(57)【要約】【課題】測定環境に依存することなく、ガスの吸収波長と半導体レーザの発光波長とを精度よく合わせる。【解決手段】レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるようにレーザ素子の温度を設定した上で、波長λＬを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比と、波長λｓを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比とが一致するように半導体レーザ４１の駆動電流を制御し、それらの振幅比とが一致するような吸収ピーク波長λｃを基準として波長変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて測定対象ガスの濃度を算出する。【選択図】      図１
2008147557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射するレーザ素子と、
前記レーザ光を基本波で周波数変調する周波数変調部と、
前記周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、
前記光検出部にて検出されたレーザ光から基本波成分を検出する基本波成分検出部と、
前記光検出部にて検出されたレーザ光から２倍波成分を検出する２倍波成分検出部と、
前記レーザ光から検出された基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出する振幅比算出部と、
前記基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて前記レーザ素子の温度を設定する温度設定部と、
吸収ピーク波長からシフトされた波長を基準とする波長変調を行った時の前記基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて前記レーザ素子の駆動電流を制御する駆動電流制御部とを備えることを特徴とするレーザの波長制御装置。
【請求項２】
前記温度設定部は、前記基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるように前記レーザ素子の温度を設定し、
前記駆動電流制御部は、吸収ピーク波長から長波長側および短波長側に同一のずれ量だけシフトされた波長をそれぞれ基準として周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比が一致するように駆動電流を制御することを特徴とする請求項１記載のレーザの波長制御装置。
【請求項３】
レーザ光を出射するレーザ素子と、
前記レーザ光を基本波で周波数変調する周波数変調部と、
前記周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、
前記光検出部にて検出されたレーザ光から基本波成分を検出する基本波成分検出部と、
前記光検出部にて検出されたレーザ光から２倍波成分を検出する２倍波成分検出部と、
前記レーザ光から検出された基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出する振幅比算出部と、
前記基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるように前記レーザ素子の温度を設定する温度設定部と、
吸収ピーク波長から長波長側および短波長側に同一のずれ量だけシフトされた波長をそれぞれ基準として周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比が一致するように前記レーザ素子の駆動電流を制御する駆動電流制御部と、
前記吸収ピーク波長を基準として周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて、前記レーザ光が透過したガスの濃度を算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項４】
基本波で周波数変調しながら測定対象ガスにレーザ光を入射するステップと、
前記測定対象ガスを透過したレーザ光を検出するステップと、
前記検出されたレーザ光から基本波成分および２倍波成分を抽出するステップと、
前記レーザ光から抽出された基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出するステップと、
前記基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるように前記レーザ光を発生させるレーザ素子の温度を設定するステップと、
前記測定対象ガスの吸収線幅の範囲内で吸収ピーク波長から長波長側および短波長側に同一のずれ量だけシフトされた波長をそれぞれ基準として周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比が一致するように前記レーザ素子の駆動電流を制御するステップとを備えることを特徴とするレーザの波長制御方法。
【請求項５】
基本波で周波数変調しながら測定対象ガスにレーザ光を入射するステップと、
前記測定対象ガスを透過したレーザ光を検出するステップと、
前記検出されたレーザ光から基本波成分および２倍波成分を抽出するステップと、
前記レーザ光から抽出された基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出するステップと、
