JPH03200026A - カース参照光計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、各種のバーナやエンジン筒内等の燃焼ガス等
のガス温度測定に適用されるカース（コヒーレント・非
ストークス・ラマン拡散；以下ＣＡＲ８という）参照光
計測装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置を第５図に示す。

第５図において、エキシマレーザｌから発振されたレー
ザ光２はハーフミラ−３と全反射ミラー４に工り二つに
分割され、そ扛ぞれ色素レーザ５゜６を励起し、それぞ
れ異なる波数今、町のレーザ光を発振させる。

ここで、波数Ｗ、のレーザ光をボンピング光７゜波数Ｗ
ｓのレーザ光をストークス光８と呼ぶ。

ストークス光８の波数Ｗｓハ、ポンプ光７の波数ｗｐと
の波数の差’！１；ｌｐ　−’Ｉａｓが、計測したい気
体分子（こ＼では窒素分子）の振動エネルギ準位差（基
底準位と第一励起準位のエネルギの差）に等しくなるＬ
うに調整されている。

上記ポンピング光７とストークス光８Ｆｉ、％定の波数
の光のみ反射し、それ以外の波数の光は通過させるダイ
クロイックミラー９と全反射ミラー１０にエリ、一つに
合成され、レンズ１１により計測点１２に集光される。

上記計測点工２を含む空間をテストセクション１３と呼
ぶ。

くなるように調整されているため、そこに存在する気体
分子により第３の光であるＣａＨ２光が発生し、このＣ
ａＨ２光は他の２つのレーザ光７゜８と共にレンズ１４
により平行光となシ、ダイクロイックミラー１５により
、反射される光１６と透過するレーザ光７，８とに分離
される。

上記ダイクロｔイ・ツクミラー１５により反射され九光
１６には、ＣａＨ８光とごくわずかのレーザ光７．８が
残っており、更に、ダイクロイックミラー１５ａを使用
して、ＣａＨ２光とレーザ光を分離する。

この分離され７ＩｃＣＡＲ８光１８はレンズ１９ｔ−通
して光ファイバ２０の一端に入射され、入射口より離れ
た場所にある上記光ファイバ２０の他端より出射したＣ
ＡＲ８ｔ１８はレンズ２１により分光器２２に導ひかれ
る。

分光器で分光されたＣａＨ２光は、光電変換器２３で電
圧に変換され、信号処理器２４によりスペクトル波形が
得られる。

このスペクトル波形には、レーザ光の波長特性や受光側
の感度特性が含まれているので、それらを補正する必賛
があり、その友めにＡｒガスからの非共鳴ＣａＢ６光が
補正用の参照光として用いられる。

このＣａＨ２光の補正に用いる参照光を得るため、両端
がガラス窓２５．２６となっている密封容器２７に、単
一原子による分子でめり撮動エネルギを持たず非共鳴Ｃ
ａＢ６光を発生するＡｒガスを封入し、この容器をテス
トセクションに挿入設置し、同様にスペクトル波形を得
、ＣａＨ２光と参照光の強度比をとることにより正確な
ＣＡＲＳスペクトラムが得られる。

このようにして得られ友スペクトル波形は第４図に示す
ものでめり、これをあらかじめ理論計算した第３閣に示
すスペクトル波形と順次比較し、最も良Ａ一致を見た理
論スペクトルの温度から計測点の温度が求められる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の装峙において用いる大気圧程度のＡｒガスに
よりつくられる参照光は、計測したい気体分子のＣＡ　
ＲＳ光に比べて強度が小さいため、容器に封入するＡｒ
ガスの圧力を高めたり、レーザ光の出力を大きくするこ
とで強度を大きくしているが、エネルギー強度が大きく
なりすぎて容器内部でＡｒガスが絶縁破壊をおこし放電
現象を発生して雑音を生じたり、窓ガラスに傷をつける
ことがあった。

