JPH10185804A - Gas concentration measuring apparatus - Google Patents

Gas concentration measuring apparatus

Info

Publication number
JPH10185804A
JPH10185804A JP34174196A JP34174196A JPH10185804A JP H10185804 A JPH10185804 A JP H10185804A JP 34174196 A JP34174196 A JP 34174196A JP 34174196 A JP34174196 A JP 34174196A JP H10185804 A JPH10185804 A JP H10185804A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
wavelength
laser light
switching
solid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP34174196A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ryoichi Chokai
良一 鳥海
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Gas Co Ltd filed Critical Tokyo Gas Co Ltd
Priority to JP34174196A priority Critical patent/JPH10185804A/en
Publication of JPH10185804A publication Critical patent/JPH10185804A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To measure gas concentration accurately by obtaining measurement data using laser lights of one absorption wavelength and two nonabsorption wavelengths emitted from a solid laser, e.g. a titanium sapphire laser, and two YAG lasers. SOLUTION: A laser light having an absorption wavelength λ1 of a gas O3 to be measured is emitted from an optical system 1 generating a laser light by operating the tuning mirror of a titanium sapphire laser 12 and the position switch 18 of the optical system 1 generating a laser light. It is detected by a photodiode 20 and inputted to a transient recorder 7. A backscattering light from a forward gas is received by a Cassegrain type telescope 2 and stored in a personal computer 8. Subsequently, a backscattering light data corresponding to laser lights of nonabsorption wavelengths λ2 , λ2 ' is stored in the personal computer 8 through a required operation and a set of backscattering light data is obtained. Thereafter, a concentration value is determined from 100 sets of backscattering light data according to a specified operation. An extremely accurate concentration value can be obtained because the wavelength dependency has been corrected for both backscattering coefficient β and dissipation coefficient α.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ光を用いた気
体の濃度測定装置に関する。
The present invention relates to a gas concentration measuring device using laser light.

【0002】[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。NOX やSOX 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。
2. Description of the Related Art In recent years, the problem of environmental pollution has been widely taken up, and air pollution has become a major theme. NO X and SO X is of particular importance among pollution gases, and the laser radar is used to conventionally determine the concentration of these contaminants gases and certain critical attention gases.

【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、測定対象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、測定対象気体の吸収スペクトルの存在する波長
(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が用いられる。このと
き波長を求めるためには、その吸収スペクトルにおいて
吸収の大きな波長(以下「吸収波長」という)と吸収の
小さな波長(以下「非吸収波長」という)の2つの異な
る波長のレーザ光を使用する。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後方散乱光を集
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したりすることもあ
るため、通常はある時間(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後方散乱光および非
吸収波長の後方散乱光の受信信号をそれぞれ加算平均
し、両者の比を取ることによって濃度を求めている。
In the measurement of gas concentration by a laser radar, a laser is used to generate laser light having an absorption wavelength of the gas to be measured, and the concentration of the gas is measured by detecting the degree of absorption of the laser light by the gas to be measured. The wavelength at which the absorption spectrum of the gas to be measured exists (for example, 450 nm for NO 2 and 300 n for O 3 )
A laser that generates the laser light of m) is used. At this time, in order to obtain the wavelength, two different wavelengths of laser light of a wavelength having a large absorption (hereinafter referred to as “absorption wavelength”) and a wavelength having a small absorption (hereinafter referred to as “non-absorption wavelength”) are used. . Laser radar emits laser light toward the gas to be measured and collects the backscattered light to detect the degree of absorption by the gas.However, the scattered light is weak and noise may be mixed into it. For this reason, laser light having an absorption wavelength and laser light having a non-absorption wavelength are alternately emitted over a certain period of time (for example, several seconds to several minutes), and backscattered light having an absorption wavelength and backscattering light having a non-absorption wavelength therebetween. Are averaged, and the ratio between the two is calculated to obtain the density.

【0004】すなわち、ある波長のレーザ光の後方散乱
光を集光して得られる受信信号は次の数1で表される。
That is, a received signal obtained by condensing backscattered light of a laser beam having a certain wavelength is expressed by the following equation (1).

【0005】[0005]

【数1】 上式において、K:光学系効率、P0 :レーザ出力、A
r :望遠鏡受光面積、β:後方散乱係数、c:光速、
τ:レーザパルス幅、R:距離、α:消散係数、N:計
測対象ガス密度、σ:計測対象ガスの吸収断面積、であ
る。
(Equation 1) In the above equation, K: optical system efficiency, P 0 : laser output, A
r : Telescope receiving area, β: Backscattering coefficient, c: Speed of light,
τ: laser pulse width, R: distance, α: extinction coefficient, N: measurement target gas density, σ: absorption cross section of the measurement target gas.

【0006】吸収波長(λ1)と非吸収波長(λ2)の
それぞれに対して上記受信信号を求め、その比をとる
と、対象気体の濃度は次の数2で表される。
The above received signals are obtained for each of the absorption wavelength (λ1) and the non-absorption wavelength (λ2), and the ratio is obtained. The concentration of the target gas is expressed by the following equation (2).

【0007】[0007]

【数2】 上式において、ΔR:距離分解能、Δσ=σ(λ1)−
σ(λ2)であり、第2項は後方散乱係数の波長依存性
の補正項、第3項は大気消散係数の波長依存性の補正項
である。
(Equation 2) In the above equation, ΔR: distance resolution, Δσ = σ (λ1) −
σ (λ2), the second term is a correction term for the wavelength dependence of the backscattering coefficient, and the third term is a correction term for the wavelength dependence of the atmospheric extinction coefficient.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ところで上記の方法に
よる濃度測定において、SO2 、NO、H2 Oなどの気
体の場合は、吸収波長(λ1)と非吸収波長(λ2)の
波長差はわずかである(たとえばSO2 では0.1n
m、NO、H2 Oでは数pm〜数10pm程度)ので、
上式の第2項および第3項は無視できるが、オゾン(O
3 )の濃度測定の場合は、吸収線が連続して存在する3
00nm付近、NO2 の場合は450nm付近の波長を
用いることが多くしかも吸収線の幅が比較的広いので、
吸収波長と非吸収波長を1〜数10nm離す必要があ
る。そのため数2の第1項だけで濃度を求めると、大き
な誤差になることがあり、上記第2項および第3項によ
る補正が必要になる。
By the way, in the concentration measurement by the above method, in the case of a gas such as SO 2 , NO, H 2 O, the wavelength difference between the absorption wavelength (λ1) and the non-absorption wavelength (λ2) is very small. (For example, 0.1n for SO 2 )
m, NO, H 2 O, several pm to several tens pm)
Although the second and third terms in the above equation can be ignored, ozone (O
3 ) In the case of the concentration measurement, absorption lines exist continuously.
In the case of NO 2 , a wavelength of around 450 nm is often used and the width of the absorption line is relatively wide.
The absorption wavelength and the non-absorption wavelength need to be separated by 1 to several tens of nm. Therefore, if the density is obtained only from the first term of Expression 2, a large error may occur, and the correction by the second and third terms is required.

【0009】この補正の簡便な方法としては、ミー散乱
は波長に反比例し、レーリー散乱(分子による散乱)は
波長の4乗に反比例するという波長分散が理論的にわか
っているので、計算で推測することは可能である。しか
し実際は正確な波長分散の濃度は濃度測定時の大気状態
により変動するので正確な濃度はなかなかえられないの
が実情である。そこで測定時の大気状態を考慮した実情
に合う補正方法として、1つの吸収波長と2つの非吸収
波長の3波長のレーザ光を用いて測定したデ−タを利用
して上記数2から消散係数αおよび後方散乱係数βを計
算し、そうして求めた値から波長依存性を求める方法が
知られている。なお、NO2 でも低濃度時の測定には吸
収波長と非吸収波長の波長差が1nm位と小さいものの
無視できず、特に大気の濃度測定のような高精度の測定
が要求される場合にはこの3波長による補正の手法は重
要である。
As a simple method of this correction, the chromatic dispersion that Mie scattering is inversely proportional to the wavelength and Rayleigh scattering (scattering by molecules) is inversely proportional to the fourth power of the wavelength is theoretically known, so it is estimated by calculation. It is possible to do. However, in practice, the accurate concentration of chromatic dispersion varies depending on the atmospheric state at the time of concentration measurement, and thus the actual concentration cannot be easily obtained. Therefore, as a correction method suitable for the actual condition in consideration of the atmospheric state at the time of measurement, the extinction coefficient is obtained from the above equation 2 using data measured using three laser beams of one absorption wavelength and two non-absorption wavelengths. A method is known in which α and the backscattering coefficient β are calculated, and the wavelength dependence is obtained from the values thus obtained. It should be noted that even when NO 2 is measured at a low concentration, the wavelength difference between the absorption wavelength and the non-absorption wavelength is as small as about 1 nm, which cannot be ignored. The correction method using these three wavelengths is important.