前記基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるように前記レーザ光を発生させるレーザ素子の温度を設定するステップと、
前記測定対象ガスの吸収線幅の範囲内で吸収ピーク波長から長波長側および短波長側に同一のずれ量だけシフトされた波長をそれぞれ基準として周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比が一致するように前記レーザ素子の駆動電流を制御するステップと、
前記吸収ピーク波長を基準として周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を算出するステップとを備えることを特徴とするガス濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザの波長制御装置、ガス濃度測定装置、レーザの波長制御方法およびガス濃度測定方法に関し、特に、周波数変調されたレーザ光を用いてガスの濃度を測定する方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
気体状のガス分子にはそれぞれ固有の光吸収スペクトルが有ることが知られており、ガス分子の吸収線の中心周波数における減衰量はガスの濃度に比例する。このため、ガス分子の吸収線の中心周波数に一致した発振周波数をもつ半導体レーザ光をガスに照射し、その時のレーザ光の減衰量を測定することで、ガスの濃度を推定することができる（特許文献１）。
【０００３】
この原理を発展させたものとして２波長差分方式及び周波数変調方式があり、２波長差分方式では、半導体レーザの発振周波数はＴＨｚオーダの信号であることから、複雑な信号処理を行うことができないのに対して、周波数変調方式では、数ｋＨｚのベースバンド領域で信号処理を行うことができるという利点がある。
ここで、周波数変調方式では、ガスの吸収線幅よりもレーザ光の線幅の方が小さいことから、ガスの吸収波長と半導体レーザの発光波長とを合わせる必要がある。この方法として、予め測定したいガスと同じ成分を封入した参照ガスセルを用いる方法がある（特許文献２）。
【０００４】
図８は、従来の周波数変調方式におけるガス濃度測定装置の概略構成を示す平面図である。
図８において、光源ユニットには、半導体レーザモジュール１２１、参照ガスセル１２２およびフォト検出器１２３が収容され、光源ユニットのケース本体２６の底面には、冷却用フィン２７が取り付けられたペルチェ素子２８が配設されている。ここで、半導体レーザモジュール１２１には、周波数変調されたレーザ光を両面から出射する半導体レーザが配設されるとともに、コネクタ１２５ａを備えた光ケーブル１２５が延出され、半導体レーザから出射される一方の光が光ケーブル１２５を介して測定対象ガスの雰囲気に出射される。
【０００５】
また、参照ガスセル１２２は、半導体レーザの後ろ側の光路上に配設され、参照ガスセル１２２を通過したレーザ光は、参照ガスセル１２２の後ろ側に配設されたフォト検出器１２３によって受光検出される。
そして、参照ガスセル１２２を通過したレーザ光を参照しながらペルチェ素子２８にて半導体レーザの温度制御を行い、２倍波と基本波との比が最大となるように半導体レーザの発光波長を制御することにより、ガスの吸収波長と半導体レーザの発光波長とを合わせることができる。
【特許文献１】特開平７−１５１６８１号公報
【特許文献２】特開２００１−２３５４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ガスの吸収波長と半導体レーザの発光波長とを合わせるために参照ガスセル１２２を用いる方法では、測定対象ガスの成分が環境によって変動したり、測定対象ガスと参照ガスセル１２２に封入されたガスの温度が異なったりすることから、測定対象ガスと参照ガスセル１２２に封入されたガスの成分や吸収波長を完全に一致させることが困難となり、計測精度の低下を招くという問題があった。
【０００７】
また、ＨＣｌやＨＦなどの腐食性ガスでは封入設備も高価となり、参照ガスセル１２２に封入するのが困難となるという問題があった。
さらに、参照ガスセル１２２を用いる方法では、部品点数が増加することから、戻り光によって半導体レーザの動作が不安定になり、計測精度の低下を招くという問題があった。
そこで、本発明の目的は、測定環境に依存することなく、ガスの吸収波長と半導体レーザの発光波長とを精度よく合わせることが可能なレーザの波長制御装置、ガス濃度測定装置、レーザの波長制御方法およびガス濃度測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、請求項１記載のレーザの波長制御装置によれば、レーザ光を出射するレーザ素子と、前記レーザ光を基本波で周波数変調する周波数変調部と、前記周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、前記光検出部にて検出されたレーザ光から基本波成分を検出する基本波成分検出部と、前記光検出部にて検出されたレーザ光から２倍波成分を検出する２倍波成分検出部と、前記レーザ光から検出された基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出する振幅比算出部と、前記基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて前記