光分析计和分析计用波长稳定化激光装置的制作方法

专利名称：光分析计和分析计用波长稳定化激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于照射到气体等分析对象物的光的强度下降测定该分析对象物的 浓度或密度的光分析计以及用于该光分析计的激光装置。
背景技术：
以半导体激光器等为代表的激光源中，有时在包装内一体附带有用于监测激光强 度的光电二极管。根据这样的激光源，一边监测光电二极管的输出信号一边动态控制驱动 电流，因此，激光强度不管周围的环境变化和经年变化等，能够长久保持稳定。一方面，采用这样的激光源输出的激光进行气体计测的情况下，激光强度的稳定 性也非常重要，除此之外，还要求激光的中心振荡波长和气体的峰值吸收波长稳定地一致。 激光的振荡波长偏离的话，由于激光的波长频带非常窄，因此激光波长成分中气体吸收波 长的光强度急剧减弱，使得分析精度大大降低。因此现有技术中，如专利文献1所记载的那样，具有这样的结构将一部分激光导 入装有和分析对象物气体同种类的气体的单元体，通过测定通过该单元体的光的强度来确 认激光器的振荡波长是否被正确地维持。又，在专利文献2所示的采用所述激光源结构的红外线分光分析装置中，一边对 多个光学元件进行正确的定位一边机械地组合光学系统，由此来确定光路。专利文献1 日本特开2001-21493号公报专利文献2 :W095/26497号公报

发明内容
发明所要解决的课题然后，采用前述的现有结构则装置规模大，部件数量也多，从成本上考虑是较为不 利的。而且，对应于装置的大型化，需要各光学部件的定位精度，此外不抗振动，或难以将各 光学部件保持在一定温度下，对于外部干扰(振动/热量)也变得敏感，导致测定精度下 降。为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能一举促进测定灵敏度提高、低 成本化、小型化、结构灵活、抗干扰性提高等的光分析计和用于该光分析计的激光装置。解决问题的手段S卩，权利要求1所记载的分析计用激光装置，包括输出分析对象物的吸收波长附 近(“附近”也包含吸收波长本身)的光的激光源；波长选择元件，其配置在从所述激光源 输出的光的传递路经上，并接收所述激光源输出的光的一部分，从其波长成分中选择和所 述分析对象物的吸收波长实质相等的波长的光并导出；检测从所述波长选择元件导出的光 的强度的光检测单元；驱动电流控制单元，其使得所述激光源的驱动电流在用于使所述激 光源输出所述吸收波长的光的规定电流值附近增减，探索所述光检测单元的光强度检测值 达到峰值的电流值，并将该峰值电流值设定为光该激光源的驱动电流值；以及搭载所述激光源、所述波长选择元件和光检测单元的，能够调整到一定温度的单一基板。根据这样的结构，在分析中受到温度变化影响的激光源、波长选择元件和光检测 单元能够通过基板维持一定的温度，这样，一并抑制了由这些温度变化而造成的特性变化 (例如如果是激光源则激光的强度和波长波动，如果是波长选择元件，则选择波长波动，如 果是光检测单元则输出电流值波动)，从而大幅改善对于热的脆弱性。然后，由于可以如上述那样使得波长选择元件选择的光的选择波长的特性稳定， 并可靠地使其和分析对象物的吸收波长(例如，是吸收波长频带中吸收最大的峰值波长， 称为从吸收波长频带选择的波长)一致，这样可不像从前那样采用单元体，而在单一基板 上搭载各光学部件，实现精简化。又，由于在单一基板上配置所有的光学部件，一旦安装完成，则不容易生成位置偏 移等，对于振动也有较强的抵抗能力。进一步的，使得所述激光源的驱动电流值在规定的规定电流值附近增减，并将所 述激光源的驱动电流值设定为所述光检测单元的光强度检测值达到峰值的电流值，即，为 使得激光的中心波长和分析对象物的吸收波长一致，对激光源的驱动电流进行动态控制， 这样不管激光源的经年变化，可以极高的精度使得激光的波长和分析对象物的吸收波长一 致，并保持稳定。又，如果使得基板温度变化而使得波长选择元件的温度变化，一般情况，选择波长 也发生变化，因此可利用这一现象物对半导体激光器的波长进行校正。为了促进精简化，对所述单一基板采用珀耳帖模块，进一步的最好采用半导体激 光器作为激光源。