JPH10332584A

JPH10332584A - リングレーザ型ガスセンサ

Info

Publication number: JPH10332584A
Application number: JP14550197A
Authority: JP
Inventors: Akira Mugino; 明麦野; Kazuhiro Kondo; 和弘近藤; 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: 1997-06-03
Filing date: 1997-06-03
Publication date: 1998-12-18

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化、高感度化、感度の安定化。【解決手段】光カップラ１、光アイソレータ２、光フ
ァイバ増幅器３、ガスセルモジュール４、バンドパスフ
ィルタ５を光ファイバ６でリング状に接続して光ファイ
バ増幅器３によるポンピングパワーでレーザ発振可能な
リング型光共振器７を構成すると共に、同共振器７の入
力ポートＰ₂ と光ファイバ増幅器３との間にガスセルモ
ジュール４のみ存在する区間を設ける。或いは前記共振
器７の入力ポートＰ₂ と光ファイバ増幅器３との間にガ
スセルモジュール４及びバンドパスフィルタ５のみ存在
する区間を設け、且つ同区間では出力ポートＰ₃ 側から
光ファイバ増幅器３→バンドパスフィルタ５→ガスセル
モジュール４→光カップラ１の配列順序とする。或い
は、前記共振器７の入力ポートＰ₂ と光ファイバ増幅器
３との間に光フアイバ６以外に前記の他の光部品が配置
されていない区間を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微量な気体分子の検
出や濃度測定、圧力測定に利用されるリングレーザ型ガ
スセンサ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一つにレー
ザを用いたレーザ分光学手法がある。この手法はガス
（検出の対象となるガス）が導入された特殊なセルにレ
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
たセル（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、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セルを通過
して外部に出射されるレーザ光の出力強度は減衰され、
セル内におけるガス吸収量ΔＩは、レーザ光の強度をＩ
₀ 、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と近似することができる。但し、αｌ≪１の場合であ
る。しかしガスによる吸収を受けた透過光を検出器で直
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程度の吸収しかできな
い。そこで検出感度を高めたり、別の検出器を用いて吸
収量を別の検出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
収力の計測は困難となる。

【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100 〜10
000 倍の吸収の強調(enhancement) ができると言われ
る。

【０００６】この方法では、パルス発振又はＣＷ（連続
波）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
よっては微妙に実態が変わってくる。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している。こ
れがＦＭＳ法である。

【０００８】また、最近光通信分野の急激な発展に伴
い、長距離伝送に使われている1.５μｍ長帯域のエルビ
ウムドープ光ファイバ増幅器（以降ＥＤＦＡ）を応用し
た光ファイバ型のセンサも多く提案されており、例え
ば、光ファイバリング共振器を用いた光ファイバジャイ
ロ、温度センサ、圧カセンサ、応力または歪みセンサ等
もある。

【０００９】

【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成
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。

【００１０】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課題がある。ガスの吸
収係数α（また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、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＝Ｐ_min となる。これを微分し、ｎを求めると、ｎ＝-1/2ln( Ｒ) 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、実用性等の課題を抱えている。

【００１１】前記ｌＣＬＳ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特殊
な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、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
とは限らない等の課題がある。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、再現性も課題となる。

【００１２】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
なっていることがＦＭＳ法の課題である。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決すべ
く、本件発明の発明者である麦野らは応用物理学会の分
科会である日本光学会主催の光学連合シンポジウム福
岡’９６において論文（6aC03 ）「光ファイバ増幅器と
ガスセルモジュールによる全光ファイバ型の微量気体検
出」を発表した。またガスセンサ及びそれを用いた気体
検出方法（平成９年特許願４８１８６号）として特許出
願した。この方法は図１４に示されるように、２×２の
光カップラの入力ポートＰ₂ と出力ポートＰ₃ 間を、光
ファイバ増幅器３、ガスセルモジュール４、バンドパス
フィルタ５、光アイソレータ２、モニタ用光カップラ８
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、このリング型光共振器７内に外部光
源LD（９₁ 、９₂ ）で発生されるレーザ光を周回させ
て、そのレーザ光を前記光カップラ１の他の出力ポート
Ｐ₄ 又はモニタ用光カップラ８の出力ポートＰ₅ で観測
するというものであり、図１５に示されるようなガスセ
ルモジュール４内に気体を導入した際の光の変化をスペ
クトラムアナライザ等で検知するというものである。

【００１４】しかしながら、前記方法（平成９年特許願
４８１８６号）は他の方法に比較して優れた能力を持つ
が、しいて挙げれば以下のような課題があった。

【００１５】１．外部光源が１つである場合：これは光
路長の短いガスセルモジュール４をリング型光共振器７
内に配置し、リング型光共振器７と共鳴した光だけが共
振器７内に周回するという特性を利用して、実効吸収長
（実効セル長）を光の周回数分だけ強調し、吸収効果を
高めるという方法であり、リング型光共振器７の敏感な
共振条件状態から、ガスを導入して吸収損失が発生した
際の、共振条件のズレを有効に利用するものである。即
ち、共振条件が満たされた状態から吸収損失によるズレ
が生じて、リング型光共振器７のフィネス及び光の出力
パワーが著しく変化する際の、フィネス又は出力パワー
をモニタリングすることにより、ガスの有無やガス濃
度、圧力等の物理量を検出するというものである。しか
し、リング型光共振器７の共振条件は外部光源９１、即
ちリング型光共振器７に入射する光の線幅（コヒーレン
ス度）によって大きく左右されるため、高感度を得るた
めには、外部光源９₁ の線幅の細さは少なくとも数十ｋ
Ｈｚ程度のものとしなければならない。また、外部光源
９₁ の周波数安定度も非常に高いレベルが要求される。
これはリング型光共振器７が非常に敏感な位相依存性を
示しているからである。安定しない外部光源９₁ のレー
ザ光ではリング型光共振器７の共振状態を安定に保つこ
とができないため、ガスの測定感度、安定度が著しく損
なわれる。

