JPH10503289A - 内部共振器型レーザ分光方法（ｉｌｓ）による気体汚染物質の高感度検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 浸食性のようなガス中の汚染物質を、内部共振器型レーザ分光方法（ＩＬＳ）を用いて１ｐｐｍ以下の濃度、さらには１ｐｐｂ以下のレベルまで光学的に検出する。レーザ（５００）、ＩＬＳレーザ（５００）が検出器（１０）として使用される。ＩＬＳレーザ（５００）はレーザ共振器（５）内に含まれる利得媒体（５０７）からなる。気体汚染物質である気体粒子を含むガスサンプルはガスサンプルセル（４０６）内に含まれ、ガスサンプルセル（４０６）はレーザ共振器（５）の中の利得媒体（５０７）の片側に配置される。浸食性ガス内の気体粒子を検出する場合、浸食性ガスがＩＬＳレーザ（５００）の部品と反応することを防ぐ。ＩＬＳレーザ（５００）の出力信号を気体粒子を鑑定するため検出し分析する。気体粒子の濃度を同様にスペクトル特性から決定する。

Description

【発明の詳細な説明】 内部共振器型レーザ分光方法（ＩＬＳ）による気体汚染物質の高感度検出方法 技術分野 本発明は、気体内に存在する汚染物質の検出方法に関し、特に気体の分子、原 子、基、イオンなどを内部共振器型レーザ分光方法（ＩＬＳ）に関連したレーザ 技術により高感度に検出する方法に関するものである。 発明の背景 超小型電子技術に使用される高品質の半導体材料（シリコンフィルムなど）を 作製するためには、汚染物質を抑えることが必要であることがよく知られている 。また、汚染物質のコントロールに失敗すると重要な資源を失うことになり、製 品がその主な目的には利用できなくなることもまた知られており認識されている 。 通常、シリコンフィルムは、「バルク」（窒素やアルゴンなど）もしくは「ス ペシャリティ」（塩化水素、臭化水素、三塩化ホウ素など）のガスを初めの材料 として形成される。半導体材料を作製する製造設備における作業が成功するか否 かは、初めのガスの純度に直接依存し、また処理室へガスを送出する際や材料を 加工する際ガスの純度を維持するために利用されるガスの取り扱い能力にも依存 する。このように初めのガス純度を適切にコントロールすること（すなわちガス 中に含まれる汚染物質をモニタしハイレベルに抑制すること）が重要である。 半導体材料の生成（例えば気相成長「ＣＶＤ」）や加工（ドーピングやエッチ ング）に使用されるバルクガスもしくはスペシャリティガス中に多種類の分子、 原子、基、イオンが存在し、「汚染物質」としてみなされる。このような汚染物 質により、形成される半導体材料の品質や、半導体材料を生成する効率が低下し てしまう。 汚染物質を制御または除去する第１ステップは、初めの材料として使用される バルクガスもしくはスペシャリティガスの中からそれらを検出することである。 このことは一般的に知られているが、実際の方法だと不十分である。これは、大 抵がこれまで発展してきた工業基準が競争により向上してきたことにより生じた 状態によるものである。特に、超小型電子技術のデバイスのサイズが小さくなり 、パフォーマンス特性が向上してきた一方で、ガス純度に対する要求度も高くな ってきた。 このような背景に対し、その影響を検出するためにはいくつかの測定基準が重 要であることが明らかになった。（１）サンプル中のガス分子の全数に対する数 として一般に規定される絶対検出感度（例えば十万個に対する個数もしくは１０⁺⁶ の全体の分子に対する汚染物質の分子の数）（２）粒子の選択性、または他の 粒子が存在する中でのある粒子の濃度を測定する能力（３）所望のＳ／Ｎ比が得 られる測定速度（４）非反応性および反応性ガス中の汚染物質の観測能力（５） 測定可能なガス濃度の線形性およびダイナミックレンジ。 現在最新式の汚染物質（例えば水）検出用の装置として多種類の測定技術があ る。例えば水蒸気検出用の最新式の装置としては、導電性、電気化学、直接吸収 分光特性、大気圧イオン化質量分光（ＡＰＩＭ）測定技術などがある。しかし、 そのような方法では、これらの要求を十分満たすことはない。 特に、直接吸収分光技術は通常、外部光源から光をサンプル内に伝搬させて、 サンプル中の分子、原子、基、イオンの吸収により生じる光強度の減衰を測定す る。検出感度は二つの大きさ（すなわちサンプルを通過する前の外部光源の光強 度とサンプルを通過した後の光強度）の除算に直接依存する。この方法によると ある程度検出感度が制限されてしまい、直接吸収法は一般的には低感度の方法と して認識されている。 本発明において、極めて高感度なレベルで気体粒子（汚染物質）を検出するた めの検出器として使用されるレーザ技術、特に内部共振レーザ分光方法（ＩＬＳ ）について述べる。このアプリケーションに関連し、レーザ技術が特に水蒸気の 検出において気体粒子（汚染物質）を検出する際に公知の方法よりも利点がある ことを示す。 従来、気体粒子（汚染物質）を検出する際にレーザを適用する場合には、第２ 信号（例えばイオン化または蛍光）を発生させるための外部レーザからガスサン プルを励起するためにレーザが生ずる放射光を使用していた。または、ガスサン プルを通過した後のレーザ強度は初期の強度で規格化して測定できる（吸収）。 ２０数年前に、他の検出方法として、 G.Atkinson，A.Laufer，M.Kurylo，"Detection of Free Radicals by an Intrac avity Dye Laser Technique，"59Journal Of Chemical Physics,July 1,1973な どに示される、レーザ自体を検出器として用いる内部共振器型レーザ分光法が最 初に試みられた。 内部共振器型レーザ分光法（ＩＬＳ）は、従来の吸収分光法の利点に加え、レ ーザ誘導蛍光法（ＬＩＦ）やマルチ光子イオン化法（ＭＰＩ）の分光方法などの 他のレーザ技術が有する高い検出感度を付加することができる。ＩＬＳは、マル チモード特性を有する均一広帯域レーザの光共振器内に生じる気体粒子の吸収に よる内部共振器損失に基づいた方法である。マルチモードレーザの通常のモード 動的特性を通じて、この内部共振器損失がレーザ媒体（すなわち利得媒体）中に 生ずる利得と競合する。従来、ＩＬＳの研究には、効果的にモード競合を引き起 こすために必要とされる条件をマルチモード特性は満足し、それの広範囲なチュ ーニング特性により多くの異なる気体粒子のスペクトルへアクセスできるという 理由で色素レーザが使用されてきた。またあるＩＬＳの実験においては、D.Gilm ore，P.Cvijin，G.Atkinson，"Intracavity Absorption Spectroscopy With a T itanium: Sapphire Laser，"Optics Communications 77(1990)385-89に見られる ような、可視光中心のレーザやチタンサファイアレーザのようなマルチモードの 波長可変な固体レーザ媒体を用いて実験されてきた。 ＩＬＳは、高い検出感度の必要性から吸収分光法は明らかに除外されると選択 される場合においては、安定状態または遷移状態の粒子を検出するために十分有 用であった。例えば、ＩＬＳは、低温のチャンバ、プラズマ放電、光分解および 熱分解、超音速ジェット膨張などの環境においてガスサンプルを試験するために 使用されてきた。ＩＬＳはさらに、吸収線の分析を通じて計量可能な吸収情報（ 例えば線強度や衝突広がり係数）を得るために使用されてきた。これらのうちい くつかは、G.Atkinson，"Intracavity Laser Spectroscopy，"SPIE Conf.，Soc. Opt．Eng，1637(1992)に述べられている。 しかしながら、公知のＩＬＳは、研究段階においては有用であるが、民生用と しては受け入れがたいものである。上記したように、民生用の検出器としては便 利なサイズで比較的安価、信頼性のあるものが期待される。研究レベルのモデル はこれらの要求を満足するものではない。 さらに、ＩＬＳ検出方法の応用可能な民生用レベルでは、理想的ではない環境 においてもガスサンプルが存在する。特に、工業上のプロセスにおけるガスサン プルは通常浸食性のガスも含まれる。例えば、半導体部品の製造においては浸食 性ガス（塩化水素など）中の汚染物質（水蒸気など）の存在を検出できることが 特に重要である。 研究段階の実験として、Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧレーザを使用した窒素雰囲気中の微量 の水蒸気を検出するＩＬＳ技術を用いた方法が、D.gilmore，P.Cvijin，G.Atkin son，"Intracavity Laser Spectroscopy in the 1.38-1.55μm Spectral Region Using a Multimode Cr⁴⁺:YAG Laser,"Optics Communication 103(1993)370-74 に述べられている。そこで使用された実験装置は動作特性を立証するには満足す るものであったが、例えば塩化水素（ＨＣｌ）のような浸食性ガス中の水蒸気の 検出など、本発明が意図するような民生用に適用するにはふさわしくないもので ある。 本発明の様々な特徴によれば、本発明は、民生用レベルのコストが実現可能で あり、反応性および非反応性サンプル特に浸食性のサンプルにおける気体粒子の 検出が可能であり、直接吸収技術の利点を有し、劇的に検出感度を向上させた、 ユーザフレンドリー、すなわち比較的単純な検出システムを提供するものである 。さらに、本発明は、長い間切実に必要とされてきた、民生用途における、反応 性および非反応性サンプル特に浸食性のサンプルにおける汚染物質の高感度検出 の方法および装置を提供するものである。 発明の開示 本発明によれば、ガスサンプル内の気体粒子の存在を検出するガス検出システ ムを提供する。その検出システムは、 （ａ）レーザ共振器と、 （ｂ）イオン添加された結晶と、 （ｃ）レーザ共振器の外部に配置され、イオン添加された結晶を光励起する出 力を有し、それによりレーザ共振器から出射する出力ビームを生じさせる励起レ ーザと、 （ｄ）レーザ共振器内でガスサンプルを保持するための、イオン添加された結 晶の出力ビームがレーザ共振器から出力される前にガスサンプル中を伝搬するコ ンテナとから構成される。 さらに、浸食性ガスを含むガスサンプル内の気体粒子の存在を検出する方法も 提供する。その方法は、 （ａ）（ｉ）気体粒子が少なくとも一つの吸収特性を有し（ｉｉ）浸食性ガス が実質的に吸収特性に干渉しない場合に、スペクトル領域を選択する手段と、 （ｂ）レーザ共振器とその中に含まれる利得媒体を有し、利得媒体が前記選択 したスペクトル領域内に少なくとも一部が波長分布を有する光を出力するレーザ を設ける手段と、 （ｃ）光ビームが中を伝搬可能にするため選択したスペクトル領域において透 明な窓を有するガスサンプルセルを設ける手段と、 （ｄ）レーザ内にガスサンプルセルを挿入し、利得媒体からの出力光をレーザ 共振器から出射する前にガスサンプル中を伝搬させる手段と、 （ｅ）浸食性ガスを含むガスサンプルをガスサンプルセル内に挿入して利得媒 体からの出力光をガスサンプル中を伝搬させ、浸食性ガスがレーザと反応しない ようにガスサンプルをガスサンプルセル内に密閉する手段と、 （ｆ）ガスサンプル内の気体粒子の存在およびその濃度を決定するため、利得 媒体からの出力光をレーザ共振器から出力させた後に検出装置へと導く手段とか らなる方法である。 