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JPH11148898A - Isotope analyzer - Google Patents

Isotope analyzer

Info

Publication number
JPH11148898A
JPH11148898A JP31567097A JP31567097A JPH11148898A JP H11148898 A JPH11148898 A JP H11148898A JP 31567097 A JP31567097 A JP 31567097A JP 31567097 A JP31567097 A JP 31567097A JP H11148898 A JPH11148898 A JP H11148898A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
temperature
detecting
amplifier
light
semiconductor laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP31567097A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroaki Igarashi
裕明 五十嵐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Radio Co Ltd
Original Assignee
Japan Radio Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Radio Co Ltd filed Critical Japan Radio Co Ltd
Priority to JP31567097A priority Critical patent/JPH11148898A/en
Publication of JPH11148898A publication Critical patent/JPH11148898A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】光吸収スペクトルの強度を安定かつ高精度に検
出する。 【解決手段】半導体レーザ1の温度検出回路6と温度制
御回路7とが接続されるように選択回路15を切り替え
てレーザ光Lの光波長の粗調を行った後、選択回路15
を3f成分を検出するロックインアンプ13側に切り替
えて微調を行い光波長を3f成分のゼロクロス点にロッ
クする。このようにすれば、光吸収スペクトル自体で光
波長がロックされることになるので正確な光波長が得ら
れる。したがって、安定かつ高精度に光吸収スペクトル
の強度を検出することができる。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To stably and accurately detect the intensity of a light absorption spectrum. A selection circuit (15) is switched so that a temperature detection circuit (6) and a temperature control circuit (7) of a semiconductor laser (1) are connected, and the light wavelength of the laser light (L) is roughly adjusted.
Is switched to the lock-in amplifier 13 side for detecting the 3f component, and fine adjustment is performed to lock the optical wavelength to the zero cross point of the 3f component. In this case, the light wavelength is locked by the light absorption spectrum itself, so that an accurate light wavelength can be obtained. Therefore, the intensity of the light absorption spectrum can be detected stably and with high accuracy.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、同位体が存在す
る試料ガスに光を照射し、同位体の各光吸収スペクトル
強度から同位体比を検出する同位体分析装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an isotope analyzer for irradiating a sample gas containing an isotope with light and detecting an isotope ratio from the intensity of each light absorption spectrum of the isotope.

【0002】[0002]

【従来の技術】まず、発明の背景について説明する。同
位体の変化をトレース(追跡)する手法は、医療業分野
では病気の診断に、農業分野では光合成の研究や植物の
代謝作用の研究に、地球科学的分野では生態系のトレー
スに利用することができる。
2. Description of the Related Art First, the background of the invention will be described. The method of tracing isotope changes should be used for diagnosing diseases in the medical industry, researching photosynthesis and plant metabolism in the agricultural field, and tracing ecosystems in the earth science field. Can be.

【0003】これらの用途に使用される同位体として
は、窒素、炭素などがある。炭素においては、質量数が
12の12Cと質量数が13の13Cの安定同位体があり、
この安定同位体は放射性同位体のような放射線被爆がな
いので取り扱いが容易であり、医療分野での利用が加速
されつつある。
[0003] Isotopes used in these applications include nitrogen and carbon. In carbon, there are stable isotopes of 12 C having a mass number of 12 and 13 C having a mass number of 13,
These stable isotopes are easy to handle because they are not exposed to radiation as radioisotopes, and their use in the medical field is being accelerated.

【0004】従来、このような用途における同位体分析
装置として赤外線分光計がある。赤外線分光計は、赤外
域の発光波長範囲の広いランプを光源とし、分散型分光
器などを用いて光波長を選択して同位体の光吸収スペク
トルを観測する装置である。しかし、同位体の光吸収ス
ペクトル波長が極めて近接しているため、分散型分光器
の光波長選択性能が障害となって十分な光波長分解特性
が得られず、赤外線分光計では、同位体の測定精度が十
分であるとは言えなかった。
Conventionally, there is an infrared spectrometer as an isotope analyzer for such an application. An infrared spectrometer is a device that uses a lamp having a wide emission wavelength range in the infrared region as a light source, selects a light wavelength using a dispersive spectroscope, and observes the light absorption spectrum of the isotope. However, since the light absorption spectrum wavelengths of the isotopes are very close, the light wavelength selection performance of the dispersive spectrometer is impeded, and sufficient light wavelength resolution characteristics cannot be obtained. The measurement accuracy was not sufficient.

【0005】他の同位体分析装置として質量分析計があ
る。質量分析計は、分子の質量そのものを測定するため
高い精度で同位体の測定が可能である。しかし、装置が
大型であり取り扱いも難しく、非常に高価であるという
欠点がある。
[0005] Another isotope analyzer is a mass spectrometer. A mass spectrometer can measure isotopes with high accuracy because it measures the mass of a molecule itself. However, there are disadvantages in that the device is large, difficult to handle, and very expensive.

【0006】これらの問題点を解決する手法として、レ
ーザ分光分析手法が注目されている。このレーザ分光分
析手法は、光源として狭帯域の半導体レーザを用いるこ
とにより小型の装置で高い光波長分解能が得られる。こ
のため、操作性が向上し、同位体測定精度も十分であ
る。
As a technique for solving these problems, a laser spectroscopic analysis technique has been receiving attention. In this laser spectroscopic analysis method, high light wavelength resolution can be obtained with a small device by using a narrow band semiconductor laser as a light source. Therefore, the operability is improved, and the accuracy of isotope measurement is sufficient.

【0007】このレーザ分光分析手法では、光源として
用いる半導体レーザの温度および電流を安定化すること
により所定の光波長を得、試料ガスを透過した後のレー
ザ光の光強度変化に基づきガス分子による光吸収スペク
トル強度を測定する。
In this laser spectroscopic analysis method, a predetermined light wavelength is obtained by stabilizing the temperature and current of a semiconductor laser used as a light source, and the light intensity of a laser beam after passing through a sample gas is changed by gas molecules. The light absorption spectrum intensity is measured.

【0008】しかし、半導体レーザの光波長が温度等の
環境条件に敏感で変化しやすい。したがって、光波長の
高い精度での安定化が、レーザ分光分析手法における基
幹技術、いわゆるキー技術になっている。
[0008] However, the light wavelength of the semiconductor laser is sensitive to environmental conditions such as temperature and is easily changed. Therefore, stabilization of the optical wavelength with high accuracy has become a key technology in laser spectroscopic analysis techniques, a so-called key technology.

【0009】図4は、レーザ分光分析手法が適用された
従来技術に係る同位体分析装置の構成を示している。
FIG. 4 shows a configuration of a conventional isotope analyzing apparatus to which a laser spectroscopic analysis technique is applied.

【0010】図4例の同位体分析装置は、半導体レーザ
1、保持ブロック2、コリメートレンズ3、温度検出素
子4、温度制御素子5、温度検出回路6、温度制御回路
7、試料セル9、光検出素子10、発振回路11、ロッ
クインアンプ12、制御部14および電流制御回路18
を有している。
The isotope analyzing apparatus shown in FIG. 4 comprises a semiconductor laser 1, a holding block 2, a collimating lens 3, a temperature detecting element 4, a temperature controlling element 5, a temperature detecting circuit 6, a temperature controlling circuit 7, a sample cell 9, a light source, and a light source. Detection element 10, oscillation circuit 11, lock-in amplifier 12, control unit 14, and current control circuit 18
have.

