JP2019020213A - Wavelength modulation spectroscopic system, error information generation system, and wavelength modulation spectroscopy - Google Patents
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Abstract
【課題】被測定物の特性評価をより簡便かつ正確に行うことができる波長変調分光システムを提供する。【解決手段】波長変調分光システム1は、波長可変レーザ101と、波長可変レーザから出射されるレーザ光の波長を変調周波数fで変調し、変調中心波長を掃引する波長可変レーザ駆動装置120とを有し、波長可変レーザ駆動装置は、発振器102と、電圧掃引電源103と、電圧加算回路104と、電圧−電流変換回路105とを有し、波長可変レーザ101への注入電流を生成する。波長変調分光システムは、波長可変レーザから出射され、被測定物106を透過したレーザ光に含まれる変調周波数の2倍の周波数成分を検出する2f成分検出器108と、変調中心周波数に対する2倍の周波数成分の大きさを表す波長スペクトルを測定するスペクトル測定装置111と、スペクトル測定装置により測定された波長スペクトルの誤差情報を記憶する記憶装置113とを有する。【選択図】図1Provided is a wavelength modulation spectroscopic system capable of more easily and accurately evaluating the characteristics of an object to be measured. A wavelength modulation spectroscopic system includes a wavelength tunable laser and a wavelength tunable laser driving device that modulates the wavelength of laser light emitted from the wavelength tunable laser with a modulation frequency and sweeps the modulation center wavelength. The tunable laser driving apparatus includes an oscillator 102, a voltage sweep power supply 103, a voltage addition circuit 104, and a voltage-current conversion circuit 105, and generates an injection current to the tunable laser 101. The wavelength modulation spectroscopic system includes a 2f component detector 108 that detects a frequency component that is twice the modulation frequency included in the laser light emitted from the wavelength tunable laser and transmitted through the object 106 to be measured, and a frequency that is twice the modulation center frequency. It has a spectrum measuring device 111 that measures a wavelength spectrum that represents the magnitude of a frequency component, and a storage device 113 that stores error information of the wavelength spectrum measured by the spectrum measuring device. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、波長変調分光システム、誤差情報生成システム、および波長変調分光方法
に関する。
The present invention relates to a wavelength modulation spectroscopy system, an error information generation system, and a wavelength modulation spectroscopy method.
従来より、レーザ光の波長を時間的に掃引して被測定物に入力し、被測定物から出力される光の強度の波長に対する依存性を観測するレーザ分光法が知られており、被測定物の同定や濃度の測定において有効な方法として利用されている。 Conventionally, laser spectroscopy has been known in which the wavelength of laser light is temporally swept and input to the object to be measured, and the dependence of the intensity of light output from the object to be measured on the wavelength is observed. It is used as an effective method for identifying objects and measuring concentrations.
従来のレーザ分光法のなかでも、被測定物の測定感度のより高い方法として、2倍周波数(2f)検波波長変調分光法が知られている。従来の2f検波波長変調分光法では、レーザ光の波長を、特定の周波数を用いてごくわずかな振幅で変調するとともに、その変調中心波長を掃引している。そして、被測定物を透過したレーザ光の光強度から、レーザ光の周波数の2倍の高調波成分の強度を検出する。 Among conventional laser spectroscopy, double frequency (2f) detection wavelength modulation spectroscopy is known as a method with higher measurement sensitivity of an object to be measured. In the conventional 2f detection wavelength modulation spectroscopy, the wavelength of the laser light is modulated with a very small amplitude using a specific frequency, and the modulation center wavelength is swept. And the intensity | strength of the harmonic component twice the frequency of a laser beam is detected from the optical intensity of the laser beam which permeate | transmitted the to-be-measured object.
図5は、従来の2f検波波長変調分光システム500の構成例を示すブロック図である。2f検波波長変調分光システム500は、発振器502と、電圧掃引電源503と、発振器502と電圧掃引電源503から出力される電圧を加算する電圧加算回路504と、電圧−電流変換回路505と、波長可変レーザ501と、被測定物506と、光強度測定器507と、2f成分検出器508と、電圧−波長変換器509と、波長に対する2f成分検出器508の出力値をスペクトルとして表示するスペクトル表示装置510とを有する。
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of a conventional 2f detection wavelength
発振器502は、周波数f[Hz]の微小な正弦波電圧を、電圧−電流変換回路505に出力する。電圧−電流変換回路505から出力される電流には正弦波状の微小電流が重畳されて、波長可変レーザ501に注入電流として入力される。波長可変レーザ501には周波数fでの微小な変調がかけられた電流が注入されるので、波長可変レーザ501の出力光の波長は常に周波数fで微小に変化する(以下、この「周波数f」を「変調周波数」ということがある。)。
The
被測定物506が、ある特定の波長付近で極値的な応答を示す場合、その波長を中心として、被測定物506を透過したレーザ光の波長を周波数fで微小に変調すると、被測定物506からの応答は、周波数fの第二高調波である2f[Hz]の周波数成分(以下、「2f成分」という。)を含む。
When the device under
そのため、2f成分検出器508で検出される2f成分の信号強度を測定することで、被測定物506固有の特性が得られる。また、従来の2f検波波長変調分光システム500は、波長可変レーザ501の出力光に対する応答成分のみを選択的に検出することができるという利点もあり、波長可変レーザ501の出力光以外の雑音光など、周波数fで変調されていない光は除外することができる。
Therefore, by measuring the signal intensity of the 2f component detected by the