本発明のＩＬＳガス検出システムは、ＩＬＳレーザを動作させるために必要な 光励起を起こすために使用される励起レーザと、対象とする気体粒子が吸収する 波長領域にわたり動作するマルチモードＩＬＳレーザと、ＩＬＳレーザの光共振 器内に配置され浸食性ガスを有するガスサンプルセルと、ＩＬＳレーザの出力を スペクトル分解可能な波長分散分光器と、ＩＬＳレーザの出力の波長分解された 強度を測定可能な検出器と、検出器からの信号を読み取りコンピュータ処理によ り電気信号に変換する電気回路とからなる。そのＩＬＳガス検出システムはまた 、励起レーザビームやＩＬＳレーザからの出力の強度を周期的に遮断するような チ ョップ装置またはパルス装置または変調装置を含む。 本発明の様々な特徴によれば、ＩＬＳ技術を使用して、１ｐｐｂ以下の濃度、 さらには１ｐｐｔ以下まで汚染物質を光学的に検出できる。浸食性ガスの場合１ ｐｐｍ以下の濃度、さらには１ｐｐｂ以下まで検出できる。塩化水素中の水蒸気 を検出するために、イオン添加された結晶媒体を有し１３００ｎｍ〜１５００ｎ ｍのスペクトル領域で動作する固体レーザを検出器として使用することが望まし い。気体汚染物質の粒子（水蒸気など）や浸食性ガス（塩化水素など）を含んだ ガスサンプルは、レーザの光共振器（反射面もしくはミラーの間）の内部で活性 媒体の片側に配置される。Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧおよびＣｒ⁴⁺：ＬｕＡＧを有するレー ザ媒体がここで述べられているが、マルチ縦モードおよびマルチ横モードの共振 モードを有する他のイオン添加結晶のような他の利得媒体も同様に使用できる。 また他のレーザシステムも同様に使用できる。例えば、イオン添加結晶を有する 半導体レーザ励起固体レーザをＩＬＳ検出の提供ができるように光学的に形成し てもよい。 図面の簡単な説明 本発明の具体的な好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。以 下で参照する図面は特に示さない限り、実際の寸法を示したものではないことを 理解してほしい。 第１Ａ図および第１Ｂ図は、本発明による汚染物質検出システムの概略ブロッ ク図である。第１Ａ図は基本的な形態であり、第１Ｂ図は第２図に示される具体 例を示した形態である。 第２図は、本発明による汚染物質検出システムの具体的形態を詳細に示した斜 視図である。 第３Ａ図〜第３Ｃ図は、簡単なレーザ装置を表した図と、その装置から得られ るスペクトルの出力（強度対波長）のグラフを示したものである。 第４図は、第２図で描写したチャンバ部品を含むＩＬＳレーザの斜視図であり 、一部の部品を部分的に砕いて描写している。 第５図は、ＩＬＳレーザ結晶ホルダおよび第２図で示した汚染物質検出システ ムとの接続に使用されるヒートシンクの一例を示した斜視図である。 第６図は、第２図で示した汚染物質検出システムとの接続に使用されるチョッ パー素子を含むビーム整形装置の具体的形態の一例を示す斜視図である。 第７図は、波長１４３３ｎｍ〜１４４０ｎｍの範囲における窒素および塩化水 素中の水の吸収スペクトラムの一例を示したグラフである。 第８図は、波長１４２０ｎｍ〜１４３４ｎｍの範囲における窒素および塩化水 素中のＩＬＳによる水の吸収を示したグラフである。 第９図は、浸透チューブ／体積膨張技術により決定した水の濃度に対する水の 吸収強度を示すグラフである。 第１０図は、インライン浄化装置により決定した波長１４２０ｎｍ〜１４３０ ｎｍにおける水の濃度に対する水の吸収強度を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態 ここで、発明者による本発明の最良の実施の形態を示した具体例を参照しなが ら本発明の具体的形態を説明する。他の具体例も手短に応用例として述べる。 上述したように、本発明の主な目的は、特に半導体部品の製造時に使用するの に適したものを提供することであり、本発明の好ましい具体的形態の例について 以下に述べる。しかしながら、以下の記述は本発明の適用を制限するものではな く、好ましい具体的形態の例を述べているにすぎない。 本発明は特に汚染物質の検出に適したものである。ここでの汚染物質とは、シ リコンフィルムの形成すなわちインレットラインに使用されるガス材料などに含 まれるような分子、原子、基、イオンなどの粒子のことである。また、例えばガ ス材料から吸収線（例えばＨＣｌ吸収線）が十分に取り除かれたかどうかを決定 するために本発明の検出器を使用する場合などにもそのガス材料自体にも汚染物 質という言葉が当てはまる。 本発明の好ましい具体的形態によれば、第１Ａ図に示すように、ガス（汚染物 質）検出システム１０は、励起レーザシステムＡ、ＩＬＳレーザおよびそれに付 随するチャンバＢ、分光器Ｃおよびそれに付随する電気系装置（例えばコンピュ ータ、デジタル回路など）を有する検出器Ｄからなる。さらに具体的には、第１ Ｂ図および第２図に示すように、励起レーザシステムＡは、励起レーザ１００、 ビーム整形光学装置２００、ビーム変調装置３００からなり、レーザおよびチャ ンバＢはチャンバ装置４００およびＩＬＳレーザ５００からなり、分光器Ｃは分 光装置６００からなり、検出器Ｄは検出装置７００およびコンピュータシステム ８００からなることが望ましい。さらに、ガス検出システム１０はガスサンプル 中に含まれる気体粒子（汚染物質）を検出することに優れている。一般には励起 レーザ駆動システムＡはＩＬＳレーザ５００を励起し、好ましくはレーザビーム がガスサンプル中を伝搬してガスサンプルのスペクトラムが得られるように閾値 でまたは閾値近傍で励起する。このスペクトラムは検出装置／コンピュータシス テムＤを用いて検出することが望ましく、ガスサンプル内に含まれる気体粒子（ 汚染物質）の高感度レベルでの濃度および存在を信頼性よく正確に決定すること ができる。 本発明の好ましい具体的形態による科学的原理を詳細に説明するため、内部共 振器型レーザ分光器（ＩＬＳ）の一般的な原理を第３Ａ図〜第３Ｃ図に図示する 。公知であるが簡単には、レーザは、光利得を生ずる利得媒体とミラーのような 光学素子からなる共振器を有するものとして認識されている。特に第３Ａ図に示 すように、簡単なレーザ装置は、レーザ共振器５を形成するために設置された各 ミラー２Ａおよび３Ａの間に利得媒体１Ａを有するように示すことができる。ミ ラー２Ａおよび３Ａは一般的には広帯域の波長範囲において高反射率のコーティ ングが施されている。例えば、ミラー２Ａのミラーコーティングは全反射性のも のであり、一方ミラー３Ａのミラーコーティングは一部反射性のものであり、そ れゆえ光はある程度レーザ共振器５から抜け出ることができる。利得媒体１Ａが 置かれたミラー２Ａおよび３Ａの反射面の間の空間領域がレーザ共振器として決 定され、いわゆる本発明における「内部共振器領域」に関連するものである。 レーザ出力強度（Ｉ）は、利得媒体１Ａが作用する波長領域（λ）と共振器の 光学素子（例えばミラー２Ａおよび３Ａ）の反射率により決定される。通常、第 ３Ａ図のグラフ３Ａに示された波長に対する光強度Ｉの特性に示されるように、 この出力は広帯域で先鋭性または離散的なスペクトル特性は有しない。 レーザ共振器５を形成する光学素子を異なるものに置き換えることにより、レ ーザ出力のスペクトルは変化したり波長可変なものになり得る。例えば、第３Ｂ 図に示されるように、波長可変の共振器には、第３Ａ図に示した高反射率ミラー ２Ａが回折格子２Ｂに置き換えられる。図示するように、そのレーザ装置は、回 折格子２Ｂ、ミラー３Ｂ、およびその間に設置される利得媒体１Ｂを有する。一 般には、この波長可変のレーザの出力のスペクトルは結果的に挟帯域で、利得媒 体１Ａ、ミラー２Ａおよび３Ａ（第１０Ａ図）により決定される元々のレーザ出 力スペクトル内の波長で現れる。例えば、挟帯域の出力を図示した波長（λ）に 対する光強度（Ｉ）の特性がグラフ３Ｂに示されている。 また、光共振器内に、基底状態または励起状態にあるガス状の分子、原子、基 、イオンが存在することにより、レーザ出力が変化し得る。第３Ｃ図に示すよう に、そこに配列されたレーザは、高反射率ミラー２Ｃ、部分反射ミラー３Ｃ、利 得媒体１Ｃ、その間に内部キャビティ吸収部材４を有する。この場合、内部キャ ビティ吸収部材４は気体粒子（例えば汚染物質を有するサンプル）を含んでいる 。レーザ出力には内部共振器の気体粒子の効果が観測できる。例えば、その装置 の波長λに対する光強度Ｉの特性がグラフ３Ｃに示される。グラフ３Ｃには、内 部キャビティ吸収部材４内に含まれる気体粒子の吸収スペクトラムが示される。 グラフ３Ｃに図示された離散的な吸収形状はレーザ利得の競合に対する内部キャ ビティ内の粒子による損失から生じる。 このように、内部キャビティ内の粒子の吸収スペクトラムはレーザ出力のスペ クトルに現れる。特に、共振器の利得特性に対し内部キャビティの吸収形状がよ り強く競合が効果的である波長（λ）においてレーザ出力強度（Ｉ）はより減少 する。結果的に、グラフ３Ａのような比較的スムースで連続的な出力特性に代わ り、構成したレーザの出力がグラフ３Ｃに示されるように観測される。グラフ３ Ｃに示されるように、光強度（Ｉ）の減少は、内部キャビティ部の気体粒子の吸 収によるものであり、すなわち吸収特性が大きければレーザ出力強度も大きく減 少する。本発明によれば、内部キャビティ吸収部材が作用する内部共振器レーザ 測定により得られた吸収スペクトラムはこのような気体粒子の高感度検出に利用 することができる。各々の気体粒子はその吸収スペクトラムにより鑑定され、そ の気体粒子（汚染物質）を確信的に特定するために使用できることがわかった。 本発明の発明者は、レーザシステムが閾値に達する時に自然に生じる利得と損 失との競合中またはその前にレーザ共振器内の吸収性の粒子（気体状要素）の存 在によりＩＬＳの使用を通じて検出感度が高められることがわかった。内部キャ ビティ吸収部材に関わる損失がレーザ内の利得および損失の間の競合の一部にな るということにより、弱い吸収遷移に関わる小さな吸収であっても、または吸収 部材の濃度が極端に小さくても、利得および損失の競合中には劇的に増幅される 。結果的に、そのような競合状態により、明確にＩＬＳ信号（グラフ３Ｃ参照） の出力に現れる。このように、この原理を用いて、ＩＬＳは弱い吸収や極端に小 さな吸収部材の濃度を検出する際に利用できる。 ＩＬＳ検出法はレーザを使用する他の分光方法とは意義的に異なる。上記した ように、分光方法に使用されるレーザの出力により気体粒子を励起し、第２現象 を引き起こし、それを観測する。