JPH10503288A - 空洞内レーザースペクトル測定法（ｉｌｓ）による長高感度ガス検出のためのダイオード・レーザーポンプ線形空洞レーザーシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 １ｐｐｍ（百万分の一）以下の濃度から１ｐｐｔ（一兆分の一）まで延在する汚染物が空洞内レーザースペクトル測定法（ＩＬＳ）を用いて光学的に検出される。光学的にポンピングされる固体レーザー（ＩＬＳレーザー）（５００）を検出器として用いる。ＩＬＳレーザー（５００）は、ポンピング供給源（１００）によって光学的にポンピングされるレーザー空洞（９０２）に含まれるイオン拡散結晶媒体（５０７）を含む。ガス種汚染物を含むガスサンプルはレーザー空洞（９０２）の内部で前記イオン拡散結晶（５０７）の一側面に置かれる。ＩＬＳレーザー（５００）からの出力信号を検出分析し、（スペクトル・サインを介して）ガス種を同定する。ガス種の濃度もスペクトル・サインから決定できる。本発明の第１の実施例において、ＩＬＳレーザー（５００）は半導体ダイオード・レーザー（９１４）により光学的にポンピングされるイオン拡散結晶媒体（５０７）を含む。第２の実施例において、ＩＬＳレーザー（５００）は線形レーザー空洞（９０２）に含まれるイオン拡散結晶媒体（５０７）を含む。半導体ダイオード・レーザー（９１４）および線形レーザー空洞（９０２）の使用によって他の設計に比べ比較的小型かつコンパクトにＩＬＳレーザー（５００）を作成することができる。ガス検知システムが製造される小型／コンパクトな寸法は広範な現実用途に適合する。

Description

【発明の詳細な説明】 空洞内レーザースペクトル測定法（ＩＬＳ）による長高感度ガス検出のための ダイオード・レーザーポンプ線形空洞レーザーシステム 技術分野 本発明は一般にガスの汚染物検出、より特定すればガス分子、原子、ラジカル および／またはイオンの、一般に空洞内レーザースペクトル測定法（ＩＬＳ）と 呼ばれるレーザー技術による高感度検出に関する。 発明の背景 マイクロエレクトロニクス業界で使用する大量の半導体材料（例えばシリコン 薄膜）の調製において、汚染物を制御しなければならないことは周知となってい る。汚染物の制御ができないと、得られる製品は一般に意図した目的に有用では ないため、大量の資源の損失に継がる。 一般に、シリコン薄膜の製造において開始材料は基本的にガス、代表的には「 不活性ガス（Bulk）」（例えば、窒素またはアルゴン）または「活性ガス（Spec ialty）」（例えば、塩化水素、臭化水素、三塩化ボロンなど）から構成される 。半導体材料の調製のために設計された製造施設の良好な操業は開始ガスの純度 に直接影響される。 しかし、「汚染物質（contaminant）」とみなすことのできる多くの分子、原 子、ラジカル、およびイオン種が、半導体材料の処理に使用される不活性ガスお よび活性ガスに存在している。このような汚染物質は製造した半導体材料の品質 または処理効率のいずれかを劣化させることがある。 これらの汚染物質を制御するおよび／または排除する第１ステップは開始材料 として使用される不活性ガスおよび活性ガスにおける検出である。しかし従来の 検出法は一般に不十分である。これはその大部分が、開発された競合する工業標 準が次第に増加することにより作り出される状況によっている。さらに特定すれ ば、性能仕様が向上しつつもマイクロエレクトロニクス・デバイスの寸法が減少 したため、ガス純度の（即ち微小汚染物質が存在しないこと）要件が増加した。 この背景に対して、検出器の効率で幾つかの測定基準が重要であることは明ら かであろう：（１）サンプル中のガス分子総数あたり個数として一般に記述され る絶対検出感度（例えばＰＰＭまたは１０の６乗背景分子あたりの汚染物質分子 数）、（２）種別選択性、または他の種類の存在下において１種類の汚染を測定 する能力、（３）所望の信号対雑音比を得るための測定の迅速性、（４）批判脳 性および反応性ガスの両方における汚染物質をモニタする能力、（５）測定する ことのできるガス濃度の直線性とダイナミックレンジ。 現在最新の汚染物質（例えば水）検出用装置は各種の測定技術を含んでいる。 例えば、水蒸気検出用の現在最新の装置は、電導度と電気化学的大気圧イオン化 質量スペクトル測定ならびに直接吸収スペクトル測定法測定技術を使用する。こ れらの方法の各々は十分にこれらの条件を満たしていない。 本発明の状況では、レーザー技術、とくに空洞内レーザースペクトル測定（in tracavity laser spectroscopy：ＩＬＳ）が非常に高い感度レベルでガス種（汚 染物質）を検出するための検出器（センサー）として使用するように開示される 。本出願との関連において、レーザー技術は既知の方法よりガス種（汚染物質） 検出でまたとくに水蒸気検出で明らかな利点を提供している。 従来のガス種（汚染物質）検出へのレーザー応用では、レーザーが発生した放 射を用いてレーザー外部のガスサンプルを励起させ二次信号（例えばイオン化ま たは蛍光）を発生する。これ以外にも、ガスサンプルを通過した後のレーザー強 度を初期強度に対して正規化し、測定する（即ち吸光法）ことができる。直接吸 収スペクトル測定法は一般に外部光源からサンプルを通る光の透過度に関連し、 サンプル内での分子、原子、ラジカル、および／またはイオン吸収に起因する光 強度の減少を測定する。しかし検出感度は、二つの大きな数（光がサンプルを通 過する前の外部光源からの光強度とサンプルを出た後の強度）の減算に直接依存 する。この二つの大きな数の減算は直接吸収が一般に低感度測定法と見なされる 範囲に検出感度を制限している。 二十数年前、別の検出法として、レーザー自体を検出器として使用する空洞内 レーザースペクトル測定法が初めて開発された。たとえばG．Atkinson，a．Lauf er，M．Kurylo，"Detection of Free Radicals by an Intracavity Dye Laser T echnique,"59 Journal Of Chemical Physics，July 1，1973を参照。 空洞内レーザースペクトル測定法（ＩＬＳ）は従来の吸収スペクトル測定法の 利点と、他のレーザー技術例えばレーザー励起蛍光法（ＬＩＦ）や多光子イオン 化（ＭＰＩ）スペクトル測定法等に通常関連する高い検出感度とを組み合せてい る。ＩＬＳはマルチモードで均質の広帯域レーザーの光学共鳴空洞内に見られる ガス種の吸収に付随する空洞内損失に基づくものである。これらの空洞内吸収損 失は、マルチモードレーザの通常モードダイナミクスによりレーザー媒体で生成 される利得と競合する。伝統的に、ＩＬＳ研究はマルチモード属性が効率モード 競合に必要な条件を満たしていることからダイ・レーザの使用が一般化し、広範 囲の調節能力が多くの異なるガス種へのスペクトル的アクセスを提供している。 とくに、可視波長域での測定は線形２ミラー空洞を有するダイ・レーザを使用し て行なわれて来た。V.M．Baev，J．Eschner，J．Sierks，A．Weiler，and P.E． Toschek，"Regular dynamics of a multimode dye laser"，Optics Communicati ons，94（1992）436 - 444; およびJ.Sierks，V.M．Baev，and P.E．Toscheck ，"Enhancement of the sensitivity of a multimode dye laser to intracavit y absorption"，Optics Communications，96（1993）81 - 86を参照。 しかし液体ダイ・レーザは、液性と物理および光学的安定性を維持する必要性 から多くの実際的用途と互換性がない。ダイレーザはまた主として可視スペクト ル領域で動作する。多くのガス種の吸収強度は、ＩＬＳで定量的に検出可能であ るが、もっと低いエネルギー（たとえば近赤外）と比較して可視波長ではそれほ ど強くない。したがって赤外線での吸収遷移を使用する場合にもっと高い検出感 度が得られる。 ある種のＩＬＳ実験はマルチモードの、調整可能な固体レーザ媒体たとえば色 中心とチタン（Ｔｉ）：サファイアで行なわれた。たとえば、D．Gilmore，P．C vijin，G．Atkinson，"Intracavity Absorption Spectroscopy With a Titanium : Sapphire Laser"，Optics Communications 77（1990）385-89 参照。 高い検出感度の必要性が好適な方法として吸収分光法でそれまでに排除されて いるような実験条件で安定およびトランジェント種の両方を検出するためにもＩ ＬＳはうまく機能した。たとえば、ＩＬＳを用いて、たとえば超低温冷却チャン バ、プラズマ放電、光および熱分解、また超音波ジェット拡散等の環境中でガス サンプルを調べることも行なわれた。ＩＬＳは吸収の線形分析により定量的吸収 情報（例えば線の強度や衝突拡散係数等）を得るためにも用いられた。これらの 幾つかについてはG．Atkinson，"Intracavity Laser Spectroscopy"，SPIE Conf .，Soc．Opt．Eng．1637（1992）に記載されている。 ＩＬＳを実行する従来技術の方法は、実験室内での使用には好適であっても商 業的な条件では受け入れられないものである。商用実現の制約は基本的にこのよ うな検知器を便利な寸法で、比較的安価で、信頼性のあるものとすることを課し ている。 窒素環境中の小量の水蒸気をCr⁴⁺:YAGレーザで検出するためにＩＬＳ技術を使 用する可能性の実験的証明は、D．Gilmore，p．Cvijin，G．Atkinson，"Intraca vity Laser Spectroscopy in the 1.38 - 1.55 um Spectral Region Using a Mu ltimode Cr⁴⁺:YAG laser,"Opticas Communications 103（1993）370-74に記載さ れている。使用された実験装置は動作特性を証明するために十分なのもであった が、本発明で意図しているような商業用途での実施には望ましくないものだった 。 ダイオードポンプ方式の固体レーザをＩＬＳで使用する可能性は文献に見られ るが、従来技術でも全ての固体ダイオードポンプ式空洞内スペクトル測定を行な えるような開示は開示されるべきである。たとえばGilmore et al.(1990)，supr a，G.H．Atkinson(1992)，supra，A．Kachanov，A．charvat，and F．Stoeckel ，"Intracavity laser spectroscopy with vibronic solid state lasers: I．S pectro-temporal transient behavior of a Ti:Sapphire laser,"Journal of th e Optical Society of America B，11（1994）2412 -2421 参照。 つまり必要とされるのは、ユーザフレンドリー即ち比較的簡単な、直接吸収技 術糊点を有するが検出感度が劇的に向上しており、商業的に引き合うコストで活 性および不活性サンプル中のガス種を検出可能な検出システムである。 発明の要約 本発明の様々な側面において、１ｐｐｍ（百万分の一）以下で１ｐｐｔ（一兆 分の一）に達するレベルまでに延在する濃度で、ＩＬＳ技術を使用して光学的に 汚染物を検出する。内部に含まれるイオン拡散結晶媒体による光学共鳴空洞を含 む固体レーザを検知器として使用する。例えば水等のガス汚染物質を含むガスサ ンプルをイオン拡散レーザーの光学共鳴空洞（反射表面またはミラーの間）内部 で活性媒体の一方の側面に配置する。Ｔｍ³⁺、Ｔｂ³⁺：ＹＬＦおよびＴｍ³⁺：Ｙ ＡＧを含む各種のイオン拡散レーザー媒体を本明細書で説明するが、長軸方向お よび横断方向の多重空洞モードを有する他のイオン拡散結晶も同様に使用できる 。本発明の別の実施例において、固体レーザーはダイオード・レーザーポンプ式 固体レーザーを含み、レーザー空洞は線形空洞を含むことができる。 ガス検知システムはＩＬＳレーザーを動作させるのに必要な光学的励起を提供 するために使用されるポンピング・レーザー、問題の核種が吸収する波長領域で 動作する多モードＩＬＳレーザー、ＩＬＳレーザーの光学共鳴空洞内部に配置さ れたガスサンプル（光学共鳴空洞内部に配置されたガスサンプル用のセルを使用 するかまたはガスサンプルで空洞内の光学領域全体を充填することによる）、Ｉ ＬＳレーザーの出力をスペクトル的に分光することができる波長拡散スペクトル 分光計、ＩＬＳレーザー出力の波長ごとに分光した強度を測定できる検知器、お よび検知器からの信号を読み取り、コンピュータまたはその他のデジタル電子装 置で処理することのできる電子信号に変換することができるような電子回路を含 む。ガス検知システムはポンピング・レーザービームとＩＬＳレーザーからの出 力の強度を定期的に遮断するように設計された変調装置も含むことができる。 ガスサンプル中のガス種の存在を検出するための方法も開示する。本発明の方 法は、 （ａ）ダイオード・レーザーポンプ・レーザーの出力をレーザー空洞内に含ま れるイオン拡散結晶に配向することによりイオン拡散結晶からの出力ビームを発 生しレーザー空洞の励起前にレーザー空洞に含まれているガスサンプルを通過す るステップと、 （ｂ）レーザー空洞の励起後にイオン拡散結晶の出力ビームを検知器アセンブ リへ配向してガスサンプル中のガス種の存在および／または濃度を決定するステ ップと から構成される。 