JPH07260679A

JPH07260679A - 発振波長切替式レーザ装置および気体の濃度測定装置

Info

Publication number: JPH07260679A
Application number: JP6053645A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Chokai; 良一鳥海
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1994-03-24
Publication date: 1995-10-13
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: JP3249877B2

Abstract

(57)【要約】【目的】取扱いが容易で、波長が正確に切り替えられ
る発振波長切替式レーザ装置およびこのレーザ装置を用
いた気体の濃度測定装置を提供すること。【構成】固体レーザと、該固体レーザのレーザ光入射
側に設けられた回折格子およびチューニイングミラー
と、前記固体レーザのレーザ光出射側に設けられた出力
結合器と、前記回折格子に対する前記チューニングミラ
ーの光学位置を所定の時間間隔で切り替えて変位させる
発振波長切替機構とで発振は超切替式レーザ装置を構成
し、前記固体レーザに入射したレーザ光を該固体レーザ
と前記回折格子とを介して前記出力結合器と前記チュー
ニングミラーとの間で反復増幅した後前記出力結合器か
ら出力するように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体レーザを用いた発振
波長切替式レーザ装置およびこのレーザ装置を用いた気
体の濃度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境汚染の問題が大きく取り上げ
られているが、中でも大気汚染は大きなテーマとなって
いる。ＮＯ_X やＳＯ_X は汚染気体の中でも特に重要なも
のであるが、従来これらの汚染気体や特定の重要な注目
気体の濃度を測定するのにレーザレーダが用いられてい
る。

【０００３】レーザレーダによる気体の濃度測定は、レ
ーザを用いて測定対象気体の吸収波長のレーザ光を発生
せしめ、気体によるレーザ光の吸収度合いを検出するこ
とにより気体の濃度を測定しようとするものであり、測
定対象気体に吸収される固有の波長（たとえばＮＯ₂ で
は４５０ｎｍ、Ｏ₃ では３００ｎｍ）のレーザ光を発生
するレーザが用いられる。レーザレーダでは、レーザ光
を測定対象気体に向けて放射しその散乱光を集光して気
体による吸収度合いを検出しているが、散乱光が微弱で
しかもそれにノイズが混入することもあるため、通常は
ある一定時間（たとえば数秒〜数分間）にわたって吸収
波長のレーザ光と非吸収波長のレーザ光とを交互に放射
し、その間の吸収波長の散乱光および非吸収波長の散乱
光をそれぞれ集光蓄積し、両者の比を取ることによって
濃度を求めている。そのためには、発振波長が切り替え
られるレーザ装置が必要になるが、従来、その目的のた
めに、１台のレーザを一定時間（たとえば１分間）間隔
で駆動したり停止したりする方法や、吸収波長のレーザ
光を発生するレーザと非吸収波長のレーザ光を発生する
レーザの２台を用意し、その２台のレーザの発振タイミ
ングを交互にずらして発振させ、２波長のレーザ光をダ
イクロイックミラーで軸合わせして交互に発生する装置
などが知られている。前者の方法には、（１）レーザの
駆動、停止の時間間隔が長いとレーザを停止している間
に測定対象気体の成分や濃度が変化してしまう、（２）
濃度を求めるために比を取る２つの成分が同じ時間帯に
対するものではないので求めた濃度が正確なものでな
い、（３）レーザの駆動、停止の切り替えに時間がかか
る、（４）人が常に監視していなければならないなどの
問題がある。また、後者の装置には、２台のレーザを用
意しなければならないので大きなスペースが必要にな
る、消費電力が大きい、装置や設備のコストが大きくな
るなどの問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで発振波長が切
り替えられるレーザとして色素レーザが知られており、
この色素レーザをＹＡＧレーザで励起することにより、
あるいはステップモータを用いた波長切替機構を組み込
むことにより２波長のレーザ光を交互に発生させるよう
にしたレーザ装置がたとえば１９８７年発行の国立公害
研究所研究報告第１０７号、第３１頁〜第４８頁におい
て知られている。この文献によれば、波長切替機構はス
テップモータに取りつけられたカムにより色素レーザの
回折格子のサインバーを振動させる構造になっており、
振動の振幅およびサインバーの振動の中心位置はねじで
微調整され、任意の２波長を交互に取り出すことができ
る。ステップモータは専用のマイコンで制御され、レー
ザの発射および受光系のフィルタ切替装置と同期を取っ
て動作するようになっている。この装置は機構上所望の
２波長を発生させるには極めて難しい調整が必要であ
る。具体的には、この装置は上記論文の記述によると、
波長を設定する際、初めに波長切替装置の取り付けネジ
をゆるめて分離させ、次に回折格子の角度と波長との関
係を表にする。２波長を切り替えるには再び波長切替装
置をネジで取り付ける。所望の２波長を発生させるには
回折格子の角度で調整する。つまり予め作成してある角
度と波長の関係から回折格子の角度を２つの波長のそれ
ぞれに対応する角度にする必要がある。これは、ネジで
回折格子のサインバーの振動の振幅およびサインバーの
振幅の中心の位置を調整することで行なう。しかし、こ
の振幅および振動の中心位置の調整で所望の２波長を
０．１ｎｍ程度の精度で設定することは、わずかな位置
の違いで波長が変わることからかなり難しい調整であ
る。また波長設定のコンピュータコントロールを考えた
場合、ねじの位置で調整しているのでこの装置では不可
能である。