または、レーザ出力は気体粒子中を伝搬し、レ ーザ出力が波長において選択的に吸収されることによりガスを特定する手段を提 供する。どちらの場合も、レーザの動作は独立で、測定される気体粒子による影 響は受けない。 しかしながら、ＩＬＳ検出の場合、レーザの動作は気体粒子により直接影響を 受ける。この方法においては、ＩＬＳレーザ５００自体が検出器として作用する 。特に、ＩＬＳレーザ５００からの出力は、レーザ共振器５から出力された後に は気体粒子についての分光情報を有している。この動作モードはＩＬＳ検出およ びＩＬＳレーザ５００の独特のものである。 従って、ＩＬＳレーザ５００は従来のレーザとは明らかに異なり、従来のレー ザにはない動作特性を有している。例えば、損失を引き起こす吸収性粒子を故意 にＩＬＳレーザのレーザ共振器５内に導入する。これらの吸収性粒子はＩＬＳレ ーザ５００の動作に作用を及ぼしその出力を変化させる。 また、従来のアプリケーションに使用されるレーザとは異なり、ＩＬＳレーザ ５００を閾値よりわずかに上（例えば閾値パワーの１０％内）で動作させる。し かしながら閾値近傍の動作ではしばしばＩＬＳレーザ５００の出力は不安定なも のとなる。したがって、ＩＬＳレーザ５００の出力を安定化させる技術を付加す ることが求められる。 対照的に、従来のレーザは一般には閾値以上で出力を最大限にするように動作 する。出力を最大限にすることはＩＬＳレーザ５００の目的ではない。従って、 効率の良くないまたは高出力パワーを生じないレーザ媒体でもＩＬＳ検出には使 用可能であり、そのようなレーザ媒体はほとんどの他のレーザのアプリケーショ ンには好ましくない場合が多い。ＩＬＳレーザ５００の目的は光を生み出すこと ではなく、レーザ共振器５内の損失をモニタすることにある。上記したように、 レーザ共振器５の中のモード競合によりＩＬＳレーザ５００内の損失を高感度に 検出することができる。 ＩＬＳ検出は従来の分光技術を超えた高感度性を有しているので、従来の分光 技術では測定不可能な弱い吸収や極めて小さな吸収材料濃度を有するガスからの 干渉信号も測定可能である。 ＩＬＳを通じてガスを検出することは、様々なレーザシステムを使用すること により達成できる（ここで使用するように、そのレーザシステムにはＩＬＳレー ザ５００と励起用レーザ１００が含まれる）。このレーザシステムは各々、極め て高感度な検出を必要とするいくつかの一般的な特性を共に有している。公知に より以下の３つの特性が認識されている。第１に、このレーザシステムは発振す る閾値エネルギー近傍ではマルチモード動作を示す。第２に、このレーザシステ ムは観測される気体粒子や汚染物質（すなわち分子、原子、基、イオン）の吸収 特性と比較して十分広帯域な動作波長帯域を有する。第３に、このレーザシステ ムは安定した強度および波長を維持する。 異なる物理的および光学的特性を有する様々なＩＬＳレーザシステムには、極 めて高い検出感度のためのこれらの上記の基準が合致する。このレーザシステム の異なる物理的および光学的特性はまた、ＩＬＳによる測定がなされる実験状態 （データ取得時間）に関するような明確な利点を提供する。さらに、これらの異 なる物理的および光学的特性は以下のことに影響を及ぼす。（１）検出可能な気 体粒子または汚染物質（すなわち分子、原子、基やイオン）。（２）決定可能な 各気体粒子のそれぞれの濃度。（３）検出可能なサンプルの実質的なタイプ。最 後の例には、サンプルの全体の圧力、サンプルサイズやサンプルを有する環境が 含まれる。 こういった一般的原理の背景に対し、本発明において発明者は、浸食性ガス（ ＩＬＳレーザ５００を含む部品に反応するガス）を含むガスサンプル内に存在 する汚染物質の検出感度を高める民生用として可能な汚染物質センサシステムを 考案した。 ここで第１Ａ図および第２図に示すように、本発明の好ましい具体的形態の例 として、ガス検出システム１０はレーザドライバー１００およびＩＬＳレーザ５ ００が含まれるＩＬＳチャンバ装置４００を有することが望ましい。分光装置６ ００および検出装置／コンピュータシステム７００、８００にはＩＬＳレーザ５ ００からの出力が光学的に導かれ、これにより吸収スペクトラムを測定すること が望ましく、気体粒子の存在や濃度を高感度に検出することができる。 ＩＬＳレーザ５００はガスサンプル（水など）内に含まれる汚染物質の検出に 適した波長領域またはスペクトル領域において動作する。このスペクトル領域に おいて吸収スペクトラムの特性が得られる。ガス状態の分光特性に関しては広範 囲に研究されているので、気体粒子がどのように独立に特定できるかを示す有益 な文献が数多く存在する。 ＩＬＳ検出法を用いて、吸収を測定できる適切なスペクトル範囲を選択するこ とにより、浸食性ガス（塩化窒素など）の中の気体粒子（例えば水蒸気）の一つ を観測することができる。特に、（１）汚染物質や気体粒子は少なくとも一つの 吸収特性を有し、（２）浸食性ガスが実質的には吸収特性に干渉しない場合には 、スペクトル領域は決定され得る。吸収特性に干渉するということは、気体粒子 を特定する際に使用する吸収特性に重なってしまうことを意味するものであり、 それゆえ気体粒子と浸食性ガスとの検出選択性が曖昧になってしまう。多くのそ のようなスペクトル範囲（浸食性ガスの吸収がない範囲または非常に弱い吸収が 存在する範囲）には気体粒子の吸収領域が存在する。浸食性ガスの吸収はこのよ うなスペクトル範囲においては極めて弱い（測定可能として）ので、これらの波 長で動作するＩＬＳセンサ１００は干渉もなく気体粒子の検出に使用することが できる。そのようなスペクトル範囲が存在する波長領域を見つけるには努力が必 要である。特に、ガス内の吸収を測定するためのＩＬＳ検出法の検出感度が高い ので、たとえ従来の分光技術では無視できるものであったとしても、弱い吸収ま たは極めて小さな吸収物の濃度を有するガスからの干渉が意味をもつものとなる 。さらに、特別なスペクトル特性が存在する特定のスペクトル領域内におけるＩ Ｌ Ｓレーザ５００の動作にもかなりの努力が必要とされる。 にもかかわらず、この独特の分光による気体粒子の特定にはかなり期待できる 。このようにして、検出される気体粒子の選択が可能となる。しかしながら、こ のようなスペクトル範囲の存在は、高いスペクトル分解能によってのみ明らかに なる。結果的に、お互い近傍に現れる吸収特性を分離するためには十分なスペク トル分解能が必要となる。 さらには、ある特定のスペクトル範囲の波長位置およびその幅はある特定の気 体粒子およびある特定の浸食性ガスに直接依存する。例えば、塩化水素（ＨＣｌ ）内の水蒸気の検出には、約１４２０ｎｍと１４３４ｎｍの間の波長領域からス ペクトル領域が選択される。または、約１４３３ｎｍと１４４０ｎｍの間の波長 領域からスペクトル領域が選択される。 従って、ＩＬＳレーザ５００は選択されたスペクトル領域の少なくとも一部に 波長分布を有する出力光を有しなければならない。 ＩＬＳレーザ５００を駆動させるためには、ＩＬＳレーザを閾値よりわずかに 上に励起させるために十分なパワーの放射光を導き適切な波長領域内の励起光源 がガス検出システム１０に必要となる。これに関して、光共振器内の気体粒子の 吸収とともに利得媒体やミラーやミラーではない共振器内部の光学素子に付随す るものも含めた全体の光損失をレーザ媒体の利得が上回ってＩＬＳレーザ５００ を動作させることが重要である。さらには、レーザ５００が広帯域の波長範囲に わたり縦マルチモードで動作することが望ましい。通常は、レーザ動作が生じる 帯域範囲は約２ｎｍから１５ｎｍが望ましい。ＩＬＳレーザ５００は一つ以上の 横共振モードで動作可能であるがそれは必要ではない。本発明の好ましい具体的 形態の例によれば、レーザドライバーは光励起レーザ１００からなる。好ましく は、励起レーザ１００の光学パラメータがＩＬＳレーザ５００の光学的に必要な ものと一致することが望ましい。そのためには、特定の体積中にそして特定の期 間中に励起レーザ１００からの所定の距離でどれだけ多くの光子が送出され得る のかを決定することが必要である。一般に、本発明によれば、励起レーザ１００ をＩＬＳレーザ５００の光学特性と一致するように適切に選択するように、公知 の理論的および量的な方程式によりその決定はなされる。 本発明においては他のドライバーを利用することもできるが、励起レーザ１０ ０に関しては、単独でＩＬＳレーザ５００を励起できるようにその動作波長およ び光学パラメータに基づいて選択することが望ましい。以下に詳細に述べるが、 励起レーザ１００が単独で効果的に駆動（励起など）できない場合には、ビーム 整形装置２００のようなビーム修正光学部品を利用することもできる。しかしな がら、レーザ１００からの放射光がＩＬＳレーザ５００内に含まれるＩＬＳ利得 媒体の励起に関する要求（モード体積など）を満足する場合には、そのようなビ ーム修正光学部品は不要である。 本発明の具体的実施の形態の一例によれば、励起レーザ１００は波長λ_pで発 振するレーザ（この場合では固体結晶レーザ、約２．８ワット以上の出力でＴＥ Ｍ_ooの横モードを有して約１０６４ｎｍで発振するＮｄ：ＹＡＧレーザ）からな る。また、励起レーザ１００から伝搬するビームＥは、直線偏光で伝搬面に対し 垂直に偏波面が回転可能であることが望ましい。さらには、励起レーザ１００か らの出力ビーム（ビームＥ）の発散角は０．５ｍｒａｄ以下でビーム径５ｍｍ以 下が望ましい。励起レーザ１００として好ましいレーザはMountain View,CAのSp ectra Physics社のモデルT20-1054Cが挙げられる。さらに以下で詳細に述べるが 、そのような励起レーザ１００を使用する際にはビーム整形光学装置２００を使 用する必要がある。 ドライバー１００は、コヒーレントもしくはインコヒーレント、連続波もしく はパルス波に関わらずＩＬＳレーザ５００を励起するために適当な励起光源から なることが望ましい。結果的に、前の具体例で上述したように励起光源１００は 従来の方法で動作し、所望の帯域を有し所望の周波数にわたり発振する。例えば 、励起レーザ１００は半導体レーザからなってもよい。しかしながら励起レーザ １００として半導体レーザを使用する場合には、一般にはビーム整形光学装置を 使用する必要がある。 続けて第２図に示すように、ＩＬＳレーザ５００は簡単には各ミラー５０１、 ５０３、５０５の間の全体の光学距離により定義された光共振器からなる。 しかしながら、レーザ自体の部品（利得媒体、結晶、ミラー、機械部品など） と化学的に反応しないサンプル内のガス（汚染物質）を検出するためにシステム １０を使用する際には、光共振器はミラー５０１、５０３、５０５の領域により 定義することができる。この場合、ガスサンプル領域（すなわちガスサンプルが 存在する領域）はミラー５０１、５０３、５０５の間の領域（レーザ結晶５０７ を除く）からなる。 しかしながら、浸食性ガス、すなわち一つ以上のレーザ部品に化学的に反応す るガスを含んだサンプルの場合には、それらの部品からガスサンプルの領域を分 離することが望ましい。本発明の具体的実施の形態によれば、レーザ部品からサ ンプルを独立させて利用する独立サンプルシステム４００Ａの形態が望ましい。 