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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-01-23
(45)【発行日】2025-01-31
(54)【発明の名称】ガス分析装置及びガス分析方法
(51)【国際特許分類】
G01N 21/3504 20140101AFI20250124BHJP
G01N 21/39 20060101ALI20250124BHJP
【ＦＩ】
G01N21/3504
G01N21/39
【請求項の数】
16
(21)【出願番号】P 2022514445
(86)(22)【出願日】2021-04-01
(86)【国際出願番号】 JP2021014196
(87)【国際公開番号】W WO2021205988
(87)【国際公開日】2021-10-14
【審査請求日】2024-02-02
(31)【優先権主張番号】P 2020070788
(32)【優先日】2020-04-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】322003134
【氏名又は名称】株式会社ＳｍａｒｔＬａｓｅｒ＆ＰｌａｓｍａＳｙｓｔｅｍｓ
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100132241
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 博史
(72)【発明者】
【氏名】出口 祥啓
(72)【発明者】
【氏名】神本 崇博
【審査官】伊藤 裕美
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－２２２５２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－４０７４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－６６２５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１５８４２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－５１５９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００３／０１６０１７３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０８１８１２６９（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／００－２１／６１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を計測対象ガスに照射するレーザ光源と、前記レーザ光の波長をそれぞれ所定の波長帯において変化させるように前記レーザ光源を制御するレーザ制御手段と、
前記計測対象ガスを透過したレーザ光を光電変換して電気信号を出力する光検出手段と、
前記電気信号に基づいて前記計測対象ガスの吸収波長を分析する解析手段とを備えるガス分析装置であって、
前記レーザ制御手段は、
矩形波又は台形波の電圧信号を発生する信号発生器と、
前記電圧信号を、矩形波又は台形波の駆動電流に変換して前記レーザ光源に流す電流電源とを備え、
前記レーザ制御手段は、前記信号発生器及び前記電流電源を用いた電流制御のみにより、前記レーザ光の強度が、所定の時間期間において少なくとも実質的に一定である平坦部を有する形状で変化することで、前記レーザ光の出力が変化し、前記レーザ光源の温度が変化し、前記レーザ光源の回折格子間隔が変化し、前記レーザ光の波長が、前記レーザ光の強度の立ち上がりから遅延して、前記レーザ光源の温度の上昇につれて、時間とともに概ね比例して、前記時間期間において変化するように、前記レーザ光源を制御する、ガス分析装置。
【請求項2】
前記形状は、矩形形状又は台形形状である、請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項3】
複数のレーザ光をそれぞれ出力する複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光の波長をそれぞれ所定の波長帯において変化させるように、それぞれ前記複数のレーザ光源を制御するレーザ制御手段と、
前記複数のレーザ光を合波して、合波後の合波光を計測対象ガスに照射する合波手段と、
前記計測対象ガスを透過したレーザ光を光電変換して電気信号を出力する光検出手段と、
前記電気信号に基づいて前記計測対象ガスの吸収波長を分析する解析手段とを備えるガス分析装置であって、
前記レーザ制御手段は、
矩形波又は台形波の電圧信号を発生する信号発生器と、
前記電圧信号を、矩形波又は台形波の駆動電流に変換して前記複数のレーザ光源に流す電流電源とを備え、
前記レーザ制御手段は、前記信号発生器及び前記電流電源を用いた電流制御のみにより、前記複数のレーザ光が互いに重ならないようにかつ順次繰り返して出力し、前記各レーザ光の強度が、所定の時間期間において少なくとも実質的に一定である平坦部を有する形状で変化することで、前記各レーザ光の出力が変化し、前記各レーザ光源の温度が変化し、前記各レーザ光源の回折格子間隔が変化し、前記各レーザ光の波長が、前記各レーザ光の強度の立ち上がりから遅延して、前記各レーザ光源の温度の上昇につれて、時間とともに概ね比例して、前記時間期間において変化するように、前記複数のレーザ光源を制御する、ガス分析装置。
【請求項4】
前記形状は、矩形形状又は台形形状である、請求項３に記載のガス分析装置。
【請求項5】
前記複数のレーザ光の各光強度は実質的に同一であり、所定のしきい値以下の差を有する、請求項３又は４に記載のガス分析装置。
【請求項6】
前記複数のレーザ光源は、第１のレーザ光源と、第２のレーザ光源とを含み、前記第１のレーザ光源は、第１のレーザ光を出力し、
前記第２のレーザ光源は、第２のレーザ光を出力し、
前記レーザ制御手段は、前記第１及び第２のレーザ光を交互にかつ繰り返して出力するように、前記第１及び第２のレーザ光源を制御する、
請求項３～５のうちのいずれか１つに記載のガス分析装置。
【請求項7】
前記ガス分析装置はさらに、前記合波光を複数の光路に分岐して前記計測対象ガスに照射する分波手段をさらに備え、前記光検出手段は、前記複数の光路の各々に対応して設けられ、前記計測対象ガスを透過したレーザ光を光電変換して電気信号を出力する複数の光検出部を含み、
前記解析手段は、前記各光検出部から出力された複数の電気信号に基づいて、計測対象ガスを分析し、
前記レーザ制御手段は、前記第１のレーザ光の振幅と前記第２のレーザ光の振幅とを互いに異ならせるように、前記第１及び第２のレーザ光源を制御し、
前記解析手段は、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光の振幅の差に基づいて、前記各光検出部からの各電気信号の波形における本来の吸収以外の要因による変動の影響をキャンセルする、
請求項３又は４を引用する請求項６に記載のガス分析装置。
【請求項8】
前記レーザ制御手段は、前記平坦部の変動が所定のしきい値以下であるように、前記各レーザ光源を制御する、請求項１～７のうちのいずれか１つに記載のガス分析装置。
【請求項9】
前記光検出手段と前記解析手段との間に設けられ、前記電気信号を増幅する増幅手段をさらに備える、請求項１～８のうちのいずれか１つに記載のガス分析装置。
【請求項10】
前記レーザ制御手段は、前記時間期間において前記複数のレーザ光の振幅が互いに実質的に同一となり、かつ前記時間期間において前記複数のレーザ光が互いに実質的に同一の波長帯で変化するように、前記複数のレーザ光を制御する、請求項３～６のうちのいずれか１つに記載のガス分析装置。
【請求項11】
前記レーザ制御手段は、前記時間期間において前記複数のレーザ光の振幅が互いに異なり、かつ前記時間期間において前記複数のレーザ光が互いに実質的に異なる波長帯で変化するように、前記複数のレーザ光を制御する、請求項３～６のうちのいずれか１つに記載のガス分析装置。
【請求項12】
レーザ光源がレーザ光を計測対象ガスに照射するステップと、前記レーザ光の波長をそれぞれ所定の波長帯において変化させるように前記レーザ光源を制御するステップと、
前記計測対象ガスを透過したレーザ光を光電変換して電気信号を出力するステップと、
前記電気信号に基づいて前記計測対象ガスの吸収波長を分析するステップとを含むガス分析方法であって、
前記ガス分析方法は、
信号発生器が、矩形波又は台形波の電圧信号を発生するステップと、
