誘導ラマン分光ガス分析装置
【課題】光軸調整が容易で耐環境性が向上した小型の誘導ラマン分光ガス分析装置でガス濃度分析の精度を向上させること。
【解決手段】 ポンプ光とプローブ光を測定対象に入射させ、誘導ラマン利得または損失スペクトルを測定する誘導ラマン分光誘導ラマン分光ガス分析装置において、前記ポンプ光と前記プローブ光とを合波してファイバから前記測定対象に出射するＷＤＭ光合波手段と、前記ＷＤＭ光合波手段から出射される前記合波光を集光して前記測定対象に入射させる第１の集光手段と、前記測定対象を透過した透過光を集光して前記分光手段に入射させる第２の集光手段と、前記透過光からポンプ光を除去する分光手段と、前記分光手段から出射されるポンプ光が除去された前記透過光の強度を測定し前記測定対象を分析する分析部と、を備えたことを特徴とする。
【解決手段】 ポンプ光とプローブ光を測定対象に入射させ、誘導ラマン利得または損失スペクトルを測定する誘導ラマン分光誘導ラマン分光ガス分析装置において、前記ポンプ光と前記プローブ光とを合波してファイバから前記測定対象に出射するＷＤＭ光合波手段と、前記ＷＤＭ光合波手段から出射される前記合波光を集光して前記測定対象に入射させる第１の集光手段と、前記測定対象を透過した透過光を集光して前記分光手段に入射させる第２の集光手段と、前記透過光からポンプ光を除去する分光手段と、前記分光手段から出射されるポンプ光が除去された前記透過光の強度を測定し前記測定対象を分析する分析部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ光とプローブ光を測定対象に入射させ、誘導ラマン利得または損失スペクトルを測定する誘導ラマン分光ガス分析装置に関し、特にガス濃度分析の精度の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、近赤外光を利用した分光法などにより、光源から被測定対象に照射すると、被測定対象に含まれる成分に特有の波長域においてその成分の量に応じた吸光特性を示すことから、被測定対象からの透過光などの測定光から吸光度（特定成分による光の吸収度）を算出し、その吸光スペクトルに基づいて被測定対象に含まれる成分を分析する光分析装置が知られている。
【０００３】
このような近赤外光を利用した分光法では、赤外不活性なガス（水素分子や窒素分子などの等核２原子分子）を測定することは不可能であり、赤外不活性なガスを測定するには、ラマン散乱分光を必要とする。
【０００４】
しかし、ラマン散乱分光を用いたガス検出に数Ｗ以上の高出力レーザ光源が必要となるので、ポンプ光源として空間光ビーム出力であるＹＡＧレーザやＴｉサファイアレーザなどを高出力パルス光源として使用している。この場合には光源が大型で高価なものであるから、フィールド対応の（測定対象を生産するような生産工場や測定対象を使用する現場、プラント等の各種現場に設置可能な）小型分光分析装置の達成は困難であった。
【０００５】
またラマン散乱分光を用いたガス検出では、ラマン散乱光強度が極微小信号であるのでガス濃度を高精度で測定するには濃度範囲が狭くなってしまうという問題点があった。
【０００６】
このような問題点に対し、従来からラマン散乱光強度を上げる取り組みが行なわれている。たとえばラマン散乱分光でラマン散乱光強度を上げるには誘導ラマン分光があり、下記特許文献１などがある。具体的には、試料にポンプ光とプローブ光を照射することにより得られる誘導ラマン散乱光を検出するように構成された誘導ラマン分光分析装置がある。また、誘導ラマンに係る文献としては、非特許文献１があり、ガスのラマンシフト量を記載した文献としては下記非特許文献２などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２２７２５３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M. D. Levenson, S. S. Kano 共著、狩野覚、狩野秀子共訳「非線形レーザー分光学」オーム社、昭和６３年、p.191
【０００９】
【非特許文献２】JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA VOLUME 63, NUMBER I, pp73-77 JANUARY 1973 : Raman cross section of some simple gases
【００１０】
図１０は、主に非特許文献１で示された従来の誘導ラマン分光ガス分析装置の構成図であり、図１０において、Ａｒレーザ１はポンプ光の光源として用いられるもので、波長５１４．５ｎｍの出力光は電気光学効果素子２により変調され、ポンプ光波長のみを透過させて他の波長は反射させるように構成されたダイクロイックミラー３に入射される。
【００１１】
色素レーザ４はプローブ光の光源として用いられるもので、たとえば１ＭＨｚの分解能で１ｃｍ-1にわたって波長を変えられる連続発振出力光はノイズ低減システム５およびハーフミラー６で反射されてダイクロイックミラー３に入射され、ポンプ光と重ね合わされる。
【００１２】
ダイクロイックミラー３で重ね合わされた光ビームは、試料が充填された多重光路セル７に入射されて試料を多数回通過した後、分散プリズム８と空間フィルタ９を通過することによりポンプ光がカットされ、誘導ラマン効果により変調されたプローブ光がＰＩＮホトダイオードよりなる第１の検出器１０で検出される。
【００１３】
第１の検出器１０で検出された信号の変調成分は、電流増幅器１１およびロックイン増幅器１２を介してチャートレコーダ１３に入力されて高感度に測定記録される。
【００１４】
ダイクロイックミラー３の他方の出力光ビームは波長計１４に入射される。波長計１４には、基準光源として用いられるＨｅＮｅレーザ１５の出力光も入射される。
【００１５】
ロックイン増幅器１２には、基準検出器１６で検出されたハーフミラー６の透過光が、電流増幅器１７を介して入力される。
【００１６】
基準発振器１８の出力信号は、電気光学効果素子２に変調信号として入力されるとともに、ロックイン増幅器１２に基準信号として入力される。
【００１７】
このような構成において、色素レーザ４から出力されるプローブ光の波長を測定したい波長帯域で変化させながら測定を行うことにより、試料の定性・定量あるいは物性に関連した誘導ラマン利得または損失スペクトルを得ることができる。
【００１８】
図１０のような複雑な測定系を用いる必要性について説明する。強力なポンプ光とプローブ光を完全に分離するために、直列に配置した分散プリズム８と空間フィルタ９を用いて空間的にポンプ光とプローブ光を分離している。
【００１９】
さらに、背景光と誘導ラマン光が含まれたプローブ光から誘導ラマン光分離するために、ポンプ光を基準発振器１８から出力される所定の周波数で変調することにより、プローブ光が受ける誘導ラマン効果自体を変調する。背景光は変調されていないので、ロックイン増幅器１２を用いてプローブ光の所定の周波数で変動する成分のみを検出すれば、誘導ラマン光強度を測定することができる。
【００２０】
特許文献１では、ポンプ光源とプローブ光源（信号光源）を対向進行配置（後方散乱）にして、各種液体や固体を測定する方式が記載されている。（特許文献１における技術においても実際には非特許文献１同様の光チョッパやロックインアンプを使用した複雑な測定系となる。）
【００２１】
このように、従来の誘導ラマン分光ガス分析装置は、試料の定性・定量あるいは物性に関連した誘導ラマン利得または損失スペクトルを得ることができ、赤外不活性なガスの成分を分析することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
ここで、誘導ラマン分光ガス分析装置では、誘導ラマンを発生させるためにはポンプ光とプローブ光を多重光路セル７（試料ガスセル）内で同一光路導波させる必要がある。そのために、ミラーおよびダイクロイックミラーなどの光学部品をステージ類に保持し、空間光ビームの位置と角度を４軸調整することになる。
誘導ラマン分光分析でポンプ光とプローブ光のビーム径が同じで軸ズレがない場合に得られる誘導ラマン信号強度変化（ΔＰS）を以下の式（１）に、ラマン利得係数ｇの最大値を式（２）に示す。
【００２３】
ΔＰS：プローブ光強度の変化量、ＰS0：入射プローブ光強度、ｇ：ラマン利得係数、ＰP：入射ポンプ光強度、ｗ：プローブ光とポンプ光のビーム半径、Ｌ：多重光路セル（試料ガスセル）の長さ
【００２４】
ｄσ/ｄΩ：微分散乱断面積、Ｎ：ビーム中の分子数、Ｖ：ビームの体積、ω：ポンプ光の角振動数、ωf：分子の角振動数、η，ηS：媒質中におけるポンプ光と散乱光の屈折率、γ：ラマン線幅
【００２５】
ここで、ラマン散乱分光分析を高精度に行なうためには、誘導ラマン信号強度ΔＰSを大きくするべきであるところ、上述の式（１）、（２）からわかるように、誘導ラマン信号強度ΔＰSを大きくするには、ラマン利得係数ｇを大きくする、光源の光出力ＰPとＰS0を大きくする、ポンプ光とプローブ光の同一光路で導波する距離Ｌを長くする、光ビーム径ｗを絞って光パワー密度を高くする必要がある。
なお、式（２）によればラマン利得係数ｇを大きくするには、試料ガスを高圧状態にしてビーム中の分子数Ｎを多くすれば良いことが分かる。
【００２６】
しかしながら、従来の誘導ラマン分光ガス分析装置では、誘導ラマンを発生させるためにはポンプ光とプローブ光を多重光路セル７（試料ガスセル）内で同一光路導波させることが前提となるが、同一光路で導波する距離を長くするには空間光（平行光）のビーム径を数ｍｍに広げる必要がありビーム径を広げると光パワー密度が低くなって光路長を長くした効果を相殺してしまい、発生する誘導ラマン信号強度は小さく、高精度の分光分析ができないという問題点があった。
【００２７】
また、光パワー密度を高くするために光ビームを集光する構成は、ポンプ光とプローブ光の２本の空間光を同一光路上に調整する必要があるが、僅かでも光軸がずれていると集光した場合に光軸の傾きが発生し、ラマン光発生が低下してしまうという問題点があった。ここで、ポンプ光とプローブ光のビーム径の違いと軸ズレがある場合の式を次の式（３）に示す。
【００２８】
ｗS：プローブ光のビーム半径、ｗP：ポンプ光のビーム半径、ｒP：軸ズレの大きさ
【００２９】
また、従来の誘導ラマン分光ガス分析装置では、２本の異なった空間光を同一光路上に調整するのは難しく、温度変動で光軸が変化し易いという問題点あった。また平行光ビームの光軸調整は難しく、耐環境性が弱い構造となってしまうという問題点があった。
【００３０】
また高出力の光ビームを使用しても、平行光ビームではビーム径が広いので光パワー密度が小さく、発生する誘導ラマン信号強度は小さいという問題点があった。
【００３１】
これらの要因により従来の誘導ラマン分光ガス分析装置では、誘導ラマン散乱光強度が微小信号であるので測定対象（たとえばガス）を高精度で測定することができなかった。
【００３２】
本発明は上述の問題点を解決するものであり、その目的は、光軸調整が容易で耐環境性が向上した小型の誘導ラマン分光ガス分析装置でガス濃度分析の精度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
ポンプ光とプローブ光を測定対象に入射させ、誘導ラマン利得または損失スペクトルを測定する誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記ポンプ光と前記プローブ光とを合波してファイバから前記測定対象に出射するＷＤＭ光合波手段と、
前記ＷＤＭ光合波手段から出射される前記合波光を集光して前記測定対象に入射させる第１の集光手段と、
前記透過光を集光して前記分光手段に入射させる第２の集光手段と、
前記測定対象を透過した透過光からポンプ光を除去する分光手段と、
前記分光手段から出射されるポンプ光が除去された前記透過光の強度を測定し前記測定対象を分析する分析部と、
を備えたことを特徴とする誘導ラマン分光ガス分析装置。
【００３４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光が入射し前記ポンプ光を導光する第１の入力ファイバと、
前記プローブ光が入射し前記プローブ光を導光する第２の入力ファイバと、
一端が前記第１および第２の入力ファイバの前記各光の出射端と接続され、前記第１の入力ファイバにより導光された前記ポンプ光と前記第２の入力ファイバにより導光された前記プローブ光を合波し、この合波光を他端から出力する前記出力ファイバと、を備えたことを特徴とする。
【００３５】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光を平行光とする第１の平行光変換手段と、
前記プローブ光を平行光とする第２の平行光変換手段と、
前記第１の平行光変換手段により平行光となった前記ポンプ光と前記第２の平行光変換手段により平行光となった前記プローブ光を合波するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーにより合波された合波光を集光する第３の集光手段と、
前記集光レンズにより集光された合波光を導光して前記測定対象に出射する出力ファイバと、を備えたことを特徴とする。
【００３６】
請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光が入射し前記ポンプ光を導光する第１の入力ファイバと、
前記プローブ光が入射し前記プローブ光を導光する第２の入力ファイバと、
前記第１の入力ファイバからの前記ポンプ光を平行光とする第１の平行光変換手段と、
前記第２の入力ファイバからの前記プローブ光を平行光とする第２の平行光変換手段と、
