JPH08247939A

JPH08247939A - ガス濃度測定装置

Info

Publication number: JPH08247939A
Application number: JP5545595A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Kimura; 潔木村; Kazuki Kondo; 一樹近藤; Hideo Tai; 秀男田井
Original assignee: Anritsu Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Anritsu Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】２倍波位相敏感検波信号を用いた場合でも、
半導体レーザへの戻り光の影響を十分に取り除き、常に
安定した高精度なガス濃度測定を行う。【構成】半導体レーザ３から前方に発光したレーザ光
を集光するレンズには非球面レンズ２ａを用い、半導体
レーザ３から後方に発光したレーザ光を入射する波長安
定化用ガスを封入した参照ガスセル５の両端面５ａ，５
ｂを射光軸に対して斜めに形成する。非球面レンズ２ａ
と半導体レーザ３との間、半導体レーザ３と参照ガスセ
ル５との間のそれぞれの光路上には光アイソレータ２
３，２４を配置する。これにより、半導体レーザ３が出
射するレーザ光を安定化する。安定化されたレーザ光は
測定対象ガスの雰囲気を通って光半導体モジュールと対
向配置された受光部に検出され、この受光信号により得
られる基本波信号と２倍波信号の比からガス濃度を計測
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザを光源と
し、光の吸収を利用して光学的にガス濃度を測定して例
えば都市ガス、化学プラント等のガス漏洩を検出するガ
ス濃度測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】メタン、二酸化炭素、アセチレン、アン
モニア等の気体には、分子の回転や構成原子間の振動等
に応じて特定波長の光を吸収する吸収帯があることは既
に知られている。例えば、メタンの場合には、１．６μ
ｍ、１．６６μｍ、３μｍ、７μｍ帯に吸収帯を有して
いる。この吸収帯を利用したガス濃度測定装置では、所
定距離（この距離によって測定光路長が確定される）隔
てて光源部と受光部を配置し、光源部の半導体レーザ
（ＬＤ）より周波数変調されたレーザ光を測定対象ガス
の雰囲気に通し、その透過光を受光部のフォト検出器で
受けたときの出力信号から測定対象ガスのガス濃度を測
定している。

【０００３】ここで、受光部の出力信号から検出される
変調周波数の基本波位相敏感検波信号（１ｆ信号）に
は、強度変調に起因する大きなオフセットが生じるた
め、特に微少なガス濃度を高感度で測定するには、ｆ信
号に比べてオフセットのかなり小さい２倍波位相敏感検
波信号（２ｆ信号）が用いられる。

【０００４】ところが、半導体レーザの発振波長は半導
体レーザの動作温度により変化する性質があり、また半
導体レーザに流す電流値によっても変化する性質があ
る。従って、最大の２ｆ信号を得るには、半導体レーザ
の発振周波数を吸収線の中心と一致させて安定化する必
要がある。

【０００５】一般に、半導体レーザモジュールを使用し
ている半導体レーザ発振波長安定化装置は、波長安定化
用ガスとしての測定対象ガスを封入した参照ガスセルに
周波数Ｆｍで変調したレーザ光を通す。その測定対象ガ
スのレーザ光吸収帯のうちの一つの吸収線を利用してそ
の最大吸収点を見つけてそこに位置するように半導体レ
ーザの動作温度、または電流を変えている。すなわち、
周波数Ｆｍの成分を抽出増幅し、それを微分してその微
分波形出力値が零になるように半導体レーザの動作温
度、または半導体レーザの電流をフィードバックしてい
る（信号位相微分検波）。