为了减少器件数量，最好将所述波长选择元件设置在接受从激光源的主要光出射 口的相反侧漏出的漏光的位置。又，根据这样的结构，由于输出稳定地利用漏光，因此可使 得朝向外部的出射光的利用效率提高到最大程度。常用于红外分析等的中红外区域的光，难以通过光纤传播，由于必须使其在光学 部件之间直接传播，因此原来容易形成易受到温度或振动的影响的结构。换言之，通过将本 发明适用于中红外区域的光，本发明的效果，即不需要利用光纤，排除温度或振动等外部干 扰而实现输出光的稳定化这一效果非常显著。为了防止从波长选择元件返回的光导致半导体激光器的不稳定振荡，在所述半导 体激光器和波长选择元件之间的光路上，最好设置阻断从波长选择元件返回到半导体激光 器的返回光的隔离器。所述半导体激光器也包括量子串级激光器。又，权利要求7记载的光分析装置，基于从激光源出射的通过分析对象物的光的 强度，对该分析对象物的浓度或密度进行测定。该分析装置具有纤维型分析部，其构成为将 导入到内部的光进行折射并传递，且将分析对象物导入到光的传递轨道上；波长选择元件， 其将选择波长设定为所述分析对象物的吸收波长频带；检测所述纤维型分析部所导出的光 的强度的测定用光检测单元；检测从所述波长选择元件导出的光的强度的参照用光检测单 元(相当于权利要求1的光检测单元)；在所述激光源和所述纤维型分析部之间，所述纤维 型分析部和所述测定用光检测单元之间，所述激光源和所述波长选择单元之间以及所述波 长选择元件和参照用光检测单元之间分别通过光纤连接。
根据这样的结构，由于光路都由光纤构成，因此不需要确定用于测定的各结构部 件的位置，从而省略了架台和固定器件，同时由于不需要气体单元体等容纳分析对象物的 单元体，因此可大大促进精简化和低成本化。又，由于配置的灵活性提高，纤维型分析部可设置在任何地方，因此例如，可以使 纤维型分析部远离激光光源或各检测单元对具有爆炸性的高危险的分析对象物进行测定， 或将纤维型分析部设置在腔室内进行in-situ测定，这些都是极其容易实现的。进一步的，由于各结构部件通过光纤连接，从而难以受到外部干扰(特别是振动， 噪音)的影响，通过参照用光检测单元，可对激光源出射的光的强度进行监视，因此即使对 于由温度的变化等引起的激光源的输出变动，也可对其进行控制并将其消除。本发明的激光源最好采用出射近红外区域的光的半导体激光器。因为，近红外光 为容易通过光纤进行传送的波长。且，近年来，以光通信的发达为契机，半导体光学元件显 著发展，并开发出高输出并廉价的近红外半导体激光器。但是与在气体计测领域中以往所 常用的从2. 5 μ m到20 μ m的中红外光相比，近红外光的分子吸光系数的大小为1/10 1/5，因此，需要噪音极小稳定性出色的输出，通过本发明，如上所述的，由于能够达到激光 源输出稳定化，因此可在最初采用出射近红外区域的光的半导体激光器。为了校正激光源的波长，最好具有激光源用温度调整机构，和波长选择元件用温 度调整机构。其可对波长选择元件进行温度调节并改变选择波长。为了防止来自波长选择元件的返回光导致激光源的不稳定振荡，可构成为将来自 所述波长选择元件的反射光导入所述参照用光检测器的结构，最好在光纤的途中设置抑制 所述反射光返回激光源的隔离器。光纤的最佳实施形态为，从连接激光源和纤维型分析部的光纤分支出其他光纤并 连接到波长选择元件，从该其他光纤进一步分支出其他的光纤连接到参照光选择元件。所述纤维型分析部，设置有将分析对象物导入光纤侧周面的有底沟道或有底穴， 该有底沟道或有底穴到达光纤中光传递区域的一部分，由此该纤维型分析部可不需要接头 直接连接第一、第二光纤。又，可容易地使得纤维型分析部增长，从而提高测定精度。如果要一边增加实效长度提高测定精度，一边将其弯曲为例如梳齿状或盘曲状使 得体积精简化，最好是使得所述纤维型分析部弯曲。如果要能够进行多波长测定，最好具有多个不同的激光源和与其对应的多个波长 选择元件。进一步的本发明不限于具有波长选择元件，也可以用其他结构代替，获得同样的 效果。作为波长选择元件的替代部件，可以是内部保持有具有和所述分析对象物同一光学 特性的参照物质的参照用单元体。发明效果根据所述技术方案1所涉及的发明，分析中受到温度变化影响的激光源、波长选 择元件和光检测元件，通过基板可维持一定的温度，因此可大大改善对于温度的脆弱性。又，由于可不采用现有的单元体，而采用单一的基板搭载各光学部件，因此可实现 精简化，同时不容易产生位置偏移，且对于振动等也有较强的抵抗能力。进一步的，通过监测光检测单元的光强度检测值，动态控制激光源的驱动电流使 得分析对象物的峰值吸收波长与激光的中心波长一致，这样，不管激光源的经年变化等，可确保以高精度使得激光波长和分析对象物的吸收波长一致并确保稳定。
