JP2012083159A - ガス濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザへの戻り光及びフリンジノイズを大幅に低減することができるガス濃度測定装置。
【解決手段】レーザ光を発生する波長可変型の半導体レーザ１と、半導体レーザからのレーザ光の内の特定の偏光方向を持つレーザ光を通過させる第１の偏光板６と、第１の偏光板からのレーザ光を円偏光させる第１の１／４波長板８と、ガスを封入し且つ第１の１／４波長板からのレーザ光を入射するサンプルセル２と、サンプルセルからのレーザ光を直線偏光させる第２の１／４波長板９と、第２の１／４波長板からのレーザ光の内の特定の偏光方向を持つレーザ光を通過させる第２の偏光板７と、第２の偏光板からのレーザ光を受光する受光素子３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長可変型の半導体レーザを用いてサンプルセル内のガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に関する。

波長可変型ダイオードレーザ分光吸収法（ＴＤＬＡＳ）は、レーザ光の周波数を変調することにより測定ガスの微小な吸収を高感度で検出し、測定ガスの濃度を測定できる方法である。

測定ガスの濃度を測定する装置として、特許文献１に記載された技術が知られている。図５は、特許文献１に記載された従来のガス濃度測定装置の構成図である。図５に示すガス濃度測定装置は、波長可変型の半導体レーザ１、サンプルセル２、受光素子３、レーザ駆動部４、演算処理部５を有している。

レーザ駆動部４は、半導体レーザ１を駆動するもので、半導体レーザ１の発振波長を一定周期で変調する。半導体レーザ１は、発振波長が一定周期で変調されたレーザ光を発生し、発生したレーザ光をサンプルセル２に導く。サンプルセル２は、測定ガスを封入し、半導体レーザ１からのレーザ光を測定ガスを介して受光素子３に導く。このとき、測定ガスが封入されたサンプルセル２を通過したレーザ光は、ガス濃度に応じて測定ガスに吸収される。

受光素子５は、サンプルセル２内の測定ガスにより吸収されて減少された透過光量を検出する。演算処理部５は、例えばロックインアンプなどであり、受光素子３で検出された透過光量内の変調信号の２倍周波数を同期検波することによりサンプルセル２内の測定ガスの濃度を測定する。

特開２００１−２１４９３号公報

しかしながら、半導体レーザ１から放たれたレーザ光が受光素子３で反射し、戻り光となって半導体レーザ１の発光部に入射するとき、誘導放出が混乱し、光の強度が変動し、共振器でのレーザ光の発振が不安定になってしまう。

また、半導体レーザ１から放たれたレーザ光が受光素子３で反射され、光軸上の窓やセルの内壁などの光軸上で再反射し、再反射されたレーザ光が受光素子３に再入射されるとき、その往復分が光路差となり、フリンジノイズとなる。測定されるガスの温度変化によって光路差が変化するため、干渉の明暗が動く。その結果、レーザ光の信号強度が時間的に変化し、ガス濃度を正確に測定することができなかった。
本発明の課題は、半導体レーザへの戻り光及びフリンジノイズを大幅に低減することができるガス濃度測定装置を提供することにある。

本発明に係るガス濃度測定装置は、上記課題を解決するために、レーザ光を発生する波長可変型の半導体レーザと、前記半導体レーザからのレーザ光の内の特定の偏光方向を持つレーザ光を通過させる第１の偏光板と、前記第１の偏光板からのレーザ光を円偏光させる第１の１／４波長板と、ガスを封入し且つ前記第１の１／４波長板からのレーザ光を入射するサンプルセルと、前記サンプルセルからのレーザ光を直線偏光させる第２の１／４波長板と、前記第２の１／４波長板からのレーザ光の内の特定の偏光方向を持つレーザ光を通過させる第２の偏光板と、前記第２の偏光板からのレーザ光を受光する受光素子とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、半導体レーザとサンプルセルとの間に第１の偏光板及び第１の１／４波長板を配置し、サンプルセルと受光素子との間に第２の偏光板及び第２の１／４波長板をアイソレータとして設けたので、半導体レーザへの戻り光及びフリンジノイズを大幅に低減することができる。