【0010】ところが従来の大気濃度測定において上記
の3波長による補正の方法を考慮しているのはオゾンの
濃度測定の場合だけに過ぎない。それは、(1)オゾン
は吸収線が広いので吸収波長と非吸収波長の2波長を大
きく離さなければならない、(2)オゾンの吸収波長帯
域である300nm付近のレーザ光を発生する可変波長
レーザが存在せず、とびとびの波長(たとえば308n
m、248nmなど)をとるエキシマレーザとYAGレ
ーザの3倍波(355nm)とを組み合わせた3本のレ
ーザまたはこれらと2本と水素のラマンセルによる波長
変換との組み合わせ位しか利用できない、との理由によ
る。いずれの方法で実現するにしても、光学系を含む装
置が複雑になる上、各レーザの調整や設置場所の問題が
あり、前者の場合は3波長の光波を一致させるアライメ
ントの難しさがある。またラマンセルは高圧の水素ガス
を用いるので扱いが危険であるし、時々交換する必要が
あり、波長変換後のレーザ光のビーム特性や出力強度が
不安定であるという問題がある。さらにNO2 測定の場
合、ラマンセルによる波長変換はとびとびの波長しか得
られないので任意の波長に変換することはできず、変換
後の波長が測定に必要な波長に適合しないことが多い。
このためNO2 については、波長の異なる3波長のレー
ザを用いた例はあるものの、ラマンセルを利用した報告
はこれまでなかった。
However, in the conventional atmospheric concentration measurement, the above-described correction method using three wavelengths is considered only in the case of ozone concentration measurement. Because (1) ozone has a wide absorption line, two wavelengths, an absorption wavelength and a non-absorption wavelength, must be greatly separated from each other. (2) A tunable wavelength laser that generates laser light near 300 nm, which is the absorption wavelength band of ozone, is used. Absent, discrete wavelengths (eg 308n
The reason is that only three lasers that combine an excimer laser having a wavelength of 248 nm and a third harmonic (355 nm) of a YAG laser or a combination of these lasers and wavelength conversion of hydrogen by a Raman cell can be used. by. Whichever method is used, the apparatus including the optical system becomes complicated, and there is a problem of adjustment of each laser and an installation place. In the former case, there is difficulty in alignment for matching light waves of three wavelengths. . Raman cells use high-pressure hydrogen gas, which is dangerous to handle, needs to be replaced from time to time, and has a problem that the beam characteristics and output intensity of the laser light after wavelength conversion are unstable. Further, in the case of NO 2 measurement, the wavelength conversion by the Raman cell can only obtain discrete wavelengths, so that it cannot be converted to an arbitrary wavelength, and the converted wavelength often does not match the wavelength required for measurement.
For this reason, although there is an example in which three wavelengths of lasers having different wavelengths are used for NO 2, there has been no report using a Raman cell.

【0011】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
ので、3波長以上の異なる波長のレーザ光を利用し、光
学系の調整が簡単で装置の構成が簡潔な高精度の気体濃
度測定装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and uses a laser beam having three or more different wavelengths, and is a highly accurate gas concentration measuring apparatus in which the adjustment of the optical system is simple and the apparatus configuration is simple. The purpose is to provide.

【0012】[0012]

【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、一態様によれば、気体の濃度測定装置の
レーザ光発生光学系を、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順次切り替え
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少なくと
も3波長以上の異なる波長のレーザ光の各々と前記第2
の固体レーザから第1の非線形光学素子を介して出力す
るレーザ光とを和周波として異なる3波長以上の所望の
波長のレーザ光に変換して出力する第2の非線形光学素
子と、該第2の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3波長以上の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とによ
り構成した。
According to one aspect of the present invention, a laser light generating optical system of a gas concentration measuring apparatus includes a first solid-state laser and a first solid-state laser. An oscillation wavelength switching mechanism for sequentially switching the wavelength of laser light output from the solid-state laser, a second solid-state laser, and laser light of different wavelengths of at least three wavelengths switched and output by the oscillation wavelength switching mechanism. And the second
A second nonlinear optical element that converts laser light output from the solid-state laser through the first nonlinear optical element into laser light having a desired wavelength of three or more different wavelengths as a sum frequency and outputs the laser light; And a position switching device for switching the optical position of the nonlinear optical element so that the laser light having the different wavelengths of three or more wavelengths has a phase matching angle in synchronization with the wavelength switching timing by the oscillation wavelength switching mechanism. did.

【0013】本発明の別の態様によれば、気体の濃度測
定装置のレーザ光発生光学系を、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
位置を順次切り替えて変位させる発振波長切替機構と、
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3波長以上のレーザ光の各々と前記3波長以上の波長
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3波長以上のレーザ光に変換して出力する非線形光学
素子と、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3波長以上のレーザ光
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
装置とにより構成し、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異なる3波長以上のレーザ光として
前記非線形光学素子に向けて出力する。
According to another aspect of the present invention, a laser light generating optical system of a gas concentration measuring device includes a solid laser, a diffraction grating provided on an excitation laser light incident side in the solid laser resonator, and a tuning device. A mirror, an output coupler provided on the oscillation laser light emission side in the solid-state laser resonator,
An oscillation wavelength switching mechanism for sequentially switching and displacing the optical position of the tuning mirror with respect to the diffraction grating,
Each of the three or more different wavelengths of laser light switched and output by the oscillation wavelength switching mechanism and the laser light of a different wavelength from the three or more wavelengths are converted into a desired three or more different wavelengths of laser light as a sum frequency. And the optical position of the nonlinear optical element with respect to the incident laser light and the optical position of the nonlinear optical element in synchronization with the wavelength switching timing by the oscillation wavelength switching mechanism. And a position switching device for switching so that the laser light incident on the solid-state laser is repeatedly amplified between the output coupler and the tuning mirror via the solid-state laser and the diffraction grating. The output coupler outputs laser light having three or more different wavelengths toward the nonlinear optical element.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて説
明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings.

【0015】図1は本発明による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O3 の濃度を測定するものである。なお、O3 の吸収
波長λ1として308nmを、また非吸収波長λ2とし
て320nmおよびλ2´として330nmを採択し
た。
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a gas concentration measuring apparatus according to the present invention. In this embodiment, the concentration of O 3 is measured as an example. Here, 308 nm was adopted as the absorption wavelength λ1 of O 3 , and 320 nm and 330 nm were adopted as the non-absorption wavelength λ2.

【0016】図において破線で囲んだ部分が、測定対象
気体であるO3 の吸収波長に対応する731.5nmの
レーザ光と非吸収波長に対応する802.8nmおよび
869.1nmのレーザ光とを順次サイクリックに発生
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と、入力レーザ光の波長
を、
In the figure, a portion surrounded by a broken line indicates a laser beam of 731.5 nm corresponding to the absorption wavelength of O 3 which is a gas to be measured and laser beams of 802.8 nm and 869.1 nm corresponding to non-absorption wavelengths. This is a laser light generating optical system 1 that is sequentially and cyclically generated. The laser light generating optical system 1 is configured to change the wavelength of the YAG laser 10 and the wavelength of the input laser light,

【0017】[0017]

【数3】 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、そ
の波長を1/2にして出力する非線形光学素子24と、
この非線形光学素子24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4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BBO)16
と、
(Equation 3) A nonlinear optical element (for example, KD * P) 11 for generating a second harmonic, which is output by halving according to the relationship, a titanium sapphire laser 12 which generates by switching between two different wavelengths of laser light, and another YAG A laser 13, a non-linear optical element 24 for outputting the wavelength by half,
A mirror 14 for reflecting the laser light from the nonlinear optical element 24; a dichroic mirror 15 for aligning the laser light from the titanium sapphire laser 12 and the laser light from the YAG laser 13 reflected by the mirror 14 on the same optical path; A nonlinear optical element (for example, BBO) 16 which obtains a new wavelength from the wavelength of the input laser light according to the relational expression of Expression 4.
When,

【0018】[0018]

【数4】 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3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18とにより構成されており、2つのY
AG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。
(Equation 4) Interference filter 17 for extracting only laser light of a required wavelength
And a position switching device 18 that switches the position of the nonlinear optical element 16 in synchronization with the wavelength switching timing such that the incident angle at which three different wavelengths of laser light enter the nonlinear optical element 16 becomes the phase matching angle. And two Y
A pulse generator 19 for generating a signal for synchronizing the AG lasers 10 and 13 and a switching timing signal of a wavelength switching device 18 for switching the wavelength of the titanium sapphire laser 12 is provided.

