JPH10246694A - Gas sensor and gas detection method using it - Google Patents

Gas sensor and gas detection method using it

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JPH10246694A
JPH10246694A JP4864297A JP4864297A JPH10246694A JP H10246694 A JPH10246694 A JP H10246694A JP 4864297 A JP4864297 A JP 4864297A JP 4864297 A JP4864297 A JP 4864297A JP H10246694 A JPH10246694 A JP H10246694A
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gas
laser
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light
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Application number
JP4864297A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroaki Kuze
Akira Mugino
Takashi Shiomi
Nobuo Takeuchi
宏明 久世
高史 塩見
延夫 竹内
明 麦野
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd:The
古河電気工業株式会社
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To miniaturize a gas sensor, improve its sensitivity, and stabilize sensitivity.
SOLUTION: The pumping power of an optical fiber amplifier 3 is controlled and the natural emission light of the optical fiber amplifier 3 is circled in a ring-type light resonator 7. Then, an intensity change between a case when the inside of a gas cell module 6 is vacuum and a case when a gas to be measured is introduced into the gas cell module 6 and is absorbed is measured through a port for observation. The light of a laser diode 9 is introduced into the ring-type light resonator 7 and the amount of change in the intensity and the line width information of resonance frequency between a case when the inside of the gas module 6 of light circulating in the ring-type light resonator 7 is vacuum and a case when the gas to be measured is introduced into the gas cell module and is absorbed is measured. In a latter case, when at least two laser beams are introduced into the ring-type light resonator 7, the ratio of both beams is measured.
COPYRIGHT: (C)1998,JPO

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】本発明は気体分子、特に微量な気体分子の検出や濃度測定、圧力測定に適するガスセンサとそれを用いた気体検出方法に関するものである。 The present invention relates to the detection and concentration measurement of gas molecules, particularly small amount of gas molecules, the present invention relates to a gas sensor and a gas detection method using the same suitable for pressure measurement.

【0002】 [0002]

【従来の技術】従来、気体分子の検出方法の1つにレーザを用いたレーザ分光学手法がある。 Conventionally, there is a laser spectroscopy method using a laser to one of the detection method of the gas molecules. この手法は被測定用ガス(検出の対象となるガス)が導入された特殊なガスセルにレーザ光を入射してその透過光を調べるものであり、検出精度を高めるべく改良された長光路吸収法や共振器内レーザ分光法、周波数変調法等があり、普及している。 This approach is intended to examine the transmitted light to incident laser beam in a special gas cell gas to be measured (target gas detection) was introduced, long path absorption method improved to increase the detection accuracy and resonator laser spectroscopy, there is a frequency modulation method, etc., it has been widely used.

【0003】一般的には、ガス(吸収媒体)が満たされたガスセルにレーザ光を入射すると、同レーザ光にガスの吸収スペクトル周波数と一致する周波数成分がある場合、ガスセル内のガス分子の下準位の電子が共鳴によりレーザ光のエネルギーを吸収して上準位に励起される。 [0003] In general, when the incident laser beam to the gas cell gas (absorption medium) is satisfied, if the same laser beam has a frequency component which matches the absorption spectrum frequency of the gas under the gas molecules in the gas cell level of the electrons are excited to the upper level by absorbing the energy of the laser light by resonance.
このガスによるエネルギー吸収によってガスセル内を通過して外部に出射されるレーザ光の出力強度は減衰され、ガスセル内におけるガス吸収量ΔIは、レーザ光の強度をI 0 、ガスの吸収係数をα、吸収長をlとすると、 △I=I 0 −I 0 exp(−αl)≒I 0 αl と表すことができる。 The output intensity of a laser beam emitted to the outside through the gas cell by the energy absorption by the gas is attenuated, gas absorption ΔI in the gas cell, the intensity of the laser light I 0, the absorption coefficient of the gases alpha, the absorption length When l, can be expressed as △ I = I 0 -I 0 exp (-αl) ≒ I 0 αl. しかしガスによる吸収を受けた透過光をフォトダイオード等の検出器で直接受光して測定すると、レーザ光自体の強度の揺らぎが雑音となり、検出感度は10 -4程度でしかない。 However, when measured by receiving directly the transmitted light undergoing absorption by the gas in the detector such as a photodiode, the fluctuation of the intensity of the laser light itself becomes a noise detection sensitivity is only about 10 -4. そこで検出感度を高めたり、別の検出器を用いて吸収量を別の量に変換して検出することにより、強力なレーザ光の影響を受けずに雑音がほぼ別の検出器によるものだけとなるようにした方法もある。 Therefore to enhance the detection sensitivity, by detecting converted into another quantity of absorption using another detector, only by noise substantially without being affected by strong laser beam further detector and there is also a method that was made to be. しかし、この方法はガスによる吸収が弱いと、吸収線における光の吸収量計測は困難となる。 However, this method is weak absorption by gas absorption amount measuring light in the absorption line is difficult.

【0004】前記の長光路吸収法は、前記ガスの吸収を強調(enhancement) するようにガスセル長又は実効吸収光路長を長くする工夫を施したものであり、ガスセル自体を長尺に作成し、直進する光のガスセル内での光路長を稼ぐものとか、ガスセルの両端に全反射ミラー等を設け、多重反射によって光の実効光路長を稼ぐものとかがある。 [0004] long path absorption method above, which was devised to increase the gas cell length or effective absorption path length to emphasize (enhancement) absorption of the gas, to create a gas cell itself long, Toka which make the optical path length in the gas cell of the rectilinear light, the total reflection mirror or the like provided at both ends of the gas cell, there is a Toka which make effective optical path length of light by multiple reflection.

【0005】前記の共振器内レーザ分光法(IntraCavity [0005] The intracavity laser spectroscopy (intracavity
Laser Spectroscopy 、以降ICLS法) は、ガスセルをレーザの共振器内部に配置するものであり、多モード発振するレーザの一つのモードがガスの吸収スペクトルと一致した場合、レーザ発振状態に到達するまでの時間、即ち定常状態に達する時間内において、レーザ共振器の内部にはモードの生成が過度状態において逐次変化して行き、吸収のあるところではその吸収スペクトルの波長成分のパワーも逐次減少していくこととなり、レーザ発振が起きる前の過度状態における吸収成長の最大時間が吸収の感度を決める。 Laser Spectroscopy, since ICLS method) is to place a gas cell inside the laser cavity, when one mode of the laser for multimode oscillation is matched with the absorption spectrum of the gas, before reaching the laser oscillation state time, i.e. in the time to reach steady state production of the interior of the laser resonator mode continue to sequentially vary in a transient state, in a place with absorption decreases successively even power of the wavelength component of the absorption spectrum becomes possible, the maximum time of absorption growth in the transient state before the laser oscillation occurs determines the sensitivity of absorption. 通常、この方法では吸収を1 Normally, the absorption in this way 1
00〜10000倍に強調(enhancement)できると言われる。 Is said to be in the 00 to 10,000 times can be emphasized (enhancement).

【0006】この方法では、パルス発振又はCW(連続波長)発振のレーザを用いることができ、パルスの場合は、パルスの持続時間を長くすることにより高感度な吸収をもたらすのに対し、CWレーザではレーザの発振モード(多モードであることに注意)の寿命を長くすることにより高感度をもたらすことができる。 [0006] In this way, pulsed or CW can be used (continuous wave) laser oscillator, in the case of the pulse, to effect a high sensitivity absorption by increasing the duration of the pulse, CW laser in can provide high sensitivity by the long lifetime of the lasing mode (note that a multi-mode). また、レーザの種類としてパルス及びCW発振色素レーザ、チタンサーファイアレーザ等の固体レーザ、GaAs/GaAs The pulse and CW oscillation dye laser as the type of laser, solid state laser such as titanium Sir fire lasers, GaAs / GaAs
Al系ダイオードレーザ等がある。 There is an Al-based diode laser.

【0007】前記の周波数変調法(Frequency Modulatio [0007] The frequency modulation method (Frequency Modulatio
n Spectroscopy、以降FMS法) は周波数変調したレーザ光をガスセルを透過させて吸収の微分信号を検出する方法である。 n Spectroscopy, since FMS method) is a method for detecting a differential signal of the absorption by transmitting gas cell the laser light frequency modulation. しかし、実際には変調手法及び検出手法によっては微妙に実体が変わってくる。 In practice, however, depending on the modulation technique and detection method comes subtly entity is changed. 本来はレーザ光を変調することは吸収線の検出を容易にし、検出器のドリフトや1/f雑音等を取り除くための手法であった。 Originally modulating the laser light to facilitate detection of the absorption line, it was a technique for removing detector drift and 1 / f noise or the like. 例えば光源周波数を掃引すると吸収線のあるところでガスセルを透過してきたレーザパワーは減少し、吸収線が測定されるわけであるが、吸収によるパワーの変化量が雑音パワーよりも大きくならなければいけない。 For example the laser power transmitted through the gas cell and sweeps the light source frequency where there is absorption lines decreases, but not absorption lines are measured, the variation in power due to absorption do need be larger than the noise power. レーザ周波数は吸収線を横切る時間の逆数の数倍の周波数であるため、1秒でスペクトルが書けたとすれば、周波数帯域はゼロから数十Hzまでである。 Since the laser frequency is several times the frequency of the reciprocal of time across the absorption lines, if the spectrum is written in one second, the frequency band is from zero to several tens Hz. 従って、この低周波領域では上記の雑音が存在しているので不利である。 Thus, in this low frequency range is disadvantageous since the above noise is present. 従って、光源周波数を吸収線の幅程度に周波数変調しながら吸収測定を行うと、レーザの周波数が吸収線と一致するとレーザ光が吸収されたり、されなかったりするので、 Therefore, when the absorption measurements while frequency modulating the light source frequency to about the width of the absorption line, or laser light is absorbed when the frequency of the laser coincides with the absorption lines, so or not is,
透過光パワーは変調周波数で変動する。 Transmitted light power varies at the modulation frequency. これを変調周波数と同期検波すれば吸収が測定され、ドリフトや1/f Absorption if the modulation frequency and the synchronous detection it is measured, drift or 1 / f
雑音から解放されたスペクトルが観測される。 The spectrum that has been freed from the noise is observed. さらに光ヘテロダインの原理を利用し、レーザ光にFM変調により、主キャリア光に対してサイドバンドを発生させ、その第1次サイドバンドにおける分子の吸収の差をヘテロダインビートとして検出して吸収線を測定するものがある。 Further utilizing the principle of optical heterodyne by FM modulation in the laser beam to generate a sideband with respect to the main carrier light, detected and absorption lines the difference in absorption of the molecules in the primary sidebands as heterodyne beat there are things to be measured. これがFMS法である。 This is the FMS method.

【0008】 [0008]

【発明が解決しようとする課題】前記の長光路吸収法では実効吸収光路長を長くして感度を上げるものである。 [SUMMARY OF THE INVENTION In long path absorption method of the one in which increase the sensitivity by increasing the effective absorption path length.
そのためガスセルを長尺化する必要があるが、その場合、ガスセルが真空に耐え得るものでなければならず、 Therefore it is necessary to elongate the gas cell, in which case, must be construed gas cell can withstand vacuum,
またスペース面での制限があることから、長尺化には限界がある。 From The fact that there is a limitation in terms of space, the lengthening is limited. 制作コストやスペース効率を考えなければ、 If not consider the production costs and space efficiency,
実験室レベルでは長さ数メートル程度のガスセルが作製されているが、このようなガスセルを用いては実用的な装置は実現できない。 Although a gas cell of several lengths meters at the laboratory level are produced, a practical apparatus can not be realized by using such a gas cell.

【0009】長光路吸収法においてガスセルの両端に全反射ミラー等を設ける場合、多重反射による実効光路長を稼ぐことが一般的に行われており、これによりガスセルを小型化できるが以下のような問題がある。 [0009] When providing a total reflection mirror or the like on both ends of the gas cell in long path absorption method, to make the effective optical path length due to multiple reflections have been commonly performed, but thereby downsizing the gas cell, such as the following There's a problem. ガスの吸収係数α(又は吸収断面積とガス濃度との積)は一定圧力下では波長(又は周波数)と濃度の関数であり、特定な吸収波長、濃度ではαが定数となる。 Absorption coefficient of the gas alpha (or the product of the absorption cross section and the gas concentration) is a function of the concentration and the wavelength (or frequency) is under constant pressure, the specific absorption wavelength, the concentration alpha becomes constant. そして長さLの吸収体(ガスセルの実効光路長)による吸収量は、ガスセルの入射口のレーザ光パワーをP 0とした場合、P 0 The uptake by the absorbent body length L (effective optical path length of the gas cell), when the laser light power of the entrance of the gas cell was P 0, P 0
[1−exp(−αL)]である。 Is a [1-exp (-αL)]. 光路長を長くし、多重反射セルを用いたときの反射鏡の反射率をRとすると、全反射ミラー間をn回往復して検出器に入るパワーは P 02n-1 exp(−α2nL) となる。 An optical path length longer, when the reflectivity of the reflector is R when using the multiple reflection cell, power entering between total reflection mirror n times back and forth detector P 0 R 2n-1 exp ( -α2nL ) and a. 吸収量が最小検出パワーよりも大きくなければならない反射回数には最適値が存在する。 Absorption amount in the number of reflections must be greater than the minimum detection power there is an optimum value. 2αnL《1 2αnL "1
の極限では、吸収パワーは △P=2P 02n-1・αnL=Pmin となる。 In the extreme, the absorbed power is the △ P = 2P 0 R 2n- 1 · αnL = Pmin. これを微分し、nを求めると、 n=-1/2lnR となる。 This differentiates, when determining the n, the n = -1 / 2lnR. 例えばR=90%ではnは5となる。 For example, in R = 90% n is 5. 従って、 Therefore,
反射率の低い鏡では、多重反射をする意味がない。 The low reflectivity mirror, there is no sense to the multiple reflection. そのため長光路吸収法では、スペース、反射鏡の反射率、長いセルの真空度制御、特殊な低損失多重反射ガスセルの使用、実用性等の問題を抱えている。 In Therefore long path absorption method suffers space, reflectance of the reflection mirror, a vacuum degree control of the long cell, the use of special low-loss multi-reflection gas cell, the problem of a practical use.

