JPS5925454B2 - Absorption measurement device using laser - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は気体等の分子の光吸収を利用して、分子の濃度
を測定する吸光量測定装置において、光源に極めて簡単
な安定化装置を具備したレーザ装置を使用することによ
り、スパンドリフト（レーザ光の周波数変動による誤差
）の非常に小さな吸光量測定装置を提供するものである
。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention uses a laser device equipped with an extremely simple stabilizing device as a light source in an absorbance measurement device that measures the concentration of molecules using light absorption of molecules such as gases. This provides an absorbance measuring device with very small span drift (error due to frequency fluctuation of laser light).

一般に気体等の分子はその分子の構造によつて定まる吸
収スペクトルを有しており、このスペクトルに相当する
波長の光を照射し、照射前後の光強度の比較から分子の
濃度が測定できる。Generally, molecules such as gases have an absorption spectrum determined by the structure of the molecule, and the concentration of the molecule can be measured by irradiating light with a wavelength corresponding to this spectrum and comparing the light intensity before and after irradiation.

この場合光源として使用される光は分子の吸収係数を精
度高く求めることができ、かつ被測定分子以外の分子に
よる吸収による影響すなわち干渉効果の存在しないこと
が必要で、単色性の高い光源が要求される。そのため従
来の通常の光源を用いた吸光法による吸光量測定装置で
は狭帯域のフィルターや分光器を使用して光源のスペク
トル巾を狭くしていたが、近年光源としてレーザを使用
した吸光量測定装置が発明者等により実現され、高い精
度の測定が実現されている。しかるにレーザを光源とし
て用いる結果、ゼロドリフトよりスパンドリフトが相当
大きくなるという、レーザ固有の欠点が見出されている
。すなわち一般に気体レーザの共振器はレーザ管の放熱
や、外部の熱的擾乱によつて熱振動を生じ、レザー出力
光が変動する。この変動は特に縦モード数の少ないレー
ザにおいて顕著に現われ、レーザの縦モードが利得曲線
のどの位置にあるかによつて支配されるものであるから
、共振器の軸方向長さがに波長変化するのに対応してそ
の出力が変化するのである。従つて縦モードが多く存在
すれば、レーザ出力は各モードの利得のコヒーレントな
和として与えられるから、その出力変動は小さいのであ
るが、縦モードの数が少なくなれば顕著に現われてくる
。その振動の周期は前述の如く、共振器の熱膨張によつ
て共振器長がイ波長変化する周期であつて、実験によれ
ばレーザ点灯時には１秒程度であるがその周期は共振器
が熱的平衡に近ずくにつれてのびて、最終的には数時間
〜１０時間程度になり、その振動がなくなることはない
。これを示したのが第４図ａである。そしてその振動は
同図に示されているようにある直流レベル上に（Ｅ−△
Ｅ）から（Ｅ＋△Ｅ）の振巾を有し、この振巾は一定で
ある。本発明はかかる振動をもつレーザ光を光検出器で
光電変換した際に得られる振動電気信号を平滑な電気信
号として得ることができるものである。かかる場合に最
も簡単な方法は、上記振動電気信号を積分回路で平滑化
することであるが、前述の如くこの信号は１周期が最大
数時間にもわたりか５つその周波数が一定でないからこ
のままでは積分回路による平滑化は望めない。即ち通常
の積分回路により出力信号を平滑化するには該信号の周
期が一定でかつ積分回路の時定数よりもはるかに短かい
ものであることが必要である。しかるに熱振動による出
力変化は共振器の長さの変化に対応して生じているので
あるから、それと同じ共振器の長さ変動を強制的に一定
周期で付加すれば、その出力信号は、第４図ｂに示され
る様になり、通常の積分回路によつて平滑化可能である
。そして同図ｂの波形の１周期は物理的に同図ａの１周
期と同一のものであるから、熱振動の影響は全くなくな
ることになる。本発明はかかる考案に立脚してなされた
レーザ共振器を吸光量測定装置に利用するもので、まず
このレーザ共振器について説明する。In this case, the light used as a light source must be able to accurately determine the absorption coefficient of the molecule and must be free from interference effects, that is, absorption by molecules other than the molecule to be measured, and a highly monochromatic light source is required. be done. For this reason, conventional absorbance measuring devices based on the absorption method using a normal light source have narrowed the spectral width of the light source by using narrow band filters and spectrometers, but in recent years, absorbance measuring devices have been using lasers as light sources. was realized by the inventors and others, and highly accurate measurement has been realized. However, as a result of using a laser as a light source, a drawback inherent to the laser has been found in that the span drift is considerably larger than the zero drift. That is, in general, the resonator of a gas laser generates thermal vibration due to heat dissipation from the laser tube or external thermal disturbance, and the laser output light fluctuates. This variation is particularly noticeable in lasers with a small number of longitudinal modes, and is dominated by the position of the laser's longitudinal mode on the gain curve. Therefore, the axial length of the resonator causes the wavelength to change. The output changes accordingly. Therefore, if there are many longitudinal modes, the laser output is given as a coherent sum of the gains of each mode, so the output fluctuation is small, but if the number of longitudinal modes is small, it becomes noticeable. As mentioned above, the period of this vibration is the period in which the resonator length changes in wavelength due to the thermal expansion of the resonator, and according to experiments, it is about 1 second when the laser is turned on, but this period is the period when the resonator heats up. The vibration increases as it approaches equilibrium, and eventually lasts for several hours to 10 hours, and the vibration never disappears. This is shown in Figure 4a. As shown in the figure, the vibrations rise above a certain DC level (E-△
It has an amplitude from E) to (E+ΔE), and this amplitude is constant. The present invention makes it possible to obtain a smooth electric signal from an oscillating electric signal obtained by photoelectrically converting a laser beam having such vibrations using a photodetector. In such a case, the simplest method is to smooth the oscillating electrical signal using an integrating circuit, but as mentioned above, one period of this signal lasts for up to several hours, and its frequency is not constant, so it cannot be left as it is. In this case, smoothing by an integrating circuit cannot be expected. That is, in order to smooth an output signal using a normal integrating circuit, it is necessary that the period of the signal be constant and much shorter than the time constant of the integrating circuit. However, since the output change due to thermal vibration occurs in response to the change in the length of the resonator, if the same change in the length of the resonator is forcibly added at a constant period, the output signal will change to The result is as shown in FIG. 4b, and can be smoothed by an ordinary integrating circuit. Since one period of the waveform shown in FIG. 5B is physically the same as one period in FIG. The present invention utilizes a laser resonator based on this idea in an absorption measurement device, and first, this laser resonator will be explained.