電流電源が、前記電圧信号を矩形波又は台形波の駆動電流に変換して前記レーザ光源に流すステップとを含み、
前記レーザ光源を制御するステップは、前記信号発生器及び前記電流電源を用いた電流制御のみにより、前記レーザ光の強度が、所定の時間期間において少なくとも実質的に一定である平坦部を有する形状で変化することで、前記レーザ光の出力が変化し、前記レーザ光源の温度が変化し、前記レーザ光源の回折格子間隔が変化し、前記レーザ光の波長が、前記レーザ光の強度の立ち上がりから遅延して、前記レーザ光源の温度の上昇につれて、時間とともに概ね比例して、前記時間期間において変化するように、前記レーザ光源を制御することを含む、ガス分析方法。
【請求項13】
前記形状は、矩形形状又は台形形状である、請求項１２に記載のガス分析方法。
【請求項14】
複数のレーザ光源が複数のレーザ光をそれぞれ出力するステップと、前記複数のレーザ光の波長をそれぞれ所定の波長帯において変化させるように、それぞれ前記複数のレーザ光源を制御するステップと、
前記複数のレーザ光を合波して、合波後の合波光を計測対象ガスに照射するステップと、
前記計測対象ガスを透過したレーザ光を光電変換して電気信号を出力するステップと、
前記電気信号に基づいて前記計測対象ガスの吸収波長を分析するステップとを含むガス分析方法であって、
前記ガス分析方法は、
信号発生器が、矩形波又は台形波の電圧信号を発生するステップと、
電流電源が、前記電圧信号を矩形波又は台形波の駆動電流に変換して前記複数のレーザ光源に流すステップとを含み、
前記複数のレーザ光源を制御するステップは、前記信号発生器及び前記電流電源を用いた電流制御のみにより、前記複数のレーザ光が互いに重ならないようにかつ順次繰り返して出力し、前記各レーザ光の強度が、所定の時間期間において少なくとも実質的に一定である平坦部を有する形状で変化することで、前記各レーザ光の出力が変化し、前記各レーザ光源の温度が変化し、前記各レーザ光源の回折格子間隔が変化し、前記各レーザ光の波長が、前記各レーザ光の強度の立ち上がりから遅延して、前記各レーザ光源の温度の上昇につれて、時間とともに概ね比例して、前記時間期間において変化するように、前記複数のレーザ光源を制御することを含む、ガス分析方法。
【請求項15】
前記形状は、矩形形状又は台形形状である、請求項１４に記載のガス分析方法。
【請求項16】
前記複数のレーザ光の各光強度は実質的に同一であり、所定のしきい値以下の差を有する、請求項１４又は１５に記載のガス分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ光を用いて対象ガスを分析するガス分析装置及びガス分析方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、地球温暖化、化石燃料の枯渇、環境汚染等の防止の観点から、様々な分野で地球環境保全やエネルギーの有効利用に関心が集まっており、そのため種々の環境技術の研究がなされている。
【0003】
そのような環境技術において、エンジンやバーナー等における燃焼現象の燃焼構造や、その過渡的な振る舞いを詳細に解明することは重要なことである。近年、燃焼ガスにおいて温度や濃度の分布を高応答で時系列的に計測する手段として、半導体レーザ吸収法を活用した計測技術が開発されている。
【0004】
一般に吸収法は気体分子が化学種に特有の波長の赤外線を吸収する性質及びその吸収量の温度依存性及び濃度依存性を利用した計測法である。入射光が光路長の一様な吸収媒体（対象ガス）を通過したときの、入射光の強度（Ｉλ０）と透過光（Ｉλ）の強度の比（Ｉλ／Ｉλ０）を求めることにより、対象ガスの濃度や温度を計測することができる（例えば、非特許文献１及び２参照）。特に、可変波長半導体レーザを用いて、所定波長のレーザ光が吸収される現象を利用して対象ガスを分析する方法を、波長可変半導体レーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ（TUNABLE DIODE LASER ABSORPTION SPECTROSCOPY））と呼んでいる。
【0005】
半導体レーザを用いて吸収法を活用して計測対象ガスの性質（濃度や温度）を検出する技術が特許文献１～３等に開示されている。
【0006】
例えば特許文献１では、レーザ光を分波器で計測用レーザ光と参照用レーザ光とに分波し、計測用レーザ光をガス中に透過させて光検出器で受光し、受光した計測用レーザ光の光強度と前記参照用レーザ光の光強度とからガス中のガス成分によって吸収された吸収スペクトルを把握する方法が開示されている。
【0007】
また、特許文献２では、レーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する際に、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を所定周波数で変調する第１の期間と、固有の吸収波長から外れた波長を所定周波数で変調する第２の期間とを有し、第１の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２の期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確なガス濃度を求める方法が開示されている。
【0008】
さらに、特許文献３において、ガス分析装置は、第１及び第２のレーザ光を出力する第１及び第２のレーザ光源と、第１及び第２のレーザ光の波長がそれぞれ所定の波長帯にて変化するよう第１及び第２のレーザ光源を制御するレーザ制御手段と、第１のレーザ光と第２のレーザ光を混合し、計測対象ガスに照射する合波手段と、計測対象ガスを透過したレーザ光を受光する受光手段と、受光手段からの電気信号に基づき、計測対象ガスの温度及び／又は濃度を分析する解析手段とを備える。ここで、レーザ制御手段は、レーザ光の波長を変化させる際に、第１のレーザ光の振幅の大きさと、第２のレーザ光の振幅の大きさとを異ならせ、かつ第１のレーザ光の強度と第２のレーザ光の強度とを逆方向に変化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】特開２００８－０５１５９８号公報
【文献】特開２０１１－１５８４２６号公報
【文献】特開２０１５－０４０７４７号公報
【非特許文献】
【0010】
【文献】Maximilian Lackner, "TUNABLE DIODE LASER ABSORPTION SPECTROSCOPY (TDLAS) IN THE PROCESS INDUSTRIES － A REVIEW," Reviews in Chemical Engineering, Vol. 23, Issue 2, April 2007.
【文献】村田昭弘，「プロセス用レーザガス分析計の紹介」，かんぎきょう，日本環境技術協会，１８～１９頁，２０１０年１月．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
特許文献１～３に開示された技術では、光路中に設けられた窓汚れなどによるレーザ光強度の低下の影響を除去できない。具体的には、吸収スペクトルに基づき計測対象ガスを測定する場合、吸収スペクトルに現れる信号強度の低下部分（以下「吸収線」ともいう）の位置（波長）及び大きさを検出することが重要である。レーザ光の光路中に設けられた窓の汚れ等の本来の吸収以外の要因により、計測対象ガスに照射されるレーザ光が変動する場合があり、このような場合、吸収スペクトルに現れる信号強度の低下部分（吸収線）の大きさが、本来の吸収による場合と異なってしまい、ガスの分析精度が低下するという問題点があった。
【0012】
特に、特許文献３では、混合した信号に微小な変動が生じるため、高感度化及び高精度化が困難となるという問題点があった。
【0013】
本発明の目的は、従来技術に比較して高い精度でガスを分析できるガス分析装置及びガス分析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明に係るガス分析装置は、
レーザ光を計測対象ガスに照射するレーザ光源と、
前記レーザ光の波長をそれぞれ所定の波長帯において変化させるように前記レーザ光源を制御するレーザ制御手段と、
前記計測対象ガスを透過したレーザ光を光電変換して電気信号を出力する光検出手段と、
前記電気信号に基づいて前記計測対象ガスの吸収波長を分析する解析手段とを備えるガス分析装置であって、
前記レーザ制御手段は、前記レーザ光の強度が、所定の時間期間において少なくとも実質的に一定な平坦部を有する形状で変化し、かつ前記レーザ光の波長が前記時間期間において変化するように、前記レーザ光源を制御する。
