JPS6218010B2 - - Google Patents

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JPS6218010B2
JPS6218010B2 JP55089591A JP8959180A JPS6218010B2 JP S6218010 B2 JPS6218010 B2 JP S6218010B2 JP 55089591 A JP55089591 A JP 55089591A JP 8959180 A JP8959180 A JP 8959180A JP S6218010 B2 JPS6218010 B2 JP S6218010B2
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JP
Japan
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laser
infrared
noise
light
signal
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JP55089591A
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English (en)
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JPS5714743A (en
Inventor
Hirobumi Kashiwara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Publication of JPS5714743A publication Critical patent/JPS5714743A/ja
Publication of JPS6218010B2 publication Critical patent/JPS6218010B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体レーザを光源として使用する赤
外分光分析方式に関するものである。
赤外線の吸収スペクトルによる分析方法の一種
として、赤外領域で発光する半導体レーザを光源
として使用する方法が近年提案されている。この
ような分析方法はたとえば特開昭54−61587号公
報により開示されて周知であるが、以下にその原
理を簡約して説明する。
赤外線を発する半導体レーザは多元半導体から
成るダイオードレーザの一種であつて、順方向電
流を流すことにより発光するが、発光波長がある
範囲内で上記順方向電流(以下レーザ電流と言
う)の値によつてほぼ直線的に変化するという性
質がある。この性質を利用して半導体レーザに供
給するレーザ電流を時間とともに直線的に変化さ
せ、一方分析対象物通過後のレーザ光を赤外線検
知器に入射させて電気信号に変換する。こうすれ
ば上記赤外線検知器の出力電圧の時間的変化、換
言すれば出力電圧の波形がそのまま分析対象物の
赤外線吸収スペクトルとなる。
上述の分光分析方法により大気中に微量に存在
する、公害の原因となる亜硫酸ガス(SO2)、一
酸化炭素(CO)等を検出または定量しようとす
る場合には一般に有効信号のレベルはかなり微弱
になる。このように信号が微弱なときには測定系
の雑音が分析精度を劣化させることは当然である
が、とくに半導体レーザを光源として使用する赤
外分光分析方法においてはレーザ素子から発生す
る雑音が赤外線検知器や該検知器の出力信号を増
幅する増幅器等の雑音に比し高レベルであつて、
この雑音によつて測定システムの精度、感度が制
限されるという問題点がある。
上記半導体レーザ素子から発生する雑音(以下
レーザ雑音と言う)は主として一種の接合ダイオ
ードであるレーザ素子に電流を流すことによつて
生ずるダイオード雑音であり、またレーザ素子の
電極が素子の半導体部分に充分良好なオーム性接
触をなしていないと、接触抵抗等に基因する雑音
がさらに加算される。
ただし半導体レーザ素子の発生する雑音電圧自
体は直接測定システム中の増幅器への入力とはな
らないが、この雑音は本来レーザ電流の微小かつ
不規則的なゆらぎにほかならない。そしてこの種
のレーザにはその発光波長、発光強度がともにレ
ーザ電流に依存する性質があるため上記レーザ電
流のゆらぎは結果として赤外線検知器の出力電圧
に不規則的なゆらぎを与える。これは一般の電気
的雑音と本質的に同一であり、したがつて一般の
雑音と同等の悪影響を測定システムに及ぼす。
しかるに従来上述の赤外分光分析方法を実施す
るための装置においては上記レーザ雑音の抑圧が
考慮されていなくて、単にレーザ電流、レーザ素
子の温度を安定化する方策が採られていたにすぎ
ない。したがつてレーザ雑音が他種雑音よりも大
きく、これが分析精度および分析対象物質の検出
感度を制限するという不都合があつた。
本発明は前述の問題点を解決したもので、光源
となる半導体レーザの発光を分岐し、その1つ
を、分析対象物を通過させ、他の1つは通過させ
