JPH07270308A - 光学式ガス分析装置 - Google Patents
光学式ガス分析装置Info
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- JPH07270308A JPH07270308A JP6228394A JP6228394A JPH07270308A JP H07270308 A JPH07270308 A JP H07270308A JP 6228394 A JP6228394 A JP 6228394A JP 6228394 A JP6228394 A JP 6228394A JP H07270308 A JPH07270308 A JP H07270308A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】被測定ガスを導入する試料セルを小型、小容量
化し、且つ、動作が安定で、高感度に被測定ガスの濃度
を検出し得る光学式ガス分析装置を提供する。 【構成】ミラー２４ａ、２４ｂの間隔をピエゾ素子２８
で微調整可能としたファブリー・ペロー共振器型の試料
セル２２に対して、制御回路３２により周波数可変レー
ザ２０の発振周波数を掃引制御してレーザ光を導入する
とともに、前記ミラー２４ｂをピエゾ素子２８により変
位させることで共振させ、前記試料セル２２を透過した
前記レーザ光を光検出器３０により検出し、その検出値
から被測定ガスの濃度を求める。
化し、且つ、動作が安定で、高感度に被測定ガスの濃度
を検出し得る光学式ガス分析装置を提供する。 【構成】ミラー２４ａ、２４ｂの間隔をピエゾ素子２８
で微調整可能としたファブリー・ペロー共振器型の試料
セル２２に対して、制御回路３２により周波数可変レー
ザ２０の発振周波数を掃引制御してレーザ光を導入する
とともに、前記ミラー２４ｂをピエゾ素子２８により変
位させることで共振させ、前記試料セル２２を透過した
前記レーザ光を光検出器３０により検出し、その検出値
から被測定ガスの濃度を求める。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、被測定ガスを導入した
試料セルにレーザ光を照射し、前記被測定ガスの光吸収
強度からその濃度を検出する光学式ガス分析装置に関す
る。
試料セルにレーザ光を照射し、前記被測定ガスの光吸収
強度からその濃度を検出する光学式ガス分析装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来から、試料セル内に導入されたガス
の光吸収スペクトルを測定し、そのスペクトルの光吸収
強度より試料セル中のガス濃度を求める装置が知られて
いる。この光学式ガス分析装置は、非接触で簡易にガス
濃度を測定できる利点を有している。
の光吸収スペクトルを測定し、そのスペクトルの光吸収
強度より試料セル中のガス濃度を求める装置が知られて
いる。この光学式ガス分析装置は、非接触で簡易にガス
濃度を測定できる利点を有している。
【０００３】図４に従来の光学式ガス分析装置の構成を
示す。この装置は、半導体レーザ１と、試料ガス導入・
排出口３より被測定ガス（試料ガス）が導入され、半導
体レーザ１から出力されたレーザ光が照射される試料セ
ル２と、試料セル２を透過したレーザ光の強度を検出す
る光検出器４とを備える。半導体レーザ１は、温度制御
部６による温度掃引によって被測定ガスの吸収スペクト
ル近辺の周波数が掃引可能であり、また、電流制御部７
による駆動電流の制御によってレーザ光の出力が制御可
能である。さらに、半導体レーザ１は、発振器８からの
信号によって前記電流制御部７を介して電流変調される
ことで周波数変調が可能である。
示す。この装置は、半導体レーザ１と、試料ガス導入・
排出口３より被測定ガス（試料ガス）が導入され、半導
体レーザ１から出力されたレーザ光が照射される試料セ
ル２と、試料セル２を透過したレーザ光の強度を検出す
る光検出器４とを備える。半導体レーザ１は、温度制御
部６による温度掃引によって被測定ガスの吸収スペクト
ル近辺の周波数が掃引可能であり、また、電流制御部７
による駆動電流の制御によってレーザ光の出力が制御可
能である。さらに、半導体レーザ１は、発振器８からの
信号によって前記電流制御部７を介して電流変調される
ことで周波数変調が可能である。
【０００４】そこで、周波数掃引、周波数変調された半
導体レーザ１からのレーザ光は、試料セル２に入射し、
試料セル２内部の被測定ガスによって一部が吸収された
後、光検出器４によりその強度が検出される。次いで、
ロックイン増幅器５において、前記光検出器４により検
出された強度信号から、発振器８と同期のとれた信号の
みが検出され、その結果、半導体レーザ１の光強度のド
リフトが除去でき、Ｓ／Ｎ比の良い信号が検出できる。
導体レーザ１からのレーザ光は、試料セル２に入射し、
試料セル２内部の被測定ガスによって一部が吸収された
後、光検出器４によりその強度が検出される。次いで、
ロックイン増幅器５において、前記光検出器４により検
出された強度信号から、発振器８と同期のとれた信号の
みが検出され、その結果、半導体レーザ１の光強度のド
リフトが除去でき、Ｓ／Ｎ比の良い信号が検出できる。
【０００５】このようにして検出された信号は、光吸収
スペクトルの一次微分形状となっている。従って、前記
光吸収スペクトルの周波数近辺での検出信号のピーク値
から光吸収強度を求めることにより、被測定ガスの濃度
が得られる。なお、ロックイン増幅器５で発振器８によ
る発振信号の２倍の周波数成分のみを検出すれば、光吸
収強度の２次微分形状を測定することができる。この方
式によれば、半導体レーザ１から出力されたレーザ光の
