JPS6140336B2

JPS6140336B2 -

Info

Publication number: JPS6140336B2
Application number: JP10593680A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Kashiwara; Tadatami Mori; Masami Tajima; Takayasu Fukuda; Yoshio Matsura
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1980-07-31
Filing date: 1980-07-31
Publication date: 1986-09-09
Also published as: JPS5729934A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は赤外分光分析方法、とくに波長可変レ
ーザを光源として用いる分光分析方法の改良に関
するものである。

大気汚染の原因となる有害ガスたとば一酸化炭
素（CO）、亜硫酸ガス（SO₂）等の検出、定量に
赤外線吸収を利用した分光分析方法が便利である
ことはすでに周知である。この分光分析方法に用
いる光源として赤外線を発する波長可変レーザが
好適であることもすでに知られた事実である。こ
の波長可変レーザを用いた赤外分光分析方法の１
つの改善策として本発明者等は先に特開昭55―
37717にてレーザ素子に流すレーザ電流を断続電
流とし、これに微小振幅の変調電流を重畳して測
定をなす方法を提案した。すなわち、上記分析法
に用いる波長可変レーザは一般に鉛（Pb）を含
む合金半導体からなる素子を主体としており、し
かも少なくともある波長範囲内で電流とレーザ光
の振動数との間には比例関係が成立つことを利用
している。すなわち上記電流の値を、レーザ光
の振動数をγとすると、次式が成立する。

γ＝Ｋ（ただし、Ｋは定数） ……(1) この関係を利用すれば屋外にける大気汚染ガス
分析の際に大気の変動による不規則なゆらぎを除
去して安定に測定を行うことが可能となる。さら
に具体的に説明するとこの方法は、分光吸収曲線
の導関数を求め、該導関数をその原始始関数で正
規化することによつて上記大気の変動による不規
則なゆらぎに基づく測定値の変動を消去すること
をその原理としている。以下その原理について簡
単に説明する。検出しようとする大気中の有害ガ
スたとえば一酸化炭素の大気中濃度をＣ、測定の
際の光路長をＬ、使用する波長可変レーザの出力
光パワーをP₀、大気通過後に受光素子の受光面上
に集められた受光パワーをPrとすると、 Pr＝Ｋ・P₀exp｛−α（γ）CL｝・ｆ（ｔ）
……(2) という関係が成立する。ただし、α（γ）は一酸
化炭素の吸収係数を光の振動数γの関数として表
したもので、ｆ（ｔ）は大気の変動による不規則
なゆらぎを時間ｔの関数の形で表した項である。
またＫは比例定数である。上記(2)式の両辺をγで
微分すると、 P′r＝ｄＰｒ／ｄγ＝−KP₀・ CLexp｛−α（γ）CL｝ｄα／ｄγ・ｆ（ｔ） ……(3) が得られる。ただし簡単化するためP₀を微小な電
流変動範囲ではγに無関係に一定と仮定した。上
記(2)式と(3)式とを辺々相除すると、Ｐ′ｒ／Ｐｒ＝−CLα′（γ） ……(4) となつて大気変動による不規則なゆらぎを示す項
ｆ（ｔ）は消え、しかも右辺の絶対値は有害ガス
の濃度Ｃに比例する。それ故Prの微分値P′rをPr
で除算すなわち正規化すれば大気の変動による不
規則なゆらぎに影響されることなく、有害ガスの
大気中濃度度を知り得ることが上記(4)式からわか
る。ただし上記(4)式においてダツシユ記号は導関
数すなわち微分係数を表す。

以上の理論に基づいて実際に大気中の汚染ガス
濃度を分析するためには被測定大気による吸収ス
ペクトルの導関数P′rを求める必要がある。この
P′rを実測により求めるために波長可変レーザ素
子に供給する電流を断続し、該断続電流に断続周
期よりも短い周期を有する微小振幅の電流を重畳
し、該断続電流に基づくレーザ光の出力信号中に
おける上記微小振幅の電流に対応する成分の量の
出力信号より、レーザから放射される光パワーの
レーザ光周波数に対する微分係数を求めるように
している。

