ガス濃度測定装置
【課題】センサー部を電気・電子回路が存在しない完全防爆型としながら、装置のレイアウトを制約せず、しかも小型のガス濃度測定装置の提供。
【解決手段】レーザー出射窓に反射防止処理を施した半導体レーザー装置を含む光源部と、共振器、並びに、共振器と直交する方向に配置された集光系を含むセンサー部と、測定対象ガスからのラマン散乱光を検出する光検出器及び測定対象ガスの濃度を算出する制御部を含む検出部と、光源部及びセンサー部を接続する偏波保持光ファイバーと、センサー部及び検出部を接続する光ファイバーと、を備え、半導体レーザー装置から照射されたレーザー光を偏波保持光ファイバーを介して共振器に入射し、共振器内の光の一部を偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザーの発振部に戻して共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じこめることにより発振波長がロックされた狭帯域のレーザー光を発振するガス濃度測定装置。
【解決手段】レーザー出射窓に反射防止処理を施した半導体レーザー装置を含む光源部と、共振器、並びに、共振器と直交する方向に配置された集光系を含むセンサー部と、測定対象ガスからのラマン散乱光を検出する光検出器及び測定対象ガスの濃度を算出する制御部を含む検出部と、光源部及びセンサー部を接続する偏波保持光ファイバーと、センサー部及び検出部を接続する光ファイバーと、を備え、半導体レーザー装置から照射されたレーザー光を偏波保持光ファイバーを介して共振器に入射し、共振器内の光の一部を偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザーの発振部に戻して共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じこめることにより発振波長がロックされた狭帯域のレーザー光を発振するガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器内に存在する測定対象ガスの濃度を測定するためのラマン散乱光を利用したガス濃度測定装置に関し、例えば、共振器を開放形とすることで大気中のガス濃度が測定され、また共振器を閉鎖系とすることで吸引したガスの濃度が測定される光ファイバー結合外部共振器型ガス濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大気中の公害物質の測定や、プラント施設での可燃性ガスや毒性ガスの発生監視などにガス検出器が広く使用されている。微量ガス検出方法として光学的方法、特にレーザー分光分析技術が盛んに研究されている。レーザー光を用いたガス検出手法としては、レーザー吸収分光法、レーザー誘起蛍光法、ラマン散乱分光法などがある。
【０００３】
ここで、ラマン散乱は、単色光を分子に照射したときに、散乱光の周波数が分子の振動周波数だけ変移する現象であり、この散乱光の周波数変移量は、照射した単色光の周波数に無関係で、物質に固有の量である。そのため、特定波長のレーザー光を測定対象の物質に照射すると、レーザー光が当たった物質から、レーザー光の波長と異なる波長のラマン散乱光が発生する。また、その散乱光の強度は、その物質の濃度に比例することが知られている。
【０００４】
ラマン散乱分光法を利用したガスの可視化ないし計測に関する技術としては、出願人が提案した、レーザー光により監視対象空間を走査し、当該レーザー光の波長をラマンシフトした波長に透過波長中心を有する第１の光学バンドパスフィルターによりラマン散乱光を集光し、１素子の受光素子により電気信号に変換し、第１の時間波形を測定すると共に、前記第１の光学バンドパスフィルターの透過光と波長域が異なる光を透過する第２の光学バンドパスフィルターにより特定波長の光を集光し、１素子の受光素子により電気信号に変換し、時間波形を測定し、続いて第１の時間波形と第２の時間波形との差分をとり、レーザー光の走査位置情報に基づいて監視対象空間の対応する位置座標を着色したラマン散乱光信号画像を作成し、それを監視対象空間の背景画像上に重畳表示することで水素ガスを可視化することを特徴とする水素ガス可視化方法及びそのシステム（特許文献１参照）、並びに、対象空間にレーザー光を照射し、窒素ガスからの散乱光を集光機構で集光し、第一の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第一工程、第一工程と同期して、対象空間にレーザー光を照射し、対象ガスの散乱光を集光機構で集光し、第二の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第二工程、窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光強度の強度比に基づいて対象空間における対象ガスの濃度を計算する第三工程、とを含むガス濃度遠隔計測方法および装置（特許文献２参照）がある。
【０００５】
また、小型で、短時間での測定が可能であり、故障が少なく、極めて実用的とされるガス検出器としては、例えば、半導体レーザーと、半導体レーザーから出力されたレーザー光の強度を高める外部共振器と、この外部共振器と並行に配置された散乱光集光用の半円柱レンズと、外部共振器の光軸を挟んで半円柱レンズの反対側に配置された散乱光反射用のミラーと、半円柱レンズを通じて集光された散乱光からラマン散乱光を抽出するフィルタと、このフィルタにより抽出されたラマン散乱光の強度を検出する光センサーとを備えるガス検出器がある（特許文献３参照）。
【０００６】
また、光フィードバックによる外部共振器型半導体レーザー（PLEC-DL）を利用したラマン散乱分析法による水素の検出技術が知られている。この文献に記載の技術では、ラマン散乱光を集光するための光学系としてロッドレンズを用い、反対側に出る散乱光をシリンドリカルミラーでロッドレンズ側に戻るように反射させ、平行に出てきた散乱光を一枚の両凸レンズで集光することにより、従来の光学系と対比して２．５８倍の集光率が得たことが報告されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２３２３７４号公報
【特許文献２】ＷＯ２００９／１０１６５９号公報
【特許文献３】特開２００５-１４０５５８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】山内 謙，佐藤 淳一，鄭 和翊，山口 滋，南里 憲三，藤岡 知夫著、“半導体レーザー外部共振器による微量可燃性ガス検出に関する研究”、レーザー学会第３５８回研究報告（２００７，２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ラマン散乱光の強度は極めて微弱であるため、ラマン散乱を利用してガス検出を行うには散乱光路長を長く取ることが必要となるため、ガス濃度測定装置が大型化したり、装置のレイアウトを自由に決定できないという問題がある。
また、測定装置を利用する環境が可燃ガスを扱うなどの防爆区域である場合においては、ガス濃度測定装置を防爆構造とする必要があるが、接触式のガスセンサのように電極にガスを直接接触させるなど完全な防爆構造のガス濃度測定装置は存在しなかった。
【００１０】
ところで、近年、燃料電池車両、家庭用燃料電池発電装置などの開発が行われ、それに伴い水素ガスを供給する水素ガスプラント、水素ステーション等の整備が進んでいる。水素ガスは常温常圧の空気中で濃度４％から７５％の範囲では急激に燃焼反応が進むため、低濃度から高濃度のガス濃度を迅速に測定するガスセンサが必要となる。接触式水素ガスセンサは高濃度のガスに接触すると復帰時間が遅くなることや、センサーの寿命が短くなるなどの短所があり、非接触の水素ガスセンサの開発が望まれている。
上述したように水素は４％の濃度で爆発するガスであり、高圧ガス保安法では、ガスセンサとして爆発下限濃度の１／４の濃度（１％）以下を測定する能力が求められており、漏洩した水素ガスが微量であっても迅速に検知できる水素ガスセンサの開発が望まれている。
また、水素ガスセンサとしては、インフラ設備等における設置型のものから、燃料電池車両等における搭載型のものまで求められており、いずれもメンテナンスの必要性が少ない非接触型のセンサーの開発が望まれている。
さらに、水素ガスの存在下に置かれるセンサー部を電気・電子回路が存在しない完全防爆型としながら、装置のレイアウトを制約せず、しかも小型のガス濃度測定装置の開発が望まれている。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決することを可能とするガス濃度測定装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するためには、ガス濃度に関係なく迅速に濃度測定が行え、かつ長寿命とするためには非接触型とすること、さらには、設置性・操作性が良くかつ完全防爆型とするには、センサー部に電気・電子機器を搭載せず複雑で耐振動性に劣る部品を用いないことが前提とされる。
