光分析計和分析計用波長穩定化雷射裝置的製作方法

2023-04-26 10:06:11

專利名稱：光分析計和分析計用波長穩定化雷射裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及基於照射到氣體等分析對象物的光的強度下降測定該分析對象物的 濃度或密度的光分析計以及用於該光分析計的雷射裝置。
背景技術：
以半導體雷射器等為代表的雷射源中，有時在包裝內一體附帶有用於監測雷射強 度的光電二極體。根據這樣的雷射源，一邊監測光電二極體的輸出信號一邊動態控制驅動 電流，因此，雷射強度不管周圍的環境變化和經年變化等，能夠長久保持穩定。一方面，採用這樣的雷射源輸出的雷射進行氣體計測的情況下，雷射強度的穩定 性也非常重要，除此之外，還要求雷射的中心振蕩波長和氣體的峰值吸收波長穩定地一致。 雷射的振蕩波長偏離的話，由於雷射的波長頻帶非常窄，因此雷射波長成分中氣體吸收波 長的光強度急劇減弱，使得分析精度大大降低。因此現有技術中，如專利文獻1所記載的那樣，具有這樣的結構將一部分雷射導 入裝有和分析對象物氣體同種類的氣體的單元體，通過測定通過該單元體的光的強度來確 認雷射器的振蕩波長是否被正確地維持。又，在專利文獻2所示的採用所述雷射源結構的紅外線分光分析裝置中，一邊對 多個光學元件進行正確的定位一邊機械地組合光學系統，由此來確定光路。專利文獻1 日本特開2001-21493號公報專利文獻2 :W095/26497號公報

發明內容
發明所要解決的課題然後，採用前述的現有結構則裝置規模大，部件數量也多，從成本上考慮是較為不 利的。而且，對應於裝置的大型化，需要各光學部件的定位精度，此外不抗振動，或難以將各 光學部件保持在一定溫度下，對於外部幹擾(振動/熱量)也變得敏感，導致測定精度下 降。為了解決上述問題，本發明的目的在於提供一種能一舉促進測定靈敏度提高、低 成本化、小型化、結構靈活、抗幹擾性提高等的光分析計和用於該光分析計的雷射裝置。解決問題的手段S卩，權利要求1所記載的分析計用雷射裝置，包括輸出分析對象物的吸收波長附 近(「附近」也包含吸收波長本身)的光的雷射源；波長選擇元件，其配置在從所述雷射源 輸出的光的傳遞路經上，並接收所述雷射源輸出的光的一部分，從其波長成分中選擇和所 述分析對象物的吸收波長實質相等的波長的光並導出；檢測從所述波長選擇元件導出的光 的強度的光檢測單元；驅動電流控制單元，其使得所述雷射源的驅動電流在用於使所述激 光源輸出所述吸收波長的光的規定電流值附近增減，探索所述光檢測單元的光強度檢測值 達到峰值的電流值，並將該峰值電流值設定為光該雷射源的驅動電流值；以及搭載所述雷射源、所述波長選擇元件和光檢測單元的，能夠調整到一定溫度的單一基板。根據這樣的結構，在分析中受到溫度變化影響的雷射源、波長選擇元件和光檢測 單元能夠通過基板維持一定的溫度，這樣，一併抑制了由這些溫度變化而造成的特性變化 (例如如果是雷射源則雷射的強度和波長波動，如果是波長選擇元件，則選擇波長波動，如 果是光檢測單元則輸出電流值波動)，從而大幅改善對於熱的脆弱性。然後，由於可以如上述那樣使得波長選擇元件選擇的光的選擇波長的特性穩定， 並可靠地使其和分析對象物的吸收波長(例如，是吸收波長頻帶中吸收最大的峰值波長， 稱為從吸收波長頻帶選擇的波長)一致，這樣可不像從前那樣採用單元體，而在單一基板 上搭載各光學部件，實現精簡化。又，由於在單一基板上配置所有的光學部件，一旦安裝完成，則不容易生成位置偏 移等，對于振動也有較強的抵抗能力。進一步的，使得所述雷射源的驅動電流值在規定的規定電流值附近增減，並將所 述雷射源的驅動電流值設定為所述光檢測單元的光強度檢測值達到峰值的電流值，即，為 使得雷射的中心波長和分析對象物的吸收波長一致，對雷射源的驅動電流進行動態控制， 這樣不管雷射源的經年變化，可以極高的精度使得雷射的波長和分析對象物的吸收波長一 致，並保持穩定。又，如果使得基板溫度變化而使得波長選擇元件的溫度變化，一般情況，選擇波長 也發生變化，因此可利用這一現象物對半導體雷射器的波長進行校正。為了促進精簡化，對所述單一基板採用珀耳帖模塊，進一步的最好採用半導體激 光器作為雷射源。