電圧−電流変換回路505から出力される電流は、電圧掃引電源503によって周波数fよりも遅い周期で変化するため、波長可変レーザ501の出力光は、微小な変調を伴いながら変調中心波長が掃引される。そして、掃引する波長範囲にわたって変調中心波長に対する2f成分の大きさを表す波長変調分光スペクトル(以下、「2f波長変調分光スペクトル」という。)が得られる。
Since the current output from the voltage-
例えば、非特許文献1には、従来の2f検波波長変調分光法によりメタンガスの2f波長変調分光スペクトルを測定する技術が開示されている。より詳細には、非特許文献1では、周波数f[Hz]で微弱な変調をかけながら、波長可変レーザの出力光の変調中心波長を時間的に掃引し、メタンガスを透過して光検出器で測定された信号強度から、2f[Hz]成分を抽出してメタンガスの2f波長変調分光スペクトルを測定している。
For example, Non-Patent
従来の2f検波波長分光システムでは、波長可変レーザに注入する電流の変化に対して、波長可変レーザから出射されるレーザ光の波長の変化が、レーザの光学的特性や電気的特性によって一定とならないことがあった。そのため、従来の2f検波波長分光システムでは、被測定物を透過したレーザ光の2f波長変調分光スペクトルに誤差が含まれてしまい、被測定物の同定における精度が劣化してしまう場合があった。 In the conventional 2f detection wavelength spectroscopy system, the change in the wavelength of the laser beam emitted from the wavelength tunable laser is not constant depending on the optical characteristics and electrical characteristics of the laser with respect to the change in the current injected into the wavelength tunable laser. There was a thing. Therefore, in the conventional 2f detection wavelength spectroscopic system, an error is included in the 2f wavelength modulation spectroscopic spectrum of the laser light transmitted through the object to be measured, and the accuracy in identifying the object to be measured may be deteriorated.
ここで、図6に従来の波長可変レーザとして一般的な分布反射型レーザにおける、注入電流と出力光の波長との関係を示す。図6に示すように、分布反射型レーザの出力光の長波長帯では、注入電流の変化に対する出力光の波長の変化が小さく、短波長帯になるにつれて波長の変化が大きくなる。このように、波長可変レーザの注入電流の変化に対する出力光の波長変化は一定ではなく、非線形特性を有する。 Here, FIG. 6 shows the relationship between the injection current and the wavelength of the output light in a distributed reflection type laser generally used as a conventional wavelength tunable laser. As shown in FIG. 6, in the long wavelength band of the output light of the distributed reflection type laser, the change in the wavelength of the output light with respect to the change in the injection current is small, and the change in the wavelength becomes larger as the wavelength becomes shorter. As described above, the wavelength change of the output light with respect to the change of the injection current of the wavelength tunable laser is not constant and has nonlinear characteristics.
ここで、被測定物が本来有する波長λにおける2f成分をP2f(λ)とすると、実際に測定される2f成分の値はA(λ)P2f(λ)となる。なお、A(λ)は誤差係数(以下、「2f誤差係数」という。)である。また、実際に測定される2f成分A(λ)P2f(λ)から得られる2f波長変調分光スペクトルには、2f誤差係数A(λ)分だけの誤差が重畳されている。 Here, if the 2f component at the wavelength λ inherent to the object to be measured is P 2f (λ), the actually measured value of the 2f component is A (λ) P 2f (λ). A (λ) is an error coefficient (hereinafter referred to as “2f error coefficient”). Further, an error corresponding to 2f error coefficient A (λ) is superimposed on the 2f wavelength modulation spectrum obtained from the actually measured 2f component A (λ) P 2f (λ).
このように、従来の2f検波波長分光システムでは、実際に測定される2f波長変調分光スペクトルのピーク位置やピーク幅に、波長可変レーザに注入される電流の変化に対する出力光の波長の変化が示す非線形特性に起因した誤差を含む。したがって、従来の2f検波波長変調分光法を用いた波長変調分光システムでは、被測定物の種類の同定や濃度の推定の精度が劣化してしまう問題があった。 As described above, in the conventional 2f detection wavelength spectroscopy system, the peak position and peak width of the actually measured 2f wavelength modulation spectrum show the change in the wavelength of the output light with respect to the change in the current injected into the wavelength tunable laser. Includes errors due to nonlinear characteristics. Therefore, in the wavelength modulation spectroscopy system using the conventional 2f detection wavelength modulation spectroscopy, there is a problem that the accuracy of the identification of the type of the object to be measured and the estimation of the concentration deteriorates.
この問題を解決するために、半導体接合による指数関数回路を用いて2f成分に含まれる誤差を補償して、波長可変レーザの、注入電流の変化に対する出力光の波長変化が有する非線形特性を除去する技術が報告されている。例えば、非特許文献2は、トランジスタを用いて構成した指数関数回路により、ほぼ線形な出力光の波長を生成する技術を開示している。 In order to solve this problem, an error included in the 2f component is compensated by using an exponential function circuit by a semiconductor junction, and the nonlinear characteristic of the wavelength change of the output light with respect to the change of the injection current of the wavelength tunable laser is removed. Technology has been reported. For example, Non-Patent Document 2 discloses a technique for generating a substantially linear wavelength of output light by an exponential function circuit configured using transistors.
