JPH0843306A - ガスレーザー及びそれを使用するガス検出 - Google Patents
ガスレーザー及びそれを使用するガス検出Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 チョッパを持たない単体で頑丈な構造の2波
長吸収物質検出用光源を提供する。 【構成】 共振器ミラー又は回折格子(13)、特にリ
トロー回折格子の正弦的調整により、2つの異なる波長
(Lambda1 ,Lambda2 )で放射するガスレ
ーザー(1)。回折格子構造及び角度位置に関する回折
格子(13)の数値と、射出ミラー(12)の射出角度
と、共振器長さ(L)と、ガスの組成とを適切に規定し
て、共振器長さ(L)の2つの隣接するインタバルの中
で2つの所望の波長(Lambda1 及びLambda
2 )で放射し且つ2つのインタバルの間の移行部分でレ
ーザー放射は阻止されている。
長吸収物質検出用光源を提供する。 【構成】 共振器ミラー又は回折格子(13)、特にリ
トロー回折格子の正弦的調整により、2つの異なる波長
(Lambda1 ,Lambda2 )で放射するガスレ
ーザー(1)。回折格子構造及び角度位置に関する回折
格子(13)の数値と、射出ミラー(12)の射出角度
と、共振器長さ(L)と、ガスの組成とを適切に規定し
て、共振器長さ(L)の2つの隣接するインタバルの中
で2つの所望の波長(Lambda1 及びLambda
2 )で放射し且つ2つのインタバルの間の移行部分でレ
ーザー放射は阻止されている。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、2つの異なる波長の下
で共振器ミラー又は回折格子の正弦的調整により変調放
射するガスレーザーに関する。また、本発明は、2つの
波長の光の吸収率の相違によって物質を検出するための
構造におけるそのようなガスレーザーの使用、並びにそ
れに対応する物質検出用構造にも関する。
で共振器ミラー又は回折格子の正弦的調整により変調放
射するガスレーザーに関する。また、本発明は、2つの
波長の光の吸収率の相違によって物質を検出するための
構造におけるそのようなガスレーザーの使用、並びにそ
れに対応する物質検出用構造にも関する。
【0002】
【従来の技術】2つの放射波長をもって動作し、且つ圧
電方式で駆動される共振器ミラーの正弦的振動により変
調されるような先に挙げた種類のガス検出用レーザー
は、欧州特許第A0196856号から知られている。
これは、メタンセルを有するIR−He−Neレーザー
である。変調は、2つの波長の強さの和が広範囲にわた
り一定のままであるように、1KHzで起こる。検出に
ついての詳細な記述はない。
電方式で駆動される共振器ミラーの正弦的振動により変
調されるような先に挙げた種類のガス検出用レーザー
は、欧州特許第A0196856号から知られている。
これは、メタンセルを有するIR−He−Neレーザー
である。変調は、2つの波長の強さの和が広範囲にわた
り一定のままであるように、1KHzで起こる。検出に
ついての詳細な記述はない。
【0003】A.G.Gerasimchuk他のSo
v.J.Quantum Electron12(1)
(1982年1月)の110〜112ページには、2波
長CO2 レーザーを使用するアンモニア検出が説明され
ている。波長の変調は、方形制御パルスによって圧電方
式で運動するミラーにより起こる。同期検出器が設けら
れている。
v.J.Quantum Electron12(1)
(1982年1月)の110〜112ページには、2波
長CO2 レーザーを使用するアンモニア検出が説明され
ている。波長の変調は、方形制御パルスによって圧電方
式で運動するミラーにより起こる。同期検出器が設けら
れている。
【0004】Stein他のApplied Opti
cs第22巻第21号(1983年11月)の3378
〜3381ページ、米国特許第4,471,220号
(Exxon)及び米国特許第5,002,391号(M
uetek)には、アイソトープ選択13CO2 レーザー
の2つの波長によって燃焼装置の煙道ガス中のNH3 の
検出が記載されている。Steinと米国特許第4,4
71,220号は2つの波長に対して2つの別個のレー
ザーを使用すると共に、2つの機械式チョッパを使用す
る。米国特許第5,002,391号は単一のレーザー
を有し、レーザーのミラー又は回折格子は方形パルスに
よって圧電方式で調整されて、2つの波長の一方をそれ
ぞれ交互に発生させる。同期動作する機械式チョッパは
2つの波長で一対のパルスが過ぎるたびに走査を実行す
る。検出に利用されるのはパイロ電気検出器と、サンプ
ルホールド回路である。
cs第22巻第21号(1983年11月)の3378
〜3381ページ、米国特許第4,471,220号
(Exxon)及び米国特許第5,002,391号(M
uetek)には、アイソトープ選択13CO2 レーザー
の2つの波長によって燃焼装置の煙道ガス中のNH3 の
検出が記載されている。Steinと米国特許第4,4
71,220号は2つの波長に対して2つの別個のレー
ザーを使用すると共に、2つの機械式チョッパを使用す
る。米国特許第5,002,391号は単一のレーザー
を有し、レーザーのミラー又は回折格子は方形パルスに
よって圧電方式で調整されて、2つの波長の一方をそれ
ぞれ交互に発生させる。同期動作する機械式チョッパは
2つの波長で一対のパルスが過ぎるたびに走査を実行す
る。検出に利用されるのはパイロ電気検出器と、サンプ