以上述べた原理により大気中の有害ガス濃度を
求めているため、レーザ素子の励起電流が一定の
場合レーザ光の発振波長が一一定であることが必
要である。しかしレーザ素子の長期にわたる経時
変化及びレーザ素子を冷却中の液体窒素の量の変
動等の要因によつてレーザ光波長がシフトし、汚
染ガスによるレーザ光の吸収値に設定されたレー
ザ光波長が変化する。この結果レーザ駆動電流を
一定に保つていても汚染ガス濃度を正確に定量す
ることができなくなる。

従つてレーザの発振光波長を一定に保ち、検出
精度を正しく安定に維持るためには、所定の間隔
で、レーザを励起する断続電流を汚染ガスの吸収
ピークでの波長の発光をするような値に修正制御
する必要がある。

前記特願昭22―37717の発明はレーザに流す電
流をコントロールすることによつてレーザ発振光
波長を補正するための電流制御方式に関するもの
で、その要旨とするところは、断続電流に微小振
幅の電流を重畳したレーザ駆動電流をプログラマ
ブル定電流電線より波長可変形赤外線レーザ素子
に供給することによつて赤外線レーザを励起し、
該赤外線レーザを光源として特定の被検出ガスを
有するガス空間を通過した後のレーザ光を光電変
換素子に入射させて、まず電気信号に変換する。
そして上記ガス空間におけるレーザ光の吸収量に
よりガス濃度を検出するガス濃度検出方法におい
て、前記被検出ガス空間とは別に前記特定ガス濃
度が既知である第１の較正経路と特定ガスを前記
第１の較正経路と異なる既知濃度で満たした第２
の較正経路を設け、所定時に前記２つの較正経路
に順次レーザ光を切替えて通過させるとともに前
記レーザ素子に供給する断続電流値を所定範囲に
走査し、該断続電流に対応した前記レーザ光の各
較正経路の吸収値の差を記憶する記憶装置を設
け、該記憶装置で記憶した前記吸収値の差の最大
値に対応した断続電流を前記レーザ素子に供給す
るよう前記プログラマブル定電流電源を制御する
ようにしたことを特徴とするものであつた。

しかるに上記従来の方法によれば、第１よび第
２の較正経路はもちんのこと、当該両較正経路に
順次レーザ光を切替える複数のシヤツタ機構、な
びに該シヤツタ機構の制御装置を必要とし、これ
らの各部の微妙な調整が必要であつた。そのうえ
上記来の方法は、たとえば寒剤たる液体窒素の量
の減少とかレーザ素子の経時変化といつた比較的
緩慢な現象によるレーザ放射光の波長変動の修正
を目的としたものであつたため、たとば液体窒素
の泡の発生とか冷凍器の冷媒の振動のごとき高速
の変化現象に起因した放射光の波長変動の修正は
不可能であるという欠点があつた。

本発明はこうした欠点に鑑みてなされたもの
で、微小振幅の交番信号を重畳したたとえば微小
の階段波状に変化する電流でレーザを駆動するこ
とによつて微分吸収特性の片側のピーク幅だけを
電流スキヤンし、その微分吸収特性にピークを生
じる電流値を上記電流スキヤン範囲の特定位置、
殊に中心にくるようマイクロコンピユータ（以下
マイコンと略称する）によつて常に補正すること
により比較的短時間ならびに長時間のレーザの光
周波数偏移を修正し、外部空間に存在する有害ガ
スの赤外線分光を行わしめる新しい方式を提供す
るものであつて、以下図面を用いて詳記する。

