JPS60202329A - 波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置 - Google Patents
波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置Info
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- JPS60202329A JPS60202329A JP5974884A JP5974884A JPS60202329A JP S60202329 A JPS60202329 A JP S60202329A JP 5974884 A JP5974884 A JP 5974884A JP 5974884 A JP5974884 A JP 5974884A JP S60202329 A JPS60202329 A JP S60202329A
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- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は、ガス分析装置等において波長可変半導体レー
ザを用いて吸収スペクトル計測を行う際に、寄生スペク
トルの影響を除去する光路雑音抑圧変調方式に関する。
ザを用いて吸収スペクトル計測を行う際に、寄生スペク
トルの影響を除去する光路雑音抑圧変調方式に関する。
吸収スペクトルを測定して物質の成分濃度をめるガス分
析装置等の分光分析装置では、一定のスペクトル領域を
掃引するための可変波長光源が必要とされる。
析装置等の分光分析装置では、一定のスペクトル領域を
掃引するための可変波長光源が必要とされる。
ところで鉛塩化合物半導体レーザ、Ｇ＠ＡρＡ５レーザ
、Ｇ、Ａ／Ａ、Ｐレーザ等は、印加電流を変化させると
、程度の差こそあれ発振波長が変化し、そして発振出力
は多くの種類のレーザの中でもきわだって単色性がよく
、その半値幅は常温気体のドツプラー幅よりも狭い程で
ある。
、Ｇ、Ａ／Ａ、Ｐレーザ等は、印加電流を変化させると
、程度の差こそあれ発振波長が変化し、そして発振出力
は多くの種類のレーザの中でもきわだって単色性がよく
、その半値幅は常温気体のドツプラー幅よりも狭い程で
ある。
そこでこれらの半導体レーザを上記の可変波長光源とし
て用いた場合、気体の吸収スペクトルを極めて高い分解
能で測定することが可能となる。
て用いた場合、気体の吸収スペクトルを極めて高い分解
能で測定することが可能となる。
しかし、半導体レーザを可変波長光源として用いた分光
分析装置では、第１図に示すように、半導体レーザ１が
光学素子３ないし５から一部戻ってくる極くわずかの光
と結合し、しかもその強さは波長によって異なる。
分析装置では、第１図に示すように、半導体レーザ１が
光学素子３ないし５から一部戻ってくる極くわずかの光
と結合し、しかもその強さは波長によって異なる。
そのため、レーザ波長を掃引すると、真の吸収スペクト
ルのうえに、同時に出力されている異なる波長の光に基
づいて生じる周期波形状の寄生スベクトルが重畳し、特
に弱い吸収線の大きさを測定しようとするときこれ力ｆ
重大な障害となり、はとんど検出不可能となる。この周
期波形状の寄生スペクトルの振幅と透過レーザパワーと
の間の大きさの比は、１Ｏ−２乃至１０−７あるいはそ
れ以下の場合もあるが、周期以外のパラメータについて
は予測が難しく、また統計処理により抑圧するのも困難
である。
ルのうえに、同時に出力されている異なる波長の光に基
づいて生じる周期波形状の寄生スベクトルが重畳し、特
に弱い吸収線の大きさを測定しようとするときこれ力ｆ
重大な障害となり、はとんど検出不可能となる。この周
期波形状の寄生スペクトルの振幅と透過レーザパワーと
の間の大きさの比は、１Ｏ−２乃至１０−７あるいはそ
れ以下の場合もあるが、周期以外のパラメータについて
は予測が難しく、また統計処理により抑圧するのも困難
である。
寄生スペクトルの発生原因となるものは種々あるが、第
１図に示されるように、分光分析装置ではレーザの出力
をできるだけ有効利用するため、レンズ系３．４を用い
て光電変換器５上にレーザ光を集光させており、このレ
ーザとレンズ４の集光器との間に構成されるキャビティ
により発生するものが最も振幅が大きくて深刻である。
１図に示されるように、分光分析装置ではレーザの出力
をできるだけ有効利用するため、レンズ系３．４を用い
て光電変換器５上にレーザ光を集光させており、このレ
ーザとレンズ４の集光器との間に構成されるキャビティ