ルホールド回路である。
【0005】英国特許第A2127537号は、圧電方
式で調整される共振器ミラーにより異なる波長で放射す
ることができるレーザー、好ましくは回折格子をもたな
いCO2 レーザーを有するガス検出器を説明している。
測定光路には機械式チョッパと、冷却光検出器と、位相
感知検出器回路とが設けられている。パイロ電気検出器
を有する基準セルは必須の素子である。
式で調整される共振器ミラーにより異なる波長で放射す
ることができるレーザー、好ましくは回折格子をもたな
いCO2 レーザーを有するガス検出器を説明している。
測定光路には機械式チョッパと、冷却光検出器と、位相
感知検出器回路とが設けられている。パイロ電気検出器
を有する基準セルは必須の素子である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、検出
光路中に外部切替え手段、たとえば、チョッパをもた
ず、単純で頑丈な構造と、電子的に適切に処理可能であ
る信号特性とを有し、2波長吸収物質検出用の光源とし
て適している先に挙げた種類のガスレーザーを提供する
ことである。それらのレーザーの特徴を最適に利用する
レーザー物質検出のための全システムについても説明す
る。
光路中に外部切替え手段、たとえば、チョッパをもた
ず、単純で頑丈な構造と、電子的に適切に処理可能であ
る信号特性とを有し、2波長吸収物質検出用の光源とし
て適している先に挙げた種類のガスレーザーを提供する
ことである。それらのレーザーの特徴を最適に利用する
レーザー物質検出のための全システムについても説明す
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題は、先に挙げた
種類のガスレーザーにおいて、回折格子の構造及び角度
位置に関する同調回折格子の数値と、射出ミラーの射出
角度と、共振器長さと、ガス組成とを、レーザーが共振
器長さの2つの隣接するインタバルの中で2つの所望の
波長で放射し且つ2つのインタバルの間の移行部分では
レーザー放射が阻止されるように選択することと、共振
器長さの正弦的変調がこの移行部分に関して対称に起こ
ることによって解決される。
種類のガスレーザーにおいて、回折格子の構造及び角度
位置に関する同調回折格子の数値と、射出ミラーの射出
角度と、共振器長さと、ガス組成とを、レーザーが共振
器長さの2つの隣接するインタバルの中で2つの所望の
波長で放射し且つ2つのインタバルの間の移行部分では
レーザー放射が阻止されるように選択することと、共振
器長さの正弦的変調がこの移行部分に関して対称に起こ
ることによって解決される。
【0008】有利な実施形態は特許請求の範囲第2項か
ら第5項の対象である。特にガス中の微量ガスの検出、
とりわけ、煙道ガス中のアンモニア検出などの物質検出
のための構造においてそのようなガスレーザーを使用す
ると、そのような構造に求められる利点が得られる。
ら第5項の対象である。特にガス中の微量ガスの検出、
とりわけ、煙道ガス中のアンモニア検出などの物質検出
のための構造においてそのようなガスレーザーを使用す
ると、そのような構造に求められる利点が得られる。
【0009】特許請求の範囲第8項に記載の本発明によ
る構造は、それ自体は既に知られている構成要素と共
に、それ以前の特許請求の範囲のうち1項に記載のガス
レーザーの適用を意図している。これ以降の特許請求の
範囲による有利な構成は、反射鏡を含む開放構成の測定
区間と;セルを含む校正を目的とする基準区間と;NH
3 の検出のために測定区間を煙道ガス通路に配置するこ
とと;レーザーの性能を物質濃度に適合させるか又は
塵、煙及びその他の基本効果の吸収、散乱作用に適合さ
せ、それにより、センサダイナミクスを向上させる手
段、たとえば、交換可能又は挿入自在の減衰フィルタと
に関する。
る構造は、それ自体は既に知られている構成要素と共
に、それ以前の特許請求の範囲のうち1項に記載のガス
レーザーの適用を意図している。これ以降の特許請求の
範囲による有利な構成は、反射鏡を含む開放構成の測定
区間と;セルを含む校正を目的とする基準区間と;NH
3 の検出のために測定区間を煙道ガス通路に配置するこ
とと;レーザーの性能を物質濃度に適合させるか又は
塵、煙及びその他の基本効果の吸収、散乱作用に適合さ
せ、それにより、センサダイナミクスを向上させる手
段、たとえば、交換可能又は挿入自在の減衰フィルタと
に関する。
【0010】特許請求の範囲第13項及び第14項によ
れば、本発明による構造はチョッパ又は校正済セルを通
る基準ビームに対する第3の検出器をもたないで済むと
特に有利である。これにより、機器に要するコストは明
らかに低減され、動作の確実性は向上する。測定検出器
としてはMCT検出器が好ましい。評価手段の好ましい
構造は基準検出器及び測定検出器のAC結合と、増幅回
路及び積分手段と、アナログ/デジタル変換器及びプロ
グラム可能コンピュータとを含むことになる。
れば、本発明による構造はチョッパ又は校正済セルを通
る基準ビームに対する第3の検出器をもたないで済むと
特に有利である。これにより、機器に要するコストは明
らかに低減され、動作の確実性は向上する。測定検出器
としてはMCT検出器が好ましい。評価手段の好ましい
構造は基準検出器及び測定検出器のAC結合と、増幅回
路及び積分手段と、アナログ/デジタル変換器及びプロ
グラム可能コンピュータとを含むことになる。
【0011】その場合、積分手段はガスレーザーが2つ
の波長の一方を放射する時間間隔の大部分にわたって、
検出器が受信した信号を積分することが好ましい。それ