前記第１の平行光変換手段により平行光となった前記ポンプ光と前記第２の平行光変換手段により平行光となった前記プローブ光を合波するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーにより合波された合波光を集光する第３の集光手段と、
前記集光レンズにより集光された合波光を導光して前記測定対象に出射する出力ファイバと、を備えたことを特徴とする。
【００３７】
請求項５記載の発明は、請求項１または２記載の誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光が入射し前記ポンプ光を導光する第１の入力ファイバと、
前記プローブ光が入射し前記プローブ光を導光する第２の入力ファイバと、
前記第１の入力ファイバからの前記ポンプ光と前記第２の入力ファイバからの前記プローブ光を平行光とする平行光変換手段と、
前記平行光変換手段により平行光となった前記ポンプ光と前記プローブ光を屈折させて合波させる光学素子と、
を備えたことを特徴とする。
【００３８】
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記透過光を入射光として前記第１の集光手段に導光して前記測定対象に複数回照射させる周回透過部を備え、
前記周回透過部は、
前記ＷＤＭ光合波手段から入射された合波光または前記透過光を前記第１の集光手段を介して前記測定対象に照射する第１の透過光周回手段と、前記透過光を入射光として前記周回照射手段に導光する導光手段と、前記第２の集光手段を介して入射された前記透過光を前記導光手段または前記光分岐手段に出射する第２の透過光周回手段と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、ＷＤＭ光合波手段の出力ファイバコア端からポンプ光とプローブ光が出射されるため、光ビームの光軸角度ズレや位置ズレが無く、光軸調整が容易になる。
【００４０】
また、本発明によれば、試料ガスセル内で光ビームがファイバコア径と集光手段（集光光学系）の像倍率で決定される集光ビーム径に集光されるため、光パワー密度が高くなり光路長を延ばさなくても誘導ラマン信号を大きくすることが可能となることにより、ガス濃度分析の精度を向上させることが可能になる点で有効である。
【００４１】
また、本発明によれば、ポンプ光源として小型ＣＷ光源を使用することが出来るため、耐環境性が向上した小型の装置が可能となる点で有効である。
【００４２】
また、本発明によれば、光源部分（ポンプ光源とプローブ光源）と試料ガスセル部分が、ファイバで分離されている構造になるため、光源部分のみを温度制御しやすくなり、耐環境性が向上する点で有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置の一実施例の構成である。
【図２】図１のＷＤＭ光合波手段の一実施例の構成図である。
【図３】図１のＷＤＭ光合波手段のその他の実施例の構成図である。
【図４】本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置が周回透過部を備える場合における実施例の構成図である。
【図５】図１の誘導ラマン分光ガス分析装置の他の実施例の構成図である。
【図６】図１の誘導ラマン分光ガス分析装置がポンプ光源を複数備えた実施例の構成図である。
【図７】図６のＷＤＭ光合波手段がＡＷＧ構造であるときの構成図である。
【図８】図６のＷＤＭ光合波手段が光分散プリズムを使用した空間光結合構造であるときの構成図である。
【図９】発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置の試料料ガスセルへのポンプ光とプローブ光の入射方向を対向型にした実施例の構成図である。
【図１０】従来の誘導ラマン分光ガス分析装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明は、ポンプ光とプローブ光を測定対象（たとえばガス等）に入射させ、プローブ光の波長を変化させながら誘導ラマン利得または損失スペクトルを測定する誘導ラマン分光ガス分析装置に関し、特にＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）合波手段がポンプ光とプローブ光とを合波してＷＤＭ合波手段の１本の出力ファイバから、この合波光を測定対象に集光出射し、分光手段が測定対象を透過した透過光からポンプ光を除去することを特徴とする誘導ラマン分光ガス分析装置に関する。
以下、図面を用いて本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置を説明する。
【００４５】
＜第１の実施例＞
図１は、本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置の一実施例の構成図であり、図１０と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。
図１０との相違点は、主に、ポンプ光とプローブ光とを合波して１本の光ファイバから合波光を測定対象に出射するＷＤＭ光合波手段と、ＷＤＭ光合波手段のファイバ端から出射する合波光を測定対象中で集合する第１の集光手段と、測定対象を透過した透過光からポンプ光を除去する分光手段とを備えた点が相違する。
【００４６】
（構成の説明）
図１において、本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は主に、試料ガスセル２５に含まれるガスのラマンシフトに対応する波長のプローブ光を発生するプローブ光源２１、特定波長のポンプ光を発生するたとえば比較的低出力のＣＷ（Continuous Wave）光源等のポンプ光源２２、ポンプ光とプローブ光とを合波光としてファイバ出力するＷＤＭ光合波手段２３、光合波器のファイバ端から出射する合波光を集光する集光レンズなどの光学素子からなる第１の集光手段２４、セル内にガスなどの測定対象が注入（導入）・充填され、ポンプ光およびプローブ光の合波光が入射集光する試料ガスセル２５から構成される。
【００４７】
さらに、本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、試料ガスセル２５を透過した合波光（以下、透過光という）を集光する集光レンズなどの光学素子からなる第２の集光手段２６、第２の集光手段２６を通過して集光された透過光からポンプ光を除去するラマンフィルタなどの分光手段２７、分光手段２７を介して入射されたプローブ光を電気信号（光強度信号）に変換する光検出手段２８、光検出手段２８からの電気信号（光強度信号）に基づき測定対象の成分（ガスの濃度）を解析する信号処理手段２９からも構成される。
ここでＷＤＭ光合波手段２３は主に、後述のとおり第１の入力ファイバである光ファイバ２３ａと、第２の入力ファイバである光ファイバ２３ｂと、出力ファイバの一例であるファイバ２３ｃから構成される。
【００４８】
（接続・配置関係の説明）
本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置の各構成要素間の接続・配置関係について光の流れに基づき説明する。
【００４９】
プローブ光源２１から出射されるプローブ光は、光ファイバ２３ａの一端に入射する。光ファイバ２３ａにより導光されるプローブ光は、光ファイバ２３ａの他端と接続・連結されている光ファイバ２３ｃの一端に入射する。
またポンプ光源２２から出射されるポンプ光は、光ファイバ２３ｂの一端に入射する。光ファイバ２３ｂにより導光されるポンプ光は、光ファイバ２３ｂの他端と接続・連結されている光ファイバ２３ｃの一端に入射する。
【００５０】
光ファイバ２３ｃの一端に入射されたプローブ光およびポンプ光は合波され、この合波光が光ファイバ２３ｃの他端から出射され第１の集光手段２４に入射する。第１の集光手段２４に入射された合波光は、第１の集光手段２４により集光されて測定対象（試料ガスセル２５の試料ガス）に出射される。
【００５１】
合波光は、試料ガスセル２５の試料ガス（測定対象）を透過して第２の集光手段２６に入射される。試料ガスセル２５を透過した。透過光は第２の集光手段２６で集光されて分光手段２７に入射し、ポンプ光が除去されて光検出手段２８に入射する。
【００５２】
光検出手段２８と信号処理手段２９とは信号線等により相互に接続されており、光検出手段２８が検出した透過光からポンプ光が除去された誘導ラマン増幅されたプローブ光の光強度に比例した光強度信号を測定・検出して信号処理手段２９に出力する。
【００５３】
（主な構成要素の説明）
図１の本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置の各構成要素について以下具体的に説明する。プローブ光源２１とポンプ光源２２は、波長の異なる単一縦モードで発振する光源であり、ファイバ出力である。
【００５４】
一般に、誘導ラマン分光ガス分析装置では、ポンプ光の波長に対して測定対象試料の分子のラマンシフト量だけ異なる波長に、誘導ラマン利得または損失が生じる。そこで、プローブ光の波長をこの波長帯域で変化させながら、測定対象である試料ガスを通過したプローブ光の強度を測定することにより、誘導ラマン利得または損失スペクトルを得ている。
【００５５】
本発明においても、プローブ光源２１およびポンプ光源２２から出射されるプローブ光の波長とポンプ光の波長は、試料ガスセル内の試料ガスで決定されるラマンシフト量に対応する波長差だけ異なるものが出射される。
このため、本発明に係るプローブ光、ポンプ光は、ポンプ光波長が決まればプローブ光波長も一義的に決定され、ポンプ光波長とプローブ光波長の組み合わせは多岐に渡ることになる。
【００５６】
たとえば水素ガスを振動ラマンで測定する場合は４１５５ｃｍ-1のラマンシフトで、回転ラマンで測定する場合は５８７ｃｍ-1のラマンシフトである。
また、単一縦モードで高出力の入手可能な小型ポンプ光源の波長としては、５３２ｎｍ、７８５ｎｍ、８５２ｎｍ、９８０ｎｍ、１０６４ｎｍ、１４８０ｎｍなどが高出力光源の代表値として挙げられる。さらに、ポンプ光源の波長は、短波長の方がラマン光発生には有利であるが、特に波長には限定されるものではない。
【００５７】
プローブ光源２１とポンプ光源２２は、単一縦モードで発振する光源として、ＤＦＢ−ＬＤ（Distributed FeedBack Laser Diode：分布帰還型レーザダイオード）やＤＢＲ−ＬＤ（Distributed Bragg Reflector Laser Diode：分布ブラッグ反射型レーザ）、ＤＰＳＳレーザ（Diode Pumping Solid Stateレーザ：LD励起固体レーザー）、外部共振器型光源、ＦＢＧ−ＬＤ（Fiber Bragg Grating Laser Diode）などから構成されるものでもよい。またＤＦＢ−ＬＤ、ＤＢＲ−ＬＤ，外部共振器型光源は波長可変することも可能である。
【００５８】
ＷＤＭ光合波手段２３は、ポンプ光とプローブ光とを合波光としてファイバ出力するものであり、光ファイバで構成されたＷＤＭカプラで構成されるものでよい。図２は図１のＷＤＭ光合波手段２３の一実施例の構成図であり、図２においてＷＤＭ光合波手段２３は、プローブ光が一端に入射される第１の入力ファイバである光ファイバ２３ａと、ポンプ光が一端に入射される第２の入力ファイバである光ファイバ２３ｂと、光ファイバ２３ａと光ファイバ２３ｂからの二つの光を合波する結合部と、合波された光を出射する出力ファイバである光ファイバ２３ｃとから構成される。
【００５９】
すなわちＷＤＭ光合波手段２３では、光ファイバ２３ａ、２３ｂに入射した異なる波長のプローブ光とポンプ光は結合部で合波される。そしてプローブ光とポンプ光とが合波された合波光（異なる波長の光を含む光）は光ファイバ２３ｃの他端から出射される。
【００６０】
なお、図２のようなＷＤＭカプラから成るＷＤＭ光合波手段２３は、光通信で使用され、合分波の波長特性も製造時に臨機応変に対応変更可能である。
【００６１】
第１の集光手段２４は、ＷＤＭ光合波手段２３の出射端側に配置される集光レンズなどの光学素子でＷＤＭ光合波手段２３からの出射光（合波光）を集光する。具体的には、第１の集光手段２４は、ＷＤＭ光合波手段２３から出射され光ファイバ２３ｃの開口数（ＮＡ）で広がる出射光を試料ガスセル２５内で集光させる。
【００６２】
試料ガスセル２５は、測定対象である試料ガス（または各種流体）を外部から挿入できる図示しない流体入出力ポートを備える。また試料ガスセル２５は、第１の集光手段２４により集光された合波光を試料ガスセル２５内の測定対象（試料ガス）に入射させる光の入力窓、試料ガスセル２５内の測定対象（試料ガス）を透過して第２の集光手段２６に出射させる光の出力窓も備える。これらの光の入出力窓には、ポンプ光とプローブ光の両波長帯で反射率が低下する反射防止膜が施されているのが望ましい。
また試料ガスセル２５内で集光された光ビームは、試料ガスセル２５外に広がりながら出射して、第２集光光学系に入射する。
【００６３】
第２の集光手段２６は、試料ガスセル２５を介して入射する透過光を集光し、分光手段２７を介して光検出手段２８に入射させる。
【００６４】
分光手段２７は、（高出力な）ポンプ光を除去し、誘導ラマン増幅されたプローブ光のみを光検出手段２８に入射させる。
なお、光分波手段２７は、回折格子を使用した分光器や光分散プリズム、ラマンフィルタ、ＬＰＦ（ロングパスフィルタ）やＢＰＦ（バンドパスフィルタ）などが使用される。またこれら異なる光分波手段を直列接続して使用するものでもよく、このように直列接続した方がポンプ光をよりよく除去できる。
【００６５】