第２図および第４図に示すように、本発明の好ましい具体例によれば、そのサ ンプルシステム４００Ａはガスサンプルセルホルダ４０７内に保持されたガスサ ンプルセルボディ４０６からなることが望ましい。各セル窓４０４および４０５ はガスサンプルセルボディ４０６の末端に配置され、セルボディ内のサンプルへ 光を伝搬させることが望ましい。窓４０４および４０５はまたセルボディ４０６ を覆っていることが望ましい。以下に詳細に述べるが、システム４００Ａが配置 された領域は非点収差補正されていることが望ましい。この非点収差補正により 、窓４０４および４０５は、伝搬に関することを除き、ＩＬＳレーザの出力を変 質させない非能動光学素子となる。入口部の導管４０８および出口部の導管４０ ９はガスセルボディ４０６に機能的に接続されている。 第４図に示すように、結合部４０８および４０９は、ガス（汚染物質）サンプ ルセルシステム４００Ａに対してガスサンプルを確実に出入りさせる効果的な役 割を果たす。従って、本発明のガス検出システム１０は高圧を含む可変圧力のガ ス流量を継続的にモニタすることができる。特に、ガスサンプルセルボディ４０ ６を使用することにより、大気圧やＩＬＳレーザが発振した圧力とは異なる（高 いもしくは低い）圧力のガスを測定する際に、ＩＬＳレーザ５００を動作させる ことができる。そのようなガスサンプルセルボディを使用しないと、ＩＬＳレー ザ５００が配置された場所とは異なる圧力を有したガスサンプルをモニタする際 に発振が困難になるであろう。このように、このガスサンプルセルボディ４０６ により、大気圧やＩＬＳレーザが発振する圧力を超過した圧力のガスサンプルに 対してＩＬＳレーザを安定に動作させることができる。または、大気圧やＩＬＳ レーザが発振するような圧力以下の圧力（例えばガスサンプルセルボディ４０６ が真空の時）のガスサンプルに対しても同様である。さらに、圧力がふらついて いるようなガスサンプルに対してもガスサンプルセルボディによりＩＬＳレーザ を安定に動作させることができる。 また、セルボディ４０６は、１０〜９０ｍｍの範囲の大きさのステンレススチ ールからなることが望ましい。本発明の特に好ましい具体的形態によれば、サン プルシステム４００Ａは約８分の１インチの直径の開口部（すなわちボディ４０ ６内の開口部）を有する。ボディ４０６の開口部はガスサンプルセルボディ４０ ６の中心に対称的にあることが望ましい。また、ガスサンプルシステム４００Ａ の光学アライメントが簡単になるように、セルボディ４０６の開口部の直径は入 射するビームの直径より大きくなるようにすることが望ましい。 窓４０４および４０５の厚みは、ガス検出システム１０の動作を通じて得られ たＩＬＳ吸収スペクトラム特性と干渉する干渉効果を避けるように選択すること が望ましい。これによれば、窓４０４および４０５の形成に使用する材料は、１ ３５０〜１５５０ｎｍの波長領域のようなＩＬＳレーザが動作する領域において 吸収損失を最小限にするよう最適に選択することが望ましい。例えば、窓４０４ および４０５は、高精度に研磨させたResearch Electro Optics of Boulder,CO のInfrasil^TMのような光学的に親和性のある材料から形成される。窓４０４およ び４０５は窓の表面からの反射損を最小限にするためブリュースター角の方位で 配置することが望ましい。 このように配列させると、ガスサンプルセル４０６により、ビームＨをガスサ ンプル中を分析のための伝搬をさせることができる。チューブが取り付けられた 結合部４０８および４０９は、閾値励起状態を変化させないままＩＬＳレーザ内 でアライメントが必要とされる窓４０４および４０５の調整が簡単になるように 選択されることが望ましい。システム４００Ａが使用される場合、共振器はミラ ー５０１、５０３、５０５の間の物理的距離（レーザ結晶５０７を含み、さらに 窓４０４および４０５自身を含む窓４０４と４０５との間の領域のような、サン プルシステム４００Ａを構成する領域を含む）により決められる。しかしながら 、サンプルがレーザ部品と化学反応しない場合には、サンプルセルは各ミラー５ ０ １、５０３、５０５の間の物理的領域（レーザ結晶５０７を除いて）により名目 上定義される。 チャンバ４００内の検出されたガス（汚染物質）は、ガス検出システム１０を 使用することにより得られるサンプルの吸収スペクトラムがシステム４００Ａ内 に含まれるガスサンプル内のガス（汚染物質）の量やその存在を正確に示すよう いかなるものも除去されることが望ましい。本発明の好ましい具体的形態によれ ば、チャンバ４００は、検出されたガス（汚染物質）を取り除いたり、検出され たガス（汚染物質）を除去したり排出できるような、もしくはガス（汚染物質） のレベルをサンプルシステム４００Ａ内で検出可能レベル以下に減少させるよう な封印されたコンテナである。例えば以下に詳細に述べるように、ゲッターによ り汚染物質の連続除去が可能になる。 第２図および第４図に示すように、本発明の好ましい具体的形態によれば、Ｉ ＬＳチャンバ４００（サンプルシステム４００Ａを除く）は、コンテナベース４ ０１および取り付け可能な蓋４１０からなることが望ましい。各窓４０２、４０ ３は適当な方法で光共振器で決まる位置でボディ４０１の壁面に配置することが 望ましい。コンテナベース４０１および取り付け可能な蓋４１０はステンレスも しくはアルミからなることが望ましい。蓋４１０は、そこに存在する汚染物を排 気したり除去したりするのに適当な従来技術に従いボディ４０１に固定される。 例えば、ガスケット４１０Ａや装置を封印するための他の適当な手段（例えば機 械的アシストや金属物のシールド、接着剤など）はそのような目的に使用できる 。ベース４０１および蓋４１０は、ユーザーに運ばれる前に密閉することが望ま しい。 チャンバ４００を排気するため、真空ポンプ用または排気用として入口部４１ １および出口部４１２が設けられる。 窓４０２、４０３をコンテナ４０１の壁面に配置することにより、ＩＬＳチャ ンバ４００へ光を導くことが望ましい。また窓４０２は波長約１０００〜１１０ ０ｎｍ、最も好ましくは約１０６４ｎｍにおいて無反射（ＡＲ）コーティングが 施されていることが望ましい。一方、窓４０３はＡＲコーティングなしの光学窓 であることが望ましい。窓４０２は波長λ_P、この場合１０６４ｎｍで透過が最 大になるように設計されることが望ましい。同様に、窓４０３はＩＬＳレーザ５ ００の発振波長領域（例えば１３５０ｎｍから１５５０ｎｍ）にわたって透過が 最大になるよう設計されることが望ましい。 特に、チャンバ４００（サンプルシステム４００Ａを除く）内のガス（汚染物 質）を許容レベルに減少させることは、ガス（汚染物質）のレベルをサンプルシ ステム内のガスサンプル内で検出可能以下にするように、密閉可能な蓋４１０付 のコンテナ４０１を排気したりガスを取り除いたりして可能になる。（１）チャ ンバ内のガス濃度と（２）ガスサンプルセルボディ内のガス濃度との比が（１） 共振器の長さ（すなわちミラー５０１と５０５の間）と（２）ＩＬＳレーザビー ムがセルボディ内部を伝搬する長さの比と等しい時には、チャンバ４００内のガ スが寄与する損失はガスサンプルセルボディ４０６内のガスが寄与する損失に匹 敵する。 汚染物質が水蒸気からなる場合には、チャンバ４００内の水蒸気のレベルをサ ンプルに含まれるレベル以下に減少させる必要がある。本発明によれば、１０ｐ ｐｔ以下の検出レベルを得ることができる。チャンバ４００から汚染物質（例え ば水蒸気）を除去する方法として公知の方法や下記の方法を本発明において実施 することが可能であるが、チャンバ４００を密閉し、窒素などの不活性ガスを排 出するようにすることが望ましい。またさらに、そこに含まれる全ての汚染物質 を実質的に除去するような真空状態を生ずるようにチャンバ４００を排気する必 要がある場合もある。また、排気中にチャンバ４００を加熱することも有用であ る。そのように加熱したり「焼成」したりすることにより、チャンバ４００が排 気中に冷えている場合よりもさらに高いレベルの真空度を得ることができるだろ う。本発明のさらなる具体的実施の形態によれば、チャンバ４００内の水蒸気を さらに除去するためにゲッター（図示なし）をチャンバ４００に使用することが 望ましい。公知の技術のように、ガスサンプルセル４０６内において検出可能な 水蒸気濃度以下（例えば１０ｐｐｔ以下）の水蒸気（汚染物質）レベルに減少さ せるために、連続的に水蒸気を吸収することのできるゲッターを使用することが できる。 ガスサンプルは、結合部４０８および４０９にガスラインを接続することによ りサンプルシステム４００Ａへガスを供給するようにシステム４００Ａに通じて いることが望ましい。 簡単に上記したように、ＩＬＳセンサ５００はチャンバ４００内に配置された ガスサンプルに含まれる気体粒子（汚染物質、例えば水蒸気など）を光学的に検 出するのに適している。本発明によれば、ＩＬＳレーザ５００は結晶ホルダ５０ ８に取り付けられた結晶（利得媒体）５０７を含むことが望ましい。結晶５０７ は、結晶５０７もまた入射ビームに対して最適に配置されるように結晶ホルダ５ ０８に取り付けられる。上記のように、入射ビームＦをＩＬＳ利得媒体（例えば 結晶５０７）のモード体積に一致させるように励起レーザ１００の発振やビーム 整形装置２００を使用し、入射ビームを整形することが望ましい。 一般には、ＩＬＳレーザ５００は、例えばシステム４００Ａ内に含まれるよう なビームがガスサンプルに向けられた領域において内部共振器領域内のレーザビ ームがほぼ平行である（すなわち非点収差補正された）ように形成されることが 望ましい。この目的のためには様々な光学的な配置があるが、このようなミラー の配列には特に利点がある。このような配列によりＩＬＳレーザの非点収差補正 を正確になすことが可能となり、そのため発振閾値でＩＬＳレーザを励起するた めに必要な光学的状態に同時に合致させ、ほぼ平行なレーザビームを生成してシ ステム４００Ａ内に含まれるガスサンプルに向けられる。 本発明のこの特徴によれば、各ミラー５０１および５０５と折り返しミラー５ ０３はこの目的のために使用される。ミラー５０１は波長λ_P、例えば約１００ ０ｎｍから１１００ｎｍ、望ましくは１０６４ｎｍの波長を中心とする最適なＡ Ｒコーティングを有する光学ミラーからなることが望ましい。ミラー５０１はま た、ＩＬＳレーザの動作する所望のスペクトル領域において約９９．８〜１００ ％のコーティングを有する。望ましくは、ミラー５０１は凹面ミラーである。例 えば、ミラー５０１は約１０ｃｍの曲率半径（ＲＯＣ）で約１．０〜１．３ｃｍ の直径のミラーである。またミラー５０３はミラー５０１と同様の形状で同様の 反射コーティングを有する折り返しミラーであることが望ましい。本発明の好ま しい具体的形態によれば、ミラー５０３は所望のスペクトル領域（例えば１３５ ０ｎｍ〜１５５０ｎｍ）にわたり約９９．８％〜１００％の反射率を達成するコ ーティングが施されていることが望ましい。 またミラー５０５は平板ミラー（ＲＯＣ＝無限大）からなることが望ましい。 