JPS61178622A - 気体の分光装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光ファイバーのエバネッシェント波を用いて気
体分子の分光を行う光ファイバー分光法に関する。

（従来技術） 従来、光の波動としての性質のうち、強度、位相、偏波
などの変化を利用して圧力や振動、加速度、あるいは電
圧、電流、磁界などの電磁気量を検出したり、光の波長
に関する情報を利用して物質の種類や濃度などの化学量
を検出する光ファイバーセンサが知られている。光ファ
イバーセンサは、試料が遠方にある遠隔計測や試料を採
取することができない状況下での計測などに便利であり
、工業計測、公害監視、医用など広い分野に利用されて
いる。

光ファイバーを用いた分光センサを例にとってみると、
この種の分光センサは、第１１図に示すように、発光源
としてのレーザ（波長入１．入。）ｌと、発光されたレ
ーザ光を伝送する光ファイバー２と、遠隔の観測地点に
置かれる観測用セル３と、光強度を検出する分光器およ
び光検出器４と、光出力を増幅する増幅器５と、光出力
を信号処理する信号処理回路６とから構成されている。

いま検出したい気体の吸収スペクトルが第１２図に示す
ようなものであるとすると、レーザ１の発光波長を入、
とすれば、観測用セル３では波長λ１での光吸収が極大
となるので、光検出器４における光出力の減衰から観測
用セル３が設置された場所でのその気体の存在と濃度と
が観測できる。

ところがこのような光ファイバー分光センサにおいては
、観測用セル３自体が構造上かなり大きなものでその設
置場所や設置状態に制約があり。

またセル内部でレーザ光を一旦放射させ何回か反射させ
ながら観測気体中に通し、再び収斂させて分光器および
光検出器４に導くので、光損失が生ずるほかに、レーザ
光の径を小さく収斂させるための光学系の調整が困難で
、その後の保守も楽でない、またこのような分光センサ
を用いて遠隔の複数の観測地点を含む広域の分光を行お
うとすると、観測地点ごとに観測用セルを設置しなけれ
ばならず、上述した調整や保守の問題は一層大変である
。そこで観測用セル内のレーザ光収斂用光学系の調整を
楽にするためには、分光器および光検出器への光ファイ
バーを径の大きい束状のものとすることが考えられるが
、極めて高価になる。

（発明の目的および構成） ところが、光ファイバー１０は、第１３図に示すように
、コア１１の周囲をコアの屈折率よりやや小さい屈折率
のクラッド１２で包んだものから成り、光がコア１１内
をクラッド１２で全反射しながら伝搬するものであるが
、光の伝搬の様子を波動光学的に分析してみると、伝搬
光の一部がクラッド１２内に浸み出していることがわか
り、この浸み出し波はエバネッシェント波（Ｅｖａｎｅ
ｓｃｅｎｔＷａｖｅ　）　Ｗとして知られている。この
エバネッシェント波の浸み出しの様子は伝搬する光の波
長、コアの径、コアとクラッドの屈折率、光の伝搬モー
ドなどにより決まる。

本発明はこのエバネッシェント波に着目し、上記の欠点
を解消すべく、レーザ光収斂用光学系の調整の煩わしさ
がなく、光損失が小さく、広域での分光が簡単にできる
光ファイバー分光法を提供することを目的とし、この目
的を達成するために、エバネッシェント波が気体に吸収
されて光強度が低下することを利用して分光するように
したものである。

（実施例） 以下に本発明の詳細な説明する。

本発明による分光法においては光ファイバーのエバネッ
シェント波を用いるので、エバネッシェント波の影響が
大気中に大きく及ぶように光ファイバーを作る必要があ
り、その製造法として次のような方法が考えられる。

（１）研磨法 第２図に示すように、ガラス基板１５にある曲率の溝１
５ａを形成し、この溝１５ａに沿って光ファイバー１６
を挿入して固定し、ガラス基板１５とともに光フィバ−
１６のコアｌｅａが露呈するまでクラッドｔａｂを研磨
する。こうすると、光ファイバー１６の部分Ａでエバネ
ッシェント波Ｗが大気中に現われる。

（２）エツチング法 第３図に示すように、フッ酸系のエツチング液により光
ファイバー１６のクラッド１６ｂをコア１６ａに達する
程度にまで除去する。こうすると、光ファイバー１６の
部分Ａでエバネッシェント波Ｗが大気中に現われる。

（３）延伸法 第４図に示すように、光ファイバー１６をマイクロトー
チにより局部的に加熱してテーパ状の延伸を行なう、こ
うすると光ファイバー１６のテーパ部分Ａでエバネッシ
ェント波Ｗが大気中に現われる。

