JPS61222289A - レ−ザ装置 - Google Patents

レ−ザ装置

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JPS61222289A
JPS61222289A JP60061876A JP6187685A JPS61222289A JP S61222289 A JPS61222289 A JP S61222289A JP 60061876 A JP60061876 A JP 60061876A JP 6187685 A JP6187685 A JP 6187685A JP S61222289 A JPS61222289 A JP S61222289A
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弘明 田中
Takashi Ueki
植木　孝
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は２つの波長成分を含むレーザ光を発生すること
ができるレーザ装置に関する。
（従来技術） 特定波長のレーザ光がある種の気体に吸収され易いこと
を利用して気体の有無を検出できることが知られており
、この原理を応用したセンシング技術が工業計測、公害
監視などに広く用いられている。　−例として、Ｈｅ−
Ｎｅレーザにより発生されるレーザ光の３．３９μｍ帯
には真空波長が３．３９２２μｍ（λ１）と３．３９１
２μｍれない。そこでこの２つの波長成分を含むレーザ
光を使ってメタンの有無を感度よく検出することが可能
である。メタンは都市ガスの主成分であるのでメタンガ
スの検出によって都市ガスの漏洩が検知できる。
第７図は２台のレーザを用いてメタンを検知する従来の
メタン検知システムの概略構成を示しており、光源部１
と、受光部２と、信号処理部３とにより構成されている
。光源部１は３．３９２２μｍのレーザ光を発光するＨ
ｅ−Ｎｅレーザ１ａと、３．３９１２μｍのレーザ光を
発光するＨｅ−Ｎｅレーザ１ｂと、ガイド用の赤色光（
０，６３２８μｍ＞を発光するＨｅ−Ｎ１３レーザ１Ｃ
とを含み、レーザ１ａおよび１ｂからのレーザ光を異な
る周波数で変調するメカニカルチョッパー１ｄおよび１
ｅとを有する。レーザ１Ｃからの赤色光およびレーザ１
ａ１１ｂからの変調されたレーザ光はミラーＭ１１Ｍ２
１Ｍ３２Ｍ４およびハーフミラ−ＨＭｌおよびＨＭ２に
より監視領域りに向けて発射され道路や壁などの障害物
４で反射され受光部２で受光される。
受光部２では入射したレーザ光を受光部２ａ。
２ｂで反射し集光させて受光センサ２Ｃで電気信号に変
換する。受光センサ２Ｃの出力は信号処理部３のプリア
ンプ３ａでまず増幅され、次に光源部１のメカニカルチ
ョッパー１ｄおよび１ｅの変調周波数に同期させたロッ
クインアンプ３ｂおよび３Ｃで分離されレコーダ３ｄに
より記録される。
この記録された２つの信号の差から監視領域りにメタン
が存在しているか否かを知ることができる。
このような構成のメタン検知システムは多数のミラーや
ハーフミラ−を用いるため光学系が複雑で大きな体積を
要するだけでなく光軸調整が危介であり、レーザ光の損
失が大きい。また信号処理が複雑な上メカニカルチョッ
パーの動作上の限界から高周波変調ができずＳＮ比の点
で不利であるなど多くの問題がある。
一方、米国特許第４，０５９，３５６号には、レーザ共
振器内に大気循環用セルを設け、監視したい場所にその
レーザをもっていけばその場所の大気がレーザ共振器内
に入るのでレーザの発振波長により大気中のメタンの有
無を検知することができるようにした気体検知器が開示
されている。
この検知器では上述した問題はないが、遠隔検知は不可
能である。
（発明の目的および構成） 本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、気体検