により発生するものが最も振幅が大きくて深刻である。
すなわち、たとえばキャビティの長さＬ＝１ｍとすると
、寄生スペクトルの周期は、波数にして０．００５ ｃ
ｍ−’となり、温度３００Ｋにおけるメタンガスのドツ
プラー幅０．００２ ｃｍ−’と区別がつけ難いという
問題が生じる。
、寄生スペクトルの周期は、波数にして０．００５ ｃ
ｍ−’となり、温度３００Ｋにおけるメタンガスのドツ
プラー幅０．００２ ｃｍ−’と区別がつけ難いという
問題が生じる。
ところで、一般に分光分析で扱われるような液体、固体
、常圧あるいは高圧気体の吸収線幅は０９１ｃｍ−’程
度よりも広いから、上記した寄生スペクトルを抑圧でき
る可能性がある。
、常圧あるいは高圧気体の吸収線幅は０９１ｃｍ−’程
度よりも広いから、上記した寄生スペクトルを抑圧でき
る可能性がある。
このような問題は、レーザのような可干渉光源を用いる
場合に特有のものであって、通常の白色光源を用いる分
光分析装置ではほとんど生じないものである。
場合に特有のものであって、通常の白色光源を用いる分
光分析装置ではほとんど生じないものである。
次に、さらに導関数分光法を用いたときの上述した周期
的寄生スペクトルの影響について説明する。第２図はそ
の説明図である。半導体レーザ６の駆動電流！ （ｔ）
は、周波数ｆの発振器７により変調器８で変調されたも
ので、 １（ｔ）＝Ｉ。＋■、・η（１） ・・・・・・（１）
で表される。ここで１０は直流成分、ｌ：は電流変調幅
、η（１）は変調波形で、一般的崎は正弦波あるいは余
弦波の周期関数が用いられている。
的寄生スペクトルの影響について説明する。第２図はそ
の説明図である。半導体レーザ６の駆動電流！ （ｔ）
は、周波数ｆの発振器７により変調器８で変調されたも
ので、 １（ｔ）＝Ｉ。＋■、・η（１） ・・・・・・（１）
で表される。ここで１０は直流成分、ｌ：は電流変調幅
、η（１）は変調波形で、一般的崎は正弦波あるいは余
弦波の周期関数が用いられている。
したがって半導体レーザ６から出力される光は変調を受
け、その周波数ν（１）は、次式および第３図に示すよ
うに、 ν（ｔ）＝ν。＋Δ・ η（１） ・・・・・・ （２
）で表される。ここでν０は基準周波数、Δは周波数変
調幅である。
け、その周波数ν（１）は、次式および第３図に示すよ
うに、 ν（ｔ）＝ν。＋Δ・ η（１） ・・・・・・ （２
）で表される。ここでν０は基準周波数、Δは周波数変
調幅である。
変調されたレーザ光は、キャビティ９の測定対象気体を
通過し、光電変換器１０によって検出され、電気信号に
変換される。
通過し、光電変換器１０によって検出され、電気信号に
変換される。
位相同期検波器１１は、光電変換器ｌＯから出力された
信号のうちｆのｎ次高調波成分を位相同期検出するもの
であり、図示の例は、発振器７から取り出した２ｆの信
号で２次高調波成分を同期検波している。このとき得ら
れる２次高調波成分に基づくスペクトルは、元のスペク
トル、すなわち零次スペクトル中の変化部分、たとえば
気体の吸収スペクトルのように鋭く尖ったスペクトル形
状を強調して表したものとなる。これは近似的に零次ス
ペクトルの微分、すなわち導関数を利用するものである
ため、導関数分光法と呼ばれる。
信号のうちｆのｎ次高調波成分を位相同期検出するもの
であり、図示の例は、発振器７から取り出した２ｆの信
号で２次高調波成分を同期検波している。このとき得ら
れる２次高調波成分に基づくスペクトルは、元のスペク
トル、すなわち零次スペクトル中の変化部分、たとえば
気体の吸収スペクトルのように鋭く尖ったスペクトル形
状を強調して表したものとなる。これは近似的に零次ス
ペクトルの微分、すなわち導関数を利用するものである
ため、導関数分光法と呼ばれる。
このような導関数分光法を用いた場合には、前述した周
期的寄生スペクトルが存在すると、これも強調されてし
まうため、分光測定が一層困難化することになる。
期的寄生スペクトルが存在すると、これも強調されてし
まうため、分光測定が一層困難化することになる。
本発明の目的は、波長可変半導体レーザと導関数分光法
を用いた分光分析において、光路雑音として生じる吸収
線の幅よりも短いスペクトル周期をもつ周期形状寄生ス
ペクトルを抑圧する手段を提供することにあり、そのた
め波長可変半導体レーザの周波数変調波形の頂点を急峻
なものにすることを特徴とするものである。
を用いた分光分析において、光路雑音として生じる吸収
線の幅よりも短いスペクトル周期をもつ周期形状寄生ス
ペクトルを抑圧する手段を提供することにあり、そのた