レーザ光を計測対象ガスに照射するレーザ光源と、
前記レーザ光の波長をそれぞれ所定の波長帯において変化させるように前記レーザ光源を制御するレーザ制御手段と、
前記計測対象ガスを透過したレーザ光を光電変換して電気信号を出力する光検出手段と、
前記電気信号に基づいて前記計測対象ガスの吸収波長を分析する解析手段とを備えるガス分析装置であって、
前記レーザ制御手段は、前記レーザ光の強度が、所定の時間期間において少なくとも実質的に一定な平坦部を有する形状で変化し、かつ前記レーザ光の波長が前記時間期間において変化するように、前記レーザ光源を制御する。
【発明の効果】
【0015】
従って、本発明によれば、レーザ制御手段は、前記レーザ光の強度が、所定の時間期間において少なくとも実質的に一定な平坦部を有する形状で変化し、かつ前記レーザ光の波長が前記時間期間において変化するように、前記レーザ光源を制御する。これにより、ガス分析の検出精度を従来技術に比較して向上できる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1A】実施形態１に係るガス分析装置１０の構成例を示すブロック図である。
【図3】実施形態２に係るガス分析装置１０Ａの構成例を示すブロック図である。
【図5】実施形態３に係るガス分析装置１０Ｂの構成例を示すブロック図である。
【図6】実施形態１～３の変形例に係るレーザ光１の強度を示す波形図である。
【図7】実施形態１～３に係るガス分析装置１０，１０Ａ，１０Ｂにおける対象ガスがＨ２０であるときの吸収度の波長特性を示す吸収スペクトラム図である。
【図8】実施形態１に係るガス分析装置１０の実施例の実験結果であって、対象ガスがＨ２Ｏでチャンバー圧力が１００Ｔｏｒｒのときの光検出器１９の出力電圧の波形図である。
【図9】実施形態１に係るガス分析装置１０の実施例の実験結果であって、対象ガスがＨ２Ｏでチャンバー圧力が５０Ｔｏｒｒのときの光検出器１９の出力電圧の波形図である。
【図10】実施形態１に係るガス分析装置１０の実施例の実験結果であって、対象ガスがＨ２Ｏでチャンバー圧力が１０Ｔｏｒｒのときの光検出器１９の出力電圧の波形図である。
【図11】実施形態４に係る二次元ガス分析装置１０Ｃの構成例を示すブロック図である。
【図19】実施形態１に係るガス分析装置１０の実施例１の実験結果であって、対象ガスがＨ２Ｏでチャンバー圧力が１０Ｔｏｒｒ（１．３ｋＰａ）のときの光検出器１９の出力電圧の波形図である。
【図20】実施形態２に係るガス分析装置１０Ａの実施例２の実験結果であって、対象ガスがＨ２Ｏでチャンバー圧力が１０Ｔｏｒｒ（１．３ｋＰａ）のときの光検出器１９の出力電圧の波形図である。
【図21】実施形態２に係るガス分析装置１０Ａの実施例２の実験結果であって、ＡＣ信号としての増幅率を向上させることができることを示す、光検出器１９の出力電圧の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付している。
【0018】
＜実施形態の特徴＞
本発明に係る実施形態及び変形例では、可変波長分布活性分布帰還（ＴＤＦＢ）型半導体レーザを用いて、ＴＤＬＡＳ法を用いて、計測対象のガスを分析することで、濃度と温度を検出する。ここで、本実施形態では、特に、詳細後述するように、例えば、レーザ光の強度が、所定の時間期間において少なくとも実質的に一定な平坦部を有する形状（例えば、矩形形状又は台形形状）で変化し、かつ前記レーザ光の波長が前記時間期間において変化するように、レーザ光源を制御することを特徴とする。
本発明に係る実施形態及び変形例では、可変波長分布活性分布帰還（ＴＤＦＢ）型半導体レーザを用いて、ＴＤＬＡＳ法を用いて、計測対象のガスを分析することで、濃度と温度を検出する。ここで、本実施形態では、特に、詳細後述するように、例えば、レーザ光の強度が、所定の時間期間において少なくとも実質的に一定な平坦部を有する形状（例えば、矩形形状又は台形形状）で変化し、かつ前記レーザ光の波長が前記時間期間において変化するように、レーザ光源を制御することを特徴とする。
【0019】
＜実施形態１＞
（ガス分析装置の構成）
図１Ａは実施形態１に係るガス分析装置１０の構成例を示すブロック図であり、図１Ｂは図１Ａのレーザ制御装置１４及びレーザ１１の詳細を示すブロック図である。また、図２は図１Ａのガス分析装置１０の動作を示す図であって、レーザ光１の強度、レーザ光１の波長、及び光検出器１９からの電気信号Ｓｄの出力電圧の概略波形図である。
（ガス分析装置の構成）
図１Ａは実施形態１に係るガス分析装置１０の構成例を示すブロック図であり、図１Ｂは図１Ａのレーザ制御装置１４及びレーザ１１の詳細を示すブロック図である。また、図２は図１Ａのガス分析装置１０の動作を示す図であって、レーザ光１の強度、レーザ光１の波長、及び光検出器１９からの電気信号Ｓｄの出力電圧の概略波形図である。
【0020】
図１Ａにおいて、ガス分析装置１０は、レーザ光源である半導体レーザ（以下、レーザという）１１と、レーザ制御装置１４と、コリメータ１７と、光検出器１９と、光検出器１９からの電気信号Ｓｄを増幅するＡＣアンプ２１と、解析装置２３とを備える。なお、ＡＣアンプ２１は、詳細後述するように、ＡＣアンプに限定されず、レーザ光の強度が一定である平坦部の部分を基準として増幅できるアンプであればよい。
【0021】
図１Ｂにおいて、レーザ制御装置１４は、コントローラ６０と、波形発生器６１と、電流電源６２とを備えて構成される。コントローラ６０は、波形発生器６１により発生される電圧信号の周期、デューティ比、電圧等を設定するように波形発生器６１を制御する。これに応答して、波形発生器６１は例えば矩形波又は台形波の形状を有する所定の電圧信号を発生して電流電源６２に出力する。電流電源６２は電圧／電流変換回路を含み、入力される電圧信号を例えば矩形波又は台形波の形状を有する所定の駆動電流に変換してレーザ１１の一対の電極４１，４２間に流す。
【0022】
また、図１Ｂにおいて、レーザ１１は、一対の電極４１，４２間に、ｐ型クラッド層４３と、活性層４４と、ｎ型クラッド層４５と、ｎ型基板４６とが挟設されて構成され、一方の側面に反射面５１が形成される。一対の電極４１，４２に流れる電流に応答して、活性層４４はレーザ光を発生して反射面５１により反射されたレーザ光が図１Ｂの横方向に出射する。
【0023】
すなわち、レーザ１１は、所定の波長帯域のレーザ光１を出力可能なレーザ光源であり、本実施形態では、レーザ１１は、公知の可変波長分布活性分布帰還（ＴＤＦＢ）型半導体レーザであり、後述するレーザ１２，１３も同様である。ＴＤＦＢレーザは、一般的に、しきい値電流を超える励起電流で入力することで、所定強度のレーザ光を出力させることができる。ここで、レーザ１１に流す電流値を前記駆動電流により例えば矩形波又は台形波の形状で変化することで、レーザ光の出力が変化し、このとき、レーザ１１の温度が変化する。これにより、レーザ１１の内部の回折格子間隔が変化することで、レーザ光の波長が変化する。
【0024】
本実施形態では、レーザ制御装置１４は、所定周波数のクロック信号に同期して、レーザ１１に対する励起電流値を変化させることで、図２に示すように、レーザ光１の強度を、例えばデューティ比５０％（時間期間Ｔ１＝Ｔ２）の矩形パルス形状で変化させる。レーザ１１に対してこのように制御することで、レーザ光１の強度は、時間期間Ｔ１において矩形パルスの最大強度Ｅ１でほぼ一定となり、平坦部Ｌｆ１を有する。ここで、平坦部Ｌｆ１の強度変動は、例えば後述する半導体プロセス装置における水分検出のための高精度化のためには、最大強度Ｅ１に対して、例えば１０－６のしきい値以下に設定することが好ましい。
【0025】
このとき、レーザ光１の波長は、光強度の立ち上がりから若干遅延して、レーザ１１の温度の上昇につれて、例えば波長λ１から波長λ２までの波長走査範囲Ｌｗ１で時間とともに概ね比例して、単調増加して変化する。すなわち、レーザ制御装置１４は、レーザ１１を制御し、レーザ光１の波長を時間的に変化（走査）させながら、レーザ１１からレーザ光１を出力させることができる。
【0026】
なお、図２において、レーザ光１の波長の図示において、点線は、レーザ光１の波長が定まっておらず不定であることを示し、後述する図４においても同様である。ここで、計測対象ガスの吸収波長を波長λ１からλ２までの間に設定することで、所定の波長λａにおいて光検出器１９からの電気信号Ｓｄの出力電圧のドロップ部分Ｌｄ１が発生する。
【0027】
