ、前記第１または第２の波長の一方のみのレーザ光が、所定の時刻に前記複数の投入ヘッドにより投射される、請求項１に記載のシステム。
  6. 前記第１のファイバの前記遠位端に結合される第１の光学スイッチと、前記第２のファイバの前記遠位端に結合される第２の光学スイッチとをさらに備えており、前記第１および第２の光学スイッチは、前記複数の投入ヘッドの各々間で逐次的にこれらの光学スイッチの出力を切り替えるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
  7. 前記第１および第２のファイバの前記それぞれの遠位端に結合される複数のビームスプリッタをさらに備えており、前記複数のビームスプリッタは、前記複数の投入ヘッドの各々に平行に光を提供するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
  8. 前記第１の波長は約７６０ナノメートルであり、前記第２の波長は約２３３０ナノメートルである、請求項１に記載のシステム。
  9. 複数の投入ヘッドプラットホームであって、前記複数の投入ヘッドプラットホームの各々は、前記複数の投入ヘッドの各々にそれぞれ結合され、前記１つ以上の投入ヘッドプラットホームまたは各関連送出光学部品または投入ヘッドは、自由度の少なくとも２つの軸に沿って調節可能である、複数の投入ヘッドプラットホームと、
    前記複数の投入ヘッドプラットホームの各々または各関連送出光学部品または投入ヘッドにそれぞれ結合される複数の制御デバイスであって、前記制御デバイスは、自由度の前記少なくとも２つの軸のうちの少なくとも１つの軸において、各投入ヘッドプラットホームまたは各関連送出光学部品または投入ヘッドを作動させるように動作可能である、複数の制御デバイスと、
    前記複数の制御デバイスと通信し、前記複数の制御デバイスの各々に制御信号を供給するように構成されている電子コントローラと、
    前記複数の捕捉ヘッドのうちの対応する捕捉ヘッドに対するアライメント中に、前記複数の投入ヘッドのうちの投入ヘッドをアライメントするように構成されており、投入ヘッドプラットホームまたは各関連送出光学部品またはアライメント中の前記投入ヘッドである投入ヘッドに結合される前記複数の制御デバイスのうちの少なくとも１つの制御デバイスが、アライメント中の前記投入ヘッドである対応する捕捉ヘッドの光検出器から受ける測定値に少なくとも部分的に基づいて前記投入ヘッドの位置を調節するようにする制御システムと
    をさらに備える請求項１に記載のシステム。
  10. 複数の捕捉ヘッドプラットホームをさらに備えており、前記複数の捕捉ヘッドプラットホームの各々は、前記複数の捕捉ヘッドの各々にそれぞれ結合される受光光学部品を有し、前記複数の捕捉ヘッドプラットホームまたは各関連受光光学部品または捕捉ヘッドは、自由度の少なくとも２つの軸に沿って調節可能であり、
    前記複数の制御デバイスは、前記複数の捕捉ヘッドプラットホームの各々または各関連受光光学部品または捕捉ヘッドにそれぞれ結合され、前記制御デバイスは、自由度の前記少なくとも２つの軸のうちの少なくとも１つの軸において、各捕捉ヘッドプラットホームまたは各関連受光光学部品または捕捉ヘッドを作動させるように動作可能であり、
    前記制御システムは、前記複数の投入ヘッドのうちの対応する投入ヘッドに対する前記複数の捕捉ヘッドのアライメント中に、捕捉ヘッドをアライメントするように構成されており、前記制御システムは、捕捉ヘッドプラットホームまたは各関連受光光学部品またはアライメント中の前記捕捉ヘッドである捕捉ヘッドに結合される前記複数の制御デバイスのうちの少なくとも１つの制御デバイスが、アライメント中の前記対応する捕捉ヘッドの前記１つ以上のセンサのうちのセンサから受ける測定値に少なくとも部分的に基づいて前記捕捉ヘッドの位置を調節するようにする、請求項９に記載のシステム。
  11. ファイバ束と光学的に結合されるように構成されているハウジングであって、前記ファイバ束は、少なくとも、１つの第１の入力ファイバと複数の第２の入力ファイバの遠位端とを備えており、前記第１の入力ファイバは、第１の波長のレーザ光を搬送する単一モードファイバであり、前記第２の入力ファイバは、第２の波長のレーザ光を搬送する単一モードファイバであり、前記第１および第２の波長のレーザ光は、単一モードファイバにおいて高い効率を持つ単一横モードで同時にともに伝播することができず、
    少なくとも前記第１および第２の入力ファイバの前記遠位端では、これらのファイバのそれぞれのコーティングが剥離され、前記第１の入力ファイバの第１の光ファイバコアと前記第２の入力ファイバの第２の光ファイバコアとは、これらのファイバのクラッドが互いに隣接して束構成を形成する状態で配置される、ハウジングと、
