JPH0315742A

JPH0315742A - ガス検出装置

Info

Publication number: JPH0315742A
Application number: JP1343580A
Authority: JP
Inventors: Haruo Nagai; 治男永井; Kiyoji Uehara; 上原　喜代治; Masafumi Aizawa; 相沢　允文
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1989-03-23
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1991-01-24
Also published as: US5015099A; FR2644892B1; FR2644892A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は光の吸収を利用して光学的なガス濃度の測定を
行い、都市ガス、化学プラント等のガス漏洩を検出する
ガス検出装置に関する．〔従来の技術〕メタン等の気体には、分子の回転や構威原子間の振動等
に応じて特定波長の光を吸収する吸収帯があることが知
られている．以下、メタンガスの検出を例として述べれば、メタンは
、１．３３μ鵬、１．６７μ―，　３．３９μ一帯に吸
収帯を有する。この吸収帯を利用して、差分吸収レーザ
レーダ法を応用したガス検出装置が種々発表されている
（特開昭６１−　２２２２８９号公報、特開昭６２−　
９８２３５号公報および特開昭６２−　２９０１９０号
公報）．例えば、光源としてメタンに吸収される３．３９２２μ
一とメタンにほとんど吸収されない３．３９１２μ一の
２波長の赤外Ｈｅ−Ｎｅレーザを使用し、この２波長の
レーザ光を交互に等しい出力で大気中に照射し、直接光
又は反射光を受光する．大気中にメタンが存在するとき
は、吸収により３．３９２２μｍと３．３９１２μ一の
２波長の受光信号レベルに差が生る．その差を計測する
ことにより大気中（光路中）にメタンが存在すること、
また、その濃度を検出していた　く特開昭６１　−　２
２２２８９号公報および特開昭６２−　９８２３５号公
報）また、発振波長がｌ，３３μ−付近にある半導体レーザ
を光源として用い、レーザを所定の電流値を中心とする
異なる２つの電流値で変調し、１．３３μ−付近の２波
長で発振させることにより、同様にメタンの検出を行っ
ていた　（特開昭６２−　２９０１９０号公報）．〔発明が解決しようとする課題〕しかし、赤外Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いたレーザ装置は、
ガス吸収セルやミラーなどの部品も多く、構戒が複雑で
あり、機械的振動に弱い。また、駆動方法も大がかりな
ものとなり、装置が大型化し、価格が高価なものであっ
た。

また、半導体レーザを用いた２波長レーザ装置は、波長
を変化させるためにレーザを駆動する電流を変化させる
と、レーザ光の出力値も同時に変化するため、そのまま
では差分吸収レーザレーダ法の光源として使用できない
。そのため、２波長戒分の出力値をほぼ等しくするため
のガス吸収セル、ミラーや光センサなどからなる複雑な
出力調整手段がやはり必要となり、経時変化等を考慮す
ると、精度が良く、しかも信頼性の高いガス検出装置を
得ることが困難であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、
機械的振動に強く、小型、高精度のガス検出装置を提供
することを目的とする．〔課題を解決するための手段〕上記課題を解決するために本発明のガス検出装置におい
ては、光源を波長可変単一モード半導体レーザとし、ま
た、２つの波長を交互に出力するようにし、しかも各波
長および各出力レベルをそれぞれ所定の値にするために
、単一モード半導体レーザの各電極に流す注入電流を制
御する制御装置を備えた．さらに、請求項（３）の発明のガス検出装置は、■波長
可変単一モード半導体レーザの波長および出力レベルを
検知する受光手段を備え、その受光手段は２つの波長を
弁別する弁別器と、弁別された各出力を検知する受光素
子で構或する．■受光手段からの信号を受けその受光レ
ベルに応じて、波長可変単一モード半導体レーザの複数
の各電極に流す電流の総和おび総和と各電極に流すｔ流
との比を演算する演算処理部を備える．■演算処理手段
からの制御信号を受け各電極に流す電流を制御する電流
駆動部を備えた．つまり、波長可変単一モード半導体レ
ーザの波長および出力レベルを所望の値とするために、
フィードバックループを形戒することにより波長可変単
一モード半導体レーザの駆動電流を制御することにより
実現するものである．〔作用〕このように構成されたガス検出装置によれば、光源に用
いる半導体レーザは波長と出力をそれぞれ独立して制御
できるため、それぞれの波長に応じた適切なレーザ駆動
電流を流すことにより、極めて容易に２波長の出力戒分
が等しくなるように制御することができ、波長および出
力の制御精度を高めることができる。

