物質計測装置および物質計測方法
【課題】流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度、量等を高い応答性で高精度に計測すること。
【解決手段】流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測装置であって、流通ガスが流れる計測セルと、測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光を計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換えるレーザ光照射ユニットと、計測セルから出射されるレーザ光を受講する受光装置と、計測セルとレーザ光照射ユニットとの間に配置されレーザ光を反射させる第１反射部と、計測セルと前記受光装置との間に配置され、レーザ光を反射させる第２反射部と、レーザ光照射ユニットがレーザ光を計測セルに入射させる状態から入射させない状態に切り換えた受光装置が受光した光の強度の減衰に基づいて、流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する解析装置と、を有すること。
【解決手段】流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測装置であって、流通ガスが流れる計測セルと、測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光を計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換えるレーザ光照射ユニットと、計測セルから出射されるレーザ光を受講する受光装置と、計測セルとレーザ光照射ユニットとの間に配置されレーザ光を反射させる第１反射部と、計測セルと前記受光装置との間に配置され、レーザ光を反射させる第２反射部と、レーザ光照射ユニットがレーザ光を計測セルに入射させる状態から入射させない状態に切り換えた受光装置が受光した光の強度の減衰に基づいて、流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する解析装置と、を有すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管路内を流れる流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測装置および物質計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、内燃機関、焼却炉等の燃焼機関から排出されるガスは、種々の物質（ガス状物質、粒子状物質等）が混合した混合ガスとなっている。このように混合ガスに含まれる物質には、種々の物質が含まれる。このため、例えば混合ガスに有毒な物質が含まれているか等、種々の目的で混合ガス内の特定の物質を検知したい場合がある。また、試験、評価等のために、混合ガスに含まれる特定物質の濃度、量を検出したい場合もある。これに対して、複数のガス状物質で構成されている混合ガスの中から特定の物質（測定対象物質）の濃度、量を計測する種々の装置が提案されている。例えば、特許文献１および特許文献２には、計測セルから漏れた漏れ光の光量を計測し、計測した光量の減衰に基づいて測定対象の物質を計測するキャビティーリングダウン分光法を用いて、測定対象の試料を分析する装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３３３３３７公報
【特許文献２】特開２００６−１３８７２７公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１および特許文献２に記載された装置は、キャビティーリングダウン分光法を用い、測定光を光の経路内で周回させることで、計測セルの全長よりも長い光路長を確保することができ、計測対象の流通ガス（試料）が配置されている領域を通過する距離も長くすることができる。これにより、高い精度での計測を行うことができる。
【０００５】
ここで、キャビティーリングダウン分光法は、計測セルに入射させる測定光に測定対象物質の吸収波長の光を用いる。このため、入射した測定光の波長が測定対象物質の吸収波長からずれていると測定誤差が生じてしまう。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度、量等を高い応答性で高精度に計測することが可能である物質計測装置および物質計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測装置であって、前記流通ガスが流れる計測セルと、前記測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光を前記計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換えるレーザ光照射ユニットと、前記計測セルから出射されるレーザ光を受講する受光装置と、前記計測セルと前記レーザ光照射ユニットとの間に配置されレーザ光を反射させる第１反射部と、前記計測セルと前記受光装置との間に配置され、レーザ光を反射させる第２反射部と、前記レーザ光照射ユニットがレーザ光を前記計測セルに入射させる状態から入射させない状態に切り換えた前記受光装置が受光した光の強度の減衰に基づいて、流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する解析装置と、を有することを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の変調周期は、２０μｓ以下であることが好ましい。レーザ光の変調周期を２０μｓ以下とすることで、レーザ光の変調の１周期を、数十μｓ程度である一般的なリングダウンタイムよりも短くすることができる。
【０００９】
また、前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の変調周期が１μｓ以下であることが好ましい。
【００１０】
また、前記第１反射部および前記第２反射部は、反射率が９９％以上の光学ミラーであることが好ましい。
【００１１】
また、前記レーザ光照射ユニットと計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第１光学部材と、前記受光装置と計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第２光学部材と、をさらに有することが好ましい。
【００１２】
また、前記レーザ光照射ユニットと計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第１光ファイバと、前記レーザ光照射ユニットと計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第２光ファイバと、をさらに有し、前記第１反射部は、前記第１光ファイバに配置された複数の高屈折率層で構成されるファイバーブラッググレーティングであり、前記第２反射部は、前記第２光ファイバに配置された複数の高屈折率層で構成されるファイバーブラッググレーティングであることが好ましい。
【００１３】
また、一方の端部が前記第１光ファイバに接続され、他方の端部が前記第２光ファイバに接続され、かつ、前記計測セルに挿入される第３光ファイバを有し、前記第３光ファイバは、前記計測セル内の一部にコアが露出している領域を備えることが好ましい。
【００１４】
前記第１光ファイバと前記第２光ファイバと前記第３光ファイバは、連結部がない１本の光ファイバであることが好ましい。
【００１５】
また、前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の通過経路上に配置され、開閉することで前記計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換えるシャッターを備えることが好ましい。
【００１６】
また、前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の出射方向を切り換えて、前記計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換える機構を備えることが好ましい。
【００１７】
また、前記解析装置は、前記流通ガスに含まれる前記測定対象物質の濃度を検出することが好ましい。
【００１８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、両端に反射部が配置されかつ流通ガスが流れる計測セルの一方の端部からレーザ光を入射させ、前記計測セルの他方の端部から出射されるレーザ光を検出して、前記流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測方法であって、前記計測セルに前記流通ガスを流すステップと、前記測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光を前記計測セルの前記一方の端部から入射させるステップと、前記計測セルに前記レーザ光の入射を停止させるステップと、前記計測セルの他方の端部から出力される前記レーザ光を受光した受光ステップと、レーザ光を前記計測セルに入射させる状態から入射させない状態に切り換えた後に受光した光の強度の減衰に基づいて、流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する検出ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度、量等を高い応答性で高精度に計測することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図２Ａ】図２Ａは、半導体レーザ発振装置から出力されるレーザ光の波長の一例を示す波形図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、半導体レーザ発振装置から出力されるレーザ光の波長と測定対象物質の吸光度との関係を説明するための説明図である。
【図３】図３は、高速レーザ強度変調装置の動作の一例を説明するための説明図である。
【図４】図４は、濃度計測装置の動作を説明するフロー図である。
【図５】図５は、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。
【図６Ａ】図６Ａは、半導体レーザ発振装置から出力されるレーザ光の波長と測定対象物質の吸光度との関係を説明する説明図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。
【図６Ｃ】図６Ｃは、計測結果の一例を説明するための説明図である。
【図７】図７は、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、計測結果の一例を説明するための説明図である。
【図９】図９は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１１】図１１は、図１０に示すＦＢＧを拡大して示す模式図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、レーザ光照射ユニットから出力されるレーザ光の強度と時間との関係を示すグラフである。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。
【図１３】図１３は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１４】図１４は、図１３に示す光ファイバを拡大して示す模式図である。
【図１５】図１５は、レーザ光照射ユニットの一例を示す模式図である。
【図１６】図１６は、レーザ光照射ユニットの動作の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明にかかる物質計測装置および物質計測方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。例えば、本実施形態では、物質計測装置および物質計測方法として、流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度を計測するが、本発明はこれに限定されず、ガスに含まれる測定対象物質の量を計測してもよい。物質計測装置および物質計測方法は、管路を流れる種々のガスを流通ガスとすることができる。例えば、物質計測装置をディーゼルエンジンに取付、ディーゼルエンジンから排出される排ガスを流通ガスとし、流通ガスに含まれる測定対象物質を計測することができる。なお、排ガスを排出する機関、つまり測定対象のガスを排出（供給）する装置は、これに限定されず、ガソリンエンジンや、ガスタービン等種々の内燃機関に用いることができる。また、内燃機関を有する装置としては、車両、船舶、発電機等種々の装置が例示される。さらに、ゴミ焼却炉から排出されるガスを流通ガスとして、流通ガスに含まれる種々の物質を測定対象物質として計測することもできる。
【００２２】
［実施形態１］
図１は、本発明の濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。濃度計測装置１０は、流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度を計測する物質計測装置である。濃度計測装置１０は、図１に示すように、計測セルユニット１２と、レーザ光照射ユニット１４と、受光装置１６と、解析装置１８と、制御装置２０と、第１反射部４６と、第２反射部４８と、を有する。
【００２３】
計測セルユニット１２は、流通ガスＧを案内する経路および流通ガスが含まれる測定対象物質を計測する計測領域を構成する。計測セルユニット１２は、計測セル４０と、流入管４２と、排出管４４と、を有する。
【００２４】
計測セル４０は、筒形状の部材であり、内部に流通ガスＧが流れる。計測セル４０の筒形状の一方の端部（図１中左側、筒形状の上面）には第１反射部４６が配置され、他方の端部（図１中右側、筒形状の下面）には第２反射部４８が配置されている。つまり、計測セル４０は、筒形状の上面と下面が、それぞれ第１反射部４６と第２反射部４８とに塞がれた形状となっている。これにより、計測セル４０は、第１反射部４６と第２反射部４８とが設けられている両端部が、空気が流通しない状態となる。第１反射部４６と第２反射部４８とについては後述する。
【００２５】
流入管（サンプリング配管）４２は、測定対象の流通ガスＧを計測セル４０に供給する配管である。流入管４２は、例えば、計測対象配管と接続し、計測対象配管を流れる流通ガスＧの一部を捕集する。流入管４２は、一方の端部（流通ガスＧの流れ方向において上流側の端部）が流通ガスＧを供給する供給装置に接続されており、他方の端部（流通ガスＧの流れ方向において下流側の端部）が計測セル４０の側面（周面）の第１反射部４６側に接続されている。排出管４４は、一方の端部が、計測セル４０の側面（周面）の第２反射部４８側に接続され、他方の端部が、より下流側の配管と接続されている。
【００２６】
計測セルユニット１２は、流入管４２に供給された流通ガスＧを、流入管４２から計測セル４０に供給する。また、計測セルユニット１２は、計測セル４０を流れた流通ガスＧを排出管４４から外部に排出する。このようにして計測セルユニット１２は、測定対象ガスの供給手段から供給される流通ガスＧを流入管４２、計測セル４０、排出管４４の順で流す流路を形成する。
【００２７】
また、計測セルユニット１２は、更に、流通ガスＧが流入管４２から計測セル４０に向けて流れ、計測セル４０から排出管４４に向けて流れる向きに、空気を吸引するポンプを設けてもよい。この場合、ポンプは、流通ガスＧの流れ方向において、計測セル４０の下流側となる排出管４４に配置することが好ましい。計測セルユニット１２は、ポンプで流通ガスＧを吸引することで、流通ガスＧが流入管４２、計測セル４０、排出管４４の順で流れる流量を適宜調整することができる。
【００２８】
第１反射部４６および第２反射部４８は、光を反射する光学ミラーである。第１反射部４６は、第２反射部４８と向かい合う面が反射面となる。第２反射部４８は、第１反射部４６と向かい合う面が反射面となる。具体的には、第１反射部４６、第２反射部４８は、反射率が９９％以上、本実施形態では反射率が約９９．９９％の光学ミラーである。第１反射部４６および第２反射部４８は、到達した光（レーザ光）の略全ての光（９９％以上の光）を反射し、一部の光（１％未満の光）を透過させる。
【００２９】
これにより、計測セル４０内で第１反射部４６から第２反射部４８に向かう光は、第１反射部４６で反射して第２反射部４８から第１反射部４６に向かう光となる。また、計測セル４０内で第２反射部４８から第１反射部４６に向かう光は、第２反射部４８で反射して第１反射部４６から第２反射部４８に向かう光となる。これにより、計測セル４０の筒形状に対して略平行に進む光は、第１反射部４６と第２反射部４８とで反射され、計測セル４０を往復する。また、第１反射部４６と第２反射部４８とを往復する光の一部、第１反射部４６または第２反射部４８に反射されない１％未満の光は、第１反射部４６または第２反射部４８から計測セル４０の外側に出射される。これにより、計測セル４０を往復する光は、第１反射部４６または第２反射部４８で反射する毎に徐々に第１反射部４６または第２反射部４８から計測セル４０の外側に出射される。この点については、計測動作とともに後述する。
【００３０】
次に、レーザ光照射ユニット１４について説明する。レーザ光照射ユニット１４は、半導体レーザ発振装置２２と、レーザ制御装置２４と、光ファイバ２５と、高速レーザ強度変調装置２６と、ビームストッパ２８と、を有する。
【００３１】
半導体レーザ発振装置２２は、測定対象物質が吸収する波長（以下、吸収波長という。）を含む波長のレーザ光を出力する。半導体レーザ発振装置２２は、発光素子として半導体レーザ（レーザーダイオード、ＬＤ）を有する。なお、本実施形態では、レーザ光を出力する発光装置として、発光素子に半導体レーザを用いた半導体レーザ発振装置２２を用いたが、発光装置はこれに限定されない。発光装置は、レーザ光を出力する機構であればよい。半導体レーザ発振装置２２は、入力される信号に基づいて出力するレーザ光の波長や強度を調整することができる。