しかし、従来の、指数関数回路を用いて2f成分に含まれる誤差を補償する手法では、回路の構成が複雑となるばかりか、個々の回路の特性および個々の波長可変レーザの特性に合わせて、回路ごとに複雑な調整が必要となる問題があった。 However, in the conventional method of compensating for an error included in the 2f component using an exponential function circuit, not only the circuit configuration is complicated, but also according to the characteristics of each circuit and the characteristics of each wavelength tunable laser, There was a problem that complicated adjustment was required for each circuit.
本発明は、被測定物の特性評価をより簡便かつ正確に行うことができる波長変調分光システムを提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the wavelength modulation spectroscopy system which can perform the characteristic evaluation of a to-be-measured object more simply and correctly.
上述した課題を解決するために、本発明に係る波長変調分光システムは、波長可変レーザと、この波長可変レーザを駆動するとともに、前記波長可変レーザから出射されるレーザ光の波長を所定の変調周波数で変調し、変調中心波長を掃引する波長可変レーザ駆動装置と、前記波長可変レーザから出射され、被測定物を透過したレーザ光のうち前記変調周波数の2倍の周波数成分を検出する2倍周波数成分検出器と、前記変調中心波長に対する前記2倍の周波数成分の大きさを表す波長スペクトルを測定するスペクトル測定装置と、前記スペクトル測定装置により測定された測定波長スペクトルに関する誤差情報を記憶する記憶装置と、前記記憶装置に記憶されている前記誤差情報に基づいて、前記測定波長スペクトルを補正した補正波長スペクトルを求める補正装置と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a wavelength modulation spectroscopic system according to the present invention drives a wavelength tunable laser, the wavelength tunable laser, and sets the wavelength of laser light emitted from the wavelength tunable laser to a predetermined modulation frequency. Tunable laser driving device that modulates and sweeps the modulation center wavelength, and a double frequency that detects a frequency component twice the modulation frequency of the laser light emitted from the tunable laser and transmitted through the object to be measured A component detector, a spectrum measuring device that measures a wavelength spectrum that represents the magnitude of the frequency component that is twice the modulation center wavelength, and a storage device that stores error information relating to the measured wavelength spectrum measured by the spectrum measuring device And a corrected wavelength spectrum obtained by correcting the measured wavelength spectrum based on the error information stored in the storage device. Characterized in that it comprises a correction device for determining the vector.
また、本発明に係る波長変調分光システムにおいて、前記誤差情報は、波長に対する前記測定波長スペクトルの大きさと、理論値波長スペクトルの大きさとの比を表す情報であり、前記補正装置は、前記測定波長スペクトルから、前記比に基づいて前記補正波長スペクトルを求めてもよい。 Further, in the wavelength modulation spectroscopic system according to the present invention, the error information is information representing a ratio between the size of the measured wavelength spectrum with respect to the wavelength and the size of the theoretical wavelength spectrum, and the correction device includes the measurement wavelength. The corrected wavelength spectrum may be obtained from the spectrum based on the ratio.
また、本発明に係る波長変調分光システムにおいて、前記誤差情報は、波長に対する前記測定波長スペクトルのピーク位置と、理論値波長スペクトルのピーク位置との誤差を含み、前記補正装置は、前記測定波長スペクトルから、前記測定波長スペクトルのピーク位置の誤差に基づいて前記補正波長スペクトルを求めてもよい。 In the wavelength modulation spectroscopic system according to the present invention, the error information includes an error between a peak position of the measured wavelength spectrum and a peak position of a theoretical wavelength spectrum with respect to a wavelength, and the correction device includes the measured wavelength spectrum. From the above, the corrected wavelength spectrum may be obtained based on an error in the peak position of the measured wavelength spectrum.
また、本発明に係る誤差情報生成システムは、波長可変レーザと、この波長可変レーザを駆動するとともに、前記波長可変レーザから出射されるレーザ光の波長を所定の変調周波数で変調し、変調中心波長を掃引する波長可変レーザ駆動装置と、前記波長可変レーザから出射され、波長フィルタを透過したレーザ光のうち前記変調周波数の2倍の周波数成分を検出する2倍周波数成分検出器と、前記変調中心波長に対する前記2倍の周波数成分の大きさを表す波長スペクトルを測定するスペクトル測定装置と、前記スペクトル測定装置により測定された測定波長スペクトルに周期的に現れるピークどうしを内挿した曲線データを、前記測定波長スペクトルに関する誤差情報として算出する誤差情報算出装置と、前記誤差情報算出装置により算出された前記誤差情報を記憶する記憶装置と、を備え、前記波長フィルタは、所定の波長間隔で前記波長可変レーザから出射されるレーザ光を選択的に透過させることを特徴とする。 An error information generation system according to the present invention drives a wavelength tunable laser and the wavelength tunable laser, modulates the wavelength of the laser light emitted from the wavelength tunable laser at a predetermined modulation frequency, A wavelength tunable laser driving device that sweeps the wavelength, a double frequency component detector that detects a frequency component that is twice the modulation frequency of the laser light emitted from the wavelength tunable laser and transmitted through the wavelength filter, and the modulation center A spectrum measuring device that measures a wavelength spectrum that represents the magnitude of the frequency component that is twice the wavelength, and curve data that interpolates peaks that appear periodically in the measured wavelength spectrum measured by the spectrum measuring device, An error information calculation device that calculates error information relating to a measurement wavelength spectrum and the error information calculation device Is provided with a storage device for storing the error information, it said wavelength filter is characterized in that for selectively transmitting the laser beam emitted from the tunable laser at a predetermined wavelength interval.