【０００５】また別の問題として、上記のレーザ装置は
色素レーザを用いているので、色素の経時的劣化による
出力パワーの減少、色素特有の扱いにくさ、メンテナン
スの悪さなどがある。

【０００６】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
ので、取扱いが容易で、波長が正確に切り替えられる発
振波長切替式レーザ装置およびこのレーザ装置を用いた
気体の濃度測定装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、固体レーザと、該固体レーザのレーザ光
入射側に設けられた回折格子およびチューニングミラー
と、前記固体レーザのレーザ共振器に設けられた出力結
合器と、前記回折格子に対する前記チューニングミラー
の光学位置を所定の時間間隔で切り替えて変位させる発
振波長切替機構とで発振波長切替式レーザ装置を構成
し、前記固体レーザに入射したレーザ光を該固体レーザ
と前記回折格子とを介して前記出力結合器と前記チュー
ニングミラーとの間で反復増幅した後前記出力結合器か
ら出力するように構成した。

【０００８】また本発明は上記の目的を達成するため
に、（ａ）第１の固体レーザと、第１の非線形光学素子
と、請求項１に記載の発振波長切替式レーザ装置とを光
軸を合わせてこの順序で配置し、前記発振波長切替式レ
ーザ装置から切り替えて出力される異なる発振波長のレ
ーザ光と第２の固体レーザから出力するレーザ光とをダ
イクロイックミラーにより光軸合わせした後、第２の非
線形光学素子を通して所望波長のレーザ光として交互に
切り替えて出力するレーザ光発生光学系と、（ｂ）測定
対象気体方向からの散乱レーザ光を受光する受光手段
と、（ｃ）該受光手段により受光した散乱レーザ光を光
電変換する光電変換手段と、（ｄ）該光電変換手段から
の光信号データを記録する記録手段と、（ｅ）該記録手
段に記録された受光信号データに基づいて測定対象気体
の濃度を演算する演算手段とで気体の濃度測定装置を構
成した。

【０００９】

【作用】以上の構成によって、チューニングミラーを第
１の波長のレーザ光を発生する位置にセットし、この位
置において発振波長切替機構によりチューニングミラー
を高速で所定角度だけ振動させると、第１の波長のレー
ザ光と、第１の波長とは異なる第２の波長のレーザ光と
が交互に発生する。このような構成の発振波長切替式レ
ーザ装置から交互に出力する第１波長および第２の波長
のレーザ光と、１つの固体レーザから出力する第３の波
長のレーザ光とを非線形光学素子を介してまたは介さず
にダイクロイックミラーにより光軸合わせをし、非線形
光学素子を介することにより測定対象気体に吸収される
波長のレーザ光と吸収されない波長のレーザ光とを交互
に発生させることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。

【００１１】図１は本発明によるレーザ装置を用いた気
体の濃度測定装置の一実施例のブロック線図である。こ
の実施例は一例としてＮＯ₂ の濃度を測定するものであ
り、ＮＯ₂ の吸収波長として４４７．９ｎｍを、また非
吸収波長として４４６．８ｎｍを採択した。