【０００６】ここで、信号位相微分検波した波形を図１
１（ｂ）の破線で示す。図１１（ｂ）のＡ点が目的の半
導体レーザの発振波長である。このＡ点の波長で発振す
るように半導体レーザの動作温度、または半導体レーザ
の電流をマニュアルで設定する。Ａ点に設定されたらフ
ィードバック手段により、Ａ点で安定するように半導体
レーザの動作温度、または半導体レーザの電流安定化回
路を動作させる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の半導
体レーザモジュールを使用したガス濃度測定装置では、
光路上に配設されたレンズ等の光学部品で光の反射が生
じ、このときの光は半導体レーザに戻り光として反射す
る。この戻り光は半導体レーザにおける誘導放出とは位
相が異なり、半導体レーザの発振に乱れが生じる。この
結果、図１３（ｂ）に示すように、上記の戻り光の影響
によりフィードバック信号が変動し、この変動が図１１
のＡ点の変動要因になる（図１３中黒丸が、図１１のＡ
点に対応する）。この変動幅が大きくなればなるほど半
導体レーザの発振波長が目的の波長からずれ、半導体レ
ーザの発振波長の安定化が成されないことになる。

【０００８】そして、２ｆ信号を用いてガス濃度の測定
を行う構成では、この安定化されないレーザ光が測定対
象ガスの雰囲気に向けて出射されると、発振状態が不安
定で位相のずれた光が透過光として受光部に受光される
ので、例えば光路中に光アイソレータを挿入した程度で
は、上述した戻り光の影響を十分に取り除くことができ
ず、測定誤差を招いて常に安定した高精度なガス濃度の
測定を行うことができなかった。

【０００９】そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなさ
れたものであって、２ｆ信号を用いた場合でも、半導体
レーザの戻り光の影響を十分に取り除くことができ、常
に安定した高精度なガス濃度測定が行えるガス濃度測定
装置を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によるガス濃度測定装置は、周波数変調され
たレーザ光を前方および後方の両面より出射する半導体
レーザ３と、該半導体レーザの前方からのレーザ光を集
光する非球面レンズ２ａと、該非球面レンズと該非球面
レンズの前方の光路上に配置された第１の光アイソレー
タ２３と、前記半導体レーザの後方からのレーザ光を集
光する非球面レンズ２ｂと、前記半導体レーザの後方か
らのレーザ光を通す面が射光軸に対して所定の角度傾斜
し、内部に波長安定化用ガスを封入した参照ガスセル５
と、該参照ガスセルと前記非球面レンズ２ｂとの間の光
路上に配置された第２の光アイソレータ２４と、前記参
照ガスセルを通ったレーザ光を検出するフォト検出器６
と、該第１のフォト検出器の出力に対応して前記半導体
レーザの温度を安定化する温度制御素子４と、前記半導
体レーザの前方から測定対象ガスの雰囲気を通ったレー
ザ光を受光検出する受光部３１と、該受光部の出力信号
から前記半導体レーザの変調周波数の１ｆ信号および２
ｆ信号を検出し、両者の信号の比に基いて前記測定対象
ガスのガス濃度を計測する計測部３２とを備えたことを
特徴としている。

【００１１】

【作用】本発明のガス濃度測定装置では、半導体レーザ
３から前方に発光したレーザ光を集光する集光レンズと
して非球面レンズ２ａを用い、半導体レーザ３から後方
に発光したレーザ光を通す波長安定化用ガスを封入した
参照ガスセル５の両端面５ａ，５ｂを射光軸に対して斜
めに形成する。そして、非球面レンズ２ａの前方、半導
体レーザ３と参照ガスセル５との間のそれぞれの光路上
に光アイソレータ２３，２４を挿入して配置する。これ
により、半導体レーザ３が出射するレーザ光が安定化さ
れ、大幅に戻り光の影響を抑えることができた。従来技
術と比較して、より精密に波長安定化用ガスの吸収線に
半導体レーザの発振波長を制御安定化でき、２ｆ信号を
用いた場合でも、測定対象ガスのガス濃度を安定して高
精度に測定することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明
する。

