JPH08219991A

JPH08219991A - 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: JPH08219991A
Application number: JP7029150A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Chokai; 良一鳥海
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1995-02-17
Filing date: 1995-02-17
Publication date: 1996-08-30

Abstract

(57)【要約】【目的】取扱いが容易であり、１個の非線形光学素子
で吸収波長に対しても非吸収波長に対してもできるだけ
大きな変換効率が得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】第１の固体レーザと、該第１の固体レーザか
ら出力するレーザ光の波長を所定の時間間隔で切り替え
る発振波長切替機構と、第２の固体レーザと、前記発振
波長切替機構により切り替えられて出力される異なる２
波長のレーザ光の各々と前記第２の固体レーザから出力
するレーザ光とを和周波として異なる所望の２波長のレ
ーザ光に変換して出力する非線形光学素子とを有する発
振波長切替式レーザ装置において、前記非線形光学素子
の光学的位置を、前記発振波長切替機構による波長切替
えタイミングに同期して、前記異なる２波長のレーザ光
のそれぞれ位相整合角となるように切り替える位置切替
装置を設けた。

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
のであり、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が顕著に吸収する波長のレー
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、このために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３００ｎ
ｍ）のレーザ光を発生するレーザ装置が用いられる。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
ることがあるために、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
乱光と非吸収波長の散乱光をそれぞれ集光し、デジタル
信号に変換して加算平均し、、両者の比を取ることによ
ってその気体の濃度を求めている。

【０００４】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、
停止する方法や、吸収波長のレーザ光を発生するレーザ
装置と非吸収波長のレーザ光を発生するレーザ装置の２
台を用意し、その２台のレーザ装置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。ところが前者の方法には、（１）レーザ
の駆動、停止の時間間隔が長いとレーザ装置を停止して
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
間帯のものではないので求めた濃度が正確なものでな
い、（３）レーザ装置の駆動、停止の切替に時間がかか
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台のレーザ装置を
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。

【０００５】ところで発振波長が切り替えられるレーザ
装置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込むことにより２波
長のレーザ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１
０７号、第３１頁〜第４８頁において知られている。こ
の装置における波長切替機構はステップモータに取り付
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がねじで微調整され、任意の２
波長を交互に発生することができる。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。

【０００６】ところがこの２波長切替式レーザ装置は機
構上所望の２波長のレーザ光を発生させるための調整が
きわめて難しい。たとえば、あらかじめ回折格子の角度
と波長との関係を表にしておき、波長の設定に当たって
は、まず波長切替機構の取り付けネジをゆるめて分離
し、作成した表を参照して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位置を微調
整するのであるが、わずかな位置の違いで波長が変わっ
てしまうので、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
かなり難しい。

【０００７】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。

【０００８】そこで本発明者は上記の従来の発振波長切
替式レーザ装置の問題点を解決すべく、特願平６−５３
６４５号において、色素レーザの代わりに固体レーザを
用い、チューニングミラーの光学位置を発振波長切替機
構により所定の時間間隔で切り替えることにより所望の
２波長のレーザ光を交互に発生することのできる発振波
長切替式レーザ装置を提案した。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図７はその特願平６−
５３６４５号で提案された発振波長切替式レーザ装置の
レーザ光発生光学系のブロック線図である。

【００１０】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、数１で示す関係式

【００１１】

【数１】によって１／２にして出力する第２高調波用の非線形光
学素子（たとえばＫＤＰ）１１と、発振波長切替機構に
より異なる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１つのＹＡＧレーザ１
３と、ＹＡＧ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
光とを同一光軸となるように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数２で示す関係
式

【００１２】

【数２】によって新たな波長を得る非線形光学素子（たとえばＫ
ＤＰ）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】このレーザ光発生光学系１を用いてたとえ
ばＮＯ₂ の濃度測定に必要な吸収波長である４４７．９
ｎｍと非吸収波長である４４６．８ｎｍのレーザ光を発
生させるには、ＹＡＧレーザ１０および１３の発振波長
を１０６４ｎｍとし、チタンサファイアレーザ１２の発
振波長を７７３．５ｎｍと７７０．２ｎｍとで切り替え
る。