レーザ素子の温度を設定する温度設定部と、吸収ピーク波長からシフトされた波長を基準とする波長変調を行った時の前記基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて前記レーザ素子の駆動電流を制御する駆動電流制御部とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２記載のレーザの波長制御装置によれば、前記温度設定部は、前記基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるように前記レーザ素子の温度を設定し、前記駆動電流制御部は、吸収ピーク波長から長波長側および短波長側に同一のずれ量だけシフトされた波長をそれぞれ基準として周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比が一致するように駆動電流を制御することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３記載のガス濃度測定装置によれば、レーザ光を出射するレーザ素子と、前記レーザ光を基本波で周波数変調する周波数変調部と、前記周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、前記光検出部にて検出されたレーザ光から基本波成分を検出する基本波成分検出部と、前記光検出部にて検出されたレーザ光から２倍波成分を検出する２倍波成分検出部と、前記レーザ光から検出された基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出する振幅比算出部と、前記基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるように前記レーザ素子の温度を設定する温度設定部と、吸収ピーク波長から長波長側および短波長側に同一のずれ量だけシフトされた波長をそれぞれ基準として周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比が一致するように前記レーザ素子の駆動電流を制御する駆動電流制御部と、前記吸収ピーク波長を基準として周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて、前記レーザ光が透過したガスの濃度を算出するガス濃度算出部とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４記載のレーザの波長制御方法によれば、基本波で周波数変調しながら測定対象ガスにレーザ光を入射するステップと、前記測定対象ガスを透過したレーザ光を検出するステップと、前記検出されたレーザ光から基本波成分および２倍波成分を抽出するステップと、前記レーザ光から抽出された基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出するステップと、前記基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるように前記レーザ光を発生させるレーザ素子の温度を設定するステップと、前記測定対象ガスの吸収線幅の範囲内で吸収ピーク波長から長波長側および短波長側に同一のずれ量だけシフトされた波長をそれぞれ基準として周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比が一致するように前記レーザ素子の駆動電流を制御するステップとを備えることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５記載のガス濃度測定方法によれば、基本波で周波数変調しながら測定対象ガスにレーザ光を入射するステップと、前記測定対象ガスを透過したレーザ光を検出するステップと、前記検出されたレーザ光から基本波成分および２倍波成分を抽出するステップと、前記レーザ光から抽出された基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出するステップと、前記基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるように前記レーザ光を発生させるレーザ素子の温度を設定するステップと、前記測定対象ガスの吸収線幅の範囲内で吸収ピーク波長から長波長側および短波長側に同一のずれ量だけシフトされた波長をそれぞれ基準として周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比が一致するように前記レーザ素子の駆動電流を制御するステップと、前記吸収ピーク波長を基準として周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて、前記レーザ光が透過した測定対象ガスの濃度を算出するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ光の波長が測定対象ガスの吸収ピーク波長に一致するようにレーザ素子の温度を設定した上で、その吸収ピーク波長からシフトされた波長を基準とする波長変調を行いながらレーザ素子の駆動電流を制御することにより、測定対象ガスの成分が環境によって変動したり、測定対象ガスの吸収波長が温度によって変動したりする場合においても、参照ガスセルを用いることなく、測定対象ガスの吸収ピーク波長とレーザ素子の発光波長とを合わせることが可能となり、測定環境に依存することなく、ガス濃度の計測精度を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係るガス濃度測定装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示す断面図
である。
図１において、ガス濃度測定装置の送信側には、レーザユニット５７から出射されたレーザ光を基本波で周波数変調する送信部基板５４、レーザユニット５７から出射されたレーザ光を平行ビームに変換するコリメートレンズ５６およびレーザ素子が搭載されたレーザユニット５７が設けられている。なお、レーザ素子としては半導体レーザを用いることができ、レーザユニット５７にはレーザ素子の温度を調整するペルチェ素子を搭載することができる。
【００１５】
また、ガス濃度測定装置の受信側には、測定対象ガスを透過したレーザ光を集光する集光レンズ６０、測定対象ガスを透過したレーザ光を検出する光検出部６１および測定対象ガスを透過したレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出する受信部基板６２が設けられている。なお、光検出部６１としては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。
【００１６】
ここで、送信部基板５４、コリメートレンズ５６およびレーザユニット５７はハウジング５８に収容されるとともに、集光レンズ６０、光検出部６１および受信部基板６２はハウジング５９に収容されている。そして、煙道などの測定対象ガスが流れる配管などの隔壁５１ａ、５１ｂには、フランジ５２ａ、５２ｂが溶接などの方法にて取り付けられる。そして、送信部基板５４、コリメートレンズ５６およびレーザユニット５７が収容されたハウジング５８は、ウェッジ窓５５ａにて配管内と仕切られるようにしてフランジ５２ａに取り付けられるとともに、集光レンズ６０、光検出部６１および受信部基板６２が収容されたハウジング５９は、ウェッジ窓５５ｂにて配管内と仕切られるようにしてフランジ５２ｂに取り付けられる。
【００１７】
そして、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍでレーザ素子の出力が周波数変調されながら、レーザ光がレーザユニット５７から出射され、コリメートレンズ５６にて平行ビームに変換された後、ウェッジ窓５５ａを介して隔壁５１ａ、５１ｂ間の測定対象ガスを透過する。そして、測定対象ガスを透過したレーザ光は、測定対象ガスのガス分子の吸収線に対応した波長の吸収を受けた後、ウェッジ窓５５ｂを介して集光レンズ６０に入射し、集光レンズ６０にて光検出部６１上に集光される。そして、光検出部６１にレーザ光が入射すると、光検出部６１にて電気信号に変換され、その電気信号が受信部基板６２に送られる。そして、光検出部６１にて変換された電気信号が受信部基板６２に送られると、レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比が受信部基板６２にて算出される。そして、レーザ光が周波数変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて、隔壁５１ａ、５１ｂ間の測定対象ガスの濃度を算出することができる。
【００１８】
ここで、送信部基板５４は、レーザユニット５７から出射されるレーザ光の波長が隔壁５１ａ、５１ｂ間の測定対象ガスの吸収ピーク波長に一致するようにレーザ素子の温度を設定した上で、その吸収ピーク波長からシフトされた波長を基準とする波長変調を行いながらレーザ素子の駆動電流を制御することにより、隔壁５１ａ、５１ｂ間の測定対象ガスの吸収波長とレーザユニット５７に搭載されたレーザ素子の発光波長とを合わせることができる。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示すブロック図である。
図２において、図１のレーザユニット５７には、半導体レーザ４１および温度設定部４２が搭載されている。なお、温度設定部４２としては、例えば、ペルチェ素子を用いることができる。また、図１の送信部基板５４には、半導体レーザ４１に駆動電流を注入するレーザ駆動部１１、半導体レーザ４１から出射されるレーザ光を基本波で周波数変調する周波数変調部１２および半導体レーザ４１に注入される駆動電流を制御する駆動電流制御部１３が設けられている。
【００２０】
また、図１の受信部基板６２には、光検出部６１にて検出されたレーザ光から基本波成分を検出する基本波成分検出部２１、光検出部６１にて検出されたレーザ光から２倍波成分を検出する２倍波成分検出部２２、光検出部６１にて検出されたレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出する振幅比算出部２３および光検出部６１にて検出された基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出部２４が設けられている。
【００２１】
