(57)【要約】【課題】測定対象物の状態変化に影響されず、且つ、簡便な構成で当該測定対象物の濃度を精度良く測定できる濃度測定装置を提供する。【解決手段】濃度測定装置は、励起光２３としてのレーザ光を発生するレーザ光源２２と、光パラメトリック発振によって励起光２３から、測定対象物Ｓに対するオン波長のプローブ光１０及びオフ波長の参照光１２を同時に発生するプローブ光発生部２４と、測定対象物Ｓを透過した又は測定対象物Ｓから反射したプローブ光１０及び参照光１２をそれぞれ別の光路に分離する光分離部Ｍ２と、光分離部Ｍ２によって分離されたプローブ光１０を検出する光検出器２６と、光分離部Ｍ２によって分離された参照光１２を検出する光検出器２７と、光検出器２６、２７によって検出されたプローブ光１０及び参照光１２の各透過率から測定対象物Ｓの濃度を算出する濃度算出部２９とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光としてのレーザ光を発生するレーザ光源と、
光パラメトリック発振によって前記励起光から、測定対象物に対するオン波長のプローブ光及びオフ波長の参照光を同時に発生するプローブ光発生部と、
前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射した前記プローブ光及び前記参照光をそれぞれ別の光路に分離する光分離部と、
前記光分離部によって分離された前記プローブ光を検出する第１の光検出器と、
前記光分離部によって分離された前記参照光を検出する第２の光検出器と、
前記第１及び第２の光検出器によって検出された前記プローブ光及び前記参照光の各透過率から前記測定対象物の濃度を算出する濃度算出部と
を備えることを特徴とする濃度測定装置。
【請求項２】
前記プローブ光発生部は、前記波長変換を行う光学素子として、第２種の位相整合が得られる非線形光学結晶を有し、
前記光分離部は偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
【請求項３】
前記光分離部は、前記プローブ光及び前記参照光の各波長間にカットオフ波長をもつダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
【請求項４】
励起光としてのレーザ光を発生し、
光パラメトリック発振によって前記励起光から、測定対象物に対するオン波長のプローブ光及びオフ波長の参照光を同時に発生し、
前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射した前記プローブ光及び前記参照光をそれぞれ別の光路に分離し、
前記光分離部によって分離された前記プローブ光及び前記参照光を検出し、
検出された前記プローブ光及び前記参照光の各透過率から前記測定対象物の濃度を算出する
ことを特徴とする濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いた差分吸収法により物質の濃度を測定する濃度測定装置及び濃度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素ガスやメタンガス等の測定対象物の濃度を測定する方法の１つとして、レーザ光を用いた差分吸収法が知られている。この方法では、測定対象物で吸収される波長（即ち、オン波長）と測定対象物で吸収されない波長（即ち、オフ波長）の各透過率を基に測定対象物の濃度を算出する。通常は回折格子やエタロン等で構成された波長切替機構を用いて、オン波長とオフ波長の光を交互に測定対象物に照射している。特許文献１乃至特許文献４は、上記の差分吸収法を用いた濃度測定装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−５０８９４号公報
【特許文献２】特開平１０−１８５８０４号公報
【特許文献３】特開２０１１−２１９９６号公報
【特許文献４】特開２００１−１５９６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、従来の濃度測定方法では、オン波長の光の照射とオフ波長の光の照射を交互に切り替えており、各光の照射時刻にはズレが生じている。従って、測定対象物の状態の変化が早い場合は、基準となるオフ波長の透過率が各照射時刻で異なっている可能性があり、算出した濃度の信頼性が低下する恐れがある。また、波長切替機構は波長の切り替えを機械的に行っているので構造が複雑であり、各部品に対して高い加工精度や組立精度も要求される。その結果、製造コストが嵩む問題がある。