第１図はレーザ共振器の構造を示す断面図で１はレーザ
放電管、２は保持枠３に固定されたレーザ反射鏡、４は
可撓性の薄い磁性体板５上に保持されたレーザ反射鏡で
あつて、ネジ６を介してたとえばアルミニウムのような
非磁性体で構成された保持台９に固定されている。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a laser resonator, where 1 is a laser discharge tube, 2 is a laser reflector fixed to a holding frame 3, and 4 is a laser held on a thin flexible magnetic plate 5. It is a reflecting mirror and is fixed via screws 6 to a holding base 9 made of a non-magnetic material such as aluminum.

磁性体板５の背面には若干の距離をおいて電磁石を構成
する磁性体棒７が保持台９を介して保持され、磁性体棒
７に巻かれたコイル８に接続された交流電源１０によつ
て交番磁場を生じる。この交番磁場によつて磁性体板５
が磁性体棒７に吸引されるから、レーザ反射鏡４は電源
１０の周波数に対応する周波数で振動する。この振動の
振巾は、前述の説明から明らかな如く×波長の共振器長
変化を与えるものであればよい。第２図は上記振動部分
の拡大図であり、レーザ反射鏡４及び磁性体板５は磁性
体棒７の磁場０の位置から磁場最大の位置（破線で示す
）までの間で磁性体板５の支点を中心として振動を行な
う。実施例においては、レーザ放電管１は３．３９ミク
ロンの発振を行なうヘリウム・ネオンレーザ管で全長２
５０ミリメートル、レーザ反射鏡２及び４は曲率半径３
００ミリメートルの凹面反射鏡で共振器長は２８０ミリ
メートル、磁性体板５は厚さ０．３ミリメートルの軟鉄
板、磁性体棒７は軟鉄で作られている。コイル８は２３
０アンペアターンの磁場を構成している。この構成によ
るレーザ反射鏡４の移動距離△ｄ（第２図）は１ミクロ
ン程度で、ミラーの傾斜角φは５Ｘ１０−５ラジアンで
ある。このφは、本共振器構成−によるレーザ反射鏡の
調整許容傾角に比して３桁以上小さい値であるから、レ
ーザ反射鏡４の回転の影響は無視でき、共振器は基準共
振器長ｌとして、常にｌからｌ＋△ｄの範囲で１定周期
で変化し、司は％波長より若干大きな値であるから、レ
ーザ出力光は第４図ｂに示されような出力変動を行なつ
ている。第３図は第１図のレーザ管を用いて安定な電気
出力信号を得る系を示すものであつて、１１は光検出器
、１２は積分回路で１３はその出力端子である。実施例
においては電源１０として５Ｖの商用周波数の交流電源
を、光検出器１１は鉛一セレン（ＰｂＳｅ）赤外検出器
を使用し、積分回路１２は時定数１秒にしている。光検
出器１１の電気出力は明らかに第４図ｂと同じである。
この振動波形の振巾を図の如くＥを中心に（Ｅ＋△Ｅ）
〜（Ｅ−△Ｅ）とすると、積分回路１２の出力端子１３
での値は第４図ｃに示す如くＥなる安定な直流信号とな
る。かくして積分回路１３で得られた電気信号において
は共振器の熱駆動の影響を全く除去することができ実施
例によれば実測した−１０℃から４０℃の範囲の急激な
温度変化に対しても何ら温度変化の影響は受けなかつた
。本発明は上述したようにレーザ共振器を構成するレー
ザ反射鏡間の光路長すなわち共振器長を、共振器の光軸
方向に、レーザ出力光の熱振動周期より十分短かい周期
で×波長程度振動せしめるという極めて簡単な構造を有
するレーザを使用することにより上記欠点を除去し、ス
パンドリフトを非常に小さくしえたものである。本発明
にかかる吸光量測定装置は、光源に反射鏡を光軸方向に
振動させているレーザを使用した事を特徴とするもので
あるが、かかるレーザ装置そのものはすでに発明者が特
願昭５０−１１５２２５において実効的に出力を安定化
したレーザ装置としてその原理、動作、構造を詳細に開
示している。A magnetic rod 7 constituting an electromagnet is held at a certain distance on the back side of the magnetic plate 5 via a holding table 9, and connected to an AC power source 10 connected to a coil 8 wound around the magnetic rod 7. This creates an alternating magnetic field. Due to this alternating magnetic field, the magnetic plate 5
is attracted to the magnetic rod 7, the laser reflector 4 vibrates at a frequency corresponding to the frequency of the power source 10. As is clear from the above explanation, the amplitude of this vibration may be one that causes a change in the resonator length by x wavelength. FIG. 2 is an enlarged view of the vibrating part, and the laser reflector 4 and the magnetic plate 5 are connected to each other between the magnetic field 0 position of the magnetic bar 7 and the magnetic field maximum position (indicated by the broken line). vibrates around the fulcrum. In the embodiment, the laser discharge tube 1 is a helium-neon laser tube that emits 3.39 micron oscillation and has a total length of 2.