光強度の１次的変化、２次的変化をキャンセルすること
ができ、より高感度にガス濃度を測定することができ
る。
スペクトルの一次微分形状となっている。従って、前記
光吸収スペクトルの周波数近辺での検出信号のピーク値
から光吸収強度を求めることにより、被測定ガスの濃度
が得られる。なお、ロックイン増幅器５で発振器８によ
る発振信号の２倍の周波数成分のみを検出すれば、光吸
収強度の２次微分形状を測定することができる。この方
式によれば、半導体レーザ１から出力されたレーザ光の
光強度の１次的変化、２次的変化をキャンセルすること
ができ、より高感度にガス濃度を測定することができ
る。
【０００６】ところで、前記の光学式ガス分析装置にお
いて、ガス濃度の検出感度をさらに高めることのできる
装置として、多重反射型の長光路試料セルを使用した装
置がある。多重反射型の長光路試料セルとしては、３枚
の凹面ミラーを用いたホワイト（White ）型試料セル、
２枚のミラーを用いたヘリオット（Herriot ）型試料セ
ル等が知られている。
いて、ガス濃度の検出感度をさらに高めることのできる
装置として、多重反射型の長光路試料セルを使用した装
置がある。多重反射型の長光路試料セルとしては、３枚
の凹面ミラーを用いたホワイト（White ）型試料セル、
２枚のミラーを用いたヘリオット（Herriot ）型試料セ
ル等が知られている。
【０００７】例えば、前記ホワイト型試料セル９は、図
５に示すように、レーザ光を凹面ミラー１２、１３、１
４の間で複数回往復させて出射する構成となっている。
すなわち、入射窓１０より入射したレーザ光は、凹面ミ
ラー１２の脇を通過した後、凹面ミラー１３で反射さ
れ、凹面ミラー１２のａ点に結像される。次に、凹面ミ
ラー１２のａ点からの反射レーザ光は、凹面ミラー１４
で反射され、凹面ミラー１２のｂ点に結像される。この
ｂ点からの反射レーザ光は、凹面ミラー１３で反射さ
れ、凹面ミラー１２のｃ点に結像される。次いで、凹面
ミラー１２のｃ点で反射された反射レーザ光は、凹面ミ
ラー１４で反射され、凹面ミラー１２の脇を通過した
後、出射窓１１より出射する。
５に示すように、レーザ光を凹面ミラー１２、１３、１
４の間で複数回往復させて出射する構成となっている。
すなわち、入射窓１０より入射したレーザ光は、凹面ミ
ラー１２の脇を通過した後、凹面ミラー１３で反射さ
れ、凹面ミラー１２のａ点に結像される。次に、凹面ミ
ラー１２のａ点からの反射レーザ光は、凹面ミラー１４
で反射され、凹面ミラー１２のｂ点に結像される。この
ｂ点からの反射レーザ光は、凹面ミラー１３で反射さ
れ、凹面ミラー１２のｃ点に結像される。次いで、凹面
ミラー１２のｃ点で反射された反射レーザ光は、凹面ミ
ラー１４で反射され、凹面ミラー１２の脇を通過した
後、出射窓１１より出射する。
【０００８】この場合、調整ネジ１５、１６を操作し、
レーザ光が入射窓１０から入射し、凹面ミラー１２のａ
点、ｂ点、ｃ点にそれぞれ結像し、出射窓１１より出射
するように、各凹面ミラー１３、１４の角度が調整され
る。この凹面ミラー１３、１４の角度を調整することに
よって、レーザ光が入射してから出射するまでの往復回
数を増減させることができる。この時の光路長Ｌは、凹
面ミラー１２、１３（１４）間の距離をｄ、光の往復回
数をＮとすれば、Ｌ＝２（Ｎ＋１）ｄとなり、光路長を
２（Ｎ＋１）倍長くすることができる。その結果、光吸
収強度が光路長に比例して増加し、より高感度に、光吸
収スペクトルを測定できることになる。
レーザ光が入射窓１０から入射し、凹面ミラー１２のａ
点、ｂ点、ｃ点にそれぞれ結像し、出射窓１１より出射
するように、各凹面ミラー１３、１４の角度が調整され
る。この凹面ミラー１３、１４の角度を調整することに
よって、レーザ光が入射してから出射するまでの往復回
数を増減させることができる。この時の光路長Ｌは、凹
面ミラー１２、１３（１４）間の距離をｄ、光の往復回
数をＮとすれば、Ｌ＝２（Ｎ＋１）ｄとなり、光路長を
２（Ｎ＋１）倍長くすることができる。その結果、光吸
収強度が光路長に比例して増加し、より高感度に、光吸
収スペクトルを測定できることになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したホ
ワイト型試料セル９を使用すれば、被測定ガスのガス濃
度を高感度に検出することが可能であるが、現場での使
用におけるその光路長は１００ｍ程度までが実用限界と
なっている。例えば、光路長Ｌを１ｋｍとして、超高感
度で光吸収スペクトルを検出するための試料セルを実現
しようとした場合、凹面ミラー１２および１３（１４）
の間隔ｄが１００ｃｍとすると、レーザ光の往復回数は
４９９回となり、凹面ミラー１２の表面で結像するレー
ザ光の間隔が３ｍｍとすると、凹面ミラー１２の直径が
約７５ｃｍ以上必要になる計算となる。従って、光路長
１ｋｍのホワイト型試料セル９は、寸法が約７５φ×１
００ｃｍと超大型化するだけでなく、容量も約４４００
リットルと大容量となり、試料セルに導入すべき被測定
ガスの量が莫大なものとなってしまう。
ワイト型試料セル９を使用すれば、被測定ガスのガス濃
度を高感度に検出することが可能であるが、現場での使
用におけるその光路長は１００ｍ程度までが実用限界と
なっている。例えば、光路長Ｌを１ｋｍとして、超高感
度で光吸収スペクトルを検出するための試料セルを実現
しようとした場合、凹面ミラー１２および１３（１４）
の間隔ｄが１００ｃｍとすると、レーザ光の往復回数は
４９９回となり、凹面ミラー１２の表面で結像するレー
ザ光の間隔が３ｍｍとすると、凹面ミラー１２の直径が
約７５ｃｍ以上必要になる計算となる。従って、光路長
１ｋｍのホワイト型試料セル９は、寸法が約７５φ×１
