(57)【要約】キャビティリングダウン分光法における、光源を制御するための装置及び方法が提供される。この装置は、共鳴キャビティからのエネルギ信号としきい値との比較に基づいて、光源を活性化し及び非活性化するための制御信号を生成するコントローラを含んでいる。光源は、該光源の整定時間と、共鳴キャビティに十分なエネルギを供給するのに必要な時間とに基づいて、予め決められた期間活性化される。この後、コントローラは、その電流源をインターランプすることにより、予め決められた期間光源を非活性化し、その結果キャビティ内の光エネルギがリングダウンし、これにより存在する測定物質を測定することができる。光源からの光エネルギは、光源から共鳴キャビティに直接連結されている。
2005525571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共鳴キャビティとともに用いられる光源を制御するための装置であって、
検出信号と予め決定されたしきい値との比較を受け取るコントローラ、及び、上記比較に基づいて制御信号を生成して上記光源の活性化及び非活性化の少なくとも１つを行うコンパレータと、
上記コントローラに接続され、上記コントローラへの第１の遅延信号を生成する第１の遅延回路と、
上記コンパレータ及び上記コントローラに接続され、検出信号と予め決定されたしきい値との上記比較に基づいて、上記コントローラへの第２の遅延信号を生成する第２の遅延回路とを備えている装置。
【請求項２】
上記第１の遅延回路が初期化信号によって初期化される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記光源が、上記共鳴キャビティ内の被測定物質の存在を測定するのに用いられる共鳴キャビティへ、入力として光を供給するようになっている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
上記光源からの光が、光ファイバによって、上記共鳴キャビティに供給される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
上記光ファイバと上記共鳴キャビティの入力部との間に接続されたファイバコリメータをさらに備えている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
検出信号と予め決定されたしきい値との上記比較に基づいて、上記コントローラへの出力信号を生成するためのコンパレータをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
上記共鳴キャビティの出力部と上記コンパレータとの間に接続され、検出器信号を生成する検出器をさらに備えている、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
上記光源が、上記第１の遅延回路の期間に基づいて非活性化される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
上記第１の遅延期間が、上記共鳴キャビティのリングダウン期間に基づいている、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
上記第１の遅延期間が、上記リングダウン期間の約１０倍である、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
上記光源が、上記第１の遅延期間の終了後に活性化される、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
上記共鳴キャビティ内に存在する被測定物質のレベルが、上記第１の遅延期間中に測定される、請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
上記第２の遅延回路の期間が、上記光源の安定化時間に基づいている、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
上記第２の遅延期間が約１０ミリ秒である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
上記第１の遅延信号が、第３の遅延期間の後に生成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
上記第３の遅延期間が、上記光源の変調周波数に基づいている、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
上記第３の遅延期間が、上記変調周波数の逆数である、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
上記第３の遅延期間が、上記第２の遅延期間の後に続く、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
上記第３の遅延期間中に、上記共鳴キャビティ内に光エネルギを構築するようになっている、請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
上記光源がレーザである、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
共鳴キャビティ内の被測定物質の存在を測定するための、光源とともに用いられるシステムであって、
上記共鳴キャビティの出力部に接続され、上記共鳴キャビティからの光の出力に基づいて検出信号を生成する検出器と、