レーザ１１からのレーザ光１は、レーザ光１を平行化して集束させるコリメータ１７を介して計測対象ガスに照射された後、光検出器１９に入力される。光検出器１９は、計測対象ガスを透過したレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じた、交流成分を含むアナログ電気信号Ｓｄに光電変換する。ＡＣアンプ２１は電気信号Ｓｄの交流成分を十分に増幅可能な増幅帯域（特に、レーザ光１の強度が急激に上昇又は下降するので、高次高調波成分を有するため）を有し、かつレーザ光の強度が一定である平坦部の部分を基準として増幅できるアンプである。特に、ＡＣアンプ２１は、例えば電気信号Ｓｄに対して所定のオフセットをかけて、図２の電気信号Ｓｄの出力電圧におけるドロップ部Ｌｄ１の左右に位置する平坦部を例えば０Ｖの基準電圧として増幅するように構成される。ＡＣアンプ２１は、光検出器１９からのアナログ電気信号Ｓｄを上記のように増幅して、増幅後の電気信号Ｓｄａを解析装置２３に出力する。次いで、解析装置２３は、ＡＣアンプ２１からアナログ電気信号Ｓｄａを入力して内蔵するＡＤ変換器によりＡＤ変換した後、公知の通り、電気信号Ｓｄａの波形（吸収スペクトル）を解析して、計測対象ガスの濃度及び温度を解析する（例えば、非特許文献１及び２参照）。解析装置２３は例えばコンピュータ（情報処理装置）により実現できる。
【0028】
以上のように構成されたガス分析装置１０において、レーザ１１から出力されるレーザ光１の波長を、例えば推定される吸収波長λａを含む波長λ１～λ２の所定の波長帯において走査しながらレーザ光１を計測対象ガスに照射し、その際得られる計測対象ガスの吸収情報を含む電気信号Ｓｄａに係るレーザ光の吸収スペクトルを解析することで、計測対象ガスの濃度や温度の計測を行う。ここで、レーザ光１の矩形パルス波の繰り返しにより、複数の矩形パルス波に対応して複数回積算した分析を行い、その平均値を計算することで、分析精度を向上させることができる。
【0029】
解析装置２３は、入力される電気信号Ｓｄａの信号波形に基づき、計測対象ガスの濃度や温度を解析する。解析は例えば以下の方法で行う。解析装置２３は、計測対象ガスに関して、種々の濃度や温度に対する計測受光強度信号（電気信号）の信号波形の理論値の情報を予め備えている。解析装置２３は、計測によって実際に得られた信号波形と、信号波形の理論値とを比較し、それらの誤差が最も小さくなるときの信号波形の理論値を特定する。そして、その特定した理論値に関する濃度と温度を求めることで、計測対象ガスの濃度や温度の計測値を求めることができる。
【0030】
なお、ガス濃度及び温度の分析は、レーザ制御装置１４内のクロック信号に基づいて同期することが好ましい。ここで、レーザ制御装置１４内のクロック信号に代えて、受信する電気信号Ｓｄａからクロック信号を再生して、再生クロック信号に同期してガス濃度及び温度の分析を行ってもよい。
【0031】
図７はガス分析装置１０における計測対象ガスがＨ２０であるときの吸収度の波長特性を示す吸収スペクトラム図である。また、計測対象ガスと吸収波長λとの関係の一例を表１に示す。図２のドロップ部Ｌｄ１に対応する波長λａが、波長走査範囲Ｌｗ１内において、図７又は表１で示す吸収波長となるように、レーザ光１の強度の振幅Ｅ１を設定する。
【0032】
【表1】
【0033】
以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ制御装置１４は、所定周波数のクロック信号に同期して、レーザ１１に対する励起電流値を変化させることで、図２に示すように、レーザ光１の強度を矩形パルス形状で変化させ、このとき、レーザ光１の強度は、時間期間Ｔ１において矩形パルスの最大強度Ｅ１でほぼ一定となり、平坦部Ｌｆ１を有する。このとき、レーザ光１の波長は、光強度の立ち上がりから若干遅延して、レーザ１１の温度の上昇につれて、例えば波長λ１から波長λ２までの波長走査範囲Ｌｗ１で時間とともに概ね比例して変化する。すなわち、レーザ制御装置１４は、レーザ１１を制御し、レーザ光１の波長を時間的に変化（走査）させながら、レーザ１１からレーザ光１を出力させることができる。ここで、計測対象ガスの吸収波長λａを波長λ１からλ２までの間に設定することで、所定の吸収波長λａにおいて光検出器１９からの電気信号Ｓｄの出力電圧のドロップ部分Ｌｄ１が発生する。このドロップ部分Ｌｄ１における電気信号Ｓｄａを上述のように解析することで、計測対象ガスの濃度及び温度を測定することができる。
【0034】
すなわち、レーザ制御装置１４は、レーザ光１の強度が、所定の時間期間Ｔ１において少なくとも実質的に平坦な平坦部Ｌｆ１の振幅Ｅ１を有する矩形形状で変化し、かつレーザ光１の波長が時間期間Ｔ１において変化するようにレーザ１１を制御する。これにより、ガス分析の検出精度及び検出感度を従来技術に比較して大幅に向上できる。また、図１Ａのガス分析装置１０は１個のレーザを用いて構成しており、２個のレーザを用いる特許文献３のガス分析装置に比較して構成を簡単化できる。
【0035】
（実施形態１の変形例）
以上の実施形態１においては、Ｔ１＝Ｔ２としているが、Ｔ１＞Ｔ２とすることで、レーザ光１の波長走査範囲Ｌｗ１を、Ｔ１＝Ｔ２の場合に比較して大きくできる。ただし、図２に示すように、レーザ光１の強度の立ち上がり及び立下がりにおいて、レーザ光１の波長は若干遅延して波長走査範囲Ｌｗ１に到達した後、波長走査範囲Ｌｗ１を介して当該範囲外に出るので、レーザ光１の強度のデューティ比は例えば８０％以下に設定することが望ましい。しかし、デューティ比を下げ過ぎると、波長走査範囲Ｌｗ１が狭くなるので、それらのトレードオフになり、例えばデューティ比は３０％以上が好ましい。
以上の実施形態１においては、Ｔ１＝Ｔ２としているが、Ｔ１＞Ｔ２とすることで、レーザ光１の波長走査範囲Ｌｗ１を、Ｔ１＝Ｔ２の場合に比較して大きくできる。ただし、図２に示すように、レーザ光１の強度の立ち上がり及び立下がりにおいて、レーザ光１の波長は若干遅延して波長走査範囲Ｌｗ１に到達した後、波長走査範囲Ｌｗ１を介して当該範囲外に出るので、レーザ光１の強度のデューティ比は例えば８０％以下に設定することが望ましい。しかし、デューティ比を下げ過ぎると、波長走査範囲Ｌｗ１が狭くなるので、それらのトレードオフになり、例えばデューティ比は３０％以上が好ましい。
【0036】
また、吸収波長λａは、波長走査範囲Ｌｗ１の概ね半分の位置に設定することで、出力電圧のドロップ部分Ｌｄ１を波長走査範囲Ｌｗ１の概ね半分の位置に設定できる。これにより、波長が不定となる部分にかからないで、高精度で計測対象ガスの分析を行うことができる。
【実施例】
【0037】
（実施形態１に係る実施例）
図８～図１０はそれぞれ、実施形態１に係るガス分析装置１０の実施例の実験結果であって、対象ガスがＨ２Ｏでチャンバー圧力が１００Ｔｏｒｒ、５０Ｔｏｒｒ及び１０Ｔｏｒｒのときの光検出器１９の出力電圧の波形図である。ここで、実施例に係る適用試験における仕様条件を以下に示す。
図８～図１０はそれぞれ、実施形態１に係るガス分析装置１０の実施例の実験結果であって、対象ガスがＨ２Ｏでチャンバー圧力が１００Ｔｏｒｒ、５０Ｔｏｒｒ及び１０Ｔｏｒｒのときの光検出器１９の出力電圧の波形図である。ここで、実施例に係る適用試験における仕様条件を以下に示す。
【0038】
――――――――――――――――――――――――――――――――――
水蒸気濃度：０．７％（絶対濃度）
温度域：３００Ｋ
レーザパス長：１００ｍｍ
変調周波数：５０ｋＨｚ
積算回数：６５４回（１３ｍｓ）
レーザ波長：１３９２．５ｎｍ
ＡＣアンプ２１の周波数帯域：２０ＭＨｚ
解析装置２３内のＡＤ変換器：
サンプリング周波数１００ＭＨｚ、１４～１６ビット
圧力：１０Ｔｏｒｒ（１．３ｋＰａ）～１００Ｔｏｒｒ（１０３ｋＰａ）
大気圧換算濃度：９２ｐｐｍ
――――――――――――――――――――――――――――――――――
水蒸気濃度：０．７％（絶対濃度）
温度域：３００Ｋ
レーザパス長：１００ｍｍ
変調周波数：５０ｋＨｚ
積算回数：６５４回（１３ｍｓ）
レーザ波長：１３９２．５ｎｍ
ＡＣアンプ２１の周波数帯域：２０ＭＨｚ
解析装置２３内のＡＤ変換器：
サンプリング周波数１００ＭＨｚ、１４～１６ビット
圧力：１０Ｔｏｒｒ（１．３ｋＰａ）～１００Ｔｏｒｒ（１０３ｋＰａ）
大気圧換算濃度：９２ｐｐｍ
――――――――――――――――――――――――――――――――――
【0039】
【0040】
本実施形態に係るガス分析装置１０において、感度及び検出精度を向上させるためには以下のようにすることが考えられる。
【0041】
（１）積算時間を１秒とし、従来技術の約１０倍に設定する。また、積算回数を増大させる。
（２）光検出器１９として冷却型光検出器を用いて、その検出感度が従来技術の約１０倍を有する冷却型光検出器を用いる。
（３）ＡＣアンプ２１の増幅度を、従来技術の約１０倍とする。
（４）レーザ１１からのレーザ光１の強度を、従来技術の約１０倍とする。
