JPS6347624A - 二重周波数変調及び検出を用いた周波数変調分光装置 - 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、一般に、レーザ分光技術に係り、特に、周波
数変調のレーザ分光装置に係る。

従来の技術 レーザ技術の進歩により強力で新しい分光装置が開発さ
れた。周波数変調（ＦＭ）のレーザ分光技術は、光学媒
体における吸収及び分散を測定するための高感度な分光
技術である。１９８５年５月１日発行のアブライドオプ
チックス（ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ）、第２４巻、
第９号の第１３２７−１３３４頁に掲載されたクーパ（
Ｃｏｏｐｅｒ）氏及びガルファ（Ｇａｌｌａｇｈｅｒ）
氏著の「二重周波数変調分光技術：高変調周波数、狭帯
域中の検出器（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｆｒａ−ｑｕｅｎｃｙ　
Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　：
　Ｈｉｇｈ　Ｍｏｄｕ−１ａｔｉｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎ
ｃｙ　Ｌｏｗ　Ｂａｎｄｔｚｉｔｈ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ
ｓ）Ｊと題する論文に述べられたように、ＦＭ分光技術
の応用についての最も有望な分野の１つは、雰囲気中の
トレースガス及び危険な材料を検出することである。１
０−’という微量の吸収は、単一モード又は多モードの
ＣＷレーザを用いたＦＭ分光技術によって容易に検出さ
れており、目に見える波長についての最適なＦＭシステ
ムは、１秒の積分時間で１０″″′といった微量の吸収
を検出できねばならない。

ＦＭレーザ分光装置においては、周波数ω０のレーザビ
ームが、レーザのライン巾Δω０よりも通常大きい周波
数Ωで位相変調される。典型的な値は、Ω＝　５００　
Ｍ　Ｈｚであり、Δ（ＩＪＯ：ＬＭＨｚである。低い変
調インデックスの範囲において、レーザビームはω０±
Ωに側波帯を得、変調されたレーザビームが方形の実際
の検出器、例えば、ホトダイオードに当たった時に、各
々の側波帯が搬送波とビートを生じ、Ωにおける光電流
の成分を形成する。吸収がない時には、２つのビート信
号が１８０°位相ずれし、互いに打ち消し合う。光検出
の前に、変調されたビームが、２つの側波帯に対して複
屈折率の異なる媒体を横切る場合には、側波帯の打ち消
しが不完全となり、Ωにおける光電流が発生される。

ＦＭ側波帯の発生において、前記のクーパ氏及びガルフ
ァ氏は、２つの変調器を用いてレーザビームを変調して
いる。一方の変調器の周波数は、２Ω＋σでありそして
他方の変調周波数は、Ωである。その回路は、部品数と
いう点と、光学的及び電子的な整列という点において若
干複雑である。

発明が解決しようとする問題点 そこで、本発明の目的は、ＦＭ分光装置のための改良さ
れた復調技術を提供することである。

本発明の別の目的は、圧力で拡げられたスペクトルの特
徴をａ察するための実用的な高い周波数のＦＭレーザ分
光装置を提供することである。

問題点を解決するための手段 本発明の特徴は、２つの周波数で駆動される単一の変調
器を使用して、光学媒体の分光分析のための側波帯を形
成することにある。

簡単に述べると、周波数がΔ（即ち、Δ＝ω１−ω２）
だけ異なる２つの高い周波数ω□及びω２で作動する１
つの変調器を用いてレーザビームが変調される。この変
調により、変調されたレーザビームω０に、ω０±ω１
．ω０±ω２及びω０±Δにおいて側波帯が形成される
。Δにおけるビート音は、搬送波ω０が互いに近い２つ
の側波帯ω０±Δの各々とビートを生じると共にω０±
ω１の側波帯がω０±ω２の側波帯とビートを生じるこ
とから得られる。