【００１２】図において破線で囲んだ部分が、測定対象
気体であるＮＯ₂ の吸収波長である４４７．９ｎｍのレ
ーザ光と非吸収波長である４４６．８ｎｍのレーザ光と
を交互に発生するレーザ光発生光学系１である。このレ
ーザ光発生光学系１は、ＹＡＧレーザ１０のレーザ光の
波長を、の関係によって１／２にして出力する第２高調波発生用
の非線形光学素子（たとえばＫＤ^* Ｐ）１１と、異なる
２波長のレーザ光を切り替えて発生するチタンサファイ
アレーザ１２と、もうひとつのＹＡＧレーザ１３と、Ｙ
ＡＧレーザ１３からのレーザ光を反射するミラー１４
と、チタンサファイアレーザ１２からのレーザ光とミラ
ー１４で反射したＹＡＧレーザ１３からのレーザ光とを
同一光路に光軸合わせするダイクロイックミラー１５
と、入力レーザ光の波長を、の関係によって新たな波長を得る非線形光学素子（たと
えばＫＤＰ）１６と、必要な波長のレーザ光のみを取り
出す干渉フィルタ１７とにより構成されており、２つの
ＹＡＧレーザ１０と１３の同期をとるための信号を発生
するパルスジェネレータ１９が設けられている。

【００１３】一方、測定対象気体であるＮＯ₂ によって
反射されたレーザ光を凹面鏡２１および２２で受光する
カセグレン型望遠鏡２と、絞り３を通ったレーザ光から
ＮＯ₂ の吸収波長である４４７．９ｎｍ付近の波長のみ
を通過させる干渉フィルタ４と、極めて弱いレーザ光出
力を光電変換し受光信号として出力する光電子増倍管５
と、微弱な受光信号を高い増幅率で増幅するプリアンプ
６と、増幅された受光信号の波形全体をＡ／Ｄ交換によ
り記録するトランジェントレコーダ７と、トランジェン
トレコーダ７のデータを処理して気体の濃度を演算する
パソコン８と、演算結果を表示するディスプレイ９とが
設けられている。

【００１４】レーザ光発生光学系１の非線形光学素子１
６の出力側には、この非線形光学素子１６から出力する
レーザ光を検出するフォトダイオード２０が設けられて
おり、その出力信号はトランジェントレコーダ７にトリ
ガー信号として入力されるようになっている。

【００１５】図２は図１に示したレーザ光発生光学系１
のチタンサファイアレーザ１２の光学系の概略構成を示
す。

【００１６】このチタンサファイアレーザ１２は後述す
る発振波長切替機構により異なる２波長のレーザ光を交
互に発生することができるようになっており、図示した
ように、図１に示した非線形光学素子１１からのレーザ
光Ｌが入射するチタンサファイア結晶１２０と、出射側
に設けられたピンホール１２１と、たとえば石英結晶か
らなる出力結合器１２２と、複数個のプリズムにより構
成されたビームエキスパンダ１２３と、プリズム１２４
と、やはり複数個のプリズムにより構成されたビームエ
キスパンダ１２５と、回折格子１２６と、チューニング
ミラー１２７とにより構成され、その他の構成要素とし
て得られたレーザ光強度を増幅するための図示しないア
ンプを含んでいる。チューニングミラー１２７は図３お
よび図４を参照して後述する発振波長切替機構により発
振波長に応じて回折格子１２６に対する光学位置が図２
中に矢印Ａで示すように弧状に回動変位される。

【００１７】図３は発振波長切替機構の概略構成とその
駆動制御系を示す。

【００１８】発振波長切替機構３０は、リードスクリュ
ー３１により矢印Ｂ方向に並進往復動される第１の変位
手段としての並進ステージ３２を有し、この並進ステー
ジ３２にサインバー３３が回動自在に取り付けられてい
る。リードスクリュー３１はステップモータ３４により
２つのプーリ３５ａおよび３５ｂと両プーリ間に張設さ
れたベルト３６を介して回転駆動される。３７ａおよび
３７ｂは並進ステージ３２の移動位置を規制するリミッ
トスイッチである。並進ステージ３２の下面には、チュ
ーニングミラー１２７を高速で振動させ変位させるため
のたとえば超精密リニアアクチュエータのような駆動機
構を内蔵したチューニングユニット３８が取り付けら
れ、このチューニングユニット３８の下面に前記駆動機
構により高速（たとえば１０Ｈ_Z ）で矢印Ｃ方向に往復
駆動されるチューニングステージ３９が取り付けられて
いる。このチューニングユニット３８とチューニングス
テ−ジ３９とで第２の変位手段を構成している。