【００１３】〔第１の実施例〕図１は本発明のガス濃度
測定装置に適用される半導体レーザモジュールの外観図
であり、構成部品の形状、および配置概略を示す。傾斜
した前面に保護ガラス１が固着された円筒型ケース１７
の中心軸線上には半導体レーザ３が配設されている。半
導体レーザ３は温度コントロールを可能とするため、円
筒型ケース１７内の基板１９上の基台２０表面に取り付
けられたペルチェ素子４の上に搭載され、温度により波
長を制御される。半導体レーザ３の前後両側の光軸上に
は、平な面を持たない非球面レンズ２（２ａ，２ｂ）が
配設されている。これら非球面レンズ２は半導体レーザ
３の出射光を集光するために位置を調整後、半導体レー
ザ３と共にペルチェ素子（温度制御素子）４上の取付台
２１に固定される。このとき非球面レンズ２を集光用レ
ンズとして使用することにより、非球面レンズ２は、平
な面を持たないため半導体レーザ３に光が反射し戻るこ
とを防止できる。

【００１４】半導体レーザ３の前側の光軸上で、保護ガ
ラス１と非球面レンズ２ａとの間には光アイソレータ２
３が配設されている。光アイソレータ２３は９０°の偏
波面の光のみを通す偏光子と、４５°の偏波面の光のみ
を通す検光子との間に配置された結晶に磁力を印加する
ことで、結晶中を透過する光の偏波面を回転させて偏光
子での反射光の通過を阻止し、半導体レーザ３に反射光
が戻るのを防止している。

【００１５】半導体レーザ３の後ろ側の光路上には参照
ガスセル５が配設されている。参照ガスセル５は、半導
体レーザ３への戻り光を低減するために両端面５ａ、５
ｂが斜めに（例えば射光軸に対して約６度）形成されて
いる。そして、参照ガスセル５は、非球面レンズ２ｂの
後ろ側に、後方出射光が入射しやすい位置に固定され、
参照ガスセル５の後ろ側に置かれたフォト検出器６に光
が入射する構造とされている。また、半導体レーザ３の
後ろ側の光路上で、非球面レンズ２ｂと参照ガスセル５
との間には、半導体レーザ３に反射光が戻るのを阻止す
るための光アイソレータ２４が配設されている。

【００１６】〔第２の実施例〕第２の実施例の半導体レ
ーザモジュールは、第１の実施例のフォト検出器６を、
射光軸に対して約１０度角度を付けたものである。図２
は、半導体レーザモジュールの具体的数値を示したもの
であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。非球
面レンズ２ａは、焦点距離が約０．７ｍｍであり、外周
には外径２．５ｍｍの金属性の円筒が取りつけてある。
この非球面レンズ２ａは、半導体レーザ３の発光点より
０．２ｍｍ離れた位置で出射光が平行光になるように位
置調整され、金属性の円筒部分でペルチェ素子４上の取
付台２１にＹＡＧレーザ溶接で固定する。また、非球面
レンズ２ｂは、焦点距離が約３ｍｍであり、半導体レー
ザ３の発光点より３ｍｍ離れた位置で出射光が平行光に
なるように位置調整されて取付台２１にＹＡＧレーザ溶
接で固定する。

【００１７】光アイソレータ２３は、その中心が半導体
レーザ３の光軸と一致するように基板１９上の取付台２
５に固定し、保護ガラス１と非球面レンズ２ａとの間の
光路上に配置する。また、光アイソレータ２４は、その
中心が半導体レーザ３の光軸と一致するように基台２０
上の取付台２６に固定し、非球面レンズ２ｂと参照ガス
セル５との間の光路上に配置する。

【００１８】参照ガスセル５は、直径１０ｍｍ、長さ２
０ｍｍの円筒型で、材質ガラスで構成されている。両端
面５ａ、５ｂのガラス窓は、反射した戻り光を少なくす
るために約６度傾けてあり、半導体レーザ３の後方出力
光が効率よく内部を透過するように非球面レンズ２ｂの
すぐ後方に参照ガスセル５の中心と光軸が一致するよう
に配置する。また、フォト検出器６を、光軸面に対して
約１０度角度を付けて円筒型ケース１７に取りつけてあ
るため、半導体レーザ３への戻り光を少なくできる。