【００１６】２．外部光源が２つまたはそれ以上の場
合：この場合、外部光源９₁ 、９₂ の周波数の差はリン
グ型光共振器７のＦＳＲ（Free Spectral Range の略）
の整数倍に相当する必要がある。これはリング型光共振
器７内を周回させてガスセルモジュール４内のガスに吸
収効果を生じさせるため、外部から入射した光がリング
型光共振器７内に周回される必要があるからである。つ
まりリング型光共振器７内の周回光は、共振条件が満た
された光のみ周回が許されるため、適切な周波数条件が
満たされないと、外部光源９₁ 、９₂光はリング型光共
振器７内には入って行かず、そのまま出射されてしま
い、結果、ガス吸収にはなんの関与もせず、センサとし
て機能しなくなる。しかし、外部光源９₁ 、９₂ の光を
リング型光共振器７内に入射させるためには前記の共振
条件及び外部光源９₁ 、９₂ そのものの周波数の安定度
及びコヒーレンスを共に適切な状態に保持することが要
求され、非常に難しい制御が要求される。

【００１７】３．外部光源を用いず、光ファイバ増幅器
３の自然放出光を用いる場合：本件発明と同じ様なEDFA
３の自然放出光による能動型の検出方法が記載されてい
るが、図１４に示された構成では実用的なガスの検出は
難しかった。

【００１８】結局、前記長光路吸収法やＦＭＳ法のいず
れも測定系が大型で、コンパクトにならないという課題
があり、麦野らの提案ではコンパクトではあるが、多く
の制限要素が抱え、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。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、かつコンパクトな
ガス濃度検出装置、又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、測定制度の再現
性などの面が強く要求される中、現状を考えると上記の
方法では、実験室レベルであるため、工業上に対する要
求を実現することが依然難しかった。

【００１９】本件は上記の課題について、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段により、非破壊的なガ
ス濃度の検出またはガスの圧力（分圧を含む）モニタリ
ングする方法を開発した。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ものである。

【００２０】本発明のうち請求項１記載のリングレーザ
型ガスセンサは図１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、光アイ
ソレータ２、光ファイバ増幅器３、ガスセルモジュール
４、バンドパスフィルタ５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によるポンピ
ングパワーでレーザ発振可能なリング型光共振器７を構
成してなるリングレーザ型ガスセンサにおいて、前記リ
ング型光共振器７の入力ポートＰ₂ と光ファイバ増幅器
３との間にガスセルモジュール４のみ存在する区間を設
けたものである。

【００２１】本発明のうち請求項２記載のリングレーザ
型ガスセンサは図１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、光アイ
ソレータ２、光ファイバ増幅器３、ガスセルモジュール
４、バンドパスフィルタ５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によるポンピ
ングパワーでレーザ発振可能なリング型光共振器７を構
成してなるリングレーザ型ガスセンサにおいて、前記リ
ング型光共振器７の入力ポートＰ₂ と光ファイバ増幅器
３との間にガスセルモジュール４及びバンドパスフィル
タ５のみ存在する区間を設け、且つ同区間では出力ポー
トＰ₃ 側から光ファイバ増幅器３→バンドパスフィルタ
５→ガスセルモジュール４→光カップラ１の配列順序と
してなるものである。

【００２２】本発明のうち請求項３記載のリングレーザ
型ガスセンサは図１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、光アイ
ソレータ２、光ファイバ増幅器３、ガスセルモジュール
４、バンドパスフィルタ５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によるポンピ
ングパワーでレーザ発振可能なリング型光共振器７を構
成してなるリングレーザ型ガスセンサにおいて、前記リ
ング型光共振器７の入力ポートＰ₂ と光ファイバ増幅器
３との間に光フアイバ６以外に前記の他の光部品が配置
されていない区間を設けたものである。

【００２３】本発明のうち請求項４記載のリングレーザ
型ガスセンサは、請求項１記載のリングレーザ型ガスセ
ンサにおいて、リング型光共振器７の出力ポートＰ₃ と
光ファイバ増幅器３との間に配置される光アイソレータ
２、バンドパスフィルタ５及びモニタ用光カップラ８の
配列位置を任意としたものである。

【００２４】本発明のうち請求項５記載のリングレーザ
型ガスセンサは、請求項２記載のリングレーザ型ガスセ
ンサにおいて、リング型光共振器７の出力ポートＰ₃ と
光ファイバ増幅器３との間に配置される光アイソレータ
２及びモニタ用光カップラ８の配列位置を任意としたも
のである。

