JPH10246694A

JPH10246694A - ガスセンサ及びそれを用いた気体検出方法

Info

Publication number: JPH10246694A
Application number: JP4864297A
Authority: JP
Inventors: Akira Mugino; 明麦野; Takashi Shiomi; 高史塩見; Hiroaki Kuze; 宏明久世; Nobuo Takeuchi; 延夫竹内
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1997-03-04
Publication date: 1998-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】コンパクト化、高感度化、感度の安定化。【解決手段】光ファイバ増幅器３のポンピングパワー
を制御して同光ファイバ増幅器３の自然放出光をリング
型光共振器７内に周回し、周回する自然放出光又はレー
ザ光の、ガスセルモジュール６内が真空であるときとガ
スセルモジュール６内に被測定用ガスが導入されて吸収
が生じたときとでの強度変化を、観測用ポートを通して
測定する。レーザダイオード９の光をリング型光共振器
７内に導入し、同リング型光共振器７を周回する光の、
ガスセルモジュール６内が真空であるときとガスセルモ
ジュール６内に被測定用ガスが導入されて吸収が生じた
ときとでの、強度及び共振周波数の線幅情報の変化量を
測定する。後者において、２以上のレーザ光をリング型
光共振器７に導入するときは両光の比を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は気体分子、特に微量
な気体分子の検出や濃度測定、圧力測定に適するガスセ
ンサとそれを用いた気体検出方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、気体分子の検出方法の１つにレー
ザを用いたレーザ分光学手法がある。この手法は被測定
用ガス（検出の対象となるガス）が導入された特殊なガ
スセルにレーザ光を入射してその透過光を調べるもので
あり、検出精度を高めるべく改良された長光路吸収法や
共振器内レーザ分光法、周波数変調法等があり、普及し
ている。

【０００３】一般的には、ガス（吸収媒体）が満たされ
たガスセルにレーザ光を入射すると、同レーザ光にガス
の吸収スペクトル周波数と一致する周波数成分がある場
合、ガスセル内のガス分子の下準位の電子が共鳴により
レーザ光のエネルギーを吸収して上準位に励起される。
このガスによるエネルギー吸収によってガスセル内を通
過して外部に出射されるレーザ光の出力強度は減衰さ
れ、ガスセル内におけるガス吸収量ΔＩは、レーザ光の
強度をＩ₀ 、ガスの吸収係数をα、吸収長をｌとする
と、 △Ｉ＝Ｉ₀ −Ｉ₀ ｅｘｐ（−αｌ）≒Ｉ₀ αｌと表すことができる。しかしガスによる吸収を受けた透
過光をフォトダイオード等の検出器で直接受光して測定
すると、レーザ光自体の強度の揺らぎが雑音となり、検
出感度は１０^-4程度でしかない。そこで検出感度を高め
たり、別の検出器を用いて吸収量を別の量に変換して検
出することにより、強力なレーザ光の影響を受けずに雑
音がほぼ別の検出器によるものだけとなるようにした方
法もある。しかし、この方法はガスによる吸収が弱い
と、吸収線における光の吸収量計測は困難となる。

【０００４】前記の長光路吸収法は、前記ガスの吸収を
強調(enhancement) するようにガスセル長又は実効吸収
光路長を長くする工夫を施したものであり、ガスセル自
体を長尺に作成し、直進する光のガスセル内での光路長
を稼ぐものとか、ガスセルの両端に全反射ミラー等を設
け、多重反射によって光の実効光路長を稼ぐものとかが
ある。

【０００５】前記の共振器内レーザ分光法(IntraCavity
Laser Spectroscopy 、以降ＩＣＬＳ法) は、ガスセル
をレーザの共振器内部に配置するものであり、多モード
発振するレーザの一つのモードがガスの吸収スペクトル
と一致した場合、レーザ発振状態に到達するまでの時
間、即ち定常状態に達する時間内において、レーザ共振
器の内部にはモードの生成が過度状態において逐次変化
して行き、吸収のあるところではその吸収スペクトルの
波長成分のパワーも逐次減少していくこととなり、レー
ザ発振が起きる前の過度状態における吸収成長の最大時
間が吸収の感度を決める。通常、この方法では吸収を１
００〜１００００倍に強調(enhancement)できると言わ
れる。

【０００６】この方法では、パルス発振又はＣＷ（連続
波長）発振のレーザを用いることができ、パルスの場合
は、パルスの持続時間を長くすることにより高感度な吸
収をもたらすのに対し、ＣＷレーザではレーザの発振モ
ード（多モードであることに注意）の寿命を長くするこ
とにより高感度をもたらすことができる。また、レーザ
の種類としてパルス及びＣＷ発振色素レーザ、チタンサ
ーファイアレーザ等の固体レーザ、ＧａＡｓ／ＧａＡｓ
Ａｌ系ダイオードレーザ等がある。

【０００７】前記の周波数変調法(Frequency Modulatio
n Spectroscopy、以降ＦＭＳ法) は周波数変調したレー
ザ光をガスセルを透過させて吸収の微分信号を検出する
方法である。しかし、実際には変調手法及び検出手法に
よっては微妙に実体が変わってくる。本来はレーザ光を
変調することは吸収線の検出を容易にし、検出器のドリ
フトや１／ｆ雑音等を取り除くための手法であった。例
えば光源周波数を掃引すると吸収線のあるところでガス
セルを透過してきたレーザパワーは減少し、吸収線が測
定されるわけであるが、吸収によるパワーの変化量が雑
音パワーよりも大きくならなければいけない。レーザ周
波数は吸収線を横切る時間の逆数の数倍の周波数である
ため、１秒でスペクトルが書けたとすれば、周波数帯域
はゼロから数十Ｈｚまでである。従って、この低周波領
域では上記の雑音が存在しているので不利である。従っ
て、光源周波数を吸収線の幅程度に周波数変調しながら
吸収測定を行うと、レーザの周波数が吸収線と一致する
とレーザ光が吸収されたり、されなかったりするので、
透過光パワーは変調周波数で変動する。これを変調周波
数と同期検波すれば吸収が測定され、ドリフトや１／ｆ
雑音から解放されたスペクトルが観測される。さらに光
ヘテロダインの原理を利用し、レーザ光にＦＭ変調によ
り、主キャリア光に対してサイドバンドを発生させ、そ
の第１次サイドバンドにおける分子の吸収の差をヘテロ
ダインビートとして検出して吸収線を測定するものがあ
る。これがＦＭＳ法である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記の長光路吸収法で
は実効吸収光路長を長くして感度を上げるものである。
そのためガスセルを長尺化する必要があるが、その場
合、ガスセルが真空に耐え得るものでなければならず、
またスペース面での制限があることから、長尺化には限
界がある。制作コストやスペース効率を考えなければ、
実験室レベルでは長さ数メートル程度のガスセルが作製
されているが、このようなガスセルを用いては実用的な
装置は実現できない。

【０００９】長光路吸収法においてガスセルの両端に全
反射ミラー等を設ける場合、多重反射による実効光路長
を稼ぐことが一般的に行われており、これによりガスセ
ルを小型化できるが以下のような問題がある。ガスの吸
収係数α（又は吸収断面積とガス濃度との積）は一定圧
力下では波長（又は周波数）と濃度の関数であり、特定
な吸収波長、濃度ではαが定数となる。そして長さＬの
吸収体（ガスセルの実効光路長）による吸収量は、ガス
セルの入射口のレーザ光パワーをＰ₀ とした場合、Ｐ₀
［１−ｅｘｐ（−αＬ）］である。光路長を長くし、多
重反射セルを用いたときの反射鏡の反射率をＲとする
と、全反射ミラー間をｎ回往復して検出器に入るパワー
はＰ₀ Ｒ_2n-1ｅｘｐ（−α２ｎＬ）となる。吸収量が最小検出パワーよりも大きくなければ
ならない反射回数には最適値が存在する。２αｎＬ《１
の極限では、吸収パワーは △Ｐ＝２Ｐ₀ Ｒ_2n-1・αｎＬ＝Ｐmin となる。これを微分し、ｎを求めると、ｎ＝-1/2lnＲとなる。例えばＲ＝９０％ではｎは５となる。従って、
反射率の低い鏡では、多重反射をする意味がない。その
ため長光路吸収法では、スペース、反射鏡の反射率、長
いセルの真空度制御、特殊な低損失多重反射ガスセルの
使用、実用性等の問題を抱えている。