【００１９】また、参照ガスセル５には予めガスを封入
してある。ガスは固有の波長の光を吸収する性質がある
ため、本半導体レーザモジュールでは参照ガスセル５内
のガスの吸収線をフォト検出器６で検出し、半導体レー
ザ３の波長を安定化できる構成となっている。また、保
護ガラス１と円筒型ケース１７は、半導体レーザ３、非
球面レンズ２、参照ガスセル５、およびペルチェ素子４
をほこり等から守るために、これらの部品を外気から遮
断している。

【００２０】〔第３の実施例〕第３の実施例の半導体レ
ーザモジュールは、図１４に示すように、上面側が開口
した箱型形状のケース本体１６の内部に、各部品（基台
２０に設けられた非球面レンズ２、半導体レーザ３、ペ
ルチェ素子４をはじめ、取付台２５，２６に設けられた
光アイソレータ２３，２４や参照ガスセル５、フォト検
出器６）を収容したものである。開口したケース本体１
６の上面はカバー部材１８が溶接封止されており、光ア
イソレータ２３の前方の光路上に位置してケース本体１
６の側面に形成されたレーザ出射窓２２の結露を防ぐこ
とができる。なお、ケース本体１６に収容される内部構
成については、前述した第１及び第２の実施例の半導体
レーザモジュールと同一なので、その構成部品には同一
番号を付し、詳細な説明については省略している。

【００２１】ところで、第１の実施例、および第２の実
施例として半導体レーザモジュールは円筒型をしている
が、用途に応じて角型にすることも可能である。

【００２２】〔波長安定化装置への応用〕戻り光の影響
を受けないで状態で、基本波、２倍波を検出し、発振波
長を精度よく安定化する手段を説明する。図３は本発明
のガス濃度測定装置における半導体レーザ発振波長安定
化装置のブロック図、図４は同装置における２倍波信号
増幅器および信号同期検出器のブロック図、図５は同装
置における基本波信号増幅器および信号微分検出器のブ
ロック図、図６は同装置における温度安定化ＰＩＤ（Pr
oportional Integration and Differential ）回路のブ
ロック図、図７は同装置における電流安定化回路のブロ
ック図である。

【００２３】（構成）上述した半導体レーザモジュール
を備えた半導体レーザ発振波長安定化装置の構成を図３
で説明する。電流安定化回路１４は、半導体レーザバイ
アス電流と、半導体レーザ変調電流を設定する。これら
の電流設定値を加算して半導体レーザ電流として半導体
レーザ３に流す。半導体レーザ３に電流が流れると半導
体レーザ３の前方、後方にレーザ光を出射する。前方に
出射したレーザ光は非球面レンズ２ａにより集光され光
アイソレータ２３を通過し保護ガラス１を通して放射す
る。この際、光アイソレータ２３によって半導体レーザ
３への戻り光を低減している。後方に出射したレーザ光
は非球面レンズ２ｂにより集光され光アイソレータ２４
を通過し参照ガスセル５に導かれる。この際、光アイソ
レータ２４によって半導体レーザ３への戻り光を低減し
ている。参照ガスセル５を通過したレーザ光はフォト検
出器６で検出され電流電圧変換プリアンプ７により増幅
される。参照ガスセル５内部には測定対象ガスが封入さ
れており、その吸収線によりレーザ光が吸収され２倍波
が生成される。電流電圧変換プリアンプ７により増幅さ
れた信号（Ｓ１）は、基本波信号増幅器８で増幅され
（Ｓ２）、信号微分検出器９により位相微分検波され
（Ｓ３）、図１１（ｂ）破線に示す出力波形になる。ま
た、２倍波は２倍波信号増幅器１０で増幅され（Ｓ
５）、信号同期検出器１１によりレベル検出され（Ｓ
６）、図１１（ｂ）実線に示す出力波形になる。温度安
定化ＰＩＤ回路１３は、温度センサ４ａの誤差入力をＰ
ＩＤ演算し、その演算結果をペルチェ素子４に出力し、
半導体レーザの動作温度を所定の温度に設定する。波長
安定化制御回路１５は、マイクロプロセッサ、メモリ等
を使用し、以下に説明する図１２等の処理を実行する。