【００２５】本発明のうち請求項６記載のリングレーザ
型ガスセンサは、請求項３記載のリングレーザ型ガスセ
ンサにおいて、リング型光共振器７の出力ポートＰ₃ と
光ファイバ増幅器３との間に配置される光アイソレータ
２、ガスセルモジュール４、バンドパスフィルタ５及び
モニタ用光カップラ８の配列位置を任意としたものであ
る。

【００２６】本発明のうち請求項７記載のリングレーザ
型ガスセンサは、請求項１乃至請求項６の夫々に記載の
リングレーザ型ガスセンサにおいて、リング型光共振器
７内に配置するバンドパスフィルタ５は少なくとも２個
以上のバンドパスフィルタを直列接続してなり、少なく
とも中心透過波長の半値全幅が１ｎｍ以下の可変バンド
パスフィルタと同じく０．１ｎｍ以下の可変バンドパス
フィルタとを備えるものである。

【００２７】本発明のうち請求項８記載のリングレーザ
型ガスセンサは、請求項１乃至請求項７の夫々に記載の
リングレーザ型ガスセンサにおいて、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
トとしたものである。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１は本発明のリングレーザ型ガ
スセンサの実施の形態を示したものであり、請求項１乃
至請求項３に記載の夫々の代表的な構成をまとめて示し
たものである。即ち、location 1の光ファイバ増幅器
（ここではエルビウムドープファイバ増幅器（EDFA）を
使用）３とposition 1のバンドパスフィルタ（BPF ）５
との組み合わせを構成１、location 1のEDFA３とpositi
on 2のBPF ５との組み合わせを構成２、location 2のED
FA３とposition 1又はposition 2のBPF ５との組み合わ
せを構成３とし、構成１は請求項１の代表的な構成例、
構成２は請求項２の代表的な構成例、構成３は請求項３
の代表的な構成例となっている。

【００２９】前記各構成１〜３では、２×２の光カップ
ラ（光ファイバカップラ）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（以下EDFAと記載）３、バンドパスフィルタ（以下BP
F と記載）５と、図１５に示されるガスセルモジュール
（以下GCM と記載）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、或いは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。また前記
光ファイバ６にはモニタ用光カップラ８も接続してあ
り、同光カップラ８の出力ポートＰ₅ でもリング型光共
振器７内を周回する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。

【００３０】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。

【００３１】前記BPF ５は特性の異なるBPF を２つ直列
に接続したBPF セットであり、ここでは中心透過波長の
半値全幅が1.0nm の可変BPF （表１における第１のBPF
）と0.1nm 以下の可変BPF （表１における第２のBPF
）とを用いている。

【００３２】表１に前記リング型光共振器７内の各光学
部品の特性及び仕様をまとめて示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】前記各構成のリングレーザ型ガスセンサに
おいて、構成１及び構成２では、BPF （第１のBPF と第
２のBPF のセット）５の挿入位置によってリング型光共
振器７内で発振されるレーザの出力パワー及びスペクト
ルが変化する。具体的には、横成１の場合、EDFA３と光
カップラ１の入力ポートＰ₂ との間にGCM ４しかないた
め、光カップラ１の出力ポートＰ₄ より出力される光
に、EDFA３のブロードなASE 出力に対する被測定ガス
（サンプルガス）の吸収スペクトル情報（リング内では
第１BPF 、第２BPF によって切られる）が含まれ、この
場合、光カップラ１の出力ポートＰ₄ からはリング型光
共振器７内を周回する前に光カップラ１の出力ポートＰ
₄ からその結合比の分だけ光が出力される。

【００３５】構成２の場合、EDFA３と光カップラ１の入
力ポートＰ₂ との間にGCM ４と共にBPF ５があるため、
BPF ５で設定された中心波長に対して幅0.1nm 程度の分
布を持つ光しか光カップラ１より出力されず、設定透過
波長範囲外の吸収バンドに対する情報が失われてしまう
が、EDFA３のASE 成分がないため、レーザの出力特性を
解析するときにASE 成分を考慮しなくてもすむというメ
リットがある。但し、構成１に比べて、出力ポートＰ₄
の出力光パワーはBPF ５の損失分だけ低くなる。

【００３６】構成３の場合、BPF ５の配置による制限は
受けず、またEDFA３と光カップラ１の入力ポートＰ₂ と
の間に挿入損失がないため、最大の発振効率が得られ
る。しかし、GCM ４に入力される光がBPF ５を通過した
後の光であるため、透過帯域以外のスペクトル情報が構
成２と同様に失われてしまう。構成３の場合、レーザの
出力が高く、S/N 比（信号対雑音比）が高いが、センサ
の感度面では後述の計算結果からもわかるように、圧
力、濃度等に対するレーザの出力パワーが線形比例す
る。それに比べて、構成１及び構成２では圧力、濃度等
に対するレーザの出力パワーは非線型比例となるので、
感度の面では構成１及び構成２の方が構成３より高い。
しかし、線形性を注目する場合、測定結果等の解析が簡
単などの観点では構成３の方が有利である。

【００３７】以上の事から構成１、構成２及び構成３の
何れも優れた特性を持つリングレーザ型ガスセンサとな
る得ることがわかる。なお、比較のため、以下に各構成
に対する理論解析及び実施例について説明する。