【００１９】サインバー３３の下面の立下り部３３ａと
チューニングステージ３９との間にはスプリング４０が
張設されており、チューニングステージ３９の一端がこ
のスプリング４０の引張り作用によりサインバー３３の
下面に取り付けられたボール４１と常に接触状態に保持
されている。

【００２０】５０はステップモータ３４を駆動する駆動
回路、６０は発振波長切替機構３０の並進ステージ３２
の位置をキーボード６１から入力するデータに基づいて
制御する制御モジュールであり、６２は制御回路であ
る。

【００２１】７０は発振波長切替機構３０のチューニン
グステージ３９の変位量をキーボード７１から入力する
データに基づいて制御する制御モジュールであり、７２
は制御回路である。１９は波長切替とレーザ発振との同
期をとるためのパルスジェネレータである。

【００２２】図４は発振波長切替機構３０の一例の具体
的な構成を示す。

【００２３】サインバー３３の一端は立ち上っており、
この立上り部３３ｂに頭部拡大ピン５１が植設され、他
端の下面にはボール４１が固定されている。サインバー
３３の他端近くの立下り部３３ａとチューニングステー
ジ３９の下面との間には図示してない（図３には示され
ている）スプリング４０が張設されており、このスプリ
ング４０の引張り力によりチューニングステージ３９の
側面３９ａとボール４１は常に接触状態に保持されてい
る。頭部拡大ピン５１にはチューニングミラー１２７の
取付台５２がピン５１の反対側からバー５２ａで挟むよ
うにビスなどで取り付けられている。

【００２４】チューニングユニット３８にはチューニン
グステージ３９を高速で往復動させるための駆動機構が
内蔵されており、この駆動機構は、並進ステージ３２を
往復動させるためのステップモータ３４、プーリ３５
ａ、３５ｂ、ベルト３６、リードスクリュー３１、駆動
回路５０などからなる機構と同じであり、たとえば丸文
株式会社１９９３年発行「ニューポート総合カタロ
グ」Ｇ−１７頁に掲載されている超精密リニアアクチュ
エータが利用できる。図４において、鎖線で示す５３は
回折格子１２６を取り付ける取付台である。

【００２５】なお、回折格子１２６の取付台５３は、チ
タンサファイアレーザ１２の全体の構成部品を固定して
いる固定台（図示せず）にねじなどで固定されており、
図４に実線で示した発振波長切替機構３０の構成部品は
図３に示すように並進ステージ３２に取り付けられてい
る。

【００２６】次に本実施例によるＮＯ₂ の濃度検出につ
いて説明する。

【００２７】検出対象気体であるＮＯ₂ の吸収波長とし
て４４７．９ｎｍを、また非吸収波長として４４６．８
ｎｍを選ぶと、チタンサファイアレーザ１２の発振波長
はそれぞれ７７３．５ｎｍと７７０．２ｎｍになる。そ
こでチタンサファイアレーザ１２から発振波長７７３．
５ｎｍのレーザ光を発生させるために、まずキーボード
６１から発振波長である７７３．５ｎｍを入力すると、
制御モジュール６０の制御回路６２から駆動回路５０に
制御信号が送られ、ステップモータ３４が所定量だけ回
転してリードスクリュー３１が回転駆動され、並進ステ
ージ３２が移動する。並進ステージ３２の下面にはチュ
ーニングステージ３９が取り付けられているので、並進
ステージ３２の移動に伴いサインバー３３が所定角度だ
け回動して回折格子１２６に対するチューニングミラー
１２７の光学位置が所定角度だけ変位する。チューニン
グミラー１２７のこの位置が７７３．５ｎｍのレーザ光
を発生する吸収波長発振位置である。

【００２８】次にチタンサファイアレーザ１２から非吸
収波長である７７０．２ｎｍのレーザ光を発生させるた
めに、キーボード７１からチューニングステージ３９の
微小角度変位量のデータを入力する。吸収波長と非吸収
波長との差は、７７３．５ｎｍ−７７０．２＝３．３ｎ
ｍであるが、本実施例では発振波長を１ｎｍだけ変化さ
せるのにチューニングステージ３９を１５０μｍ移動す
るように設定されているので、発振波長を上記波長差
３．３ｎｍだけ変化させるためには、チューニングステ
ージ３９を１５０μｍ×３．３＝４９５μｍだけ移動さ
せればよい。そこでキーボード７１からこの移動量４９
５μｍに相当するデータ「４９５」を入力すれば、チュ
ーニングステージ３９は、チューニングユニット３８内
に設けられている駆動機構により吸収波長発振位置（上
で説明した波長７７３．５ｎｍのレーザ光を発生する位
置）とそれより４９５μｍ離れた非吸収波長発振位置と
の間を高速（本実施例ではたとえば１０Ｈ_Z ）で往復動
する。