（５）その他の電気回路におけるノイズを、従来技術に比較して低減する。
（２）光検出器１９として冷却型光検出器を用いて、その検出感度が従来技術の約１０倍を有する冷却型光検出器を用いる。
（３）ＡＣアンプ２１の増幅度を、従来技術の約１０倍とする。
（４）レーザ１１からのレーザ光１の強度を、従来技術の約１０倍とする。
（５）その他の電気回路におけるノイズを、従来技術に比較して低減する。
【0042】
＜実施形態２＞
図３は実施形態２に係るガス分析装置１０Ａの構成例を示すブロック図である。また、図４は図３のガス分析装置１０Ａの動作を示す図であって、レーザ光１，２の強度、レーザ光１，２の波長、及び光検出器１９からの電気信号Ｓｄの出力電圧の概略波形図である。実施形態２に係るガス分析装置１０Ａは、図１Ａの実施形態１に係るガス分析装置１０に比較して以下の点が異なる。
図３は実施形態２に係るガス分析装置１０Ａの構成例を示すブロック図である。また、図４は図３のガス分析装置１０Ａの動作を示す図であって、レーザ光１，２の強度、レーザ光１，２の波長、及び光検出器１９からの電気信号Ｓｄの出力電圧の概略波形図である。実施形態２に係るガス分析装置１０Ａは、図１Ａの実施形態１に係るガス分析装置１０に比較して以下の点が異なる。
【0043】
（１）レーザ光２を発光するレーザ１２をさらに備える。
（２）レーザ制御装置１４に代えて、２個のレーザ１１，１２を制御するレーザ制御装置１４Ａを備える。ここで、レーザ制御装置１４Ａは、図１Ｂのコントローラ６０と、２個の信号発生器６１（図１Ｂ）と、２個の電流電源６２（図１Ｂ）とを備えて構成される。
（３）レーザ１１，１２と、コリメータ１７との間に合波器１５を設ける。
（４）解析装置２３に代えて、２個のレーザ光１，２に対応する電気信号の各部分を時分割で分析する解析装置２３Ａを備える。
以下、相違点について説明する。
（２）レーザ制御装置１４に代えて、２個のレーザ１１，１２を制御するレーザ制御装置１４Ａを備える。ここで、レーザ制御装置１４Ａは、図１Ｂのコントローラ６０と、２個の信号発生器６１（図１Ｂ）と、２個の電流電源６２（図１Ｂ）とを備えて構成される。
（３）レーザ１１，１２と、コリメータ１７との間に合波器１５を設ける。
（４）解析装置２３に代えて、２個のレーザ光１，２に対応する電気信号の各部分を時分割で分析する解析装置２３Ａを備える。
以下、相違点について説明する。
【0044】
レーザ制御装置１４Ａは、所定周波数のクロック信号に同期して、レーザ１１に対する励起電流値を変化させることで、図４に示すように、レーザ光１の強度を、例えばデューティ比５０％（時間期間Ｔ１＝Ｔ２）の矩形パルス形状で変化させる。レーザ１１に対してこのように制御することで、レーザ光１の強度は、時間期間Ｔ１において矩形パルスの最大強度Ｅ１でほぼ一定となり、平坦部Ｌｆ１を有する。
【0045】
また、レーザ制御装置１４Ａは、前記クロック信号を反転して発生された反転クロック信号に同期して、レーザ１２に対する励起電流値を変化させることで、図４に示すように、レーザ光２の強度を、例えばデューティ比５０％（時間期間Ｔ１＝Ｔ２）の矩形パルス形状で変化させる。レーザ１２に対してこのように制御することで、レーザ光２の強度は、時間期間Ｔ２において矩形パルスの最大強度Ｅ２でほぼ一定となり、平坦部Ｌｆ２を有する。
【0046】
すなわち、図４に示すように、レーザ制御装置１４Ａは、レーザ光１とレーザ光２とを交互に繰り返して、実質的に同一の最大強度Ｅ１，Ｅ２（Ｅ１≒Ｅ２）の矩形パルス形状で変化させるようにレーザ１１，１２を制御する。ここで、最大強度Ｅ１，Ｅ２の差から、Ｅ１，Ｅ２の強度を求めることが可能となり、以下のように制御する。
（１）平坦部Ｌｆ１，Ｌｆ２の強度変動はそれぞれ、例えば後述する半導体プロセス装置における水分検出のための高精度化のためには、最大強度Ｅ１，Ｅ２に対して、例えば１０－６のしきい値以下に設定することが好ましい。
（２）Ｅ１，Ｅ２の差が最大強度Ｅ１，Ｅ２に対して、その差が、例えば１０－６のしきい値以下に設定することが好ましい。
（１）平坦部Ｌｆ１，Ｌｆ２の強度変動はそれぞれ、例えば後述する半導体プロセス装置における水分検出のための高精度化のためには、最大強度Ｅ１，Ｅ２に対して、例えば１０－６のしきい値以下に設定することが好ましい。
（２）Ｅ１，Ｅ２の差が最大強度Ｅ１，Ｅ２に対して、その差が、例えば１０－６のしきい値以下に設定することが好ましい。
【0047】
このとき、レーザ光１の波長は、実施形態１と同様に、光強度の立ち上がりから若干遅延して、レーザ１１の温度の上昇につれて、例えば波長λ１から波長λ２までの波長走査範囲Ｌｗ１で時間とともに概ね比例して、単調増加して変化する。すなわち、レーザ制御装置１４Ａは、レーザ１１を制御し、レーザ光１の波長を時間的に変化（走査）させながら、レーザ１１からレーザ光１を出力させることができる。
【0048】
また、レーザ光２の波長は、光強度の立ち上がりから若干遅延して、レーザ１２の温度の上昇につれて、例えば波長λ３から波長λ４までの波長走査範囲Ｌｗ２（Ｌｗ１≒Ｌｗ２であるが、若干異なる場合もある）で時間とともに概ね比例して、単調増加して変化する。すなわち、レーザ制御装置１４Ａは、レーザ１２を制御し、レーザ光２の波長を時間的に変化（走査）させながら、レーザ１１からレーザ光１を出力させることができる。
【0049】
ここで、第１の計測対象ガスの吸収波長を、レーザ光１に係る波長λ１からλ２までの間に設定することで、所定の波長λａ１において光検出器１９からの電気信号Ｓｄの出力電圧のドロップ部分Ｌｄ１が発生する。また、第２の計測対象ガスの吸収波長を、レーザ光２に係る波長λ３からλ４までの間に設定することで、所定の波長λａ２（λａ１≒λａ２であるが、若干異なる場合もある）において光検出器１９からの電気信号Ｓｄの出力電圧のドロップ部分Ｌｄ２が発生する。
【0050】
レーザ１１，１２からの２個のレーザ光１，２は合波器１５により合波された後、その合波光４は、合波光４を平行化して集束させるコリメータ１７を介して計測対象ガスに照射された後、光検出器１９に入力される。光検出器１９は、計測対象ガスを透過したレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じた、交流成分を含むアナログ電気信号Ｓｄに光電変換する。ＡＣアンプ２１は電気信号Ｓｄの交流成分を十分に増幅可能な増幅帯域（特に、レーザ光１の強度が急激に上昇又は下降するので、高次高調波成分を有するため）を有し、光検出器１９からのアナログ電気信号Ｓｄを増幅して、増幅後の電気信号Ｓｄａを解析装置２３に出力する。次いで、解析装置２３は、ＡＣアンプ２１からアナログ電気信号Ｓｄａを入力して内蔵するＡＤ変換器によりＡＤ変換した後、公知の通り、電気信号Ｓｄａの波形（吸収スペクトル）を解析して、計測対象ガスの濃度及び温度を解析する（例えば、非特許文献１及び２参照）。解析装置２３は例えばコンピュータ（情報処理装置）により実現できる。
【0051】
ここで、実施形態２に係る解析装置２３Ａは、レーザ制御装置１４内のクロック信号、もしくは解析装置２３Ａで再生されたクロック信号に基づいて同期して、電気信号Ｓｄａを時分割処理でガス濃度及び温度の分析処理を実行する。すなわち、時間期間Ｔ１では、吸収波長λａ１を有する計測対象ガスに係る分析処理（信号積算を含む）を実行し、時間期間Ｔ２では、吸収波長λａ２を有する計測対象ガスに係る分析処理（信号積算を含む）を実行する。これにより、実質的に同時に、２個の計測対象ガスに対する分析を行うことができる。
【0052】
以上のように構成されたガス分析装置１０Ａにおいて、レーザ１１から出力されるレーザ光１の波長を、例えば推定される吸収波長λａ１を含む波長λ１～λ２の所定の波長帯において走査しながらレーザ光１を計測対象ガスに照射し、また、レーザ１２から出力されるレーザ光２の波長を、例えば推定される吸収波長λａ２を含む波長λ３～λ４の所定の波長帯において走査しながらレーザ光２を計測対象ガスに照射する。その際得られる計測対象ガスの吸収情報を含む電気信号Ｓｄａに係るレーザ光の吸収スペクトルを解析することで、計測対象ガスの濃度や温度の計測を行う。ここで、レーザ光１、２の矩形パルス波の繰り返しにより、各レーザ光１，２の各複数の矩形パルス波に対応して複数回積算した分析を行い、その平均値を計算することで、分析精度を向上させることができる。
【0053】
また、実施形態２のように、互いに異なる最大強度Ｅ１，Ｅ２を有する２個のレーザ光１，２を合波した合波光を対象ガスに照射して吸収スペクトルを得るようにすることで、従来技術に比較して簡単な構成で、高い精度で吸収量の変化を検出することができる。また、所定時間当たりの積算回数を倍増でき、分析精度を従来技術に比較して向上できる。
【0054】