50 mm, laser reflector 2 and 4 have a radius of curvature of 3
The resonator length is 280 mm with a concave reflecting mirror of 0.00 mm, the magnetic plate 5 is made of a soft iron plate with a thickness of 0.3 mm, and the magnetic rod 7 is made of soft iron. Coil 8 is 23
It constitutes a magnetic field of 0 ampere turns. With this configuration, the moving distance Δd (FIG. 2) of the laser reflecting mirror 4 is about 1 micron, and the mirror inclination angle φ is 5×10 −5 radians. Since this value φ is more than three orders of magnitude smaller than the adjustment allowable inclination angle of the laser reflector according to the present resonator configuration, the influence of the rotation of the laser reflector 4 can be ignored, and the resonator has a reference resonator length l. , it always changes at one regular period in the range from l to l + △d, and since the value of λ is slightly larger than the % wavelength, the laser output light fluctuates as shown in Figure 4b. . FIG. 3 shows a system for obtaining a stable electrical output signal using the laser tube of FIG. 1, in which 11 is a photodetector, 12 is an integrating circuit, and 13 is its output terminal. In the embodiment, a 5V commercial frequency AC power source is used as the power source 10, a lead-selenium (PbSe) infrared detector is used as the photodetector 11, and the time constant of the integrating circuit 12 is set to 1 second. The electrical output of the photodetector 11 is clearly the same as in FIG. 4b.
The amplitude of this vibration waveform is centered around E as shown in the figure (E + △E)
〜(E−△E), the output terminal 13 of the integrating circuit 12
The value at is a stable DC signal E as shown in FIG. 4c. In this way, the influence of the thermal drive of the resonator can be completely removed from the electric signal obtained by the integrating circuit 13, and according to the embodiment, even against the sudden temperature change in the range of -10°C to 40°C, which was actually measured. It was not affected by any temperature changes. As described above, the present invention aims at adjusting the optical path length between the laser reflecting mirrors constituting the laser resonator, that is, the resonator length, in the optical axis direction of the resonator, at a period sufficiently shorter than the thermal oscillation period of the laser output light, on the order of x wavelength. By using a laser having an extremely simple structure of vibrating, the above drawbacks can be eliminated and the span drift can be made extremely small. The absorbance measuring device according to the present invention is characterized by using a laser in which a reflecting mirror is vibrated in the direction of the optical axis as a light source. -115225 discloses in detail the principle, operation, and structure of a laser device with effectively stabilized output.