上記光源に接続され、上記検出信号に基づいて上記光源を活性化及び非活性化するコントローラと、
上記コントローラに接続され、上記検出信号を処理するとともに、上記共鳴キャビティ内に存在する被測定物質のレベルを決定するプロセッサとを備えているシステム。
【請求項２２】
上記コントローラが、上記光源への電流の供給を切り替えることにより、上記光源を非活性化する、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
上記光源から上記共鳴キャビティへ、光エネルギを供給する光ファイバをさらに備えている、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２４】
上記光ファイバの端部と上記共鳴キャビティとの間に接続されたファイバコリメータをさらに備えている、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
上記コントローラが、上記光源を予め決定された第１の期間活性化するとともに、上記光源を予め決定された第２の期間非活性化する、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２６】
上記の予め決定された第１の期間が、おおむね上記光源の安定化時間に基づいている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
上記の予め決定された第１の期間が、さらに上記光源の変調周波数に基づいている、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
上記光源がレーザである、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２９】
上記エネルギが光エネルギである、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３０】
共鳴キャビティ内の被測定物質の存在を測定するための方法であって、
上記共鳴キャビティから出力される光エネルギ信号を検出するステップと、
検出された上記信号を、予め決定されたしきい値と比較するステップと、
上記比較に基づいて、上記光源を制御するための制御信号を生成するステップと、
上記コントローラへの第１の遅延信号を生成するステップと、
第１の遅延期間の終了後に、第２の遅延信号を生成するステップと、
第２の遅延期間の終了後に、上記被測定物質のレベルを測定するステップとを含んでいる方法。
【請求項３１】
上記第２の遅延信号の生成に続いて上記光源を活性化するステップと、
少なくとも上記第１の遅延期間中に上記光源を非活性化するステップとをさらに含んでいる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
初期化信号を供給して上記第１の遅延信号を初期化するステップをさらに含んでいる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
共鳴キャビティ内の被測定物質の存在を測定するためのシステムであって、
上記共鳴キャビティから出力される光エネルギ信号を検出する検出手段と、
検出された上記信号を、予め決定されたしきい値と比較する比較手段と、
上記比較に基づいて、上記光源を制御するための制御信号を生成する制御手段と、
上記コントローラへの第１の遅延信号を生成するとともに、第１の遅延期間初期化する第１の遅延手段と、
第２の遅延信号を生成するとともに、第１の遅延期間の終了の後で第２の遅延信号を初期化する第２の遅延手段と、
上記第２の遅延期間の終了の後で、上記被測定物質のレベルを測定する処理手段とを備えているシステム。
【請求項３４】
上記処理手段が、上記第１の期間中に被測定物質の上記レベルを測定するようになっている、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
キャビティリングダウン分光分析法において用いられる光源を制御するための装置であって、
検出信号と予め決定されたしきい値との比較を受け取るコントローラ、及び、上記比較に基づいて制御信号を生成して上記光源の活性化及び非活性化の少なくとも１つを行うコンパレータと、
上記コントローラに接続され、上記コントローラへの第１の遅延信号を生成する第１の遅延回路と、
上記コンパレータ及び上記コントローラに接続され、検出信号と予め決定されたしきい値との上記比較に基づいて、上記コントローラへの第２の遅延信号を生成する第２の遅延回路とを備えている装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には吸収分光法（absorption spectroscopy）に関するものであり、とくにキャビティリングダウン分光法（cavity ring-down spectroscopy）用の光学共鳴器（optical resonator）とともに用いられる光源の活性化（activation）及び非活性化（deactivation）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下、図面を参照しつつ説明するが、これらの図面において、同様の参照番号は、同様の要素を示している。図１は、対数目盛上の電磁スペクトルを示している。分光学（science of spectroscopy）は、スペクトルを詳しく調べる科学である。スペクトルのその他の部分に関する科学とは対照的に、光（optics）は、とくに可視光及び近可視光（near-visible light）を含んでいる（およそ１ｍｍからおよそ１ｎｍまでの波長に広がる利用可能なスペクトルの非常に狭い部分）。近可視光は、赤よりも赤い色（赤外光）と、紫よりも紫の色（紫外光）とを含んでいる。この範囲は、各可視側に対して、光が、通常の材料でつくられた大半のレンズ及びミラーによって取り扱われることができるのに十分な範囲に広がっている。大抵の場合、材料の光学的特性の波長依存性を考慮しなければならない。