により、雑音の少ない有効信号をきわめて迅速に得るこ
とができる。これは、特に、妨害の少ない信号の推移を
与える正弦変調によって可能になる。その他の電子回路
素子を都合良くレイアウトした場合にセンサダイナミク
スを改善するために、増幅回路の増幅定数を測定検出器
の信号に従って自動的に、たとえば、10倍、100倍
及び1000倍に調整することができる。
の波長の一方を放射する時間間隔の大部分にわたって、
検出器が受信した信号を積分することが好ましい。それ
により、雑音の少ない有効信号をきわめて迅速に得るこ
とができる。これは、特に、妨害の少ない信号の推移を
与える正弦変調によって可能になる。その他の電子回路
素子を都合良くレイアウトした場合にセンサダイナミク
スを改善するために、増幅回路の増幅定数を測定検出器
の信号に従って自動的に、たとえば、10倍、100倍
及び1000倍に調整することができる。
【0012】もう1つの利点は特許請求の範囲第19項
の中に記載されている。すなわち、アンモニアの影響を
受けていない基準波長Lambda2 における透過率か
ら排気ガス中の煙濃度を確定することは、コンピュータ
を適切にプログラミングすることによって初めて同時に
可能になるのである。図面を参照して、一実施例により
本発明をさらに詳細に説明する。
の中に記載されている。すなわち、アンモニアの影響を
受けていない基準波長Lambda2 における透過率か
ら排気ガス中の煙濃度を確定することは、コンピュータ
を適切にプログラミングすることによって初めて同時に
可能になるのである。図面を参照して、一実施例により
本発明をさらに詳細に説明する。
【0013】
【実施例】図1に示すCO2 レーザー1はそれ自体は既
に知られている構成要素から構成されている。長さLK
のセラミック導波管11と、間隔d1 にある射出ミラー
12と、間隔d2 にある回折格子13とはレーザー共振
器を形成する。共振器の長さLは圧電調整素子14によ
って調整自在である。その励起はHF伝送線15を介し
て実行され、冷却水導管16が設けられており、その構
造全体が安定したハウジング17の内部に配置されてい
る。
に知られている構成要素から構成されている。長さLK
のセラミック導波管11と、間隔d1 にある射出ミラー
12と、間隔d2 にある回折格子13とはレーザー共振
器を形成する。共振器の長さLは圧電調整素子14によ
って調整自在である。その励起はHF伝送線15を介し
て実行され、冷却水導管16が設けられており、その構
造全体が安定したハウジング17の内部に配置されてい
る。
【0014】本発明に重要なのは、それらの構成要素の
選択、寸法規定及び制御である。所望の波長(この場
合、Lambda1 =10800μm及びLambda
2 =10784μm)の波長の選択は、リトロー構造の
回折格子13によって行われる。回折格子13は、一般
に格子のラインの本数、すなわち、分解能により、2つ
の所望のラインLambda1 ,Lambda2 のみ振
動することができるように構成されている(最適ライン
密度は約150本/mm、リトロー角度は54.1°、1
次(すなわち、オートコリメーション時)の反射効率は
約98%)。
選択、寸法規定及び制御である。所望の波長(この場
合、Lambda1 =10800μm及びLambda
2 =10784μm)の波長の選択は、リトロー構造の
回折格子13によって行われる。回折格子13は、一般
に格子のラインの本数、すなわち、分解能により、2つ
の所望のラインLambda1 ,Lambda2 のみ振
動することができるように構成されている(最適ライン
密度は約150本/mm、リトロー角度は54.1°、1
次(すなわち、オートコリメーション時)の反射効率は
約98%)。
【0015】セラミック導波管11は、一辺の長さが約
2mmであり且つ長さLK =218mmである正方形の横断
面を有する(丸形と比べて製造上の利点がある)。最適
の動作を得るために重要であるのは、共振器の全長L=
d1+LK+d2 である。2つのラインが周波数f1と周
波数f2を有する場合、下記の条件にあるとき、双方の
ラインは同時に振動することができる: f1 −f2 =N・FSR 式中、Nは整数(ライン1とライン2の半波Lambd
a/2の数の差)であり、FSRは自由スペクトル範
囲:C/2L(C=光速、L=共振器長さ)である。
2mmであり且つ長さLK =218mmである正方形の横断
面を有する(丸形と比べて製造上の利点がある)。最適
の動作を得るために重要であるのは、共振器の全長L=
d1+LK+d2 である。2つのラインが周波数f1と周
波数f2を有する場合、下記の条件にあるとき、双方の
ラインは同時に振動することができる: f1 −f2 =N・FSR 式中、Nは整数(ライン1とライン2の半波Lambd
a/2の数の差)であり、FSRは自由スペクトル範
囲:C/2L(C=光速、L=共振器長さ)である。
【0016】NH3 検出の場合、アイソトープ13Cを利
用するCO2 レーザーを使用し、そのラインはR(1
6),Lambda1 =10.800μm:f1 =27
758500.36MHz及びR(18),Lambd
a2 =10.784μm:f2=27799764.1
8MHzとなっている(米国特許第5,002,391
号を参照)。
用するCO2 レーザーを使用し、そのラインはR(1
6),Lambda1 =10.800μm:f1 =27
758500.36MHz及びR(18),Lambd
a2 =10.784μm:f2=27799764.1