（実施形態２の変形例）
以上の実施形態２では、Ｅ１≒Ｅ２として、概ね同一の吸収波長帯で同一の計測対象ガスについて分析するようにしているが、本発明はこれに限らず、Ｅ１≠Ｅ２として、互いに異なる吸収波長帯で異なる計測対象ガスについて分析するようにしてもよい。この場合、計測対象ガス成分を吸収する波長を含む波長帯のレーザ光に加えて、計測対象ガス成分と異なるガス成分を吸収する波長を含む波長帯のレーザ光を用いることで、複数のガス成分の同時計測も可能となる。ここで、解析装置２３Ａにおいて時間期間Ｔ１，Ｔ２で異なる計測対象ガスについて分析するためには、波長走査範囲Ｌｗ１において１つの計測対象ガスの吸収波長λａ１が存在し、波長走査範囲Ｌｗ２において計測対象ガスの吸収波長λａ２が存在するように、波長走査範囲Ｌｗ１，Ｌｗ２を設定することが好ましい。
以上の実施形態２では、Ｅ１≒Ｅ２として、概ね同一の吸収波長帯で同一の計測対象ガスについて分析するようにしているが、本発明はこれに限らず、Ｅ１≠Ｅ２として、互いに異なる吸収波長帯で異なる計測対象ガスについて分析するようにしてもよい。この場合、計測対象ガス成分を吸収する波長を含む波長帯のレーザ光に加えて、計測対象ガス成分と異なるガス成分を吸収する波長を含む波長帯のレーザ光を用いることで、複数のガス成分の同時計測も可能となる。ここで、解析装置２３Ａにおいて時間期間Ｔ１，Ｔ２で異なる計測対象ガスについて分析するためには、波長走査範囲Ｌｗ１において１つの計測対象ガスの吸収波長λａ１が存在し、波長走査範囲Ｌｗ２において計測対象ガスの吸収波長λａ２が存在するように、波長走査範囲Ｌｗ１，Ｌｗ２を設定することが好ましい。
【0055】
以上の実施形態２では、Ｔ１＝Ｔ２としているが、Ｔ１≠Ｔ２としてもよい。これにより、レーザ光１の波長走査範囲Ｌｗ１と、レーザ光２の波長走査範囲Ｌｗ２とを互いに異ならせてもよい。ただし、実施形態１の変形例で説明したように、波長走査範囲Ｌｗ１，Ｌｗ２の設定については、矩形パルス波のデューティ比を考慮して設定することが好ましい。
【0056】
また、吸収波長λａ１は、波長走査範囲Ｌｗ１の概ね半分の位置に設定することで、出力電圧のドロップ部分Ｌｄ１を波長走査範囲Ｌｗ１の概ね半分の位置に設定できる。吸収波長λａ２は、波長走査範囲Ｌｗ２の概ね半分の位置に設定することで、出力電圧のドロップ部分Ｌｄ２を波長走査範囲Ｌｗ２の概ね半分の位置に設定できる。これにより、波長が不定となる部分にかからないで、高精度で計測対象ガスの分析を行うことができる。
【0057】
【0058】
（１）レーザ光３を発光するレーザ１３をさらに備える。
（２）レーザ制御装置１４Ａに代えて、３個のレーザ１１，１２，１３を制御するレーザ制御装置１４Ｂを備える。
（３）解析装置２３Ａに代えて、３個のレーザ光１，２，３に対応する電気信号の各部分を時分割で分析する解析装置２３Ｂを備える。
（２）レーザ制御装置１４Ａに代えて、３個のレーザ１１，１２，１３を制御するレーザ制御装置１４Ｂを備える。
（３）解析装置２３Ａに代えて、３個のレーザ光１，２，３に対応する電気信号の各部分を時分割で分析する解析装置２３Ｂを備える。
【0059】
以上のように構成することで、レーザ光１、２，３の矩形パルス波を順次重ならないように放射することを繰り返すことにより、各レーザ光１，２，３の各複数の矩形パルス波に対応して複数回積算した分析を行い、その平均値を計算することで、分析精度を向上させることができる。
【0060】
ここで、各レーザ光１，２，３の最大強度Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は互いに同一でもいいし、互いに異なるように設定し、もしくは、少なくとも２個が同一にするように設定してもよい。これにより、波長設定範囲に対応する、吸収波長を含む波長帯を、互いに同一にし、互いに異なるように設定し、もしくは、少なくとも２個が同一にするように設定できる。
【0061】
また、各レーザ光１，２，３の時間期間Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は、互いに同一でもいいし、互いに異なるように設定し、もしくは、少なくとも２個が同一にするように設定してもよい。ただし、時間期間Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３の長さにより、波長走査範囲が変化することは実施形態２と同様であり、実施形態２における設定に係る留意事項も同様である。
【0062】
なお、実施形態３では、３個のレーザ１１，１２，１３を用いて３個のレーザ光１，２，３を合波しているが、本発明はこれに限らず、４個以上のレーザを用いて４個のレーザ光を合波して、例えば４個以上の異なる計測対象ガスについて分析してもよい。
【0063】
＜実施形態１～３の変形例＞
図６は実施形態１～３の変形例に係るレーザ光１の強度を示す波形図である。図６に示すように、レーザ光１等の強度の形状を矩形形状に代えて、台形形状になるようにレーザ１１等を制御してもよい。これは、実施形態１～３とその変形例に広く適用可能である。
図６は実施形態１～３の変形例に係るレーザ光１の強度を示す波形図である。図６に示すように、レーザ光１等の強度の形状を矩形形状に代えて、台形形状になるようにレーザ１１等を制御してもよい。これは、実施形態１～３とその変形例に広く適用可能である。
【0064】
ただし、台形の立ち上がり部Ｌｆａと、立ち下がり部Ｌｆｂとは、波長走査範囲Ｌｗ１をできる限り長くするためには、これらの傾斜を大きくして急激に立ち上げ、もしくは急激に立ち下げることが好ましい。また、台形の立ち上がり部Ｌｆａと、立ち下がり部Ｌｆｂの一方を実質的に９０゜又は－９０゜の角度で構成してもよい。
【0065】
＜実施形態４＞
図１１は実施形態４に係る二次元ガス分析装置１０Ｃの構成例を示すブロック図である。実施形態１～３では、１つのパス（光路）を有し、一次元的に計測対象ガスの状態を測定するガス分析装置１０，１０Ａ，１０Ｂの構成について説明した。実施形態４では、計測対象ガスの濃度や温度を二次元的に計測可能とするため、複数のパスでの測定を可能とする二次元ガス分析装置の構成について説明する。
図１１は実施形態４に係る二次元ガス分析装置１０Ｃの構成例を示すブロック図である。実施形態１～３では、１つのパス（光路）を有し、一次元的に計測対象ガスの状態を測定するガス分析装置１０，１０Ａ，１０Ｂの構成について説明した。実施形態４では、計測対象ガスの濃度や温度を二次元的に計測可能とするため、複数のパスでの測定を可能とする二次元ガス分析装置の構成について説明する。
【0066】
一般的によく知られているＸ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）はＸ線を利用して対象物をスキャンしてその断面内を細分化し、Ｘ線吸収量をその切り分けた要素毎に計測し、未知数と同じ数のＸ線吸収量の情報を集めることで対象物断面を構成する技術である。計測対象ガスに水蒸気や炭酸ガス等の成分が多く含まれている場合、照射された光は固有の吸収スペクトルを持つそれらの化学種を通過するときに、ある波長で一部吸収されて減衰する。吸収法では、計測場を透過する光路の積分値として吸収量が計測される。複数のレーザ光を計測場に照射し、ＣＴ技術を用いて二次元画像を再構成することで、二次元温度分布を計測することができる。
【0067】
（二次元ガス分析装置の構成）
図１１の二次元ガス分析装置１０Ｃは計測対象ガスの濃度や温度を二次元的に計測可能な二次元ガス分析装置であって、２個のレーザ１１，１２と、レーザ制御装置１４Ａと、合波器１５と、ファイバスプリッタ３１と、計測セル３０と、解析装置２３Ｃとを備えて構成される。ここで、ＡＣアンプ２１は解析装置２３Ｃ内に内蔵されているものとする。
図１１の二次元ガス分析装置１０Ｃは計測対象ガスの濃度や温度を二次元的に計測可能な二次元ガス分析装置であって、２個のレーザ１１，１２と、レーザ制御装置１４Ａと、合波器１５と、ファイバスプリッタ３１と、計測セル３０と、解析装置２３Ｃとを備えて構成される。ここで、ＡＣアンプ２１は解析装置２３Ｃ内に内蔵されているものとする。
【0068】
計測セル３０は、開口を有し、略円形状のフレーム３３を有する。フレーム３３に対して、１６個の光路（パス）の透過光強度を計測するため、１６個のコリメータ１７と、各コリメータ１７と対向して設けられた１６個の光検出器１９とが取り付けられている。従って、計測セル３０は、その開口において、一対のコリメータ１７と光検出器１９とがパス（光路）を形成する。すなわち、計測セル３０は１６個のパス（光路）を有する。各パス（光路）は同じ平面に含まれるよう構成されており、この平面内において二次元的な計測が可能となる。なお、以下では、各パス（光路）を含む平面の法線方向を「計測セル３０の法線方向」という。