【0010】前記ICLS法では上記の長光路吸収法と併用すると、即ちレーザ共振器内に長光路セルを設けると更に高感度が期待できるが、共振器内に多重反射セルを組み込むことが困難である上、レーザ発振そのものを妨げかねない問題もある。 [0010] The when the ICLS method in combination with long path absorption method described above, i.e. a higher sensitivity provided long optical path cell in the laser resonator but can be expected, it is difficult to incorporate multiple reflection cell in the resonator there on, there is also a problem that could interfere with the laser oscillation itself. 根本的にICLS法ではレーザ発振の過度状態に依存している。 Is dependent on the transient state of the laser oscillation is fundamentally ICLS method. しかしレーザ発振は通常定常状態において安定するものであって、過度状態での制御はきわめて難しく、しかも再現性がないことや、ガスの吸収スペクトルに合うレーザを選択しなければならないなどの問題があるため、実用的でない。 However lasing has been made to stabilize in the normal steady state, the control is very difficult in a transient state, yet and it is not reproducible, there are problems such as the need to select the laser to suit the absorption spectrum of the gas Therefore, it is not practical. 特に後者の場合、安定した定常状態でのレーザであれば発振スペクトルの選択は固定的な特性から容易であるのに対し、過度状態でのスペクトル発生メカニズムは良く把握できないので、どのようなレーザを用いれば良いのか分からないという難点がある。 Especially in the latter case, while the selection of the oscillation spectrum if the laser at a stable steady state is easily fixed characteristics, since the spectrum generation mechanism can not be grasped well in transient state, what laser there is a drawback that do not know how may be used. これは過度状態において、 This is in a transient state,
例えばレーザのスイッチをオンにしてから長くて数ms For example, long number in ms from the laser of the switch to the on
以内におけるレーザ発振のスペクトル変化を追うこととなるので、最初の数ns程度の時間内においてはガス吸収のスペクトルがレーザ発振モードのスペクトル範囲内にあっても、次のμsになると先まであつたスペクトルが変化して無くなるおそれがある。 Since the to follow the spectral change of the laser oscillation in the within, within the first few ns about time be in the spectral range of the laser oscillation mode is the spectrum of the gas absorption, Atsuta until earlier When the next μs spectrum there is a possibility that no changes. つまり、ガス吸収スペクトルと過度状態の時間内における吸収スペクトルは必ずしも継続しないことがこの方法の再現性の最大な難点である。 That is, the absorption spectrum in the gas absorption spectra and transient state time always is not to continue, the largest drawback of reproducibility of the method. また、ICLS法の感度は過度時間の長さに依存するので、レーザの発振を長い時間にすることがきわめて困難となる。 Furthermore, the sensitivity of the ICLS method depends on the length of the excessive time, it becomes extremely difficult to make the oscillation of the laser to a longer time. また、レーザの発振モードはマルチモードでなければならないことと、吸収が起きるためには多くの発振モードに対して、その多モードのうちの1 Moreover, a possible laser oscillation mode must be multi-mode, in order to absorb occur for many oscillation modes, one of the multi-mode
本の発振モードの波長または周波数が吸収スペクトル波長または周波数と一致する必要があるので、過度状態でのレーザの発振モードはランダムであり、周囲の温度、 Since the wavelength or frequency of the oscillation mode of the need to match the absorption spectrum wavelength or frequency, the lasing mode in a transient state is random, ambient temperature,
レーザ共振器(2枚以上の反射鏡で増幅媒質を挟むような共振器を指す)の距離の微妙な変化等によってレーザのモード生成時間、及び過度時間内のモードが同じとなるとは限らない等の問題がある。 Laser resonator (refer to two or more resonators, such as sandwiching the gain medium in the reflector) laser mode generation time of the subtle change of the distance, and the like are modes in excessive time it is not necessarily the same there is a problem. また、多モード発振したレーザではモードとモード間のカップリングもあり、 In addition, the laser was a multi-mode oscillation there is also a coupling between the mode and the mode,
吸収があるとカップリング状態も時間変化するので、吸収量の測定精度が低いという問題がある。 Since absorption coupling state also changes time when there, there is a problem of low measurement accuracy of absorption. さらに、過度状態でのスペクトル測定は数μsからmsまでごくわずかの時間内に測定を行う必要があるので、測定装置の時間に関する制御、再現性も問題となる。 Further, since the spectrum measured in a transient state it is necessary to measure a very a little time from a few μs to ms, control with respect to time of the measurement device, reproducibility becomes problematic.

【0011】前記FMS法は上記の2つの方法に比べて再現性の面では優れている。 [0011] The FMS method is superior in terms of reproducibility compared to the above two methods. しかし、やはり吸収セルを長光路にすれば吸収そのものが良くなるので、長光路の欠点を有する。 However, since the absorption itself is improved if also the absorption cell in long optical path, have the disadvantage of long optical path. 更に、変調によって光の周波数に1/f Additionally, 1 / f in the frequency of light by modulation
の雑音及び白色雑音が入り、特に低周波領域では著しく感度に影響を与えるため、FMSの課題としては如何に高周波領域に変調をもっていくかにある。 Contains the noise and white noise, particularly to influence significantly the sensitivity in the low frequency region, in either bring the how modulation to a high frequency region as an exercise FMS. つまり、pp In other words, pp
b以上の微量濃度を検出するためにはマイクロ波オーダの変調が必要とされるが、数GHz程度の変調は簡単にはできないのが現状であり、できるとしても変調器そのものが高価になり、しかも大型化する。 Although to detect trace concentrations above b is required modulation of the microwave order modulation of several GHz is at present can not be easy, also becomes expensive modulator itself as possible, In addition to large-sized. また、周波数変調を行うためのフイードバック系、制御系もかなり複雑なってくることがFMS法の難点である。 Further, feedback systems for performing frequency modulation, that become quite complicated control system is a drawback of the FMS method.

【0012】上記の方法のいずれも測定系が大型で、コンパクトにならないことと、実用性の観点から工業に応用する可能性が薄い等の問題がある。 [0012] In any large even measurement system of the above methods, there is a possible not compact, practicality from the viewpoint of possible thin like be applied to industrial problems. 特に、近年地球規模の環境問題に対する関心度が高まりつつあり、大気汚染に起因するガスの検出等の要求が増え、実用的で、且つコンパクトなガス濃度検出装置、または簡単な構成のガスセンサが要求されていることから、工業上の実用性、測定精度の再現性などの面が強く要求される中、現状を考えると上記の3つの方法では、実験室レベルであるため、工業上の要求を満たすことがかなり難しい。 In particular, in recent years there growing interest for global environmental issues, increased demand for detection of gas due to air pollution, practical and compact gas concentration measuring device or a gas sensor is required a simple structure since it was, industrial practicality, in the terms of reproducibility of the measurement accuracy is required strongly, considering the current situation in the above three methods, for a laboratory, the industrial demand for it is quite difficult to satisfy.

【0013】 [0013]

【課題を解決するための手段】上記の問題点について、 In order to achieve the above object, the above-mentioned problems,
特に実用性、コンパクト性を着目し、全く新しいアプローチを理論及び実験的に検討した結果、ガスセルモジュール、エルビムドープファイバ増幅器(EDFA)及び光ファイバ型部品を組み合わせて光学的な手投により非破壊的なガス濃度の検出又はガスの圧力(分圧を含む) In particular utility, attention compactness, the result of studying an entirely new approach theoretically and experimentally, the gas cell module, El Bim doped fiber amplifier (EDFA) and non-destructive by optical Teto by combining optical fiber type component detecting or gas pressure of the specific gas concentration (including partial pressure)
をモニタリングする方法を開発することができた。 Was able to develop a method of monitoring. 即ち以下の手段をもって上記の問題点及び課題を解決することができた。 That has the following means can solve the problems and issues as described above.

【0014】本発明のうち請求項1記載のガスセンサは図1、3、9、10に示すように、光カップラ1の1つの入力ポートP 2と1つの出力ポートP 3間を、光ファイバ増幅器3、ガスセルモジュール4等を介して光ファイバ6でリング状に接続して、前記光ファイバ増幅器3 [0014] The gas sensor of claim 1, wherein one of the present invention as shown in FIG. 1,3,9,10, one input port P 2 of the optical coupler 1 and between one output port P 3, the optical fiber amplifier 3, and connected in a ring shape in the optical fiber 6 through the gas cell module 4 or the like, the optical fiber amplifier 3
によりレーザ発振可能なリング型光共振器7を構成し、 Configure capable of lasing ring-type optical resonator 7 by,
前記光カップラ1の他の出力ポートP 4又はリング型光共振器7に別途設けたモニタ用光カップラ8の出力ポートP 5を観測用のポートとしてなるものである。 It is made of the output port P 5 of the optical coupler 1 other output port P 4 or a ring-type optical resonator 7 monitoring optical coupler 8 provided separately to the port for observation.

【0015】本発明のうち請求項2記載のガスセンサは図1、3、9に示すように、光カップラ1の1つの入力ポートP 2と1つの出力ポートP 3間を、光ファイバ増幅器3、ガスセルモジュール4等を介して光ファイバ6 [0015] The gas sensor of claim 2 wherein one of the present invention as shown in FIG. 1,3,9, one input port P 2 of the optical coupler 1 and between one output port P 3, the optical fiber amplifier 3, optical fiber 6 through the gas cell module 4 or the like
でリング状に接続してリング型光共振器7を構成し、前記光カップラ1の他の入力ポートP 1に、リング型共振器7内にレーザ光を入力可能なるようにレーザダイオード9を接続し、前記光カップラ1の他の出力ポートP 4 In and constitute a ring to the ring-type optical resonator 7 is connected, connected to the other input port P 1 of the optical coupler 1, the laser diode 9 to be input becomes the laser beam into the ring the resonator 7 and, other output port P 4 of the optical coupler 1
又はリング型光共振器7に別途設けたモニタ用光カップラ8の出力ポートP 5を観測用のポートとしてなるものである。 Or made of the output port P 5 of the monitoring optical coupler 8 provided separately on the ring-type optical resonator 7 as a port for the observation.

【0016】本発明のうち請求項3記載のガスセンサは図1、3、9に示すように、光カップラ1の1つの入力ポートP 2と1つの出力ポートP 3間を、光ファイバ増幅器3、ガスセルモジュール4等を介して光ファイバ6 [0016] The gas sensor of claim 3, wherein one of the present invention as shown in FIG. 1,3,9, one input port P 2 of the optical coupler 1 and between one output port P 3, the optical fiber amplifier 3, optical fiber 6 through the gas cell module 4 or the like
でリング状に接続してリング型光共振器7を構成し、前記光カップラ1の他の入力ポートP 1に、リング型光共振器7内に異なる波長のレーザ光を入力可能なるように2つのレーザダイオード9を合分波器(12)を介して接続し、前記光カップラ1の他の出力ポートP 4又はリング型光共振器7に別途設けたモニタ用光カップラ8の出力ポートP 5を観測用のポートとしてなるものである。 In to a ring shape connected to the ring-type optical resonator 7, the other input port P 1 of the optical coupler 1, so that can be input laser light of different wavelengths to the ring-type optical resonator 7 2 one of the laser diode 9 is connected via demultiplexer (12), output port P 5 of the optical coupler 1 other output port P 4 or a ring-type optical resonator 7 is separately provided to the monitoring optical coupler 8 it is made as a port for observation.

【0017】本発明のうち請求項4記載のガスセンサは、前記リング型光共振器7の途中にアイソレータ2を設けてなるものである。 The gas sensor according to claim 4, wherein among the [0017] present invention is formed by providing an isolator 2 in the middle of the ring-type optical resonator 7.

【0018】本発明のうち請求項5記載のガスセンサは、前記リング型光共振器7の途中にバンドパスフィルタ5を設けてなるものである。 [0018] The gas sensor of claim 5, wherein out of the present invention is formed by providing a band-pass filter 5 in the middle of the ring-type optical resonator 7.

【0019】本発明のうち請求項6記載のガスセンサは、前記リング型光共振器7の途途中に光ファイバ型偏波コントローラ(10)と、リング共振器長制御用圧電変調素子(11)を設けてなるものである。 [0019] The gas sensor according to claim 6 of the present invention, the optical fiber-type polarization controller (10) during developing of the ring-type optical resonator 7, the ring resonator length control piezoelectric modulator element (11) it is intended to be provided.