為了減少器件數量，最好將所述波長選擇元件設置在接受從雷射源的主要光出射 口的相反側漏出的漏光的位置。又，根據這樣的結構，由於輸出穩定地利用漏光，因此可使 得朝向外部的出射光的利用效率提高到最大程度。常用於紅外分析等的中紅外區域的光，難以通過光纖傳播，由於必須使其在光學 部件之間直接傳播，因此原來容易形成易受到溫度或振動的影響的結構。換言之，通過將本 發明適用於中紅外區域的光，本發明的效果，即不需要利用光纖，排除溫度或振動等外部幹 擾而實現輸出光的穩定化這一效果非常顯著。為了防止從波長選擇元件返回的光導致半導體雷射器的不穩定振蕩，在所述半導 體雷射器和波長選擇元件之間的光路上，最好設置阻斷從波長選擇元件返回到半導體雷射 器的返回光的隔離器。所述半導體雷射器也包括量子串級雷射器。又，權利要求7記載的光分析裝置，基於從雷射源出射的通過分析對象物的光的 強度，對該分析對象物的濃度或密度進行測定。該分析裝置具有纖維型分析部，其構成為將 導入到內部的光進行折射並傳遞，且將分析對象物導入到光的傳遞軌道上；波長選擇元件， 其將選擇波長設定為所述分析對象物的吸收波長頻帶；檢測所述纖維型分析部所導出的光 的強度的測定用光檢測單元；檢測從所述波長選擇元件導出的光的強度的參照用光檢測單 元(相當於權利要求1的光檢測單元)；在所述雷射源和所述纖維型分析部之間，所述纖維 型分析部和所述測定用光檢測單元之間，所述雷射源和所述波長選擇單元之間以及所述波 長選擇元件和參照用光檢測單元之間分別通過光纖連接。
根據這樣的結構，由於光路都由光纖構成，因此不需要確定用於測定的各結構部 件的位置，從而省略了架臺和固定器件，同時由於不需要氣體單元體等容納分析對象物的 單元體，因此可大大促進精簡化和低成本化。又，由於配置的靈活性提高，纖維型分析部可設置在任何地方，因此例如，可以使 纖維型分析部遠離雷射光源或各檢測單元對具有爆炸性的高危險的分析對象物進行測定， 或將纖維型分析部設置在腔室內進行in-situ測定，這些都是極其容易實現的。進一步的，由於各結構部件通過光纖連接，從而難以受到外部幹擾(特別是振動， 噪音)的影響，通過參照用光檢測單元，可對雷射源出射的光的強度進行監視，因此即使對 於由溫度的變化等引起的雷射源的輸出變動，也可對其進行控制並將其消除。本發明的雷射源最好採用出射近紅外區域的光的半導體雷射器。因為，近紅外光 為容易通過光纖進行傳送的波長。且，近年來，以光通信的發達為契機，半導體光學元件顯 著發展，並開發出高輸出並廉價的近紅外半導體雷射器。但是與在氣體計測領域中以往所 常用的從2. 5 μ m到20 μ m的中紅外光相比，近紅外光的分子吸光係數的大小為1/10 1/5，因此，需要噪音極小穩定性出色的輸出，通過本發明，如上所述的，由於能夠達到雷射 源輸出穩定化，因此可在最初採用出射近紅外區域的光的半導體雷射器。為了校正雷射源的波長，最好具有雷射源用溫度調整機構，和波長選擇元件用溫 度調整機構。其可對波長選擇元件進行溫度調節並改變選擇波長。為了防止來自波長選擇元件的返回光導致雷射源的不穩定振蕩，可構成為將來自 所述波長選擇元件的反射光導入所述參照用光檢測器的結構，最好在光纖的途中設置抑制 所述反射光返回雷射源的隔離器。光纖的最佳實施形態為，從連接雷射源和纖維型分析部的光纖分支出其他光纖並 連接到波長選擇元件，從該其他光纖進一步分支出其他的光纖連接到參照光選擇元件。所述纖維型分析部，設置有將分析對象物導入光纖側周面的有底溝道或有底穴， 該有底溝道或有底穴到達光纖中光傳遞區域的一部分，由此該纖維型分析部可不需要接頭 直接連接第一、第二光纖。又，可容易地使得纖維型分析部增長，從而提高測定精度。如果要一邊增加實效長度提高測定精度，一邊將其彎曲為例如梳齒狀或盤曲狀使 得體積精簡化，最好是使得所述纖維型分析部彎曲。如果要能夠進行多波長測定，最好具有多個不同的雷射源和與其對應的多個波長 選擇元件。進一步的本發明不限於具有波長選擇元件，也可以用其他結構代替，獲得同樣的 效果。作為波長選擇元件的替代部件，可以是內部保持有具有和所述分析對象物同一光學 特性的參照物質的參照用單元體。發明效果根據所述技術方案1所涉及的發明，分析中受到溫度變化影響的雷射源、波長選 擇元件和光檢測元件，通過基板可維持一定的溫度，因此可大大改善對於溫度的脆弱性。又，由於可不採用現有的單元體，而採用單一的基板搭載各光學部件，因此可實現 精簡化，同時不容易產生位置偏移，且對于振動等也有較強的抵抗能力。進一步的，通過監測光檢測單元的光強度檢測值，動態控制雷射源的驅動電流使 得分析對象物的峰值吸收波長與雷射的中心波長一致，這樣，不管雷射源的經年變化等，可確保以高精度使得雷射波長和分析對象物的吸收波長一致並確保穩定。