第１図は本発明に係る赤外分光分析法を行うた
めの構成を示した系統図であつて、大気中の有害
ガスＧの分析を行うに際しては、まずレーザ５か
ら射出された光をチヨツパCHで断続させた後、
反射鏡２６により平行ビームとなし、ビームスプ
リツタ２３を通し分析装置３１の外部に放射す
る。外部空間に放射された光は有害ガスＧ中を通
過し、レトロリフレクタ２８によつて析り返され
て再びガスＧ中を通り分析装置中３１に入射して
反射鏡２７，３２によつて集光され、赤外線検知
器６中に導入される。この検知器６で光電変換さ
れた電気信号は２つのロツクイン増幅器LA₁，
LA₂に入力されるが、第１のロツクイン増幅器
LA₁には、経路ホを介してチヨツパCHからの参
照信号が加えられるため、該増幅器LA₁の出力に
は第２図中の曲線ヌで示した吸収特性の値Ｐが出
力される。一方、第２のロツクイン増幅器LA₂に
は経路ヘを介して交番電圧発生器１７からの参照
信号が加えられ、該増幅器LA₂は微分モードで働
くようになつている。こため該増幅器LA₂の出力
には微分吸収特性の値P′が出力されるのである
が、このP′ならびに先述のＰなる値は共にＡ／Ｄ
変換器１５ａ，１５ｂのそれぞれを介してマイコ
ン７に加えられて除算操作がなされ、その結果が
記憶手段９に記憶されて第２図ａ中の曲線ルに示
したP′／Ｐ特性が得られる。なお、ロツクイン増
幅器LA₂の出力に微分吸収特性が得られるのは、
アナログ入力で制御可能な電源８からレーザに加
えられる第２図ｂに示した階段（ステツプ）状の
波形オを有するレーザ駆動電流に、第１図中の発
振器１７から供給される微小振幅の交番信号ワが
加算器１９によつて重量され、その結果レーザ５
から射出される光出力に上記と同じ微小交番成分
が含まれているためである。

ここでτは第２図ｂに示した階段波形の波形の
１周期を示すものであるが、該階段波状波形のt₁
〜t₆，t₆〜t₁₁，t₁₁〜t₁₆の各期間のうち、t₁〜t₂，
t₆〜t₇，およびt₁₁〜t₁₂の各期間だけは他の期間よ
り長く設定されている。これは、この期間t₁〜
t₂，t₆〜t₇およびt₁₁〜t₁₂がロツクイン増幅器の応
答回復のために必要であることに基づいている。

上記階段状の駆動電流は最小値minに始ま最
大値maxの終わることは第２図ｂから容易に理
解される。したがつて第３図ａではこの階段状の
変化ならびに微小交番信号成分を略し、第２図ｂ
の波形を理解の便宜のために第３図ａ中のカで示
したごとく単なる掃引三角波で表すことにする。

レーザ５はこのように掃引三角波で略記された
駆動伝流によつてP′／Ｐがピークを示す電流値幅
ｓ＝max−minでスキヤンされるのである
が、該電流が実際には微小ステツプで変化するよ
うになされているのは、各電流値に対応した各ガ
ス濃度データをマイコンに取り込むのに便利なた
めである。

ここでP′／Ｐすなわち吸収値と該吸収値の波長
変化に伴う微分値との除算値のピーク位置に相当
する電流Inを制御信号として取り出し、DA変換
器１８を通して加算器１９から電源８に加え、こ
のInの電流がスキヤンする電流範囲Is＝Ipax―
Iminの中心段の電流値となるように上記スキヤ
ン電流の最大値Imaxおよび最小値Iminを補正す
る。かくすれば光周波数が偏移を生じ、その結
果、第２図に示したP′／Ｐのピーク値が第２図ａ
の左右のどちらかへドリフトしてもこのピーク値
を常に中心に保つべく第３図ａに示したごとく
ImaxならびにIminは修正されて行き、そのため
にInの値は第３図ａ中の曲線ヨで示したごとく変
化してレーザの発光波長シフトを常に修正してゆ
くから、たとえ第３図中の△Inで示しただけの波
長偏移にもとずくInのシフトが生じたとしても、
正確なガス濃度分析が常に行いうる。