【００２９】このようにチューニングミラー１２７の位
置および微小回動量を設定した後、レーザ光発生光学系
１のパルスジェネレータ１９によりＹＡＧレーザ１０お
よび１３を同期して駆動させる（たとえば１０Ｈ_Z ）。
また、波長が切り替わった後、レーザ光が発振するよう
に、レーザ発振のためのパルスとパルスの間に波長切替
のためのパルスを発生させるようにパルスジェネレータ
１９のディレイを調整する。ＹＡＧレーザ１０および１
３からは１０６４ｎｍのレーザ光が発生する。ＹＡＧレ
ーザ１０から出力したレーザ光は非線形光学素子１１
（ＫＤ^* Ｐ）により１／２波長の５３２ｎｍのレーザ光
に変換され、チタンサファイアレーザ１２に入射する。
チタンサファイアレーザ１２では、上述したように、
チューニングユニット３８内の駆動機構によりチューニ
ングステージ３９が吸収波長発振位置と非吸収波長発振
位置との間を高速で往復動されているので、この微小な
往復動がボール４１を介してサインバー３３に伝達され
る。サインバー３３はその一端に固定された頭部拡大ピ
ン５１を支点として微小角度だけ繰り返し回動変位する
ので、このピン５１に固定された取付台５２も微小角度
だけ回動変位し、その結果この取付台５２に固定された
チューニングミラー１２７が微小角度だけ繰り返し回動
して回折格子１２６に対する光学位置が繰り返し変化す
る。それにより発振波長がわずかだけずれた２種類のレ
ーザ光すなわち発振波長が７７３．５ｎｍのレーザ光と
７７０．２ｎｍのレーザ光とが交互に発生する。この２
つの波長は、それぞれＮＯ₂ に吸収される波長と吸収さ
れない波長である。

【００３０】ＹＡＧレーザ１３から出力する波長１０６
４ｎｍのレーザ光はミラー１４により反射され、ダイク
ロイックミラー１５により、チタンサファイアレーザ１
２から出力する上記２波長のレーザ光と光軸合わせされ
てもうひとつの非線形光学素子１６（ＫＤＰ）に送られ
る。非線形光学素子１６は、チタンサファイアレーザ１
２から出力する波長７７３．５ｎｍのレーザ光に対して
は４４７．９ｎｍに変換したレーザ光を、また波長７７
０．２ｎｍのレーザ光に対しては４４６．８ｎｍに変換
したレーザ光を交互に出力する。非線形光学素子１６に
より変換されて出力するレーザ光には変換前の波長であ
る７７３．５ｎｍもしくは７７０．２ｎｍと１０６４ｎ
ｍのレーザ光が含まれているので、干渉フィルタ１７を
通すことによってＮＯ₂ の測定に必要な波長（４４７．
９ｎｍおよび４４６．８ｎｍ）のレーザ光だけを取り出
して前方の測定対象領域に向けて出射させる。

【００３１】測定対象領域からの散乱レーザ光はカセグ
レン型望遠鏡２で受光され、凹面鏡２１および２２で反
射されて絞り３を通して干渉フィルタ４でＮＯ₂ の吸収
波長である４４７．９ｎｍおよび非吸収波長である４４
６．８ｎｍ付近の波長だけを透過させる。干渉フィルタ
４を通過した光は光電子増倍管５によって光電変換さ
れ、プリアンプ６により増幅されてトランジェントレコ
ーダ７に入力される。トランジェントレコーダ７では、
フォトダイオード２０からの出力信号をトリガー信号と
して入射レーザ光がＡ／Ｄ変換され、レーザ光発生光学
系１から出射される１つのレーザ光パルスの散乱光対し
て図５に示すような波形が記録される。トランジェント
レコーダ７に記録されたデータはＧＰＩＢケーブルを介
してパソコン８に転送され、そこで次のような濃度計算
が行われる。