め波長可変半導体レーザの周波数変調波形の頂点を急峻
なものにすることを特徴とするものである。
波長可変半導体レーザの発振周波数は、従来のようにた
とえば正弦波形で変調された場合、第３図に示したよう
に、正弦波は、その頂点（ν。十Δ、シ０−Δ）近傍が
ゆるやかに変化し、その部分での周波数の振幅密度分布
はきわめて大きい。
とえば正弦波形で変調された場合、第３図に示したよう
に、正弦波は、その頂点（ν。十Δ、シ０−Δ）近傍が
ゆるやかに変化し、その部分での周波数の振幅密度分布
はきわめて大きい。
本発明は、この変調波形に振幅密度分布の大きい区間が
含まれている場合に、吸収スペクトル線幅よりもピッチ
の短い周期形状寄生スペクトルに対する応答性が高まる
ことに着目してなされたものである。
含まれている場合に、吸収スペクトル線幅よりもピッチ
の短い周期形状寄生スペクトルに対する応答性が高まる
ことに着目してなされたものである。
本発明はそれにより、半導体レーザの変調波形からゆる
やかな変化部分を除くようにする。
やかな変化部分を除くようにする。
さらに詳しく説明すると、一般に、吸収スペクトルσ（
ν）を分光器を用いて測定するとき得られたスペクトル
σ（ν）は、 σ（ν）＝ｆσ（シーΔη）ｇ（η）ｄη・・・（３）
とあられされる。ここにｇ（η）は装置関数と呼ばれ、
分光器の分光特性をあられす。（３）式をさらにフーリ
エ変換すると、 Ｓ （ｄ） −３（ｄ） Ｇ （ｄ） ・・・（４）と
なる。ｄはｌ／νに等しく、Ｓ、Ｓ、Ｇはそれぞれσ（
ν）σ（ν）、ｇ（ν）のフーリエ変換 −である。こ
こでピンチの短い周期性妨害スペクトルは、ｄの大きい
線スペクトルとしてあられされる。
ν）を分光器を用いて測定するとき得られたスペクトル
σ（ν）は、 σ（ν）＝ｆσ（シーΔη）ｇ（η）ｄη・・・（３）
とあられされる。ここにｇ（η）は装置関数と呼ばれ、
分光器の分光特性をあられす。（３）式をさらにフーリ
エ変換すると、 Ｓ （ｄ） −３（ｄ） Ｇ （ｄ） ・・・（４）と
なる。ｄはｌ／νに等しく、Ｓ、Ｓ、Ｇはそれぞれσ（
ν）σ（ν）、ｇ（ν）のフーリエ変換 −である。こ
こでピンチの短い周期性妨害スペクトルは、ｄの大きい
線スペクトルとしてあられされる。
変調波形η（１）を変えることによって、ｇ（η）の形
、したがってＧ （ｄ）の分布は変化するが、ｇ（η）
はη（１）の１周期にわたる振幅密ｔ が極端に大きくなり、ｇ （η）はそこでスパイク状の
形を持つ。そのためこれをフーリエ変換したＧ （ｄ）
は、ｄの高い領域にまで振幅を有し、短ピツチの妨害ス
ペクトルに応答することになる。
、したがってＧ （ｄ）の分布は変化するが、ｇ（η）
はη（１）の１周期にわたる振幅密ｔ が極端に大きくなり、ｇ （η）はそこでスパイク状の
形を持つ。そのためこれをフーリエ変換したＧ （ｄ）
は、ｄの高い領域にまで振幅を有し、短ピツチの妨害ス
ペクトルに応答することになる。
だけ少なく、すなわちη （１）の極値付近をできるだ
け鋭く尖らせれば、Ｇ （ｄ）のｄの高い領域での振幅
は減少し、このような妨害スペクトルに対する感受性は
抑圧される。
け鋭く尖らせれば、Ｇ （ｄ）のｄの高い領域での振幅
は減少し、このような妨害スペクトルに対する感受性は
抑圧される。
例として、第４図に２次高調波分光法（ｎ＝２）におい
て、変調波形を正弦波形（ａ）から三角波（ｂ）さらに
折り返し双曲線正弦（ｓｉｎｈ）波形（Ｃ）に変えた場
合の、それぞれのｇ（η）の変化を示す。
て、変調波形を正弦波形（ａ）から三角波（ｂ）さらに
折り返し双曲線正弦（ｓｉｎｈ）波形（Ｃ）に変えた場
合の、それぞれのｇ（η）の変化を示す。
第４図（ａ）でη＝±１にあった無限大に伸びるスパイ
クは、同図（ｂ）では有限値に収まり、さらに（ｃ）で
はその段差の高さが抑えられていることが判る。さらに
（２）式にランプ状信号δ（１）を加えると、ｇ （η
）の形は、このスパイク部分が複数に分裂し、さらにこ
れを擬似ランダム信号とすることでスパイク、段差とも
に滑らかな形に近づけることができる。すなわちそのフ
ーリエ変換Ｇ （ｄ）はｄの高領域で振幅が抑圧される
。
クは、同図（ｂ）では有限値に収まり、さらに（ｃ）で
はその段差の高さが抑えられていることが判る。さらに
（２）式にランプ状信号δ（１）を加えると、ｇ （η
）の形は、このスパイク部分が複数に分裂し、さらにこ
れを擬似ランダム信号とすることでスパイク、段差とも
に滑らかな形に近づけることができる。すなわちそのフ
ーリエ変換Ｇ （ｄ）はｄの高領域で振幅が抑圧される
。
次に、本発明の典型的な実施例のいくつかの変調波形を