本発明者等の研究によれば該レーザ装置を吸光量測定装
置に使用することにより、レーザ出力安定化による効果
以外の以下に詳述する新規なる効果が存在し、その効果
がレーザ出力の安定による効果以上にスパンドリフトを
減少せしめていることが確認された。以下に実施例に基
づき、本発明に係る吸光量測定装置において、スパンド
リフトが減少される理由を詳述する。実施例においては
、光源は３．３９ミクロンの波長のヘリウム・ネオン（
Ｈｅ−Ｎｅ）レーザ、被測定分子はメタン系炭化水素で
あるが、以下の説明から明らかになる如く、本発明は光
源として使用されるレーザの共振器を構成する反射鏡を
光軸方向に熱振動の周期よりはるかに短かい周期で振動
させておくことを要件とするものであつて、レーザ及び
被測定分子の種類を特定するものではない。また実施例
は気体濃度の測定を目的としたものであるが、液体、固
体内の分子濃度の測定にそのまま使用できることは明ら
かである。第５図は本発明に係る吸光量測定装置の構成
を示すプロツク図であつて、本例では気体濃度測定装置
として構成されている。According to research by the present inventors, by using the laser device in an absorption measurement device, there are new effects other than the effect of stabilizing the laser output, which are described in detail below. It was confirmed that span drift was reduced more than the effect of The reason why span drift is reduced in the absorbance measuring device according to the present invention will be explained in detail below based on Examples. In the example, the light source is a helium neon (3.39 micron wavelength) light source.
(He-Ne) laser, the molecule to be measured is a methane-based hydrocarbon.As will become clear from the following explanation, the present invention heats the reflecting mirror that constitutes the resonator of the laser used as a light source in the optical axis direction. The requirement is to vibrate at a much shorter period than the vibration period, and it does not specify the type of laser or molecule to be measured. Further, although the purpose of the embodiment is to measure gas concentration, it is clear that the present invention can be used as is to measure molecular concentration in liquids and solids. FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the absorbance measuring device according to the present invention, which in this example is configured as a gas concentration measuring device.

図において２４は光源となるＨｅ−Ｎｅレーザ共振器で
ある。このレーザより放出されたレーザ光線はビームス
プリツタ１４で振巾分割され一方は信号波として光吸収
セル１５で吸収をうけた後光検出器１６により光電変換
され電気信号としてとり出される。この電気信号は平滑
回路１７によつて直流化され、直流電圧信号として演算
回路１８の入力信号となる。１４で分割されたいま一方
の光は参照光として直接光検出器１９に入り、光電変換
された後平滑回路２０で直流化され演算回路１８の入力
となる。In the figure, 24 is a He-Ne laser resonator serving as a light source. A laser beam emitted from this laser is split in amplitude by a beam splitter 14, one of which is absorbed as a signal wave by a light absorption cell 15, and then photoelectrically converted by a photodetector 16 and taken out as an electric signal. This electric signal is converted into a DC voltage signal by a smoothing circuit 17 and becomes an input signal to an arithmetic circuit 18 as a DC voltage signal. The other light divided by 14 directly enters a photodetector 19 as a reference light, undergoes photoelectric conversion, is converted into DC by a smoothing circuit 20, and becomes an input to an arithmetic circuit 18.

実施例においては演算回路１８は平滑回路１７，２０の
比をとつてその値を逆対数変換を行なうものである。こ
のような吸光量測定装置において、いま光吸収セル１５
に被測定気体が存在しない場合は平滑回路１７及び２０
の出力は共にＥ。（Ｖ）であるとする。セル１５に濃度
Ｐ（Ａｔｍ）の被測定気体が存在する場合には平滑回路
１７の出力Ｅ（ＶＸまよく知られたランベールト（Ｒａ
ｍｂｅｒｔ）の法則によりＥ−：ＥＯｅｘｐ（一αＰｌ
） （１）で与えられる。In the embodiment, the arithmetic circuit 18 calculates the ratio of the smoothing circuits 17 and 20 and performs anti-logarithmic transformation on the value. In such a light absorption measurement device, the light absorption cell 15
When the gas to be measured does not exist in the smoothing circuits 17 and 20
Both outputs are E. (V). When a gas to be measured with a concentration P (Atm) exists in the cell 15, the output E (VX or the well-known Lambert (Ra) of the smoothing circuit 17
According to the law of E-:EOexp(-αPl
) is given by (1).

従つて、この場合の演算回路１８の出力端子２１に表わ
れる電圧値は１０ｇ（Ｅ／ＥＯ）＝αＰｌ
（２）となつて被測定気体の圧力Ｐが直読できる。Therefore, the voltage value appearing at the output terminal 21 of the arithmetic circuit 18 in this case is 10g(E/EO)=αPl
(2) The pressure P of the gas to be measured can be directly read.

ここでｌは光吸収セル１５の光路長で定数、αは気体の
吸収係数である。２２は光チヨツパでモータ２３によつ
て駆動され、レーザ光を交流化している。Here, l is the optical path length of the light absorption cell 15 and is a constant, and α is the absorption coefficient of gas. An optical chopper 22 is driven by a motor 23 and converts the laser beam into alternating current.

吸収係数は一般に一定値として取り扱われているが、そ
れは使用する光源の波長が完全に一定である場合に限り
成立することであり、波長がかわるとその値が変化する
。そしてレーザを光源に用いた場合にゼロトリフトより
スパンドリフトが大きくなる原因はここに存在するので
ある。第６図及び第７図はこの事情を説明しかつ、本発
明によつてこの欠点がどのように克服されたかを示す説
明図である。第６図はメタンガス（ＣＨ４）について１
つの吸収ピークの概形Ａを示している。The absorption coefficient is generally treated as a constant value, but this only holds true if the wavelength of the light source used is completely constant; its value changes when the wavelength changes. This is the reason why the span drift becomes larger than the zero drift when a laser is used as a light source. FIGS. 6 and 7 are explanatory diagrams explaining this situation and showing how this drawback is overcome by the present invention. Figure 6 shows 1 about methane gas (CH4).
Schematic shape A of two absorption peaks is shown.

図において斜線部Ｂは、３．３９１３（μＸこ中心をも
つＨｅ−Ｎｅレーザの出力光のスペクトル巾で、３．３
９１３（（財）を中心周波として一ωから＋ωの振動数
の間にわたつている。一般の光源を用いた場合のスペク
トル巾は、現存のいかなるフイルタ一を使用しても吸収
曲線Ａの巾よりはるかに広いものであり、その結果測定
精度の低下をきたしているのであつてここで議論する余
地のないものである。したがつてここではレーザを光源
とした場合についてのみ、本発明との比較から本発明の
利点を明らかにする。図から明らかな如く吸収曲線Ａは
レーザのスペクトル巾Ｂの範囲内でも変化しているから
吸収係数は一定でなくα−ｆ（ω）
（３）なるωの関数として表わすべきである。In the figure, the shaded area B is the spectral width of the output light of the He-Ne laser, which has a center of 3.3913 (μX).
913 (foundation) as the center frequency and ranges from 1ω to +ω.The spectral width when using a general light source is the width of absorption curve A using any existing filter. As a result, there is a reduction in measurement accuracy, and there is no room for discussion here.Therefore, only the case where a laser is used as a light source will be discussed here. The advantages of the present invention will be clarified through comparison.As is clear from the figure, the absorption curve A changes within the range of the laser's spectral width B, so the absorption coefficient is not constant but α-f(ω).
(3) It should be expressed as a function of ω.