また、第２の集光手段２６で集光された透過光を上述のような分光器や光分散プリズムなどの光検出手段２７に入射させずに、複数の光ファイバで構成されるＷＤＭカプラを介して光検出手段２７に導光するものとしてもよい。
たとえば上述の図２で示したＷＤＭ光合波手段２３を構成するＷＤＭカプラと同等のＷＤＭカプラを逆接続して光分波器として使用することもできる。具体的には、ＷＤＭカプラから成る分光手段２７は、第２の集光手段２６からの透過光をＷＤＭカプラの入射端で入射し導光の途中でプローブ光とポンプ光とに分岐して、分岐されたプローブ光を光検出手段２７に入射させるものでもよい。
【００６６】
光検出手段２８は、分光手段２７により透過光からポンプ光が除去された誘導ラマン光を含んだプローブ光のみが入射され、このプローブ光の光強度に比例した光強度信号を測定・検出して信号処理手段２９に出力する。
【００６７】
信号処理手段２９は、光検出手段２８からの光強度信号のうち誘導ラマン光強度のみを抽出処理し、測定対象の成分（試料ガスの濃度）を算出する。
信号処理手段２９は、単一縦モードで発振するプローブ光源またはポンプ光源からのプローブ光またはポンプ光の一方を波長掃引し、外部要因（温度や圧力）で変化する測定対象（試料ガス）のラマンシフト量やラマンスペクトル半値幅を測定してスペクトル解析することにより、ガス濃度以外に外部要因変動も測定可能とするものでもよい。
【００６８】
（動作説明）
このような構成で本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、次の（１−１）〜（１−１２）の動作を実行する。
【００６９】
（１−１）プローブ光源２１は、プローブ光を光ファイバ２３ａに出射する。
（１−２）光ファイバ２３ａは、プローブ光源２１からのプローブ光を結合部に導光する。
（１−３）ポンプ光源２２は、ポンプ光を光ファイバ２３ｂに出射する。
【００７０】
（１−４）光ファイバ２３ｂは、ポンプ光源２２からのポンプ光を結合部に導光する。
（１−５）プローブ光およびポンプ光は、結合部で合波され、光ファイバ２３ｃに導光される。
（１−６）光ファイバ２３ｃは、この合波光を導光して光ファイバ２３ｃの他端から第１の集光手段２４に出射する。
【００７１】
（１−７）第１の集光手段２４は、入射された合波光を集光して測定対象（試料ガスセル２５の試料ガス）に出射する。
（１−８）合波光は、試料ガスセル２５の試料ガス（測定対象）を透過して第２の集光手段２６に入射される。いいかえれば第２の集光手段２６には試料ガスセル２５の試料ガス（測定対象）を透過した透過光が入射する。
（１−９）第２の集光手段２６は、この透過光を集光して分光手段２７に出射する。
【００７２】
（１−１０）分光手段２７は、第２の集光手段２６からの透過光からポンプ光を除去し、光検出手段２８に出射する。
（１−１１）光検出手段２８は、透過光からポンプ光が除去された誘導ラマン増幅されたプローブ光の光強度を測定・検出して、プローブ光の光強度を示す光強度信号を信号処理手段２９に出力する。
（１−１２）信号処理手段２９は、光検出手段２８からの光強度信号に基づいて測定対象の成分（ガスの濃度）を解析する。
【００７３】
この結果、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は上述の構成とすることによって、ＷＤＭ光合波手段の出力ファイバコア端から出射されるため、光軸角度ズレや位置ズレが無く、光軸調整が容易になる点で有効である。
【００７４】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は上述の構成とすることによって、試料ガスセル内で光ビームがファイバコア径と集光手段（集光光学系）の像倍率で決定される集光ビーム径に集光されるため、光パワー密度が高くなり光路長を延ばさなくても誘導ラマン信号を大きくすることが可能となることにより、ガス濃度分析の精度を向上させることが可能になる点で有効である。
【００７５】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は上述の構成とすることによって、ポンプ光源として小型のＣＷ光源を使用することが出来るため、耐環境性が向上した小型の装置が可能となる点で有効である。
【００７６】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は上述の構成とすることによって、光源部分（ポンプ光源とプローブ光源）と試料ガスセル部分が、ファイバで分離されている構造になるため、光源部分のみを温度制御しやすくなり、耐環境性が向上する点で有効である。
【００７７】
なお、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、第２の集光手段２６は、この透過光を集光して分光手段２７に出射すると説明したが、特にこれに限定するものではなく、第２の集光手段で集光した光ビームを光検出手段に直接入射させないで光ファイバを介して入射するものでもよく、このような構成であれば、試料ガスセル部分と光検出器部を分離した構造になるため、光源部分のみを温度制御するのと同様に光検出器部を温度制御しやすくなり、耐環境性が向上する点で有効である。
【００７８】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、単一縦モードで発振するプローブ光源またはポンプ光源からのプローブ光またはポンプ光の一方を波長掃引する波長掃引手段を備えるものでもよく、このような構成であれば、外部要因（温度や圧力）で変化する測定対象（試料ガス）のラマンシフト量やラマンスペクトル半値幅を測定してスペクトル解析することにより、ガス濃度以外に外部要因変動も測定可能となる点で有効である。
【００７９】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、試料ガスセル内でのポンプ光とプローブ光の光ビーム偏波面を合わせるために、各光源とＷＤＭ光合波手段の各入力端の間に偏波コントローラが接続されているものでもよい。また偏波コントローラは絶対必要部品ではなく、ポンプ光源とプローブ光源の出力ファイバおよびＷＤＭ光カプラの入出力ファイバが偏波保持ファイバで構成されていれば、偏波コントローラが接続されている必要もない。
【００８０】
＜第２の実施例＞
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置では、ＷＤＭ光合波手段２３は、上述第１の実施例の構成に限定するものではなく、ポンプ光とプローブ光をダイクロイックミラーにより合波させるものでもよい。
以下、この構成を図３を用いて説明する。
【００８１】
図３は図１のＷＤＭ光合波手段のその他の実施例の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図３において、ＷＤＭ光合波手段は、ポンプ光が入射しポンプ光を導光する第１の入力ファイバである光ファイバ２３ａと、プローブ光が入射しプローブ光を導光する第２の入力ファイバである光ファイバ２３ｂと、第１の入力ファイバからのポンプ光を平行光とするレンズなどの光学素子である第１の平行光変換手段と、第２の入力ファイバからのプローブ光を平行光とするレンズなどの光学素子である第２の平行光変換手段と、第１の平行光変換手段により平行光となったポンプ光と第２の平行光変換手段により平行光となったプローブ光を合波するダイクロイックミラー２３ｄと、ダイクロイックミラー２３ｄにより合波された合波光を集光するレンズなどの光学素子である集光手段と、集光レンズにより集光された合波光を導光して測定対象に出射する出力ファイバとを備える。
【００８２】
このような構成で本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、次の（２―１）〜（２−８）の動作を実行する。
（２−１）プローブ光源２１は、プローブ光を光ファイバ２３ａに出射する。
（２−２）光ファイバ２３ａは、プローブ光源２１からのプローブ光を導光して第１の平行光変換手段に出射する。
（２−３）第１の平行光変換手段は、プローブ光を平行光としてダイクロイックミラー２３ｄに照射する。
【００８３】
（２−４）一方、ポンプ光源２２はポンプ光を光ファイバ２３ｂに出射する。
（２−５）光ファイバ２３ｂは、ポンプ光源２２からのポンプ光を導光して第２の平行光変換手段に出射する。
（２−６）第２の平行光変換手段は、プローブ光を平行光としてダイクロイックミラー２３ｄに照射する。
（２−７）ダイクロイックミラー２３ｄは、第１の平行光変換手段により平行光となったポンプ光と第２の平行光変換手段により平行光となったプローブ光を合波する。
（２−８）この合波光はダイクロイックミラー２３ｄを介して第３の集光手段に入射する。第３の集光手段は合波光を集光して光ファイバ２３ｃに出射する。
なお、これ以降の動作は上述（１−８）〜（１−１２）と同様であるので省略する。
【００８４】
このような構成にすることにより、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置のＷＤＭ光合波手段は、ＷＤＭ光合波手段の出力ファイバコア端から出射されるため、光軸角度ズレや位置ズレが無く、光軸調整が容易になることにより、ガス濃度分析の精度を向上させることが可能になる点で有効である。
【００８５】
なお、本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、上述の説明で示した構成に限るものではなく、第１、第２の入力ファイバを介さずに、直接レーザ光源がポンプ光とプローブ光それぞれ第１の平行光変換手段と第２の平行光変換手段に出射するものであってもよい。
【００８６】
＜第３の実施例＞
また本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、試料ガスセル２５を透過した透過光を再び入射光として第１の集光手段に導光して測定対象に複数回照射させる周回透過部を備えるものでもよい。たとえば、誘導ラマン分光ガス分析装置は、ＷＤＭ光合波手段から入射された合波光または試料ガスセル２５を透過した透過光を再び第１の集光手段を介して測定対象に照射する第１の透過光周回手段と、透過光を再び入射光として周回照射手段に導光する導光手段と、第２の集光手段を介して入射された透過光を導光手段または光分岐手段に出射する第２の透過光周回手段とを備えた周回透過部を具備するものでもよい。
以下、この構成を図４を用いて説明する。
【００８７】
図４は本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置が周回透過部を備える場合における実施例の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図４において、本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は主に、図示しないプローブ光源２１、ポンプ光源２２、ＷＤＭ光合波手段２３、周回透過部５０から出射された透過光からポンプ光を除去するラマンフィルタなどの分光手段２７、光検出手段２８、信号処理手段２９および、図４中の試料ガスセル２５を透過した透過光を再び入射光として第１の集光手段に導光して測定対象に複数回照射させる周回透過部５０、試料ガスセル２５とから構成される。
【００８８】
ここで周回透過部５０は主に、複数の光ファイバ５１ａ〜ｄが並列に設けられたファイバアレイ５１と、ファイバアレイ５１からの出射光を集光する集光レンズなどの光学素子からなる第３の集光手段５２と、透過光を集光する集光レンズなどの光学素子からなる第４の集光手段５３と、複数の光ファイバ５４ａ〜ｄが並列に設けられたファイバアレイ５４と、ファイバアレイ５４に設けられた光ファイバ５４ａ〜ｃとファイバアレイ５１に設けられた光ファイバ５１ｂ〜ｄとを相互に連結させる複数の導光手段５５ａ〜ｃから構成される。
【００８９】
第３の集光手段５２は、焦点距離ｆのレンズ等の光学手段であり、試料ガスセル２５の合波光の入力側であって焦点距離２ｆの位置に配置される。また、第４の集光手段５３は、焦点距離ｆのレンズ等の光学手段であり、試料ガスセル２５の透過光の出力側であって焦点距離２ｆの位置に配置される。
すなわち第３の集光手段５２と第４の集光手段５３は、試料ガスセル２５を中心として２ｆの位置に配置されることになる。また第３の集光手段５２と第４の集光手段５３から２ｆの位置にファイバアレイ５１ａ〜ｄとファイバアレイ５４ａ〜ｄの入出力端面が配置される。
【００９０】
このような構成で本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、次の（３―１）〜（３−８）の動作を実行する。なおポンプ光とプローブ光の合波については前記（１−１）〜（１−５）の動作と同様であるため省略する。
（３−１）ＷＤＭ光合波手段は、（必要であれば図示しない光ファイバなどの導光ファイバを介して）合波光を光ファイバ５１ａの一端に入射させる。
【００９１】
（３−２）
ファイバアレイ５１の光ファイバ５１ａは、他端から第３の集光手段５２に合波光を出射する。第３の集光手段５２は合波光を集光して試料ガスセルに照射する。この試料ガスセルからの透過光は第４の集光手段５３に入射される。第４の集光手段５３は透過光を集光してファイバアレイ５４の光ファイバ５４ｄの一端に入射させる。光ファイバ５４ｄは、他端から導光手段５５ａに透過光を出力する。導光手段５５ａは透過光を導光してファイバアレイ５１の光ファイバ５１ｂの一端に入射させる。
【００９２】
（３−３）