ま友、計測の対象となる供試体の構造によっては、テス
トセクションにＡｒガスを封入し定容器を挿入設置でき
なかったり、Ａｒガスを加圧密封して使えないことが多
かった。

本発明は上記の課題を解決しようとするものである。

［ａ題を解決するための手段〕 本発明のＣＡＲ８参照光計測装置は、２種類の波数が異
なるレーザ光を発生させ、上記２つのレーザ光の波数差
を計測する気体分子の振動エネルギ準位差に合わせて上
記気体が存在する空間に集光しＣａＨ２光を発生させ、
同ＣＡＲ８光を含む光をダイクロイックミラーに入射し
てＣａＨ２光を分離し、同ＣＡＲ８光を光ファイバ、分
光器をｙ’ｉ　Ｌ／て光電変換器に入射し、光電変換さ
れ友電気信号を信号処理器に入力して気体分子ＣａＨ８
光をスペクトル解析し、スペクトル波形の違いから光７
アイパに入射される中害零略光の光路に出し入れ可能に
設けられたグイクロイックフィルタ、上記２つのレーザ
光が集光される空間にＡｒガスを吐出する手段を備え几
ことを特徴としている。

〔作用〕

上記において、気体分子より発生するＣＡＲ３光全測定
する場合は、グイクロイックフィルタを光路に挿入した
状態として、気体分子が存在する空間に２つのレーザを
集光してＣＡＲＳ光を発生させ、ダイクロイックミラー
がＣＡＲＳ光を反射分離し、同ＣＡＲ８光は更にグイク
ロイックフィルタにエリ残ったわずかのレーザ光が除去
され几後、光ファイバ、分光器、光電変換器１！ｒ：経
て電気信号に変換され、信号処理器によりスペクトル波
形が得られる。

次に、参照光を得る場合には、上記グイクロイックフィ
ルタは光路から取り除かれ、また、２つのレーザ光が集
光さｎる空間にはＡｒガスが吐出され上記気体分子はパ
ージされた状態とする。

上記の状態で、２つのレーザ光が入射した空間では、Ａ
ｒガスにより非共鳴ＣＡＲＳ光が発生し、ダイクロイッ
クミラーがわずかのレーザ光を含んだ非共鳴ＣＡＲＳ光
を反射して光ファイバに入射する。

上記わずかのレーザ光が光ファイバの端面に入射するこ
とにより強度の大きい非共鳴ＣＡＲＳ光が得られ、この
非共鳴ＣＡＲＳ光は分光器を介して光電変換器に入射さ
ル、電気信号に変換され、信号処理器により参照光であ
る非共鳴ＣＡＲＳ光のスペクトル波形が得られる。

上記ＣＡＲＳ光は参照光により補正され、気体分子の温
度が計測されるが、上記参照光は気体分子がＡｒガスに
よりパージされているためＣＡＲＳ光を含まず、またレ
ーザ光が入射された光ファイバの端面に工す強度の大き
い非共鳴ＣＡＲＳ光が得られるため、参照光により補正
さｎたＣＡＲＳスペクトラムはより正確なものとなり、
高い精度の気体温度が得られる。

上記により、従来の装置にて使用していたＡＩ・ガスの
密封容器は不要となるため、その絶縁破壊や破損の恐れ
がなくなり、上記容器が挿入できなｌＡ場所での計測も
可能となり、また強度が大きくノイズの少ない参照光が
得られるため、気体の温度計測の精度を高めることが可
能となった。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図に示す。