第２図に示すように、ミラー５０５の片側とミラー５０３の側面にはＩＬＳレー ザの所望の発振スペクトル領域、例えば１３５０ｎｍから１５５０ｎｍにおいて 反射コーティングが設けられていることが望ましい。ミラー５０５の他の面５０ ５Ｂにはコーティングが施されない。 ミラー５０５の両面は、約０．５度〜３度、好ましくは約１．０度の角度のウ ェッジ構造になっていることが望ましい。本発明の発明者によれば、この面構造 の干渉効果により不用意な反射を最小限にする傾向があることが分かっている。 マウント５０２、５０４、５０６により、チャンバ４００内に存在するＩＬＳ 共振器の光学アライメント用の機械的な調整が可能である。例えば、本発明の発 明者によれば、ミラー５０１および５０５をビームに対し０度の角度に、ミラー ５０３をビームに対し約１２．５度の角度に調整してレーザの形成をすることに よりＩＬＳレーザの効率を最適化できることがわかっている。 ミラー５０１、５０３、５０５を適切に設計、配置および形成することにより 、ビームＨはミラー５０３と５０５の間の領域においてほぼ平行（コリメートさ れた）になる。結果的に、ＩＬＳレーザの動作に実質的に有害な影響もなく内部 共振器領域内にサンプルシステム４００Ａを挿入できる。しかしながら、ＩＬＳ レーザ５００内の反射面（例えばミラーや窓）の間のいかなる場所においても、 ＩＬＳレーザ内でいかなる干渉をも生じさせないようにしなければならない。反 射面間の距離がＩＬＳレーザ結晶が動作する波長に相当する波長の整数倍と等し いならば干渉パターンが生じてしまう。 上記したように、ＩＬＳレーザ結晶５０７は、ガスサンプルに含まれる汚染物 質（例えば水蒸気）の検出に適した波長領域で発振し、吸収スペクトラムが得ら れることが望ましい。先に述べたように、レーザ結晶５０７は一般にはマルチモ ードレーザシステムの特性を示す。レーザ結晶５０７の出力のモード間隔は、ガ スサンプルの吸収特性を正確に示すように十分小さいことが必要とされる。レー ザ結晶５０７により生じる光は一般には約４５０ＭＨｚ〜５５０ＭＨｚのモード 間隔であり、そのため吸収帯域の正確なスペクトルの複製が可能になる。本発明 においてはいかなるレーザ結晶も使用できるが、本発明においては（例えば塩化 水素中の水蒸気の検出など）Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧもしくはＣｒ⁴⁺：Ｌｕｔｅｔｉｕｍ （Ｌｕ）ＡＧレーザ結晶が最適に使用できる。さらにはＣｒ⁴⁺イオンにかわり他 のイオンや結晶に他のイオンをドーピングしたものが代用できる。本発明の発明 者によれば、ガーネットホストのＣｒ⁴⁺のシステム（例えばＹＡＧやＬｕＡＧ） の低い利得効率でも、約１０ｍｍから３０ｍｍの長さで５ｍｍの直径の結晶を用 いてレーザとして十分動作することがわかっている。特にはレーザ利得媒体５０ ７は反射損を最小限にするためのブリュースター角でカットされたＣｒ⁴⁺：ＹＡ ＧもしくはＣｒ⁴⁺：ＬｕＡＧ結晶からなることが望ましい。さらに望ましくは、 約０．１５％のドープレベルで約２３ｍｍ〜２７ｍｍの結晶長を有しブリュース ター角（約１．８２の結晶の屈折率に対して約６１．２０度）でカットされたＣ ｒ⁴⁺：ＹＡＧ結晶が、本発明によるガス検出システム１０において特に有効であ ることがわかった。 効率を向上させる一方で、現在利用可能なレーザ結晶５０７にはかなりの損失 がある。損失は熱に変換される。本発明によれば結晶５０７は発振により生じる 熱を効果的に除去する方法でマウントされている。しかしながら、新しい結晶が 開発されレーザ結晶５０７の効率が改善されている一方で、ある点においては熱 除去デバイスの必要性が低減され、熱除去の必要性がなくなる程度に損失が小さ くなることは望ましいことである。しかしながら、現在利用されている結晶５０ ７を使用する際には、ＩＬＳレーザシステム５００にヒートシンクシステム５０ ０Ａがさらに付加されることが望ましい。 続けて第２図さらには第５図に示すように、ヒートシンクシステム５００Ａは マント５０８および結晶５０７（第５図には図示なし）に取り付けられる。第５ 図に見られるように、ホルダ５０８はレーザ結晶５０７を機械的に固定するため に２つの部品のホルダからなることが望ましい。ヒートシンクシステム５００Ａ は銅のヒートシンクブリッジ５１０と熱電冷凍素子５０９および熱電センサ５１ １からなることが望ましい。さらに、チャンバ４００のボディ４０１の側壁に電 気温度制御装置５１２を設けることが望ましい。ブリッジ５１０、冷凍素子５０ ９、センサ５１１が付加されたマウント５０８により、ＩＬＳレーザを構成する 他の光学部品に対して結晶５０７を適切にアライメントすることが可能になり、 また結晶の熱特性の制御も可能になる。 本発明の好ましい具体的形態によれば、ヒートシンクシステム５００Ａは、結 晶５０７に直接物理的に接触がしていることが望ましい。ビームＦにより誘発さ れる光励起を通じて結晶５０７の通常の動作により生じる熱は結晶５０７から効 果的に逃がされ、このため動作中の結晶温度を比較的一定に保持することができ る。また、結晶ホルダ５０８は銅／アルミの合金からなり、冷凍素子５０９およ びヒートシンクブリッジ５１０に機能的に取り付けられることが望ましい。ヒー トシンク５１０は、余分な熱が結晶５０７から逃げ出るようにチャンバ４００の ボディ４０１内に配置された銅のヒートシンクであることが望ましい。センサ５ １１は動作温度が最適に保持されるようにホルダ５０８、冷凍素子５０９、ブリ ッジ５１０および結晶５０７の温度を測定する。本発明によれば、結晶５０７の 温度管理が可能になり、このため不用意にガス検出システム１０の動作を複雑に するような冷却剤の必要がなくなる。 ＩＬＳレーザシステム５００は、結晶５０７を励起するビームとミラー５０３ からの反射ビームのなす角度（φ）が約２０°〜３０°、さらには約２３°〜２ ７°、最適には約２５°であることが望ましい。このビーム（ビームＨ）はサン プルシステム４００Ａへ導かれる。 サンプルシステム４００Ａを伝搬した後のＩＬＳレーザ５００からの出力ビー ムＧは、分光装置６００へと導かれる。第２図に示すように、それはミラーホル ダ６０２に取り付けられた折り返しミラー６０１を使用することによりなされる 。ミラー６０１はＩＬＳレーザが動作する所望のスペクトル領域（例えば１３５ ０ｎｍ〜１５５０ｎｍ）において高反射率のコーティングが施された平面ミラー からなる。 ＩＬＳレーザ５００からの出力は、光ファイバーのリンクにより、スペクトル 分析を行う離れた場所へと導かれてもよい。特に、ビームＧは光ファイバーや光 ファイバーバンドルへと結合させることができる。気体粒子中を伝搬した後、Ｉ ＬＳレーザの出力は離れた場所に配置された分光装置６００へと導かれる。適切 な状態にすることにより、その光ファイバー伝送がスペクトルデータを歪めるこ とはないことが実証されている。 続けて第２図に示すように、分光装置６００は、コヒーレントビームをスペク トル分解するように設計され、特に検出されたサンプル内の汚染物質の吸収スペ クトラムをスペクトル分解するように設計された分散型回折格子からなる。分光 装置６００のスペクトル分散は、汚染物質の吸収特性を明確に分析するのに十分 な大きさであることが望ましく、それゆえ各汚染物質の特定や汚染物質の濃度の 決定をすることができる。ここでわかるように、本発明において分光器が使用さ れるが、分光装置６００は光ビーム拡大装置６００Ｃおよび集光レンズ装置６０ ０Ｄとともに動作する２つの回折格子６００Ａと６００Ｂからなることが望まし い。光ビーム拡大装置６００Ｃはレンズ６０３および６０５からなり、マウント ６０４および６０６を使用してガス検出システム１０内に配置されることが望ま しい。レンズ６０３は負のレンズでレンズ６０５はコリメートレンズであること が望ましく、各レンズは、検出されるサンプル内の汚染物質の吸収スペクトラム 、例えば約１０００ｎｍ〜１５００ｎｍ、好ましくは１４００ｎｍの波長を中心 とするＡＲコーティングが施されることが望ましい。 回折格子装置６００Ａおよび６００Ｂは各回折格子マウント６０８および６１ ０に設置された各回折格子６０７および６０９からなる。マウント６０８、６１ ０は分光器６００内で回折格子６０７、６０９を調整することができる。 集光レンズ装置６００ＤはＩＬＳレーザ５００が動作する波長、例えば約１０ ００ｎｍ〜１５００ｎｍ、好ましくは１４００ｎｍのＡＲコーティングが施され たレンズ６１１からなることが望ましい。そのレンズ６１１は分光器６００の出 力をマルチチャンネルアレイ検出器７０１へと集光する。 ＩＬＳレーザ５００が動作するスペクトル領域は、分光装置６００により再生 され、マルチチャンネルアレイ検出器７０１がマウント７０２に固定された面に 空間的に置換される。マルチチャンネルアレイ検出器７０１からの情報を操作し 読み取るために必要な制御およびタイミング電気部品を含んだ電気ボード７０３ がそこに効果的に接続される。結果的に、ガス検出システム１０を使用して見つ け特定された特定の汚染物質のスペクトル分散した吸収スペクトラム全体が得ら れる。その汚染物質の特定の吸収形状の位置および相対強度により、検出された ガスを特定し、さらに検出されたガスの量を決定することができる。 例えば検出器７０１は、１００μｍ間隔の２５６ピクセルを有するＩｎＧａＡ ｓのマルチチャンネルアレイからなる。マルチチャンネル検出器７０１により検 出された光は、各検出器の要素（ピクセル）の電気信号に変換され、ボード７０ ３を通じてアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器８０１へと伝送される。変換器 ８０１は、情報の正確な伝送を保証するようにＢＮＣコネクタとシールドケーブ ルを通じて接続されることが望ましい。このようにデータが変換されてコンピュ ータ８０２へと送信され、コンピュータ８０２は電気信号をスペクトル情報に変 換するようにプログラムされ、スペクトル特性がガス（汚染物質）の特性とガス （汚染物質）濃度を決定する。 または、モニターされる気体粒子中を伝搬したＩＬＳレーザの出力を、波長走 査できる少なくとも一つの分散型光学素子（例えば回折格子６０７および６０９ ）を有する分光装置へと導いてもよい。この分光装置６００の出力は単一チャン ネルの検出器へと導くこともできる。レーザ共振器５内の気体粒子のスペクトル 特性は、分光装置６００を伝搬する光を単一チャンネル検出器の前に設置された 適当な開口部（例えばスリット）を通じて伝搬させて分散型光学素子を走査する ことにより得られる。分光装置６００を伝搬した、すなわち分光装置６００の出 力である光の強度は、分散型光学素子を走査しながら記録される。 ここで第２図に示すように、上記のごとく、励起レーザ１００によりＩＬＳレ ーザを閾値近傍で動作させると、ガス検出システム１０は、ＩＬＳレーザが動作 する領域にわたりスペクトル分解された領域を検出する。ドライバー１００の光 学特性がＩＬＳレーザ５００のそれと一致する場合には、ドライバー１００の出 力には何の修正も付加する必要はない。