又，根據技術方案7等所涉及的發明，由於所有的光路由光纖構成，各光學部件的配置的靈活性提高，in—Situ測定等使用狀態的自由度也提高。且由於不需要用於正確載置光學部件的架臺或固定器具，能夠大大促進低成本化。
進一步的，由於各光學部件通過光纖連接，因此難以受到外部(特別是振動或噪音)的影響，另外通過控制提供給雷射源的電力以使參照用光檢測單元的輸出穩定，因此能夠維持雷射源的輸出穩定。


圖l是顯示本發明的第一實施例中的雷射裝置的示意性概略整體圖。
圖2是該實施例中的控制裝置的功能框圖。
圖3是對該實施例中的波長控制原理進行說明的示意圖。
圖4是對該實施例中的波長控制原理進行說明的示意圖。
圖5是對該實施例中的波長控制原理進行說明的示意圖。
圖6是顯示第一實施例的變形例中的雷射裝置的示意性概略整體圖。
圖7是顯示本發明的第二實施例中的光分析裝置整體的示意性整體圖。
圖8是顯示該實施例中的纖維型分析部的橫向截面圖。
圖9是顯示該實施例中的纖維型分析部的縱向截面圖。
圖11是顯示其他的變形例中的光分析裝置整體的示意性整體圖。
圖12是進一步顯示其他的變形例中的光分析裝置整體的示意性整體圖。
圖13是進一步顯示其他的變形例中的纖維型分析部的橫截面圖。
圖14是對改變形例中的捕獲部件及其作用進行說明的示意性部分放大圖。
圖16是進一步顯示其他的變形例中的纖維型分析部的橫端面圖。
圖17是進一步顯示其他的變形例中的光分析裝置整體的示意性整體圖。
圖19是進一步局部地顯示其他的變形例中的光分析裝置的示意性整體圖。
符號說明
lOO。。。分析計用雷射裝置
l。。。珀耳帖模塊
2。。。雷射源(半導體雷射器)
3。。。波長選擇元件(光柵)
5。。。光檢測單元
6l。。。驅動電流控制單元(電流控制迴路)
11。。．基板
XlOO。。。光分析裝置
Xl。。。雷射源(半導體雷射器)
X2。。。纖維型分析部
X21 ··有底溝道
X3 測定用光檢測單元
X4 ·波長選擇元件(纖維光柵)
X5 參照用光檢測單元
X6 ·隔離器
X7 雷射源用溫度調整機構
X8 波長選擇元件用溫度調整機構
X91、X92、X93、X94 · · 光纖
X4， · 參照用單元體
具體實施例方式接著、說明本發明的實施例、但是本發明不限於下列的實施例。第一實施例第一實施例涉及的分析計用雷射裝置100用於例如測定樣品氣體中分析對象物 的成分濃度的紅外線氣體分析計，具有如圖1所示的結構。在圖1中，符號1表示珀耳帖模塊。該珀耳帖模塊1具有平板狀的單一基板11，和 安裝在該基板11的背面的珀耳帖元件12。此處，還附帶有使得該珀耳帖元件12動作以將 所述基板11的表面溫度保持為一定的恆溫器等傳感器兼控制電路(圖未示)。符號2為輸出氣體分析用的紅外雷射的半導體雷射器。該半導體雷射器2從主射 出口輸出中紅外區域(約2.5 μ m 20 μ m)的分析用雷射，並從所述主射出口相反側的面， 出射和分析用雷射相同波長並具有一定比例強度的漏光，該半導體雷射器2搭載於基板11 上。在該實施例中，半導體雷射器2採用的是，賦予該規格所規定的值的電流(以下稱為規 定電流值)時，輸出具有分析對象物的吸收波長頻帶附近的中心波長的雷射。又，雷射的中心波長需要在分析對象物的吸收波長頻帶附近的理由是，一般的半 導體雷射器，除了具有波長會根據所提供的電流值或溫度而稍許變動的特性之外，還有儀 表誤差等問題，因此即使以所述規定電流值驅動半導體雷射器2，所輸出的雷射的中心波長 也未必和分析對象物的吸收波長頻帶中的峰值波長一致到在分析上沒有實質問題的程度。符號3表示作為波長選擇元件的透射型布拉格光柵(以下有時簡稱為光柵)。該 光柵3的中心選擇波長和作為分析對象物的氣體的峰值吸收波長實質上一致，且該光柵3 搭載在所述基板11上的漏光的傳播路徑上。