【００３２】
レーザ制御装置２４は、レーザ制御信号を生成し、半導体レーザ発振装置２２に送る。レーザ制御信号は、半導体レーザ発振装置２２から出力するレーザ光の波長や強度を制御する信号である。半導体レーザ発振装置２２は、レーザ光の波長を周期的に変化させるレーザ制御信号を生成する。半導体レーザ発振装置２２は、レーザ制御装置２４で生成されるレーザ制御信号に基づいてレーザ光を出力する。これにより、半導体レーザ発振装置２２は、波長が周期的に変化するレーザ光を出力する。
【００３３】
ここで、図２Ａは、半導体レーザ発振装置から出力されるレーザ光の波長の一例を示す波形図である。図２Ｂは、半導体レーザ発振装置から出力されるレーザ光の波長と測定対象物質の吸光度との関係を説明するための説明図である。図２Ａに示すグラフは、縦軸をレーザ光の波長λとし、横軸を時間とする。図２Ｂに示すグラフは、縦軸を測定対象物質の吸光度とし、横軸を波長とする。図２Ｂに示すグラフは、測定対象物質の吸光度の分布を示す吸収線６２に加え、半導体レーザ発振装置２２から出力されるレーザ光の波形６０を模式的に示す。本実施形態の半導体レーザ発振装置２２は、図２Ａに示すようにｓｉｎ波で波長を変調されたレーザ光を出力する。レーザ光は、図２Ａに示すように、周期がｔとなり、波長変調幅がαとなり、波長中心がλ０となる。レーザ光のｓｉｎ波の波長中心のλ０は、図２Ｂに示すように測定対象物質の吸収中心波長（吸収線６２の吸光度が最も高い波長、吸光度が最大値ｈとなる波長）と同一波長である。また、波長変調幅αは、吸収線６２のスペクトル幅６４よりも広い幅となる。このように半導体レーザ発振装置２２は、測定対象物質の吸収中心波長を含み、かつ、吸収線６２のスペクトル幅６４よりも広い幅の波長幅で変調されるレーザ光を出力する。
【００３４】
光ファイバ２５は、一方の端部が半導体レーザ発振装置２２に連結され、他方の端部が高速レーザ強度変調装置２６に連結されている。光ファイバ２５は、半導体レーザ発振装置２２から出力されるレーザ光を高速レーザ強度変調装置２６に案内する。
【００３５】
高速レーザ強度変調装置２６は、入射された光を出力する方向を切り換える可能な装置である。つまり、高速レーザ強度変調装置２６は、入射された光の進行方向を偏向し、複数の方向に出力することができる。高速レーザ強度変調装置２６としては、ＡＯ偏向器（ＡＯＤ、AO Deflectors）や、ＴｅＯ２等を圧電素子で変調する音響光学素子（ＡＯＭ、Acoustic Optics Modulator）や、ＬｉＮｂＯ３等に直接変調信号印加する電気光学素子（ＥＯＭ、Electro-Optic Modulator）を用いることができる。また、高速レーザ強度変調装置２６としては、直接変調法を用いる装置を用いることもできる。直接変調法を用いる装置は、半導体レーザの出力が注入電流に比例することから、レーザ注入電流に矩形波パルスと変調波を重畳することで出力を変調する。直接変調法を用いる装置は、さらにレーザ波長を素子温度で制御することで、レーザ波長を吸収波長に維持しながら強度変調する。高速レーザ強度変調装置２６は、半導体レーザ発振装置２２から出力され光ファイバ２５で案内されたレーザ光を、計測セル４０の第１反射部４６が配置されている端部に向けた第１の方向と、ビームストッパ２８に向けた第２の方向に出力することができる。つまり、高速レーザ強度変調装置２６は、計測セル４０の第１反射部４６が配置されている端部に入射するレーザ光Ｌ１と、ビームストッパ２８に入射するレーザ光Ｌ２と、を出力することができる。
【００３６】
図３は、高速レーザ強度変調装置の動作の一例を説明するための説明図である。高速レーザ強度変調装置２６は、制御装置２０から図３に示すＯＮ／ＯＦＦの信号が入力され、入力される信号に基づいてレーザ光を出力する向きを切り換える。本実施形態の高速レーザ強度変調装置２６は、信号がＯＦＦのとき計測セル４０の第１反射部４６が配置されている端部に入射するレーザ光Ｌ１を出力し、信号がＯＮのときビームストッパ２８に入射するレーザ光Ｌ２を出力する。したがって、図３に示す信号の場合、高速レーザ強度変調装置２６は、時間ｔ１になるまでビームストッパ２８に入射するレーザ光Ｌ２を出力し、時間ｔ１から時間ｔ２の間、計測セル４０の第１反射部４６が配置されている端部に入射するレーザ光Ｌ１を出力し、時間ｔ１以降ビームストッパ２８に入射するレーザ光Ｌ２を出力する。
【００３７】
ビームストッパ２８は、入射されたレーザ光を吸収する装置である。ビームストッパ２８は、レーザ光を吸収することで生じる温度上昇を抑制する冷却機構を備える。
【００３８】
レーザ光照射ユニット１４は、以上のような構成であり、レーザ制御装置２４から半導体レーザ発振装置２２にレーザ制御信号が送信される。半導体レーザ発振装置２２は、レーザ制御信号に基づいて波長が一定周期で変調するレーザ光を出力し、出力したレーザ光を光ファイバ２５に入射させる。光ファイバ５２は、入射されたレーザ光を案内して、高速レーザ強度変調装置２６に入射させる。高速レーザ強度変調装置２６は、制御装置２０からの信号に基づいて、レーザ光を計測セル４０内に入射させる状態と、ビームストッパに入射させる状態とを切り換える。つまり、高速レーザ強度変調装置２６は、レーザ光Ｌ１を出力する状態と、レーザ光Ｌ２を出力する状態とを切り換える。このようにして、レーザ光照射ユニット１４は、計測セル４０に波長が一定周期で変調するレーザ光Ｌ１を入射させる。また、レーザ光照射ユニット１４は、計測セル４０に波長が一定周期で変調するレーザ光Ｌ１を入射させる状態と、入射させない状態とを切り換える。
【００３９】
受光装置１６は、計測セル４０の内部を通過し、第２反射部４８から出力されたレーザ光を受光する受光部である。受光装置１６は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。受光装置１６は、受光したレーザ光の強度を受光強度信号として、解析装置１８に送る。受光装置１６は、受光部が受光した信号から受光装置１６が受信した信号からノイズ成分を除去する信号処理部を備えることが好ましい。信号処理部は、信号の高周波成分を低減するローパスフィルタや、所定の周波数成分のみを抽出するロックインアンプ（位相敏感検出器）等を用いることができる。受光装置１６は、信号処理部で受光部の受光信号を処理することでノイズを除去した受光強度信号を生成することができる。
【００４０】
解析装置１８は、受光装置１６から送信された受光強度信号に基づいて、つまり受光装置１６で検出したレーザ光の強度に基づいて流通ガスＧに含まれる測定対象物質の濃度を計測する。解析装置１８の濃度の計測方法は、後述する。
【００４１】
制御装置２０は、解析装置１８、レーザ制御装置２４、高速レーザ強度変調装置２６の動作を制御する制御機能を有し、必要に応じて各部の動作を制御する。具体的には、制御装置２０は、レーザ制御装置２４で生成する制御信号の周波数、強度、出力タイミング等を制御する。制御装置２０は、高速レーザ強度変調装置２６がレーザ光を出力させる向きを変更するタイミング、レーザ光を出力させる方向を制御する。また、制御装置２０は、解析装置１８に解析に必要な条件の設定も実行する。濃度計測装置１０は、以上のような構成である。
【００４２】
次に、図１および図４を用いて、濃度計測装置１０の動作を説明する。図４は、濃度計測装置の動作を説明するフロー図である。濃度計測装置１０の制御装置２０は、ステップＳ１２として流通ガスの流通を開始する。制御装置２０は、ステップＳ１２で流通ガスの流通を開始したら、ステップＳ１４として、レーザ光照射ユニット１４を駆動し、レーザ光の出力を開始する。ここで、レーザ光照射ユニット１４は、図２Ａおよび図２Ｂを用いて上述したように、波長が所定の周期で変化するｓｉｎ波のレーザ光Ｌを出力させる。また、レーザ光照射ユニット１４の高速レーザ強度変調装置２６は、初期状態でＯＮ状態となっている。つまり、高速レーザ強度変調装置２６は、レーザ光Ｌ２を出力する。これにより、レーザ光照射ユニット１４は、ステップＳ１４でレーザ光の出力を開始すると、レーザ光Ｌ２をビームストッパ２８に入射させる。
【００４３】
制御装置２０は、ステップＳ１４でレーザ光照射ユニット１４を駆動し、レーザ光の出力を開始したら、ステップＳ１６として、高速レーザ強度変調装置（変調装置）２６をＯＦＦにする。つまり、制御装置２０は、高速レーザ強度変調装置２６に送る信号をＯＮからＯＦＦに切り換え、高速レーザ強度変調装置２６がレーザ光Ｌ２を出力している状態からレーザ光Ｌ１を出力する状態とする。これにより、レーザ光照射ユニット１４は、レーザ光Ｌ１を計測セル４０に入射させる。
【００４４】
ここで、レーザ光照射ユニット１４は、レーザ光Ｌ１を第１反射部４６に照射し、第１反射部４６を通過したレーザ光Ｌ１を計測セル４０に入射させる。ここで、第１反射部４８は、上述したように反射率が高い光学ミラーであるため、計測セル４０に入射するレーザ光Ｌ３は、レーザ光Ｌ１よりも出力が低いレーザ光となる。計測セル４０に入射したレーザ光Ｌ３は、計測セル４０内を進み、第１反射部４６と第２反射部４８と交互に反射され、計測セル４０内を往復移動する。これにより、レーザ光Ｌ３は、計測セル４０の流通ガスＧが充填されている領域を複数回通過する。
【００４５】
制御装置２０は、ステップＳ１６で変調装置をＯＦＦとし、レーザ光Ｌ１を計測セル４０に入射させ、計測セル４０内へのレーザ光Ｌ３の入射を開始したら、ステップＳ１８として、閾値時間≦経過時間であるかを判定する。ここで、経過時間は、高速レーザ強度変調装置２６をＯＮにしてからの経過時間であり、閾値時間は、予め設定した時間である。つまり、制御装置２０は、時間が予め設定した閾値時間以上、計測セル４０（の第１反射部４６）にレーザ光Ｌ１を入射（照射）させているかを判定する。
【００４６】
制御装置２０は、ステップＳ１８で、閾値時間≦経過時間ではない（ステップＳ１８でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ１８に進む。つまり、制御装置２０は、経過時間が閾値時間以上となるまで、ステップＳ１８の判定を繰り返す。制御装置２０は、ステップＳ１８で、閾値時間≦経過時間である（ステップＳ１８でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ２０に進む。なお、本実施形態では、閾値時間経過したかを判定の基準とした、判定の基準は特に限定されない。
【００４７】
制御装置２０は、ステップＳ１８でＹｅｓと判定したら、ステップＳ２０として、変調装置をＯＮにする。つまり、制御装置２０は、高速レーザ強度変調装置２６に送る信号をＯＦＦからＯＮに切り換え、高速レーザ強度変調装置２６は、レーザ光Ｌ２を出力している状態から、レーザ光Ｌ１を出力する状態に切り換える。これにより、レーザ光照射ユニット１４は、計測セル４０へのレーザ光Ｌ１の入射を停止し、レーザ光Ｌ２をビームストッパ２８に入射させる。
【００４８】
制御装置２０は、ステップＳ２０で変調装置をＯＮにしたら、ステップＳ２２として、受光強度信号を検出する。つまり、制御装置２０は、受光装置１６を用いて、受光装置１６に入射するレーザ光Ｌ４の強度を検出し、受光強度信号を検出する。なお、制御部２０は、受光装置１６を予め駆動させておき、ステップＳ２０よりも前の段階でも受光強度信号の検出を行っていてもよい。制御装置２０は、ステップＳ２０で変調装置をＯＮにした時点およびステップＳ２０で変調装置をＯＮにした後の所定の時間の間に、受光装置１６で検出した受光強度信号が解析の対象となる。
【００４９】
制御装置２０は、ステップＳ２２で受光強度信号の検出を行ったら、ステップＳ２４として、リングダウンタイムから濃度を算出する。なお、リングダウンタイムからの濃度を検出する検出方法は後述する。
【００５０】
制御装置２０は、ステップＳ２０でレーザ光の強度を検出したら、ステップＳ２２として濃度を検出する。制御装置２０は、解析装置１８により、ステップＳ１８とステップＳ２０の結果を用いて計測領域を流れる流通ガスＧに含まれる測定対象物質の濃度を検出する。
【００５１】
制御装置２０は、ステップＳ２４で濃度を検出したら、ステップＳ２６で計測終了か（測定対象物質の濃度の検出を終了するか）を判定する。制御装置２０は、ステップＳ２６で処理終了ではない（Ｎｏ）と判定した場合、ステップＳ１６に進み、ステップＳ１６からステップＳ２４の処理を実行する。また、制御装置２０は、ステップＳ２６で計測終了である（Ｙｅｓ）と判定した場合、本処理を終了する。
【００５２】
次に、ステップＳ２４で実行される濃度の検出動作について説明する。図５は、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。なお、図５に示すグラフは、縦軸を受光強度とし、横軸を時間とする。また、図５に示すグラフは、受光強度の最大値を１とした規格化した状態で示す。ここで、制御装置２０は、キャビティーリングダウン分光法（ＣＲＤ分光法、ＣＲＤＳ、Cavity Ring Down Spectroscopy）を用いて、測定対象物質の濃度を計測する。
【００５３】
濃度計測装置１０は、レーザ光照射ユニット１４から計測セル４０へのレーザ光Ｌ１の入射されている状態が一定時間継続し、安定状態となると、計測セル４０内で一定強度のレーザ光Ｌ３が往復移動し、第１反射部４６、第２反射部４８で反射される毎に一定強度のレーザ光が第１反射部４６、第２反射部４８を通過する。これにより、第２反射部４８からレーザ光Ｌ４が出力される。
【００５４】
濃度計測装置１０は、安定状態からレーザ光照射ユニット１４から計測セル４０へのレーザ光Ｌ１の入射が停止されると、新たなレーザ光が計測セル４０に入射されない状態となる。濃度計測装置１０は、計測セル４０へのレーザ光Ｌ１の入射が停止される場合でも、計測セル４０内で往復移動しているレーザ光Ｌ３が第１反射部４６、第２反射部４８で反射される毎に一部のレーザ光が第１反射部４６、第２反射部４８を通過する。このため、レーザ光Ｌ３の強度は徐々に減衰していき、第２反射部４８から出力されるレーザ光Ｌ４の強度も徐々に減衰していく。制御装置２０は、レーザ光の入射を停止した後に計測セル４０の第２反射部４８を通過し、受光装置１６に入射するレーザ光Ｌ４の強度の減衰（受光強度信号の変化）を検出させる。ここで、受光装置１６で検出されるレーザ光Ｌ４の強度は、図５に示すように徐々に低減していく。なお、図５に示す例は、時間０のときにレーザ光Ｌ１の入射を停止し、受光信号の計測を開始している。
【００５５】
制御装置２０は、このレーザ光Ｌ４の強度の減衰の検出結果に基づいて解析装置１８による解析を行う。ここで、濃度計測装置１０は、計測セル４０内の流通ガスＧに測定対象物質が含まれている場合、レーザ光が流通ガスＧを通過すると、測定対象物質によりレーザ光の吸収波長成分が吸収され、レーザ光の出力が減衰する。また、流通ガスＧに含まれる測定対象物質の量が多いほど、つまり濃度が高いほど、レーザ光減衰量が多くなる。このため、図５に示すように、流通ガスＧ測定対象物質がない場合（図中ガス無）の受光強度も、流通ガスＧ測定対象物質がある場合（図中波長変調）の受光強度の方がより短時間でより大きく減衰（減少）する。なお、図５では、参考のため、測定対象物質の吸光度の最も高い波長、つまり中心波長で、波長を変調しないレーザ光を用いた場合（図中中心波長）についても示す。
【００５６】
解析装置１８は、以上の関係に基づいて減衰するレーザ光Ｌ４の受光強度を検出し、検出結果からレーザ光Ｌ４の強度の減衰率が所定の割合となるまでの時間であるリングダウンタイムを検出する。解析装置１８は、予め行った実験等で算出したリングタウンタイムと計測対象物質の濃度との関係を記憶しておき、当該関係と検出したリングダウンタイムとに基づいて計測対象物質の濃度を算出する。
【００５７】
濃度計測装置１０は、以上のように、レーザ光の経路の両端が反射率の高い反射部で挟まれた計測セル４０内に、レーザ光を入射させ、レーザ光の入射を停止した後に生じる計測セル４０から出力されるレーザ光の減衰に基づいて、計測セル４０内を流れる流通ガスＧに含まれる測定対象物質の濃度を、キャビティーリングダウン分光法を用いて、計測する。これにより、濃度計測装置１０は、レーザ光が流通ガスを通過する光路長を、計測セル４０の長さに対して飛躍的に長くすることができ、例えば計測長が１０ｋｍの計測セルと同様の距離分、流通ガスＧを通過したレーザ光の出力を検出することができる。これにより、測定対象物質の濃度を高精度で検出することができる。
【００５８】
また、濃度計測装置１０は、レーザ光出射ユニット１４から出力し、計測セル４０に入射させるレーザ光を、測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光とすることで、計測をより簡単にすることができ、短時間かつ高い精度で測定対象物質の濃度を計測することができる。
【００５９】
ここで、図６Ａは、半導体レーザ発振装置から出力されるレーザ光の波長と測定対象物質の吸光度との関係を説明する説明図である。図６Ｂは、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。図６Ｃは、計測結果の一例を説明するための説明図である。図６Ａから図６Ｃは、本発明とは異なりレーザ光として、所定波長のパルス波を用いた一例を示している。
【００６０】
例えば、レーザ光出射ユニット１４から計測セル４０に入射させるレーザ光を、図６Ａに示すようにレーザ波長７０に示すように１つの波長のパルス波とする。この場合、レーザ波長７０が吸収線６４のピーク（吸光度が最も高い波長）と一致すると、図６Ｂの波長中心の測定結果に示すように、ガス無しつまり測定対象物質が含まれない場合の測定結果に対して、受光強度の減衰が大きくなる。
【００６１】
しかしながら、濃度計測装置は、レーザ光出射ユニット１４の状態、例えば光源の温度により出力されるレーザ光の波長が変化したり、測定環境によって吸収波長の中心波長が変化したりする。このため、濃度計測装置１０は、レーザ光としてパルス波を用いる場合、たとえａｂ、図６Ｃに示すように、出力するレーザ光の波長を一定の波長間隔で変更し、各測定点７２の波長で濃度の計測を行う。このように、複数の波長についてそれぞれ計測を行うことで、測定対象物質の吸収波長での測定結果を検出することができ、測定対象物質の濃度を計測することができる。