【００１０】前記ＩＣＬＳ法では上記の長光路吸収法と
併用すると、即ちレーザ共振器内に長光路セルを設ける
と更に高感度が期待できるが、共振器内に多重反射セル
を組み込むことが困難である上、レーザ発振そのものを
妨げかねない問題もある。根本的にＩＣＬＳ法ではレー
ザ発振の過度状態に依存している。しかしレーザ発振は
通常定常状態において安定するものであって、過度状態
での制御はきわめて難しく、しかも再現性がないこと
や、ガスの吸収スペクトルに合うレーザを選択しなけれ
ばならないなどの問題があるため、実用的でない。特に
後者の場合、安定した定常状態でのレーザであれば発振
スペクトルの選択は固定的な特性から容易であるのに対
し、過度状態でのスペクトル発生メカニズムは良く把握
できないので、どのようなレーザを用いれば良いのか分
からないという難点がある。これは過度状態において、
例えばレーザのスイッチをオンにしてから長くて数ｍｓ
以内におけるレーザ発振のスペクトル変化を追うことと
なるので、最初の数ｎｓ程度の時間内においてはガス吸
収のスペクトルがレーザ発振モードのスペクトル範囲内
にあっても、次のμｓになると先まであつたスペクトル
が変化して無くなるおそれがある。つまり、ガス吸収ス
ペクトルと過度状態の時間内における吸収スペクトルは
必ずしも継続しないことがこの方法の再現性の最大な難
点である。また、ＩＣＬＳ法の感度は過度時間の長さに
依存するので、レーザの発振を長い時間にすることがき
わめて困難となる。また、レーザの発振モードはマルチ
モードでなければならないことと、吸収が起きるために
は多くの発振モードに対して、その多モードのうちの１
本の発振モードの波長または周波数が吸収スペクトル波
長または周波数と一致する必要があるので、過度状態で
のレーザの発振モードはランダムであり、周囲の温度、
レーザ共振器（２枚以上の反射鏡で増幅媒質を挟むよう
な共振器を指す）の距離の微妙な変化等によってレーザ
のモード生成時間、及び過度時間内のモードが同じとな
るとは限らない等の問題がある。また、多モード発振し
たレーザではモードとモード間のカップリングもあり、
吸収があるとカップリング状態も時間変化するので、吸
収量の測定精度が低いという問題がある。さらに、過度
状態でのスペクトル測定は数μｓからｍｓまでごくわず
かの時間内に測定を行う必要があるので、測定装置の時
間に関する制御、再現性も問題となる。

【００１１】前記ＦＭＳ法は上記の２つの方法に比べて
再現性の面では優れている。しかし、やはり吸収セルを
長光路にすれば吸収そのものが良くなるので、長光路の
欠点を有する。更に、変調によって光の周波数に１／ｆ
の雑音及び白色雑音が入り、特に低周波領域では著しく
感度に影響を与えるため、ＦＭＳの課題としては如何に
高周波領域に変調をもっていくかにある。つまり、ｐｐ
ｂ以上の微量濃度を検出するためにはマイクロ波オーダ
の変調が必要とされるが、数ＧＨｚ程度の変調は簡単に
はできないのが現状であり、できるとしても変調器その
ものが高価になり、しかも大型化する。また、周波数変
調を行うためのフイードバック系、制御系もかなり複雑
なってくることがＦＭＳ法の難点である。

【００１２】上記の方法のいずれも測定系が大型で、コ
ンパクトにならないことと、実用性の観点から工業に応
用する可能性が薄い等の問題がある。特に、近年地球規
模の環境問題に対する関心度が高まりつつあり、大気汚
染に起因するガスの検出等の要求が増え、実用的で、且
つコンパクトなガス濃度検出装置、または簡単な構成の
ガスセンサが要求されていることから、工業上の実用
性、測定精度の再現性などの面が強く要求される中、現
状を考えると上記の３つの方法では、実験室レベルであ
るため、工業上の要求を満たすことがかなり難しい。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の問題点について、
特に実用性、コンパクト性を着目し、全く新しいアプロ
ーチを理論及び実験的に検討した結果、ガスセルモジュ
ール、エルビムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）及び
光ファイバ型部品を組み合わせて光学的な手投により非
破壊的なガス濃度の検出又はガスの圧力（分圧を含む）
をモニタリングする方法を開発することができた。即ち
以下の手段をもって上記の問題点及び課題を解決するこ
とができた。

【００１４】本発明のうち請求項１記載のガスセンサは
図１、３、９、１０に示すように、光カップラ１の１つ
の入力ポートＰ₂ と１つの出力ポートＰ₃ 間を、光ファ
イバ増幅器３、ガスセルモジュール４等を介して光ファ
イバ６でリング状に接続して、前記光ファイバ増幅器３
によりレーザ発振可能なリング型光共振器７を構成し、
前記光カップラ１の他の出力ポートＰ₄ 又はリング型光
共振器７に別途設けたモニタ用光カップラ８の出力ポー
トＰ₅ を観測用のポートとしてなるものである。

【００１５】本発明のうち請求項２記載のガスセンサは
図１、３、９に示すように、光カップラ１の１つの入力
ポートＰ₂ と１つの出力ポートＰ₃ 間を、光ファイバ増
幅器３、ガスセルモジュール４等を介して光ファイバ６
でリング状に接続してリング型光共振器７を構成し、前
記光カップラ１の他の入力ポートＰ₁ に、リング型共振
器７内にレーザ光を入力可能なるようにレーザダイオー
ド９を接続し、前記光カップラ１の他の出力ポートＰ₄
又はリング型光共振器７に別途設けたモニタ用光カップ
ラ８の出力ポートＰ₅ を観測用のポートとしてなるもの
である。

【００１６】本発明のうち請求項３記載のガスセンサは
図１、３、９に示すように、光カップラ１の１つの入力
ポートＰ₂ と１つの出力ポートＰ₃ 間を、光ファイバ増
幅器３、ガスセルモジュール４等を介して光ファイバ６
でリング状に接続してリング型光共振器７を構成し、前
記光カップラ１の他の入力ポートＰ₁ に、リング型光共
振器７内に異なる波長のレーザ光を入力可能なるように
２つのレーザダイオード９を合分波器（１２）を介して
接続し、前記光カップラ１の他の出力ポートＰ₄ 又はリ
ング型光共振器７に別途設けたモニタ用光カップラ８の
出力ポートＰ₅を観測用のポートとしてなるものであ
る。

【００１７】本発明のうち請求項４記載のガスセンサ
は、前記リング型光共振器７の途中にアイソレータ２を
設けてなるものである。

【００１８】本発明のうち請求項５記載のガスセンサ
は、前記リング型光共振器７の途中にバンドパスフィル
タ５を設けてなるものである。

【００１９】本発明のうち請求項６記載のガスセンサ
は、前記リング型光共振器７の途途中に光ファイバ型偏
波コントローラ（１０）と、リング共振器長制御用圧電
変調素子（１１）を設けてなるものである。