第５図は特に本発明の分光法に用いるのに適した光ファ
イバーで、従来知られている光ファイバーのコアとクラ
ッドとを逆にし、芯部をクラッド１７として機械的強度
を高めその周囲にコア１８を配した環状コア構造の光フ
ァイバーである。

このような構造の光ファイバーのコア１８に光を入射さ
せると、図示したようにエバネッシェント波Ｗの影響が
強く大気中に現われ、光ファイバーの全長にわたって検
出が可能になる。この環状コア構造の光ファイバーのコ
ア１８の厚みを伝搬する光の波長程度とするのが好まし
い。

第１図は本発明による分光法を用いた分光装置の概略線
図である。

図において２０は白色光を発光する白色光源、２１は光
ファイバーで、その一部２１ａが検出部である。検出部
２１ａは上述した（１）、（２）または（３）の方法で
クラッドを除去または極めて薄くシてエバネッシェント
波が大気中に現われ易いようにしてあり、ある特定の波
長入、の光を吸収し易い被検出気体の存在する観測地点
Ｂ（破線丸印で示す）に位置するようにする。２２は検
出部２１ａを通過した光のスペクトルを分析する分光器
、２３は分光器２２の出力を処理する信号処理回路であ
る。

白色光源２０は図示したように広い波長領域にわたって
ほぼ均一な光強度を有するが、このような光強度の白色
光を光ファイバー２１に送り込むと、検出部２１ａでそ
のエバネッシェント波が大気中に現われ、観測地点Ｂに
存在する気体に一部吸収される。その結果分光器２２で
検出される光出力のスペクトル特性は図示したように波
長入１で極小値を有するようになる。信号処理回路２３
ではこの吸収された光成分とその気体に吸収されない波
長入、の光成分との差分法により気体の濃度を検出する
ことができる。

気体に吸収され易い光の波長は各気体に固有であり、代
表的な気体について例示すると真空中では次のようにな
る。

メタンＣＨ４３，３９２ＩＬ層 −酸化炭素Ｃｏ　　　４−６８６１Ｌ■二酸化炭素Ｃｏ
　　　４．２５フル■ アセチレンＣ２Ｈ２３，０３ＯＩＬ層 そこで光源の波長を予め定めればその波長の光を吸収す
る気体の有無やその濃度を光出力の低下により検出する
ことができる。

また光ファイバー２１の検出部２１ａをジグザグ状にし
たりコイル状に巻いたりして長くすることにより検出感
度を高めることができる。また。

検出しにくい観測地点では検出部２１ａの形状を都合の
よいように変えることにより分光が容易にできる。−例
として、本発明による分光法を用いてメタンガスの濃度
検出の実験を行った。第６図はこの実験に用いた光学系
を示す。

メタンガスに吸収され易い光の波長は真空中では３．３
９２２１Ｌｍであることが知られているので、この波長
のレーザ光を発光するＨｅ−Ｍｅレーザ２５と、レーザ
光を特定の周波数（たとえば２７５Ｈｚ）で変調するた
めの光チヨツパ−２６と、可視光（赤色光）である０、
６３１Ｌ■レーザ光を発光する基準用Ｈｅ−Ｍｅレーザ
２７と、ｌ＼−フミラーＨＭおよびミラーＭを図のよう
に配置し、さらにビーム集光用の赤外用レンズ２８を介
して光ファイバー３０を配置した。光ファイバー３０に
は外径が１２５１Ｌ膳　（コア径５０＃Ｌ層）のグレー
デッド形マルチモードファイバーを用い、一部を延伸法
により平均的７１Ｌ−径にまで引き延ばして検出部３０
ａとした。検出部３０ａの長さは約１０ｍｍとした。光
ファイバー３０の出力側にはビーム集光用の赤外用レン
ズ２９を配置し、赤外用レンズ２９の光軸上に、ハーフ
ミラ−ＨＭを配置し、ハーフミラ−ＨＭで反射された可
視光は可視センサ３１を介してアンプ３２に、またｌ＼
−フミラーＨＭを透過した赤外光はＩｎＡｓ赤外センサ
３３を介してプリアンプ３４．さらにロックインアンプ
３５に送られる。３６は分光結果を記録するレコーダ、
３７はメタンガス（ＣＨ，）のタンク、３８は窒素ガス
（Ｎ　　”）のタンク、３９は両ガスの混合奏、４０は
変調用周波数（たとえば２７５Ｈｚ）のパルスを発生す
るパルス発生器である。

タンク３７．３８から混合器３９を介して光ファイｔ＜
−３９の検出部３０ａにメタンガスＣＨ４ｔｏｏ％、８
０％、６０％、４０％、２０％を含む混合ガスと窒素ガ
スＮ２１００％とを交互にふきかけたときのレコーダ３
６の記録結果は第７図に示すようになる。この図かられ
かるように、窒素ガスＮ　を吹きかけたときは出力の低
下はほとんどないが、メタンガスＣＨを吹きかけたとき
は出力が低下する。これは波長３．３！８２２　％麿の
光のエバネッシェント波が窒素ガスには吸収されないが
メタンガスには吸収されることを示しており、しかもメ
タンガスの含有率を１００％から２０％まで２０％ごと
に減少していくと出力低下も減少していくことがわかる
。