【０００５】
このような事情を鑑み、本発明は、測定対象物の状態変化に影響されず、且つ、簡便な構成で当該測定対象物の濃度を精度良く測定できる濃度測定装置及び濃度測定方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様は濃度測定装置であって、励起光としてのレーザ光を発生するレーザ光源と、光パラメトリック発振によって前記励起光から、測定対象物に対するオン波長のプローブ光及びオフ波長の参照光を同時に発生するプローブ光発生部と、前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射した前記プローブ光及び前記参照光をそれぞれ別の光路に分離する光分離部と、前記光分離部によって分離された前記プローブ光を検出する第１の光検出器と、前記光分離部によって分離された前記参照光を検出する第２の光検出器と、前記第１及び第２の光検出器によって検出された前記プローブ光及び前記参照光の各透過率から前記測定対象物の濃度を算出する濃度算出部とを備えることを要旨とする。
【０００７】
前記プローブ光発生部は、前記波長変換を行う光学素子として、第２種の位相整合をとる非線形光学結晶を有してもよく、前記光分離部は偏光ビームスプリッタであってもよい。
【０００８】
前記光分離部は、前記プローブ光及び前記参照光の各波長間にカットオフ波長をもつダイクロイックミラーであってもよい。
【０００９】
本発明の第２の態様は濃度測定方法であって、励起光としてのレーザ光を発生し、光パラメトリック発振によって前記励起光から、測定対象物に対するオン波長のプローブ光及びオフ波長の参照光を同時に発生し、前記測定対象物を透過した又は前記測定対象物から反射した前記プローブ光及び前記参照光をそれぞれ別の光路に分離し、前記光分離部によって分離された前記プローブ光及び前記参照光を検出し、検出された前記プローブ光及び前記参照光の各透過率から前記測定対象物の濃度を算出することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、測定対象物の状態変化に影響されず、且つ、簡便な構成で当該測定対象物の濃度を精度良く測定できる濃度測定装置及び濃度測定方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る濃度測定装置の構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るプローブ光発生部の構成図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るプローブ光及び参照光の各波長と、測定対象物の吸収線の波長との関係を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る濃度測定方法によって得られる測定結果の一例である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る濃度測定装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る濃度測定装置の構成図である。図２は、本実施形態に係るプローブ光発生部の構成図である。図３は、本実施形態に係るプローブ光及び参照光の各波長と、測定対象物の吸収線の波長との関係を示す模式図である。図４は、本実施形態に係る濃度測定方法によって得られる測定結果の一例である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の濃度測定装置は、レーザ光源２２と、プローブ光発生部２４と、ビームスプリッタＭ１と、光分離部Ｍ２と、４台の光検出器２５、２６、２７、２８と、濃度算出部２９とを備える。
【００１５】