【００６２】
これに対して、本実施形態の濃度計測装置１０は、上述したように、計測セル４０に入射させるレーザ光を、測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光とする。これにより、濃度計測装置１０は、レーザ光出射ユニット１４の状態、例えば光源の温度により出力されるレーザ光の波長が変化したり、測定環境によって吸収波長の中心波長が変化したりしても、入射するレーザ光を吸収波長の中心波長を含むレーザ光とすることができる。このため、変調するレーザ光の中心波長と測定対象物質の吸収波長の中心波長とがずれた場合でも同様の計測結果を得ることができる。すなわち、条件が変化しても同様の結果を得ることができる。以上より、濃度計測装置１０は、一回の測定でも測定対象物質の濃度を高い精度で計測することができる。
【００６３】
次に、図７及び図８を用いて、計測結果の一例を説明する。図７は、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。図８は、計測結果の一例を説明するための説明図である。本測定では、流通ガスに測定対象物質がなく、かつ、レーザ光を変調させた場合と、流通ガスに測定対象物質が一定濃度含まれており、かつ、レーザ光を変調させた場合、流通ガスに測定対象物質が一定濃度含まれており、かつ、レーザ光を変調させない（装置の設定上波長を一定に設定した）場合について、それぞれガス濃度の計測を行った。
【００６４】
図７に、３つの夫々の条件の計測で検出される受光強度の減衰を示す。図７に示すように、流通ガスに測定対象物質がなく、かつ、レーザ光を変調させた場合（図中対象ガス無、変調有）は、流通ガスに測定対象物質が一定濃度含まれており、かつ、レーザ光を変調させた場合（図中対象ガス有、変調有）よりも受光強度が０となるまでの時間が長くなる。また、図中対象ガス有、変調有の場合は、流通ガスに測定対象物質が一定濃度含まれており、かつ、レーザ光を変調させない（図中対象ガス有、変調無）場合よりも受光強度が０となるまでの時間が長くなる。図７に示すように、検出開始からリングダウンタイムに到達するまでの応答性については、レーザ光を変調して計測を行うよりも、変調をしないで計測を行った方が速くなる。
【００６５】
次に、図８に３つの夫々の条件の計測の濃度の計測結果を示す。なお、図８では、それぞれの場合について、同一の流通ガスに対して、一定時間で複数回の計測を行った。図８に示すように、レーザ光を変調させずに計測を行った場合は、レーザ光を変調させて計測を行った場合よりも検出された値に変動が生じる。ここで、測定では、同一濃度の測定対象物質を含んだ流通ガスを用いているため、変動が検出誤差となる。つまり、図８に示すように、レーザ光を変調させて計測を行うことで、検出精度をより高くすることができる。
【００６６】
このように、濃度計測装置１０は、波長を変調させずに一回の計測で濃度を検出する場合よりも高い精度で濃度を計測することができる。また、濃度計測装置１０は、波長を一定波長幅で変更し、それぞれの波長について波長を変調させずに計測を行い、濃度を検出する場合に対して、一回の計測で濃度を検出できるため、短時間で濃度を計測することができる。なお、濃度計測装置１０は、波長を一定波長幅で変更し、それぞれの波長について波長を変調させずに計測を行う場合、高い精度で吸収波長の中心波長で測定を行うためには、測定の回数を多くする必要があり測定に時間がかかるが、濃度計測装置１０は、一回の計測で同程度の精度で濃度を計測することができる。以上より、濃度計測装置１０は、高応答性とロバスト性の両方を高いレベルで実現することができる。
【００６７】
また、濃度計測装置１０は、レーザ光の波長変調幅αを測定対象物質の吸光線のスペクトル半値幅よりも広く、好ましくは、２．２倍以上とすることで、ロバスト性をより向上させることができる。つまり、レーザ光の波長変調幅αを測定対象物質の吸収線のスペクトル幅よりも十分に広くすることで、レーザ光の変調の中心波長と測定対象物質の吸収線の中心波長（ピークの波長）とのずれが大きくなっても、測定対象物質の吸光度が一定割合以上となる範囲を変調幅に含めることができる。
【００６８】
また、濃度計測装置１０は、レーザ光の変調の周期ｔをリングダウンタイムより十分短くしておく必要がある。さらに、濃度計測装置１０は、レーザ光の変調の周期ｔをリングダウンタイムの１／４以下とすることが好ましく、リングダウンタイムの１／２０以下とすることがより好ましい。ここで、一般的なリングダウンタイムは、通常、数十μｓ程度であるため、濃度計測装置１０は、レーザ光の変調の周期ｔを２０μｓ以下とすることで、レーザ光の変調の周期ｔをリングダウンタイムより十分短くすることができる。濃度計測装置１０は、レーザ光の変調の周期ｔを好ましくは５μｓ以下、さらに好ましくは１μｓ以下とすることで、リングダウンタイムまでの時間に対して周期を十分に短くすることができ、複数周期分のレーザ光が入射した状態で、計測を行うことができる。具体的には、レーザ光の変調の周期ｔを５μｓ以下とすることで、リングダウンタイムの間に変調されたレーザ光を４周期以上入射させることができる。また、レーザ光の変調の周期ｔを１μｓ以下とすることで、リングダウンタイムの間に変調されたレーザ光を２０周期以上入射させることができる。これにより計測精度をより高くすることができる。
【００６９】
ここで、濃度計測装置１０は、装置を調整することで、流通ガスに含まれる種々の物質を測定対象物質とすることができる。また、測定対象物質としては、流通ガスに含まれる種々の物質を対象とすることができる。測定対象物質は、流通ガス中に浮遊粒子状物質（ＳＰＭ、Suspended Particulate Matter）、粒子状物質（ＰＭ、Particulate Matter、Particulate）やガス状物質等として存在する。また、測定対象物質としては、レーザ光で出力可能な波長範囲に吸収波長（吸光度が高くなる波長）がある各種物質を用いることができる。
【００７０】
ここで、レーザ光は、近赤外波長域のレーザ光を用いることが好ましい。これにより、流通ガスに測定対象物質以外の成分が混在した状態であっても、測定対象物質の濃度を適切に測ることができる。つまり、測定対象物質以外の成分がノイズとなりにくくすることができる。これにより、フィルタや、除湿の工程をなくすまたは少なくすることができ、流通ガス供給源から流通ガスが供給されてから、計測を行い、計測結果を算出するまでの時間を短時間にすることができる。つまり、計測の時間遅れを少なくすることができる。これにより、応答性を高くすることができる。
【００７１】
また、計測セルユニット１２は、上述したように、流通ガスＧが流入管４２から計測セル４０に向けて流れ、計測セル４０から排出管４４に向けて流れる向きに、空気を吸引するポンプを設けてもよい。この場合、ポンプは、流通ガスＧの流れ方向において、計測セル４０の下流側となる排出管４４に配置することが好ましい。計測セルユニット１２は、ポンプで流通ガスＧを吸引することで、流通ガスＧが流入管４２、計測セル４０、排出管４４の順で流れる流量を適宜調整することができる。
【００７２】
濃度計測装置は、上記実施形態に限定されず、種々の実施形態とすることができる。以下、図９から図１６を用いて、他の実施形態について説明する。
【００７３】
［実施形態２］
図９は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図９に示す濃度計測装置１００は、計測セルユニット１２と、レーザ光照射ユニット１０４と、受光装置１６と、解析装置１８と、制御装置２０と、第１反射部４６と、第２反射部４８と、を有する。さらに、濃度測定装置１００は、光ファイバ１１２と、接続光学系１１４、１１６と、を有する。ここで、濃度計測装置１００は、レーザ光照射ユニット１０４と、光ファイバ１１２と、接続光学系１１４、１１６との構成を除いて、他の構成は濃度計測装置１０と同様である。濃度計測装置１００の構成のうち濃度計測装置１０と同様の構成については説明を省略する。
【００７４】
レーザ光照射ユニット１０４は、半導体レーザ発振装置２２と、レーザ制御装置２４と、光ファイバ２５と、光シャッター１１０と、を有する。なお、半導体レーザ発振装置２２と、レーザ制御装置２４と、光ファイバ２５と、は、上述したレーザ光照射ユニット１４と同様の構成であるので説明を省略する。
【００７５】
高速光シャッター１１０は、レーザ光照射ユニット１４の高速レーザ強度変調装置２６とビームストッパ２８との機能を備える装装置である。高速光シャッター１１０は、レーザ光の通過経路上に、レーザ光の通過を遮る状態と、レーザ光を通過させる状態（通過を遮らない状態）とを切り換えることができる機構である。ここで、高速光シャッター１１０は、例えば、液晶表示装置に用いられる液晶シャッターを用いることができる。高速光シャッター１１０は、レーザ光の通過を遮る状態とすることで、測定セル４０にレーザ光を入射しない状態とし、レーザ光を通過させる状態とすることで、測定セル４０にレーザ光を入射させる状態とする。また、高速光シャッター１１０は、レーザ光の通過を遮る状態が、ＯＮ状態となり、レーザ光を通過させる状態がＯＦＦ状態となる。
【００７６】
レーザ光照射ユニット１０４は、以上のような構成であり、レーザ制御装置２４から半導体レーザ発振装置２２にレーザ制御信号が送信される。半導体レーザ発振装置２２は、レーザ制御信号に基づいて波長が一定周期で変調するレーザ光を出力し、出力したレーザ光を光ファイバ２５に入射させる。光ファイバ５２は、入射されたレーザ光を案内して、高速光シャッター１１０に入射させる。高速光シャッター１１０は、制御装置２０からの信号に基づいて、レーザ光を通過させ、レーザ光を計測セル４０内に入射させる状態と、レーザ光を遮り、レーザ光を計測セル４０内に入射させない状態とを切り換える。このようにして、レーザ光照射ユニット１０４も、計測セル４０に波長が一定周期で変調するレーザ光を入射させる。また、レーザ光照射ユニット１０４は、計測セル４０にレーザ光を入射させる状態と、入射させない状態とを切り換える。
【００７７】
次に、光ファイバ１１２は、一方の端部が高速光シャッター１１０と接続され、他方の端部が接続光学系１１４と接続されている。また、接続光学系１１４は、光ファイバ１１２と第１反射部４６とを接続している。接続光学系１１４は、コネクタ等であり、接続している２つの部材（光ファイバ１１０と第１反射部４６）を、２つの部材の間でレーザ光が通過可能な状態で連結する。このように、高速光シャッター１１０と第１反射部４６とは、光ファイバ１１２と接続光学系１１４とで接続されている。これにより、高速光シャッター１１０から計測セル４０に向けて入射されたレーザ光は、光ファイバ１１２を通過した後、接続光学系１１４を通過して第１反射部４６に入射する。
【００７８】
接続光学系１１６は、第２反射部４８と受光装置１６とを接続している。接続光学系１１６は、コネクタ等であり、第２反射部４８と受光装置１６との間でレーザ光が通過可能な状態で連結する。
【００７９】
濃度計測装置１００は、高速レーザ強度変調装置２６およびビームストッパ２８に代えて、高速光シャッター１１０を設けることで、計測セル４０にレーザ光を入射させる状態と、入射させない状態とを切り換える。このように、高速光シャッター１１０を用いることでも、適切に、計測セル４０にレーザ光を入射させる状態と、入射させない状態とを切り換えることができる。また、濃度計測装置１００は、高速光シャッター１１０を用いることで、計測セル４０にレーザ光を入射させない場合にレーザ光を外部に出力することを抑制することができる。
【００８０】
濃度計測装置１００は、高速光シャッター１１０と計測セル４０（に連結している第１反射部４６）との間に光ファイバ１１２および接続光学系１１４を設けることで、レーザ光照射ユニット１０４から出力されたレーザ光を光学部材で計測セル４０に案内することができる。また同様に計測セル４０（に連結している第２反射部４８）と受光装置１６とを接続光学系１１６で接続することで、計測セル４０から出力されたレーザ光を光学部材で受光装置１６に案内することができる。濃度計測装置１００は、各構成要素の間のレーザ光の経路に光ファイバまたは光学接続系を設けることで、レーザ光をより高い精度で伝達させることができる。また、レーザ光を光ファイバで案内することで、レーザ光を直線以外の経路でも案内することができる。これにより装置をコンパクト化することができ、かつ、装置の配置を簡単にすることができる。
【００８１】
［実施形態３］
図１０は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図１０に示す濃度計測装２００は、計測セルユニット２０２と、レーザ光照射ユニット１０４と、受光装置１６と、解析装置１８と、制御装置２０と、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating、ファイバーブラッググレーティング）２２０、２４０と、を有する。さらに、濃度測定装置２００は、光ファイバ２１８、２３０と、接続光学系１１４、２３２、２３４と、を有する。ここで、濃度計測装置２００は、計測セルユニット２０２と、ＦＢＧ２２０、２４０と、光ファイバ２１８、２３０と、接続光学系１１４、２３２、２３４と、の構成を除いて、他の構成は濃度計測装置１００と同様である。濃度計測装置２００の構成のうち濃度計測装置１００と同様の構成については説明を省略する。
【００８２】
計測セルユニット２０２は、流通ガスＧを案内する経路および流通ガス含まれる測定対象物質を計測する計測領域を構成する。計測セルユニット２０２は、計測セル２１０と、流入管２１２と、排出管２１４と、を有する。
【００８３】
計測セル２１０は、中空の四角柱形状の部材であり、内部に流通ガスＧが流れる。計測セル２１０の中空の角柱形状の一方の端部（図１０中上側、四角柱の上面）には流入管２１２が配置され、他方の端部（図１０中下側、四角柱の下面）には排出管２１４が配置されている。つまり、計測セル２１０は、四角柱形状の上下面が開放されており、それぞれの面に流入管２１２と排出管２１４が接続されている。また、計測セル２１０は、四角柱の１つの側面に接続光学系１１４が接続され、当該光学部材１１４が接続されている側面の反対側の側面に接続光学系２３２が接続されている。ここで、計測セル２１０は、接続光学系１１４が接続されている側面と、接続光学系２３２が接続されている側面とが平行な面となる。
【００８４】
流入管（サンプリング配管）２１２は、測定対象の流通ガスＧを計測セル２１０に供給する配管である。流入管４２は、一方の端部が流通ガスＧを供給する供給装置に接続されており、他方の端部が計測セル２１０の上面に接続されている。排出管２１４は、一方の端部が、計測セル２１０の下面に接続され、他方の端部が、より下流側の配管と接続されている。
【００８５】
計測セルユニット２０２は、流入管２１２に供給された流通ガスＧを、流入管２１２から計測セル２１０に供給する。また、計測セルユニット２０２は、計測セル２１０を流れた流通ガスＧを排出管２１４から外部に排出する。このようにして計測セルユニット２０２は、測定対象ガスの供給手段から供給される流通ガスＧを流入管２１２、計測セル２１０、排出管２１４の順で流す流路を形成する。
【００８６】
次に、光ファイバ２１８、２３０と、接続光学系１１４、２３２、２３４とについて説明する。光ファイバ２１８と接続光学系１１４とは、高速光シャッター１１０と計測セル２１０との間に配置されている。光ファイバ２３０と接続光学系３２３，３２４とは計測セル２１０と受光装置１６との間に配置されている。
【００８７】
光ファイバ２１８は、一方の端部が高速光シャッター１１０と接続され、他方の端部が接続光学系１１４と接続されている。また、接続光学系１１４は、光ファイバ１２８と計測セル２１０の側面とを接続している。接続光学系１１４は、コネクタ等であり、接続している２つの部材（光ファイバ２１８と計測セル２１０）を、２つの部材の間でレーザ光が通過可能な状態で連結する。このように、高速光シャッター１１０と計測セル２１０とは、光ファイバ２１８と接続光学系１１４とで接続されている。
【００８８】
光ファイバ２３０は、一方の端部が接続光学系２３２と接続され、他方の端部が接続光学系２３４と接続されている。また、接続光学系２３２は、計測セル２１０の側面と光ファイバ２３０とを接続している。接続光学系２３４は、光ファイバ２３０と受光装置１６とを接続している。このように、計測セル２１０と受光装置１６とは、光ファイバ２３０と接続光学系２３２、２３４とで接続されている。
【００８９】
次に、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating、ファイバーブラッググレーティング）２２０、２４０について説明する。ＦＢＧ２２０は、光ファイバ２１８の接続光学系１１４側（つまり計測セル２１０側）の端部領域に設けられている。ＦＢＧ２２０は、第１反射部４６と同様の機能を備える光学部材であり、複数の高屈折率層２２２を有する。ＦＢＧ２４０は、光ファイバ２３０の接続光学系２３２側（つまり計測セル２１０側）の端部領域に設けられている。ＦＢＧ２４０は、第２反射部４８と同様の機能を備える光学部材であり、複数の高屈折率層２４２を有する。ＦＢＧ２２０とＦＢＧ２４０とは、計測セル２１０を挟んで向かい合う位置に配置されている。また、ＦＢＧ２２０とＦＢＧ２４０とは、ともにレーザ光の通過経路である光ファイバ２１８、２３０内に設けられているため、レーザ光の通過経路に配置されている。
【００９０】
以下、図１１を用いて、２つのＦＢＧ２２０、２４０のうち代表してＦＢＧ２４０について説明する。図１１は、図１０に示すＦＢＧを拡大して示す模式図である。ＦＢＧ２４０は、光ファイバ２３０のコアにレーザ光の経路方向に所定間隔、離れて複数配置された高屈折率層２４２を備える。ＦＢＧ２４０は、光ファイバ２３０のコアに複数の高屈折率層２４２を配置することで、周期的に屈折率を変化させている。このように、ＦＢＧ２４０は、レーザ光の通過経路に屈折率の周期的な変化を設け、屈折率の周期的な変化をグレーティング(回折格子)機能させることで、グレーティングの周期が作るブラッグ反射条件を満たす波長の光のみを反射させる。これにより、ＦＢＧ２４０は、レーザ光の波長を反射させることができる。また、ＦＢＧ２４０は、複数の高屈折率層２４２の境界で同様の反射で生じる。また、ＦＢＧ２４０は、所定の条件を満たすレーザ光は通過させるため、ＦＢＧ２４０に到達したレーザ光の一部（１％未満の光）は、ＦＢＧ２４０を通過して、受光装置１６に到達する。