【０００３】
吸収型分光法は、感度が高く、マイクロ秒のオーダーでの応答時間が良く、被毒からの耐性（immunity from poisoning）が良く、かつ研究対象となっている種に比べて分子種（molecular species）からの干渉が限定されるといった特徴がある。種々の分子種は、吸収分光法によって検出又は特定することができる。かくして、吸収分光法は、重要な微量の種（trace species）を検出する一般的な方法を提供する。気相において、この方法の感度及び選択性（selectivity）は最適化される。なぜなら、種は、一群の鋭いスペクトル線において集中された吸収強度を有するからである。スペクトルにおける狭い線は、大半の干渉種に対して、識別するのに用いることができる。
【０００４】
多くの工業プロセスにおいては、流れている気体及び液体の中の微量の種の濃度を測定して、高速かつ高精度で分析しなければならない。汚染物質の濃度は、しばしば最終製品の品質に対して決定的に重要であるので、このような測定及び分析が必要とされる。Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２、Ａｒ及びＨｅなどの気体は、例えば、集積回路を製造するのに用いられるが、これらのガス中における不純物の存在は、たとえ１０億分の１（ｐｐｂ）のレベルであっても有害であり、操作回路の収率（yield of operational circuits）を低下させる。それゆえ、水を分光法で監視することができるほどの比較的高い感度が、半導体工業で用いられる高純度の気体の製造にとって必要（重要）である。種々の不純物は、その他の工業用途においても検出しなければならない。さらに、液体中における、元々含まれていたか、又は意図的に加えられた不純物の存在は、近年、特別な関心事となっている。
【０００５】
分光法は、高純度の気体中の気体の汚染物質に対して、１００万分の１（ｐｐｍ）レベルの検出を実現している。ｐｐｂレベルでの検出感度が実現可能な場合もある。したがって、従来の長光路セル（long pathlength cells）中における吸収測定、光音響分光法（photoacoustic spectroscopy）、周波数変調分光法（frequency modulation spectroscopy）、及び、キャビティ内レーザ吸収分光法（intracavity laser absorption spectroscopy）を含む、いくつかの分光法が、気体中における定量的な汚染物質の監視などの分野に応用されている。これらの分光法は、レーマン（Lehmann）に係る特許文献１中で論じられているいくつかの特徴を有している。しかし、これらは、工業に用いるのが困難であり、実用的ではない。それゆえ、それらは、大半は研究所での研究に限定されている。
【特許文献１】米国特許第５，５２８，０４０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これに対して、連続波キャビティリングダウン分光法（ＣＷ−ＣＲＤＳ）は、科学、工業プロセス制御、及び大気中の微量ガス検出への応用において、重要な分光技術となっている。ＣＷ−ＣＲＤＳは、従来の方法では感度が不十分である低吸光度形態（low-absorbance regime）において優れた光学吸収測定のための技術として紹介されている。ＣＷ−ＣＲＤＳは、吸収感応性がある観測可能な要素（absorption-sensitive observable）として、高性能光学共鳴器（high finesse optical resonator）中の光子の平均寿命（mean lifetime）を利用する。
【０００７】
典型的には、共鳴器は、名目上は等価であり、帯域が狭く、極めて高い反射率をもつ誘電体からなり、適切に配置されて安定な光学共鳴器を形成している１対のミラーで形成されている。レーザパルスは、１つのミラーを通して共鳴器に注入され、平均寿命をもつ。この平均寿命は、光子往復通過時間と、共鳴器の長さと、種の数密度及び吸収断面と、固有の共鳴器損失の原因となる因子（これは、回折損失が無視できるときには、大半は、周波数に依存するミラーの反射率に起因する。）とに依存する。それゆえ、光学吸収の決定は、従来の出力比（power-ratio）の測定から遅延時間の測定に変わる。ＣＷ−ＣＲＤＳの最終的な感度は、超低損失光学の製作を可能ならしめる超研磨（superpolishing）などの技術でもって最小化することができる固有の共鳴器損失の大きさによって決定される。
【０００８】
図２は、従来のＣＷ−ＣＲＤＳ装置２００を示している。図２に示すように、狭周波数帯（narrow band）の可変調連続波ダイオードレーザ２０２によって光が生成される。レーザ２０２は、その波長を被測定物質（analyte）の所望のスペクトル線に設定するために、温度コントローラ（図示せず）によって温度調節される（temperetaure tuned）。音響光学変調器（ＡＯＭ）２０４は、レーザ２０２から放射された放射光（放射線）の前に該放射光に沿って配置されている。ＡＯＭ２０４は、レーザ２０２からの光２０６を、共鳴キャビティ２１８の光軸２１９に沿うように供給するための手段である。光２０６は、ＡＯＭ２０４を出て、反射鏡２０８、２１０によってキャビティミラー２２０に向かうように方向付けされ、光２０６ａとなる。光は、光軸２１９に沿って進み、両キャビティミラー２２０、２２２間で指数関数的に減衰する。この減衰の測定は、微量の種の存在又は不存在を示す。光学キャビティ２１８の出力部とコントローラ２１４との間に、検出器２１２が接続されている。コントローラ２１４は、レーザ２０２とプロセッサ２１６とＡＯＭ２０４とに接続されている。プロセッサ２１６は、光学共鳴器２１８内の微量の種のレベル決定するために、光検出器２１２から受け取った信号を処理する。