また、本発明に係る誤差情報生成システムにおいて、前記誤差情報算出装置は、前記誤差情報を含む前記曲線データと、理論値波長スペクトルに周期的に現れるピークどうしを内挿した理論値曲線データとの比を備えていてもよい。 Further, in the error information generation system according to the present invention, the error information calculation device includes the curve data including the error information and the theoretical value curve data obtained by interpolating peaks that periodically appear in the theoretical wavelength spectrum. A ratio may be provided.
また、本発明に係る誤差情報生成システムにおいて、前記誤差情報算出装置は、波長に対する前記測定波長スペクトルのピーク位置と、前記理論値波長スペクトルのピーク位置との誤差を算出してもよい。 In the error information generation system according to the present invention, the error information calculation device may calculate an error between a peak position of the measured wavelength spectrum with respect to a wavelength and a peak position of the theoretical wavelength spectrum.
また、本発明に係る誤差情報生成システムにおいて、前記波長フィルタは、エタロンフィルタまたはマッハ・ツェンダ干渉計フィルタであってもよい。 In the error information generation system according to the present invention, the wavelength filter may be an etalon filter or a Mach-Zehnder interferometer filter.
また、本発明に係る波長変調分光方法は、波長可変レーザから出射されるレーザ光の波長を所定の変調周波数で変調し、変調中心波長を掃引する波長可変レーザ駆動ステップと、前記波長可変レーザを駆動するとともに、前記波長可変レーザから出射され、被測定物を透過したレーザ光のうち前記変調周波数の2倍の周波数成分を検出する2倍周波数成分検出ステップと、前記変調中心波長に対する前記2倍の周波数成分の大きさを表す波長スペクトルを測定するスペクトル測定ステップと、記憶装置に記憶されている、前記スペクトル測定ステップで測定された測定波長スペクトルに関する誤差情報に基づいて、前記測定波長スペクトルを補正した補正波長スペクトルを求める補正ステップと、を備えることを特徴とする。 The wavelength modulation spectroscopic method according to the present invention includes a wavelength variable laser driving step of modulating the wavelength of laser light emitted from a wavelength variable laser at a predetermined modulation frequency and sweeping the modulation center wavelength, and the wavelength variable laser. A double frequency component detecting step of detecting a frequency component twice the modulation frequency of the laser light emitted from the wavelength tunable laser and transmitted through the object to be measured; and the double the frequency with respect to the modulation center wavelength A spectrum measurement step for measuring a wavelength spectrum representing the magnitude of the frequency component of the signal, and correcting the measurement wavelength spectrum based on error information stored in the storage device and related to the measurement wavelength spectrum measured in the spectrum measurement step And a correction step for obtaining the corrected wavelength spectrum.
本発明によれば、予め記憶装置に記憶されている、波長可変レーザの注入電流の変化に対する出力光の波長の変化が示す非線形特性に起因する誤差情報を用いて、2f波長変調分光スペクトルの観測値を補正するため、被測定物の特性評価をより簡便かつ正確に行うことができる。 According to the present invention, the 2f wavelength modulation spectral spectrum is observed using error information that is stored in advance in a storage device and that is caused by nonlinear characteristics indicated by a change in wavelength of output light with respect to a change in injection current of a wavelength tunable laser. Since the value is corrected, the characteristic evaluation of the object to be measured can be performed more simply and accurately.
以下、本発明の好適な実施の形態について、図1から図4Eを参照して詳細に説明する。各図について共通する構成要素には、同一の符号が付されている。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4E. Constituent elements common to the drawings are given the same reference numerals.
<第1の実施の形態>
本発明の第1の実施の形態に係る波長変調分光システム1は、波長可変レーザ101と、波長可変レーザ101から出射されるレーザ光の波長を所定の変調周波数fで変調し、変調中心波長を掃引する波長可変レーザ駆動装置120とを有する。波長可変レーザ駆動装置120は、発振器102と、電圧掃引電源103と、電圧加算回路104と、電圧−電流変換回路105とを有し、波長可変レーザ101に入力する注入電流を生成する。また、波長変調分光システム1は、波長可変レーザ101から出射され、被測定物106を透過したレーザ光に含まれる変調周波数の2倍の周波数(2f)成分を検出する2f成分検出器108と、変調中心周波数に対する2倍の周波数成分の大きさを表す波長スペクトルを測定するスペクトル測定装置111と、スペクトル測定装置111により測定された波長スペクトルに関する誤差情報を記憶する記憶装置113とを有する。
<First Embodiment>
The wavelength