第８図は第７図の結果からメタンガスの含有率に対する
光出力の減少率をプロットしたもので、この図から、メ
タンガスの含有率と光吸収率がほぼ比例関係にあること
がわかる０図において、Ｐａはメタンがないときの光出
力、Ｐはメタンの各含有率に対する光出力である。

第５図に示した分光装置の実施例は単一気体の濃度検出
の例であるが、複数気体の場合も同様で、各気体に固有
の波長で出力低下が生ずる。

また、レーザ光源としては上述したような広い波長にわ
たって均一の光強度を有する白色レーザ光を発光するも
ののほかに、特定の波長光のみを発光するレーザ光源を
用いることもできる。また発光源の発光波長を切り換え
るようにして複数の異なる気体濃度を検出するようにし
てもよい。

第９図は本発明による分光法を用いた分光装置の他の実
施例を示す０図中、第１図と同じ参照数字は同じ構成部
分を示す。

この実施例ではレーザ光源として任意の気体分子に吸収
される波長のパルス光を発光するパルスレーザ光源４０
を用い、パルス光を光ファイバー２１に入射する。入射
したパルス光はファイバー各部で後方レーリー散乱され
るが、気体分子が存在すると強く吸収されてレーリー散
乱光が減少するので、赤外センサ４１を介して信号処理
回路４２によりその光強度をパルス光入射時からの時間
遅れに対応して観測すると第１θ図のような結果が得ら
れる。この図において、後方レーリー散乱光の強度が急
激に低下する位置りで気体分子による光の吸収があった
と考えられる。

そこで、パルス光の入射時から後方レーリー散乱光の光
強度が急激に低下するまでの時間をｔとすると、パルス
レーザ光源４０の位置から気体分子の分布している位置
までの距離見は次の式から求めることができる。

立＝ｔＣ／２　　　Ｃ：ファイバー中の光速パルスレー
ザ光源４０の発光波長を切り換えるか波長の異なるパル
スレーザ光を発光するパルスレーザ光源を用意しそれら
を順次切り換えることにより第１θ図に示すような特性
をいくつかの異なる波長について求めれば、その波長の
光を吸収する気体分子の存在とその濃度を求めることが
できるので、広域での分光ができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明においては、光ファイバー
の少なくとも一部にエバネッシェント波が露呈し易い部
分を形成し、光ファイバーに入射させた光のエバネッシ
ェント波が気体分子により吸収されて減衰することを利
用して気体分子の分光を行なうようにしたので、光ファ
イバーを伝搬する分光用の光を一旦放射させてまた集光
するということがないため光損失を少なぐできるほかに
、一旦放射した光を収斂させるための光学系の調整の煩
わしさや手間が不要となり、保守が楽になる。また、観
測にはエバネッシェント波の露呈部分を形成するだけで
すむので、広域にわたる多数の観測地点での観測に好都
合である。さらに。

従来の分光センサに比較して検出部自体が著しく小型に
なり、設置場所や設置状態が問題にならないので、分光
が簡便になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による分光法を用いた分光装置の一実施
例の概路線図、第２図から第５図は本発明による分光法
で用いる光ファイバーの製造法を示す図、第６図は本発
明による分光法を用いて実験したメタンガスの濃度検出
用の光学系を示す図、第７図は第６図に示した実験光学
系のレコーダで得られる実験結果を示すグラフ、第８図
はメタンガスの含有率と光強度の減少率との関係を示す
グラフ、第９図は本発明による分光法を用いた分光装置
の他の実施例の概路線図、第１０図は第９図に示した実
施例で得られる分光結果の特性図、第１１図は従来の分
光センサの一例を示すブロック線図、第１２図は気体の
吸収スペクトルの一例を示す図、第１３図は一般の光フ
ァイバーの　−構造と光の伝搬を示す図である。 ２０−・・白色光源、２１−・・光７フイバー、２１ａ
・・・検出部、２２・・・分光器、２３−・・信号処理
回路、ｑコ　　　　　　Ｖ− 第　８ｖＡ ＣＨ４含噛４性　（０ム） 第９図 第１０図 先７アイノに“−イ■１Ｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　コアとクラッドとから成る光ファイバーの少なくとも
   一部にエバネッシェント波が露呈し易い部分を形成し、
   該光ファイバーに入射させた光の特定波長成分が気体分
   子によるエバネッシェント波の吸収により減衰すること
   を利用して気体分子の分光を行うことを特徴とする光フ
   ァイバー分光法。