【0020】本発明のうち請求項7記載のガスセンサは図2に示すように、ガスセルモジュール4は、被計測ガスに反応しないか又は反応しにくい材料で形成された筐体(20)に、同筐体(20)内をレーザ光が通過可能なレーザ通過孔(21)が貫通され、レーザ通過孔(2 [0020] The gas sensor according to claim 7, wherein one of the present invention as shown in FIG. 2, the gas cell module 4, the housing formed by the hardly or reaction does not react to the measured gas material (20), the housing (20) within the laser passage hole laser light can pass (21) is through the laser passage hole (2
1)の両端開口部の夫々に封止ガラス(22)が設けられ、各封止ガラス(22)の外側に光ファイバ(23) Sealing glass (22) is provided on each of both end openings of 1), outside the optical fiber of the sealing glass (22) (23)
が接続された光ファイバピッグテール型コネクタ(3 Optical fiber pigtail connector (3 but connected
0)を取り付けて、それを通してレーザ通過孔(21) 0) attached to the laser passage hole therethrough (21)
内へのレーザ光の入力、レーザ通過孔(21)から出射されるレーザ光の受光を可能とし、前記筐体(20)にガス導入孔(24)及びガス排出孔(25)が前記レーザ通過孔(21)と連通するように開口され、ガス導入孔(24)及びガス排出孔(25)の開口部にガス配管接続用コネクタ(31)を接続可能な接続部(26)が形成されてなり、前記レーザ通過孔(21)内はガス導入孔(24)及びガス排出孔(25)を通して真空引き可能であり、同レーザ通過孔(21)内にガス導入孔(24)から被測定用ガスを導入可能としてなるものである。 Input laser light to the inner, and enables the receiving of the laser beam emitted from the laser passage hole (21), the gas introduction hole (24) to the housing (20) and the gas outlet (25) of the laser passage It is opened so as to communicate with the hole (21), the gas introduction hole (24) and the connection portion capable of connecting a gas pipe connector (31) to the opening of the gas outlet (25) (26) is formed becomes, the laser passage hole (21) in is evacuable through a gas introduction hole (24) and the gas outlet (25), for the measurement from the gas introduction hole (24) in the laser passage hole (21) in it is made of a possible introduction of gas.

【0021】本発明のうち請求項8記載のガスセンサは図2に示すように、ガスセルモジュール4は、被計測ガスに反応しないか又は反応しにくい材料で形成された筐体(20)に、同筐体(20)内をレーザ光が通過可能なレーザ通過孔(21)が貫通され、レーザ通過孔(2 [0021] The gas sensor of claim 8, wherein one of the present invention as shown in FIG. 2, the gas cell module 4, the housing formed by the hardly or reaction does not react to the measured gas material (20), the housing (20) within the laser passage hole laser light can pass (21) is through the laser passage hole (2
1)の両端開口部の夫々に封止ガラス(22)が設けられ、各封止ガラス(22)の外側に、円筒状の突子(2 Sealing glass (22) is provided in the s husband both end openings of 1), outside each sealing glass (22), cylindrical projections (2
7)が形成され、各突子(27)にレンズ入りのレンズホルダ(28)が挿入され、各レンズホルダ(28)に光ファイバ(23)のフェルール(29)が接続され、 7) are formed, is inserted the lens holder (28) of the lens containing the respective projections (27), the ferrule of the optical fiber (23) (29) connected to the lens holder (28),
レンズホルダ(28)と円筒状の突子(27)の接合部分及びレンズホルダ(28)とフェルール(29)の接合部分が溶接され、前記フェルール(29)全体がフェルールスリーブ(32)、ネックカバー(33)等により保護されて光ファイバピッグテール型コネクタ(3 Bonding portion and the bonding portion of the lens holder (28) and ferrule (29) of the lens holder (28) and cylindrical projections (27) are welded, said ferrule (29) entirely ferrule sleeve (32), the neck cover (33) protected by such as an optical fiber pigtail connector (3
0)が構成され、前記筐体(20)に、前記レーザ通過孔(21)と連通するガス導入孔(24)及びガス排出孔(25)が開口され、ガス導入孔(24)及びガス排出孔(25)の開口部にガス配管接続用コネクタ(3 0) is configured, the in the housing (20), said laser passage hole (21) and communicating with the gas introducing hole (24) and the gas outlet (25) is opened, the gas introduction hole (24) and the gas discharge hole (25) a gas pipe connector to the opening of (3
1)を接続可能な接続部(26)が形成されてなり、前記レーザ通過孔(21)内はガス導入孔(24)及びガス排出孔(25)を通して真空引き可能であり、同レーザ通過孔(21)内にガス導入孔(24)から被測定用ガスを導入可能としてなるものである。 1) can be connected connection part (26) is formed, the laser passage hole (21) in is evacuable through a gas introduction hole (24) and the gas outlet (25), the laser passage hole (21) in which the gas introduction hole (24) made as a possible introduction of the measurement gas into the.

【0022】本発明のうち請求項9記載の気体検出方法は、請求項1乃至請求項8の夫々に記載のガスセンサを使用し、同ガスセンサにおける光ファイバ増幅器3のポンピングパワーを制御して発振していない自然放出光又は発振したレーザ光をリング型光共振器7内に導入して同リング型光共振器7内を周回させると共にガスセルモジュール6内を通過させ、ガスセルモジュール6内が真空のときと被測定用ガスが導入されてガス吸収が生じたときとの前記自然放出光又はレーザ光の強度変化を、観測用ポートを通してフォトダイオード、スペクトルアナライザ等により測定して、被測定用ガスの濃度又は圧力を検出するようにした方法である。 The gas detection method according to claim 9, wherein one of the present invention uses the gas sensor according to each of claims 1 to 8, and the oscillation by controlling the pump power of the optical fiber amplifier 3 in the same gas sensor the non spontaneous emission light or laser light oscillated passed through a gas cell module 6 together is around the ring-type optical same ring within the light resonator 7 is introduced into the resonator 7, when the gas cell module 6 is vacuum and the intensity change of the spontaneous emission light or laser light and when the measurement gas is introduced gas absorption occurs, the photodiode through the observation port, as measured by the spectrum analyzer or the like, the concentration of the gas to be measured or a method to detect the pressure.

【0023】本発明のうち請求項10記載の気体検出方法は、請求項2乃至請求項8の夫々のガスセンサを使用し、同ガスセンサにおけるリング型光共振器7中のバンドパスフィルタ5の透過中心波長が被測定用ガスの1つの吸収スペクトルと一致するようにし、光ファイバ増幅器3のポンピングパワーを制御して発振していない自然放出光又は発振したレーザ光をリング型光共振器7内に導入して同リング型光共振器7内を周回させると共にガスセルモジュール6内を通過させ、ガスセルモジュール6内が真空のときと被測定用ガスが導入されてガス吸収が生じたときとの前記自然放出光又はレーザ光の強度変化を、観測用ポートを通してフォトダイオード、スペクトルアナライザ等により測定して、被測定用ガスの濃度又は圧力を検出す The gas detection method according to claim 10, wherein one of the present invention uses a gas sensor of each of the claims 2 to 8, the transmission center of the bandpass filter 5 of the ring-type optical the resonator 7 in the same gas sensor wavelength to match the one of the absorption spectrum of the gas to be measured, introduced laser light spontaneously emitted light or oscillation does not oscillate the pump power control to the optical fiber amplifier 3 to the ring type optical resonator 7 to together to circulate the ring-type optical the resonator 7 is passed through the gas cell module 6, the spontaneous emission as when the gas cell module 6 is introduced under measurement gas in the case of vacuum gas absorption occurred the change in light intensity or a laser beam, a photodiode through observation port, as measured by the spectrum analyzer or the like, to detect the concentration or pressure of the gas to be measured ようにした方法である。 It is a method which is adapted.

【0024】本発明のうち請求項11記載の気体検出方法は、請求項1乃至請求項8記載の夫々のガスセンサを使用し、同ガスセンサにおけるリング型光共振器7中のバンドパスフィルタ5の透過中心波長、リング型光共振器7の共鳴波長、レーザダイオード9の発振波長が被測定用ガスの1つの吸収スペクトルと一致するようにし、 The gas detection method according to claim 11 of the present invention, according to claim 1 using a gas sensor of each of claim 8, wherein the transmission of the bandpass filter 5 of the ring-type optical the resonator 7 in the same gas sensor center wavelength, as the resonant wavelength of the ring-type optical resonator 7, the oscillation wavelength of the laser diode 9 matches one of the absorption spectrum of the gas to be measured,
レーザダイオード9からのレーザ光を光カップラ1を介してリング型光共振器7内に導入して同リング型光共振器7内を周回させると共にガスセルモジュール6内を通過させ、ガスセルモジュール6内が真空であるときと被測定用ガスが導入されて吸収が生じたときとの前記レーザ光の強度及び共振周波数の線幅情報の変化量をフォトダイオード、スペクトルアナライザ等で測定して、被計測用ガスの濃度又は圧力を検出するようにした方法である。 The laser light from the laser diode 9 passes the gas cell module 6 together with via an optical coupler 1 is introduced into the ring-type optical resonator 7 is around the same ring within the light resonator 7, the gas cell module 6 the laser light intensity and variation of the photo-diode line width information of the resonance frequency of the time to be measured for gas and when a vacuum has occurred absorbed is introduced, as measured by the spectrum analyzer or the like, for the measurement it is a method to detect the concentration or pressure of the gas.

【0025】本発明のうち請求項12記載の気体検出方法は、請求項3乃至請求項8記載の夫々のガスセンサを使用し、同ガスセンサにおける一方のレーザダイオード9発振波長が被測定用ガスの1つの吸収スペクトルに一致し、他方のレーザダイオード9の発振波長が被測定用ガスの吸収スペクトルから外され、且つ2つの波長がν The gas detection method according to claim 12, wherein of the present invention uses a gas sensor of each of the claims 3 to 8 wherein, one of the laser diode 9 oscillation wavelength in the same gas sensor is a gas under test 1 one of the match to the absorption spectrum, the oscillation wavelength of the other laser diode 9 is removed from the absorption spectrum of the gas to be measured, and two wavelengths ν
2 =mν、FRS+ν 1の関係(νは光の周波数、FS 2 = mν, FRS + ν 1 relationship ([nu is the optical frequency, FS
Rはリング型光共振器の共鳴周波数の間隔、mは正の整数)を有するようにし、前記2つのレーザダイオード9 R interval of the resonant frequency of the ring-type optical resonator, m is to have a positive integer), said two laser diodes 9
から異なる波長のレーザ光を光カップラ1を介してリング型光共振器7内に導入して同リング型光共振器7を周回させると共にガスセルモジュール6内を通過させ、ガスセルモジュール6内が真空であるときと被測定用ガスが導入されて吸収が生じたときとの両波長光の出力強度の比から、被測定用ガスの濃度又は圧力を検出するようにした方法である。 Different laser light wavelengths through the optical coupler 1 is introduced into the ring-type optical resonator 7 causes circulate the same ring-type optical resonator 7 and pass through the gas cell module 6, the gas cell module 6 by vacuum from from a certain time and the ratio of the output intensity of the two wavelength light as when absorption measured gas is introduced it has occurred, a method to detect the concentration or pressure of the gas to be measured.

【0026】本発明のうち請求項13記載の気体検出方法は、請求項9又は請求項10記載の気体検出方法において、ガスセンサにおけるリング型光共振器7中の光ファイバ増幅器3のボンピングパワーをレーザ発振閾値近傍に設定して被測定用ガスの検出を行うようにした方法である。 The gas detection method according to claim 13 of the present invention is a gas detection method according to claim 9 or claim 10, wherein, Bonn ping power of the optical fiber amplifier 3 of the ring-type optical the resonator 7 in the gas sensor set the laser near the oscillation threshold is a method to perform the detection of the gas to be measured.

【0027】本発明のうち請求項14記載の気体検出方法は、請求項10記載の気体検出方法において、ガスセンサにおけるリング型光共振器7中のバンドパスフィルタ5の中心波長透過帯域幅を少なくとも1nm以下の特性に設定するようにした方法ある。 The gas detection method according to claim 14, wherein of the present invention, in the gas detection method according to claim 10, wherein at least 1nm the center wavelength transmission bandwidth of the bandpass filter 5 of the ring-type optical the resonator 7 in the gas sensor One method was to set the following properties.