しかしながら、利得媒体（すなわち結晶 ５０７）へと伝搬されるドライバー１００からの励起用放射光が、ＩＬＳレーザ ５００の利得媒体内で光励起させなければならない体積と一致しない場合には、 その体積整合をなすためにビーム修正システム２００を利用することができる。 簡単には、ビーム修正システムは、ＩＬＳレーザ５００の利得媒体の正確な位置 および体積に必要な光子密度へと集光することによりＩＬＳレーザ５００へ導か れる放射光を最適化するために有用な光学テレスコープからなることが望ましい 。 とりわけ、ビーム修正システム２００は、ＩＬＳレーザ５００の必要性に合わせ てドライバー１００の励起用放射光を変化させるために使用される。 本発明によれば、ビーム修正システム２００はビーム拡大テレスコープからな る。とりわけ、励起レーザ１００がＳｐｅｃｔｒａ Ｐｈｙｓｉｃｓ社の半導体 レーザ励起固体結晶レーザからなり、ＩＬＳ結晶５０７がＣｒ⁴⁺：ＹＡＧまたは Ｃｒ⁴⁺：ＬｕＡＧ結晶からなる場合には、励起レーザ出力のビームの拡大が必要 である。 第６図に見られるように、システム２００はレンズと調整可能開口部の列から なる。特に、各可変開口部品２０２および２０５が設けられた場所に各直立壁を 含んだフレーム２０１が設けられている。レーザ１００の出力（例えばビームＥ ）をシステム２００に入出させる開口部の大きさを可変する適当な方法が設けら れ、部品２０２および２０５は従来の開口可変部品からなる。システム２００は また、集光レンズ２０３とコリメートレンズ２０４からなることが望ましい。レ ンズ２０３が集光レンズ、レンズ２０４がコリメートレンズで、共に波長λ_P、 例えば約１０００ｎｍ〜１１００ｎｍ、好ましくは１０６４ｎｍにおいてＡＲコ ーティングが施されていることが望ましい。第６図に見られるように、レンズ２ ０３および２０５はビームＥ内に各配置がなされるようにフレーム２０１に取り 付けられることが望ましい。 続けて第２図に示すように、あるアプリケーションにおいては、入射ビームを ＩＬＳレーザ５００内のレーザ利得媒体（例えばイオンドープの結晶やガラス） ５０７に集光して入射させることが必要であろう。本発明の好ましい具体的形態 によれば、集光レンズ２０６は、その集光レンズがビームＦの光路内に配置され るようにレーザレンズマウント２０７に設置されることが望ましい。本発明の特 に好ましい具体的な形態によれば、集光レンズ２０６は波長λ_P、例えば約１０ ００ｎｍから１１００ｎｍ、好ましくは１０６４ｎｍを中心としたＡＲコーティ ングが施された光学集光レンズであることが望ましい。集光レンズ２０６は平面 −凸面形状または凸面−凸面形状であることが望ましい。 ここでわかるように、ガス検出システム１０を使用することにより得られる量 の情報の質に関しては、少なくとも部分的にＩＬＳレーザ５００の安定動作に依 存する。本発明においては、レーザ５００の安定性は、ＩＬＳレーザ５００がい かに再現性よく閾値に到達するかに直接依存する。励起レーザ１００がＩＬＳレ ーザ５００を最も感度の良い閾値近傍で連続的に励起させることが望ましい。し かしながら、すべてのドライバーが連続的に信頼性よく動作させる能力があると は限らない。さらに、連続的に動作させるとＩＬＳレーザ５００の振幅や波長の 安定性を維持するためには相当の努力が必要となる傾向があり、コスト面におい て反対の影響をもたらし、ゆえにガス検出システム１０を民生用として実行可能 とするのに逆効果となってしまう。 ＩＬＳレーザを連続的に動作させるため、本発明の好ましい具体的形態によれ ば、ＩＬＳレーザを「パルスモード」もしくは「チョップモード」で動作させる 。ここで使用する「パルスモード」および「チョップモード」とは、ＩＬＳレー ザをオンオフするように励起用放射光をＩＬＳレーザ５００（すなわちイオンド ープの結晶５０７）に再現性よく露光するための過程を言う。チョップというの は、固定周波数の固定デューティサイクルにおいて固定の強度と０強度との間で 励起用放射光を変化させることに相当する。対称的に、パルスとは、励起用放射 光を可変で一般には非対称なデューティサイクルにおいて０強度と非０強度との 間を変化させることに相当する。（または励起ビームの強度が０に達せず、ＩＬ Ｓレーザ５００が閾値の上下を変化するような少なくとも二つの強度レベルで変 化するように、励起用放射光を変調することもできる。） チョップモードやパルスモードの動作により、確実に量的なスペクトルおよび 濃度の測定をするようなＩＬＳレーザ５００の安定動作を、民生用として実行可 能な方法により実現できる。そのような強度変調（遮断）は機械的に動作するチ ョッパーや音響光学変調器やシャッターなどのようなものを用いて達成すること ができる。 または、出力ビーム（ビームＥ）を二次的にチョップする代わりとして励起レ ーザ１００の出力強度を変調できる。特に、励起レーザが半導体レーザであれば 、半導体レーザである励起レーザへ供給される電気パワーを変調することにより 、ＩＬＳレーザが発振するために必要な閾値の上下の電圧を得ることができる。 結果的にＩＬＳレーザ５００はオンとオフで切り替わる。 本発明によりチョップモードやパルスモードが得られる方法が述べられたが、 これらのモードは変調装置３００を使用することによっても得ることができる。 本発明によれば、励起レーザビームＥを周期的に遮断したり伝達したりする回 転変調器３０１により、ビームＥをＩＬＳレーザへと到達させることを周期的に 妨げられる。とりわけ、第６図においては、変調器３０１は機械的なチョッパー からなっている。機械的なチョッパー３０１はビームＥがＩＬＳレーザに到達す る前に変調されるように配置される。変調器３０１はビーム修正システム２００ の前後どちらでも配置できるが、本発明の好ましい具体的形態によれば、チョッ パーはビーム修正システム２００内の集光点に配置されることが望ましい。また は、チョッパー３０１は励起レーザ１００の前に配置されることが望ましい。第 ２図によく見られるように、チョッパー３０１はビーム修正装置２００のフレー ム２０１に設置されることが望ましい。 チョッパー３０１は励起レーザビームを周期的に遮断したり変調したりする機 械的または電気光学的ないかなる装置にも置き換えられる。先に述べたように、 本発明によれば、励起レーザ１００から放出される励起用放射光の強度は、ＩＬ Ｓレーザ５００が閾値以下になるような強度でよく、０である必要はない。しか しながら、励起レーザ１００によりＩＬＳレーザへと導かれる光学励起エネルギ ー全体は、各変調周期において一定に保持されなければならない。 パルスモードやチョップモードを使用すると、吸収情報を有するＩＬＳレーザ の出力は周期的にサンプリングされる。再び第２図に示すように、本発明の好ま しい具体的実施の形態によれば、変調装置３００は変調器３０１（適当な電気回 路が必要）と変調器３０４（同様に適当な電気回路が必要）からなる。変調器３ ０１は励起レーザ１００とレンズ２０３からの出力ビームＥの強度を変調し、変 調装置３０４はチャンバ４００から出るＩＬＳレーザ５００の出力ビームを変調 する。ここで変調器３０１はＩＬＳレーザ５００の利得媒体（例えば結晶５０７ ）に到達する際に励起ビームＥを遮断し、変調器３０４は分光装置６００と検出 装置７００に到達する際にチャンバ４００から出力されるＩＬＳレーザビームを 遮断する。 チョッパー３０１は開口位置および閉口位置の繰り返しで回転することが望ま しい。チョッパー３０１は適当な電気コネクタ３０２を用いてチョッパーに接続 されたチョッパードライバー３０３により駆動する。ドライバー３０３がチョッ パー３０１を開口位置に回転させるとビームＥはＩＬＳレーザに到達し、それゆ えＩＬＳレーザはレーザ活性のための閾値以上になる。ドライバー３０３がチョ ッパー３０１を閉口位置に回転させるまでＩＬＳレーザは動作し続け、その後励 起ビームＥがＩＬＳレーザ５００に到達することを妨げる。 チャンバ４００から出たＩＬＳレーザの出力は、変調器３０４へと直接導かれ る。本発明によれば、変調器３０４は音響光学変調器からなる。しかしながら、 他の利用可能な装置、例えば他の機械的動作のチョッパーやシャッターなどもこ の目的のために使用することができる。上記したように、ビームが出力されるＩ ＬＳレーザ５００から量に関する情報を抽出するために、変調器３０４は、特定 サンプルに含まれる汚染物質（気体粒子など）の吸収データを有するＩＬＳレー ザの出力を周期的にサンプリングする。（以下に詳細に述べるが、変調器３０４ を使用するかわりに、ＩＬＳレーザ５００の出力を周期的にサンプリングするた めに、検出装置７００をオンオフでスイッチをしてもよい。） この変調形態に関しては変化可能であるが、変調器を使用することによりＩＬ Ｓレーザ５００内の光路長を再現性よく効果的に生み出すことができる。言い換 えると、発生時間ｔ_g、すなわちＩＬＳレーザ５００内の内部共振器モード競合 が起こっている時間を変化させることにより、内部共振器内の実効吸収光路長を 制御して、ＩＬＳガス検出器１０による定量的な測定が最適に達成できる長さに なるよう選択することができる。 ＩＬＳレーザ５００からの量的情報が時間分解による方法で抽出可能になるよ うに、励起レーザ１００の出力の変調を変調装置３０４と同期させる。励起用放 射光Ｅはチョッパーを通じて励起ビームＥを断続的に伝搬させることによりＩＬ Ｓレーザへと効果的に伝搬される。放射光を断続的に伝搬させることによりＩＬ Ｓレーザを閾値以上にしたり以下にしたりする。ＩＬＳレーザ５００が閾値に達 して発生時間ｔ_gが経過した後は、ＩＬＳレーザの出力は変調器３０４により分 光器６００および検出用の検出装置７００の入口部へと偏向される。しかしなが ら、変調装置３０１および３０４の同期により決定される短時間のみ、分光装置 ６００および検出装置７００へとＩＬＳレーザの出力ビームＧが偏向される。変 調器３０１および３０４の同期により、ＩＬＳレーザ５００からの放射光が時間 間隔ｔ_gにわたりサンプリングされる。 変調器３０１と３０４の同期は、例えばガス検出システム１０に接続されたコ ンピュータ８０２によりデジタル回路（図示しない）を操作することによる電気 制御といった、いくつかの従来の方法により達成できる。通常、変調器３０１と ３０４の同期は約３００〜５００μＳ以下、さらに好ましくは約１０〜１００μ Ｓ以下、最適には約１μＳ以下の発生時間ｔ_gで発生することが適当である。そ の同期により変調装置３００は変調器３０４が閉じたときに励起レーザ１００の 出力を遮られることなく伝搬させることができる。励起レーザ１００の出力が変 調装置３００により遮られないときと変調器３０４が開かれたときとの間の時間 間隔はｔ_gにより決定される。 発生時間ｔ_gは、励起レーザ１００の出力をパルス状態にすることにより変調 器３０４を使用しなくとも変化させることができる。上述したように、パルスと は、可変のデューティサイクルにわたり０強度と０ではない強度の値との間で励 起用放射光を変化させることを意味し、それゆえＩＬＳレーザ５００を閾値以下 と以上とで変化させることができる。