【０００９】
ＡＯＭ２０４において、圧力変換器（図示せず）は、光弾性効果（photoelastic effect）により、活性的な（active）非線形結晶（図示せず）内の屈折率を変調する（modulate）音波を生成する。この音波は、入ってきた光を、例えば０次及び１次などの複数の次数の光に分散させるブラッグ回折格子を生成する。次数が異なる光は、異なる光ビームエネルギをもち、異なるビーム方向に進む。ＣＷ−ＣＲＤＳにおいて、典型的には、１次の光ビーム２０６は、入口側に接続されたキャビティミラー２２０に入射するキャビティ２１８の光軸２１９に沿って配列され、０次の光ビームは、異なる光路で空回り（idle）させられる（その他の高次のビームは非常に弱いので、取り扱われない）。かくして、ＡＯＭ２０４は、ビーム２０６、２２４の向きを制御する。
【００１０】
ＡＯＭ２０４がオンされているときには、大半の光出力は（ビームのサイズ、ＡＯＭ２０４内の結晶、配列等に依存するが、典型的には８０％まで）、共鳴キャビティ２１８の光軸２１９に沿った１次の光２０６となる。残りのビーム出力は、０次の光２２４又はその他の高次の光となる。１次のビーム２０６は、光源と接続されている光入力として用いられる。０次の光ビーム２２４は、典型的には空回りし、又は診断的要素（diagnostic component）のために用いられる。キャビティ内に光エネルギが一旦注入されると、ＡＯＭ２０４はオフされる。その結果、全てのビーム出力が０次の光２２４となり、光２０６は共鳴キャビティ２１８とは接続されなくなる。この後、キャビティ内に蓄えられた光エネルギに、指数関数的な減衰（リングダウン）が生じる。
【００１１】
光学キャビティ２１８へのレーザ光を「オフする（turn off）」ために、そして光学キャビティ２１８内のエネルギが「リングダウンする」のを可能にするために、ＡＯＭ２０４は、コントローラ２１４の制御のもとで、制御ライン２２４を介して、レーザ２０２からの光を、経路２２４に沿うように偏向させ（屈折させ）、光共鳴器２１８の光路２１９から離脱させる。しかしながら、この従来の手法には、主として、ＡＯＭ内に収容されている偏向手段により、光エネルギの損失が生じるといった欠点がある。ＡＯＭ２０４から光学キャビティ２１８に光を方向づけるのに用いられる反射鏡２０８、２１０に起因して、その他の損失も生じる。これらの損失により、レーザ２０２によって放射された光の５０％〜８０％だけが、光２０６ａとして、最終的に光学共鳴器２１８に到達するものと推算される。さらに、これらの従来のシステムは、高価であり、かつ、ＡＯＭは、該システム内のＡＯＭ駆動部（図示せず）と、余分なスペースとを必要とする。
【００１２】
従来のシステムの欠点を克服するために、共鳴キャビティに対してレーザ光を供給して制御するための改良されたシステム及び方法が提供される。本発明の目的は、従来のＡＯＭ／制御システムを、簡素化された低コストの制御システムと交換することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記及び諸々の目的を達するために、そして上記目的に鑑み、本発明は、共鳴キャビティとともに用いるための光源を制御するための改良された装置及び方法を提供する。この装置は、検出信号と予め決定されたしきい値との比較信号（comparison）を受け取るコントローラ（制御器）と、上記比較に基づいて制御信号を生成して光源の活性化及び非活性化の１つを行うコンパレータ（比較器）とを備えている。また、この装置は、コントローラに接続され（coupled）、該コントローラへの第１の遅延信号を生成する第１の遅延回路と、コンパレータ及びコントローラに接続され（coupled）、検出信号と予め決定されたしきい値との比較に基づいて、コントローラへの第２の遅延信号を生成する第２の遅延回路とを備えている。
【００１４】
本発明のもう１つの態様によれば、光源は、共鳴キャビティ内の被測定物質の存在を測定するために、共鳴キャビティへ、入力として光を供給する。
【００１５】
本発明のさらなる態様によれば、光源からの光は、光ファイバによって、共鳴キャビティに供給される。
【００１６】
本発明のさらにもう１つの態様によれば、コリメータが、光を共鳴キャビティに接続させる。
【００１７】
本発明のさらにもう１つの態様によれば、コンパレータが、検出信号と予め決定されたしきい値との比較信号に基づいて、コントローラへの出力信号を生成する。
【００１８】
本発明のさらにもう１つの態様によれば、共鳴キャビティの出力とコンパレータとの間に検出器が接続され、この検出器は共鳴キャビティからの光出力に基づいて信号を生成する。
【００１９】
本発明のもう１つの態様によれば、光源は、第１の遅延信号に基づいて、非活性化される（deactivated）。
【００２０】
本発明のさらにもう１つの態様によれば、光源は、第１の遅延期間の終了の後で活性化される（activated）。
【００２１】