8MHzとなっている(米国特許第5,002,391
号を参照)。
【0017】N=1であるときに全長は3.63mmとな
ることになる。すなわち、全て3.63mmにより同一の
比をもつことになる。たとえば: 1)L=3.63mm:672の半波Lambda1 ,673
の半波Lambda2 Lambda1 とLambda2 の同時放射 2) i) L=(3.63+3.63/2)mm=5.443mm(厳密には5.4432
mm):1008.0 の半波Lambda1 ,1009.5 の半波L
ambda2 Lambda1 のみの放射 ii)L=5.4432mm+(Lambda/4 = 2.7μm)=5.4459m
m:1008.5 の半波Lambda1 ,1010 の半波Lam
bda2 Lambda2 のみの放射 3)L=2×3.63mm=7.26mm 1344の半波Lambda1 ,1346の半波Lam
bda2 Lambda1 とLambda2 の同時放射 Lambda1 とLambda2 のレーザー放射を時間
的に連続させることができるように、共振器長さLはケ
ース2)と同様に選択される。すなわち、 L=(n+1/2)×3.63mm となる。
ることになる。すなわち、全て3.63mmにより同一の
比をもつことになる。たとえば: 1)L=3.63mm:672の半波Lambda1 ,673
の半波Lambda2 Lambda1 とLambda2 の同時放射 2) i) L=(3.63+3.63/2)mm=5.443mm(厳密には5.4432
mm):1008.0 の半波Lambda1 ,1009.5 の半波L
ambda2 Lambda1 のみの放射 ii)L=5.4432mm+(Lambda/4 = 2.7μm)=5.4459m
m:1008.5 の半波Lambda1 ,1010 の半波Lam
bda2 Lambda2 のみの放射 3)L=2×3.63mm=7.26mm 1344の半波Lambda1 ,1346の半波Lam
bda2 Lambda1 とLambda2 の同時放射 Lambda1 とLambda2 のレーザー放射を時間
的に連続させることができるように、共振器長さLはケ
ース2)と同様に選択される。すなわち、 L=(n+1/2)×3.63mm となる。
【0018】この場合、共振器長さLに従って双方のラ
インLambda1 ,Lambda2 の分離は最大にな
る(図2を参照)。具体的な実施例では、共振器Lは2
48.7±0.2mm(=68.5mm・3.63mm)に調
整されている。
インLambda1 ,Lambda2 の分離は最大にな
る(図2を参照)。具体的な実施例では、共振器Lは2
48.7±0.2mm(=68.5mm・3.63mm)に調
整されている。
【0019】交互放射は、回折格子13をレーザー1の
光軸の方向に直線的に摺動させる圧電調整素子14を使
用して、ここでは約5μmである四分の一波長の範囲内
で共振器長さLを正弦的に変化させることによって得ら
れる(2)i),2)ii) を比較する)。
光軸の方向に直線的に摺動させる圧電調整素子14を使
用して、ここでは約5μmである四分の一波長の範囲内
で共振器長さLを正弦的に変化させることによって得ら
れる(2)i),2)ii) を比較する)。
【0020】射出ミラー12の曲率半径はr12=500
mmとなり、反射率R12=90%である。これはレーザー
媒体の増強(すなわち、ガスの組成、ガス圧など)と、
共振器内部における損失と、ポンプ性能とによって決ま
る。レーザーガスはHeと、レーザー活性ガスとしての
13CO2 と、N2 及びXeとから成る通常通りの混合物
であり、ガス圧は約120mbarとなり、入射するH
Fのパワーは40〜70Wの大きさである。共振器内部
の損失は第1にリトロー回折格子13(反射、散乱、吸
収)及び導波管11によって決まり、約3〜5%であ
る。Lambda 1 =10.800μm又はLambd
a2 =10.784μmのときのレーザー出力パワーは
約1.2Wになる。
mmとなり、反射率R12=90%である。これはレーザー
媒体の増強(すなわち、ガスの組成、ガス圧など)と、
共振器内部における損失と、ポンプ性能とによって決ま
る。レーザーガスはHeと、レーザー活性ガスとしての
13CO2 と、N2 及びXeとから成る通常通りの混合物
であり、ガス圧は約120mbarとなり、入射するH
Fのパワーは40〜70Wの大きさである。共振器内部
の損失は第1にリトロー回折格子13(反射、散乱、吸
収)及び導波管11によって決まり、約3〜5%であ
る。Lambda 1 =10.800μm又はLambd
a2 =10.784μmのときのレーザー出力パワーは
約1.2Wになる。
【0021】図2は、使用される13CO2 レーザーの典
型的なシグネチャ、すなわち、出力パワーPout と、共
振器長さLの変化デルタLとの関係を示す。
型的なシグネチャ、すなわち、出力パワーPout と、共
振器長さLの変化デルタLとの関係を示す。
【0022】動作時、圧電調整素子14にバイアス電圧
(UAP)を加え、シグネチャは最小値をとる。この時点
で正弦変調Umod をオンし、その結果、圧電素子の電圧
は上下に変化し、レーザー1はパワー曲線の最大値であ
るLambda1 へ移行し、続いてLambda2 の最
大値へ移行して行く。その場合、最大値からの偏差は許
容されている。バイアス電圧UAPはプログラム可能コン
ピュータ57により動作点に能動的に安定化される。変
調周波数に対応して、シグネチャの形態に対応する信号
列が得られる。