ところで前述したようにレーザの発振周波数は第６図の
斜線部Ｂの範囲で一様に分布しているのではなく、レー
ザ共振器の長さで定まるレーザ縦モードがレーザの利得
曲線と一致する点においてのみ発生する離散的な値であ
る。By the way, as mentioned above, the laser oscillation frequency is not uniformly distributed within the shaded area B in Figure 6, but the laser longitudinal mode determined by the length of the laser resonator matches the laser gain curve. It is a discrete value that occurs only at a point.

発振周波数が斜線部Ｂの範囲にわたつて実効的に一様分
布しているとみなせる程多く存在するためにはレンザ共
振器長を極めて長くすればよいが、実測によれば、３．
３９１３ミクロン（μ）（７）Ｈｅ−Ｎｅレーザにおい
ては共振器長１メートルの場合でも縦モードの数は３〜
４本であつて、このように共振器を長くすることは実際
上不可能である。本発明は縦モードの少ないレーザにお
いても、共振器ミラーを振動せしめることにより、吸収
係数をある一定値αとみなしうるようになる効果を有す
るところにその特徴が存する。第７図はこの効果を説明
したもので、図においてＣは３．３９μＨｅ−Ｎｅレー
ザの利得曲線であり、図の横軸範囲は第６図の斜線部Ｂ
の範囲に対応する。Ａは第６図斜線部分Ｂにある吸収曲
線の拡大図である。レーザのたてモード数が数本の場合
でも事情は同じであるが、簡単のために縦モードが１本
の場合についてのみ説明する。実施例においては共振器
長２６ＣＴＬのレーザを使用しており、たてモード数は
１本である。前述の如く、共振器長で定まる縦モードの
周波数と利得曲線の一致する点においてレーザ発振が生
じるのであるから、いま初期条件として図の曲線Ｄ。In order to have so many oscillation frequencies that it can be considered that they are effectively uniformly distributed over the shaded area B, it is sufficient to make the lens resonator length extremely long, but according to actual measurements, 3.
3913 microns (μ) (7) In a He-Ne laser, the number of longitudinal modes is 3 to 3 even when the cavity length is 1 meter.
There are four resonators, and it is practically impossible to make the resonators this long. The present invention is characterized in that even in a laser with few longitudinal modes, by vibrating the resonator mirror, the absorption coefficient can be regarded as a certain constant value α. Figure 7 explains this effect. In the figure, C is the gain curve of the 3.39μHe-Ne laser, and the horizontal axis range in the figure is the shaded area B in Figure 6.
corresponds to a range of A is an enlarged view of the absorption curve in the shaded area B of FIG. The situation is the same even when the number of longitudinal modes of the laser is several, but for the sake of simplicity, only the case where there is one longitudinal mode will be explained. In the embodiment, a laser with a cavity length of 26 CTL is used, and the number of vertical modes is one. As mentioned above, since laser oscillation occurs at the point where the longitudinal mode frequency determined by the resonator length and the gain curve match, the initial condition is curve D in the figure.

の頂点即ちω。で発振が生じたとする。ここは利得曲線
の最大値のところであり、従つてレーザ出力も最大であ
る。このときの吸収係数をｆ（ωｏ）＝αｏとおく。と
ころがレーザ共振器は熱的振動によつてそめ長さが刻々
変化する。いまある時刻においては、図のＤ１の位置、
ω１で発振し、他の時刻では図のＤ２の位置、ω２で発
振するとすればそれぞれに対応した別個な吸収係数α１
，α２が存在する。その結果吸数係数α。において演算
回路１８の出力端子２１に示される濃度をＰ。とすれば
、α１，α２に対応する濃度Ｐｌ，Ｐ２はＶｌ となる。The vertex of ω. Suppose that oscillation occurs at This is the maximum value of the gain curve and therefore the maximum laser output. Let the absorption coefficient at this time be f(ωo)=αo. However, the length of the laser resonator changes every moment due to thermal vibration. At the current time, the position of D1 in the diagram is
It oscillates at ω1, and at other times it oscillates at position D2 in the diagram, and if it oscillates at ω2, then the separate absorption coefficient α1 corresponding to each
, α2 exists. As a result, the absorption coefficient α. The concentration indicated at the output terminal 21 of the arithmetic circuit 18 is P. Then, the concentrations Pl and P2 corresponding to α1 and α2 become Vl.