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る波長変調分光システム1の構成例を示すブロック図である。波長変調分光システム1は、波長可変レーザ101と、波長可変レーザ駆動装置120と、被測定物106と、光強度測定器107と、2f成分検出器108と、電圧−波長変換器109と、スペクトル測定装置111と補正装置112とを含むスペクトル処理装置110と、記憶装置113と、表示装置114とを備える。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a wavelength
波長可変レーザ101は、被測定物の吸収波長帯で発振してレーザ光を出力する波長可変半導体レーザからなる。波長可変レーザ101として、分布反射型レーザなどを用いることができる。波長可変レーザ101は、電圧−電流変換回路105からの電流の注入により発振して、レーザ光を出射する。波長可変レーザ101は、入力される注入電流を制御することにより波長可変光源として使用することができる。
The wavelength
波長可変レーザ駆動装置120は、発振器102と、電圧掃引電源103と、電圧加算回路104と、電圧−電流変換回路105とを有する。波長可変レーザ駆動装置120は、波長可変レーザ101を駆動するとともに、波長可変レーザ101から出射されるレーザ光の波長を所定の変調周波数で変調し、変調中心波長を掃引する。
The wavelength tunable
発振器102は、周波数f[Hz]の正弦波による電圧を電圧加算回路104に出力する。発振器102が出力する正弦波電圧は微小な電圧である。
The
電圧掃引電源103は、被測定物106の吸収スペクトル付近の所定の波長帯を掃引するための電圧信号を発生し、電圧加算回路104に出力する。所定の周波数帯は、被測定物106の吸収スペクトル付近の波長帯とする。
The voltage
電圧加算回路104は、発振器102が出力する微小な正弦波電圧と電圧掃引電源103が出力する電圧とを加算する。電圧加算回路104は、微小な正弦波電圧が重畳された電圧信号を電圧−電流変換回路105に出力する。
The
電圧−電流変換回路105は、微小な正弦波電圧が重畳された電圧信号を電流信号に変換する。電圧−電流変換回路105は、変換して生成した微小な正弦波電流を注入電流として波長可変レーザ101に入力して、波長可変レーザ101を駆動する。これにより、波長可変レーザ101から出射されるレーザ光の波長が変調周波数f[Hz]で微小に変調されるとともに、変調中心波長が所定の波長帯で掃引される。
The voltage-
被測定物106は、波長変調分光システム1による特性評価の対象である物質である。被測定物106は、波長可変レーザ101から出射されるレーザ光を透過して、光強度測定器107で受光される。
The
光強度測定器107は、フォトダイオード(PD)などの光電変換素子や増幅器などを有し、被測定物106を透過したレーザ光を受光して、レーザ光の光強度を示す電気信号に変換し、2f成分検出器108に出力する。
The light
2f成分検出器108は、被測定物106を透過したレーザ光の光強度を示す電気信号から、波長可変レーザ101の変調周波数fの2倍の周波数成分(2f成分)を抽出し、スペクトル測定装置111に出力する。
The
電圧−波長変換器109は、電圧掃引電源103の電圧を入力として、電圧掃引電源103から電圧加算回路104に入力される電圧と、波長可変レーザ101から出射されるレーザ光の波長との対応関係から、電圧掃引時のレーザ光の波長(変調中心波長)を求めてスペクトル測定装置111に出力する。
The voltage-
スペクトル処理装置110は、スペクトル測定装置111と、補正装置112とを有する。
The
スペクトル測定装置111は、2f成分検出器108で検出された透過レーザ光の2f成分の信号と電圧−波長変換器109からの電圧掃引時のレーザ光の波長(変調中心波長)とから、2f成分の波長スペクトル(2f波長変調分光スペクトル)を測定する。また、スペクトル測定装置111は、測定した2f波長変調分光スペクトルを補正装置112に出力する。
The
補正装置112は、記憶装置113に事前に格納されている、2f波長変調分光スペクトルに含まれる誤差情報を読み出して、2f波長変調分光スペクトルから誤差を取り除いたスペクトルを求める。さらに、補正装置112は、補正後の2f波長変調分光スペクトルを表示装置114に出力する。
The
記憶装置113は、予め求められた2f波長変調分光スペクトルの誤差情報を記憶する。誤差情報は、2f誤差係数A(λ)と、2f波長変調分光スペクトルのピーク位置の誤差に関する情報を含む。
The
表示装置114は、補正装置112により補正された2f波長変調分光スペクトルを表示する。また、表示装置114は、2f波長変調分光スペクトルの解析による被測定物106の同定結果などを表示することができる。
The
次に、補正装置112による2f波長変調分光スペクトルの補正処理について説明する。前述したように、電圧−電流変換回路105が波長可変レーザ101に入力する注入電流の変化に対する波長可変レーザ101から出射されるレーザ光の波長の変化は非線形特性を有する。そのため、被測定物106を透過したレーザ光から得られる2f波長変調分光スペクトルの測定値におけるピーク幅やピーク位置に、この非線形特性に起因した誤差を有する。
Next, correction processing of the 2f wavelength modulation spectrum by the
ここで、スペクトル測定装置111の出力値はA(λ)P2f(λ)と表される。P2f(λ)は、被測定物106が本来有する波長λにおける2f成分であり、A(λ)は、2f誤差係数である。
Here, the output value of the
補正装置112は、記憶装置113から2f誤差係数A(λ)を読み出して、スペクトル測定装置111の出力値A(λ)P2f(λ)から2f誤差係数を除した補正値を算出する。さらに、補正装置112は、記憶装置113からピーク位置の誤差情報を読み出して、2f波長変調分光スペクトルの測定値の、ピーク位置のずれ量を補正する。
The
また、補正装置112は、2f波長変調分光スペクトルの測定値についてのピーク幅(ピークの大きさ)やピーク位置の誤差を補正したスペクトルを表示装置114に出力する。
Further, the
このように、本実施の形態における波長変調分光システム1は、補正装置112が、記憶装置113に予め格納されている誤差情報に基づいて、測定された2f波長変調分光スペクトルを補正する。波長変調分光システム1は、誤差が取り除かれた2f波長変調分光スペクトルを解析することで、被測定物106の特性評価をより簡便かつ正確に行うことができる。
As described above, in the wavelength
<第2の実施の形態>
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図2は、第2の実施の形態に係る波長変調分光システム1a(誤差情報生成システム)の構成例を示すブロック図である。なお、以下の説明では、上述した第1の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of a wavelength modulation spectroscopy system 1a (error information generation system) according to the second embodiment. In the following description, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
第1の実施の形態では、補正装置112が、記憶装置113に予め格納されている誤差情報に基づいて、被測定物106を透過したレーザ光の2f波長変調分光スペクトルを補正する場合について説明した。これに対し、第2の実施の形態では、誤差情報算出装置115が、波長フィルタ116を透過したレーザ光の2f成分に含まれる誤差情報を測定し、記憶装置113に格納する。
In the first embodiment, a case has been described in which the
誤差情報算出装置115は、波長フィルタ116を透過したレーザ光より測定される2f波長変調分光スペクトルに基づいて、2f誤差係数A(λ)と2f波長変調分光スペクトルのピーク位置の誤差に関する情報とを含む、誤差情報を算出する。また、誤差情報算出装置115は、算出した誤差情報を記憶装置113に格納する。
Based on the 2f wavelength modulation spectrum measured from the laser light transmitted through the