本発明の別の実施例において、ガス種の検出方法はポンピング発生源の出力ビ ームを、線形レーザー空洞内に含まれる利得媒体（例えばイオン拡散結晶）へ配 向することによる。使用するポンピング発生源は、例えば、半導体レーザーダイ オード、イオン拡散結晶レーザー（例えば、Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧ）、ガスレーザー、 ストロボ、またはＩＬＳレーザーを作動するのに必要な光学的励起を提供するた めに使用されるその他の適当な形態の光学ポンピングを含むことができる。 図面の簡単な説明 本発明の好適な実施例は添付の図面と関連して本明細書で以下で説明するが、 同じ参照番号は同じ部材を表わしている。本明細書で参照する図面は特に記載し ない限り正確な縮尺で図示されていないことを理解すべきである。 図１Ａおよび図１Ｂは、本発明による汚染物検知システムの略ブロック図であ る。図１Ａは基本構成を示し、また図１Ｂは図２に図示する好適実施例で実現さ れる構成を示す。 図２は、本発明による汚染物検知システムの好適実施例の更に詳細な略斜視図 である。 図３Ａから図３Ｃは、簡単なレーザー装置の略図と、このような装置から得ら れるスペクトル出力のグラフ表現（強度対波長）を含む。 図４は、図２に図示したチャンバ・コンポーネントを含むＩＬＳチャンバの略 斜視図で、幾つかのコンポーネントは部分断面的に図示してある。 図５は、図２に図示した汚染物検知システムとの関連で有用な代表的ＩＬＳレ ーザー結晶ホルダーとヒートシンクの斜視図である。 図６および図７は、本発明のＩＬＳレーザーの別の実施例の略図で、レーザー 空洞は二つのミラーの間に形成された線形レーザー空洞である。 図８は、レーザー強度（任意の単位）と波長（ｎｍ）座標で、１４５０から１ ４５５ｎｍ（ナノメートル）の波長にわたる代表的な水の吸収スペクトルを示す グラフ図である。 図９は半導体ダイオード・レーザーを使用して励起することができる幾つかの イオン拡散結晶のリストで、各々の同調範囲、１から３ミクロンの波長範囲にあ る幾つかのガス種の近赤外スペクトル吸収領域を示す。 好適実施例の説明 本発明を実施するために発明者らが現在意図している最良の態様を示す本発明 の特定の実施例をこれから詳細に参照する。適用される場合には別の実施例につ いても簡単に説明する。 既に簡単に説明したように、本発明の対象は半導体コンポーネントの製造に関 連した使用に特に好適であるから、本発明の代表的な好適実施例はこの状況で説 明する。しかしこのような説明は本発明の対象の利用または応用性に制限を加え ることを意図するものではなく、代表的な好適実施例を単に完全に説明するため に記載するものである。 この点で、本発明は汚染物の検出に特に適している。本明細書で用いている汚 染物は、例えばシリコン薄膜の製造即ちインレットラインで使用されるガス状物 質等において、例えばガス状の物質に存在するような分子、原子、ラジカル、お よびイオン種を表わす。これ以外に、術語汚染物は、例えば本発明を用いてライ ン（例えばＨＣｌライン）がガス状物質で十分にパージされたかを調べる場合等 のガス状物質自体を表わしている。 本発明の好適実施例によれば、また図１Ａを参照すると、ガス（汚染物）検知 システム１０はポンピング・レーザーシステムＡ、ＩＬＳレーザーとこれに付属 のチャンバーＢ、スペクトル分光計Ｃ、および検出器と付属の電子回路（例えば コンピュータ、デジタル電子回路、その他等）Ｄを含む。更に特定すれば、また 図１Ｂと図２を参照すると、ポンピング・レーザーシステムＡはポンピング・レ ーザー１００、ビーム整形光学系アセンブリ２００とビーム変調アセンブリ３０ ０を含む。レーザーおよびチャンバＢはチャンバ・アセンブリ４００とＩＬＳレ ーザー５００とを含むのが適当で、スペクトル分光計Ｃはスペクトル分光計アセ ンブリ６００を含むのが適当で、検出器Ｄは検出器アセンブリ７００とコンピュ ータ・システム８００を含むのが適当である。本明細書で後述するように、ガス 検知システム１０は有利にもガスサンプルに含まれているガス種（汚染物）を検 出する。一般に、ポンピング・レーザー駆動システムＡはＩＬＳレーザー５００ を、望ましくは閾値レベルでまたはその付近（ただし閾値以上）でポンピングし てレーザービームがガスサンプルを通過するようにし、ガスサンプルのスペクト ルが得られるようにする。このスペクトルは、操作時にガスサンプル内に含まれ 得るガス種（汚染物）の高感度レベルでの存在または濃度の高信頼性で正確な決 定ができるような検出器／コンピュータ・システムＤを使用して検出する。 図３Ａから図３Ｃを参照すると、空洞内レーザースペクトル測定法（ＩＬＳ） の一般原理が図示してある。もっとも簡単な条件では、レーザーは光学利得が発 生する利得媒体、ミラー等の光学素子から構成される共鳴器を含むものとして説 明できる。光学損失は媒体とレーザー空洞（例えば共鳴器）を含む光学素子の両 方で見られることがある。図３Ａを参照すると、もっとも簡単な形のレーザー装 置には周囲に各々ミラー２Ａと３Ａが配置される利得媒体１Ａを含むように模式 的に図示してある。ミラー２Ａおよび３Ａは広いスペクトル範囲にわたって高い 反射率の表面を有するようにコーティングされるのが普通である。例えば、ミラ ー２Ａの反射コーティングは全反射性とし、ミラー３Ａの反射コーティングは部 分反射性とすることである程度の光がレーザー空洞から逃げられるようにする。 ミラー２Ａおよび３Ａの反射表面の間の空間領域は、利得媒体が配置され、レー ザー共振器または空洞を形成し、本発明の状況ではいわゆる「空洞内領域」に関 連する。 レーザー出力の強度（Ｉ）は利得媒体が動作する波長領域（λ）と共鳴器エレ メント（例えばミラー２Ａ、３Ａ）の反射率の双方で決定できる。通常ではこの 出力は図３Ａのグラフに示してあるようなＩ対波長（λ）のプロットに示してあ るように、広く、シャープではっきりしたスペクトルの特徴を示さない。 レーザー空洞を形成するために異なる光学素子を選択することにより、レーザ ーのスペクトル出力を変更する、または「同調」することができる。例えば、ま た特に図３Ｂを参照すると、同調したレーザー共鳴器空洞は図３Ａに図示した高 反射率ミラー２Ａに置き換えられた回折格子２Ｂを含むことができる。図示した ように、レーザー装置は回折格子２Ｂ、ミラー３Ｂ、およびこれらの間に位置す る媒体１Ｂを含む。一般に、この同調したレーザーからのスペクトル出力の結果 は狭帯域で、利得媒体とミラーで定義されたレーザーのもとのスペクトル出力内 の波長として現われる（図３Ａ）。例えば、狭帯域出力を示している強度（Ｉ） 対波長（λ）の模式的プロットがグラフ３Ｂに図示してある。 レーザー出力は、ガス分子、原子、ラジカル、および／またはイオンを基底状 態または励起状態で光学共鳴器（例えば空洞）内部に配置することで変更するこ ともできる。図３Ｃを参照すると、このような構成のレーザーは高反射率ミラー ２Ｃ、部分反射ミラー３Ｃと媒体１Ｃ、およびこれらの間に配置してある空洞内 吸収剤４を含む。この場合、空洞内吸収剤４はガス種（例えば汚染物を含むサン プル等）を含む。空洞内ガス種のレーザー出力に対する影響を観察することがで きる。例えば、このような装置についてのＩ対λのプロットがグラフ３Ｃに図示 してある。グラフ３Ｃは空洞内吸収剤４内部に含まれるガス種の吸収スペクトル を含む。図３Ｃに図示した明白な吸収特性はレーザー利得が競合すべき空洞内の ガス種損失から得られる。 つまり空洞内種の吸収スペクトルはレーザーのスペクトル出力に現われる。特 に、共鳴器の利得特性に対して強い空洞内吸収特性が効率的に競合するような波 長でのレーザー出力強度（Ｉ）が更に減少している。その結果、図示したように 、グラフ３Ａに図示したように比較的スムーズな連続出力ではなく、グラフ３Ｃ に図示してあるような構造化レーザー出力が観察できる。グラフ３Ｃに図示した ような強度（Ｉ）の減少は空洞内のガス種による吸収が原因である、即ち吸収特 性が強くなるほど、レーザー出力強度の減少が大きくなる。本発明によれば、空 洞内吸収剤を使用する空洞内レーザー測定で得られた吸収スペクトルは当該ガス 種の高感度検出に使用できる。各々のガス種が各々の吸収スペクトル（サイン： signature）で個別に同定し得るため、当該ガス種（汚染物）の確実な同定に使 用できる。 本発明の発明者らは、レーザーシステムが閾値に達する際に本質的に発生する 利得と損失の競合の前および／またはその最中にレーザー共鳴器内部の吸収種（ ガス要素）の出現がＩＬＳの使用による検出感度を拡大することを発見した。空 洞内吸収剤に関連した損失がレーザー内部の利得と損失の競合の一部となるこ とを鑑みるに、弱い吸収遷移および／または極端に小さい吸収濃度どちらかに関 連した小さい吸収であっても利得／損失の競合中に劇的に増幅される。このよう な競合はＩＬＳ信号出力に明確に見られる（グラフ３Ｃ参照）。つまりこれらの 原理を用いることにより、ＩＬＳは弱い吸収および／または極端に小さい吸収濃 度の両方の検出に利用できる。 ＩＬＳ検出はレーザーを使用する他のスペクトル測定法とは有意に異なる。前 述したように、スペクトル測定に使用するレーザーの出力は代表的にはガス種に おいてモニターされる副次的現象を励起する。これ以外に、レーザーの出力をガ ス種に通し、レーザー出力の選択した波長の吸収がガスを特徴づけるための手段 を提供する。いずれの場合にも、レーザーの動作は測定しようとするガス種とは 独立しており影響を受けない。 しかし、ＩＬＳ検出では、レーザーの動作はガス種により直接的に影響を受け る。この方法では、ＩＬＳレーザー５００それ自体が検出器として機能する。特 に、ＩＬＳレーザー５００からの出力はレーザー空洞から出る時にガス種につい てのスペクトル測定情報を含んでいる。この動作モードはＩＬＳ検出ならびにＩ ＬＳレーザー５００に独特のものである。 したがってＩＬＳレーザー５００は従来のレーザーとは明らかに異なっており 従来のレーザーでは典型的でない動作特性を有している。例えば、損失を発生す るような吸収を起す種がＩＬＳレーザー５００のレーザー空洞ないに意図的に導 入される。このような吸収を起す種はＩＬＳレーザー５００の動作に影響を与え 出力を変化させる。 また、従来の用とに使用されるレーザーとも異なり、ＩＬＳレーザー５００は 閾値でまたはそれ以上の閾値付近で（例えば閾値出力の１０％以内）動作する。 しかし閾値付近での動作ではＩＬＳレーザー５００の出力を不安定にすることが 多い。したがってＩＬＳレーザー５００出力を安定化するような別の技術が必要 とされる。 対照的に、従来のレーザーは典型的に閾値以上で最大出力となるように十分に 動作する。しかし出力を最大にするのはＩＬＳレーザー５００の目的ではない。 したがって、非効率的および／または高い出力パワーを発生することのないレー ザー媒体も、このようなレーザー媒体が他の多くのレーザー用途では望ましくな い場合にＩＬＳ検出に使用できる。ＩＬＳレーザー５００の目的は光を発生する ことではなく、レーザー空洞内の損失をモニターすることである。前述したよう に、レーザー空洞内部でのモード競合により このようなＩＬＳレーザー５００ 内部の損失が感度を増加させて検出できる。 ＩＬＳ検出は従来の光学的スペクトル測定技術を越える増加感度を保有してい るので、弱い吸収を有するおよび／または極端に小さい吸収剤濃度を有するよう な背景ガスからの干渉は、従来のスペクトル測定技術では無視できるような場合 であっても有意であり得る。 ＩＬＳによるガスの検出は各種のレーザーシステムを使用して実現できる（本 明細書で用いているようなレーザーシステムはＩＬＳレーザー５００とポンピン グ・レーザー１００との両方を含む）。これらのレーザーシステムは各々が極端 に高い検出感度に必要とされる幾つかの共通属性を共有する。従来技術ではこの ような属性が３つ同定されている。第１に、レーザー発振のエネルギー閾値付近 でマルチモード動作を示す。第２に、レーザーシステムはモニターしようとする ガス種または汚染物（即ち分子、原子、ラジカル、および／またはイオン）の吸 収特性に比較して実質的に広い動作波長のバンド幅を有している。第３にレーザ ーシステムは安定した強度および波長を維持する。 異なる物理および光学特性を有する各種のＩＬＳレーザーシステムは極端に高 い検出感度での上記の基準に適合することが理解されよう。レーザーシステムの 異なる物理および光学特性はＩＬＳ測定を行なう実験条件（例えばデータ取得時 間）に関して等の明確なり点も提供し得る。更に、これらの異なる物理および光 学特性は以下の１つまたはそれ以上に影響する：（１）検出可能なガス種または 汚染物（即ち分子、原子、ラジカル、および／またはイオン）；（２）決定でき る各々のガス種の各々の濃度；および（３）検出を応用可能なサンプルの実際の 種類。後者の例としてはサンプルの合計圧力、サンプルの大きさ、およびサンプ ルが含まれる環境（例えば反応対安定環境）が挙られる。 このような一般原理の背景に対して、本発明の状況では、発明者らはガス種サ ンプルの汚染物の検出向上を提供する商業的に利用できる汚染物センサーシステ ム１０を工夫した。本発明の汚染物センサーシステム１０は極端に高感度の検出 で必要とされる前述の特徴の各々を有している。