【0019】一方、測定対象方向に存在するエアロゾル
(ごみ、ちりなどの浮遊粒子状物質)および気体分子に
よって反射されたレーザ光を凹面鏡21および凸面鏡2
2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O3 の吸収波長である308nm付近の非
吸収波長である330nm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。
On the other hand, laser light reflected by aerosols (suspended particulate matter such as dust and dust) and gas molecules existing in the direction of the object to be measured are reflected by the concave mirror 21 and the convex mirror 2.
2, a Cassegrain telescope 2 that receives light at 2, an interference filter 4 that passes only a wavelength around 330 nm, which is a non-absorption wavelength around 308 nm, which is an absorption wavelength of O 3 , from a laser beam that has passed through the diaphragm 3, and an extremely weak laser beam A photomultiplier tube 5 for converting the output photoelectrically and outputting it as a light receiving signal; a preamplifier 6 for amplifying a weak light receiving signal with a high amplification factor; and a transient recorder for recording the entire waveform of the amplified light receiving signal by A / D exchange. 7 and Transient Recorder 7
Personal computer 8 that processes the data from the computer and calculates the gas concentration
And a display 9 for displaying the calculation result.

【0020】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。
Nonlinear optical element 1 of laser light generating optical system 1
On the output side of 6, a photodiode 20 for detecting a laser beam output from the nonlinear optical element 16 is provided, and its output signal is input to the transient recorder 7 as a trigger signal.

【0021】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。
FIG. 2 shows the laser light generating optical system 1 shown in FIG.
1 shows a schematic configuration of an optical system of the titanium sapphire laser 12.

【0022】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3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30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。
The titanium sapphire laser 12 can alternately generate laser beams of three different wavelengths by an oscillation wavelength switching mechanism, which will be described later. As shown, as shown, the nonlinear optical element 11 shown in FIG. A titanium sapphire crystal 120 on which the laser beam L from the laser enters, a pinhole 121 provided on the emission side, an output coupler 122 made of, for example, quartz crystal, and a beam expander 123 composed of a plurality of prisms. Prism 124
And a beam expander 125 also composed of a plurality of prisms, a diffraction grating 126, and a tuning mirror 127. As other components, an amplifier (not shown) for amplifying the obtained laser light is provided. Contains. The optical position of the tuning mirror 127 with respect to the diffraction grating 126 is rotationally displaced in an arc shape as shown by an arrow A in FIG. 2 according to the oscillation wavelength by an oscillation wavelength switching mechanism 30 described later with reference to FIGS. .

【0023】図3は発振波長切替機構30と位置切替装
置18の概略構成とその駆動制御系を示す。
FIG. 3 shows a schematic configuration of the oscillation wavelength switching mechanism 30 and the position switching device 18 and a drive control system thereof.

【0024】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10HZ )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。
The oscillation wavelength switching mechanism 30 has a translation stage 32 as a first displacement means which is translated and reciprocated in the direction of arrow B by a lead screw 31, and a sine bar 33 is rotatable on the translation stage 32. Installed. The lead screw 31 is rotationally driven by a step motor 34 via two pulleys 35a and 35b and a belt 36 stretched between the two pulleys. Reference numerals 37a and 37b denote limit switches for regulating the movement position of the translation stage 32. A tuning unit 38 having a built-in drive mechanism such as an ultra-precision linear actuator for vibrating and displacing the tuning mirror 127 at high speed is attached to the lower surface of the translation stage 32. The drive mechanism is mounted on the lower surface of the tuning unit 38. fast (e.g. 10H Z) tuning stage 39 which is reciprocally driven in the direction of arrow C in is attached by. The tuning unit 38 and the tuning stage 39 constitute a second displacement means.

【0025】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。
A spring 40 is stretched between the falling part 33 a on the lower surface of the sign bar 33 and the tuning stage 39, and one end of the tuning stage 39 is attached to the lower surface of the sign bar 33 by the tension action of the spring 40. The ball 41 is always kept in contact with the mounted ball 41.

【0026】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。
Reference numeral 50 denotes a driving circuit for driving the step motor 34, and reference numeral 60 denotes a translation stage 32 of the oscillation wavelength switching mechanism 30.
Is a control module for controlling the position of the key based on data input from the keyboard 61, and 62 is a control circuit.

【0027】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に示されてい
る)である。
A control module 70 controls the amount of displacement of the tuning stage 39 of the oscillation wavelength switching mechanism 30 based on data input from the keyboard 61.
Is a control circuit. Reference numeral 19 denotes a pulse generator (shown in FIG. 1) for synchronizing wavelength switching and laser oscillation.

【0028】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80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73の制御回路74により制御されるよう
になっている。
On the other hand, since the configuration of the position switching device 18 is basically the same as that of the oscillation wavelength switching mechanism 30, its detailed configuration is omitted in FIG. The drive control system of the position switching device 18 is the same as the drive control system of the oscillation wavelength switching mechanism 30 described above, and the drive circuit 80 for driving the stepper motor of the position switch device 18 includes the control circuit 64 of the control module 63.
, And the displacement of the tuning stage is controlled by the control circuit 74 of the control module 73.

【0029】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。
FIG. 4 shows a specific configuration of an example of the oscillation wavelength switching mechanism 30.

【0030】サインバー33の一端33b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1
27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。
One end 33b of the sign bar 33 rises, a head enlargement pin 51 is implanted in the rising portion 33b, and a ball 41 is fixed to the lower surface of the other end. A not-shown spring 40 (shown in FIG. 3) is stretched between the falling portion 33 a near the other end of the sine bar 33 and the lower surface of the tuning stage 39. The side surface 39a of the tuning stage 39 and the ball 41 are always kept in contact with each other by the tensile force. Tuning mirror 1 on head enlargement pin 51
27 mounting bases 52 are mounted with screws or the like so as to be sandwiched by bars 52a from the opposite side of the pins 51.

【0031】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、たとえば株式
会社ニューポート 1995年発行 「1995ー96
ニューポート総合カタログ」5.6頁に掲載されてい
る超精密リニアアクチュエータ(ミニステージ)が利用
できる。図4において、鎖線で示す53は回折格子12
6を取り付ける取付台である。
The tuning unit 38 has a built-in drive mechanism for reciprocating the tuning stage 39 at high speed. The drive mechanism includes a step motor 34 and a pulley 35 for reciprocating the translation stage 32.
a, 35b, a belt 36, a lead screw 31, a drive circuit 50, and the like.
An ultra-precision linear actuator (ministage) described on page 5.6 of the Newport General Catalog can be used. In FIG. 4, 53 indicated by a chain line indicates the diffraction grating 12.
6 is a mounting base for mounting the same.

【0032】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。
The mounting table 53 of the diffraction grating 126 is fixed to a fixing table (not shown) for fixing all components of the titanium sapphire laser 12 by screws or the like.
The components of the oscillation wavelength switching mechanism 30 indicated by solid lines in FIG. 4 are attached to the translation stage 32 as shown in FIG.

【0033】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。
FIG. 5 shows a specific configuration of an example of the position switching device 18 for switching the position of the nonlinear optical element 16 in synchronization with the wavelength switching timing.

【0034】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。
The configuration of the position switching device 18 is basically the same as the oscillation wavelength switching mechanism 30 shown in FIG.

【0035】そこで装置の構成のみを簡単に説明する
と、波長をλ1、λ2、λ2´とサイクリックに切り替
える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4
0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。
Therefore, only the configuration of the apparatus will be briefly described. The nonlinear optical element 16 whose optical position with respect to the laser light is switched in synchronization with the switching timing of cyclically switching the wavelengths to λ1, λ2, λ2 'is mounted on the mounting base 81.
The mounting base 81 is mounted on the head enlarging pin 82 so as to be sandwiched by the bar 81a from the opposite side. The head enlargement pin 82 is implanted in a rising portion 83b at one end of the sign bar 83, and a ball 84 is fixed to the lower surface of the other end of the sign bar 83. Not shown between the falling portion 83a near the other end of the sine bar 83 and the lower surface of the tuning stage 85 (4 in FIG. 3).
A spring (corresponding to a spring shown as 0) is stretched, and the side surface 85a of the tuning stage 85 and the ball 84 are always kept in contact with each other by the tensile force of the spring.

