JPH0718762B2 - 波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置 - Google Patents
波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置Info
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- JPH0718762B2 JPH0718762B2 JP59059748A JP5974884A JPH0718762B2 JP H0718762 B2 JPH0718762 B2 JP H0718762B2 JP 59059748 A JP59059748 A JP 59059748A JP 5974884 A JP5974884 A JP 5974884A JP H0718762 B2 JPH0718762 B2 JP H0718762B2
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
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Description
【発明の詳細な説明】 〔従来の技術分野〕 本発明は、ガス分析装置等において波長可変半導体レー
ザを用いて吸収スペクトル計測を行う際に、寄生スペク
トルの影響を除去する光路雑音抑圧変調を行う吸収分光
分析装置に関する。
ザを用いて吸収スペクトル計測を行う際に、寄生スペク
トルの影響を除去する光路雑音抑圧変調を行う吸収分光
分析装置に関する。
〔技術の背景〕 吸収スペクトルを測定して物質の成分濃度を求めるガス
分析装置等の分光分析装置では、一定のスペクトル領域
を掃引するための可変波長光源が必要とされる。
分析装置等の分光分析装置では、一定のスペクトル領域
を掃引するための可変波長光源が必要とされる。
ところで鉛塩化合物半導体レーザ、GaAlAsレーザ、GaAl
AsPレーザ等は、印加電流を変化させると、程度の差こ
そあれ発振波長が変化し、そして発振出力は多くの種類
のレーザの中でもきわだって単色性がよく、その半値幅
は常温気体のドップラー幅よりも狭い程である。
AsPレーザ等は、印加電流を変化させると、程度の差こ
そあれ発振波長が変化し、そして発振出力は多くの種類
のレーザの中でもきわだって単色性がよく、その半値幅
は常温気体のドップラー幅よりも狭い程である。
そこでこれらの半導体レーザを上記の可変波長光源とし
て用いた場合、気体の吸収スペクトルを極めて高い分解
能で測定することが可能となる。しかし、半導体レーザ
を可変波長光源として用いた分光分析装置では、第１図
に示すように、半導体レーザ１が光学素子３ないし５か
ら一部戻ってくる極くわずかの光と結合し、しかもその
強さは波長によって異なる。
て用いた場合、気体の吸収スペクトルを極めて高い分解
能で測定することが可能となる。しかし、半導体レーザ
を可変波長光源として用いた分光分析装置では、第１図
に示すように、半導体レーザ１が光学素子３ないし５か
ら一部戻ってくる極くわずかの光と結合し、しかもその
強さは波長によって異なる。
そのため、レーザ波長を掃引すると、真の吸収スペクト
ルのうえに、同時に出力されている異なる波長の光に基
づいて生じる周期波形状の寄生スペクトルが重畳し、特
に弱い吸収線の大きさを測定しようとするときこれが重
大な障害となり、ほとんど検出不可能となる。この周期
波形状の寄生スペクトルの振幅と透過レーザパワーとの
間の大きさの比は、10-2乃至10-7あるいはそれ以下の場
合もあるが、周期以外のパラメータについては予測が難
しく、また統計処理により抑圧するのも困難である。
ルのうえに、同時に出力されている異なる波長の光に基
づいて生じる周期波形状の寄生スペクトルが重畳し、特
に弱い吸収線の大きさを測定しようとするときこれが重
大な障害となり、ほとんど検出不可能となる。この周期
波形状の寄生スペクトルの振幅と透過レーザパワーとの
間の大きさの比は、10-2乃至10-7あるいはそれ以下の場
合もあるが、周期以外のパラメータについては予測が難
しく、また統計処理により抑圧するのも困難である。
寄生スペクトルの発生原因となるものは種々あるが、第
１図に示されるように、吸収分光分析装置ではレーザの
出力をできるだけ有効利用するため、レンズ系3,4を用
いて光電変換器５上にレーザ光を集光させており、この