更に、本発明のＩＬＳレーザー システムは従来技術で開示されたどのＩＬＳレーザーシステムよりも小型、簡単 で、かつ製造が安価である。 図１Ａおよび図２を参照すると、また本発明の好適な実施例によれば、ガス検 知システム１０はレーザー駆動またはポンプ供給源１００と、ＩＬＳレーザー５ ００が内蔵されるチャンバ・アセンブリ４００を含むのが適当である。スペクト ル分光計６００と検出器／コンピュータ・システム７００、８００は、ＩＬＳレ ーザー５００からの出力に光学的に接続されるのが良く、ここで吸収スペクトル を適切に操作してガス種（汚染物）の存在および／または濃度の高感度検出を行 なえるようにする。 ＩＬＳレーザー５００を駆動するためには、ガス検知システム１０は十分な出 力で適切な波長領域の放射を供給し閾値でまたはそれよりわずかに上でＩＬＳレ ーザーを光学的に励起させるポンピング・レーザー供給源１００を必要とする。 この点について、レーザー媒体の利得が利得媒体、ミラー、および比ミラー空洞 内光学素子に関連した損失を含む光学損失全体ならびに光学共鳴器空洞内部の何 らかのガス種の吸収を越えるようにＩＬＳレーザー５００を動作させることが重 要である。更に、レーザー５００は複数長軸モードで、即ち広い波長領域にわた って動作するのが望ましい。典型的に、レーザー作用が起こる好適なバンド幅は ほぼ２から１５ナノメートル（ｎｍ）の間である。ＩＬＳレーザー５００はひと つ以上の横方向共鳴器モードでも動作できるが、これは必要ない。 本発明の好適実施例によれば、レーザー駆動部はポンピング・レーザー１００ として機能する半導体ダイオード・レーザーを含む。ポンピング・レーザー１０ ０即ち半導体ダイオード・レーザーの光学パラメータ（例えば平均出力密度、ピ ーク出力密度、ダイバージェンス、およびビーム直径等）は有利にもＩＬＳレー ザー５００の光学的要件と一致するのが適当である。理解されるように、これに は特定容積内で特定の時間間隔の間にポンピング・レーザーから任意の距離でど の程度の光子が供給できるのかを決定する必要がある。一般に、本発明によれば 、このような決定は既知の理論的定量的方程式にしたがって行ないポンピング・ レ ーザー１００がＩＬＳレーザー５００の光学特性と有利に一致するように適当に 選択する。 したがってダイオード・レーザー・ポンピング・レーザー１００は動作波長と 光学的パラメータに基づいて、単独でＩＬＳレーザー５００を励起するために使 用できるような方法で選択する。不利なことに、ダイオード・レーザーの出力ビ ームは従来技術で周知となっているように、高度に非対称および／または非点収 差がある。結果としてダイオード・レーザーの出力ビームをＩＬＳレーザー５０ ０に含まれるＩＬＳ利得媒体のモード容積と光学的に一致させるにはいくらかの 困難が伴う。本明細書で以下で更に詳細に説明するように、ビーム変調光学系例 えばビーム整形アセンブリ２００等を使用してダイオード・レーザーポンピング ・レーザー１００とＩＬＳレーザー５００の間の光学的一致を容易にすることが できる。 本発明のこの第１の実施例によれば、ポンピング・レーザー１００は波長λ_p で動作するダイオード・レーザーを含む（しかし、駆動部１００はＩＬＳレーザ ー５００を励起させるコヒーレントまたはインコヒーレントどちらかで、連続ま たはパルスどちらかの適当な光学ポンピング供給源を含むことができる）。 特に、ポンピング・レーザー供給源１００は従来どおりに動作し所望の周波数 バンドにわたり所望のバンド幅を有する放射を放出する。ポンピング・レーザー １００から伝播するビームＥは線形偏光され伝播平面に直角に回転できるのが適 している。 図２を続けて参照すると、ＩＬＳレーザー５００は、各々のミラー５０１、５ ０３、５０５の間の光路長全体で定義される光学共鳴空洞を含む。システム１０ を用いてレーザーそれ自体の構成要素（例えば利得媒体または結晶、ミラー、機 械的取り付け部、その他等）と化学的に反応しないサンプル内部のガス（汚染物 を検出するような場合に、共鳴空洞はミラー５０１、５０３、５０５の間の領域 で構成することができる。このような場合、ガスサンプル領域（即ちガスサンプ ルが存在する領域）は、（レーザー結晶５０７を除く）ミラー５０１、５０３、 ５０５の間の領域を含む。 しかし、レーザー構成要素の１つまたはそれ以上と化学的に反応するサンプル （例えば腐蝕性または反応性ガス）では、これらの構成要素からガスサンプルを 分離するのが望ましい。本発明の好適実施例では、サンプル分離システム４００ Ａを用いて有利にもレーザー構成要素からサンプルを隔離することができる。 図２および図４を参照すると、本発明の好適な態様において、サンプル・シス テム４００Ａはガスサンプル・セル・ホルダー４０７内部に適切に保持されるガ スサンプル・セル本体４０６を含むのが望ましい。各々のセルの窓４０４０、４ ０５はガスサンプル・セル本体４０６の遠位端に適切に取り付け、セル本体内部 のサンプルへ光学的なアクセスを提供する。窓４０４、４０５はまたセル本体４ ０６を適切に封止する。以下で更に詳細に説明するように、システム４００Ａが 適切に配置される領域は非点収差が補償されている。この非点収差の補正が行な われていれば、窓４０４、４０５は透過に対して以外でＩＬＳレーザービームの 出力を有意に変更したりまたは変動させるような「能動」光学素子ではない。イ ンレット導管４０８とアウトレット導管４０９はガスセル本体４０６に動作的に 接続する。 図４を参照すると、カップリング４０８、４０９を有利に使用して、ガス（汚 染物）サンプル・セルシステム４０４〜４０９へまたここからのガスサンプルの 十分かつ効率的な通路を確保する。したがって本発明のガス検知システム１０は 高圧を含む可変圧力でガス流を連続モニターできる。特に、ガスサンプル・セル 本体４０６を用いることで、大気圧またはＩＬＳレーザーがレーザー発振するよ うに設計された圧力とは異なる圧力（高いか低い）を有するガスを測定する際に 有利にもＩＬＳレーザー５００の動作が可能になる。このようなガスサンプル・ セル本体４０６なしでは、ＩＬＳレーザーがレーザー発振するように設計された 圧力とは異なる圧力を有するガスサンプルをモニターする場合にレーザー発振が 実現困難になる。つまり、ガスサンプル・セル本体４０６によって大気圧または ＩＬＳレーザーがレーザー発振するように設計された圧力を越えるような圧力を 有するガスサンプルでＩＬＳレーザー５００の安定した動作が行なえる。これ以 外にも、ガスサンプルは大気圧またはＩＬＳレーザーがレーザー発振するように 設計された圧力とは異なる圧力より低い圧力を有することがある（例えばガスサ ンプル・セル本体４０６が真空になる場合）。更に、ガスサンプル・セル本体４ ０６は圧力変動を有するガスサンプルでもＩＬＳレーザー５００の安定した動作 を行なうことができる。 ガスサンプル・セル本体４０６は１０ないし９０ミリメートル（ｍｍ）の範囲 が適している寸法を有するステンレス鋼またはアルミニウム製の本体を含むのが 良い。望ましくは、ガスサンプル・セル本体４０６はガスサンプル・セル本体４ ０６の中心で対照的な開口部を有する。望ましくは、ガスサンプル・セル本体４ ０６の開口部直径は入射ビームの直径よりわずかに大きくなるように選択してガ スサンプル・システム４００Ａの光学的アライメントが簡単に得られるようにす る。 窓４０４、４０５の厚みはガス検知システム１０の動作によって得られるＩＬ Ｓ吸収スペクトルの品質に干渉し得るような干渉効果を避けるように選択するの が適している。この態様によれば、窓４０４、４０５を形成するのに用いられる 材料はＩＬＳレーザー５００が動作する領域での吸収損失を最小限にするように 選択するのが最適である。窓４０４、４０５は光学的適合性のある材料、例えば コネチカット州ブールダーのリサーチ・エレクトロ・オプティクス社製のインフ ラジル^TM等から形成する。窓４０４、４０５はブリュースター角に向け反射防止 コーティングを施して窓表面からの反射損失を更に低減するのが適当である。こ のように設定すると、ガスサンプル・セル４０４〜４０６は分析しようとするガ スサンプルにビームＨを通過させることができる。カプラー４０８、４０９は、 閾値ポンピング条件を有意に変更することなくＩＬＳレーザー５００内部で窓４ ０４、４０５を再整列および／または整列させるのに必要とされるような簡単な 調節を提供するために選択するのが適している。システム４００Ａを用いる場合 の共鳴空洞はミラー５０１、５０３、５０５の間の物理長で形成されるのが良い （レーザー結晶５０７を含み、また窓４０４、４０５の間の領域とサンプルシス テム４００Ａを含む窓４０４、４０５自体も含む）。 チャンバ・アセンブリ４００内にシステム４００Ａが存在する場合、ガス検知 システム１０の使用によって得られたサンプルの吸収スペクトルがシステム４０ ０Ａ内部に含まれるガスサンプル中のガス（汚染物）の量または存在として正確 になるように検出しようとするチャンバ４００内部の何らかのガス（汚染物）を 適当に除去または排除することが必要である。本発明の好適な態様では、チャン バ４００は封止容器を有利にも構成し、これを検出しようとするガス（汚染物） でパージするか、または真空引きして検出しようとするガス（汚染物）を除去す るか、またはガス（汚染物）のレベルがサンプル・システム４００Ａで検出すべ きレベル以下まで何らかの方法で減少できるようにする。汚染物の連続除去は、 例えば、以下で完全に説明するようにゲッタリングによって実現できる。 図２および図４を参照すると、本発明の好適実施例において、チャンバ・アセ ンブリ４００（サンプル・システム４００Ａを除く）は容器基部４０１と着脱式 の上部４１０を含むのが適している。各々の窓４０２、４０３は、本体４０１の 壁に、適当な方法でまた内部に形成される光学共鳴空洞に対して適当な位置に適 切に配置する。容器基部４０１と上部４１０はステンレス鋼またはアルミニウム を含むのが良い。上部４１０は、真空引き、パージ、および／または内部の汚染 物の更なる除去に適した何らかの従来の技術により容器基部４０１へ有利に固定 される。例えば、ガスケット４１０Ａまたは封止装置（例えば機械的補助、金属 封止、接着剤、およびその他でどれも図示していない）と組み合せた何らかの適 当な手段をこの目的で使用できる。望ましくは容器基部４０１と上部４１０は相 対的な開封防止をしてユーザに渡す前に効果的に密封する。 チャンバ・アセンブリ４００をパージするまたは真空引きする目的で、真空ポ ンプ吸引するおよび／またはパージするためのインレット４１１と真空ポンプ吸 引するおよび／またはパージするためのアウトレット４１２も設ける。 窓４０２、４０３は容器基部４０１の壁に適当に配置することによりチャンバ ・アセンブリ４００への光学的アクセスを提供する。窓４０２には反射防止（Ａ Ｒ：antireflective）コーティングを設けるのが適当である。一方、窓４０３は ＡＲコーティングなしの光学窓を含むのが望ましい。窓４０２は波長λ_pで最大 透過を提供するように適切に設計する。同様に、ＩＬＳレーザー５００の動作波 長領域全体にわたって最大透過を提供するように窓４０３を適当に設計する。 さらに詳しくは、チャンバ４００（サンプル・システム４００Ａを除く）内部 のガス（汚染物）を受け入れ可能なレベルまで減少させることは、上部４１０を 備える封止可能な容器４０１をパージまたは真空引きしてガス（汚染物）のレベ ルがサンプル・システム内部のガスサンプル中で検出しようとするものより低く なるようにする。チャンバ・アセンブリ４００のガスに由来する損失は、（１） チャンバ内のガス濃度と（２）ガスサンプル・セル内のガス濃度の比率が、（１ ）空洞の長さ（即ちミラー５０１とミラー５０５の間の長さ）と、（２）セル本 体でＩＬＳレーザービームが横断する長さの間の比に等しい場合、ガスサンプル ・セル本体４０６のガスに起因する損失と匹敵する。 汚染物が水蒸気を含むような場合、チャンバ４００内部の水蒸気レベルをサン プル内に含まれている水蒸気レベル以下にまで減少する必要がある。本発明によ れば、１０ｐｐｔ（parts per trillion：一兆分の一）までの検出レベルが得ら れる。現在周知のまたは本発明以前に工夫された、汚染物（例えば水）をチャン バ４００（サンプル・システム４００Ａを除く）から除去する方法がいずれも本 発明の状況で実施できるが、チャンバは適当に封止し、不活性ガス例えば窒素を 内部に圧送する。場合によっては内部に含まれる全ての汚染物を実質的に除去す る真空上対を作成するようにチャンバ４００を更に脱気する必要があることもあ る。また脱気中にチャンバ４００を加熱するのも有用である。このような加熱ま たは「焼成」の適用によって、連続的に吸引中にチャンバ４００が実質的に冷却 された場合に高度の真空が実現できる。本発明の更に別の態様によれば、チャン バ４００内部の水を更に除去するためにチャンバ４００とゲッタ（図示してない ）を有利に使用することができる。当業者には理解されるように、水を連続吸収 する容量を有するゲッタ（例えば分子スポンジ）を用いて水（汚染物）のレベル をガスサンプル・セル４０４〜４０６で検出されるべき水濃度以下に減少させる ことができる。 ガスラインをコネクタ４０８，４０９へ接続しサンプル・システム４００Ａへ ガスを供給する（例えば、サンプルが腐蝕性ガスを含む場合）ことによりサンプ ルをサンプル・システム４００Ａへ適当に連通させる。 しかし、サンプルがレーザー要素と化学的に反応しないような場合、ガスサン プル領域はミラー５０１、５０３、５０５の間の物理領域で名目上形成される（ レーザー結晶５０７を除く）。