气体吸收分光装置以及气体吸收分光方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于测定对象气体的激光吸收光谱，对该气体的浓度、温度、压力 等进行测定的气体吸收分光装置以及方法。该气体吸收分光装置以及方法在汽车工业中能 够适用于气体浓度以及温度、压力的非接触、高速测定，此外还能够在工业炉内的燃烧气体 那样的高温?高压环境下的气体测量等多个领域适用。
【背景技术】
[0002] 采用激光的气体吸收分光法具有以下三个方法。
[0003] (1)DLAS(DirectLaserAbsorptionSpectroscopy，激光直接吸收光谱法）
[0004] (2)WMS(WavelengthModulatedSpectroscopy，波长调制光谱法）
[0005] (3)CRDS(CavityRingDownSpectroscopy，腔衰荡光谱法）
[0006] 在DLAS中，将激光照射至被测定气体，通过光检测器对激光进行测定。在此，具有 将照射于气体的激光的波长固定为特定的值来对气体中的吸收进行测定的方法，以及对激 光的波长进行扫描从而对气体的吸收光谱进行测定的方法。在前者的情况下，激光的波长 固定为气体的吸收波长，对该波长处的吸光度进行测定。在扫描波长的情况下，使激光的波 长在包含气体的吸收波长的范围内变化以对其光谱进行测定，从而对气体的吸收峰值的面 积进行测定（非专利文献1)。
[0007] 丽S与波长扫描型的DLAS相似，除了波长扫描之外，还以远短于扫描周期的周期 (充分高的频率。在此设为f。）呈正弦波状地对波长进行调制。采用检测器的话，能够通 过检测频率f的高次谐波（一般采用的是二次谐波），以比DLAS高的灵敏度对气体吸收进 行测定（专利文献1、非专利文献2、3、4)。高次谐波的检测通常采用锁相放大器（口 7夕 O7 > 7° )，但也提出有通过就这样对检测器信号进行数字采样来进行FFT分析以进行 2f?的同步检波的方法（非专利文献5)。
[0008] 在CRDS中，将被测定气体设置在至少由2块镜子构成的光学谐振腔中。在此，对采 用CW(连续振荡）激光的CRDS进行说明。入射至光学谐振腔的光在光学谐振腔中反射?谐 振，与两侧的镜子的反射率相应的能量的光被限制在谐振器内。另一方面，极少一部分的 能量的光漏到镜子之外。因此，在正常状态下，一定的光能被蓄积在谐振腔内部，一定强度 的光持续漏到镜子之外。因此如果断开激光器的话，谐振腔内的光能根据谐振腔的损失量 而衰减，漏到镜子外部的光强度也同时衰减。利用衰减时间按照存在于谐振腔内部的被测 定气体的吸收量而增减的现象对气体的吸收进行测定。本手法具有WMS以上的高灵敏度， 但对于谐振腔的污染敏感，而且如果吸收变大的话，谐振腔损耗会急速增加，而不能进行测 定，因此动态范围一般较小。而且还要求需要将谐振腔完全锁定在激光模式等非常神经质 的控制。
[0009] 基于以上概况，作为工业用气体吸收分光装置，在灵敏度?稳健性（测定容易性） 上取得平衡的WMS比较合适。根据通过WMS得到的吸收光谱的强度，容易地计算出气体浓 度。除此之外，还能够利用于如下的应用，即即使在温度?压力时常变化的环境下无法直接 测定压力或者温度的环境中，也能够通过采用2波长进行测定，来对气体浓度、温度进行测 定的应用（非专利文献4)。
[0010] 现有技术文献
[0011] 专利文献
[0012] 专利文献1日本特开2011-196832号公报
[0013] 非专利文献
[0014] 非专利文献 1 :E.D.HinkleyandP.LKelley，"DetectionofAirPollutants withTunableDiodeLasers，"Science19,635-639 (1971).
[0015] 非专利文献 2:Reid，J.andLabrie，D.，"Second-harmonicdetectionwith tunablediodelasers-comparisonofexperimentandtheory，"Appl.Phys.B 26, 203-210 (1981).
[0016] 非专利文献 3:J.A.Silver，''Frequency-modulationspectroscopyfortrace speciesdetection:theoryandcomparisonamongexperimentalmethods，〃Appl. Opt. 31 (1992) ,707-717.
[0017] 非专利文献 4:G.B.Rieker，J.B.Jeffries，andR.K.Hanson，"Calibration-free wavelengthmodulationspectroscopyformeasurementsofgastemperatureand concentrationinharshenvironments，〃Appl.Opt.，submitted2009.
[0018] 非专利文献 5:T.Fernholz，H.Teichert，andV.Ebert，"Digital，phase-sensi tivedetectionforinsitudiode-laserspectroscopyunderrapidlychanging transmissionconditions，"Appl.Phys.B75, 229-236 (2002).
[0019] 非专利文献 6:J.T.C.Liu，〃Near_infrareddiodelaserabsorption diagnosticsfortemperatureandspeciesinengines，〃Ph.D.dissertation，Dept. MechanicalEngineering,StanfordUniv. ,Stanford,CA, 2004.(Figure3. 12)
[0020] 非专利文献 7:"CalculationofmolecularspectrawiththeSpectral Calculator"，[平成 25 年 1 月 7 日检索]，因特网 <URL:http://www.spectralcalc.com/ info/CalculatingSpectra.pdf>
[0021] 非专利文献8:福里克彦，池田裕二，中島健，「半導体分光システ/^奁用 UC02气体?計測（第2報）」，日本機械学会論文集B編，2002, 68, 2901-2907.
【发明内容】
[0022] 发明要解决的问题
[0023] 如上所述，WMS稳健且高灵敏度，但存在以下问题点。
[0024] 1.为了进行高速测定，要缩短扫描周期且需要高的波长调制频率。但是，在采用 一般最普及的注入电流控制型波长可变二极管激光器作为波长可变型的激光器的情况下， 提高调制频率的话，相对于注入电流的波长变化率就降低，无法得到充分的波长调制深度 (modulationdepth)(非专利文献 6) 〇
[0025] 2.尤其对于超过MHz那样的高速的调制，难以对波长调制深度进行准确测定，在 高速测定中无法确定准确的波长调制深度。因此，根据测定结果计算出的气体浓度?温度 等信息的不确定性变高。
[0026] 由于以上的主要原因，在高速测定中，采用以往的WMS的话，存在精度良好的气体 浓度?温度等的测定的困难度显著增加这样的问题。
[0027] 本发明要解决的课题是提供一种即使在高速测定中也能够进行精度良好的气体 浓度等的测定的气体吸收分光装置以及气体吸收分光方法。
[0028] 用于解决课题的手段
[0029] 为了解决上述课题而做成的本发明所涉及的气体吸收分光装置的特征在于，具 有：
[0030] a)波长可变的光源；
[0031] b)光源控制部，其使由所述光源所生成的光的波