(UAP)を加え、シグネチャは最小値をとる。この時点
で正弦変調Umod をオンし、その結果、圧電素子の電圧
は上下に変化し、レーザー1はパワー曲線の最大値であ
るLambda1 へ移行し、続いてLambda2 の最
大値へ移行して行く。その場合、最大値からの偏差は許
容されている。バイアス電圧UAPはプログラム可能コン
ピュータ57により動作点に能動的に安定化される。変
調周波数に対応して、シグネチャの形態に対応する信号
列が得られる。
【0023】図3は、煙道ガス通路32において煙道ガ
スを検出するNH3 検出器の光学的構造を示す。ビーム
スプリッタ23では、瞬時レーザーパワーを検出するた
めに、レーザー1から放射されたレーザービームのパワ
ーの約1%をパイロ電気検出器として構成されている基
準検出器D1に供給する。発光光学系2は、ビーム拡張
のための2つのレンズ21及び22を有するテレスコー
プである。レーザービームは遮断窓25を通って煙道ガ
ス通路32に流入し、測定区間3を通過して行く。逆反
射体31はビームを遮断窓41へと反転させる。煙道ガ
ス通路32の中に何度か折り返されて位置していても良
く(米国特許第5,002,391号を参照)、あるい
は任意の反射鏡を含んでいても良く、反射鏡を全く含ん
でいなくとも良い長さ約1mから20mの測定区間の中
では、レーザービームは固有の減衰を受け、集光レンズ
4の形態をとる受光光学系を経て、MCT検出器である
測定検出器D2に到達する。MCT検出器は、約−60
℃まで熱電冷却され且つ応答時間が非常に短い水銀−カ
ドミウム−テルルから成る特殊フォトレジスタである。
スを検出するNH3 検出器の光学的構造を示す。ビーム
スプリッタ23では、瞬時レーザーパワーを検出するた
めに、レーザー1から放射されたレーザービームのパワ
ーの約1%をパイロ電気検出器として構成されている基
準検出器D1に供給する。発光光学系2は、ビーム拡張
のための2つのレンズ21及び22を有するテレスコー
プである。レーザービームは遮断窓25を通って煙道ガ
ス通路32に流入し、測定区間3を通過して行く。逆反
射体31はビームを遮断窓41へと反転させる。煙道ガ
ス通路32の中に何度か折り返されて位置していても良
く(米国特許第5,002,391号を参照)、あるい
は任意の反射鏡を含んでいても良く、反射鏡を全く含ん
でいなくとも良い長さ約1mから20mの測定区間の中
では、レーザービームは固有の減衰を受け、集光レンズ
4の形態をとる受光光学系を経て、MCT検出器である
測定検出器D2に到達する。MCT検出器は、約−60
℃まで熱電冷却され且つ応答時間が非常に短い水銀−カ
ドミウム−テルルから成る特殊フォトレジスタである。
【0024】基準検出器D1及び測定検出器D2からの
信号は評価手段5に供給される。基本濃度が非常に低い
ときに測定を実行するために、検出器を保護するよう
に、レーザービームを挿入自在のフィルタ24により、
たとえば、2/1000パワーまで減衰することができ
る。校正を目的として、(D1及びD2)を介する検出
を平衡させる(「零点測定」)ために、レーザービーム
を測定区間3を迂回するように2つの挿入自在の金製ミ
ラー62,63を経て測定検出器D2へ直接に導くこと
ができる。さらに、2つの波長Lambda1 ,Lam
bda2 における吸収強さを校正するために、NH3 含
有量がわかっている校正済セル61を挿入することも可
能である(「基準測定」)。
信号は評価手段5に供給される。基本濃度が非常に低い
ときに測定を実行するために、検出器を保護するよう
に、レーザービームを挿入自在のフィルタ24により、
たとえば、2/1000パワーまで減衰することができ
る。校正を目的として、(D1及びD2)を介する検出
を平衡させる(「零点測定」)ために、レーザービーム
を測定区間3を迂回するように2つの挿入自在の金製ミ
ラー62,63を経て測定検出器D2へ直接に導くこと
ができる。さらに、2つの波長Lambda1 ,Lam
bda2 における吸収強さを校正するために、NH3 含
有量がわかっている校正済セル61を挿入することも可
能である(「基準測定」)。
【0025】図4は、そのような状況で測定検出器で発
生する測定信号を示す。Lambda1 からLambd
a2 へ、また、Lambda2 からLambda1 への
レーザー放射の移行時には、図2に関して説明したシグ
ネチャに基づいて、それぞれ零点に達する。時点t1 及
びt2 は積分時間の限界をそれぞれ示しているが、その
点については以下に説明する。変調電圧Umod がシグネ
チャの最大値(図2)を幾分か越えると、信号推移の中
央で凹部分が起こる。検出器D1,D2はAC結合に基
づいて、あるオフセット分だけずれた零位置を有してお
り、そのためにオフセット調整部53,53Rが設けら
れている(下記の説明を参照)ことが記載されている。
生する測定信号を示す。Lambda1 からLambd
a2 へ、また、Lambda2 からLambda1 への
レーザー放射の移行時には、図2に関して説明したシグ
ネチャに基づいて、それぞれ零点に達する。時点t1 及
びt2 は積分時間の限界をそれぞれ示しているが、その
点については以下に説明する。変調電圧Umod がシグネ
チャの最大値(図2)を幾分か越えると、信号推移の中
央で凹部分が起こる。検出器D1,D2はAC結合に基
づいて、あるオフセット分だけずれた零位置を有してお
り、そのためにオフセット調整部53,53Rが設けら
れている(下記の説明を参照)ことが記載されている。
【0026】図5は、光学的構造の主な素子−図1及び