【００３８】

【動作原理及び特徴】上記３つの構成１、２、３のリン
グ型光共振器７で発振されるリングレーザは、発振波長
はBPF （２つのBPF で構成される）５の設定値によって
決まる。従って、BPF ５はこれを構成するBPF に可変型
を採用し、フィルタの透過中心波長をガスの吸収スペク
トル波長に一致させるように設定することで、リング型
光共振器７内を周回する光はGCM ４を通過する際、ガス
の有無、即ちガス吸収の強弱（ガスの濃度及び圧力に依
存）によって発振状態が変化する。これはレーザ発振の
場合、発振しきい値、出力パワー及び効率がキャビティ
内損失に敏感に依存するからである。また、リングレー
ザが発振した場合、高いコヒーレンスの光が共振器７内
を周回するため、短い光路長のGCM ４でも定常状態にお
いて光子寿命に決まる時間内にリング内を周回させるこ
とができる。よって共振器７のキヤビティ長が短く、キ
ヤビティ内部損失も小さいほど周回回数が多くなり、そ
の分GCM ４を通過する回数、即ち有効吸収長が長くな
る。従って、本構成のガスセンサは従来の長光路吸収型
ガスセンサと比較すると同様の感度を得るための光路長
をもちながらコンパクト化することができ、しかも複雑
なフイードバック系統を必要としないものとすることが
できる。

【００３９】

【理論解析】近年、Ｅｒ³⁺ドープファイバアンプ或いは
リングレーザに関する解析が盛んに行われている。本件
発明のリングレーザ型ガスセンサの場合、EDFA３のポン
ピング光源として1.48オmの半導体ＬＤを用いるため、エ
ルビムの遷移は⁴I_13/2と⁴I_15/2準位のみとなっており、
励起状態での吸収（ESA ）が無視できる。従来、この種
の解析では各準位での遷移確率から出発し、レート方程
式及び伝搬方程式を立てて、数値解析によりエルビムド
ープファイバの増幅特性を求めるのが一般的であった。
A.A.M.Saleh 、Th.Pfeiferらはエルビムドープファイバ
アンプ（EDFA）のゲイン特性（以下の文献A.A.M.Saleh
、R.M.Jopson、J.D.Evankov 、and H.Aspell、"Modeli
ng of gain in erbium doped fiber amplifiers, "IEEE
Photon. Technol. Lett., vol.2, pp.714-717, 1990.
及びTh.Pfeifer and H.Bulow, "Analytical gain equat
ion for erbium doped fiber amplifiers including mo
defield profiles and dopant distribution, "IEEE Ph
oton. Technol.Lett., vol.4, pp.449-451, May 1992.
等を参照）を記述するため、微少信号に対する吸収係数
及び蝕和パワーを与える方程式を提案し、EDFAのゲイン
を入力パワーとEDF 長の関数形としてまとまったゲイン
方程式を導出した。但し、この式は自然放出光（ASE ）
によって飽和されていない中程度の増幅器に対して近似
できる事を注意されたい。本解析ではこのアプローチに
沿って理論解析を行う。

【００４０】微少信号に対するゲイン方程式は下式のよ
うに書くことができる。

【００４１】

【数１】

【００４２】ここで、P_l ⁱⁿ(G) はEDF に入るパワーで、
G はEDF のゲイン、α_s,p はEDF のsignal及びpumping
光の吸収係数であり、EDF を測定することで簡単に求め
られる。また、α_s,p は

【００４３】

【数２】

【００４４】と与えられる。但し、σ_s,p はEDF のsign
alとpumping 波長に対する吸収断面積で、N はEr³⁺のイ
オン密度、Г_s,p はEDF のコア内の光とEr³⁺イオン分布
との重なり積分である。さらにλ_s,p はsignal及びpump
ing 光の波長で、Ppはボンピングパワー、G_maxは最大な
ゲインであって、

【００４５】

【数３】

【００４６】と定義され、δは信号とボンピングとの飽
和出力パワー比であり、

【００４７】

【数４】

【００４８】と定義され、ＬはEDF の長さである。ま
た、signal及びpumping の飽和出力パワーは

【００４９】

【数５】

【００５０】として定義される。飽和出力パワーは実際
にEDF を測定することにより求めることができる。例え
ば、0.98μm 帯のＬＤ光を用いると誘導放出はゼロとな
るので、

【００５１】

【数６】

【００５２】となる。さらに飽和パラメーターζを

【００５３】

【数７】

【００５４】と定義した場合、飽和出力パワーと関連付
けることによりζを数７より計算することができ、エル
ビムの有効ドーピング面積A_effを求めることができる。
また、ここでのσ_p,s ^eσ_p,s ^aとは夫々pumping 、又はsi
gnalに対する誘導放出断面積と吸収断面積である。EDF
の吸収係数α_p,s 及び利得係数g_p,s ^* を測定することに
より数２の関係を用いると各波長に対する断面積が求め
られる。

【００５５】以上各定義の関係をまとめると、つまり飽
和出力パワーP_p,s ^sat を測定することにより飽和パラメ
ータζを算出し、有効ドーピング面積から有効ドーピン
グ半径を求める。次に、ファイバコア内の光がガウシア
ン分布となっていることからEDF コア内の光の閉じ込め
分布と実効ドーピング半径a_effを用い、重なり積分Γ
_s,p を計算することができる。また、各波長における吸
収係数α及び利得係数g^*を測定することにより、下記