又，在該光柵3和半導體雷射器2之間的漏光 傳播路徑上，設置有抑制來自光柵3的反射光回到雷射源的作為返回光抑制單元的隔離器 4。該隔離器4用來防止由所述反射光所導致的半導體雷射器2的不穩定振蕩。符號5為檢測所述光柵3所導出的光的強度的光檢測單元。該光檢測單元5採用 例如光電二極體，並搭載於所述基板11上。符號6表示與所述珀耳帖模塊1或搭載於其上的半導體雷射器2等分開設置的、 且通過電纜與所述珀耳帖模塊1或搭載於其上的半導體雷射器2連接的控制裝置。該控制 裝置6如圖2所示，具有起到驅動電流控制單元功能的控制用電路61，和對半導體雷射器2 等提供電流的驅動用電路62。接著、對這樣的結構的分析計用雷射裝置100的動作進行說明。
首先，調整基板11的溫度。該溫度調整如上述那樣通過恆溫器設定來進行，但是 也可用控制裝置6自動進行調整。具體的溫度，此處基於預先測定的光柵3的溫度-選擇 波長特性，調整驅動珀耳帖模塊1的基板11的溫度，使得光柵3的選擇波長和分析對象物 的峰值吸收波長穩定地一致。接著，控制裝置6使得所述半導體雷射器2的驅動電流值在所述規定電流值的附 近上下波動，搜尋光檢測單元5的光強度檢測值成為峰值的電流值，並將此時的電流值設 定為該半導體雷射器2的驅動電流值。其理由是因為，光強度檢測值是表示，通過光柵3的 雷射，即與分析對象物的吸收波長相等的波長的雷射強度，該光強度檢測值顯示出峰值的 時候，就是半導體雷射器2正在輸出與分析對象物的峰值吸收波長相等的中心波長的雷射 的時候。更具體地說明上述搜尋動作，控制裝置6如圖3所示，對半導體雷射器2施加具有 一定偏置的一定周期的正弦波電流。該初期狀態中正弦波電流的中心值(偏置值)與所述 規定電流值一致，其上下波動幅度設定在雷射輸出強度不會大幅變動的範圍(例如，規定 電流值的士20%以內)。半導體雷射器2輸出的雷射，隨著驅動電流的變化而變動，因此如果施加所述正 弦波電流，雷射的波長如圖3所示，和所述正弦波電流同步振動。接著，控制裝置6接收來自光檢測單元5的輸出信號，測定該輸出信號所顯示的光 強度檢測值成為峰值的間隔。之後，調整所述正弦波電流的中心值，以使得其間隔一定，將 該中心值設定為該半導體雷射器2的驅動電流值。其理由如下。假設對於所述正弦波電流的中心值，在半導體雷射器2所輸出的激 光的中心波長和分析對象物的峰值吸收波長一致的情況下，如圖4所示，僅在以所述中心 值的電流驅動時(也包含附近)，雷射通過光柵3由光檢測單元5接受。從而，觀測到的光 強度檢測值的峰值間隔，恰好為所述正弦波電流振動周期的一半，而且為固定間隔。另一方面，假如對於所述正弦波電流的中心值，在半導體雷射器2所輸出的雷射 的中心波長和分析對象物的吸收波長偏離的情況下，如圖5所示，在以該偏離的電流值驅 動的時刻(包括其附近)，雷射通過光柵3由光檢測單元5接收，光強度檢測值的峰值間隔， 相對於輸入正弦波周期，交互出現長時間隔和短時間隔。又，在該偏離值大的情況下，有可 能光強度檢測值完全不出現。從而，如上所述，以光強度檢測值的出現間隔為固定間隔時的所述正弦波電流的 中心值驅動半導體雷射器2，即半導體雷射器2所輸出的雷射的中心波長和分析對象物的 峰值吸收波長一致，換言之，可不偏離分析對象物的峰值吸收波長地鎖定雷射的中心波長。又，因為如果使得用於尋找上述最適當波長的驅動電流值的振幅變大，則驅動電 流值的增源使得雷射強度的變動幅度變得過大，成為波長尋找發生錯誤的原因，因此將用 於尋找的初期中心值作為所述規定電流值，並如上述那樣設定正弦波的上下波動幅度(振 幅)。根據這樣結構的第一實施例涉及的分析計用雷射裝置100，可以通過基板11將在 氣體分析中能受到溫度變化的影響的半導體雷射器2、光柵3和光檢測單元5維持在一定的 溫度，因此能大幅改善對溫度的脆弱性。而且，由於能夠通過如上所述使得溫度穩定來可靠地使由光柵3得到的光的選擇