【0036】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。
The tuning unit 86 has a built-in drive mechanism for reciprocating the tuning stage 85 at high speed. The driving mechanism is an oscillation wavelength switching mechanism 30.
Since the driving mechanism is the same as that of FIG.

【0037】次に図1から図5を参照して本実施例によ
るO3 の濃度検出について説明する。
Next, the O 3 concentration detection according to this embodiment will be described with reference to FIGS.

【0038】測定対象気体であるO3 の吸収波長λ1と
して(A)308nmを、また1つの非吸収波長λ2と
して320nmを、もう1つの吸収波長λ2´として3
30nm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731.5nm、802.8nm、86
9.1nmになる。そこでチタンサファイアレーザ12
から発振波長731.5nm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731.
5nmを入力すると、制御モジュール60の制御回路6
2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7
31.5nmのレーザ光を発生する吸収波長(λ1)対
応の発振位置である。
(A) 308 nm is used as the absorption wavelength λ1 of O 3 which is the gas to be measured, 320 nm is used as one non-absorption wavelength λ2, and 3 is used as another absorption wavelength λ2 ′.
When 30 nm is selected, the oscillation wavelengths of the titanium sapphire laser 12 are 731.5 nm, 802.8 nm, 86
9.1 nm. Therefore, titanium sapphire laser 12
In order to generate a laser beam having an oscillation wavelength of 731.5 nm from the keyboard 61, the oscillation wavelength of 731.
When 5 nm is input, the control circuit 6 of the control module 60
2, a control signal is sent to the drive circuit 50, the step motor 34 rotates by a predetermined amount, the lead screw 31 is driven to rotate, and the translation stage 32 moves. Since the tuning stage 39 is attached to the lower surface of the translation stage 32, the sine bar 33 rotates by a predetermined angle with the movement of the translation stage 32, and the optical position of the tuning mirror 127 with respect to the diffraction grating 126 is shifted by a predetermined angle. Displace. This position of the tuning mirror 127 is 7
This is an oscillation position corresponding to an absorption wavelength (λ1) that generates a 31.5 nm laser beam.

【0039】次にチタンサファイアレーザ12から非吸
収波長(λ2)に対応する波長802.8nm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39の微小角度変位量のデータを入力する。
同様にもう1つの非吸収波長(λ2´)に対応するチュ
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(λ1)と1つの非吸収波長(λ2)と
の差は、802.8nm−731.5nm=71.3n
mであり、1つの非吸収波長(λ2)ともう1つの非吸
収波長(λ2´)との差は、869.1nm−802.
8nm=66.3nm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71.3nmおよび66.3nmだけ
変化させるためには、チューニングステージ39をそれ
ぞれ150μm×71.3=10695μmおよび15
0μm×66.3=9945μm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10695μ
mおよび9945μmに相当するデータ「(f)」、
「(g)」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(λ1)に対応するレーザ光発振位
置(上で説明した波長308nmのレーザ光を発生する
位置)と、それより71.3μm離れた非吸収波長λ2
に対応するレーザ光発振位置と、さらに66.3μm離
れた非吸収波長λ2´に対応するレーザ光発振位置の間
を順次サイクリックに高速(本実施例ではたとえば10
Z )で切り替わる。
Next, in order to generate a laser beam having a wavelength of 802.8 nm corresponding to the non-absorbing wavelength (λ2) from the titanium sapphire laser 12, data of the minute angular displacement of the tuning stage 39 is input from the keyboard 61.
Similarly, data of the minute angular displacement of the tuning stage 39 corresponding to another non-absorption wavelength (λ2 ′) is input. The difference between the absorption wavelength (λ1) and one non-absorption wavelength (λ2) is 802.8 nm−731.5 nm = 71.3 n
m, and the difference between one non-absorbing wavelength (λ2) and another non-absorbing wavelength (λ2 ′) is 869.1 nm-802.
Although 8 nm = 66.3 nm, in this embodiment, the tuning stage 39 is used to change the oscillation wavelength by 1 nm.
Is set to move by 150 μm. To change the oscillation wavelength by the above-mentioned wavelength difference of 71.3 nm and 66.3 nm, the tuning stage 39 is set to 150 μm × 71.3 = 10695 μm and 1595 μm, respectively.
It may be moved by 0 μm × 66.3 = 9945 μm. Therefore, the movement amount of 10695 μm
data “(f)” corresponding to m and 9945 μm,
If "(g)" is input, the tuning stage 39
Is a laser beam oscillation position corresponding to the absorption wavelength (λ1) by the driving mechanism provided in the tuning unit 38 (the position at which the laser beam having the wavelength of 308 nm described above is generated) and 71.3 μm away therefrom. Non-absorption wavelength λ2
Between the laser light oscillation position corresponding to the non-absorbing wavelength λ2 ′ and the laser light oscillation position corresponding to the non-absorption wavelength λ2 ′ further separated by 66.3 μm.
H Z ).

【0040】一方、吸収波長(λ1)に対応する波長の
レーザ光と非吸収波長(λ2)、(λ2´)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
(λ1)に対応する波長である308nmのレーザ光に
対する非線形光学素子16の位相整合角がBBOで4
7.3°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47.3°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λ1に対応する波長
である308nmのレーザ光に対する位相整合角であ
る。
On the other hand, the conversion efficiency by the sum frequency of the nonlinear optical element 16 for the laser light having the wavelength corresponding to the absorption wavelength (λ1) and the laser light having the wavelength corresponding to the non-absorption wavelengths (λ2) and (λ2 ′) is increased. The nonlinear optical element 16
As a setting operation for switching the optical position of the non-linear optical element 16 with respect to the laser light of 308 nm which is the wavelength corresponding to the absorption wavelength (λ1), the phase matching angle is changed to BBO. At 4
Since it is previously calculated that the angle is 7.3 °, the user inputs this angle 47.3 ° from the keyboard 61. As a result, a control signal is sent from the control circuit 64 of the control module 63 to the drive circuit 80, the step motor of the position switching device 18 rotates by a predetermined amount, the lead screw is driven to rotate, and the translation stage moves. Since the tuning stage is mounted on the lower surface of the translation stage, the sine bar rotates by a predetermined angle as the translation stage moves, and the optical position of the nonlinear optical element 16 fixed to the mounting table 81 is shifted by a predetermined angle. Only displace. This position of the nonlinear optical element 16 is a phase matching angle with respect to a laser beam of 308 nm which is a wavelength corresponding to the absorption wavelength λ1.

【0041】次に非線形光学素子16の光学的位置を非
吸収波長λ2およびλ2´に対応する波長である320
nmおよび330nm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1つの非吸収波長λ2に対応する波長のレーザ光
に対する位相整合角は48.1°であり、もう1つの非
吸収波長λ2´に対応する波長のレーザ光に対する位相
整合角は52.5°であることが計算で求められている
ので、吸収波長λ1に対応する波長と1つの非吸収波長
λ2に対応する波長に対する位相整合角の差は0.8°
であり、1つの非吸収波長λ2に対応する波長ともう1
つの非吸収波長λ2´に対応する波長に対する位相整合
角の差は4.4°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
0.8°および4.4°だけそれぞれ変化させるために
は、チューニングステージ39を240μmおよび13
20μm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0.8°および4.4°に相当するデー
タ「240」および「1320」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λ1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0.8°だけずれた非吸収波長λ2に対応
する波長のレーザ光に対する光学的位置と、さらそれよ
り4.4°だけずれた非吸収波長λ2´に対応する波長
のレーザ光に対する光学的位置とを順次高速(本実施例
ではたとえば10HZ )でサイクリックに切り替わる。
Next, the optical position of the nonlinear optical element 16 is set to 320 which is the wavelength corresponding to the non-absorption wavelengths λ2 and λ2 '.
In order to set the phase matching angle with respect to the laser beams of nm and 330 nm, data of the minute angular displacement of the nonlinear optical element 16 is input from the keyboard 61. That is, the phase matching angle for a laser beam having a wavelength corresponding to one non-absorption wavelength λ2 is 48.1 °, and the phase matching angle for a laser beam having a wavelength corresponding to another non-absorption wavelength λ2 ′ is 52.5 °. Is calculated, the difference between the phase matching angle with respect to the wavelength corresponding to the absorption wavelength λ1 and the wavelength corresponding to one non-absorption wavelength λ2 is 0.8 °.
And a wavelength corresponding to one non-absorption wavelength λ2 and another
The difference between the phase matching angles for the wavelengths corresponding to the two non-absorption wavelengths λ2 ′ is 4.4 °, and in this embodiment, the tuning stage 39 is moved by 30 μm to change the angle of the nonlinear optical element 16 by 0.1 °. In order to change the optical position of the nonlinear optical element 16 by the above-mentioned angle differences of 0.8 ° and 4.4 °, the tuning stage 39 must be set to 240 μm and 13 μm.
It may be moved by 20 μm. So keyboard 61
When the data “240” and “1320” corresponding to the movement amounts of 0.8 ° and 4.4 ° are input from the tuning stage 39, the tuning mechanism 39 is driven to the absorption wavelength λ1 by the driving mechanism provided in the tuning unit 38. The optical position corresponding to the phase matching angle with respect to the laser light of the corresponding wavelength, the optical position relative to the laser light of the wavelength corresponding to the non-absorption wavelength λ2 shifted by 0.8 °, and 4.4 ° from that. (in this embodiment example 10H Z) successively faster and optical position with respect to the laser beam having a wavelength corresponding to the non-absorption wavelength λ2' shifted by switches to cyclically.