第１図に示す本実施例はエキシマレーザ１より出力され
たレーザ光２がハーフミラ−３に入光し、同ハーフミラ
−３は上記レーザ光２の一部を反射し残りを透過し、反
射したレーザ光は色素レーザ５を介してダイクロイック
ミラー９に入光し、反射され、透過したレーザ光は全反
射ミラー４により反射して色素レーザ６に入光し、同色
素レーザ６はストークス光８を出力して全反射ミラー１
０に入光し反射され、同全反射ミラー１０により反射さ
れたストークス光８は上記ダイクロイックミラ＝９を透
過し、上記ダイクロイックミラー９１Ｃより反射された
ボンピング光７と合成され、レンズ１１、を介してテス
トセクション１３の計測点１２に集光され計測される窒
素ガスがＣＡＲＳ光を発生し、同ＣＡＲ８光はレーザ光
と共にレンズ１４を介してダイクロイックミラー１５ｉ
Ｃ入光し、同ダイクロイックミラー１５は大部分のレー
ザ光を透過して１部のレーザ光とＣＡＲＳ光よりなる光
１、６　ｆ反射し、同反射された光１６はレンズ１９゜
光ファイバ２０．レンズ２１’を介して分光器２２に入
力され、光重変換器２３Ｖｃｊり電気信号に変換されて
信号処理器２４に入力されるＣＡＲ８参照光計測装置に
おいて、上記ダイクロイックミラー＋５により反射され
７’ＣＣＡＲ８光と１部のレーザ光エリなる光１６の光
路に出し入れされるダイクロイ・ンクフイルり１７、お
工び上ｄ己テストセクション１３に設けら７ＬＡｒガス
１３ｂｉ噴出するＡｒガス；臂射ノズル１３ａを備えて
いる。

本実施例においては、９素ガス分子エリ発生するＣＡＲ
Ｓ−１’ｅを６川定する場合、ＣＡＲＳ光と２つのレー
ザ光がダイクロイックミラー１５にエリ反射、壕ｆｃ）
ま透過さｎるまでは従来と同様のため、その作用の説明
全省略する。

上記において、ＣＡＲＳ光を測定する場合、ダイクロイ
ックミラー１５より反射されたＣＡＲＳ光とごくわずか
のレーザ光エリなる光１６は、光路に直角に設けたグイ
クロイックフィルタ１７に入光し、ＣＡＲＳ光にフィル
タを透過し、レーザ光は反射され除去される。

上記分離され７’ｃＣＡＲ８光１８は従来と同様にレン
ズ１９．２１と光ファイバ２０に工υ分光器２２＃Ｃ導
かれ、光電変換器２３によシ光電変換され信号処理器２
４に１クスベクトル波形が得られる。

次に参照光を得る場合には、色素レーザ５，６がそれぞ
れ出力したボンピング光７とストークス光８が集光され
る計測点１２のあるテストセクション１３１ｄ、Ａｒガ
ス噴射ノズル１３ａよりＡｒガスエ３ｂが噴射され、計
測したい窒素ガス分子がパージされてＡ、ガス１３ｂ雰
囲気とされ、グイクロイックフィルタ１７ｒｔ光路工り
除かれる。

上記計測点１２にボンピング光７とストークス光８が集
光されると％　Ａｒガス１３ｂ１７Ｃ，Ｃり非共鳴ＣＡ
Ｒ８光が発生し、このＣＡＲ８光と２つのレーザ光はレ
ンズ１４乞介してダイクロイックミラー１５に入射し、
反射される光１６と透過するレーザ光７，８に分離され
る。上記ダイクロイックミラー１５に１９反射さｎた光
１６には、わずかのレーザ光７，８が残っており、この
レーザ光はレンズ１９を介して端面２０ａに集光され、
光７アイバ２０に入射する。

上記レーザ光７，８が光ファイバ２０に入射した場合、
発生する非共鳴ＣＡＲ８光は分子の密度の二乗に比例す
るため、上記レーザ光はガスに比べて密度が非常に大き
い光７アイバ２（１）端面２０ａＶＣ工り非共鳴ＣＡＲ
８光を発生し、分光器２２に導かれ、光電変換器２３に
より光電変換され信号処理器２４により参照光のスペク
トル波形が得られる。