9波長與分析對象物吸收波長一致，因此不需要採用從前那樣的單位體，就可在單一基板11 上搭載各部件以實現精簡化。又，由於可這樣在單一基板11上設置所有的光學部件，一旦組裝完成，則難以發 生位置偏移等，對于振動等的抵禦也較強。進一步的，預先監測所述光檢測單元5的光強度檢測值，動態地控制半導體雷射 器2的驅動電流值，以使得雷射中心波長被鎖定為分析對象物的吸收波長頻帶(例如，如前 述的峰值吸收波長)，因此不管半導體雷射器2的經年變化等，都可以非常高的精度使得激 光波長與分析對象物的吸收波長一致並保持長期穩定。(變形例)接著對本發明的變形例進行說明，此處與所述第一實施例對應的部件賦予相同的 符號。例如，如圖6所示，可採用反射型的光柵3，從光柵3反射的漏光的一部分通過分光 器(半透半反鏡)7導向到波長選擇元件。又，對于波長的探索，所述實施例中，雖然半導體雷射器的驅動電流為施加了偏置 的正弦波電流，但是也可以DC電流驅動。此時，使提供給半導體雷射器的電流值在規定電 流值上下一定範圍內增減，可將此期間光檢測值中產生峰值(拐點)時的電流值作為半導 體雷射器的驅動電流值。進一步的，作為雷射光源，可採用量子串級雷射器(QCL)或其他各種雷射器，對於 波長選擇元件，可採用多層膜幹涉濾光器、光子結晶、標準具(etalon)、氣體單元體等。又，也當然可採用除珀耳帖模塊以外的溫度調整單元，作為返回光抑制單元，替代 隔離器，可採用具有針孔那樣的極小的雷射通過孔的板狀光反射元件使得雷射路徑傾斜。第二實施例接著對第二實施例進行說明。又，該第二實施例中附加的符號和所述第一實施例 中附加的符號相互獨立，沒有相關性。本第二實施例設計的光分析裝置X100，例如，是用於檢測樣品氣體中包含的水蒸 氣(H2O)濃度的紅外線氣體分析裝置，其具有如圖7所示的結構。在該圖7中，符號Xl表示出射作為氣體分析用的測定光的紅外線的半導體雷射 器。此處，採用出射近紅外區域(約0.8μπι 約2. 5μπι、由於該實施例中測定H2O濃度、例 如為1390nm)的相干性光(以下也稱為雷射)的雷射器。符號X2表示暴露在樣品氣體中的纖維型分析部。該纖維型分析部X2，如圖8，圖 9所示，由芯體Xh和包覆層X2b構成，在纖維型分析部X2邊界區域處，和光纖相同使得光 折射同時傳輸，其一端介由第一光纖X91連接到半導體雷射器XI。又，所述芯體X2a，如圖 8所示，通過在中心部設置沿著軸向延伸的多個細孔XH而形成。但是在該纖維型分析部X2 的側周面上，穿設有軸向延伸的深度到達所述芯體Xh和其周邊形成的光傳輸區域的有底 溝道X21，樣品氣體導入該有底溝道X21後，在內部傳輸的光由於氣體中的分析對象物即水 蒸氣的原因而衰減，通過該纖維型分析部X2從另一端輸出的光的強度減小。符號X3表示測定用光檢測單元。該測定用光檢測單元X3可採用光電二極體，通 過第二光纖X92連接到纖維型分析部X2的另一端。又，纖維型分析部X2如前所述，是在光纖上形成有底溝道X21的部分，與第一、第二光纖X91、X92為同樣的直徑，因此此處和第一、第二光纖X91、X92熱粘接。也可採用連接 器連接。符號X4為使得選擇波長頻帶和作為分析對象物的H2O氣體的吸收波長一致而設 定的作為波長選擇元件的反射型纖維光柵。該纖維光柵X4連接到從所述第一光纖X91通 過耦合器X9a分岔的第三光纖X93的頂端，來自半導體雷射器Xl的光的一部分(此處大約 為1/10)通過第一、第三光纖X91、X93被接收，並僅反射波長和H2O氣體的吸收波長一致的 光返回到第三光纖X93。符號X5為檢測所述纖維光柵4所選擇的光強度的參照用光檢測單元。該參照用 光檢測單元X5和所述測定用光檢測單元X3 —樣，例如採用光電二極體，其連接到從第三光 纖X93通過耦合器X9b被分支的第四光纖X94的頂端。符號)(6表示阻斷來自纖維光柵X4的反射光返回到雷射源的隔離器，其設置在第 一光纖X91中的所述耦合器X9a和半導體雷射器Xl之間。通過該隔離器)(6可防止由於反 射光而引起的半導體雷射器Xl的不穩定振蕩。符號X7是，保持半導體雷射器Xl為一定溫度使其輸出穩定的雷射源用溫度調整 機構。該雷射源用溫度調整機構X7包括內部具有例如珀耳帖元件的珀耳帖模塊，和使 得珀耳帖元件動作以保持珀耳帖模塊的表面基板的溫度為設定溫度的恆溫器或控制電路 (圖未示)，所述表面基板上搭載有半導體雷射器XI。符號X8是維持纖維光柵X4為一定溫度、使其特性穩定的波長選擇元件用溫度調 整機構。該波長選擇元件用溫度調整機構X8可與雷射源用溫度調整機構X7獨立地進行溫 度調整，其與雷射源用溫度調整機構X7 —樣，具有珀耳帖模塊和用於控制的周邊裝置。而 且，纖維光柵X4搭載於珀耳帖模塊的表面基板上。