又，根据技术方案7等所涉及的发明，由于所有的光路由光纤构成，各光学部件的配置的灵活性提高，in—Situ测定等使用状态的自由度也提高。且由于不需要用于正确载置光学部件的架台或固定器具，能够大大促进低成本化。
进一步的，由于各光学部件通过光纤连接，因此难以受到外部(特别是振动或噪音)的影响，另外通过控制提供给激光源的电力以使参照用光检测单元的输出稳定，因此能够维持激光源的输出稳定。


图l是显示本发明的第一实施例中的激光装置的示意性概略整体图。
图2是该实施例中的控制装置的功能框图。
图3是对该实施例中的波长控制原理进行说明的示意图。
图4是对该实施例中的波长控制原理进行说明的示意图。
图5是对该实施例中的波长控制原理进行说明的示意图。
图6是显示第一实施例的变形例中的激光装置的示意性概略整体图。
图7是显示本发明的第二实施例中的光分析装置整体的示意性整体图。
图8是显示该实施例中的纤维型分析部的横向截面图。
图9是显示该实施例中的纤维型分析部的纵向截面图。
图11是显示其他的变形例中的光分析装置整体的示意性整体图。
图12是进一步显示其他的变形例中的光分析装置整体的示意性整体图。
图13是进一步显示其他的变形例中的纤维型分析部的横截面图。
图14是对改变形例中的捕获部件及其作用进行说明的示意性部分放大图。
图16是进一步显示其他的变形例中的纤维型分析部的横端面图。
图17是进一步显示其他的变形例中的光分析装置整体的示意性整体图。
图19是进一步局部地显示其他的变形例中的光分析装置的示意性整体图。
符号说明
lOO。。。分析计用激光装置
l。。。珀耳帖模块
2。。。激光源(半导体激光器)
3。。。波长选择元件(光栅)
5。。。光检测单元
6l。。。驱动电流控制单元(电流控制回路)
11。。．基板
XlOO。。。光分析装置
Xl。。。激光源(半导体激光器)
X2。。。纤维型分析部
X21 ··有底沟道
X3 测定用光检测单元
X4 ·波长选择元件(纤维光栅)
X5 参照用光检测单元
X6 ·隔离器
X7 激光源用温度调整机构
X8 波长选择元件用温度调整机构
X91、X92、X93、X94 · · 光纤
X4， · 参照用单元体
具体实施例方式接着、说明本发明的实施例、但是本发明不限于下列的实施例。第一实施例第一实施例涉及的分析计用激光装置100用于例如测定样品气体中分析对象物 的成分浓度的红外线气体分析计，具有如图1所示的结构。在图1中，符号1表示珀耳帖模块。该珀耳帖模块1具有平板状的单一基板11，和 安装在该基板11的背面的珀耳帖元件12。此处，还附带有使得该珀耳帖元件12动作以将 所述基板11的表面温度保持为一定的恒温器等传感器兼控制电路(图未示)。符号2为输出气体分析用的红外激光的半导体激光器。该半导体激光器2从主射 出口输出中红外区域(约2.5 μ m 20 μ m)的分析用激光，并从所述主射出口相反侧的面， 出射和分析用激光相同波长并具有一定比例强度的漏光，该半导体激光器2搭载于基板11 上。在该实施例中，半导体激光器2采用的是，赋予该规格所规定的值的电流(以下称为规 定电流值)时，输出具有分析对象物的吸收波长频带附近的中心波长的激光。又，激光的中心波长需要在分析对象物的吸收波长频带附近的理由是，一般的半 导体激光器，除了具有波长会根据所提供的电流值或温度而稍许变动的特性之外，还有仪 表误差等问题，因此即使以所述规定电流值驱动半导体激光器2，所输出的激光的中心波长 也未必和分析对象物的吸收波长频带中的峰值波长一致到在分析上没有实质问题的程度。符号3表示作为波长选择元件的透射型布拉格光栅(以下有时简称为光栅)。该 光栅3的中心选择波长和作为分析对象物的气体的峰值吸收波长实质上一致，且该光栅3 搭载在所述基板11上的漏光的传播路径上。