JPS6049847B2 - 光の強度を測定する方法及び分光計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は分光装置、更に具体的に云えば、媒質の性質
を確認する為に、媒質から放出され又は）媒質によつて
散乱される光の幾つかのスペクトル帯を同時に観測する
為に用いる装置に関する。

この発明の原理並びにその幾つかの望ましい特性は、炎
の様な高温気体媒質内でのラーマン温度の測定にこの発
明を用いた場合の説明によつて例示・することが出来る
。光ビームが炎の中を通過する時、光の一部分が炎中の
分子種目と相互作用し、ビームの外へ方向転換される。

ビーム方向転換過程の１つが普通ラーマン散乱として知
られている。散乱と云う言葉゛は実効的には瞬時的な再
放出過程を表わす。この過程は、散乱される光の光子と
散乱作用をする分子との間の有意量のエネルギ交換を伴
い、散乱光は波長が実質的にずれる。この結果得られる
散乱光の波長帯は特定の散乱分子に特有である。各帯の
強度が、その帯を招く様な特定の初期状態にあつた分子
の数に比例する。即ち、ラーマン散乱線の強度が対応す
る分子の密度の数値に正比例し、他の分子の密度の数値
に無関係てある。この為、ラーマン散乱を利用して、或
る系統内の分子の構成並びに励起状態のポピユレイシヨ
ンに関する直接な情報を得ることが出来る。

熱平衡状態にある気体では、ラーマン・スペクトルは密
度及び温度の両方に関係する。

温度依存性は密度に無関係てあると共に、適正なスペク
トル領域では、極低温から燃焼温度までにわたつて感度
のよい温度測定が出来る位に強い。然し、スペクトル分
解チャンネルは相対的に安定でなければならないし、ラ
ーマン散乱が弱い為、どんなスペクトル分解装置を使う
としても、その装置は光出力が非常に大きいものでなけ
ればならない。こういう条件が、この発明の小形で、頑
丈で、安定で効率のよい装置によつて充たされる。ラー
マン・スペクトルによる温度測定は、ラーマン●スペク
トルに沿つた２つの別々のラーマン線又は隣接する２つ
のスペクトル帯の強度の比を求めることによつて行なう
ことが出来る。

この２つの強度を同時に測定すれは、温度の分解能を高
くすることが出来ると共に、実時間での測定も可能にな
る。更に、ラーマン測定は隣合つた狭い帯５域に局限す
ることが出来るから、強度の比をとる時、外来の影響に
よつて略等しい影響を受けるので、相殺される。ここで
説明するこの発明の１実施例は、例えば炎中の或る分子
種目の振動性ラーマン散乱の基本帯及び第１の上側状態
帯に於けるＪ散乱強度の比を求めることにより、炎温度
の測定を行なう。従つて、この発明の１つの目的は、光
の２つ又は更に多くのスペクトル帯の強度を測定する簡
単で、頑丈で、安定で効率のよい装置を提供することで
ある。

この発明の別の目的は、レーザ光の振動性ラーマン散乱
に応答する小形で、１個のフィルタを用いた、２チャン
ネル炎温度測定装置を提供することである。

別の目的は炎中の或る分子種目によるレーザ光の振動性
ラーマン散乱の基本帯及び第１の上側状態帯の比を実時
間で測定する簡単な方法並びに装置を提供することであ
る。

簡単に云うと、この発明の好ましい実施例では、安定な
る２チャンネル分光計が、媒質の性質を測定する際、媒
質から出て来る光を監視する。

この分光計は、媒質から出て来る光をコリメートする手
段、及びコリメートされた光を２つのビームに分ける手
段を有する。２つのビームの各々が異なる角度て同じ干
渉フィルタを通過する様に差向けられる。

その各々の角度は、フィルタの対応する通過帯が観測し
ようとする２つの帯の１つと夫々一致する様に選はれる
。単一の分割形光学検出器の形をした光学検出手段を用
いることが出来る。フィルタがら出て来る２つのビーム
の各々が検出器の別の感知位置に入射する。この検出器
に応答する手段を設けて、検出器の各々の感知位置に於
ける光強度の比の表示を発生する。この発明の別の好ま
しい実施例では、レーザからの光が炎によつて散乱され
る場合に炎温度を測定する方法が、散乱光の幅の狭い部
分をコリメートし、コリメートされた光を２つのビーム
に分け、２つのビームの各々を、異なる角度で干渉フィ
ルタを一緒に通過する様に差向ける工程を含む。