それゆえＩＬＳレーザをオンオフのスイッ チを行うことができる。ＩＬＳレーザが発振する時間は励起レーザ１００の出力 のデューティサイクル、特に励起レーザがＩＬＳレーザを閾値まで励起させる時 間を変化させることにより変えられる。従って、発生時間ｔ_g、すなわちＩＬＳ レーザ５００内の内部共振器モード競合が発生する時間は変化する。この場合、 検出装置７００は連続的にオン状態のままであり、チャンバ４００から出るＩＬ Ｓレーザビームの出力は分光装置６００と検出装置７００に達する。 しかしながら、上記したように、各変調周期中の励起レーザによるＩＬＳレー ザへ伝搬される全体の光励起エネルギーもしくは積分強度は、ＩＬＳレーザが光 を出力する時間が変化しても一定のままである。一定の全光励起エネルギーを維 持するため、励起ビームの強度レベルはｔ_gが変化しても異なる変調周期により 調整される。従って、励起ビームの強度および半導体レーザ励起レーザ１００が ＩＬＳレーザを閾値に励起する時間は共に、異なる発生時間を与えて変化する。 励起レーザ１００の出力をパルス状態にすることは、「パルサー」で励起ビー ムの伝搬を外部制御することにより達成できる。または、もし励起レーザが半導 体レーザならば半導体励起レーザの出力強度は半導体レーザへ供給される電気パ ワーを変化させることにより変調できる。（上記したように、半導体レーザへ供 給される電気パワーは、ＩＬＳレーザ５００が発振するために必要な閾値以下お よび以上の電圧を有して変調することができる。） 従って、本発明のガス検出システム１０には、発生時間を変えられる形態とし て以下を含む。 （１） 励起レーザ１００の出力は外部チョッパー（例えばチョッパー３０１） によりチョップされ、周期的なサンプリングを可能にするために検出器へのＩＬ Ｓレーザ５００の出力の伝搬をパルサーにより制御し、検出器７００は連続して オンの状態にする。 （２） 励起レーザ１００の出力は外部チョッパー（例えばチョッパー３０１） によりチョップされ、ＩＬＳレーザ５００からの出力の周期的なサンプリングを 可能にするため検出器７００はパルス状にオンオフさせる。 （３） 励起レーザ１００の出力を外部パルサーによりパルス化し、ＩＬＳレー ザを発振させる励起レーザからのパルスの持続時間により制御されるＩＬＳレー ザ５００の出力と気体粒子との相互作用が生じる持続時間において検出器７００ は連続してオンの状態にする。 （４） 励起レーザ１００が半導体レーザの場合、半導体レーザの出力は半導体 レーザへ供給される電気パワーを変化させることによりパルス化し、ＩＬＳレー ザを発振させる励起レーザからのパルスの持続時間により制御させるＩＬＳレー ザ５００の出力と気体粒子との相互作用が生じる持続時間において検出器７００ は連続してオンの状態にする。 （５） 励起レーザ１００が半導体レーザの場合、半導体レーザの出力を半導体 レーザへ供給する電気パワーを変化させることによりチョップし、周期的なサン プリングを可能にするために検出器７００へのＩＬＳレーザ５００の出力の伝搬 をパルサーにより制御して検出器７００は連続してオンの状態にする。 （６） 励起レーザ１００が半導体レーザの場合、半導体レーザの出力を半導体 レーザへ供給される電気パワーを変化させることによりチョップし、ＩＬＳレー ザ５００からの出力の周期的なサンプリングを可能にするため検出器７００はパ ルス状にオンオフさせる。 上記した本発明のガス検出システム１０の具体的実施の形態においては、ＩＬ Ｓレーザ５００は、折り返しミラー５０３を含む３つのミラー（５０１、５０３ 、５０５）から形成されるレーザ共振器を有する。上述したように、これらのミ ラーの形態は、ミラー５０３と５０５の間の領域において非点収差補正がなされ てほぼ平行光ビームになるようになっている。 または、本発明のガス検出システム１０は、より簡略化されたレーザ共振器５ を有するＩＬＳレーザ５００からなる。本発明の他の具体的形態として、レーザ 共振器５は非点収差補正されるように設計されていない。むしろ、レーザ共振器 ５は二つのミラーとの間で形成され、それゆえ非点収差補正されないほぼ線形な 形態を有する。しかしながら、この本発明の他の具体的形態により使用される線 形な共振器の設計によれば、ガス検出システム１０を小さく簡単に形成すること ができる。結果的には、本発明のこの具体的形態は、上述した具体的形態よりも 安く形成でき、簡単に動作する。さらに、線形のレーザ共振器に基づく本発明の 他の具体的形態によれば、多くの実際のアプリケーションに必要とされるように 、より頑丈で機械的に安定に形成することができる。 「線形レーザ共振器」とは、二つのみのミラー間で形成されるレーザ共振器と 同等のレーザ共振器５を意味する。簡単な形状としては、線形レーザ共振器は第 １のミラーと第２のミラーとの間で形成されるレーザ共振器からなる。平面のミ ラーをいくつも付加し、第１のミラーから第２のミラーへと伝搬するビームの向 きを変えても（すなわち光路を変えても）同じである。しかしながら、これらの 付加したミラーが含まれても、レーザ共振器５内のビーム形状は修正されない（ 第１のミラーと第２のミラーとの間の距離が変化しなければ）。従って、レーザ のレーザ共振器５内に平面ミラーを付加してもレーザ動作には影響を与えず、レ ーザの物理的形状のみを変化させるだけである。結果的に、第１のミラーと第２ のミラーとの間に平面ミラーが付加されて形成されたレーザ共振器５は、単に第 １のミラーと第２のミラーとの間に形成されたレーザ共振器と同等であり、付 加した平面ミラーを取り除いてもビーム形状やレーザの動作を変えることはない 。しかしながら、平面ミラーを用いることにより、空間的に圧迫したパッケージ にレーザ共振器５を適合させるためには都合がよい。 このように、ガス検出システム１０による浸食性ガスを含んだガスサンプル内 の汚染物質の存在およびその濃度を検出する方法および装置を示した。本発明の 好ましい具体的実施の形態により、また高感度に検出する方法もここで示した。 この方法は、サンプルチャンバ４００内のガス（汚染物質）を許容レベルまで減 少させ、サンプルシステム４００Ａ内に検出対象のガスサンプルを配置し、ＩＬ Ｓレーザ５００を閾値近傍で励起し、ＩＬＳレーザ５００からの光出力を好まし くは変調装置３００を通じて周期的にサンプリングし、分光装置６００および検 出装置７００を用いてサンプル内のガス（汚染物質）の吸収スペクトラムを測定 し、コンピュータ／ソフトウェアシステム８００を使用してサンプル内の気体粒 子（汚染物質）を鑑定しその濃度を決定するために吸収スペクトラムを分析する ものである。 浸食性ガスを含むガスサンプル内に存在する気体粒子の存在を検出する方法に は、（１）気体粒子が少なくとも一つの吸収特性を有する場合、（２）浸食性ガ スが実質的に吸収特性に干渉しない（上記したように吸収特性に干渉するという ことは気体粒子を特定するために使用する吸収特性と重なることを意味し、それ ゆえ気体粒子と浸食性ガスとの間で検出感度が劣化する）場合に、スペクトル領 域を選択する必要がある。本発明の方法によれば、レーザ共振器５と利得媒体５ ０７からなり、選択したスペクトル領域の少なくとも一部に波長分布を有する光 を出力するレーザが設けられる。ＩＬＳレーザ５００はサンプルチャンバ４００ 内に入れられる。光ビームがガスサンプルセルを通過するために、選択したスペ クトル領域において透明な窓４０４および４０５を有するガスサンプルセル４０ ６もまた設けられる。そのガスサンプルセルは、利得媒体５０７からの出力光が レーザ共振器５から出る前にガスサンプルを通過するようにＩＬＳレーザ内に挿 入される。サンプルチャンバ４００内のガス（汚染物質）は許容レベルまで減少 する。検出しようとするガスサンプルはガスサンプルセル４０６内に配置される 。ＩＬＳレーザ５００は閾値近傍に励起され、ＩＬＳレーザ５００からの光出力 は、 好ましくは変調装置３００を通じて周期的にサンプリングされる。サンプル内の ガス（汚染物質）の吸収スペクトラムは分光装置６００および検出装置７００に より測定される。吸収スペクトラムはコンピュータ／ソフトウェアシステム８０ ０を用いてサンプル内の気体粒子（汚染物質）の特定やその濃度を決定するため に分析される。 特に、チャンバ４００（ガスサンプルセル４０６を除く）内に存在するガス（ 汚染物質）を許容レベルまで減少させるため、ガス（汚染物質）のレベルをガス サンプルセル４０６内のガスサンプルの検出可能以下にするよう、蓋４１０を有 する密閉可能容器４０１を排気する。上記したように、ガス（汚染物質）のレベ ルを低減するためにおいては、許容レベルに減少させることができるならば他の 機構も利用できる。コンテナベース４０１は蓋４１０に覆われ、そこに含まれる 汚染物質は効率よく除去（もしくは許容レベルまで低減）されることが望ましい 。ベース４０１および蓋４１０はユーザーに運ばれる前に効果的に密閉すること が望ましい。 コネクタ４０８にガスラインを接続してガスサンプルセルへとガスを供給する ことにより、サンプルはガスサンプルセルと通ずる（例えばサンプルが浸食性も しくは反応性ガスの場合）。 さらには、閾値近傍でＩＬＳレーザ５００を励起させるためには、適切な励起 レーザ１００を選択し、ビーム修正光学装置２００および２０６を使用してレー ザ結晶５０７に集光し、および変調システム３００を利用して変調する。本発明 による気体粒子の検出方法はさらに、ＩＬＳレーザを閾値近傍のわずかに上で動 作させることからなる。本発明によれば、レーザ１００はＩＬＳレーザ５００を 励起する。必要な場合には、励起ビームＥはＩＬＳレーザ５００の光学的必要性 と合致するようにビーム整形装置２００により整形してもよい。さらに、ガス検 出システム１０がパルスもしくはチョップモードで動作する場合、上記したよう に、変調装置、特に変調器３０１により周期的に励起ビームＥを遮断し、それに よりビームＥのＩＬＳレーザへの到達を妨げる。変調器３０１およびビーム整形 装置２００からの出力のビームＦはＩＬＳレーザに導かれる。 この方法によれば、ビームＦが密閉されたコンテナボディ４０１の側壁に配置 された窓４０２を通じてチャンバ４００に入って来ると、ビームＦはＩＬＳレー ザへと向かう。ビームＦを窓４０２から集光レンズ２０６へと伝搬させ、集光レ ンズ２０６によりビームＦを集光しミラー５０１に導くことにより、ビームＦを さらに集光し導くことができる。ビームＦは結晶５０７を閾値近傍に励起し、そ の出力ビームは、ミラー５０３および５０５により、ガスサンプルセル４０６内 のガスサンプルへと導かれる。ガス（汚染物質）の吸収データを含んだ出射ビー ムはその後、密閉されたコンテナボディ４０１の側壁に配置された窓４０３から ガスチャンバ４００を出る。 ＩＬＳレーザ５００は変調器３０４を用いてパルスモードもしくはチョップモ ードで動作させ、好ましくは変調器３０１と同期させ、ＩＬＳレーザからの出力 ビームを周期的にサンプリングし、サンプリングされた出力ビームを分光装置６ ００および検出装置７００へと導く。または、励起レーザ１００が半導体レーザ からなる場合には半導体レーザに供給される電気パワーを変調器３０４とともに 変調し同期させてもよい。