又，在该光栅3和半导体激光器2之间的漏光 传播路径上，设置有抑制来自光栅3的反射光回到激光源的作为返回光抑制单元的隔离器 4。该隔离器4用来防止由所述反射光所导致的半导体激光器2的不稳定振荡。符号5为检测所述光栅3所导出的光的强度的光检测单元。该光检测单元5采用 例如光电二极管，并搭载于所述基板11上。符号6表示与所述珀耳帖模块1或搭载于其上的半导体激光器2等分开设置的、 且通过电缆与所述珀耳帖模块1或搭载于其上的半导体激光器2连接的控制装置。该控制 装置6如图2所示，具有起到驱动电流控制单元功能的控制用电路61，和对半导体激光器2 等提供电流的驱动用电路62。接着、对这样的结构的分析计用激光装置100的动作进行说明。
首先，调整基板11的温度。该温度调整如上述那样通过恒温器设定来进行，但是 也可用控制装置6自动进行调整。具体的温度，此处基于预先测定的光栅3的温度-选择 波长特性，调整驱动珀耳帖模块1的基板11的温度，使得光栅3的选择波长和分析对象物 的峰值吸收波长稳定地一致。接着，控制装置6使得所述半导体激光器2的驱动电流值在所述规定电流值的附 近上下波动，搜寻光检测单元5的光强度检测值成为峰值的电流值，并将此时的电流值设 定为该半导体激光器2的驱动电流值。其理由是因为，光强度检测值是表示，通过光栅3的 激光，即与分析对象物的吸收波长相等的波长的激光强度，该光强度检测值显示出峰值的 时候，就是半导体激光器2正在输出与分析对象物的峰值吸收波长相等的中心波长的激光 的时候。更具体地说明上述搜寻动作，控制装置6如图3所示，对半导体激光器2施加具有 一定偏置的一定周期的正弦波电流。该初期状态中正弦波电流的中心值(偏置值)与所述 规定电流值一致，其上下波动幅度设定在激光输出强度不会大幅变动的范围(例如，规定 电流值的士20%以内)。半导体激光器2输出的激光，随着驱动电流的变化而变动，因此如果施加所述正 弦波电流，激光的波长如图3所示，和所述正弦波电流同步振动。接着，控制装置6接收来自光检测单元5的输出信号，测定该输出信号所显示的光 强度检测值成为峰值的间隔。之后，调整所述正弦波电流的中心值，以使得其间隔一定，将 该中心值设定为该半导体激光器2的驱动电流值。其理由如下。假设对于所述正弦波电流的中心值，在半导体激光器2所输出的激 光的中心波长和分析对象物的峰值吸收波长一致的情况下，如图4所示，仅在以所述中心 值的电流驱动时(也包含附近)，激光通过光栅3由光检测单元5接受。从而，观测到的光 强度检测值的峰值间隔，恰好为所述正弦波电流振动周期的一半，而且为固定间隔。另一方面，假如对于所述正弦波电流的中心值，在半导体激光器2所输出的激光 的中心波长和分析对象物的吸收波长偏离的情况下，如图5所示，在以该偏离的电流值驱 动的时刻(包括其附近)，激光通过光栅3由光检测单元5接收，光强度检测值的峰值间隔， 相对于输入正弦波周期，交互出现长时间隔和短时间隔。又，在该偏离值大的情况下，有可 能光强度检测值完全不出现。从而，如上所述，以光强度检测值的出现间隔为固定间隔时的所述正弦波电流的 中心值驱动半导体激光器2，即半导体激光器2所输出的激光的中心波长和分析对象物的 峰值吸收波长一致，换言之，可不偏离分析对象物的峰值吸收波长地锁定激光的中心波长。又，因为如果使得用于寻找上述最适当波长的驱动电流值的振幅变大，则驱动电 流值的增源使得激光强度的变动幅度变得过大，成为波长寻找发生错误的原因，因此将用 于寻找的初期中心值作为所述规定电流值，并如上述那样设定正弦波的上下波动幅度(振 幅)。根据这样结构的第一实施例涉及的分析计用激光装置100，可以通过基板11将在 气体分析中能受到温度变化的影响的半导体激光器2、光栅3和光检测单元5维持在一定的 温度，因此能大幅改善对温度的脆弱性。而且，由于能够通过如上所述使得温度稳定来可靠地使由光栅3得到的光的选择