【００２４】（設定温度の検索）まず、温度を設定する
処理を説明する。温度安定化ＰＩＤ回路１３は、半導体
レーザの温度設定値を、吸収線の中心波長に一致する温
度、例えば２６℃に設定する。この際、波長安定化制御
回路１５から入力したデジタル信号をＤ／Ａ変換器（Ｄ
ＡＣ）１３ｄでアナログ信号に変換する。また、電流安
定化回路１４により半導体レーザ３のバイアス電流を、
例えば１００ｍＡに、半導体レーザ３の変調電流を、例
えば２５ｍＡに設定する。次に、温度安定化ＰＩＤ回路
１３で、動作温度バイアス値を徐々に高くし、そのとき
の信号微分検出器９の信号強度を測定し、図１１（ｂ）
破線に示す出力波形を得る。なお、本設定温度の検索
は、半導体レーザの動作条件、例えばバイアス電流を変
更した際に、行えばよい。

【００２５】（初期設定の説明）次に、半導体レーザ発
振波長初期設定処理を図１２のフローチャートを用いて
説明する。半導体レーザ動作温度をＢ点の温度に設定す
る（ａ）。つぎにＣ点の温度まで徐々に変えていく
（ｂ）。Ｂ点の動作温度からＣ点の動作温度まで変える
（ｅ）間に信号微分検出器９の出力を監視し（ｃ）、出
力が最大値および最小値となる半導体レーザ３の動作温
度を記憶する（ｄ）。最小値の動作温度と最大値の動作
温度とのちょうど中間の動作温度を算出し（ｆ）、その
動作温度を温度安定化ＰＩＤ回路１３に設定する
（ｇ）。動作温度を設定した後、信号微分検出器９の出
力がほぼ零であることを確認する（ｈ）。つぎに動作温
度を少し高く設定し、信号微分検出器９の出力が下がり
マイナス方向に変動することを確認し、反対に温度を低
く設定すると出力が上がりプラス方向に変動することを
確認する（ｉ）。この確認が終了した後、スイッチ１２
をオンにして温度安定化ＰＩＤ回路１３にフィードバッ
クする（ｊ）。その後、半導体レーザの温度が安定して
いることを確認する（ｋ）。温度が安定していればフィ
ードバックが正しく動作していることになる。

【００２６】このとき、図１３（ｂ）のようにフィード
バック信号が変動していると、半導体レーザの発振波長
は変動する。それに対し本発明の半導体レーザモジュー
ルを用いると、図１３（ａ）のようにフィードバック信
号が滑らかなため、半導体レーザの発振波長は安定す
る。

【００２７】（２倍波ピーク安定化の説明）続いて処理
する、半導体レーザ３の発振波長の２倍波ピーク安定化
処理を説明する。温度安定化ＰＩＤ回路１３の動作温度
バイアス値を増減する（ｌ）。信号同期検出器１１の出
力を監視し、出力が最大値になる動作温度バイアス値を
温度安定化ＰＩＤ回路１３に設定する（ｍ）。その後、
信号ピーク検出出力値を常に監視し（ｎ）、常に極大値
になるように動作温度バイアス値を変化させ温度安定化
ＰＩＤ回路１３に設定する。この処理を短い間隔で繰り
返すことにより測定対象ガスの最大吸収点（波長λ₀）
に半導体レーザ３の発振波長を維持し安定にすることが
できる。設定温度の検索、および初期設定をした後、２
倍波ピーク安定化の処理をするため、半導体レーザ３の
発振波長を、所定の吸収線の最大吸収点に安定化するこ
とができる。