上記計測点ｒ２Ｖｃおいては、Ａｒガス１３ｂｌＣよっ
て計測じたい窒素ガスが完全にパージされる定め、計測
したい窒素ガス分子のＣＡＲ３光を含まない参照光が得
られ、また光ファイバ２０の端面２０ａに集光されたレ
ーザ光は光ファイバ２０により非共鳴ＣＡＲ８光を発生
するため、参照光の強度は第２図に示すように従来の装
Ｔｌ１ｔＴ／ｃ比べ大幅に高められる。

上記参照光は、計測したい気体分子より発生するＣＡＲ
８光を含まず、強度が大きい友め、ＣＡＲ８光との強度
比をとることに工って得られる波長特性や感度特性が補
正されたＣＡＲＳスペクトラムはより正確なものとなり
、理論スペクトル波形との比較によって計測点１２の温
度は高い精度のものが得られる。

上記に工す、従来の装置にて使用して５几Ａ１ガスの密
封容器が不要となるため、その絶縁破壊や破損の恐れが
なくなり、上記容器が挿入できない場所での計測も可能
となり、また強度が大きくノイズの少なめ参照光が得ら
れるｔめ、温度計測の精度を旨めることが可能となった
。

〔発明の効果〕

本発明のＣＡＲ８参照光計測装置は、参照光を得る場合
、２つのレーザ光が集光される空間はＡｒガスによりパ
ージされ、同空間からの光を入射したダイクロイックミ
ラーの反射光の光路に設けられたダイクロイックフィル
タを取シ除き、わずかのレーザ光を光ファイバの端面に
入射非共鳴ＣＡＲ８光を発生させることによって、従来
の装置にて使用してい′ｆｃＡｒガスの密封容器は不要
となる几め、そのｅ縁破壊や破損の恐れがなくなり、上
記容器が挿入できない場所での計測も可能となり、また
強度が大きくノイズの少ない参照光が得られるため、気
体の温度計測の精度を高めることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１南は本発明の一実施例の説明図、第２図は上記一実
施例による参照光の従来の装置によるものとの比較図、
第３図は理論計算により得られ念スペクトル図、第４図
は実験に↓つて得らＡたＮ。 ガスＣＡＲＳスペクトル四、第５図は従来の装置の説明
図である。 １・・・エキシマレーザ、　　２・・・エキシマレーザ
光、３・・・ハーフミラ−１４・−・全反射ミラー５・
・・色素レーザ、　　６・・・色素レーザ、７・・・ボ
ンピング光、　　８・・・ストークス光、９・・・ダイ
クロイックミラー ｌＯ・・・全反射ミラー　　Ｊｌ・・・レンズ１１２・
・・ｉ　１１１点、　　１３・・・テストセクション、
１３ａ・・・Ａｒガス噴射ノズル、　１３ｂ・・・Ａｒ
ガス１４・・・レンズ、　　１５・・・ダイクロイツク
ミラーｌ６ り、 ０ １ ３ ・・・反射光、　　１７・・・ダイクロイックフィル１
８・・・ＣＡＲ８光、　　工９・・・レンズ、・・・光
７アイパ、　　２０ａ・・・端面、・・・レンズ、　　
２２・・・分光器、・・・光電変換器、　２４・・・信
号処理器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２種類の波数が異なるレーザ光を発生させ、上記２つの
   レーザ光の波数差を計測する気体分子の振動エネルギ準
   位差に合わせて上記気体が存在する空間に集光しカース
   光を発生させ、同カース光を含む光をダイクロイックミ
   ラーに入射してカース光を分離し、同カース光を光ファ
   イバ、分光器を介して光電変換器に入射し、光電変換さ
   れた電気信号を信号処理器に入力して気体分子カース光
   をスペクトル解析し、スペクトル波形の違いから気体温
   度を計測するカース参照光計測装置において、上記ダイ
   クロイックミラーにより反射され光ファイバに入射され
   る光の光路に出し入れ可能に設けられたダイクロイック
   フィルタ、上記２つのレーザ光が集光される空間にアル
   ゴンガスを吐出する手段を備えたことを特徴とするカー
   ス参照光計測装置。