9波长与分析对象物吸收波长一致，因此不需要采用从前那样的单位体，就可在单一基板11 上搭载各部件以实现精简化。又，由于可这样在单一基板11上设置所有的光学部件，一旦组装完成，则难以发 生位置偏移等，对于振动等的抵御也较强。进一步的，预先监测所述光检测单元5的光强度检测值，动态地控制半导体激光 器2的驱动电流值，以使得激光中心波长被锁定为分析对象物的吸收波长频带(例如，如前 述的峰值吸收波长)，因此不管半导体激光器2的经年变化等，都可以非常高的精度使得激 光波长与分析对象物的吸收波长一致并保持长期稳定。(变形例)接着对本发明的变形例进行说明，此处与所述第一实施例对应的部件赋予相同的 符号。例如，如图6所示，可采用反射型的光栅3，从光栅3反射的漏光的一部分通过分光 器(半透半反镜)7导向到波长选择元件。又，对于波长的探索，所述实施例中，虽然半导体激光器的驱动电流为施加了偏置 的正弦波电流，但是也可以DC电流驱动。此时，使提供给半导体激光器的电流值在规定电 流值上下一定范围内增减，可将此期间光检测值中产生峰值(拐点)时的电流值作为半导 体激光器的驱动电流值。进一步的，作为激光光源，可采用量子串级激光器(QCL)或其他各种激光器，对于 波长选择元件，可采用多层膜干涉滤光器、光子结晶、标准具(etalon)、气体单元体等。又，也当然可采用除珀耳帖模块以外的温度调整单元，作为返回光抑制单元，替代 隔离器，可采用具有针孔那样的极小的激光通过孔的板状光反射元件使得激光路径倾斜。第二实施例接着对第二实施例进行说明。又，该第二实施例中附加的符号和所述第一实施例 中附加的符号相互独立，没有相关性。本第二实施例设计的光分析装置X100，例如，是用于检测样品气体中包含的水蒸 气(H2O)浓度的红外线气体分析装置，其具有如图7所示的结构。在该图7中，符号Xl表示出射作为气体分析用的测定光的红外线的半导体激光 器。此处，采用出射近红外区域(约0.8μπι 约2. 5μπι、由于该实施例中测定H2O浓度、例 如为1390nm)的相干性光(以下也称为激光)的激光器。符号X2表示暴露在样品气体中的纤维型分析部。该纤维型分析部X2，如图8，图 9所示，由芯体Xh和包覆层X2b构成，在纤维型分析部X2边界区域处，和光纤相同使得光 折射同时传输，其一端介由第一光纤X91连接到半导体激光器XI。又，所述芯体X2a，如图 8所示，通过在中心部设置沿着轴向延伸的多个细孔XH而形成。但是在该纤维型分析部X2 的侧周面上，穿设有轴向延伸的深度到达所述芯体Xh和其周边形成的光传输区域的有底 沟道X21，样品气体导入该有底沟道X21后，在内部传输的光由于气体中的分析对象物即水 蒸气的原因而衰减，通过该纤维型分析部X2从另一端输出的光的强度减小。符号X3表示测定用光检测单元。该测定用光检测单元X3可采用光电二极管，通 过第二光纤X92连接到纤维型分析部X2的另一端。又，纤维型分析部X2如前所述，是在光纤上形成有底沟道X21的部分，与第一、第二光纤X91、X92为同样的直径，因此此处和第一、第二光纤X91、X92热粘接。也可采用连接 器连接。符号X4为使得选择波长频带和作为分析对象物的H2O气体的吸收波长一致而设 定的作为波长选择元件的反射型纤维光栅。该纤维光栅X4连接到从所述第一光纤X91通 过耦合器X9a分岔的第三光纤X93的顶端，来自半导体激光器Xl的光的一部分(此处大约 为1/10)通过第一、第三光纤X91、X93被接收，并仅反射波长和H2O气体的吸收波长一致的 光返回到第三光纤X93。符号X5为检测所述纤维光栅4所选择的光强度的参照用光检测单元。该参照用 光检测单元X5和所述测定用光检测单元X3 —样，例如采用光电二极管，其连接到从第三光 纤X93通过耦合器X9b被分支的第四光纤X94的顶端。符号)(6表示阻断来自纤维光栅X4的反射光返回到激光源的隔离器，其设置在第 一光纤X91中的所述耦合器X9a和半导体激光器Xl之间。通过该隔离器)(6可防止由于反 射光而引起的半导体激光器Xl的不稳定振荡。符号X7是，保持半导体激光器Xl为一定温度使其输出稳定的激光源用温度调整 机构。该激光源用温度调整机构X7包括内部具有例如珀耳帖元件的珀耳帖模块，和使 得珀耳帖元件动作以保持珀耳帖模块的表面基板的温度为设定温度的恒温器或控制电路 (图未示)，所述表面基板上搭载有半导体激光器XI。符号X8是维持纤维光栅X4为一定温度、使其特性稳定的波长选择元件用温度调 整机构。该波长选择元件用温度调整机构X8可与激光源用温度调整机构X7独立地进行温 度调整，其与激光源用温度调整机构X7 —样，具有珀耳帖模块和用于控制的周边装置。而 且，纤维光栅X4搭载于珀耳帖模块的表面基板上。