各々の角度は、フィルタの対応する通過帯が観測しよう
とする２つの散乱帯の各々と一致する様に選ばれる。１
個のフィルタから出て来る２つのビームの強度比を測定
して、炎温度表示とする。

この発明の新規と考えられる特徴は、特許請求の範囲に
具体的に記載してあるが、この発明自体の構成並びに作
用、及びその他の目的並びに利点は、以下図面について
説明する所から、最もよく理解されよう。

第１図で、レーザの様に高度に単色性の光の源１０が軸
線１３に沿つて炎１１の一部分を照らす様に向けられる
。

光検出装置１２が、典型的には、レーザ１０によつて発
生されるビームとは軸線を外して、炎に向けられる。炎
中の気体分子によつて散乱された光が、図ではレンズと
して示した光学検出装置１４により、光学検出装置１２
の入力に集束される。第２図は波長４８８０Ａの光によ
つて励起された窒素分子による振動性ラーマン散乱のス
ペクトル分布を示す。

これらの曲線は、Ｍ．ラップ及びＣ．Ｍ．ペニー編集の
本１レーザ・ラーマン・ガス診断ョ（ＬａｓｅｒＲａｍ
ａｎＧａｓＤｉａｇｎＯｓｔｉｃｓ）（１９７４年ブリ
．−ナム・ブレス社）の第１０頂の１２２項に記載され
る１振動性ラーマン散乱による炎温度ョからとつたもの
である。この為、レーザ１０が波長４８８０Ａの光を放
出すれば、第１図の装置を使つて、炎中の窒素原子によ
る振動性ラーマン散乱の基本帯及び第１の上側状態帯に
於ける散乱強度の比を測定することにより、炎温度を測
定することが出来る。これらの帯は散乱光の中で離すこ
とが出来るので、格子形分光計又は干渉フィルタを使つ
てその強度比を測定することが出来る。干渉フィルタ５
は所定の費用て一層大量の光を収集することが出来、一
層頑丈て取付けも簡単てあるから、干渉フィルタの方が
望ましい。同等の価値を持つデータを収集し、レーザ１
０にパルス・レーザを使つて、１マイクロ秒又はそれ以
上によい時間的な分θ解能が得られる様にする為に、基
本帯及び第１の上側状態帯を同時に観測することが望ま
しい。第３図に示す光検出装置の実施例ては、炎中の小
さな領域（典型的には長さ約１ミリ、直径０．１ミリの
円柱形容積を持つ領域）から散乱された単色光を第１図
に示す様にして、スリット２０に収集し且つ集束する。
スリットを通過した光をレンズ２１でコリメートし、バ
イプリズム２２（空間的なばらつきに対する影響を少な
くする為に、フレネル（Ｆｒｅｓｒｌｅｌ）のバイプリ
ズムであることが好ましい）に向ける。バイプリズムが
入射した光ビームを２つのビームに分割する。バイプリ
ズムから出て来る両方のビームが干渉フィルタ２３に入
射する。フィルタ２３に向けられた２つのビームの入射
角は、その傾動軸２８の周りでのフィルタの向きを適当
にすることにより、フィルタの対応する通過帯が観測し
ようとする２つの別々のラーマン散乱帯と一致する様に
選ぶ。

振動性ラーマン散乱の基本帯及び第１の上側状態帯に於
ける散乱強度の比が求めるものであるから、散乱が窒素
ガスによつて起される場合、通過帯は夫々約５５０６及
び５４９６Ａを中心とし、夫々例えば約込の帯域幅を持
つことが好ましい。フィルタ２３を出ると、ビームはレ
ンズ２４を２介して別々の感知位置２５へ集束されるこ
とによつて空間的に分離される。

これらの位置は位置の惑知に使われる様な形式の分割形
光ダイオード、多重陰極光増倍管、又はニユージヤージ
ー州のプリンストン●アプライド●リサーチ●コーポレ
ー２シヨン社から０ｒＶ１Ａの商品名で販売されるオプ
ティカル・マルチチャンネル・アナライザーの様な多重
チャンネル形光学検出器の様な１個の複合形検出器の２
つの別々の惑知位置て構成することが出来る。１個の検
出器を使うと、任意の２つの検３１出チャンネルの相対
的な安定性が高まる。

夫々のチャンネルによつて検出されるた光ビームの強度
に対応する、検出器の各チャンネル２５からの出力信号
が比検出回路２６に供給される。

この回路が、それに供給された入力信号の比に比３，例
する振幅を持つ出力信号を発生する。比検出回路２６の
出力信号が電圧計の様な表示装置２７に送られ、これが
この出力信号の振幅を可視的に表示する。動作について
説明すると、光学検出器２５の１４１つのチャンネルに
よつて検出される光ビームが散乱光の基本帯に対応し、
光学検出器の他方のチャンネルによつて検出されるビー
ムが散乱光の第１の上側状態帯に対応する。