【００２０】本発明のうち請求項７記載のガスセンサは
図２に示すように、ガスセルモジュール４は、被計測ガ
スに反応しないか又は反応しにくい材料で形成された筐
体（２０）に、同筐体（２０）内をレーザ光が通過可能
なレーザ通過孔（２１）が貫通され、レーザ通過孔（２
１）の両端開口部の夫々に封止ガラス（２２）が設けら
れ、各封止ガラス（２２）の外側に光ファイバ（２３）
が接続された光ファイバピッグテール型コネクタ（３
０）を取り付けて、それを通してレーザ通過孔（２１）
内へのレーザ光の入力、レーザ通過孔（２１）から出射
されるレーザ光の受光を可能とし、前記筐体（２０）に
ガス導入孔（２４）及びガス排出孔（２５）が前記レー
ザ通過孔（２１）と連通するように開口され、ガス導入
孔（２４）及びガス排出孔（２５）の開口部にガス配管
接続用コネクタ（３１）を接続可能な接続部（２６）が
形成されてなり、前記レーザ通過孔（２１）内はガス導
入孔（２４）及びガス排出孔（２５）を通して真空引き
可能であり、同レーザ通過孔（２１）内にガス導入孔
（２４）から被測定用ガスを導入可能としてなるもので
ある。

【００２１】本発明のうち請求項８記載のガスセンサは
図２に示すように、ガスセルモジュール４は、被計測ガ
スに反応しないか又は反応しにくい材料で形成された筐
体（２０）に、同筐体（２０）内をレーザ光が通過可能
なレーザ通過孔（２１）が貫通され、レーザ通過孔（２
１）の両端開口部の夫々に封止ガラス（２２）が設けら
れ、各封止ガラス（２２）の外側に、円筒状の突子（２
７）が形成され、各突子（２７）にレンズ入りのレンズ
ホルダ（２８）が挿入され、各レンズホルダ（２８）に
光ファイバ（２３）のフェルール（２９）が接続され、
レンズホルダ（２８）と円筒状の突子（２７）の接合部
分及びレンズホルダ（２８）とフェルール（２９）の接
合部分が溶接され、前記フェルール（２９）全体がフェ
ルールスリーブ（３２）、ネックカバー（３３）等によ
り保護されて光ファイバピッグテール型コネクタ（３
０）が構成され、前記筐体（２０）に、前記レーザ通過
孔（２１）と連通するガス導入孔（２４）及びガス排出
孔（２５）が開口され、ガス導入孔（２４）及びガス排
出孔（２５）の開口部にガス配管接続用コネクタ（３
１）を接続可能な接続部（２６）が形成されてなり、前
記レーザ通過孔（２１）内はガス導入孔（２４）及びガ
ス排出孔（２５）を通して真空引き可能であり、同レー
ザ通過孔（２１）内にガス導入孔（２４）から被測定用
ガスを導入可能としてなるものである。

【００２２】本発明のうち請求項９記載の気体検出方法
は、請求項１乃至請求項８の夫々に記載のガスセンサを
使用し、同ガスセンサにおける光ファイバ増幅器３のポ
ンピングパワーを制御して発振していない自然放出光又
は発振したレーザ光をリング型光共振器７内に導入して
同リング型光共振器７内を周回させると共にガスセルモ
ジュール６内を通過させ、ガスセルモジュール６内が真
空のときと被測定用ガスが導入されてガス吸収が生じた
ときとの前記自然放出光又はレーザ光の強度変化を、観
測用ポートを通してフォトダイオード、スペクトルアナ
ライザ等により測定して、被測定用ガスの濃度又は圧力
を検出するようにした方法である。

【００２３】本発明のうち請求項１０記載の気体検出方
法は、請求項２乃至請求項８の夫々のガスセンサを使用
し、同ガスセンサにおけるリング型光共振器７中のバン
ドパスフィルタ５の透過中心波長が被測定用ガスの１つ
の吸収スペクトルと一致するようにし、光ファイバ増幅
器３のポンピングパワーを制御して発振していない自然
放出光又は発振したレーザ光をリング型光共振器７内に
導入して同リング型光共振器７内を周回させると共にガ
スセルモジュール６内を通過させ、ガスセルモジュール
６内が真空のときと被測定用ガスが導入されてガス吸収
が生じたときとの前記自然放出光又はレーザ光の強度変
化を、観測用ポートを通してフォトダイオード、スペク
トルアナライザ等により測定して、被測定用ガスの濃度
又は圧力を検出するようにした方法である。

【００２４】本発明のうち請求項１１記載の気体検出方
法は、請求項１乃至請求項８記載の夫々のガスセンサを
使用し、同ガスセンサにおけるリング型光共振器７中の
バンドパスフィルタ５の透過中心波長、リング型光共振
器７の共鳴波長、レーザダイオード９の発振波長が被測
定用ガスの１つの吸収スペクトルと一致するようにし、
レーザダイオード９からのレーザ光を光カップラ１を介
してリング型光共振器７内に導入して同リング型光共振
器７内を周回させると共にガスセルモジュール６内を通
過させ、ガスセルモジュール６内が真空であるときと被
測定用ガスが導入されて吸収が生じたときとの前記レー
ザ光の強度及び共振周波数の線幅情報の変化量をフォト
ダイオード、スペクトルアナライザ等で測定して、被計
測用ガスの濃度又は圧力を検出するようにした方法であ
る。

【００２５】本発明のうち請求項１２記載の気体検出方
法は、請求項３乃至請求項８記載の夫々のガスセンサを
使用し、同ガスセンサにおける一方のレーザダイオード
９発振波長が被測定用ガスの１つの吸収スペクトルに一
致し、他方のレーザダイオード９の発振波長が被測定用
ガスの吸収スペクトルから外され、且つ２つの波長がν
₂ ＝ｍν、ＦＲＳ＋ν₁ の関係（νは光の周波数、ＦＳ
Ｒはリング型光共振器の共鳴周波数の間隔、ｍは正の整
数）を有するようにし、前記２つのレーザダイオード９
から異なる波長のレーザ光を光カップラ１を介してリン
グ型光共振器７内に導入して同リング型光共振器７を周
回させると共にガスセルモジュール６内を通過させ、ガ
スセルモジュール６内が真空であるときと被測定用ガス
が導入されて吸収が生じたときとの両波長光の出力強度
の比から、被測定用ガスの濃度又は圧力を検出するよう
にした方法である。

【００２６】本発明のうち請求項１３記載の気体検出方
法は、請求項９又は請求項１０記載の気体検出方法にお
いて、ガスセンサにおけるリング型光共振器７中の光フ
ァイバ増幅器３のボンピングパワーをレーザ発振閾値近
傍に設定して被測定用ガスの検出を行うようにした方法
である。

【００２７】本発明のうち請求項１４記載の気体検出方
法は、請求項１０記載の気体検出方法において、ガスセ
ンサにおけるリング型光共振器７中のバンドパスフィル
タ５の中心波長透過帯域幅を少なくとも１ｎｍ以下の特
性に設定するようにした方法ある。

【００３０】

【発明の実施の形態】図３は本発明のガスセンサの実施
の形態を示したものであり、２×２のカップラ（光ファ
イバカップラ）１をレーザ光の入出力の中心デバイスと
して使用し、この光カップラ１の第２ポート（入力ポー
ト）Ｐ₂ と第３ポート（出力ポート）Ｐ₃ とを、光ファ
イバ光学部品である光アイソレータ２、光ファイバ増幅
器（ここではエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦ
Ａ）を使用）３、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５と、
図２に示されるガスセルモジュール（ＧＣＭ）４を介し
て光ファイバ６でリング状に接続して１つのリング型光
共振器７を構成し、前記カップラ１の第１ポート（他の
入力ポート）Ｐ₁ に２×１合分波器（２×１ＷＤＭ）１
２を介して２つのレーザダイオード（ＬＤ）９（９
₁ ）、９（９₂ ）を接続してこれらＬＤ９₁ 、９₂ から
リング型光共振器７内にレーザ光を入射できるように
し、且つ前記カップラ１の第４ポート（他の出力ポー
ト）Ｐ₄ に計測器（フォトダイオード３０とオシロスコ
ープ３１からなるもの、スペクトルアナライザ３２）を
接続してリング型光共振器７内を周回するレーザ光又は
ＥＤＦＡ３の自然放出光について所望の物理量（例えば
光強度、共振周波数、共振周波数の線幅等）を計測でき
るようにしてある。