【００９１】
これにより、濃度計測装置２００は、計測セル２１０を挟んだＦＢＧ２２０とＦＢＧ２４０との間でレーザ光が反射され往復移動する。つまり、ＦＢＧ２２０からＦＢＧ２４０に向かう光は、ＦＢＧ２４０で反射してＦＢＧ２４０からＦＢＧ２２０に向かう光となる。ＦＢＧ２４０からＦＢＧ２２０に向かう光は、ＦＢＧ２２０で反射してＦＢＧ２２０からＦＢＧ２４０に向かう光となる。また、ＦＢＧ２２０とＦＢＧ２４０とを往復する光の一部、ＦＢＧ２２０またはＦＢＧ２４０で反射されない１％未満の光は、ＦＢＧ２２０またはＦＢＧ２４０から、計測セル２１０から離れる方向に外側に出射される。これにより、計測セル２１２を往復する光は、ＦＢＧ２２０とＦＢＧ２４０とで反射する毎に徐々にＦＢＧ２２０とＦＢＧ２４０との間から外側に出射される。
【００９２】
濃度計測装置２００は、計測セル２１０を挟んで光を反射させる反射部として、ＦＢＧ２２０、２４０を用いることでも同様に、計測セル２１０でレーザ光を往復させることができ、キャビティーリングダウン分光法を用いた濃度計測を行うことができる。図１２Ａは、レーザ光照射ユニットから出力されるレーザ光の強度と時間との関係を示すグラフである。図１２Ｂは、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。ここで、濃度計測装置２００は、複数の高屈折率層２２２、２４２で構成されるＦＢＧ２２２、２４０を反射部として用いている。このため、濃度計測装置２００は、図１２Ａに示すように、レーザ光照射ユニットから出力されるレーザ光を時間０で計測セル２１０に向けて出力している状態から出力していない状態に切り換えると、図１２Ｂに示すように、受光装置１６で受光信号が一定の時間間隔で検出され、かつ、検出強度が段階的に減衰する。濃度計測装置２００は、図１２Ｂに示すように一定の時間間隔で検出される受光信号を解析することで上記実施形態と同様にリングダウンタイムを検出し、濃度を検出することができる。
【００９３】
また、濃度計測装置２００は、反射部として光ファイバの内部に配置されたＦＢＧ２２０、２４０を用いることで、光学ミラーを用いるよりも装置をコンパクトにすることができる。また、計測セルの端部に光学ミラーを設ける必要がないため、計測セルの形状も小型化することができる。計測セルを小型化できることで、流通ガスの量が少ない場合でも好適に計測を行うことができる。
【００９４】
［実施形態４］
図１３は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図１３に示す濃度計測装３００は、計測セルユニット３０２と、レーザ光照射ユニット１０４と、受光装置１６と、解析装置１８と、制御装置２０と、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating、ファイバーブラッググレーティング）３２０、３３０と、を有する。さらに、濃度測定装置３００は、光ファイバ３１２、接続光学系３１４、３１６と、を有する。ここで、濃度計測装置３００は、計測セルユニット３０２と、ＦＢＧ３２０、３３０と、光ファイバ３１２と、接続光学系３１４、３１６と、の構成を除いて、他の構成は濃度計測装置２００と同様である。濃度計測装置３００の構成のうち濃度計測装置３００と同様の構成については説明を省略する。
【００９５】
計測セルユニット３０２は、流通ガスＧを案内する経路および流通ガス含まれる測定対象物質を計測する計測領域を構成する。計測セルユニット３０２は、計測セル３１０を有する。計測セル３１０は、中空の配管であり、内部に流通ガスＧが流れる。計測セル２１０の中空の角柱形状の一方から他方に流通ガスＧが流れている。また、計測セル３１０は、内部に光ファイバ３１２が挿入されている。
【００９６】
次に、光ファイバ３１２と、接続光学系３１４、３１６とについて説明する。光ファイバ３１２は、一方の端部が接続光学系３１４と接続され、他方の端部が接続光学系３１６と接続されている。また、光ファイバ３１２は、一部が計測セル３１０の内部を通過している。光ファイバ３１２は、計測セル３１０内に配置された一部がファイバーセンサ域３４０となる。ファイバーセンサ域３４０については後述する。また、接続光学系３１４は、高速光シャッター１１０と光ファイバ３１２とを接続している。接続光学系１１４は、コネクタ等であり、接続している２つの部材を、２つの部材の間でレーザ光が通過可能な状態で連結する。接続光学系３１６は、光ファイバ３１２と受光装置１６とを接続している。このように、高速光シャッター１１０と受光装置１６は、計測セル３１０の内部を通過する光ファイバ３１２と接続光学系３１４、３１６とで接続されている。
【００９７】
ここで、図１４は、図１３に示す光ファイバを拡大して示す模式図である。ファイバーセンサ域３４０は、光ファイバを構成するコア３１４とクラッド３１６とのうち、クラッド３１６が設けられておらず、コア３１４が露出した状態となっている。ファイバーセンサ域３４０は、コア３１４が露出していることで、レーザ光の一部が漏れ出し、近接場光（エバネッセント光）を照射する。この近接場光（エバネッセント光）は、一定の強度で照射される。また、この近接場光（エバネッセント光）の吸収波長成分は、測定対象物質により吸収される。このため、近接場光（エバネッセント光）を照射している領域に測定対象物質があると光ファイバ３１２を通過するレーザ光の出力が減衰する。濃度計測装置３００は、ファイバーセンサ域３４０を設けることで、レーザ光を直接計測セル内に入射させなくても、測定対象物質の濃度に基づいてレーザ光の出力を減衰させることができる。これにより、上記実施形態と同様に計測を行うことができる。
【００９８】
次に、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating、ファイバーブラッググレーティング）３２０、３３０について説明する。ここで、ＦＢＧ３２０、３３０は、配置される光ファイバが光ファイバ３１２となった点を除いて、基本的な構成は、ＦＢＧ２２０、２４０と同様である。ＦＢＧ３２０は、光ファイバ３１２のファイバーセンサ域３４０よりも高速光シャッター１１０側に設けられている。ＦＢＧ３２０は、第１反射部４６と同様の機能を備える光学部材であり、複数の高屈折率層３２２を有する。ＦＢＧ３３０は、光ファイバ３１２のファイバーセンサ域３４０よりも受光装置１６側に設けられている。ＦＢＧ３２０は、第２反射部４８と同様の機能を備える光学部材であり、複数の高屈折率層３３２を有する。
【００９９】
これにより、濃度計測装置３００も、ファイバーセンサ域３４０を挟んだＦＢＧ３２０とＦＢＧ３３０との間でレーザ光が反射され往復移動する。ファイバーセンサ領域３４０を往復する光は、ＦＢＧ３２０とＦＢＧ３３０とで反射する毎に徐々にＦＢＧ３２０とＦＢＧ３３０との間から外側に出射される。
【０１００】
濃度計測装置３００は、ファイバーセンサ域３４０を設けることで、光ファイバでレーザ光を案内している状態を維持して計測を行うことができる。これにより、レーザ光が空間を伝達する距離を短くすることが出来るため、レーザ光の損失をより少なくすることができる。また、１本の光ファイバで高速光シャッター１１０と受光装置１６とを接続できるため、光学部材同士の連結部を少なくすることができ、この点でもレーザ光の損失を少なくすることができる。
【０１０１】
また、濃度計測装置２００は、計測セルの内部に光ファイバを通過させることができるため、計測セルを種々の構造とすることができる。これにより装置をコンパクトにすることができる。また、測定対象の流通ガスＧが流れる配管に直接配置することもできるため、計測の応答性をより高くすることができる。
【０１０２】
（実施形態５）
なお、上記実施形態では、レーザ光照射ユニットの半導体レーザ発振装置を１つとしたが、複数設けてもよい。図１５は、レーザ光照射ユニットの一例を示す模式図である。図１６は、レーザ光照射ユニットの動作の一例を示す模式図である。図１５に示すレーザ光照射ユニット４１４は、第１半導体レーザ発振装置４２２ａと、第２半導体レーザ発振装置４２２ｂと、第３半導体レーザ発振装置４２２ｃと、レーザ制御装置４２４と、第１高速光シャッター４３２ａと、第２高速光シャッター４３２ｂと、第３高速光シャッター４３２ｃと、合波部４３６とを有する。レーザ光照射ユニット４１４は、各部を接続する光ファイバ４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃ、４３４ａ、４３４ｂ、４３４ｃ、４３８を有する。
【０１０３】
第１半導体レーザ発振装置４２２ａと、第２半導体レーザ発振装置４２２ｂと、第３半導体レーザ発振装置４２２ｃと、は、出力するレーザ光の波長が互いに異なる点を除いて他の構成、機能は、半導体レーザ発振装置２２と同様である。レーザ制御装置４２４は、第１半導体レーザ発振装置４２２ａと、第２半導体レーザ発振装置４２２ｂと、第３半導体レーザ発振装置４２２ｃとに制御信号を送り、それぞれから波長を振動させたレーザ光を出力させる。
【０１０４】
第１高速光シャッター４３２ａと、第２高速光シャッター４３２ｂと、第３高速光シャッター４３２ｃは、高速光シャッター１１０と同様に入射されたレーザ光を遮るか遮らないかを切り換える機構である。第１高速光シャッター４３２ａは、光ファイバ４３０ａで第１半導体レーザ発振装置４２２ａと接続されている。また、第１高速光シャッター４３２ａは、光ファイバ４３４ａで合波部４３６と接続されている。第２高速光シャッター４３２ｂは、光ファイバ４３０ｂで第１半導体レーザ発振装置４２２ｂと接続されている。また、第２高速光シャッター４３２ｂは、光ファイバ４３４ｂで合波部４３６と接続されている。第３高速光シャッター４３２ｃは、光ファイバ４３０ｃで第３半導体レーザ発振装置４２２ｃと接続されている。また、第３高速光シャッター４３２ｃは、光ファイバ４３４ｃで合波部４３６と接続されている。
【０１０５】
合波部４３６は、３つの光ファイバ４３４ａ、４３４ｂ、４３４ｃと１つの光ファイバ４３８とを接続するカプラである。合波部４３６は、３つの光ファイバ４３４ａ、４３４ｂ、４３４ｃのそれぞれから入射されたレーザ光を光ファイバ４３８に入射させる。光ファイバ３２８は、計測セルと直接または接続光学系を介して接続されている。
【０１０６】
レーザ光照射ユニット４１４は、以上のような構成である。制御装置は、レーザ光照射ユニット４１４の第１高速光シャッター４３２ａと、第２高速光シャッター４３２ｂと、第３高速光シャッター４３２ｃとのＯＮとＯＦＦ、つまりレーザ光の通過、遮断を切り換えることで、合波部４３６を通過して、計測セルに入射させるレーザ光を切り換えることができる。例えば、図１６に示すように、第１高速光シャッター４３２ａにより第１半導体レーザ発振装置４２２ａから出力されるレーザ光のみを通過させ、当該レーザ光により測定対象物質の濃度の計測を行う。その後、第２高速光シャッター４３２ｂにより第２半導体レーザ発振装置４２２ｂから出力されるレーザ光のみを通過させ、当該レーザ光により他の測定対象物質の濃度の計測を行う。第３高速光シャッター４３２ｃにより第３半導体レーザ発振装置４２２ｃから出力されるレーザ光を通過させ、当該レーザ光により更に別の測定対象物質の濃度の計測を行う。
【０１０７】
このように、レーザ光照射ユニット４１４は、３つの異なる波長のレーザ光を順次入射させることで、流通ガスに含まれる３つの異なる測定対象物質の濃度を計測することができる。また、１度の測定にかかる時間は、流通ガスが計測セルを通過する時間よりも十分に短いので、同一の流通ガスを測定したとみなすことができる。なお、上記実施形態では、半導体レーザ発光装置と高速シャッターとの組み合わせを３つとしたが数は特に限定されない。また、レーザ光の出力を発振装置側で切り換えられる場合は、高速光シャッターを合波部の下流側に設けてもよい。なお、１つの半導体レーザ発振装置で複数の測定対象物質の吸収波長のレーザ光を出力できるようにしてもよい。
【０１０８】
また、上記実施形態では、いずれも流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度を計測したが、本発明はこれに限定されず、測定対象物質の量を算出することもできる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０、１００、２００、３００ 濃度計測装置
１２、２０２、３０２ 計測セルユニット
１４、１０４、４１４ レーザ光照射ユニット
１６ 受光装置
１８ 解析装置
２０ 制御装置
２２ 半導体レーザ発振装置
２４、４２４ レーザ制御装置
２６ 高速レーザ強度変調装置
２８ ビームストッパ
１１２、２１８、２３０、３１２、４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃ、４３４ａ、４３４ｂ、４３４ｃ、４３８ 光ファイバ
４０、２１０、３１０ 計測セル
４２、２１２ 流入管
４４、２１４ 排出管
４６ 第１反射部
４８ 第２反射部
１１０ 高速光シャッター
１１４、１１６、２３２、２３４、３１４、３１６ 接続光学系
２２０、２４０、３２０、３３０ ＦＢＧ
２２２、２４２、３２２、３３２ 高屈折率層
３１４ コア
３１６ クラッド
３４０ センサ領域
４２２ａ 第１半導体レーザ発振装置
４２２ｂ 第２半導体レーザ発振装置
４２２ｃ 第３半導体レーザ発振装置
４３２ａ 第１高速光シャッター
４３２ｂ 第２高速光シャッター
４３２ｃ 第３高速光シャッター
４３６ 合波部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管路内を流れる流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測装置および物質計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、内燃機関、焼却炉等の燃焼機関から排出されるガスは、種々の物質（ガス状物質、粒子状物質等）が混合した混合ガスとなっている。このように混合ガスに含まれる物質には、種々の物質が含まれる。このため、例えば混合ガスに有毒な物質が含まれているか等、種々の目的で混合ガス内の特定の物質を検知したい場合がある。また、試験、評価等のために、混合ガスに含まれる特定物質の濃度、量を検出したい場合もある。これに対して、複数のガス状物質で構成されている混合ガスの中から特定の物質（測定対象物質）の濃度、量を計測する種々の装置が提案されている。例えば、特許文献１および特許文献２には、計測セルから漏れた漏れ光の光量を計測し、計測した光量の減衰に基づいて測定対象の物質を計測するキャビティーリングダウン分光法を用いて、測定対象の試料を分析する装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３３３３３７公報
【特許文献２】特開２００６−１３８７２７公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１および特許文献２に記載された装置は、キャビティーリングダウン分光法を用い、測定光を光の経路内で周回させることで、計測セルの全長よりも長い光路長を確保することができ、計測対象の流通ガス（試料）が配置されている領域を通過する距離も長くすることができる。これにより、高い精度での計測を行うことができる。
【０００５】
ここで、キャビティーリングダウン分光法は、計測セルに入射させる測定光に測定対象物質の吸収波長の光を用いる。このため、入射した測定光の波長が測定対象物質の吸収波長からずれていると測定誤差が生じてしまう。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度、量等を高い応答性で高精度に計測することが可能である物質計測装置および物質計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測装置であって、前記流通ガスが流れる計測セルと、前記測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光を前記計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換えるレーザ光照射ユニットと、前記計測セルから出射されるレーザ光を受講する受光装置と、前記計測セルと前記レーザ光照射ユニットとの間に配置されレーザ光を反射させる第１反射部と、前記計測セルと前記受光装置との間に配置され、レーザ光を反射させる第２反射部と、前記レーザ光照射ユニットがレーザ光を前記計測セルに入射させる状態から入射させない状態に切り換えた前記受光装置が受光した光の強度の減衰に基づいて、流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する解析装置と、を有することを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の変調周期は、２０μｓ以下であることが好ましい。レーザ光の変調周期を２０μｓ以下とすることで、レーザ光の変調の１周期を、数十μｓ程度である一般的なリングダウンタイムよりも短くすることができる。
【０００９】
また、前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の変調周期が１μｓ以下であることが好ましい。
【００１０】
また、前記第１反射部および前記第２反射部は、反射率が９９％以上の光学ミラーであることが好ましい。
【００１１】
また、前記レーザ光照射ユニットと計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第１光学部材と、前記受光装置と計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第２光学部材と、をさらに有することが好ましい。
【００１２】