【0030】 [0030]

【発明の実施の形態】図3は本発明のガスセンサの実施の形態を示したものであり、2×2のカップラ(光ファイバカップラ)1をレーザ光の入出力の中心デバイスとして使用し、この光カップラ1の第2ポート(入力ポート)P 2と第3ポート(出力ポート)P 3とを、光ファイバ光学部品である光アイソレータ2、光ファイバ増幅器(ここではエルビウムドープファイバ増幅器(EDF Figure 3 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION, is shown an embodiment of a gas sensor of the present invention, 2 × 2 coupler (optical fiber coupler) 1 used as a center device of the laser beam output, the the second port (input port) P 2 of the optical coupler 1 and the third port (output port) P 3, the optical isolator 2 is an optical fiber optical parts, optical fiber amplifiers (here erbium-doped fiber amplifier (EDF
A)を使用)3、バンドパスフィルタ(BPF)5と、 Use the A)) 3, a band-pass filter (BPF) 5,
図2に示されるガスセルモジュール(GCM)4を介して光ファイバ6でリング状に接続して1つのリング型光共振器7を構成し、前記カップラ1の第1ポート(他の入力ポート)P 1に2×1合分波器(2×1WDM)1 Connected by optical fibers 6 in a ring shape to form one ring-type optical resonator 7 through the gas cell module (GCM) 4 shown in FIG. 2, the first port (other input port) of the coupler 1 P 1 to 2 × 1 Go demultiplexer (2 × WDM) 1
2を介して2つのレーザダイオード(LD)9(9 Two laser diodes via the 2 (LD) 9 (9
1 )、9(9 2 )を接続してこれらLD9 1 、9 2からリング型光共振器7内にレーザ光を入射できるようにし、且つ前記カップラ1の第4ポート(他の出力ポート)P 4に計測器(フォトダイオード30とオシロスコープ31からなるもの、スペクトルアナライザ32)を接続してリング型光共振器7内を周回するレーザ光又はEDFA3の自然放出光について所望の物理量(例えば光強度、共振周波数、共振周波数の線幅等)を計測できるようにしてある。 1), 9 (9 2) by connecting a to allow the incident laser beams from these LD 9 1, 9 2 in the ring-type optical resonator 7, and the fourth port of the coupler 1 (other output ports) P 4 the instrument (made of photodiode 30 and oscilloscope 31, a spectrum analyzer 32) desired physical quantity for spontaneous emission light of the laser beam or EDFA3 orbiting the connecting ring type optical within the resonator 7 (e.g. light intensity, resonant frequency, are also available measure the line width, etc.) of the resonance frequency.

【0031】前記光カップラ1は前記した通り4つのポートP 1 、P 2 、P 3 、P 4を有しており、第1ポートP 1に対する第3ポートP 3 、第2ポートP 2に対する第4ポートP 4はいずれもスルーポート、第1ポートP The first to said optical coupler 1 as four ports P 1 described above is, P 2, P 3, has a P 4, the first port P 1 to the third port P 3, the second port P 2 4 both port P 4 is through port, the first port P
1に対する第4ポートP 4 、第2ポートP 2に対する第3ポートP 3はいずれもクロスポートとしてある。 Fourth port P 4 to one, both with respect to the second port P 2 the third port P 3 is as a cross port.

【0032】前記GCM4は図2に示されるようにピッグテール型の光ファイバコネクタ30を備えており、筐体20は被測定用ガスと反応しない又は反応しにくい金属系材料又は合成樹脂系材料等で長方形立方体に作成されており、例えばSUSを用いて長方形立方体に作成されている。 [0032] The GCM4 is provided with an optical fiber connector 30 of the pigtail, as shown in FIG. 2, the housing 20 does not react with gas to be measured or the reaction hardly metallic material or synthetic resin material or the like Rectangular cubes are created, it has been created in a rectangular cube, for example, using SUS. この筐体20は、同筐体20にレーザ光を通すためのレーザ通過孔21が直線的に貫通されており、 The housing 20 includes a laser passage hole 21 for the passage of the laser beam are linearly through the Dokatamitai 20,
同通過孔21の各々の開口部には、封止ガラス22が嵌め込まれて密閉窓が形成され、封止ガラス22の手前に短い円筒状の突子27が形成され、この突子27の内側に球レンズが入ったレンズホルダ28が挿入され、このレンズホルダ28にPC研磨された光ファイバ(シングルモードファイバ)23入りのFCフェルール29が接続され、レンズホルダ28と円筒状の突子27の隣接する接続部分と、レンズホルダ28とフェルール29の接触部がYAGレーザ等により溶接され、FCフェルール29全体がフェルールスリーブ32及びネックカバー3 The opening of each of the passage hole 21 is sealed window formed sealing glass 22 is fitted into a short cylindrical projections 27 in front of the sealing glass 22 is formed inside the projections 27 the lens holder 28 containing the spherical lens is inserted, FC ferrule 29 of PC polished optical fiber (single mode fiber) 23 containing the lens holder 28 is connected, the lens holder 28 and the cylindrical projections 27 a connecting portion adjoining the contact portion of the lens holder 28 and the ferrule 29 is welded by YAG laser or the like, the entire FC ferrule 29 ferrule sleeve 32 and a neck cover 3
3により保護されて光ファイバピッグテール型コネクタ31が形成されている。 Optical fiber pigtail connector 31 is protected is formed by 3. また、筐体20のレーザ通過孔21と直交する方向の2つの側面には、各々ガス配管接続用雄ねじコネクタ31を接続可能とする雌ねじ(接続部)26が形成されたガス導入孔24及びガス排出孔2 Further, the two sides in the direction orthogonal to the laser passage hole 21 of the housing 20, the female screw (connection portion) 26 is formed a gas inlet 24 and a gas that enables each connecting gas pipe connection male thread connector 31 discharge hole 2
5が開口され、夫々レーザ通過孔21と筐体20内で連通されている。 5 is opened, it is communicated with each laser passage hole 21 and the housing 20.

【0033】前記ガス導入孔22とガス排出孔25はガスの導入排出及び真空引き用として使用でき、前記雌ねじ26に雄ねじコネクタをねじ込んでスウエージロック継手、ガス管等を接続してガスボンベ、真空引き装置等を接続することができ、前記レーザ通過孔21内にガスボンベから所望の被測定用ガスを導入したり、そのガス圧を所望圧に保持したり、また真空引き装置で真空引きしたりできるようにしてある。 [0033] The gas introduction hole 22 and the gas discharge holes 25 may be used for introducing exhaust and evacuation of gas, HSU Swagelock fitting by screwing male screw connector to the female screw 26, a gas cylinder and connecting the gas pipe or the like, vacuum It can be connected to pull apparatus or the like, or by introducing a desired measured gas from the gas cylinder to the laser passage hole 21, or hold the gas pressure to a desired pressure, also or evacuated with vacuum device It is to be so. そして、レーザ通過孔2 The laser passage hole 2
1内を真空にした状態、或いはガスを入れた状態で、同レーザ通過孔21内にビッグテール型コネクタの光ファイバ23からレーザ光を入力して空間伝搬(レーザ通過孔21と平行に空間伝搬)させ、この伝搬した光を反対側のビッグテール型コネクタの光ファイバ23から出力させることができるようにしてある。 A state where the 1 in a vacuum, or in a state containing the gas, parallel to the spatial propagation and space propagation (laser passage hole 21 to enter the laser beam from big-tail connector of the optical fiber 23 in the laser passage hole 21 ) it is, are to be able to output the light the propagation from the opposite side of the big-tail type connector of the optical fiber 23. 前記レーザ通過孔21内に被測定用ガスがある場合、レーザ光は被測定用ガスの吸収を受けて出力側のビッグテール型コネクタの光ファイバ23から出力される。 If there is to be measured for the gas in the laser passage hole 21, the laser beam is outputted from big-tail connector of the optical fiber 23 on the output side receives the absorption of gas to be measured.

【0034】前記光アイソレータ2、EDFA3、バンドパスフィルタ5は既に各方面で利用されているものから適切なものを用いることができる。 [0034] The optical isolator 2, EDFA3, band-pass filter 5 can already be used as appropriate from those utilized in various fields.

【0035】前記構成のガスセンサにおいてその主要な部分であるリング型光共振器7の特性を以下に説明する。 [0035] To explain the characteristics of the ring-type optical resonator 7 is its major part in the following in the gas sensor of the configuration. この特性は理論解析することにより求めることができる。 This property can be determined by theoretical analysis.

【0036】光カップラ1の第1〜第4のポートP 1 The first to fourth port P 1 of the optical coupler 1,
2 、P 3 、P 4における光の電界をその順番に、E The electric field of the light in that order in P 2, P 3, P 4 , E
1 、E 2 、E 3 、E 4とし、光カップラ1の挿入損失をγ 0 、ファイバの振幅伝搬減衰係数をα、共振器中の接続損失をηとする。 1, and E 2, E 3, E 4 , 0 the insertion loss of the optical coupler 1 gamma, the amplitude propagation attenuation coefficient of the fiber alpha, and the connection loss in the resonator eta. 第1ポートP 1の光の電界成分E 1 Electric field component of the first port P 1 light E 1
は時間の関数をも考慮した場合、数1で表すことができる。 If considering also the function of time, it can be represented by the number 1.

【0037】 [0037]

【数1】 [Number 1]

【0038】数1においてE 0は電界の振幅、ω 0は光の角周波数、φはその位相項を表す。 [0038] In Equation 1 E 0 is the electric field amplitude, omega 0 is the optical angular frequency, phi represents the phase terms. ここでリング型光共振器7のエネルギー授受の時間平均を考えると、カップラの挿入損失はγ 0であるので、電界E 1 、E 2 、E Now consider the time average of the energy exchange of the ring-type optical resonator 7, the insertion loss of the coupler is a gamma 0, an electric field E 1, E 2, E
3 、E 4について数2の関係が成り立つ。 3, number 2 of the relationship holds for E 4.

【0039】 [0039]

【数2】 [Number 2]

【0040】但し、|E i2 (i=1,2,3,4) はポートP 1 、P 2 、P 3 、P 4における光電界の時間平均強度である。 [0040] However, | E i | 2 (i = 1,2,3,4) is the time-averaged intensity of the light field in the port P 1, P 2, P 3 , P 4. 光カップラ1の結合係数をκとした場合、第3 If the coupling coefficient of the optical coupler 1 and the kappa, third
ポートP 3 、第4ポートP 4の電界E 3 、E 4は結合効率κ及び挿入損失γによって決まり、数3、数4と書くことができる。 Port P 3, an electric field E 3, E 4 of the fourth port P 4 is determined by the coupling efficiency κ and insertion loss gamma, it can be written as Equation 3, Equation 4.

【0041】 [0041]

【数3】 [Number 3]

【0042】 [0042]

【数4】 [Number 4]

【0043】ここでj=SQR(−1)である。 [0043] it is here j = SQR (-1). これは光が先に説明したクロスポートに結合する際、π/2の位相変化に伴うことがモード結合理論から知られており、またスルーポートに結合する場合、位相の変化が伴わないからである。 In case this is bound to the cross port light described above, that due to the phase change of [pi / 2 are the known mode coupling theory, also when attached to the through port, because the change in phase is not accompanied is there. また、第3ポートP 3の出力がリング内に伝搬して第2ポートP 2に到達するまでの変化を記述すると、透過率の関係から数5を得られる。 When the output of the third port P 3 to describe the changes to reach the second port P 2 propagates in the ring, the resulting number 5 from the relationship between the transmittance.

【0044】 [0044]

【数5】 [Number 5]

【0045】但し、τはリング型光共振器7での光の周回時間であり、τ=nL/cの関係を有する。 [0045] However, tau is the circulation time of light in the ring-type optical resonator 7 has a relationship τ = nL / c. nはファイバコアの屈折率、Lはリング型光共振器長、cは光速である。 n is the refractive index of the fiber core, L is the ring-type optical resonator length, c is the speed of light. また、βはファイバ中に伝搬する光の位相速度であり、βL=ω 0 τの関係を有する。 Moreover, beta is the phase velocity of the light propagating in the fiber, with the relationship βL = ω 0 τ. ηはリングの接続損失であるが、第3ポートP 3と第2ポートP 2を融着した場合、その損失が0.01dB以下と小さいので無視しても差し支えない。 Although η is a connection loss of the ring, when fused with the third port P 3 of the second port P 2, it is ignored because the loss is less and less 0.01dB no problem. ここで求めたい入力パワーに対する出力パワーの比率T(θ)は、T(θ)=|E 4 Wherein the ratio of output power to input power to be obtained T (theta) is, T (θ) = | E 4
2 /|E 12である。 | 2 / | E 1 | 2. 定常状態に到達した場合、第4ポートP 4の出力パワーE 4は数6で表すことができる。 When reaching the steady state, the output power E 4 of the fourth port P 4 can be expressed by Equation 6.

【0046】 [0046]

【数6】 [6]

【0047】数6において係数A、B、ξは数7で表され、χはガスによる吸収率、GはEDFA3の利得係数である。 The coefficients in the equation 6 A, B, ξ is represented by the number 7, chi absorption rate by the gas, G is the gain factor of EDFA3.

【0048】 [0048]

【数7】 [Equation 7]

【0049】また、位相変動φ(t)はローレンツ型を仮定すると、位相関数φ(t)は指数関数の減数形の自己相関関数(瞬間コヒーレント)δとなり、数8を計算すると数9が得られる。 [0049] Further, when the phase variation phi (t) is assumed Lorentzian, the phase function phi (t) is the autocorrelation function (instantaneous coherent) [delta] next meiotic shaped exponential number is calculated the number 8 9 obtained It is.

【0050】 [0050]

【数8】 [Equation 8]

【0051】 [0051]

【数9】 [Equation 9]

【0052】但し、演算子<…>は時間平均を求めるものとする。 [0052] However, operator <...> shall determine the average time. △ωは入力レーザ光の線幅△νの2π倍との関係がある。 △ ω is related with 2π times the line width △ ν of the input laser light. よって、定常状態において、出力電界の平均パワーと入力電界との平均パワーの比率は数6から透過率T(φ)は数10と書くことができる。 Therefore, in the steady state, the ratio of average power between the average power of the output field and the input electric field can be written as the transmittance T (phi) is the number 10 from 6. 但し、係数について数11、12、13を適応する。 However, to adapt the number 11, 12, 13 for the coefficients.

【0053】 [0053]

【数10】 [Number 10]

【0054】但し、係数について数11、12、13を適応する。 [0054] However, to accommodate the number 11, 12 and 13 for the coefficients.