符號XlO為接收來自各光檢測單元X3、X5的輸出信號，控制提供給半導體雷射器 Xl的供給電流和各溫度調整機構X7、X8，計算作為分析對象物的H2O氣體的濃度的信息處 理裝置。該信息處理裝置XlO是利用例如模擬電路、或CPU等數字電路的結構。接著，對這樣的結構的本裝置XlOO的動作進行説明。首先，對信息處理裝置XlO的控制動作和以及初期設定進行說明。半導體雷射器Xl出射的光導入第一光纖X91，其中一定比例的光通過第三光纖 X93導入纖維光柵X4。然後，在纖維光柵X4僅反射H2O氣體的吸收帶波長的光，並通過第 四光纖X94導入參照用光檢測單元X5。參照用光檢測單元)(5輸出的參照信號表示半導體雷射器Xl輸出的氣體成分吸收 波長頻帶的光強度，因此信息處理裝置Xio或操作者，為使得該參考信號的值為最大，即， 使得半導體雷射器Xi的輸出波長與樣品氣體的吸收波長頻帶一致，而操作雷射源用溫度 調整機構X7以調整半導體雷射器Xl的溫度。此時的參考信號的值，由信息處理裝置XlO 存儲為目標值，接著，信息處理裝置Xio為了排除由於半導體雷射器Xl的劣化等造成的影 響，控制提供給半導體雷射器Xl的供給電流並使得輸出穩定以達到所述目標值。接著，將已知濃度的樣品氣體導入單元體，通過測定測定用光檢測單元X3的輸出 進行校正。該校正數據預先存儲在信息處理裝置XlO中。又，為了排除由於氣體造成的纖 維分析部汙染等的影響，可定期進行校正。這樣的初期設定結束後，開始測定。
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由於來自半導體雷射器Xl的光通過纖維分析部X2照射到測定用光檢測單元X3， 如果將氣體導入纖維型分析部X2，測定用光檢測單元X3輸出的測定信息表示，從半導體激 光器Xl輸出由氣體吸收後的光的強度。從而，信息處理裝置XlO接收該測定信號，並基於該值和預先存儲的所述校正數 據，計算作為分析對象物的氣體成分的濃度。根據這樣的結構，由於從作為光源的半導體雷射器Xl到光檢測單元的光路都是 由光纖構成，因此不需要確定各光學部件(半導體雷射器XI、纖維型分析部X2、光柵X4等) 的位置，從而可省略架臺或夾具，而且不需要氣體單元體等容納分析對象物的單元體，從而 大大促進精簡化、低成本化。又，由於配置的靈活性提高，纖維型分析部X2可設置在自由選擇的地方，因此例 如使得纖維型分析部X2遠離半導體雷射器Xl等來測定具有暴發性的高危險的分析對象 物，或將纖維型分析部X2設置在腔室內進行in-situ測定都能極其容易地實現。進一步的，各光學部件通過X91、X92、X93、X94連接，因此其不容易受到外部幹擾 (特別是振動、噪聲等)的影響，而且由於通過參照用光檢測單元仍，監視從半導體雷射器 Xi出射的光的強度，因此，即使對於由溫度變化等導致的半導體雷射器Xi的輸出變動，也 能容易地對其進行控制並將其取消。又，根據該結構，由於可以採用高輸出且低價的近紅外半導體雷射器Xl用於最初 的氣體分析，因此在這點上也可大幅促進低成本化。變形例接著，對所述第二實施例的變形例進行說明。在以下的說明和附圖中，對應於所述 第二實施例的部件附加同樣的符號。例如纖維型分析部X2不是第二實施例那樣的直線，而是如圖10所示，多次彎曲而 成梳子狀，或呈盤曲狀，這樣可以維持緊湊，且通過增大和樣品氣體的接觸面積提高了分析 精度。通常，像圖10那樣緊密地彎曲光纖，會導致光傳遞效率降低，因此在通信領域等不太 應用，但是這裡的目的不是高效地傳送光，而是為了觀察氣體的吸收度，因此即使彎曲也沒 有問題。又，作為纖維型分析部X2，可採用如圖11所示那樣的中空纖維。圖11中，採用將 樣品氣體從一端部側面導入從另一端部側面導出的流動測定方式。對於纖維光柵而言，使得溫度變化的話選擇波長變動，因此通過積極利用這一點 使得光柵溫度變化可進行半導體雷射器(雷射源)的波長校正。又，波長選擇元件從連接容易性觀點來看，最好是纖維光柵，但是也可採用其它的 光柵或稜鏡等。又，替代波長選擇元件，如圖12所示，可採用內部保持有和所述分析對象物 氣體相同的規定濃度(或具有同樣光學特性)的氣體的參照用單元體X4』。此時，為使得參 照用光檢測單元)(5的輸出最小，即使得吸收最強，通過雷射源用溫度調整機構X7對半導體 雷射器Xl的波長進行調整。