サンプルはチャンバ４００それ自体に適当に連通 する（例えば、サンプルが非腐蝕性ガスを含む場合）。 簡単に前述したように、ＩＬＳレーザー５００はチャンバ４００内部にあるサ ンプルに含まれるガス種（汚染物例えば水蒸気）を適切に光学的に検出する。本 発明によれば、ＩＬＳレーザー５００は結晶ホルダー５０８に取り付けた結晶５ ０７を含むのが適当である。結晶５０７は入射ビームに対して結晶５０７も光学 的に位置するように結晶ホルダー５０８に取り付けるのが適当である。既に簡単 に説明したように、入射ビームはビーム整形光学系アセンブリ２００を用いて適 当に整形し、入射ビームＦがＩＬＳ利得媒体（例えば結晶５０７）のモード容積 と適当に一致するようにする。 一般に、ＩＬＳレーザー５００は、ガスサンプル例えばサンプル・システム４ ００Ａに含まれるサンプルにビームが向かう領域に対して空洞内領域のレーザー ビームが実質的に並行に（即ち非点収差を補正して）なるように、適切に構成す る。この目的で各種の光学構成を用いることができるが、これらのミラー構成が 特に有利であると分かった。このような構成はＩＬＳレーザービームの正確な非 点収差補正が行ないるので、レーザー発振閾値でＩＬＳレーザー５００をポンピ ングするのに必要な光学条件と、例えばサンプル・システム４００Ａに含まれる ようなガスサンプルに向かって実質的に平行なレーザービームの生成に同時に一 致させることができる。 本発明のこの態様によれば、各々のミラー５０１、５０５と屈折ミラー５０３ をこの目的で適切に使用する。ミラー５０１は望ましくはほぼλ_pを中心とする のが最適なＡＲコーティングを有する光学ミラーである。ミラー５０１も、ＩＬ Ｓレーザー５００の動作の所望のスペクトル領域で約９９．８％から約１００％ 程度の反射率を効率的に提供するコーティングを有する。ミラー５０１は凹面ミ ラーを含むのが適当である。望ましくは、ミラー５０３はミラー５０１と同様に 構成し同様の反射コーティングを有する屈折ミラーを含む。 望ましくは、ミラー５０５は平坦ミラーを含む（ＲＯＣ≒∞）。図２を参照す ると、ミラー５０５の一側面、ミラー５０３に面する面はＩＬＳレーザー５００ のレーザー発振に所望のスペクトル領域での反射コーティングが有利にも施して ある。ミラー５０５の他面はコーティングしないのが適当である。 望ましくはミラー５０５の表面は約０．５ないし約３．０°程度、最適には約 １．０°の角度で他方に対して楔状にするのが適当である。本発明の発明者らは このような方法で表面を楔上にするのが緩衝作用に継る望ましくない反射を最小 限にすることを発見した。 取り付け部５０２、５０４、５０６によって機械的調節でチャンバ４００内部 のＩＬＳ空洞と光学的に整列できる。 ミラー５０１、５０３、５０５の適当な設計、配置、構成によりビームＨはミ ラー５０３、５０５の間の領域で実質的に平行になる（即ちコリメートされてい る）。その結果、ＩＬＳレーザー５００の性能に顕著な悪影響を与えることなく サンプル・システム４００Ａを空洞内領域へ挿入できる。 しかしＩＬＳレーザー５００内部の反射表面（例えばミラーと窓）の間の距離 がＩＬＳレーザー内部で何らかの反射が発生しないようにする必要があることは 理解されよう。反射表面の間の距離が、結晶５０７の動作する波長に対して整数 倍の波長に等しい場合干渉パターンが発生する。 ＩＬＳレーザー結晶５０７はサイン吸収スペクトルが得られるガスサンプルに 含まれる汚染物（例えば水蒸気）の検出に適した波長領域で動作するのが望まし い。前述したように、ＩＬＳレーザー結晶５０７は一般にマルチモード・レーザ ーシステムの特徴を示す。ＩＬＳレーザー結晶５０７の出力のモード間隔は十分 に小さくしてガスサンプルの吸収性を正確に表わすようにすることは理解されよ う。ＩＬＳレーザー結晶５０７によって発生した光は約１ＧＨｚ（ギガヘルツ） より小さいモード間隔を有する、すなわち吸収バンドの正確なスペクトル再現を 保証するのが望ましい。特に好適なレーザー媒体は反射損失を最小限にするブリ ュースター角でカットした結晶５０７を含む。 効率を改善しても、現在入手可能なレーザー結晶はこれに関連して相当な損失 を有している。損失は熱に換る。本発明によれば、ＩＬＳレーザー結晶５０７は 動作において発生した熱を効果的に取り除けるような方法で取り付けるのが適当 である。しかしレーザー結晶の効率は新しい結晶が開発されるにつれて向上し続 けるので、排熱装置の必要性または要件は減少し、ある時点で損失は熱を除去す る必要性が全く無くなる程度まで十分に小さくなるであろうことは理解されるべ きである。しかし現在入手可能な結晶を使用すると、ＩＬＳレーザー５００はヒ ートシンク・システム５００Ａを含むのが望ましい。 更に図２を参照しまた図５も併せて参照すると、ヒートシンク・システム５０ ０Ａは取り付け部５０８と結晶５０７に接続する（図５には図示していない）。 図５に図示してあるように、結晶ホルダー５０８はＩＬＳレーザー結晶５０７を 機械的に保持するように適切に構成した２部分ホルダー５０８を含むのが望まし い。ヒートシンク・システム５００Ａは望ましくは銅製ヒートシンク・ブリッジ ５１０と熱電クーラー５０９と、熱電センサー５１１とを含むのが望ましい。更 に電気的温度制御インタフェース５１２をチャンバ４００の容器基部４０１へ器 に設ける。ブリッジ５１０、クーラー５０９、センサー５１１と併せて取り付け 部５０８はＩＬＳレーザー結晶５０７をＩＬＳレーザー５００を含む他の光学素 子に対して正確に整列するために使用しまた結晶の熱特性の制御を行なえるよう にする。 本発明の好適実施例によれば、ヒートシンク・システム５００ＡはＩＬＳレー ザー結晶５０７と直接物理的に接触する。ＩＬＳレーザー結晶５０７のビームＦ による光学的励起で通常動作中に発生する熱はＩＬＳレーザー結晶５０７から効 率的に取り出されることで結晶を比較的一定した動作温度に維持する。特に、本 発明では、ＩＬＳレーザー結晶５０７の温度は約±１℃以内で一定となるように 保持される。望ましくは、結晶ホルダー５０８はクーラー５０９およびヒートシ ンク・ブリッジ５１０と動作的に接続してある銅製／アルミニウム製とする。適 切には、ヒートシンク・ブリッジ５１０はチャンバ４００の容器基部４０１内に 配置した銅製ヒートシンクを含み余分な熱がＩＬＳレーザー結晶５０７から取り 出されるようにする。センサー５１１は結晶ホルダー５０８、クーラー５０９、 ヒートシンク・ブリッジ５１０、ＩＬＳレーザー結晶５０７の温度を測定して最 適な動作温度が維持されるようにする。本発明のこの態様によれば、ＩＬＳレー ザー結晶５０７の熱管理が得られるので、ガス検知システム１０の動作を不必要 に妥協させたり複雑化したりするような冷媒液の必要性を除外している。 ＩＬＳレーザー５００はＩＬＳレーザー結晶５０７を励起するビームとミラー ５０３から反射したビームの角度（ψ）が約２０°から３０°になるように適切 に配置し、更に望ましくは約２３°から２７°、また最適には約２５°となるよ うにする。このビーム（ビームＨ）はサンプル・システム４００Ａに向かう。 ＩＬＳレーザー５００からの出力ビームＧはサンプル・システム４００Ａを通 過した後スペクトル分光計アセンブリ６００へ向かう。このような方向は、例え ば図２に図示してあるように、ミラー取り付け部６０２に適切に取り付けられた 屈折ミラー６０１を用いることで得られる。屈折ミラー６０１はＩＬＳレーザー ５００の所望の動作スペクトル領域で高反射率のコーティングを含む平面ミラー を含むのが望ましい。 図２を続けて参照すると、スペクトル分光計アセンブリ６００はスペクトル的 にコヒーレントなビームを得られるように、特にサンプル中の汚染物の吸収スペ クトルが検出できるように設計した拡散回折格子を含む。適切には、スペクトル 分光計アセンブリ６００のスペクトル拡散は十分に広くしてこのような汚染物の 吸収性を明確に解像できるようにし、各々の汚染物の「サイン」の同定と汚染物 の濃度の定量的決定ができるようにする。何らかの現在周知または本発明以前に 工夫されたスペクトル分光計も本発明で使用できるが、望ましくはスペクトル分 光計アセンブリ６００は光学ビーム拡大アセンブリ６００Ｃおよび合焦レンズア センブリ６００Ｄとの組み合せで動作する２個の回折格子アセンブリ６００Ａ、 ６００Ｂを含む。光学ビーム拡大アセンブリ６００Ｃは取り付け部６０４、６０ ６を用いて検出器１０内部に適切に取り付けられるレンズ６０３、６０５を含む のが望ましい。レンズ６０３はネガティブレンズを含み、レンズ６０５はコリメ ータ・レンズを含むのが望ましい。各々は検出しようとするサンプル中の汚染物 の吸収スペクトル付近を中心とするＡＲコーティングを有するのが望ましい。 回折格子アセンブリ６００Ａ、６００Ｂは各々の回折格子取り付け部６０８。 ６１０に取り付けた各々の回折格子６０７、６０９を適切に含む。理解されるよ うに、取り付け部６０８、６１０によりスペクトル分光計アセンブリ６００内の 回折格子６０７、６０９の同調および調節ができる。 汚染物の吸収スペクトル付近を中心とするＡＲコーティングを有するのが望ま しいレンズ６１１はまた多チャンネル・アレイ検出器７０１にスペクトル分光計 の出力を合焦する。 ＩＬＳレーザー５００が動作するスペクトル領域はスペクトル分光計アセンブ リ６００が発生し、多チャンネル・アレイ検出器７０１が取り付け部７０２に適 切に固定されている平面を空間的に横断して移動する。多チャンネル・アレイ検 出器７０１を動作させここから情報を読み取るのに必要な制御およびタイミング 電子回路を含む電子回路基盤７０３は動作的に接続される。結果として特定の汚 染物のスペクトル的に拡散しガス検知システム１０を用いて同定しようとする吸 収スペクトル全体が得られる。汚染物の特定の吸収性の位置および相対強度を用 いることで検出されたガス（汚染物）を単離同定し検出されたガス（汚染物）の 量を定量的に決定する。 多チャンネル・アレイ検出器７０１は、例えばＩｎＧａＡｓ多チャンネル（２ ５６画素、１００μｍ間隔）アレイ検出器を含む。多チャンネル・アレイ検出器 ７０１で検出された光は各々の検出素子（画素）で電子的信号に変換されるのが 望ましく、この後信号はアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）・コンバータ８０１へ基 盤７０３経由で転送される。コンバータ８０１はＢＮＣコネクタとシールドケー ブル７０４経由で適切に接続し情報の正確な転送を保証する。データが変換され れば、これをコンピュータ８０２に送信し、コンピュータは電子的信号をスペク トル情報即ち特定のガス（汚染物）とガス（汚染物）の濃度を同定するスペクト ル的サインに変換するように適切にプログラムできる。 図２を参照すると、既に説明したように、ガス検知システム１０はポンピング ・レーザー１００がＩＬＳレーザーを閾値レベルでまたはその付近で動作させる とＩＬＳレーザー５００が動作するスペクトル解像領域を検出する。 前述したように、半導体ダイオード・レーザーの出力ビームは高度に非対称お よび／または非点収差がある。そのため、利得媒体（即ちＩＬＳレーザー結晶５ ０７）へ送り込まれるポンピング・レーザー１００からのポンピング放射の量は ＩＬＳレーザー５００の利得媒体内で光学的に励起されるべき量と適切に一致し ない。ビーム整形光学系２００を用いてこのような量の一致を行ない易くする。 これは要求される格子密度をＩＬＳレーザーの利得媒体の位置と容積に合焦する ことによりＩＬＳレーザー５００に供給される放射を最適化することである。特 に、ビーム整形光学系アセンブリ２００はレーザー５００の要件に一致するよう に駆動系１００のポンピング放射を変化させるために使用する。ダイオード・レ ーザー・ポンピングレーザーの出力ビーム（ビームＥ）に関連して非点収差や非 対称性、ダイバージェンスを補正するには、半導体ダイオードレーザーの幾つか のマイクロメータ内に配置される通常のマクロな光学系および／またはミクロな 光学系を使用できる。ダイオード・レーザーポンピングレーザー１００の出力ビ ーム（ビームＥ）を整形するために使用することのできるマクロな光学系の例と しては、ビーム延伸望遠系またはこれ以外ではアナモルフィック・プリズム対が 挙られる。 更に図２を参照すると、幾つかの用途で、ＩＬＳレーザー５００内のレーザー 媒体（例えばイオン拡散結晶またはガラス）５０７へ入射ビームをを適切に合焦 させることが必要とされる。本発明の好適な態様によれば、合焦レンズ２０６は レーザー・レンズ取り付け部２０７に有利にも取り付けてレンズ２０６がビーム Ｆの経路内に適切に配置されるようにする。本発明の特に好適な態様によれば、 合焦レンズ２０６は波長λ_pを中心とするＡＲコーティングを有する光学合焦レ ンズを含むのが適当である。 当業者には理解されるように、ガス検知システム１０の使用で得られる定量的 情報の品質は、少なくとも部分的にはポンピング・レーザー１００の安定動作に 依存する。本発明の状況において、ＩＬＳレーザー５００の安定性はどの程度の 再現性でＩＬＳレーザーが閾値に達するかに直接左右される。望ましくは、ポン ピング・レーザー１００は最高感度が得られる閾値付近で連続的にＩＬＳレーザ ー５００をポンピングするのが適当である。しかし、全ての駆動系が連続的に高 信頼性の動作ができるわけではない。それに加えて、連続動作させるのはＩＬＳ レーザー５００の振幅および波長の安定性を維持する実質的な努力を必要とする 傾向にありコストに対して悪影響を及ぼすことがあり、そのためガス検知システ ム１０の商業的な実用性に悪影響を発生する。 