【0055】 [0055]

【数11】 [Number 11]

【0056】 [0056]

【数12】 [Number 12]

【0057】 [0057]

【数13】 [Number 13]

【0058】数10から入出力のパワー比|E 42 [0058] The power ratio of the input and output from number 10 | E 4 | 2 /
|E 12はsin 2 (φ/2)=1の時最小値をとる。 | E 1 | 2 takes a minimum value when sin 2 (φ / 2) = 1. 即ち位相から来る共振条件はθ=2(q+π/2) That resonance conditions coming from the phase θ = 2 (q + π / 2)
のところにある。 In the place of. 但し、q=1,2,3,... で、結合係数κから来る共振条件はκ=Mである。 However, q = 1,2,3, ... a, the resonance condition that comes from the coupling coefficient κ is a κ = M. このことは入出力の電界比が一般的には複素数であるため、共振条件においてそれぞれ実数部及び虚数部がゼロにならなければならないことから実数部条件からはκ=M、虚数部条件からはθ=2(q+π/2)が求められる。 Since electric field ratio of this is input and output is generally a complex number, respectively the real part and from the real part condition from the imaginary part must be zero kappa = M, the imaginary part condition at the resonance condition θ = 2 (q + π / 2) is obtained.

【0059】次にリング型光共振器7のフィネスを求める。 [0059] Then obtain the finesse of the ring-type optical resonator 7. フィネスも定義から、共振時入出力パワー比の最小値(数14)の半分の値となる時の位相値θの差△f Finesse from or define, the difference △ f of the phase value θ of when the half value of the minimum value of the resonance at output power ratio (number 14)
(数15)が求められる。 (Number 15) is obtained.

【0060】 [0060]

【数14】 [Number 14]

【0061】 [0061]

【数15】 [Number 15]

【0062】横軸を周波数とした場合、共振ピークの間隔FSR(Free Spectral Range) を共振点における周波数の半値半幅△fの比がフィネス(Finess)となる。 [0062] If a horizontal axis represents a frequency, a ratio of the half width at half maximum △ f frequency in the resonance point of the interval FSR of the resonance peaks (Free Spectral Range) is finesse (Finess). 数式に表現するとFSR=C/(nL)からフィネスFは数16で表される。 Finesse F is the the FSR = C / (nL) expressed in Equation is represented by the number 16.

【0063】 [0063]

【数16】 [Number 16]

【0064】以上より、図4ではθが2(q+π/2) [0064] From the above, in FIG. 4 theta is 2 (q + π / 2)
と2((q+1)+π/2)の時に共振条件が満たされ、リング型光共振器7に入射した光が同リング型光共振器7内を周回し、その出力パワーは最小となる。 When the resonance condition at the time of 2 ((q + 1) + π / 2) is satisfied, light incident on the ring-type optical resonator 7 is around the same ring within the light resonator 7, the output power is minimized. また図4において、点線はTがdBm単位、実線は率(単位無し)を表したものである。 In Figure 4, the dotted line T is in dBm, the solid line illustrates a rate (unitless).

【0065】図3のガスセンサは以下に説明する微量気体の検出方法のいずれにも使用できる構成であり、本発明のガスセンサを構成する上で全ての部品を必要とするわけではない。 [0065] The gas sensor of FIG. 3 is a configuration that can be used in any method for detecting trace gases to be described below, does not require all of the components in order to constitute a gas sensor of the present invention. 例えば検出方法1のみを行う場合はレーザダイオード9や2×1WDM12を必要としない構成が可能である。 For example, when performing only the detection method 1 is capable of configuration that does not require a laser diode 9 and 2 × 1WDM12. 検出方法2のみ行う場合はレーザダイオード9を直接に光カップラ1の第1ポートP 1に接続する構成が可能である。 When performing only the detection method 2 it is can be configured to connect to the laser diode 9 directly to the first port P 1 of the optical coupler 1. また検出方法に応じて偏波コントローラ10、圧電変調素子(PZT)11、モニタ用光カップラ8を付け加えたり外した各種構成が可能である。 The polarization controller 10 in response to the detection method, a piezoelectric modulator element (PZT) 11, which can be variously configured to removed or added the monitoring optical coupler 8. 例えば、図1、9、10に示されるような構成がある。 For example, there is a configuration as shown in FIG. 1, 9 and 10.

【0066】 [0066]

【微量気体の検出方法1】図1に示したガスセンサにおいて、LD9 1及びLD9 2共にオフし(LDが接続されない図10の状態でも良い)、EDFA3のボンピングパワーを制御して、EDFA3の自然放出光(以後A The gas sensor shown in FIG. 1 [Detection method 1 of trace gas], LD 9 1 and LD 9 2 are both turned off (LD may be in the state of FIG. 10 is not connected), by controlling the EDFA3 Bonn ping power, EDFA3 natural emission (hereafter A
SE)をリング型光共振器7内に周回し、またBPF5 The SE) circling the ring-type optical resonator 7, also BPF5
の透過中心波長を被測定用ガスの1つの吸収スペクトルに合わせる。 Fit the transmission center wavelength to one of the absorption spectrum of the gas to be measured. この場合、周回するASEのパワー分布(波長に対するパワー分布)がBPF5によって設定された透過波長成分のみ周回する度にパワーが増幅され、 In this case, the power is amplified every time the power distribution of ASE orbiting (power distribution with respect to wavelength) circulates only transmission wavelength components that have been set by the BPF 5,
逆にその他の波長成分の光のパワーがどんどん減衰して行くことから、BPF5の設定中心波長成分のみパワーが集中して、EDFA3のポンピングパワーが強い場合には、リング型光共振器7内でBPF5の設定波長を中心にしたリングレーザ発振が起きる。 Since the optical power of the other wavelength component Conversely go steadily attenuated, and concentrated power only set central wavelength component BPF 5, when EDFA3 pumping power is strong, the ring-type optical Within resonator 7 ring laser oscillation centered on the set wavelength of BPF5 occurs. そして、リングレーザの発振波長の出力が、GCM4内に導入されたガスの濃度、又は圧力の量によって変化する。 The output of the oscillation wavelength of the ring laser is changed by the amount of concentration of the gas introduced into the GCM4 or pressure. この変化量をフォトダイオード30に接続したオシロスコープ31、 Oscilloscope 31 connected to this variation in the photodiode 30,
或いはスペクトルアナライザ31で測定することによりGCM4内のガス濃度又は圧力を検出することができる。 Alternatively it is possible to detect the gas concentration or pressure in GCM4 by measuring a spectrum analyzer 31.

【0067】上記方法においては、BPF5の中心波長透過帯域幅が少なくとも1nm以下の特性とすると、より発振制御しやすい安定なレーザ光が得られる。 [0067] In the method, if the center wavelength transmission bandwidth BPF5 is at least 1nm following properties, more oscillation control easily a stable laser light can be obtained. さらに、EDFA3のボンピングパワーをレーザ発振閾値近傍に設定すると、ガス吸収の検出において、吸収量のen Further, by setting the EDFA3 Bonn ping power near laser oscillation threshold, the detection of the gas absorption, the absorption amount of en
hancement を大きくすることができる。 hancement can be increased.

【0068】 [0068]

【微量気体の検出方法2】図3に示したガスセンサから光ファイバ型偏波コントローラ10、リング共振器長制御用圧電変調素子(PZT)11、モニタ用光カップラ8を外した図1のガスセンサにおいて、GCM4内を真空状態にし、次に2×1WDM12を介さずに直接にL Optical fiber-type polarization controller 10 from the gas sensor shown in FIG. 3 [trace gas detection method 2], the ring resonator length control piezoelectric modulator element (PZT) 11, the gas sensor of Figure 1 has been removed the monitoring optical coupler 8 , the inside of GCM4 evacuated, then directly to L without passing through the 2 × 1WDM12
D9 1の光をカップラのポートを経由してリング型光共振器内に導入する。 Via a coupler port D9 1 of light is introduced into the ring-type optical resonator. BPF5はその透過中心波長をLD BPF5 is the transmission center wavelength LD
1の発振波長に合わせ、またリング型光共振器7の長さ及びEDFA5の増幅度を適切に設定して同リング型光共振器7の共鳴周波数がLD9 1の発振波長に一致させ、LD9 1はその発振周波数を安定させるためにフイードバック制御を行う。 9 1 mating the oscillation wavelength, also to match the length and the oscillation wavelength resonance frequency of LD 9 1 of the amplification degree by appropriately setting the ring-type optical resonator 7 of EDFA5 ring-type optical resonator 7, LD 9 1 performs feedback control to stabilize the oscillation frequency. さらに、リング型光共振器7内の伝搬光の偏波状態を制御するための光ファイバ型偏波コントローラ10とガス吸収をモニタリングするためのPZT11をリング型光共振器7内に挿入する。 Furthermore, inserting the PZT11 for monitoring optical fiber-type polarization controller 10 and the gas absorption for controlling the polarization state of the propagating light of the ring-type optical the resonator 7 to the ring-type optical resonator 7. そしてPZT11をスキャンしながら、光カップラ1の第4ポートP 4の光をフォトダイオード30により受光し、フォトダイオード30の電気信号をオシロスコープ31により測定する。 And while scanning the PZT11, the light of the fourth port P 4 of the optical coupler 1 is received by the photodiode 30 is measured by an oscilloscope 31 an electrical signal from the photodiode 30. 但し、LD9 1の波長は被測定用ガスの1つの吸収スペクトル成分に合わせておいた。 However, the wavelength of the LD 9 1 has had to fit one absorption spectral components of gas to be measured. 次に被測定用ガスをGCM4内に導入し、このとき出力信号においてはガスの吸収によりリング型光共振器7の内の光に対する損失分が増加する。 Then introducing the measurement gas into the GCM4, in the output signal at this time increases loss with respect to light of the ring-type optical resonator 7 by the absorption of gases. その結果、前記のリング型光共振器の共振条件がずれてしまうため、光の出力信号には光の強度及び共振周波数の線幅情報が変化する。 As a result, deviate the resonance condition of the ring-type optical resonator, the intensity and the line width information of the resonance frequency of the light changes in the optical output signal. この変化量を測定することによりガスの濃度または圧力を算出することができる。 By measuring the amount of change can be calculated concentration or pressure of the gas.

【0069】 [0069]

【ガスセンサの駆動方法3】図1に示した構成のガスセンサーにおいて、LD9 1の波長λ 1 (又は周波数ν 1 [Driving method 3 of the gas sensor The gas sensor having the configuration shown in FIG. 1, LD 9 1 wavelength lambda 1 (or frequency [nu 1
=光速/λ 1 )を被測定用ガスの1つの吸収スペクトル波長成分(同じλ 1吸収が生じる)に合わせ、LD9 2 = Combined speed of light / lambda 1) to one of the absorption spectrum wavelength components of gas to be measured (the same lambda 1 absorption occurs), LD 9 2
の波長λ 2 (又は周波数ν 2 =光速/λ 2 )には被測定用ガスの吸収スペクトルにない波長に設定する。 The wavelength lambda 2 (or frequency [nu 2 = speed of light / lambda 2) is set to a wavelength not in the absorption spectrum of the gas to be measured. この場合LD9 1及びLD9 2の発振周波数を安定化させるためのフイードバック制御も行う。 In this case feedback control for stabilizing the oscillation frequency of the LD 9 1 and LD 9 2 also performs. 但し、波長λ 1と波長λ 2とはν 2 =mν、FRS+ν 1の関係を有し、且つνFSRとはリング型光共振器7の共鳴周波数の間隔であって、mは正の整数である。 However, having the relationship ν 2 = mν, FRS + ν 1 is the wavelength lambda 1 and wavelength lambda 2, and the νFSR a spacing resonance frequency of the ring-type optical resonator 7, m is a positive integer . また、この場合、リング型光共振器7内のBPF5を外し、その代わりにリングを周回する光をモニタリングするための高結合効率の光ファイバカップラ(モニタ用光カップラ)8を設け、リング内のパワーをほんの一部だけ取り出して波長λ 1及び波長λ 2の光パワーを計測する。 In this case, remove the BPF5 ring type optical the resonator 7, a high coupling efficiency of the optical fiber coupler (monitoring optical coupler) 8 for providing monitoring light around the ring instead, in the ring Remove the power small part only measures the light power of the wavelength lambda 1 and wavelength lambda 2. そしてGCM4内にガスがない場合の両波長λ 1 、λ 2の光出力強度を光カップラ1の第4ポートP 4及び前記光カップラ8の出力ポート9で光スペクトルアナライザ32により測定しておく。 And both wavelengths lambda 1 in the absence of gas into GCM4, previously measured by an optical spectrum analyzer 32 the light output intensity of lambda 2 at output port 9 of the fourth port P 4 and the optical coupler 8 in the optical coupler 1. 次に被測定用ガスをGCM4内に導入し、LD9 Then introducing the measurement gas into the GCM4, LD9
1及びLD9 2から波長λ 1及び波長λ 2の光をリング型光共振器7内に入射させ、各々の光をGCM4に通過させる。 1 and LD 9 2 wavelength lambda 1 and wavelength lambda 2 of light is incident on the ring-type optical resonator 7, is passed through each of light GCM4. この場合、波長λ 1の光のみガスの吸収を受けるので、波長λ 1の光の出力強度は減衰されるが、波長λ 2の光は減衰されず、従って、波長λ 1及び波長λ 2 In this case, since receiving the absorption of only the gas light having a wavelength lambda 1, the output intensity of the light of wavelength lambda 1 is attenuated, the light of wavelength lambda 2 is not attenuated, thus, the wavelength lambda 1 and wavelength lambda 2
の光の出力強度の比を求めることにより、被測定用ガスの濃度または圧力を算出することができる。 Of by obtaining the ratio of the output intensity of the light, it is possible to calculate the concentration or pressure of the gas to be measured.