また、前記レーザ光照射ユニットと計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第１光ファイバと、前記レーザ光照射ユニットと計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第２光ファイバと、をさらに有し、前記第１反射部は、前記第１光ファイバに配置された複数の高屈折率層で構成されるファイバーブラッググレーティングであり、前記第２反射部は、前記第２光ファイバに配置された複数の高屈折率層で構成されるファイバーブラッググレーティングであることが好ましい。
【００１３】
また、一方の端部が前記第１光ファイバに接続され、他方の端部が前記第２光ファイバに接続され、かつ、前記計測セルに挿入される第３光ファイバを有し、前記第３光ファイバは、前記計測セル内の一部にコアが露出している領域を備えることが好ましい。
【００１４】
前記第１光ファイバと前記第２光ファイバと前記第３光ファイバは、連結部がない１本の光ファイバであることが好ましい。
【００１５】
また、前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の通過経路上に配置され、開閉することで前記計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換えるシャッターを備えることが好ましい。
【００１６】
また、前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の出射方向を切り換えて、前記計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換える機構を備えることが好ましい。
【００１７】
また、前記解析装置は、前記流通ガスに含まれる前記測定対象物質の濃度を検出することが好ましい。
【００１８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、両端に反射部が配置されかつ流通ガスが流れる計測セルの一方の端部からレーザ光を入射させ、前記計測セルの他方の端部から出射されるレーザ光を検出して、前記流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測方法であって、前記計測セルに前記流通ガスを流すステップと、前記測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光を前記計測セルの前記一方の端部から入射させるステップと、前記計測セルに前記レーザ光の入射を停止させるステップと、前記計測セルの他方の端部から出力される前記レーザ光を受光した受光ステップと、レーザ光を前記計測セルに入射させる状態から入射させない状態に切り換えた後に受光した光の強度の減衰に基づいて、流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する検出ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度、量等を高い応答性で高精度に計測することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図２Ａ】図２Ａは、半導体レーザ発振装置から出力されるレーザ光の波長の一例を示す波形図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、半導体レーザ発振装置から出力されるレーザ光の波長と測定対象物質の吸光度との関係を説明するための説明図である。
【図３】図３は、高速レーザ強度変調装置の動作の一例を説明するための説明図である。
【図４】図４は、濃度計測装置の動作を説明するフロー図である。
【図５】図５は、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。
【図６Ａ】図６Ａは、半導体レーザ発振装置から出力されるレーザ光の波長と測定対象物質の吸光度との関係を説明する説明図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。
【図６Ｃ】図６Ｃは、計測結果の一例を説明するための説明図である。
【図７】図７は、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、計測結果の一例を説明するための説明図である。
【図９】図９は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１１】図１１は、図１０に示すＦＢＧを拡大して示す模式図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、レーザ光照射ユニットから出力されるレーザ光の強度と時間との関係を示すグラフである。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。
【図１３】図１３は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１４】図１４は、図１３に示す光ファイバを拡大して示す模式図である。
【図１５】図１５は、レーザ光照射ユニットの一例を示す模式図である。
【図１６】図１６は、レーザ光照射ユニットの動作の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明にかかる物質計測装置および物質計測方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。例えば、本実施形態では、物質計測装置および物質計測方法として、流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度を計測するが、本発明はこれに限定されず、ガスに含まれる測定対象物質の量を計測してもよい。物質計測装置および物質計測方法は、管路を流れる種々のガスを流通ガスとすることができる。例えば、物質計測装置をディーゼルエンジンに取付、ディーゼルエンジンから排出される排ガスを流通ガスとし、流通ガスに含まれる測定対象物質を計測することができる。なお、排ガスを排出する機関、つまり測定対象のガスを排出（供給）する装置は、これに限定されず、ガソリンエンジンや、ガスタービン等種々の内燃機関に用いることができる。また、内燃機関を有する装置としては、車両、船舶、発電機等種々の装置が例示される。さらに、ゴミ焼却炉から排出されるガスを流通ガスとして、流通ガスに含まれる種々の物質を測定対象物質として計測することもできる。
【００２２】
［実施形態１］
図１は、本発明の濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。濃度計測装置１０は、流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度を計測する物質計測装置である。濃度計測装置１０は、図１に示すように、計測セルユニット１２と、レーザ光照射ユニット１４と、受光装置１６と、解析装置１８と、制御装置２０と、第１反射部４６と、第２反射部４８と、を有する。
【００２３】
計測セルユニット１２は、流通ガスＧを案内する経路および流通ガスが含まれる測定対象物質を計測する計測領域を構成する。計測セルユニット１２は、計測セル４０と、流入管４２と、排出管４４と、を有する。
【００２４】
計測セル４０は、筒形状の部材であり、内部に流通ガスＧが流れる。計測セル４０の筒形状の一方の端部（図１中左側、筒形状の上面）には第１反射部４６が配置され、他方の端部（図１中右側、筒形状の下面）には第２反射部４８が配置されている。つまり、計測セル４０は、筒形状の上面と下面が、それぞれ第１反射部４６と第２反射部４８とに塞がれた形状となっている。これにより、計測セル４０は、第１反射部４６と第２反射部４８とが設けられている両端部が、空気が流通しない状態となる。第１反射部４６と第２反射部４８とについては後述する。
【００２５】
流入管（サンプリング配管）４２は、測定対象の流通ガスＧを計測セル４０に供給する配管である。流入管４２は、例えば、計測対象配管と接続し、計測対象配管を流れる流通ガスＧの一部を捕集する。流入管４２は、一方の端部（流通ガスＧの流れ方向において上流側の端部）が流通ガスＧを供給する供給装置に接続されており、他方の端部（流通ガスＧの流れ方向において下流側の端部）が計測セル４０の側面（周面）の第１反射部４６側に接続されている。排出管４４は、一方の端部が、計測セル４０の側面（周面）の第２反射部４８側に接続され、他方の端部が、より下流側の配管と接続されている。
【００２６】
計測セルユニット１２は、流入管４２に供給された流通ガスＧを、流入管４２から計測セル４０に供給する。また、計測セルユニット１２は、計測セル４０を流れた流通ガスＧを排出管４４から外部に排出する。このようにして計測セルユニット１２は、測定対象ガスの供給手段から供給される流通ガスＧを流入管４２、計測セル４０、排出管４４の順で流す流路を形成する。
【００２７】
また、計測セルユニット１２は、更に、流通ガスＧが流入管４２から計測セル４０に向けて流れ、計測セル４０から排出管４４に向けて流れる向きに、空気を吸引するポンプを設けてもよい。この場合、ポンプは、流通ガスＧの流れ方向において、計測セル４０の下流側となる排出管４４に配置することが好ましい。計測セルユニット１２は、ポンプで流通ガスＧを吸引することで、流通ガスＧが流入管４２、計測セル４０、排出管４４の順で流れる流量を適宜調整することができる。
【００２８】
第１反射部４６および第２反射部４８は、光を反射する光学ミラーである。第１反射部４６は、第２反射部４８と向かい合う面が反射面となる。第２反射部４８は、第１反射部４６と向かい合う面が反射面となる。具体的には、第１反射部４６、第２反射部４８は、反射率が９９％以上、本実施形態では反射率が約９９．９９％の光学ミラーである。第１反射部４６および第２反射部４８は、到達した光（レーザ光）の略全ての光（９９％以上の光）を反射し、一部の光（１％未満の光）を透過させる。
【００２９】
これにより、計測セル４０内で第１反射部４６から第２反射部４８に向かう光は、第１反射部４６で反射して第２反射部４８から第１反射部４６に向かう光となる。また、計測セル４０内で第２反射部４８から第１反射部４６に向かう光は、第２反射部４８で反射して第１反射部４６から第２反射部４８に向かう光となる。これにより、計測セル４０の筒形状に対して略平行に進む光は、第１反射部４６と第２反射部４８とで反射され、計測セル４０を往復する。また、第１反射部４６と第２反射部４８とを往復する光の一部、第１反射部４６または第２反射部４８に反射されない１％未満の光は、第１反射部４６または第２反射部４８から計測セル４０の外側に出射される。これにより、計測セル４０を往復する光は、第１反射部４６または第２反射部４８で反射する毎に徐々に第１反射部４６または第２反射部４８から計測セル４０の外側に出射される。この点については、計測動作とともに後述する。
【００３０】
次に、レーザ光照射ユニット１４について説明する。レーザ光照射ユニット１４は、半導体レーザ発振装置２２と、レーザ制御装置２４と、光ファイバ２５と、高速レーザ強度変調装置２６と、ビームストッパ２８と、を有する。
【００３１】
半導体レーザ発振装置２２は、測定対象物質が吸収する波長（以下、吸収波長という。）を含む波長のレーザ光を出力する。半導体レーザ発振装置２２は、発光素子として半導体レーザ（レーザーダイオード、ＬＤ）を有する。なお、本実施形態では、レーザ光を出力する発光装置として、発光素子に半導体レーザを用いた半導体レーザ発振装置２２を用いたが、発光装置はこれに限定されない。発光装置は、レーザ光を出力する機構であればよい。半導体レーザ発振装置２２は、入力される信号に基づいて出力するレーザ光の波長や強度を調整することができる。
【００３２】
レーザ制御装置２４は、レーザ制御信号を生成し、半導体レーザ発振装置２２に送る。レーザ制御信号は、半導体レーザ発振装置２２から出力するレーザ光の波長や強度を制御する信号である。半導体レーザ発振装置２２は、レーザ光の波長を周期的に変化させるレーザ制御信号を生成する。半導体レーザ発振装置２２は、レーザ制御装置２４で生成されるレーザ制御信号に基づいてレーザ光を出力する。これにより、半導体レーザ発振装置２２は、波長が周期的に変化するレーザ光を出力する。
【００３３】
ここで、図２Ａは、半導体レーザ発振装置から出力されるレーザ光の波長の一例を示す波形図である。図２Ｂは、半導体レーザ発振装置から出力されるレーザ光の波長と測定対象物質の吸光度との関係を説明するための説明図である。図２Ａに示すグラフは、縦軸をレーザ光の波長λとし、横軸を時間とする。図２Ｂに示すグラフは、縦軸を測定対象物質の吸光度とし、横軸を波長とする。図２Ｂに示すグラフは、測定対象物質の吸光度の分布を示す吸収線６２に加え、半導体レーザ発振装置２２から出力されるレーザ光の波形６０を模式的に示す。本実施形態の半導体レーザ発振装置２２は、図２Ａに示すようにｓｉｎ波で波長を変調されたレーザ光を出力する。レーザ光は、図２Ａに示すように、周期がｔとなり、波長変調幅がαとなり、波長中心がλ０となる。レーザ光のｓｉｎ波の波長中心のλ０は、図２Ｂに示すように測定対象物質の吸収中心波長（吸収線６２の吸光度が最も高い波長、吸光度が最大値ｈとなる波長）と同一波長である。また、波長変調幅αは、吸収線６２のスペクトル幅６４よりも広い幅となる。このように半導体レーザ発振装置２２は、測定対象物質の吸収中心波長を含み、かつ、吸収線６２のスペクトル幅６４よりも広い幅の波長幅で変調されるレーザ光を出力する。
【００３４】
光ファイバ２５は、一方の端部が半導体レーザ発振装置２２に連結され、他方の端部が高速レーザ強度変調装置２６に連結されている。光ファイバ２５は、半導体レーザ発振装置２２から出力されるレーザ光を高速レーザ強度変調装置２６に案内する。
【００３５】
高速レーザ強度変調装置２６は、入射された光を出力する方向を切り換える可能な装置である。つまり、高速レーザ強度変調装置２６は、入射された光の進行方向を偏向し、複数の方向に出力することができる。高速レーザ強度変調装置２６としては、ＡＯ偏向器（ＡＯＤ、AO Deflectors）や、ＴｅＯ２等を圧電素子で変調する音響光学素子（ＡＯＭ、Acoustic Optics Modulator）や、ＬｉＮｂＯ３等に直接変調信号印加する電気光学素子（ＥＯＭ、Electro-Optic Modulator）を用いることができる。また、高速レーザ強度変調装置２６としては、直接変調法を用いる装置を用いることもできる。直接変調法を用いる装置は、半導体レーザの出力が注入電流に比例することから、レーザ注入電流に矩形波パルスと変調波を重畳することで出力を変調する。直接変調法を用いる装置は、さらにレーザ波長を素子温度で制御することで、レーザ波長を吸収波長に維持しながら強度変調する。高速レーザ強度変調装置２６は、半導体レーザ発振装置２２から出力され光ファイバ２５で案内されたレーザ光を、計測セル４０の第１反射部４６が配置されている端部に向けた第１の方向と、ビームストッパ２８に向けた第２の方向に出力することができる。つまり、高速レーザ強度変調装置２６は、計測セル４０の第１反射部４６が配置されている端部に入射するレーザ光Ｌ１と、ビームストッパ２８に入射するレーザ光Ｌ２と、を出力することができる。
【００３６】
図３は、高速レーザ強度変調装置の動作の一例を説明するための説明図である。高速レーザ強度変調装置２６は、制御装置２０から図３に示すＯＮ／ＯＦＦの信号が入力され、入力される信号に基づいてレーザ光を出力する向きを切り換える。本実施形態の高速レーザ強度変調装置２６は、信号がＯＦＦのとき計測セル４０の第１反射部４６が配置されている端部に入射するレーザ光Ｌ１を出力し、信号がＯＮのときビームストッパ２８に入射するレーザ光Ｌ２を出力する。したがって、図３に示す信号の場合、高速レーザ強度変調装置２６は、時間ｔ１になるまでビームストッパ２８に入射するレーザ光Ｌ２を出力し、時間ｔ１から時間ｔ２の間、計測セル４０の第１反射部４６が配置されている端部に入射するレーザ光Ｌ１を出力し、時間ｔ１以降ビームストッパ２８に入射するレーザ光Ｌ２を出力する。
【００３７】
ビームストッパ２８は、入射されたレーザ光を吸収する装置である。ビームストッパ２８は、レーザ光を吸収することで生じる温度上昇を抑制する冷却機構を備える。
【００３８】
レーザ光照射ユニット１４は、以上のような構成であり、レーザ制御装置２４から半導体レーザ発振装置２２にレーザ制御信号が送信される。半導体レーザ発振装置２２は、レーザ制御信号に基づいて波長が一定周期で変調するレーザ光を出力し、出力したレーザ光を光ファイバ２５に入射させる。光ファイバ５２は、入射されたレーザ光を案内して、高速レーザ強度変調装置２６に入射させる。高速レーザ強度変調装置２６は、制御装置２０からの信号に基づいて、レーザ光を計測セル４０内に入射させる状態と、ビームストッパに入射させる状態とを切り換える。つまり、高速レーザ強度変調装置２６は、レーザ光Ｌ１を出力する状態と、レーザ光Ｌ２を出力する状態とを切り換える。このようにして、レーザ光照射ユニット１４は、計測セル４０に波長が一定周期で変調するレーザ光Ｌ１を入射させる。また、レーザ光照射ユニット１４は、計測セル４０に波長が一定周期で変調するレーザ光Ｌ１を入射させる状態と、入射させない状態とを切り換える。
【００３９】
受光装置１６は、計測セル４０の内部を通過し、第２反射部４８から出力されたレーザ光を受光する受光部である。受光装置１６は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。受光装置１６は、受光したレーザ光の強度を受光強度信号として、解析装置１８に送る。受光装置１６は、受光部が受光した信号から受光装置１６が受信した信号からノイズ成分を除去する信号処理部を備えることが好ましい。信号処理部は、信号の高周波成分を低減するローパスフィルタや、所定の周波数成分のみを抽出するロックインアンプ（位相敏感検出器）等を用いることができる。受光装置１６は、信号処理部で受光部の受光信号を処理することでノイズを除去した受光強度信号を生成することができる。
【００４０】
解析装置１８は、受光装置１６から送信された受光強度信号に基づいて、つまり受光装置１６で検出したレーザ光の強度に基づいて流通ガスＧに含まれる測定対象物質の濃度を計測する。解析装置１８の濃度の計測方法は、後述する。
【００４１】