【0042】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の遅延を
調整する。YAGレーザ10および13からは1064
nm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λ1に対応する波長のレーザ光の発振位置と2つ
の非吸収波長λ2、λ2´に対応する波長のレーザ光の
発振位置とを順次高速でサイクリックに切り替わるの
で、この微小な移動がボール41を介してサインバー3
3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5
2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サ
イクリックに変化する。それにより発振波長がわずかだ
けずれた3種類のレーザ光すなわち発振波長が731.
5nmのレーザ光と、802.8nmのレーザ光と、8
69.1nmのレーザ光とがサイクリックに発生する。
After setting the position of the tuning mirror 127 and the minute rotation amount and setting the optical position of the nonlinear optical element 16, the pulse generator 19 of the laser light generating optical system 1 synchronizes the YAG lasers 10 and 13 with each other. (For example, 10 Hz). Also, after the wavelength is switched, the delay of the pulse generator 19 is adjusted so that a pulse for switching the wavelength is generated between pulses for laser oscillation so that the laser oscillates. 1064 from YAG lasers 10 and 13
nm laser light is generated. The laser light output from the YAG laser 10 is converted by a nonlinear optical element 11 (KD * P) into a laser light having a half wavelength of 532 nm, and is incident on a titanium sapphire laser 12. In the titanium sapphire laser 12, as described above, the driving mechanism in the tuning unit 38 causes the tuning stage 39 to cause the tuning position of the laser beam having the wavelength corresponding to the absorption wavelength λ1 and the wavelength corresponding to the two non-absorption wavelengths λ2 and λ2 ′. The laser beam oscillation position is sequentially switched at a high speed and cyclically.
3 is transmitted. Since the sign bar 33 is repeatedly rotated and displaced by a small angle with the head enlargement pin 51 fixed to one end thereof as a fulcrum, the mounting base 5 fixed to this pin 51 is rotated.
2 is also pivotally displaced by a small angle.
Is repeatedly rotated by a small angle, and the optical position relative to the diffraction grating 126 changes cyclically. Thereby, three types of laser light whose oscillation wavelengths are slightly shifted, that is, the oscillation wavelength is 731.
5 nm laser light, 802.8 nm laser light, 8
69.1 nm laser light is generated cyclically.

【0043】YAGレーザ13から出力する波長106
4nmのレーザ光は非線形光学素子24で波長を532
nmに変換した後、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3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(BBO)に送られ
る。
The wavelength 106 output from the YAG laser 13
The laser light of 4 nm has a wavelength of 532 with the nonlinear optical element 24.
After conversion to nm, the light is reflected by the mirror 14 and is reflected by the dichroic mirror 15 on the titanium sapphire laser 1.
The laser light of the three wavelengths output from 2 is aligned with the optical axis and sent to another nonlinear optical element 16 (BBO).

【0044】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λ1に対応する波長
のレーザ光の発振位置と、2つの非吸収波長λ2および
λ2´に対応する2波長のレーザ光の発振位置とを高速
でサイクリックに切り替わるので、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731.5nmのレーザ光をその位相整合
角47.3°において最大効率で波長308nmのレー
ザ光に変換し、次に波長802.8nmのレーザ光をそ
の位相整合角48.1°において最大効率で波長320
nmのレーザ光に変換し、さらに波長869.1nmの
レーザ光をその位相整合角52.5°において最大効率
で波長330nmのレーザ光に変換し順次サイクリック
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731.5nm、
802.8nmもしくは869.1nmと532nm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O3 の測定に必要な3波長(308nm、
320nm、330nm)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。
On the other hand, the position switching device 18 is driven by the pulse generator 19 in synchronization with the YAG lasers 10 and 13 (for example, at 10 Hz). That is, in FIG. 5, the driving mechanism in the tuning unit 86 causes the tuning stage 39 to oscillate the laser light of the wavelength corresponding to the absorption wavelength λ1 and the laser light of the two wavelengths corresponding to the two non-absorption wavelengths λ2 and λ2 ′. The oscillating position is cyclically switched at a high speed, and this minute reciprocating motion is transmitted to the sign bar 83 via the ball 84. Since the sign bar 83 is repeatedly rotated and displaced by a small angle with the head enlarging pin 82 fixed to one end thereof as a fulcrum, the mounting base 81 fixed to this pin 82 is also displaced by a small angle and as a result, The nonlinear optical element 16 fixed to the mount 81 is rotated by a small angle to take a phase matching angle with respect to the laser beam at each position. As a result, the nonlinear optical element 16 converts the laser light having a wavelength of 731.5 nm output from the titanium sapphire laser 12 into a laser light having a wavelength of 308 nm with a maximum efficiency at a phase matching angle of 47.3 °. At a phase matching angle of 48.1 °, a laser beam having a wavelength of 320 nm is emitted with a maximum efficiency of 8
The laser light having a wavelength of 869.1 nm is further converted into a laser light having a wavelength of 330 nm with a maximum efficiency at a phase matching angle of 52.5 °, and is sequentially outputted cyclically. The laser light converted and output by the nonlinear optical element 16 has a wavelength before conversion of 731.5 nm,
Since the laser beam of 802.8nm or 869.1nm and 532nm are included, three wavelengths (308 nm required for measuring O 3 by passing the interference filter 17,
(320 nm, 330 nm) only, and is emitted toward the front measurement target area.

【0045】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および凸面鏡
22で反射されて絞り3を通して干渉フィルタ4でO3
の吸収波長である308nmおよび2つの非吸収波長で
ある320nmおよび330nm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
光パルスの散乱光に対する波形が記録される。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、そこで補正を考慮し
た次のような濃度計算が行われる。まず2つの非吸収波
長λ2およびλ2´のレーザ光を測定対象領域に向けて
出射した結果得られる受信信号からクレットの式として
知られている次の数5により消散係数αを求める。なお
クレットの式については、1981年1月15日発行の
「Applied Optics]Vol.20の第2
11〜220頁に掲載されたJames D.Klet
t著「Stable analyticalinver
sion solution for process
ing lidar returns]に詳述されてい
る。
The measuring laser light scattered by the target area is received by a Cassegrain telescope 2, O 3 in the interference filter 4 through diaphragm 3 is reflected by the concave mirror 21 and convex mirror 22
Only the wavelengths near 308 nm, which is the absorption wavelength of, and the two non-absorption wavelengths, 320 nm and 330 nm, are transmitted. The light that has passed through the interference filter 4 is converted into a photomultiplier 5
, And is amplified by the preamplifier 6 and input to the transient recorder 7. In the transient recorder 7, the incident laser light is A / D-converted using the output signal from the photodiode 20 as a trigger signal, and the waveform of one laser light pulse emitted from the laser light generating optical system 1 with respect to the scattered light is recorded. . The data recorded in the transient recorder 7 is transferred to a personal computer 8 via a GPIB cable, where the following density calculation taking into account the correction is performed. First, an extinction coefficient α is obtained from a reception signal obtained as a result of emitting two laser beams having non-absorption wavelengths λ2 and λ2 ′ toward a measurement target region by the following equation 5 known as Klett's equation. The expression of Klet is described in the second section of “Applied Optics” Vol. 20 issued on January 15, 1981.
James D., published on pages 11-220. Klet
"Stable analytical inver."
sion solution for process
ing lidar returns].