そしてこれらは通常のレーザでは極めてゆつくりした変
化であつて、その巾は第７図の吸収係数曲線Ａの最大値
ｄ、最小値ｄに対応する濃α０度ｙ−一ＰＯ，Ｐら（α
ｏ／♂）ＰＯの範囲であつてそＫらを平均化することは
不可能である。These changes are extremely slow in a normal laser, and the width is the concentration α0 degree y−1 PO, P, etc. (α
o/♂) It is impossible to average them within the PO range.

この指示値の偏差がスパンドリフトとなつて表われてく
るのであつて、レーザを光源とした場合にゼロドリフト
よりもスパンドリフトが大になる原因である。本発明は
この様な欠点を前述した構造のレーザを用いることによ
つて除去しえたものである。即ち本発明の吸光量測定装
置に使用されているレーザにおいては、反射鏡の振動の
１周期の間に発振周波数が一ωから＋ωまでの間を移動
し、レーザ出力として検出される直流信号はこれら出力
振動を平滑化したものとしてＩｍａｘ／ｅに対応した値
である。この平均化された信号出力を？とする。そして
この間に吸収係数はｄかタピまで変化するのであるが、
平滑化回路によつて直流化される結果吸収係数は反射鏡
の振動周期Ｔの間の平均値としてなるものとして扱える
。This deviation in the indicated value appears as a span drift, and is the cause of the span drift being larger than the zero drift when a laser is used as the light source. The present invention can eliminate such drawbacks by using a laser having the structure described above. That is, in the laser used in the absorption measurement device of the present invention, the oscillation frequency moves between 1ω and +ω during one period of vibration of the reflecting mirror, and the DC signal detected as the laser output is This is a value corresponding to Imax/e obtained by smoothing these output vibrations. This averaged signal output? shall be. During this period, the absorption coefficient changes to d or tapi.
The absorption coefficient as a result of being converted into a direct current by the smoothing circuit can be treated as an average value during the vibration period T of the reflecting mirror.

ここにｆ（ωＸま（３成で定められる吸収係数を与える
式である。（５成は正確にはレーザから放出される出力
光強度を重み関数として付加し、そををもとに平均値を
求めるべきであるが、第７図にみられるように利得曲線
と吸収曲線の値は１対１対応をなし、かつレーザ光出力
の平均化出力がＥとして一定値で与えられるから（５成
のままでよい。さて（５成において、利得曲線の形状は
一定であり、−ωから＋ωまでの間での吸収曲線の形も
一定であることから、反射鏡振動周期が一定ならばαは
一定の値となることは明らかであり、特願昭５０−１１
５２２５に示されているように反射鏡を一定周期で振動
させることは極めて容易であるからこの結果本発明にお
ける吸光量測定装置では従来のものと異なり吸収係数は
一定値となり、スパンドリフトの主原因が除去される。
本発明は上述のように特願昭，５０−１１５２２５に記
載のレーザ装置と密接に関係しているものであり、かか
るレーザ装置を使用することによつて初めて可能なもの
であるが、上記発明とは問題解決における物理的背景が
異なつていることに注意しておかねばならない。Here is a formula that gives the absorption coefficient determined by f(ω However, as shown in Figure 7, the values of the gain curve and the absorption curve have a one-to-one correspondence, and the averaged output of the laser light output is given as a constant value as E (5 components). (For five components, the shape of the gain curve is constant and the shape of the absorption curve from -ω to +ω is also constant, so if the reflector vibration period is constant, α is It is clear that it will be a constant value, and the patent application
5225, it is extremely easy to vibrate the reflecting mirror at a constant period, and as a result, in the absorbance measuring device of the present invention, the absorption coefficient is a constant value, unlike the conventional one, which is the main cause of span drift. is removed.
As mentioned above, the present invention is closely related to the laser device described in Japanese Patent Application No. 50-115225, and is possible only by using such a laser device. It must be noted that the physical background of problem solving is different from that of