制御装置２０は、解析装置１８、レーザ制御装置２４、高速レーザ強度変調装置２６の動作を制御する制御機能を有し、必要に応じて各部の動作を制御する。具体的には、制御装置２０は、レーザ制御装置２４で生成する制御信号の周波数、強度、出力タイミング等を制御する。制御装置２０は、高速レーザ強度変調装置２６がレーザ光を出力させる向きを変更するタイミング、レーザ光を出力させる方向を制御する。また、制御装置２０は、解析装置１８に解析に必要な条件の設定も実行する。濃度計測装置１０は、以上のような構成である。
【００４２】
次に、図１および図４を用いて、濃度計測装置１０の動作を説明する。図４は、濃度計測装置の動作を説明するフロー図である。濃度計測装置１０の制御装置２０は、ステップＳ１２として流通ガスの流通を開始する。制御装置２０は、ステップＳ１２で流通ガスの流通を開始したら、ステップＳ１４として、レーザ光照射ユニット１４を駆動し、レーザ光の出力を開始する。ここで、レーザ光照射ユニット１４は、図２Ａおよび図２Ｂを用いて上述したように、波長が所定の周期で変化するｓｉｎ波のレーザ光Ｌを出力させる。また、レーザ光照射ユニット１４の高速レーザ強度変調装置２６は、初期状態でＯＮ状態となっている。つまり、高速レーザ強度変調装置２６は、レーザ光Ｌ２を出力する。これにより、レーザ光照射ユニット１４は、ステップＳ１４でレーザ光の出力を開始すると、レーザ光Ｌ２をビームストッパ２８に入射させる。
【００４３】
制御装置２０は、ステップＳ１４でレーザ光照射ユニット１４を駆動し、レーザ光の出力を開始したら、ステップＳ１６として、高速レーザ強度変調装置（変調装置）２６をＯＦＦにする。つまり、制御装置２０は、高速レーザ強度変調装置２６に送る信号をＯＮからＯＦＦに切り換え、高速レーザ強度変調装置２６がレーザ光Ｌ２を出力している状態からレーザ光Ｌ１を出力する状態とする。これにより、レーザ光照射ユニット１４は、レーザ光Ｌ１を計測セル４０に入射させる。
【００４４】
ここで、レーザ光照射ユニット１４は、レーザ光Ｌ１を第１反射部４６に照射し、第１反射部４６を通過したレーザ光Ｌ１を計測セル４０に入射させる。ここで、第１反射部４８は、上述したように反射率が高い光学ミラーであるため、計測セル４０に入射するレーザ光Ｌ３は、レーザ光Ｌ１よりも出力が低いレーザ光となる。計測セル４０に入射したレーザ光Ｌ３は、計測セル４０内を進み、第１反射部４６と第２反射部４８と交互に反射され、計測セル４０内を往復移動する。これにより、レーザ光Ｌ３は、計測セル４０の流通ガスＧが充填されている領域を複数回通過する。
【００４５】
制御装置２０は、ステップＳ１６で変調装置をＯＦＦとし、レーザ光Ｌ１を計測セル４０に入射させ、計測セル４０内へのレーザ光Ｌ３の入射を開始したら、ステップＳ１８として、閾値時間≦経過時間であるかを判定する。ここで、経過時間は、高速レーザ強度変調装置２６をＯＮにしてからの経過時間であり、閾値時間は、予め設定した時間である。つまり、制御装置２０は、時間が予め設定した閾値時間以上、計測セル４０（の第１反射部４６）にレーザ光Ｌ１を入射（照射）させているかを判定する。
【００４６】
制御装置２０は、ステップＳ１８で、閾値時間≦経過時間ではない（ステップＳ１８でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ１８に進む。つまり、制御装置２０は、経過時間が閾値時間以上となるまで、ステップＳ１８の判定を繰り返す。制御装置２０は、ステップＳ１８で、閾値時間≦経過時間である（ステップＳ１８でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ２０に進む。なお、本実施形態では、閾値時間経過したかを判定の基準とした、判定の基準は特に限定されない。
【００４７】
制御装置２０は、ステップＳ１８でＹｅｓと判定したら、ステップＳ２０として、変調装置をＯＮにする。つまり、制御装置２０は、高速レーザ強度変調装置２６に送る信号をＯＦＦからＯＮに切り換え、高速レーザ強度変調装置２６は、レーザ光Ｌ２を出力している状態から、レーザ光Ｌ１を出力する状態に切り換える。これにより、レーザ光照射ユニット１４は、計測セル４０へのレーザ光Ｌ１の入射を停止し、レーザ光Ｌ２をビームストッパ２８に入射させる。
【００４８】
制御装置２０は、ステップＳ２０で変調装置をＯＮにしたら、ステップＳ２２として、受光強度信号を検出する。つまり、制御装置２０は、受光装置１６を用いて、受光装置１６に入射するレーザ光Ｌ４の強度を検出し、受光強度信号を検出する。なお、制御部２０は、受光装置１６を予め駆動させておき、ステップＳ２０よりも前の段階でも受光強度信号の検出を行っていてもよい。制御装置２０は、ステップＳ２０で変調装置をＯＮにした時点およびステップＳ２０で変調装置をＯＮにした後の所定の時間の間に、受光装置１６で検出した受光強度信号が解析の対象となる。
【００４９】
制御装置２０は、ステップＳ２２で受光強度信号の検出を行ったら、ステップＳ２４として、リングダウンタイムから濃度を算出する。なお、リングダウンタイムからの濃度を検出する検出方法は後述する。
【００５０】
制御装置２０は、ステップＳ２０でレーザ光の強度を検出したら、ステップＳ２２として濃度を検出する。制御装置２０は、解析装置１８により、ステップＳ１８とステップＳ２０の結果を用いて計測領域を流れる流通ガスＧに含まれる測定対象物質の濃度を検出する。
【００５１】
制御装置２０は、ステップＳ２４で濃度を検出したら、ステップＳ２６で計測終了か（測定対象物質の濃度の検出を終了するか）を判定する。制御装置２０は、ステップＳ２６で処理終了ではない（Ｎｏ）と判定した場合、ステップＳ１６に進み、ステップＳ１６からステップＳ２４の処理を実行する。また、制御装置２０は、ステップＳ２６で計測終了である（Ｙｅｓ）と判定した場合、本処理を終了する。
【００５２】
次に、ステップＳ２４で実行される濃度の検出動作について説明する。図５は、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。なお、図５に示すグラフは、縦軸を受光強度とし、横軸を時間とする。また、図５に示すグラフは、受光強度の最大値を１とした規格化した状態で示す。ここで、制御装置２０は、キャビティーリングダウン分光法（ＣＲＤ分光法、ＣＲＤＳ、Cavity Ring Down Spectroscopy）を用いて、測定対象物質の濃度を計測する。
【００５３】
濃度計測装置１０は、レーザ光照射ユニット１４から計測セル４０へのレーザ光Ｌ１の入射されている状態が一定時間継続し、安定状態となると、計測セル４０内で一定強度のレーザ光Ｌ３が往復移動し、第１反射部４６、第２反射部４８で反射される毎に一定強度のレーザ光が第１反射部４６、第２反射部４８を通過する。これにより、第２反射部４８からレーザ光Ｌ４が出力される。
【００５４】
濃度計測装置１０は、安定状態からレーザ光照射ユニット１４から計測セル４０へのレーザ光Ｌ１の入射が停止されると、新たなレーザ光が計測セル４０に入射されない状態となる。濃度計測装置１０は、計測セル４０へのレーザ光Ｌ１の入射が停止される場合でも、計測セル４０内で往復移動しているレーザ光Ｌ３が第１反射部４６、第２反射部４８で反射される毎に一部のレーザ光が第１反射部４６、第２反射部４８を通過する。このため、レーザ光Ｌ３の強度は徐々に減衰していき、第２反射部４８から出力されるレーザ光Ｌ４の強度も徐々に減衰していく。制御装置２０は、レーザ光の入射を停止した後に計測セル４０の第２反射部４８を通過し、受光装置１６に入射するレーザ光Ｌ４の強度の減衰（受光強度信号の変化）を検出させる。ここで、受光装置１６で検出されるレーザ光Ｌ４の強度は、図５に示すように徐々に低減していく。なお、図５に示す例は、時間０のときにレーザ光Ｌ１の入射を停止し、受光信号の計測を開始している。
【００５５】
制御装置２０は、このレーザ光Ｌ４の強度の減衰の検出結果に基づいて解析装置１８による解析を行う。ここで、濃度計測装置１０は、計測セル４０内の流通ガスＧに測定対象物質が含まれている場合、レーザ光が流通ガスＧを通過すると、測定対象物質によりレーザ光の吸収波長成分が吸収され、レーザ光の出力が減衰する。また、流通ガスＧに含まれる測定対象物質の量が多いほど、つまり濃度が高いほど、レーザ光減衰量が多くなる。このため、図５に示すように、流通ガスＧ測定対象物質がない場合（図中ガス無）の受光強度も、流通ガスＧ測定対象物質がある場合（図中波長変調）の受光強度の方がより短時間でより大きく減衰（減少）する。なお、図５では、参考のため、測定対象物質の吸光度の最も高い波長、つまり中心波長で、波長を変調しないレーザ光を用いた場合（図中中心波長）についても示す。
【００５６】
解析装置１８は、以上の関係に基づいて減衰するレーザ光Ｌ４の受光強度を検出し、検出結果からレーザ光Ｌ４の強度の減衰率が所定の割合となるまでの時間であるリングダウンタイムを検出する。解析装置１８は、予め行った実験等で算出したリングタウンタイムと計測対象物質の濃度との関係を記憶しておき、当該関係と検出したリングダウンタイムとに基づいて計測対象物質の濃度を算出する。
【００５７】
濃度計測装置１０は、以上のように、レーザ光の経路の両端が反射率の高い反射部で挟まれた計測セル４０内に、レーザ光を入射させ、レーザ光の入射を停止した後に生じる計測セル４０から出力されるレーザ光の減衰に基づいて、計測セル４０内を流れる流通ガスＧに含まれる測定対象物質の濃度を、キャビティーリングダウン分光法を用いて、計測する。これにより、濃度計測装置１０は、レーザ光が流通ガスを通過する光路長を、計測セル４０の長さに対して飛躍的に長くすることができ、例えば計測長が１０ｋｍの計測セルと同様の距離分、流通ガスＧを通過したレーザ光の出力を検出することができる。これにより、測定対象物質の濃度を高精度で検出することができる。
【００５８】
また、濃度計測装置１０は、レーザ光出射ユニット１４から出力し、計測セル４０に入射させるレーザ光を、測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光とすることで、計測をより簡単にすることができ、短時間かつ高い精度で測定対象物質の濃度を計測することができる。
【００５９】
ここで、図６Ａは、半導体レーザ発振装置から出力されるレーザ光の波長と測定対象物質の吸光度との関係を説明する説明図である。図６Ｂは、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。図６Ｃは、計測結果の一例を説明するための説明図である。図６Ａから図６Ｃは、本発明とは異なりレーザ光として、所定波長のパルス波を用いた一例を示している。
【００６０】
例えば、レーザ光出射ユニット１４から計測セル４０に入射させるレーザ光を、図６Ａに示すようにレーザ波長７０に示すように１つの波長のパルス波とする。この場合、レーザ波長７０が吸収線６４のピーク（吸光度が最も高い波長）と一致すると、図６Ｂの波長中心の測定結果に示すように、ガス無しつまり測定対象物質が含まれない場合の測定結果に対して、受光強度の減衰が大きくなる。
【００６１】
しかしながら、濃度計測装置は、レーザ光出射ユニット１４の状態、例えば光源の温度により出力されるレーザ光の波長が変化したり、測定環境によって吸収波長の中心波長が変化したりする。このため、濃度計測装置１０は、レーザ光としてパルス波を用いる場合、たとえａｂ、図６Ｃに示すように、出力するレーザ光の波長を一定の波長間隔で変更し、各測定点７２の波長で濃度の計測を行う。このように、複数の波長についてそれぞれ計測を行うことで、測定対象物質の吸収波長での測定結果を検出することができ、測定対象物質の濃度を計測することができる。
【００６２】
これに対して、本実施形態の濃度計測装置１０は、上述したように、計測セル４０に入射させるレーザ光を、測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光とする。これにより、濃度計測装置１０は、レーザ光出射ユニット１４の状態、例えば光源の温度により出力されるレーザ光の波長が変化したり、測定環境によって吸収波長の中心波長が変化したりしても、入射するレーザ光を吸収波長の中心波長を含むレーザ光とすることができる。このため、変調するレーザ光の中心波長と測定対象物質の吸収波長の中心波長とがずれた場合でも同様の計測結果を得ることができる。すなわち、条件が変化しても同様の結果を得ることができる。以上より、濃度計測装置１０は、一回の測定でも測定対象物質の濃度を高い精度で計測することができる。
【００６３】
次に、図７及び図８を用いて、計測結果の一例を説明する。図７は、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。図８は、計測結果の一例を説明するための説明図である。本測定では、流通ガスに測定対象物質がなく、かつ、レーザ光を変調させた場合と、流通ガスに測定対象物質が一定濃度含まれており、かつ、レーザ光を変調させた場合、流通ガスに測定対象物質が一定濃度含まれており、かつ、レーザ光を変調させない（装置の設定上波長を一定に設定した）場合について、それぞれガス濃度の計測を行った。
【００６４】
図７に、３つの夫々の条件の計測で検出される受光強度の減衰を示す。図７に示すように、流通ガスに測定対象物質がなく、かつ、レーザ光を変調させた場合（図中対象ガス無、変調有）は、流通ガスに測定対象物質が一定濃度含まれており、かつ、レーザ光を変調させた場合（図中対象ガス有、変調有）よりも受光強度が０となるまでの時間が長くなる。また、図中対象ガス有、変調有の場合は、流通ガスに測定対象物質が一定濃度含まれており、かつ、レーザ光を変調させない（図中対象ガス有、変調無）場合よりも受光強度が０となるまでの時間が長くなる。図７に示すように、検出開始からリングダウンタイムに到達するまでの応答性については、レーザ光を変調して計測を行うよりも、変調をしないで計測を行った方が速くなる。
【００６５】
次に、図８に３つの夫々の条件の計測の濃度の計測結果を示す。なお、図８では、それぞれの場合について、同一の流通ガスに対して、一定時間で複数回の計測を行った。図８に示すように、レーザ光を変調させずに計測を行った場合は、レーザ光を変調させて計測を行った場合よりも検出された値に変動が生じる。ここで、測定では、同一濃度の測定対象物質を含んだ流通ガスを用いているため、変動が検出誤差となる。つまり、図８に示すように、レーザ光を変調させて計測を行うことで、検出精度をより高くすることができる。
【００６６】
このように、濃度計測装置１０は、波長を変調させずに一回の計測で濃度を検出する場合よりも高い精度で濃度を計測することができる。また、濃度計測装置１０は、波長を一定波長幅で変更し、それぞれの波長について波長を変調させずに計測を行い、濃度を検出する場合に対して、一回の計測で濃度を検出できるため、短時間で濃度を計測することができる。なお、濃度計測装置１０は、波長を一定波長幅で変更し、それぞれの波長について波長を変調させずに計測を行う場合、高い精度で吸収波長の中心波長で測定を行うためには、測定の回数を多くする必要があり測定に時間がかかるが、濃度計測装置１０は、一回の計測で同程度の精度で濃度を計測することができる。以上より、濃度計測装置１０は、高応答性とロバスト性の両方を高いレベルで実現することができる。
【００６７】
また、濃度計測装置１０は、レーザ光の波長変調幅αを測定対象物質の吸光線のスペクトル半値幅よりも広く、好ましくは、２．２倍以上とすることで、ロバスト性をより向上させることができる。つまり、レーザ光の波長変調幅αを測定対象物質の吸収線のスペクトル幅よりも十分に広くすることで、レーザ光の変調の中心波長と測定対象物質の吸収線の中心波長（ピークの波長）とのずれが大きくなっても、測定対象物質の吸光度が一定割合以上となる範囲を変調幅に含めることができる。
【００６８】
また、濃度計測装置１０は、レーザ光の変調の周期ｔをリングダウンタイムより十分短くしておく必要がある。さらに、濃度計測装置１０は、レーザ光の変調の周期ｔをリングダウンタイムの１／４以下とすることが好ましく、リングダウンタイムの１／２０以下とすることがより好ましい。ここで、一般的なリングダウンタイムは、通常、数十μｓ程度であるため、濃度計測装置１０は、レーザ光の変調の周期ｔを２０μｓ以下とすることで、レーザ光の変調の周期ｔをリングダウンタイムより十分短くすることができる。濃度計測装置１０は、レーザ光の変調の周期ｔを好ましくは５μｓ以下、さらに好ましくは１μｓ以下とすることで、リングダウンタイムまでの時間に対して周期を十分に短くすることができ、複数周期分のレーザ光が入射した状態で、計測を行うことができる。具体的には、レーザ光の変調の周期ｔを５μｓ以下とすることで、リングダウンタイムの間に変調されたレーザ光を４周期以上入射させることができる。また、レーザ光の変調の周期ｔを１μｓ以下とすることで、リングダウンタイムの間に変調されたレーザ光を２０周期以上入射させることができる。これにより計測精度をより高くすることができる。
【００６９】
ここで、濃度計測装置１０は、装置を調整することで、流通ガスに含まれる種々の物質を測定対象物質とすることができる。また、測定対象物質としては、流通ガスに含まれる種々の物質を対象とすることができる。測定対象物質は、流通ガス中に浮遊粒子状物質（ＳＰＭ、Suspended Particulate Matter）、粒子状物質（ＰＭ、Particulate Matter、Particulate）やガス状物質等として存在する。また、測定対象物質としては、レーザ光で出力可能な波長範囲に吸収波長（吸光度が高くなる波長）がある各種物質を用いることができる。
【００７０】
ここで、レーザ光は、近赤外波長域のレーザ光を用いることが好ましい。これにより、流通ガスに測定対象物質以外の成分が混在した状態であっても、測定対象物質の濃度を適切に測ることができる。つまり、測定対象物質以外の成分がノイズとなりにくくすることができる。これにより、フィルタや、除湿の工程をなくすまたは少なくすることができ、流通ガス供給源から流通ガスが供給されてから、計測を行い、計測結果を算出するまでの時間を短時間にすることができる。つまり、計測の時間遅れを少なくすることができる。これにより、応答性を高くすることができる。
【００７１】
また、計測セルユニット１２は、上述したように、流通ガスＧが流入管４２から計測セル４０に向けて流れ、計測セル４０から排出管４４に向けて流れる向きに、空気を吸引するポンプを設けてもよい。この場合、ポンプは、流通ガスＧの流れ方向において、計測セル４０の下流側となる排出管４４に配置することが好ましい。計測セルユニット１２は、ポンプで流通ガスＧを吸引することで、流通ガスＧが流入管４２、計測セル４０、排出管４４の順で流れる流量を適宜調整することができる。