【0046】[0046]

【数5】 上式においてk:定数、r:距離、P(r):受信信
号、X(r)=r2 ・P(r)であり、α/β=30と
する。消散係数αが求まれば、後方散乱係数βはα/3
0として求まる。また数2の第3項におけるα(λ1)
は、2つの非吸収波長λ2およびλ2´に対して上で求
めた消散係数α(λ2)およびをα(λ2´)を用いて
オングストロームの法則(α(λ)=定数×λ-x、xは
0.5〜2の値をとる)にフィッテイングし、xの値を
求めることで求めることができる。これらの値を用い
て、数2の第2項(後方散乱係数βの波長依存性の補正
項)および第3項(消散係数αの波長依存性の補正項)
を求めることができるので、吸収波長(λ1)に対する
散乱光データと非吸収波長(λ2)に対する散乱光デー
タとの比を細かく分けた多数の経過時間についてとり、
その平均データを用いて数2からO3 の濃度が得られ
る。この場合、距離R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。
(Equation 5) In the above equation, k: constant, r: distance, P (r): received signal, X (r) = r 2 · P (r), and α / β = 30. If the extinction coefficient α is obtained, the backscattering coefficient β becomes α / 3
It is obtained as 0. Also, α (λ1) in the third term of Expression 2
The extinction coefficient α (λ2) and the extinction coefficient α (λ2) obtained above for two non-absorbing wavelengths λ2 and λ2 ′ are calculated using Angstrom's law (α (λ) = constant × λ −x , x Takes a value of 0.5 to 2), and obtains the value of x. Using these values, the second term (the correction term of the wavelength dependence of the backscattering coefficient β) and the third term (the correction term of the wavelength dependence of the extinction coefficient α) of Equation 2 are obtained.
Can be obtained, and the ratio between the scattered light data for the absorption wavelength (λ1) and the scattered light data for the non-absorption wavelength (λ2) is calculated for a large number of elapsed times,
Using the average data, the concentration of O 3 is obtained from Equation 2. In this case, the distance R can be easily calculated based on the elapsed time since the laser light propagates in the atmosphere at the speed of light.

【0047】ここで図6を参照して本発明による気体の
濃度測定装置の動作を説明する。
The operation of the gas concentration measuring device according to the present invention will be described with reference to FIG.

【0048】装置の電源を入れた後(F−1)、YAG
レーザ10、チタンサファイアレーザ12、その他の回
路の特性が安定するまで30分が経過するのを待って
(F−2)、まずレーザ光発生光学系1からO3 の吸収
波長(λ1)に対応する波長のレーザ光が発振している
のを確認する(F−3)。次にチタンサファイアレーザ
12の発振波長切り替え機構30によりチューニングミ
ラー127を所定の微小角度変位して対応する位相整合
角をとらせ(F−4)るとともに、レーザ光発生光学系
1の位置切り替え装置18を作動してレーザ光発生光学
系1から1つの非吸収波長(λ2)に対応する波長のレ
ーザ光が発振しているのを確認する(F−5)。続いて
チタンサファイアレーザ12のチューニングミラー12
7をさらに所定の微小角度変位させ対応する位相整合角
をとらせ(F−6)るとともに、レーザ光発生光学系1
の位置切り替え装置18を作動してレーザ光発生光学系
1からもう1つの非吸収波長(λ2´)に対応する波長
のレーザ光が発振しているのを確認する(F−7)。こ
のとき後々のデータ整理のために各波長をメモリ(図示
せず)に記憶しておく(F−8)。
After the power of the apparatus is turned on (F-1), the YAG
Wait for 30 minutes to elapse until the characteristics of the laser 10, the titanium sapphire laser 12, and other circuits are stabilized (F-2), and correspond to the absorption wavelength (λ1) of O 3 from the laser light generating optical system 1 first. It is confirmed that a laser beam having a desired wavelength is oscillating (F-3). Next, the tuning mirror 127 is displaced by a predetermined minute angle by the oscillation wavelength switching mechanism 30 of the titanium sapphire laser 12 to obtain a corresponding phase matching angle (F-4), and the position switching device of the laser light generating optical system 1 By operating 18, it is confirmed that laser light having a wavelength corresponding to one non-absorption wavelength (λ2) is oscillating from the laser light generating optical system 1 (F-5). Next, the tuning mirror 12 of the titanium sapphire laser 12
7 is further displaced by a predetermined minute angle to obtain a corresponding phase matching angle (F-6), and the laser light generating optical system 1
By operating the position switching device 18 of (1), it is confirmed that laser light of a wavelength corresponding to another non-absorption wavelength (λ2 ′) is oscillating from the laser light generating optical system 1 (F-7). At this time, each wavelength is stored in a memory (not shown) for later data arrangement (F-8).

【0049】さていよいよデータの収集を開始する(F
−9)。まずチタンサファイアレーザ12のチューニン
グミラー127を再び吸収波長λ1に対応する位相整合
角に戻すとともに、レーザ光発生光学系1の位置切り替
え装置18をやはり吸収波長λ1に対応する位置に戻し
てレーザ光発生光学系1からO3 の吸収波長(λ1)で
ある731.5nmのレーザ光が出射される。これがフ
ォトダイオード20により検出され、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(F−1
0)。前方にある気体からの後方散乱光がカセグレン型
望遠鏡2で受光され、パソコン8のメモリに記録される
(F−11)。その後パルスジェネレータ19からの切
替えタイミング信号に基づいて、チタンサファイアレー
ザ12の発振波長切替機構30のチューニングミラー1
27が微小角度変位して非吸収波長(λ2)に対応する
位相整合角をとる(F−12)。その結果、レーザ光発
生光学系1からO3 の非吸収波長(λ2)である80
2.8nmのレーザ光が出射され、フォトダイオード2
0からのトリガー信号がトランジェントレコーダ7に入
力される(F−13)。ここで後方散乱光のデータがパ
ソコン8のメモリに記録される(F−14)。
Finally, data collection is started (F
-9). First, the tuning mirror 127 of the titanium sapphire laser 12 is returned to the phase matching angle corresponding to the absorption wavelength λ1, and the position switching device 18 of the laser light generating optical system 1 is returned to the position corresponding to the absorption wavelength λ1 to generate the laser light. The optical system 1 emits laser light of 731.5 nm, which is the absorption wavelength (λ1) of O 3 . This is detected by the photodiode 20 and is input to the transient recorder 7 as a trigger signal (F-1).
0). Backscattered light from the gas in front is received by the Cassegrain telescope 2 and recorded in the memory of the personal computer 8 (F-11). After that, based on the switching timing signal from the pulse generator 19, the tuning mirror 1 of the oscillation wavelength switching mechanism 30 of the titanium sapphire laser 12
27 is displaced by a small angle to obtain a phase matching angle corresponding to the non-absorption wavelength (λ2) (F-12). As a result, the non-absorbed wavelength (λ2) of O 3 from the laser light generating optical system 1 is 80.
A 2.8 nm laser beam is emitted and the photodiode 2
The trigger signal from 0 is input to the transient recorder 7 (F-13). Here, the data of the backscattered light is recorded in the memory of the personal computer 8 (F-14).

【0050】その後パルスジェネレータ19から出力さ
れる切替えタイミング信号に基づいて、チタンサファイ
アレーザ12の発振波長切替機構30のチューニングミ
ラー127がさらに微小角度変位して今度はもう1つの
非吸収波長(λ2´)に対応する位相整合角をとる(F
−15)。その結果、レーザ光発生光学系1からはO3
のもう1つの非吸収波長(λ2´)である869.1n
mのレーザ光が出射され、フォトダイオード20からの
トリガー信号がトランジェントレコーダ7に入力される
(F−16)。ここで後方散乱光のデータがパソコン8
のメモリに記録される(F−17)。以上で吸収波長
(λ1)と2つの非吸収波長(λ2)、(λ2´)のレ
ーザ光に対する後方散乱光データが1組得られたことに
なる。できるだけ平均的なデータを得るためには、同じ
動作を繰り返してたとえば100組のデータを収集する
のが好ましい。そこでデータの収集回数が所定回数に達
したか否かを判別する(F−18)。所定回数に達して
いなければ、ステップ(F−10)に戻って所定回数に
達するまで同じ動作を繰り返す。
Thereafter, based on the switching timing signal output from the pulse generator 19, the tuning mirror 127 of the oscillation wavelength switching mechanism 30 of the titanium sapphire laser 12 is further displaced by a small angle, and this time another non-absorbing wavelength (λ2 ′) Take the phase matching angle corresponding to ()
-15). As a result, the laser light generation optical system 1 outputs O 3
869.1n, which is another non-absorption wavelength (λ2 ′) of
m laser light is emitted, and a trigger signal from the photodiode 20 is input to the transient recorder 7 (F-16). Here, the data of the backscattered light is
(F-17). Thus, one set of backscattered light data for the laser light having the absorption wavelength (λ1) and the two non-absorption wavelengths (λ2) and (λ2 ′) is obtained. In order to obtain data as average as possible, it is preferable to repeat the same operation and collect, for example, 100 sets of data. Then, it is determined whether or not the number of data collections has reached a predetermined number (F-18). If the number has not reached the predetermined number, the process returns to step (F-10) to repeat the same operation until the number reaches the predetermined number.