【００３１】前記光カップラ１は前記した通り４つのポ
ートＰ₁ 、Ｐ₂ 、Ｐ₃ 、Ｐ₄ を有しており、第１ポート
Ｐ₁ に対する第３ポートＰ₃ 、第２ポートＰ₂ に対する
第４ポートＰ₄ はいずれもスルーポート、第１ポートＰ
₁ に対する第４ポートＰ₄ 、第２ポートＰ₂ に対する第
３ポートＰ₃ はいずれもクロスポートとしてある。

【００３２】前記ＧＣＭ４は図２に示されるようにピッ
グテール型の光ファイバコネクタ３０を備えており、筐
体２０は被測定用ガスと反応しない又は反応しにくい金
属系材料又は合成樹脂系材料等で長方形立方体に作成さ
れており、例えばＳＵＳを用いて長方形立方体に作成さ
れている。この筐体２０は、同筐体２０にレーザ光を通
すためのレーザ通過孔２１が直線的に貫通されており、
同通過孔２１の各々の開口部には、封止ガラス２２が嵌
め込まれて密閉窓が形成され、封止ガラス２２の手前に
短い円筒状の突子２７が形成され、この突子２７の内側
に球レンズが入ったレンズホルダ２８が挿入され、この
レンズホルダ２８にＰＣ研磨された光ファイバ（シング
ルモードファイバ）２３入りのＦＣフェルール２９が接
続され、レンズホルダ２８と円筒状の突子２７の隣接す
る接続部分と、レンズホルダ２８とフェルール２９の接
触部がＹＡＧレーザ等により溶接され、ＦＣフェルール
２９全体がフェルールスリーブ３２及びネックカバー３
３により保護されて光ファイバピッグテール型コネクタ
３１が形成されている。また、筐体２０のレーザ通過孔
２１と直交する方向の２つの側面には、各々ガス配管接
続用雄ねじコネクタ３１を接続可能とする雌ねじ（接続
部）２６が形成されたガス導入孔２４及びガス排出孔２
５が開口され、夫々レーザ通過孔２１と筐体２０内で連
通されている。

【００３３】前記ガス導入孔２２とガス排出孔２５はガ
スの導入排出及び真空引き用として使用でき、前記雌ね
じ２６に雄ねじコネクタをねじ込んでスウエージロック
継手、ガス管等を接続してガスボンベ、真空引き装置等
を接続することができ、前記レーザ通過孔２１内にガス
ボンベから所望の被測定用ガスを導入したり、そのガス
圧を所望圧に保持したり、また真空引き装置で真空引き
したりできるようにしてある。そして、レーザ通過孔２
１内を真空にした状態、或いはガスを入れた状態で、同
レーザ通過孔２１内にビッグテール型コネクタの光ファ
イバ２３からレーザ光を入力して空間伝搬（レーザ通過
孔２１と平行に空間伝搬）させ、この伝搬した光を反対
側のビッグテール型コネクタの光ファイバ２３から出力
させることができるようにしてある。前記レーザ通過孔
２１内に被測定用ガスがある場合、レーザ光は被測定用
ガスの吸収を受けて出力側のビッグテール型コネクタの
光ファイバ２３から出力される。

【００３４】前記光アイソレータ２、ＥＤＦＡ３、バン
ドパスフィルタ５は既に各方面で利用されているものか
ら適切なものを用いることができる。

【００３５】前記構成のガスセンサにおいてその主要な
部分であるリング型光共振器７の特性を以下に説明す
る。この特性は理論解析することにより求めることがで
きる。

【００３６】光カップラ１の第１〜第４のポートＰ₁ 、
Ｐ₂ 、Ｐ₃ 、Ｐ₄ における光の電界をその順番に、Ｅ
₁ 、Ｅ₂ 、Ｅ₃ 、Ｅ₄ とし、光カップラ１の挿入損失を
γ₀ 、ファイバの振幅伝搬減衰係数をα、共振器中の接
続損失をηとする。第１ポートＰ₁ の光の電界成分Ｅ₁
は時間の関数をも考慮した場合、数１で表すことができ
る。

【００３７】

【数１】

【００３８】数１においてＥ₀ は電界の振幅、ω₀ は光
の角周波数、φはその位相項を表す。ここでリング型光
共振器７のエネルギー授受の時間平均を考えると、カッ
プラの挿入損失はγ₀ であるので、電界Ｅ₁ 、Ｅ₂ 、Ｅ
₃ 、Ｅ₄ について数２の関係が成り立つ。

【００３９】

【数２】

【００４０】但し、｜Ｅ_i ｜² (i=1,2,3,4) はポート
Ｐ₁ 、Ｐ₂ 、Ｐ₃ 、Ｐ₄ における光電界の時間平均強度
である。光カップラ１の結合係数をκとした場合、第３
ポートＰ₃ 、第４ポートＰ₄ の電界Ｅ₃ 、Ｅ₄ は結合効
率κ及び挿入損失γによって決まり、数３、数４と書く
ことができる。

【００４１】

【数３】

【００４２】

【数４】

【００４３】ここでｊ＝ＳＱＲ（−１）である。これは
光が先に説明したクロスポートに結合する際、π／２の
位相変化に伴うことがモード結合理論から知られてお
り、またスルーポートに結合する場合、位相の変化が伴
わないからである。また、第３ポートＰ₃ の出力がリン
グ内に伝搬して第２ポートＰ₂ に到達するまでの変化を
記述すると、透過率の関係から数５を得られる。

【００４４】

【数５】

【００４５】但し、τはリング型光共振器７での光の周
回時間であり、τ＝ｎＬ／ｃの関係を有する。ｎはファ
イバコアの屈折率、Ｌはリング型光共振器長、ｃは光速
である。また、βはファイバ中に伝搬する光の位相速度
であり、βＬ＝ω₀ τの関係を有する。ηはリングの接
続損失であるが、第３ポートＰ₃ と第２ポートＰ₂ を融
着した場合、その損失が０．０１ｄＢ以下と小さいので
無視しても差し支えない。ここで求めたい入力パワーに
対する出力パワーの比率Ｔ（θ）は、Ｔ（θ）＝｜Ｅ₄
｜² ／｜Ｅ₁ ｜² である。定常状態に到達した場合、第
４ポートＰ₄ の出力パワーＥ₄ は数６で表すことができ
る。

【００４６】

【数６】

【００４７】数６において係数Ａ、Ｂ、ξは数７で表さ
れ、χはガスによる吸収率、ＧはＥＤＦＡ３の利得係数
である。

【００４８】

【数７】

【００４９】また、位相変動φ（ｔ）はローレンツ型を
仮定すると、位相関数φ（ｔ）は指数関数の減数形の自
己相関関数（瞬間コヒーレント）δとなり、数８を計算
すると数９が得られる。

【００５０】

【数８】

【００５１】

【数９】

【００５２】但し、演算子＜…＞は時間平均を求めるも
のとする。△ωは入力レーザ光の線幅△νの２π倍との
関係がある。よって、定常状態において、出力電界の平
均パワーと入力電界との平均パワーの比率は数６から透
過率Ｔ（φ）は数１０と書くことができる。但し、係数
について数１１、１２、１３を適応する。