【００１４】ところで上記のレーザ光発生光学系１の非
線形光学素子１６のように、波長が異なる２つのレーザ
光を同じ光軸で入射させ和周波により新たな波長のレー
ザ光に変換して出力する非線形光学素子においては、レ
ーザ光が素子に入射するときの入射角度によって新たな
波長のレーザ光に変換される効率が変化することが知ら
れており、その変換効率が最大となるときのレーザ光の
入射角度は位相整合角と呼ばれている。この位相整合角
は非線形光学素子に入射するレーザ光の波長により異な
るために、上記のレーザ光発生光学系１のように非線形
光学素子１６に入射するレーザ光の波長がたとえば７７
３．５ｎｍと７７０．２ｎｍとで交互に異なると、両波
長に対して最大の変換効率が得られないという問題があ
る。すなわち非線形光学素子を一方（たとえば波長７７
３．５ｎｍ）のレーザ光に対して位相整合角となるよう
に位置決めすると、他方（波長７７０．２ｎｍ）のレー
ザ光に対しては位相整合角にならない。ところが一般
に、レーザレーダでガス濃度を測定する場合、得られる
測定濃度のＳ／Ｎ比は数３で表されるようにレーザ出力
の平方根に比例するので、吸収波長である７７３．５ｎ
ｍのレーザ光に対しても非吸収波長である７７０．２ｎ
ｍのレーザ光に対してもＳ／Ｎ比を良く信号を取得する
ためにはいずれの波長のレーザ光に対しても非線形光学
素子を位相整合角となるように位置決めし、両方の波長
で強いレーザ光強度を得ることが必要となるが、従来の
発振波長切替式レーザ装置はもちろんのこと、特願平６
−５３６４５号で提案された発振波長切替式レーザ装置
においても両波長に対するＳ／Ｎ比は良くないという問
題がある。

【００１５】

【数３】ここでＭはデータの積算回数、ΔＲは距離分解能、Ｎ
（Ｒ）はガス濃度、Ｐ₀ はレーザ出力強度この問題を解決する一つの方法として、和周波による波
長変換の場合ではないが、光路に対して２つの非線形光
学素子を並列に配置し、その一方は吸収波長のレーザ光
に対して位相整合角となるように配置し、他方は非吸収
波長のレーザ光に対して位相整合角となるように配置す
る方法が提案されている（文献名１９７９年１２月発
行、米国ＥＰＲＩレポートＥＡ−１２６７、図３−
２）。しかしこの方法では非線形光学素子が２個必要に
なるし、光路が並行となるためにその分だけ設置スペー
スが必要になる。

【００１６】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
ので、取扱いが容易であり、１個の非線形光学素子で吸
収波長に対しても非吸収波長に対してもできるだけ大き
な変換効率が得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。

【００１７】

【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、第１の固体レーザと、該第１の固体レー
ザから出力するレーザ光の波長を所定の時間間隔で切り
替える発振波長切替機構と、第２の固体レーザと、前記
発振波長切替機構により切り替えられて出力される異な
る２波長のレーザ光の各々と前記第２の固体レーザから
出力するレーザ光とを和周波として異なる所望の２波長
のレーザ光に変換して出力する非線形光学素子とを有す
る発振波長切替式レーザ装置において、前記非線形光学
素子の光学的位置を、前記発振波長切替機構による波長
切替えタイミングに同期して、前記異なる２波長のレー
ザ光のそれぞれ位相整合角となるように切り替える位置
切替装置を設けた。

【００１８】

【作用】本発明は以上の構成によって、発振波長切替機
構による波長切替えタイミングに同期して、非線形光学
素子の光学的位置が非線形光学素子に入射する異なる２
波長のレーザ光のそれぞれ位相整合角となるように切り
替えられるので、入射レーザ光は最大の変換効率で所望
の異なる２波長のレーザ光に変換される。

【００１９】

【実施例】以下に本発明を図面を用いて説明する。

【００２０】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。

【００２１】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
波長を上記数１の関係式によって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とチタンサファイアレ
ーザの偏向方向を９０°回転させる１／２波長板２３
と、もうひとつのＹＡＧレーザ１３と、ＹＡＧレーザ１
３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
の波長を数２の関係式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、異なる２波長
のレーザ光が非線形光学素子１６に入射する入射角が位
相整合角となるように波長の切替タイミングに同期して
非線形光学素子１６の位置を切り替える位置切替装置１
８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およびチタンサファイアレ
ーザ１２の波長を切替るための波長切替装置および位置
切替装置１８の切替タイミング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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】図３は発振波長切替機構と位置切替装置の
概略構成とその駆動制御系を示す。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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、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（図１に図示されて
いる）である。