００ｃｍと超大型化するだけでなく、容量も約４４００
リットルと大容量となり、試料セルに導入すべき被測定
ガスの量が莫大なものとなってしまう。
【００１０】従って、従来のホワイト型試料セルを用い
た光学式ガス分析装置では、超高感度に被測定ガスの濃
度測定を行うために、試料セルの寸法を大型化せざるを
得ず、また、多量の被測定ガスが必要となる不都合があ
った。さらに、レーザ光の試料セル内での往復回数が極
めて多くなるため、凹面ミラーの角度が温度や振動など
の影響で微小にずれた場合、装置の安定度が低下する不
都合が生じていた。
た光学式ガス分析装置では、超高感度に被測定ガスの濃
度測定を行うために、試料セルの寸法を大型化せざるを
得ず、また、多量の被測定ガスが必要となる不都合があ
った。さらに、レーザ光の試料セル内での往復回数が極
めて多くなるため、凹面ミラーの角度が温度や振動など
の影響で微小にずれた場合、装置の安定度が低下する不
都合が生じていた。
【００１１】本発明は上記の不都合を解消するものであ
り、被測定ガスを導入する試料セルを小型、小容量化
し、且つ、動作が安定で、高感度に被測定ガスの濃度を
検出することのできる光学式ガス分析装置を提供するこ
とを目的とする。
り、被測定ガスを導入する試料セルを小型、小容量化
し、且つ、動作が安定で、高感度に被測定ガスの濃度を
検出することのできる光学式ガス分析装置を提供するこ
とを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、試料セル内に導入した被測定ガスにレ
ーザ光を照射し、被測定ガスによる前記レーザ光の光吸
収強度からその濃度を検出する光学式ガス分析装置にお
いて、両端部に前記レーザ光の一部を透過可能な反射ミ
ラーが配設され、被測定ガスが前記反射ミラー間に導入
されるファブリー・ペロー共振器型の試料セルと、発振
スペクトル幅が前記試料セルのフリンジ幅以下に設定さ
れ、発振周波数が可変なレーザ光を出力する周波数可変
レーザと、前記周波数可変レーザの発振周波数を掃引制
御する制御回路と、前記反射ミラーの間隔を調整すべ
く、前記反射ミラーの少なくとも一方を他方に対して変
位させる変位手段と、前記制御回路による前記レーザ光
の周波数掃引に同期して、前記試料セル内で前記レーザ
光を共振させるべく前記変位手段を駆動する駆動回路
と、前記試料セルを透過する前記レーザ光の光吸収強度
を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。
めに、本発明は、試料セル内に導入した被測定ガスにレ
ーザ光を照射し、被測定ガスによる前記レーザ光の光吸
収強度からその濃度を検出する光学式ガス分析装置にお
いて、両端部に前記レーザ光の一部を透過可能な反射ミ
ラーが配設され、被測定ガスが前記反射ミラー間に導入
されるファブリー・ペロー共振器型の試料セルと、発振
スペクトル幅が前記試料セルのフリンジ幅以下に設定さ
れ、発振周波数が可変なレーザ光を出力する周波数可変
レーザと、前記周波数可変レーザの発振周波数を掃引制
御する制御回路と、前記反射ミラーの間隔を調整すべ
く、前記反射ミラーの少なくとも一方を他方に対して変
位させる変位手段と、前記制御回路による前記レーザ光
の周波数掃引に同期して、前記試料セル内で前記レーザ
光を共振させるべく前記変位手段を駆動する駆動回路
と、前記試料セルを透過する前記レーザ光の光吸収強度
を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。
【００１３】また、本発明は、試料セル内に導入した被
測定ガスにレーザ光を照射し、被測定ガスによる前記レ
ーザ光の光吸収強度からその濃度を検出する光学式ガス
分析装置において、両端部に前記レーザ光の一部を透過
可能な反射ミラーが配設され、被測定ガスが前記反射ミ
ラー間に導入されるファブリー・ペロー共振器型の試料
セルと、前記反射ミラーの間隔を連続的に掃引すべく、
前記反射ミラーの少なくとも一方を他方に対して変位さ
せる変位手段と、前記被測定ガスと同種のガスが導入さ
れる参照セルと、発振スペクトル幅が前記試料セルの自
由スペクトル領域以下に設定され、発振周波数が可変な
レーザ光を出力する周波数可変レーザと、前記参照セル
を透過する前記レーザ光の光吸収強度を検出する第１光
検出手段と、前記第１光検出手段により検出された前記
レーザ光の光吸収強度から前記被測定ガスの光吸収スペ
クトルの中心周波数ｆ0 を求め、前記周波数可変レーザ
の発振周波数を前記中心周波数ｆ0 に制御する制御回路
と、前記反射ミラーの間隔をｃ／（２・ｆ0 ）の程度の
範囲で連続的に掃引すべく、前記変位手段を駆動する駆
動回路と、前記試料セルを透過する前記レーザ光の光吸
収強度を検出する第２光検出器と、を備え、前記第２光
検出器により検出された前記レーザ光の光吸収強度から
その濃度を検出することを特徴とする。
測定ガスにレーザ光を照射し、被測定ガスによる前記レ
ーザ光の光吸収強度からその濃度を検出する光学式ガス
分析装置において、両端部に前記レーザ光の一部を透過
可能な反射ミラーが配設され、被測定ガスが前記反射ミ
ラー間に導入されるファブリー・ペロー共振器型の試料
セルと、前記反射ミラーの間隔を連続的に掃引すべく、
前記反射ミラーの少なくとも一方を他方に対して変位さ
せる変位手段と、前記被測定ガスと同種のガスが導入さ
れる参照セルと、発振スペクトル幅が前記試料セルの自
由スペクトル領域以下に設定され、発振周波数が可変な
レーザ光を出力する周波数可変レーザと、前記参照セル
を透過する前記レーザ光の光吸収強度を検出する第１光
検出手段と、前記第１光検出手段により検出された前記