【００５６】

【数８】

【００５７】

【数９】

【００５８】数８及び数９の関係から吸収断面積及び誘
導放出断面積を求めることが出来る。従って、各パラメ
ーターが分かれば、EDF に入るパワーP_L ⁱⁿ(G) を求める
ことができる。ここで、測定された各パラメータの値を
表２にまとめた。

【００５９】

【表２】

【００６０】なお、図２は本センサを構成するEDFAに使
用したエルビムドープファイバの吸収係数及び利得係数
を波長1400nm〜1600nmまで0.2nm 刻みで測定した結果で
ある。

【００６１】また、ボンピング波長1.48μm の場合とア
セチレンのP(13) の吸収波長1.53284 μm における重な
り積分、吸収及び誘導放出断面積、飽和出力バワ一等の
値を表３に示した。

【００６２】

【表３】

【００６３】次に、定常状態におけるリングレーザの伝
搬方程式について議論する。まず、図１示したEDFAに入
るパワーP_L ⁱⁿが数１より求められるので、実際に光カッ
プラ１に出力されるパワーをP_L ^out とした場合、図１か
ら定常状態においてリングレーザ内に１周回する光（又
は光子）に対する損失及び利得を考えると、

【００６４】

【数１０】

【００６５】となる。ただし、Confは構成１、２及び３
に対するリング共振器の光部品の配置に対応した損失分
である。構成１→Conf = T_gascell ・（1-χ) 構成２→Conf = T_gascell ・（1-χ) ・T_BPF1&2 構成３→Conf = 1 ここで、T_gascellはGCM ４の透過率で、χはアセチレン
ガスの吸収率、T_BPF1&2はBPF セットの透過率である。

【００６６】さて、しきい値に達したとき、1.48μm の
ＬＤのポンピングから得られた利得Ｇが丁度リング共振
器を１周回した時に受けた損失分と等価した場合にレー
ザ発振が起きる。光が１周回後の透過率をT_RTL（RTL は
Round Trip Loss の略で、光カップラ１の結合係数κを
含まない）とし、G ・T_RTL・κ=1はリングレーザの発振
条件となる。この条件を数１１に代入して、さらに光カ
ップラ１の出力を線形代数の形式に書き直すと下記の数
１２が得られる。

【００６７】

【数１１】

【００６８】

【数１２】

【００６９】但し、ηはレーザの出力効率（スロープ）
で、P_p ^thはレーザヘのポンピングパワーである。さらに
T_RTLにはガス吸収による損失分が含まれており、数１３
となる。

【００７０】

【数１３】

【００７１】また、ガスに対する光の透過率T_gasは T_gas = (1-χ) = exp[- σac( λ) ・Ｎｃ・ｌ] として与える。なお、κ₂ はモニタ用光カップラ８の結
合率、T_coupler1&2 はモニタ用光カップラ８の挿入損失
を含んだ透過率、T_conはリング共振器内各光部品を接続
するためのコネクタ接続損失分に対する透過率、T_isoは
アイソレータの透過率である。α_F はリング型光共振器
７を構成する光ファイバの伝搬減衰定数、L_ring はリン
グ共振器の全ファイバ長である。σac( λ) は波長λに
対するアセチレンの吸収断面積である。Ncはアセチレン
ガスの分子密度、l はGCM ４の長さ（18.3mm）である。

【００７２】ガスの有無によって、リングレーザの出力
を計算することができる。また、Ncはガスの圧力、温度
及び配管内の体積等の物理条件に比例しているので、室
温、一定体積の容器内に高純度のアセチレンガスをGCM
４内に導入することにより、導入ガスの圧力を変えるだ
けでガス吸収に対するリングレーザの出力、しきい値及
び効率が求められる。ところで、レーザの出力特性をシ
ミュレーションするためにはアセチレンの吸収断面積を
知る必要がある。従って、異なる圧力に対し、リングレ
ーザ構成に使われた同じGCM で、EDFAのASE を光源とし
てGCM ４に１回のみ光を通過させ、その実効吸収率から
実効吸収断面積を求めた結果を表４に示す。

【００７３】

【表４】

【００７４】

【シミュレーション結果】前節の理論検討により、リン
グレーザの出力特性をシミュレーションするためのパラ
メーターをすべて求めた（図３では重なり積分の波長特
性を示した）。以下にその計算結果を説明する。まず数
１１にすべてのパラメーターを代入し、構成１について
計算した結果をそれぞれ図４、５に示す。図４において
横軸はボンピングパワー、縦軸はレーザの出力である。
パラメーターとして、アセチレンガスの圧力をゼロ（真
空状態で、ガスなしに対応）から１気圧(760Torr) まで
出力特性を調べた。

【００７５】図４から分かるようにガスの圧力が大きく
なるにつれてしきい値が大きくなり、効率も悪くなる。
このことはガスの圧力（農度と等価）を出力特性をモニ
タリングすることでガス濃度が検出できることを意味す
る。逆に横紬をガスの圧力にして縦紬をレーザの出力パ
ワーにしたものは図５である。