【0070】 [0070]

【実施例】図3の構成のガスセンサを以下のパラメーターを用いて作製し、1.5μm帯域に吸収を示すアセチレンガスを試料としたときの結果を以下に説明する。 EXAMPLES prepared using the parameters below gas sensor arrangement of FIG. 3, illustrating the acetylene gas which absorbs in 1.5μm band below the results when a sample. 光カップラ1の結合効率κ : 0.99 光カップラ1の挿入損失γ 0 : 0.3[dB] リング全長 : 15[m] ループ損失 : 4[dB] ファイバコアの屈折率 : 1.45 伝搬損失α0 : 0.2[dB/Km] 入射光波長λ : 1.53284[μm] (アセチレンのP(13)の吸収線に対応、PはPブランチ、13は回転量子数Jの番号) EDFA3のゲインの設定値(κ=Mとなる) : Coupling efficiency of the optical coupler 1 kappa: of 0.99 optical coupler 1 in the insertion loss γ 0: 0.3 [dB] Ring total length: 15 [m] Loop Loss: 4 [dB] fiber core refractive index of 1.45 Propagation loss α0: 0.2 [dB / Km] incident light wavelength λ: 1.53284 [μm] (corresponding to the absorption line of the P (13) acetylene, P is P branch, the 13 number of rotational quantum number J) EDFA3 the gain of the set value (κ = a M):
2.6655 位相の自己相関関数δ : 1(単色光とした) 波長に対する伝搬定数β及び長さLの積βL : 89 2.6655 autocorrelation function of the phase [delta]: 1 (and with monochromatic light) the product of the propagation constants for the wavelength β and the length L .beta.L: 89
18455.0319 [rad] モードの次数 : q=14194163 共振点の位相値 : 2qπ+π=89184559. 18455.0319 [rad] Mode of order: q = 14194163 phase value of the resonance point: 2qπ + π = 89184559.
551、2qπ=89184556.409 551,2qπ = 89184556.409

【0071】また、リング型光共振器7のフィネスを高くし且つ安定な共振状態を得るために、結合係数κを0.99の値を有する光カップラ1を用いた。 [0071] Further, in order to obtain a raised and a stable resonance state finesse of the ring-type optical resonator 7, using an optical coupler 1 having a value of the coupling coefficient kappa of 0.99. 図5、 Figure 5,
6、7に結合係数κ、共振結合係数M及びEDFA3の利得係数Gを変化させた場合に対する共振器7の透過率T及び数16に定義したフィネスの関係を示してある。 Coupling coefficient 6, 7 kappa, there is shown a relationship between the finesse defined transmittance T and the number 16 of the resonator 7 for the case of changing the resonant coupling coefficient M and EDFA3 gain factor G.
これらの特性図からκ、M及びGの最適値を選択した。 These characteristic diagram kappa, and select the optimal value of M and G.
以下はFSR、半値半幅(HWHM)、フィネスF及び透過率Tの値である。 The following FSR, half width at half maximum (HWHM), which is the value of the finesse F and the transmittance T. FSR : 13.783561[MHz] リング型光共振器7の半値半幅△f : 約44[kH FSR: 13.783561 [MHz] ring-type optical resonator 7 of the half width at half maximum △ f: about 44 [kH
z] リング型光共振器7のフィネスF : 313 共振点に於けるT(θ) : 約−56.7[dB] Mの値 : 0.9900301 Finesse F of z] ring-type optical resonator 7: 313 at the resonance point T (theta): about -56.7 [dB] M values: 0.9900301

【0072】このリング型光共振器7のGCM4に、吸収率χを有する被測定用ガスを入れた場合の各特性に対する変化は図8に示す通りであり、各々の吸収率χに対応した濃度のガスをリング型光共振器7内のGCM4に導入した場合、出力光の透過率T及びフィフイネスFが図8のように変化することから、これらの変化をモニタリングすることによりガスの濃度、または圧力を吸収率から換算して求めることができる。 [0072] Concentration This ring-type optical resonator 7 of GCM4, changes to the characteristics when placed under measurement gas having an absorption rate χ is as shown in FIG. 8, corresponding to the respective absorption of χ case of introducing gas into GCM4 ring type optical the resonator 7, since the transmittance T and Fifuinesu F of the output light changes as shown in FIG. 8, the concentration of a gas by monitoring these changes or, it can be obtained by converting the pressure from the absorption rate.

【0073】被測定用ガスとしてアセチレンガスを用いて検出実験を行った。 [0073] Detection was performed experiments using acetylene gas as a gas to be measured. 但し、この実験では検出方法による変化が大きいため、実施例を3つに分けて記述する。 However, since a large change due to the detection method in this experiment is described in three embodiments.

【0074】 [0074]

【前記検出方法1を用いた場合】図1に示した光ファイバリング型光共振器型のガスセンサにおいて、LD9 1 11. The detection method when using one gas sensor of the optical fiber ring optical resonator type shown in FIG. 1, LD 9 1
びLD9 2共に停止し(取り外した状態、例えば図9のような構成にしても良い)、EDFA3のポンピングパワーを制御して、EDFA3のASEをリング型光共振器7内に周回させる。 Beauty LD 9 2 both stops (detached state, may be configured as shown in FIG. 9 for example), by controlling the EDFA3 pumping power, thereby orbiting EDFA3 of ASE in the ring-type optical resonator 7. BPF5はその透過中心波長をアセチレンガスのP(13)の吸収スペクトル波長1.5 BPF5 absorption spectrum wavelength 1.5 of P (13) of the acetylene gas and the transmission center wavelength
3284μmに合わせておく。 Keep fit to 3284μm. 次に、EDFA3のポンピングパワーをリングレーザ発振閾値近傍の強さに設定して、リングレーザ発振を引き起こし、リングレーザの光強度をカップラ1の第4ポートP 4接続したオシロスコープ31又はスペクトルアナライザ32により測定する。 Next, the EDFA3 pumping power by setting the strength of the neighboring ring laser oscillation threshold, causing a ring laser oscillator, an oscilloscope 31 or spectrum analyzer 32 was the fourth port P 4 connects the coupler 1 the light intensity of the ring laser Measure. 但し、まだこの時点ではGCM4内は真空状態である。 However, still at this point it is in GCM4 a vacuum state. そして次に、アセチレンガスをGCM4内に導入する。 And then introducing acetylene gas into the GCM4. この場合、リングレーザの内部損失(共振器内全損失)がGCM4内のガスによる吸収で増加して、リングレーザの出力が低下する。 In this case, the internal loss of the ring laser (total losses in the resonator) is increased by absorption of the gas in the GCM4, the output of the ring laser is reduced. この低下量はガスの濃度又は圧力に依存するため、レーザ光の出力強度をモニタリングすることによりガスの濃度、又は圧力の変化量を検出することができる。 This decrease can be detected because it depends on the concentration or pressure of the gas, the concentration of a gas by monitoring the output intensity of the laser beam, or the amount of change in pressure. なお、リングレーザの発振波長の分布を狭くするため、BPF5の中心透過波長帯域幅は1 In order to narrow the distribution of the oscillation wavelength of the ring laser, the center transmission wavelength band in the BPF5 1
nm以下とし、EDFA3のボンピングパワーは発振閾値近傍に設定した。 And nm or less, EDFA3 Bonn ping power was set near the oscillation threshold.

【0075】そして、吸収率として、GCM4内にガスがない時の光出力パワーとガスが存在しているときの光出力パワーの比を定義すると、吸収率を算出してその吸収率からリングレーザの出力パワーとガスの濃度による吸収能力、即ちリングレーザ内部損失の関係から、出力パワーを濃度に換算することができる。 [0075] Then, as the absorption rate, defining the ratio of the optical output power when the optical output power and gas in the absence of gas into the GCM4 is present, the ring laser from its absorption rate is calculated absorptance output power and gas concentration due to absorption capacity, ie the relation of the ring laser internal loss, the output power can be converted into concentration. 図11は、閾値近傍で発振しているリングレーザに対するアセチレンガスの有無吸収における出力スペクトル特性であり、同図から明らかにガスがある場合とない場合とでリングレーザの出力パワーに変化が生じていることが分かる。 Figure 11 is an output spectrum characteristics in the presence or absence absorption of acetylene gas relative to the ring laser oscillates at the vicinity of the threshold, the change in the output power of the ring laser with and without a clearly gases from the figure is generated it can be seen that there. なお、図11において、ガスの圧力をパラメーターとしたが、理想気体方程式(PV=nRT)を用いれば、ガスの圧力から濃度が分かり、また圧力による出力変化が明らかということは、逆に出力をキャリブレーションをしておけば、出力から圧力、そして濃度を求められる。 In FIG. 11, although the pressure of the gas as a parameter, the use of the ideal gas equation (PV = nRT), see concentration from the pressure of the gas, also the fact that obviously the output change due to pressure, the output to the inverse Once you have the calibration pressure from the output, and asked to concentration.

【0076】 [0076]

【前記検出方法2を用いた場合】GCM4内を真空状態にし、WDM素子12を介さずに直接にLD9 1の光を光カップラ1の第1ポートP 1を経由してリング型光共振器7内に導入する。 [The detection method when using 2] was in GCM4 evacuated, the first port P 1 ring-type optical resonator 7 via direct the optical coupler 1 the LD 9 1 light without passing through the WDM element 12 It is introduced into the inside. BPF5はその透過中心波長をL BPF5 is the transmission center wavelength L
D9 1の発振波長λ 1 =1.53284μm(アセチレンのP(13)の吸収スペクトル波長に対応)に合わせておき、また、リング型光共振器7の長さ及びEDFA D9 1 of advance in accordance with the oscillation wavelength λ 1 = 1.53284μm (corresponding to the absorption spectrum wavelength of acetylene P (13)), also the length and the EDFA ring-type optical resonator 7
3の増幅度をリング型光共振器7の共鳴周波数を先に記載した値に設定した。 3 amplification degree is set to a value previously described resonance frequency of the ring-type optical resonator 7. また、LD9 1はその発振周波数を安定させるために通常のレーザ安定化手投を用いた。 Further, LD 9 1 was used an ordinary laser stabilization Teto to stabilize the oscillation frequency.

【0077】例えば、ファイバを圧電素子(PZT)で作ったリングに巻いておき、この圧電素子の直径をコントロールしたり、光源の周波数をコントロールしたり、 [0077] For example, in advance by winding a fiber ring made from piezoelectric elements (PZT), or to control the diameter of the piezoelectric element, or to control the frequency of the light source,
何れかを行う。 Do either. 共振点に周波数がちょうど一致しているかどうかを知るためには、光源の周波数、或いは共振器長を正弦波で変調しておいて共振器出力中のこの変調成分を同期検波で測定し、それが零になるようにコントロールをかけるのがフィードバック(帰還制御)である。 In order to know whether the frequency in the resonance point is exactly matched, and measurement frequency of the light source, or the modulation component of the resonator length in modulating resonator Keep in output a sine wave with synchronous detection, it There that apply a control such that the zero is the feedback (feedback control).
次に、リング型光共振器内に伝搬する光の偏波状態を制御するための光ファイバ型偏波コントローラ及びガス吸収をモニタリングするためのリング型光共振器長制御用圧電変調素子(以降PZT)をリング型光共振器7内に挿入する。 Next, the ring-type optical resonator length control piezoelectric modulator element for monitoring optical fiber polarization controllers and gas absorption for controlling the polarization state of light propagating in the ring-type optical resonator (hereinafter PZT ) is inserted into the ring-type optical resonator 7. そしてPZTをスキャンすることにより、カップラの出力ポートP 4に光をフォトダイオード素子(以降PD)により受光し、PDの電気信号をオシロスコープより測定する。 And by scanning the PZT, the light received by the photo diode elements (hereinafter PD) to the output port P 4 of the coupler, it is measured from the oscilloscope electrical signals PD. 次にサンプルガスをGCM4内に導入し、このとき前記の出力信号がガスの吸収によりリング型光共振器7の内の光に対する損失分が増加するため、共振条件がずれてしまい、光の出力信号には光の強度及び共振周波数の線幅情報が変化する。 Then introducing a sample gas into the GCM4, since the output signal of the this time is increased loss with respect to light of the ring-type optical resonator 7 by the absorption of gases, may shift if the resonance condition, the optical output linewidth information of the intensity and the resonance frequency of the light changes in the signal. この変化量を測定してガスの濃度または圧力に換算してアセチレンガスの濃度を求めた。 The amount of change was measured in terms of the concentration or pressure of the gas concentrations were determined acetylene gas.

