ガスセンシング
光による精密な検出
レーザーベースのガスセンシングは私たちの環境や産業プロセスにおけるガスの検知と定量化の方法に革命をもたらしました。レーザー光とガス特有の吸収特性（分子指紋と呼ばれる）との相互作用を利用することで、この技術は従来の化学センサーや電気化学センサーをはるかに凌駕する高感度、選択性、リアルタイム測定を実現します。
すべてのガス分子は固有の光学指紋を持ち、分子内部の回転-振動エネルギー状態間の遷移に対応する特定の波長の光を吸収します。レーザーをこれらの吸収線のいずれかに調整することで、微量濃度のガスであっても非常に高い精度で検知できます。この技術は非接触でキャリブレーション不要であり、1兆分の1（ppt）レベルからパーセントレベルまでのダイナミックレンジを提供します。
”指紋領域”を理解する
ガス分析に関連する電磁スペクトルは紫外線（UV）からテラヘルツ（THz）領域までを網羅し、それぞれの領域で異なる分子情報が得られます。
- UV/可視領域（200～800 nm）：電子遷移に敏感です。オゾン（O₃）、二酸化窒素（NO₂）、二酸化硫黄（SO₂）などのガス分析に有効です。
- 近赤外線（NIR、0.8～2.5 µm）：分子振動の倍音と結合帯域をカバーし、メタン（CH₄）、二酸化炭素（CO₂）、水蒸気（H₂O）などの現場長距離分析に最適です。
- 中赤外線（MIR、2.5～12 µm）：分子指紋領域として知られ、基本的な振動遷移が発生する領域です。この領域では吸収が最も強く、最も特異的であるため炭化水素、一酸化炭素（CO）、一酸化窒素（NO）、アンモニア（NH₃）、そして多くの揮発性有機化合物（VOC）の検出に最適です。
- テラヘルツ（THz、0.1～10 THz）：低エネルギーの回転遷移とねじれ遷移を捉えることができます。THz分光法は複雑な分子や大きな分子、そして可視光や近赤外光が透過しない黒煙を通してガスを検出する場合に特に有効です。「THzガス分析」も参照してください。
アプリケーションスペシャリストはこれらの領域で分子スペクトルを読み取ることで、濃度や圧力から温度や分子組成に至るまで、豊富な物理的・化学的情報を得ることができます。
レーザーガスセンシングの技術的な核心
- 波長可変ダイオードレーザー吸収分光法 (TDLAS)
狭線幅波長可変レーザーがガスの特定の吸収特性を走査します。得られた吸収プロファイルから、ガス濃度を正確に定量化できます。
・感度：ppb～ppm
・応答時間：1秒未満
・一般的なレーザー：DFBダイオードレーザー または広帯域波長可変ダイオードレーザー（1.55 µm (CH₄、CO₂)、2.3 µm (CO)、1.5 µm (H₂O)） - 波長変調分光法 (WMS)
レーザー波長を高周波で変調し、高調波を検出することでTDLASの原理を強化し、ノイズを抑制し、信号対雑音比を向上させます。 - 共振器増強吸収・リングダウン分光法（CEAS/CRDS）
光は高反射率ミラーの間に閉じ込められ、光路長は数キロメートルにまで延長されます。減衰時間（リングダウン）からガスの吸収係数が明らかになり、pptレベルまでの超高感度を実現します。 - 光音響分光法（PAS）
吸収されたレーザーエネルギーを音響信号に変換します。コンパクトで高感度なこの技術は、医療用呼気センシングなどの限られた環境における多種多様な分析に用いられます。 - テラヘルツ分光法
テラヘルツ波は非導電性材料を透過し、分子の回転スペクトルにアクセスします。これにより、ガスや複雑な混合物のラベルフリー、非破壊識別が可能になり、巨大な生体分子や爆発物の検出におけるIR分析を補完します。
レーザー光源と波長のセレクション
| スペクトル領域 | レーザー種別 | 典型的な対象ガス | 波長の例 |
|---|---|---|---|
| UV / VIS | 半導体 & 第二高調波レーザー | O₃, NO₂, SO₂ | 250–450 nm |
| NIR (0.8–2.5 µm) | DFB / 広帯域波長可変レーザー/ ファイバーレーザー | CH₄, CO₂, H₂O | 1.65 µm, 2.0 µm |
| MIR (2.5–12 µm) | OPOs, 広帯域フェムト秒レーザー | CO, NO, NH₃, SO₂, VOCs | 4.5 µm, 6.2 µm, 9.3 µm |
| THz (0.1–3 THz) | DFBレーザー + フォトミキサー | 複合有機物、爆発物 | 0.3–2 THz |
従来のセンサーと比較したパフォーマンス比較
| パラメータ | レーザーベースセンシング | 市販品化学センサー |
|---|---|---|
| 測定感度 | ppb から ppt | ppm から パーセント |
| 分解能 | 高 (分子の特定ラインを感知可能) | 限定的 (交差感受性) |
| 応答時間 | ミリ秒 から 秒 | 秒 から 数分 |
| ダイナミックレンジ | 6～8桁オーダ | 2～3桁オーダ(典型値) |
| 校正の必要性 | 多くの場合、キャリブレーションは不要（例：CRDS） | 定期的な再校正が必要 |
| 寿命 / 耐久性 | 数年以上 (半導体およびファイバーレーザー) | 短(化学的な劣化を伴う) |
測定速度、精度、安定性の組み合わせによりレーザーベースの分光法は、精度が重要となる科学向けおよび産業向け環境測定に最適な方法となっています。
実生活での応用
レーザーベースのガスセンシングは、既に複数の業界に変革をもたらしています。
- 環境モニタリング：温室効果ガス追跡のための1.65µmおよび2.0µmでのCH₄およびCO₂検出。
- 産業プロセス制御：4.6µm付近のレーザーによるCOおよびNO検出。
- 自動車・航空宇宙：排ガス分析および燃焼制御。
- 医療診断：アセトン（糖尿病）、一酸化窒素（喘息）、アンモニア（肝機能）などのバイオマーカーの呼気分析。
- 安全・漏洩検知：製油所および鉱業におけるCH₄、H₂S、およびCOモニタリング。
Conclusion
レーザーベースのガスセンシングは分光法の精度と現代のフォトニクスの実用性を融合させた画期的な技術手法です。紫外線からテラヘルツ領域までの波長をカバーし、環境や産業システムの構成に関する分子レベルの知見を提供します。大気の保全、エネルギープロセスの最適化、医療診断の進歩など、レーザーは目に見えないものを明らかにする光を提供します。