【００７６】図５から分かるように圧力が小さくなるに
つれてリングレーザの出力パワーが急激に大きくなる。
その変化は非線形的である。この傾向は数１２からConf
の項にかかったガス吸収が指数関数的な関係を持つこと
から（分母のＴ_RTL の（１−χ）と相殺して、結局Ｐ_L
ⁱⁿ （Ｇ）と比例することから、非線形的な変化を示す
こと）予想できる。従って、構成１及び２ではこの特性
がみられるが、横成３ではConfが１となってしまうた
め、この特性がみられない。即ち構成１及び２では低圧
力側において出力パワーの変化が急峻であり、高感度な
センシング機能を持つ。また、図５の計算では、アセチ
レンの実効吸収断面積が圧力に対して異なる（表４を参
照）ので、出力パワーは圧力に対してきれいに変化しな
い。また、図６、図７にはアセチレンガスの実効吸収断
面積を一定とした場合（１気圧時の値）の出力特性であ
る。図６では（ガスセル長の効果を示すため図５の２倍
長とした）圧力に対するレーザの出力は非常にきれいな
指数関係を示したのに対し、図７では指数関係とはなら
ず線形比例となっている。通常圧力が100Pa 程度では、
ガスの吸収スペクトル幅がほぽドップラ幅によつて決ま
るが、圧力が増大すると、圧力による衝突幅も効いてき
て、吸収断面積が必ずしも一定とは限らない。また、図
５、６からこのガスセンサの場合、ボンピングパワーが
35mW程度では圧力の測定できる範囲は0 から760Torr ま
でと広く、従来の周波数変調法や長光路吸収法ではでき
ない特徴を有する。なお、今回のガスセル長は18.3mmと
短いが、長さを２倍にするだけで低圧力側の立ち上がり
がより急峻になる（図６参照）ことが分かった。従っ
て、測定するガスの圧力（農度）範囲と測定の高感度化
（圧力が低くでも濃度を検出できることを指す）にはト
レードオフの関係となっており、両者の要求によって、
ガスセル長の最適値があることがわかった。一方、図５
〜７よりガス圧力に対し、特に低圧力側では僅かな圧力
変化が生じた場合、レーザの出力パワーが大きく変動す
ることから、ターゲットガスの圧力をモニタリング可能
であることがわかる。例えば混合ガス中にある特定のガ
スの分圧をモニタリングする場合、本センサを用いると
対象ガスの分圧変化をレーザの出力変化に変換すること
で圧力感度は現在の分圧センサより簡単に数桁精度良く
モニタリングすることができる。

【００７７】

【実施例１】構成１の実験系をセットアップし、サンプ
リングガスとして1.5 μm 帯域に吸収バンドが存在する
アセチレンガスを用いた。なお、この実施例ではアセチ
レンのＰブランチの吸収バンドのうち、回転量子数J が
J=13とあたる吸収スペクトルの波長にあわせて、BPF
（２つのBPF からなる）５を設定してリングレーザ型ガ
スセンサの動作確認をおこなった。制御するものはEDFA
のボンピングパワーのみであり、例えばそのボンピング
用1.48μm 波長の半導体ＬＤの出力パワーを徐々に上
げ、リングレーザの出力特性をモニタリングした。図８
はボンピングパワーに対する出力特性を示したもので、
図９は圧力に対する出力特性である。実測値（図８、
９）と理論計算値（図４、５）を比較してみるとレーザ
の出力パワー、しきい値及び効率と共に良く一致してい
ることがわかった。すなわち、構成１の場合、リングレ
ーザの出力パワー、または出力に対するボンピング効
率、またはレーザの発振しきい値パワー等の特性はガス
の濃度または圧力に比例して変化する。

【００７８】

【実施例２】構成２の実験系をセットアップし、サンプ
リングガスとして1.5 μm 帯域に吸収バンドが存在する
アセチレンガスを用いた。なお、この実施例ではアセチ
レンのＰブランチの吸収バンドのうち、回転量子数J=13
とあたる吸収スペクトルの波長にあわせて、BPF （２つ
のBPF からなる）５を設定してリングレーザ型ガスセン
サの動作確認をおこなった。制御するものはEDFA３のボ
ンピングパワーのみであり、ボンピング用1.48μm 波長
の半導体ＬＤの出力パワーを徐々に上げ、リングレーザ
の出力特性をモニタリングした。図１０、１１はその結
果であり、図１０はボンピングパワーに対する出力特
性、図１１は圧力に対する出力特性である。実測値（図
１０と理論計算値図６）を比較してみるとレーザの出力
パワー、しきい値及び効率と共に良く一致していること
がわかった。即ち、構成２の場合、リングレーザの出力
パワー、又は出力に対するボンピング効率、又はレーザ
の発振しきい値パワー等の特性はガスの濃度または圧力
に比例して変化する。

【００７９】

【実施例３】構成３の実験系をセットアップし、サンプ
リングガスとして1.5 μm 帯域に吸収バンドが存在する
アセチレンガスを用いた。なお、この実施例ではアセチ
レンのＰブランチの吸収トレンドのうち、回転量子数Ｊ
がJ = 13とあたる吸収スペクトルの波長にあわせて、 B
PF（２つのBPF からなる）５を設定してリングレーザ型
ガスセンサの動作確認をおこなった。制御するものはED
FA３のボンピンゲパワーのみであり、ボンピング用1.48
μm 波長の半導体ＬＤの出力パワーを徐々に上げ、リン
グレーザの出力特性をモニタリングした。図１０、１１
はその結果であり、図１０はボンピングパワーに対する
出力特性、図１１は圧力に対する出力特性である。実測
値（図１１ａ、１１ｂ）と理論計算値（図７ａ，７ｂ）
を比較してみるとレーザの出力パワー、しきし値及び効
率と共に良く一致していることがわかった。即ち、構成
３の場合、リングレーザの出力パワー、又は出力に対す
るポンピング効率、又はレーザの発振しきい値パワー等
の特性はガスの濃度又は圧力に比例して変化する。但
し、明らかに構成３の場合では、圧力に対するレーザの
出力の変化の仕方は線形的であることがわかる。