レーザとレンズ４の集光器との間に構成されるキャビテ
ィにより発生するものが最も振幅が大きくて深刻であ
る。すなわち、たとえばキャビティの長さＬ＝1mとする
と、寄生スペクトルの周期は、波数にして0.005cm-1と
なり、温度300Kにおけるメタンガスのドップラー幅0.00
2cm-1と区別がつけ難いという問題が生じる。
１図に示されるように、吸収分光分析装置ではレーザの
出力をできるだけ有効利用するため、レンズ系3,4を用
いて光電変換器５上にレーザ光を集光させており、この
レーザとレンズ４の集光器との間に構成されるキャビテ
ィにより発生するものが最も振幅が大きくて深刻であ
る。すなわち、たとえばキャビティの長さＬ＝1mとする
と、寄生スペクトルの周期は、波数にして0.005cm-1と
なり、温度300Kにおけるメタンガスのドップラー幅0.00
2cm-1と区別がつけ難いという問題が生じる。
ところで、一般に分光分析で扱われるような液体、固
体、常圧あるいは高圧気体の吸収線幅は0.1cm-1程度よ
りも広いから、上記した寄生スペクトルを抑圧できる可
能性がある。
体、常圧あるいは高圧気体の吸収線幅は0.1cm-1程度よ
りも広いから、上記した寄生スペクトルを抑圧できる可
能性がある。
このような問題は、レーザのような可干渉光源を用いる
場合に特有のものであって、通常の白色光源を用いる分
光分析装置ではほとんど生じないものである。
場合に特有のものであって、通常の白色光源を用いる分
光分析装置ではほとんど生じないものである。
次に、さらに導関数分光法を用いたときの上述した周期
的寄生スペクトルの影響について説明する。第２図はそ
の説明図である。半導体レーザ６の駆動電流Ｉ（ｔ）
は、周波数ｆの発振器７により変調器８で変調されたも
ので、 Ｉ（ｔ）＝Io＋Ia・η（ｔ） ……（１） で表される。ここでIoは直流成分、Iaは電流変調幅、η
（ｔ）は変調波形で、一般的には正弦波あるいは余弦波
の周期関数が用いられている。したがって半導体レーザ
６から出力される光は変調を受け、その周波数ν（ｔ）
は、次式および第３図に示すように、 ν（ｔ）＝νo＋Δ・η（ｔ） ……（２） で表される。ここでν0は基準周波数、Δは周波数変調
幅である。
的寄生スペクトルの影響について説明する。第２図はそ
の説明図である。半導体レーザ６の駆動電流Ｉ（ｔ）
は、周波数ｆの発振器７により変調器８で変調されたも
ので、 Ｉ（ｔ）＝Io＋Ia・η（ｔ） ……（１） で表される。ここでIoは直流成分、Iaは電流変調幅、η
（ｔ）は変調波形で、一般的には正弦波あるいは余弦波
の周期関数が用いられている。したがって半導体レーザ
６から出力される光は変調を受け、その周波数ν（ｔ）
は、次式および第３図に示すように、 ν（ｔ）＝νo＋Δ・η（ｔ） ……（２） で表される。ここでν0は基準周波数、Δは周波数変調
幅である。
変調されたレーザ光は、キャビティ９の測定対象気体を
通過し、光電変換器10によって検出され、電気信号に変
換される。
通過し、光電変換器10によって検出され、電気信号に変
換される。
位相同期検波器11は、光電変換器10から出力された信号
のうちｆのｎ次高調波成分を位相同期検出するものであ
り、図示の例は、発振器７から取り出した2fの信号で２
次高調波成分を同期検波している。このとき得られる２
次高調波成分に基づくスペクトルは、元のスペクトル、
すなわち零次スペクトル中の変化部分、たとえば気体の
吸収スペクトルのように鋭く尖ったスペクトル形状を強
調して表したものとなる。これは近似的に零次スペクト
ルの微分、すなわち導関数を利用するものであるため、
導関数分光法と呼ばれる。
のうちｆのｎ次高調波成分を位相同期検出するものであ
り、図示の例は、発振器７から取り出した2fの信号で２
次高調波成分を同期検波している。このとき得られる２
次高調波成分に基づくスペクトルは、元のスペクトル、
すなわち零次スペクトル中の変化部分、たとえば気体の
吸収スペクトルのように鋭く尖ったスペクトル形状を強
調して表したものとなる。これは近似的に零次スペクト
ルの微分、すなわち導関数を利用するものであるため、
導関数分光法と呼ばれる。
このような導関数分光法を用いた場合には、前述した周
期的寄生スペクトルが存在すると、これも強調されてし
まうため、分光測定が一層困難化することになる。
期的寄生スペクトルが存在すると、これも強調されてし