ファイバアレイ５１の光ファイバ５１ｂは、他端から第３の集光手段５２に合波光を出射する。第３の集光手段５２は合波光を集光して試料ガスセルに照射する。この試料ガスセルからの透過光は第４の集光手段５３に入射される。第４の集光手段５３は透過光を集光してファイバアレイ５４の光ファイバ５４ｃの一端に入射させる。光ファイバ５４ｃは、他端から導光手段５５ｂに透過光を出力する。導光手段５５ｂは透過光を導光してファイバアレイ５１の光ファイバ５１ｃの一端に入射させる。
【００９３】
（３−４）
ファイバアレイ５１の光ファイバ５１ｃは、他端から第３の集光手段５２に合波光を出射する。第３の集光手段５２は合波光を集光して試料ガスセルに照射する。この試料ガスセルからの透過光は第４の集光手段５３に入射される。第４の集光手段５３は透過光を集光してファイバアレイ５４の光ファイバ５４ｂの一端に入射させる。光ファイバ５４ｂは、他端から導光手段５５ｃに透過光を出力する。導光手段５５ｃは透過光を導光してファイバアレイ５１の光ファイバ５１ｄの一端に入射させる。
【００９４】
（３−５）
ファイバアレイ５１の光ファイバ５１ｄは、他端から第３の集光手段５２に合波光を出射する。第３の集光手段５２は合波光を集光して試料ガスセルに照射する。この試料ガスセルからの透過光は第４の集光手段５３に入射される。第４の集光手段５３は透過光を集光してファイバアレイ５４の光ファイバ５４ａの一端に入射させる。光ファイバ５４ａは、他端から（必要であれば図示しない光ファイバなどの導光ファイバを介して）透過光を分光手段２７に透過光を出力する。
なお、これ以降の動作は上述（１−１０）〜（１−１２）と同様であるので省略する。
【００９５】
いいかえれば、ＷＤＭ光合波手段からの合波光がファイバアレイ５１の光ファイバ５１ａに入力すると、ファイバアレイの光ファイバ５１ａの他端から出射した光ビームは第３の集光手段で試料ガスセル内に集光し、透過光を第４の集光手段でファイバアレイ５４の光ファイバ５４ｄの一端に回転対称で集光することになる。
【００９６】
また光ファイバ５４ｄに入射した透過光を光ファイバ５１ｂに入射させると、光ファイバ５１ｂの他端からの出射光は前述と同様に回転対称で光ファイバ５４ｃの一端に集光する。同様に回転対称が繰り返され、最終的にファイバアレイ５４ａの一端に入力した透過光が出力光となる。
【００９７】
そしてファイバアレイ５４からの出力光は、分光手段に入力され、ポンプ光を除去されたのち、光検出手段に入力してラマン信号強度が測定される。
【００９８】
この結果、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、上述の構成とすることにより、４列のファイバアレイを使用し、試料ガスセル内で４回集光されるので１回の透過光に比較して、約４倍のラマン光強度が得られるため、ガス濃度分析の精度を向上させることが可能になる点で有効である。
また、像倍率が１の光学系であるので、試料ガスセル内で集光される光ビーム径は、ファイバアレイのコア径と等しくなり、集光されたビームの光パワー密度を高くすることができるため、ガス濃度分析の精度を向上させることが可能になる点で有効である。
なお、像倍率１の光学系である必要はないが、集光されたビームの光パワー密度を高くするには、像倍率が小さい方が良い。
【００９９】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、ファイバアレイ５１とファイバアレイ５４の接続方法は上述で説明したものに限るものではなく、その他接続方法でも良い。
【０１００】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、誘導ラマン光強度をより精度良く測定するためには、従来技術でも使用されている光チョッピング手段をポンプ光源出力に追加接続し、ロックインアンプを光検出器出力に追加接続した構成が望ましい。プローブ光としての背景光成分が除去され、誘導ラマン光成分のみが精度良く検出される。
【０１０１】
＜第４の実施例＞
また本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、誘導回転ラマン分光するために、第１集光光学系の前または後に偏光子と１／４波長板（ＱＷＰ：quarter-wave plate）を挿入するものでもよい。
図５は、図１の誘導ラマン分光ガス分析装置の他の実施例の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図５において第１の集光手段の前（または後）に偏光子６０と１／４波長板６１が配置される。図５の誘導ラマン分光ガス分析装置では、偏光子６０の偏波軸に対して１／４波長板６１の軸を４５度回転させると、試料ガスセル２３に入射する光ビームの偏波は円偏波となる。
なお、第１集光手段を平行光用レンズと集光用レンズに分けて、平行光領域に偏光子６０と１／４波長板６１を配置しても良い。
【０１０２】
＜第５の実施例＞
また本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、ポンプ光源を複数備えるものでもよい。図６は図１の誘導ラマン分光ガス分析装置がポンプ光源を複数備えた実施例の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。
【０１０３】
図６において、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、波長の異なるポンプ光源２２とポンプ光源７０およびプローブ光源２１を備え、これらの光源からのポンプ光またはプローブ光が光ファイバなどの導光手段を介して、ＷＤＭ光合波手段の出力ファイバの１つの出射端から異なる波長を含む合波光を出射する。このような構成の場合には、ポンプ光源はどちらか一方の光のみを出力し、同時には出力しない。
【０１０４】
なお、上述の構成である場合には、図６のＷＤＭ光合波手段は、ＡＷＧ（American Wire Gauge）構造、光分散プリズムを使用した空間光結合構造からなるものでもよい。図７は図６のＷＤＭ光合波手段がＡＷＧ構造であるときの構成図や図８は図６のＷＤＭ光合波手段が光分散プリズムを使用した空間光結合構造であるときの構成図である。
【０１０５】
また、ＷＤＭ光合波手段は、その他の光学素子としては、回折格子などを用いるものでもよい。なお図８のポンプ光、プローブ光が入力されるファイバ側（光源側）はファイバアレイ構造が望ましい。
【０１０６】
ここで、図１の誘導ラマン分光ガス分析装置のポンプ光源１台とプローブ光源１台の構成では、誘導ラマンは一種類の試料ガスを測定するだけである。プローブ光源またはポンプ光源の波長を可変させれば、ラマンシフト量が近い異なる試料ガスも測定可能になる場合もあるが、広い波長範囲を可変させると、ＷＤＭ光合波器や光分波器の光学特性が悪くなり、誘導ラマン信号強度の低下やポンプ光除去が不十分になることがありうる。
【０１０７】
これに対して図６の誘導ラマン分光ガス分析装置の構造では、波長の異なるポンプ光源２２とポンプ光源７０を接続しているため、異なる２種類の試料ガスを測定することが可能となる点で有効である。波長の異なるポンプ光源をより多く接続することで、試料ガス数を増やすことができる。例えば、プローブ光源の波長を１２７０ｎｍにすると、ポンプ光源の波長が８３１．３ｎｍでＨ２ガス、９８０ｎｍでＮ２ガス、１０６０．６ｎｍでＯ２ガスに対応することが可能になり、３種類のガスの誘導ラマン信号が得られる。
【０１０８】
＜第６の実施例＞
また本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、試料料ガスセルへのポンプ光とプローブ光の入射方向を対向型とするものでもよい。
図９は、本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置の試料料ガスセルへのポンプ光とプローブ光の入射方向を対向型にした実施例の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。
【０１０９】
図９において、試料料ガスセルへのポンプ光とプローブ光の入射方向を対向型とする構成では、ポンプ光とプローブ光が同一コア端からは出射しなくなるが、プローブ光源からのファイバ出射光をＷＤＭカプラのファイバ端に結合すれば、必然的にポンプ光の光軸とプローブ光の光軸が一致する。そのため、入射方向を対向型にしても光軸調整は容易である。
【０１１０】
この結果、本実施例では、ポンプ光とプローブ光の進行方向が反対になるので、光検出器にはポンプ光が入射し難い構成であり、光分波器の性能が若干低くても良い利点がある。
【０１１１】
また本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置では、ＷＤＭ光合波手段の出力ファイバコア端から出射されるため、光軸角度ズレや位置ズレが無く、光軸調整が容易になる導ラマン分光ガス分析装置が実現できる。
【符号の説明】
【０１１２】
２１ プローブ光源
２２、７０ ポンプ光源
２３ ＷＤＭ光合波手段
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ 光ファイバ
２３ｄ、７１、７２ ダイクロイックミラー
２４ 第１の集光手段
２５ 試料ガスセル
２６ 第２の集光手段
２７ 分光手段
２８ 光検出手段
２９ 信号処理手段
５０ 周回透過部
５１、５４ ファイバアレイ
５１ａ、ｂ、ｃ、ｄ 光ファイバ
５４ａ、ｂ、ｃ、ｄ 光ファイバ
５２ 第３の集光手段
５３ 第４の集光手段
５５ａ、ｂ、ｃ 導光手段
６０ 偏光子
６１ １／４波長板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ光とプローブ光を測定対象に入射させ、誘導ラマン利得または損失スペクトルを測定する誘導ラマン分光ガス分析装置に関し、特にガス濃度分析の精度の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、近赤外光を利用した分光法などにより、光源から被測定対象に照射すると、被測定対象に含まれる成分に特有の波長域においてその成分の量に応じた吸光特性を示すことから、被測定対象からの透過光などの測定光から吸光度（特定成分による光の吸収度）を算出し、その吸光スペクトルに基づいて被測定対象に含まれる成分を分析する光分析装置が知られている。
【０００３】
このような近赤外光を利用した分光法では、赤外不活性なガス（水素分子や窒素分子などの等核２原子分子）を測定することは不可能であり、赤外不活性なガスを測定するには、ラマン散乱分光を必要とする。
【０００４】
しかし、ラマン散乱分光を用いたガス検出に数Ｗ以上の高出力レーザ光源が必要となるので、ポンプ光源として空間光ビーム出力であるＹＡＧレーザやＴｉサファイアレーザなどを高出力パルス光源として使用している。この場合には光源が大型で高価なものであるから、フィールド対応の（測定対象を生産するような生産工場や測定対象を使用する現場、プラント等の各種現場に設置可能な）小型分光分析装置の達成は困難であった。
【０００５】
またラマン散乱分光を用いたガス検出では、ラマン散乱光強度が極微小信号であるのでガス濃度を高精度で測定するには濃度範囲が狭くなってしまうという問題点があった。
【０００６】
このような問題点に対し、従来からラマン散乱光強度を上げる取り組みが行なわれている。たとえばラマン散乱分光でラマン散乱光強度を上げるには誘導ラマン分光があり、下記特許文献１などがある。具体的には、試料にポンプ光とプローブ光を照射することにより得られる誘導ラマン散乱光を検出するように構成された誘導ラマン分光分析装置がある。また、誘導ラマンに係る文献としては、非特許文献１があり、ガスのラマンシフト量を記載した文献としては下記非特許文献２などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２２７２５３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M. D. Levenson, S. S. Kano 共著、狩野覚、狩野秀子共訳「非線形レーザー分光学」オーム社、昭和６３年、p.191
【０００９】
【非特許文献２】JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA VOLUME 63, NUMBER I, pp73-77 JANUARY 1973 : Raman cross section of some simple gases
【００１０】
図１０は、主に非特許文献１で示された従来の誘導ラマン分光ガス分析装置の構成図であり、図１０において、Ａｒレーザ１はポンプ光の光源として用いられるもので、波長５１４．５ｎｍの出力光は電気光学効果素子２により変調され、ポンプ光波長のみを透過させて他の波長は反射させるように構成されたダイクロイックミラー３に入射される。
【００１１】
色素レーザ４はプローブ光の光源として用いられるもので、たとえば１ＭＨｚの分解能で１ｃｍ-1にわたって波長を変えられる連続発振出力光はノイズ低減システム５およびハーフミラー６で反射されてダイクロイックミラー３に入射され、ポンプ光と重ね合わされる。
【００１２】
ダイクロイックミラー３で重ね合わされた光ビームは、試料が充填された多重光路セル７に入射されて試料を多数回通過した後、分散プリズム８と空間フィルタ９を通過することによりポンプ光がカットされ、誘導ラマン効果により変調されたプローブ光がＰＩＮホトダイオードよりなる第１の検出器１０で検出される。
【００１３】
第１の検出器１０で検出された信号の変調成分は、電流増幅器１１およびロックイン増幅器１２を介してチャートレコーダ１３に入力されて高感度に測定記録される。
【００１４】