また、微弱なラマン散乱光を検出するためには、レーザー光の強度を高める必要があるが、他方で小型化を実現するためには高出力のレーザー装置を用いることは好ましくない。そこで、本発明では、半導体レーザーを用いて装置全体の大きさを抑えると共に、外部共振器を用いてレーザー光の強度を高める構成を採用した。さらに、本発明では、共振器内で増強された光の一部を偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザー発振部に戻すことにより共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じ込めている。これにより、共振器内では入射レーザー光が数千倍に増強される。
さらに、センサー部へのレーザー光の伝送とセンサー部からのラマン散乱光の伝送に光ファイバーを用いることで、センサー部の電気・電子部品を皆無として完全防爆をはかっている。
【００１３】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
［１］レーザー出射窓に反射防止処理を施した半導体レーザー装置を含む光源部と、入射側に配置され第１の反射ミラーおよび第１の反射ミラーと対向する第２の反射ミラーとを備えてなる共振器、並びに、共振器内のレーザー光の電界と直交する方向に配置された集光系を含むセンサー部と、共振器内に存在する測定対象ガスからのラマン散乱光を検出する光検出器および測定対象ガスの濃度を算出する制御部を含む検出部と、光源部およびセンサー部を光学的に接続する偏波保持光ファイバーと、センサー部および検出部を光学的に接続する光ファイバーと、を備えたガス濃度測定装置であって、半導体レーザー装置から照射されたレーザー光を偏波保持光ファイバーを介して共振器に入射し、共振器内で増強された光の一部を偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザーの発振部に戻して共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じこめることにより発振波長がロックされた狭帯域のレーザー光を発振することを特徴とするガス濃度測定装置。
［２］前記共振器のレーザー光軸に対して集光系の反対側に配置した散乱光反射用曲面ミラーを備える［１］に記載のガス濃度測定装置。
［３］前記制御部は、前記半導体レーザーの発振を特定周波数で変調させ、この周波数に同期して受光信号を同期増幅して信号強度を測定する［１］または［２］に記載のガス濃度測定装置。
［４］さらに、前記第２の反射ミラーから漏れるレーザー光を測定する補正光測定器を備え、前記制御部は、補正光測定器における光量変化に基づいて、共振器内に照射されるレーザー光強度が一定になるように半導体レーザーの電流を制御する［１］ないし［３］のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
［５］前記制御部は、予め算出した検量線に基づき測定対象ガスからのラマン散乱光強度から濃度を換算するに際し、前記補正光測定器における光量変化に基づいて検量線を補正する［４］に記載のガス濃度測定装置。
［６］前記制御部は、前記半導体レーザーに組み込まれたフォトダイオードの信号強度に基づき半導体レーザー光の出力強度を一定に保つ［１］ないし［５］のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
［７］前記測定対象ガスが水素ガスである［１］ないし［６］のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光源部および検出部とセンサー部とを光ファイバーで接続したため、ガスと接するセンサー部には電気・電子回路がない完全防爆構造が実現可能である。
また、光ファイバーにより光源部、検出部およびセンサー部を接続するため、その構造上、各部のレイアウトの制約が少ない。
また、本発明は、非接触型のセンサー部を有し、迅速な濃度測定が行える。しかも、光学部品の汚れが生じた場合においても、検量線を自動補正することにより濃度値を精度よく算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のガス濃度計の装置全体の概要構成図である。
【図２】共振器内基本モードのフィードバック光とミラー裏面で反射した光のＬＤまでの経路を示す図である。
【図３】共振器内基本モードのフィードバック光とミラー裏面で反射した光がＬＤ端面に戻された状態を示す図である。
【図４】水素ガス濃度とラマン散乱光信号強度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、レーザー出射窓に反射防止処理を施した半導体レーザーの出射光を端面に反射防止膜処理を施した偏波保持光ファイバーを介して共振器に入射し、共振器内で増強された光の一部を前記偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザー発振部に戻すことにより共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じこめ、共振器内の直線偏光レーザー光の電界と直交する方向に集光系を配置し、共振器内に存在する分子からのラマン散乱光を集光して光ファイバーにより受光器に伝送し、受光器の前方に設置した測定対象分子のラマン散乱光波長を透過する光学バンドパスフィルターによって選択した測定対象分子のラマン散乱光波長の強度を受光素子で電気信号に変換し、その強度から測定対象分子の密度を計測する光ファイバー結合外部共振器型ガス濃度計に関するものである。
好ましくは、レーザー光軸に対して集光系の反対側に共振器からの光を集光系に反射する散乱光集光用曲面ミラーを配置する。
【００１７】
分子に電場がかかると分子の電子分布がわずかに変化する。この現象は分子の分極と称され、この分極によって起こるラマン散乱現象を利用して本発明は分子の濃度を測定するものである。
レーザー光の電場（電界）によって分極が起こると、散乱光は分極と直角な方向に強く放射される。このため、レーザー光の偏光を直線偏光となし、電界とは直角の方向からラマン散乱光を測定すると大きな信号が得られる。
一般的な半導体レーザーは楕円形のビームパターンで、短軸方向に偏光面を持つ直線偏光で発振する。そのため、偏波保持光ファイバーの偏光軸を半導体レーザー光の偏光面に合わせるように接続することで偏光を保持することが好ましい。
また、レーザーの直線偏光を保持した状態で共振器に導き、共振器内に直線偏光のレーザー光を閉じこめると、共振器内では閉じこめられたレーザー光の強度は強くなる。そこで、レーザー光の照射により共振器内部に存在するガスから発せられるラマン散乱光をレーザー偏光面に対して直角の方向から観測することにより大きな信号が得られる。
本発明ではこの現象を利用するために半導体レーザーからの直線偏光レーザー光を偏波保持光ファイバーを用いて偏光を保持して伝送する。ラマン散乱光はその強度だけを測定することで十分なため、集光されたラマン散乱光は通常の光ファイバー（シングルモードでもマルチモードでも良い）で伝送することができる。
【００１８】
本発明は、半導体レーザーから発せられたレーザー光を共振させると共に、その一部を半導体レーザーにフィードバックさせる外部共振器を備えるものであり、光フィードバックにより半導体レーザーの発振波長（周波数）がロックされる。これにより波長が安定したレーザー光を共振器内に閉じこめることができる。このとき、半導体レーザー装置のレーザー射出窓には反射防止処理を施すことにより自己発振を抑制すると共にフィードバックを良好に行なうことができる。
また、半導体レーザーの発振を特定周波数で変調させておき、この周波数に同期して受光信号を同期増幅することが好ましい。
【００１９】
電場が弱い場合（通常のレーザー光の場合）は、分子の分極は電界強度（レーザー光強度）に比例する。
すなわち、ラマン散乱光信号強度は、（レーザー光強度）×（分子数）×（ラマン散乱断面積）×（受光面積）×（受光効率）×（光／電気変換効率）の式で表わすことができる。
【００２０】
ここで、受光系の部品や配置を変更しなければ、ラマン散乱光信号強度の変動は、共振器内のレーザー光強度変化にだけ依存することになる。共振器内のレーザー光強度の変動は、光源の強度変化と共振器ミラーの反射率変化に起因することがほとんどである。そこで、共振器内のレーザー光強度を一定に保つ方法として、共振器のレーザー光入射とは反対方向のミラーから漏れるレーザー光の強度を受光器で測定して共振器内部のレーザー強度変化をモニターし、そのレーザー光強度が一定となるように半導体レーザーの電流を制御することによりラマン散乱光信号強度を補正してより高精度な測定を実現できる。
また、共振器のミラーから漏れるレーザー光を測定して光学部品の汚れによる光量変化を求めて検量線を補正することにより正確な分子濃度を測定することが可能である。
【００２１】