レーザ光の光吸収強度から前記被測定ガスの光吸収スペ
クトルの中心周波数ｆ0 を求め、前記周波数可変レーザ
の発振周波数を前記中心周波数ｆ0 に制御する制御回路
と、前記反射ミラーの間隔をｃ／（２・ｆ0 ）の程度の
範囲で連続的に掃引すべく、前記変位手段を駆動する駆
動回路と、前記試料セルを透過する前記レーザ光の光吸
収強度を検出する第２光検出器と、を備え、前記第２光
検出器により検出された前記レーザ光の光吸収強度から
その濃度を検出することを特徴とする。
【００１４】
【作用】本発明の光学式ガス分析装置では、変位手段に
より光路長が調整可能なファブリー・ペロー共振器型の
試料セルを用い、この試料セルに発振周波数を掃引させ
たレーザ光を導入し、前記発振周波数に同期して光路長
を調整して共振させ、高精度に被測定ガスの光吸収強度
を検出し、これから前記被測定ガスの濃度を分析するこ
とができる。
より光路長が調整可能なファブリー・ペロー共振器型の
試料セルを用い、この試料セルに発振周波数を掃引させ
たレーザ光を導入し、前記発振周波数に同期して光路長
を調整して共振させ、高精度に被測定ガスの光吸収強度
を検出し、これから前記被測定ガスの濃度を分析するこ
とができる。
【００１５】また、本発明の光学式ガス分析装置では、
被測定ガスと同種のガスが導入された参照セルを透過し
たレーザ光の被測定ガスによる光／吸収スペクトルの中
心周波数を検出し、次いで、発振周波数を前記中心周波
数に固定した周波数可変レーザからのレーザ光を試料セ
ルに導入し、前記試料セルの光路長を前記中心周波数で
決まる範囲で掃引し、前記試料セルを透過したレーザ光
の光吸収強度を高精度に検出する。
被測定ガスと同種のガスが導入された参照セルを透過し
たレーザ光の被測定ガスによる光／吸収スペクトルの中
心周波数を検出し、次いで、発振周波数を前記中心周波
数に固定した周波数可変レーザからのレーザ光を試料セ
ルに導入し、前記試料セルの光路長を前記中心周波数で
決まる範囲で掃引し、前記試料セルを透過したレーザ光
の光吸収強度を高精度に検出する。
【００１６】
【実施例】光共振器やスペクトルアナライザ、光干渉計
としてファブリー・ペロー共振器が知られている。近
年、イオンビームコーティング技術を利用して誘電体を
ガラス基板に蒸着し、反射損失が極端に小さく、且つ、
反射率が0.9999以上である所謂スーパーミラーが実現さ
れている。本発明に係る光学式ガス分析装置は、このよ
うな優れた特性を持つミラーを用いた長光路の試料セル
をファブリー・ペロー共振器型セルとして実現し、これ
を光学式ガス分析装置に利用したものである。
としてファブリー・ペロー共振器が知られている。近
年、イオンビームコーティング技術を利用して誘電体を
ガラス基板に蒸着し、反射損失が極端に小さく、且つ、
反射率が0.9999以上である所謂スーパーミラーが実現さ
れている。本発明に係る光学式ガス分析装置は、このよ
うな優れた特性を持つミラーを用いた長光路の試料セル
をファブリー・ペロー共振器型セルとして実現し、これ
を光学式ガス分析装置に利用したものである。
【００１７】図１は本発明に係る光学式ガス分析装置の
第１の実施例を示すブロック図である。この光学式ガス
分析装置は、チタンサファイアレーザ、色素レーザ、半
導体レーザ等からなる周波数可変レーザ２０、被測定ガ
スが導入されるファブリー・ペロー共振器型の試料セル
２２および光検出器３０を備える。
第１の実施例を示すブロック図である。この光学式ガス
分析装置は、チタンサファイアレーザ、色素レーザ、半
導体レーザ等からなる周波数可変レーザ２０、被測定ガ
スが導入されるファブリー・ペロー共振器型の試料セル
２２および光検出器３０を備える。
【００１８】周波数可変レーザ２０は、単一縦モードで
発振し、その発振スペクトル幅は、レーザ共振器または
外部共振器等により試料セル２２のフリンジ幅以下に狭
窄されている。また、周波数可変レーザ２０の発振周波
数は、レーザ共振器または外部共振器等の間隔、また
は、半導体素子レーザにおいては環境温度、駆動電流に
よって変えることができる。
発振し、その発振スペクトル幅は、レーザ共振器または
外部共振器等により試料セル２２のフリンジ幅以下に狭
窄されている。また、周波数可変レーザ２０の発振周波
数は、レーザ共振器または外部共振器等の間隔、また
は、半導体素子レーザにおいては環境温度、駆動電流に
よって変えることができる。
【００１９】試料セル２２は、ゼロデュアーガラス、ス
ーパーインバール等の熱膨張係数の小さい材料を用いた
円筒状のキャビティー２６と、スーパーミラー等の反射
損失が小さく、且つ、表面の反射率が高いミラー２４
ａ、２４ｂと、ミラー２４ａ、２４ｂの間隔ｄを微調整
するために一方のミラー２４ｂに装着されるピエゾ素子
（変位手段）２８とから構成される。ミラー２４ａ、２
４ｂは、反射面が対向して配置されており、特定の周波
数のレーザ光を共振させるファブリー・ペロー共振器構
造となっている。なお、ミラー２４ａ、２４ｂは、凹面
ミラー、平面ミラーの何れであってもよい。
ーパーインバール等の熱膨張係数の小さい材料を用いた
円筒状のキャビティー２６と、スーパーミラー等の反射
損失が小さく、且つ、表面の反射率が高いミラー２４
ａ、２４ｂと、ミラー２４ａ、２４ｂの間隔ｄを微調整
するために一方のミラー２４ｂに装着されるピエゾ素子
（変位手段）２８とから構成される。ミラー２４ａ、２
４ｂは、反射面が対向して配置されており、特定の周波
数のレーザ光を共振させるファブリー・ペロー共振器構
造となっている。なお、ミラー２４ａ、２４ｂは、凹面
ミラー、平面ミラーの何れであってもよい。
【００２０】制御回路３２は、周波数可変レーザ２０の
発振周波数を掃引し、同時に、ミラー２４ａ、２４ｂの