【0069】
このような構成を有する計測セル３０は計測対象のガスが含まれる計測場に配置され、二次元ガス分析装置１０Ｃは、計測セル３０の開口領域におけるガス成分の測定を行う。
【0070】
レーザ１１は、第１の計測対象ガスの成分が吸収する吸収波長λａ１を含む波長帯のレーザ光１を出力し、レーザ１２は、第１の計測対象ガスの成分が吸収されない特定波長λａ２、又は第１の計測対象ガスの成分とは異なる第２の計測対象ガスの成分が吸収する吸収波長λａ２を含む波長帯のレーザ光２を出力する。また、レーザ１１及びレーザ１２は強度変化の向きが互いに異なるか、もしくは最大強度Ｅ１，Ｅ２が異なるレーザ光１，２を出力する。
【0071】
レーザ１１及びレーザ１２それぞれから出射されたレーザ光１，２は合波器１５に入力されて合波されて合波光は、ファイバスプリッタ３１に入力される。ファイバスプリッタ３１は前記合波光を１６個の分岐光に分岐して１６個のコリメータ１７のそれぞれに入力させる。各分岐光はコリメータ１７を介して計測場に照射される。計測場を透過したレーザ光は各光検出器１９で受光されて電気信号に光電変換された後、解析装置２３に入力される。
【0072】
解析装置２３は、各光検出器１９からの電気信号の信号波形を解析して、ガス成分の濃度及び／又は温度分布を示す二次元画像を再構築する。二次元画像の再構築は既存のＣＴ技術を用いて行うことができる。
【0073】
以上の実施形態４では、パス（光路）の数が１６個の例を説明したが、パス（光路）の数は１６に限定されるものではなく、８、１２等でもよい。
【0074】
以上のように構成された実施形態４に係る二次元ガス分析装置１０Ｃによれば、計測対象ガスの温度や濃度の分布を２次元的に計測することが可能となる。特に、２つのレーザ光の各振幅に差をつけることにより、レーザ光強度が窓の汚れなど、目的とするガス成分の本来の吸収以外の効果により減衰する効果をキャンセルすることができ、ガスの分析精度の低下を防止できる。
【0075】
＜応用例＞
以下、実施形態４に係る二次元ガス分析装置１０Ｃの応用例について説明する。なお、以下の応用例において、実施形態１～４に係るガス分析装置１０～１０Ｂを用いてもよい。
以下、実施形態４に係る二次元ガス分析装置１０Ｃの応用例について説明する。なお、以下の応用例において、実施形態１～４に係るガス分析装置１０～１０Ｂを用いてもよい。
【0076】
【0077】
図１２に示すように、二次元ガス分析装置１０Ｃは、火力発電所等で使用されるボイラ用バーナー１００の燃焼室内の燃焼状態（対象ガスの温度及び濃度）の検出に適用することができる。例えば、図１１の計測セル３０を、ボイラの燃焼室１１０に配置することで、バーナー１００の燃焼室１１０内の燃焼状態を二次元的に把握することが可能となる。さらに、燃焼室１１０に対して、計測セル３０を、その法線方向に複数並べて配置することで、３次元的に燃焼状態を測定することも可能になる。
【0078】
【0079】
図１３に示すように、二次元ガス分析装置１０Ｃは、車両用エンジンの燃焼状態（対象ガスの温度及び濃度）の検出に適用することができる。図１３に示すように、例えば、図１１の計測セル３０を、エンジン２００のシリンダ２１０内に設けることで、シリンダ２１０の内部の燃焼状態を検出することが可能となる。また、シリンダ２１０から排出される排気ガスの流路である排気管２２０に図１１の計測セル３０を設けてもよい。これにより、排気ガスの温度及び濃度を検出することが可能となる。また、シリンダ２１０内又は排気管２２０に対して、図１１の計測セル３０をその法線方向に複数並べて配置して設けることで、３次元的にガスの状態を測定することも可能になる。
【0080】
以上のように構成された応用例２によれば、エンジン２００のシリンダ２１０内又は排気系において各種ガスの温度及び濃度の検出を可能とし、燃焼の過渡現象や未燃燃料排出挙動の解明に有用である。
【0081】
【0082】
図１４に示すように、二次元ガス分析装置１０Ｃは、ジェットエンジンや産業用ガスタービンの燃焼状態（対象ガスの温度及び濃度）の検出に適用することができる。ジェットエンジン３００（又はガスタービン）では、取り込んだ気流はタービン３０３の回転力を原動力とする圧縮機により圧縮され、燃焼器３０１において燃料と混合されて燃焼させられる。燃焼により生じた燃焼ガスはタービン３０３を回転させるとともに、噴射口から外部に排気される。計測セル３０は、例えば、図１３に示すように、ジェットエンジン３００の噴射口３０５付近に設けてもよい。これにより、ジェットエンジン３００の燃焼器３０１内部の燃焼状態を検出することが可能となる。このような技術は、流れ場及び燃料不均一性による振動現象の解明に有用である。また、図１１の計測セル３０を、噴射口３０５付近において、燃焼ガスの排気方向に複数並べて配置してもよく。これにより３次元的に燃焼状態の検出が可能となる。
【0083】
以上のように構成された応用例３によれば、ＣＴ技術とレーザを組み合せたガス分析装置の構成を、二次元又は３次元で温度分布及び濃度分布を計測する手法に適用することで、装置の簡略化と定量化、高感度化を達成しつつ、ボイラ、エンジン、ガスタービンなどの燃焼機器へ応用展開させることが可能となる。
【0084】
【0085】
図１５及び図１６において、半導体プロセス処理は、例えば、ウェハ製造工程（Ｓ１）と、前工程（Ｓ２）と、後工程（Ｓ３）とを含む。ウェハ製造工程（Ｓ１）では、半導体ウェハを製造し、前工程（Ｓ２）では、チャンバー内において、ウェハを載置台に載置し、ウェハ上に所定の半導体膜を、成膜装置を用いて形成する。さらに、後工程（Ｓ３）において、ウェハを切断して、個々の半導体チップを組み立てる。
【0086】
以上の半導体プロセス処理において、特に、前工程（Ｓ２）では、チャンバー内に水分があると純度の高い半導体形成ができないので、それを担保するために、水分検出測定が必要である。実施形態１～４に係るガス分析装置１０～１０Ｃを用いて水分を計測しながら水分を除去することで、実質的に水分がないチャンバー内環境を実現できる。
【0087】
【0088】
図１７において、脱硝装置４００は例えばＮＯｘ等のガスを脱硝する装置であって、排気管４１０にガス分析装置１０を設け、そのＮＨ３の計測値に基づいて、ＮＨ３の注入管４２０における注入バルブ４３０におけるＮＨ３注入量を制御するように構成されている。
【0089】
従来技術に係る化学発光法や双イオン電極法などに代表される間接ＮＯｘ方式のＮＨ３計測計では、ＮＨ３吸着防止のため加熱導管によるサンプルライン設置や複雑な測定系による保守負担が大きく、応答性も遅いという問題点があった。
【0090】
これに対して、図１７におけるＮＨ３測定では、プロセスラインである排気管４１０に直接設置して測定するので、従来技術に比較して応答性及び保守性が大幅に向上させることができる。さらに、応答性の良いＮＨ３濃度の計測信号をＮＨ３注入量制御に活用し、ＮＨ３注入の最適化の実現も可能になる。
【0091】
【0092】
図１８において、排ガス脱硝システム５００は、ボイラ５０１と、エコノマイザ５０２と、脱硝装置５０３と、エアーヒータ５０４と、集塵装置５０５と、排気煙突５０６とを備える。脱硝装置５０３は、集塵設備の集塵率向上と腐食防止を目的として設けられる。図１７において、ＮＨ３の注入点は基本的には脱硝装置５０３であるが、脱硝装置５０３が無いときは、図１８に示すように、エアーヒータ５０４と集塵装置５０５との間に設けられる。ここで、二次元ガス分析装置１０Ｃは例えば５１１，５１２，５１３に設けられる。
【0093】
以上のように構成された応用例６では、ＮＨ３を高精度で計測して排ガス脱硝することができる。特に、二次元ガス分析装置１０Ｃを用いることで、従来技術に比較して、高い成分選択性と、高速応答性、保守性の改善が得られる。
【0094】
（応用例７）
例えば火力発電所において、実施形態に係るガス分析装置１０～１０Ｃを用いることで以下のように構成することができる。
（１）ボイラにおいて、ガス分析装置１０～１０Ｃを用いてガスの分析制御を行うことで、ＮＯｘ、ＣＯ、過剰Ｏ２を低減することができ、これにより、燃焼効率を従来技術に比較して大幅に向上させることができる。
（２）ボイラから排出されるガス処理装置において、従来技術に比較して、脱硝効率を向上させ、アンモニアスリップを低減させ、脱硝用触媒の寿命を長くさせることができる。
例えば火力発電所において、実施形態に係るガス分析装置１０～１０Ｃを用いることで以下のように構成することができる。
（１）ボイラにおいて、ガス分析装置１０～１０Ｃを用いてガスの分析制御を行うことで、ＮＯｘ、ＣＯ、過剰Ｏ２を低減することができ、これにより、燃焼効率を従来技術に比較して大幅に向上させることができる。