半導体レーザーの中心波長が６３７ｎｍである場合におけるガス分子のラマン散乱光波長とラマン散乱断面積を表１に示す。
【００２２】
【表１】
【００２３】
また、本発明では、反射防止膜（ＡＲコート）付き半導体レーザーを使用することが好ましい。通常の半導体レーザーはレーザー放出面にコーティングを施し、半導体レーザー単体でレーザー光を放出する。しかし、本発明では、レーザー放出面に反射防止膜を蒸着し、半導体レーザーから光ファイバーを介して共振器内に放出し、共振器内の光の一部を半導体レーザーの発振部に戻すことによって、半導体レーザーと共振器の性質で決まる波長とモード（レーザー強度分布）でレーザー発振が起こるようにしている。
より詳細には、半導体レーザーの出力鏡に反射防止膜（ＡＲコート）を施すと、半導体レーザーの自己発振が抑制された状態（半導体レーザーにとっては共振器が無い状態）となり、半導体レーザーの発光波長幅は光の自然放出の波長幅となり、比較的広い波長の光を放出するようになる。そこで、放出面にＡＲコートをした半導体レーザーに外部ミラーを用いて光をフィードバックすると、通常のレーザー発振動作を得ることができる。この時、フィードバックする波長を特定すれば、その波長で発振させることも可能である。そして、共振器は、共振器の間隔とミラーの形状（平面、凹面、凸面）によって共振条件（波長とモード）が決定される。共振波長についてみると、共振条件がマッチングした波長にエネルギーが集中する（発振波長幅が極度に狭まり、広い波長域で放出していたエネルギーがその波長に集中し、その結果共振器で決まる特定波長のピーク強度が増大する）。この共振器条件で決まる波長の光をフィードバックすることで半導体レーザーの発振波長がロックされ、狭帯域のレーザーの発振が得られる。
なお、強力なレーザーを用いれば、上記の反射防止膜も共振器も不要である。しかし、この場合、小型・少出力の半導体レーザーを用いて、共振器内でレーザー強度を高めて濃度測定を行うという本発明の特徴が損なわれることとなる。
以上の構成を有する本発明においては、レーザー光放出部の外部に共振器を設置して、共振器からの漏れ光を半導体レーザーにフィードバックすることで、共振器の性質で決まる発振波長とモードが得られる。
【００２４】
また、本発明では偏波保持光ファイバーを介して直線偏光のレーザーが共振器に入射される。ここで、通常、半導体レーザーの発光パターンは、レーザー放出エリアのエッジで回折が起こり、楕円形のビームとなっている。そこで、好ましい態様の本発明アナモルフィックプリズムペアの構成を採用している。すなわち、アナモルフィックプリズムペアは、半導体レーザービームのような楕円ビーム軸の一つを拡大・縮小することで、楕円ビームを円形に成形するプリズムである。このようなダイオードレーザビームの成形は、光ファイバーへのカップリング効率の改善や外部共振器とのモードマッチングに有効である。
【００２５】
［ガス濃度計の構造］
本発明の光ファイバー結合外部共振器型ガス濃度計の構造についてその一例を図１に基づいて説明する。本発明のガス濃度計は、光源部Ａ、センサー部Ｂおよび検出部Ｃからなり、これらの各部は光ファイバーにより光学的に接続されている。
【００２６】
［光源部Ａ］
光源部Ａでは、ＡＲコートされた半導体レーザー１よりレーザー光が射出され、そのレーザー光はＡＲコートされたコリメートレンズ２で集光して細いレーザービームとされ、ＡＲコートされたアナモルフィックプリズムペア３により直線偏光の円形光とされ、次いで、ＡＲコートされたカップリングレンズ４から端面にＡＲコートされた偏波保持光ファイバー５１へと導入される。こうして直線偏光レーザー光は偏波保持光ファイバーを介してからセンサー部Ｂへと導入される。光学部品にＡＲコート処理を施すことで、半導体レーザーへの反射光（フィードバック光）を低減している。
【００２７】
［センサー部Ｂ］
センサー部Ｂは、外部共振器６および集光系からなる。共振器６は一対の共振用反射ミラー６１，６２から構成され、共振用反射ミラー６１のレーザー光入射面はＡＲコート処理が施されている。共振器６内に導入されたレーザー光は共振器内部で反射を繰り返すことによりレーザー光強度が増強されると共に、共振器６内でレーザー光と測定対象分子との相互作用によりラマン散乱光がレーザー光の偏光方向に直角な方向に発生する。共振器６内の分子から発せられたラマン散乱光を集光するためのレンズ群からなる集光系および散乱光反射用曲面ミラー７が、共振器の光軸に直角に対向して設けられている。ラマン散乱光はシリンドリカルレンズ８、コリメートレンズ３２により集光されてカップリングレンズ２４を介して光ファイバー５２へと導入される。共振器６のシリンドリカルレンズ８とは反対側に放出された散乱光もまた、散乱光反射用曲面ミラー（凹面又はシリンドリカルミラー）７により反射されてシリンドリカルレンズ８側へと集められ、光ファイバー５２へと導入される。センサー部Ｂから検出部Ｃへの伝送は光の強度を測定するためのものであることから、センサー部Ｂと検出部Ｃを結ぶ光ファイバー５２は必ずしも偏波保持機能を有さなくてもよい。
【００２８】
［検出部Ｃ］
検出部Ｃでは、光ファイバー５２で伝達されたラマン散乱光の強度を測定するにあたり、バンドパスフィルター９により測定する分子が発する波長のラマン散乱光を選択的に取り出し、光電子増倍管、半導体光検出素子、アバランシェフォトダイオードなどの光検出器１０によりその強度を測定する。検出された信号はロックインアンプ２０１により同期増幅されその強度が測定される。性能試験では同期増幅器信号強度をオシロスコープ２０４により観測したが、同期増幅器の出力電圧をＡＤコンバーターでデジタル信号化してパーソナルコンピュータ等からなる処理部と接続して濃度を算出することもできる。
【００２９】
［共振器からのフィードバック］
共振器６内に閉じ込められた光の漏れ光を半導体レーザー１に戻し、半導体レーザー１と共振器で共振状態を起こして半導体レーザー１の発振モードをロックする。このとき、ミラー６１の裏面で反射した光や共振器内のレーザー光軸から外れた光を半導体レーザー１の発光部に戻さないように調整する必要がある。このことを図２および３を参照しながら説明する。
図２に示すように、共振器６からのフィードバック光７１が偏波保持光ファイバー５１により半導体レーザー１にフィードバックされるが、この際ミラー６１の裏面で反射された反射光や共振器内のレーザー光軸から外れた光７２もフィードバックされる。ここで、図３に示すように、共振器６内からのフィードバック光は光軸１２の中央付近７１に分布し、反射光７２は主にその周囲７２に分布する。そこで、半導体レーザー１のＬＤ活性層１１を光軸を中心とする中央部分に設ける構成とすることにより、ＬＤ活性層１１に共振器内基本モードのフィードバック光７１のみが照射されるようにすることができる。
なお、図３では模式的に示しているが、実際は、戻り光の受け口は偏波保持光ファイバー５１の端面となり、光ファイバー５１を介して半導体レーザー１に光フィードバックされることとなる。
【００３０】
［照射レーザー光強度の安定化］
正確な測定値を得るためには、安定した強度のレーザー光を共振器６に照射することが必要である。その具体的手段として、共振器６のレーザー入射側とは反対側のミラー６２から漏れるレーザー光の強度を測定し、その値が一定値となるように半導体レーザー１に入力する電流を制御することにより、レーザー光の強度を一定の値に保持するようにしてもよい。また、半導体レーザーに組み込まれたフォトダイオードの信号強度を監視し調整することによっても半導体レーザー光出力強度を一定に保つことが可能となる。
【００３１】
［検量線の補正］
共振器内６には測定対象分子が出入りするために、共振用反射ミラー６１，６２の反射面の汚染などの光学部品の性能低下などにより測定条件が変化することは避けられない。光学部品の性能低下が軽度のものである場合には、既知濃度の分子を共振機内に収納して検量線をチェックし補正することにより正確な測定値を得ることが可能である。もっとも、光学系の汚染が軽度とはいえない場合には、検量線の補正では対処することはできない。この場合には、反射ミラー、レンズなどの清浄化、部品の交換などにより新たに光学系を組みなおす必要がある。
【００３２】
以下では、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００３３】
本実施例の光ファイバー結合外部共振器型ガス濃度計の概要は、図１に記載のとおりであり、このガス濃度計を構成する各要素の詳細は次のとおりである。
［光源部Ａ］
光源部Ａは、ＡＲコート付き半導体レーザー１（以下、「ＬＤ１」という）、コリメートレンズ２、アナモルフィックプリズムペア３、カップリングレンズ４が接続されて構成され、ＬＤ１はＬＤ電源２０３により作動する。光源部Ａの大きさは、25(W)×25(H)×90(L)mmである（但し、ＬＤ電源２０３とファンクションジェネレーター２０２を含まず）。
また、各部品の仕様は以下のとおりである。
（ＬＤ１）発振波長：637nm、最大出力：10mW