符号XlO为接收来自各光检测单元X3、X5的输出信号，控制提供给半导体激光器 Xl的供给电流和各温度调整机构X7、X8，计算作为分析对象物的H2O气体的浓度的信息处 理装置。该信息处理装置XlO是利用例如模拟电路、或CPU等数字电路的结构。接着，对这样的结构的本装置XlOO的动作进行説明。首先，对信息处理装置XlO的控制动作和以及初期设定进行说明。半导体激光器Xl出射的光导入第一光纤X91，其中一定比例的光通过第三光纤 X93导入纤维光栅X4。然后，在纤维光栅X4仅反射H2O气体的吸收带波长的光，并通过第 四光纤X94导入参照用光检测单元X5。参照用光检测单元)(5输出的参照信号表示半导体激光器Xl输出的气体成分吸收 波长频带的光强度，因此信息处理装置Xio或操作者，为使得该参考信号的值为最大，即， 使得半导体激光器Xi的输出波长与样品气体的吸收波长频带一致，而操作激光源用温度 调整机构X7以调整半导体激光器Xl的温度。此时的参考信号的值，由信息处理装置XlO 存储为目标值，接着，信息处理装置Xio为了排除由于半导体激光器Xl的劣化等造成的影 响，控制提供给半导体激光器Xl的供给电流并使得输出稳定以达到所述目标值。接着，将已知浓度的样品气体导入单元体，通过测定测定用光检测单元X3的输出 进行校正。该校正数据预先存储在信息处理装置XlO中。又，为了排除由于气体造成的纤 维分析部污染等的影响，可定期进行校正。这样的初期设定结束后，开始测定。
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由于来自半导体激光器Xl的光通过纤维分析部X2照射到测定用光检测单元X3， 如果将气体导入纤维型分析部X2，测定用光检测单元X3输出的测定信息表示，从半导体激 光器Xl输出由气体吸收后的光的强度。从而，信息处理装置XlO接收该测定信号，并基于该值和预先存储的所述校正数 据，计算作为分析对象物的气体成分的浓度。根据这样的结构，由于从作为光源的半导体激光器Xl到光检测单元的光路都是 由光纤构成，因此不需要确定各光学部件(半导体激光器XI、纤维型分析部X2、光栅X4等) 的位置，从而可省略架台或夹具，而且不需要气体单元体等容纳分析对象物的单元体，从而 大大促进精简化、低成本化。又，由于配置的灵活性提高，纤维型分析部X2可设置在自由选择的地方，因此例 如使得纤维型分析部X2远离半导体激光器Xl等来测定具有暴发性的高危险的分析对象 物，或将纤维型分析部X2设置在腔室内进行in-situ测定都能极其容易地实现。进一步的，各光学部件通过X91、X92、X93、X94连接，因此其不容易受到外部干扰 (特别是振动、噪声等)的影响，而且由于通过参照用光检测单元仍，监视从半导体激光器 Xi出射的光的强度，因此，即使对于由温度变化等导致的半导体激光器Xi的输出变动，也 能容易地对其进行控制并将其取消。又，根据该结构，由于可以采用高输出且低价的近红外半导体激光器Xl用于最初 的气体分析，因此在这点上也可大幅促进低成本化。变形例接着，对所述第二实施例的变形例进行说明。在以下的说明和附图中，对应于所述 第二实施例的部件附加同样的符号。例如纤维型分析部X2不是第二实施例那样的直线，而是如图10所示，多次弯曲而 成梳子状，或呈盘曲状，这样可以维持紧凑，且通过增大和样品气体的接触面积提高了分析 精度。通常，像图10那样紧密地弯曲光纤，会导致光传递效率降低，因此在通信领域等不太 应用，但是这里的目的不是高效地传送光，而是为了观察气体的吸收度，因此即使弯曲也没 有问题。又，作为纤维型分析部X2，可采用如图11所示那样的中空纤维。图11中，采用将 样品气体从一端部侧面导入从另一端部侧面导出的流动测定方式。对于纤维光栅而言，使得温度变化的话选择波长变动，因此通过积极利用这一点 使得光栅温度变化可进行半导体激光器(激光源)的波长校正。又，波长选择元件从连接容易性观点来看，最好是纤维光栅，但是也可采用其它的 光栅或棱镜等。又，替代波长选择元件，如图12所示，可采用内部保持有和所述分析对象物 气体相同的规定浓度(或具有同样光学特性)的气体的参照用单元体X4’。