まうため、分光測定が一層困難化することになる。
本発明の目的は、波長可変半導体レーザと導関数分光法
を用いた分光分析において、光路雑音として生じる吸収
線の幅よりも短いスペクトル周期をもつ周期形状寄生ス
ペクトルを抑圧する手段を提供することにあり，そのた
め本発明の波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置
は，比較的大きい振幅と長い周期とで変化する第１の波
形の信号に，比較的ちいさな振幅と短い周期で変化ある
いはランダムに変化する第２の波形の信号を重畳した変
調信号を用いてレーザ光の波長変調を行う変調手段を備
え，光路雑音を抑圧することを特徴とするものである。
を用いた分光分析において、光路雑音として生じる吸収
線の幅よりも短いスペクトル周期をもつ周期形状寄生ス
ペクトルを抑圧する手段を提供することにあり，そのた
め本発明の波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置
は，比較的大きい振幅と長い周期とで変化する第１の波
形の信号に，比較的ちいさな振幅と短い周期で変化ある
いはランダムに変化する第２の波形の信号を重畳した変
調信号を用いてレーザ光の波長変調を行う変調手段を備
え，光路雑音を抑圧することを特徴とするものである。
波長可変半導体レーザの発振周波数は、従来のようにた
とえば正弦波形で変調された場合、第３図に示したよう
に、正弦波は、その頂点（νo＋Δ、νo−Δ）近傍がゆ
るやかに変化し、その部分での周波数の振幅密度分布は
きわめて大きい。本発明は、この変調波形に振幅密度分
布の大きい区間が含まれている場合に、吸収スペクトル
線幅よりもピッチの短い周期形状寄生スペクトルに対す
る応答性が高まることに着目してなされたものである。
とえば正弦波形で変調された場合、第３図に示したよう
に、正弦波は、その頂点（νo＋Δ、νo−Δ）近傍がゆ
るやかに変化し、その部分での周波数の振幅密度分布は
きわめて大きい。本発明は、この変調波形に振幅密度分
布の大きい区間が含まれている場合に、吸収スペクトル
線幅よりもピッチの短い周期形状寄生スペクトルに対す
る応答性が高まることに着目してなされたものである。
本発明はそれにより、半導体レーザの変調波形からゆる
やかな変化部分を除くようにする。
やかな変化部分を除くようにする。
さらに詳しく説明すると、一般に、吸収スペクトルρ
（ν）を分光器を用いて測定するとき得られたスペクト
ル は， とあらわされる。ここにｇ（η）は装置関数と呼ばれ，
分光器の分光特性をあらわす。（３）式をさらにフーリ
ェ変換すると， （ｄ）＝Ｓ（ｄ）Ｇ（ｄ） ……（４） となる。ｄは1/νに等しく，,S,Gはそれぞれ のフーリェ変換である。ここでピッチの短い周期性妨害
スペクトルは、ｄの大きい線スペクトルとしてあらわさ
れる。
（ν）を分光器を用いて測定するとき得られたスペクト
ル は， とあらわされる。ここにｇ（η）は装置関数と呼ばれ，
分光器の分光特性をあらわす。（３）式をさらにフーリ
ェ変換すると， （ｄ）＝Ｓ（ｄ）Ｇ（ｄ） ……（４） となる。ｄは1/νに等しく，,S,Gはそれぞれ のフーリェ変換である。ここでピッチの短い周期性妨害
スペクトルは、ｄの大きい線スペクトルとしてあらわさ
れる。
変調波形η（ｔ）を変えることによって、ｇ（η）の
形、したがってＧ（ｄ）の分布は変化するが、ｇ（η）
はη（ｔ）の１周期にわたる振幅密度分布であって、 の近傍ではその絶対値が極端に大きくなり、ｇ（η）は
そこでスパイク状の形を持つ。そのためこれをフーリェ
変換したＧ（ｄ）は、ｄの高い領域にまで振幅を有し、
短ピッチの妨害スペクトルに応答することになる。これ
に対し、 の付近の時間領域をできるだけ少なく、すなわちη
（ｔ）の極値付近をできるだけ鋭く尖らせれば、Ｇ
（ｄ）のｄの高い領域での振幅は減少し、このような妨
害スペクトルに対する感受性は抑圧される。
形、したがってＧ（ｄ）の分布は変化するが、ｇ（η）
はη（ｔ）の１周期にわたる振幅密度分布であって、 の近傍ではその絶対値が極端に大きくなり、ｇ（η）は
そこでスパイク状の形を持つ。そのためこれをフーリェ
変換したＧ（ｄ）は、ｄの高い領域にまで振幅を有し、
短ピッチの妨害スペクトルに応答することになる。これ
に対し、 の付近の時間領域をできるだけ少なく、すなわちη
（ｔ）の極値付近をできるだけ鋭く尖らせれば、Ｇ
（ｄ）のｄの高い領域での振幅は減少し、このような妨