間隔ｄを制御すべくドライブ回路３４を介してピエゾ素
子２８を駆動する。
発振周波数を掃引し、同時に、ミラー２４ａ、２４ｂの
間隔ｄを制御すべくドライブ回路３４を介してピエゾ素
子２８を駆動する。
【００２１】ここで、試料セル２２のミラー２４ａ、２
４ｂの間隔をｄとすると、試料セル２２の自由スペクト
ル領域（Free Spectral Range 、以下単にＦＳＲと呼
ぶ）は、ｃ／２ｎｄで表される（但し、ｃは光速度、ｎ
は屈折率）。発振スペクトル幅が試料セル２２のフリン
ジ幅以下に狭窄化された周波数可変レーザ２０のレーザ
光を試料セル２２に入射すると、入射したレーザ光は、
ミラー２４ａ、２４ｂの間を多数回往復反射を繰り返し
た後に、ミラー２４ｂを透過する。
４ｂの間隔をｄとすると、試料セル２２の自由スペクト
ル領域（Free Spectral Range 、以下単にＦＳＲと呼
ぶ）は、ｃ／２ｎｄで表される（但し、ｃは光速度、ｎ
は屈折率）。発振スペクトル幅が試料セル２２のフリン
ジ幅以下に狭窄化された周波数可変レーザ２０のレーザ
光を試料セル２２に入射すると、入射したレーザ光は、
ミラー２４ａ、２４ｂの間を多数回往復反射を繰り返し
た後に、ミラー２４ｂを透過する。
【００２２】試料セル２２を透過したレーザ光の透過特
性を図２Ａに示す。図２Ａにおいて、縦軸は光検出器３
０で検出した透過レーザ光の光強度Ｉt ／Ｉ0 （但し、
Ｉ0は試料セル２２に入射したレーザ光の強度、Ｉt は
試料セル２２から出射したレーザ光の強度）を示し、横
軸はレーザ光の発振周波数ｆを示す。なお、試料セル２
２に導入された被測定ガスの光吸収スペクトルの中心周
波数をｆ0 とする。図２Ａから諒解されるように、透過
レーザ光の光強度Ｉt ／Ｉ0 は、試料セル２２のＦＳＲ
の間隔でピークを生ずる。
性を図２Ａに示す。図２Ａにおいて、縦軸は光検出器３
０で検出した透過レーザ光の光強度Ｉt ／Ｉ0 （但し、
Ｉ0は試料セル２２に入射したレーザ光の強度、Ｉt は
試料セル２２から出射したレーザ光の強度）を示し、横
軸はレーザ光の発振周波数ｆを示す。なお、試料セル２
２に導入された被測定ガスの光吸収スペクトルの中心周
波数をｆ0 とする。図２Ａから諒解されるように、透過
レーザ光の光強度Ｉt ／Ｉ0 は、試料セル２２のＦＳＲ
の間隔でピークを生ずる。
【００２３】一方、ミラー２４ａ、２４ｂの反射率が高
くなると、レーザ光の反射回数も増加する。例えば、ミ
ラー２４ａ、２４ｂの反射率をＲとすると、試料セル２
２の共振性のよさの指標を表すフィネスＦは、 Ｆ＝π×Ｒ1/2 ／（１−Ｒ） で表される。この場合、フリンジ幅Δνは、 Δν＝ＦＳＲ／Ｆ となる。さらに、試料セル２２に入射したレーザ光の減
衰時間ｔc は、損失が主としてミラー２４ａ、２４ｂの
反射率に基づくとすると、 ｔc ＝ｎｄ／Ｃ（１−Ｒ） と近似できる。
くなると、レーザ光の反射回数も増加する。例えば、ミ
ラー２４ａ、２４ｂの反射率をＲとすると、試料セル２
２の共振性のよさの指標を表すフィネスＦは、 Ｆ＝π×Ｒ1/2 ／（１−Ｒ） で表される。この場合、フリンジ幅Δνは、 Δν＝ＦＳＲ／Ｆ となる。さらに、試料セル２２に入射したレーザ光の減
衰時間ｔc は、損失が主としてミラー２４ａ、２４ｂの
反射率に基づくとすると、 ｔc ＝ｎｄ／Ｃ（１−Ｒ） と近似できる。
【００２４】ここで、例えば、ミラー２４ａ、２４ｂの
間隔ｄ＝１０ｃｍ、ミラー２４ａ、２４ｂの反射率Ｒ＝
0.9999とすると、ＦＳＲ＝１．５ＧＨｚ、Ｆ＝約3000、
Δν＝５０ｋＨｚ、ｔc ＝（３×１０5 ）-1秒となる。
従って、試料セル２２に入射したレーザ光は、光路長約
１ｋｍのミラー２４ａ、２４ｂの間を往復して出射する
ことになる。
間隔ｄ＝１０ｃｍ、ミラー２４ａ、２４ｂの反射率Ｒ＝
0.9999とすると、ＦＳＲ＝１．５ＧＨｚ、Ｆ＝約3000、
Δν＝５０ｋＨｚ、ｔc ＝（３×１０5 ）-1秒となる。
従って、試料セル２２に入射したレーザ光は、光路長約
１ｋｍのミラー２４ａ、２４ｂの間を往復して出射する
ことになる。
【００２５】そこで、第１の実施例における光学式ガス
分析装置では、以下のようにして被測定ガスの濃度測定
が行われる。
分析装置では、以下のようにして被測定ガスの濃度測定
が行われる。
【００２６】すなわち、試料導入・排出口２３より試料
セル２２に試料である被測定ガスを導入した後、周波数
可変レーザ２０からのレーザ光を試料セル２２に入射す
る。試料セルに入射したレーザ光は、前述したように、
試料セル２２内で多数回往復反射を繰り返し、セル内部
に導入された被測定ガスで吸収を受けて試料セル２２か
ら出射する。この出射光が光検出器３０により検出され
る。
セル２２に試料である被測定ガスを導入した後、周波数
可変レーザ２０からのレーザ光を試料セル２２に入射す
る。試料セルに入射したレーザ光は、前述したように、
試料セル２２内で多数回往復反射を繰り返し、セル内部
に導入された被測定ガスで吸収を受けて試料セル２２か
ら出射する。この出射光が光検出器３０により検出され
る。
【００２７】この場合、周波数可変レーザ２０は、制御
回路３２により発振周波数が掃引されており、また、試
料セル２２は、ピエゾ素子２８により前記発振周波数に
共振するように光路長が制御されている。従って、光検
出器３０で検出したレーザ光の透過特性（被測定ガスの
光吸収スペクトル）は、図２Ｂのようになる。なお、図
２Ｂにおいて、縦軸は、光検出器３０で検出した透過レ
ーザ光の光強度Ｉt ／Ｉ0 を示し、横軸は周波数可変レ
ーザ２０の発振周波数ｆを示す。レーザ光は、試料セル
２２内でミラー２４ａ、２４ｂの間を多数回往復反射
し、被測定ガスに吸収された後、光検出器３０で検出さ