【００７２】
濃度計測装置は、上記実施形態に限定されず、種々の実施形態とすることができる。以下、図９から図１６を用いて、他の実施形態について説明する。
【００７３】
［実施形態２］
図９は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図９に示す濃度計測装置１００は、計測セルユニット１２と、レーザ光照射ユニット１０４と、受光装置１６と、解析装置１８と、制御装置２０と、第１反射部４６と、第２反射部４８と、を有する。さらに、濃度測定装置１００は、光ファイバ１１２と、接続光学系１１４、１１６と、を有する。ここで、濃度計測装置１００は、レーザ光照射ユニット１０４と、光ファイバ１１２と、接続光学系１１４、１１６との構成を除いて、他の構成は濃度計測装置１０と同様である。濃度計測装置１００の構成のうち濃度計測装置１０と同様の構成については説明を省略する。
【００７４】
レーザ光照射ユニット１０４は、半導体レーザ発振装置２２と、レーザ制御装置２４と、光ファイバ２５と、光シャッター１１０と、を有する。なお、半導体レーザ発振装置２２と、レーザ制御装置２４と、光ファイバ２５と、は、上述したレーザ光照射ユニット１４と同様の構成であるので説明を省略する。
【００７５】
高速光シャッター１１０は、レーザ光照射ユニット１４の高速レーザ強度変調装置２６とビームストッパ２８との機能を備える装装置である。高速光シャッター１１０は、レーザ光の通過経路上に、レーザ光の通過を遮る状態と、レーザ光を通過させる状態（通過を遮らない状態）とを切り換えることができる機構である。ここで、高速光シャッター１１０は、例えば、液晶表示装置に用いられる液晶シャッターを用いることができる。高速光シャッター１１０は、レーザ光の通過を遮る状態とすることで、測定セル４０にレーザ光を入射しない状態とし、レーザ光を通過させる状態とすることで、測定セル４０にレーザ光を入射させる状態とする。また、高速光シャッター１１０は、レーザ光の通過を遮る状態が、ＯＮ状態となり、レーザ光を通過させる状態がＯＦＦ状態となる。
【００７６】
レーザ光照射ユニット１０４は、以上のような構成であり、レーザ制御装置２４から半導体レーザ発振装置２２にレーザ制御信号が送信される。半導体レーザ発振装置２２は、レーザ制御信号に基づいて波長が一定周期で変調するレーザ光を出力し、出力したレーザ光を光ファイバ２５に入射させる。光ファイバ５２は、入射されたレーザ光を案内して、高速光シャッター１１０に入射させる。高速光シャッター１１０は、制御装置２０からの信号に基づいて、レーザ光を通過させ、レーザ光を計測セル４０内に入射させる状態と、レーザ光を遮り、レーザ光を計測セル４０内に入射させない状態とを切り換える。このようにして、レーザ光照射ユニット１０４も、計測セル４０に波長が一定周期で変調するレーザ光を入射させる。また、レーザ光照射ユニット１０４は、計測セル４０にレーザ光を入射させる状態と、入射させない状態とを切り換える。
【００７７】
次に、光ファイバ１１２は、一方の端部が高速光シャッター１１０と接続され、他方の端部が接続光学系１１４と接続されている。また、接続光学系１１４は、光ファイバ１１２と第１反射部４６とを接続している。接続光学系１１４は、コネクタ等であり、接続している２つの部材（光ファイバ１１０と第１反射部４６）を、２つの部材の間でレーザ光が通過可能な状態で連結する。このように、高速光シャッター１１０と第１反射部４６とは、光ファイバ１１２と接続光学系１１４とで接続されている。これにより、高速光シャッター１１０から計測セル４０に向けて入射されたレーザ光は、光ファイバ１１２を通過した後、接続光学系１１４を通過して第１反射部４６に入射する。
【００７８】
接続光学系１１６は、第２反射部４８と受光装置１６とを接続している。接続光学系１１６は、コネクタ等であり、第２反射部４８と受光装置１６との間でレーザ光が通過可能な状態で連結する。
【００７９】
濃度計測装置１００は、高速レーザ強度変調装置２６およびビームストッパ２８に代えて、高速光シャッター１１０を設けることで、計測セル４０にレーザ光を入射させる状態と、入射させない状態とを切り換える。このように、高速光シャッター１１０を用いることでも、適切に、計測セル４０にレーザ光を入射させる状態と、入射させない状態とを切り換えることができる。また、濃度計測装置１００は、高速光シャッター１１０を用いることで、計測セル４０にレーザ光を入射させない場合にレーザ光を外部に出力することを抑制することができる。
【００８０】
濃度計測装置１００は、高速光シャッター１１０と計測セル４０（に連結している第１反射部４６）との間に光ファイバ１１２および接続光学系１１４を設けることで、レーザ光照射ユニット１０４から出力されたレーザ光を光学部材で計測セル４０に案内することができる。また同様に計測セル４０（に連結している第２反射部４８）と受光装置１６とを接続光学系１１６で接続することで、計測セル４０から出力されたレーザ光を光学部材で受光装置１６に案内することができる。濃度計測装置１００は、各構成要素の間のレーザ光の経路に光ファイバまたは光学接続系を設けることで、レーザ光をより高い精度で伝達させることができる。また、レーザ光を光ファイバで案内することで、レーザ光を直線以外の経路でも案内することができる。これにより装置をコンパクト化することができ、かつ、装置の配置を簡単にすることができる。
【００８１】
［実施形態３］
図１０は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図１０に示す濃度計測装２００は、計測セルユニット２０２と、レーザ光照射ユニット１０４と、受光装置１６と、解析装置１８と、制御装置２０と、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating、ファイバーブラッググレーティング）２２０、２４０と、を有する。さらに、濃度測定装置２００は、光ファイバ２１８、２３０と、接続光学系１１４、２３２、２３４と、を有する。ここで、濃度計測装置２００は、計測セルユニット２０２と、ＦＢＧ２２０、２４０と、光ファイバ２１８、２３０と、接続光学系１１４、２３２、２３４と、の構成を除いて、他の構成は濃度計測装置１００と同様である。濃度計測装置２００の構成のうち濃度計測装置１００と同様の構成については説明を省略する。
【００８２】
計測セルユニット２０２は、流通ガスＧを案内する経路および流通ガス含まれる測定対象物質を計測する計測領域を構成する。計測セルユニット２０２は、計測セル２１０と、流入管２１２と、排出管２１４と、を有する。
【００８３】
計測セル２１０は、中空の四角柱形状の部材であり、内部に流通ガスＧが流れる。計測セル２１０の中空の角柱形状の一方の端部（図１０中上側、四角柱の上面）には流入管２１２が配置され、他方の端部（図１０中下側、四角柱の下面）には排出管２１４が配置されている。つまり、計測セル２１０は、四角柱形状の上下面が開放されており、それぞれの面に流入管２１２と排出管２１４が接続されている。また、計測セル２１０は、四角柱の１つの側面に接続光学系１１４が接続され、当該光学部材１１４が接続されている側面の反対側の側面に接続光学系２３２が接続されている。ここで、計測セル２１０は、接続光学系１１４が接続されている側面と、接続光学系２３２が接続されている側面とが平行な面となる。
【００８４】
流入管（サンプリング配管）２１２は、測定対象の流通ガスＧを計測セル２１０に供給する配管である。流入管４２は、一方の端部が流通ガスＧを供給する供給装置に接続されており、他方の端部が計測セル２１０の上面に接続されている。排出管２１４は、一方の端部が、計測セル２１０の下面に接続され、他方の端部が、より下流側の配管と接続されている。
【００８５】
計測セルユニット２０２は、流入管２１２に供給された流通ガスＧを、流入管２１２から計測セル２１０に供給する。また、計測セルユニット２０２は、計測セル２１０を流れた流通ガスＧを排出管２１４から外部に排出する。このようにして計測セルユニット２０２は、測定対象ガスの供給手段から供給される流通ガスＧを流入管２１２、計測セル２１０、排出管２１４の順で流す流路を形成する。
【００８６】
次に、光ファイバ２１８、２３０と、接続光学系１１４、２３２、２３４とについて説明する。光ファイバ２１８と接続光学系１１４とは、高速光シャッター１１０と計測セル２１０との間に配置されている。光ファイバ２３０と接続光学系３２３，３２４とは計測セル２１０と受光装置１６との間に配置されている。
【００８７】
光ファイバ２１８は、一方の端部が高速光シャッター１１０と接続され、他方の端部が接続光学系１１４と接続されている。また、接続光学系１１４は、光ファイバ１２８と計測セル２１０の側面とを接続している。接続光学系１１４は、コネクタ等であり、接続している２つの部材（光ファイバ２１８と計測セル２１０）を、２つの部材の間でレーザ光が通過可能な状態で連結する。このように、高速光シャッター１１０と計測セル２１０とは、光ファイバ２１８と接続光学系１１４とで接続されている。
【００８８】
光ファイバ２３０は、一方の端部が接続光学系２３２と接続され、他方の端部が接続光学系２３４と接続されている。また、接続光学系２３２は、計測セル２１０の側面と光ファイバ２３０とを接続している。接続光学系２３４は、光ファイバ２３０と受光装置１６とを接続している。このように、計測セル２１０と受光装置１６とは、光ファイバ２３０と接続光学系２３２、２３４とで接続されている。
【００８９】
次に、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating、ファイバーブラッググレーティング）２２０、２４０について説明する。ＦＢＧ２２０は、光ファイバ２１８の接続光学系１１４側（つまり計測セル２１０側）の端部領域に設けられている。ＦＢＧ２２０は、第１反射部４６と同様の機能を備える光学部材であり、複数の高屈折率層２２２を有する。ＦＢＧ２４０は、光ファイバ２３０の接続光学系２３２側（つまり計測セル２１０側）の端部領域に設けられている。ＦＢＧ２４０は、第２反射部４８と同様の機能を備える光学部材であり、複数の高屈折率層２４２を有する。ＦＢＧ２２０とＦＢＧ２４０とは、計測セル２１０を挟んで向かい合う位置に配置されている。また、ＦＢＧ２２０とＦＢＧ２４０とは、ともにレーザ光の通過経路である光ファイバ２１８、２３０内に設けられているため、レーザ光の通過経路に配置されている。
【００９０】
以下、図１１を用いて、２つのＦＢＧ２２０、２４０のうち代表してＦＢＧ２４０について説明する。図１１は、図１０に示すＦＢＧを拡大して示す模式図である。ＦＢＧ２４０は、光ファイバ２３０のコアにレーザ光の経路方向に所定間隔、離れて複数配置された高屈折率層２４２を備える。ＦＢＧ２４０は、光ファイバ２３０のコアに複数の高屈折率層２４２を配置することで、周期的に屈折率を変化させている。このように、ＦＢＧ２４０は、レーザ光の通過経路に屈折率の周期的な変化を設け、屈折率の周期的な変化をグレーティング(回折格子)機能させることで、グレーティングの周期が作るブラッグ反射条件を満たす波長の光のみを反射させる。これにより、ＦＢＧ２４０は、レーザ光の波長を反射させることができる。また、ＦＢＧ２４０は、複数の高屈折率層２４２の境界で同様の反射で生じる。また、ＦＢＧ２４０は、所定の条件を満たすレーザ光は通過させるため、ＦＢＧ２４０に到達したレーザ光の一部（１％未満の光）は、ＦＢＧ２４０を通過して、受光装置１６に到達する。
【００９１】
これにより、濃度計測装置２００は、計測セル２１０を挟んだＦＢＧ２２０とＦＢＧ２４０との間でレーザ光が反射され往復移動する。つまり、ＦＢＧ２２０からＦＢＧ２４０に向かう光は、ＦＢＧ２４０で反射してＦＢＧ２４０からＦＢＧ２２０に向かう光となる。ＦＢＧ２４０からＦＢＧ２２０に向かう光は、ＦＢＧ２２０で反射してＦＢＧ２２０からＦＢＧ２４０に向かう光となる。また、ＦＢＧ２２０とＦＢＧ２４０とを往復する光の一部、ＦＢＧ２２０またはＦＢＧ２４０で反射されない１％未満の光は、ＦＢＧ２２０またはＦＢＧ２４０から、計測セル２１０から離れる方向に外側に出射される。これにより、計測セル２１２を往復する光は、ＦＢＧ２２０とＦＢＧ２４０とで反射する毎に徐々にＦＢＧ２２０とＦＢＧ２４０との間から外側に出射される。
【００９２】
濃度計測装置２００は、計測セル２１０を挟んで光を反射させる反射部として、ＦＢＧ２２０、２４０を用いることでも同様に、計測セル２１０でレーザ光を往復させることができ、キャビティーリングダウン分光法を用いた濃度計測を行うことができる。図１２Ａは、レーザ光照射ユニットから出力されるレーザ光の強度と時間との関係を示すグラフである。図１２Ｂは、受光装置で検出する受光強度と時間との関係を示すグラフである。ここで、濃度計測装置２００は、複数の高屈折率層２２２、２４２で構成されるＦＢＧ２２２、２４０を反射部として用いている。このため、濃度計測装置２００は、図１２Ａに示すように、レーザ光照射ユニットから出力されるレーザ光を時間０で計測セル２１０に向けて出力している状態から出力していない状態に切り換えると、図１２Ｂに示すように、受光装置１６で受光信号が一定の時間間隔で検出され、かつ、検出強度が段階的に減衰する。濃度計測装置２００は、図１２Ｂに示すように一定の時間間隔で検出される受光信号を解析することで上記実施形態と同様にリングダウンタイムを検出し、濃度を検出することができる。
【００９３】
また、濃度計測装置２００は、反射部として光ファイバの内部に配置されたＦＢＧ２２０、２４０を用いることで、光学ミラーを用いるよりも装置をコンパクトにすることができる。また、計測セルの端部に光学ミラーを設ける必要がないため、計測セルの形状も小型化することができる。計測セルを小型化できることで、流通ガスの量が少ない場合でも好適に計測を行うことができる。
【００９４】
［実施形態４］
図１３は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図１３に示す濃度計測装３００は、計測セルユニット３０２と、レーザ光照射ユニット１０４と、受光装置１６と、解析装置１８と、制御装置２０と、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating、ファイバーブラッググレーティング）３２０、３３０と、を有する。さらに、濃度測定装置３００は、光ファイバ３１２、接続光学系３１４、３１６と、を有する。ここで、濃度計測装置３００は、計測セルユニット３０２と、ＦＢＧ３２０、３３０と、光ファイバ３１２と、接続光学系３１４、３１６と、の構成を除いて、他の構成は濃度計測装置２００と同様である。濃度計測装置３００の構成のうち濃度計測装置３００と同様の構成については説明を省略する。
【００９５】
計測セルユニット３０２は、流通ガスＧを案内する経路および流通ガス含まれる測定対象物質を計測する計測領域を構成する。計測セルユニット３０２は、計測セル３１０を有する。計測セル３１０は、中空の配管であり、内部に流通ガスＧが流れる。計測セル２１０の中空の角柱形状の一方から他方に流通ガスＧが流れている。また、計測セル３１０は、内部に光ファイバ３１２が挿入されている。
【００９６】
次に、光ファイバ３１２と、接続光学系３１４、３１６とについて説明する。光ファイバ３１２は、一方の端部が接続光学系３１４と接続され、他方の端部が接続光学系３１６と接続されている。また、光ファイバ３１２は、一部が計測セル３１０の内部を通過している。光ファイバ３１２は、計測セル３１０内に配置された一部がファイバーセンサ域３４０となる。ファイバーセンサ域３４０については後述する。また、接続光学系３１４は、高速光シャッター１１０と光ファイバ３１２とを接続している。接続光学系１１４は、コネクタ等であり、接続している２つの部材を、２つの部材の間でレーザ光が通過可能な状態で連結する。接続光学系３１６は、光ファイバ３１２と受光装置１６とを接続している。このように、高速光シャッター１１０と受光装置１６は、計測セル３１０の内部を通過する光ファイバ３１２と接続光学系３１４、３１６とで接続されている。
【００９７】
ここで、図１４は、図１３に示す光ファイバを拡大して示す模式図である。ファイバーセンサ域３４０は、光ファイバを構成するコア３１４とクラッド３１６とのうち、クラッド３１６が設けられておらず、コア３１４が露出した状態となっている。ファイバーセンサ域３４０は、コア３１４が露出していることで、レーザ光の一部が漏れ出し、近接場光（エバネッセント光）を照射する。この近接場光（エバネッセント光）は、一定の強度で照射される。また、この近接場光（エバネッセント光）の吸収波長成分は、測定対象物質により吸収される。このため、近接場光（エバネッセント光）を照射している領域に測定対象物質があると光ファイバ３１２を通過するレーザ光の出力が減衰する。濃度計測装置３００は、ファイバーセンサ域３４０を設けることで、レーザ光を直接計測セル内に入射させなくても、測定対象物質の濃度に基づいてレーザ光の出力を減衰させることができる。これにより、上記実施形態と同様に計測を行うことができる。
【００９８】
次に、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating、ファイバーブラッググレーティング）３２０、３３０について説明する。ここで、ＦＢＧ３２０、３３０は、配置される光ファイバが光ファイバ３１２となった点を除いて、基本的な構成は、ＦＢＧ２２０、２４０と同様である。ＦＢＧ３２０は、光ファイバ３１２のファイバーセンサ域３４０よりも高速光シャッター１１０側に設けられている。ＦＢＧ３２０は、第１反射部４６と同様の機能を備える光学部材であり、複数の高屈折率層３２２を有する。ＦＢＧ３３０は、光ファイバ３１２のファイバーセンサ域３４０よりも受光装置１６側に設けられている。ＦＢＧ３２０は、第２反射部４８と同様の機能を備える光学部材であり、複数の高屈折率層３３２を有する。
【００９９】
これにより、濃度計測装置３００も、ファイバーセンサ域３４０を挟んだＦＢＧ３２０とＦＢＧ３３０との間でレーザ光が反射され往復移動する。ファイバーセンサ領域３４０を往復する光は、ＦＢＧ３２０とＦＢＧ３３０とで反射する毎に徐々にＦＢＧ３２０とＦＢＧ３３０との間から外側に出射される。
【０１００】