図3と同じ部分は同じ図中符号により指示されている−
と、他の回路素子とを含めた評価回路5のブロック線図
である。
図3と同じ部分は同じ図中符号により指示されている−
と、他の回路素子とを含めた評価回路5のブロック線図
である。
【0027】評価回路は、2つの検出器D1,D2の各
々について、交流結合部51,51Rと、増幅器52,
52Rと、オフセット調整部53,53Rと、積分手段
55,55Rとを含む。測定検出器D2の後の、積分手
段55のすぐ前には、たとえば、10倍、100倍、1
000倍の切替え段を有するプログラムに基づき調整自
在の増幅回路54が配置されている。検出器側でダイナ
ミクス範囲が非常に広い場合、積分手段55と、測定信
号及び基準信号に対して利用される後続のアナログ/デ
ジタル変換器56とを著しく単純な構成にすることがで
きる。
々について、交流結合部51,51Rと、増幅器52,
52Rと、オフセット調整部53,53Rと、積分手段
55,55Rとを含む。測定検出器D2の後の、積分手
段55のすぐ前には、たとえば、10倍、100倍、1
000倍の切替え段を有するプログラムに基づき調整自
在の増幅回路54が配置されている。検出器側でダイナ
ミクス範囲が非常に広い場合、積分手段55と、測定信
号及び基準信号に対して利用される後続のアナログ/デ
ジタル変換器56とを著しく単純な構成にすることがで
きる。
【0028】プログラム可能コンピュータ57は測定光
路3のLambda1 及びLambda2 のデジタル化
信号と、基準検出器D1からのLambda1 及びLa
mbda2 のデジタル化信号とを周知の方式で評価し、
濃度データを生成する。
路3のLambda1 及びLambda2 のデジタル化
信号と、基準検出器D1からのLambda1 及びLa
mbda2 のデジタル化信号とを周知の方式で評価し、
濃度データを生成する。
【0029】入力した又は外部に記憶させてあるアンモ
ニア吸収率に関わるルックアップテーブル571によっ
て、NH3 濃度のデータを任意の単位で得られる。この
場合、煙道ガス通路32内の、圧力、温度又は他の値、
たとえば、二酸化炭素濃度に関わる1つ又は複数のセン
サ7から収集したデータを共に考慮に入れることができ
るので、アンモニアの絶対濃度のデータが得られる。デ
ータ出力を目的として、たとえば、モニタ8が設けられ
ている。
ニア吸収率に関わるルックアップテーブル571によっ
て、NH3 濃度のデータを任意の単位で得られる。この
場合、煙道ガス通路32内の、圧力、温度又は他の値、
たとえば、二酸化炭素濃度に関わる1つ又は複数のセン
サ7から収集したデータを共に考慮に入れることができ
るので、アンモニアの絶対濃度のデータが得られる。デ
ータ出力を目的として、たとえば、モニタ8が設けられ
ている。
【0030】プログラム可能コンピュータ57は圧電調
整手段14及びオフセット調整部53,53Rと、調整
自在の増幅回路54及び積分手段55,55Rの時間的
プロセスとを介してレーザー変調をも制御し、必要に応
じてその他のタスクを処理するためにコンピュータをプ
ログラムし且つ接続点を介して接続することができる。
整手段14及びオフセット調整部53,53Rと、調整
自在の増幅回路54及び積分手段55,55Rの時間的
プロセスとを介してレーザー変調をも制御し、必要に応
じてその他のタスクを処理するためにコンピュータをプ
ログラムし且つ接続点を介して接続することができる。
【0031】レーザー放射は測定区間3を通過した後に
測定検出器D2に到達し、その放射のごく一部はビーム
スプリッタ23により基準検出器D1へ直接導かれる。
D1及びD2の検出器信号を増幅し、必要とされる検出
器のバイアス電流によってDCオフセット信号を発生す
るため、AC結合する。交流結合51,51Rにより、
信号形状と信号振幅に従ってOVラインは揺動する。測
定/基準信号は積分によって評価されるので、信号をO
Vレベルに結び付けることが不可欠である。これはオフ
セット調整部53,53Rにおいてサンプルホールドに
よって実行される。すなわち、変調信号が零点を通過し
たとき、信号最小値が得られる。この値のOVへの偏向
を累積し、次の測定サイクルに際して、次の最小値で新
たな測定が起こるまで、測定信号に加算する。この方式
によって測定値の単極信号位置が得られるので、符号切
替えなしに積分を実行できる(「自動オフセット調
整」)。
測定検出器D2に到達し、その放射のごく一部はビーム
スプリッタ23により基準検出器D1へ直接導かれる。
D1及びD2の検出器信号を増幅し、必要とされる検出
器のバイアス電流によってDCオフセット信号を発生す
るため、AC結合する。交流結合51,51Rにより、
信号形状と信号振幅に従ってOVラインは揺動する。測
定/基準信号は積分によって評価されるので、信号をO
Vレベルに結び付けることが不可欠である。これはオフ
セット調整部53,53Rにおいてサンプルホールドに
よって実行される。すなわち、変調信号が零点を通過し
たとき、信号最小値が得られる。この値のOVへの偏向
を累積し、次の測定サイクルに際して、次の最小値で新
たな測定が起こるまで、測定信号に加算する。この方式
によって測定値の単極信号位置が得られるので、符号切
替えなしに積分を実行できる(「自動オフセット調
整」)。
【0032】システムの稼動中、レーザー1の動作点
(UAP)と変調電圧Umod は自動的に確定される。設計
されている構成により、レーザー1は2つの所望のライ
ンLambda1 ,Lambda2 でのみ放射すること