【0051】所定回数に達すると、数2に基づいて濃度
計算を開始する(F−20)。そのためにまず吸収波長
(λ1)と非吸収波長(λ2)のそれぞれについて得ら
れた100個の後方散乱光データの加算平均を求め(F
−21)、非吸収波長(λ2)、(λ2´)について得
られた平均値を用いて数5により消散係数α(λ2)と
α(λ2´)を求める(F−22、F−23)。次にこ
うして求めた消散係数α(λ2)および(λ2´)を用
いてオングストロームの法則を利用して吸収波長(λ
1)に対する消散係数α(λ1)を求める(F−2
4)。最後に上で求めた値を用いて数2に基づき濃度N
(R)の計算を行う(F−25)。濃度の計算において
は後方散乱係数βの波長依存性の補正も消散係数αの波
長依存性の補正も行われているので、得られた濃度値は
極めて正確なものになる。濃度値はパソコン8に保存さ
れ、必要に応じてディスプレイ9に表示される(F−2
6)。
When the number of times reaches a predetermined number, the density calculation is started based on Equation 2 (F-20). For this purpose, first, an average of 100 backscattered light data obtained for each of the absorption wavelength (λ1) and the non-absorption wavelength (λ2) is obtained (F
−21), the extinction coefficients α (λ2) and α (λ2 ′) are obtained from Equation 5 using the average values obtained for the non-absorption wavelengths (λ2) and (λ2 ′) (F-22, F-23). . Next, using the extinction coefficients α (λ2) and (λ2 ′) thus obtained, the absorption wavelength (λ
1) is determined (F-2).
4). Finally, using the value obtained above, the density N
The calculation of (R) is performed (F-25). In the calculation of the concentration, the correction of the wavelength dependence of the backscattering coefficient β and the correction of the wavelength dependence of the extinction coefficient α are performed, so that the obtained concentration value is extremely accurate. The density value is stored in the personal computer 8 and displayed on the display 9 as necessary (F-2).
6).

【0052】上記実施例ではO3 について例示したが、
本発明はO3 と同じような性質すなわち濃度測定のため
の3波長のうちの吸収波長と非吸収波長とを離してとる
必要のある気体、たとえばNO2 などの濃度測定にも適
用することができる。一例として、N02 の吸収波長は
447.9nm、非吸収波長は446.8nmおよび4
42.0nmであり、位相整合角はそれぞれKDPで5
5.4°、55.3°、36°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(1064nm)の和周波を行な
う。
In the above embodiment, O 3 is exemplified.
The present invention can also be applied to the measurement of the concentration of a gas having a property similar to that of O 3 , that is, a gas that needs to separate the absorption wavelength and the non-absorption wavelength among the three wavelengths for concentration measurement, such as NO 2. it can. As an example, N0 2 absorption wavelengths 447.9Nm, non-absorbing wavelength is 446.8nm and 4
42.0 nm, and the phase matching angle was 5 KDP in each case.
5.4 °, 55.3 ° and 36 °. To emit a laser beam of this wavelength, the sum of the second harmonic of the titanium sapphire laser and the YAG laser (1064 nm) is used.

【0053】さらに上記実施例では3波長切替え方式を
採用したが、制御のプログラムを変更するだけで4波長
切替え方式(1吸収波長と3非吸収波長)以上とするこ
とができ、そうすることにより測定の精度をさらに高め
ることができる。
Further, in the above-described embodiment, the three-wavelength switching method is adopted. However, the four-wavelength switching method (one absorption wavelength and three non-absorption wavelengths) or more can be achieved only by changing the control program. The accuracy of the measurement can be further increased.

【0054】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。
As a solid-state laser that can be used in the present invention, there is an alexandrite laser having a narrow oscillation wavelength width in addition to the titanium sapphire laser used in the embodiment. In addition, it is a matter of course that the oscillation wavelength switching type laser according to the present invention can be used for devices other than the gas concentration measuring device.

【0055】[0055]

【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とYAGレ
ーザの2本のレーザを用いるだけで、後方散乱係数およ
び消散係数の波長依存性の補正が行われ、精度の高い濃
度測定ができる。したがって、光学系を含む装置も簡潔
になり、コスト上有利になる。またレーザの調整や設置
場所の問題もなく、3本のレーザを用いた場合の3波長
の光波を一致させるアライメントの難しさもない。また
ラマンセルを用いることもないので、時々交換する煩わ
しさや、波長変換後のレーザ光のビーム特性や出力強度
の不安定の問題もない。
As described above, according to the present invention,
By using only two lasers, a solid-state laser such as a titanium sapphire laser and a YAG laser, the wavelength dependence of the backscattering coefficient and the extinction coefficient is corrected, and highly accurate concentration measurement can be performed. Therefore, the device including the optical system is simplified, which is advantageous in cost. In addition, there is no problem in adjusting the laser or installing the laser, and there is no difficulty in aligning light waves of three wavelengths when three lasers are used. In addition, since a Raman cell is not used, there is no problem of troublesome replacement from time to time and instability of beam characteristics and output intensity of laser light after wavelength conversion.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による気体の濃度測定装置の一実施例の
ブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a gas concentration measuring device according to the present invention.

【図2】本発明による気体の濃度測定装置におけるレー
ザ光発生光学系の一部の概略構成を示す。
FIG. 2 shows a schematic configuration of a part of a laser light generating optical system in the gas concentration measuring device according to the present invention.

【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。
FIG. 3 shows a schematic configuration of an oscillation wavelength switching mechanism and a position switching device and a drive control system thereof.

【図4】発振波長切替機構の一例の構成を示す斜視図で
ある。
FIG. 4 is a perspective view illustrating a configuration of an example of an oscillation wavelength switching mechanism.

【図5】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。
FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of an example of a position switching device for a nonlinear optical element.

【図6】本発明による気体の濃度測定装置の動作を示す
フローチャートを示す。
FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the gas concentration measuring device according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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、13 YAGレーザ 11、16、24 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 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 REFERENCE SIGNS LIST 1 laser light generating optical system 2 Cassegrain telescope 3 aperture 4, 17 interference filter 5 photomultiplier tube 6 preamplifier 7 transient recorder 8 personal computer 9 display 10, 13 YAG laser 11, 16, 24 nonlinear optical element 12 titanium sapphire laser 14 mirror Reference Signs List 15 dichroic mirror 18 position switching device 19 pulse generator 20 photodiode 30 oscillation wavelength switching mechanism 31 lead screw 32 translation stage 33, 83 sine bar 34 step motor 38, 86 tuning unit 39, 85 tuning stage 40 spring 41, 84 ball 50, Reference Signs List 80 driving circuit 51, 82 head enlarged pin 52, 81 mounting base 60, 70 control module 61 keyboard 62, 72 control circuit 120 titanium saff IA crystal 121 pinhole 122 output coupler