れるため、近似的には、光路長に比例して吸収強度が大
きくなっており、被測定ガスの光吸収スペクトルの中心
周波数ｆ0でピークとなる。
回路３２により発振周波数が掃引されており、また、試
料セル２２は、ピエゾ素子２８により前記発振周波数に
共振するように光路長が制御されている。従って、光検
出器３０で検出したレーザ光の透過特性（被測定ガスの
光吸収スペクトル）は、図２Ｂのようになる。なお、図
２Ｂにおいて、縦軸は、光検出器３０で検出した透過レ
ーザ光の光強度Ｉt ／Ｉ0 を示し、横軸は周波数可変レ
ーザ２０の発振周波数ｆを示す。レーザ光は、試料セル
２２内でミラー２４ａ、２４ｂの間を多数回往復反射
し、被測定ガスに吸収された後、光検出器３０で検出さ
れるため、近似的には、光路長に比例して吸収強度が大
きくなっており、被測定ガスの光吸収スペクトルの中心
周波数ｆ0でピークとなる。
【００２８】なお、ピエゾ素子２８の制御は、予め周波
数可変レーザの２０の発振周波数に対して、試料セル２
２を共振させるために必要な制御信号を求めておき、制
御回路３２で、周波数可変レーザの２０の発振周波数を
掃引するための周波数掃引信号に対応させてピエゾ素子
２８に制御信号を出力するようにすればよい。また、制
御回路３２で、周波数可変レーザの２０の発振周波数を
掃引するための周波数掃引信号を出力しながら、光検出
器３０で検出する出射レーザ光の光強度が最大となるよ
うに、すなわち、試料セル２２に入射したレーザ光が共
振するように、ピエゾ素子２８に加える信号を制御する
ようにしてもよい。
数可変レーザの２０の発振周波数に対して、試料セル２
２を共振させるために必要な制御信号を求めておき、制
御回路３２で、周波数可変レーザの２０の発振周波数を
掃引するための周波数掃引信号に対応させてピエゾ素子
２８に制御信号を出力するようにすればよい。また、制
御回路３２で、周波数可変レーザの２０の発振周波数を
掃引するための周波数掃引信号を出力しながら、光検出
器３０で検出する出射レーザ光の光強度が最大となるよ
うに、すなわち、試料セル２２に入射したレーザ光が共
振するように、ピエゾ素子２８に加える信号を制御する
ようにしてもよい。
【００２９】上記の実施例において、ミラー２４ａ、２
４ｂの直径は入射レーザ光のビーム径の３倍程度あれば
よく、非常に小さい寸法で、光路長が１ｋｍ以上の試料
セル２２を容易に実現できる。従って、高感度で被測定
ガスの光吸収スペクトルを測定でき、それから高感度で
ガス濃度の検出、測定が可能となる。一例として、前述
の例で使用するミラー２４ａ、２４ｂの直径を１ｃｍと
すれば、試料セルの寸法は、１φ×１０ｃｍ、試料セル
の容量は0.008 リットルとなり、非常に小型、小容量で
光路長１ｋｍの試料セルが実現でき、且つ、構造的にも
小型、堅牢にできるため、温度、振動の影響を受けにく
く、安定した動作の装置を提供することができる。
４ｂの直径は入射レーザ光のビーム径の３倍程度あれば
よく、非常に小さい寸法で、光路長が１ｋｍ以上の試料
セル２２を容易に実現できる。従って、高感度で被測定
ガスの光吸収スペクトルを測定でき、それから高感度で
ガス濃度の検出、測定が可能となる。一例として、前述
の例で使用するミラー２４ａ、２４ｂの直径を１ｃｍと
すれば、試料セルの寸法は、１φ×１０ｃｍ、試料セル
の容量は0.008 リットルとなり、非常に小型、小容量で
光路長１ｋｍの試料セルが実現でき、且つ、構造的にも
小型、堅牢にできるため、温度、振動の影響を受けにく
く、安定した動作の装置を提供することができる。
【００３０】図３は本発明に係る光学式ガス分析装置の
第２の実施例を示すブロック図である。
第２の実施例を示すブロック図である。
【００３１】この実施例における光学式ガス分析装置
は、図１の実施例におけるミラー２４ａ、２４ｂとピエ
ゾ素子２８を設けた試料セル２２と、これに並行して設
けられ、被測定ガスと同種のガスを封入した参照セル３
６とを有し、ビームスプリッタ３８（レーザ光分割手
段）により、周波数可変レーザ２０からのレーザ光を分
岐し、分岐されたレーザ光の一方を試料セル２２に入射
し、他方をミラー４０を介して参照セル３６に入射し、
試料セル２２から出射するレーザ光を光検出器３０ａ
（第２光検出手段）により検出し、参照セル３６から出
射するレーザ光を光検出器３０ｂ（第１光検出手段）に
より検出するように構成したものである。
は、図１の実施例におけるミラー２４ａ、２４ｂとピエ
ゾ素子２８を設けた試料セル２２と、これに並行して設
けられ、被測定ガスと同種のガスを封入した参照セル３
６とを有し、ビームスプリッタ３８（レーザ光分割手
段）により、周波数可変レーザ２０からのレーザ光を分
岐し、分岐されたレーザ光の一方を試料セル２２に入射
し、他方をミラー４０を介して参照セル３６に入射し、
試料セル２２から出射するレーザ光を光検出器３０ａ
（第２光検出手段）により検出し、参照セル３６から出
射するレーザ光を光検出器３０ｂ（第１光検出手段）に
より検出するように構成したものである。
【００３２】制御回路３２は、参照セル３６内のガスの
光吸収スペクトルの中心周波数にロックするように、周
波数可変レーザ２０の発振周波数を制御する。参照符号
４２は、周波数可変レーザ２０に周波数変調をかけるた
めの発振器であり、この発振器４２の信号はロックイン
増幅器４４に入力され、ロックイン増幅器４４におい
て、光検出器３０ｂで検出した信号から、当該発振器４
２と同期した信号のみを検出する。参照符号４６は掃引
回路であり、ドライブ回路３４を介してピエゾ素子２８
を制御し、ミラー２４ａ、２４ｂ間の間隔をｃ／２ｆ0
（１／２波長）程度に掃引する。
光吸収スペクトルの中心周波数にロックするように、周