害スペクトルに対する感受性は抑圧される。
例として、第４図に２次高調波分光法（ｎ＝２）におい
て、変調波形を正弦波形（ａ）から三角波（ｂ）さらに
折り返し双曲線正弦（sinh）波形（ｃ）に変えた場合
の、それぞれのｇ（η）の変化を示す。
て、変調波形を正弦波形（ａ）から三角波（ｂ）さらに
折り返し双曲線正弦（sinh）波形（ｃ）に変えた場合
の、それぞれのｇ（η）の変化を示す。
第４図（ａ）でη＝±１にあった無限大に伸びるスパイ
クは、同図（ｂ）では有限値に収まり、さらに（ｃ）で
はその段差の高さが抑えられていることが判る。本発明
ではさらに（２）式にランプ状信号δ（ｔ）を加える
と、ｇ（η）の形は、このスパイク部分が複数に分裂
し、さらにこれを擬似ランダム信号とすることでスパイ
ク、段差ともに滑らかな形に近づけることができる。す
なわちそのフーリェ変換Ｇ（ｄ）はｄの高領域で振幅が
抑圧される。
クは、同図（ｂ）では有限値に収まり、さらに（ｃ）で
はその段差の高さが抑えられていることが判る。本発明
ではさらに（２）式にランプ状信号δ（ｔ）を加える
と、ｇ（η）の形は、このスパイク部分が複数に分裂
し、さらにこれを擬似ランダム信号とすることでスパイ
ク、段差ともに滑らかな形に近づけることができる。す
なわちそのフーリェ変換Ｇ（ｄ）はｄの高領域で振幅が
抑圧される。
次に，本発明の典型的な実施例のいくつかの変調波形を
示す。
示す。
第５図の（ａ）は，前記（２）式で表される変調波形上
に，振幅の小さい短い周期のランプ状信号傾斜をもつ信
号を付加信号δ（ｔ）として重畳させたものであり，総
合的な変調波形数ν（ｔ）は， ν（ｔ）＝νo＋Δ・η（ｔ）Ａ＋δ（ｔ） ……（５） で表される。この方法は，たとえばディジタル制御によ
り波長掃引を行うとき,1データ点ごとに中心波長が一定
に留まる，すなわち波長の密度分布が，特定の波長の近
くで鋭い形状にならないようにする場合に利用すると好
都合である。
に，振幅の小さい短い周期のランプ状信号傾斜をもつ信
号を付加信号δ（ｔ）として重畳させたものであり，総
合的な変調波形数ν（ｔ）は， ν（ｔ）＝νo＋Δ・η（ｔ）Ａ＋δ（ｔ） ……（５） で表される。この方法は，たとえばディジタル制御によ
り波長掃引を行うとき,1データ点ごとに中心波長が一定
に留まる，すなわち波長の密度分布が，特定の波長の近
くで鋭い形状にならないようにする場合に利用すると好
都合である。
第５図の（ｂ）は，第５図（ｃ）の波形に小さい振幅の
擬似的なランダム信号（雑変化信号）を付加信号δ
（ｔ）として重畳させたものであり，良好な結果を得る
ことができる。
擬似的なランダム信号（雑変化信号）を付加信号δ
（ｔ）として重畳させたものであり，良好な結果を得る
ことができる。
第５図の（ａ），（ｂ）に示されている方法は重複して
実施することができ，効果は相加的に向上する。
実施することができ，効果は相加的に向上する。
以上のように、本発明によれば，波長可変レーザの変調
波形を僅かに工夫するだけで、吸収スペクトルよりも短
いピッチの寄生スペクトルを抑圧することができ、低コ
ストで吸収分光分析装置の測定精度を大幅に改善するこ
とができる。
波形を僅かに工夫するだけで、吸収スペクトルよりも短
いピッチの寄生スペクトルを抑圧することができ、低コ
ストで吸収分光分析装置の測定精度を大幅に改善するこ
とができる。
第１図は半導体レーザを用いた吸収分光分析装置の概要
図、第２図は導関数分光法の説明図、第３図は半導体レ
ーザ出力光の変調周波数の説明図、第４図は本発明の原
理説明図、第５図は本発明実施例の変調波形の説明図で
ある。 図中、６は半導体レーザ、７は発振器、８は変調器、９
はキャビティ、10は光電変換器、11は位相同期検波器、
νoは基準周波数、Δは周波数変調幅、η（ｔ）は変調
波形、δ（ｔ）は付加信号を表す。
図、第２図は導関数分光法の説明図、第３図は半導体レ
ーザ出力光の変調周波数の説明図、第４図は本発明の原
理説明図、第５図は本発明実施例の変調波形の説明図で
ある。 図中、６は半導体レーザ、７は発振器、８は変調器、９
はキャビティ、10は光電変換器、11は位相同期検波器、
νoは基準周波数、Δは周波数変調幅、η（ｔ）は変調
波形、δ（ｔ）は付加信号を表す。
Claims (1)
- 【請求項１】波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置