這樣可將半導體雷射器Xl的波長固定為分析對象物氣體的吸 收波長。又，如圖17所示，在單一的纖維型分析部X2上，波長不同的雷射源Xl和波長選擇 元件X4成對地並列連接有多個，這樣可進行多個波長測定。此時，例如，可使得各雷射源錯 開時間發光(分時發光)。進一步的，如圖18所示，也可以並列設置多個和雷射源Xl相同數量的纖維型分析部X2和測定用光檢測單元X3。這樣可使得各光源Xl同時發光來進行測定。還可以在測定用光檢測單元側設置多個使得不同的波長通過的濾波器，使得各激 光源同時發光(此時不僅可用雷射光源還可採用白色光光源)，切換濾波器分時測定多個 波長。進一步的，如圖19所示，也可在纖維型分析部X2的輸出端設置反射鏡，使得通過 纖維型分析部X92輸出的光向輸入光的反向傳送至向纖維型分析部X2輸入的輸入用光纖 X91(相當於所述第一光纖X91)。此時，輸入用光纖X91的中途設置了分支用耦合器，僅使 得通過纖維型分析部X2返回的光由該分支用耦合器分支而導入到輸出用光纖X92 (相當於 所述第二光纖X9》，並由設置在該頂端的測定用光檢測單元X3檢測返回光的光強度。另外，分析部的實施形態，並不限於纖維型，也可是通常的氣體單元體等。即使是 這樣，分析部可介由光纖遠離雷射光源或測定用光檢測單元、或者波長選擇元件等其他光 學部件，例如km單位的距離，這樣可確保處理爆發性或有毒性等危險性高的氣體時的高安 全性。本發明涉及的光分析裝置可應用於氣體以外的液體，或各種物理化學現象物。例如，分析對象物是蛋白質，本光分析裝置可適用於蛋白質傳感器。圖13顯示此 時的纖維型分析部X2的截面。纖維型分析部X2具有以下的結構採用捕獲分析對象物的 捕獲部件X22包覆切除了光纖的包覆層X2b的一部分而露出的芯體X2a的表面。捕獲部件 X22，如圖14(a)中局部放大顯示的那樣，具有包覆芯體X2a的露出部分的Au膜X221，和在 該Au膜A221的表面固定化的抗原或抗體X222。該抗原或抗體X222，與需要傳感檢測的蛋 白質XP發生抗原抗體反應並與該蛋白質XP結合(參考圖14(b))。又，作為測定用光檢測 單元，採用例如面傳感器測定來自第二光纖的光的擴散角。根據這樣的結構，如圖14(b)所示，作為分析對象物的蛋白質XP，被所述捕獲部件 X22捕獲時，來自纖維型分析部X2 (或連接於此的第二光纖)的光的擴散角，如圖15所示的 那樣由於比捕獲前的擴散角大，因此，通過讀取其變化可檢測蛋白質的濃度。又，如圖15所示，除去所有的包覆層X2b僅設置芯體X2a，在該芯體X2a的表面包 覆捕獲材料也可以。這樣可實現更高精度的測定。同樣的結構，也可檢測DNA的混合(「^ 'J ^ 4 -t￡-v 3 > )反應。在上述內 容中雖然可將抗原固定化在Au表面，但是如果取代抗原而將試樣DNA固定化，也可檢測目 標 DNA。如果做成氧化鈦包覆在芯體上的結構，可起到有機物檢測傳感器的功能。導入纖 維型分析部的光，對氧化鈦施加光氧化能則能量衰減，波長變化。如果樣品中具有較多的有 機物，則光能由於相應的消耗而衰減，波長發生變化。又，由於氧化鈦的光氧化作用根據氧 氣的量而產生變化。從而，也可作為氧氣濃度傳感器應用。根據本裝置，可通過採用光纖而 小型化為便攜型，因此可搭載於手機等。本光分析裝置也可適用於其他，例如，溼度傳感器、水傳感器、信號機內置的NOx 傳感器、NO傳感器、血液現場檢查用傳感器(葡萄糖、尿酸)、手術中的葡萄糖傳感器、便當 等食品新鮮度檢測傳感器等領域。另外，本發明不限於上述各實施例，而可對各實施例中說明了的部分進行適當的
13組合等，在不脫離主旨的前提下做出種種變更。
權利要求
1.一種分析計用雷射裝置，其特徵在於，包括 輸出分析對象物的吸收波長附近的光的雷射源；波長選擇元件，該波長選擇元件接收所述雷射源輸出的光的一部分，從其波長成分中 選擇和所述分析對象物的吸收波長實質相等的波長的光並導出； 檢測所述波長選擇元件導出的光的強度的光檢測單元；驅動電流控制單元，其使得所述雷射源的驅動電流在為使所述雷射源輸出所述吸收波 長的光用的規定電流值附近增減，並將所述雷射源的驅動電流設定為所述光檢測單元的光 強度檢測值為峰值時的電流值；以及；搭載所述雷射源、所述波長選擇元件和光檢測單元的，能夠調整到一定溫度的單一基板。