レーザ周波数ω０、ひいては、側波帯を吸収周波数レン
ジにわたって走査することにより吸収の周波数を検出す
ることができる。ω０±ω１及びω０±ω２からのビー
ト音作用の符号は正であり、搬送波ω０及び側波帯ω０
±Δからの作用は負である。全体的なビート音作用は、
吸収も分散もない時にゼロとなる。ω０±ω、又はω０
±ω２の側波帯が吸収された時には、全ビート音作用が
正となる。

本発明の更に別の目的及び特徴は、添付図面を参照した
以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から容易に理解さ
れよう。

実施例 添付図面の第１図は、本発明の一実施例によるＦＭレー
ザ分光装置の機能的なブロック図である。レーザ１０か
らのビームは変調器１２に供給される。変調器１２のた
めの変調信号ω□及びω２は、発振器１４及び１６とミ
クサ１８から導出される。これら２つの周波数は、Δ（
Δ＝Ｑよ−ω２）だけ異なる１発振器１４は、Δ／２．
即ち（ω□−ω２）／２の周波数を発生する。発振器１
６は、（ω１＋ω２）／２の周波数を発生する。ミクサ
１８は、２つの発振器周波数、即ち、ω１及びω２の和
と差の出力を発生する。２つの周波数は、変調信号とし
て増幅器２０を経て変調器１２に供給される。

レーザ１０からの変調された搬送波信号は、次いで、ガ
スのスペクトルを分析するために吸収セル２２を通して
送られる。吸収セル２２を通して送られた後に受け取っ
た信号は、２４において検出される。検出された信号は
、ミクサ２６に送られ、発振器１４からのΔ／２信号を
周波数ダブラ２８に通すことによって得た周波数Δの信
号と混合される。ミクサ２６の出力は、３０において記
録される。

第２図ａないしＣは、変調されないレーザビームω０の
周波数スペクトルを第２図ａに示し、単一の信号ω１で
変調されたレーザビームの周波数スペクトルを第２図す
に示しそして第１図の回路の２つの変調信号を用いた周
波数スペクトルを第２図Ｃに示している。異なった側波
帯の符号は、矢印の方向で指示されている０周波数Δの
ビート音を招く第２図Ｃの側波帯のグループは、図示さ
れたように、グループ＋１．０及び−１としてグループ
分けされている。グループの相称は、（ω、＋ω２）／
２に関する平均的な変位を示している。

周波数Δにおけるビート音作用の符号は、グルー−１１
７−＋１．Ｏ及び−１の積の符号によって決定される。

第２図Ｃに示すように、＋１及び−１からのビート音の
作用は符号が正であり、０からの作用は符号が負である
。低い変調インデックス、実際のケースとしては周波数
ω１及びω２におけるβ１及びβ２の範囲では、それよ
り高い側波帯を無視することができ、グループ０からの
Δにおけるビート音は、搬送波が２つの接近した側波帯
の各々とビートを生じることによって得られる。＋１．
０及び−１からのビート音信号は、次の式によって与え
られる。

ｒ＋１＝ｒ−１＝Ｊ工（β１）ＪＯ（β２）Ｊｏ（β１
）Ｊ工（β２）ｒ’ｏ＝−Ｊｏ（β１）Ｊｏ（β２）Ｊ
□（βｘ）、ｙ、（β１）−Ｊｏ（β１）Ｊｏ（β２）
Ｊ、（β２）Ｊ工（βＬ） 但し、Ｊｏ及びＪ、はベッセル関数である。

低い変調インデックスの範囲では、Ｊｏ（β１）＝ＪＯ
（β２）＝１であり、吸収がない時には、実効らかであ
る。然し乍ら、＋１グループ又は−１グループのいずれ
かが吸収された時には、負の信号が観察され、一方、Ｏ
グループの吸収の場合には、正の信号が発生される。従
って、レーザ（ω０）、ひいては、側波帯を吸収部にわ
たって走査すると、第３図の曲線が得られる。これは、
実際には、この技術を実験的に示すために第４図に示さ
れたケースであり、これは、第１図の部品及びパラメー
タとして次のものを用いている。