以下、ガス濃度分析の手順を示す。まず第１図
中に示した全反射鏡２１を矢印ロ方向に動かし、
該反射鏡２１をビームスプリツタ２３に開かれて
いる図示しない間隙中に挿入し、同時に封入され
たガス濃度が最も大なる第１の較正用ガスセル２
を光路ニ中にやはり矢印ロ方向に動かして挿入す
る。かくすればレーザ５から射出された反射鏡２
１で反射された光は外部空間へは出ずに分析装置
３１内で反射鏡２７，３２によつて集光され上記
較正用ガスセル２中のガスによる吸収を生じるか
ら該吸収に基づく微分吸収特性（P′／Ｐ）の上半
分、つまり第２図ａ中の曲線ルで示した部分が前
記三角波の一周期τに相当する第３図ｂにおける
t₁₀₀〜t₁₀₁の時間に現れる。

このt₁₀₀〜t₁₀₁の間に現れた曲線ルのピーク値は
前記較正用ガス中のガス濃度に対応するものであ
るからこの波形をマイコン７中のメモリ９に格納
する。そしてＩ＝Imaxとなつた時刻t₁₀₁すなわち
第３図ａ中でP₁として示した瞬間において上記ガ
ス濃度曲線ルのピーク値をたとえばレコーダ１６
に、第３図ｂ中のq₁なる値として出力し、記録せ
しめる。

つぎに封入されたガス濃度がやや小なる第２の
較正用ガスセル２′を、先の較正用ガスセル２と
交換してやはり光路ニに挿入する。かくすれば上
記のごとくやや小なるガス濃度に応じた（P′／
Ｐ）の上半分の部分が第３図ｂにおけるt₁₀₁〜t₁₀₂
の時間にル′として示したごとく現れるからこの
波形をやはりマイコン７中のメモリ９に格納し、
Ｉ＝Imaxとなつた時刻t₁₀₂すなわち第３図中のp₂
で示した瞬間において該ガスの濃度曲線ル′のピ
ーク値をレコーダ１６に、第３図中のq₂なる値と
して出力し、記録せしめる。

しかる後、第１図中の全反射鏡２１を矢印ハ方
向に動かし、ビームスプリツタ２３の間隔中から
引き抜く。これと同時に今まで光路ニ中に挿入さ
れていた較正用ガスセル２′を除去すれば、レー
ザ５から放射された光は外部空間に放射され、レ
トロリフレクタ２８で折り返されて再び分析装置
３１中に入射し、検知器６で検出されるのである
が、かくすれば外部空間に存在するガスＧ濃度に
応じた（P′／Ｐ）の上半分の曲線が、第３図ｂに
おけるt₁₀₂〜t₁₀₃の時間にル″としせ示したごとく
現れる。したがつてこの波形を再びマイコン７中
のメモリ９に格納し、Ｉ＝Imaxとなつた時刻t₁₀₃
すなわち第３図ａ中のP₃で示した瞬間において、
該ガスの濃度曲線ル″のピーク値をレコーダ１６
に、第３図中のq₃なる値として出力し、記録させ
る。以上のような前操作をたとえば３秒間（τ＝
１秒）に完了してけば、あとは大気中のガスＧの
濃度に対応するq₃なる値を長時間にわたつて観測
できる。第３図ｃの曲線タはＴ〓１日程度の時間
について大気中のガスＧの濃度を求めたものであ
つて、該曲線はガスＧの濃度変動によつていくら
か変動しているが、Ｔなる時間間隔で較正されて
いるために該ガスＧの測定は正確に行えることが
わかる。

第４図は前記２個の較正セル中の既知なるガス
濃度D₁，D₂と、これらの値から得られた微分吸
収量q₁，q₂によつて引かれる較正曲線ヨを用い
て、大気中のガスの吸収量q₃から該ガスＧの濃度
D₃が求められる様子を示したものであるが、こ
うした較正曲線ヨは第３図ｃに示したごとくＴ〓
１日程度の時間間隔で上記の２個の較正セルを用
いた較正操作を行うことによつて得られるもので
ある。