波数可変レーザ２０の発振周波数を制御する。参照符号
４２は、周波数可変レーザ２０に周波数変調をかけるた
めの発振器であり、この発振器４２の信号はロックイン
増幅器４４に入力され、ロックイン増幅器４４におい
て、光検出器３０ｂで検出した信号から、当該発振器４
２と同期した信号のみを検出する。参照符号４６は掃引
回路であり、ドライブ回路３４を介してピエゾ素子２８
を制御し、ミラー２４ａ、２４ｂ間の間隔をｃ／２ｆ0
（１／２波長）程度に掃引する。
【００３３】第２実施例の光学式ガス分析装置は次のよ
うに動作する。周波数可変レーザ２０の発振スペクトル
幅は、試料セル２２のＦＳＲ以下に狭窄化されており、
また、発振器４２の信号で僅かに周波数変調がかけられ
ている。狭窄化され、且つ、周波数変調がかけられた周
波数可変レーザ２０のレーザ光は、ビームスプリッタ３
８で分岐され、一方のレーザ光はミラー４０で反射さ
れ、参照セル３６に入射される。参照セル３６に入射し
たレーザ光はセル内に封入された被測定ガスと同種のガ
スで吸収を受けた後に、参照セル３６から出射し、光検
出器３０ｂで検出される。光検出器３０ｂで検出された
レーザ光は電気信号に変換されて、ロックイン増幅器４
４で、発振器４２の信号と同期のとれた信号のみが検出
される。ロックイン増幅器４４で検出される信号は、従
来技術の場合と同様であり、光吸収強度の一次微分形と
なっている。制御回路３２は、この一次微分形状の０ク
ロス点に周波数可変レーザ２０の発振周波数がロックさ
れるように周波数可変レーザ２０を制御する。このよう
な制御を行うことにより、周波数可変レーザ２０の発振
周波数は、被測定ガスの光吸収スペクトルの中心周波数
ｆ0 に設定される。
うに動作する。周波数可変レーザ２０の発振スペクトル
幅は、試料セル２２のＦＳＲ以下に狭窄化されており、
また、発振器４２の信号で僅かに周波数変調がかけられ
ている。狭窄化され、且つ、周波数変調がかけられた周
波数可変レーザ２０のレーザ光は、ビームスプリッタ３
８で分岐され、一方のレーザ光はミラー４０で反射さ
れ、参照セル３６に入射される。参照セル３６に入射し
たレーザ光はセル内に封入された被測定ガスと同種のガ
スで吸収を受けた後に、参照セル３６から出射し、光検
出器３０ｂで検出される。光検出器３０ｂで検出された
レーザ光は電気信号に変換されて、ロックイン増幅器４
４で、発振器４２の信号と同期のとれた信号のみが検出
される。ロックイン増幅器４４で検出される信号は、従
来技術の場合と同様であり、光吸収強度の一次微分形と
なっている。制御回路３２は、この一次微分形状の０ク
ロス点に周波数可変レーザ２０の発振周波数がロックさ
れるように周波数可変レーザ２０を制御する。このよう
な制御を行うことにより、周波数可変レーザ２０の発振
周波数は、被測定ガスの光吸収スペクトルの中心周波数
ｆ0 に設定される。
【００３４】ビームスプリッタ３８で分岐されたレーザ
光のもう一方は、試料セル２２に入射され、この入射レ
ーザ光は、前述の第１の実施例と同様に、ミラー２４
ａ、２４ｂ間を多数回往復反射し、当該試料セル２２内
に導入された被測定ガスで吸収を受けた後、試料セル２
２から出射し、光検出器３０ａで検出される。掃引回路
４６は、ドライブ回路３４によりピエゾ素子２８を制御
し、ミラー２４ａ、２４ｂ間の間隔をｃ／２ｆ0 （１／
２波長）程度に掃引する。そして、光検出器３０ａで検
出する光強度のピーク値を求めれば、中心周波数ｆ0 の
光吸収強度を求めることができる。
光のもう一方は、試料セル２２に入射され、この入射レ
ーザ光は、前述の第１の実施例と同様に、ミラー２４
ａ、２４ｂ間を多数回往復反射し、当該試料セル２２内
に導入された被測定ガスで吸収を受けた後、試料セル２
２から出射し、光検出器３０ａで検出される。掃引回路
４６は、ドライブ回路３４によりピエゾ素子２８を制御
し、ミラー２４ａ、２４ｂ間の間隔をｃ／２ｆ0 （１／
２波長）程度に掃引する。そして、光検出器３０ａで検
出する光強度のピーク値を求めれば、中心周波数ｆ0 の
光吸収強度を求めることができる。
【００３５】なお、掃引回路４６を用いずに、光検出器
３０ａで検出する光強度が最大となるようにピエゾ素子
２８を制御してもよく、更に、光検出器３０ａで検出し
た信号をロックイン増幅器４４ａ（図３の破線で示す）
に入力し、発振器４２の信号の２倍の周波数と同期の取
れた信号のみを検出するように構成すれば、光吸収スペ
クトルの２次微分形状が測定でき、更に高感度で光吸収
スペクトルのピーク位置における光強度を求めることが
でき、一層感度の良いガス濃度測定が可能となる。
３０ａで検出する光強度が最大となるようにピエゾ素子
２８を制御してもよく、更に、光検出器３０ａで検出し
た信号をロックイン増幅器４４ａ（図３の破線で示す）
に入力し、発振器４２の信号の２倍の周波数と同期の取
れた信号のみを検出するように構成すれば、光吸収スペ
クトルの２次微分形状が測定でき、更に高感度で光吸収
スペクトルのピーク位置における光強度を求めることが
でき、一層感度の良いガス濃度測定が可能となる。
【００３６】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る光学式ガス
分析装置によれば、非常に小型化された試料セルを容易
に実現でき、しかも、高感度に被測定ガスの光吸収スペ
クトルを測定できるため、高感度でガス濃度の検出、測
定が可能となる。また、構造的にも小型、堅牢な構造の
試料セルとすることができ、温度、振動の影響を受けに
くい、安定した動作の装置が提供できるとともに、被測
定ガスの容量も極僅かですむという効果が得られる。
分析装置によれば、非常に小型化された試料セルを容易