濃度計測装置３００は、ファイバーセンサ域３４０を設けることで、光ファイバでレーザ光を案内している状態を維持して計測を行うことができる。これにより、レーザ光が空間を伝達する距離を短くすることが出来るため、レーザ光の損失をより少なくすることができる。また、１本の光ファイバで高速光シャッター１１０と受光装置１６とを接続できるため、光学部材同士の連結部を少なくすることができ、この点でもレーザ光の損失を少なくすることができる。
【０１０１】
また、濃度計測装置２００は、計測セルの内部に光ファイバを通過させることができるため、計測セルを種々の構造とすることができる。これにより装置をコンパクトにすることができる。また、測定対象の流通ガスＧが流れる配管に直接配置することもできるため、計測の応答性をより高くすることができる。
【０１０２】
（実施形態５）
なお、上記実施形態では、レーザ光照射ユニットの半導体レーザ発振装置を１つとしたが、複数設けてもよい。図１５は、レーザ光照射ユニットの一例を示す模式図である。図１６は、レーザ光照射ユニットの動作の一例を示す模式図である。図１５に示すレーザ光照射ユニット４１４は、第１半導体レーザ発振装置４２２ａと、第２半導体レーザ発振装置４２２ｂと、第３半導体レーザ発振装置４２２ｃと、レーザ制御装置４２４と、第１高速光シャッター４３２ａと、第２高速光シャッター４３２ｂと、第３高速光シャッター４３２ｃと、合波部４３６とを有する。レーザ光照射ユニット４１４は、各部を接続する光ファイバ４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃ、４３４ａ、４３４ｂ、４３４ｃ、４３８を有する。
【０１０３】
第１半導体レーザ発振装置４２２ａと、第２半導体レーザ発振装置４２２ｂと、第３半導体レーザ発振装置４２２ｃと、は、出力するレーザ光の波長が互いに異なる点を除いて他の構成、機能は、半導体レーザ発振装置２２と同様である。レーザ制御装置４２４は、第１半導体レーザ発振装置４２２ａと、第２半導体レーザ発振装置４２２ｂと、第３半導体レーザ発振装置４２２ｃとに制御信号を送り、それぞれから波長を振動させたレーザ光を出力させる。
【０１０４】
第１高速光シャッター４３２ａと、第２高速光シャッター４３２ｂと、第３高速光シャッター４３２ｃは、高速光シャッター１１０と同様に入射されたレーザ光を遮るか遮らないかを切り換える機構である。第１高速光シャッター４３２ａは、光ファイバ４３０ａで第１半導体レーザ発振装置４２２ａと接続されている。また、第１高速光シャッター４３２ａは、光ファイバ４３４ａで合波部４３６と接続されている。第２高速光シャッター４３２ｂは、光ファイバ４３０ｂで第１半導体レーザ発振装置４２２ｂと接続されている。また、第２高速光シャッター４３２ｂは、光ファイバ４３４ｂで合波部４３６と接続されている。第３高速光シャッター４３２ｃは、光ファイバ４３０ｃで第３半導体レーザ発振装置４２２ｃと接続されている。また、第３高速光シャッター４３２ｃは、光ファイバ４３４ｃで合波部４３６と接続されている。
【０１０５】
合波部４３６は、３つの光ファイバ４３４ａ、４３４ｂ、４３４ｃと１つの光ファイバ４３８とを接続するカプラである。合波部４３６は、３つの光ファイバ４３４ａ、４３４ｂ、４３４ｃのそれぞれから入射されたレーザ光を光ファイバ４３８に入射させる。光ファイバ３２８は、計測セルと直接または接続光学系を介して接続されている。
【０１０６】
レーザ光照射ユニット４１４は、以上のような構成である。制御装置は、レーザ光照射ユニット４１４の第１高速光シャッター４３２ａと、第２高速光シャッター４３２ｂと、第３高速光シャッター４３２ｃとのＯＮとＯＦＦ、つまりレーザ光の通過、遮断を切り換えることで、合波部４３６を通過して、計測セルに入射させるレーザ光を切り換えることができる。例えば、図１６に示すように、第１高速光シャッター４３２ａにより第１半導体レーザ発振装置４２２ａから出力されるレーザ光のみを通過させ、当該レーザ光により測定対象物質の濃度の計測を行う。その後、第２高速光シャッター４３２ｂにより第２半導体レーザ発振装置４２２ｂから出力されるレーザ光のみを通過させ、当該レーザ光により他の測定対象物質の濃度の計測を行う。第３高速光シャッター４３２ｃにより第３半導体レーザ発振装置４２２ｃから出力されるレーザ光を通過させ、当該レーザ光により更に別の測定対象物質の濃度の計測を行う。
【０１０７】
このように、レーザ光照射ユニット４１４は、３つの異なる波長のレーザ光を順次入射させることで、流通ガスに含まれる３つの異なる測定対象物質の濃度を計測することができる。また、１度の測定にかかる時間は、流通ガスが計測セルを通過する時間よりも十分に短いので、同一の流通ガスを測定したとみなすことができる。なお、上記実施形態では、半導体レーザ発光装置と高速シャッターとの組み合わせを３つとしたが数は特に限定されない。また、レーザ光の出力を発振装置側で切り換えられる場合は、高速光シャッターを合波部の下流側に設けてもよい。なお、１つの半導体レーザ発振装置で複数の測定対象物質の吸収波長のレーザ光を出力できるようにしてもよい。
【０１０８】
また、上記実施形態では、いずれも流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度を計測したが、本発明はこれに限定されず、測定対象物質の量を算出することもできる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０、１００、２００、３００ 濃度計測装置
１２、２０２、３０２ 計測セルユニット
１４、１０４、４１４ レーザ光照射ユニット
１６ 受光装置
１８ 解析装置
２０ 制御装置
２２ 半導体レーザ発振装置
２４、４２４ レーザ制御装置
２６ 高速レーザ強度変調装置
２８ ビームストッパ
１１２、２１８、２３０、３１２、４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃ、４３４ａ、４３４ｂ、４３４ｃ、４３８ 光ファイバ
４０、２１０、３１０ 計測セル
４２、２１２ 流入管
４４、２１４ 排出管
４６ 第１反射部
４８ 第２反射部
１１０ 高速光シャッター
１１４、１１６、２３２、２３４、３１４、３１６ 接続光学系
２２０、２４０、３２０、３３０ ＦＢＧ
２２２、２４２、３２２、３３２ 高屈折率層
３１４ コア
３１６ クラッド
３４０ センサ領域
４２２ａ 第１半導体レーザ発振装置
４２２ｂ 第２半導体レーザ発振装置
４２２ｃ 第３半導体レーザ発振装置
４３２ａ 第１高速光シャッター
４３２ｂ 第２高速光シャッター
４３２ｃ 第３高速光シャッター
４３６ 合波部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測装置であって、
前記流通ガスが流れる計測セルと、
前記測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光を前記計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換えるレーザ光照射ユニットと、
前記計測セルから出射されるレーザ光を受講する受光装置と、
前記計測セルと前記レーザ光照射ユニットとの間に配置されレーザ光を反射させる第１反射部と、
前記計測セルと前記受光装置との間に配置され、レーザ光を反射させる第２反射部と、
前記レーザ光照射ユニットがレーザ光を前記計測セルに入射させる状態から入射させない状態に切り換えた前記受光装置が受光した光の強度の減衰に基づいて、流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する解析装置と、を有することを特徴とする物質計測装置。
【請求項２】
前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の変調周期が２０μｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載の物質計測装置。
【請求項３】
前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の変調周期が１μｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載の物質計測装置。
【請求項４】
前記第１反射部および前記第２反射部は、反射率が９９％以上の光学ミラーであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項５】
前記レーザ光照射ユニットと計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第１光学部材と、
前記受光装置と計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第２光学部材と、をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項６】
前記レーザ光照射ユニットと計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第１光ファイバと、
前記レーザ光照射ユニットと計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第２光ファイバと、をさらに有し、
前記第１反射部は、前記第１光ファイバに配置された複数の高屈折率層で構成されるファイバーブラッググレーティングであり、
前記第２反射部は、前記第２光ファイバに配置された複数の高屈折率層で構成されるファイバーブラッググレーティングであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項７】
一方の端部が前記第１光ファイバに接続され、他方の端部が前記第２光ファイバに接続され、かつ、前記計測セルに挿入される第３光ファイバを有し、
前記第３光ファイバは、前記計測セル内の一部にコアが露出している領域を備えることを特徴とする請求項６に記載の物質計測装置。
【請求項８】
前記第１光ファイバと前記第２光ファイバと前記第３光ファイバは、連結部がない１本の光ファイバであることを特徴とする請求項７に記載の物質計測装置。
【請求項９】
前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の通過経路上に配置され、開閉することで前記計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換えるシャッターを備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項１０】
前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の出射方向を切り換えて、前記計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換える機構を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項１１】
前記解析装置は、前記流通ガスに含まれる前記測定対象物質の濃度を検出することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項１２】
両端に反射部が配置されかつ流通ガスが流れる計測セルの一方の端部からレーザ光を入射させ、前記計測セルの他方の端部から出射されるレーザ光を検出して、前記流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測方法であって、
前記計測セルに前記流通ガスを流すステップと、
前記測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光を前記計測セルの前記一方の端部から入射させるステップと、
前記計測セルに前記レーザ光の入射を停止させるステップと、
前記計測セルの他方の端部から出力される前記レーザ光を受光した受光ステップと、
レーザ光を前記計測セルに入射させる状態から入射させない状態に切り換えた後に受光した光の強度の減衰に基づいて、流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する検出ステップと、を有することを特徴とする物質計測方法。
【請求項１】
流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測装置であって、
前記流通ガスが流れる計測セルと、
前記測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光を前記計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換えるレーザ光照射ユニットと、
前記計測セルから出射されるレーザ光を受講する受光装置と、
前記計測セルと前記レーザ光照射ユニットとの間に配置されレーザ光を反射させる第１反射部と、
前記計測セルと前記受光装置との間に配置され、レーザ光を反射させる第２反射部と、
前記レーザ光照射ユニットがレーザ光を前記計測セルに入射させる状態から入射させない状態に切り換えた前記受光装置が受光した光の強度の減衰に基づいて、流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する解析装置と、を有することを特徴とする物質計測装置。
【請求項２】
前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の変調周期が２０μｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載の物質計測装置。
【請求項３】
前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の変調周期が１μｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載の物質計測装置。
【請求項４】
前記第１反射部および前記第２反射部は、反射率が９９％以上の光学ミラーであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項５】
前記レーザ光照射ユニットと計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第１光学部材と、
前記受光装置と計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第２光学部材と、をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項６】
前記レーザ光照射ユニットと計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第１光ファイバと、
前記レーザ光照射ユニットと計測セルとに接続され、前記レーザ光を案内する第２光ファイバと、をさらに有し、
前記第１反射部は、前記第１光ファイバに配置された複数の高屈折率層で構成されるファイバーブラッググレーティングであり、
前記第２反射部は、前記第２光ファイバに配置された複数の高屈折率層で構成されるファイバーブラッググレーティングであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項７】
一方の端部が前記第１光ファイバに接続され、他方の端部が前記第２光ファイバに接続され、かつ、前記計測セルに挿入される第３光ファイバを有し、
前記第３光ファイバは、前記計測セル内の一部にコアが露出している領域を備えることを特徴とする請求項６に記載の物質計測装置。
【請求項８】
前記第１光ファイバと前記第２光ファイバと前記第３光ファイバは、連結部がない１本の光ファイバであることを特徴とする請求項７に記載の物質計測装置。
【請求項９】
前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の通過経路上に配置され、開閉することで前記計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換えるシャッターを備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項１０】
前記レーザ光照射ユニットは、前記レーザ光の出射方向を切り換えて、前記計測セルに入射させる状態と入射させない状態とを切り換える機構を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項１１】
前記解析装置は、前記流通ガスに含まれる前記測定対象物質の濃度を検出することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項１２】
両端に反射部が配置されかつ流通ガスが流れる計測セルの一方の端部からレーザ光を入射させ、前記計測セルの他方の端部から出射されるレーザ光を検出して、前記流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測方法であって、
前記計測セルに前記流通ガスを流すステップと、
前記測定対象物質の吸収波長を含む波長の範囲で波長を変調したレーザ光を前記計測セルの前記一方の端部から入射させるステップと、
前記計測セルに前記レーザ光の入射を停止させるステップと、
前記計測セルの他方の端部から出力される前記レーザ光を受光した受光ステップと、
レーザ光を前記計測セルに入射させる状態から入射させない状態に切り換えた後に受光した光の強度の減衰に基づいて、流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する検出ステップと、を有することを特徴とする物質計測方法。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−７２７３０（Ｐ２０１３−７２７３０Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１１５１４（Ｐ２０１１−２１１５１４）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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