そして、周波数変調部１２は、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザ４１の出力が周波数変調されるようにレーザ駆動部１１を制御することにより、その周波数変調されたレーザ光が半導体レーザ４１から出射され、測定対象ガスを透過する。そして、測定対象ガスを透過したレーザ光は、測定対象ガスのガス分子の吸収線に対応した吸収を受けた後、光検出部６１に入射する。そして、光検出部６１にレーザ光が入射すると、光検出部６１にて電気信号に変換され、基本波成分検出部２１および２倍波成分検出部２２にてレーザ光の基本波成分と２倍波成分とがそれぞれ抽出される。そして、基本波成分検出部２１および２倍波成分検出部２２にて抽出されたレーザ光の基本波成分と２倍波成分は振幅比算出部２３に送られ、レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比が振幅比算出部２３にて算出された後、温度設定部４２に送られる。
【００２２】
ここで、レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比が振幅比算出部２３にて算出される時に、温度設定部４２は半導体レーザ４１の温度を変化させることができる。そして、温度設定部４２は、レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比と半導体レーザ４１の温度との関係を取得し、レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるようにレーザ素子の温度を設定することができる。
【００２３】
そして、レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるように半導体レーザ４１の温度が設定されると、駆動電流制御部１３は、レーザ光の波長が吸収ピーク波長λｃから長波長側にシフトされるように半導体レーザ４１の駆動電流を制御する。そして、周波数変調部１２は、吸収ピーク波長λｃから長波長側にシフトされた波長λＬを基準として半導体レーザ４１の出力が周波数変調されるようにレーザ駆動部１１を制御することにより、波長λＬを基準として波長変調されたレーザ光が半導体レーザ４１から出射され、測定対象ガスを透過する。
【００２４】
そして、測定対象ガスを透過したレーザ光は、測定対象ガスのガス分子の吸収線に対応した吸収を受けた後、光検出部６１に入射する。そして、光検出部６１にレーザ光が入射すると、光検出部６１にて電気信号に変換され、基本波成分検出部２１および２倍波成分検出部２２にてレーザ光の基本波成分と２倍波成分とがそれぞれ抽出される。そして、基本波成分検出部２１および２倍波成分検出部２２にて抽出されたレーザ光の基本波成分と２倍波成分は振幅比算出部２３に送られ、レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比が振幅比算出部２３にて算出された後、駆動電流制御部１３に送られる。
【００２５】
また、駆動電流制御部１３は、吸収ピーク波長λｃから短波長側にシフトされるように半導体レーザ４１の駆動電流を制御する。そして、周波数変調部１２は、吸収ピーク波長λｃから短波長側にシフトされた波長λｓを基準として半導体レーザ４１の出力が周波数変調されるようにレーザ駆動部１１を制御することにより、波長λｓを基準として波長変調されたレーザ光が半導体レーザ４１から出射され、測定対象ガスを透過する。
【００２６】
そして、測定対象ガスを透過したレーザ光は、測定対象ガスのガス分子の吸収線に対応した吸収を受けた後、光検出部６１に入射する。そして、光検出部６１にレーザ光が入射すると、光検出部６１にて電気信号に変換され、基本波成分検出部２１および２倍波成分検出部２２にてレーザ光の基本波成分と２倍波成分とがそれぞれ抽出される。そして、基本波成分検出部２１および２倍波成分検出部２２にて抽出されたレーザ光の基本波成分と２倍波成分は振幅比算出部２３に送られ、レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比が振幅比算出部２３にて算出された後、駆動電流制御部１３に送られる。
【００２７】
なお、レーザ光の波長を吸収ピーク波長λｃから長波長側および短波長側にシフトさせる場合、波長のずれ量Δλは、測定対象ガスの吸収線幅の範囲内においてΔλ＝λｃ−λＬ＝λｃ−λｓとなるように設定することが好ましい。
そして、駆動電流制御部１３は、波長λＬを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比と、波長λｓを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比とを受け取ると、波長λＬを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比と、波長λｓを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比とを比較する。
【００２８】
そして、駆動電流制御部１３は、波長λＬを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比と、波長λｓを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比とが一致するようになるまで、半導体レーザ４１の駆動電流を制御しながら、波長λＬを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比と、波長λｓを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比との比較を繰り返す。
【００２９】
そして、波長λＬを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比と、波長λｓを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比とが一致すると、駆動電流制御部１３は、それらの振幅比が一致するような吸収ピーク波長λｃを基準として波長変調されるように半導体レーザ４１の駆動電流を設定する。
【００３０】
例えば、レーザ駆動部１１は、吸収ピーク波長λｃを基準としてレーザ光を波長変調する場合、３０ｍＡ±５ｍＡの電流で半導体レーザ４１を駆動し、波長λＬを基準としてレーザ光を波長変調する場合、４０ｍＡ±５ｍＡの電流で半導体レーザ４１を駆動し、波長λｓを基準としてレーザ光を波長変調する場合、２０ｍＡ±５ｍＡの電流で半導体レーザ４１を駆動することができる。
【００３１】
そして、ガス濃度算出部２４は、波長λＬを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比と、波長λｓを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比とが一致するような吸収ピーク波長λｃを基準として波長変調された時の基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて、隔壁５１ａ、５１ｂ間の測定対象ガスの濃度を算出することができる。
【００３２】
これにより、半導体レーザ４１の発光波長が測定対象ガスの吸収ピーク波長λｃに一致するように半導体レーザ４１の温度を設定した上で、吸収ピーク波長λｃからシフトされた波長を基準とする波長変調を行いながら半導体レーザ４１の駆動電流を制御することにより、測定対象ガスの成分が環境によって変動したり、測定対象ガスの吸収波長が温度によって変動したりする場合においても、参照ガスセルを用いることなく、測定対象ガスの吸収ピーク波長λｃと半導体レーザ４１の発光波長とを合わせることが可能となり、測定環境に依存することなく、ガス濃度の計測精度を向上させることが可能となる。
【００３３】
図３は、本発明の一実施形態に係る周波数変調方式によるガス濃度の測定原理を説明する図である。
図３において、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザ４１の出力を周波数変調し、測定対象ガスに照射されたものとする。ここで、測定対象ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、光検出部６１では変調周波数ｆｍの２倍の周波数の成分（２倍波成分）が得られる。ここで、変調周波数ｆｍは任意の周波数でよいので、例えば、変調周波数ｆｍを数ｋＨｚ程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）または汎用のプロセッサを用い高度な信号処理を施すことが可能となる。
【００３４】
そして、半導体レーザ４１と光検出部６１との距離に起因するレーザ光の減衰量の影響を周波数変調方式にてキャンセルするためには、半導体レーザ４１の出力に周波数変調を行うと同時に変調周波数ｆｍで振幅変調を行えばよく、半導体レーザ４１の出力に周波数変調をかけることで振幅変調もかけることができる。そして、光検出部６１でエンベロープ検波を行うことで振幅変調による基本波成分を推定することができ、この基本波成分の振幅と２倍波成分の振幅の比を位相同期させて取ることで、半導体レーザ４１と光検出部６１との距離に依存することなく、測定対象ガスの濃度に比例した値を得ることができる。
【００３５】
図４は、本発明の一実施形態に係るレーザ光の中心周波数制御方法を示す図である。
図４において、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで周波数変調された半導体レーザ４１の出力が測定対象ガスに照射されると、測定対象ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ２次関数となっているので、光検出部６１では変調周波数ｆｍの２倍の周波数の成分（２倍波成分）が得られる。
【００３６】
そして、レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比を振幅比算出部２３にて算出する場合、温度設定部４２は半導体レーザ４１の温度を変化させることができる。そして、温度設定部４２は、レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比と半導体レーザ４１の温度との関係を取得し、レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるようにレーザ素子の温度を設定することにより、半導体レーザ４１の波長を吸収ピーク波長λｃに合わせることができる。
【００３７】
また、レーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比が最大になるように半導体レーザ４１の温度が温度設定部４２にて設定されると、駆動電流制御部１３は、測定対象ガスの吸収線幅の範囲内で長波長側および短波長側に同一のずれ量Δλだけシフトされた波長λＬ、λｓをそれぞれ基準として周波数変調ＫＬ、Ｋｓが行われた時の基本波成分と２倍波成分との振幅比が一致するように、半導体レーザ４１の駆動電流を制御することができる。
【００３８】
そして、駆動電流制御部１３は、波長λＬを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比と、波長λｓを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比とが一致するような吸収ピーク波長λｃを基準として波長変調されるように半導体レーザ４１の駆動電流を設定し、ガス濃度算出部２４は、その吸収ピーク波長λｃを基準として波長変調Ｋｃが行われた時の基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて、測定対象ガスの濃度を算出することができる。
【００３９】
ここで、波長λＬを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比が、波長λｓを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比よりも大きい場合、温度設定部４２にて設定された発光波長が吸収ピーク波長λｃに対して長波長側にずれていることから、駆動電流制御部１３は、半導体レーザ４１の駆動電流を減少させることで、半導体レーザ４１の発光波長を短波長側にずらすことで、半導体レーザ４１の発光波長を吸収ピーク波長λｃに近づけることができる。
【００４０】
また、波長λＬを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比が、波長λｓを基準として波長変調された時のレーザ光の基本波成分と２倍波成分との振幅比よりも小さい場合、温度設定部４２にて設定された発光波長が吸収ピーク波長λｃに対して短波長側にずれていることから、駆動電流制御部１３は、半導体レーザ４１の駆動電流を増加させることで、半導体レーザ４１の発光波長を長波長側にずらすことで、半導体レーザ４１の発光波長を吸収ピーク波長λｃに近づけることができる。
【００４１】
図５は、本発明の一実施形態に係る駆動電流と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図５において、半導体レーザ４１の発光波長は駆動電流が増加するに従って長くなる。このため、半導体レーザ４１の駆動電流を制御することにより、半導体レーザ４１の発光波長を調整することができる。
図６は、本発明の一実施形態に係る温度と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
図６において、半導体レーザ４１の発光波長は温度が増加するに従って長くなる。このため、半導体レーザ４１の温度を制御することにより、半導体レーザ４１の発光波長を調整することができる。
【００４２】
図７は、本発明の一実施形態に係るＨＣＮが封入されたガスセルにレーザ光を照射した時の発光波長と受光電圧との関係を示す図である。なお、Ｐ１はガスセルがある場合、Ｐ２はガスセルがない場合の波形を示す。
図７において、気体状のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトルがある。そして、レーザ光をガスセルに照射した場合、そのガス分子に固有の光吸収スペクトルの波長でレーザ光が吸収されることから、その波長の位置で光検出部６１による受光電圧が低下する。
そして、図５および図６に示すように、半導体レーザ４１の発光波長は駆動電流または温度によって変化することから、半導体レーザ４１の駆動電流または温度を制御することにより、半導体レーザ４１の発光波長を吸収ピーク波長λｃに一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るガス濃度測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る周波数変調方式によるガス濃度の測定原理を説明する図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るレーザ光の中心周波数制御方法を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る駆動電流と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る温度と半導体レーザの発光波長との関係を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るＨＣＮが封入されたガスセルにレーザ光を照射した時の発光波長と受光電圧との関係を示す図である。
【図８】従来の周波数変調方式におけるガス濃度測定装置の概略構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１１  レーザ駆動部
１２  周波数変調部
１３  駆動電流制御部
２１  基本波成分検出部
２２  ２倍波成分検出部
２３  振幅比算出部
２４  ガス濃度算出部
４１  半導体レーザ
４２  温度設定部
５１ａ、５１ｂ  隔壁
５２ａ、５２ｂ  フランジ
５４  送信部基板
５５ａ、５５ｂ  ウェッジ窓
５６  コリメートレンズ
５７  レーザユニット
５８、５９  ハウジング
６０  集光レンズ
６１  光検出部
６２  受信部基板
【図１】
2008147557.tif 000003
【図２】
2008147557.tif 000004
【図３】
2008147557.tif 000005
【図４】
2008147557.tif 000006
【図５】
2008147557.tif 000007
【図６】
2008147557.tif 000008
【図７】
2008147557.tif 000009
【図８】
2008147557.tif 000010