すなわち特願昭５０−１１５２２５においてはレーザ利
得曲線の範囲内においＣたてモードの周波数を振動させ
、出力光を平均化することにより実効的にレーザ出力を
一定の直流レベルに保持したのであるが、本発明におい
ては、該レーザ装置を使用することによつて吸収係数の
値を上記振動周期の範囲即ちｆ（−ω）からｆ（＋ω）
の範囲内について平均化したものとみなせることに特徴
があり、これは利得曲線内に無限個の縦モードを発生せ
しめたのと等価であり、レーザ共振器の長さを無限に長
くしたのと同じ効果を有し本発明によつて従来の大きな
スパンドリフトを除去し、ゼロドリフトと同じ大きさに
までスパンドリフトを低減できる。In other words, in Japanese Patent Application No. 115225/1984, the laser output was effectively maintained at a constant DC level by oscillating the frequency of the C vertical mode within the range of the laser gain curve and averaging the output light. , in the present invention, by using the laser device, the value of the absorption coefficient can be adjusted within the range of the vibration period, that is, from f(-ω) to f(+ω).
This is equivalent to generating an infinite number of longitudinal modes within the gain curve, and is equivalent to making the length of the laser resonator infinitely long. Having the same effect, the present invention can eliminate the conventional large span drift and reduce the span drift to the same magnitude as zero drift.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図代本発明実施例に使用するレーザ共振器の断面図
、第２図は、第１図の要部断面図、第３図は前記レーザ
共振器に光電変換及び積分回路を付加した光路図、第４
図は前記レーザ共振器を説明する波形図、第５図は本発
明実施例プロツク図、第６図及び第７図は同実施例を説
明する波形図である。 １・・・・・ルーザ放電管、２，４・・・・・・反射鏡
、５・・・・・・磁性体板、７・・・・・・磁性体棒、
８・・・・・・コイル、１０・・・・・・交流電源、１
１，１６，１９・・・・・・光検出器、１２・・・・・
・積分回路、１３・・・・・・出力端子、２４・・・・
・・レーザ共振器、１４・・・・・・スプリツタ、１５
・・・・・・光吸収セル、１７，２０・・・・・・平滑
回路、１８・・・・・・演算回路、２２・・・・・・光
チヨツパ。Fig. 1 is a sectional view of a laser resonator used in an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a sectional view of the main part of Fig. 1, and Fig. 3 is an optical path in which a photoelectric conversion and integration circuit is added to the laser resonator. Figure, 4th
FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the laser resonator, FIG. 5 is a block diagram for an embodiment of the present invention, and FIGS. 6 and 7 are waveform diagrams for explaining the same embodiment. 1...Lower discharge tube, 2, 4...Reflector, 5...Magnetic plate, 7...Magnetic bar,
8... Coil, 10... AC power supply, 1
1, 16, 19...Photodetector, 12...
・Integrator circuit, 13...Output terminal, 24...
... Laser resonator, 14 ... Splitter, 15
. . . Light absorption cell, 17, 20 . . . Smoothing circuit, 18 . . . Arithmetic circuit, 22 . . . Optical chopper.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] １ 分子にレーザ光をあて該分子の光吸収による光強度
変化を検出して分子の濃度を測定する吸光量測定装置に
おいて、レーザ共振器を構成する２枚のレーザ反射鏡間
の光路長をレーザ出力光の熱振動による変動周期よりも
十分短かい一定周期で前記共振器の光軸方向に約１／４
波長変化させることにより、レーザ出力光を前記熱振動
周期より十分短かい一定周期で変動させた外部鏡レーザ
を光源として用いると共に、上記検出出力を平滑回路に
て平滑することを特徴とするレーザを用いた吸光量測定
装置。1. In an absorption measurement device that measures the concentration of molecules by shining a laser beam onto molecules and detecting changes in light intensity due to light absorption by the molecules, the optical path length between two laser reflecting mirrors that make up a laser resonator is measured using a laser beam. Approximately 1/4 in the optical axis direction of the resonator at a constant period that is sufficiently shorter than the fluctuation period due to thermal vibration of the output light.
A laser characterized in that an external mirror laser whose output light is varied at a constant period sufficiently shorter than the thermal oscillation period by changing the wavelength is used as a light source, and the detected output is smoothed by a smoothing circuit. The absorbance measurement device used.