【００３１】一方、位置切替装置１８の構成は基本的に
は発振波長切替機構３０と同じであるので、図３にはそ
の詳細な構成は省略してある。位置切替装置１８の駆動
制御系も上述した発振波長切替機構３０の駆動制御系と
同じであり、位置切替装置１８のステッピモータを駆動
する駆動回路は制御モジュール６３の制御回路６４を介
して制御され、チューニングステージの変位量は制御モ
ジュール７０の制御回路７２により制御されるようにな
っている。

【００３２】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。

【００３３】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スプリング４０
（図３には示されている）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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】一方、図５は波長の切替タイミングに同期
して非線形光学素子１６の位置を切り替える位置切替装
置１８の一例の具体的な構成を示す。

【００３７】この位置切替装置１８の構成は基本的には
図４に示した発振波長切替機構３０と同じである。

【００３８】そこで装置の構成のみを簡単に説明する
と、波長の切替タイミングに同期してレーザ光に対する
光学的位置が切り替えられる非線形光学素子１６は取付
台８１に取り付けられており、この取付台８１は反対側
からバー８１ａで挟むようにして頭部拡大ピン８２に取
り付けられている。頭部拡大ピン８２はサインバー８３
の一端の立上り部８３ｂに植設されており、サインバー
８３の他端の下面にはボール８４が固定されている。サ
インバー８３の他端近くの立ち下がり部８３ａとチュー
ニングステージ８５の下面との間には図示してない（図
３に４０として示されているスプリングに相当する）ス
プリングが張設されており、このスプリングの引張り力
によりチューニングステージ８５の側面８５ａとボール
８４は常に接触状態に保持されている。

【００３９】チューニングユニット８６にはチューニン
グステージ８５を高速で往復動させるための駆動機構が
内蔵されている。この駆動機構は発振波長切替機構３０
の駆動機構と同じであるので説明は省略する。

【００４０】次に図１から図５を参照して本実施例によ
るＮＯ₂ の濃度検出について説明する。

【００４１】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の光学的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対応の発振位置である。

【００４２】次にチタンサファイアレーザ１２から非吸
収波長に対応する７７０．２ｎｍのレーザ光を発生させ
るために、キーボード６１からチューニングステージ３
９の微小角度変位量のデータを入力する。吸収波長に対
応する波長と非吸収波長に対応する波長との差は、７７
３．５ｎｍ−７７０．２ｎｍ＝３．３ｎｍ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１５０
μｍ×３．３＝４９５μｍだけ移動させればよい。そこ
でキーボード６１からこの移動量４９５μｍ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に対応する波長のレーザ光発振
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
（７７０．２ｎｍ）に対応する波長のレーザ光発振位置
との間を高速（本実施例ではたとえば１０Ｈ_Z ）で往復
動する。

【００４３】一方、吸収波長に対応する波長のレーザ光
と非吸収波長に対応する波長のレーザ光に対する非線形
光学素子１６の和周波による変換効率を大きく取るため
に、非線形光学素子１６のレーザ光に対する光学的位置
を位相整合角となるように切り替えるための設定作業と
して、まず、吸収波長に対応する波長である７７３．５
ｎｍのレーザ光に対する非線形光学素子１６の位相整合
角がＫＤＰで５５．４°であることがあらかじめ計算で
求められているので、キーボード６１からこの角度５
５．４°を入力する。その結果、制御モジュール６３の
制御回路６４から駆動回路８０に制御信号が送られ、位
置切替装置１８のステップモータが所定量だけ回転して
リードスクリューが回転駆動され、並進ステージが移動
する。並進ステージの下面にはチューニングステージが
取り付けられているので、並進ステージの移動に伴いサ
インバーが所定角度だけ回動して取付台８１に固定され
ている非線形光学素子１６の光学的位置が所定角度だけ
変位する。非線形光学素子１６のこの位置が吸収波長に
対応する波長である７７３．５ｎｍのレーザ光に対する
位相整合角である。