本発明のさらにもう１つの態様によれば、第１の遅延期間の終了の後で、光源が活性化され、電流変調によりキャビティ内にエネルギを構築する（build up）。
【００２２】
本発明のさらにもう１つの態様によれば、共鳴キャビティ内に存在する被測定物質のレベルが、第１の遅延期間中に測定される。
【００２３】
本発明のさらにもう１つの態様によれば、コントローラは、光源への電流の供給を切り替える（shunt）ことにより、光源を非活性化する。
【００２４】
本発明のさらにもう１つの態様によれば、光源はレーザである。
【００２５】
本発明に係る方法は、共鳴キャビティから出力される光エネルギ信号を検出するステップと、検出された信号を予め決定されたしきい値と比較するステップと、上記比較に基づいて光源を制御するための制御信号を生成するステップと、コントローラへの第１の遅延信号を生成するステップと、第１の遅延期間の終了の後で第２の遅延信号を生成するステップと、電流変調を行うステップと、第２の遅延期間の終了の後で被測定物質のレベルを測定するステップとを含んでいる。
【００２６】
前記の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、いずれも本発明の典型であって、制限的なものではないということが理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことにより最も良く理解されるであろう。一般的な実務慣行により、図面の種々の特徴は正確な寸法のものではないということが強調される。また、種々の特徴の寸法は、特徴を明瞭化するために、任意に拡張又は縮小されている。図面は、図１、図２、図３Ａ、図３Ｂ、図４及び図５を含んでいる。
【００２８】
図３Ａは、本発明の典型的な実施の形態（３００Ａ）を示している。図３Ａに示すように、光は、狭帯域の（narrow band）可変調（tunable）連続波ダイオードレーザなどの光源３０２によって生成される。光源３０２は、温度コントローラ（図示せず）によって温度調節され（temperature tuned）、その波長を、対象となっている被測定物質の所望のスペクトル線に設定する。光源３０２から出た光エネルギは、光ファイバ３０４を経由してファイバコリメータ３０８に供給される。光エネルギ３０６は、続いて、コリメータ３０８によって共鳴キャビティ３１８に供給され、実質的に光軸３１９と平行となる。光学キャビティ３１８の出力部とコントローラ３１４との間には、検出器３１２が接続されている。コントローラ３１４は、光源３０２と、データ分析システム３１６とに接続されている。パーソナルコンピュータ又は特別のプロセッサなどで構成されるデータ分析システム３１６は、光学共鳴器３１８内の微量の種（被測定物質）のレベルを決定するために、コントローラ３１４の制御のもとで、光検出器３１２からの信号３１３を処理する。
【００２９】
好ましく、光源３０２は、可視の近−及び中央−赤外線スペクトル（visible to near-and middle-infrared spectru）で動作する、温度及び電流が制御される、可変調の、狭線幅放射の（narrow line-width radiation）半導体レーザである。あるいは、光源３０２は、キャビティ外（external-cavity）の半導体ダイオードレーザであってもよい。
【００３０】
共鳴キャビティ３１８は、好ましく、少なくとも、１対の高反射率のミラー３２０、３２２と、これらのミラーが取り付けられた気体セル３２１（gas cell）とを備えている。セル３２１は、例えば、フローセル（flow cell）又は真空セル（vacuum cell）であってもよい。あるいは、図３Ｂに示すように（３００Ｂ）、共鳴キャビティ３１８は、１対のプリズム３２４、３２６と、対応するガスセル３２１とで構成されてもよい。
【００３１】
検出器２１２は、好ましくは、例えば、フォトダイオード又は光電子増倍管（ＰＭＴ）などの光起電性検出器（photovoltaic detector）である。
【００３２】
図４には、コントローラ３１４の詳細なブロック図が示されている。図４に示すように、バッファ４０２（buffer）は、検出器３１２（図３Ａ〜３Ｂ参照）からの信号３１３（リングダウン信号の振幅をあらわしている）を受け取る。コンパレータ４０６は、バッファされた信号３１３（buffered sinal）を受け取り、しきい値信号４０４との比較を実行する。動作時においては、しきい値信号４０４は、コンパレータ４０６の出力がゼロ状態となるまで、増加方向にインクリメントされる。この後、しきい値信号４０４は、コンパレータ４０６が出力信号を発生させるまでデクリメントされる。その結果、しきい値信号４０４は、リングダウン信号のレベルに基づくことになる。このようにして、制御回路４０８は、検出器３１２から出力されたリングダウン信号が消失するときに決定を行うことができる。
【００３３】
制御回路４０８は、第１の遅延回路４１２を活性化するためにリングダウン信号の消失に基づいて制御信号４０８ａを生成する。第１の遅延期間（図５中に、時間ｔ１として示されている）の終了時に信号４１２ａが生成されて制御回路４０８に供給される。続いて、制御回路４０８は、第２の遅延回路４１４を活性化するための信号４０８ｂを生成し、この信号４０８ｃをスイッチ回路４１０に供給する。このスイッチ回路４１０は、続いて、光源３０２（仮想線で示され、図３Ａ及び図３Ｂに関して前に説明されている。）を活性化する。遅延期間ｔ２の終了時に（図５参照）、遅延回路４１４は、光源３０２が安定化したことを示す制御回路４０８への信号４１４ａを生成し、そして第３の期間ｔ３（図５参照）を開始する。期間ｔ３（図５に関して後で詳しく説明される。）は、共鳴キャビティ３１８が、被測定物資の濃度の測定に先だって、電流変調（current modulation）により光エネルギが十分に充填されることを確実にするために用いられる。期間ｔ３の終了時に、制御信号４０８ｃは非活性化され、続いて、スイッチ回路４１０によって用いられ、光源３０２が非活性化される。本発明のある１つの実施の形態においては、スイッチ回路４１０は、従来の電力装置を用いて光源３０２からの電流を切り替えて（shunt）光源３０２を非活性化するようになっている。