示す。
示す。
第５図の（ａ）は、尖頭状の頂部をもつ周期波形の例で
あり、第４図（ｂ）、（ｃ）の波形もこのグループに含
まれる。頂部はできるだけ尖らせることが望ましい。
あり、第４図（ｂ）、（ｃ）の波形もこのグループに含
まれる。頂部はできるだけ尖らせることが望ましい。
第５図の（ｂ）は、前記（２）式で表される変調波形上
に、振幅の小さいランプ状信号を付加信号δ（１）とし
て重畳させたものであり、総合的な変調周波数ν （１
）は、 ν（ｔ）＝ν。＋Δ・η（１）＋δ（１） ・・・・・
・（５）で表される。この方法は、たとえばディジタル
制御により波長掃引を行うとき、１デ一タ点ごとに中心
波長を一定に留める、すなわち階段状に変化させるのを
な（す場合に利用すると好都合である。
に、振幅の小さいランプ状信号を付加信号δ（１）とし
て重畳させたものであり、総合的な変調周波数ν （１
）は、 ν（ｔ）＝ν。＋Δ・η（１）＋δ（１） ・・・・・
・（５）で表される。この方法は、たとえばディジタル
制御により波長掃引を行うとき、１デ一タ点ごとに中心
波長を一定に留める、すなわち階段状に変化させるのを
な（す場合に利用すると好都合である。
第５図の（ｃ）は、本図（ａ）の波形に擬似的なランダ
ム信号を付加信号δ（ｔ）として重畳させたものであり
、さらに良好な結果を得ることができる。
ム信号を付加信号δ（ｔ）として重畳させたものであり
、さらに良好な結果を得ることができる。
第５図の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示されている方法は
重複して実施することができ、効果は相加的に向上する
。
重複して実施することができ、効果は相加的に向上する
。
以上のように、本発明によれば、波長可変レーザの変調
波形を僅かに工夫するだけで、吸収スペクトルよりも短
いピッチの寄生スペクトルを抑圧することができ、低コ
ストで分光分析装置の測定精度を大幅に改善することが
できる。
波形を僅かに工夫するだけで、吸収スペクトルよりも短
いピッチの寄生スペクトルを抑圧することができ、低コ
ストで分光分析装置の測定精度を大幅に改善することが
できる。
第１図は半導体レーザを用いた分光分析装置の概要図、
第２図は導関数分光法の説明図、第３図は半導体レーザ
出力光の変調周波数の説明図、第４図は本発明の原理説
明図、第５図は本発明実施例の変調波形の説明図である
。 図中、６は半導体レーザ、７は発振器、８は変調器、９
はキャビティ、１０は光電変換器、１１は位相同期検波
器、ν。は基準周波数、Δは周波数変調幅、η（１）は
変調波形、δ（１）は付加信号を表す。 特許出願人 新技術開発事業団 代理人弁理士 長谷用 文 廣 ５ｍ
第２図は導関数分光法の説明図、第３図は半導体レーザ
出力光の変調周波数の説明図、第４図は本発明の原理説
明図、第５図は本発明実施例の変調波形の説明図である
。 図中、６は半導体レーザ、７は発振器、８は変調器、９
はキャビティ、１０は光電変換器、１１は位相同期検波
器、ν。は基準周波数、Δは周波数変調幅、η（１）は
変調波形、δ（１）は付加信号を表す。 特許出願人 新技術開発事業団 代理人弁理士 長谷用 文 廣 ５ｍ
Claims (1)
- 波長可変レーザを用いた分光分析装置において、平坦部
分あるいはゆるやかに変化する部分のできるだけ少ない
波形の信号を用いてレーザ変調を行うことを特徴とする
光路雑音抑圧変調方式。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59059748A JPH0718762B2 (ja) | 1984-03-28 | 1984-03-28 | 波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59059748A JPH0718762B2 (ja) | 1984-03-28 | 1984-03-28 | 波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60202329A true JPS60202329A (ja) | 1985-10-12 |
| JPH0718762B2 JPH0718762B2 (ja) | 1995-03-06 |
Family
ID=13122164