この為光学検出器２５の出力信号が夫々これらの２つの
光ビームの振幅を表わし、その為、表示装置２７は散乱
光の２つの帯の強度比の表示を発生する。この比がレー
ザ光を散乱した分子の温度を表わすものてあるから、表
示装置２７によつて発生された表示は、この温度に比例
する。こうして、炎の中の一点に於ける炎温度を遠隔点
から測定することが出来る。第３図に示した装置をうま
く作用させる為には、入射する光ビームに対する干渉フ
ィルタ２３Ｊの向きを正確にすることが重要である。光
ビームと干渉フィルタの法線との間の角度をＯから増加
すると、フィルタの通過帯が波長の短い方へ移る。この
挙動が第５図のグラフに示されている。更に、第５図に
示す様に、通過帯の形は、第３図に示すフィルタ２３の
様な干渉フィルタに入射する光ビームとフィルタの法線
との間の角度φが小さい場合（即ちφが約２０未満てあ
る場合）、大体一定である。任意の角度φに於ける中心
波長は次の様に表わすことが出来る。 λ（φ）
＝λｏ〔１−（Ｓｉｎ２φ）／Ｒｌ２，ｌこ）でφ。

は法線方向に光が入射する場合（即ちφ＝０）の中心波
長であり、ｎはフィルタの各層の実効屈折率（典型的に
は１．４５）てある。上の式を使つて、例えば５５０６
及び５４９６Ａの通過帯が得られる様な角度φを計算す
ることが出来る。これらの角度が４８８０Ａて励起され
る窒素の基本帯及び第１の上側状態帯に対応する。この
結果得られる角度を表１に示す。２ 上に挙げた表か
ら、散乱光のコリメーションは７イルタ２３の傾動軸２
８に対して垂直な平面内テ０．３２乃至１動程度なけれ
ばならないことを結ｌすることが出来る。

即ち、コリメーションが不−；全である為の各々の通過
帯の拡がりが通過帯の間の隔たりよりもずつと小さくな
る様にする為には、フィルタの傾動軸２８に対して垂直
な平面内で、フィルタに入る光ビームをΔφより実質的
に小さな角度までコリメートしなければならない。スリ
ット２０の長さ（第３図の平面に対して法線．方向に測
る）はその幅より大きく、スリットを通過し且つフィル
タの傾動軸を含む平面内のコリメーションを約２タにす
ることが出来る。このコリメーション角度（これは干渉
フィルタに向けられるいずれかのビーム中の最も離れた
光線の間の発一散角を表わす）は第３図に示す構成て容
易に実現される。この構成によつて要求される角度の大
きさが小形で頑丈な設計にとつて便利である。第４図は
この発明の光検出装置の第２の実施例を示す。これは多
重反射を利用して２番目の光ビームを作る。この２番目
の光ビームは、コリメートされた１番目の光ビームによ
つて照射された干渉フィルタの第１の面から反射された
ものである。詳しく云うと、第３図の実施例の楊合と同
じく、炎中の小さな領域（この場合も、典型的には−長
さ約１ミｌ八直径０．１ミリの円柱形容積を持つ領域）
から散乱された単色光が第１図に示す様にして収集され
且つスリット３０に集束される。スリットを通過した光
がレンズ３１によつてコリメートされ、干渉フィルタ３
２に向けられる。フィルタ３２はその傾動軸３６の周り
で、スリット３０からのコリメートされた光ビームの入
射角が、第１の上側状態ラーマン散乱帯に対応する波長
の光がフィルタを通過することが出来る様にするのに必
要な角度と一致する様に、その向きを決める。この光は
、フィルタを出ると、レンズ３３によつて、第３図に示
す装置の場合と同様に、分割形光学検出器２５の一方の
チャンネルに集束される。スリット３０からの光が法線
方向から僅かにずれた入射角でフィルタ３２に入射する
為、散乱光によつて照射されたフィルタ３２の第１の面
がこの光をコリメーション・レンズ３１を介して、スリ
ット３０を通過する散乱光の通路とはずれた角度で反射
する。

この反射されたビームが鏡３４の様な第１の反射器に向
けられ、この反射器が光を鏡３５の様な第２の反射器へ
反射し、そこから光ビームがコリメーション・レンズ３
１を介して干渉フィルタ３２へ反射される。この反射光
ビームのフィルタ３２に対する入射角は、基本ラーマン
散乱帯に対応する波長を持つ光がフィルタ３２を通過す
ることが出来る様にするのに必要な角度と一致する様に
選ばれる。こうして千渉フィルタ３２を出た基本ラーマ
ン散乱帯の光が、レンズ３２によつて分割形学検出器２
５の第２のチャンネルに集束される。第３図の装置の場
合と同じく、光学検出器２５の各チャンネルからの出力
信号が比検出器２６に供給され、表示装置２７によつて
出力の読みが得られる。この読みは、監視する炎温度て
較正することが出来る。当業者であれは、第４図の装置
は、第３図の装置に較べ、一層効率はよいが、幾分安定
性が劣ることがあることが理解されよう。第３図の干渉
フィルタ２３と同じく、第４図の干渉フィルタ３２の角
度依存性が前掲の表１に記載されている。

更に、第３図の装置と同じく、レンズ３１による散乱光
のコリメーションは、フィルタの傾動軸３６に対して垂
直な平面内で０．３乃至１傾程度てあると共に、フィル
タの傾動軸及びスリット３０の縦軸線と一致する平面内
で約２０でなければならない。前に述べた様に、第５図
は、第４図に示すフィルタ３２の様なフィルタを傾けた
時、このフィルタに入射する光の入射角の変化の影響を
示している。

即ち、入射角φを００から４５響に向つて増加する様に
フィルタを傾けると、フィルタの透過率が減少し、フィ
ルタの選択性が低下するが、これは入射角φの増加に伴
つてフィルタの通過帯の帯域幅が増大する為である。更
に、入射角が増加すると、フィルタの通過帯の中心波長
が下がり、この為、小さい入射角では、基本ラーマン散
乱帯がフィルタを通過することが出来るが、大きい入射
角では、第１の上側状態ラーマン散乱帯がフイル７夕を
通過することが出来る。この結果、第３図及び第４図の
いずれかの装置でも、２つのビームが同時にその干渉フ
ィルタを通過することにより、振動性ラーマン散乱の基
本帯及び第１の高状態帯に於ける光強度を同時に測定す
ることが出来、その比を用いて実時間て温度データが得
られる。以上、媒質によつて散乱され又は反射されたレ
ーザ光に応答するフィルタ１個の２チャンネル形分光計
を説明した。これは２つの相異なる波長を持つ単色光ビ
ームの強度比を測定する簡単て頑丈で、安定で効率のよ
い装置となる。この装置は、炎中の分子種目によるレー
ザ光の振動性ラーマン散乱の基本帯及び第１の高状態帯
の比を実時間で測定することが出来る様にする。当該者
てあれば、この発明の分光装置が炎中の分子種目以外の
媒質中でも、その媒質の物理的な性質によつて、監視す
るスペクトルに特性的な変化が生ずるものであれば、そ
ういう媒質中での測定に用いることが出来ることが理解
されよう。

例えば、大気の温度測定を上に述べた様にして行なうこ
とが出来る。この測定は振動性ラーマン散乱ではなく、
回転ラーマン散乱に基づいて行なわれる。更に一般的に
、媒質から出て来る光を監視することにより、色の比較
を行なうことも出来る。例としてこの発明の若干の好ま
しい特徴だけを説明したが、当業者にはいろいろな変更
が考えられよう。従つて、特許請求の範囲の記載は、こ
の発明の範囲内に属するこの様な全ての変更を包括する
ものであることを承知されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明で用いる炎照射及び散乱光検出装置の
略図、第２図は波長４８８０Ａで励起された窒素による
振動性ラーマン散乱の温度依存性を示すグラフ、第３図
はこの発明の第１の実施例で用いた光検出装置の略図、
第４図はこの発明の第２の実施例で用いた光検出装置の
略図、第５図はフィルタに入る光の或る範囲の入射角に
対し、第３図及び第４図の装置で用いた干渉フィルタの
光の透過が変化する様子を示すグラフである。 主な符号の説明、２１・・・・コリメーション・レンズ
、２２・・・・・・バイプリズム、２３・・・・・干渉
フィルタ、２５・・・・・・光学検出チャンネル、２６
・・・・・・比検出回路、２７・・・・・・表示装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２つのスペクトル・チャンネルにおける光強度を同
   時的に測定する装置において、干渉フィルタと、前記フ
   イルタへの各ビームの入射角が観測されるべき夫々別々
   の波長帯で前記フィルタを通過するのに必要とされる入
   射角に一致する様に前記フイルタへ向かつて夫々別々の
   方向に各ビームが指向されるべく被監視光を２つの同時
   的なコリメートされたビームに分割する光分割手段と、
   前記フィルタから出てくる各別々のビームに夫々同時的
   に応答する光学検出手段と、前記光学検出手段に応答し
   て前記フィルタから出てくるビームの強度表示を発生す
   る表示発生手段とを有することを特徴とする装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記光分割手段が
   前記被監視光の経路内に位置されたフレネルのバイプリ
   ズムを具備することを特徴とする装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記光分割手段が
   、前記干渉フィルタによつて反射される光の経路内に位
   置されており且つ前記干渉フィルタによつて反射される
   前記光を前記干渉フイルタへ向かう前記被監視光の直接
   的な経路に関して所定の角度で前記干渉フイルタへ戻す
   様に指向させる反射手段を具備することを特徴とする装
   置。 ４ 特許請求の範囲第３項において、前記反射手段が第
   １反射器と第２反射器とを具備しており、前記第１反射
   器は前記干渉フィルタによつて反射される光の経路内に
   位置されると共に前記干渉フィルタによつて反射された
   光を前記第２反射器へ指向させ、且つ前記第２反射器は
   前記干渉フイルタへの前記被監視光の直接的な経路に関
   して前記所定の角度で前記干渉フイルタへ戻して入射す
   る様に前記光を反射することを特徴とする装置。 ５ 特許請求の範囲第１項において、前記装置がレーザ
   からの光が気体媒質によつて散乱されるラーマン温度プ
   ローブにおける気体媒質の温度を決定する装置であるこ
   とを特徴とする装置。 ６ 特許請求の範囲第５項において、前記光学検出手段
   が単一の分割型光学検出器を具備しており、前記フィル
   タから出てくる２つのビームの各々は前記検出器の夫々
   別々の感知位置に入射し、且つ前記表示発生手段は前記
   検出器の各感知位置上の光強度の比の表示を発生するこ
   とを特徴とする装置。 ７ 特許請求の範囲第５項において、前記光学検出手段
   が多重チャンネル光学検出器を有しており、前記フィル
   タから出てくる２つのビームの各々は前記検出器の夫々
   別々の感知位置に入射し、且つ前記表示発生手段は前記
   検出器の任意の一対の感知位置上の光強度の比の表示を
   発生することを特徴とする装置。 ８ 特許請求の範囲第５項において、前記光学検出手段
   が多重陰極光増倍管を具備しており、前記フィルタから
   出てくる２つのビームの各々は前記光増倍管の夫々別々
   の感知位置に入射し、且つ前記表示発生手段は前記光増
   倍管の任意の一対の感知位置上の光強度の比の表示を発
   生することを特徴とする装置。 ９ ２つのスペクトル帯における光の強度を測定する方
   法において、前記一方のスペクトル帯における光が前記
   フィルタを通過すると共に前記他方のスペクトル帯にお
   ける光が前記フィルタから反射される様に所定の通過帯
   を持つた干渉フィルタを配向させ、且つ前記フィルタか
   ら反射された光を前記フィルタの通過帯が前記他方のス
   ペクトル帯と一致する様な角度で前記フイルタへ戻すべ
   く反射することを特徴とする方法。 １０ 特許請求の範囲第９項において、前記方法は単色
   光が気体媒質によるラーマン散乱を受ける様な気体媒質
   の温度を決定する方法であつて、前記気体媒質によつて
   散乱される光の一部は前記フイルタへ入射する前にコリ
   メートされ、且つ前記気体媒質の温度の表示は前記フィ
   ルタから出てくる第１及び第２スペクトル帯の強度比を
   測定することによつて与えられることを特徴とする方法
   。 １１ 入射光の２つのスペクトル帯における強度を同時
   的に決定する方法において、前記入射光を２つの同時的
   なコリメートされたビームに分割し、前記各ビームを干
   渉フィルタを介してそれにに関して夫々異なつた角度で
   通過すべく指向させ、前記干渉フィルタを介して通過す
   る前記各ビームの強度を同時的に検出することを特徴と
   する方法。 １２ 特許請求の範囲第１１項において、前記方法が単
   色光が気体媒質によるラーマン散乱を受ける様な気体媒
   質の温度を決定する方法であつて、前記入射光が前記気
   体媒質によつて散乱される光であり、前記角度は前記フ
   ィルタの対応する通過帯が観測されるべき２つの散乱帯
   の各々と夫々一致する様に選択されており、且つ前記気
   体媒質の温度の表示は前記フィルタから出てくる前記２
   つのビームの強度比を測定することによつて与えられる
   ことを特徴とする方法。