此时，为使得参 照用光检测单元)(5的输出最小，即使得吸收最强，通过激光源用温度调整机构X7对半导体 激光器Xl的波长进行调整。这样可将半导体激光器Xl的波长固定为分析对象物气体的吸 收波长。又，如图17所示，在单一的纤维型分析部X2上，波长不同的激光源Xl和波长选择 元件X4成对地并列连接有多个，这样可进行多个波长测定。此时，例如，可使得各激光源错 开时间发光(分时发光)。进一步的，如图18所示，也可以并列设置多个和激光源Xl相同数量的纤维型分析部X2和测定用光检测单元X3。这样可使得各光源Xl同时发光来进行测定。还可以在测定用光检测单元侧设置多个使得不同的波长通过的滤波器，使得各激 光源同时发光(此时不仅可用激光光源还可采用白色光光源)，切换滤波器分时测定多个 波长。进一步的，如图19所示，也可在纤维型分析部X2的输出端设置反射镜，使得通过 纤维型分析部X92输出的光向输入光的反向传送至向纤维型分析部X2输入的输入用光纤 X91(相当于所述第一光纤X91)。此时，输入用光纤X91的中途设置了分支用耦合器，仅使 得通过纤维型分析部X2返回的光由该分支用耦合器分支而导入到输出用光纤X92 (相当于 所述第二光纤X9》，并由设置在该顶端的测定用光检测单元X3检测返回光的光强度。另外，分析部的实施形态，并不限于纤维型，也可是通常的气体单元体等。即使是 这样，分析部可介由光纤远离激光光源或测定用光检测单元、或者波长选择元件等其他光 学部件，例如km单位的距离，这样可确保处理爆发性或有毒性等危险性高的气体时的高安 全性。本发明涉及的光分析装置可应用于气体以外的液体，或各种物理化学现象物。例如，分析对象物是蛋白质，本光分析装置可适用于蛋白质传感器。图13显示此 时的纤维型分析部X2的截面。纤维型分析部X2具有以下的结构采用捕获分析对象物的 捕获部件X22包覆切除了光纤的包覆层X2b的一部分而露出的芯体X2a的表面。捕获部件 X22，如图14(a)中局部放大显示的那样，具有包覆芯体X2a的露出部分的Au膜X221，和在 该Au膜A221的表面固定化的抗原或抗体X222。该抗原或抗体X222，与需要传感检测的蛋 白质XP发生抗原抗体反应并与该蛋白质XP结合(参考图14(b))。又，作为测定用光检测 单元，采用例如面传感器测定来自第二光纤的光的扩散角。根据这样的结构，如图14(b)所示，作为分析对象物的蛋白质XP，被所述捕获部件 X22捕获时，来自纤维型分析部X2 (或连接于此的第二光纤)的光的扩散角，如图15所示的 那样由于比捕获前的扩散角大，因此，通过读取其变化可检测蛋白质的浓度。又，如图15所示，除去所有的包覆层X2b仅设置芯体X2a，在该芯体X2a的表面包 覆捕获材料也可以。这样可实现更高精度的测定。同样的结构，也可检测DNA的混合(“^ 'J ^ 4 -t￡-v 3 > )反应。在上述内 容中虽然可将抗原固定化在Au表面，但是如果取代抗原而将试样DNA固定化，也可检测目 标 DNA。如果做成氧化钛包覆在芯体上的结构，可起到有机物检测传感器的功能。导入纤 维型分析部的光，对氧化钛施加光氧化能则能量衰减，波长变化。如果样品中具有较多的有 机物，则光能由于相应的消耗而衰减，波长发生变化。又，由于氧化钛的光氧化作用根据氧 气的量而产生变化。从而，也可作为氧气浓度传感器应用。根据本装置，可通过采用光纤而 小型化为便携型，因此可搭载于手机等。本光分析装置也可适用于其他，例如，湿度传感器、水传感器、信号机内置的NOx 传感器、NO传感器、血液现场检查用传感器(葡萄糖、尿酸)、手术中的葡萄糖传感器、便当 等食品新鲜度检测传感器等领域。另外，本发明不限于上述各实施例，而可对各实施例中说明了的部分进行适当的
13组合等，在不脱离主旨的前提下做出种种变更。
权利要求
1.一种分析计用激光装置，其特征在于，包括 输出分析对象物的吸收波长附近的光的激光源；波长选择元件，该波长选择元件接收所述激光源输出的光的一部分，从其波长成分中 选择和所述分析对象物的吸收波长实质相等的波长的光并导出； 检测所述波长选择元件导出的光的强度的光检测单元；驱动电流控制单元，其使得所述激光源的驱动电流在为使所述激光源输出所述吸收波 长的光用的规定电流值附近增减，并将所述激光源的驱动电流设定为所述光检测单元的光 强度检测值为峰值时的电流值；以及；搭载所述激光源、所述波长选择元件和光检测单元的，能够调整到一定温度的单一基板。
2.如权利要求1所述的分析计用激光装置，其特征在于，所述单一基板采用珀耳帖模 块作为温度调整单元。
3.如权利要求1所述的分析计用激光装置，其特征在于，所述激光源为半导体激光器。
4.如权利要求1所述的分析计用激光装置，其特征在于，所述波长选择元件设置在接 受从所述激光源的主要光出射口的相反侧漏出的漏光的位置。
5.如权利要求1所述的分析计用激光装置，其特征在于，所述激光源为出射中红外区 域的光的激光源。
6.如权利要求1所述的分析计用激光装置，其特征在于，在所述激光源和所述波长选 择元件之间的光路上，设置有抑制从所述波长选择元件返回到所述激光源的返回光的返回 光抑制单元。
7.一种光分析装置，其是基于从激光源出射的通过分析对象物的光的强度，对该分析 对象物的浓度或密度进行测定的光分析装置，其特征在于，包括纤维型分析部，其构成为能够将导入到内部的光进行折射并传递，且将分析对象物导 入到光的传递轨道上；波长选择元件，其将选择波长设定为所述分析对象物的吸收波长频带； 检测所述纤维型分析部所选择的光的强度的测定用光检测单元； 检测从所述波长选择元件导出的光的强度的参照用光检测单元； 在所述激光源和所述纤维型分析部之间，所述纤维型分析部和所述测定用光检测单元 之间，所述激光源和所述波长选择单元之间以及所述波长选择元件和参照用光检测单元之 间分别通过光纤连接。
8.如权利要求7所述的光分析装置，其特征在于，所述激光源为出射近红外区域的光 的半导体激光器。
9.如权利要求7所述的光分析装置，其特征在于，进一步包括激光源用温度调整机构， 和波长选择元件用温度调整机构。
10.如权利要求7所述的光分析装置，其特征在于，在光纤中介装有隔离器，其构成为 将所述波长选择元件的反射光导入到所述参照用光检测器，并抑制所述反射光返回所述激 光源。
11.如权利要求10所述的光分析装置，其特征在于，从连接所述激光源和所述纤维型 分析部的光纤分支出其他的光纤并连接到所述波长选择元件，从所述其他光纤进一步分支出其它光纤并连接到参照用光选择元件。
12.如权利要求7所述的光分析装置，其特征在于，所述纤维型分析部设有能够从光纤 的侧周面导入分析对象物的有底沟道或有底穴，该有底沟道或有底穴到达光纤中光传送区 域的一部分。
13.如权利要求12所述的光分析装置，其特征在于，所述纤维分析部弯曲。
14.如权利要求7所述的光分析装置，其特征在于，具有波长不同的多个激光源和分别 与其对应的多个波长选择元件。
15.一种光分析装置，其是基于从激光源出射的通过分析对象物的光的强度，对该分析 对象物的浓度或密度进行测定的光分析装置，其特征在于，包括纤维型分析部，其构成为能够将导入到内部的光进行折射并传递，且将分析对象物导 入到光的行进轨道上；参照用单元体，其内部保持有与所述分析对象物具有相同光学特性的参照物质；测定用光检测单元，其对所述纤维型分析部所选择的光的强度进行检测；检测从所述参照用单元体导出的光的强度的参照用光检测单元；在所述激光源和所述纤维型分析部之间，所述纤维型分析部和所述测定用光检测单元 之间，所述激光源和所述参照用单元体之间以及所述参照用单元体和所述参照用光检测单 元之间分别通过光纤连接。
全文摘要
本发明提供一种光分析计，其能够一并促进测量精度的提高、降低成本、小型化、结构灵活性的提高、抵抗干扰能力的增强等。光分析计包括激光源(2)；从激光源(2)输出的光中选择和所述分析对象物的吸收波长实质相等的波长的光并导出的波长选择元件(3)；检测所述波长选择元件导出的光的强度的光检测单元(5)；驱动电流控制单元(6)，其使得所述激光源(2)的驱动电流在用于使该激光源(2)输出所述吸收波长的光的规定电流值附近增减，并将其设定为光检测单元(5)的光强度检测值为峰值时的电流值，所述激光源(2)、所述波长选择元件(3)和光检测单元(5)都搭载在能够调整为一定温度的单一基板(11)上。
文档编号G01N21/27GK102066907SQ20098010994
公开日2011年5月18日 申请日期2009年3月27日 优先权日2008年3月28日
发明者三村享, 井户琢也, 右近寿一郎 申请人:株式会社堀场制作所