知システムの構成を簡潔にし遠隔、広域での気体検知を
可能にするための発振レーザ装置を提案することを目的
とし、この目的を達成するために、２波長成分を含むレ
ーザ光を発振するレーザを用い、２波長成分の利得をほ
ぼ等しくし、共振器長りを 上で微小変調させ且つその結果２波長成分の出力が同時
に変調され且つその出力の和の変調成分がＯになるよう
に共振器長を自動制御するように構成した。
（実施例） 以下本発明を図面に基づいて説明する。以下に例示する
２波長発振レーザ装置はメタン検知用として説明するが
、本発明はこれに限定されるものでないことはもちろん
である。
第１図はメタン検知を目的とした本発明による２波長発
振レーザ装置の一実施例を示しており、１０はＨｅ−Ｎ
ｅ放電管１１はメタンガスを含むメタンセル、１２．１
３はミラーであり、これらによりＨｅ−Ｎｅレーザが構
成されている。ミラー１３は電歪素子１４により所定の
振動数で振動し、これにより両ミラー１２．１３間の共
振器長しが変調されるようになっている。１５はＨｅ　
−Ｎｅレーザから発生するレーザ光の光軸中に配置され
たハーフミラ−１１６はＩｎＡＳなどの光センサ、１７
は発振器１８の周波数に同期して変化する光センサ１６
の出力成分を検出するロックインアンプ、１９はロック
インアンプ１７の出力を−積分する積分器、２０は積分
器１９の出力と発振器１８の出力を混合して高電圧に増
幅する高電圧アンプで、電歪素子１４はこの高電圧によ
り駆動される。
Ｈｅ−Ｎｅレーザには真空波長が３．３９２２μｍ（λ
１）と３．３９１２μｍ（λ２）の近接した２つの発振
線があるが、通常の条件下では波長λ１の成分の方が波
長λ２の成分より利得が大きいために競合の結果波長λ
１構成のみが発振し、波長λ２は発振しない。ところが
本Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置には共振器内にλ１の光を吸収
するメタンセル１１が設けられてい、るので、波長λ１
成分の総合利得は減少し、メタン圧を適当に選ぶと、波
長λ２構成の利得とほぼ等しくなり第２図および第３図
に示すように２１とλ２の２波長同時発振が可能になる
。この場合、メタンセル１１による波長λ１成分の吸収
はメタン圧力により第３図に示すように変化するので適
当な圧力（たとえば１、３ｒｏｒｒ）に調整することが
必要である。
次に共振器長と発振出力との関係について考えると、一
般にガスレーザの場合、その利得曲線はレーザ媒質固有
の中心周波数のまわりにドツプラー広がりをしており、
その中で共振器により共振条件ν、＝ｎＣ／２１（Ｌは
共振器長、Ｃは光速度、ｎは整数）を満足する周波数ν
、のみが発振する（第２図参照）。この場合ν、が中心
周波数に近ければ出力は大きくなり、中心周波数から離
れると出力は小さくなる。共振器長しが変るとシーよ次
々と中心周波数を横切るので、共振器長しの変化に対し
て発振強度は周期的に変化することになる。
２波長発振の場合は、それぞれの波長成分がこのように
変化するが、 を満たすように共振器長りを選べば、その近辺で共振器
長しの変化に対して、第４図のように２１とλ２の出力
最大点Ｂ、Ｃは互いの中間点に位置するようになる。
そこで共振器長りをある値Ｌ０を中心にして周波数ｆに
よりΔ１の振幅で変化（変調）させるとす泰と、２波長
都、λ２のレーザ光の出力をそれぞれ１．Ｉ（第４図に
おいて鎖線および破線で示す）とし、全出力をＩ（第４
図において実線で示す）とすると、次のように表わせる
。
・Δｊ　ｓｉｎ　２πｆｔ＋高次成分 ・Δ４１　Ｓｉｎ　２πｆｔ＋高次成分Ｉ＝１１　＋ｌ
２＝１１　（Ｌｏ）　＋Ｉ２　（Ｌｏ）　＋・Δｊ！　
Ｓｉｎ　２ｙｒｒｔ十高次成分そこで、全出力Ｉの変調
周波数ｆ成分をロックインアンプ１７（第１図参照）に
より位相検波し、その出力を誤差信号として高電圧アン