【0078】 [0078]

【前記検出方法3を用いた場合】LD9 1の波長λ 1はアセチレンのP(13)の吸収線(1.53284μ [The detection method if 3 using] the wavelength lambda 1 of the LD 9 1 absorption line of P (13) acetylene (1.53284Myu
m)に合わせ、LD9 2の波長λ 2はアセチレンガスの吸収スペクトルにない波長に設定する。 m) the combined wavelength lambda 2 of the LD 9 2 is set to a wavelength not in the absorption spectrum of acetylene gas. 例えばリング型光共振器7の共振条件を考慮して、ν 2 =mνFRS+ For example consider the resonance condition of the ring-type optical resonator 7, ν 2 = mνFRS +
ν 1の関係を満たすようにLD9 2を設定する。 Setting the LD 9 2 so as to satisfy the [nu 1 relationship. 例えば、m=1000とした場合、λ 2は1.53176μ For example, when the m = 1000, λ 2 is 1.53176μ
mとなる。 A m. なお、望ましくはLD9 1及びLD9 2の発振周波数を安定化させるためのフィードバック制御も行う。 Incidentally, preferably also performs feedback control for stabilizing the oscillation frequency of the LD 9 1 and LD 9 2. この場合ではリング型光共振器7内のBPF5を外し、その代わりにリング内周回する光パワーをモニタリングするための高結合効率のモニタ用光カップラ8を設け、同カップラ8でリング内のパワーを僅かに一部分のみ取出して波長λ 1及び波長λ 2の光パワーを計測する。 In this case remove the BPF5 ring type optical the resonator 7, the monitoring optical coupler 8 of a high coupling efficiency for monitoring the optical power circulating in the ring instead provided, the power of the ring at the same coupler 8 taking out only slightly portion measures the light power of the wavelength lambda 1 and wavelength lambda 2. 図9はその構成系を示したものである。 Figure 9 shows the configuration system. そしてGC And GC
M4内にガスがない場合の両波長λ 1 、λ 2の光出力強度を光カップラ1、8の光出力端子において光スペクトルアナライザ32により測定しておく。 Previously measured by an optical spectrum analyzer 32 in both wavelength lambda 1, the light output of the optical coupler 1,8 light output intensity of lambda 2 in the absence of gas into the M4. 次にアセチレンガスをGCM4内に導入し、LD9 1及びLD9 2から波長λ 1 、λ 2の光をリング型光共振器7内に入射させ、それぞれの光をGCM4に通過させる。 Then introducing acetylene gas into the GCM4, LD9 1 and LD 9 2 wavelengths lambda 1 from is incident lambda 2 light to the ring-type optical resonator 7, is passed through each of light GCM4. そして波長λ 1の光のみガスの吸収を受けるので、波長λ 1の光の出力強度は減衰を受けることとなる。 And are also subject to the absorption wavelength lambda 1 of light only the gas, the output intensity of the light of wavelength lambda 1 becomes subject to decay. それに対して波長λ 2の光は吸収を受けないので、前記のガス無し場合の出力強度とは変化しないことになるので、波長λ 1及び波長λ 2の光の出力強度の比を求めることにより、ガスの濃度又は圧力を算出することができる。 Because it light of the wavelength lambda 2 with respect receives no absorption, it means that no change of the output intensity when the absence of the gas, by determining the ratio of the output intensity of the wavelength lambda 1 and wavelength lambda 2 of light , it is possible to calculate the concentration or pressure of the gas. なお、ここでは強度比を測定したが、先に説明したようにLD9 1及びLD9 2の波長についてフィネス及び出力パワーの変化を測定しても良いことは言うまでもない。 Here, was measured intensity ratio, that for the wavelength of LD 9 1 and LD 9 2 as previously described changes in finesse and output power may be measured course.

【0079】 [0079]

【発明の効果】本発明のガスセンサ及びそれを用いた微量気体の検出方法によれば次のような効果がある。 According to the gas sensor and the method for detecting trace gases using the same of the present invention has the following effects. 1. 1. 非常にコンパクトで実用的なガスセンサを簡単且つ安価に構成することができる。 Very it can be simply and inexpensively configured practical gas sensor compact. 2. 2. 測定再現性が高く、高感度、高精度である。 Measurement reproducibility is high, a high sensitivity, high accuracy. 3. 3. リング型光共振器7内の設計を変えることにより、 By changing the design of the ring-type optical the resonator 7,
各種入力用レーザを用いて多くガスに対して測定を行う受動型のリング型光共振器型ガスセンサを構成できる。 It is a ring-type optical resonator type gas sensor passive performing measurement for many gas using various input laser. 4. 4. 能動型、即ちリングレーザ型ガスセンサでは、挿入するBPF5を可変して、広い波長スペクトル領域において多くのガスの固有吸収スペクトルに対応することができる。 Active, that is, in a ring laser type gas sensor, and the BPF5 inserting variable and may correspond to intrinsic absorption spectra of a number of gas in a wide wavelength spectrum region. 例えば、実施例記載のEDFA3を用いた場合、1.5μm帯域では、アセチレンガス、二酸化炭素、一酸化炭素、水、NH 3 、等多くのガスに対応できる。 For example, when a EDFA3 embodiment described, the 1.5μm band, acetylene gas, carbon dioxide, carbon monoxide, water, NH 3, can accommodate an equal number of gas. 5. 5. エルビムをドープした光ファイバ増幅器3の代わりにその他の希土類イオンをドープした光ファイバを用いて、同様な構成を用いれば、より多くの波長帯域に応用できることが言うまでもないが、一例として、Ndイオンでは1.32〜1.35μm、Erイオンでは1.5 Using an optical fiber doped with other rare earth ions in place of the optical fiber amplifier 3 doped with Erubimu, by using the same configuration, although of course it can be applied to more wavelength band, as an example, the Nd ions 1.32~1.35μm, in the Er ion 1.5
2〜1.57μm、Hoイオンでは1.38μm、Yb 2~1.57μm, in the Ho ion 1.38μm, Yb
イオンでは1.084μm、Tmイオンでは1.47μ 1.084μm in the ion, 1.47μ in Tm ion
m、1.96〜2.08μm、Prイオンでは0.63 m, 1.96~2.08μm, the Pr ions 0.63
5μm,1.312μm近傍、など多くの波長帯域に波長可変リングレーザを構成することができる。 5 [mu] m, it is possible to constitute a tunable ring laser 1.312μm vicinity, such as many wavelength bands. 6. 6. 測定できる圧力即ち濃度の範囲が非常に広いため、 Because there is a very wide range of pressure or density can be measured,
大きなダイナミックレンジを有する。 It has a large dynamic range.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】本発明のガスセンサの第1の構成例を示した概略図。 1 is a schematic diagram showing a first configuration example of a gas sensor of the present invention.

【図2】本発明のガスセンサに使用するガスセルモジュールの一例を示した斜視図。 Perspective view showing an example of a gas cell module used in the gas sensor of the invention; FIG.

【図3】本発明のガスセンサの第2の構成例を示した概略図。 3 is a schematic diagram showing a second configuration example of a gas sensor of the present invention.

【図4】位相項θの変化に対する出力透過特性の変化を示した説明図。 Figure 4 is an explanatory view showing a change in output transmission characteristic with respect to changes in the phase term theta.

【図5】光カップラの結合効率κに対する透過率T [5] transmittance for the coupling efficiency κ light coupler T
(θ)及びフィネスの変化を示した説明図。 (Theta) and illustration showing variations of finesse.

【図6】共振結合係数に対する出力透過率T(θ)及びフイネスの変化を示した説明図。 Figure 6 is an explanatory diagram showing an output transmission T (theta) and the change in Fuinesu for resonant coupling coefficient.

【図7】EDFAの増幅利得係数Gによる出力透過率T [7] Output transmittance due to the amplification gain factor G of EDFA T
(θ)の変化を示した説明図。 Illustration showing variations in the (theta).

【図8】ガスの分子吸収率によるT(θ)、フイネス及び共振結合係数Mの変化を示した説明図。 [8] T by molecular absorption rate of the gas (theta), explanatory view showing a change in Fuinesu and resonant coupling coefficient M.

【図9】本発明のガスセンサの第3の構成例を示した概略図。 [9] Third schematic diagram showing a configuration example of a gas sensor of the present invention.

【図10】本発明のガスセンサの第4の構成例を示した概略図であり、リングレーザ型の例。 Figure 10 is a schematic diagram showing a fourth configuration example of the gas sensor of the present invention, examples of the ring laser type.

【図11】(a)、(b)はボンピングパワーを閾値近傍に設定した時の吸収スペクトルの出力特性の異なる例を示した説明図。 11 (a), (b) is an explanatory view showing another example of output characteristics of the absorption spectrum when setting the Bonn ping power threshold-value proximity.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1 光カップラ 2 アイソレータ 3 光ファイバ増幅器 4 ガスセルモジュール 5 バンドパスフィルタ 6 光ファイバ 7 リング型光共振器 8 モニタ用光カップラ 9 レーザダイオード 10 光ファイバ型偏波コントローラ 11 リング共振器長制御用圧電変調素子 12 合分波器 20 筐体 21 レーザ通過孔 22 封止ガラス 23 光ファイバ 24 ガス導入孔 25 ガス排出孔 26 接続部 27 突子 28 レンズホルダ 29 フェルール 30 光ファイバピッグテール型コネクタ 31 ガス配管接続用コネクタ 32 フェルールスリーブ 33 ネックカバー 1 optical coupler 2 isolator 3 optical fiber amplifier 4 gas cell module 5 bandpass filter 6 optical fibers 7 ring-type optical resonator 8 monitoring optical coupler 9 laser diode 10 optical fiber polarization controllers 11 ring resonator length control piezoelectric modulator element 12 Go demultiplexer 20 housing 21 laser passage hole 22 sealing glass 23 optical fiber 24 gas inlet holes 25 the gas discharge holes 26 connecting part 27 stems 28 lens holder 29 the ferrule 30 optical fiber pigtail connector 31 gas pipe connector 32 ferrule sleeve 33 neck cover

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 延夫 東京都世田谷区羽根木1−29−18 ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (72) inventor Nobuo Takeuchi Setagaya-ku, Tokyo Hanegi 1-29-18

Claims (14)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】光カップラ(1)の1つの入力ポート(P 1. A one input port of the optical coupler (1) (P
    2 )と1つの出力ポート(P 3 )間を、光ファイバ増幅器(3)、ガスセルモジュール(4)等を介して光ファイバ(6)でリング状に接続して、前記光ファイバ増幅器(3)によりレーザ発振可能なリング型光共振器(7)を構成し、前記光カップラ(1)の他の出力ポート(P 4 )又はリング型光共振器(7)に別途設けたモニタ用光カップラ(8)の出力ポート(P 5 )を観測用のポートとしてなることを特徴とするガスセンサ。 Between 2) and one output port (P 3), an optical fiber amplifier (3), connected in a ring shape by an optical fiber (6) through a gas cell module (4) or the like, the optical fiber amplifier (3) the laser can oscillate the ring-type optical resonator (7) constitutes said optical coupler (1) of the other output port (P 4) or a separately provided monitor optical coupler to the ring-type optical resonator (7) ( the gas sensor characterized by comprising an output port 8) and (P 5) as a port for the observation.
  2. 【請求項2】光カップラ(1)の1つの入力ポート(P Wherein one input port of the optical coupler (1) (P
    2 )と1つの出力ポート(P 3 )間を、光ファイバ増幅器(3)、ガスセルモジュール(4)等を介して光ファイバ(6)でリング状に接続してリング型光共振器(7)を構成し、前記光カップラ(1)の他の入力ポート(P 1 )に、リング型共振器(7)内にレーザ光を入力可能なるようにレーザダイオード(9)を接続し、前記光カップラ(1)の他の出力ポート(P 4 )又はリング型光共振器(7)に別途設けたモニタ用光カップラ(8)の出力ポート(P 5 )を観測用のポートとしてなることを特徴とするガスセンサ。 Between 2) and one output port (P 3), an optical fiber amplifier (3), the ring-type optical resonator connected in a ring shape in the optical fiber through a gas cell module (4), etc. (6) (7) constitute, in addition to the input port of the optical coupler (1) (P 1), connecting the laser diode (9) so as enable inputs the laser beam in a ring resonator (7), said optical coupler (1) other output port (P 4) or a characterized in that the ring-type optical resonator (7) provided separately output port of the monitoring optical coupler (8) to (P 5) as a port for the observation gas sensor for.
  3. 【請求項3】光カップラ(1)の1つの入力ポート(P Wherein one input port of the optical coupler (1) (P
    2 )と1つの出力ポート(P 3 )間を、光ファイバ増幅器(3)、ガスセルモジュール(4)等を介して光ファイバ(6)でリング状に接続してリング型光共振器(7)を構成し、前記光カップラ(1)の他の入力ポート(P 1 )に、リング型光共振器(7)内に異なる波長のレーザ光を入力可能なるように2つのレーザダイオード(9)を合分波器(12)を介して接続し、前記光カップラ(1)の他の出力ポート(P 4 )又はリング型光共振器(7)に別途設けたモニタ用光カップラ(8)の出力ポート(P 5 )を観測用のポートとしてなることを特徴とするガスセンサ。 Between 2) and one output port (P 3), an optical fiber amplifier (3), the ring-type optical resonator connected in a ring shape in the optical fiber through a gas cell module (4), etc. (6) (7) constitute, in addition to the input port of the optical coupler (1) (P 1), the ring-type optical resonator (7) can enter the laser light of different wavelengths in the made as two laser diodes (9) connected via demultiplexer (12), the output of the optical coupler (1) of the other output port (P 4) or a separately provided monitor optical coupler to the ring-type optical resonator (7) (8) the gas sensor characterized by comprising a port (P 5) as a port for the observation.
  4. 【請求項4】前記リング型光共振器(7)の途中にアイソレータ(2)を設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項3記載の夫々のガスセンサ。 Wherein said ring-type optical resonator (7) of claims 1 to 3 each of the gas sensor according to characterized in that a isolator (2) in the middle.
  5. 【請求項5】前記リング型光共振器(7)の途中にバンドパスフィルタ(5)を設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項4記載の夫々のガスセンサ。 Wherein said ring-type optical resonator (7) according to claim 1 to each of the gas sensor according to claim 4, characterized in that a band-pass filter (5) in the middle.
  6. 【請求項6】前記リング型光共振器(7)の途中に光ファイバ型偏波コントローラ(10)と、リング共振器長制御用圧電変調素子(11)を設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項5記載の夫々のガスセンサ。 6. A claim directed to an optical fiber-type polarization controller (10) in the middle of the ring-type optical resonator (7), characterized in that a ring resonator length control piezoelectric modulator element (11) 1 to each of the gas sensor according to claim 5, wherein.
  7. 【請求項7】ガスセルモジュール(4)は、被計測ガスに反応しないか又は反応しにくい材料で形成された筐体(20)に、同筐体(20)内をレーザ光が通過可能なレーザ通過孔(21)が貫通され、レーザ通過孔(2 7. A gas cell module (4) is a casing formed of hard to or reaction does not react to the measured gas material (20), Dokatamitai (20) laser light can pass through the laser passage hole (21) is through a laser passage hole (2
    1)の両端開口部の夫々に封止ガラス(22)が設けられ、各封止ガラス(22)の外側に光ファイバ(23) Sealing glass (22) is provided on each of both end openings of 1), outside the optical fiber of the sealing glass (22) (23)
    が接続された光ファイバピッグテール型コネクタ(3 Optical fiber pigtail connector (3 but connected
    0)を取り付けて、それを通してレーザ通過孔(21) 0) attached to the laser passage hole therethrough (21)
    内へのレーザ光の入力、レーザ通過孔(21)から出射されるレーザ光の受光を可能とし、前記筐体(20)にガス導入孔(24)及びガス排出孔(25)が前記レーザ通過孔(21)と連通するように開口され、ガス導入孔(24)及びガス排出孔(25)の開口部にガス配管接続用コネクタ(31)を接続可能な接続部(26)が形成されてなり、前記レーザ通過孔(21)内はガス導入孔(24)及びガス排出孔(25)を通して真空引き可能であり、同レーザ通過孔(21)内にガス導入孔(24)から被測定用ガスを導入可能としたことを特徴とする請求項1乃至請求項6記載の夫々のガスセンサ。 Input laser light to the inner, and enables the receiving of the laser beam emitted from the laser passage hole (21), the gas introduction hole (24) to the housing (20) and the gas outlet (25) of the laser passage It is opened so as to communicate with the hole (21), the gas introduction hole (24) and the connection portion capable of connecting a gas pipe connector (31) to the opening of the gas outlet (25) (26) is formed becomes, the laser passage hole (21) in is evacuable through a gas introduction hole (24) and the gas outlet (25), for the measurement from the gas introduction hole (24) in the laser passage hole (21) in It claims 1 to each of the gas sensor according to claim 6, characterized in that to allow introduction of gas.
  8. 【請求項8】ガスセルモジュール(4)は、被計測ガスに反応しないか又は反応しにくい材料で形成された筐体(20)に、同筐体(20)内をレーザ光が通過可能なレーザ通過孔(21)が貫通され、レーザ通過孔(2 8. Gas cell module (4) is a casing formed of hard to or reaction does not react to the measured gas material (20), Dokatamitai (20) laser light can pass through the laser passage hole (21) is through a laser passage hole (2
    1)の両端開口部の夫々に封止ガラス(22)が設けられ、各封止ガラス(22)の外側に、円筒状の突子(2 Sealing glass (22) is provided in the s husband both end openings of 1), outside each sealing glass (22), cylindrical projections (2
    7)が形成され、各突子(27)にレンズ入りのレンズホルダ(28)が挿入され、各レンズホルダ(28)に光ファイバ(23)のフェルール(29)が接続され、 7) are formed, is inserted the lens holder (28) of the lens containing the respective projections (27), the ferrule of the optical fiber (23) (29) connected to the lens holder (28),
    レンズホルダ(28)と円筒状の突子(27)の接合部分及びレンズホルダ(28)とフェルール(29)の接合部分が溶接され、前記フェルール(29)全体がフェルールスリーブ(32)、ネックカバー(33)等により保護されて光ファイバピッグテール型コネクタ(3 Bonding portion and the bonding portion of the lens holder (28) and ferrule (29) of the lens holder (28) and cylindrical projections (27) are welded, said ferrule (29) entirely ferrule sleeve (32), the neck cover (33) protected by such as an optical fiber pigtail connector (3
    0)が構成され、前記筐体(20)に、前記レーザ通過孔(21)と連通するガス導入孔(24)及びガス排出孔(25)が開口され、ガス導入孔(24)及びガス排出孔(25)の開口部にガス配管接続用コネクタ(3 0) is configured, the in the housing (20), said laser passage hole (21) and communicating with the gas introducing hole (24) and the gas outlet (25) is opened, the gas introduction hole (24) and the gas discharge hole (25) a gas pipe connector to the opening of (3
    1)を接続可能な接続部(26)が形成されてなり、前記レーザ通過孔(21)内はガス導入孔(24)及びガス排出孔(25)を通して真空引き可能であり、同レーザ通過孔(21)内にガス導入孔(24)から被測定用ガスを導入可能としたことを特徴とする請求項1乃至請求項7記載の夫々のガスセンサ。 1) can be connected connection part (26) is formed, the laser passage hole (21) in is evacuable through a gas introduction hole (24) and the gas outlet (25), the laser passage hole (21) claims 1 to 7 each of the gas sensor according to, characterized in that to allow introducing the measurement gas from the gas introduction hole (24) in the.
  9. 【請求項9】請求項1乃至請求項8記載の夫々のガスセンサを使用し、同ガスセンサにおける光ファイバ増幅器(3)のポンピングパワーを制御して発振していない自然放出光又は発振したレーザ光をリング型光共振器(7)内に導入して同リング型光共振器(7)内を周回させると共にガスセルモジュール(6)内を通過させ、 9. Using the gas sensor of each of the claims 1 to 8, wherein the spontaneous emission light or laser light oscillated not controlled to oscillate the pump power of the optical fiber amplifier in the same gas sensor (3) was allowed to pass through the gas cell module (6) with the introduction to the ring-type optical resonator (7) in to around the same ring-type optical resonator (7) inside,
    ガスセルモジュール(6)内が真空のときと被測定用ガスが導入されてガス吸収が生じたときとの前記自然放出光又はレーザ光の強度変化を、観測用ポートを通してフォトダイオード、スペクトルアナライザ等により測定して、被測定用ガスの濃度又は圧力を検出することを特徴とする気体検出方法。 Gas cell module (6) inside is introduced gas to be measured in the case of vacuum said intensity variation of the spontaneous emission light or laser light and when the gas absorption occurs, the photodiode through the observation port, a spectrum analyzer or the like measured and the gas detection method and detecting the concentration or pressure of the gas to be measured.
  10. 【請求項10】請求項1乃至請求項8記載の夫々のガスセンサを使用し、同ガスセンサにおけるリング型光共振器(7)中のバンドパスフィルタ(5)の透過中心波長が被測定用ガスの1つの吸収スペクトルと一致するようにし、光ファイバ増幅器(3)のポンピングパワーを制御して発振していない自然放出光又は発振したレーザ光をリング型光共振器(7)内に導入して同リング型光共振器(7)内を周回させると共にガスセルモジュール(6)内を通過させ、ガスセルモジュール(6)内が真空のときと被測定用ガスが導入されてガス吸収が生じたときとの前記自然放出光又はレーザ光の強度変化を、観測用ポートを通してフォトダイオード、スペクトルアナライザ等により測定して、被測定用ガスの濃度又は圧力を検出することを特 10. Using the gas sensor of each of claim 1 to claim 8, the transmission center wavelength of the gas to be measured of the bandpass filters in the ring-type optical resonator in the same gas sensor (7) (5) so as to match one of the absorption spectrum and the spontaneous emission light or laser light oscillated not controlled to oscillate the pump power of the optical fiber amplifier (3) is introduced into the ring-type optical resonator (7) same ring-type optical resonator (7) in and pass through the gas cell module (6) causes the orbit, the gas cell module (6) is introduced under measurement gas in the case of vacuum and when the gas absorption occurs Patent that the change in intensity of the spontaneous emission light or laser beam, a photodiode through observation port, as measured by the spectrum analyzer or the like, for detecting the concentration or pressure of the gas to be measured とする気体検出方法。 Gas detection method to be.
  11. 【請求項11】請求項1乃至請求項8記載の夫々のガスセンサを使用し、同ガスセンサにおけるリング型光共振器(7)中のバンドパスフィルタ(5)の透過中心波長、リング型光共振器(7)の共鳴波長、レーザダイオード(9)の発振波長が被測定用ガスの1つの吸収スペクトルと一致するようにし、レーザダイオード(9)からのレーザ光を光カップラ(1)を介してリング型光共振器(7)内に導入して同リング型光共振器(7)内を周回させると共にガスセルモジュール(6)内を通過させ、ガスセルモジュール(6)内が真空であるときと被測定用ガスが導入されて吸収が生じたときとの前記レーザ光の強度及び共振周波数の線幅情報の変化量をフォトダイオード、スペクトルアナライザ等で測定して、被計測用ガスの濃度又は 11. The method of claim 1 using a gas sensor of each of claim 8, wherein transmission center wavelength of the bandpass filter in the ring-type optical resonator in the same gas sensor (7) (5), the ring-type optical resonator resonant wavelength of (7), the oscillation wavelength of the laser diode (9) to match the one of the absorption spectrum of the gas to be measured, a ring through an optical coupler (1) the laser light from the laser diode (9) it is introduced into a mold optical cavity (7) in the ring-type optical resonator (7) in and pass through the gas cell module (6) causes the orbiting, measured and when the gas cell module (6) is a vacuum the laser light intensity and variation of the photo-diode line width information of the resonance frequency as when use gas has occurred absorbed is introduced, as measured by the spectrum analyzer or the like, of the measurement gas concentration or 力を検出することを特徴とする気体検出方法。 Gas detection method characterized by detecting a force.
  12. 【請求項12】請求項3乃至請求項8記載の夫々のガスセンサを使用し、同ガスセンサにおける一方のレーザダイオード(9)発振波長が被測定用ガスの1つの吸収スペクトルに一致し、他方のレーザダイオード(9)の発振波長が被測定用ガスの吸収スペクトルから外され、且つ2つの波長がν 2 =mν、FRS+ν 1の関係(νは光の周波数、FSRはリング型光共振器の共鳴周波数の間隔、mは正の整数)を有するようにし、前記2つのレーザダイオード(9)から異なる波長のレーザ光を光カップラ(1)を介してリング型光共振器(7)内に導入して同リング型光共振器(7)を周回させると共にガスセルモジュール(6)内を通過させ、ガスセルモジュール(6)内が真空であるときと被測定用ガスが導入されて吸収が生じたときと 12. Using the gas sensor of each of the claims 3 to 8 wherein, one laser diode (9) oscillation wavelength in the same gas sensor matches the one of the absorption spectrum of the gas to be measured, other laser is the oscillation wavelength of the diode (9) is removed from the absorption spectrum of the gas to be measured, and two wavelengths ν 2 = mν, FRS + ν 1 relationship ([nu is the optical frequency, FSR is the resonant frequency of the ring-type optical resonator interval, m is to have a positive integer), and introduced into the two ring-type optical resonator via an optical coupler (1) a laser beam having a different wavelength from the laser diode (9) (7) the It was allowed to pass through the gas cell module (6) causes circulate the ring-type optical resonator (7), and when the absorbent occurs introduces the measurement gas and when the gas cell module (6) is a vacuum の両波長光の出力強度の比から、 From the ratio of output intensity of the two wavelength light,
    被測定用ガスの濃度又は圧力を検出することを特徴とする気体検出方法。 Gas detection method characterized by detecting the concentration or pressure of the gas to be measured.
  13. 【請求項13】請求項9又は請求項10記載の気体検出方法において、ガスセンサにおけるリング型光共振器(7)中の光ファイバ増幅器(3)のボンピングパワーをレーザ発振閾値近傍に設定して被測定用ガスの検出を行うことを特徴とする気体検出方法。 13. The method of claim 9 or claim 10 gas detection method according, to set the Bonn ping power of the ring-type optical resonator in the gas sensor (7) in the optical fiber amplifier (3) in the vicinity of the laser oscillation threshold gas detection method characterized in that the detection of gas to be measured.
  14. 【請求項14】請求項10記載の気体検出方法において、ガスセンサにおけるリング型光共振器(7)中のバンドパスフィルタ(5)の中心波長透過帯域幅を少なくとも1nm以下の特性に設定することを特徴とする気体検出方法。 14. A gas detection method according to claim 10, to set at least 1nm following characteristics a center wavelength transmission bandwidth of the bandpass filters in the ring-type optical resonator (7) in the gas sensor (5) gas detection method according to claim.
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