【００３２】ＮＯ₂ によりレーザ光が吸収されたときの
散乱光データ（波長が４４７．９ｎｍのレーザ光）と吸
収されないときの散乱光データ（波長が４４６．８ｎｍ
のレーザ光）との比を細かく分けた多数の経過時間につ
いてとり、それを距離で微分することにより濃度が得ら
れる。この場合、距離は、レーザ光が光の速度で大気中
を伝播することから経過時間に基づいて容易に算出でき
る。

【００３３】上記実施例では発振波長切替機構３０によ
りチタンサファイアレーザ１２のチューニングミラー１
２７の位置を一定時間ごとに切り替えてＮＯ₂ の濃度測
定に必要な波長である４４７．９ｎｍ（吸収波長）と４
４６．８ｎｍ（非吸収波長）のレーザ光を交互に発生さ
せたが、測定対象気体が異なれば、その気体に適した吸
収波長のデータとチューニングミラー１２７の微小回動
角に相当する変位量とをキーボード６１と７１とから入
力することにより同様に異なる２波長のレーザ光を交互
に発生させることができる。一例として、０₃ の吸収波
長は３０８ｎｍ、非吸収波長は３３０ｎｍである。この
波長を出射するには、チタンサファイアレーザとＹＡＧ
レーザの第２高調波との和周波を行なう。特願平５−３
０２３２７に説明したように可動ミラーを用いて光路を
切り替えた後、キーボードから上記の２波長となるよう
数値を入力すれば測定対象ガスをＮＯ₂ からＯ₃ に簡単
に切り替えることができる。

【００３４】ＳＯ₂ の場合は、吸収波長が３００．０５
ｎｍ、非吸収波長が２９９．３０ｎｍである。この波長
を出射するには、チタンサファイアレーザの第２高調波
とＹＡＧレーザとの和周波を行なう。Ｏ₃ の場合と同様
に可動ミラーを用いて光路を切り替えた後、キーボード
から入力すれば測定対象ガスをＮＯ₂ からＳＯ₂ に簡単
に切り替えることができる。

【００３５】本発明で用いることのできる固体レーザと
しては、実施例で用いたチタンサファイアレーザのほか
に、発振波長幅こそ狭いもののアレキサンドライトレー
ザがある。また本発明による発振波長切替式レーザは気
体の濃度測定装置以外にも用いることができることはも
ちろんである。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
チタンサファイアレーザのような固体レーザを用い、発
振波長切替機構により回折格子に対するチューニングミ
ラーの光学位置を所定の時間間隔で切り替えて変位させ
ることにより異なる２波長のレーザ光を交互に発生させ
るようにしたので、難しい調整をすることなく正確な２
波長を発生させることができる。また使用するレーザは
経時変化を受けにくく、無害でかつ扱い易い固体レーザ
であるから、レーザ装置としてもまた気体の濃度測定装
置としても必要な２波長のレーザ光を簡単に発生させる
ことができる。そのために準備が簡単で時間もかから
ず、色素レーザのように交換の必要がなく、メンテナン
ス性にも優れている。また固体レーザゆえにポンプやタ
ンクが不要でり、装置や設備にスペースを取らない。さ
らに本発明の濃度測定装置において、固体レーザと非線
形光学素子との光学配置を考慮すれば、１種類の気体の
濃度測定に必要な設備にわずかな光学系を付加するだけ
で簡単な切り替え操作により異なる２種類以上の気体の
濃度を測定することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による発振波長切替式レーザ装置を用い
た気体の濃度測定装置の一実施例のブロック図である。