実施例１のガス濃度測定装置の構成図である。 実施例１のガス濃度測定装置においてレーザ光の光軸に対する偏向板と１／４波長板との配置関係を示す図である。 実施例１のガス濃度測定装置においてレーザ光がＰ方向に進むときの１／４波長板の傾き角度を示す図である。 実施例１のガス濃度測定装置においてレーザ光がＱ方向に進むときの１／４波長板の傾き角度を示す図である。 従来のガス濃度測定装置の構成図である。

以下、本発明のガス濃度測定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施例１のガス濃度測定装置の構成図である。図１に示す実施例１のガス濃度測定装置は、図５に示すガス濃度装置に対して、さらに、半導体レーザ１とサンプルセル２との間に、偏光板（第１の偏光板に対応）６と１／４波長板（第１の１／４波長板に対応）８とを設け、サンプルセル２と受光素子３との間に、偏光板（第２の偏光板に対応）７と１／４波長板（第２の１／４波長板に対応）９とをアイソレータとして設けたことを特徴とする。

なお、図１に示すその他の構成は、図５に示す構成と同一であるので、同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。ここでは、偏光板６，７と１／４波長板８，９とを説明する。

偏光板６，７は、特定の偏光方向を持つ光を通過させる光学素子である。偏光板６は、図２（ａ）に示すように、半導体レーザ１からのレーザ光の偏光の向きに合わせて傾き角度が設定され、半導体レーザ１からのレーザ光の偏光の向きに合わせた直線偏光されたレーザ光を通過させる。

１／４波長板８は、図２（ａ）に示すように、偏光板６の傾き角度に対して例えば時計方向に４５°傾けて配置され、偏光板６からの直線偏光されたレーザ光を円偏光させてサンプルセル２に導く。

偏光板７は、図２（ｂ）に示すように、レーザ光の進行方向から見て、偏光板６の傾き角度と同じ傾き角度に設定されている。１／４波長板９は、図２（ｂ）に示すように、レーザ光の進行方向から見て、１／４波長板８の傾き角度と同じ傾き角度に設定されている。

１／４波長板９は、サンプルセル２からの円偏光されたレーザ光を直線偏光させる。偏光板７は、１／４波長板９からの直線偏光されたレーザ光を通過させて受光素子３に導く。なお、図２（ａ）、図２（ｂ）において、Ｏはレーザ光の光軸を示している。

次に、このように構成された実施例１のガス濃度測定装置の動作を、図３及び図４を用いて詳細に説明する。図３は、実施例１のガス濃度測定装置においてレーザ光がＰ方向に進むときの１／４波長板８，９の傾き角度を示す図である。

まず、可干渉距離が短い半導体レーザ１から放たれたレーザ光は、直線偏光であり、このレーザ光の偏光の向きに偏光板６が合わせられているので、偏光板６を通過したレーザ光は、偏光板６の傾き角度を持つ直線偏光となる。このときの偏光板６の傾き角度を持つ直線偏光信号は、図３（ａ）においてＶ１で示している。

そして、偏光板６に対して時計方向に４５°傾いて配置された１／４波長板８により、図３（ａ）に示すように、直線偏光信号Ｖ１（９０°成分）と偏光信号Ｖ２（０°成分）とが合成されて直線偏光が円偏光Ｃ１に変換される。

次に、偏光板７に対して時計方向に４５°傾いて配置された１／４波長板９により、図３（ｂ）に示すように、円偏光Ｃ１が直線偏光（信号Ｖ１）に変換される。

また、直線偏光されたレーザ光の偏光の向きに合せるように偏光板７が配置されているので、偏光板７を通過したレーザ光は、偏光板７の傾き角度を持つ直線偏光となり、受光素子３で受光される。

一方、受光素子３の受光面で反射されて戻ってくるレーザ光（戻り光）は、偏光板７を通過して１／４波長板９を通過すると、直線偏光が円偏光に戻る。この戻り光は、円偏光の向きが逆向きになっている。

このときの動作を図４を用いて説明する。図４は、レーザ光がＱ方向に進むとき、即ち戻り光のときの１／４波長板８，９の傾き角度を示す図である。図４（ａ）（ｂ）に示すように、１／４波長板８，９は、戻り光のときには、直線偏光信号Ｖ３（９０°成分で直線偏光信号Ｖ１と同じ）に対して反時計方向に４５°傾いている。