レーザ：　スペクトラフィジックス３７５ダイレーザ 変調器：　　８．４ＧＨｚ共振空胴変調器吸収セル：Ｎ
ａ蒸気セル 検出器：　　ＥＧ＆Ｇ　　ＦＮＤ１００ホトダイオード 発振器１ニアバンチツクＡＶＤ７８７２（ω１＋ωｚ／
２）＝８．３８０）Ｉｚ発振器２：ヒユーレットパラカ
ード６０６Ｂ（ω、　−（、＋　２＝　１０　Ｍ　Ｈｚ
　）ミクサ１：ワットキンスジョンソ＞’Ｍ３１Ａ増幅
器：　ハラシーズ１２７７ＨＯ２増幅器８−１２ＧＨｚ ダブラ：　ミニサーキットＦＫ−５ ミクサ２：ミニサーキットＺ　ＦＭ−３記録器：　　Ｉ
（Ｐ７０３５Ｂ 本発明は、高い周波数のＦＭレーザ分光動作を非常に実
際的に行なうことができる。高い周波数は、圧力によっ
て拡げられたスペクトルの特徴を観察するために必要で
あり、光学的に記憶された情報を広い周波数帯域にわた
って検索できるようにする。

特定の実施例について本発明を説明したが、これは本発
明を単に解説するものに過ぎず、本発明をこれに限定す
るものではない。特許請求の範囲で規定された本発明の
精神及び範囲から逸脱することなく種々の変更や修正が
なされることが当業者に明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例によるＦＭ分光回路の機能
的なブロック図、 第２図ａないしＣは、変調しない場合と変調した場合の
レーザビームの振幅スペクトルを示す図。 第３図は、第１図の装置を用いた理論的な吸収スペクト
ルの曲線を示す図、そして 第４図は、第１図の装置を用いた実際の２トーン吸収ス
ペクトルを示すグラフである。 １ｏ・・・レーザ　　　１２・・・変調器１４．１６・
・・発振器 １８・・・ミクサ　　　２０・・・増幅器２２・・・吸
収セル　　２４・・・検出器２６・・・ミクサ ２８・・・周波数ダブラ ３０・・・記Ｓ器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＦＭレーザ分光に使用する装置において、レーザ
   ビーム（ω０）を発生するレーザと、第１周波数（ω＿
   １＋ω＿２）／２の第１信号を発生するための第１発振
   器と、 第２周波数（ω＿１−ω＿２）／２の第２信号を発生す
   るための第２発振器と、 上記第１及び第２発振器から上記信号を受け取り、第３
   周波数（ω＿１）の第３信号と、第４周波数（ω＿２）
   の第４信号とを発生する第１のミクサであって、上記第
   ３及び第４の信号の周波数が周波数差（Δ＝ω＿１−ω
   ＿２）だけ異なるようにする第１のミクサと、 第１の変調器と、 上記レーザからのレーザビーム及び上記第３及び第４信
   号を上記変調器に供給する手段であって、上記変調器が
   上記レーザビームを上記第３及び第４信号で変調して低
   変調インデックスの範囲内で上記レーザビームにおける
   側波帯グループ（ω０±ω＿１、ω０±ω＿２、ω０±
   Δ）を形成するようにする手段と、 上記変調されたレーザビームを、分析すべき物質を通し
   て供給する手段と、 上記物質を通過した後に上記変調されたレーザビームを
   検出するための検出手段であって、上記物質による上記
   変調されたビームの吸収を表わす信号を発生する検出手
   段とを具備することを特徴とする装置。
2. （２）上記検出器によって発生された信号を記録するた
   めの手段を更に具備する特許請求の範囲第１項に記載の
   装置。
3. （３）上記の記録手段は、第２のミクサと、上記第２信
   号を受け取って２倍にするためのダブラとを備え、上記
   ミクサは、上記検出器からの上記信号及び上記ダブラか
   らの信号を受け取って出力信号を発生し、そして上記記
   録手段は、更に、上記出力信号を受け取って記録するた
   めの記録器を備えている特許請求の範囲第２項に記載の
   装置。