において比較的大きい振幅と長い周期とで変化する第１
の波形の信号に，比較的ちいさな振幅と短い周期で変化
あるいはランダムに変化する第２の波形の信号を重畳し
た変調信号を用いてレーザ光の波長変調を行う変調手段
を備え，光路雑音を抑圧することを特徴とする波長可変
レーザを用いた吸収分光分析装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59059748A JPH0718762B2 (ja) | 1984-03-28 | 1984-03-28 | 波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59059748A JPH0718762B2 (ja) | 1984-03-28 | 1984-03-28 | 波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60202329A JPS60202329A (ja) | 1985-10-12 |
| JPH0718762B2 true JPH0718762B2 (ja) | 1995-03-06 |
Family
ID=13122164
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59059748A Expired - Lifetime JPH0718762B2 (ja) | 1984-03-28 | 1984-03-28 | 波長可変レーザを用いた吸収分光分析装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0718762B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0862241A (ja) * | 1994-08-01 | 1996-03-08 | Emhart Inc | 加速度応答装置とこれを用いる方法 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5963336A (en) | 1995-10-10 | 1999-10-05 | American Air Liquide Inc. | Chamber effluent monitoring system and semiconductor processing system comprising absorption spectroscopy measurement system, and methods of use |
| JP3694291B2 (ja) * | 2002-11-21 | 2005-09-14 | 倉敷紡績株式会社 | 血糖値の無侵襲測定装置 |
| JP2008268064A (ja) * | 2007-04-23 | 2008-11-06 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 多成分対応レーザ式ガス分析計 |
| CN114199777A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-03-18 | 华中科技大学 | 一种非线性扫描波长调制的光声光谱气体浓度检测系统 |
| CN114414048B (zh) * | 2021-12-23 | 2023-05-12 | 电子科技大学 | 一种提高调制光谱测量精度的装置与方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58223041A (ja) * | 1982-06-18 | 1983-12-24 | Fujitsu Ltd | 分光分析装置 |
-
1984
- 1984-03-28 JP JP59059748A patent/JPH0718762B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0862241A (ja) * | 1994-08-01 | 1996-03-08 | Emhart Inc | 加速度応答装置とこれを用いる方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60202329A (ja) | 1985-10-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |