JPH0610636B2

JPH0610636B2 - 気体の分光装置

Info

Publication number: JPH0610636B2
Application number: JP1872485A
Authority: JP
Inventors: 弘明田中; 孝植木; 秀男田井; 俊彦芳野
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1985-02-04
Filing date: 1985-02-04
Publication date: 1994-02-09
Anticipated expiration: 2009-02-09
Also published as: JPS61178622A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は光ファイバーのエバネッシェント波を用いて気
体分子の分光を行う気体の分光装置に関する。

（従来技術）従来、光の波動としての性質のうち、強度、位相、偏波
などの変化を利用して圧力や振動、加速度、あるいは電
圧、電流、磁界などの電磁気量を検出したり、光の波長
に関する情報を利用して物質の種類や濃度などの化学量
を検出する光ファイバーセンサが知られている。光ファ
イバーセンサは、試料が遠方にある遠隔計測や試料を採
取することができない状況下での計測などに便利であ
り、工業計測、公害監視、医用など広い分野に利用され
ている。

光ファイバーを用いた分光センサを例にとってみると、
この種の分光センサは、第１１図に示すように、発光源
としてのレーザ（波長λ_１，λ_２）１と、発光されたレ
ーザ光を伝送する光ファイバー２と、遠隔の観測地点に
置かれる観測用セル３と、光強度を検出する分光器およ
び光検出器４と、光出力を増幅する増幅器５と、光出力
を信号処理する信号処理回路６とから構成されている。

いま検出したい気体の吸収スペクトルが第１２図に示す
ようなものであるとすると、レーザ１の発光波長をλ_１
とすれば、観測用セル３では波長λ_１での光吸収が極大
となるので、光検出器４における光出力の減衰から観測
用セル３が設置された場所でのその気体の存在と濃度と
が観測できる。

ところがこのような光ファイバー分光センサにおいて
は、観測用セル３自体が構造上かなり大きなものでその
設置場所や設置状態に制約があり、またセル内部でレー
ザ光を一旦放射させ何回か反射させながら観測気体中に
通し、再び収斂させて分光器および光検出器４に導くの
で、光損失が生ずるほかに、レーザ光の径を小さく収斂
させるための光学系の調整が困難で、その後の保守も楽
でない。またこのような分光センサを用いて遠隔の複数
の観測地点を含む広域の分光を行おうとすると、観測地
点ごとに観測用セルを設置しなければならず、上述した
調整や保守の問題は一層大変である。そこで観測用セル
内のレーザ光収斂用光学系の調整を楽にするためには、
分光器および光検出器への光ファイバーを径の大きい束
状のものとすることが考えられるが、極めて高価にな
る。

（発明の目的および構成）ところが、光ファイバー１０は、第１３図に示すよう
に、コア１１の周囲をコアの屈折率よりやや小さい屈折
率のクラッド１２で包んだものから成り、光がコア１１
内をクラッド１２で全反射しながら伝搬するものである
が、光の伝搬の様子を波動光学的に分析してみると、伝
搬光の一部がクラッド１２内に浸み出していることがわ
かり、この浸み出し波はエバネッシェント波（Evanesce
nt Wave）Ｗとして知られている。このエバネッシェン
ト波の浸み出しの様子は伝搬する光の波長、コアの径、
コアとクラッドの屈折率、光の伝搬モードなどにより決
まる。

そこでこのエバネッシェント波に着目し、コアとクラッ
ドからなる光ファイバーの一部にエバネッシェント波が
露呈し易い部分を形成し、その光ファイバーに入射させ
た光の特定波長成分が物質によるエバネッシェント波の
吸収により減衰することを利用してその物質の分光測定
を行なう方法は、特開昭５７−１２４２３９号や特表昭
５８−５０１４８１号などで知られている。上記文献に
記載されたものはいずれも気体に適用されたものではな
く、コアをクラッドで包んで成る光ファイバーのクラッ
ドを除去してコアを露呈させて検出対象となる生体や溶
液の検出部を形成しているが、光ファイバーにレーザー
光を通すと、この検出部での光の散乱が大きくなり、気
体、特に濃度や成分比の小さい気体の分光に適用したと
き満足な結果が得られないという問題がある。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、レーザ
光収斂用光学系の調整の煩わしさがなく、光損失が小さ
く、広域での分光が簡単にできるとともに検出部での光
の散乱が小さい気体の分光装置を提供することを目的と
し、この目的を達成するために、光ファイバーの気体検
出部を、光ファイバーのコアを該コアの周囲を包むクラ
ッドとともにテーパ状に減径させて形成したものであ
る。

（実施例）以下に本発明を詳細に説明する。

本発明による気体の分光装置においては光ファイバーの
エバネッシェント波を用いるので、エバネッシェント波
の影響が大気中に大きく及ぶように光ファイバーを作る
必要があり、その製造法として次のような方法が考えら
れる。

（１）研磨法第２図に示すように、ガラス基板１５にある曲率の溝１
５ａを形成し、この溝１５ａに沿って光ファイバー１６
を挿入して固定し、ガラス基板１５とともに光フイバー
１６のコア１６ａが露呈するまでクラッド１６ｂを研磨
する。こうすると、光ファイバー１６の部分Ａでエバネ
ッシェント波Ｗが大気中に現われる。

（２）エッチング法第３図に示すように、フッ酸系のエッチング液により光
フイバー１６のクラッド１６ｂをコア１６ａに達する程
度にまで除去する。こうすると、光ファイバー１６の部
分Ａでエバネッシェント波Ｗが大気中に現われる。

（３）延伸法第４図に示すように、光ファイバー１６をマイクロトー
チにより局部的に加熱してテーパ状の延伸を行なう。こ
うすると光ファイバー１６のテーパ部分Ａでエバネッシ
ェント波Ｗが大気中に現われる。

第５図は特に本発明の気体の分光装置に用いるのに適し
た光ファイバーで、従来知られている光ファイバーのコ
アとクラッドとを逆にし、芯部をクラッド１７として機
械的強度を高めその周囲にコア１８を配した環状コア構
造の光ファイバーである。このような構造の光ファイバ
ーのコア１８に光を入射させると、図示したようにエバ
ネッシェント波Ｗの影響が強く大気中に現われ、光ファ
イバーの全長にわたって検出が可能になる。この環状コ
ア構造の光ファイバーのコア１８の厚みを伝搬する光の
波長程度とするのが好ましい。

第１図は本発明による気体の分光装置の概略線図であ
る。

図において２０は白色光を発光する白色光源、２１は光
ファイバーで、その一部２１ａが検出部である。検出部
２１ａは上述した（１），（２）または（３）の方法で
クラッドを除去または極めて薄くしてエバネッシェント
波が大気中に現われ易いようにしてあり、ある特定の波
長λ_１の光を吸収し易い被検出気体の存在する観測地点
Ｂ（破線丸印で示す）に位置するようにする。２２は検
出部２１ａを通過した光のスペクトルを分析する分光
器、２３は分光器２２の出力を処理する信号処理回路で
ある。

白色光源２０は図示したように広い波長領域にわたって
ほぼ均一な光強度を有するが、このような光強度の白色
光を光ファイバー２１に送り込むと、検出部２１ａでそ
のエバネッシェント波が大気中に現われ、観測地点Ｂに
存在する気体に一部吸収される。その結果分光器２２で
検出される光出力のスペクトル特性は図示したように波
長λ_１で極小値を有するようになる。信号処理回路２３
ではこの吸収された光成分とその気体に吸収されない波
長λ_２の光成分との差分法により気体の濃度を検出する
ことができる。

気体に吸収され易い光の波長は各気体に固有であり、代
表的な気体について例示すると真空中では次のようにな
る。

メタンＣＨ_４３．３９２μｍ一酸化炭素ＣＯ４．６６６μｍ二酸化炭素ＣＯ_２４．２５７μｍアセチレンＣ_２Ｈ_２３．０３０μｍそこで光源の波長を予め定めればその波長の光を吸収す
る気体の有無やその濃度を光出力の低下により検出する
ことができる。