（コリメートレンズ２）反射防止膜付き、焦点距離：4.51mm、開口径：4.95mm、ＮＡ：0.55、設計中心波長：780nm、適用波長帯域：600〜1050nm
（アナモルフィックプリズムペア３）反射防止膜付き、アナモルフィック倍率：3.8、設計中心波長：670nm
（カップリングレンズ４）反射防止膜付き、焦点距離：13.86mm、開口径：5.10mm、ＮＡ：0.18、設計中心波長：780nm、適用波長帯域：600〜1050nm
（ファンクションジェネレーター２０２）周波数：100Hz
（ＬＤ電源２０３）直流電圧印加外部変調方式
【００３４】
［偏波保持光ファイバー５１］
偏波保持光ファイバー５１は、光源部Ａとセンサー部Ｂとを接続し、直線偏光のレーザー光を共振器６へ伝達する部材である。偏波保持光ファイバー５１の仕様は、以下のとおりである。
名称：パンダファイバー
ファイバー長：1m
端面反射防止膜処理：反射率0.27%(at 637nm)
クラッド径：125μm
モードフィールド径：4.5±0.5μm
動作波長域：630〜780nm
伝送損失：<12dB/km(at 630nm)
カットオフ波長：570±50nm
【００３５】
［センサー部Ｂ］
センサー部Ｂは、コリメートレンズ２２、共振器６、散乱光反射用曲面ミラー７および集光系からなる。共振器６は共振用反射ミラー６１，６２を備えてなり、直線偏光レーザー光の反射を共振用反射ミラー６１，６２間で繰り返すことによりレーザー光を増強すると共に測定対象分子にラマン散乱光を発生させる。共振器６からのラマン散乱光はシリンドリカルレンズ８、コリメートレンズ３２により集光されカップリングレンズ２４から光ファイバー５２に導入される。散乱光反射用曲面ミラー７は共振器６の集光系とは反対側に配置されたシリンドリカルミラーである。センサー部Ｂの大きさは、100(W)×40(H)×90(L)mmであり、共振器６の大きさは30(W)×30(H)×90(L)mmである。
また、センサー部Ｂを構成する各部品の仕様は、以下のとおりである。
（コリメートレンズ２２）反射防止膜付き、焦点距離：5.0mm、開口径：1.5mm、ＮＡ：0.15、設計中心波長：780nm、適用波長帯域：600〜1050nm
（共振器６）共振器長：80mm、設計波長：633nm
（入射ミラー６１）レーザー光入射面反射防止膜付き、反射率：99.97%、曲率半径：-100mm
（反射ミラー６２）反射率：99.999%、曲率半径：-100mm
（散乱光反射用曲面ミラー７）反射面：金コート、曲率半径：-10mm
（シリンドリカルレンズ８）焦点距離：20.4mm、寸法：20×40mm
（コリメートレンズ３２）焦点距離：42.1mm、開口径：40mm
（カップリングレンズ２４）反射防止膜付き、焦点距離：15.29mm、開口径：5mm、ＮＡ：0.16、設計中心波長：780nm、適用波長帯域：600〜1050nm
【００３６】
［光ファイバー５２］
光ファイバー５２は、センサー部Ｂから検出部Ｃにラマン散乱光を伝達するための部材である。光ファイバー５２の仕様は、以下のとおりである。
ファイバー長：1.5m
コア径：1mm
適用波長帯域：340〜2500nm
【００３７】
［検出部Ｃ］
検出部Ｃは、光ファイバー５２により送られてきたラマン散乱光から、バンドパスフィルター９により選択された測定対象ガスが発する波長のラマン散乱光をアバランシェフォトダイオードからなる光検出器１０により検出し、オシロスコープ２０４に出力する。検出部Ｃの大きさは50(W)×25(H)×100(L)mmである（但し、ロックインアンプ２０１とオシロスコープ２０４を含まず）。
また、検出部Ｃを構成する各部品の仕様は、以下のとおりである。
（バンドパスフィルター９）中心波長：872.98nm、半値全幅：9.82nm
（光検出器１０）受光面：3.0mmφ、感度：0.5A/W(at 800nm 倍率１)、応答周波数帯域：DC〜100kHz、測定波長帯域：400〜1000nm
（ロックインアンプ２０１）同期周波数：100Hz、積分時間：3秒
（オシロスコープ２０４）結合：DC結合
【００３８】
［検量線］
図４は、本実施例のガス濃度計により水素濃度を測定するための検量線を示したグラフである。図４における水素ガス濃度とラマン散乱光の相関係数Ｒ２＝０．９９０６である。
なお、他の種類のガスについても、共振器６内に他のガスを収容してレーザー光を照射して検量線を作成することにより、水素以外のガス濃度を測定できることは言うまでもない。
【００３９】
［実施例１の効果］
本実施例のガス濃度計により機能検証試験を行った結果、ＬＤを出力３ｍＷで動作させた場合の偏波保持光ファイバーからのレーザー照射強度が１ｍＷ、共振器内部のレーザー強度が３Ｗの条件において、１００ｐｐｍの水素濃度が測定できることを確認できた。
本実施例のガス濃度計は、小型・少出力の半導体レーザーを用いた小型装置でありながら、外部共振器を用いてレーザー光の強度を高め、しかも共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じ込めることで、１００ｐｐｍの微量ガスを約３秒で計測することを可能としている。
また、レーザー光およびラマン散乱光を光ファイバーで伝送するため、ガスと接するセンサー部には電気・電子回路がないため完全に防爆されている。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、光ファイバーで光源、センサー部および検出部を接続する構成とすることにより、センサー部を任意の位置に設置することを可能とするものであり、任意のガスの濃度測定に有用であるが、特に可燃性、爆発性、または有毒ガスの濃度測定に有用である。
【００４１】
対象ガス種に計測するラマン散乱波長を選択することにより、複数種のガス、例えば、窒素、酸素、水素、一酸化炭素、二酸化窒素、硫化水素などの濃度測定が可能である。こうした各種のガス濃度を、防爆性を有し高感度で測定することができる本発明のガス濃度計は、燃料電池車両、家庭用燃料電池発電装置などへの搭載から、水素ステーション、各種のガス製造プラントでの漏洩検知などまで、幅広く用いることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１：半導体レーザー（ＬＤ）
２，２２，３２：コリメートレンズ
３：アナモルフィックプリズムペア
４，２４：カップリングレンズ
６：共振器
７：散乱光反射用曲面ミラー
８：シリンドリカルレンズ
９：バンドパスフィルター
１０：光検出器
１１：ＬＤ活性層
１２：光軸
１３：ＬＤ端面
５１：偏波保持光ファイバー
５２：光ファイバー
６１，６２：共振用反射ミラー
７１：共振器内基本モードのフィードバック光
７２：反射光
２０１：ロックインアンプ
２０２：ファンクションジェネレーター
２０３：ＬＤ電源
２０４：オシロスコープ
Ａ：光源部
Ｂ：センサー部
Ｃ：検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器内に存在する測定対象ガスの濃度を測定するためのラマン散乱光を利用したガス濃度測定装置に関し、例えば、共振器を開放形とすることで大気中のガス濃度が測定され、また共振器を閉鎖系とすることで吸引したガスの濃度が測定される光ファイバー結合外部共振器型ガス濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大気中の公害物質の測定や、プラント施設での可燃性ガスや毒性ガスの発生監視などにガス検出器が広く使用されている。微量ガス検出方法として光学的方法、特にレーザー分光分析技術が盛んに研究されている。レーザー光を用いたガス検出手法としては、レーザー吸収分光法、レーザー誘起蛍光法、ラマン散乱分光法などがある。
【０００３】
ここで、ラマン散乱は、単色光を分子に照射したときに、散乱光の周波数が分子の振動周波数だけ変移する現象であり、この散乱光の周波数変移量は、照射した単色光の周波数に無関係で、物質に固有の量である。そのため、特定波長のレーザー光を測定対象の物質に照射すると、レーザー光が当たった物質から、レーザー光の波長と異なる波長のラマン散乱光が発生する。また、その散乱光の強度は、その物質の濃度に比例することが知られている。
【０００４】
ラマン散乱分光法を利用したガスの可視化ないし計測に関する技術としては、出願人が提案した、レーザー光により監視対象空間を走査し、当該レーザー光の波長をラマンシフトした波長に透過波長中心を有する第１の光学バンドパスフィルターによりラマン散乱光を集光し、１素子の受光素子により電気信号に変換し、第１の時間波形を測定すると共に、前記第１の光学バンドパスフィルターの透過光と波長域が異なる光を透過する第２の光学バンドパスフィルターにより特定波長の光を集光し、１素子の受光素子により電気信号に変換し、時間波形を測定し、続いて第１の時間波形と第２の時間波形との差分をとり、レーザー光の走査位置情報に基づいて監視対象空間の対応する位置座標を着色したラマン散乱光信号画像を作成し、それを監視対象空間の背景画像上に重畳表示することで水素ガスを可視化することを特徴とする水素ガス可視化方法及びそのシステム（特許文献１参照）、並びに、対象空間にレーザー光を照射し、窒素ガスからの散乱光を集光機構で集光し、第一の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第一工程、第一工程と同期して、対象空間にレーザー光を照射し、対象ガスの散乱光を集光機構で集光し、第二の受光機構でラマン散乱光信号強度を測定する第二工程、窒素ガスと対象ガスのラマン散乱光強度の強度比に基づいて対象空間における対象ガスの濃度を計算する第三工程、とを含むガス濃度遠隔計測方法および装置（特許文献２参照）がある。