プ２０を介して電歪素子１４にフィードバックをかける
と、を満足するように共振器長の変調の中心１ｏが自動
制御される。この場合誤差信号の位相を適当に選択する
ことにより を満足するように自動制御しなければならない。
第１図に示したセンサ１６、ロックインアンプ１７、積
分器１９、高電圧アンプ２０でフィードバック回路を構
成しており、レーザ光の全出力Ｉが赤外光センサ１６に
より検出され、そのうち変調周波数成分がロックインア
ンプ１７により検波され、積分器１９により積分されて
高電圧アンプ２０のバイアス電圧を決定する。その結果
、高電圧アンプ２０はそのバイアス電圧を中心にして発
振器１８の発振周波数で変動する高電圧を出力し電歪素
子１４を駆動する。フィードバック効果により変調波成
分がなくなったときは積分器１９がそのとき保持してい
る積分値により高電圧アンプ２０のバイアス電圧が保持
され、その出力高電圧が一定に保持されて発振が継続さ
れる。動作中に温度変化などにより共振器長りが変化し
たときはフィードバック回路によるフィードバック作用
により修正される。
このように自動制御されたときＨｅ−Ｎｅレーザから発
生する波長ハ、λ構成分の出力は互に１８０°ずれて変
調されているが全出力は変調されていない。このレーザ
光がメタンを含む大気中　゛を通過すると、波長λ１成
分が吸収され全強度は変調成分をもつことになる。これ
によりメタンの検知が可能になる。波長λ１成分がメタ
ンに完全に吸収されたときの変調成分出力は 第５図は共振器長６８３ｍ、放電電流６ＴｒＬＡ、Ｎｅ
ガス圧力０．４ＴＯｒｒＳ＠ｅガス圧力２ｒｏｒｒ、メ
タンセルの長ざ４２ａｍ、メタンガス圧力２　Ｔｏｒｒ
のＨｅ−Ｎｅレーザ装置を用いて実験した結果を示して
おり、横軸は電歪素子１４に印加される電圧で１００Ｖ
増すごとに共振器長は約１μｍ減少する。また縦軸は（
イ）がレーザ装置の全出力、（ロ）が波長λ１成分、（
ハ）が波長λ２構成である。この図かられかるように、
Ｈｅ−Ｎｅレーザの一方のミラー１３に固定された電歪
素子１４に印加する電圧をたとえば点Ａと点Ｂとの間で
変化させて共振器長を変調すると、各波長成分は約０．
５ｍＷの変調を受けるが、全出力は一定である。
上記実施例では、Ｈｅ−Ｎｅレーザから出力する２波長
のレーザ光の利得を等しくするのに一方の波長のみを適
度に吸収するセルを共振器内に配置したが、セルを用い
る代りに共振器を構成するミラーの反射率に波長特性を
もたせてもよいし、両者を組合せてもよい。
また、２波長のそれぞれの強度変調幅を大きくとるため
に第６図（イ）に示すように鋭い中心周波数依存性をも
つ吸収物質（中心周波数νＣ＋Δν）を有する気体吸収
セルを共振器内に配置する。第６図（イ）において、上
の波形はレーザ媒質の利得の周波数特性を示しており、
下の波形は吸収物質の吸収の周波数特性を示しており、
総合的な利得が同図（ロ）に示すように周波数のわずか
な変化で大きく変るようにすることができる。
上記実施例ではメタンがこのような吸収物質としても機
能している。
このような方法による変調幅の大幅な増大は上記実施例
のような２波長発振レーザ装置のみならず単波長発振レ
ーザ装置にも適用することができる。
本発明はＨｅ−Ｎｅレーザに限らずＣＯ２レーザなどの
ガスレーザ、ざら、には液体レーザ、固体レーザ、半導
体レーザなとでも２波長を発振するレーザならば用いる
ことができる。たとえば、ＣＯ２レーザの場合は、アン
モニアに強く吸収される波長９．３８０５３４μｍのＲ
（２）線トアンモニアに吸収されない波長９．４２８８
５７μｍのＰ（４）線の２波長発振に応用できる。
（発明の効果） 以上説明したように、本発明においては、比較的近い２
波長成分を含むレーザ光を発振するレーザを用い、２波
長成分の利得をほぼ等しくし、共に選んで微小変調させ
且つその結果骨られるレーザ光の全出力の変調成分がＯ