【００５３】

【数１０】

【００５４】但し、係数について数１１、１２、１３を
適応する。

【００５５】

【数１１】

【００５６】

【数１２】

【００５７】

【数１３】

【００５８】数１０から入出力のパワー比｜Ｅ₄ ｜² ／
｜Ｅ₁ ｜² はｓｉｎ² （φ／２）＝１の時最小値をと
る。即ち位相から来る共振条件はθ＝２（ｑ＋π／２）
のところにある。但し、q=1,2,3,... で、結合係数κか
ら来る共振条件はκ＝Ｍである。このことは入出力の電
界比が一般的には複素数であるため、共振条件において
それぞれ実数部及び虚数部がゼロにならなければならな
いことから実数部条件からはκ＝Ｍ、虚数部条件からは
θ＝２（ｑ＋π／２）が求められる。

【００５９】次にリング型光共振器７のフィネスを求め
る。フィネスも定義から、共振時入出力パワー比の最小
値（数１４）の半分の値となる時の位相値θの差△ｆ
（数１５）が求められる。

【００６０】

【数１４】

【００６１】

【数１５】

【００６２】横軸を周波数とした場合、共振ピークの間
隔ＦＳＲ(Free Spectral Range) を共振点における周波
数の半値半幅△ｆの比がフィネス(Finess)となる。数式
に表現するとＦＳＲ＝Ｃ／（ｎＬ）からフィネスＦは数
１６で表される。

【００６３】

【数１６】

【００６４】以上より、図４ではθが２（ｑ＋π／２）
と２（（ｑ＋１）＋π／２）の時に共振条件が満たさ
れ、リング型光共振器７に入射した光が同リング型光共
振器７内を周回し、その出力パワーは最小となる。また
図４において、点線はＴがｄＢｍ単位、実線は率（単位
無し）を表したものである。

【００６５】図３のガスセンサは以下に説明する微量気
体の検出方法のいずれにも使用できる構成であり、本発
明のガスセンサを構成する上で全ての部品を必要とする
わけではない。例えば検出方法１のみを行う場合はレー
ザダイオード９や２×１ＷＤＭ１２を必要としない構成
が可能である。検出方法２のみ行う場合はレーザダイオ
ード９を直接に光カップラ１の第１ポートＰ₁ に接続す
る構成が可能である。また検出方法に応じて偏波コント
ローラ１０、圧電変調素子（ＰＺＴ）１１、モニタ用光
カップラ８を付け加えたり外した各種構成が可能であ
る。例えば、図１、９、１０に示されるような構成があ
る。

【００６６】

【微量気体の検出方法１】図１に示したガスセンサにお
いて、ＬＤ９₁ 及びＬＤ９₂ 共にオフし（ＬＤが接続さ
れない図１０の状態でも良い）、ＥＤＦＡ３のボンピン
グパワーを制御して、ＥＤＦＡ３の自然放出光（以後Ａ
ＳＥ）をリング型光共振器７内に周回し、またＢＰＦ５
の透過中心波長を被測定用ガスの１つの吸収スペクトル
に合わせる。この場合、周回するＡＳＥのパワー分布
（波長に対するパワー分布）がＢＰＦ５によって設定さ
れた透過波長成分のみ周回する度にパワーが増幅され、
逆にその他の波長成分の光のパワーがどんどん減衰して
行くことから、ＢＰＦ５の設定中心波長成分のみパワー
が集中して、ＥＤＦＡ３のポンピングパワーが強い場合
には、リング型光共振器７内でＢＰＦ５の設定波長を中
心にしたリングレーザ発振が起きる。そして、リングレ
ーザの発振波長の出力が、ＧＣＭ４内に導入されたガス
の濃度、又は圧力の量によって変化する。この変化量を
フォトダイオード３０に接続したオシロスコープ３１、
或いはスペクトルアナライザ３１で測定することにより
ＧＣＭ４内のガス濃度又は圧力を検出することができ
る。

【００６７】上記方法においては、ＢＰＦ５の中心波長
透過帯域幅が少なくとも１ｎｍ以下の特性とすると、よ
り発振制御しやすい安定なレーザ光が得られる。さら
に、ＥＤＦＡ３のボンピングパワーをレーザ発振閾値近
傍に設定すると、ガス吸収の検出において、吸収量のen
hancement を大きくすることができる。

【００６８】

【微量気体の検出方法２】図３に示したガスセンサから
光ファイバ型偏波コントローラ１０、リング共振器長制
御用圧電変調素子（ＰＺＴ）１１、モニタ用光カップラ
８を外した図１のガスセンサにおいて、ＧＣＭ４内を真
空状態にし、次に２×１ＷＤＭ１２を介さずに直接にＬ
Ｄ９₁ の光をカップラのポートを経由してリング型光共
振器内に導入する。ＢＰＦ５はその透過中心波長をＬＤ
９₁ の発振波長に合わせ、またリング型光共振器７の長
さ及びＥＤＦＡ５の増幅度を適切に設定して同リング型
光共振器７の共鳴周波数がＬＤ９₁ の発振波長に一致さ
せ、ＬＤ９₁ はその発振周波数を安定させるためにフイ
ードバック制御を行う。さらに、リング型光共振器７内
の伝搬光の偏波状態を制御するための光ファイバ型偏波
コントローラ１０とガス吸収をモニタリングするための
ＰＺＴ１１をリング型光共振器７内に挿入する。そして
ＰＺＴ１１をスキャンしながら、光カップラ１の第４ポ
ートＰ₄ の光をフォトダイオード３０により受光し、フ
ォトダイオード３０の電気信号をオシロスコープ３１に
より測定する。但し、ＬＤ９₁ の波長は被測定用ガスの
１つの吸収スペクトル成分に合わせておいた。次に被測
定用ガスをＧＣＭ４内に導入し、このとき出力信号にお
いてはガスの吸収によりリング型光共振器７の内の光に
対する損失分が増加する。その結果、前記のリング型光
共振器の共振条件がずれてしまうため、光の出力信号に
は光の強度及び共振周波数の線幅情報が変化する。この
変化量を測定することによりガスの濃度または圧力を算
出することができる。

【００６９】

【ガスセンサの駆動方法３】図１に示した構成のガスセ
ンサーにおいて、ＬＤ９₁ の波長λ₁ （又は周波数ν₁
＝光速／λ₁ ）を被測定用ガスの１つの吸収スペクトル
波長成分（同じλ₁吸収が生じる）に合わせ、ＬＤ９₂
の波長λ₂ （又は周波数ν₂ ＝光速／λ₂ ）には被測定
用ガスの吸収スペクトルにない波長に設定する。この場
合ＬＤ９₁ 及びＬＤ９₂ の発振周波数を安定化させるた
めのフイードバック制御も行う。但し、波長λ₁ と波長
λ₂ とはν₂ ＝ｍν、ＦＲＳ＋ν₁ の関係を有し、且つ
νＦＳＲとはリング型光共振器７の共鳴周波数の間隔で
あって、ｍは正の整数である。また、この場合、リング
型光共振器７内のＢＰＦ５を外し、その代わりにリング
を周回する光をモニタリングするための高結合効率の光
ファイバカップラ（モニタ用光カップラ）８を設け、リ
ング内のパワーをほんの一部だけ取り出して波長λ₁ 及
び波長λ₂ の光パワーを計測する。そしてＧＣＭ４内に
ガスがない場合の両波長λ₁ 、λ₂ の光出力強度を光カ
ップラ１の第４ポートＰ₄ 及び前記光カップラ８の出力
ポート９で光スペクトルアナライザ３２により測定して
おく。次に被測定用ガスをＧＣＭ４内に導入し、ＬＤ９
₁ 及びＬＤ９₂ から波長λ₁ 及び波長λ₂ の光をリング
型光共振器７内に入射させ、各々の光をＧＣＭ４に通過
させる。この場合、波長λ₁ の光のみガスの吸収を受け
るので、波長λ₁ の光の出力強度は減衰されるが、波長
λ₂ の光は減衰されず、従って、波長λ₁ 及び波長λ₂
の光の出力強度の比を求めることにより、被測定用ガス
の濃度または圧力を算出することができる。