【００８０】

【実施例の全般的な注意】前記実施例１乃至実施例３に
おいて、BPF ５は何れの場合も1.0nm 及び0.1nmBPF を
直列に接続されたものであることを注意すべきである。
これはもし1.0nmBPF しか使わない場合、リングレーザ
発振において、図１２に示したような吸収波長と発振波
長とのずれが生じてしまい、センサとして使い物になら
ないからである。また、0.1nm のみ使うとすると、例え
ばアセチレンガスのような回転振動からくるほぼ等間隔
な吸収スペクトルを有したガスを測定する場合、0.1nm
のBPF のＦＳＲ幅が被測定ガスの吸収スペクトル間隔よ
りも狭いと、測定しようとする吸収スペクトルの中心波
長の周りに１本のみのレーザ発振とならない恐れがあ
る。例えば、0.1nm のBPF のＦＳＲの典型的な間隔は0.
3 〜0.4nm であり、0.6nm の吸収スペクトル間隔のアセ
チレンガスより、例えばP(13) の吸収スペクトルの両側
で共に発振するレーザモードが生じてしまうため、リン
グレーザの出力パワーには１本の吸収に絡むモードと２
本の吸収に絡まないモードの混在が生じるため、センサ
の機能を著しく劣化させてしまう問題が生ずる。従っ
て、２段又は２段以上のBPF を用いてリングレーザの発
振モードの単一化及び狭窄化によってレーザの発振波長
とガスの吸収波長とを一致させる事が極めて重要であ
る。図１３はこの２段のBPF 接続によるリングレーザ型
ガスセンサのレーザの出力とガスの圧力との関係を示し
たスペクトル出力である。従って、請求項７に記載の発
明が非常に重要な役割を負うこととなる。

【００８１】以上の例はリング型光共振器７を構成する
すべての光ファイバが単一モードとＥｒ³⁺ドープしたフ
ァイバであるが、偏波ファイバを用いることも可能であ
り、又は発振モードがＴＥ又はＴＭ偏波の共存によって
発振波長が不安定となった場合、リング内の任意の位置
にファイバ型偏波コントローラを入れることにより解決
することができる。

【００８２】

【発明の効果】本発明のリングレーザ型ガスセンサによ
れば、請求項１乃至請求項３に明示したリング型光共振
器７内の光学部品の配置構成により、３つの構成共に優
れたガス検出特性を有する。特にガス圧力（又は濃度）
に対して高感度で、且つレーザの出力パワーも良好であ
る優れた特性が得られた。さらに、バンドパスフィルタ
５のＨＷＨＭを狭窄化した２段又はそれ以上の構成を用
いることにより、レーザ発振しきい値以上のガス検出に
成功した。また、レート方程式及び伝搬方程式からリン
グレーザの出力特性を解析し、理論検討した結果と実験
結果とが良く一致し、理論面からも本件発明のガスセン
サが有効であることがわかった。また、本ガスセンサは
感度及び測定精度両方面共に優れていることがわかっ
た。さらに従来の周波数変調法や長光路吸収法等に比べ
て測定系が非常にコンパクトで、制御容易である上実用
性も優れており、商品化も容易等、多くのメリットを有
していることから、地球環境に対する大気汚染等の諸問
題に対し、各種気体の測定に優れた貢献をすることが期
待できる。

【００８３】以上についてまとめると、１．非常にコンパクトで実用的なガスセンサを簡単かつ
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、制御容易であ
る。３．リング型光共振器７内の設計を変えることにより、
各種のレーザを用いて多くのガスに対して測定を行う能
動型のガスセンサを構成できる。４．能動型で、即ちリングレーザ型ガスセンサでは、挿
入するBPF ５を可変かつそれらの透過中心波長の半値全
幅の値を選択することにより、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事
ができる。例えば、実施例記載のEDFAを用いた場合、1.
5オm 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．エルビウ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トープした光ファイバを
用いて同様のガスセンサを作れば、より多くの波長帯域
に応用できることは言うまでもないが、一例として、Ｎ
ｄイオンでは１．３２〜１．３５μｍ、Ｅｒイオンでは
１．５２〜１．５７μｍ、Ｈｏイオンでは１・３８μ
ｍ、Ｙｂイオンでは１・４７μｍ、１．９６〜２．０８
μｍ、Ｐｒイオンでは０．６３５μｍ、１．３１２μｍ
近傍、など多くの波長帯域に対して有効な波長可変リン
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】本発明のリングレーザ型ガスセンサの実施の形
態を示した説明図。