レーザ光源２２は、後段のプローブ光発生部２４に入力される励起光（ポンプ光）２３としてのレーザ光を発生する。レーザ光の波長や発振モード（パルス発振又は連続発振）は、プローブ光発生部２４における波長変換の仕様（変換方法、出力波長など）に応じて選定する。本実施形態では、パルスレーザ光源であるＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザは、基本波である１０６４ｎｍのパルスレーザ光を、数ｎｓ〜数十ｎｓのパルス幅、且つ、１０Ｈｚ〜数ｋＨｚの繰り返し周波数で出力する。
【００１６】
プローブ光発生部２４は、励起光２３の波長変換によって、測定対象物Ｓに対するオン波長のプローブ光１０及びオフ波長の参照光１２を発生する。吸収の感度を高める観点からは、図３に示すように、プローブ光１０の波長λｏｎが測定対象物Ｓの吸収線１４の波長に一致していることが好ましい。しかしながら、少なくとも吸収線１４の波長が、プローブ光１０の線幅内に含まれていれば吸収を確認することは可能である。
【００１７】
図２に示すように、プローブ光発生部２４は、光軸（光路）２０に沿って、反射面を対向させるように配置された終端鏡３２と出力鏡３４とを有する。出力鏡３４と終端鏡３２との間隔Ｄは例えば２０ｍｍである。更に、終端鏡３２と出力鏡３４の間の光軸２０上には、波長変換を行う光学素子として、非線形光学結晶３６が設けられている。後述するように、非線形光学結晶３６は、励起光２３の光パラメトリック発振によってプローブ光１０及び参照光１２を発生する。
【００１８】
終端鏡３２は、励起光２３を透過させ、且つ、非線形光学結晶３６によって発生したプローブ光１０及び参照光１２を反射する波長特性を有する。通常、励起光２３の波長はプローブ光１０及び参照光１２の各波長よりも短いので、終端鏡３２は所謂ロングパスフィルター（ＬＰＦ）である。一方、出力鏡３４も、終端鏡３２と同じく、プローブ光１０及び参照光１２を反射する波長特性を有する。従って、終端鏡３２及び出力鏡３４は所謂光共振器を構成する。終端鏡３２及び出力鏡３４のプローブ光１０及び参照光１２に対する反射率は５０〜９９．５％であり、プローブ光１０及び参照光１２の一部は最終的に出力鏡３４から出射する。
【００１９】
非線形光学結晶３６は、上述したように、励起光２３よる光パラメトリック発振によってプローブ光１０及び参照光１２を発生する。非線形光学結晶３６として、例えばＫＴＰ結晶が使用される。プローブ光１０の波長（オン波長）をλｏｎ、参照光１２の波長（オフ波長）をλｏｆｆ、励起光２３の波長をλｅｘとすると、非線形光学結晶３６は、一般的な特性である（１／λｅｘ）＝（１／λｏｎ）＋（１／λｏｆｆ）の条件を満たす波長変換を行う。本実施形態では、測定対象物が二酸化炭素ガスであるため、オン波長λｏｎ及びオフ波長λｏｆｆを、例えば２０１５ｎｍ及び２２５４ｎｍに設定する。なお、これらオン波長λｏｎ及びオフ波長λｏｆｆは、励起光２３の光軸に対する結晶の光学軸の角度を調整することで適宜変更できる。この角度調整は、例えば、非線形光学結晶３６を支持する回転ステージ３８によって実行可能である。
【００２０】
本実施形態の非線形光学結晶３６には、第２種の位相整合が得られる結晶（所謂タイプＩＩの結晶）を用いる。上述のＫＴＰ結晶は、この位相整合が得られる結晶である。即ち、非線形光学結晶３６から出射したプローブ光１０及び参照光１２は何れも直線偏光であり、しかも、その偏光方向が互いに直交している。また、非線形光学結晶３６におけるプローブ光１０及び参照光１２の強度比も既知である。
【００２１】
ビームスプリッタＭ１は、出力鏡３４から出射したプローブ光１０及び参照光１２の一部をそれぞれのサンプル光１０ｐ、１２ｐとして、後段の光分離部Ｍ３に反射すると共に、その残りを透過させる。ビームスプリッタＭ１の反射率は予め規定されており、後述するように、反射した光の強度を測定することで、ビームスプリッタＭ１に入射した光の強度を逆算できる。
【００２２】
光分離部Ｍ３は、ビームスプリッタＭ１から反射したプローブ光１０のサンプル光１０ｐ及び参照光１２のサンプル光１２ｐをそれぞれ別の光路に分離する。このような機能をもつ光分離部Ｍ３は、例えば、偏光ビームスプリッタである。偏光ビームスプリッタは、誘電多層膜を入射面にもち、入射光の偏光方向に応じて当該入射光の透過または反射を行う。本実施形態では、ＫＴＰ結晶における第２種の位相整合によって、プローブ光１０及び参照光１２の偏光方向が互いに直交している。偏光方向は、ビームスプリッタＭ１の反射によって影響されないので、サンプル光１０ｐ、１２ｐの各偏光方向も互いに直交している。従って、サンプル光１０ｐ、１２ｐが光分離部Ｍ３に入射すると、一方は反射し、他方は透過する。図１の光分離部Ｍ３はプローブ光１０のサンプル光１０ｐを反射し、参照光１２のサンプル光１２ｐを透過させているが、この反対に、プローブ光１０を透過させ、参照光１２を反射してもよい。