になるように共振−長の変調にフィードバックをかける
ようにすると２波長成分の出力が交互に強弱を繰り返す
２波長発振レーザ装置が実現できる。
本発明による２波長発振レーザ装置を用いて気体検知シ
ステムを構成すれば、１台のレーザですむので使用する
ミラーやハーフミラ−が少なくなって光学系が簡潔にな
り光損失が減少するとともに光軸調整の煩わしさが減少
する。また、共振器長の変調を電気的に行なっているの
で、従来のメカニカルチョッパーより高い周波数での変
調が可能になりＳＮ比を改善することができる。また、
２波長を分離して検出する必要がないために測定系（た
とえばロックインアンプを含む信号処理系）が極めて簡
潔になる。
ざらに、本発明によるレーザ装置を用い発振レーザ光を
光ファイバーで導けば遠隔、広域での気体検知が可能に
なり、ガス漏れ検知をはじめとして工業計測や公害監視
などその応用分野は極めて広いと考えられる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による２波長発振レーザ装置の一実施例
の概略線図、第２図は本発明による２波長発振レーザ装
置により発振される２波長レーザ光の利得と共振周波数
の関係を示す図、第３図はメタンセルによるｌ−１ｅ−
Ｎｅレーザの２波長出力の変化を示す図、第４図は本発
明による２波長発振レーザ装置の共振器長と発振出力と
の関係を示す図、第５図は本発明による２波長発振レー
ザ装置の実験による出力変化を示す図、第６図は第１図
に示した実施例の変形例における変調幅増大の効果を説
明する図、第７図は従来のメタン検知システムの概略線
図である。 １Ｏ−Ｈｅ−Ｎｅレーザ、１１−・・メタンセル、１２
．１３・・・ミラー、１４・・・電歪素子、１５・・・
ハーフミラ−１１６・・・センサ、１７・・・ロックイ
ンアンプ、１８・・・発概器、１９・・・積分器、２０
・・・高電圧アンプ。 特許出願人　　東京、瓦斯株式会社 代理人　弁理士　鈴　木　弘　男 第１図 第２図 第３図 第４図 矢鴇東り 第５図 電歪系与への仲加電圧（ｖ） ＷＪ６ｖｊＪ （イ） 第７図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）２波長成分を含むレーザ光を発振するレーザと、
    前記２波長成分の利得をほぼ等しく調整する利得調整手
    段と、前記レーザの共振器長を周期的に変調させる共振
    器長変調手段と、前記レーザ光の変調された２波長成分
    の出力の和がほぼ一定となるように前記共振器長変調手
    段の変調中心を制御する制御手段とを有することを特徴
    とするレーザ装置。
  2. （２）前記利得調整手段がレーザの共振器内に設けられ
    た特定波長を吸収する気体である特許請求の範囲第１項
    に記載のレーザ装置。
  3. （３）前記共振器長変調手段が電歪素子を有する特許請
    求の範囲第１項に記載のレーザ装置。
JP60061876A 1985-03-28 1985-03-28 レ−ザ装置 Granted JPS61222289A (ja)

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JP60061876A JPS61222289A (ja) 1985-03-28 1985-03-28 レ−ザ装置
US06/841,913 US4745606A (en) 1985-03-28 1986-03-20 Dual-wavelength laser apparatus
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DE (1) DE3676530D1 (ja)

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