【０００５】
また、小型で、短時間での測定が可能であり、故障が少なく、極めて実用的とされるガス検出器としては、例えば、半導体レーザーと、半導体レーザーから出力されたレーザー光の強度を高める外部共振器と、この外部共振器と並行に配置された散乱光集光用の半円柱レンズと、外部共振器の光軸を挟んで半円柱レンズの反対側に配置された散乱光反射用のミラーと、半円柱レンズを通じて集光された散乱光からラマン散乱光を抽出するフィルタと、このフィルタにより抽出されたラマン散乱光の強度を検出する光センサーとを備えるガス検出器がある（特許文献３参照）。
【０００６】
また、光フィードバックによる外部共振器型半導体レーザー（PLEC-DL）を利用したラマン散乱分析法による水素の検出技術が知られている。この文献に記載の技術では、ラマン散乱光を集光するための光学系としてロッドレンズを用い、反対側に出る散乱光をシリンドリカルミラーでロッドレンズ側に戻るように反射させ、平行に出てきた散乱光を一枚の両凸レンズで集光することにより、従来の光学系と対比して２．５８倍の集光率が得たことが報告されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２３２３７４号公報
【特許文献２】ＷＯ２００９／１０１６５９号公報
【特許文献３】特開２００５-１４０５５８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】山内 謙，佐藤 淳一，鄭 和翊，山口 滋，南里 憲三，藤岡 知夫著、“半導体レーザー外部共振器による微量可燃性ガス検出に関する研究”、レーザー学会第３５８回研究報告（２００７，２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ラマン散乱光の強度は極めて微弱であるため、ラマン散乱を利用してガス検出を行うには散乱光路長を長く取ることが必要となるため、ガス濃度測定装置が大型化したり、装置のレイアウトを自由に決定できないという問題がある。
また、測定装置を利用する環境が可燃ガスを扱うなどの防爆区域である場合においては、ガス濃度測定装置を防爆構造とする必要があるが、接触式のガスセンサのように電極にガスを直接接触させるなど完全な防爆構造のガス濃度測定装置は存在しなかった。
【００１０】
ところで、近年、燃料電池車両、家庭用燃料電池発電装置などの開発が行われ、それに伴い水素ガスを供給する水素ガスプラント、水素ステーション等の整備が進んでいる。水素ガスは常温常圧の空気中で濃度４％から７５％の範囲では急激に燃焼反応が進むため、低濃度から高濃度のガス濃度を迅速に測定するガスセンサが必要となる。接触式水素ガスセンサは高濃度のガスに接触すると復帰時間が遅くなることや、センサーの寿命が短くなるなどの短所があり、非接触の水素ガスセンサの開発が望まれている。
上述したように水素は４％の濃度で爆発するガスであり、高圧ガス保安法では、ガスセンサとして爆発下限濃度の１／４の濃度（１％）以下を測定する能力が求められており、漏洩した水素ガスが微量であっても迅速に検知できる水素ガスセンサの開発が望まれている。
また、水素ガスセンサとしては、インフラ設備等における設置型のものから、燃料電池車両等における搭載型のものまで求められており、いずれもメンテナンスの必要性が少ない非接触型のセンサーの開発が望まれている。
さらに、水素ガスの存在下に置かれるセンサー部を電気・電子回路が存在しない完全防爆型としながら、装置のレイアウトを制約せず、しかも小型のガス濃度測定装置の開発が望まれている。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決することを可能とするガス濃度測定装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するためには、ガス濃度に関係なく迅速に濃度測定が行え、かつ長寿命とするためには非接触型とすること、さらには、設置性・操作性が良くかつ完全防爆型とするには、センサー部に電気・電子機器を搭載せず複雑で耐振動性に劣る部品を用いないことが前提とされる。
また、微弱なラマン散乱光を検出するためには、レーザー光の強度を高める必要があるが、他方で小型化を実現するためには高出力のレーザー装置を用いることは好ましくない。そこで、本発明では、半導体レーザーを用いて装置全体の大きさを抑えると共に、外部共振器を用いてレーザー光の強度を高める構成を採用した。さらに、本発明では、共振器内で増強された光の一部を偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザー発振部に戻すことにより共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じ込めている。これにより、共振器内では入射レーザー光が数千倍に増強される。
さらに、センサー部へのレーザー光の伝送とセンサー部からのラマン散乱光の伝送に光ファイバーを用いることで、センサー部の電気・電子部品を皆無として完全防爆をはかっている。
【００１３】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
［１］レーザー出射窓に反射防止処理を施した半導体レーザー装置を含む光源部と、入射側に配置され第１の反射ミラーおよび第１の反射ミラーと対向する第２の反射ミラーとを備えてなる共振器、並びに、共振器内のレーザー光の電界と直交する方向に配置された集光系を含むセンサー部と、共振器内に存在する測定対象ガスからのラマン散乱光を検出する光検出器および測定対象ガスの濃度を算出する制御部を含む検出部と、光源部およびセンサー部を光学的に接続する偏波保持光ファイバーと、センサー部および検出部を光学的に接続する光ファイバーと、を備えたガス濃度測定装置であって、半導体レーザー装置から照射されたレーザー光を偏波保持光ファイバーを介して共振器に入射し、共振器内で増強された光の一部を偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザーの発振部に戻して共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じこめることにより発振波長がロックされた狭帯域のレーザー光を発振することを特徴とするガス濃度測定装置。
［２］前記共振器のレーザー光軸に対して集光系の反対側に配置した散乱光反射用曲面ミラーを備える［１］に記載のガス濃度測定装置。
［３］前記制御部は、前記半導体レーザーの発振を特定周波数で変調させ、この周波数に同期して受光信号を同期増幅して信号強度を測定する［１］または［２］に記載のガス濃度測定装置。
［４］さらに、前記第２の反射ミラーから漏れるレーザー光を測定する補正光測定器を備え、前記制御部は、補正光測定器における光量変化に基づいて、共振器内に照射されるレーザー光強度が一定になるように半導体レーザーの電流を制御する［１］ないし［３］のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
［５］前記制御部は、予め算出した検量線に基づき測定対象ガスからのラマン散乱光強度から濃度を換算するに際し、前記補正光測定器における光量変化に基づいて検量線を補正する［４］に記載のガス濃度測定装置。
［６］前記制御部は、前記半導体レーザーに組み込まれたフォトダイオードの信号強度に基づき半導体レーザー光の出力強度を一定に保つ［１］ないし［５］のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
［７］前記測定対象ガスが水素ガスである［１］ないし［６］のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光源部および検出部とセンサー部とを光ファイバーで接続したため、ガスと接するセンサー部には電気・電子回路がない完全防爆構造が実現可能である。
また、光ファイバーにより光源部、検出部およびセンサー部を接続するため、その構造上、各部のレイアウトの制約が少ない。
また、本発明は、非接触型のセンサー部を有し、迅速な濃度測定が行える。しかも、光学部品の汚れが生じた場合においても、検量線を自動補正することにより濃度値を精度よく算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のガス濃度計の装置全体の概要構成図である。