【0011】まず、光学系の作用について説明する。保
持ブロック2上に固定されている半導体レーザ1から出
射されたレーザ光Lがコリメートレンズ3を介して平行
光としてのレーザ光Lとされる。このレーザ光Lが、測
定対象としての試料ガスの導入された試料セル9中で光
吸収を受けた後透過し、光検出素子10によりその吸収
スペクトル強度が検出される。
First, the operation of the optical system will be described. Laser light L emitted from the semiconductor laser 1 fixed on the holding block 2 is converted into parallel laser light L via the collimating lens 3. The laser light L is transmitted after being absorbed in the sample cell 9 into which the sample gas to be measured is introduced, and the absorption spectrum intensity is detected by the photodetector 10.

【0012】次に、半導体レーザ1に対する光波長安定
化作用について説明する。半導体レーザ1と温度検出素
子4とは、保持ブロック2上に高い密着性をもって固定
されている。このため、半導体レーザ1と温度検出素子
4相互の熱伝導性が良好に保持され、これら半導体レー
ザ1と温度検出素子4とは、保持ブロック2と略同一の
温度になる。したがって、温度検出素子4により半導体
レーザ1の温度を検出することができる。
Next, the operation of stabilizing the light wavelength of the semiconductor laser 1 will be described. The semiconductor laser 1 and the temperature detecting element 4 are fixed on the holding block 2 with high adhesion. For this reason, the thermal conductivity between the semiconductor laser 1 and the temperature detecting element 4 is kept good, and the temperature of the semiconductor laser 1 and the temperature detecting element 4 becomes substantially the same as the temperature of the holding block 2. Therefore, the temperature of the semiconductor laser 1 can be detected by the temperature detecting element 4.

【0013】温度検出素子4により検出された半導体レ
ーザ1の温度情報は、温度検出回路6により電気信号に
変換され温度測定値として温度制御回路7に入力され
る。
The temperature information of the semiconductor laser 1 detected by the temperature detecting element 4 is converted into an electric signal by a temperature detecting circuit 6 and input to a temperature control circuit 7 as a measured temperature value.

【0014】温度制御回路7は、制御部14から与えら
れる温度設定値と前記温度測定値との差を算出し、算出
した差に応じて保持ブロック2と一体的に取り付けられ
ている温度制御素子5を制御する。
The temperature control circuit 7 calculates a difference between a temperature set value given from the control unit 14 and the measured temperature value, and according to the calculated difference, a temperature control element integrally attached to the holding block 2. 5 is controlled.

【0015】温度制御素子5は、温度制御回路7による
制御により加熱または吸熱し、温度制御素子5上に熱的
に良好に熱伝導を保って固定されている保持ブロック2
の温度を変化させる。
The temperature control element 5 heats or absorbs heat under the control of the temperature control circuit 7, and is fixed on the temperature control element 5 while maintaining good thermal conductivity.
The temperature of the

【0016】以上説明したような温度制御ループが形成
されることで、半導体レーザ1の温度が制御部14から
与えられる所望の設定温度に安定する。
By forming the temperature control loop as described above, the temperature of the semiconductor laser 1 is stabilized at a desired set temperature given from the control unit 14.

【0017】また、半導体レーザ1は、制御部14から
与えられる設定値に従い安定化した電流を出力する電流
制御回路18から供給される電流により駆動される。
Further, the semiconductor laser 1 is driven by a current supplied from a current control circuit 18 which outputs a stabilized current according to a set value given from the control unit 14.

【0018】したがって、上述した設定温度の安定化、
換言すれば半導体レーザ1のチップ温度を安定化するこ
とと、半導体レーザ1に供給される駆動電流を安定化す
ることによりレーザ光Lの光波長の安定化を図ることが
できる。
Therefore, the above-mentioned stabilization of the set temperature,
In other words, by stabilizing the chip temperature of the semiconductor laser 1 and stabilizing the drive current supplied to the semiconductor laser 1, the light wavelength of the laser light L can be stabilized.

【0019】次に、光吸収スペクトルの検出作用につい
て説明する。
Next, the operation of detecting the light absorption spectrum will be described.

【0020】発振回路11は、半導体レーザ1の駆動電
流を変調するための周波数fの変調信号を発生する。周
波数fの変調信号は、電流制御回路18に入力され、電
流制御回路18での安定化電流に加算されて電流制御回
路18から半導体レーザ1に駆動電流として供給され
る。半導体レーザ1の駆動電流を変調することによりレ
ーザ光Lの光波長がFM変調される。
The oscillation circuit 11 generates a modulation signal of a frequency f for modulating the driving current of the semiconductor laser 1. The modulation signal having the frequency f is input to the current control circuit 18, added to the stabilization current in the current control circuit 18, and supplied from the current control circuit 18 to the semiconductor laser 1 as a drive current. By modulating the drive current of the semiconductor laser 1, the light wavelength of the laser light L is FM-modulated.

【0021】制御部14からの出力電流設定値が比例的
に増加した場合、電流制御回路18から半導体レーザ1
に供給される駆動電流が単調に増加し、この駆動電流の
増加に応じて、半導体レーザ1の光波長が単調に増加す
る。この場合、光波長の可変範囲を所定の光吸収スペク
トルが存在する範囲とすることにより所定の光吸収スペ
クトルの強度を光検出素子10により検出することがで
きる。
When the set value of the output current from the control unit 14 increases proportionally, the current control circuit 18
Increases monotonically, and the optical wavelength of the semiconductor laser 1 monotonically increases in accordance with the increase in the driving current. In this case, the light detection element 10 can detect the intensity of the predetermined light absorption spectrum by setting the variable range of the light wavelength to the range where the predetermined light absorption spectrum exists.

【0022】なお、光波長を周波数fでFM変調した場
合、光吸収スペクトル波形は2f信号に置換されるの
で、2f成分を検出するロックインアンプ12により光
吸収スペクトルの強度が検出される。
When the light wavelength is FM-modulated at the frequency f, the light absorption spectrum waveform is replaced by the 2f signal, and the intensity of the light absorption spectrum is detected by the lock-in amplifier 12 which detects the 2f component.

【0023】このようにして検出された2つの所定の光
吸収スペクトルの強度に対して制御部14により比をと
ることにより、図4に示した同位体分析装置により同位
体比を検出することができる。
By controlling the ratio of the two predetermined light absorption spectra thus detected by the controller 14, the isotope ratio can be detected by the isotope analyzer shown in FIG. it can.

【0024】[0024]

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に、半
導体レーザ1の光波長のFM変調効率は、半導体レーザ
1のチップ温度と半導体レーザ1に供給される駆動電流
との組合せで決定されることから、いずれかの値が変動
した場合、FM変調効率が変化する。FM変調効率が変
化した場合、2f成分を検出するロックインアンプ12
により検出される光吸収スペクトルの強度が変動し、検
出精度が低下するという問題が生じる。
Generally, the FM modulation efficiency of the optical wavelength of the semiconductor laser 1 is determined by a combination of the chip temperature of the semiconductor laser 1 and the driving current supplied to the semiconductor laser 1. , The FM modulation efficiency changes. When the FM modulation efficiency changes, the lock-in amplifier 12 that detects the 2f component
, The intensity of the light absorption spectrum detected fluctuates, and the detection accuracy decreases.