【００２８】（信号同期検出器の説明）信号同期検出器
１１の詳細を、図４に基づいて説明する。フォト検出器
７で受けた信号を増幅器１０ａで増幅する。混合器１０
ｃは、その信号と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０ｉで
発振させた周波数信号と混合し、中間周波数を生成す
る。本実施例は、局部発振器１１ａの周波数を４５５ｋ
Ｈｚ−２Ｆｍとし、中間周波数を４５５ｋＨｚとした。
これを狭帯域フィルタ１０ｄに通し、位相同期検波器１
１ｇで同期検波する。同期検波した信号を低域フィルタ
１１ｈを経て直流アンプ１１ｉで増幅する。この増幅さ
れた信号の最大値が２倍波のピークとなる。ここで、位
相シフト器１１ｂで、光学系等で遅延した信号の位相
と、発振器１１ａの２Ｆｍの位相とを調整する。

【００２９】（２倍波歪抑圧動作の説明）電流安定化回
路１４の２倍波歪抑圧動作を図７で説明する。電流安定
化回路１４は、波長安定化制御回路１５からの制御信号
（Ｓ９）により、半導体レーザ３に駆動電流（Ｓ１２）
を発生する。ＬＤバイアス電流値により、半導体レーザ
３のバイアス電流を設定する。基本波変調電流値によ
り、変調周波数の基本波であるＦｍのレベル（電流値）
を設定する。ＬＤ抑圧電流値により、変調周波数の２倍
波（２Ｆｍ）のレベル（電流値）を設定する。これらの
電流が加算器１４ｎで重畳され、バッファ１４ｏを介し
て半導体レーザ３に供給される。戻り光の影響を無くし
ても、半導体レーザにより変調波２倍波歪が出る場合に
は、２倍波歪抑圧電流を設定して、基本波に重畳し、２
倍波歪が最小になるようにする。具体的には、発振器１
４ｇの２Ｆｍの位相を、位相シフト器１４ｈで逆相にし
て、基本波に重畳する。その際、重畳するレベルを、基
本波から発生する２倍波の歪をキャンセルするように、
減衰器（ＡＴＴ）１４ｍを調整する。

【００３０】次に、上記のように安定化されたレーザ光
を測定対象ガスの雰囲気に通してガス濃度を測定する構
成および動作を説明する。図８は本発明のガス濃度測定
装置における受光系のブロック図である。

【００３１】受光系は受光部３１と計測部３２を有し、
計測部３２は電流電圧変換器３３、ＬＤ変調基本波増幅
回路３４、ＬＤ変調２倍波増幅回路３５、除算器３６を
備えて構成されている。この受光系では、測定対象ガス
の雰囲気を通って受光部３１が受光したレーザ光の出力
信号から１ｆ信号と２ｆ信号を検波し、１ｆ信号と２ｆ
信号の比から測定対象ガスのガス濃度を計測している。

【００３２】受光部３１は半導体レーザモジュールの半
導体レーザ３の光軸上に所定距離（この距離によって測
定光路長を確定している）隔てて対向配置されるケース
内部に測定対象ガスの雰囲気を通ったレーザ光を受光す
るフォト検出器３１ａが収容されている。

【００３３】ＬＤ変調基本波増幅回路３４はバンドパス
フィルタ３４ａ、増幅器３４ｂ、基本波ローカル信号発
生器３４ｃ、位相敏感検波器３４ｄ、増幅器３４ｅを備
えて構成されており、電流電圧変換器３３からの電圧信
号をバンドパスフィルタ３４ａに通して増幅した後、基
本波信号を位相敏感検波し増幅して除算器３６に出力し
ている。

【００３４】ＬＤ変調２倍波増幅回路３５はバンドパス
フィルタ３５ａ、増幅器３５ｂ、２倍波ローカル信号発
生器３５ｃ、位相敏感検波器３５ｄ、増幅器３５ｅを備
えて構成されており、電流電圧変換器３３からの電圧信
号をバンドパスフィルタ３５ａに通して増幅した後、２
ｆ信号を位相敏感検波し増幅して除算器３６に出力して
いる。

【００３５】除算器３６はＬＤ変調２倍波増幅回路３５
からの２ｆ信号の振幅を、ＬＤ変調基本波増幅回路３４
からの基本波信号の振幅で除算してガス濃度に比例した
信号検出出力を得ている。