【図２】リングレーザ型ガスセンサを構成する光ファイ
バ増幅器におけるエルビウムドープファイバの吸収係数
及び利得係数を示した説明図。

【図３】波長に対する重なり積分の変化特性の説明図。

【図４】構成１のガスセンサにおける出力パワー特性と
ポンピングパワー特性の関係を示した説明図。

【図５】構成１のガスセンサにおいてアセチレンガスを
用いた場合の圧力に対する出力パワーの変化特性を示し
た説明図。

【図６】構成２のガスセンサにおいてアセチレンガスを
用いた場合の圧力に対する出力パワーの変化特性を示し
た説明図。

【図７】構成３のガスセンサにおいてアセチレンガスを
用いた場合の圧力に対する出力パワーの変化特性を示し
た説明図。

【図８】構成１のガスセンサにおけるポンピングパワー
に対する出力パワーの変化特性を示した説明図。

【図９】構成１のガスセンサにおけるガス圧に対する出
力パワーの変化特性を示した説明図。

【図１０】構成２のガスセンサにおけるガス圧に対する
出力パワーの変化特性を示した説明図。

【図１１】構成３のガスセンサにおけるガス圧に対する
出力パワーの変化特性を示した説明図。

【図１２】半値全幅1.0nm のBPF を用いたときのしきい
値以上の発振時のレーザ出力のスペクトルを示した説明
図。

【図１３】半値全幅0.1nm のBPF を用いたときのしきい
値以上の発振時のレーザ出力のスペクトルを示した説明
図。

【図１４】本件発明者らが先に開発したリングレーザ型
ガスセンサの説明図。

【図１５】図１４のリングレーザ型ガスセンサに使用さ
れるガスセルモジュールの説明図。

【符号の説明】

１光カップラ２光アイソレータ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Ｐ₂ 入力ポートＰ₃ 出力ポートＰ₄ 出力ポートＰ₅ 出力ポート

───────────────────────────────────────────────────── 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、光アイソレータ
（２）、光ファイバ増幅器（３）、ガスセルモジュール
（４）、バンドパスフィルタ（５）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）によるポンピングパワーでレーザ発振可能なリン
グ型光共振器（７）を構成してなるリングレーザ型ガス
センサにおいて、前記リング型光共振器（７）の入力ポ
ート（Ｐ₂ ）と光ファイバ増幅器（３）との間にガスセ
ルモジュール（４）のみ存在する区間を設けたことを特
徴とするリングレーザ型ガスセンサ。
【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、光アイソレータ
（２）、光ファイバ増幅器（３）、ガスセルモジュール
（４）、バンドパスフィルタ（５）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）によるポンピングパワーでレーザ発振可能なリン
グ型光共振器（７）を構成してなるリングレーザ型ガス
センサにおいて、前記リング型光共振器（７）の入力ポ
ート（Ｐ₂ ）と光ファイバ増幅器（３）との間にガスセ
ルモジュール（４）及びバンドパスフィルタ（５）のみ
存在する区間を設け、且つ同区間では出力ポート（Ｐ
₃ ）側から光ファイバ増幅器（３）→バンドパスフィル
タ（５）→ガスセルモジュール（４）→光カップラ
（１）の配列順序としてなることを特徴とするリングレ
ーザ型ガスセンサ。
【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、光アイソレータ
（２）、光ファイバ増幅器（３）、ガスセルモジュール
（４）、バンドパスフィルタ（５）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）によるポンピングパワーでレーザ発振可能なリン
グ型光共振器（７）を構成してなるリングレーザ型ガス
センサにおいて、前記リング型光共振器（７）の入力ポ
ート（Ｐ₂ ）と光ファイバ増幅器（３）との間に光フア
イバ（６）以外に前記の他の光部品が配置されていない
区間を設けたことを特徴とリングレーザ型ガスセンサ。
【請求項４】請求項１記載のリングレーザ型ガスセンサ
において、リング型光共振器（７）の出力ポート（Ｐ
₃ ）と光ファイバ増幅器（３）との間に配置される光ア
イソレータ（２）、バンドパスフィルタ（５）及びモニ
タ用光カップラ（８）の配列位置が任意であることを特
徴とするリングレーザ型ガスセンサ。
【請求項５】請求項２記載のリングレーザ型ガスセンサ
において、リング型光共振器（７）の出力ポート（Ｐ
₃ ）と光ファイバ増幅器（３）との間に配置される光ア
イソレータ（２）及びモニタ用光カップラ（８）の配列
位置が任意であることを特徴とするリングレーザ型ガス
センサ。
【請求項６】請求項３記載のリングレーザ型ガスセンサ
において、リング型光共振器（７）の出力ポート（Ｐ
₃ ）と光ファイバ増幅器（３）との間に配置される光ア
イソレータ（２）、ガスセルモジュール（４）、バンド
パスフィルタ（５）及びモニタ用光カップラ（８）の配
列位置が任意であることを特徴とするリングレーザ型ガ
スセンサ。
【請求項７】請求項１乃至請求項６の夫々に記載のリン
グレーザ型ガスセンサにおいて、リング型光共振器
（７）内に配置するバンドパスフィルタ（５）は少なく
とも２個以上のバンドパスフィルタを直列接続してな
り、少なくとも中心透過波長の半値全幅が１ｎｍ以下の
可変バンドパスフィルタと同じく０．１ｎｍ以下の可変
バンドパスフィルタとを備えることを特徴とするリング
レーザ型ガスセンサ。
【請求項８】請求項１乃至請求項７の夫々に記載のリン
グレーザ型ガスセンサにおいて、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（Ｐ
₅ ）を観測用のポートとしたことを特徴とするリングレ
ーザ型ガスセンサ。