【図２】共振器内基本モードのフィードバック光とミラー裏面で反射した光のＬＤまでの経路を示す図である。
【図３】共振器内基本モードのフィードバック光とミラー裏面で反射した光がＬＤ端面に戻された状態を示す図である。
【図４】水素ガス濃度とラマン散乱光信号強度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、レーザー出射窓に反射防止処理を施した半導体レーザーの出射光を端面に反射防止膜処理を施した偏波保持光ファイバーを介して共振器に入射し、共振器内で増強された光の一部を前記偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザー発振部に戻すことにより共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じこめ、共振器内の直線偏光レーザー光の電界と直交する方向に集光系を配置し、共振器内に存在する分子からのラマン散乱光を集光して光ファイバーにより受光器に伝送し、受光器の前方に設置した測定対象分子のラマン散乱光波長を透過する光学バンドパスフィルターによって選択した測定対象分子のラマン散乱光波長の強度を受光素子で電気信号に変換し、その強度から測定対象分子の密度を計測する光ファイバー結合外部共振器型ガス濃度計に関するものである。
好ましくは、レーザー光軸に対して集光系の反対側に共振器からの光を集光系に反射する散乱光集光用曲面ミラーを配置する。
【００１７】
分子に電場がかかると分子の電子分布がわずかに変化する。この現象は分子の分極と称され、この分極によって起こるラマン散乱現象を利用して本発明は分子の濃度を測定するものである。
レーザー光の電場（電界）によって分極が起こると、散乱光は分極と直角な方向に強く放射される。このため、レーザー光の偏光を直線偏光となし、電界とは直角の方向からラマン散乱光を測定すると大きな信号が得られる。
一般的な半導体レーザーは楕円形のビームパターンで、短軸方向に偏光面を持つ直線偏光で発振する。そのため、偏波保持光ファイバーの偏光軸を半導体レーザー光の偏光面に合わせるように接続することで偏光を保持することが好ましい。
また、レーザーの直線偏光を保持した状態で共振器に導き、共振器内に直線偏光のレーザー光を閉じこめると、共振器内では閉じこめられたレーザー光の強度は強くなる。そこで、レーザー光の照射により共振器内部に存在するガスから発せられるラマン散乱光をレーザー偏光面に対して直角の方向から観測することにより大きな信号が得られる。
本発明ではこの現象を利用するために半導体レーザーからの直線偏光レーザー光を偏波保持光ファイバーを用いて偏光を保持して伝送する。ラマン散乱光はその強度だけを測定することで十分なため、集光されたラマン散乱光は通常の光ファイバー（シングルモードでもマルチモードでも良い）で伝送することができる。
【００１８】
本発明は、半導体レーザーから発せられたレーザー光を共振させると共に、その一部を半導体レーザーにフィードバックさせる外部共振器を備えるものであり、光フィードバックにより半導体レーザーの発振波長（周波数）がロックされる。これにより波長が安定したレーザー光を共振器内に閉じこめることができる。このとき、半導体レーザー装置のレーザー射出窓には反射防止処理を施すことにより自己発振を抑制すると共にフィードバックを良好に行なうことができる。
また、半導体レーザーの発振を特定周波数で変調させておき、この周波数に同期して受光信号を同期増幅することが好ましい。
【００１９】
電場が弱い場合（通常のレーザー光の場合）は、分子の分極は電界強度（レーザー光強度）に比例する。
すなわち、ラマン散乱光信号強度は、（レーザー光強度）×（分子数）×（ラマン散乱断面積）×（受光面積）×（受光効率）×（光／電気変換効率）の式で表わすことができる。
【００２０】
ここで、受光系の部品や配置を変更しなければ、ラマン散乱光信号強度の変動は、共振器内のレーザー光強度変化にだけ依存することになる。共振器内のレーザー光強度の変動は、光源の強度変化と共振器ミラーの反射率変化に起因することがほとんどである。そこで、共振器内のレーザー光強度を一定に保つ方法として、共振器のレーザー光入射とは反対方向のミラーから漏れるレーザー光の強度を受光器で測定して共振器内部のレーザー強度変化をモニターし、そのレーザー光強度が一定となるように半導体レーザーの電流を制御することによりラマン散乱光信号強度を補正してより高精度な測定を実現できる。
また、共振器のミラーから漏れるレーザー光を測定して光学部品の汚れによる光量変化を求めて検量線を補正することにより正確な分子濃度を測定することが可能である。
【００２１】
半導体レーザーの中心波長が６３７ｎｍである場合におけるガス分子のラマン散乱光波長とラマン散乱断面積を表１に示す。
【００２２】
【表１】
【００２３】
また、本発明では、反射防止膜（ＡＲコート）付き半導体レーザーを使用することが好ましい。通常の半導体レーザーはレーザー放出面にコーティングを施し、半導体レーザー単体でレーザー光を放出する。しかし、本発明では、レーザー放出面に反射防止膜を蒸着し、半導体レーザーから光ファイバーを介して共振器内に放出し、共振器内の光の一部を半導体レーザーの発振部に戻すことによって、半導体レーザーと共振器の性質で決まる波長とモード（レーザー強度分布）でレーザー発振が起こるようにしている。
より詳細には、半導体レーザーの出力鏡に反射防止膜（ＡＲコート）を施すと、半導体レーザーの自己発振が抑制された状態（半導体レーザーにとっては共振器が無い状態）となり、半導体レーザーの発光波長幅は光の自然放出の波長幅となり、比較的広い波長の光を放出するようになる。そこで、放出面にＡＲコートをした半導体レーザーに外部ミラーを用いて光をフィードバックすると、通常のレーザー発振動作を得ることができる。この時、フィードバックする波長を特定すれば、その波長で発振させることも可能である。そして、共振器は、共振器の間隔とミラーの形状（平面、凹面、凸面）によって共振条件（波長とモード）が決定される。共振波長についてみると、共振条件がマッチングした波長にエネルギーが集中する（発振波長幅が極度に狭まり、広い波長域で放出していたエネルギーがその波長に集中し、その結果共振器で決まる特定波長のピーク強度が増大する）。この共振器条件で決まる波長の光をフィードバックすることで半導体レーザーの発振波長がロックされ、狭帯域のレーザーの発振が得られる。
なお、強力なレーザーを用いれば、上記の反射防止膜も共振器も不要である。しかし、この場合、小型・少出力の半導体レーザーを用いて、共振器内でレーザー強度を高めて濃度測定を行うという本発明の特徴が損なわれることとなる。
以上の構成を有する本発明においては、レーザー光放出部の外部に共振器を設置して、共振器からの漏れ光を半導体レーザーにフィードバックすることで、共振器の性質で決まる発振波長とモードが得られる。
【００２４】
また、本発明では偏波保持光ファイバーを介して直線偏光のレーザーが共振器に入射される。ここで、通常、半導体レーザーの発光パターンは、レーザー放出エリアのエッジで回折が起こり、楕円形のビームとなっている。そこで、好ましい態様の本発明アナモルフィックプリズムペアの構成を採用している。すなわち、アナモルフィックプリズムペアは、半導体レーザービームのような楕円ビーム軸の一つを拡大・縮小することで、楕円ビームを円形に成形するプリズムである。このようなダイオードレーザビームの成形は、光ファイバーへのカップリング効率の改善や外部共振器とのモードマッチングに有効である。
【００２５】
［ガス濃度計の構造］
本発明の光ファイバー結合外部共振器型ガス濃度計の構造についてその一例を図１に基づいて説明する。本発明のガス濃度計は、光源部Ａ、センサー部Ｂおよび検出部Ｃからなり、これらの各部は光ファイバーにより光学的に接続されている。
【００２６】
［光源部Ａ］
光源部Ａでは、ＡＲコートされた半導体レーザー１よりレーザー光が射出され、そのレーザー光はＡＲコートされたコリメートレンズ２で集光して細いレーザービームとされ、ＡＲコートされたアナモルフィックプリズムペア３により直線偏光の円形光とされ、次いで、ＡＲコートされたカップリングレンズ４から端面にＡＲコートされた偏波保持光ファイバー５１へと導入される。こうして直線偏光レーザー光は偏波保持光ファイバーを介してからセンサー部Ｂへと導入される。光学部品にＡＲコート処理を施すことで、半導体レーザーへの反射光（フィードバック光）を低減している。
【００２７】
［センサー部Ｂ］