【0025】半導体レーザ1に電流制御回路18から安
定した駆動電流を供給することは比較的に容易である
が、半導体レーザ1のチップ温度を安定化することは容
易ではない。
Although it is relatively easy to supply a stable drive current from the current control circuit 18 to the semiconductor laser 1, it is not easy to stabilize the chip temperature of the semiconductor laser 1.

【0026】その理由は、半導体レーザ1と温度検出素
子4の熱的接触のためには保持ブロック2の介在が必須
であるため、たとえ、上述したように、保持ブロック2
上に高い密着性をもって半導体レーザ1と温度検出素子
4とを固定し、相互の熱伝導を良好に保持したとして
も、駆動電流の比例的な増加等の熱的変動要素が半導体
レーザ1に繰り返し印加されたり環境温度が変化した場
合には、半導体レーザ1のチップ温度と温度検出素子4
の検出温度との間には微妙な隔たりが生じてくるからで
ある。その結果、半導体レーザ1のチップ温度は、制御
部14から与えられる設定温度と僅かに異なる値にな
る。
The reason is that the interposition of the holding block 2 is indispensable for the thermal contact between the semiconductor laser 1 and the temperature detecting element 4.
Even if the semiconductor laser 1 and the temperature detecting element 4 are fixed with high adhesion on top of each other and the mutual heat conduction is maintained well, thermal fluctuation elements such as a proportional increase in the driving current are repeated in the semiconductor laser 1. When the temperature is applied or the environmental temperature changes, the chip temperature of the semiconductor laser 1 and the temperature detecting element 4
This is because there is a delicate gap from the detected temperature. As a result, the chip temperature of the semiconductor laser 1 has a value slightly different from the set temperature given from the control unit 14.

【0027】しかしながら、光吸収スペクトルの存在す
る光波長は物理的に一定であり変動しないため、半導体
レーザ1の実際のチップ温度がずれた分だけ異なった駆
動電流値において所定の光波長が得られることになる。
この場合、光吸収スペクトルの観測時点での温度検出素
子4により検出される半導体レーザ1のチップ温度と平
均駆動電流が初期条件と異なったものとなる。このた
め、FM変調効率が変化し、2f成分を検出するロック
インアンプ12での検出レベルが変化することとなる。
However, since the light wavelength at which the light absorption spectrum exists is physically constant and does not fluctuate, a predetermined light wavelength can be obtained at a different driving current value by an amount corresponding to a shift of the actual chip temperature of the semiconductor laser 1. Will be.
In this case, the chip temperature and the average driving current of the semiconductor laser 1 detected by the temperature detecting element 4 at the time of observation of the light absorption spectrum are different from the initial conditions. Therefore, the FM modulation efficiency changes, and the detection level of the lock-in amplifier 12 that detects the 2f component changes.

【0028】なお、半導体レーザ1のチップ温度と温度
検出素子4による検出温度との微妙な隔たりは、半導体
レーザ1のチップ自体、正確にはチップ内の発光点と温
度検出素子4とが物理的に一体とはなり得ないために回
避することができない問題である。
The slight difference between the chip temperature of the semiconductor laser 1 and the temperature detected by the temperature detection element 4 is caused by the fact that the chip itself of the semiconductor laser 1, more precisely, the light emitting point in the chip and the temperature detection element 4 are physically different. This is a problem that cannot be avoided because it cannot be integrated with a computer.

【0029】この発明はこのような課題を考慮してなさ
れたものであり、光吸収スペクトルの測定時に光波長の
FM変調効率を安定化し、安定して光吸収スペクトルを
検出することを可能とし、同位体比を高精度に求めるこ
とのできる同位体分析装置を提供することを目的とす
る。
The present invention has been made in view of the above-described problems, and it is possible to stabilize the FM modulation efficiency of a light wavelength at the time of measuring a light absorption spectrum and to stably detect the light absorption spectrum. It is an object of the present invention to provide an isotope analyzer capable of determining an isotope ratio with high accuracy.

【0030】[0030]

【課題を解決するための手段】この発明は、例えば、図
1に示すように、同位体の光吸収スペクトルより同位体
比を検出する同位体分析装置において、レーザ光Lを出
力する半導体レーザ1と、前記半導体レーザの温度を検
出する温度検出回路6と、検出された温度が設定値とな
るように前記半導体レーザを温度制御する温度制御回路
7と、前記半導体レーザに一定の駆動電流を供給する定
電流回路8と、前記半導体レーザに周波数fの変調をか
ける発振回路11と、前記同位体の試料ガス9内を透過
した前記レーザ光から光吸収スペクトルを検出する光検
出素子10と、前記光吸収スペクトルの2f成分を検出
するロックインアンプ12と、前記光吸収スペクトルの
3f成分を検出するロックインアンプ13と、前記温度
制御回路への入力を、前記温度検出回路の出力または前
記3f成分を検出するロックインアンプの出力から選択
する選択回路15を有し、前記温度検出回路の出力によ
る前記レーザ光の光波長の粗調整と前記3f成分を検出
するロックインアンプの出力による前記光波長の微調整
とを併用して前記光波長をロックし、前記2f成分を検
出するロックインアンプ出力により前記光吸収スペクト
ルの強度を検出して、検出した光吸収スペクトルの強度
比から前記同位体比を検出することを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor laser 1 for outputting a laser beam L in an isotope analyzer for detecting an isotope ratio from an optical absorption spectrum of an isotope, for example, as shown in FIG. A temperature detection circuit 6 for detecting the temperature of the semiconductor laser; a temperature control circuit 7 for controlling the temperature of the semiconductor laser so that the detected temperature becomes a set value; and supplying a constant drive current to the semiconductor laser. A constant current circuit 8, an oscillation circuit 11 for modulating the frequency of the semiconductor laser with a frequency f, a light detection element 10 for detecting a light absorption spectrum from the laser light transmitted through the isotope sample gas 9, A lock-in amplifier 12 for detecting the 2f component of the light absorption spectrum, a lock-in amplifier 13 for detecting the 3f component of the light absorption spectrum, and an input to the temperature control circuit. A selection circuit 15 for selecting from the output of the temperature detection circuit or the output of the lock-in amplifier for detecting the 3f component, and the coarse adjustment of the light wavelength of the laser light by the output of the temperature detection circuit and the 3f component. The light wavelength is locked by using the fine adjustment of the light wavelength by the output of the lock-in amplifier to be detected, and the intensity of the light absorption spectrum is detected and detected by the lock-in amplifier output for detecting the 2f component. The isotope ratio is detected from an intensity ratio of a light absorption spectrum.

【0031】この発明によれば、温度検出回路の出力に
基づくレーザ光の光波長の粗調整後に、3f成分を検出
するロックインアンプの出力により光波長をロックする
ようにしているので、光吸収スペクトル自体で光波長が
ロックされ、安定して光吸収スペクトルを検出すること
が可能となり、その結果、同位体比を高精度に求めるこ
とができる。
According to the present invention, the light wavelength is locked by the output of the lock-in amplifier that detects the 3f component after the rough adjustment of the light wavelength of the laser light based on the output of the temperature detection circuit. The light wavelength is locked in the spectrum itself, and the light absorption spectrum can be detected stably. As a result, the isotope ratio can be obtained with high accuracy.