【００３４】
信号４０８ｃの非活性化と同時に、信号４０８ｄも生成され、データ分析システム３１６（仮想線で示され、図３Ａ及び図３Ｂに関して前に説明されている。）に供給される。信号４０８ｃ及び４０８ｄは別々の信号として示されているが、もし要望があれば、それらを単一の制御信号に結合するのが好ましいであろう。このような方策（approach）においては、信号４０８ｃの調節は、適宜の制御信号ロジックレベルを与えて（例えば、デジタル信号に基づいて）、データ分析システム３１６の適切な制御を与えることが必要とされるであろう。
【００３５】
信号４０８ｄ（２信号４０８ｃ／４０８ｄとする方策において）は、データ分析システム３１６によって用いられ、光源３０２が非活性化されたことと、被測定物質の測定を開始すべきこととを示す。この時点で、このプロセスは、制御回路４０８で第１の遅延回路４１２を再度初期化することにより連続的なリングダウンを測定するために、繰り返される。
【００３６】
上記の説明は、被測定物質の継続的な測定に関するので、回路は、第１の測定に先だって初期化する必要がある。この初期化を実現するために、初期化信号４２０が、第１の遅延回路４１２への入力として供給される。例えば、ボタンによる、又はデータ分析システム３１６からの制御信号による初期化信号４２０の活性化により、遅延時間ｔ０が開始される。この後、このプロセスにおいて、前に概略説明された手順が続く。
【００３７】
典型的な実施の形態においては、スイッチ回路４１０は、次の３つの機能を果たす。
１）レーザ電流駆動部（laser current driver）として、所望のレーザパワー出力のためのレーザ駆動電流を供給する。
２）キャビティ３１８内にエネルギを構築する（build-up）結果となる電流変調を生じさせる。
３）電流スイッチとして、光源３０２への電流駆動部を活動化／非活動化させるための切り替えを行う。
【００３８】
その結果、コントローラ３１４は、光源３０２にエネルギを与えて共鳴キャビティ３１８内にエネルギを生成し、第１の遅延を用いて、光源３０２が新たなデータを捜す前に安定化することを可能にし、第２の遅延を利用してセル内での十分な光エネルギの構築を待ち、この後光源３０２へのエネルギをオフする。光源３０２からのエネルギがなくなった後もう１つの遅延が用いられ、光エネルギが完全にリングダウンするのを可能にする。この後、このプロセスが、任意の温度で、単一波長のリングダウンデータに対して繰り返される。リングダウンスペクトルは、データ分析システム３１６によって処理される。これらの種々の遅延は、図５中に示されている。
【００３９】
図５に示すように、時刻ｔ０で、光源３０２のしきい値電流Ｉ０より大きい動作電流Ｉを供給することにより、光源３０２にエネルギが供給される。しきい値電流Ｉ０は、用いられる光源のタイプに応じて変わる。遅延時間ｔ２は、光源が安定化するのを可能にする遅延をあらわしている。１つの典型的な実施の形態においては、遅延時間ｔ２は、およそ１００ミリ秒に設定される。遅延時間ｔ３は、共鳴キャビティ３１８内に電流変調を構築することを可能にする（許容する）時間をあらわしている。共鳴キャビティ３１８内に電流変調を構築するのに必要とされる時間は、ｔ３よりずっと短い（＜＜ｔ３）ということに注目すべきである。
【００４０】
典型的な実施の形態においては、遅延時間ｔ３は、光源３０２の変調周波数ｆに基づいて、およそ１／ｆと等しくするのが好ましい。遅延時間ｔ１は、共鳴キャビティ３１８のリングダウン時間に基づいている。光エネルギが共鳴キャビティ３１８内で十分な時間「リングダウン」することを可能にするために、遅延時間ｔ１は、好ましく、キャビティのリングダウン時間のおよそ１０倍に設定される。
【００４１】
従来の手段（図示せず）の制御のもとにあるレーザ温度駆動部４１６は、任意の温度で、所望の光周波数の生成のために、光源３０２のための温度制御を行う。この周波数は、対象となっている特定の被測定物質に基づいて選択される。
【００４２】
本発明によれば、以下のとおりの種々の効果が得られることがわかるであろう。
・光源２０２によって生成されたビームパワー出力のほぼ１００％を利用することを可能にする（それにもかかわらす、光ファイバ３０４内及びコリメータ３０８内には、無視しうる検出不可能な損失が存在するであろう。）。高いキャビティ内エネルギの構築は、より良好な信号雑音比（signal to noise ratio）を実現し、ショットノイズ（shot noise）を低減する。これは、光源が弱いときには極めて有利である。上記のとおり、典型的には、光がＡＯＭを通過するときに、光パワーのおよそ５０〜８０％だけが1次光となる。
・ＡＯＭの省略により、コスト低減が図られる。市販の典型的なＡＯＭのコストは、おおむね２０００ドルである。
・ＣＷ−ＣＲＤＳ設備（setup）が簡素化される。これは、該設備の配設のための空間的な柔軟性（flexibility）を高めることを可能にし、ＡＯＭによって導入される、検査環境に対する機械的及び光学的な感応性（sensibility）を除去する。