が保証されているので、波長を制御するためのスペクト
ルアナライザは不要である。
(UAP)と変調電圧Umod は自動的に確定される。設計
されている構成により、レーザー1は2つの所望のライ
ンLambda1 ,Lambda2 でのみ放射すること
が保証されているので、波長を制御するためのスペクト
ルアナライザは不要である。
【0033】そのために、コンピュータ57によって次
のことが実行される。 1.圧電調整素子14を動作する 2.基準検出器D1におけるシグネチャを受信し且つ記
憶する(最小値及び最大値) 3.A1/A2の面積比を介するLambda1 とLam
bda2 の異なるパワー(図2を参照)を考慮する 4.動作点(UAP)と変調電圧Umod を確定する。
のことが実行される。 1.圧電調整素子14を動作する 2.基準検出器D1におけるシグネチャを受信し且つ記
憶する(最小値及び最大値) 3.A1/A2の面積比を介するLambda1 とLam
bda2 の異なるパワー(図2を参照)を考慮する 4.動作点(UAP)と変調電圧Umod を確定する。
【0034】波長Lambda2 で測定される、アンモ
ニアの影響を受けた光の減衰、すなわち、透過率を利用
して、測定区間3における煙密度を確定することができ
る。これは、排気ガス/煙の流れの成分それ自体と、煙
の吸光率とがわかっている場合には、厳密に可能であ
る。その場合、散乱が少なく、長い測定距離で煙密度を
とらえることができる赤外線中の大きな波長を使用する
と有利である。この追加測定がコンピュータ57の適切
なプログラミングによってのみ得られると特に有利であ
る。
ニアの影響を受けた光の減衰、すなわち、透過率を利用
して、測定区間3における煙密度を確定することができ
る。これは、排気ガス/煙の流れの成分それ自体と、煙
の吸光率とがわかっている場合には、厳密に可能であ
る。その場合、散乱が少なく、長い測定距離で煙密度を
とらえることができる赤外線中の大きな波長を使用する
と有利である。この追加測定がコンピュータ57の適切
なプログラミングによってのみ得られると特に有利であ
る。
【0035】本発明を具体的な一実施例について説明し
たが、これは限定を意味するものではなく、数多くの変
形が可能である。重要なのは、本発明による構成によっ
て、レーザー1のシグネチャがレーザー強さの許容しう
る零点通過をもたらすので、物質検出構造の中にチョッ
パ又はそれに類似する追加の光変調器を配置する必要を
なくすことができるという点である。方形変調とは異な
り、レーザー光の正弦変調は検出器D1及びD2と、評
価回路5とによって忠実な形状で、フーリエ変換時又は
周波数シフト時の損失もなく処理できる。これにより、
信号の積分が可能になり、それに伴って信号獲得のため
のレーザーエネルギーの有効利用が可能である。これに
対し、サンプルホールド信号処理を伴う方形変調はレー
ザーパルスの大部分を考慮しないようにしなければなら
ない。同様に、NH3 含有量を校正した基準セルは常に
固有の検出器により測定されるわけではない。この基準
セルを時に応じて校正を目的として挿入し、そこで、既
存の測定検出器D2を利用すれば十分である。
たが、これは限定を意味するものではなく、数多くの変
形が可能である。重要なのは、本発明による構成によっ
て、レーザー1のシグネチャがレーザー強さの許容しう
る零点通過をもたらすので、物質検出構造の中にチョッ
パ又はそれに類似する追加の光変調器を配置する必要を
なくすことができるという点である。方形変調とは異な
り、レーザー光の正弦変調は検出器D1及びD2と、評
価回路5とによって忠実な形状で、フーリエ変換時又は
周波数シフト時の損失もなく処理できる。これにより、
信号の積分が可能になり、それに伴って信号獲得のため
のレーザーエネルギーの有効利用が可能である。これに
対し、サンプルホールド信号処理を伴う方形変調はレー
ザーパルスの大部分を考慮しないようにしなければなら
ない。同様に、NH3 含有量を校正した基準セルは常に
固有の検出器により測定されるわけではない。この基準
セルを時に応じて校正を目的として挿入し、そこで、既
存の測定検出器D2を利用すれば十分である。
【図1】 本発明によるレーザー(実施例)の概略的に
示す図。
示す図。
【図2】 本発明によるレーザーのシグネチャを示す
図。
図。
【図3】 物質検出のための構造の光学的構成の一実施
例を概略的に示す図。
例を概略的に示す図。
【図4】 図3に示す構造の測定検出器における信号の
推移を示す図。
推移を示す図。
【図5】 本発明による物質検出のための構造の回路の
ブロック線図。
ブロック線図。
1…CO2 レーザー、2…発光光学系、3…測定区間、
4…集光レンズ、5…評価手段、12…射出ミラー、1
3…回折格子、14…圧電調整素子、24…フィルタ、
31…逆反射体、32…煙道ガス通路、51,51R…
交流結合部、52,52R…増幅器、53,53R…オ
フセット調整部、54…調整自在の増幅回路、55,5
5R…積分手段、56…アナログ/デジタル変換器、5
7…プログラム可能コンピュータ、61…校正済みセ
ル、D1…基準検出器、D2…測定検出器。
4…集光レンズ、5…評価手段、12…射出ミラー、1
3…回折格子、14…圧電調整素子、24…フィルタ、
31…逆反射体、32…煙道ガス通路、51,51R…
交流結合部、52,52R…増幅器、53,53R…オ
フセット調整部、54…調整自在の増幅回路、55,5
5R…積分手段、56…アナログ/デジタル変換器、5
7…プログラム可能コンピュータ、61…校正済みセ