【0032】この場合、例えば、図3に示すように、前
記光検出素子と前記3f成分を検出するロックインアン
プとの間に前記2f成分を検出するロックインアンプの
出力に反比例して利得が制御される可変利得アンプ17
を配するとともに、前記光検出素子の出力側に当該光検
出素子の出力パワーの変化を検出する直流アンプ16を
配し、前記2f成分を検出するロックインアンプの出力
により前記光吸収スペクトルの強度を検出するとき、前
記2f成分を検出するロックインアンプの出力を前記直
流パワーの出力により正規化した値として検出した後、
比をとることにより同位体比検出精度を高めることがで
きる。また、可変利得アンプの作用により、光波長安定
制御に用いる3f成分のレベルの変化を防止することが
でき、光波長の安定性を高めることができる。
In this case, for example, as shown in FIG. 3, the gain is inversely proportional to the output of the lock-in amplifier for detecting the 2f component between the photodetector and the lock-in amplifier for detecting the 3f component. Controlled variable gain amplifier 17
And a DC amplifier 16 for detecting a change in output power of the light detecting element is provided on the output side of the light detecting element, and the intensity of the light absorption spectrum is obtained by an output of a lock-in amplifier for detecting the 2f component. When detecting the output of the lock-in amplifier for detecting the 2f component as a value normalized by the output of the DC power,
Taking the ratio can increase the accuracy of isotope ratio detection. Further, by the action of the variable gain amplifier, it is possible to prevent a change in the level of the 3f component used for the optical wavelength stability control, and to enhance the stability of the optical wavelength.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態に
ついて図面を参照して説明する。なお、以下に参照する
図面において、上記図4に示したものと対応するものに
は同一の符号を付けてその詳細な説明は省略する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings referred to below, components corresponding to those shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0034】図1は、この発明の一実施の形態の同位体
分析装置の構成を示している。
FIG. 1 shows the configuration of an isotope analyzing apparatus according to one embodiment of the present invention.

【0035】図1例の同位体分析装置は、半導体レーザ
1、保持ブロック2、コリメートレンズ3、温度検出素
子4、温度制御素子5、温度検出回路6、温度制御回路
7、定電流回路8、試料セル9、光検出素子10、発振
回路11、ロックインアンプ12、13、制御部14お
よび選択回路15を有している。
The example of the isotope analyzer shown in FIG. 1 includes a semiconductor laser 1, a holding block 2, a collimating lens 3, a temperature detecting element 4, a temperature controlling element 5, a temperature detecting circuit 6, a temperature controlling circuit 7, a constant current circuit 8, It has a sample cell 9, a light detection element 10, an oscillation circuit 11, lock-in amplifiers 12, 13, a control unit 14, and a selection circuit 15.

【0036】図1例の同位体分析装置において、半導体
レーザ1としては、シングルモードのDFB(ディスト
リビューテッドフィードバック)レーザなどを用いるこ
とができる。そして、同位体として炭素同位体(12C、
13C)の測定には、1.5〜2.0μm程度の赤外波長
域が高感度となり有効である。
In the isotope analyzer of FIG. 1, a single mode DFB (distributed feedback) laser or the like can be used as the semiconductor laser 1. And carbon isotopes ( 12 C,
In the measurement of 13 C), an infrared wavelength region of about 1.5 to 2.0 μm is effective because it has high sensitivity.

【0037】保持ブロック2としては、熱輻射を抑え半
導体レーザ1などとの密着性を高めるため金メッキを施
した熱伝導性の良い銅などの金属を用いる。
As the holding block 2, a metal such as copper, which is plated with gold and has good heat conductivity, is used in order to suppress heat radiation and increase the adhesion to the semiconductor laser 1 and the like.

【0038】コリメートレンズ3としては、半導体レー
ザ1の光波長に適合したガラスやプラスチップの非球面
レンズを用いる。
As the collimating lens 3, a glass or a plus-chip aspheric lens suitable for the light wavelength of the semiconductor laser 1 is used.

【0039】温度検出素子4としては、白金薄膜温度セ
ンサやサーミスタを用いる。
As the temperature detecting element 4, a platinum thin film temperature sensor or a thermistor is used.

【0040】温度制御素子5としては、ペルチェ素子や
ヒータを用いる。
As the temperature control element 5, a Peltier element or a heater is used.

【0041】温度検出回路6としては、抵抗値検出差動
増幅回路を用いる。
As the temperature detection circuit 6, a resistance value detection differential amplifier circuit is used.

【0042】温度制御回路7としては、差分回路とPI
D(比例積分微分)回路を用いる。
As the temperature control circuit 7, a differential circuit and PI
A D (proportional-integral-derivative) circuit is used.

【0043】定電流回路8としては、抵抗負荷帰還型演
算回路を用いる。
As the constant current circuit 8, a resistance load feedback type operation circuit is used.

【0044】試料セル9としては、ガラスや金属製でシ
ングルパスやマルチパスのセルを用いる。
A single-pass or multi-pass cell made of glass or metal is used as the sample cell 9.

【0045】光検出素子10としては、半導体レーザ1
の光波長に適合したフォトダイオードを用いる。同位体
として炭素同位体(12C、13C)の測定には、1.5〜
2.0μm程度の赤外波長帯を検出可能な、Geまたは
InGaAsなどが適している。
As the light detecting element 10, the semiconductor laser 1 is used.
Use a photodiode suitable for the light wavelength of For the measurement of carbon isotopes ( 12 C, 13 C) as isotopes, 1.5 to
Ge or InGaAs, which can detect an infrared wavelength band of about 2.0 μm, is suitable.

【0046】発振回路11としては、PLL回路やデジ
タルクロック発生回路を用いる。
As the oscillation circuit 11, a PLL circuit or a digital clock generation circuit is used.

【0047】ロックインアンプ12、13としては、チ
ョッピングアンプとLPFやミキサ回路を用いる。
As the lock-in amplifiers 12 and 13, a chopping amplifier, an LPF and a mixer circuit are used.

【0048】制御部14としては、MPUとメモリ素子
とA/D・D/Aコンバータなどを用いる。
As the control unit 14, an MPU, a memory element, an A / D / D / A converter and the like are used.

【0049】選択回路15としては、アナログスイッチ
やフォトモスリレーなどを用いる。
As the selection circuit 15, an analog switch, a photo MOS relay or the like is used.

【0050】上述のように構成される同位体分析装置に
おいて、まず、光学系の作用について説明する。保持ブ
ロック2上に固定されている半導体レーザ1から出射さ
れたレーザ光Lがコリメートレンズ3を介して平行光と
してのレーザ光Lとされる。このレーザ光Lが、測定対
象としての試料ガスが導入された試料セル9中で光吸収
を受けた後透過し、光検出素子10によりその吸収スペ
クトル強度が検出される。検出された強度信号は、光吸
収スペクトルの2f成分を検出するロックインアンプ1
2と光吸収スペクトルの3f成分を検出するロックイン
アンプ13に入力され、後述する検出、制御に用いられ
る。
First, the operation of the optical system in the isotope analyzing apparatus configured as described above will be described. Laser light L emitted from the semiconductor laser 1 fixed on the holding block 2 is converted into parallel laser light L via the collimating lens 3. This laser light L is transmitted after being absorbed in the sample cell 9 into which the sample gas to be measured is introduced, and the absorption spectrum intensity is detected by the light detection element 10. The detected intensity signal is a lock-in amplifier 1 that detects the 2f component of the light absorption spectrum.
2 and 3f component of the light absorption spectrum are input to the lock-in amplifier 13 and used for detection and control described later.