【００４４】次に非線形光学素子１６の光学的位置を非
吸収波長に対応する波長である７７０．２ｎｍのレーザ
光に対して位相整合角となるように設定するために、キ
ーボード６１から非線形光学素子１６の微小角度変位量
のデータを入力する。すなわち非吸収波長に対応する波
長のレーザ光に対する位相整合角は５５．３°であるこ
とが計算で求められているので、吸収波長に対応する波
長と非吸収波長に対応する波長に対する位相整合角の差
は、０．１°であり、本実施例では非線形光学素子１６
の角度を０．１°だけ変化させるのにチューニングステ
ージ３９を３０μｍ移動するように設定されているの
で、非線形光学素子１６の光学的位置を上記の角度差
０．１°だけ変化させるためには、チューニングステー
ジ３９を３０μｍだけ移動させればよい。そこでキーボ
ード６１からこの移動量０．１°に相当するデータ「３
０」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
り吸収波長に対応する波長のレーザ光に対する位相整合
角となる光学的位置と、それより０．１°だけずれた非
吸収波長に対応する波長のレーザ光に対する光学的位置
との間を高速（本実施例ではたとえば１０Ｈ_Z ）で往復
動する。

【００４５】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、非線形光学素子１６の光
学的位置を設定した後、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１０Ｈｚ）。また波長が
切り替わった後、レーザが発振するように、レーザ発振
のためのパルスとパルスの間に波長切替えのためのパル
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１３からは１０
６４ｎｍ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３
９が吸収波長に対応する波長のレーザ光の発振位置と非
吸収波長に対応する波長のレーザ光の発振位置との間を
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７７０．２ｎ
ｍのレーザ光とが交互に発生する。

【００４６】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。和長波発生では第２種位相整合と呼ばれる２つのレ
ーザ光の偏光方向をお互い直交させる方法をとってい
る。

【００４７】一方、位置切替装置１８はパルスジェネレ
ータ１９によりＹＡＧレーザ１０および１３と同期して
駆動される（たとえば１０Ｈｚ）。すなわち、図５にお
いて、チューニングユニット８６内の駆動機構によりチ
ューニングステージ３９が吸収波長に対応する波長のレ
ーザ光の発振位置と非吸収波長に対応する波長のレーザ
光の発振位置との間を高速で往復動されるので、この微
小な往復動がボール８４を介してサインバー８３に伝達
される。サインバー８３はその一端に固定された頭部拡
大ピン８２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８２に固定された取付台８１も微小
角度だけ回動変位し、その結果この取付台８１に固定さ
れた非線形光学素子１６が微小角度だけ繰り返し回動し
てそれぞれの位置においてレーザ光に対する位相整合角
を取る。その結果、非線形光学素子１６は、チタンサフ
ァイアレーザ１２から出力する波長７７３．５ｎｍのレ
ーザ光をその位相整合角５５．４°において最大効率で
波長４４７．９ｎｍのレーザ光に変換し、また波長７７
０．２ｎｍのレーザ光をその位相整合角５５．３°にお
いて最大効率で波長４４６．８ｎｍのレーザ光に変換
し、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１０６４ｎｍ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。

【００４８】測定対象領域で散乱されたレーザ光はカセ
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４
４６．８ｎｍ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。

【００４９】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。

【００５０】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
せるとともに、位置切替装置１８により非線形光学素子
１６の光学的位置をチューニングミラー１２７の発振波
長位置の切替えに同期させて切り替えたが、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および非線形光学素子１６の微
小回動角に相当する変位量とをキーボード６１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
発生させるとともに位相整合角を切り替えることができ
る。一例として、Ｓ０₂ の吸収波長は３００．０５ｎ
ｍ、非吸収波長は２９９．３０ｎｍであり、前者に対応
する位相整合角はＫＤＰで６４．５°、後者に対応する
位相整合角は６４．７°である。この波長のレーザ光を
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レーザの和周波を行なう。特願平５−３０２３２
７に説明したように可動ミラーを用いて光路を切り替え
る。ＮＯ₂測定の時、直交していたチタンサファイアレ
ーザとＹＡＧレーザの２つのレーザ光の偏光が、チタン
サファイアレーザの第２高調波をとることで直交しなく
なるために、１／２波長板２３を取りはずして、偏向を
９０度回転させてからチタンサファイアレーザの第２高
調波を得る。そして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ＳＯ₂
に簡単に切り替えることができる。

【００５１】Ｏ₃ の場合は、吸収波長が３０８ｎｍ、非
吸収波長が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。ＳＯ₂の場合と同様に可動ミラ
ーを用いて光路を切り替える。ＮＯ₂測定の時、直交し
ていた２つのレーザ光の偏光が、ＹＡＧレーザの第２高
調波をとることで直交しなくなるために、１／２波長板
２３を取りはずして、チタンサファイアレーザの偏向方
向を９０度回転させる。又、非線形光学結晶１６をＫＤ
ＰからＢＢＯに交換する。位相整合角は３０８ｎｍに対
して４７．３°、３３０ｎｍに対して５２．５°であ
る。そして数値をキーボードから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。