ル、D1…基準検出器、D2…測定検出器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アレグザンダー・ヒンツ ドイツ連邦共和国 89551 ケーニヒスブ ロン・アイヒハルデンシュトラーセ・8
Claims (19)
- 【請求項1】 2つの異なる波長(Lambda1,L
ambda2)の下で共振器ミラー又は回折格子(1
3)の正弦的調整により放射するガスレーザーにおい
て、回折格子構造及び角度位置に関する回折格子(1
3)の数値と、射出ミラー(12)の射出角度と、共振
器長さ(L)と、ガスの組成とを適切に規定することに
より、レーザーは共振器長さ(L)の2つの隣接するイ
ンタバルの中で2つの所望の波長(Lambda1及び
Lambda2)で放射し且つ2つのインタバルの間の
移行部分でレーザー放射は阻止されており、共振器長さ
(L)の正弦的変調はこの移行部分に関してほぼ対称形
に起こることを特徴とするガスレーザー。 - 【請求項2】 ガスレーザーはリトロー構造の回折格子
を有するCO2 レーザーであることを特徴とする請求項
1記載のガスレーザー。 - 【請求項3】 nを整数とし且つレーザー(1)が発射
する2つの波長(Lambda1,Lambda2)に対
して同時に共振が発生される最短の長さをLO とすると
き、共振器長さ(L)はL=(n+1/2)・LO に従
って確定されていることを特徴とする請求項1又は2記
載のガスレーザー。 - 【請求項4】 ガスレーザーにはアイソトープ13Cが入
っており、波長Lambda1=10800μmを有す
るラインR(16)及び波長Lambda2=1078
4μmを有するラインR(18)でガスレーザーは発光
することを特徴とする請求項2又は3記載のガスレーザ
ー。 - 【請求項5】 回折格子(13)を共振器軸の方向に直
線的に摺動させるための圧電調整素子(14)が設けら
れており、それにより、発射波長(Lambda1,L
ambda2)が確定されることを特徴とする請求項1
から4の少なくとも1項に記載のガスレーザー。 - 【請求項6】 2つの波長(Lambda1,Lamb
da2)をもつ光の吸収率の相違によって物質を検出す
る構造における請求項1から5の少なくとも1項に記載
のガスレーザー(1)の使用。 - 【請求項7】 ガス中の痕跡気体、特に煙道ガス中のN
H3 の検出を特徴とする請求項6記載のガスレーザー
(1)の使用。 - 【請求項8】 2波長レーザー光源(1)を有し、 変調手段(14)及び基準検出手段(D1)と、 発光光学系(2)と、 検出すべき物質を含有する測定区間(3)と、 受光光学系(4)及び測定検出器(D2)と、 2つの波長(Lambda1,Lambda2)における
測定区間中の光吸収率を確定し、そこから測定区間
(3)における検出すべき物質の濃度を確定する評価手
段(5)とを有する物質検出のための構造において、2
波長レーザー光源(1)は特許請求の範囲第1項から第
5項の少なくとも1項に記載のレーザーであることを特
徴とする構造。 - 【請求項9】 測定区間(3)は開放しており且つ反射
鏡(31)を収納していることを特徴とする請求項8記
載の構造。 - 【請求項10】 校正を目的として、検出すべき物質の
濃度がわかっているセル(61)を有する基準区間を光
路中に挿入することができることを特徴とする請求項8
又は9記載の構造。 - 【請求項11】 測定区間(3)は煙道ガス通路(3
2)の中に位置しており、検出すべき物質はNH3 であ
ることを特徴とする請求項9又は10記載の構造。 - 【請求項12】 検出すべき物質又は基礎物質の濃度に
適合させるために測定区間(3)に入射するレーザーの
出力を調整する手段(24)が設けられていることを特
徴とする請求項8から11の少なくとも1項に記載の構
造。 - 【請求項13】 チョッパは設けられていないことを特
徴とする請求項8から12の少なくとも1項に記載の構
造。 - 【請求項14】 検出すべき物質の濃度がわかっている
基準セルを通過するビームに対して第3の検出器は設け
られていないことを特徴とする請求項8から13の少な
くとも1項に記載の構造。 - 【請求項15】 測定検出器(D2)はMCT検出器で
あることを特徴とする請求項8から14の少なくとも1
項に記載の構造。 - 【請求項16】 評価手段(5)は基準検出器(D1)
及び測定検出器(D2)の交流カップラ(51,51
R)と、増幅回路(52,52R,54)と、積分手段
(55,55R)と、アナログ/デジタル変換器(5
6)と、プログラム可能コンピュータ(57)とを含む
ことを特徴とする請求項8から15の少なくとも1項に
記載の構造。 - 【請求項17】 積分手段(55,55R)は、ガスレ
ーザー(1)が1つの波長(Lambda1,Lamb
da2)で発射する期間の大半の部分(t1 −t2) に
わたって、測定検出器(D2)により受信された信号を
積分することを特徴とする請求項16記載の構造。 - 【請求項18】 増幅回路(54)の増幅係数は測定検
出器(D2)の信号に従って自動的に調整されることを
特徴とする請求項16又は17記載の構造。 - 【請求項19】 評価手段(5)は、アンモニアを吸収
しない波長(Lambda2) で収集された吸収データ
からさらに測定区間(3)の煙密度に関わる測定値を確
定して、出力することを特徴とする請求項8から18の
少なくとも1項に記載の構造。
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