波長フィルタ116は、波長可変レーザ101から出射されるレーザ光の波長変化に対して、周期的に光の透過率が変化するフィルタであり、例えば、エタロンフィルタやマッハ・ツェンダ干渉計などを用いてもよい。波長フィルタ116は、例えば、メタンなどの既知の物質に固有の波長を透過するものを用いることができる。
The
次に、波長変調分光システム1aによる動作を説明する。図3は、第2の実施の形態に係る波長変調分光システム1aにおける動作を説明するフローチャートである。 Next, the operation of the wavelength modulation spectroscopy system 1a will be described. FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation of the wavelength modulation spectroscopy system 1a according to the second embodiment.
まず、波長可変レーザ101に周波数fの微小な正弦波電流が入力され、波長可変レーザ101からは、この電流により変調したレーザ光が出射される。レーザ光は波長フィルタ116を透過して、光強度測定器107において受光され、光強度測定器107は、受光したレーザ光の信号強度である光透過率を測定する(ステップS11)。
First, a minute sine wave current having a frequency f is input to the wavelength
図4Aは、光強度測定器107が測定した、波長フィルタ116を透過したレーザ光の波長に対する光透過率を示す図である。図4Aに示すように、波長フィルタ116を透過したレーザ光の光透過率は、レーザ光の波長の変化に対して周期的に変化している。また、光強度測定器117が測定した光透過率のデータは記憶装置113に格納される。
FIG. 4A is a diagram showing the light transmittance with respect to the wavelength of the laser light transmitted through the
次に、2f成分検出器108は、光強度測定器107により測定された、波長フィルタ116を透過したレーザ光の光透過率から2f成分を抽出して、スペクトル測定装置111に出力する。スペクトル測定装置111は、2f成分の信号と、電圧−波長変換器109から取得する、電圧掃引時に波長可変レーザ101から出射されるレーザ光の波長情報とから、2f波長変調分光スペクトルを求める(ステップS12)。
Next, the
なお、電圧掃引時のレーザ光の波長(変調中心波長)は、電圧−波長変換器109が事前に測定した電圧掃引電源103の電圧と波長可変レーザの波長との対応関係を用いて求めた情報である。
Note that the wavelength (modulation center wavelength) of the laser light at the time of voltage sweep is information obtained by using the correspondence between the voltage of the voltage
図4Bは、スペクトル測定装置111で測定される波長フィルタ116を透過したレーザ光の2f波長変調分光スペクトルを示す図である。図4Bにおいて、点線で示す曲線は、波長フィルタ116を透過したレーザ光の光透過率から抽出された2f成分である。また、実線で示す曲線は、2f成分(点線)に基づいて測定された2f波長変調分光スペクトルである。
FIG. 4B is a diagram showing a 2f wavelength modulation spectrum of the laser light transmitted through the
スペクトル測定装置111が求めた、波長フィルタ116を透過したレーザ光の2f波長変調分光スペクトルは、記憶装置113に格納される。また、スペクトル測定装置111は、2f波長変調分光スペクトルのデータを誤差情報算出装置115に出力する。
The 2f wavelength modulation spectrum of the laser light that has passed through the
次に、誤差情報算出装置115は、スペクトル測定装置111によって測定された2f波長変調分光スペクトルと、2f波長変調分光スペクトルの理論値とに基づいて、誤差係数A(λ)を算出する(ステップS13)。
Next, the error
より詳細には、誤差情報算出装置115は、記憶装置113から、ステップS11で光強度測定器107が測定した波長フィルタ116を透過したレーザ光の光透過率(図4A)のデータを読み出す。誤差情報算出装置115は、この光透過率のデータから波長フィルタ116の特性を求めて、2f波長変調スペクトルの理論値を算出する。2f波長変調スペクトルの理論値は、波長可変レーザ101に注入される電流の変化に対する出力光の波長の変化が線形であると仮定した場合に得られる理想的な値である。
More specifically, the error
図4Cは、図4Bに示す2f波長変調分光スペクトルのピークどうしを内挿して結んだ2f波長変調分光スペクトルの測定値の曲線と、対応する理論値の曲線を示す図である。実線で示す曲線は、2f波長変調分光スペクトルの理論値のピークどうしを内挿して結んだ曲線である。また、破線で示す曲線は、ステップS12でスペクトル測定装置111が求めた2f波長変調分光スペクトル(点線で示す曲線)における、測定値のピークどうしを内挿した曲線である。
FIG. 4C is a diagram showing a measured value curve of a 2f wavelength modulation spectrum obtained by interpolating peaks of the 2f wavelength modulation spectrum shown in FIG. 4B and a corresponding theoretical value curve. A curve indicated by a solid line is a curve formed by interpolating peaks of theoretical values of the 2f wavelength modulation spectrum. A curve indicated by a broken line is a curve in which peaks of measured values are interpolated in the 2f wavelength modulation spectrum (curve indicated by a dotted line) obtained by the
図4Cに示すように、2f波長変調分光スペクトルの理論値(実線)と測定値(破線)とは一致していない。これは、前述したとおり、波長可変レーザ101から出射されるレーザ光の波長変化が、電圧−電流変換回路105への入力電圧に比例していないことによる。
As shown in FIG. 4C, the theoretical value (solid line) and the measured value (broken line) of the 2f wavelength modulation spectrum do not match. This is because the wavelength change of the laser light emitted from the wavelength
誤差情報算出装置115は、2f波長変調分光スペクトルの理論値(実線)に対する測定値(破線)の比、即ち、2f誤差係数A(λ)を求める。図4Dは、図4Cに示す2f波長変調分光スペクトルの理論値に対する測定値の比を示す図であり、図4Dに示す曲線が2f誤差係数A(λ)である。
The error
次に、誤差情報算出装置115は、図4Cに示す、2f波長変調分光スペクトルの理論値(実線)に対する測定値(破線)におけるピーク位置の誤差を算出する(ステップS14)。図4Eは、図4Cに示す2f波長変調分光スペクトルの理論値に対する測定値におけるピーク位置のずれ量を示す図である。
Next, the error