受光素子３からの戻り光は、偏光板７により直線偏光されて、図４（ａ）に示すように、直線偏光信号Ｖ３（９０°成分）となって１／４波長板９に導かれる。

偏光板７に対して反時計方向に４５°傾いて配置された１／４波長板９により、図４（ａ）に示すように、直線偏光信号Ｖ３（９０°成分）と偏光信号Ｖ４（１８０°成分）とが合成されて直線偏光が円偏光に変換される。

次に、偏光板６に対して反時計方向に４５°傾いて配置された１／４波長板８により、図４（ｂ）に示すように、円偏光が直線偏光（信号Ｖ４）に変換される。この直線偏光（信号Ｖ４）の向きは、半導体レーザ１から放たれたレーザ光の直線偏光（信号Ｖ１）とは９０°傾いている。

このため、戻り光は、偏光板６によりブロックされることで、半導体レーザ１へ戻り光が入射されず、安定にレーザ発振させることができる。

また、半導体レーザ１から放たれたレーザ光は受光素子３で反射され、光軸上の窓やサンプルセル２の内壁等で再反射し、再反射されたレーザ光が受光素子３に再入射されるとき、この往復分が光路差となり、フリンジノイズとなっていた。

これに対して、実施例１のガス濃度測定装置では、受光素子３からのレーザ光が１／４波長板９に入射されるときには、図４（ａ）に示すように、１／４波長板９は、直線偏光信号Ｖ３に対して反時計方向に４５°に傾いており、サンプルセル２からのレーザ光が１／４波長板９に入射されるときには、図３（ｂ）に示すように、１／４波長板９は、直線偏光信号Ｖ１に対して時計方向に４５°に傾いている。

即ち、受光素子３からのレーザ光が１／４波長板９に入射されるときと、サンプルセル２からのレーザ光が１／４波長板９に入射されるときでは、円偏光の向きが逆向きとなっている。そのため、サンプルセル２からのレーザ光が１／４波長板９により円偏光が直線偏波（信号Ｖ２）に変換される。この直線偏波（信号Ｖ２）の向きは、受光素子３からのレーザ光の直線偏波（信号Ｖ３）とは９０°傾いている。このため、光軸上の窓やサンプルセル２の内壁等で再反射されたレーザ光は、偏光板７によりブロックされることで受光素子３に入射されない。このため、フリンジノイズを大幅に低減することができる。
なお、実施例１のガス濃度測定装置では、アイソレータとして、半導体レーザ１とサンプルセル２との間に、偏光板６と１／４波長板８とを設け、サンプルセル２と受光素子３との間に、偏光板７と１／４波長板９とを設けたが、アイソレータとして、半導体レーザ１とサンプルセル２との間及びサンプルセル２と受光素子３との間に、ファラデーローテータなどを設けても良い。

本発明に係るガス濃度測定装置は、ガス分析装置に利用可能である。

１ 半導体レーザ
２ サンプルセル
３ 受光素子
４ レーザ駆動部
５ 演算処理部
６，７ 偏向板
８，９ １／４波長板

Claims (3)

1. レーザ光を発生する波長可変型の半導体レーザと、
   前記半導体レーザからのレーザ光の内の特定の偏光方向を持つレーザ光を通過させる第１の偏光板と、
   前記第１の偏光板からのレーザ光を円偏光させる第１の１／４波長板と、
   ガスを封入し且つ前記第１の１／４波長板からのレーザ光を入射するサンプルセルと、
   前記サンプルセルからのレーザ光を直線偏光させる第２の１／４波長板と、
   前記第２の１／４波長板からのレーザ光の内の特定の偏光方向を持つレーザ光を通過させる第２の偏光板と、
   前記第２の偏光板からのレーザ光を受光する受光素子と、
   を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
2. 前記第１の偏光板は、前記半導体レーザからのレーザ光の偏光の向きに合わせて傾き角度が設定され、
   前記第１の１／４波長板は、前記第１の偏光板に対して４５°傾けて配置されることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
3. 前記第２の偏光板は、前記レーザ光の進行方向から見て、前記第１の偏光板の傾き角度と同じ傾き角度に設定され、
   前記第２の１／４波長板は、前記レーザ光の進行方向から見て、前記第１の１／４波長板の傾き角度と同じ傾き角度に設定されることを特徴とする請求項２記載のガス濃度測定装置。

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