    少なくとも前記第１および第２の光ファイバコアの各々から測定領域を通過させてレーザ光のそれぞれのビームを投射するように構成されている送出光学部品とを備えており、
    前記ハウジングは、前記それぞれのビームが、前記ハウジングから選択された距離、前記測定領域をまたいで位置する捕捉ヘッドに達するように向けられる、
    広間隔波長の波長可変半導体レーザ吸収分光のための投入ヘッド。
  12. 前記ファイバ束は、第３の入力ファイバの遠位端をさらに備えており、前記第３の入力ファイバは、第３の波長のレーザ光を搬送する単一モードファイバであり、前記第３のファイバの前記遠位端では、そのファイバのコーティングが剥離され、前記第３の入力ファイバの第３の光ファイバコアは、そのファイバのクラッドが前記第１または第２の光ファイバコアの少なくとも１つの、前記クラッドに隣接して前記束構成の一部を形成する状態で配置される、請求項１１に記載の投入ヘッド。
  13. 前記束構成は、前記第１、第２および第３の光ファイバコアの三角形構成である、請求項１２に記載の投入ヘッド。
  14. 前記ハウジングは、投入ヘッドプラットホームに結合され、前記投入ヘッドプラットホームは、前記投入ヘッドプラットホーム、送出光学部品または投入ヘッドの少なくとも１つが自由度の少なくとも２つの軸に沿って調節可能である状態で投入ヘッドに結合され、制御デバイスは、前記投入ヘッドプラットホーム、送出光学部品または投入ヘッドの少なくとも１つに結合され、前記制御デバイスは、自由度の前記少なくとも２つの軸の少なくとも１つの軸において、前記投入ヘッドプラットホーム、送出光学部品または投入ヘッドの前記少なくとも１つを作動させるように動作可能であり、制御システムは、前記投入ヘッドを、対応する捕捉ヘッドに対してアライメントするように構成されており、前記制御システムは、前記制御デバイスが、前記対応する捕捉ヘッドの光検出器から受ける測定値に少なくとも部分的に関して、前記投入ヘッドプラットホーム、送出光学部品または投入ヘッドの前記少なくとも１つの位置を調節するようにする、請求項１１に記載の投入ヘッド。
  15. 前記第１および第２の入力ファイバからのレーザ光は、時分割多重化手順にしたがって切り替えられ、前記第１または第２の波長の一方のみのレーザ光が所定の時刻に投射される、請求項１１に記載の投入ヘッド。
  16. 前記第１の波長は約７６０ナノメートルであり、前記第２の波長は約２３３０ナノメートルである、請求項１１に記載の投入ヘッド。
  17. 第１の波長の第１のレーザビームを発生させる工程と、
    第２の波長の第２のレーザビームを発生させる工程と、
    第１の単一モード光ファイバで前記第１のレーザビームを搬送し、第２の単一モード光ファイバで前記第２のレーザビームを搬送する工程であって、前記第１および第２の波長のレーザ光は、単一モードファイバにおいて高い効率を持つ単一横モードで同時にともに伝播することができない、工程と、
    前記第１および第２の単一モード光ファイバの遠位端からこれらのファイバのそれぞれのコーティングを剥離する工程と、
    前記第１の単一モード光ファイバのクラッドが前記第２の単一モード光ファイバの第２の光ファイバコアの前記クラッドに隣接して束構成を形成する状態で前記第１の単一モード光ファイバの第１の光ファイバコアを配置する工程と、
    前記第１および第２の光ファイバコアの前記束構成からファイバ束を形成する工程と、
    前記ファイバ束の前記第１および第２の光ファイバコアの各々から測定領域を通過させてレーザ光のそれぞれのビームを複数の投入ヘッドを用いて送出する工程と、
    前記複数の投入ヘッドから選択された距離、前記測定領域をまたいで位置する複数の捕捉ヘッドで各ビームを受ける工程と、
    前記第１および第２の波長の各々の光の光パワーを前記複数の捕捉ヘッドで検出する工程と、
    前記第１および第２の波長の吸収線を持つ目標化学種の濃度を決定する工程と
    を備え、
    各捕捉ヘッドでは、共通の一つの検出器により、前記第１の波長及び第２の波長における光を検出する、広間隔波長の波長可変レーザ半導体レーザ分光のための方法。
  18. 前記測定領域での前記目標化学種の前記相対濃度に基づいて１つ以上の燃焼パラメータを調節する工程
    をさらに備える請求項１７に記載の方法。
  19. レーザ光の前記検出された光パワーに少なくとも部分的に基づいて前記投入ヘッドまたは捕捉ヘッドの向きを調節する工程
    をさらに備える請求項１７に記載の方法。
  20. 時分割多重化にしたがって前記第１および第２のレーザビームの前記出力を切り替える工程をさらに備えており、前記第１または第２の波長の一方のみのレーザ光が所定の時刻に伝送される、請求項１７に記載の方法。
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