【００４３】
本明細書では、ある特定の実施の形態を参照しつつ図示及び説明が行われている。しかしながら、本発明は、このような詳細な記載に限定される趣旨でない。むしろ、請求の範囲の記載と等価な範囲及び領域内において、本発明の趣旨から離脱することなく、種々の修正がきめ細かくなされることができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】対数目盛による電磁スペクトルを示す図である。
【図２】従来技術に係るＣＷ−ＣＲＤＳシステムを示す図である。
【図３Ａ】本発明の１つの典型的な実施の形態を示す図である。
【図３Ｂ】本発明のもう１つの典型的な実施の形態を示す図である。
【図４】本発明に係る典型的なコントローラを示す図である。
【図５】本発明の典型的な実施の形態に係る種々の遅延のタイミングを示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
３０２  光源、３０４  光ファイバ、３０６  光エネルギ、３０８  ファイバコリメータ、３１２  検出器、３１４  コントローラ、３１６  データ分析システム、３１８  共鳴キャビティ、３１９  光軸、３２０  ミラー、３２１  気体セル、３２２  ミラー、３２４  プリズム、３２６  プリズム、４０２  バッファ、４０６  コンパレータ、４０８  制御回路、４１０  スイッチ回路、４１２  遅延回路、４１４  遅延回路、４１６  駆動部（ドライバ）。
【図１】
2005525571.tif 000003
【図２】
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2005525571.tif 000005
2005525571.tif 000006
【図４】
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【図５】
2005525571.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月22日(2004.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共鳴キャビティとともに用いられる光源を制御するための装置であって、
上記共鳴キャビティからの出力信号のレベルに基づいてしきい値信号を生成するしきい値信号生成器と、
上記しきい値信号生成器に接続された、上記共鳴キャビティからの出力信号を受け取るためのコンパレータであって、上記しきい値信号と上記共鳴キャビティからの出力信号とに基づいて比較信号を生成するコンパレータと、
ｉ）上記比較信号を受け取り、かつ、ｉｉ）上記比較に基づいて上記光源の活性化及び非活性化の少なくとも１つを行うための制御信号を生成する制御回路と、
上記制御回路に接続され、上記制御回路への第１の遅延期間を有する第１の遅延信号を生成する第１の遅延回路であって、上記第１の遅延期間が、上記光源の安定化時間と等しいか又はこれより長くなっている回路と、
上記制御回路に接続され、上記第１の遅延期間の終了時に、上記制御回路への第２の遅延期間を有する第２の遅延信号生成する第２の遅延回路であって、上記第２の遅延期間が、上記共鳴キャビティが上記光源によって生成された光で十分にチャージされる期間と等しいか又はこれより長くなっている回路とを備えている装置。
【請求項２】
上記第１の遅延回路が初期化信号によって初期化される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記光源が、上記共鳴キャビティ内の被測定物質の存在を測定するのに用いられる共鳴キャビティへ、入力として光を供給するようになっている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
上記光源からの光が、光ファイバによって、上記共鳴キャビティに供給される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
上記光ファイバと上記共鳴キャビティの入力部との間に接続されたファイバコリメータをさらに備えている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
上記しきい値信号が、ｉ）上記共鳴キャビティからのリングダウン信号のレベルに基づいて、上記コンパレータの出力がゼロ状態に到達するまで、上昇方向にインクリメントされ、かつ、ｉｉ）この後上記コンパレータの出力が正になるまでデクリメントされる、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
上記共鳴キャビティの出力部と上記コンパレータとの間に接続され、検出器信号を生成する検出器をさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
上記光源が、上記第１の遅延回路の期間に基づいて非活性化される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
上記第１の遅延期間が、上記共鳴キャビティのリングダウン期間に基づいている、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
上記第１の遅延期間が、上記リングダウン期間の約１０倍である、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