センサー部Ｂは、外部共振器６および集光系からなる。共振器６は一対の共振用反射ミラー６１，６２から構成され、共振用反射ミラー６１のレーザー光入射面はＡＲコート処理が施されている。共振器６内に導入されたレーザー光は共振器内部で反射を繰り返すことによりレーザー光強度が増強されると共に、共振器６内でレーザー光と測定対象分子との相互作用によりラマン散乱光がレーザー光の偏光方向に直角な方向に発生する。共振器６内の分子から発せられたラマン散乱光を集光するためのレンズ群からなる集光系および散乱光反射用曲面ミラー７が、共振器の光軸に直角に対向して設けられている。ラマン散乱光はシリンドリカルレンズ８、コリメートレンズ３２により集光されてカップリングレンズ２４を介して光ファイバー５２へと導入される。共振器６のシリンドリカルレンズ８とは反対側に放出された散乱光もまた、散乱光反射用曲面ミラー（凹面又はシリンドリカルミラー）７により反射されてシリンドリカルレンズ８側へと集められ、光ファイバー５２へと導入される。センサー部Ｂから検出部Ｃへの伝送は光の強度を測定するためのものであることから、センサー部Ｂと検出部Ｃを結ぶ光ファイバー５２は必ずしも偏波保持機能を有さなくてもよい。
【００２８】
［検出部Ｃ］
検出部Ｃでは、光ファイバー５２で伝達されたラマン散乱光の強度を測定するにあたり、バンドパスフィルター９により測定する分子が発する波長のラマン散乱光を選択的に取り出し、光電子増倍管、半導体光検出素子、アバランシェフォトダイオードなどの光検出器１０によりその強度を測定する。検出された信号はロックインアンプ２０１により同期増幅されその強度が測定される。性能試験では同期増幅器信号強度をオシロスコープ２０４により観測したが、同期増幅器の出力電圧をＡＤコンバーターでデジタル信号化してパーソナルコンピュータ等からなる処理部と接続して濃度を算出することもできる。
【００２９】
［共振器からのフィードバック］
共振器６内に閉じ込められた光の漏れ光を半導体レーザー１に戻し、半導体レーザー１と共振器で共振状態を起こして半導体レーザー１の発振モードをロックする。このとき、ミラー６１の裏面で反射した光や共振器内のレーザー光軸から外れた光を半導体レーザー１の発光部に戻さないように調整する必要がある。このことを図２および３を参照しながら説明する。
図２に示すように、共振器６からのフィードバック光７１が偏波保持光ファイバー５１により半導体レーザー１にフィードバックされるが、この際ミラー６１の裏面で反射された反射光や共振器内のレーザー光軸から外れた光７２もフィードバックされる。ここで、図３に示すように、共振器６内からのフィードバック光は光軸１２の中央付近７１に分布し、反射光７２は主にその周囲７２に分布する。そこで、半導体レーザー１のＬＤ活性層１１を光軸を中心とする中央部分に設ける構成とすることにより、ＬＤ活性層１１に共振器内基本モードのフィードバック光７１のみが照射されるようにすることができる。
なお、図３では模式的に示しているが、実際は、戻り光の受け口は偏波保持光ファイバー５１の端面となり、光ファイバー５１を介して半導体レーザー１に光フィードバックされることとなる。
【００３０】
［照射レーザー光強度の安定化］
正確な測定値を得るためには、安定した強度のレーザー光を共振器６に照射することが必要である。その具体的手段として、共振器６のレーザー入射側とは反対側のミラー６２から漏れるレーザー光の強度を測定し、その値が一定値となるように半導体レーザー１に入力する電流を制御することにより、レーザー光の強度を一定の値に保持するようにしてもよい。また、半導体レーザーに組み込まれたフォトダイオードの信号強度を監視し調整することによっても半導体レーザー光出力強度を一定に保つことが可能となる。
【００３１】
［検量線の補正］
共振器内６には測定対象分子が出入りするために、共振用反射ミラー６１，６２の反射面の汚染などの光学部品の性能低下などにより測定条件が変化することは避けられない。光学部品の性能低下が軽度のものである場合には、既知濃度の分子を共振機内に収納して検量線をチェックし補正することにより正確な測定値を得ることが可能である。もっとも、光学系の汚染が軽度とはいえない場合には、検量線の補正では対処することはできない。この場合には、反射ミラー、レンズなどの清浄化、部品の交換などにより新たに光学系を組みなおす必要がある。
【００３２】
以下では、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００３３】
本実施例の光ファイバー結合外部共振器型ガス濃度計の概要は、図１に記載のとおりであり、このガス濃度計を構成する各要素の詳細は次のとおりである。
［光源部Ａ］
光源部Ａは、ＡＲコート付き半導体レーザー１（以下、「ＬＤ１」という）、コリメートレンズ２、アナモルフィックプリズムペア３、カップリングレンズ４が接続されて構成され、ＬＤ１はＬＤ電源２０３により作動する。光源部Ａの大きさは、25(W)×25(H)×90(L)mmである（但し、ＬＤ電源２０３とファンクションジェネレーター２０２を含まず）。
また、各部品の仕様は以下のとおりである。
（ＬＤ１）発振波長：637nm、最大出力：10mW
（コリメートレンズ２）反射防止膜付き、焦点距離：4.51mm、開口径：4.95mm、ＮＡ：0.55、設計中心波長：780nm、適用波長帯域：600〜1050nm
（アナモルフィックプリズムペア３）反射防止膜付き、アナモルフィック倍率：3.8、設計中心波長：670nm
（カップリングレンズ４）反射防止膜付き、焦点距離：13.86mm、開口径：5.10mm、ＮＡ：0.18、設計中心波長：780nm、適用波長帯域：600〜1050nm
（ファンクションジェネレーター２０２）周波数：100Hz
（ＬＤ電源２０３）直流電圧印加外部変調方式
【００３４】
［偏波保持光ファイバー５１］
偏波保持光ファイバー５１は、光源部Ａとセンサー部Ｂとを接続し、直線偏光のレーザー光を共振器６へ伝達する部材である。偏波保持光ファイバー５１の仕様は、以下のとおりである。
名称：パンダファイバー
ファイバー長：1m
端面反射防止膜処理：反射率0.27%(at 637nm)
クラッド径：125μm
モードフィールド径：4.5±0.5μm
動作波長域：630〜780nm
伝送損失：<12dB/km(at 630nm)
カットオフ波長：570±50nm
【００３５】
［センサー部Ｂ］
センサー部Ｂは、コリメートレンズ２２、共振器６、散乱光反射用曲面ミラー７および集光系からなる。共振器６は共振用反射ミラー６１，６２を備えてなり、直線偏光レーザー光の反射を共振用反射ミラー６１，６２間で繰り返すことによりレーザー光を増強すると共に測定対象分子にラマン散乱光を発生させる。共振器６からのラマン散乱光はシリンドリカルレンズ８、コリメートレンズ３２により集光されカップリングレンズ２４から光ファイバー５２に導入される。散乱光反射用曲面ミラー７は共振器６の集光系とは反対側に配置されたシリンドリカルミラーである。センサー部Ｂの大きさは、100(W)×40(H)×90(L)mmであり、共振器６の大きさは30(W)×30(H)×90(L)mmである。
また、センサー部Ｂを構成する各部品の仕様は、以下のとおりである。
（コリメートレンズ２２）反射防止膜付き、焦点距離：5.0mm、開口径：1.5mm、ＮＡ：0.15、設計中心波長：780nm、適用波長帯域：600〜1050nm
（共振器６）共振器長：80mm、設計波長：633nm
（入射ミラー６１）レーザー光入射面反射防止膜付き、反射率：99.97%、曲率半径：-100mm
（反射ミラー６２）反射率：99.999%、曲率半径：-100mm
（散乱光反射用曲面ミラー７）反射面：金コート、曲率半径：-10mm
（シリンドリカルレンズ８）焦点距離：20.4mm、寸法：20×40mm
（コリメートレンズ３２）焦点距離：42.1mm、開口径：40mm
（カップリングレンズ２４）反射防止膜付き、焦点距離：15.29mm、開口径：5mm、ＮＡ：0.16、設計中心波長：780nm、適用波長帯域：600〜1050nm
【００３６】
［光ファイバー５２］
光ファイバー５２は、センサー部Ｂから検出部Ｃにラマン散乱光を伝達するための部材である。光ファイバー５２の仕様は、以下のとおりである。
ファイバー長：1.5m
コア径：1mm
適用波長帯域：340〜2500nm
【００３７】
［検出部Ｃ］
検出部Ｃは、光ファイバー５２により送られてきたラマン散乱光から、バンドパスフィルター９により選択された測定対象ガスが発する波長のラマン散乱光をアバランシェフォトダイオードからなる光検出器１０により検出し、オシロスコープ２０４に出力する。検出部Ｃの大きさは50(W)×25(H)×100(L)mmである（但し、ロックインアンプ２０１とオシロスコープ２０４を含まず）。
また、検出部Ｃを構成する各部品の仕様は、以下のとおりである。
（バンドパスフィルター９）中心波長：872.98nm、半値全幅：9.82nm
（光検出器１０）受光面：3.0mmφ、感度：0.5A/W(at 800nm 倍率１)、応答周波数帯域：DC〜100kHz、測定波長帯域：400〜1000nm
（ロックインアンプ２０１）同期周波数：100Hz、積分時間：3秒
（オシロスコープ２０４）結合：DC結合
【００３８】
［検量線］
図４は、本実施例のガス濃度計により水素濃度を測定するための検量線を示したグラフである。図４における水素ガス濃度とラマン散乱光の相関係数Ｒ２＝０．９９０６である。
なお、他の種類のガスについても、共振器６内に他のガスを収容してレーザー光を照射して検量線を作成することにより、水素以外のガス濃度を測定できることは言うまでもない。