連続的にＩＬＳレーザー５００を動作させる代わりに、また本発明の好適実施 例によれば、ＩＬＳレーザーは「パルスモード」または「チョップモード」で動 作させる。本明細書で用いている術語「パルスモード」と「チョップモード」は ＩＬＳレーザー５００（即ちイオン拡散結晶５０７）を再現性のあるようにポン ピング放射へ露光し、ＩＬＳレーザーがオンオフ切り換えされるようにする処理 を意味する。チョッピングはポンプ放射を固定周波数でまた一定の（対照的なこ とが多い）動作サイクルでゼロ強度と固定強度値の間で変化させることに対応す る。これと対照的に、パルシングは変化することがあり典型的には非対称性の動 作サイクルでゼロ強度と非ゼロ強度（必ずしも固定されない）の間でポンピング 放射を変化させることに対応する（これ以外にも、ポンプビームの強度がゼロ強 度に達しないが少なくとも二つの決まった強度の間で往復的に変動することでＩ ＬＳレーザー５００が閾値の上下に交互に入るようにポンピング放射を変調する ことがある）。 チョップモードまたはパルスモードでの動作により、定量的スペクトルおよび 濃度測定に適したＩＬＳレーザー５００の安定動作が商業的に実用化できる方法 で得られる。このような強度変調（例えば遮断）は特に機械的に動作するチョッ パ、音響光学変調器、シャッター、その他を用いて実現できる。 これ以外にも、ポンピング・レーザー１００の出力強度は出力ビーム（ビーム Ｅ）を２次的にチョップする代わりに変調しても良い。特に、ダイオード・レー ザー・ポンピング・レーザー１００に供給される電気出力を変調して、ＩＬＳレ ーザー５００がレーザー発振するのに必要とされる電圧よりすぐ上とすぐ下の電 圧を交互に得ることができる。これにより、ＩＬＳレーザー５００は交互にオン オフされる。 現在周知のまたは本発明以前に工夫されたチョップモードまたはパルスモード を発生する方法を本発明にしたがって使用できるが、有利なことにこのようなモ ードはビーム変調アセンブリ３００の使用で得られる。望ましくは、変調装置３ ００はポンピングビームを操作せず、またＩＬＳレーザー出力ビームを励起する チャンバ４００の強度を変調するのと同期する。 本発明のこの態様によれば、ポンピング・レーザービームＥを定期的に遮断し また透過させるビーム変調アセンブリ３００によってビームＥがＩＬＳレーザー ５００に定期的に到達しないようにする。ビーム変調アセンブリ３００は各種の 装置、例えば機械的または電子光学的にポンピングレーザービームを定期的に遮 断または変調する装置を含み得ることが理解されるべきである。既に述べたよう に、本発明によれば、ポンピング・レーザー１００から発生するポンピング放射 の強度はＩＬＳレーザー５００が閾値に達するのに必要とされるより以下の強度 にだけ収まるべきであるから、ゼロ値に達する必要はない。更に、ポンピング・ レーザー１００からＩＬＳレーザー５００へ、変調の各周期の間に供給される光 学的にポンピングする全エネルギー（即ち積分強度）は一定のまま留まる必要が ある。 パルスモードまたはチョップモードいずれかで、吸収情報を含むＩＬＳレーザ ー５００の出力が定期的にサンプリングされる。有利にも、ポンピング・レーザ ー１００からの出力ビームＥが変調され、一方変調装置３０４はチャンバ４００ を出てくるＩＬＳレーザー５００の出力ビームを適切に変調し、これによってＩ ＬＳレーザーの出力を定期的にサンプリングする。変調アセンブリ３００はポン ピングレーザービームＥがＩＬＳレーザー５００利得媒体（例えばＩＬＳレーザ ー結晶５０７）に到達しないように交互に遮断し、一方変調器３０４はチャンバ ４００から出て来るＩＬＳレーザービームがスペクトル分光計アセンブリ６００ および検出器アセンブリ７００の両方に到達しないように遮断する。 チャンバ４００から出て来るＩＬＳレーザー５００出力は変調器３０４へ適切 に配向される。本発明の様々な態様によれば、変調器３０４は音響光学的変調器 を含む。他の利用可能な装置、例えば別の機械的に動作するチョッパまたはシャ ッターであってもこの目的に適当に使用できることは理解されるべきである。既 に述べたように、ＩＬＳレーザー５００射出ビームから定量情報を抽出するため に、変調器３０４は特定のサンプルに含まれる汚染物（例えばガス種）の吸収デ ータを含むＩＬＳレーザー５００の出力を定期的にサンプリングする。変調器３ ０４を用いる代わりに、検出器アセンブリ７００を交互にオンオフして、以下で 更に完全に説明するようにＩＬＳレーザー５００の出力を定期的にサンプリング しても良いことは理解されよう）。 変調の特定の形態が変化しても、変調の使用により再現性のある効率的なＩＬ Ｓレーザー５００内部の光路長の生成ができる。別の言い方をすれば、生成時間 （ｔ_g）を変化させることにより、即ちＩＬＳレーザー５００の空洞内モード競 合が発生できる時間間隔を変化させることで、空洞内共鳴器内部の効率的な吸収 経路長を制御しガス検知システム１０の最適な定量的応用が実現できるように選 択することができる。 有利にも、ポンピング・レーザー１００の出力の変調を変調器３０４と同期さ せて、ＩＬＳレーザー５００からの定量情報を時間的に解像する方法で抽出でき る。ポンピング放射ＥはポンピングビームＥをビーム変調アセンブリ３００に通 過させることで間欠的にＩＬＳレーザー５００へ効率的に供給する。間歇的に交 互に放射を供給することでＩＬＳレーザー５００を閾値付近にまた閾値以下にす る。生成時間ｔ_gが閾値でまたはわずかにそれより上のＩＬＳレーザー５００で 経過した後、ＩＬＳレーザー出力が変調器３０４により偏向されてスペクトル分 光計アセンブリ６００と検出器アセンブリ７００の入口へ検出のために向けられ る。しかし、ＩＬＳレーザー５００出力ビームＧはビーム変調アセンブリ３００ と変調器３０４の同期により決定される短い時間間隔の間だけスペクトル分光計 アセンブリ６００と検出器５００へ偏向される。ビーム変調アセンブリ３００と 変調器３０４の同期により、ＩＬＳレーザー５００からの放射が十分に決定され た時間間隔（ｔ_g）にわたってサンプリングされることを保証する。 ビーム変調アセンブリ３００と変調器３０４の同期は、ガス検知システム１０ へ動作的に接続したコンピュータ８０２で動作するデジタル回路（図示していな い）による電子制御による等、幾つかの従来の方法で実現できる。代表的には、 ビーム変調アセンブリ３００と変調器３０４の同期は、約３００から５００マイ クロ秒（μsec）以下、更に望ましくは約１０から１００マイクロ秒以下、また 最適には１マイクロ秒以下程度で、生成時間（ｔ_g）を生成するのが適当である 。このような同期によって変調器３０４が閉じた時にビーム変調アセンブリ３０ ０はポンピング・レーザー１００の出力を中断されずに渡すことができる。ビー ム変調アセンブリ３００によってポンピング・レーザー１００の出力が中断され ない時と変調器３０４が開く時の間の時間間隔はｔ_gによって決定される。 生成時間ｔ_gはポンピング・レーザー１００の出力をパルス化することによっ て変調器３０４を用いなくとも変化させることができる。前述のように、パルシ ングは変化し得る動作時間にわたってゼロ強度と非ゼロ強度値（必ずしも固定さ れない）の間でポンピング放射を変化させ、これによってＩＬＳレーザー５００ を交互に閾値以下と閾値以上（または閾値へ）もって来ることに対応する。した がって、ＩＬＳレーザー５００はオンオフされる。ＩＬＳレーザー５００がレー ザー発振する持続時間は、ポンピング・レーザー１００の出力の動作時間を、特 に、ほぼ閾値までポンピングレーザーがＩＬＳレーザーをポンピングする持続時 間を変更することで変化させられる。したがって、生成時間（ｔ_g）即ちＩＬＳ レーザー５００内部の空洞内モード競合が発生し得る時間間隔は変化する。この 場合、検出器アセンブリ７００は連続的に作動したままでチャンバ４００から出 て来るＩＬＳレーザービームの出力はスペクトル分光計アセンブリ６００と検出 器アセンブリ７００に連続的に達することができる。 しかし前述したように、ポンピング・レーザー１００からＩＬＳレーザー５０ ０へ、変調の各周期の間に供給される合計光学ポンピング・エネルギーまたは積 分強度は、ＩＬＳレーザー出力光が変化する持続時間であっても一定のままでな ければならない。合計の光学ポンピング・エネルギーを一定に維持するには、ポ ンピング・ビームの強度レベルをｔ_gが変化する各々異なる変調周期で調節する 。したがってポンピング・ビームの強度とポンピング・レーザー１００がＩＬＳ レーザー５００を閾値までポンピングする持続の両方が変化して異なる持続時間 を提供する。 ポンピング・レーザー１００の出力のパルシングは「パルサー」でポンプビー ムの送信を外部制御することにより実現できる。これ以外にも、ダイオード・レ ーザー・ポンピング・レーザーへ供給する電気出力を変化させることでダイオー ドレーザー・ポンピング・レーザー１００の出力強度を変調することができる（ 前述したように、ダイオード・レーザーポンピング・レーザーへ供給される電気 出力を変調してＩＬＳレーザー５００がレーザー発振を起すのに必要とされるす ぐ上とすぐ下の電圧を交互に得ることができる）。 以上で、ガス検知システム１０を用いるガス中の汚染物の存在および濃度を検 出するための装置が開示された。本発明の好適実施例によれば、高感度検出のた めの方法も本明細書で開示される。本発明の方法は受け入れ可能なレベルまでサ ンプル・チャンバ４００のガス（汚染物）を減少させることと、サンプル・シス テム４００Ａに検出しようとするガスのサンプルを導入することと、閾値でまた はその付近でＩＬＳレーザー５００をポンピングすることと、ＩＬＳレーザー５ ００からの光学的出力を、望ましくはビーム変調アセンブリ３００経由で、定期 的にサンプリングすることと、サンプル中のガス（汚染物）の吸収スペクトルを スペクトル分光計アセンブリ６００と検出器アセンブリ７００で測定することと 、コンピュータ／ソフトウェア・システム８００を用いて吸収スペクトルを分析 してガス種（汚染物）を同定しサンプル内の濃度を決定することを含む。 さらに詳しくは、チャンバ４００内の（サンプル・システム４００Ａを除く） ガス（汚染物）を受け入れ可能なレベルまで減少することは適切には上部４１０ 付きの封止可能な容器基部４０１をパージするまたは排気することでガス（汚染 物）のレベルがサンプル・システム４００Ａ内部のガスサンプルで検出される以 下にすることを含む。既に述べたように、ガス（汚染物）のレベルを減少させる ための他のメカニズムはこのレベルを受け入れ可能なレベルまで減少できるので あれば使用できる。望ましくは、容器基部４０１を上部４１０に封止し、内部に 含まれる汚染物を効率的に除去する（または受け入れ可能なレベルまで減少する ）。望ましくは、容器基部４０１と上部４１０は相対的な開封防止をしてユーザ に渡す前に効果的に密封する。 ガスラインをコネクタ４０８，４０９へ接続しサンプル・システム４００Ａへ ガスを供給する（例えば、サンプルが腐蝕性ガスを含む場合）ことにより、サン プル・システム４００Ａへまたはチャンバ４００自体に（例えば、サンプルが非 腐蝕性ガスを含む場合）ガスを供給することによりサンプルをサンプル・システ ム４００Ａへ適当に連通させる。 閾値またはその付近でＩＬＳレーザー５００をポンピングすることは、更に特 定すれば、正しいポンピング・レーザー１００出力と、ビーム整形光学系アセン ブリ２００およびレンズ２０６を用いてＩＬＳレーザー結晶５０７での合焦条件 と、ビーム変調アセンブリ３００を用いる変調条件を選択することを含む。本発 明によるガス種を検出するための方法は更に、ＩＬＳレーザー５００を閾値でま たは閾値付近ただしそれ以上で駆動することを含む。本発明によれば、駆動系１ ００はＩＬＳレーザー５００を適切にポンピングする。必要であれば、ポンピン グ・ビームＥをビーム整形光学系アセンブリ２００で適切に整形してＴＬＳレー ザー５００の光学的条件に適合させる。更に、ガス検知システム１０がパルスま たはチョップ・モードで動作する場合、前述したように、変調アセンブリ、又特 に変調器３０１はポンピング・ビームＦを定期的に遮断することによりビームＦ がＩＬＳレーザー５００へ到達するのを防止する。変調器３０１とビーム整形光 学系アセンブリ２００からのビームＦ出力はＩＬＳレーザー５００へ適当に配向 する。 この方法によれば、ビームＦが封止容器４０１の壁に配置した窓４０２を通っ てチャンバ４００に入社すると、ビームＦはＩＬＳレーザー５００に適切に配向 される。ビームＦの更なる焦点合わせと方向はビームＦが窓４０２から合焦レン ズ２０６に通過する際に適切に行ない、合焦レンズはビームＦを適切に焦点合わ せしミラー５０１へ配向する。ビームＦは閾値でまたは閾値付近でＩＬＳレーザ ー結晶５０７を適切にポンピングし、出力ビームはサンプル・システム４００Ａ 内のガスサンプルへ、例えばミラー５０３、５０５によって適切に配向される。 射出ビームはガスサンプル（汚染物）からの吸収データを含み、ガス・チャンバ ４００から封止容器基部４０１の壁に適切に配置してある窓４０３を通って出て 来る。 ＩＬＳレーザー５００は変調器３０１と適切に同期している変調器３０４を用 いてパルスモードまたはチョップモードで動作し、ＩＬＳレーザーからの出力ビ ームを定期的にサンプリングし、このようにして得られたサンプリング出力をス ペクトル分光計アセンブリ６００および検出器アセンブリ７００へ渡す。これ以 外に、ダイオード・レーザー・ポンピング・レーザー１００へ供給される電気出 力を変調し変調器３０４と同期しても良い。適切には、ミラー６０１はＩＬＳレ ーザー５００からのサンプリング出力ビームＧをスペクトル分光計アセンブリ６ ００および検出器アセンブリ７００へ配向する。これ以外に変調器３０４を使用 する代わりに、検出器アセンブリ７００をオンオフしてＩＬＳレーザー５００か らの出力をサンプリングしても良い。 本発明によるガス種を検出する方法はＩＬＳレーザー５００からの出力ビーム Ｇの分析を更に含む。望ましくは、スペクトル分光計アセンブリ６００がスペク トル的に解像し検出器アセンブリ７００がＩＬＳレーザー５００からの出力ビー ムＧを適切に分析する。スペクトル分光計アセンブリ６００はビーム拡大アセン ブリ６００Ｃ、回折アセンブリ６００Ａ、６００Ｂ、および合焦アセンブリ６０ ０Ｄにより適切にスペクトル的にＩＬＳレーザー５００からの出力ビームＧを拡 散する。スペクトル的に解像したＩＬＳ吸収データはスペクトル分光計アセンブ リ６００から出て多チャンネル検出器７０１で検出されるように適切に空間移動 する。 ガス検知システム１０は腐蝕性（例えばＨＣｌ）または非腐蝕性（例えばＮ₂ ）の汚染物例えば水蒸気等の吸収スペクトルを様々な波長範囲で得られるように 用いる。 強度と濃度の間の関連性が与えられ、汚染物ガス例えば水蒸気の特性サインが 得られれば、サンプル内に含まれる汚染物の濃度は簡単に求めることができる。 本発明によれば、コンピュータ８０２を適当にプログラムしてデータを解釈しサ ンプル中に含まれる汚染物の存在および／または濃度を表わす出力を提供するこ とができる。 上記で説明した本発明の１０の実施例において、ＩＬＳレーザー５００は３つ のミラー（即ちミラー５０１、５０３、５０５）から形成されたレーザー空洞を 有し、ミラー５０３は屈折ミラーである。３ミラー構成はミラー５０３、５０５ の間の領域で非点収差が補正沙汰または実質的に平行なビームを提供するように 設計されている。 これ以外に、本発明のガス検知システム１０は簡略化したレーザー空洞を有す るＩＬＳレーザー５００を含むことができる。本発明の別の実施例において、レ ーザー空洞は非点収差補正を提供するように設計されていない。むしろ、レーザ ー空洞は２枚のミラーの間に形成されて非点収差を提供しない実質的に線形の構 成を有する。しかし、本発明の別の実施例で用いられる線形空洞設計では、ガス 検知システム１０を実質的に小型かつ簡単に製造することができる。結果とし手 本発明のガス検知システム１０の別の実施例は上記で説明した実施例より安価に 製造できまた簡単に動作させることができる。更に、本発明のこの実施例は多く の現実適用とで要求されるように耐久性があるかまたは機械的に安定するように 製造できる。 図６を参照すると、本発明のガス検知システム１０は線形レーザー空洞である レーザー空洞９０２を有するＩＬＳレーザー５００を含むように図示してある。 「線形レーザー空洞」または「線形レーザー共鳴器」は、２つのミラーだけの間 に形成されたレーザー空洞と透過なレーザー空洞（またはレーザー共鳴器）９０ ２を意味する。 最も簡単な形態で、線形レーザー空洞は第１のミラーと第２のミラーの間に形 成されたレーザー空洞９０２を含む。あらゆる個数の平坦な別のミラーが第１の ミラーから第２のミラーへ進行するビームの操作（即ち経路変更）のために含め 得ることは理解されよう。しかしこれら別のミラーを含むことではレーザー空洞 ９０２内部のビームの形状を変更しない（第１のミラーと第２のミラーの間の距 離が変化しない限り）。したがってレーザーのレーザー空洞９０２に別の平坦な ミラーを含むことはレーザーの動作に影響を与えず、単にレーザーが物理的に構 成されている方法を変更するだけである。したがって、第１のミラーと第２のミ ラーの間に形成され、これらの間に別の平坦ミラーを有するレーザー空洞９０２ は第１のミラーと第２のミラーの間にだけ形成されたレーザー空洞に透過であり 、別の平坦ミラーを除去することでビーム形状もレーザー動作も変化させない。 このような別の平坦ミラーを使用することで空間的制約を有するパッケージにレ ーザー空洞９０２を適合させることができる。 本発明のひとつの側面において、ＩＬＳレーザー５００は線形レーザー空洞で あるレーザー空洞９０２内部に存在するイオン拡散ＩＬＳレーザー結晶５０７を 含む。線形空洞であるレーザー空洞９０２内部にイオン拡散ＩＬＳレーザー結晶 ５０７を含むＩＬＳレーザー５００は完全に新規の光学設計である。レーザー空 洞９０２に基づいた本発明のＩＬＳレーザー５００は従来技術の設計より少なく 簡単な光学素子しか必要としないことが理解されよう。 本発明の第２の実施例で、ポンピング・レーザー供給源１００は半導体ダイオ ードレーザー、固体結晶レーザー（例えばＮｄ：ＹＡＧ）、ガスレーザー、１つ またはそれ以上のフラッシュランプ、またはＩＬＳレーザー５００をポンピング するのに適した波長λ_pで動作スルホかの何らかのポンピング供給源を含むこと ができる。 ＩＬＳレーザー５００のイオン拡散ＩＬＳレーザー結晶５０７は、例えばＴｍ³⁺ 、Ｔｂ³⁺：ＹＬＦまたはＴｍ³⁺：ＹＡＧを含み室温またはその付近で動作する のが望ましい。その他の適当なイオン拡散ＩＬＳレーザー結晶５０７も本発明の 実施で使用できる。イオン拡散結晶５０７は、例えば、他のイオン拡散したバイ ブロニック（vibronic）・レーザー結晶を含むことがある。本発明のＩＬＳレー ザー５００での使用に適したイオン拡散結晶５０７の例が表１に掲載してある。 しかし他のイオン拡散結晶５０７も予想される特定の用途に適していれば使用で きることは当業者には理解されよう。したがって本明細書で特に開示しているイ オン拡散結晶５０７は、表１に掲載したものを含め、排他的なものと見なされる ことを意図していない。 表１を参照すると、ダイオード・レーザー・ポンピング・レーザー１００で光 学的にポンピングすることのできる結晶のリストが提供されている。結晶はイオ ンを拡散した基盤材料を含む。リストに掲載した基盤材料は以下のようなものを 含む：ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂））、 ＹＳＯまたはＹＯＳ（イットリウム・オルソシリカ酸（Ｙ₂ＳｉＯ₂））、ＹＳＡ Ｇ（イットリウム・スカンジウム・アルミニウムフッ化物（Ｙ₃Ｓｃ₂Ａｌ₅Ｏ₁₂ ））、ＧＳＧＧ（ゴダリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット（Ｇｄ₃ Ｓｃ₂Ｇａ₃Ｏ₁₂））、ＹＬＦ（リチウム・イットリウムフッ化物（ＬｉＹＦ₂） ）、ＹＳＧＧ（イットリウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネット（Ｙ₃Ｓｃ₂ ２Ｇａ₃Ｏ₁₂））、ＬＵＡＧ（ルテリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｌｕ₃Ａ ｌ₅Ｏ₁₂））、ＣａＹＳＯＡＰ（カルシウム・イットリウム・酸化アパタイト・ シリカ酸（ＣａＹ₄（Ｓｉ₂Ｏ₃）₄Ｏ）、ＣａＬａＳＯＡＰ（カルシウム・ランタ ニウム・酸化アパタイト・シリカ酸（ＣａＬａ₄（Ｓｉ₂Ｏ₃）₄Ｏ）、およびガラ ス。拡散イオンとしては、Ｃｒクロム、Ｔｍツリウム、Ｈｏホルミウム、Ｅｒエ ルビウムを含む。表１に記載した結晶にはポンピング放射に対応する波長と、結 晶から得られる出力に対応する波長あるいは波長群が関係する。図６に図示した ように、イオン拡散結晶５０７は反射コーティングを蒸着してある一方の端部９ ０４を有する。イオン拡散結晶５０７の他方の端部は約２°から約３°の間の角 度で切断して干渉作用を減少する（イオン拡散結晶５０７の端部９０６をブリュ ースター角で切断することも考えられるが、このような切断 に対応するだけイオン拡散結晶が十分に大きい場合に限られる）。図６に図示し てあるようなレーザー空洞９０２は第１のミラー（ポンピング・ミラー）９０８ と第２のミラー（出力ミラー）９１０の間に形成される。第１のミラー９０８は イオン拡散結晶５０７の一方の端部９０４に蒸着した反射コーティングを含む。 第２のミラー９１０は湾曲したレフレクタを含む。レーザー空洞９０２は二つの ミラーの間だけに形成されているため既に定義したように線形レーザー空洞であ る）。 イオン拡散結晶５０７は反射コーティングを蒸着してある一方の端部９０４に 入射するように図６に図示してあるポンピング・ビームＦによってポンピングさ れる。したがって、イオン拡散結晶５０７は光学的にポンピングされる。イオン 拡散結晶５０７からの出力ビーム（ビームＨ）は前述したような干渉効果を減少 する角度に切断してあるイオン拡散結晶５０７の他方の端部９０６からレーザー 媒体を出る。イオン拡散結晶５０７からの出力ビーム（ビームＨ）はレーザー空 洞９０２から第２のミラー９１０へと延出する（反射によりレーザー空洞９０２ 内部のビーム即ちビームＨは、例えば約２°から約３°の間の角度で切断してあ るイオン拡散結晶５０７の端部９０６でわずかに、例えば約２°から約３°折れ 曲がることは理解されよう）。 長軸方向の光学ポンピングは図６に図示したＩＬＳレーザー５００のポンピン グに用いられることも更に理解されよう。長軸方向の光学ポンピング、長軸方向 のポンピング、長軸方向にポンピングされる等の術語は従来技術で周知の従来に 意味で本明細書で使用している。さらに詳しくは、一方の端部９０４に入射する ポンピング・ビームＦは第１のミラー９０８から第２のミラー９１０へレーザー 空洞内を走る軸を横断して延在するイオン拡散結晶５０７からの出力ビーム（ビ ームＨ）とほぼおなじ方向にレーザー空洞９０２に沿って配向される（又はイオ ン拡散結晶内部のビームと同じ方向）。イオン拡散結晶５０７は典型的には一方 の端部９０４から他方の端部９０６へ延在する対称軸を有するのが代表的なこと は理解されよう。長軸方向のポンピングはイオン拡散結晶５０７の対称軸と平行 な方向へのポンピングに相当する。同様に、レーザー空洞９０２に沿ってまたイ オン拡散結晶からの出力ビームと同じ方向に配向され出力ミラー９１０へレーザ ー空洞内を横断して（又はイオン拡散結晶内部のビームとほぼおなじ方向に）延 出するポンピング・ビーム（ビームＨ）によりポンピングされるイオン拡散結晶 ５０７は長軸方向にポンピングされると言われる。 他にも、横断方向の光学ポンピングを用いてＩＬＳレーザー５００をポンピン グすることができる。横断方向の光学ポンピング、横断方向のポンピング、およ び横断方向にポンピングされる等の術語は従来技術で周知の従来の意味で本明細 書で使用している。特に、イオン拡散結晶５０７は図６に図示した側面９１２等 のイオン拡散結晶の側面に入射するポンピング・ビームによってポンピングでき る。横断方向の光学ポンピングは、イオン拡散結晶５０７に入射するポンピング ・ビームが、即ちポンピング・レーザー１００がイオン拡散結晶の対称軸に直角 の方向に向けられている場合を表わす。横断方向の光学ポンピングにより、ポン ピング・ビームは第１のミラー９０８から第２のミラー９１０へ線形レーザー空 洞９０２を通って走る軸を横断して延出するイオン拡散結晶５０７からの出力ビ ーム（ビームＨ）とほぼ直角に配向される。特に、イオン拡散結晶５０７の側面 例えば側面９１２に入射するポンピング・ビームによってポンピングされるイオ ン拡散結晶５０７は横断方向にポンピングされると言われる。同様に、線形レー ザー空洞９０２を横断して出力ミラー９１０へ延出するイオン拡散結晶５０７か らの出力ビーム（ビームＨ）の方向とほぼ直角に配向されているポンピング・ビ ームによってポンピングされるイオン拡散結晶５０７も横断方向にポンピングさ れると言われる。 ポンピング・レーザー供給源１００が半導体ダイオード・レーザー又は固体結 晶レーザー（例えばＮｄ：ＹＡＧ）を含む場合、長手方向のポンピングを使用で きる。これ以外に、フラッシュランプ又はダイオードレーザーを横断方向のポン ピングで使用できる。横断方向のポンピングでは、イオン拡散結晶５０７の１つ 以上の側面からポンピングするように構成された複数のフラッシュランプをポン ピング・レーザー供給源１００として使用できる。 図６に図示してあるように、ガスサンプル・セル・システム４００Ａは線形レ ーザー空洞９０２内部に存在する。ガスサンプル・セル・システム４００Ａはイ ンレット導体４０８およびアウトレット導体４０９を設けたガスサンプル・セル 本体４０６を含むように図示してある。既に説明したように、ガスサンプル・セ ル本体４０６は非腐蝕性のガスサンプルには必要とされず、この場合ガスは線形 レーザー空洞９０２全体に含めることができる。 本発明によれば、イオン拡散結晶５０７の光学適齢期はポンピング・レーザー 供給源１００によって提供される。図６に図示してあるように、ポンピング・レ ーザー１００は電力供給９１６により電力供給を受け熱電クーラー９１８により 冷却される半導体ダイオード・レーザー９１４を含む。半導体ダイオード・レー ザー９１４と熱電クーラー９１８は半導体ダイオード・レーザーによって発生す る熱を放散させるためにも受けてあるヒートシンク９２０に取り付けてある。 前述のように、半導体ダイオード・レーザー９１４の出力ビーム（ビームＥ） は高度に非対称又は非点収差がある。半導体ダイオード・レーザー９１４の出力 ビーム（ビームＥ）に付随する非対称および／または非点収差を補正するには、 ビーム整形光学系アセンブリ２００を使用する。