ダイクロイックミラー３の他方の出力光ビームは波長計１４に入射される。波長計１４には、基準光源として用いられるＨｅＮｅレーザ１５の出力光も入射される。
【００１５】
ロックイン増幅器１２には、基準検出器１６で検出されたハーフミラー６の透過光が、電流増幅器１７を介して入力される。
【００１６】
基準発振器１８の出力信号は、電気光学効果素子２に変調信号として入力されるとともに、ロックイン増幅器１２に基準信号として入力される。
【００１７】
このような構成において、色素レーザ４から出力されるプローブ光の波長を測定したい波長帯域で変化させながら測定を行うことにより、試料の定性・定量あるいは物性に関連した誘導ラマン利得または損失スペクトルを得ることができる。
【００１８】
図１０のような複雑な測定系を用いる必要性について説明する。強力なポンプ光とプローブ光を完全に分離するために、直列に配置した分散プリズム８と空間フィルタ９を用いて空間的にポンプ光とプローブ光を分離している。
【００１９】
さらに、背景光と誘導ラマン光が含まれたプローブ光から誘導ラマン光分離するために、ポンプ光を基準発振器１８から出力される所定の周波数で変調することにより、プローブ光が受ける誘導ラマン効果自体を変調する。背景光は変調されていないので、ロックイン増幅器１２を用いてプローブ光の所定の周波数で変動する成分のみを検出すれば、誘導ラマン光強度を測定することができる。
【００２０】
特許文献１では、ポンプ光源とプローブ光源（信号光源）を対向進行配置（後方散乱）にして、各種液体や固体を測定する方式が記載されている。（特許文献１における技術においても実際には非特許文献１同様の光チョッパやロックインアンプを使用した複雑な測定系となる。）
【００２１】
このように、従来の誘導ラマン分光ガス分析装置は、試料の定性・定量あるいは物性に関連した誘導ラマン利得または損失スペクトルを得ることができ、赤外不活性なガスの成分を分析することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
ここで、誘導ラマン分光ガス分析装置では、誘導ラマンを発生させるためにはポンプ光とプローブ光を多重光路セル７（試料ガスセル）内で同一光路導波させる必要がある。そのために、ミラーおよびダイクロイックミラーなどの光学部品をステージ類に保持し、空間光ビームの位置と角度を４軸調整することになる。
誘導ラマン分光分析でポンプ光とプローブ光のビーム径が同じで軸ズレがない場合に得られる誘導ラマン信号強度変化（ΔＰS）を以下の式（１）に、ラマン利得係数ｇの最大値を式（２）に示す。
【００２３】
ΔＰS：プローブ光強度の変化量、ＰS0：入射プローブ光強度、ｇ：ラマン利得係数、ＰP：入射ポンプ光強度、ｗ：プローブ光とポンプ光のビーム半径、Ｌ：多重光路セル（試料ガスセル）の長さ
【００２４】
ｄσ/ｄΩ：微分散乱断面積、Ｎ：ビーム中の分子数、Ｖ：ビームの体積、ω：ポンプ光の角振動数、ωf：分子の角振動数、η，ηS：媒質中におけるポンプ光と散乱光の屈折率、γ：ラマン線幅
【００２５】
ここで、ラマン散乱分光分析を高精度に行なうためには、誘導ラマン信号強度ΔＰSを大きくするべきであるところ、上述の式（１）、（２）からわかるように、誘導ラマン信号強度ΔＰSを大きくするには、ラマン利得係数ｇを大きくする、光源の光出力ＰPとＰS0を大きくする、ポンプ光とプローブ光の同一光路で導波する距離Ｌを長くする、光ビーム径ｗを絞って光パワー密度を高くする必要がある。
なお、式（２）によればラマン利得係数ｇを大きくするには、試料ガスを高圧状態にしてビーム中の分子数Ｎを多くすれば良いことが分かる。
【００２６】
しかしながら、従来の誘導ラマン分光ガス分析装置では、誘導ラマンを発生させるためにはポンプ光とプローブ光を多重光路セル７（試料ガスセル）内で同一光路導波させることが前提となるが、同一光路で導波する距離を長くするには空間光（平行光）のビーム径を数ｍｍに広げる必要がありビーム径を広げると光パワー密度が低くなって光路長を長くした効果を相殺してしまい、発生する誘導ラマン信号強度は小さく、高精度の分光分析ができないという問題点があった。
【００２７】
また、光パワー密度を高くするために光ビームを集光する構成は、ポンプ光とプローブ光の２本の空間光を同一光路上に調整する必要があるが、僅かでも光軸がずれていると集光した場合に光軸の傾きが発生し、ラマン光発生が低下してしまうという問題点があった。ここで、ポンプ光とプローブ光のビーム径の違いと軸ズレがある場合の式を次の式（３）に示す。
【００２８】
ｗS：プローブ光のビーム半径、ｗP：ポンプ光のビーム半径、ｒP：軸ズレの大きさ
【００２９】
また、従来の誘導ラマン分光ガス分析装置では、２本の異なった空間光を同一光路上に調整するのは難しく、温度変動で光軸が変化し易いという問題点あった。また平行光ビームの光軸調整は難しく、耐環境性が弱い構造となってしまうという問題点があった。
【００３０】
また高出力の光ビームを使用しても、平行光ビームではビーム径が広いので光パワー密度が小さく、発生する誘導ラマン信号強度は小さいという問題点があった。
【００３１】
これらの要因により従来の誘導ラマン分光ガス分析装置では、誘導ラマン散乱光強度が微小信号であるので測定対象（たとえばガス）を高精度で測定することができなかった。
【００３２】
本発明は上述の問題点を解決するものであり、その目的は、光軸調整が容易で耐環境性が向上した小型の誘導ラマン分光ガス分析装置でガス濃度分析の精度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
ポンプ光とプローブ光を測定対象に入射させ、誘導ラマン利得または損失スペクトルを測定する誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記ポンプ光と前記プローブ光とを合波してファイバから前記測定対象に出射するＷＤＭ光合波手段と、
前記ＷＤＭ光合波手段から出射される前記合波光を集光して前記測定対象に入射させる第１の集光手段と、
前記透過光を集光して前記分光手段に入射させる第２の集光手段と、
前記測定対象を透過した透過光からポンプ光を除去する分光手段と、
前記分光手段から出射されるポンプ光が除去された前記透過光の強度を測定し前記測定対象を分析する分析部と、
を備えたことを特徴とする誘導ラマン分光ガス分析装置。
【００３４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光が入射し前記ポンプ光を導光する第１の入力ファイバと、
前記プローブ光が入射し前記プローブ光を導光する第２の入力ファイバと、
一端が前記第１および第２の入力ファイバの前記各光の出射端と接続され、前記第１の入力ファイバにより導光された前記ポンプ光と前記第２の入力ファイバにより導光された前記プローブ光を合波し、この合波光を他端から出力する前記出力ファイバと、を備えたことを特徴とする。
【００３５】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光を平行光とする第１の平行光変換手段と、
前記プローブ光を平行光とする第２の平行光変換手段と、
前記第１の平行光変換手段により平行光となった前記ポンプ光と前記第２の平行光変換手段により平行光となった前記プローブ光を合波するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーにより合波された合波光を集光する第３の集光手段と、
前記集光レンズにより集光された合波光を導光して前記測定対象に出射する出力ファイバと、を備えたことを特徴とする。
【００３６】
請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光が入射し前記ポンプ光を導光する第１の入力ファイバと、
前記プローブ光が入射し前記プローブ光を導光する第２の入力ファイバと、
前記第１の入力ファイバからの前記ポンプ光を平行光とする第１の平行光変換手段と、
前記第２の入力ファイバからの前記プローブ光を平行光とする第２の平行光変換手段と、
前記第１の平行光変換手段により平行光となった前記ポンプ光と前記第２の平行光変換手段により平行光となった前記プローブ光を合波するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーにより合波された合波光を集光する第３の集光手段と、
前記集光レンズにより集光された合波光を導光して前記測定対象に出射する出力ファイバと、を備えたことを特徴とする。
【００３７】
請求項５記載の発明は、請求項１または２記載の誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光が入射し前記ポンプ光を導光する第１の入力ファイバと、
前記プローブ光が入射し前記プローブ光を導光する第２の入力ファイバと、
前記第１の入力ファイバからの前記ポンプ光と前記第２の入力ファイバからの前記プローブ光を平行光とする平行光変換手段と、
前記平行光変換手段により平行光となった前記ポンプ光と前記プローブ光を屈折させて合波させる光学素子と、
を備えたことを特徴とする。
【００３８】
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記透過光を入射光として前記第１の集光手段に導光して前記測定対象に複数回照射させる周回透過部を備え、
前記周回透過部は、
前記ＷＤＭ光合波手段から入射された合波光または前記透過光を前記第１の集光手段を介して前記測定対象に照射する第１の透過光周回手段と、前記透過光を入射光として前記周回照射手段に導光する導光手段と、前記第２の集光手段を介して入射された前記透過光を前記導光手段または前記光分岐手段に出射する第２の透過光周回手段と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、ＷＤＭ光合波手段の出力ファイバコア端からポンプ光とプローブ光が出射されるため、光ビームの光軸角度ズレや位置ズレが無く、光軸調整が容易になる。
【００４０】
また、本発明によれば、試料ガスセル内で光ビームがファイバコア径と集光手段（集光光学系）の像倍率で決定される集光ビーム径に集光されるため、光パワー密度が高くなり光路長を延ばさなくても誘導ラマン信号を大きくすることが可能となることにより、ガス濃度分析の精度を向上させることが可能になる点で有効である。
【００４１】
また、本発明によれば、ポンプ光源として小型ＣＷ光源を使用することが出来るため、耐環境性が向上した小型の装置が可能となる点で有効である。
【００４２】
また、本発明によれば、光源部分（ポンプ光源とプローブ光源）と試料ガスセル部分が、ファイバで分離されている構造になるため、光源部分のみを温度制御しやすくなり、耐環境性が向上する点で有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置の一実施例の構成である。
【図２】図１のＷＤＭ光合波手段の一実施例の構成図である。
【図３】図１のＷＤＭ光合波手段のその他の実施例の構成図である。
【図４】本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置が周回透過部を備える場合における実施例の構成図である。
【図５】図１の誘導ラマン分光ガス分析装置の他の実施例の構成図である。
【図６】図１の誘導ラマン分光ガス分析装置がポンプ光源を複数備えた実施例の構成図である。
【図７】図６のＷＤＭ光合波手段がＡＷＧ構造であるときの構成図である。
【図８】図６のＷＤＭ光合波手段が光分散プリズムを使用した空間光結合構造であるときの構成図である。
【図９】発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置の試料料ガスセルへのポンプ光とプローブ光の入射方向を対向型にした実施例の構成図である。
【図１０】従来の誘導ラマン分光ガス分析装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明は、ポンプ光とプローブ光を測定対象（たとえばガス等）に入射させ、プローブ光の波長を変化させながら誘導ラマン利得または損失スペクトルを測定する誘導ラマン分光ガス分析装置に関し、特にＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）合波手段がポンプ光とプローブ光とを合波してＷＤＭ合波手段の１本の出力ファイバから、この合波光を測定対象に集光出射し、分光手段が測定対象を透過した透過光からポンプ光を除去することを特徴とする誘導ラマン分光ガス分析装置に関する。
以下、図面を用いて本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置を説明する。
【００４５】
＜第１の実施例＞
図１は、本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置の一実施例の構成図であり、図１０と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。
図１０との相違点は、主に、ポンプ光とプローブ光とを合波して１本の光ファイバから合波光を測定対象に出射するＷＤＭ光合波手段と、ＷＤＭ光合波手段のファイバ端から出射する合波光を測定対象中で集合する第１の集光手段と、測定対象を透過した透過光からポンプ光を除去する分光手段とを備えた点が相違する。
【００４６】
（構成の説明）