そして、誤差情報算出装置115は、ステップS13で求めた2f誤差係数A(λ)とステップS14で求めたピーク位置の誤差の情報を、誤差情報として記憶装置113に格納する。
Then, the error
波長変調分光システム1aは、このようにして作成された誤差情報のデータベースを用いて、2f波長変調分光スペクトルの測定値を補正する。 The wavelength modulation spectroscopic system 1a corrects the measurement value of the 2f wavelength modulation spectroscopic spectrum using the error information database created in this way.
より詳細には、波長フィルタ116に代えて被測定物106を設置し、被測定物106を透過したレーザ光の2f波長変調分光スペクトルを測定する。補正装置112は、誤差情報算出装置115が算出して記憶装置113に格納した誤差情報を読み出して、2f波長変調分光スペクトルを補正する。
More specifically, the device under
以上説明したように、第2の実施の形態における波長変調分光システム1aによれば、波長可変レーザ101に入力される注入電流の変化に対する波長可変レーザ101の出射光の波長変化が有する非線形特性が原因で生ずる2f誤差係数A(λ)を予め算出する。また、波長変調分光システム1aは、2f波長変調分光スペクトルにおけるピーク位置の誤差についても予め算出し、2f誤差係数A(λ)と2f波長変調分光スペクトルのピーク位置の誤差とを含む誤差情報を記憶装置113に格納する。
As described above, according to the wavelength modulation spectroscopic system 1a in the second embodiment, the nonlinear characteristic of the wavelength change of the emitted light of the wavelength
また、本実施の形態における波長変調分光システム1aでは、予め記憶装置113に格納されている誤差情報を用いて、被測定物106を透過したレーザ光の2f波長変調分光スペクトルを補正する。また、波長変調分光システム1aは、レーザ光の2f成分に含まれる誤差を取り除いた、被測定物106本来の2f波長変調分光スペクトルを求め、これを特性評価の対象とするため、被測定物106の特性評価をより簡便かつ正確に行うことができる。
Further, in the wavelength modulation spectroscopic system 1a according to the present embodiment, the 2f wavelength modulation spectroscopic spectrum of the laser light transmitted through the
以上、本発明の波長変調分光システムにおける実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。 The embodiments of the wavelength modulation spectroscopic system of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the described embodiments, and various types that can be assumed by those skilled in the art within the scope of the invention described in the claims. Can be modified.
1、1a…波長変調分光システム、101…波長可変レーザ、102…発振器、103…電圧掃引電源、104…電圧加算回路、105…電圧−電流変換回路、106…被測定物、107…光強度測定器、108…2f成分検出器、109…電圧−波長変換器、110…スペクトル処理装置、111…スペクトル測定装置、112…補正装置、113…記憶装置、114…表示装置、115…誤差情報算出装置、116…波長フィルタ、120…波長可変レーザ駆動装置。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
この波長可変レーザを駆動するとともに、前記波長可変レーザから出射されるレーザ光の波長を所定の変調周波数で変調し、変調中心波長を掃引する波長可変レーザ駆動装置と、
前記波長可変レーザから出射され、被測定物を透過したレーザ光のうち前記変調周波数の2倍の周波数成分を検出する2倍周波数成分検出器と、
前記変調中心波長に対する前記2倍の周波数成分の大きさを表す波長スペクトルを測定するスペクトル測定装置と、
前記スペクトル測定装置により測定された測定波長スペクトルに関する誤差情報を記憶する記憶装置と、
前記記憶装置に記憶されている前記誤差情報に基づいて、前記測定波長スペクトルを補正した補正波長スペクトルを求める補正装置と、
を備えることを特徴とする波長変調分光システム。 A tunable laser;
A wavelength tunable laser driving device that drives the wavelength tunable laser, modulates the wavelength of the laser light emitted from the wavelength tunable laser at a predetermined modulation frequency, and sweeps the modulation center wavelength;
A double frequency component detector for detecting a frequency component twice the modulation frequency in the laser light emitted from the wavelength tunable laser and transmitted through the object to be measured;
A spectrum measuring device for measuring a wavelength spectrum representing the magnitude of the frequency component twice the modulation center wavelength;
A storage device for storing error information relating to a measurement wavelength spectrum measured by the spectrum measurement device;
Based on the error information stored in the storage device, a correction device for obtaining a correction wavelength spectrum obtained by correcting the measurement wavelength spectrum;
A wavelength modulation spectroscopic system comprising:
前記補正装置は、前記測定波長スペクトルから、前記比に基づいて前記補正波長スペクトルを求めることを特徴とする請求項1に記載の波長変調分光システム。 The error information is information representing the ratio of the size of the measured wavelength spectrum to the wavelength and the size of the theoretical wavelength spectrum,
The wavelength modulation spectroscopy system according to claim 1, wherein the correction device obtains the correction wavelength spectrum from the measurement wavelength spectrum based on the ratio.