【0051】次に、半導体レーザ1に対する光波長安定
化作用について説明する。図1例の同位体分析装置にお
いて、光波長の安定化は2つの段階に分けて達成され
る。
Next, the operation of stabilizing the light wavelength of the semiconductor laser 1 will be described. In the isotope analyzer of FIG. 1, stabilization of the light wavelength is achieved in two stages.

【0052】まず、光波長安定化の第1段階(粗調)に
ついて説明する。半導体レーザ1と温度検出素子4と
は、保持ブロック2上に高い密着性をもって固定されて
いる。このため、半導体レーザ1と温度検出素子4相互
の熱伝導性が良好に保持され、これら半導体レーザ1と
温度検出素子4とは、保持ブロック2と略同一の温度に
なる。したがって、温度検出素子4により半導体レーザ
1の温度を検出することができる。
First, the first stage (coarse adjustment) of light wavelength stabilization will be described. The semiconductor laser 1 and the temperature detecting element 4 are fixed on the holding block 2 with high adhesion. For this reason, the thermal conductivity between the semiconductor laser 1 and the temperature detecting element 4 is kept good, and the temperature of the semiconductor laser 1 and the temperature detecting element 4 becomes substantially the same as the temperature of the holding block 2. Therefore, the temperature of the semiconductor laser 1 can be detected by the temperature detecting element 4.

【0053】温度検出素子4により検出された半導体レ
ーザ1の温度情報は、温度検出回路6により電気信号に
変換され温度測定値として選択回路15に入力される。
The temperature information of the semiconductor laser 1 detected by the temperature detecting element 4 is converted into an electric signal by the temperature detecting circuit 6 and inputted to the selecting circuit 15 as a measured temperature value.

【0054】光波長安定化の第1段階において、制御部
14は、温度検出回路6の出力である温度測定値が温度
制御回路7の入力となるように選択回路15を切り替え
るとともに(図示の位置)、所定の光吸収スペクトルが
存在する光波長(既知の光波長λ0とする。)が得られ
る半導体レーザ1のチップ温度設定値を温度制御回路7
に与える。
In the first stage of the optical wavelength stabilization, the control unit 14 switches the selection circuit 15 so that the measured temperature value output from the temperature detection circuit 6 becomes the input to the temperature control circuit 7 (at the position shown in the drawing). ), The temperature control circuit 7 sets the chip temperature set value of the semiconductor laser 1 at which a light wavelength at which a predetermined light absorption spectrum exists (a known light wavelength λ0) is obtained.
Give to.

【0055】温度制御回路7は、制御部14から供給さ
れる温度設定値と温度検出回路6を通じて供給される前
記温度測定値との差を算出し、算出した差に応じて保持
ブロック2と一体的に取り付けられている温度制御素子
5を制御する。
The temperature control circuit 7 calculates the difference between the temperature set value supplied from the control unit 14 and the measured temperature value supplied through the temperature detection circuit 6, and integrates with the holding block 2 according to the calculated difference. It controls the temperature control element 5 which is mounted in a fixed manner.

【0056】温度制御素子5は、温度制御回路7からの
制御により加熱または吸熱し、温度制御素子5上に熱的
に良好に固定されている保持ブロック2の温度を変化さ
せる。
The temperature control element 5 heats or absorbs heat under the control of the temperature control circuit 7 to change the temperature of the holding block 2 which is thermally fixed on the temperature control element 5 in a good condition.

【0057】以上説明したように温度制御ループが形成
されることで、半導体レーザ1の温度が制御部14から
与えられる所望の設定温度に安定する。
By forming the temperature control loop as described above, the temperature of the semiconductor laser 1 is stabilized at a desired set temperature given from the control unit 14.

【0058】このとき、半導体レーザ1は、制御部14
から定電流回路8に設定される設定値に従い安定化した
駆動電流を出力する定電流回路8から供給される一定の
駆動電流により駆動される。
At this time, the semiconductor laser 1 is
Is driven by a constant drive current supplied from the constant current circuit 8 that outputs a stabilized drive current according to the set value set in the constant current circuit 8.

【0059】このようにして半導体レーザ1のチップ温
度と半導体レーザ1に供給される駆動電流とを安定化す
ることにより、第1段階の光波長の安定化が図られる。
By stabilizing the chip temperature of the semiconductor laser 1 and the driving current supplied to the semiconductor laser 1 in this manner, the first stage of the light wavelength is stabilized.

【0060】第1段階の光波長の安定化が図られている
中、発振回路11は、半導体レーザ1の駆動電流を変調
する周波数fの変調信号を発生して定電流回路8に供給
するとともに、それぞれ周波数2f成分と周波数3f成
分を検出するロックインアンプ12、13に供給する周
波数2f、3fの参照信号を発生してそれぞれロックイ
ンアンプ12、13に供給する。
While stabilizing the optical wavelength in the first stage, the oscillation circuit 11 generates a modulation signal having a frequency f for modulating the driving current of the semiconductor laser 1 and supplies the modulation signal to the constant current circuit 8. , And generates reference signals of frequencies 2f and 3f to be supplied to the lock-in amplifiers 12 and 13 for detecting the frequency 2f component and the frequency 3f component, respectively, and supplies the reference signals to the lock-in amplifiers 12 and 13, respectively.

【0061】定電流回路8は、前記の安定化した駆動電
流に、供給された周波数fの変調信号を加算して出力す
る。このようにして半導体レーザ1の駆動電流を変調す
ることにより光波長がFM変調される。光波長に周波数
fのFM変調をかけ、光吸収スペクトルの存在する光波
長においてロックインアンプ13により周波数3f成分
を検出したとき、光吸収スペクトルの3次微分波形が得
られることが知られている。
The constant current circuit 8 adds the supplied modulation signal of the frequency f to the stabilized drive current and outputs the result. By modulating the drive current of the semiconductor laser 1 in this manner, the light wavelength is FM-modulated. It is known that when the light wavelength is subjected to FM modulation at a frequency f and the lock-in amplifier 13 detects the frequency 3f component at the light wavelength where the light absorption spectrum exists, a third-order differential waveform of the light absorption spectrum is obtained. .

【0062】次に、図2を参照して光波長安定化の第2
段階(微調)について説明する。図2aは、光吸収スペ
クトルの波形、図2bは1f波形、図2cは2f波形、
図2dは3f波形である。なお、1f波形は、図2aに
示す光吸収スペクトル波形の1次微分波形と、2f波形
は図2aに示す光吸収スペクトル波形の2次微分波形
と、3f波形は図2aに示す光吸収スペクトル波形の3
次微分波形とそれぞれ等価である。
Next, with reference to FIG.
The stage (fine adjustment) will be described. 2A is a waveform of an optical absorption spectrum, FIG. 2B is a 1f waveform, FIG. 2C is a 2f waveform,
FIG. 2d shows the 3f waveform. The 1f waveform is the first derivative waveform of the light absorption spectrum waveform shown in FIG. 2a, the 2f waveform is the second derivative waveform of the light absorption spectrum waveform shown in FIG. 2a, and the 3f waveform is the light absorption spectrum waveform shown in FIG. 2a. 3
These are respectively equivalent to the second derivative waveform.