【００７０】

【実施例】図３の構成のガスセンサを以下のパラメータ
ーを用いて作製し、１．５μｍ帯域に吸収を示すアセチ
レンガスを試料としたときの結果を以下に説明する。光カップラ１の結合効率κ ：０．９９光カップラ１の挿入損失γ₀ ：０．３［ｄＢ］リング全長：１５［ｍ］ループ損失：４［ｄＢ］ファイバコアの屈折率：１．４５伝搬損失α0 ：０．２［ｄＢ／Ｋｍ］入射光波長λ ：１．５３２８４［μｍ］（アセチレンのＰ（１３）の吸収線に対応、ＰはＰブラ
ンチ、１３は回転量子数Ｊの番号）ＥＤＦＡ３のゲインの設定値（κ＝Ｍとなる）：
２．６６５５位相の自己相関関数δ ：１（単色光とした）波長に対する伝搬定数β及び長さＬの積βＬ：８９
１８４５５．０３１９［ｒａｄ］モードの次数：ｑ＝１４１９４１６３共振点の位相値：２ｑπ＋π＝８９１８４５５９．
５５１、２ｑπ＝８９１８４５５６．４０９

【００７１】また、リング型光共振器７のフィネスを高
くし且つ安定な共振状態を得るために、結合係数κを
０．９９の値を有する光カップラ１を用いた。図５、
６、７に結合係数κ、共振結合係数Ｍ及びＥＤＦＡ３の
利得係数Ｇを変化させた場合に対する共振器７の透過率
Ｔ及び数１６に定義したフィネスの関係を示してある。
これらの特性図からκ、Ｍ及びＧの最適値を選択した。
以下はＦＳＲ、半値半幅（ＨＷＨＭ）、フィネスＦ及び
透過率Ｔの値である。ＦＳＲ：１３．７８３５６１［ＭＨｚ］リング型光共振器７の半値半幅△ｆ：約４４［ｋＨ
ｚ］リング型光共振器７のフィネスＦ：３１３共振点に於けるＴ（θ）：約−５６．７［ｄＢ］Ｍの値：０．９９００３０１

【００７２】このリング型光共振器７のＧＣＭ４に、吸
収率χを有する被測定用ガスを入れた場合の各特性に対
する変化は図８に示す通りであり、各々の吸収率χに対
応した濃度のガスをリング型光共振器７内のＧＣＭ４に
導入した場合、出力光の透過率Ｔ及びフィフイネスＦが
図８のように変化することから、これらの変化をモニタ
リングすることによりガスの濃度、または圧力を吸収率
から換算して求めることができる。

【００７３】被測定用ガスとしてアセチレンガスを用い
て検出実験を行った。但し、この実験では検出方法によ
る変化が大きいため、実施例を３つに分けて記述する。

【００７４】

【前記検出方法１を用いた場合】図１に示した光ファイ
バリング型光共振器型のガスセンサにおいて、ＬＤ９₁
びＬＤ９₂ 共に停止し（取り外した状態、例えば図９の
ような構成にしても良い）、ＥＤＦＡ３のポンピングパ
ワーを制御して、ＥＤＦＡ３のＡＳＥをリング型光共振
器７内に周回させる。ＢＰＦ５はその透過中心波長をア
セチレンガスのＰ（１３）の吸収スペクトル波長１．５
３２８４μｍに合わせておく。次に、ＥＤＦＡ３のポン
ピングパワーをリングレーザ発振閾値近傍の強さに設定
して、リングレーザ発振を引き起こし、リングレーザの
光強度をカップラ１の第４ポートＰ₄ 接続したオシロス
コープ３１又はスペクトルアナライザ３２により測定す
る。但し、まだこの時点ではＧＣＭ４内は真空状態であ
る。そして次に、アセチレンガスをＧＣＭ４内に導入す
る。この場合、リングレーザの内部損失（共振器内全損
失）がＧＣＭ４内のガスによる吸収で増加して、リング
レーザの出力が低下する。この低下量はガスの濃度又は
圧力に依存するため、レーザ光の出力強度をモニタリン
グすることによりガスの濃度、又は圧力の変化量を検出
することができる。なお、リングレーザの発振波長の分
布を狭くするため、ＢＰＦ５の中心透過波長帯域幅は１
ｎｍ以下とし、ＥＤＦＡ３のボンピングパワーは発振閾
値近傍に設定した。

【００７５】そして、吸収率として、ＧＣＭ４内にガス
がない時の光出力パワーとガスが存在しているときの光
出力パワーの比を定義すると、吸収率を算出してその吸
収率からリングレーザの出力パワーとガスの濃度による
吸収能力、即ちリングレーザ内部損失の関係から、出力
パワーを濃度に換算することができる。図１１は、閾値
近傍で発振しているリングレーザに対するアセチレンガ
スの有無吸収における出力スペクトル特性であり、同図
から明らかにガスがある場合とない場合とでリングレー
ザの出力パワーに変化が生じていることが分かる。な
お、図１１において、ガスの圧力をパラメーターとした
が、理想気体方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）を用いれば、ガス
の圧力から濃度が分かり、また圧力による出力変化が明
らかということは、逆に出力をキャリブレーションをし
ておけば、出力から圧力、そして濃度を求められる。

【００７６】

【前記検出方法２を用いた場合】ＧＣＭ４内を真空状態
にし、ＷＤＭ素子１２を介さずに直接にＬＤ９₁ の光を
光カップラ１の第１ポートＰ₁ を経由してリング型光共
振器７内に導入する。ＢＰＦ５はその透過中心波長をＬ
Ｄ９₁ の発振波長λ₁ ＝１．５３２８４μｍ（アセチレ
ンのＰ（１３）の吸収スペクトル波長に対応）に合わせ
ておき、また、リング型光共振器７の長さ及びＥＤＦＡ
３の増幅度をリング型光共振器７の共鳴周波数を先に記
載した値に設定した。また、ＬＤ９₁ はその発振周波数
を安定させるために通常のレーザ安定化手投を用いた。

【００７７】例えば、ファイバを圧電素子（ＰＺＴ）で
作ったリングに巻いておき、この圧電素子の直径をコン
トロールしたり、光源の周波数をコントロールしたり、
何れかを行う。共振点に周波数がちょうど一致している
かどうかを知るためには、光源の周波数、或いは共振器
長を正弦波で変調しておいて共振器出力中のこの変調成
分を同期検波で測定し、それが零になるようにコントロ
ールをかけるのがフィードバック（帰還制御）である。
次に、リング型光共振器内に伝搬する光の偏波状態を制
御するための光ファイバ型偏波コントローラ及びガス吸
収をモニタリングするためのリング型光共振器長制御用
圧電変調素子（以降ＰＺＴ）をリング型光共振器７内に
挿入する。そしてＰＺＴをスキャンすることにより、カ
ップラの出力ポートＰ₄ に光をフォトダイオード素子
（以降ＰＤ）により受光し、ＰＤの電気信号をオシロス
コープより測定する。次にサンプルガスをＧＣＭ４内に
導入し、このとき前記の出力信号がガスの吸収によりリ
ング型光共振器７の内の光に対する損失分が増加するた
め、共振条件がずれてしまい、光の出力信号には光の強
度及び共振周波数の線幅情報が変化する。この変化量を
測定してガスの濃度または圧力に換算してアセチレンガ
スの濃度を求めた。