サンプリングされた出力ビームＧをミラー６０１によ りＩＬＳレーザ５００から分光装置６００および検出装置７００へと導く。また は、変調器３０４の代わりに、ＩＬＳレーザ５００の出力をサンプリングするた めに検出装置７００をオンオフのスイッチングをしてもよい。 本発明による気体粒子の検出方法はさらに、ＩＬＳレーザ５００からのサンプ リングされた出力ビームＧの分析からなる。分光装置６００はスペクトル分解し 、検出装置７００はＩＬＳレーザ５００からのサンプリングされたビームＧを分 析することが望ましい。分光装置６００により、ビーム拡大装置６００Ｃ、回折 装置６００Ａ、６００Ｂおよび集光装置６００Ｄを通過するＩＬＳレーザ５００ からのビームＧをスペクトル分散させる。スペクトル分解された分光装置６００ からの吸収データは、例えばマルチチャンネル検出器７０１からなる検出装置７ ００により検出されるように空間的に置換される。 本発明のガス検出システム１０および方法は、塩化水素などの浸食性もしくは 反応性ガスや窒素などの非浸食性ガス内に含まれる水蒸気などの汚染物質に関す る様々な波長領域にわたる吸収スペクトラムを得るために使用することができる 。特に第７図および第８図には、ガス検出システムを使用して得られた各環境（ 浸 食性または非浸食性ガス）における水蒸気の特性を示している。とりわけ、第７ 図には、約１４３３ｎｍから１４４０ｎｍの領域における塩化水素（９００）ま たは窒素（９０２）内の水に関する規格化レーザ強度／吸収−波長特性が示され 、一方第８図には同様に、約１４２０ｎｍから１４３４ｎｍの領域における塩化 水素（９０４）または窒素（９０６）内の水に関する規格化レーザ強度／吸収− 波長特性が示されている。第７図および第８図に示されたスペクトラムは、分光 装置６００を用いてダイオード７０１の出力を測定することにより得られた。図 示されている各データ点は各種の測定の結果得られたものである。 第７図および第８図に示された特性のデータにより、本発明の方法を用いて塩 化水素中での水の検出に成功したことが実証された。さらに、塩化水素中や窒素 中の測定どちらにも関わらず、水の吸収スペクトラムが同様に観測されたことで 、極めて高濃度（例えば１大気圧）で存在したとしても、塩化水素のスペクトル 干渉がなかったことを実証した。 強度と濃度の相関関係が与えられ、例えば水蒸気のような汚染物質の特性が得 られれば、サンプル内に含まれる汚染物質の濃度が容易に得られる。本発明によ れば、コンピュータ８０２は、データを処理しサンプル内に含まれる汚染物質の 存在や濃度を示す出力を提供する。本発明の方法を用いて得られた窒素ガス中の 水の濃度に対する水の吸収強度の特性を第９図および第１０図に示す。窒素ガス に対する水の浄化に関して第９図および第１０図のそれぞれは浸透装置およびイ ンライン浄化装置に基づいたものである。 （スペクトル特性に見受けられる吸収特性は較正する必要がある。内部共振器 レーザ分光方法により公知の方法よりも高感度になるので、明確に測定できない ような弱い遷移が本発明のガス検出システム１０により初めて測定可能となる。 その場合、この弱い遷移をスペクトル特性により鑑定し気体粒子の存在を特定す ることができる。このような弱い遷移もまたガス検出システム１０により較正す ることができ、それゆえこの弱い遷移に相当する吸収特性の強度により気体粒子 の濃度を決定することができる。） 本発明は塩化水素などの浸食性ガス中の水蒸気のような汚染物質の吸収スペク トルを得る際に適用可能なものとして上述したが、他の適当な汚染物質や浸食性 または反応性ガスについても実際に本発明を使用できる。本発明による使用にお いて適用可能な浸食性ガスや反応性ガスの例について、これらに制限はされない が以下に示す。Ｎ₂Ｏ、ＮＯ，ＮＯ₂、ＨＯＮＯ、ＨＮＯ₂、ＳＯ、ＳＯ₃、Ｈ₂Ｓ Ｏ₄、Ｃｌ₂、ＣｌＯ、Ｃｌ₂Ｏ₂、ＨＯＣｌ、ＰＨ₃、ＯＣＳ、ＨＩ、ＨＦ、ＨＢ ｒ、ＢＣｌ₃、ＮＦ₃、ＢＣｌ₂、ＢＣｌ、ＳＯ₂、ＢＦ₃、Ｂｒ₂、Ｉ₂、Ｆ₂、Ｏ₃ 、ＡｓＨ₃、ＮＨ₃、ＳｉＨ₄、Ｂ₂Ｈ₄、ＨＮＯ₃、ＨＣＮ、ＨＮＣ、Ｈ₂Ｓ、ＣＯ Ｆ₂、ＣＨ_4-xＸ_x（ここでＸはＦまたはＣｌ、ｘは１〜４）。上記したものを含 むここで述べた浸食性または反応性ガスのみが全てでなく、他の浸食性ガスや反 応性ガスにおいても特定の用途に適するようにして使用することができる。例え ば、浸食性ガスについては、半導体部品の製造において使用される他の浸食性ガ スからなる。さらに、浸食性ガスは上記したような多くの浸食性ガスの混合から なることがある。検出される気体粒子はここで制限されないが上記の浸食性ガス の一つもしくは複数からなることもある。 本発明の実施における検出レベルは従来の装置を使用して得られるレベルより も概して高いものである。さらに、ガス検出システム１０はインラインとして利 用でき、特定の浸食性のサンプルに含まれる汚染物質の存在やその量をリアルタ イムに測定することができ、従来の装置の使用に際しての多くの問題に取り組ん だ。特に、本発明の方法により、公知の技術では得られなかった検出レベルで浸 食性ガスに含まれるガスサンプル内の水蒸気を迅速に検出する手段を提供するも のである。 上記したものは発明の好ましい具体的形態に関連したもので、ここに示した特 定の形態に発明が制限されるものではない。追加請求項に明示するように発明の 視野からそれない範囲でここで述べた要素の形態や様式に関して様々な修正をな すことができる。さらに、ＩＬＳガス検出器の位置やガス検出システム１０のア プリケーションとしては、半導体製造装置などにおいても、所望により変化可能 である。例えば、ＩＬＳチャンバ４００やガス検出システム１０自身の内部の様 々な要素の特定の配置に関しては、それらの形態や配置が容易に再生可能な方法 でＩＬＳレーザの光励起が可能な限り修正できるものである。本発明の形態や様 式やそのアプリケーションにおけるこれらや他の修正に関しては請求項の追加に より考えられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１） ガスサンプル内の気体粒子の存在を検出するガス検出システム（１０） において、 （ａ）レーザ共振器（５）と、 （ｂ）その中に配されたイオン添加された結晶（５０７）と、 （ｃ）該レーザ共振器（５）の外部に配置され、該イオン添加された結晶（５ ０７）を光励起する出力を有し、それにより該レーザ共振器（５）から出射する 出力ビームを生じさせる励起レーザ（１００）と、 （ｄ）該レーザ共振器（５）内で該ガスサンプルを保持するためのコンテナ（ ４００、４０６）とを備え、前記イオン添加された結晶（５０７）からの前記出 力ビームが該レーザ共振器（５）から出力される前に該ガスサンプル中を伝搬す るように構成されていることを特徴とするガス検出システム。 （２） 請求の範囲第１項記載のガス検出システム（１０）を使用したガスサン プル内の気体粒子の存在を検出する方法において、 （ａ）前記励起レーザ（１００）の出力ビームを前記イオン添加された結晶（ ５０７）へ導き、 （ｂ）前記イオン添加された結晶（５０７）からの前記出力ビームを、レーザ 共振器（５）から出力された後、前記ガスサンプル内の気体粒子の存在および濃 度を検出するために検出装置（７００）へと導くことを特徴とするガス検出方法 。 （３） 浸食性ガスを含むガスサンプル内の気体粒子の存在を検出する方法にお いて、 （ａ）（ｉ）該気体粒子が少なくとも一つの吸収特性を有し（ｉｉ）該浸食性 ガスが実質的に吸収特性に干渉しない場合に、スペクトル領域を選択する手段と 、 （ｂ）レーザ共振器（５）とその中に含まれる利得媒体（５０７）を有し、該 利得媒体（５０７）が前記選択したスペクトル領域内に少なくとも一部が波長分 布を有する光を出力するレーザ（５００）を設ける手段と、 （ｃ）光ビームが中を伝搬可能にするため前記選択したスペクトル領域におい て透明な窓（４０４、４０５）を有するガスサンプルセル（４０６）を設ける手 段と、 （ｄ）前記レーザ（５００）内に前記ガスサンプルセル（４０６）を挿入し、 前記利得媒体（５０７）からの出力光を前記レーザ共振器（５）から出射する前 に前記ガスサンプル中を伝搬させる手段と、 （ｅ）前記浸食性ガスを含む前記ガスサンプルを前記ガスサンプルセル（４０ ６）内に挿入して前記利得媒体（５０７）からの出力光を該ガスサンプル中を伝 搬させ、前記浸食性ガスが前記レーザ（５００）と反応しないように該ガスサン プルを前記ガスサンプルセル内に密閉する手段と、 （ｆ）前記ガスサンプル内の前記気体粒子の存在およびその濃度を決定するた め、前記利得媒体（５０７）からの出力光を前記レーザ共振器から出力させた後 に検出装置（７００）へと導く手段とからなることを特徴とする検出方法。 （４） 前記浸食性ガスが、 ＨＣｌ、Ｎ₂Ｏ、ＮＯ、ＮＯ₂、ＨＯＮＯ、ＨＮＯ₂、ＳＯ、ＳＯ₃、Ｈ₂ＳＯ₄、 Ｃｌ₂、ＣｌＯ、Ｃｌ₂Ｏ₂、ＨＯＣｌ、ＰＨ₃、ＯＣＳ、ＨＩ、ＨＦ、ＨＢｒ、Ｂ Ｃｌ₃、ＮＦ₃、ＢＣｌ₂、ＢＣｌ、ＳＯ₂、ＢＦ₃、Ｂｒ₂、Ｉ₂、Ｆ₂、Ｏ₃、Ａｓ Ｈ₃、ＮＨ₃、ＳｉＨ₄、Ｂ₂Ｈ₄、ＨＮＯ₃、ＨＣＮ、ＨＮＣ、Ｈ₂Ｓ、ＣＯＦ₂、Ｃ Ｈ_4-xＸ_x（ここでＸはＦまたはＣｌ、ｘは１〜４）の群から選択されたガスであ ることを特徴とする請求の範囲第３項記載の検出方法。 （５） 前記気体粒子が水であることを特徴とする請求の範囲第３項記載の検出 方法。 （６） 前記選択したスペクトル領域が、約１４２０ｎｍから１４４０ｎｍの波 長領域から選択されることを特徴とする請求の範囲第４項記載の検出方法。 （７） 請求の範囲第３項記載の方法を使用した、浸食性ガスを含むガスサンプ ル内の気体粒子の存在を検出するガス検出システム（１０）において、該システ ム（１０）が、 （ａ）前記レーザ共振器（５）と、 （ｂ）該レーザ共振器（５）内に配置され、前記スペクトル領域内に少なくと も一部に波長分布を有する光を出力する前記利得媒体（５０７）と、 （ｃ）前記レーザ（５００）内に含まれる前記ガスサンプルセル（４０６）と 、 （ｄ）前記ガスサンプルセル（４０６）内の前記浸食性ガスを含む前記ガスサ ンプルを挿入するための導管（４０８、４０９）と、 （ｅ）前記ガスサンプル内の前記気体粒子の存在およびその濃度を検出するた めの検出装置（７００）とからなり、 前記レーザ（５００）からの出力光が前記検出装置（７００）へと導かれること を特徴とするガス検出システム。 （８） 前記利得媒体（５０７）が、固体結晶レーザと半導体レーザからなる群 より選択された励起レーザ（１００）により励起されることを特徴とする請求の 範囲第７項記載のガス検出システム。 （９） 前記レーザ共振器（５）が、検出される前記気体粒子を排気するよう形 成されたチャンバ（４００）内に含まれることを特徴とする請求の範囲第７項記 載のガス検出システム。 （１０） 前記ガスサンプルが、前記利得媒体（５０７）からの前記出力光にお いて非点収差を低減するために非点収差補正がなされた前記レーザ共振器（５） 内に含まれることを特徴とする請求の範囲第７項記載のガス検出システム。