【0063】図2a〜図2dに示す光吸収スペクトル波
形として現れる光スペクトル吸収線は、きわめて急峻な
波形であり、従来の技術の項で説明したような、半導体
レーザ1のチップ温度と温度検出素子4の検出温度との
間の微妙な隔たり、すなわち微小なチップ温度のオフセ
ットにより半導体レーザ1の光波長にずれが発生する。
このため、検出温度のみによる制御では、厳密に既知の
光波長λ0を得ることが困難である。
The light spectrum absorption lines appearing as the light absorption spectrum waveforms shown in FIGS. 2A to 2D are extremely steep waveforms, and the chip temperature and the temperature detecting element of the semiconductor laser 1 as described in the section of the prior art. The light wavelength of the semiconductor laser 1 is shifted due to a delicate difference from the detected temperature of No. 4, that is, a slight offset of the chip temperature.
For this reason, it is difficult to obtain a strictly known light wavelength λ0 by control using only the detected temperature.

【0064】そこで、光波長安定化の第2段階におい
て、制御部14は、3f成分を検出するロックインアン
プ13の出力が温度制御回路7に入力されるように選択
回路15を切り替える。この状態において、温度制御回
路7は、3f成分を検出するロックインアンプ13の出
力が図2dに示すゼロクロス点Z2となる光波長が得ら
れるように温度制御素子5を制御して半導体レーザ1の
チップ温度を制御する。
Therefore, in the second stage of light wavelength stabilization, the control unit 14 switches the selection circuit 15 so that the output of the lock-in amplifier 13 for detecting the 3f component is input to the temperature control circuit 7. In this state, the temperature control circuit 7 controls the temperature control element 5 so that the output of the lock-in amplifier 13 for detecting the 3f component can obtain a light wavelength at which the zero cross point Z2 shown in FIG. Control chip temperature.

【0065】3f成分のゼロクロス点Z2に光波長をロ
ックすることは、光吸収スペクトル自体に光波長をロッ
クすることに他ならない。このとき、半導体レーザ1に
対して安定化された駆動電流が定電流回路8から供給さ
れる条件の下で、半導体レーザ1のチップ温度が常に一
定に保持されることになり、第2段階の光波長の安定化
が図られる。
Locking the light wavelength to the zero cross point Z2 of the 3f component is nothing less than locking the light wavelength to the light absorption spectrum itself. At this time, the chip temperature of the semiconductor laser 1 is always kept constant under the condition that the drive current stabilized for the semiconductor laser 1 is supplied from the constant current circuit 8, so that the second stage The light wavelength is stabilized.

【0066】なお、光波長安定化の第2段階、いわゆる
微調整段階において、光波長をゼロクロス点Z2にロッ
クするためには、光波長安定化の第1段階、いわゆる粗
調整段階において、光波長をゼロクロス点Z1とZ3
(図2d参照)の範囲に制御しておくことが前提条件と
される。
In order to lock the light wavelength to the zero cross point Z2 in the second stage of stabilizing the light wavelength, the so-called fine adjustment stage, the light wavelength must be locked in the first stage of the stabilization of the light wavelength, the so-called coarse adjustment stage. To zero-cross points Z1 and Z3
It is a precondition that control is performed within the range (see FIG. 2d).

【0067】この前提条件を満足するためには、半導体
レーザ1、保持ブロック2、温度検出素子4および温度
制御素子5間の熱伝導を良くして、温度検出回路6と温
度制御回路7の検出・制御誤差を予め小さく抑えておく
ことが必要とされる。ただし、光波長安定化の第1段階
において、光吸収スペクトルが存在する光波長近傍で、
制御部14から温度制御回路7に対し、半導体レーザ1
のチップ温度が連続的に比例的に増加するように制御し
て、予め、光波長が、図2d中、ゼロクロス点Z1〜Z
3の範囲内であることを確認する機能を設けることで、
必要とされる要求仕様を軽減することができる。
To satisfy this precondition, heat conduction between the semiconductor laser 1, the holding block 2, the temperature detecting element 4 and the temperature controlling element 5 is improved, and the temperature detecting circuit 6 and the temperature controlling circuit 7 detect the heat. It is necessary to keep the control error small in advance. However, in the first stage of light wavelength stabilization, near the light wavelength where the light absorption spectrum exists,
The semiconductor laser 1 is sent from the control unit 14 to the temperature control circuit 7.
2D is controlled so that the chip temperature continuously increases proportionally, and the light wavelength is previously set to zero cross points Z1 to Z in FIG.
By providing a function to confirm that it is within the range of 3,
The required specifications required can be reduced.

【0068】光波長安定化用の温度制御回路7へ入力さ
れる制御信号として、図2bに示す1次微分波形を用い
ることも可能であるが、1次微分波形には、半導体レー
ザ1の出力パワーの変化分がオフセットとして残留する
ため、高い制御精度を得るには適していない。
As a control signal input to the temperature control circuit 7 for stabilizing the light wavelength, the first-order differential waveform shown in FIG. 2B can be used. Since the power change remains as an offset, it is not suitable for obtaining high control accuracy.

【0069】図1例の同位体分析装置において、半導体
レーザ1の周辺の光学系は、光波長の安定化を目的とす
る温度安定化のため、真空または低圧の容器に収容する
ようにしてもよい。
In the isotope analyzer of FIG. 1, the optical system around the semiconductor laser 1 may be housed in a vacuum or low-pressure container for stabilizing the temperature for stabilizing the light wavelength. Good.

【0070】次に、光吸収スペクトルの検出作用につい
て説明する。
Next, the operation of detecting the light absorption spectrum will be described.

【0071】光波長に周波数fのFM変調をかけ、光吸
収スペクトルの存在する光波長においてロックインアン
プ12により2f成分を検出すると、図2cに示すよう
な2次微分波形が得られることが知られている。この2
次微分波形は、光吸収スペクトルの中心点でピークを示
す他、光検出素子10の暗電流などを原因とするオフセ
ット誤差が除去できるなど、検出精度を高めるのに有効
である。
It is known that when the light wavelength is subjected to FM modulation of the frequency f and the 2f component is detected by the lock-in amplifier 12 at the light wavelength where the light absorption spectrum exists, a second-order differential waveform as shown in FIG. 2C is obtained. Have been. This 2
The next derivative waveform is effective for improving detection accuracy, such as showing a peak at the center point of the light absorption spectrum and removing an offset error caused by dark current of the photodetector 10.

【0072】なお、2f成分により光吸収スペクトルの
強度を検出する場合、光波長のFM変調効率が変動する
と、検出結果に変動を生じる。しかし、この発明が適用
された同位体分析装置においては、所定の光吸収スペク
トルを観測する際に半導体レーザ1のチップ温度と平均
駆動電流とが常に一定に保持されるため、半導体レーザ
1の光波長のFM変調効率が一定となり、安定に光吸収
スペクトルの強度を検出することができる。このように
して光吸収スペクトルの強度、すなわち図2cに示す強
度P2が得られる。
When the intensity of the light absorption spectrum is detected by the 2f component, if the FM modulation efficiency of the light wavelength fluctuates, the detection result fluctuates. However, in the isotope analyzing apparatus to which the present invention is applied, the chip temperature and the average driving current of the semiconductor laser 1 are always kept constant when observing a predetermined light absorption spectrum. The FM modulation efficiency of the wavelength becomes constant, and the intensity of the light absorption spectrum can be detected stably. Thus, the intensity of the light absorption spectrum, that is, the intensity P2 shown in FIG. 2C is obtained.