【００７８】

【前記検出方法３を用いた場合】ＬＤ９₁ の波長λ₁ は
アセチレンのＰ（１３）の吸収線（１．５３２８４μ
ｍ）に合わせ、ＬＤ９₂ の波長λ₂ はアセチレンガスの
吸収スペクトルにない波長に設定する。例えばリング型
光共振器７の共振条件を考慮して、ν₂ ＝ｍνＦＲＳ＋
ν₁ の関係を満たすようにＬＤ９₂ を設定する。例え
ば、ｍ＝１０００とした場合、λ₂ は１．５３１７６μ
ｍとなる。なお、望ましくはＬＤ９₁ 及びＬＤ９₂ の発
振周波数を安定化させるためのフィードバック制御も行
う。この場合ではリング型光共振器７内のＢＰＦ５を外
し、その代わりにリング内周回する光パワーをモニタリ
ングするための高結合効率のモニタ用光カップラ８を設
け、同カップラ８でリング内のパワーを僅かに一部分の
み取出して波長λ₁ 及び波長λ₂の光パワーを計測す
る。図９はその構成系を示したものである。そしてＧＣ
Ｍ４内にガスがない場合の両波長λ₁ 、λ₂ の光出力強
度を光カップラ１、８の光出力端子において光スペクト
ルアナライザ３２により測定しておく。次にアセチレン
ガスをＧＣＭ４内に導入し、ＬＤ９₁ 及びＬＤ９₂ から
波長λ₁ 、λ₂ の光をリング型光共振器７内に入射さ
せ、それぞれの光をＧＣＭ４に通過させる。そして波長
λ₁ の光のみガスの吸収を受けるので、波長λ₁ の光の
出力強度は減衰を受けることとなる。それに対して波長
λ₂ の光は吸収を受けないので、前記のガス無し場合の
出力強度とは変化しないことになるので、波長λ₁ 及び
波長λ₂ の光の出力強度の比を求めることにより、ガス
の濃度又は圧力を算出することができる。なお、ここで
は強度比を測定したが、先に説明したようにＬＤ９₁ 及
びＬＤ９₂ の波長についてフィネス及び出力パワーの変
化を測定しても良いことは言うまでもない。

【００７９】

【発明の効果】本発明のガスセンサ及びそれを用いた微
量気体の検出方法によれば次のような効果がある。１．非常にコンパクトで実用的なガスセンサを簡単且つ
安価に構成することができる。２．測定再現性が高く、高感度、高精度である。３．リング型光共振器７内の設計を変えることにより、
各種入力用レーザを用いて多くガスに対して測定を行う
受動型のリング型光共振器型ガスセンサを構成できる。４．能動型、即ちリングレーザ型ガスセンサでは、挿入
するＢＰＦ５を可変して、広い波長スペクトル領域にお
いて多くのガスの固有吸収スペクトルに対応することが
できる。例えば、実施例記載のＥＤＦＡ３を用いた場
合、１．５μｍ帯域では、アセチレンガス、二酸化炭
素、一酸化炭素、水、ＮＨ₃ 、等多くのガスに対応でき
る。５．エルビムをドープした光ファイバ増幅器３の代わり
にその他の希土類イオンをドープした光ファイバを用い
て、同様な構成を用いれば、より多くの波長帯域に応用
できることが言うまでもないが、一例として、Ｎｄイオ
ンでは１．３２〜１．３５μｍ、Ｅｒイオンでは１．５
２〜１．５７μｍ、Ｈｏイオンでは１．３８μｍ、Ｙｂ
イオンでは１．０８４μｍ、Ｔｍイオンでは１．４７μ
ｍ、１．９６〜２．０８μｍ、Ｐｒイオンでは０．６３
５μｍ，１．３１２μｍ近傍、など多くの波長帯域に波
長可変リングレーザを構成することができる。６．測定できる圧力即ち濃度の範囲が非常に広いため、
大きなダイナミックレンジを有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスセンサの第１の構成例を示した概
略図。