ずにそれぞれ光電変換し、光電変換によつて得ら
れた2系統の信号の差をとることによつてレーザ
雑音を抑圧するようにした新規な赤外分光分析方
式を提供しようとするものである。
以下図面を用いて本発明に係る赤外分光分析方
式の実施例について詳細に説明する。
第1図は本発明の方式の一実施例に使用する分
析装置の構成を系統図として示したもので、以下
本図の分析装置の構成と動作について説明する。
赤外線を発する半導体レーザ(以下単にレーザ
と言う)1の発光はモータMによつて駆動される
チヨツパ2によつて断続されて、分析すべき試料
たとえばガスセル4に入射するが、その前に光分
岐手段3によつて2分され、ガスセル4には分岐
光の片方aのみが入射する。光分岐手段3は入射
光のスペクトルを変化させることなく光路を互い
に等パワーの2路の分岐させる機能を有するもの
であればよいが、各分岐光はなるべく等パワーで
あれば好都合である。しかし後述するように、等
パワーでなくてもさほど不便はない。本実施例に
おいて光分岐手段3として半透鏡を用いるものと
する。
さてガスセル4を通過した分岐光aは第1の赤
外線検知器5(以下第1検知器と言う)に入射し
て電気信号に変換される。一方、半透鏡3により
分岐された他方の分岐光bは直接第2の赤外線検
知器6(以下第2検知器と言う)に入射して電気
信号に変換される。そして上記2系統の電気信号
は最終的に差動増幅器8に印加され、両者の差に
比例する信号が出力として取出されるのである
が、第2検知器6の出力信号は差動増幅器8に印
加される前に可変減衰器7を通過させられる。こ
のようにするには後述するように両系統の信号の
レベルを揃えるためである。差動増幅器8の出力
端子9に現れる信号はレーザ雑音を除去された映
像信号であつて、信号処理回路10を介して図示
しない表示装置に印加されて赤外線像として表示
される。なお簡単にするため集光用の光学系(レ
ンズ等)は省略した。また信号処理回路10は本
発明の本質には関係がないのでその動作について
の詳細な説明を省略するが、信号の増幅、不要直
流分除去、同期信号の発生等を行うものとする。
第1図の回路構成によりレーザ雑音を少なくと
も大部分抑圧することができる。以下にその理由
を説明する。
便宜上、第1、第2両検知器の特性はたがいに
全く同一であると仮定し、ガスセル4内のガスに
は検出すべき成分たとえばSO2以外の吸収物は含
まれていないものとする。試料を収容する容器に
よる吸収も無視し得る程度とする。また半透鏡3
は入射光をたがいに等パワーの2つの分岐光に分
割するものとする。このように仮定した場合には
減衰器7は短絡してしまつて差支えない。換言す
れば無減衰(減衰度OdB)でよい。この仮定のも
とに、第1、第2両検知器の出力電圧をそれぞれ
V1,V2とすれば次の両式が成立する。
V1=D1+e(λ)+n1+nl ………(1) V2=D2+n2+n′l ………(2) ただしD1およびD2は直流分、e(λ)は試料
の赤外線吸収に基づく変化分、n1およびn2はそれ
ぞれ第1検知器5および第2検知器6内で発生す
る雑音電圧、nlおよびn′lは分岐光a,b中のレ
ーザ雑音である。上述した仮定によりD1=D2
l=n′lとみなすことができる。なぜなら第1、
第2両検知器にはレーザ光がたがいに等パワーの
2系統の分岐光として入射するからである。
ゆえに差動増幅器8の出力端子9に現れる出力
電圧をV3とし、差動増幅器8の利得をGとする
と V3=G(V1−V2)=G{e(λ)+<n1−n2>}
………(3) となり、レーザ雑音は消去されることになる。た
だしn1およびn2は両検知器5,6の雑音をそれぞ
れ表しているので、両者は互いに無相関であるた
め差動増幅後の値を単なる減衰で表すことは適当
でない。よつてこれを<>内に入れた。実際には
差動増幅器の出力端子9に現れる両検知器の雑音
の合成値は単独の検知器の場合よりも平均値とし
て3dB程度高くなる。しかし一般にレーザ雑音は
検知器の雑音よりも10〜30dB高いので、総合し
た信号対雑音比(SN比)は従来の場合よりもは
るかに良好となる。
ここまでの議論においては理解の便宜のために
若干の理想化を行なつた。しかし実際には半透鏡
その他の光分岐手段が必ずしも入射光を正確に2
分し得るとは限らない。また試料たとえばガスの
容器その他分析の対象となる物質に基因しない吸
収が存在する可能性がある。このような場合には
減衰器7によつて分岐光bに対する見掛け上の利
得を調整してレーザ雑音のレベルを揃えてから差
動増幅器8に印加すればよい。
また両系統のレベルを揃えるには、電気的な減
衰器の代わりに光学的な減衰手段を用いてもよ
い。たとえばガスセル4のガス容器部分が赤外線
を吸収するガラスから成つているとすれば、同質
のガラスで同一形状の容器を作り、内部を真空に
して密閉すれば、この真空セルの赤外線吸収量は
ガスセル4の容器の吸収と同一であるから、第2
検知器6には上記真空セルを通して分岐光bを入
射させるようにすれば、電気的減衰器を省くこと
ができる。第2図に真空セル11を光学的減衰器
として用い、かつ差動増幅前に前置増幅器12お
よび13で第1検知器および第2検知器6の出力
をそれぞれ増幅するようにした実施例の要部を示
した。本実施例は電気的減衰器がなく、かつ差動
増幅器に印加される2系統の信号はそれぞれ増幅
されているためSN比が良好で、分析対象物の吸
収が微弱な場合に好適である。
つぎに、前述したところから容易に理解される
ように本発明の方式によればレーザ雑音だけでな
く分析対象物による吸収以外の要因によるレーザ
光パワーの変動をすべて打ち消すことができる。
なぜなら何らかの理由によりレーザ1の出力光パ
ワーがPなる値からP+△Pに変化したとすれ
ば、分岐光a,bのパワーはそれぞれ(P+△
P)/2となり、同方向にいずれも△P/2だけ
変化する。よつてこの変化に対応する両検知器の
出力レベル変化は差動増幅器8内で打消し合つ
て、出力には現れなくなるわけである。
たとえば、半導体レーザ中とくに赤外領域で発
光するものにはモードホツプと呼ばれる現象があ
る。これはレーザ電流を連続的に変化させていつ
た場合にレーザ光の波長が不連続的に変化する現
象を指すのであるが、波長が不連続的に変化する
時点で発光パワーもかなり急激な変化をするため
吸収スペクトルが不明確になる。本発明の方式に
よればこのようなレーザの発光パワー変化が吸収
スペクトルに及ぼす影響を抑圧することができ
る。第3図A〜Dはこの様子を示したもので、以
下同図について説明する。
第3図Aはモードホツプにおけるレーザ光波長
の変化を示すグラフで、横軸はレーザ電流、縦軸
は発光波長にそれぞれ対応する。電流値I1,I2
I3において不連続的な発光波長変化、すなわち飛
躍が現れている。これがモードホツプである。同
図Bはレーザ光パワーの変化を示したもので、上
記3つの電流値においてパワーに極小点が生じて
いる。さらに同図Cは第1図における第1検知器
5の出力波形に相当し、赤外線吸収スペクトルが
同図Bの曲線に乗つたものとみなすことができ
る。本図Cから明らかなように、吸収による光パ
ワー変化と、モードホツプに基因する変化とが重
なり合うため、判定が困難である。
最後に第3図Dは本発明の方式を適用した場合
で、第1図における出力端子9に現れる信号波形
に相当する。第3図Dを同図Cと比較すれば明ら
かなように、レーザ光パワーの電流依存性が補正
されているため、吸収スペクトルがずつと見易く
なつている。
以上の説明から明らかなように、本発明の方式
によればレーザ光の雑音、およびレーザ電流によ
るパワー変化等を効果的に抑圧することができる
ため、分光分析の検出感度および分析精度を従来
の場合に比し格段に向上させることができるとい
う優れた利点がある。ゆえに赤外線吸収により大
気中の微量成分の検出、定量等を行う分光分析に
適用してきわめて有利である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る分光分析方式の一実施例
に使用する装置の構成を示す概略ブロツク図、第
2図は本発明の他の一実施例に使用する装置の構
成を示す要部ブロツク図、第3図A〜Dはレーザ
光パワーの電流依存性と吸収スペクトルとの関
係、および本発明の方式による吸収スペクトルの
補正を説明するためのグラフである。 1:半導体レーザ、2:チヨツパ、3:半透
鏡、7:可変減衰器、11:真空セル、12,1
3:前置増幅器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 光源とする半導体レーザの発する赤外線を分
    岐し、分岐光の1つを、分析対象物に入射せしめ
    た後第1赤外線検知器に入射せしめて第1電気信
    号に変換するとともに、分岐光の他の1つを、分
    析対象物を経由せずに第2赤外線検知器に入射せ
    しめて第2電気信号に変換した後、レベル調整手
    段を通して前記第1電気信号とレベルを一致さ
    せ、しかる後これら両電気信号を差動増幅器に入
    力せしめて減算することにより両信号に含まれる
    レーザノイズ成分を除去した信号を得て上記分析
    対象物の赤外線吸収スペクトルを求めることを特
    徴とする赤外分光分析方式。
JP8959180A 1980-06-30 1980-06-30 System for infrared spectrochemical analysis Granted JPS5714743A (en)

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JP8959180A JPS5714743A (en) 1980-06-30 1980-06-30 System for infrared spectrochemical analysis

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JPS5714743A JPS5714743A (en) 1982-01-26
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