図１において、本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は主に、試料ガスセル２５に含まれるガスのラマンシフトに対応する波長のプローブ光を発生するプローブ光源２１、特定波長のポンプ光を発生するたとえば比較的低出力のＣＷ（Continuous Wave）光源等のポンプ光源２２、ポンプ光とプローブ光とを合波光としてファイバ出力するＷＤＭ光合波手段２３、光合波器のファイバ端から出射する合波光を集光する集光レンズなどの光学素子からなる第１の集光手段２４、セル内にガスなどの測定対象が注入（導入）・充填され、ポンプ光およびプローブ光の合波光が入射集光する試料ガスセル２５から構成される。
【００４７】
さらに、本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、試料ガスセル２５を透過した合波光（以下、透過光という）を集光する集光レンズなどの光学素子からなる第２の集光手段２６、第２の集光手段２６を通過して集光された透過光からポンプ光を除去するラマンフィルタなどの分光手段２７、分光手段２７を介して入射されたプローブ光を電気信号（光強度信号）に変換する光検出手段２８、光検出手段２８からの電気信号（光強度信号）に基づき測定対象の成分（ガスの濃度）を解析する信号処理手段２９からも構成される。
ここでＷＤＭ光合波手段２３は主に、後述のとおり第１の入力ファイバである光ファイバ２３ａと、第２の入力ファイバである光ファイバ２３ｂと、出力ファイバの一例であるファイバ２３ｃから構成される。
【００４８】
（接続・配置関係の説明）
本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置の各構成要素間の接続・配置関係について光の流れに基づき説明する。
【００４９】
プローブ光源２１から出射されるプローブ光は、光ファイバ２３ａの一端に入射する。光ファイバ２３ａにより導光されるプローブ光は、光ファイバ２３ａの他端と接続・連結されている光ファイバ２３ｃの一端に入射する。
またポンプ光源２２から出射されるポンプ光は、光ファイバ２３ｂの一端に入射する。光ファイバ２３ｂにより導光されるポンプ光は、光ファイバ２３ｂの他端と接続・連結されている光ファイバ２３ｃの一端に入射する。
【００５０】
光ファイバ２３ｃの一端に入射されたプローブ光およびポンプ光は合波され、この合波光が光ファイバ２３ｃの他端から出射され第１の集光手段２４に入射する。第１の集光手段２４に入射された合波光は、第１の集光手段２４により集光されて測定対象（試料ガスセル２５の試料ガス）に出射される。
【００５１】
合波光は、試料ガスセル２５の試料ガス（測定対象）を透過して第２の集光手段２６に入射される。試料ガスセル２５を透過した。透過光は第２の集光手段２６で集光されて分光手段２７に入射し、ポンプ光が除去されて光検出手段２８に入射する。
【００５２】
光検出手段２８と信号処理手段２９とは信号線等により相互に接続されており、光検出手段２８が検出した透過光からポンプ光が除去された誘導ラマン増幅されたプローブ光の光強度に比例した光強度信号を測定・検出して信号処理手段２９に出力する。
【００５３】
（主な構成要素の説明）
図１の本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置の各構成要素について以下具体的に説明する。プローブ光源２１とポンプ光源２２は、波長の異なる単一縦モードで発振する光源であり、ファイバ出力である。
【００５４】
一般に、誘導ラマン分光ガス分析装置では、ポンプ光の波長に対して測定対象試料の分子のラマンシフト量だけ異なる波長に、誘導ラマン利得または損失が生じる。そこで、プローブ光の波長をこの波長帯域で変化させながら、測定対象である試料ガスを通過したプローブ光の強度を測定することにより、誘導ラマン利得または損失スペクトルを得ている。
【００５５】
本発明においても、プローブ光源２１およびポンプ光源２２から出射されるプローブ光の波長とポンプ光の波長は、試料ガスセル内の試料ガスで決定されるラマンシフト量に対応する波長差だけ異なるものが出射される。
このため、本発明に係るプローブ光、ポンプ光は、ポンプ光波長が決まればプローブ光波長も一義的に決定され、ポンプ光波長とプローブ光波長の組み合わせは多岐に渡ることになる。
【００５６】
たとえば水素ガスを振動ラマンで測定する場合は４１５５ｃｍ-1のラマンシフトで、回転ラマンで測定する場合は５８７ｃｍ-1のラマンシフトである。
また、単一縦モードで高出力の入手可能な小型ポンプ光源の波長としては、５３２ｎｍ、７８５ｎｍ、８５２ｎｍ、９８０ｎｍ、１０６４ｎｍ、１４８０ｎｍなどが高出力光源の代表値として挙げられる。さらに、ポンプ光源の波長は、短波長の方がラマン光発生には有利であるが、特に波長には限定されるものではない。
【００５７】
プローブ光源２１とポンプ光源２２は、単一縦モードで発振する光源として、ＤＦＢ−ＬＤ（Distributed FeedBack Laser Diode：分布帰還型レーザダイオード）やＤＢＲ−ＬＤ（Distributed Bragg Reflector Laser Diode：分布ブラッグ反射型レーザ）、ＤＰＳＳレーザ（Diode Pumping Solid Stateレーザ：LD励起固体レーザー）、外部共振器型光源、ＦＢＧ−ＬＤ（Fiber Bragg Grating Laser Diode）などから構成されるものでもよい。またＤＦＢ−ＬＤ、ＤＢＲ−ＬＤ，外部共振器型光源は波長可変することも可能である。
【００５８】
ＷＤＭ光合波手段２３は、ポンプ光とプローブ光とを合波光としてファイバ出力するものであり、光ファイバで構成されたＷＤＭカプラで構成されるものでよい。図２は図１のＷＤＭ光合波手段２３の一実施例の構成図であり、図２においてＷＤＭ光合波手段２３は、プローブ光が一端に入射される第１の入力ファイバである光ファイバ２３ａと、ポンプ光が一端に入射される第２の入力ファイバである光ファイバ２３ｂと、光ファイバ２３ａと光ファイバ２３ｂからの二つの光を合波する結合部と、合波された光を出射する出力ファイバである光ファイバ２３ｃとから構成される。
【００５９】
すなわちＷＤＭ光合波手段２３では、光ファイバ２３ａ、２３ｂに入射した異なる波長のプローブ光とポンプ光は結合部で合波される。そしてプローブ光とポンプ光とが合波された合波光（異なる波長の光を含む光）は光ファイバ２３ｃの他端から出射される。
【００６０】
なお、図２のようなＷＤＭカプラから成るＷＤＭ光合波手段２３は、光通信で使用され、合分波の波長特性も製造時に臨機応変に対応変更可能である。
【００６１】
第１の集光手段２４は、ＷＤＭ光合波手段２３の出射端側に配置される集光レンズなどの光学素子でＷＤＭ光合波手段２３からの出射光（合波光）を集光する。具体的には、第１の集光手段２４は、ＷＤＭ光合波手段２３から出射され光ファイバ２３ｃの開口数（ＮＡ）で広がる出射光を試料ガスセル２５内で集光させる。
【００６２】
試料ガスセル２５は、測定対象である試料ガス（または各種流体）を外部から挿入できる図示しない流体入出力ポートを備える。また試料ガスセル２５は、第１の集光手段２４により集光された合波光を試料ガスセル２５内の測定対象（試料ガス）に入射させる光の入力窓、試料ガスセル２５内の測定対象（試料ガス）を透過して第２の集光手段２６に出射させる光の出力窓も備える。これらの光の入出力窓には、ポンプ光とプローブ光の両波長帯で反射率が低下する反射防止膜が施されているのが望ましい。
また試料ガスセル２５内で集光された光ビームは、試料ガスセル２５外に広がりながら出射して、第２集光光学系に入射する。
【００６３】
第２の集光手段２６は、試料ガスセル２５を介して入射する透過光を集光し、分光手段２７を介して光検出手段２８に入射させる。
【００６４】
分光手段２７は、（高出力な）ポンプ光を除去し、誘導ラマン増幅されたプローブ光のみを光検出手段２８に入射させる。
なお、光分波手段２７は、回折格子を使用した分光器や光分散プリズム、ラマンフィルタ、ＬＰＦ（ロングパスフィルタ）やＢＰＦ（バンドパスフィルタ）などが使用される。またこれら異なる光分波手段を直列接続して使用するものでもよく、このように直列接続した方がポンプ光をよりよく除去できる。
【００６５】
また、第２の集光手段２６で集光された透過光を上述のような分光器や光分散プリズムなどの光検出手段２７に入射させずに、複数の光ファイバで構成されるＷＤＭカプラを介して光検出手段２７に導光するものとしてもよい。
たとえば上述の図２で示したＷＤＭ光合波手段２３を構成するＷＤＭカプラと同等のＷＤＭカプラを逆接続して光分波器として使用することもできる。具体的には、ＷＤＭカプラから成る分光手段２７は、第２の集光手段２６からの透過光をＷＤＭカプラの入射端で入射し導光の途中でプローブ光とポンプ光とに分岐して、分岐されたプローブ光を光検出手段２７に入射させるものでもよい。
【００６６】
光検出手段２８は、分光手段２７により透過光からポンプ光が除去された誘導ラマン光を含んだプローブ光のみが入射され、このプローブ光の光強度に比例した光強度信号を測定・検出して信号処理手段２９に出力する。
【００６７】
信号処理手段２９は、光検出手段２８からの光強度信号のうち誘導ラマン光強度のみを抽出処理し、測定対象の成分（試料ガスの濃度）を算出する。
信号処理手段２９は、単一縦モードで発振するプローブ光源またはポンプ光源からのプローブ光またはポンプ光の一方を波長掃引し、外部要因（温度や圧力）で変化する測定対象（試料ガス）のラマンシフト量やラマンスペクトル半値幅を測定してスペクトル解析することにより、ガス濃度以外に外部要因変動も測定可能とするものでもよい。
【００６８】
（動作説明）
このような構成で本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、次の（１−１）〜（１−１２）の動作を実行する。
【００６９】
（１−１）プローブ光源２１は、プローブ光を光ファイバ２３ａに出射する。
（１−２）光ファイバ２３ａは、プローブ光源２１からのプローブ光を結合部に導光する。
（１−３）ポンプ光源２２は、ポンプ光を光ファイバ２３ｂに出射する。
【００７０】
（１−４）光ファイバ２３ｂは、ポンプ光源２２からのポンプ光を結合部に導光する。
（１−５）プローブ光およびポンプ光は、結合部で合波され、光ファイバ２３ｃに導光される。
（１−６）光ファイバ２３ｃは、この合波光を導光して光ファイバ２３ｃの他端から第１の集光手段２４に出射する。
【００７１】
（１−７）第１の集光手段２４は、入射された合波光を集光して測定対象（試料ガスセル２５の試料ガス）に出射する。
（１−８）合波光は、試料ガスセル２５の試料ガス（測定対象）を透過して第２の集光手段２６に入射される。いいかえれば第２の集光手段２６には試料ガスセル２５の試料ガス（測定対象）を透過した透過光が入射する。
（１−９）第２の集光手段２６は、この透過光を集光して分光手段２７に出射する。
【００７２】
（１−１０）分光手段２７は、第２の集光手段２６からの透過光からポンプ光を除去し、光検出手段２８に出射する。
（１−１１）光検出手段２８は、透過光からポンプ光が除去された誘導ラマン増幅されたプローブ光の光強度を測定・検出して、プローブ光の光強度を示す光強度信号を信号処理手段２９に出力する。
（１−１２）信号処理手段２９は、光検出手段２８からの光強度信号に基づいて測定対象の成分（ガスの濃度）を解析する。
【００７３】
この結果、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は上述の構成とすることによって、ＷＤＭ光合波手段の出力ファイバコア端から出射されるため、光軸角度ズレや位置ズレが無く、光軸調整が容易になる点で有効である。
【００７４】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は上述の構成とすることによって、試料ガスセル内で光ビームがファイバコア径と集光手段（集光光学系）の像倍率で決定される集光ビーム径に集光されるため、光パワー密度が高くなり光路長を延ばさなくても誘導ラマン信号を大きくすることが可能となることにより、ガス濃度分析の精度を向上させることが可能になる点で有効である。
【００７５】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は上述の構成とすることによって、ポンプ光源として小型のＣＷ光源を使用することが出来るため、耐環境性が向上した小型の装置が可能となる点で有効である。
【００７６】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は上述の構成とすることによって、光源部分（ポンプ光源とプローブ光源）と試料ガスセル部分が、ファイバで分離されている構造になるため、光源部分のみを温度制御しやすくなり、耐環境性が向上する点で有効である。
【００７７】
なお、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、第２の集光手段２６は、この透過光を集光して分光手段２７に出射すると説明したが、特にこれに限定するものではなく、第２の集光手段で集光した光ビームを光検出手段に直接入射させないで光ファイバを介して入射するものでもよく、このような構成であれば、試料ガスセル部分と光検出器部を分離した構造になるため、光源部分のみを温度制御するのと同様に光検出器部を温度制御しやすくなり、耐環境性が向上する点で有効である。
【００７８】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、単一縦モードで発振するプローブ光源またはポンプ光源からのプローブ光またはポンプ光の一方を波長掃引する波長掃引手段を備えるものでもよく、このような構成であれば、外部要因（温度や圧力）で変化する測定対象（試料ガス）のラマンシフト量やラマンスペクトル半値幅を測定してスペクトル解析することにより、ガス濃度以外に外部要因変動も測定可能となる点で有効である。