〔実施例〕（第一の実施例）以下本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

差分吸収レーザレーダ法に用いる２波長レーザに要求さ
れる条件は次の３点である。

１）　　２波長の光軸が一致していること．２）機械的
振動に強いこと．３）２つの光の波長、強度が電気的に制御でき、これら
の値が独立に変調できること．なお、２波長の間隔は１０人位あれば十分で、変調速度
はＫＨｚ程度に対応できれば良い．これらの値は前記の
各種波長可変半導体レーザで十分に実現できるものであ
る。

室温以上の温度で動作可能な半導体レーザの発振波長は
、現在では１．７μ僧より短い波長領域にあり、メタン
の吸収スペクトルは１．６７μｍ付近のものが強いこと
が発表されている．そのため、この波長域の半導体レー
ザを用いることが好都合である。

第１図は、１．６７μｍ発振の　ＩｎＰ／　ＩｎＧａＡ
ｓ系の３電極ＤＦＢレーザを光源として使用したガス検
出装置のシステム構戒図である．ここに示す半導体レーザ１　（３電極ＤＦＢレーザ）は
、電流駆動部２からの駆動電流１１　　Ｔｉに応じて、
メタンに吸収されやすい波長ス，（第一の実施例では１
．６６５μ−）および、メタンに吸収されにくい波長λ
２　（第一の実施例では１．６６４μｍ）を等しい強度
で交互に出射する．また、赤色光レーザ（または、可視
光レーザ）３は、半導体レーザ１のレーザ光の出射方向
を示すためのガイド用として使用する。これらのレーザ
から出射されるレーザ光はミラー４とハーフ箋ラー５に
より合波され、ミラー６、７により大気中に照射される
．大気中に照射されたλ１　　λ２のレーザ光は道路、
壁等にて散乱される．その散乱したレーザ光をカセグレ
ーン型集光鏡８にて集光する。その光信号を、受光素子
９にて電気信号に変換し、信号処理部１０にて電気信号
レヘルを検出する．その結果大気中にメタンがあるかど
うかを検出する．その検出方法を第２図、第３図を用いて説明する．λ，
とλ２は波長が極めて接近しているため、メタン吸収特
性以外の光学的特性はほとんど同一である．したがって
大気中（光路中）にメタンが存在しない場合は、第２図
に示すように、２本のレーザ光は交互に同し強度で戻っ
てくる。そのためこの２波長を識別できない受光素子９
で受光される全光量は一定となり、その受光部出力は変
調周波数威分を持たない．したがって、電流駆動部２で
Ｉ，およびＩ２を変化させる周期に同期して、この受光
部出力を、信号処理部１０でロックイン検波しても出力
は零となる。

一方、大気中（光路中）にメタンが存在する場合は、第
３図に示すように、λ１のレーザ光だけ吸収され減衰さ
れるため、全光量には変調戒分が現われる。よって、電
流駆動部２でＩ１およびＩ，を変化させる周期に同期し
て、この受光部出力を、信号処理部１０でロックイン検
波すれば、λ１λ２の２波長の光の受光量の差に対応し
たレベルが出力される。このレベルにより大気中に存在
するメタンの濃度を検出することができる．次に、本発
明で半導体レーザ１として使用している３電極ＤＦＢレ
ーザの動作原理を説明する．第４図に示すように、半導
体レーザ１は駆動電流■１および■２を流すように電流
駆動部２に接続されている。第５図（ａ）、第５図（ｂ
）に示すように、この半導体レーザｌの発振波長はＩ１
と？２との比で決定される。この比を適切に制御するこ
とにより所望の波長λ１　（μＩ＋１）とλ２　（μｍ
）で発振させることができる。また、半導体レーザ１の
レーザ光の出力はＩ．＋Ｉｉの注入電流値によって決定
される．つまり、波長λ１とするためにはＩ．　＝ｎ　Ｉとし、
波長λ２とするためには！■一ｍｌ，とし、λ１および
λ２のそれぞれの出力を所定値にするために、ｉ＋ｌ＝
Ｎとするように制御すればよい。

このｎ，ｍ，Ｈの値は個々の半導体レーザによって少し
づつ異なる値であるが、本実施例で用いたレーザではｎ
，ｍ，Ｎの各値は第１表のとおりである。

第　　１表（第二の実施例）第６図に３電極ＤＢＲレーザの構威図、第７図に印加電
流に対する発振波長の特性図を示す．発光領域、位相制
御領域、Ｄ　Ｂ　Ｒ　領域に注入する電流を各々Ｉａ，
Ｉｐ、Ｉｄとする．第７図に示すように光出力Ｐは、発
光領域に注入するＩａでほぼ決定される．ただし、Ｉｐ
，Ｉｄを変化させると光出力が変化するので発光領域に
注入するＩａも変化させる。また、回折格子に加わる電
界により回折格子の屈折率を制御できるため、発振波長
は、位相制御領域、ＤＢＲ領域に注入するｒｐとＩｄの
和で決定される。つまり、ｆｐ／（ｆａ十＋ｐ＋ｒａ）
、Ｉ　ｄ／　（Ｉ　ａ＋ｉ　ｐ＋Ｉ　ｄ）およびＩａ＋
ｉｐ＋Ｉｄがそれぞれ所望の値となるように制御する．（第三の実施例）第８図に集積化素子の構戒図を示す。３電極ＤＦＢレー
ザである第ｌのＬＤ２０、第２のＬＤ２１と合波導波路
２２とを集積化する。第ｌのＬＤ２０をメタンに吸収さ
れやすい波長λ，（第三の実施例では１．６６５　ａ　
ｍ　）とし、第２のＬＤ２１をメタンに吸収されにくい
波長ス．（第三の実施例では１．６６４μｍ）とする．
さらに、波長λ１と波長λ２が交互に等しい強度で出射
するように、第１のＬＤ２０と第２のＬＤ２１に交互に
印加電流を切り替える。

なお、所定の波長および出力強度の制御方法は、第一の
実施例と同樺である。また、第三の実施例の３電極ＤＦ
Ｂレーザの変わりとして３電極ＤＢＲレーザを使用する
ことができるのは言うまでもない．（第四の実施例）第９図に透過する光の吸収を利用した方法のシステム構
戒図を示す。第一の実施例乃至第三の実施例においては
、大気中に存在するガスを検出するのに反射光を利用し
たものであった．一方、第四の実施例は、空間を伝播し
、その途中で検出対象のガス中を通過してくる光を利用
する方法である．送信部２３の光源と制御装置、および
受信部２４の受光部と信号処理部は、第一の実施例、第
二の実施例または第三の実施例と同様の構成のものであ
る．また、送信部２３と受信部２４との同期を取るため
に、メタンに吸収されにくい波長λ２　（第四の実施例
では１．６６４μｍ）を使用して同期信号を、送信部２
３より受信部２４に送信する．受信部２４は同期信号を
受信して、同期を確立しガス検出処理を行う。さらに波
長λ２を使用して、光出力値、警報しきい値等の各種パ
ラメータ、および制御信号を送信部２３より受信部２４
に送信する．なお、このデータ伝送は、波長Ａ，を使用
せずメタリック回線等の別回線を使用してもできる。

さらに、受信部２４のデータを送信部２３に送信するこ
ともできる．（第五の実施例）第１０図に透過する光の吸収を利用した方法のシステム
構成図を示す。第五の実施例は、パイプラインのガス漏
れの監視装置に使用できるものである．第四の実施例で
は光を空間に出射するが、第五の実施例は、ファイバ２
５に出射するものとし、パイプラインの複数の詩所にフ
ァイバ２５から空間に光を出射するためのレンズ２６と
、空間に出射されガス中を通過してくる光を、集光し再
びファイバ２５に入射するレンズ２７から構威される。

さらに、光伝送路としてファイバを利用することにより
、出射方向に伝播する光だけでなく送信部２３方向に反
射してくる光を利用することができる。つまり、光パル
ス試験器の出射する光の波長をメタンに吸収されやすい
波長λｌ　（第五の実施例では１．６６５μｍ）を使用
することにより、バイブラインのガス漏れの箇所を検出
することができる．（第六の実施例）第１１図に第六の実施例を示す。一般的にレーザ発振を
起こさせレーザ光を出射させるべく、半導体レーザに電
流を流すと、それにより半導体レーザ自体が発熱する。

そのために、素子の温度制御下で一定電流で駆動しても
、レーザ光の波長および強度の精度を保つことは困難で
あった。

第六の実施例では、第一の実施例において、レーザ光λ
１、λ２それぞれの波長および強度を監視し、その結果
により電流駆動部２が出力する電流を制御することによ
り、半導体レーザｌ　（第六の実施例では３電極ＤＦＢ
レーザ）から出射させる波長および強度の精度を向上す
るものである。

半導体レーザ１から出射されるレーザ光を、ハーフミラ
ーｌ１により分光し、その分光されたレーザ光を以下に
記載するそれぞれの受光素子に導かれるように、ハーフ
ミラー１２、ハーフミラー１３およびミラー１４を配置
する。

ハーフミラー１２により分光されたレーザ光は受光素子
ｌ５に入射する．その受光素子ｌ５の出力によりλ１、
λ２それぞれの強度を演算処理部２０で測定する。

ハーフミラー１３により分光されたレーザ光はｌ．６６
５μ−を選択的に分光する波長弁別器ｌ６に入射され、
その出力を受光素子１７に入射する。その受光素子１７
の出力によりλ１の強度を演算処理部２０で測定する。

ミラーｌ４により反射されたレーザ光は１．６６４　μ
ｍを選択的に分光する波長分光器１８に入射され、その
出力を受光素子１９に入射する。その受光素子１９の出
力によりλ，の強度を演算処理部２０で測定する．次に、波長および強度の測定を具体的に記載する。

■λ１の波長を１．６６５μ麟になるように制御するに
は、演算処理部２０で、第１表の１．　＝ｎＩ１におけ
るｎを１．４５近辺で走査する。そして入射されたレー
ザ光を波長分光ｊ３１６で選択し、受光素子１７で受光
する弁別信号強度が最高となるようにｎを制御する。

■次に、λ１の強度を１ｍＷ一定になるように制御する
には、演算処理部２０で、■で決定したｎを一定に保ち
、かつ第１表のＩｔ　＋１，＝ＮにおけるＮを４５ｍ　
Ａ近辺で走査して、受光素子ｌ５に入射される。その受
光素子ｌ５の出力によりλ１の強度が１ｍＷ一定になる
ようにＮを制御する． ■λ２の波長を１．６６４μ−、になるように制御する
には、演算処理部２０で、第１表の１．＝ｍｌ＋におけ
るｍを２．５１近辺で走査する。そして入射されたレー
ザ光を波長弁別器１８で選択し、受光素子１９で受光す
る弁別信号強度が最高となるようにｍを制御する。

■次に、λ２の強度を１ｍＷ一定になるように制御する
には、演算処理部２０で、■で決定したｍを一定に保ち
、かつ第１表の１．＋１２＝ＮにおけるＮを４５ｍ　Ａ
近辺で走査して、受光素子ｌ５に入射さる。その受光素
子ｌ５の出力によりλ，の強度が１ｍＷ一定になるよう
にＮを制御する。

■から■の操作を行うことにより、ｌ１　　λ２の波長
およびそれぞれの強度を一定に保つことができる．これらの一連の操作は高精度な温度制御下で行うことに
より極めて容易になるものであることは当然である．し
かも、半導体レーザを含めたガス検出装置の温度が変動
しても、波長と出力とを独立に制御できる半導体レーザ
である特徴を生かして、レーザに加える電流を制御する
。それにより温度変動の影響をとり除き、ガス検出が容
易に行えるものであることも明白で、本発明の大きな利
点でる。

このような構或により、波長λ１、λ２の特定強度にお
いてのメタン濃度と受光素子９に入射された強度との関
係をあらかしめ信号処理部１０に記憶させておくことに
より、大気中のメタン濃度を精度よく測定することがで
きる。

なお、波長弁別器としてファイブベロ干渉計あるいは、
特定の物質の吸収特性を利用する吸収セル等がある．特
にλ１の波長弁別器としては、検出対象であるメタンの
吸収セルを用いれば最も簡便で精度の高い弁別を行うこ
とができる．また、各実施例においては３電極ＤＦＢレ
ーザについて説明したが、２電極ＤＦＢレーザでも同様
の機能を発揮できる。さらに波長可変ＤＢＲレーザ、集
積化ＤＦＢレーザ、および集積化ＤＢＲレーザについて
も同様である。

さらに使用する波長について、各実施例では１．６６５
μｍ付近の吸収を利用したが第１２図に示す如くメタン
の吸収線はこの付近で多く存在し、使用波長は１．６６
５μ−に限らない。特に実用可能な受光素子の波長依存
性を考えるとＧｅ，　ＩｎＧａＡｓの両方の素子とも１
．６６５μ―では長波長すぎて感度が落ちてしまう。ま
た、光源のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系レーザも活性層を
ＩｎＧａＡｓとして１．６６５μ網付近で発振させる場
合には、もっと短波長での発振にくらべ出力と、その温
度特性が劣る。これらの事情を考えあわせると、例えば
１．６４μ−にある吸収ピークを利用すれば、光源、受
光素子等の性能もさらに向上し、メタンの検出をさらに
高感度で実行できることは言うまでもない．〔発明の効果〕以上説明したように本発明のガス検出装置によれば、半
導体レーザを使用することにより、従来装置では機械的
な動作を利用していた部分が電気的な信号を加えること
となり、可動部分が減り、部品点数が少なくなり、装置
の小形化、信頼性の向上となる．また、本発明で使用の半導体レーザは、波長、出力をそ
れぞれ独立に制御できる。そのため、検出対象ガスの吸
収特性に応した最も効果的な波長を利用でき、しかも制
御が容易となり、波長、出力の制御精度が高くなり、各
種ガスの検出精度を大幅に向上できる．

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第一の実施例を示すシステム構威図
、第２図は、時間に対するλ１、λ２および受光部出力の
変化を表わした図であり、大気中にメタンが存在しない
場合を示す．第３図は、時間に対するλ，、λ２および受光部出力の
変化を表わした図であり、大気中にメタンが存在する場
合を示す．第４図は、本発明で使用する半導体レーザの一実施例の
３電極ＤＦＢレーザの構或図、第５図は、３電極ＤＦＢ
レーザに流す注入電流分布によるスペクトルの変化を示
すスペクトル分布図、第６図は、本発明の第二の実施例で使用する半導体レー
ザの一実施例の３電極ＤＢＲレーザの構威図、第７図は、３電極ＤＢＲレーザの印加電流に対する発振
波長の特性図、第８図は、本発明の第三の実施例で使用する集積化素子
ＤＦＢレーザの構戒図、第９図は、本発明の第四の実施例を示すシステム構戒図
、第１０図は、本発明の第五の実施例を示すシステム構成
図、第１ｌ図は、本発明の第六の実施例を示すシステム構威
図、第１２図は、メタンガスの光吸収特性図、１・・・半導
体レーザ、２・・・電流駆動部、４，　　　　６，　　　　７．　　　１４　　・　　・
　　・　　ミ　ラ　ー５　．１１，１２．１３　　・・
　・ハーフごラー８・・・カセグレーン型集光鏡、９　，１５．１７．１９　・・・受光素子、１０・・・
信号処理部、１６．１８　・・・波長弁別器、２０・・・演算処理部、２３・・・送信部、２４・・・受信部．

Claims

【特許請求の範囲】

（１）異なる２つの波長のレーザ光を発振するレーザ装
置を光源として用いて差分吸収法により特定種類のガス
を検出するガス検出装置において、前記光源は波長可変
単一モード半導体レーザでなり、２つの波長を交互に出
力するようにし、前記各波長の出力が実質的に同一にな
るようにし、かつ前記光源が出力する２つの波長を所定
の値に保持すべく前記波長可変単一モード半導体レーザ
を制御する制御装置を備えたことを特徴とするガス検出
装置。
（２）前記差分吸収法が、検知する箇所を透過する光の
吸収を利用する方法であることを特徴とする請求項１記
載のガス検出装置。
（３）異なる２つの波長のレーザ光を発振するレーザ装
置を光源として用いて差分吸収法により特定種類のガス
を検出するガス検出装置において、波長可変単一モード
半導体レーザの波長および出力レベルを検知する受光手
段と、該受光手段からの信号を受けて、前記波長可変単
一モード半導体レーザの複数の各電極に流す電流の総和
おび該総和と各電極に流す電流との比を演算する演算処
理部と、該演算処理部からの制御信号を受け前記各電極
に流す電流を制御する電流駆動部を備えたことを特徴と
する請求項１記載のガス検出装置。