【００３９】
［実施例１の効果］
本実施例のガス濃度計により機能検証試験を行った結果、ＬＤを出力３ｍＷで動作させた場合の偏波保持光ファイバーからのレーザー照射強度が１ｍＷ、共振器内部のレーザー強度が３Ｗの条件において、１００ｐｐｍの水素濃度が測定できることを確認できた。
本実施例のガス濃度計は、小型・少出力の半導体レーザーを用いた小型装置でありながら、外部共振器を用いてレーザー光の強度を高め、しかも共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じ込めることで、１００ｐｐｍの微量ガスを約３秒で計測することを可能としている。
また、レーザー光およびラマン散乱光を光ファイバーで伝送するため、ガスと接するセンサー部には電気・電子回路がないため完全に防爆されている。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、光ファイバーで光源、センサー部および検出部を接続する構成とすることにより、センサー部を任意の位置に設置することを可能とするものであり、任意のガスの濃度測定に有用であるが、特に可燃性、爆発性、または有毒ガスの濃度測定に有用である。
【００４１】
対象ガス種に計測するラマン散乱波長を選択することにより、複数種のガス、例えば、窒素、酸素、水素、一酸化炭素、二酸化窒素、硫化水素などの濃度測定が可能である。こうした各種のガス濃度を、防爆性を有し高感度で測定することができる本発明のガス濃度計は、燃料電池車両、家庭用燃料電池発電装置などへの搭載から、水素ステーション、各種のガス製造プラントでの漏洩検知などまで、幅広く用いることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１：半導体レーザー（ＬＤ）
２，２２，３２：コリメートレンズ
３：アナモルフィックプリズムペア
４，２４：カップリングレンズ
６：共振器
７：散乱光反射用曲面ミラー
８：シリンドリカルレンズ
９：バンドパスフィルター
１０：光検出器
１１：ＬＤ活性層
１２：光軸
１３：ＬＤ端面
５１：偏波保持光ファイバー
５２：光ファイバー
６１，６２：共振用反射ミラー
７１：共振器内基本モードのフィードバック光
７２：反射光
２０１：ロックインアンプ
２０２：ファンクションジェネレーター
２０３：ＬＤ電源
２０４：オシロスコープ
Ａ：光源部
Ｂ：センサー部
Ｃ：検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー出射窓に反射防止処理を施した半導体レーザー装置を含む光源部と、
入射側に配置され第１の反射ミラーおよび第１の反射ミラーと対向する第２の反射ミラーとを備えてなる共振器、並びに、共振器内のレーザー光の電界と直交する方向に配置された集光系を含むセンサー部と、
共振器内に存在する測定対象ガスからのラマン散乱光を検出する光検出器および測定対象ガスの濃度を算出する制御部を含む検出部と、
光源部およびセンサー部を光学的に接続する偏波保持光ファイバーと、
センサー部および検出部を光学的に接続する光ファイバーと、を備えたガス濃度測定装置であって、
半導体レーザー装置から照射されたレーザー光を偏波保持光ファイバーを介して共振器に入射し、共振器内で増強された光の一部を偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザーの発振部に戻して共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じこめることにより発振波長がロックされた狭帯域のレーザー光を発振することを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記共振器のレーザー光軸に対して集光系の反対側に配置した散乱光反射用曲面ミラーを備える請求項１に記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記半導体レーザーの発振を特定周波数で変調させ、この周波数に同期して受光信号を同期増幅して信号強度を測定する請求項１または２に記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
さらに、前記第２の反射ミラーから漏れるレーザー光を測定する補正光測定器を備え、
前記制御部は、補正光測定器における光量変化に基づいて、共振器内に照射されるレーザー光強度が一定になるように半導体レーザーの電流を制御する請求項１ないし３のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
【請求項５】
前記制御部は、予め算出した検量線に基づき測定対象ガスからのラマン散乱光強度から濃度を換算するに際し、前記補正光測定器における光量変化に基づいて検量線を補正する請求項４に記載のガス濃度測定装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記半導体レーザーに組み込まれたフォトダイオードの信号強度に基づき半導体レーザー光の出力強度を一定に保つ請求項１ないし５のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
【請求項７】
前記測定対象ガスが水素ガスである請求項１ないし６のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
【請求項１】
レーザー出射窓に反射防止処理を施した半導体レーザー装置を含む光源部と、
入射側に配置され第１の反射ミラーおよび第１の反射ミラーと対向する第２の反射ミラーとを備えてなる共振器、並びに、共振器内のレーザー光の電界と直交する方向に配置された集光系を含むセンサー部と、
共振器内に存在する測定対象ガスからのラマン散乱光を検出する光検出器および測定対象ガスの濃度を算出する制御部を含む検出部と、
光源部およびセンサー部を光学的に接続する偏波保持光ファイバーと、
センサー部および検出部を光学的に接続する光ファイバーと、を備えたガス濃度測定装置であって、
半導体レーザー装置から照射されたレーザー光を偏波保持光ファイバーを介して共振器に入射し、共振器内で増強された光の一部を偏波保持光ファイバーを介して半導体レーザーの発振部に戻して共振器内で直線偏光のレーザー光を閉じこめることにより発振波長がロックされた狭帯域のレーザー光を発振することを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記共振器のレーザー光軸に対して集光系の反対側に配置した散乱光反射用曲面ミラーを備える請求項１に記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記半導体レーザーの発振を特定周波数で変調させ、この周波数に同期して受光信号を同期増幅して信号強度を測定する請求項１または２に記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
さらに、前記第２の反射ミラーから漏れるレーザー光を測定する補正光測定器を備え、
前記制御部は、補正光測定器における光量変化に基づいて、共振器内に照射されるレーザー光強度が一定になるように半導体レーザーの電流を制御する請求項１ないし３のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
【請求項５】
前記制御部は、予め算出した検量線に基づき測定対象ガスからのラマン散乱光強度から濃度を換算するに際し、前記補正光測定器における光量変化に基づいて検量線を補正する請求項４に記載のガス濃度測定装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記半導体レーザーに組み込まれたフォトダイオードの信号強度に基づき半導体レーザー光の出力強度を一定に保つ請求項１ないし５のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
【請求項７】
前記測定対象ガスが水素ガスである請求項１ないし６のいずれかに記載のガス濃度測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１５８３０７（Ｐ２０１１−１５８３０７Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８９１０（Ｐ２０１０−１８９１０）
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（０００１４４９９１）株式会社四国総合研究所 (116)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（０００１４４９９１）株式会社四国総合研究所 (116)
【Ｆターム（参考）】
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