【００７９】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、試料ガスセル内でのポンプ光とプローブ光の光ビーム偏波面を合わせるために、各光源とＷＤＭ光合波手段の各入力端の間に偏波コントローラが接続されているものでもよい。また偏波コントローラは絶対必要部品ではなく、ポンプ光源とプローブ光源の出力ファイバおよびＷＤＭ光カプラの入出力ファイバが偏波保持ファイバで構成されていれば、偏波コントローラが接続されている必要もない。
【００８０】
＜第２の実施例＞
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置では、ＷＤＭ光合波手段２３は、上述第１の実施例の構成に限定するものではなく、ポンプ光とプローブ光をダイクロイックミラーにより合波させるものでもよい。
以下、この構成を図３を用いて説明する。
【００８１】
図３は図１のＷＤＭ光合波手段のその他の実施例の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図３において、ＷＤＭ光合波手段は、ポンプ光が入射しポンプ光を導光する第１の入力ファイバである光ファイバ２３ａと、プローブ光が入射しプローブ光を導光する第２の入力ファイバである光ファイバ２３ｂと、第１の入力ファイバからのポンプ光を平行光とするレンズなどの光学素子である第１の平行光変換手段と、第２の入力ファイバからのプローブ光を平行光とするレンズなどの光学素子である第２の平行光変換手段と、第１の平行光変換手段により平行光となったポンプ光と第２の平行光変換手段により平行光となったプローブ光を合波するダイクロイックミラー２３ｄと、ダイクロイックミラー２３ｄにより合波された合波光を集光するレンズなどの光学素子である集光手段と、集光レンズにより集光された合波光を導光して測定対象に出射する出力ファイバとを備える。
【００８２】
このような構成で本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、次の（２―１）〜（２−８）の動作を実行する。
（２−１）プローブ光源２１は、プローブ光を光ファイバ２３ａに出射する。
（２−２）光ファイバ２３ａは、プローブ光源２１からのプローブ光を導光して第１の平行光変換手段に出射する。
（２−３）第１の平行光変換手段は、プローブ光を平行光としてダイクロイックミラー２３ｄに照射する。
【００８３】
（２−４）一方、ポンプ光源２２はポンプ光を光ファイバ２３ｂに出射する。
（２−５）光ファイバ２３ｂは、ポンプ光源２２からのポンプ光を導光して第２の平行光変換手段に出射する。
（２−６）第２の平行光変換手段は、プローブ光を平行光としてダイクロイックミラー２３ｄに照射する。
（２−７）ダイクロイックミラー２３ｄは、第１の平行光変換手段により平行光となったポンプ光と第２の平行光変換手段により平行光となったプローブ光を合波する。
（２−８）この合波光はダイクロイックミラー２３ｄを介して第３の集光手段に入射する。第３の集光手段は合波光を集光して光ファイバ２３ｃに出射する。
なお、これ以降の動作は上述（１−８）〜（１−１２）と同様であるので省略する。
【００８４】
このような構成にすることにより、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置のＷＤＭ光合波手段は、ＷＤＭ光合波手段の出力ファイバコア端から出射されるため、光軸角度ズレや位置ズレが無く、光軸調整が容易になることにより、ガス濃度分析の精度を向上させることが可能になる点で有効である。
【００８５】
なお、本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、上述の説明で示した構成に限るものではなく、第１、第２の入力ファイバを介さずに、直接レーザ光源がポンプ光とプローブ光それぞれ第１の平行光変換手段と第２の平行光変換手段に出射するものであってもよい。
【００８６】
＜第３の実施例＞
また本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、試料ガスセル２５を透過した透過光を再び入射光として第１の集光手段に導光して測定対象に複数回照射させる周回透過部を備えるものでもよい。たとえば、誘導ラマン分光ガス分析装置は、ＷＤＭ光合波手段から入射された合波光または試料ガスセル２５を透過した透過光を再び第１の集光手段を介して測定対象に照射する第１の透過光周回手段と、透過光を再び入射光として周回照射手段に導光する導光手段と、第２の集光手段を介して入射された透過光を導光手段または光分岐手段に出射する第２の透過光周回手段とを備えた周回透過部を具備するものでもよい。
以下、この構成を図４を用いて説明する。
【００８７】
図４は本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置が周回透過部を備える場合における実施例の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図４において、本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は主に、図示しないプローブ光源２１、ポンプ光源２２、ＷＤＭ光合波手段２３、周回透過部５０から出射された透過光からポンプ光を除去するラマンフィルタなどの分光手段２７、光検出手段２８、信号処理手段２９および、図４中の試料ガスセル２５を透過した透過光を再び入射光として第１の集光手段に導光して測定対象に複数回照射させる周回透過部５０、試料ガスセル２５とから構成される。
【００８８】
ここで周回透過部５０は主に、複数の光ファイバ５１ａ〜ｄが並列に設けられたファイバアレイ５１と、ファイバアレイ５１からの出射光を集光する集光レンズなどの光学素子からなる第３の集光手段５２と、透過光を集光する集光レンズなどの光学素子からなる第４の集光手段５３と、複数の光ファイバ５４ａ〜ｄが並列に設けられたファイバアレイ５４と、ファイバアレイ５４に設けられた光ファイバ５４ａ〜ｃとファイバアレイ５１に設けられた光ファイバ５１ｂ〜ｄとを相互に連結させる複数の導光手段５５ａ〜ｃから構成される。
【００８９】
第３の集光手段５２は、焦点距離ｆのレンズ等の光学手段であり、試料ガスセル２５の合波光の入力側であって焦点距離２ｆの位置に配置される。また、第４の集光手段５３は、焦点距離ｆのレンズ等の光学手段であり、試料ガスセル２５の透過光の出力側であって焦点距離２ｆの位置に配置される。
すなわち第３の集光手段５２と第４の集光手段５３は、試料ガスセル２５を中心として２ｆの位置に配置されることになる。また第３の集光手段５２と第４の集光手段５３から２ｆの位置にファイバアレイ５１ａ〜ｄとファイバアレイ５４ａ〜ｄの入出力端面が配置される。
【００９０】
このような構成で本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、次の（３―１）〜（３−８）の動作を実行する。なおポンプ光とプローブ光の合波については前記（１−１）〜（１−５）の動作と同様であるため省略する。
（３−１）ＷＤＭ光合波手段は、（必要であれば図示しない光ファイバなどの導光ファイバを介して）合波光を光ファイバ５１ａの一端に入射させる。
【００９１】
（３−２）
ファイバアレイ５１の光ファイバ５１ａは、他端から第３の集光手段５２に合波光を出射する。第３の集光手段５２は合波光を集光して試料ガスセルに照射する。この試料ガスセルからの透過光は第４の集光手段５３に入射される。第４の集光手段５３は透過光を集光してファイバアレイ５４の光ファイバ５４ｄの一端に入射させる。光ファイバ５４ｄは、他端から導光手段５５ａに透過光を出力する。導光手段５５ａは透過光を導光してファイバアレイ５１の光ファイバ５１ｂの一端に入射させる。
【００９２】
（３−３）
ファイバアレイ５１の光ファイバ５１ｂは、他端から第３の集光手段５２に合波光を出射する。第３の集光手段５２は合波光を集光して試料ガスセルに照射する。この試料ガスセルからの透過光は第４の集光手段５３に入射される。第４の集光手段５３は透過光を集光してファイバアレイ５４の光ファイバ５４ｃの一端に入射させる。光ファイバ５４ｃは、他端から導光手段５５ｂに透過光を出力する。導光手段５５ｂは透過光を導光してファイバアレイ５１の光ファイバ５１ｃの一端に入射させる。
【００９３】
（３−４）
ファイバアレイ５１の光ファイバ５１ｃは、他端から第３の集光手段５２に合波光を出射する。第３の集光手段５２は合波光を集光して試料ガスセルに照射する。この試料ガスセルからの透過光は第４の集光手段５３に入射される。第４の集光手段５３は透過光を集光してファイバアレイ５４の光ファイバ５４ｂの一端に入射させる。光ファイバ５４ｂは、他端から導光手段５５ｃに透過光を出力する。導光手段５５ｃは透過光を導光してファイバアレイ５１の光ファイバ５１ｄの一端に入射させる。
【００９４】
（３−５）
ファイバアレイ５１の光ファイバ５１ｄは、他端から第３の集光手段５２に合波光を出射する。第３の集光手段５２は合波光を集光して試料ガスセルに照射する。この試料ガスセルからの透過光は第４の集光手段５３に入射される。第４の集光手段５３は透過光を集光してファイバアレイ５４の光ファイバ５４ａの一端に入射させる。光ファイバ５４ａは、他端から（必要であれば図示しない光ファイバなどの導光ファイバを介して）透過光を分光手段２７に透過光を出力する。
なお、これ以降の動作は上述（１−１０）〜（１−１２）と同様であるので省略する。
【００９５】
いいかえれば、ＷＤＭ光合波手段からの合波光がファイバアレイ５１の光ファイバ５１ａに入力すると、ファイバアレイの光ファイバ５１ａの他端から出射した光ビームは第３の集光手段で試料ガスセル内に集光し、透過光を第４の集光手段でファイバアレイ５４の光ファイバ５４ｄの一端に回転対称で集光することになる。
【００９６】
また光ファイバ５４ｄに入射した透過光を光ファイバ５１ｂに入射させると、光ファイバ５１ｂの他端からの出射光は前述と同様に回転対称で光ファイバ５４ｃの一端に集光する。同様に回転対称が繰り返され、最終的にファイバアレイ５４ａの一端に入力した透過光が出力光となる。
【００９７】
そしてファイバアレイ５４からの出力光は、分光手段に入力され、ポンプ光を除去されたのち、光検出手段に入力してラマン信号強度が測定される。
【００９８】
この結果、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、上述の構成とすることにより、４列のファイバアレイを使用し、試料ガスセル内で４回集光されるので１回の透過光に比較して、約４倍のラマン光強度が得られるため、ガス濃度分析の精度を向上させることが可能になる点で有効である。
また、像倍率が１の光学系であるので、試料ガスセル内で集光される光ビーム径は、ファイバアレイのコア径と等しくなり、集光されたビームの光パワー密度を高くすることができるため、ガス濃度分析の精度を向上させることが可能になる点で有効である。
なお、像倍率１の光学系である必要はないが、集光されたビームの光パワー密度を高くするには、像倍率が小さい方が良い。
【００９９】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、ファイバアレイ５１とファイバアレイ５４の接続方法は上述で説明したものに限るものではなく、その他接続方法でも良い。
【０１００】
また、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、誘導ラマン光強度をより精度良く測定するためには、従来技術でも使用されている光チョッピング手段をポンプ光源出力に追加接続し、ロックインアンプを光検出器出力に追加接続した構成が望ましい。プローブ光としての背景光成分が除去され、誘導ラマン光成分のみが精度良く検出される。
【０１０１】
＜第４の実施例＞
また本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、誘導回転ラマン分光するために、第１集光光学系の前または後に偏光子と１／４波長板（ＱＷＰ：quarter-wave plate）を挿入するものでもよい。
図５は、図１の誘導ラマン分光ガス分析装置の他の実施例の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。図５において第１の集光手段の前（または後）に偏光子６０と１／４波長板６１が配置される。図５の誘導ラマン分光ガス分析装置では、偏光子６０の偏波軸に対して１／４波長板６１の軸を４５度回転させると、試料ガスセル２３に入射する光ビームの偏波は円偏波となる。
なお、第１集光手段を平行光用レンズと集光用レンズに分けて、平行光領域に偏光子６０と１／４波長板６１を配置しても良い。
【０１０２】
＜第５の実施例＞
また本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、ポンプ光源を複数備えるものでもよい。図６は図１の誘導ラマン分光ガス分析装置がポンプ光源を複数備えた実施例の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。
【０１０３】
図６において、本発明の誘導ラマン分光ガス分析装置は、波長の異なるポンプ光源２２とポンプ光源７０およびプローブ光源２１を備え、これらの光源からのポンプ光またはプローブ光が光ファイバなどの導光手段を介して、ＷＤＭ光合波手段の出力ファイバの１つの出射端から異なる波長を含む合波光を出射する。このような構成の場合には、ポンプ光源はどちらか一方の光のみを出力し、同時には出力しない。