ビーム整形光学系アセンブリ２ ００によって半導体ダイオード・レーザー９１４の出力ビーム（ビームＥ）はＩ ＬＳレーザー５００に含まれるＩＬＳ利得媒体（即ちイオン拡散結晶５０７）の モード容積と光学的に一致するようになる。図６には一対のアナモルフィック・ プリズム９２２と一対のレンズ９２４とを含むマクロ光学系を含むビーム整形光 学系アセンブリ２００が図示してある。これ以外にも半導体ダイオード・レーザ ー９１４から数ミクロン以内に配置されるビーム延伸望遠系またはミクロ光学系 も使用できる。 ＩＬＳレーザー５００は連続モード（cw）で又はパルスモード又はチョップモ ードのどちらかで動作できることは理解されよう。前述したように、チョッピン グは一定の（対照的なことが多い）動作サイクルにわたり一定周波数でゼロ強度 と一定強度値の間でポンピング放射を変化させることに対応する。これと対照的 に、パルシングは変化し得るまた典型的に非対称性の動作時間にわたってゼロ強 度と非ゼロ強度値（必ずしも固定されない）の間でポンピング放射を変化させる ことに対応する（これ以外で、ポンピング・ビームの強度がゼロ強度に達しない が、ＩＬＳレーザー５００を交互に閾値以上と閾値以下にする少なくとも二つの 強度レベルの間で交互に変動させるようにポンピング放射を変調することができ る）。 前述のように、パルスモード又はチョップモードは安定性と検出感度について 利点を提供するように図示した。望ましくは、ＩＬＳレーザー５００はパルスモ ード又はチョップモードで動作するか、何らかの方法で変調される。しかし連続 モードでの動作もある種の条件下では使用できる。 図７に図示したように、機械的又は電気光学的（例えば音響光学的）変調器９ ２６をポンピング・レーザービームＦとイオン拡散結晶５０７の間に挿入するこ とができる。機械的又は電気光学的変調器９２６は変調器駆動系９２８から電力 を供給され制御される。 ポンピング・レーザー１００が半導体ダイオード・レーザー９１４を含むよう な場合、電力供給９１６から半導体ダイオードレーザーへの電力はパルス化また は変調することができる。半導体ダイオード・レーザー９１４への交流電圧を提 供しこれによって半導体ダイオード・レーザーの出力を高低の強度レベルの間で 変動させる。半導体ダイオード・レーザーの出力の高低強度レベルは、イオン拡 散結晶５０７がレーザー発振に必要とされる閾値のすぐ上とすぐ下で光学的に励 起されるようにする。ＩＬＳレーザー５００は結果としてオンオフされる。 図７は、モニターしようとするガス種を通過したＩＬＳレーザー５００の出力 （出力ビームＧ）がスペクトル分光計アセンブリ６００に向かうことを示してい る。しかしスペクトル分光計アセンブリ６００に到達する前に、ＩＬＳレーザー ５００の出力（出力ビームＧ）は変調器３０４を通過する。 本発明の各種態様によれば、変調器３０４は音響光学的変調器を含む。しかし 他の利用可能な装置、例えば別の機械的に動作するチョッパ又はシャッターでも この目的に適当に使用し得ることは理解されるべきである。前述のように、ＩＬ Ｓレーザー５００から出て来るビームの定量情報を抽出するためには、特定のサ ンプルに含まれる汚染物（例えばガス種）の吸収データを含むＩＬＳレーザー５ ００の出力を変調器３０４で定期的にサンプリングする。 有利にも、ポンピング・レーザー・ビームＦは変調され、一方変調器３０４は 線形レーザー空洞９０２を出るＩＬＳレーザー５００の出力ビームを適切に変調 することによりＩＬＳレーザーの出力を定期的にサンプリングする。変調器９２ ６はポンピング・ビームＦがＩＬＳレーザー５００利得媒体（例えばイオン拡散 結晶５０７）に達するのを交互に遮断し、一方変調器３０４は線形レーザー空洞 ９０２を出るビーム（出力ビームＧ）を交互に遮断する。 変調器３０４を用いる代わりに検出器アセンブリ７００をオンオフしてＩＬＳ レーザー５００からの出力をサンプリングしても良い。 ポンピング・レーザー１００出力の変調はＩＬＳレーザー５００からの定量情 報を時間的に分解した方法で抽出できるように変調器３０４と同期している。ポ ンピング・ビームＦをビーム変調アセンブリ３００に通すことによりポンピング ・ビームＦはＩＬＳレーザー５００へ効率的に供給される。間欠的に放射を供給 することでＩＬＳレーザー５００を閾値付近と閾値以下に交互にもって来る。Ｉ ＬＳレーザー５００が閾値で又は閾値以上で生成時間ｔ_gが経過したａと、ＩＬ Ｓレーザー５００の出力は変調器３０４により検出のためスペクトル分光計アセ ンブリ６００と０７０００の入口へ偏向される。しかし、ＩＬＳレーザー５００ の出力ビームＧはビーム変調アセンブリ３００と変調器３０４の同期により決定 される短い時間間隔の間だけスペクトル分光計アセンブリ６００および検出器ア センブリ７００へ偏向される。ビーム変調アセンブリ３００と変調器３０４の同 期によってＩＬＳレーザー５００は十分に定義された時間間隔（ｔ_g）にわたり サンプリングされるように保証している。ポンピング・レーザー１００の出力が ビーム変調アセンブリ３００によって遮断されない時と変調器３０４が開いてい る時の間の時間間隔はｔ_gによって決定される。 生成時間ｔ_gはポンピング・レーザー１００（即ち半導体ダイオード・レーザ ー９１４）の出力をパルス化することによって変調器３０４を用いなくとも変化 できる。既に説明したように、パルシングは変化し得る動作時間の間にポンピン グ放射をゼロ強度と非ゼロ強度値（必ずしも固定されない）の間で変化させるこ とに対応し、これによってＩＬＳレーザー５００（即ちイオン拡散結晶５０７） を交互に閾値以下および閾値以上（又は閾値ちょうど）にする。したがって、Ｉ ＬＳレーザー５００（即ちイオン拡散結晶５０７）はオンオフされる。ＩＬＳレ ーザー５００がレーザー発振する持続時間、特に、ポンピング・レーザー１００ がＩＬＳレーザー５００を閾値以上にポンピングする持続時間は、ポンピング・ ビームの動作サイクルを変更することで変化できる。つまり、生成時間（ｔ_g） 即ちＩＬＳレーザー５００の空洞内モード競合が発生できる時間間隔が変化する 。検出器アセンブリ７００は連続的に動作したままで、線形レーザー空洞９０２ から出て来るＩＬＳレーザー５００の出力ビームはスペクトル分光計アセンブリ ６００と検出器アセンブリに連続的に到達できる。 しかし、前述したように、各々の変調器間の間にポンピング・レーザー１００ からＩＬＳレーザー５００へ供給される合計光学ポンピング・エネルギー又は積 分強度は、ＩＬＳレーザーの出力光が変化する持続時間でも一定でなければなら ない。合計光学ポンピングエネルギーを一定に保つには、ポンピング・ビームの 強度レベルをｔ_gが変化する各々異なった変調期間で調節する。したがって、ポ ンピング・ビームの強度とポンピング・レーザー１００がＩＬＳレーザー５００ を閾値までポンピングする持続時間の両方が変化して異なる生成時間を提供する 。 ポンピング・レーザー１００例えば半導体ダイオード・レーザー９１４の出力 をパルシングすることは、「パルサー」でポンプビームの送信を外部制御するこ とにより実現できる。これ以外にも、半導体ダイオードレーザーへ供給される電 力を変化させることにより半導体ダイオード・レーザー９１４（ポンピング・レ ーザー１００）の出力強度を変調することができる。前述したように、半導体ダ イオード・レーザー９１４へ供給される電気出力を変調してイオン拡散結晶５０ ７がレーザー発振を起すのに必要とされるすぐ上とすぐ下の電圧を交互に得るこ とができる。 したがって、本発明のガス検知システム１０は各々生成時間を変化させられる 以下のような設定のいずれかを含むことができる： （１）ポンピング・レーザー１００の出力を外部チョッパ（例えばビーム変調 アセンブリ３００）によりチョップし、検出器アセンブリ７００をＩＬＳレーザ ー５００から検出器へのパルサー（例えば変調器３０４）により制御される出力 の送信により連続作動させ、定期的なサンプリングを行なう。 （２）ポンピング・レーザー１００の出力を外部チョッパ（例えばビーム変調 アセンブリ３００）によりチョップし、検出器アセンブリ７００をパルス化オン オフしてＩＬＳレーザー５００からの出力を定期的にサンプリングできるように する。 （３）ポンピング・レーザー１００が半導体ダイオード・レーザー９１４の場 合、半導体ダイオード・レーザーへ供給する電力を変化させることで半導体ダイ オード・レーザーの出力をパルス化し、ＩＬＳレーザーをレーザー発振させる半 導体ダイオード・レーザーからのパルスの持続時間で制御されるＩＬＳレーザー ５００とガス種の出力の間の相互作用の持続時間で検出器アセンブリ７００を連 続作動させる。 （４）ポンピング・レーザー１００の出力を外部パルサー（例えばビーム変調 アセンブリ３００）によりパルス化し、ＩＬＳレーザーをレーザー発振させる半 導体ダイオード・レーザーからのパルスの持続時間で制御されるＩＬＳレーザー ５００とガス種の出力の間の相互作用の持続時間で検出器アセンブリ７００を連 続作動させる。 （５）ポンピング・レーザー１００が半導体ダイオード・レーザー９１４の場 合、半導体ダイオード・レーザーへ供給する電力を変化させることで半導体ダイ オード・レーザーの出力をチョップし、検出器アセンブリ７００をＩＬＳレーザ ー５００から検出器へのパルサー（例えば変調器３０４）により制御される出力 の送信により連続作動させ、定期的なサンプリングを行なう。 （６）ポンピング・レーザー１００が半導体ダイオード・レーザー９１４の場 合、半導体ダイオード・レーザーへ供給する電力を変化させることで半導体ダイ オード・レーザーの出力をチョップし、検出器アセンブリ７００をパルス化オン オフしてＩＬＳレーザー５００からの出力を定期的にサンプリングできるように する。 図７に図示したように、ミラー９３０とミラー９３２がスペクトル分光計アセ ンブリ６００の回折格子６０７、６０９へビームＧを配向する。レンズ６０３、 ６０５は回折格子６０７、６０９への入射前にビームＧを拡大するために使用す る。レンズ６１１はスペクトル分光計アセンブリ６００の出力をコンピュータに 接続されている多チャンネル・アレイ検出器７０１に合焦させる。スペクトル分 光計アセンブリ６００は多チャンネル（即ち多波長）アレイ検出器７０１との関 連で動作して線形レーザー空洞９０２のガス種のスペクトルサインの測定を行な う。 これ以外に、モニターしようとするガス種を通過したＩＬＳレーザー５００の 出力（出力ビームＧ）は、波長に対してスキャンすることのできる少なくともひ とつの拡散光学素子（例えば回折格子６０７、６０９）を有するスペクトル分光 計アセンブリ６００へ配向することができる。スペクトル分光計アセンブリ６０ ０の出力は単チャンネル検出器へ向けることができる。線形レーザー空洞９０２ のガス種のスペクトル・サインはスペクトル分光計アセンブリ６００を通って送 出された光が単チャンネル検出器の正面に配置した適当な開口部（例えばスリッ ト）を通過する間に拡散光学素子をスキャンすることにより得られる。スペクト ル分光計アセンブリ６００を通って送信された光の強度即ちスペクトル分光計ア センブリの出力は拡散光学素子をスキャンする時に記録される。 ガス種の濃度はスペクトル・サインに見られる吸収の特徴の強度から決定でき る。スペクトル・サインに見られる吸収の特徴を較正する必要があることは理解 されよう。空洞内レーザー・スペクトル測定は従来技術の方法を越える増加感度 をもたらすので、これまでは測定されなかった弱い遷移も本発明のガス検知シス テム１０により初回に測定可能になる。このような場合、これらの弱い遷移を用 いてスペクトル・サインを同定しガス種の存在を確定する。このような弱い遷移 はガス検知システム１０によって較正することもできるので、ガス種の濃度をこ れらの弱い遷移に対応する吸収の特徴の強度で決定することができる。 本発明の１つの態様によれば、本発明のガス検知システム１０によって記録さ れた水蒸気の吸収データが図８に示してある。水のスペクトル・サインは半導体 ダイオード・レーザー９１４で光学的に励起されるＴｍ³⁺、Ｔｂ³⁺：ＹＬＦから 構成されたイオン拡散結晶５０７を含むＩＬＳレーザー５００を用いて得られた 。吸収データを得るために使用したガス検知システム１０は図７に模式的に図示 したのと同様のものだが、変調器９２６を使用しなかった点が異なっている。そ の代わりとして、半導体ダイオード・レーザー９１４への電力を変調した。図８ は波長１４５０ないし１４５５ナノメートルの間のスペクトル領域で水のスペク ト ル的サインに対応するプロットを示す。１４２５．５と１４５２．１ナノメート ルの水の吸収線は各々矢印９３２、９３４で示してある。 ＩＬＳレーザー５００からの出力（ビームＧ）は光ファイバー・リンクを経由 して離れた場所でのスペクトル分析用に交互に送信することができることは理解 されよう。特に、ビームＧを光ファイバー又は光ファイバー束に結合することが できる。ＩＬＳレーザー５００の出力は、ガス種を通過した後、離れた場所にあ るスペクトル分光計アセンブリ６００へ伝えられる。適切な条件下では、このよ うな光ファイバー送信がスペクトルデータを歪めないことが示されている。 表２は本発明のガス検知システム１０の各種の設定を要約したものである。各 々の設定は本発明の別個の実施例に対応する。変化させることができ表２に掲載 してある設計パラメータは以下を含む： （１）変調はチョッパ、パルサー、ポンピング・レーザー１００の外部の変調 器又はポンピング・レーザー１００として使用する半導体ダイオード・レーザー ９１４等への電力の変調を含むことができる。 （２）ガスサンプルは独立したセル・システム４００Ａに封入するか、チャン バー（又はハウジング）４００に封入できる。 （３）ＩＬＳレーザー５００からの出力はスペクトル分光計アセンブリ６００ へ直接送信する又は光ファイバーに結合してスペクトル分光計アセンブリへ伝送 することができる。 （４）ガス種のスペクトル・サインは波長固定のスペクトル分光計と多チャン ネル検出器７０１を用いて、又は走査波長スペクトル分光計と単チャンネル検出 器を用いて取得できる。 さらに、スペクトル分光計アセンブリ６００と検出器アセンブリ７００へのＩ ＬＳレーザー５００の出力を変調器３０４で制御したり、または変調器３０４を 使用する代わりに検出器をオンオフしても良い。これ以外に、変調器３０４を使 用せずポンピング・レーザー１００の出力をパルス化することにより検出器アセ ンブリ７００を連続作動させることもできる。 有利にも、それぞれが異なる組成を有する各種のイオン拡散結晶５０７に光学 的励起を提供するためにダイオード・レーザー・ポンピングを用いることもでき る。これについては例えば表１を参照されたい。そのため、本発明のガス検知シ ステム１０は広範囲に変化する波長で吸収の特徴を有する広範囲のガス種（即ち 、分子、原子、ラジカル、および／またはイオン）の検出に使用できる。 図９は半導体ダイオード・レーザー９１４を用いて光学的に励起することがで きる現在入手可能な限られた種類のイオン拡散結晶５０７と、１０００ないし３ ０００ナノメートルの波長範囲に存在する各々の同調範囲を示す。室温で連続モ ード（cw）レーザー発振する掲載のイオン拡散結晶５０７としては以下がある： Ｙｂ³⁺：ＹＡＧ、Ｃｒ：カンラン石、Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧ、Ｔｍ：Ｔｂ：ＹＬＦ、Ｅ ｒ：Ｙｂ：ガラス、Ｔｍ³⁺：ＹＡＧ／ＹＳＧＧ、Ｔｍ³⁺：ＹＬＦ、Ｅｒ³⁺：ＹＬ Ｆ。さらにＣＯ₂：ＭｇＦ₂を含むイオン拡散結晶５０７は凍結冷却した時に連続 モードで動作可能であり、Ｃｒ²⁺：ＺｎＳｅを含むイオン拡散結晶は室温ではパ ルスモードで動作可能である。（Ｃｒ²⁺：ＺｎＳ／ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅの可能な 同調範囲が図９に図示してあることは理解されよう） 図９は幾つかのガス種の近赤外スペクトル吸収を示す（Ｈ₂Ｏ₂、ＣＯ、ＳＯ₂ 、ＣＨ₄、ＮＯのスペクトル吸収の波長の範囲はオーバートーンで計算されるこ とが理解されよう）。したがって、図９は半導体ダイオード・レーザー９１４に より光学的にポンピングされるイオン拡散結晶５０７を含むＩＬＳレーザー５０ ０を用いてプローブすることができるガス種の幾つかの例を示している。 本発明の１つの態様によれば、光学的ポンピング供給源として使用できる半導 体ダイオード・レーザー９１４は電気的に動作する。そのため、ダイオード・レ ーザー・ポンピング・レーザー１００は他の光学ポンピング供給源と比べて比較 的小さくコンパクトである。更に、ダイオード・レーザー・ポンピングのために 必要な低い光学ポンピング・エネルギーが与えられるので、ＩＬＳレーザー５０ ０の熱管理は従来技術に示したガス検知システム１０より難しくない。また、コ ストが減少し従来技術のガス検知システム１０の多くとは対照的に動作が簡略化 できる。 有利にも、本発明の線形レーザー空洞９０２は３ミラーで形成されるレーザー 空洞に基づく設計より少ない光学素子を含む。したがって、外部空洞の複雑さが 減少し、これによって機械的安定性（耐久性）が向上し、またガス検知システム １０のコストが低減する。 ダイオード・レーザー・ポンピング・レーザー１００と線形レーザー空洞９０ ２の小型／コンパクトな寸法のため、ガス検知システム１０は広範囲の用途に適 合するように製造できる。特に、ダイオード・レーザー・ポンピング・レーザー １００又は線形レーザー空洞９０２を含む本発明のガス検知システムのコンパク トさは全く独立したセットのガス検知用途を指向するものである。特に、ＩＬＳ レーザー５００の光学的励起にダイオード・レーザー・ポンピング・レーザー１ ００を使用するガス検知システム１０は半導体製造、プロセス制御、環境モニタ リング、大気の質および安全性の確認、健康および安全性の確認、核エネルギー 生産、および医療診断に用途があると考えられる。 本発明の装置および方法によれば、ＩＬＳレーザー５００からの出力信号（ビ ームＧ）を検出更に分析して（スペクトル・サインを介して）ガス種を同定し、 その濃度を決定する。本発明の実施によって利用可能な検出レベルは従来の装置 の使用によって獲られるレベルを一般に越えることが当業者には理解されよう。 更に、ガス検知システム１０はインラインで使用し、簡単に、ほぼリアルタイム で、特定のサンプルに含まれる汚染物の存在および量の測定が行なえ、従来の同 様な装置の使用に関連した多くの欠点を克服することができる。特に、本発明の 方法は、従来技術では利用できない検出レベルでガスサンプル中のガス種の高速 かつその場（in situ）の検出を提供する。 前述の説明は本発明の代表的な好適実施例に関連しており、本発明は本明細書 に示した特定の態様に限定されるものではないことが理解されるべきである。本 明細書に開示した要素の設計ならびに構成には、添付の請求項に記載されている 本発明の範囲から逸脱することなく、各種の変更を行なうことができる。更に、 ガス検知システム１０の用途および、例えば半導体製造アセンブリでのＩＬＳガ ス検知器の設置は所望すれば変更できる。例えば、チャンバ４００内部の各種要 素とガス検知システム１０それ自体の特定の配置は、これらの構成ならびに設置 が簡単に再現性のある方法でＩＬＳレーザー５００の光学的励起を適切に行なえ る限りにおいて変更することができる。当業者により現在周知となっている又は 本発明以後に工夫されたことによる本発明の設計、構成、用途における上記のお よびその他の変更は添付の請求項において企図されるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０８／６７５，６０５ (32)優先日 1996年７月３日 (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＥＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ， ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ザン，ジャミン アメリカ合衆国 ニュージャージー州 08536 プレーンズボロ フィーザント ハロウ ドライヴ 1715 (72)発明者 ハインマン，マックス アメリカ合衆国 アイダホ州 83706 ボ イス ノース フィリッピ 1680 アパー トメント 203 (72)発明者 メウディザデウ，エスメイル アメリカ合衆国 アリゾナ州 85715 タ クソン イースト エル トロ サークル 8040 アパートメント 314 (72)発明者 ウォルパーディンガー，マーカス アメリカ合衆国 アリゾナ州 85711 タ クソン ノース ウィルモット ロード 205 ナンバー 307 【要約の続き】 （９１４）および線形レーザー空洞（９０２）の使用に よって他の設計に比べ比較的小型かつコンパクトにＩＬ Ｓレーザー（５００）を作成することができる。ガス検 知システムが製造される小型／コンパクトな寸法は広範 な現実用途に適合する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガスサンプル中のガス種の存在を検知するためのガス検知システム（１０） であって、 (a) レーザー空洞（９０２）と、 (b) ２つの端部を有するイオン拡散結晶（５０７）と、 (c) 前記レーザー空洞（９０２）の外部に配置され前記イオン拡散結晶（５０ ７）を光学的に励起することで前記レーザー空洞（９０２）から射出する出力ビ ームを発生する出力を有する半導体ダイオード・レーザー（９１４）と、 (d) 前記レーザー空洞（９０２）の外側に配置され前記半導体ダイオード・レ ーザー（９１４）の前記出力を整形するビーム整形光学系（２００）と、 (e) 前記レーザー空洞（９０２）の前記ガスサンプルを保持するための容器（ ４００、４０６）とを含み、前記イオン拡散結晶（５０７）の前記出力ビームが 前記レーザー空洞（９０２）を出る前に前記ガスサンプルを通過することを特徴 とするシステム。 ２．前記イオン拡散結晶（５０７）の前記出力ビームは前記レーザー空洞（９０ ２）を出た後で（ａ）波長が固定されたスペクトル分光計（６００）と多チャン ネル検出器（７０１）、又は（ｂ）波長を走査するスペクトル分光計（６００） と単チャンネル検出器のどちらかへ配向されることを特徴とする請求項１に記載 のガス検知システム。 ３．前記イオン拡散結晶（５０７）は、Ｃｒ：Ｔｍ：Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｃｒ⁴⁺：Ｙ ＡＧ、Ｃｒ⁴⁺：ＹＳＡＧ、Ｅｒ：ＧＳＧＧ、Ｅｒ³⁺：ＹＬＦ、Ｅｒ³⁺：Ｙｂ³⁺： ガラス、Ｈｏ³⁺：ＹＳＧＧ、Ｈｏ³⁺：Ｔｍ³⁺：ＬＵＡＧ、Ｔｍ³⁺：Ｈｏ³⁺：ＹＬ Ｆ、Ｔｍ³⁺：Ｈｏ³⁺：ＹＡＧ、Ｔｍ³⁺：ＣａＹＳＯＡＰ、Ｔｍ³⁺：ＹＬＦ、Ｔｍ³⁺ ：Ｔｂ³⁺：ＹＬＦ、Ｔｍ³⁺：ガラス、Ｔｍ³⁺：ＣａＬａＳＯＡＰ、Ｔｍ³⁺：Ｙ ＯＳ、Ｔｍ³⁺：ＹＳＧＧ、Ｔｍ³⁺：ＹＡＧ、Ｙｂ³⁺：ＹＡＧ、Ｃｒ：カンラン石 、Ｅｒ：Ｙｂ：ガラス、ＣＯ₂：ＭｇＦ₂、Ｃｒ²⁺：ＺｎＳｅ、Ｃｒ²⁺：ＺｎＳ／ ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅからなるグループから選択された材料を含むことを特徴とす る請求項１に記載のガス検知システム（１０）。 ４．請求項１に記載のガス検知システム（１０）を用いてガスサンプル中のガス 種の存在を検知するための方法であって、 (a) 前記イオン拡散結晶（５０７）に前記ダイオード・レーザー・ポンピング ・レーザー（１００）の出力ビームを配向するステップと、 (b) 前記レーザー空洞（９０２）を出た後で前記イオン拡散結晶（５０７）か らの前記出力ビームを検出器アセンブリ（７００）に配向して前記ガスサンプル 中のガス種の存在および／または濃度を決定するステップと、 を含むことを特徴とする方法。 ５．前記半導体レーザー・ダイオード（９１４）の前記出力は強度レベルの間で 定期的に切り換えられることで前記イオン拡散結晶（５０７）の前記出力ビーム を交互にオンオフさせることを特徴とする請求項４に記載の方法。 ６．前記半導体レーザー・ダイオード（９１４）の前記出力はチョッピング、パ ルシングから構成されるグループから選択された技術を用いて定期的に切り換え られることで、変化させ得る動作サイクルにわたってゼロ強度値と非ゼロ強度値 の間で前記半導体レーザー・ダイオード（９１４）の前記出力を変化させ、前記 半導体レーザー・ダイオード（９１４）へ供給される電力を変更することを特徴 とする請求項５に記載の方法。 ７．前記レーザー空洞（９０２）を出る前記出力ビームは前記検出器アセンブリ （７００）に到達するのを交互に防止されまたは前記検出器（７０１）が定期的 にオンオフされることを特徴とする請求項５に記載の方法。 ８．ガスサンプル中のガス種の存在を検知するためのガス検知システムであって 、 (a) 第１のミラー（９０８）と第２のミラー（９１０）の間に形成された線形 レーザー空洞（９０２）と、 (b) 前記線形レーザー空洞（９０２）内部のイオン拡散結晶（５０７）と、 (c) 前記線形レーザー空洞（９０２）の外部に配置されて前記イオン拡散結晶 （５０７）を光学的に励起することで前記レーザー空洞（９０２）から射出する 出力ビームを発生する出力を有するポンピング供給源（１００）と、 (d) 前記線形レーザー空洞（９０２）に前記ガスサンプルを封入するための容 器（４００、４０６）とを含み、前記イオン拡散結晶（５０７）の前記出力 ビームは前記線形レーザー空洞（９０２）から出る前に前記ガスサンプルを通過 することを特徴とするガス検知システム（１０）。 ９．前記ポンピング供給源（１００）はガスレーザー、固体結晶レーザー、半導 体レーザー・ダイオード（９１４）、および少なくともひとつのフラッシュラン プから構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項８に記載のガ ス検知システム。 10．前記線形レーザー空洞（９０２）は、前記第１のミラー（９０８）と前記第 ２のミラー（９１０）の間に挿入されるビーム走査用の少なくともひとつの別の 平坦ミラーを含むことを特徴とする請求項９に記載のガス検知システム（１０） 。 11．前記イオン拡散結晶（５０７）は長軸方向にポンピングされるか又は横断方 向にポンピングされることを特徴とする請求項８に記載のガス検知システム（１ ０）。 12．請求項８に記載のガス検知システムを使用してガスサンプル中のガス種の存 在を検出するための方法であって、 (a) 前記イオン拡散結晶（５０７）に前記ポンピング供給源（１００）の出力 ビームを配向するステップと、 (b) 前記レーザー空洞（９０２）を出た後で前記イオン拡散結晶（５０７）か らの前記出力ビームを検出器アセンブリ（７００）に配向して前記ガスサンプル 中のガス種の存在および／または濃度を決定するステップと、 を含むことを特徴とする方法。