【００２３】
光分離部Ｍ３から分岐した各光路には、光検出器２５、２６がそれぞれ設けられている。光検出器２５は、光分離部Ｍ３によって反射したプローブ光１０のサンプル光１０ｐを検出し、その強度に比例した電圧の電気信号を検出信号として出力する。一方、光検出器２６は、光分離部Ｍ３を透過した参照光１２のサンプル光１２ｐを検出し、その強度に比例した電圧の電気信号を検出信号として出力する。上述したように、ビームスプリッタＭ１の反射率は予め規定されている。従って、光検出部２５、２６で検出したサンプル光１０ｐ、１２ｐの各強度から、出力鏡３４から出射した直後のプローブ光１０及び参照光１２の各強度を逆算できる。なお、光検出部２５、２６は周知の半導体検出器である。
【００２４】
光分離部Ｍ２は、測定対象物Ｓを透過した又は測定対象物Ｓから反射したプローブ光１０及び参照光１２をそれぞれ別の光路に分離する。このような機能をもつ光分離部Ｍ２は、例えば、偏光ビームスプリッタである。上述したように、入射したプローブ項１０及び参照光１２のうちの一方を反射し、他方を透過させる。図１の光分離部Ｍ２はプローブ光１０を反射し、参照光１２を透過させているが、この反対に、プローブ光１０を透過させ、参照光１２を反射してもよい。なお、光分離部Ｍ２の前段にはプローブ光１０を光検出器２７に集光すると共に、参照光１２を光検出器２８に集光するためのレンズ等の光学系（図示せず）が設けられている。
【００２５】
光検出器（第１の光検出器）２７は、光分離部Ｍ２によって反射したプローブ光１０を検出し、光検出器（第２の光検出器）２８は、光分離部Ｍ２を透過した参照光１２を検出する。光検出器２７及び光検出器２８は、光検出器２５、２６と同じく、周知の半導体検出器であり、検出した光の強度に比例した電圧の電気信号を検出信号として出力する。
【００２６】
濃度算出部２９は、濃度測定装置の全体を制御する制御部（図示せず）の一部として構成され、各光検出器２５〜２８から出力されたプローブ光１０、参照光１２、及びこれらのサンプル光１０ｐ、１２ｐの各検出信号を時間分解しながら受信する。プローブ光１０及び参照光１２の照射は、通常、複数回行われる。濃度算出部２９は、照射タイミングに同期して光検出器２５、２６、２７、２８からの検出信号を受信し、これらの信号を検出信号毎に積算する。図４はその測定結果の一例であり、光検出器２５又は光検出器２６によって検出されたプローブ光１０のサンプル光１０ｐ又は参照光１２のサンプル光１２ｐの検出信号のピークをＰ１、光検出器２７によって検出されたプローブ光１０の検出信号のピークをＰ２、光検出器２８によって検出された参照光１２の検出信号のピークをＰ３で示す。この図に示すように、時刻ｔ１に光検出器２５または光検出器２６からの検出信号が得られるとすると、光検出器２７、２８からの各信号は測定対象物Ｓを経由した光路差によって、時刻ｔ１よりも遅い時刻ｔ２に受信される。時刻ｔ１と時刻ｔ２の時間差は、濃度測定装置と測定対象物Ｓ間の往復距離に比例する。従って、測定対象物Ｓが濃度測定装置から非常に遠方にあるほど、サンプル光１０ｐ、１２ｐからプローブ光１０及び参照光１２を分離することが容易になる。
【００２７】
濃度算出部２９は、これらの信号からプローブ光１０及び参照光１２の各透過率を算出し、これらの透過率から測定対象物Ｓの濃度を算出する。具体的には、濃度算出部２９は、光検出器２６と光検出器２８によって得られた参照光１２とそのサンプル光１２ｐの強度比から、測定対象物Ｓにおける参照光１２の透過率（第１の透過率）を算出する。さらに、光検出器２５と光検出器２７によって得られたプローブ光１０とそのサンプル光１０ｐの強度比から、測定対象物Ｓにおけるプローブ光１０の透過率（第２の透過率）を算出する。第２の透過率は第１の透過率に、測定対象物Ｓへの吸収による透過率（第３の透過率）を乗じたものであるので、濃度算出部２９は、第１の透過率を用いて、第２の透過率から第３の透過率を逆算し、第３の透過率から測定対象物Ｓの濃度を算出する。