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59059748A Expired - Lifetime JPH0718762B2 (ja) | 1984-03-28 | 1984-03-28 | 波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0718762B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6493086B1 (en) | 1995-10-10 | 2002-12-10 | American Air Liquide, Inc. | Chamber effluent monitoring system and semiconductor processing system comprising absorption spectroscopy measurement system, and methods of use |
| JP2003149145A (ja) * | 2002-11-21 | 2003-05-21 | Kurabo Ind Ltd | 血糖値の無侵襲測定装置 |
| JP2008268064A (ja) * | 2007-04-23 | 2008-11-06 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 多成分対応レーザ式ガス分析計 |
| CN114199777A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-03-18 | 华中科技大学 | 一种非线性扫描波长调制的光声光谱气体浓度检测系统 |
| CN114414048A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-29 | 电子科技大学 | 一种提高调制光谱测量精度的装置与方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5520049A (en) * | 1994-08-01 | 1996-05-28 | Emhart Inc. | Acceleration responsive device |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58223041A (ja) * | 1982-06-18 | 1983-12-24 | Fujitsu Ltd | 分光分析装置 |
-
1984
- 1984-03-28 JP JP59059748A patent/JPH0718762B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58223041A (ja) * | 1982-06-18 | 1983-12-24 | Fujitsu Ltd | 分光分析装置 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6493086B1 (en) | 1995-10-10 | 2002-12-10 | American Air Liquide, Inc. | Chamber effluent monitoring system and semiconductor processing system comprising absorption spectroscopy measurement system, and methods of use |
| JP2003149145A (ja) * | 2002-11-21 | 2003-05-21 | Kurabo Ind Ltd | 血糖値の無侵襲測定装置 |
| JP2008268064A (ja) * | 2007-04-23 | 2008-11-06 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 多成分対応レーザ式ガス分析計 |
| CN114199777A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-03-18 | 华中科技大学 | 一种非线性扫描波长调制的光声光谱气体浓度检测系统 |
| CN114414048A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-29 | 电子科技大学 | 一种提高调制光谱测量精度的装置与方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0718762B2 (ja) | 1995-03-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |