(57)【要約】【課題】  簡易な構成により、複数の環境ガスを同時に計測する。【解決手段】  励起光を出力する励起光レーザ１１と、少なくとも２以上の複数の信号光であって、各々の信号光と励起光とが複数の環境ガスの吸収線に応じた異なる差周波光となるように、各々が異なる光周波数を有し、異なる変調周波数で変調された信号光を出力する複数の信号光レーザ１２と、非線形光学結晶からなり、励起光と複数の信号光とを入射して、複数の差周波光を出力する波長変換素子１３と、複数の環境ガスを透過した複数の差周波光を入射して、電気信号を出力する受光器１５と、電気信号を各々の変調周波数でロックイン検波して、各々の差周波光の強度に応じた測定値を出力するロックインアンプ１６とを備えた。【選択図】  図１
2007078566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスにレーザ光を照射して環境ガスの計測を行うガス計測装置において、
励起光を出力する励起光レーザと、
少なくとも２以上の複数の信号光であって、各々の信号光と前記励起光とが複数の環境ガスの吸収線に応じた異なる差周波光となるように、各々が異なる光周波数を有し、異なる変調周波数で変調された信号光を出力する複数の信号光レーザと、
非線形光学結晶からなり、前記励起光と前記複数の信号光とを入射して、複数の差周波光を出力する波長変換素子と、
前記複数の環境ガスを透過した前記複数の差周波光を入射して、電気信号を出力する受光手段と、
前記電気信号を各々の前記変調周波数でロックイン検波して、各々の差周波光の強度に応じた測定値を出力する計測手段と
を備えたことを特徴とするガス計測装置。
【請求項２】
前記複数の信号光レーザは、波長可変光源であり、
前記計測手段は、前記複数の信号光レーザを波長掃引することにより、各々の前記複数の環境ガスに応じた吸収スペクトルを出力することを特徴とする請求項１に記載のガス計測装置。
【請求項３】
前記複数の信号光レーザは、ＤＦＢ−ＬＤであり、注入電流を前記異なる変調周波数で変調して、信号光を出力することを特徴とする請求項１に記載のガス計測装置。
【請求項４】
前記複数の信号光レーザの前記注入電流を、さらに周期的に掃引するために第２の変調周波数で変調し、
前記計測手段は、前記ロックイン検波された電気信号を前記第２の変調周波数で掃引することにより、各々の前記複数の環境ガスに応じた吸収スペクトルを出力することを特徴とする請求項３に記載のガス計測装置。
【請求項５】
前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のガス計測装置。
【請求項６】
前記非線形光学結晶は、導波路構造を有することを特徴とする請求項５に記載のガス計測装置。
【請求項７】
前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｋ（ｙ）Ｌｉ（１−ｙ）Ｎｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＫＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項５または６に記載のガス計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中赤外光を用いて環境ガスの計測を行うガス計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題が大きくクローズアップされ、排ガス中のＮＯｘ低減、ダイオキシンの排出抑制などが求められている。ＮＯｘを低減する方法として、排気ガス中にＮＨ３を添加することにより、触媒の作用でＮＯｘをＮ２とＨ２Ｏに分解することが行われている。このとき、ＮＨ３の添加量を適切に制御するために、ＮＨ３とＮＯｘのガス濃度を同時に計測する必要がある。
【０００３】
ダイオキシンの発生源のひとつである焼却炉においては、炉の燃焼状態を制御することにより、ダイオキシンの発生を抑制することができる。燃焼状態を監視するためには、焼却炉中の温度、ＣＯ濃度、酸素濃度を同時に計測することが必要とされる。
【０００４】
また、環境ガス中の同位体元素比を調べることにより、地球環境の変化を調べることも行われている。炭素を例にとると、１３Ｃと１２Ｃという異なる原子質量を有する元素からなる分子の濃度を計測する必要がある。
【０００５】
ガス濃度を計測する一手法として、被測定ガスにレーザ光を当て、その吸収特性を観測する方法が知られている。ガスは、それぞれ特有の吸収線を有しているので、吸収線付近の波長を有するレーザ光をスキャンし、吸収スペクトルを観測することによりガス濃度を計測することができる。レーザ光に要求される点は、単色光、すなわちシングルモードのレーザ光であること、数ｍＷから数十ｍＷのガス検知に適した出力であること、波長スキャンが安定して可能なこと、長寿命であることなどが挙げられる。このようなガス濃度を計測するための光源として、擬似位相整合型波長変換素子による差周波発生により、ガスの吸収線波長である中赤外領域のレーザ光を出力する光源が多数発表されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】D. G. Lancaster, et al., “High-power continuous-wave mid-infrared radiation generated by difference frequency mixing of diode-laser-seeded fiber amplifiers and its application to dual-beam spectroscopy”, Optics Lett., Vol.24, No.23, 1999
【非特許文献２】K. Wake, et al., “Instantaneous measurement of NH3 and NOx by using near- and mid-infrared coherent light sources”, CLEO/QELS 2005, JTuC48
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、複数のガスを同時に計測する場合には、環境ガスの種類に応じて、複数の光源と受光器を並列に配置して測定するという方法がとられてきた。そこで、波長変換素子による差周波発生により出力された中赤外光と、差周波を発生するために波長変換素子に入射した信号光が透過した光とを用いて、２種類のガスを同時に計測することが行われている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００８】
しかしながら、上述した計測方法では、ガスを透過してきた２つの光のうち、一方を受光器で検出し、他方を遮光しておく必要がある。または、２つの光を分波し別個の受光器で検出する必要がある。従って、複数のガスを同時に計測する場合に、光源を１つにすることはできるが、依然として複数の受光器が必要であり、計測装置の小型化を図ることができないという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡易な構成により、複数の環境ガスを同時に計測することができるガス計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、被測定ガスにレーザ光を照射して環境ガスの計測を行うガス計測装置において、励起光を出力する励起光レーザと、少なくとも２以上の複数の信号光であって、各々の信号光と前記励起光とが複数の環境ガスの吸収線に応じた異なる差周波光となるように、各々が異なる光周波数を有し、異なる変調周波数で変調された信号光を出力する複数の信号光レーザと、非線形光学結晶からなり、前記励起光と前記複数の信号光とを入射して、複数の差周波光を出力する波長変換素子と、前記複数の環境ガスを透過した前記複数の差周波光を入射して、電気信号を出力する受光手段と、前記電気信号を各々の前記変調周波数でロックイン検波して、各々の差周波光の強度に応じた測定値を出力する計測手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガス計測装置において、前記複数の信号光レーザは、波長可変光源であり、前記計測手段は、前記複数の信号光レーザを波長掃引することにより、各々の前記複数の環境ガスに応じた吸収スペクトルを出力することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の前記複数の信号光レーザは、ＤＦＢ−ＬＤであり、注入電流を前記異なる変調周波数で変調して、信号光を出力することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のガス計測装置において、前記複数の信号光レーザの前記注入電流を、さらに周期的に掃引するために第２の変調周波数で変調し、前記計測手段は、前記ロックイン検波された電気信号を前記第２の変調周波数で掃引することにより、各々の前記複数の環境ガスに応じた吸収スペクトルを出力することを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の前記非線形光学結晶は、導波路構造を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載の前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｋ（ｙ）Ｌｉ（１−ｙ）Ｎｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＫＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、１つの波長変換素子と、１つの受光手段とにより、複数の環境ガスの吸収線に応じた差周波光強度を測定するので、計測装置の小型化を図るとともに、複数の環境ガスを同時に計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。非線形光学結晶からなる波長変換素子による差周波発生を利用する場合、複数の信号光を波長変換素子に入射すると、各々の信号光と励起光との差周波の光がそれぞれ発生する。ここで、複数の信号光は、各々の信号光と励起光とが複数の環境ガスの吸収線に応じた異なる差周波光となるように、各々が異なる光周波数を有している。各々の信号光を異なる周波数で変調してから、波長変換素子において差周波発生を行い、被測定ガスを透過した光を、１つの受光器で検出する。受光器からの電気信号を、ロックインアンプを用いて各々の変調周波数成分を個別に取り出すことにより、複数のガスを同時に計測することができる。
【００１９】
図１を参照して、測定原理を説明する。ここでは、ｎ種類のガスの濃度を同時に計測する場合について説明する。光源として、励起光を出力する励起光レーザ１１と、ｎ個の信号光レーザ１２−１〜１２−ｎとを備えている。信号光レーザの各々は、ｎ種類のガスの吸収線波長に応じた異なる差周波光となるように、各々が異なる光周波数を有する信号光を出力する。信号光レーザ１２−１〜１２−ｎは、それぞれ周波数ｆ１〜ｆｎの変調周波数で変調された信号光１〜ｎを出力する。
【００２０】
信号光１〜ｎは、ミラーＭ１〜ｎにより合波され、さらにミラーＭｐにより励起光と合波されて、非線形光学結晶からなる波長変換素子１３に入射される。波長変換素子１３では、励起光と信号光１〜ｎとの差周波数の光が発生する。波長変換素子１３から出力された光は、励起光と信号光１〜ｎとをカットするフィルタ１４により、差周波光のみが透過して、被測定ガスに入射される。
【００２１】
被測定ガスを透過した差周波光を、受光器１５で検出し、電気信号としてロックインアンプ１６−１〜１６−ｎに出力する。ｎ個のロックインアンプ１６−１〜１６−ｎは、それぞれ周波数ｆ１〜ｆｎの変調周波数成分を検出する。このようにして、ｎ種類のガスの吸収線波長に応じた差周波光強度を検出することにより、各々のガス濃度を同時に測定することができる。
【実施例１】
【００２２】
図２に、本発明の実施例１にかかる計測装置の構成を示す。ここでは、２種類のガスの濃度を同時に計測する場合について説明する。光源として、励起光を出力する励起光レーザ２１と、２種類のガスの吸収線波長に応じた波長を、それぞれ出力する２個の信号光レーザ２２−１，２２−２とを備えている。信号光レーザ２２−１，２２−２から出力された光は、レンズ２８−１，２８−２により平行光となり、チョッパの回転円盤３１に形成された２種類のスリットをそれぞれ通過することにより、周波数ｆ１，ｆ２にチョッピングされる。
【００２３】
信号光１，２は、ミラーＭ１，Ｍ２により合波され、さらにミラーＭｐにより励起光と合波されて、周期的な分極反転構造が形成されたＬｉＮｂＯ３結晶からなる波長変換素子２３に入射される。波長変換素子２３では、励起光と信号光１との差周波数の光、および励起光と信号光２との差周波数の光が発生する。波長変換素子２３から出力された２つの差周波光は、レンズ２９を介して、励起光と信号光１，２とをカットするフィルタ２４に入射される。フィルタ２４から２つの差周波光のみが透過し、被測定ガスが充填されたマルチパスセル３２に入射される。
【００２４】
マルチパスセル３２において被測定ガスを透過した２つの差周波光を、受光器２５で検出し、電気信号としてロックインアンプ２６−１，２６−２に出力する。ロックインアンプ２６−１，２６−２は、回転円盤３１を制御するチョッパの制御部３０から、周波数ｆ１，ｆ２に応じた同期信号を入力し、ロックイン検波を行う。ロックインアンプ２６−１，２６−２のそれぞれは、被測定ガスを透過したそれぞれの差周波光の強度に応じた出力値を得る。このようにして得られた２つの出力値を換算することにより、２種類のガス濃度を同時に測定することができる。
【００２５】
図３に、実施例１にかかる計測装置で測定した吸収スペクトルを示す。励起光レーザ２１を波長９８０ｎｍの半導体レーザとし、信号光レーザ２２−１，２２−２を１．５５μｍ帯波長可変光源とする。波長変換素子２３は、反転周期２８．７μｍ、結晶長１ｃｍのＬｉＮｂＯ３結晶を用いる。チョッパ３０は、周波数ｆ１＝１６８Ｈｚ、ｆ２＝１４０Ｈｚとなるように回転円盤３１を制御して、信号光１，２を変調する。マルチパスセル３２には、ＮＯガスとＣＯ２ガスとを、窒素ガスをバッファガスとして充填する。
【００２６】
図３（ａ）に、ＮＯガスの吸収スペクトルを示す。信号光レーザ２２−１を、波長１５４８〜１５５５ｎｍで掃引すると、波長変換素子２３から２６５０〜２６７０ｎｍの差周波光が出力され、吸収スペクトルを計測することができる。図３（ｂ）に、ＣＯ２ガスの吸収スペクトルを示す。信号光レーザ２２−２を、波長１５４１〜１５４７ｎｍで掃引すると、波長変換素子２３から２６７５〜２６９０ｎｍの差周波光が出力され、吸収スペクトルを計測することができる。
【実施例２】
【００２７】
図４に、本発明の実施例２にかかる計測装置の構成を示す。ここでは、２種類のガスの濃度を同時に計測する場合について説明する。光源として、励起光を出力する励起光レーザ４１と、２種類のガスの吸収線波長に応じた波長を、それぞれ出力する２個の信号光レーザ４２−１，４２−２とを備えている。信号光レーザ４２−１，４２−２から出力された光は、変調器４７−１，４７−２により変調される。発振器４８−１，４８−２から出力された変調信号は、制御部５３−１，５３−２に入力され、制御部５３−１，５３−２は、発振器４８−１，４８−２の変調周波数ｆ１，ｆ２に応じて、変調器４７−１，４７−２を制御する。
【００２８】
信号光１，２は、合波器５０により合波され、さらに合波器４９により励起光と合波されて、周期的な分極反転構造が形成されたＬｉＮｂＯ３結晶からなる波長変換素子４３に入射される。波長変換素子４３では、励起光と信号光１との差周波数の光、および励起光と信号光２との差周波数の光が発生する。波長変換素子４３から出力された２つの差周波光は、レンズ５１を介して、励起光と信号光１，２とをカットするフィルタ４４に入射される。フィルタ４４から２つの差周波光のみが透過し、被測定ガスが充填されたガスセル５２−１，５２−２に入射される。
【００２９】
ガスセル５２−１，５２−２において被測定ガスを透過した２つの差周波光を、受光器４５で検出し、電気信号としてロックインアンプ４６−１，４６−２に出力する。ロックインアンプ４６−１，４６−２は、発振器４８−１，４８−２から出力された周波数ｆ１，ｆ２の変調信号を入力し、ロックイン検波を行う。ロックインアンプ４６−１，４６−２のそれぞれは、被測定ガスを透過したそれぞれの差周波光の強度に応じた出力値を得る。このようにして得られた２つの出力値を換算することにより、２種類のガス濃度を同時に測定することができる。
【００３０】
図５に、実施例２にかかる計測装置で測定した吸収スペクトルを示す。励起光レーザ４１を波長９４０ｎｍの半導体レーザとし、信号光レーザ４２−１，４２−２を１．５５μｍ帯波長可変光源とする。波長変換素子２３は、反転周期２５．６μｍ、結晶長３ｃｍであり、導波路が形成されたＬｉＮｂＯ３結晶を用いる。発振器４８−１，４８−２は、それぞれ周波数ｆ１＝１７０Ｈｚ、ｆ２＝２３０Ｈｚで発振し、信号光１，２を、変調器４７−１，４７−２により矩形波変調する。ガスセル５２−１には、１２ＣＯガスが充填され、ガスセル５２−２には、１３ＣＯガスが充填されている。
【００３１】
図５（ａ）に、１２ＣＯガスの吸収スペクトルを示す。信号光レーザ４２−１を、波長１５６６〜１５８１ｎｍで掃引すると、波長変換素子４３から２３２０〜２３５０ｎｍの差周波光が出力され、吸収スペクトルを計測することができる。図５（ｂ）に、１３ＣＯガスの吸収スペクトルを示す。信号光レーザ４２−２を、波長１５３１〜１５４４ｎｍで掃引すると、波長変換素子４３から２６０５〜２４３５ｎｍの差周波光が出力され、吸収スペクトルを計測することができる。
【００３２】
実施例２では、信号光１，２を、変調器４７−１，４７−２により矩形波変調したが、正弦波変調を行ってもよい。正弦波変調を行ったときに得られるスペクトルは、吸収曲線の微分値の曲線が得られる。
【実施例３】
【００３３】
図６に、本発明の実施例３にかかる計測装置の構成を示す。ここでは、２種類のガスの濃度を同時に計測する場合について説明する。光源として、励起光を出力する励起光レーザ６１と、２種類のガスの吸収線波長に応じた波長を、それぞれ出力する２個の信号光レーザ６２−１，６２−２とを備えている。信号光レーザ６２−１，６２−２は、ＤＦＢ（Distributed FeedBack）−ＬＤを用いて、電流制御部７５−１，７５−２により注入電流を制御する。発振器６７−１，６７−２から出力された変調信号は、電流制御部７５−１，７５−２に入力され、電流制御部７５−１，７５−２は、発振器６７−１，６７−２の変調周波数ｆ１，ｆ２に応じて、信号光１，２を正弦波変調する。さらに、発振器６８から出力された変調信号により、周波数ｆ１，ｆ２（変調周波数）で変調された注入電流の中心電流値に対して、周波数ｆ（第２の変調周波数）のノコギリ波で周期的に掃引する。
【００３４】
信号光１，２は、合波器７０により合波され、さらに合波器６９により励起光と合波されて、周期的な分極反転構造が形成されたＬｉＮｂＯ３結晶からなる波長変換素子６３に入射される。波長変換素子６３では、励起光と信号光１との差周波数の光、および励起光と信号光２との差周波数の光が発生する。波長変換素子６３から出力された２つの差周波光は、レンズ７１を介して、励起光と信号光１，２とをカットするフィルタ６４に入射される。フィルタ６４から２つの差周波光のみが透過し、被測定ガスが充填されたガスセル７２−１，７２−２に入射される。
【００３５】
ガスセル７２−１，７２−２において被測定ガスを透過した２つの差周波光を、受光器６５で検出し、電気信号としてロックインアンプ６６−１，６６−２に出力する。発振器６７−１，６７−２から出力された変調信号を、逓倍器７３−１，７３−２により逓倍し、ロックインアンプ６６−１，６６−２に入力して、周波数ｆ１，ｆ２の２倍波成分を観測する。ロックインアンプ６６−１，６６−２の出力をオシロスコープ７４−１，７４−２に入力し、発振器６８から出力された変調信号の周期で、スペクトルを計測する。このようにして得られた２つのスペクトルから濃度を換算することにより、２種類のガス濃度を同時に測定することができる。
【００３６】
図７に、実施例３にかかる計測装置で測定した吸収スペクトルを示す。励起光レーザ６１を波長９４０ｎｍの半導体レーザとし、信号光レーザ６２−１を波長１５７４ｎｍのＤＦＢ−ＬＤとし、信号光レーザ６２−２を波長１５３９ｎｍのＤＦＢ−ＬＤとする。波長変換素子６３は、反転周期２５．６μｍ、結晶長３ｃｍであり、導波路が形成されたＬｉＮｂＯ３結晶を用いる。発振器６７−１，６７−２は、それぞれ周波数ｆ１＝１７ｋＨｚ、ｆ２＝２３ｋＨｚの変調信号を出力し、発振器６８は、周波数ｆ＝１０Ｈｚの変調信号を出力する。ガスセル７２−１には、１２ＣＯガスが充填され、ガスセル７２−２には、１３ＣＯガスが充填されている。
【００３７】
図７（ａ）に、オシロスコープ７４−１で観測された１２ＣＯガスの吸収スペクトルを示し、図７（ｂ）に、オシロスコープ７４−２で観測された１３ＣＯガスの吸収スペクトルを示す。信号光レーザ４２−２を、波長１５３１〜１５４４ｎｍで掃引すると、波長変換素子４３から２６０５〜２４３５ｎｍの差周波光が出力され、吸収スペクトルを計測することができる。
【００３８】
実施例３では、信号光レーザ６２−１，６２−２の注入電流を、発振器６８によりノコギリ波変調したが、三角波変調を行ってもよい。また、発振器６８を２つ用いて、信号光レーザ６２−１，６２−２のそれぞれの注入電流を、異なる周波数で変調してもよい。
【００３９】
なお、実施例１〜３において、波長変換素子は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｋ（ｙ）Ｌｉ（１−ｙ）Ｎｂ（ｘ）Ｔａ（１−ｘ）Ｏ３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＫＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している非線形光学結晶を用いることができる。波長変換素子は、周期的な分極反転構造を有しており、さらに導波路構造を有することにより、波長変換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる測定原理を説明するための図である。
【図２】本発明の実施例１にかかる計測装置の構成を示す図である。
【図３】実施例１にかかる計測装置で測定した吸収スペクトルを示す図である。
【図４】本発明の実施例２にかかる計測装置の構成を示す図である。
【図５】実施例２にかかる計測装置で測定した吸収スペクトルを示す図である。
【図６】本発明の実施例３にかかる計測装置の構成を示す図である。
【図７】実施例３にかかる計測装置で測定した吸収スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１，２１，４１，６１  励起光レーザ
１２，２２，４２，６２  信号光レーザ
１３，２３，４３，６３  波長変換素子
１４，２４，３４，６４  フィルタ
１５，２５，４５，６５  受光器
１６，２６，４６，６６  ロックインアンプ
２７，２８，２９，５１，７１  レンズ
３０  チョッパの制御部
３１  チョッパの回転円盤
３２  マルチパスセル
４７  変調器
４８  発振器
４９，５０，６９，７０  合波器
５２，７２  ガスセル
６７  電流源
６８  ノコギリ波発振器
７３  逓倍器
７４  オシロスコープ
【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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【図６】
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【図７】
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