【図２】本発明のガスセンサに使用するガスセルモジュ
ールの一例を示した斜視図。

【図３】本発明のガスセンサの第２の構成例を示した概
略図。

【図４】位相項θの変化に対する出力透過特性の変化を
示した説明図。

【図５】光カップラの結合効率κに対する透過率Ｔ
（θ）及びフィネスの変化を示した説明図。

【図６】共振結合係数に対する出力透過率Ｔ（θ）及び
フイネスの変化を示した説明図。

【図７】ＥＤＦＡの増幅利得係数Ｇによる出力透過率Ｔ
（θ）の変化を示した説明図。

【図８】ガスの分子吸収率によるＴ（θ）、フイネス及
び共振結合係数Ｍの変化を示した説明図。

【図９】本発明のガスセンサの第３の構成例を示した概
略図。

【図１０】本発明のガスセンサの第４の構成例を示した
概略図であり、リングレーザ型の例。

【図１１】（ａ）、（ｂ）はボンピングパワーを閾値近
傍に設定した時の吸収スペクトルの出力特性の異なる例
を示した説明図。

【符号の説明】

１光カップラ２アイソレータ３光ファイバ増幅器４ガスセルモジュール５バンドパスフィルタ６光ファイバ７リング型光共振器８モニタ用光カップラ９レーザダイオード１０光ファイバ型偏波コントローラ１１リング共振器長制御用圧電変調素子１２合分波器２０筐体２１レーザ通過孔２２封止ガラス２３光ファイバ２４ガス導入孔２５ガス排出孔２６接続部２７突子２８レンズホルダ２９フェルール３０光ファイバピッグテール型コネクタ３１ガス配管接続用コネクタ３２フェルールスリーブ３３ネックカバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹内延夫東京都世田谷区羽根木１−29−18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光カップラ（１）の１つの入力ポート（Ｐ
₂ ）と１つの出力ポート（Ｐ₃ ）間を、光ファイバ増幅
器（３）、ガスセルモジュール（４）等を介して光ファ
イバ（６）でリング状に接続して、前記光ファイバ増幅
器（３）によりレーザ発振可能なリング型光共振器
（７）を構成し、前記光カップラ（１）の他の出力ポー
ト（Ｐ₄ ）又はリング型光共振器（７）に別途設けたモ
ニタ用光カップラ（８）の出力ポート（Ｐ₅ ）を観測用
のポートとしてなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】光カップラ（１）の１つの入力ポート（Ｐ
₂ ）と１つの出力ポート（Ｐ₃ ）間を、光ファイバ増幅
器（３）、ガスセルモジュール（４）等を介して光ファ
イバ（６）でリング状に接続してリング型光共振器
（７）を構成し、前記光カップラ（１）の他の入力ポー
ト（Ｐ₁ ）に、リング型共振器（７）内にレーザ光を入
力可能なるようにレーザダイオード（９）を接続し、前
記光カップラ（１）の他の出力ポート（Ｐ₄ ）又はリン
グ型光共振器（７）に別途設けたモニタ用光カップラ
（８）の出力ポート（Ｐ₅ ）を観測用のポートとしてな
ることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】光カップラ（１）の１つの入力ポート（Ｐ
₂ ）と１つの出力ポート（Ｐ₃ ）間を、光ファイバ増幅
器（３）、ガスセルモジュール（４）等を介して光ファ
イバ（６）でリング状に接続してリング型光共振器
（７）を構成し、前記光カップラ（１）の他の入力ポー
ト（Ｐ₁ ）に、リング型光共振器（７）内に異なる波長
のレーザ光を入力可能なるように２つのレーザダイオー
ド（９）を合分波器（１２）を介して接続し、前記光カ
ップラ（１）の他の出力ポート（Ｐ₄ ）又はリング型光
共振器（７）に別途設けたモニタ用光カップラ（８）の
出力ポート（Ｐ₅ ）を観測用のポートとしてなることを
特徴とするガスセンサ。
【請求項４】前記リング型光共振器（７）の途中にアイ
ソレータ（２）を設けたことを特徴とする請求項１乃至
請求項３記載の夫々のガスセンサ。
【請求項５】前記リング型光共振器（７）の途中にバン
ドパスフィルタ（５）を設けたことを特徴とする請求項
１乃至請求項４記載の夫々のガスセンサ。
【請求項６】前記リング型光共振器（７）の途中に光フ
ァイバ型偏波コントローラ（１０）と、リング共振器長
制御用圧電変調素子（１１）を設けたことを特徴とする
請求項１乃至請求項５記載の夫々のガスセンサ。
【請求項７】ガスセルモジュール（４）は、被計測ガス
に反応しないか又は反応しにくい材料で形成された筐体
（２０）に、同筐体（２０）内をレーザ光が通過可能な
レーザ通過孔（２１）が貫通され、レーザ通過孔（２
１）の両端開口部の夫々に封止ガラス（２２）が設けら
れ、各封止ガラス（２２）の外側に光ファイバ（２３）
が接続された光ファイバピッグテール型コネクタ（３
０）を取り付けて、それを通してレーザ通過孔（２１）
内へのレーザ光の入力、レーザ通過孔（２１）から出射
されるレーザ光の受光を可能とし、前記筐体（２０）に
ガス導入孔（２４）及びガス排出孔（２５）が前記レー
ザ通過孔（２１）と連通するように開口され、ガス導入
孔（２４）及びガス排出孔（２５）の開口部にガス配管
接続用コネクタ（３１）を接続可能な接続部（２６）が
形成されてなり、前記レーザ通過孔（２１）内はガス導
入孔（２４）及びガス排出孔（２５）を通して真空引き
可能であり、同レーザ通過孔（２１）内にガス導入孔
（２４）から被測定用ガスを導入可能としたことを特徴
とする請求項１乃至請求項６記載の夫々のガスセンサ。
【請求項８】ガスセルモジュール（４）は、被計測ガス
に反応しないか又は反応しにくい材料で形成された筐体
（２０）に、同筐体（２０）内をレーザ光が通過可能な
レーザ通過孔（２１）が貫通され、レーザ通過孔（２
１）の両端開口部の夫々に封止ガラス（２２）が設けら
れ、各封止ガラス（２２）の外側に、円筒状の突子（２
７）が形成され、各突子（２７）にレンズ入りのレンズ
ホルダ（２８）が挿入され、各レンズホルダ（２８）に
光ファイバ（２３）のフェルール（２９）が接続され、
レンズホルダ（２８）と円筒状の突子（２７）の接合部
分及びレンズホルダ（２８）とフェルール（２９）の接
合部分が溶接され、前記フェルール（２９）全体がフェ
ルールスリーブ（３２）、ネックカバー（３３）等によ
り保護されて光ファイバピッグテール型コネクタ（３
０）が構成され、前記筐体（２０）に、前記レーザ通過
孔（２１）と連通するガス導入孔（２４）及びガス排出
孔（２５）が開口され、ガス導入孔（２４）及びガス排
出孔（２５）の開口部にガス配管接続用コネクタ（３
１）を接続可能な接続部（２６）が形成されてなり、前
記レーザ通過孔（２１）内はガス導入孔（２４）及びガ
ス排出孔（２５）を通して真空引き可能であり、同レー
ザ通過孔（２１）内にガス導入孔（２４）から被測定用
ガスを導入可能としたことを特徴とする請求項１乃至請
求項７記載の夫々のガスセンサ。
【請求項９】請求項１乃至請求項８記載の夫々のガスセ
ンサを使用し、同ガスセンサにおける光ファイバ増幅器
（３）のポンピングパワーを制御して発振していない自
然放出光又は発振したレーザ光をリング型光共振器
（７）内に導入して同リング型光共振器（７）内を周回
させると共にガスセルモジュール（６）内を通過させ、
ガスセルモジュール（６）内が真空のときと被測定用ガ
スが導入されてガス吸収が生じたときとの前記自然放出
光又はレーザ光の強度変化を、観測用ポートを通してフ
ォトダイオード、スペクトルアナライザ等により測定し
て、被測定用ガスの濃度又は圧力を検出することを特徴
とする気体検出方法。
【請求項１０】請求項１乃至請求項８記載の夫々のガス
センサを使用し、同ガスセンサにおけるリング型光共振
器（７）中のバンドパスフィルタ（５）の透過中心波長
が被測定用ガスの１つの吸収スペクトルと一致するよう
にし、光ファイバ増幅器（３）のポンピングパワーを制
御して発振していない自然放出光又は発振したレーザ光
をリング型光共振器（７）内に導入して同リング型光共
振器（７）内を周回させると共にガスセルモジュール
（６）内を通過させ、ガスセルモジュール（６）内が真
空のときと被測定用ガスが導入されてガス吸収が生じた
ときとの前記自然放出光又はレーザ光の強度変化を、観
測用ポートを通してフォトダイオード、スペクトルアナ
ライザ等により測定して、被測定用ガスの濃度又は圧力
を検出することを特徴とする気体検出方法。
【請求項１１】請求項１乃至請求項８記載の夫々のガス
センサを使用し、同ガスセンサにおけるリング型光共振
器（７）中のバンドパスフィルタ（５）の透過中心波
長、リング型光共振器（７）の共鳴波長、レーザダイオ
ード（９）の発振波長が被測定用ガスの１つの吸収スペ
クトルと一致するようにし、レーザダイオード（９）か
らのレーザ光を光カップラ（１）を介してリング型光共
振器（７）内に導入して同リング型光共振器（７）内を
周回させると共にガスセルモジュール（６）内を通過さ
せ、ガスセルモジュール（６）内が真空であるときと被
測定用ガスが導入されて吸収が生じたときとの前記レー
ザ光の強度及び共振周波数の線幅情報の変化量をフォト
ダイオード、スペクトルアナライザ等で測定して、被計
測用ガスの濃度又は圧力を検出することを特徴とする気
体検出方法。
【請求項１２】請求項３乃至請求項８記載の夫々のガス
センサを使用し、同ガスセンサにおける一方のレーザダ
イオード（９）発振波長が被測定用ガスの１つの吸収ス
ペクトルに一致し、他方のレーザダイオード（９）の発
振波長が被測定用ガスの吸収スペクトルから外され、且
つ２つの波長がν₂ ＝ｍν、ＦＲＳ＋ν₁ の関係（νは
光の周波数、ＦＳＲはリング型光共振器の共鳴周波数の
間隔、ｍは正の整数）を有するようにし、前記２つのレ
ーザダイオード（９）から異なる波長のレーザ光を光カ
ップラ（１）を介してリング型光共振器（７）内に導入
して同リング型光共振器（７）を周回させると共にガス
セルモジュール（６）内を通過させ、ガスセルモジュー
ル（６）内が真空であるときと被測定用ガスが導入され
て吸収が生じたときとの両波長光の出力強度の比から、
被測定用ガスの濃度又は圧力を検出することを特徴とす
る気体検出方法。
【請求項１３】請求項９又は請求項１０記載の気体検出
方法において、ガスセンサにおけるリング型光共振器
（７）中の光ファイバ増幅器（３）のボンピングパワー
をレーザ発振閾値近傍に設定して被測定用ガスの検出を
行うことを特徴とする気体検出方法。
【請求項１４】請求項１０記載の気体検出方法におい
て、ガスセンサにおけるリング型光共振器（７）中のバ
ンドパスフィルタ（５）の中心波長透過帯域幅を少なく
とも１ｎｍ以下の特性に設定することを特徴とする気体
検出方法。