【0073】同位体比の検出には、所定の2つの光吸収
スペクトルの強度を検出する必要があるので、制御部1
4は、温度制御回路7に設定する半導体レーザ1のチッ
プ温度値または定電流回路8に設定する半導体レーザ1
の駆動電流値を変え、2つの光波長において、上述した
第1および第2の光波長の安定化動作を実施すること
で、各同位体の光吸収スペクトルの強度P2を検出す
る。検出した所定の2つの光吸収スペクトルの強度P2
に対して制御部14において比をとることにより高精度
に同位体比を検出することができる。
In order to detect the isotope ratio, it is necessary to detect the intensities of two predetermined light absorption spectra.
4 is a chip temperature value of the semiconductor laser 1 set in the temperature control circuit 7 or a semiconductor laser 1 set in the constant current circuit 8.
Is changed, the stabilization operation of the first and second light wavelengths is performed at two light wavelengths, thereby detecting the intensity P2 of the light absorption spectrum of each isotope. Intensity P2 of two detected predetermined light absorption spectra
By obtaining the ratio in the control unit 14, the isotope ratio can be detected with high accuracy.

【0074】上述の実施の形態では、光吸収スペクトル
の強度を図2cに示す2f成分中の強度P2として得る
事例について説明したが、3f成分として図2dに示し
た3次微分波形には、2次微分波形のボトム側のピーク
点P1、P2に対応するゼロクロス点Z1、Z3も存在
する。そこで、この出願の出願人が特願平8−1109
93号の明細書と図面に提案しているように、反転アン
プを用いた極性選択を併用することにより、図2c中、
ボトム側のピーク点P1、P3にも光波長をロックする
こともできる。この場合、光吸収スペクトルの強度をピ
ークツーピークとして検出することが可能である。この
ような検出方法は、2f成分を検出するロックインアン
プ12の検出レベルのドリフトが無視できないような高
精度な検出の際に有効である。
In the above-described embodiment, a case has been described in which the intensity of the light absorption spectrum is obtained as the intensity P2 in the 2f component shown in FIG. 2c. However, the tertiary differential waveform shown in FIG. There are also zero cross points Z1, Z3 corresponding to the bottom peak points P1, P2 of the next differential waveform. Therefore, the applicant of this application is disclosed in Japanese Patent Application No. Hei.
As proposed in the specification and drawings of No. 93, by using polarity selection using an inverting amplifier together, in FIG.
The light wavelength can also be locked at the bottom peak points P1 and P3. In this case, it is possible to detect the intensity of the light absorption spectrum as peak-to-peak. Such a detection method is effective for high-precision detection in which the drift of the detection level of the lock-in amplifier 12 that detects the 2f component cannot be ignored.

【0075】図3は、この発明の他の実施の形態の構成
を示している。
FIG. 3 shows the configuration of another embodiment of the present invention.

【0076】この図3例の同位体分析装置は、半導体レ
ーザ1、保持ブロック2、コリメートレンズ3、温度検
出素子4、温度制御素子5、温度検出回路6、温度制御
回路7、定電流回路8、試料セル9、光検出素子10、
発振回路11、ロックインアンプ12、13、制御部1
4、選択回路15、直流アンプ16および可変利得アン
プ17を有している。直流アンプ16や可変利得アンプ
17としては、演算増幅器を用いる。
The isotope analyzing apparatus shown in FIG. 3 includes a semiconductor laser 1, a holding block 2, a collimating lens 3, a temperature detecting element 4, a temperature controlling element 5, a temperature detecting circuit 6, a temperature controlling circuit 7, and a constant current circuit 8. , Sample cell 9, photodetector 10,
Oscillation circuit 11, lock-in amplifiers 12, 13, control unit 1
4, a selection circuit 15, a DC amplifier 16, and a variable gain amplifier 17. An operational amplifier is used as the DC amplifier 16 and the variable gain amplifier 17.

【0077】この図3例において、光学系の作用および
基本動作は図1例と同一である。そこで、図3例につ
き、図1例に付加した作用について説明する。
In the example shown in FIG. 3, the operation and basic operation of the optical system are the same as those in the example shown in FIG. Therefore, the operation added to the example of FIG. 1 will be described for the example of FIG.

【0078】この図3例においては、光検出素子10と
3f成分を検出するロックインアンプ13との間に2f
成分を検出するロックインアンプ12の検出レベルに反
比例してゲインが制御される可変利得アンプ17を挿入
している。これにより、同位体比を検出するガスの光吸
収スペクトル強度が異なる条件においても、光波長安定
化制御に用いる3f成分のレベルが変化することを防
ぎ、光波長安定化の精度を高めることができる。
In the example of FIG. 3, 2f is connected between the photodetector 10 and the lock-in amplifier 13 for detecting the 3f component.
A variable gain amplifier 17 whose gain is controlled in inverse proportion to the detection level of the lock-in amplifier 12 for detecting a component is inserted. Accordingly, even under the condition that the light absorption spectrum intensity of the gas for which the isotope ratio is detected is different, the level of the 3f component used for the light wavelength stabilization control can be prevented from changing, and the accuracy of the light wavelength stabilization can be improved. .

【0079】また、図3例においては、光検出素子10
の出力が、直流アンプ16を介して制御部14に入力さ
れるように構成している。これにより、所定の2つの光
吸収スペクトルの強度を検出する際に、半導体レーザ1
のチップ温度および駆動電流の設定値を変えることに伴
って変化する半導体レーザ1の出力パワーを検出するこ
とができる。制御部14において、ロックインアンプ1
2により検出した2f成分の検出レベル、すなわち強度
P2を直流アンプ16により検出した出力パワーS2で
除算して正規化した後、比をとることによって、同位体
比の検出精度をさらに上げることができる。
Further, in the example of FIG.
Is input to the control unit 14 via the DC amplifier 16. Thereby, when detecting the intensity of two predetermined light absorption spectra, the semiconductor laser 1
, The output power of the semiconductor laser 1 that changes as the set values of the chip temperature and the drive current change. In the control unit 14, the lock-in amplifier 1
2, the detection level of the 2f component, that is, the intensity P2, is divided by the output power S2 detected by the DC amplifier 16 and normalized, and then the ratio is taken, whereby the detection accuracy of the isotope ratio can be further improved. .

【0080】なお、可変利得アンプ17により光波長安
定化制御に用いる3f成分のレベル変化を安定化する手
段に代えて、上記特願平8−110993号の明細書と
図面に提案しているように、測定対象としての試料セル
からの透過レーザ光を受ける光検出素子に対して、参照
用ガスを封入した試料セルからの透過レーザ光を受ける
光検出素子を併設し、ビームスプリッタにより2分割し
たレーザ光Lの一方を前記参照用ガスを封入した試料セ
ルに入射するように構成することで、併設した光検出素
子の出力により光波長安定化制御用の3f成分のレベル
を安定的に得るようにすることも可能である。
Instead of the means for stabilizing the level change of the 3f component used for the optical wavelength stabilization control by the variable gain amplifier 17, it is proposed in the specification and the drawings of the above-mentioned Japanese Patent Application No. Hei 8-110993. In addition, a photodetector that receives transmitted laser light from a sample cell filled with a reference gas is provided in parallel with a photodetector that receives transmitted laser light from a sample cell as a measurement target, and divided into two by a beam splitter. By configuring one of the laser beams L to be incident on the sample cell in which the reference gas is sealed, the level of the 3f component for controlling the light wavelength stabilization can be stably obtained by the output of the attached photodetector. It is also possible to

【0081】また、この発明は、上述の実施の形態に限
らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成
を採り得ることはもちろんである。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but can adopt various configurations without departing from the gist of the present invention.

【0082】[0082]

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、3f成分を検出するロックインアンプの出力により
光波長をロックするようにしているので、光吸収スペク
トル自体で光波長がロックされるという効果が達成され
る。
As described above, according to the present invention, since the light wavelength is locked by the output of the lock-in amplifier for detecting the 3f component, the light wavelength is locked by the light absorption spectrum itself. The effect is achieved.

【0083】光吸収スペクトルの3f成分に基づき光波
長がロックされているので正確な光波長が得られ、かつ
安定して光吸収スペクトルを検出することが可能とな
り、その結果、同位体比を高精度に求めることができる
という効果が達成される。
Since the light wavelength is locked based on the 3f component of the light absorption spectrum, an accurate light wavelength can be obtained, and the light absorption spectrum can be detected stably. As a result, the isotope ratio can be increased. The effect that accuracy can be obtained is achieved.

【0084】また、基本的には光波長を掃引する必要が
ないので、短時間での測定、すなわち測定の高速化が可
能になるという効果も得られる。
In addition, since there is basically no need to sweep the light wavelength, it is possible to obtain an effect that the measurement can be performed in a short time, that is, the measurement can be speeded up.

【0085】さらに、電流出力の安定化の容易な定電流
回路の出力電流を半導体レーザの駆動電流とした上で、
光吸収スペクトル自体に波長をロックしているので、半
導体レーザのチップ温度を初期状態に固定(ロック)す
ることが可能となり、結果として、FM変調効率を安定
化できるという効果が達成される。
Further, the output current of the constant current circuit, which can easily stabilize the current output, is used as the drive current of the semiconductor laser.
Since the wavelength is locked to the light absorption spectrum itself, the chip temperature of the semiconductor laser can be fixed (locked) to the initial state, and as a result, the effect of stabilizing the FM modulation efficiency is achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の一実施の形態の構成を示すブロック
図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention.

【図2】図2は、光波長の微調動作説明に供される波形
図であって、図2aは、光吸収スペクトルの波形図、図
2bは、光吸収スペクトルの1f(1次微分)波形図、
図2cは、光吸収スペクトルの2f(2次微分)波形
図、図2dは、光吸収スペクトルの3f(3次微分)波
形図である。
FIGS. 2A and 2B are waveform diagrams provided for explaining a fine adjustment operation of an optical wavelength. FIG. 2A is a waveform diagram of an optical absorption spectrum, and FIG. 2B is a 1f (first-order differential) waveform of the optical absorption spectrum. Figure,
FIG. 2C is a 2f (second derivative) waveform diagram of the light absorption spectrum, and FIG. 2D is a 3f (third derivative) waveform diagram of the light absorption spectrum.

【図3】この発明の他の実施の形態の構成を示すブロッ
ク図である。
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of another embodiment of the present invention.

【図4】従来技術の構成を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半導体レーザ 2…保持ブロック 3…コリメートレンズ 4…温度検出素子 5…温度制御素子 6…温度検出回路 7…温度制御回路 8…定電流回路 9…試料セル 10…光検出素子 11…発振回路 12、13…ロック
インアンプ 14…制御部 15…選択回路 16…直流アンプ 17…可変利得アン
プ 18…電流制御回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser 2 ... Holding block 3 ... Collimating lens 4 ... Temperature detection element 5 ... Temperature control element 6 ... Temperature detection circuit 7 ... Temperature control circuit 8 ... Constant current circuit 9 ... Sample cell 10 ... Light detection element 11 ... Oscillation circuit 12, 13 ... lock-in amplifier 14 ... control unit 15 ... selection circuit 16 ... DC amplifier 17 ... variable gain amplifier 18 ... current control circuit

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】同位体の光吸収スペクトルより同位体比を
検出する同位体分析装置において、 レーザ光を出力する半導体レーザと、 前記半導体レーザの温度を検出する温度検出回路と、 検出された温度が設定値となるように前記半導体レーザ
を温度制御する温度制御回路と、 前記半導体レーザに一定の駆動電流を供給する定電流回
路と、 前記半導体レーザに周波数fの変調をかける発振回路
と、 前記同位体の試料ガス内を透過した前記レーザ光から光
吸収スペクトルを検出する光検出素子と、 前記光吸収スペクトルの2f成分を検出するロックイン
アンプと、 前記光吸収スペクトルの3f成分を検出するロックイン
アンプと、 前記温度制御回路への入力を、前記温度検出回路の出力
または前記3f成分を検出するロックインアンプの出力
から選択する選択回路を有し、 前記温度検出回路の出力による前記レーザ光の光波長の
粗調整と前記3f成分を検出するロックインアンプの出
力による前記光波長の微調整とを併用して前記光波長を
ロックし、前記2f成分を検出するロックインアンプの
出力により前記光吸収スペクトルの強度を検出して、検
出した光吸収スペクトルの強度比から前記同位体比を検
出することを特徴とする同位体分析装置。
1. An isotope analyzer for detecting an isotope ratio from an optical absorption spectrum of an isotope, a semiconductor laser for outputting a laser beam, a temperature detection circuit for detecting a temperature of the semiconductor laser, and a detected temperature. A temperature control circuit that controls the temperature of the semiconductor laser so that a set value is obtained, a constant current circuit that supplies a constant drive current to the semiconductor laser, an oscillation circuit that modulates a frequency of the semiconductor laser, A photodetector that detects a light absorption spectrum from the laser light transmitted through the isotope sample gas; a lock-in amplifier that detects a 2f component of the light absorption spectrum; and a lock that detects a 3f component of the light absorption spectrum. An input of the temperature control circuit, an output of the temperature detection circuit or an output of a lock-in amplifier for detecting the 3f component. A coarse adjustment of the light wavelength of the laser light by an output of the temperature detection circuit and a fine adjustment of the light wavelength by an output of a lock-in amplifier for detecting the 3f component. Locking a light wavelength, detecting an intensity of the light absorption spectrum by an output of a lock-in amplifier detecting the 2f component, and detecting the isotope ratio from an intensity ratio of the detected light absorption spectrum. Isotope analyzer.
【請求項2】請求項1記載の装置において、 前記光検出素子と前記3f成分を検出するロックインア
ンプとの間に前記2f成分を検出するロックインアンプ
の出力に反比例して利得が制御される可変利得アンプを
配するとともに、前記光検出素子の出力側に当該光検出
素子の出力パワーの変化を検出する直流アンプを配し、 前記2f成分を検出するロックインアンプの出力により
前記光吸収スペクトルの強度を検出するとき、前記2f
成分を検出するロックインアンプの出力を前記直流アン
プの出力により正規化した値として検出することを特徴
とする同位体分析装置。
2. The device according to claim 1, wherein a gain is controlled in inverse proportion to an output of the lock-in amplifier detecting the 2f component between the photodetector and the lock-in amplifier detecting the 3f component. A variable gain amplifier, a DC amplifier for detecting a change in output power of the photodetector is provided on the output side of the photodetector, and the light absorption is performed by an output of a lock-in amplifier for detecting the 2f component. When detecting the intensity of the spectrum, the 2f
An isotope analyzing apparatus, wherein an output of a lock-in amplifier for detecting a component is detected as a value normalized by an output of the DC amplifier.
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