【００３６】ところで、戻り光の影響は周囲温度の変動
に大きく影響される。図９および図１０は周囲温度が変
動したときの出力波形を示している。図９は基本波の入
力受光レベルが−８．９ｄＢｍのときの従来のガス濃度
測定装置による参考出力波形図、図１０は基本波の入力
受光レベルが−２５．０ｄＢｍのときの本発明のガス濃
度測定装置による参考出力波形図である。

【００３７】また、下記の表１は、半導体レーザモジュ
ールと受光部とを３．５ｍ離して除振台上に対向配置
し、基本波の入力受光レベルを同一値（−２５．０ｄＢ
ｍ）に設定したときに、戻り光が２ｆ信号に与える歪み
の影響の度合いを本発明と従来のそれぞれのガス濃度測
定装置で比較したものである。

【００３８】なお、表１において、１ｆはＬＤ変調基本
波受光レベル、２ｆは測定対象ガス検出による２倍波受
光レベル、ΔＴは周囲温度変化、Δ１ｆは周囲温度変化
に対する１ｆ信号のレベル変動、Δ２ｆは周囲温度変化
に対する２ｆ信号のレベル変動、Δ１ｆ／℃は周囲温度
変化１℃に対する１ｆ信号のレベル変動、Δ２ｆ／℃は
周囲温度変化１℃に対する２ｆ信号のレベル変動をそれ
ぞれ示している。

【００３９】

【表１】

【００４０】ここで、ガス濃度は２ｆ／１ｆに比例する
ので、この２ｆ／１ｆの温度変動を光アイソレータを挿
入した場合と挿入しない場合の半導体レーザモジュール
で比較すれば、温度変動に対する改善度を知ることがで
きる。

【００４１】まず、本発明の２ｆ／１ｆの温度変動は、
Δ２ｆ／℃＝３３μＶ、Δ１ｆ／℃＝３．１ｍＶから、
３３μＶ／３．１ｍＶ＝１．０６４５×１０^-2…（１）
となる。

【００４２】また、従来の２ｆ／１ｆの温度変動は、２
ｆ信号の変動がマイナス側に変動しているので、その変
動値は２倍となり、Δ２ｆ／℃＝１．０８ｍＶ×２、Δ
１ｆ／℃＝２４ｍＶから、２．１６ｍＶ／２４ｍＶ＝９
×１０^-2…（２）となる。

【００４３】そして、（１）、（２）の値を比較する
と、本発明による温度変動に対する改善度は、１．０６
４５×１０^-2／９×１０^-2＝１／８．５となり、本発明
によれば、従来に比べて変動が１／８．５まで小さくす
ることができる。従って、本発明のガス濃度測定装置に
よれば、半導体レーザへの戻り光が大幅に低減し、測定
対象ガスの吸収線への発振波長安定化が精密に行え、戻
り光による影響を受けずに常に安定した状態でガス濃度
を高精度に測定することができる。

【００４４】ところで、上述したガス濃度測定装置で
は、半導体レーザ３の発振波長をその他のガスの吸収帶
に適合したものを使用すれば、二酸化炭素ガス、アセチ
レンガス等にも応用でき、半導体レーザ３をセンサにし
た大気汚染測定装置を実現できる。その他、共同溝、都
市ガス配管のガス漏れ検出装置、化学プラント等のガス
モニタリングシステムにも応用できる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明のガス濃度測
定装置によれば、集光レンズとして非球面レンズを使用
し、参照ガスセルのレーザ光を通す面を射光軸に対して
所定の角度を持たせ、半導体レーザと非球面レンズとの
間および半導体レーザと参照ガスセルとの間のそれぞれ
の光路上に光アイソレータを挿入する構成とした。その
ため、２ｆ信号を用いた場合でも、半導体レーザへの戻
り光を大幅に低減でき、測定対象ガスの吸収線への発振
波長安定化が精密に行え、戻り光による影響を受けずに
常に安定した状態でガス濃度を高精度に測定することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス濃度測定装置に適用される第１の
実施例の半導体レーザモジュールの外観図である。