に実現でき、しかも、高感度に被測定ガスの光吸収スペ
クトルを測定できるため、高感度でガス濃度の検出、測
定が可能となる。また、構造的にも小型、堅牢な構造の
試料セルとすることができ、温度、振動の影響を受けに
くい、安定した動作の装置が提供できるとともに、被測
定ガスの容量も極僅かですむという効果が得られる。
【図１】本発明の第１の実施例に係る光学式ガス分析装
置の構成を示す図である。
置の構成を示す図である。
【図２】図２Ａおよび図２Ｂは、レーザ光の試料セルに
おける共振特性および透過特性を示す図である。
おける共振特性および透過特性を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る光学式ガス分析装
置の構成を示す図である。
置の構成を示す図である。
【図４】従来の光学式ガス分析装置の構成を示す図であ
る。
る。
【図５】従来の光学式ガス分析装置に使用されるホワイ
ト型試料セルの構造を示す図である。
ト型試料セルの構造を示す図である。
２０…周波数可変レーザ ２２…試料セル ２４ａ、２４ｂ、４０…ミラー ２８…ピエゾ素
子 ３０、３０ａ、３０ｂ…光検出器 ３２…制御回路 ３４…ドライブ回路 ３６…参照セル ３８…ビームスプリッタ ４２…発振器 ４４、４４ａ…ロックイン増幅器 ４６…掃引回路
子 ３０、３０ａ、３０ｂ…光検出器 ３２…制御回路 ３４…ドライブ回路 ３６…参照セル ３８…ビームスプリッタ ４２…発振器 ４４、４４ａ…ロックイン増幅器 ４６…掃引回路
Claims (2)
- 【請求項１】試料セル内に導入した被測定ガスにレーザ
光を照射し、被測定ガスによる前記レーザ光の光吸収強
度からその濃度を検出する光学式ガス分析装置におい
て、 両端部に前記レーザ光の一部を透過可能な反射ミラーが
配設され、被測定ガスが前記反射ミラー間に導入される
ファブリー・ペロー共振器型の試料セルと、 発振スペクトル幅が前記試料セルのフリンジ幅以下に設
定され、発振周波数が可変なレーザ光を出力する周波数
可変レーザと、 前記周波数可変レーザの発振周波数を掃引制御する制御
回路と、 前記反射ミラーの間隔を調整すべく、前記反射ミラーの
少なくとも一方を他方に対して変位させる変位手段と、 前記制御回路による前記レーザ光の周波数掃引に同期し
て、前記試料セル内で前記レーザ光を共振させるべく前
記変位手段を駆動する駆動回路と、 前記試料セルを透過する前記レーザ光の光吸収強度を検
出する光検出器と、 を備えることを特徴とする光学式ガス分析装置。 - 【請求項２】試料セル内に導入した被測定ガスにレーザ
光を照射し、被測定ガスによる前記レーザ光の光吸収強
度からその濃度を検出する光学式ガス分析装置におい
て、 両端部に前記レーザ光の一部を透過可能な反射ミラーが
配設され、被測定ガスが前記反射ミラー間に導入される
ファブリー・ペロー共振器型の試料セルと、 前記反射ミラーの間隔を連続的に掃引すべく、前記反射
ミラーの少なくとも一方を他方に対して変位させる変位
手段と、 前記被測定ガスと同種のガスが導入される参照セルと、 発振スペクトル幅が前記試料セルの自由スペクトル領域
以下に設定され、発振周波数が可変なレーザ光を出力す
る周波数可変レーザと、 前記参照セルを透過する前記レーザ光の光吸収強度を検
出する第１光検出手段と、 前記第１光検出手段により検出された前記レーザ光の光
吸収強度から前記被測定ガスの光吸収スペクトルの中心
周波数ｆ0 を求め、前記周波数可変レーザの発振周波数
を前記中心周波数ｆ0 に制御する制御回路と、 前記反射ミラーの間隔をｃ／（２・ｆ0 ）の程度の範囲
で連続的に掃引すべく、前記変位手段を駆動する駆動回
路と、 前記試料セルを透過する前記レーザ光の光吸収強度を検
出する第２光検出器と、 を備え、前記第２光検出器により検出された前記レーザ
光の光吸収強度からその濃度を検出することを特徴とす
る光学式ガス分析装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6228394A JP2698314B2 (ja) | 1994-03-31 | 1994-03-31 | 光学式ガス分析装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6228394A JP2698314B2 (ja) | 1994-03-31 | 1994-03-31 | 光学式ガス分析装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07270308A true JPH07270308A (ja) | 1995-10-20 |
| JP2698314B2 JP2698314B2 (ja) | 1998-01-19 |
Family
ID=13195652
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6228394A Expired - Fee Related JP2698314B2 (ja) | 1994-03-31 | 1994-03-31 | 光学式ガス分析装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2698314B2 (ja) |
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1994
- 1994-03-31 JP JP6228394A patent/JP2698314B2/ja not_active Expired - Fee Related
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