前記補正装置は、前記測定波長スペクトルから、前記測定波長スペクトルのピーク位置の誤差に基づいて前記補正波長スペクトルを求めることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の波長変調分光システム。 The error information includes an error between a peak position of the measured wavelength spectrum with respect to a wavelength and a peak position of a theoretical wavelength spectrum,
3. The wavelength modulation spectroscopy system according to claim 1, wherein the correction device obtains the correction wavelength spectrum from the measurement wavelength spectrum based on an error in a peak position of the measurement wavelength spectrum.
この波長可変レーザを駆動するとともに、前記波長可変レーザから出射されるレーザ光の波長を所定の変調周波数で変調し、変調中心波長を掃引する波長可変レーザ駆動装置と、
前記波長可変レーザから出射され、波長フィルタを透過したレーザ光のうち前記変調周波数の2倍の周波数成分を検出する2倍周波数成分検出器と、
前記変調中心波長に対する前記2倍の周波数成分の大きさを表す波長スペクトルを測定するスペクトル測定装置と、
前記スペクトル測定装置により測定された測定波長スペクトルに周期的に現れるピークどうしを内挿した曲線データを、前記測定波長スペクトルに関する誤差情報として算出する誤差情報算出装置と、
前記誤差情報算出装置により算出された前記誤差情報を記憶する記憶装置と、
を備え、
前記波長フィルタは、所定の波長間隔で前記波長可変レーザから出射されるレーザ光を選択的に透過させることを特徴とする誤差情報生成システム。 A tunable laser;
A wavelength tunable laser driving device that drives the wavelength tunable laser, modulates the wavelength of the laser light emitted from the wavelength tunable laser at a predetermined modulation frequency, and sweeps the modulation center wavelength;
A double frequency component detector for detecting a frequency component twice the modulation frequency of the laser light emitted from the wavelength tunable laser and transmitted through the wavelength filter;
A spectrum measuring device for measuring a wavelength spectrum representing the magnitude of the frequency component twice the modulation center wavelength;
An error information calculation device that calculates curve data obtained by interpolating peaks that periodically appear in the measurement wavelength spectrum measured by the spectrum measurement device, as error information related to the measurement wavelength spectrum;
A storage device for storing the error information calculated by the error information calculation device;
With
The wavelength filter selectively transmits laser light emitted from the wavelength tunable laser at a predetermined wavelength interval.
前記波長可変レーザを駆動するとともに、前記波長可変レーザから出射され、被測定物を透過したレーザ光のうち前記変調周波数の2倍の周波数成分を検出する2倍周波数成分検出ステップと、
前記変調中心波長に対する前記2倍の周波数成分の大きさを表す波長スペクトルを測定するスペクトル測定ステップと、
記憶装置に記憶されている、前記スペクトル測定ステップで測定された測定波長スペクトルに関する誤差情報に基づいて、前記測定波長スペクトルを補正した補正波長スペクトルを求める補正ステップと、
を備えることを特徴とする波長変調分光方法。 A wavelength tunable laser driving step for modulating the wavelength of laser light emitted from the wavelength tunable laser at a predetermined modulation frequency and sweeping the modulation center wavelength;
A second frequency component detecting step of driving the wavelength tunable laser and detecting a frequency component twice the modulation frequency of the laser light emitted from the wavelength tunable laser and transmitted through the object to be measured;
A spectrum measurement step of measuring a wavelength spectrum representing the magnitude of the frequency component twice the modulation center wavelength;
A correction step for obtaining a correction wavelength spectrum obtained by correcting the measurement wavelength spectrum based on error information relating to the measurement wavelength spectrum measured in the spectrum measurement step, stored in a storage device;
A wavelength modulation spectroscopic method comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017137905A JP2019020213A (en) | 2017-07-14 | 2017-07-14 | Wavelength modulation spectroscopic system, error information generation system, and wavelength modulation spectroscopy |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2022102685A1 (en) * | 2020-11-11 | 2022-05-19 |
-
2017
- 2017-07-14 JP JP2017137905A patent/JP2019020213A/en active Pending
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| JPWO2022102685A1 (en) * | 2020-11-11 | 2022-05-19 | ||
| JP7595887B2 (en) | 2020-11-11 | 2024-12-09 | 株式会社Moresco | Spectroscopic analysis system, computing device, and computing program |
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