【図２】本発明のガス濃度測定装置に適用される第２の
実施例の半導体レーザモジュールの外観図であり、
（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。

【図３】同装置の半導体レーザ発振波長安定化装置の一
実施例を示すブロック図である。

【図４】同装置の２倍波信号増幅器および信号同期検出
器の一実施例を示すブロック図である。

【図５】同装置の基本波信号増幅器および信号微分検出
器の一実施例を示すブロック図である。

【図６】同装置の温度安定化ＰＩＤ回路の一実施例を示
すブロック図である。

【図７】同装置の電流安定化回路の一実施例を示すブロ
ック図である。

【図８】同装置の受光系の一実施例を示すブロック図で
ある。

【図９】基本波の入力受光レベルが−２５．０ｄＢｍの
ときの本発明のガス濃度測定装置による参考出力波形図
である。

【図１０】基本波の入力受光レベルが−８．９ｄＢｍの
ときの従来のガス濃度測定装置による参考出力波形図で
ある。

【図１１】（ａ）は、参照ガスセル内の測定対象ガスの
レーザ光吸収波形を示し、（ｂ）破線は信号微分波形を
示し、（ｂ）実線は２ｆ信号のピーク検出波形を示す。

【図１２】本発明に係わる半導体レーザ発振波長安定化
の処理を示すフローチャートである。

【図１３】（ａ）は本発明の半導体レーザモジュールを
用いた電流電圧変換プリアンプ７の出力波形、（ｂ）は
従来の半導体レーザモジュールを用いた電流電圧変換プ
リアンプ７の出力波形である。

【図１４】本発明のガス濃度測定装置に適用される第３
の実施例の半導体レーザモジュールの外観図であり、
（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。

【符号の説明】

２（２ａ，２ｂ）…非球面レンズ、３…半導体レーザ、
４…温度制御素子、５…参照ガスセル、６…フォト検出
器、７…電流電圧変換プリアンプ、８…基本波信号増幅
器、９…信号微分検出器、１０…２倍波信号増幅器、１
１…信号同期検出器、１２…スイッチ、１３…温度安定
化ＰＩＤ回路、１４…電流安定化回路、１５…波長安定
化制御回路、３１…受光部、３２…計測部、３３…電流
電圧変換器、３４…ＬＤ変調基本波増幅回路、３５…Ｌ
Ｄ変調２倍波増幅回路、３６…除算器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｎ 21/35 Ｇ０１Ｎ 21/35 Ｚ (72)発明者田井秀男千葉県習志野市東習志野１丁目10番５号ライオンズマンション東習志野107号室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周波数変調されたレーザ光を前方および
後方の両面より出射する半導体レーザ（３）と、該半導体レーザの前方からのレーザ光を集光する非球面
レンズ（2a）と、該非球面レンズと該非球面レンズの前方の光路上に配置
された第１の光アイソレータ（２３）と、前記半導体レーザの後方からのレーザ光を集光する非球
面レンズ（2b）と、前記半導体レーザの後方からのレーザ光を通す面が射光
軸に対して所定の角度傾斜し、内部に波長安定化用ガス
を封入した参照ガスセル（５）と、該参照ガスセルと前記非球面レンズ（2b）との間の光路
上に配置された第２の光アイソレータ（２４）と、前記参照ガスセルを通ったレーザ光を検出するフォト検
出器（６）と、該第１のフォト検出器の出力に対応して前記半導体レー
ザの温度を安定化する温度制御素子（４）と、前記半導体レーザの前方から測定対象ガスの雰囲気を通
ったレーザ光を受光検出する受光部（３１）と、該受光部の出力信号から前記半導体レーザの変調周波数
の基本波位相敏感検波信号および２倍波位相敏感検波信
号を検出し、両者の信号の比に基いて前記測定対象ガス
のガス濃度を計測する計測部（３２）とを備えたことを
特徴とするガス濃度測定装置。