【０１０４】
なお、上述の構成である場合には、図６のＷＤＭ光合波手段は、ＡＷＧ（American Wire Gauge）構造、光分散プリズムを使用した空間光結合構造からなるものでもよい。図７は図６のＷＤＭ光合波手段がＡＷＧ構造であるときの構成図や図８は図６のＷＤＭ光合波手段が光分散プリズムを使用した空間光結合構造であるときの構成図である。
【０１０５】
また、ＷＤＭ光合波手段は、その他の光学素子としては、回折格子などを用いるものでもよい。なお図８のポンプ光、プローブ光が入力されるファイバ側（光源側）はファイバアレイ構造が望ましい。
【０１０６】
ここで、図１の誘導ラマン分光ガス分析装置のポンプ光源１台とプローブ光源１台の構成では、誘導ラマンは一種類の試料ガスを測定するだけである。プローブ光源またはポンプ光源の波長を可変させれば、ラマンシフト量が近い異なる試料ガスも測定可能になる場合もあるが、広い波長範囲を可変させると、ＷＤＭ光合波器や光分波器の光学特性が悪くなり、誘導ラマン信号強度の低下やポンプ光除去が不十分になることがありうる。
【０１０７】
これに対して図６の誘導ラマン分光ガス分析装置の構造では、波長の異なるポンプ光源２２とポンプ光源７０を接続しているため、異なる２種類の試料ガスを測定することが可能となる点で有効である。波長の異なるポンプ光源をより多く接続することで、試料ガス数を増やすことができる。例えば、プローブ光源の波長を１２７０ｎｍにすると、ポンプ光源の波長が８３１．３ｎｍでＨ２ガス、９８０ｎｍでＮ２ガス、１０６０．６ｎｍでＯ２ガスに対応することが可能になり、３種類のガスの誘導ラマン信号が得られる。
【０１０８】
＜第６の実施例＞
また本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置は、試料料ガスセルへのポンプ光とプローブ光の入射方向を対向型とするものでもよい。
図９は、本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置の試料料ガスセルへのポンプ光とプローブ光の入射方向を対向型にした実施例の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。
【０１０９】
図９において、試料料ガスセルへのポンプ光とプローブ光の入射方向を対向型とする構成では、ポンプ光とプローブ光が同一コア端からは出射しなくなるが、プローブ光源からのファイバ出射光をＷＤＭカプラのファイバ端に結合すれば、必然的にポンプ光の光軸とプローブ光の光軸が一致する。そのため、入射方向を対向型にしても光軸調整は容易である。
【０１１０】
この結果、本実施例では、ポンプ光とプローブ光の進行方向が反対になるので、光検出器にはポンプ光が入射し難い構成であり、光分波器の性能が若干低くても良い利点がある。
【０１１１】
また本発明に係る誘導ラマン分光ガス分析装置では、ＷＤＭ光合波手段の出力ファイバコア端から出射されるため、光軸角度ズレや位置ズレが無く、光軸調整が容易になる導ラマン分光ガス分析装置が実現できる。
【符号の説明】
【０１１２】
２１ プローブ光源
２２、７０ ポンプ光源
２３ ＷＤＭ光合波手段
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ 光ファイバ
２３ｄ、７１、７２ ダイクロイックミラー
２４ 第１の集光手段
２５ 試料ガスセル
２６ 第２の集光手段
２７ 分光手段
２８ 光検出手段
２９ 信号処理手段
５０ 周回透過部
５１、５４ ファイバアレイ
５１ａ、ｂ、ｃ、ｄ 光ファイバ
５４ａ、ｂ、ｃ、ｄ 光ファイバ
５２ 第３の集光手段
５３ 第４の集光手段
５５ａ、ｂ、ｃ 導光手段
６０ 偏光子
６１ １／４波長板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ光とプローブ光を測定対象に入射させ、誘導ラマン利得または損失スペクトルを測定する誘導ラマン分光誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記ポンプ光と前記プローブ光とを合波してファイバから前記測定対象に出射するＷＤＭ光合波手段と、
前記ＷＤＭ光合波手段から出射される前記合波光を集光して前記測定対象に入射させる第１の集光手段と、
前記測定対象を透過した透過光を集光して前記分光手段に入射させる第２の集光手段と、
前記透過光からポンプ光を除去する分光手段と、
前記分光手段から出射されるポンプ光が除去された前記透過光の強度を測定し前記測定対象を分析する分析部と、
を備えたことを特徴とする誘導ラマン分光ガス分析装置。
【請求項２】
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光が入射し前記ポンプ光を導光する第１の入力ファイバと、
前記プローブ光が入射し前記プローブ光を導光する第２の入力ファイバと、
一端が前記第１および第２の入力ファイバの前記各光の出射端と接続され、前記第１の入力ファイバにより導光された前記ポンプ光と前記第２の入力ファイバにより導光された前記プローブ光を合波し、この合波光を他端から出力する前記出力ファイバと、を備えたことを特徴とする請求項１記載の誘導ラマン分光ガス分析装置。
【請求項３】
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光を平行光とする第１の平行光変換手段と、
前記プローブ光を平行光とする第２の平行光変換手段と、
前記第１の平行光変換手段により平行光となった前記ポンプ光と前記第２の平行光変換手段により平行光となった前記プローブ光を合波するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーにより合波された合波光を集光する第３の集光手段と、
前記集光レンズにより集光された合波光を導光して前記測定対象に出射する出力ファイバと、を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の誘導ラマン分光ガス分析装置。
【請求項４】
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光が入射し前記ポンプ光を導光する第１の入力ファイバと、
前記プローブ光が入射し前記プローブ光を導光する第２の入力ファイバと、
前記第１の入力ファイバからの前記ポンプ光を平行光とする第１の平行光変換手段と、
前記第２の入力ファイバからの前記プローブ光を平行光とする第２の平行光変換手段と、
前記第１の平行光変換手段により平行光となった前記ポンプ光と前記第２の平行光変換手段により平行光となった前記プローブ光を合波するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーにより合波された合波光を集光する第３の集光手段と、
前記集光レンズにより集光された合波光を導光して前記測定対象に出射する出力ファイバと、を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の誘導ラマン分光ガス分析装置。
【請求項５】
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光が入射し前記ポンプ光を導光する第１の入力ファイバと、
前記プローブ光が入射し前記プローブ光を導光する第２の入力ファイバと、
前記第１の入力ファイバからの前記ポンプ光と前記第２の入力ファイバからの前記プローブ光を平行光とする平行光変換手段と、
前記平行光変換手段により平行光となった前記ポンプ光と前記プローブ光を屈折させて合波させる光学素子と、
を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の誘導ラマン分光ガス分析装置。
【請求項６】
前記透過光を入射光として前記第１の集光手段に導光して前記測定対象に複数回照射させる周回透過部を備え、
前記周回透過部は、
前記ＷＤＭ光合波手段から入射された合波光または前記透過光を前記第１の集光手段を介して前記測定対象に照射する第１の透過光周回手段と、前記透過光を入射光として前記周回照射手段に導光する導光手段と、前記第２の集光手段を介して入射された前記透過光を前記導光手段または前記光分岐手段に出射する第２の透過光周回手段と、を具備することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の誘導ラマン分光ガス分析装置。
【請求項１】
ポンプ光とプローブ光を測定対象に入射させ、誘導ラマン利得または損失スペクトルを測定する誘導ラマン分光誘導ラマン分光ガス分析装置において、
前記ポンプ光と前記プローブ光とを合波してファイバから前記測定対象に出射するＷＤＭ光合波手段と、
前記ＷＤＭ光合波手段から出射される前記合波光を集光して前記測定対象に入射させる第１の集光手段と、
前記測定対象を透過した透過光を集光して前記分光手段に入射させる第２の集光手段と、
前記透過光からポンプ光を除去する分光手段と、
前記分光手段から出射されるポンプ光が除去された前記透過光の強度を測定し前記測定対象を分析する分析部と、
を備えたことを特徴とする誘導ラマン分光ガス分析装置。
【請求項２】
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光が入射し前記ポンプ光を導光する第１の入力ファイバと、
前記プローブ光が入射し前記プローブ光を導光する第２の入力ファイバと、
一端が前記第１および第２の入力ファイバの前記各光の出射端と接続され、前記第１の入力ファイバにより導光された前記ポンプ光と前記第２の入力ファイバにより導光された前記プローブ光を合波し、この合波光を他端から出力する前記出力ファイバと、を備えたことを特徴とする請求項１記載の誘導ラマン分光ガス分析装置。
【請求項３】
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光を平行光とする第１の平行光変換手段と、
前記プローブ光を平行光とする第２の平行光変換手段と、
前記第１の平行光変換手段により平行光となった前記ポンプ光と前記第２の平行光変換手段により平行光となった前記プローブ光を合波するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーにより合波された合波光を集光する第３の集光手段と、
前記集光レンズにより集光された合波光を導光して前記測定対象に出射する出力ファイバと、を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の誘導ラマン分光ガス分析装置。
【請求項４】
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光が入射し前記ポンプ光を導光する第１の入力ファイバと、
前記プローブ光が入射し前記プローブ光を導光する第２の入力ファイバと、
前記第１の入力ファイバからの前記ポンプ光を平行光とする第１の平行光変換手段と、
前記第２の入力ファイバからの前記プローブ光を平行光とする第２の平行光変換手段と、
前記第１の平行光変換手段により平行光となった前記ポンプ光と前記第２の平行光変換手段により平行光となった前記プローブ光を合波するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーにより合波された合波光を集光する第３の集光手段と、
前記集光レンズにより集光された合波光を導光して前記測定対象に出射する出力ファイバと、を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の誘導ラマン分光ガス分析装置。
【請求項５】
前記ＷＤＭ光合波手段は、
前記ポンプ光が入射し前記ポンプ光を導光する第１の入力ファイバと、
前記プローブ光が入射し前記プローブ光を導光する第２の入力ファイバと、
前記第１の入力ファイバからの前記ポンプ光と前記第２の入力ファイバからの前記プローブ光を平行光とする平行光変換手段と、
前記平行光変換手段により平行光となった前記ポンプ光と前記プローブ光を屈折させて合波させる光学素子と、
を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の誘導ラマン分光ガス分析装置。
【請求項６】
前記透過光を入射光として前記第１の集光手段に導光して前記測定対象に複数回照射させる周回透過部を備え、
前記周回透過部は、
前記ＷＤＭ光合波手段から入射された合波光または前記透過光を前記第１の集光手段を介して前記測定対象に照射する第１の透過光周回手段と、前記透過光を入射光として前記周回照射手段に導光する導光手段と、前記第２の集光手段を介して入射された前記透過光を前記導光手段または前記光分岐手段に出射する第２の透過光周回手段と、を具備することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の誘導ラマン分光ガス分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１０６９９０（Ｐ２０１１−１０６９９０Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６２９４４（Ｐ２００９−２６２９４４）
【出願日】平成２１年１１月１８日（２００９．１１．１８）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１８日（２００９．１１．１８）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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