また光ファイバー２１の検出部２１ａをジグザグ状にし
たりコイル状に巻いたりして長くすることにより検出感
度を高めることができる。また、検出しにくい観測地点
では検出部２１ａの形状を都合のよいように変えること
により分光が容易にできる。一例として、本発明による
気体の分光装置を用いてメタンガスの濃度検出の実験を
行った。第６図はこの実験に用いた光学系を示す。

メタンガスに吸収され易い光の波長は真空中では3.3922
μｍであることが知られているので、この波長のレーザ
光を発光するHe-Neレーザ２５と、レーザ光を特定の周
波数（たとえば２７５Hz）で変調するための光チョッパ
ー２６と、可視光（赤色光）である０．６３μｍレーザ
光を発光する基準用He-Neレーザ２７と、ハーフミラー
ＨＭおよびミラーＭを図のように配置し、さらにビーム
集光用の赤外用レンズ２８を介して光ファイバー３０を
配置した。光ファイバー３０には外径が１２５μｍ（コ
ア径５０μｍ）のグレーデッド形マルチモードファイバ
ーを用い、一部を延伸法により平均約７μｍ径にまで引
き延ばして検出部３０ａとした。検出部３０ａの長さは
約１０mmとした。光ファイバー３０の出力側にはビーム
集光用の赤外用レンズ２９を配置し、赤外用レンズ２９
の光軸上に、ハーフミラーＨＭを配置し、ハーフミラー
ＨＭで反射された可視光は可視センサ３１を介してアン
プ３２に、またハーフミラーＨＭを透過した赤外光はIn
As赤外センサ３３を介してプリアンプ３４，さらにロッ
クインアンプ３５に送られる。３６は分光結果を記録す
るレコーダ、３７はメタンガス（ＣＨ_４）のタンク、３
８は窒素ガス（Ｎ_２）のタンク、３９は両ガスの混合
器、４０は変調用周波数（たとえば２７５Ｈｚ）のパル
スを発生するパルス発生器である。タンク３７，３８か
ら混合器３９を介して光ファイバー３０の検出部３０ａ
にメタンガスＣＨ_４１００％，８０％，６０％，４０
％，２０％を含む混合ガスと窒素ガスＮ_２１００％とを
交互にふきかけたときのレコーダ３６の記録結果は第７
図に示すようになる。この図からわかるように、窒素ガ
スＮ_２を吹きかけたときは出力の低下はほとんどない
が、メタンガスＣＨ_４を吹きかけたときは出力が低下す
る。これは波長3.3922μｍの光のエバネッシェント波が
窒素ガスには吸収されないがメタンガスには吸収される
ことを示しており、しかもメタンガスの含有率を１００
％から２０％まで２０％ごとに減少していくと出力低下
も減少していくことがわかる。

第８図は第７図の結果からメタンガスの含有率に対する
光出力の減少率をプロットしたもので、この図から、メ
タンガスの含有率と光吸収率がほぼ比例関係にあること
がわかる。図において、Poはメタンがないときの光出
力、Ｐはメタンの各含有率に対する光出力である。

第６図に示した分光装置の実施例は単一気体の濃度検出
の例であるが、複数気体の場合も同様で、各気体に固有
の波長で出力低下が生ずる。

また、レーザ光源としては上述したような広い波長にわ
たって均一の光強度を有する白色レーザ光を発光するも
ののほかに、特定の波長光のみを発光するレーザ光源を
用いることもできる。また発光源の発光波長を切り換え
るようにして複数の異なる気体濃度を検出するようにし
てもよい。