【００２８】
このように本実施形態の濃度測定では、測定対象物Ｓにオン波長のプローブ光と、オフ波長の参照光とを同時に照射する。従って、従来のようにプローブ光の照射と参照光の照射を切り替える機構が不要になる。従って、装置の構成が簡便なものになる。また、上記２種類の光を同時に照射しているので、測定対象物の状態変化に伴った濃度の誤差が発生しない。すなわち、測定対象物の濃度を精度良く測定できる。
【００２９】
なお、本実施形態の光分離部Ｍ２はダイクロイックミラーでもよい。このダイクロイックミラーは、プローブ光１０及び参照光１２の各波長λｏｎ、λｏｆｆ間にカットオフ波長をもつ。ダイクロイックミラーはプローブ光１０及び参照光１２のうちの一方を反射し、他方を透過させる。光検出器２７はこれらの光の何れか一方を検出し、光検出器２８はその他方を検出する。従って、偏光ビームスプリッタを使用した場合と同じく、図４に示すような測定結果が得られる。さらに、プローブ光１０及び参照光１２の分離にダイクロイックミラーを用いる場合、非線形光学結晶３６で発生するプローブ光１０及び参照光１２の各偏光状態はこれらの分離に無関係になる。従って、非線形光学結晶３６は、第２種の位相整合が得られる結晶に限られず、ＢＢＯなどの第１種の位相整合が得られる結晶を用いることができる。
【００３０】
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態を図５に基づいて詳細に説明する。なお、図５において、図１乃至図４と共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。図５は、第２実施形態に係る濃度測定装置の構成図である。
【００３１】
本実施形態の濃度測定装置では、ビームスプリッタＭ１によって取り出されたサンプル光１０ｐ、１２ｐを、測定対象物Ｓを通過したプローブ光１０及び参照光１２の光路に戻している。つまり、本実施形態では、第１実施形態の光検出器２５、２６が省略され、光検出器２７がプローブ光１０の検出だけでなく、そのサンプル光１０ｐの検出も行う。同様に、光検出器２８は、参照光１２とそのサンプル光１２ｐを検出する。
【００３２】
従って、測定対象物Ｓからのプローブ光１０及び参照光１２を集光する光学系（図示せず）と、光分離部Ｍ２との間には、光路合流部Ｍ４が設けられる。光路合流部Ｍ４は、例えばハーフミラーであり、ビームスプリッタＭ１によって取り出されたサンプル光１０ｐ、１２ｐの光路と、測定対象物Ｓから到達したプローブ光１０及び参照光１２の光路を合流させ、これらの光を光分離部Ｍ２に導くものである。
【００３３】
上記以外の構成については、第１実施形態と同様であるため、詳細な説明は割愛する。
【００３４】
第２実施形態の濃度測定装置は、同一の光から派生した２つの光を同一の検出器が検出する。従って、使用する光検出器の個数が削減できると共に、濃度算出における検出器の個体差（検出効率の差など）による影響を低減できる。また、本実施形態でも、第１実施形態と同じ効果が得られる。例えば、本実施形態においても、測定対象物Ｓにオン波長のプローブ光と、オフ波長の参照光とが同時に照射され、従来のようにプローブ光の照射と参照光の照射を切り替える機構が不要になる。従って、装置の構成が簡便なものになる。また、上記２種類の光を同時に照射しているので、測定対象物の状態変化に伴った濃度の誤差が発生しない。すなわち、測定対象物の濃度を精度良く測定できる。
【００３５】
本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【符号の説明】
【００３６】
１０…プローブ光、１０ｐ…プローブ光のサンプル光、１２…参照光、１２ｐ…参照光のサンプル光、１４…吸収線、２０…光軸、２２…レーザ光源、２３…励起光、２４…プローブ光発生部、２５，２６，２７，２８…光検出器、２９…濃度算出部、３２…終端鏡、３４…出力鏡、３６…非線形光学結晶、３８…回転ステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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