【図２】本発明による発振波長切替式レーザ装置の光学
系の概略構成を示す。

【図３】発振波長切替機構の概略構成とその駆動制御系
を示す。

【図４】本発明による発振波長切替式レーザ装置の発振
波長切替機構の一例の構成を示す斜視図である。

【図５】図１に示した濃度測定装置において測定対象気
体方向から受光される反射レーザ光の波形を示す。

【符号の説明】

１レーザ光発生光学系２カセグレン型望遠鏡３絞り４、１７干渉フィルタ５光電子増倍管６プリアンプ７トランジェントレコーダ８パソコン９ディスプレイ１０、１３ＹＡＧレーザ１１、１６、２４、２５、２６、２７、２８非線形光
学素子１２チタンサファイアレーザ１４ミラー１５ダイクロイックミラー１９パルスジェネレータ２０フォトダイオード３０発振波長切替機構３１リードスクリュー３２並進ステージ３３サインバー３４ステップモータ３８チューニングユニット３９チューニングステージ４０スプリング４１ボール５０駆動回路５１頭部拡大ピン５２、５３取付台６０、７０制御モジュール６１、７１キーボード６２、７２制御回路１２０チタンサファイア結晶１２１ピンホール１２２出力結合器１２３、１２５ビームエキスパンダ１２４プリズム１２６回折格子１２７チューニングミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体レーザと、該固体レーザのレーザ光入
射側に設けられた回折格子およびチューニングミラー
と、前記固体レーザのレーザ光出射側に設けられた出力
結合器と、前記回折格子に対する前記チューニングミラ
ーの光学位置を所定の時間間隔で切り替えて変位させる
発振波長切替機構とを有し、前記固体レーザに入射した
レーザ光を該固体レーザと前記回折格子とを介して前記
出力結合器と前記チューニングミラーとの間で反復増幅
した後前記出力結合器から出力することを特徴とする発
振波長切替式レーザ装置。
【請求項２】前記発振波長切替機構が、前記回折格子に
対する前記チューニングミラーの光学位置を大幅に変位
させる第１の変位手段と、微小量だけ変位させる第２の
変位手段とからなる請求項１に記載の発振波長切替式レ
ーザ装置。
【請求項３】前記第１の変位手段が、リードスクリュー
により往復動される並進ステージである請求項２に記載
の発振波長切替式レーザ装置。
【請求項４】前記第２の変位手段が、高速で往復動する
ステージと、該ステージにより回動変位されるサインバ
ーと、該サインバ−に固定されたチューニングミラー取
付け台とからなる請求項２または請求項３に記載の発振
波長切替式レーザ装置。
【請求項５】前記ステージが超精密リニアアクチュエー
タである請求項４に記載の発振波長切替式レーザ装置。
【請求項６】前記ステージと前記サインバーとがスプリ
ングにより常に接触状態に保持されている請求項４に記
載の発振波長切替式レーザ装置。
【請求項７】前記固体レーザがチタンサファイアレーザ
である請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の
発振波長切替式レーザ装置。
【請求項８】前記固体レーザがアレキサンドライトレー
ザである請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載
の発振波長切替式レーザ装置。
【請求項９】第１の固体レーザと、第１の非線形光学
素子と、請求項１に記載の発振波長切替式レーザ装置と
を光軸を合わせてこの順序で配置し、前記発振波長切替
式レーザ装置から切り替えて出力される異なる発振波長
のレーザ光と第２の固体レーザから出力するレーザ光と
をダイクロイックミラーにより光軸合わせした後、第２
の非線形光学素子を通して所望波長のレーザ光として交
互に切り替えて出力するレーザ光発生光学系と、測定対象気体方向からの散乱レーザ光を受光する受光手
段と、該受光手段により受光した散乱レーザ光を光電変換する
光電変換手段と、該光電変換手段からの光信号データを記録する記録手段
と、該記録手段に記録された受光信号データに基づいて測定
対象気体の濃度を演算する演算手段とを有することを特
徴とする気体の濃度測定装置。
【請求項１０】前記発振波長切替機構が、前記回折格子
に対する前記チューニングミラーの光学位置を大幅に変
位させる第１の変位手段と、微小量だけ変位させる第２
の変位手段とからなる請求項９に記載の濃度測定装置。
【請求項１１】前記第１の変位手段が、リードスクリュ
ーにより往復動される並進ステージである請求項１０に
記載の濃度測定装置。
【請求項１２】前記第２の変位手段が、高速で往復動す
るステージと、該ステージにより回動変位されるサイン
バーと、該サインバ−に固定されたチューニングミラー
取付け台とからなる請求項１０または請求項１１に記載
の濃度測定装置。
【請求項１３】前記ステージが超精密リニアアクチュエ
ータである請求項１２に記載の濃度測定装置。
【請求項１４】前記ステージと前記サインバーとがスプ
リングにより常に接触状態に保持されている請求項１２
に記載の濃度測定装置。
【請求項１５】前記固体レーザがチタンサファイアレー
ザである請求項９ないし請求項１４のいずれか１項に記
載の濃度測定装置。
【請求項１６】前記固体レーザがアレキサンドライトレ
ーザである請求項９ないし請求項１４のいずれか１項に
記載の濃度測定装置。