（２）ボイラから排出されるガス処理装置において、従来技術に比較して、脱硝効率を向上させ、アンモニアスリップを低減させ、脱硝用触媒の寿命を長くさせることができる。
【0095】
（応用例のまとめ）
以上説明したように、実施形態に係るガス分析装置１０～１０Ｃを用いた応用例によれば、従来技術に比較して、高い成分選択性と、高速応答性、保守性の改善が得られる。ここで、ＮＨ３測定のみならず，最適燃焼制御でのＣＯ，Ｏ２の測定、電解プラント又は半導体プロセスにおける微量水分の測定等、各種産業プロセス用に普及し、単なるモニタリングのみならず、プロセス制御と結びつけて、環境保全、ランニングコスト削減に大きく貢献できる。
以上説明したように、実施形態に係るガス分析装置１０～１０Ｃを用いた応用例によれば、従来技術に比較して、高い成分選択性と、高速応答性、保守性の改善が得られる。ここで、ＮＨ３測定のみならず，最適燃焼制御でのＣＯ，Ｏ２の測定、電解プラント又は半導体プロセスにおける微量水分の測定等、各種産業プロセス用に普及し、単なるモニタリングのみならず、プロセス制御と結びつけて、環境保全、ランニングコスト削減に大きく貢献できる。
【0096】
（追加の実施例）
【実施例1】
【0097】
図１９は、実施形態１に係るガス分析装置１０の実施例１の実験結果であって、対象ガスがＨ２Ｏでチャンバー圧力が１０Ｔｏｒｒ（１．３ｋＰａ）のときの光検出器１９の出力電圧の波形図である。ここで、実施例１に係る適用性試験における仕様条件を以下に示す。
【0098】
――――――――――――――――――――――――――――――――――
水蒸気濃度：０．７％（絶対濃度）
レーザパス長：１００ｍｍ
変調周波数：５０ｋＨｚ
積算回数：６５４回（１３ｍｓ）
レーザ波長：１３９２．５ｎｍ
圧力：１０Ｔｏｒｒ（１．３ｋＰａ）
大気圧換算濃度：９２ｐｐｍ
――――――――――――――――――――――――――――――――――
水蒸気濃度：０．７％（絶対濃度）
レーザパス長：１００ｍｍ
変調周波数：５０ｋＨｚ
積算回数：６５４回（１３ｍｓ）
レーザ波長：１３９２．５ｎｍ
圧力：１０Ｔｏｒｒ（１．３ｋＰａ）
大気圧換算濃度：９２ｐｐｍ
――――――――――――――――――――――――――――――――――
【0099】
図１９の実施例１の試験結果によれば、信号対雑音電力比（Ｓ／Ｎ）は１２９ｄＢであり、大気圧換算濃度として１ｐｐｂが可能となる。図１９から明らかなように、各平坦部でそれぞれドロップ部Ｌｄ１を有するようにレーザ光を発生することができる。
【実施例2】
【0100】
図２０は実施形態２に係るガス分析装置１０Ａの実施例２の実験結果であって、対象ガスがＨ２Ｏでチャンバー圧力が１０Ｔｏｒｒ（１．３ｋＰａ）のときの光検出器１９の出力電圧の波形図である。ここで、実施例２に係る適用性試験における仕様条件を以下に示す。
【0101】
――――――――――――――――――――――――――――――――――
水蒸気濃度：０．７％（絶対濃度）
レーザパス長：１００ｍｍ
変調周波数：５０ｋＨｚ
積算回数：６５４回（１３ｍｓ）
レーザ波長：１３９２．５ｎｍ
圧力：１０Ｔｏｒｒ（１．３ｋＰａ）
大気圧換算濃度：９２ｐｐｍ
――――――――――――――――――――――――――――――――――
水蒸気濃度：０．７％（絶対濃度）
レーザパス長：１００ｍｍ
変調周波数：５０ｋＨｚ
積算回数：６５４回（１３ｍｓ）
レーザ波長：１３９２．５ｎｍ
圧力：１０Ｔｏｒｒ（１．３ｋＰａ）
大気圧換算濃度：９２ｐｐｍ
――――――――――――――――――――――――――――――――――
【0102】
【実施例3】
【0103】
図２１は実施形態２に係るガス分析装置１０Ａの実施例２の実験結果であって、ＡＣ信号としての増幅率を向上させることができることを示す、光検出器１９の出力電圧の波形図である。
【0104】
従来例において、ノコギリ波のレーザ強度を有するレーザ光を用いて計測した場合、ＡＣ信号としての増幅率を上昇させると、ＡＣ信号の上部及び下部において飽和状態が発生してレーザ光の発生が不安定となり、安定動作のために当該増幅率の上限があるという問題点があった。これに対して、実施形態２の試験結果では、各平坦部でドロップ部を有するようにレーザ光を発生することで、ＡＣ信号としての増幅率を大幅に向上させることができ、特に、平坦部において電圧信号の増幅度を大幅に上昇させることができる。それ故、ガス分析能力として、約１００倍の高感度化を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【0105】
以上詳述したように、本発明によれば、レーザ制御手段は、前記レーザ光の強度が、所定の時間期間において少なくとも実質的に平坦な振幅を有する矩形形状又は台形形状で変化し、かつ前記レーザ光の波長が前記時間期間において変化するように、前記レーザ光源を制御する。これにより、ガス分析の検出精度を従来技術に比較して向上できる。
【0106】
また、本発明に係るガス分析装置を用いた応用例によれば、従来技術に比較して、高い成分選択性と、高速応答性、保守性の改善が得られる。特に、半導体プロセスにおいて、本発明のガス分析装置を用いることで、半導体ウェハ上に所定の膜を形成するチャンバー内における水分を従来技術に比較して高精度で検出して、水分除去に寄与でき、産業上で極めて高い効果を奏する。
【0107】
さらに、本発明に係るガス分析装置を用いて、下記の産業上の利用が考えられる。
（１）自動車産業において、排ガス管理、燃焼制御を行うことができる。特に、排ガス計測装置として、自動車メーカの新エンジン開発ツールに活用できる。
（２）各種産業機器において、工程プロセス管理、及び制御を行うことができる。
（３）各種プラントでのプロセスモニタ及び制御を行うことができる。例えば、合成化学プラント，鉄鋼プラント等の生産プロセスで品質管理や制御用に活用でき、原料や製品などのガス中に含まれる特定成分をモニターできる。
（１）自動車産業において、排ガス管理、燃焼制御を行うことができる。特に、排ガス計測装置として、自動車メーカの新エンジン開発ツールに活用できる。
（２）各種産業機器において、工程プロセス管理、及び制御を行うことができる。
（３）各種プラントでのプロセスモニタ及び制御を行うことができる。例えば、合成化学プラント，鉄鋼プラント等の生産プロセスで品質管理や制御用に活用でき、原料や製品などのガス中に含まれる特定成分をモニターできる。
【符号の説明】
【0108】
１，２，３ レーザ光
４ 合波光
１０，１０Ｃ，１０Ｂ ガス分析装置
１０Ｃ 二次元ガス分析装置
１１，１２，１３ レーザ
１４，１４Ａ，１４Ｂ レーザ制御装置
１４ｂ 計測制御装置
１５ 合波器
１７ コリメータ
１９ 光検出器
２１ ＡＣアンプ
２３，３５ 解析装置
３０ 二次元ガス分析装置の計測セル
３１ ファイバスプリッタ
３３ フレーム
４１，４２ 電極
４３ ｐ型クラッド層
４４ 活性層
４５ ｎ型クラッド層
４６ ｎ型基板
５１ 反射面
６０ コントローラ
６１ 波形発生器
６２ 電流電源
１００ バーナー
１１０ 燃焼室
２００ 車両用エンジン
２１０ シリンダ
２２０ 排気管
３００ ジェットエンジン
３０１ 燃焼器
３０３ タービン
３０５ 噴射口
４００ 脱硝装置
４１０ 排気管
４２０ 注入管
４３０ 注入バルブ
５００ 排ガス脱硝システム
５０１ ボイラ
５０２ エコマイザ
５０３ 脱硝装置
５０４ エアーヒータ
５０５ 集塵装置
５０６ 排気煙突
５１１ ガス分析装置
５１２ ガス分析装置
５１３ ガス分析装置
４ 合波光
１０，１０Ｃ，１０Ｂ ガス分析装置
１０Ｃ 二次元ガス分析装置
１１，１２，１３ レーザ
１４，１４Ａ，１４Ｂ レーザ制御装置
１４ｂ 計測制御装置
１５ 合波器
１７ コリメータ
１９ 光検出器
２１ ＡＣアンプ
２３，３５ 解析装置
３０ 二次元ガス分析装置の計測セル
３１ ファイバスプリッタ
３３ フレーム
４１，４２ 電極
４３ ｐ型クラッド層
４４ 活性層
４５ ｎ型クラッド層
４６ ｎ型基板
５１ 反射面
６０ コントローラ
６１ 波形発生器
６２ 電流電源
１００ バーナー
１１０ 燃焼室
２００ 車両用エンジン
２１０ シリンダ
２２０ 排気管
３００ ジェットエンジン
３０１ 燃焼器
３０３ タービン
３０５ 噴射口
４００ 脱硝装置
４１０ 排気管
４２０ 注入管
４３０ 注入バルブ
５００ 排ガス脱硝システム
５０１ ボイラ
５０２ エコマイザ
５０３ 脱硝装置
５０４ エアーヒータ
５０５ 集塵装置
５０６ 排気煙突
５１１ ガス分析装置
５１２ ガス分析装置
５１３ ガス分析装置
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】