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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順次切り替える発振波
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少なくとも3波長
以上の異なる波長のレーザ光の各々と前記第2の固体レ
ーザから第1の非線形光学素子を介して出力するレーザ
光とを和周波として異なる3波長以上の所望の波長のレ
ーザ光に変換して出力する第2の非線形光学素子と、該
第2の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3波長以上の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とを有するレーザ
光発生光学系を有することを特徴とする気体の濃度測定
装置。
1. A first solid-state laser, an oscillation wavelength switching mechanism for sequentially switching the wavelength of laser light output from the first solid-state laser, a second solid-state laser, and switching by the oscillation wavelength switching mechanism. Each of the output laser beams having different wavelengths of at least three wavelengths or more and the laser light output from the second solid-state laser via the first nonlinear optical element has a desired frequency of three or more different wavelengths as a sum frequency. A second nonlinear optical element that converts the laser light into a laser beam and outputs the laser light, and the optical position of the second nonlinear optical element is synchronized with the wavelength switching timing by the oscillation wavelength switching mechanism, and the wavelengths of the different three or more wavelengths are changed. And a position switching device for switching the laser light so as to have a phase matching angle.
【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
位置を順次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3波長以上のレーザ光の各々と前記3波長以上の波
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3波長以上のレーザ光に変換して出力する非線形光
学素子と、 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3波長以上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3波長以上のレーザ光として前記非線形光学素子に
向けて出力するレーザ光発生光学系を有することを特徴
とする気体の濃度測定装置。
2. A solid-state laser, a diffraction grating and a tuning mirror provided on an excitation laser light incidence side in the solid-state laser resonator, and an output coupling provided on an oscillation laser light emission side in the solid-state laser resonator. An oscillation wavelength switching mechanism for sequentially switching and displacing the optical position of the tuning mirror with respect to the diffraction grating; each of three different laser beams of three or more wavelengths switched and output by the oscillation wavelength switching mechanism; A nonlinear optical element that converts a laser beam having a wavelength different from the wavelength not shorter than the wavelength into a laser beam having a desired three or more different wavelengths as a sum frequency and outputs the laser beam; and an optical position of the nonlinear optical element with respect to the incident laser beam. In synchronization with the wavelength switching timing by the oscillation wavelength switching mechanism, the phase matching angles of the laser beams having the different three or more wavelengths are adjusted. And a position switching device for switching between the output coupler and the tuning mirror after the laser light incident on the solid-state laser is repeatedly amplified between the output coupler and the tuning mirror via the solid-state laser and the diffraction grating. A laser light generating optical system that outputs laser light having three or more different wavelengths from the laser beam toward the nonlinear optical element.
【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
に記載の気体の濃度測定装置。
3. The apparatus according to claim 1, wherein said position switching device comprises: first displacement means for significantly displacing the optical position of said nonlinear optical element; and second displacement means for displacing a small amount.
3. A gas concentration measuring device according to claim 1.
【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
の気体の濃度測定装置。
4. A gas concentration measuring apparatus according to claim 3, wherein said first displacement means is a translation stage reciprocated by a lead screw.
【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に記載の気体の濃度測定
装置。
5. The apparatus according to claim 3, wherein said second displacement means comprises a stage reciprocating at a high speed, a sine bar pivotally displaced by said stage, and a non-linear element mount fixed to said sine bar. Alternatively, the gas concentration measuring device according to claim 4.
【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に記載の気体の濃度測定装置。
6. The gas concentration measuring apparatus according to claim 5, wherein said stage is an ultra-precision linear actuator.
【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
載の気体の濃度測定装置。
7. The gas concentration measuring apparatus according to claim 5, wherein said stage and said sine bar are always kept in contact with each other by a spring.
【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
記載の気体の濃度測定装置。
8. The gas concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the first solid-state laser is a titanium sapphire laser.
【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
に記載の気体の濃度測定装置。
9. The gas concentration measuring device according to claim 1, wherein the first solid-state laser is an alexandrite laser.
【請求項10】第1の固体レーザと、第1の非線形光学
素子と、前記第1の固体レーザから出力するレーザ光の
波長を順次切り替える発振波長切替機構とを光軸を合わ
せてこの順序で配置し、波長の切替えにより出力される
少なくとも3波長以上の異なる波長のレーザ光と第2の
固体レーザから第2の非線形光学素子を介して出力する
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3波長
以上のレーザ光に変換して順次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し、 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
による波長切替えのタイミングに同期して、前記異なる
3波長以上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気
体の濃度測定装置。
10. A first solid-state laser, a first nonlinear optical element, and an oscillation wavelength switching mechanism for sequentially switching the wavelength of laser light output from the first solid-state laser are aligned in this order with their optical axes aligned. After arranging, by dichroic mirrors, the laser light of at least three different wavelengths output by switching the wavelength and the laser light output from the second solid-state laser via the second nonlinear optical element are aligned. A laser light generating optical system that converts laser light into three or more different desired wavelengths by the second nonlinear optical element and sequentially switches and outputs the laser light; and a light receiving unit that receives scattered laser light from the direction of the gas to be measured. Photoelectric conversion means for photoelectrically converting the scattered laser light received by the light receiving means; recording means for recording optical signal data from the photoelectric conversion means; Calculating means for calculating the concentration of the gas to be measured based on the received light signal data; and switching the optical position of the second nonlinear optical element of the laser light generating optical system with respect to the incident laser light by switching the oscillation wavelength. A gas concentration measuring device, comprising: a position switching device that switches the laser beams of three or more different wavelengths so as to have respective phase matching angles in synchronization with a wavelength switching timing by a mechanism.
JP34174196A 1996-12-20 1996-12-20 Gas concentration measuring apparatus Pending JPH10185804A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP34174196A JPH10185804A (en) 1996-12-20 1996-12-20 Gas concentration measuring apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP34174196A JPH10185804A (en) 1996-12-20 1996-12-20 Gas concentration measuring apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH10185804A true JPH10185804A (en) 1998-07-14

Family

ID=18348418

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP34174196A Pending JPH10185804A (en) 1996-12-20 1996-12-20 Gas concentration measuring apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH10185804A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010091279A (en) * 2008-10-03 2010-04-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Method and instrument for measuring gas
JP2010164365A (en) * 2009-01-14 2010-07-29 General Packer Co Ltd Method and instrument for measuring concentration of gas
JP2011247611A (en) * 2010-05-24 2011-12-08 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Gas measurement method and device
CN103674853A (en) * 2013-11-13 2014-03-26 中国科学院安徽光学精密机械研究所 Remote metering system for atmospheric pollution gas distribution in mobile area

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010091279A (en) * 2008-10-03 2010-04-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Method and instrument for measuring gas
JP2010164365A (en) * 2009-01-14 2010-07-29 General Packer Co Ltd Method and instrument for measuring concentration of gas
JP2011247611A (en) * 2010-05-24 2011-12-08 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Gas measurement method and device
CN103674853A (en) * 2013-11-13 2014-03-26 中国科学院安徽光学精密机械研究所 Remote metering system for atmospheric pollution gas distribution in mobile area
CN103674853B (en) * 2013-11-13 2016-02-10 中国科学院安徽光学精密机械研究所 A kind of mobile area Pollution Gas distribution telemetry system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6775494B2 (en) Laser assembly and inspection system using a single bandwidth throttling device
JP2007214189A (en) Device and method for deterioration determination of laser chamber window
JPH10185804A (en) Gas concentration measuring apparatus
JP3249877B2 (en) Oscillation wavelength switching type laser device and gas concentration measurement device
JP2006184077A (en) Spectroscope having speckle alleviation function of light receiving part
JP2006179600A (en) Multistage amplification type laser system
de Angelis et al. Tunable frequency-controlled laser source in the near ultraviolet based on doubling of a semiconductor diode laser
JP2005003389A (en) Spectroscope and laser device equipped with spectroscope
US7006309B2 (en) Prism unit and laser device
JPH08219991A (en) Laser device of oscillation wavelength switching type and apparatus for measuring concentration of gas
JP2001289785A (en) Infrared laser component detector
JPH07280733A (en) Raman spectrum measuring device
JP2004055695A (en) Laser apparatus, image-reading apparatus having same, and image-inspecting apparatus
JP2008058918A (en) Terahertz electromagnetic wave generation method and spectroscopy/imaging measuring device
US20220045475A1 (en) System and method for frequency matching a resonance cavity to a light source
JP4331102B2 (en) Thermal lens spectrometer
JPH0933409A (en) Laser vaporization analyzer
Ye et al. Tunable Light Source with LDLS and AOTF
JP2023102805A (en) Infrared light parametric oscillation device
JPH02215175A (en) Wavelength control device of narrow band excimer laser
JPH11274606A (en) Apparatus for measuring ase component of laser beam
JPH09246644A (en) Infrared-radiation emitting device
JPH03150889A (en) Variable wavelength laser device
JPH05187923A (en) Semiconductor laser module
Gorobets et al. Tunable two-color CW CO2-CO laser

Legal Events

Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20040203