【００５２】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。

【００５３】

【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
振波長の切替えタイミングに同期させて、和周波発生に
より波長を変換する非線形光学素子の光学的位置を各波
長のレーザ光に対する位相整合角となるように切り替え
るようにしたので、最大の変換効率で吸収波長のレーザ
光と非吸収波長のレーザ光に変換できる。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
系の一部の概略構成を示す。

【図３】発振波長切替機構および位置切替装置の概略構
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】本発明による発振波長切替式レーザ装置の非線
形光学素子の位置切替装置の一例の構成を示す斜視図で
ある。

【図６】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。

【図７】本発明者により先に提案された発振波長切替式
レーザ装置のレーザ光発生光学系の概略構成を示す。

【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１８位置切替装置１９パルスジェネレータ２０フォトダイオード２３波長板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、８３サインバー３４ステップモータ３８、８６チューニングユニット３９、８５チューニングステージ４０スプリング４１、８４ボール５０、８０駆動回路５１、８２頭部拡大ピン５２、８１取付台６０、７０制御モジュール６１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】第１の固体レーザと、該第１の固体レー
ザから出力するレーザ光の波長を所定の時間間隔で切り
替える発振波長切替機構と、第２の固体レーザと、前記
発振波長切替機構により切り替えられて出力される異な
る２波長のレーザ光の各々と前記第２の固体レーザから
出力するレーザ光とを和周波として異なる所望の２波長
のレーザ光に変換して出力する非線形光学素子とを有す
る発振波長切替式レーザ装置において、前記非線形光学素子の光学的位置を、前記発振波長切替
機構による波長切替えタイミングに同期して、前記異な
る２波長のレーザ光のそれぞれ位相整合角となるように
切り替える位置切替装置を設けたことを特徴とする発振
波長切替式レーザ装置。
【請求項２】固体レーザと、該固体レーザ共振器内の励
起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、前記固体レーザ共振器内の発振レーザ光
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的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、該発振
波長切替機構により切り替えられて出力される異なる２
波長のレーザ光の各々と前記２波長とは異なる波長のレ
ーザ光とを和周波として所望の異なる２波長のレーザ光
に変換して出力する非線形光学素子とを有し、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異なる２波
長のレーザ光として前記非線形光学素子に向けて出力す
る発振波長切替式レーザ装置において、入射レーザ光に対する前記非線形光学素子の光学的位置
を、前記発振波長切替機構による波長切替えタイミング
に同期して、前記異なる２波長のレーザ光のそれぞれ位
相整合角となるように切り替える位置切替装置を設けた
ことを特徴とする発振波長切替式レーザ装置。
【請求項３】前記位置切替装置が、前記非線形光学素子
の光学的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４】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３に記載
の発振波長切替式レーザ装置。
【請求項５】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−に固定された非線形素子取付台とか
らなる請求項３または請求項４に記載の発振波長切替式
レーザ装置。
【請求項６】前記ステージが超精密リニアアクチュエー
タである請求項５に記載の発振波長切替式レーザ装置。
【請求項７】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５に記
載の発振波長切替式レーザ装置。
【請求項８】前記第１の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９】前記第１の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１０】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２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
の非線形光学素子により所望の異なる２波長のレーザ光
に変換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濃度測定
装置において、前記レーザ光発生光学系の第２の非線形光学素子の入射
レーザ光に対する光学的位置を、前記発振波長切替機構
による波長切替えタイミングに同期して、前記異なる２
波長のレーザ光のそれぞれ位相整合角となるように切り
替える位置切替装置を設けたことを特徴とする濃度測定
装置。
【請求項１１】前記位置切替装置が、前記非線形光学素
子の光学的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１２】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１１に
記載の濃度測定装置。
【請求項１３】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
取付台とからなる請求項１１または請求項１２に記載の
濃度測定装置。
【請求項１４】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１３に記載の濃度測定装置。
【請求項１５】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１３
に記載の濃度測定装置。
【請求項１６】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１０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１７】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１０ないし請求項１４のいずれか１項
に記載の濃度測定装置。