なお、本実施例では第２図ｂに示したごとく微
小ステツプを有するいわば鋸歯状波形状の駆動電
流でスキヤンを行う例について述べたが、これは
第５図に示すごときやはり微小ステツプを有する
ランプ波形状の電流であつてもよい。そして上記
の鋸歯状波の駆動電流を用いる場合には１回のス
キヤンが終わりＩ＝Imaxとなつた時点から次の
スキン開始のＩ＝Iminにまで急峻に電流値が変
化するために、ロツクイン増幅器の応答回復に、
第２図ｂ中のt₁〜t₂，t₆〜t₇，t₁₁〜t₁₂……なるや
や長い待機時間を必要とした。しかし、駆動電流
のスキヤン波形を第５図に示したようなランプ波
形となせば、上記のごとき急峻は電流変化が生な
いために待機時間を設ける必要がなくなつて都合
がよい。

以上に述べた本発明に係る分光析方法によれ
ば、前記した従来の分光分析装置におけるごと
く、第１および第２の較正用経路はもちろんのこ
と、両較正経路に順次レーザ光を切替える複数の
シヤツタ機構、ならびに該シヤツタ機構の制御装
置が不要となり、そのために分光分析装置全体を
安価なものにできるので実用上多大の効果が期待
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る分光分析法を行うための
構成を示した系統図、第２図ａはガスの吸収特性
および微分吸収特性を示す図、第２図ｂは分光分
析装置中のレーザを駆動する電流波形を示す図、
第３図ａは該レーザが波長変動を起こちた場合に
Imaxと1minとの電流範囲の中心に微分吸収曲線
のピークを保つてレーザの発光波長偏移を自動的
に修正する様子を示す図、第３図ｂは、大気中の
ガス濃度を求めるに際して第１および第２の較正
セルを用いて較正用の前操作を行う様子を示した
図、第３図ｃは１日程度の長時間にわたる一定期
間ごとに上記較正を行う様子を示した図、第４図
は２個の較正セル中の既知なるガス濃度とそれに
対応する微分吸収量から較正曲線が得られること
を示す図、第５図は第２図ｂに示したごとき鋸歯
状波形状の駆動電流のかわりに用いられるランプ
波形状の駆動電流を示す図である。２：ガスセル、５：レーザ、６：検知器、７：
マイコン、８：アナログ入力で制御可能な電源、
９：メモリ、１５ａ，１５ｂ：Ａ／Ｄ変換器、１
６：記録器、１７：微小振幅の交番電圧発生器、
１８：Ｄ／Ａ変換器、１９：加算器、２１：全反
射鏡、２３：ビームスプリツタ、２６，２７，３
２：反射鏡、２８：レトロリフレクタ、ロ，ハ：
全反射鏡２１およびガスセル２の挿脱方向、ホ，
ヘ：参照信号伝達経路。

Claims

【特許請求の範囲】

１所定範囲で階段波状に順次大きさの変化する
電波に微小振幅の電流を重畳した駆動電流を繰り
返し供給して波長可変型レーザを駆動し、該レー
ザを光源として特定のガス空間を通過した後のレ
ーザ光を赤外線検知器で電気信号に変換して上記
ガス空間におけるレーザ光の周波数変化に伴う吸
収量変化の微分吸収特性によりガス濃度を検出す
る赤外線分光分析方法において、前記駆動電流の
各段の電流値に応じたレーザ光のガス空間におけ
る吸収値と該吸収値の波長変化に伴う微分値との
除算値を求めて逐次記憶手段に記憶せしめるとと
もに該除算値のピークを与える段の駆動電流値に
対応した制御信号を得、当該ピーク値を与える電
流値が前記階段波状電流の変化範囲において予め
定めた特定段の電流値となるよう次の周期の駆動
電流の変化範囲の上下限値を補正するようにした
ことを特徴とする赤外線分光分析方法。