2.如權利要求1所述的分析計用雷射裝置，其特徵在於，所述單一基板採用珀耳帖模 塊作為溫度調整單元。
3.如權利要求1所述的分析計用雷射裝置，其特徵在於，所述雷射源為半導體雷射器。
4.如權利要求1所述的分析計用雷射裝置，其特徵在於，所述波長選擇元件設置在接 受從所述雷射源的主要光出射口的相反側漏出的漏光的位置。
5.如權利要求1所述的分析計用雷射裝置，其特徵在於，所述雷射源為出射中紅外區 域的光的雷射源。
6.如權利要求1所述的分析計用雷射裝置，其特徵在於，在所述雷射源和所述波長選 擇元件之間的光路上，設置有抑制從所述波長選擇元件返回到所述雷射源的返回光的返回 光抑制單元。
7.一種光分析裝置，其是基於從雷射源出射的通過分析對象物的光的強度，對該分析 對象物的濃度或密度進行測定的光分析裝置，其特徵在於，包括纖維型分析部，其構成為能夠將導入到內部的光進行折射並傳遞，且將分析對象物導 入到光的傳遞軌道上；波長選擇元件，其將選擇波長設定為所述分析對象物的吸收波長頻帶； 檢測所述纖維型分析部所選擇的光的強度的測定用光檢測單元； 檢測從所述波長選擇元件導出的光的強度的參照用光檢測單元； 在所述雷射源和所述纖維型分析部之間，所述纖維型分析部和所述測定用光檢測單元 之間，所述雷射源和所述波長選擇單元之間以及所述波長選擇元件和參照用光檢測單元之 間分別通過光纖連接。
8.如權利要求7所述的光分析裝置，其特徵在於，所述雷射源為出射近紅外區域的光 的半導體雷射器。
9.如權利要求7所述的光分析裝置，其特徵在於，進一步包括雷射源用溫度調整機構， 和波長選擇元件用溫度調整機構。
10.如權利要求7所述的光分析裝置，其特徵在於，在光纖中介裝有隔離器，其構成為 將所述波長選擇元件的反射光導入到所述參照用光檢測器，並抑制所述反射光返回所述激 光源。
11.如權利要求10所述的光分析裝置，其特徵在於，從連接所述雷射源和所述纖維型 分析部的光纖分支出其他的光纖並連接到所述波長選擇元件，從所述其他光纖進一步分支出其它光纖並連接到參照用光選擇元件。
12.如權利要求7所述的光分析裝置，其特徵在於，所述纖維型分析部設有能夠從光纖 的側周面導入分析對象物的有底溝道或有底穴，該有底溝道或有底穴到達光纖中光傳送區 域的一部分。
13.如權利要求12所述的光分析裝置，其特徵在於，所述纖維分析部彎曲。
14.如權利要求7所述的光分析裝置，其特徵在於，具有波長不同的多個雷射源和分別 與其對應的多個波長選擇元件。
15.一種光分析裝置，其是基於從雷射源出射的通過分析對象物的光的強度，對該分析 對象物的濃度或密度進行測定的光分析裝置，其特徵在於，包括纖維型分析部，其構成為能夠將導入到內部的光進行折射並傳遞，且將分析對象物導 入到光的行進軌道上；參照用單元體，其內部保持有與所述分析對象物具有相同光學特性的參照物質；測定用光檢測單元，其對所述纖維型分析部所選擇的光的強度進行檢測；檢測從所述參照用單元體導出的光的強度的參照用光檢測單元；在所述雷射源和所述纖維型分析部之間，所述纖維型分析部和所述測定用光檢測單元 之間，所述雷射源和所述參照用單元體之間以及所述參照用單元體和所述參照用光檢測單 元之間分別通過光纖連接。
全文摘要
本發明提供一種光分析計，其能夠一併促進測量精度的提高、降低成本、小型化、結構靈活性的提高、抵抗幹擾能力的增強等。光分析計包括雷射源(2)；從雷射源(2)輸出的光中選擇和所述分析對象物的吸收波長實質相等的波長的光並導出的波長選擇元件(3)；檢測所述波長選擇元件導出的光的強度的光檢測單元(5)；驅動電流控制單元(6)，其使得所述雷射源(2)的驅動電流在用於使該雷射源(2)輸出所述吸收波長的光的規定電流值附近增減，並將其設定為光檢測單元(5)的光強度檢測值為峰值時的電流值，所述雷射源(2)、所述波長選擇元件(3)和光檢測單元(5)都搭載在能夠調整為一定溫度的單一基板(11)上。
文檔編號G01N21/27GK102066907SQ20098010994
公開日2011年5月18日 申請日期2009年3月27日 優先權日2008年3月28日
發明者三村享, 井戶琢也, 右近壽一郎 申請人:株式會社堀場製作所