第９図は本発明による気体の分光装置の他の実施例を示
す。図中、第１図と同じ参照数字は同じ構成部分を示
す。

この実施例ではレーザ光源として任意の気体分子に吸収
される波長のパルス光を発光するパルスレーザ光源４０
を用い、パルス光を光ファイバー２１に入射する。入射
したパルス光はファイバー各部で後方レーリー散乱され
るが、気体分子が存在すると強く吸収されてレーリー散
乱光が減少するので、赤外センサ４１を介して信号処理
回路４２によりその光強度をパルス光入射時からの時間
遅れに対応して観測すると第１０図のような結果が得ら
れる。この図において、後方レーリー散乱光の強度が急
激に低下する位置Ｄで気体分子による光の吸収があった
と考えられる。

そこで、パルス光の入射時から後方レーリー散乱光の光
強度が急激に低下するまでの時間をｔとすると、パルス
レーザ光源４０の位置から気体分子の分布している位置
までの距離ｌは次の式から求めることができる。

ｌ＝ｔＣ／２Ｃ：ファイバー中の光速パルスレーザ光源４０の発光波長を切り換えるか波長の
異なるパルスレーザ光を発光するパルスレーザ光源を用
意しそれらを順次切り換えることにより第１０図に示す
ような特性をいくつかの異なる波長について求めれば、
その波長の光を吸収する気体分子の存在とその濃度を求
めることができるので、広域での分光ができる。

（発明の効果）以上説明したように、本発明においては、光ファイバー
の少なくとも一部にエバネッシェント波が露呈し易い気
体検出部を形成し、その気体検出部を、光ファイバーの
コアを該コアの周囲を包むクラッドとともにテーパ状に
減径させて形成したので、光ファイバーを伝搬する分光
用の光を一旦放射させてまた集光するということがない
ため光損失を少なくできるほかに、一旦放射した光を収
斂させるための光学系の調整の煩わしさや手間が不要と
なり、保守が楽になる。また、気体検出部での光の散乱
がないため、濃度や成分比の小さい気体の分光が可能に
なる。さらに観測にはエバネッシェント波の露呈部分を
形成するだけですむので、広域にわたる多数の観測地点
での観測に好都合である。さらに、従来の分光センサに
比較して検出部自体が著しく小型になり、設置場所や設
置状態が問題にならないので、分光が簡便になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による気体の分光装置の一実施例の概略
線図、第２図から第５図は本発明による気体の分光装置
で用いる光ファイバーの製造法を示す図、第６図は本発
明による気体の分光装置を用いて実験したメタンガスの
濃度検出用の光学系を示す図、第７図は第６図に示した
実験光学系のレコーダで得られる実験結果を示すグラ
フ、第８図はメタンガスの含有率と光強度の減少率との
関係を示すグラフ、第９図は本発明による気体の分光装
置の他の実施例の概略線図、第１０図は第９図に示した
実施例で得られる分光結果の特性図、第１１図は従来の
分光センサの一例を示すブロック線図、第１２図は気体
の吸収スペクトルの一例を示す図、第１３図は一般の光
ファイバーの構造と光の伝搬を示す図である。２０……白色光源、２１……光ファイバー、２１ａ……
検出部、２２……分光器、２３……信号処理回路、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源と、該レーザ光源からのレーザ
光を一端から導入し途中にレーザ光のエバネッシェント
波を露呈し易くした気体検出部を設けた光ファイバー
と、該光ファイバーの他端において光ファイバーから導
出されるレーザ光のスペクトルを分析する分光器とを有
する気体の分光装置において、前記光ファイバーの気体
検出部を、光ファイバーのコアを該コアの周囲を包むク
ラッドとともにテーパ状に減径させて形成したことを特
徴とする気体の分光装置。
【請求項２】前記気体検出部をコイル状に巻いた特許請
求の範囲第１項に記載の気体の分光装置。
【請求項３】レーザ光源と、クラッドの周囲をコアで包
み、前記レーザ光源からのレーザ光を一端から導入する
光ファイバーと、該光ファイバーの他端において光ファ
イバーから導出されるレーザ光のスペクトルを分析する
分光器とを有することを特徴とする気体の分光装置。