上記光源が、上記第１の遅延期間の終了後に活性化される、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
上記共鳴キャビティ内に存在する被測定物質のレベルが、上記第１の遅延期間中に測定される、請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
上記第２の遅延回路の期間が、上記光源の安定化時間に基づいている、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
上記第２の遅延期間が約１０ミリ秒である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
上記第１の遅延信号が、第３の遅延期間の後に生成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
上記第３の遅延期間が、上記光源の変調周波数に基づいている、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
上記第３の遅延期間が、上記変調周波数の逆数である、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
上記第３の遅延期間が、上記第２の遅延期間の後に続く、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
上記第３の遅延期間中に、上記共鳴キャビティ内に光エネルギを構築するようになっている、請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
上記光源がレーザである、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
請求項１に記載の装置とともに用いられるシステムであって、
共鳴キャビティと、
上記共鳴キャビティの出力部に接続され、上記共鳴キャビティからの光の出力に基づいて検出信号を生成する検出器と、
上記光源に接続され、上記検出信号に基づいて上記光源を直接に活性化及び非活性化する制御回路と、
上記制御回路に接続され、上記検出信号を処理するとともに、上記共鳴キャビティ内に存在する被測定物質のレベルを決定するプロセッサとを備えているシステム。
【請求項２２】
上記制御回路が、上記光源への電流の供給を切り替えることにより、上記光源を非活性化する、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
上記光源から上記共鳴キャビティへ、光エネルギを供給する光ファイバをさらに備えている、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２４】
上記光ファイバの端部と上記共鳴キャビティとの間に接続されたファイバコリメータをさらに備えている、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
上記制御回路が、上記光源を予め決定された第１の期間活性化するとともに、上記光源を予め決定された第２の期間非活性化する、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２６】
上記の予め決定された第１の期間が、おおむね上記光源の安定化時間に基づいている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
上記の予め決定された第１の期間が、さらに上記光源の変調周波数に基づいている、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
上記光源がレーザである、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２９】
上記エネルギが光エネルギである、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３０】
光源とともに用いられる共鳴キャビティ内の被測定物質の存在を測定するための方法であって、
上記共鳴キャビティから出力される光エネルギ信号を検出するステップと、
上記共鳴キャビティからの出力信号のレベルに基づいてしきい値信号を生成するステップと、
検出された上記信号を上記しきい値信号と比較するステップと、
上記比較に基づいて、上記光源の活性化及び非活性化を制御するための制御信号を生成するステップと、
上記コントローラへの第１の遅延期間を有する第１の遅延信号を生成するステップであって、上記第１の遅延期間が上記光源の安定化時間と等しいか又はこれより長くなっているステップと、
上記第１の遅延期間の終了後に、第２の遅延期間を有する第２の遅延信号を生成するステップであって、上記第２の遅延期間が、上記共鳴キャビティが上記光源によって生成された光で十分にチャージされる期間と等しいか又はこれより長くなっているステップと、
第２の遅延期間の終了後に、上記被測定物質のレベルを測定するステップとを含んでいる方法。
【請求項３１】
上記第２の遅延信号の生成に続いて上記光源を活性化するステップと、
少なくとも上記第１の遅延期間中に上記光源を非活性化するステップとをさらに含んでいる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
初期化信号を供給して上記第１の遅延信号を初期化するステップをさらに含んでいる、請求項３０に記載の方法。
【国際調査報告】
2005525571.tif 000009
2005525571.tif 000010
2005525571.tif 000011