微粒成分測量方法以及微粒成分測量裝置的製作方法

2023-06-21 05:09:56 1

專利名稱：微粒成分測量方法以及微粒成分測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及例如納米粒或微米粒等微粒成分的測量方法以及成分測量裝置。 更加詳細地，本發明涉及利用超短脈衝雷射產生等離子體，通過測量該等離子體的 發光的光譜，測量微粒成分的微粒成分測量方法以及微粒成分測量裝置。
背景技術：
一直以來，作為納米粒或微米粒等原位(in—situ)時的成分測量，採用脈衝寬 度在納秒(ns)領域的納秒雷射的雷射誘導擊穿光譜(LIBS)(非專利文獻l)。另外，最 近提出了通過將超短脈衝雷射照射在對象物質上，觀察在物質內自然聚光的結果所 產生的等離子體的光譜，由此測量直徑數ym以上的粒子成分的方法(非專利文獻 2， 3)。另外，報導過利用基於超短脈衝雷射的多光子吸收，在50m外的距離處測 量生物微粒成分的結果(非專利文獻4， 5)。非專利文獻l:若松他、"基於等離子體原子發光分析的微粒的粒徑*組成的 同時測量C7。，X々原子発光分析^J; )微粒子(D粒徑'組成同時計測)"、J.Aerosol Res./Vo1.19, pp.28誦33， 2004.非專利文獻2: C.Favre et al.，"白色光納米源與定向發射(White-light Nano source with Directional Emission)",Phys. Rev. Lett, pp. 035002-035005, 2002.非專利文獻3: S.Borrma皿et al.，"多雲的下午的雷射作用(Lasing on cloud y afternoon)",Nature，Vol.418,pp. 826-827, 200.非專利文獻4: J.kasparian et al.,"用於大氣分析的白色光束(White-light filame nts for atmospheric analysis)", Sceince, Vol.301， pp. 61-64, 2003.非專利文獻5:G.Mejean et al.，"利用毫微微伏太瓦雷射雷達系統的對生物微粒 的遠距離測量以及檢測(Remote detection and identification of biological aerosols using a femtosecond terawatt lidar system)", Appl. Phys. B, Vol.B78, pp. 535-53 7, 2004.發明的揭示但是，在利用納秒雷射的LIBS中，由於雷射的脈衝寬度寬，因此在雷射脈衝 的波頭部分就生成了等離子體，雷射能量不能有效地被測定對象物質吸收，因此存 在發光較弱的問題。另外，將超短脈衝雷射照射在對象物質上，且觀察在物質內自 然聚光的結果所產生的等離子體的光譜的方法可適用於粒徑為微米(iim)以上大小 的粒子，但粒徑為納米(nm)以下的粒子時，光不能夠在粒子內有效地進行自然聚光， 因此存在適用困難的問題。還有，利用多光子吸收的方法需要在原子或分子的吸收 光譜中調諧雷射波長，為此，存在難以同時測量多個成分的問題。本發明的目的在於提供可以使雷射的能量有效地被測定對象物質吸收的同 時，可以良好地適用於納米數量級的粒徑的微粒，且能夠同時測量多個成分的微粒 成分測量方法以及微粒成分測量裝置。為了達到上述目的，本發明的微粒成分測量方法通過將超短脈衝雷射向微粒 照射而產生等離子體，基於發自該等離子體的光的光譜測量微粒的成分。不同物質 的發自等離子體的光的光譜不相同，因此可以基於該發光光譜鑑定微粒的成分。在這裡，較好是超短脈衝雷射包含通過其照射產生的光絲。光絲通過超短脈 衝激光的照射生成，通過向微粒照射而產生等離子體。另外，在本發明的微粒成分測量方法中，光絲的生成較好是將超短脈衝雷射 照射在具有局部的凸部或凹部的反射鏡上，基於局部的凸部或凹部反射的光束截面的任意部位形成強度光斑，從而作為光絲的產生起點，在雷射的傳播過程中生成光 絲。照射在具有局部的凸部或凹部的反射鏡上的超短脈衝雷射，反射時由反射鏡表 面的局部的凸部或凹部引起的局部空間調製被賦予光束的波面，以此成為起點(種) 在光束的傳播過程中形成光絲。該光絲基於反射鏡表面的局部的凸部或凹部的存在 而穩定地生成，因此通過在任意的位置上形成局部的凸部或凹部，從而可以在光束 截面的任意的位置上充分地連續形成。另外，在本發明的微粒成分的測量方法中，光絲的生成較好是在反射鏡的局 部的凸部或凹部的周圍設置與局部的凸部或凹部相比為大面積的凹部，基於大面積 的凹部，將反射在光絲周圍的超短脈衝雷射的能量或周圍的強度光斑集聚在成為產 生光絲的起點的強度光斑的周圍。這時，預先將基於局部的凸部或凹部形成的強度 光斑的生成位置和基於大面積的凹部引起的超短脈衝雷射的能量或周圍的強度光 斑的聚集位置相互關聯，能夠確保進一步加強光束截面的任意位置的強度光斑的電 場強度。另外，在本發明的微粒成分的測量方法中，光絲的生成較好是將超短脈衝激 光照射在具有局部的凸部或凹部的反射鏡上，基於局部的凸部或凹部反射的光束截 面的任意部位形成強度光斑，從而作為形成產生光絲的起點的同時，將超短脈衝激 光也照射於在光束截面的相應於局部的凸部或凹部的周圍的位置，具有與局部的凸 部或凹部相比為大面積的凹部的反射鏡上，基於大面積的凹部將反射的超短脈衝激 光的能量或周邊的強度光斑聚集在作為產生光絲的起點的強度光斑的周圍。這時， 可以與基於局部的凸部或凹部反射的光束截面的任意位置上充分地形成的強度光 斑相獨立地，對基於大面積的凹部產生的超短脈衝雷射的能量或周圍的強度光斑的 聚集進行控制。另外，在本發明的微粒成分的測量方法中，作為用於聚光超短脈衝雷射的反 射鏡，較好是使用發射面可任意變形的的可變鏡。這時，如果改變反射鏡的反射面 的形狀，則局部的凸部或凹部或者大面積的凹部的位置等發生變化，從而可以控制 光絲的產生的位置。另外，本發明的微粒成分測量方法較好是通過在發光光譜的測量時，實施時 間的遲延而減少白色光光譜的強度。這時，通過發光光譜的測量時實施時間的延遲， 從而可以測量白色光的傳播過後的發光光譜。另外，本發明的微粒成分的測量方法較好是將發自等離子體的光用受光望遠 鏡聚光。這時，可以對微粒成分從遠距離進行測量。還有，本發明的微粒成分的測量裝置具備輸出超短脈衝雷射的雷射裝置、將 超短脈衝雷射聚光且向微粒照射的聚光裝置、接受基於超短脈衝雷射的聚光而產生 自微粒的等離子體的發光的受光裝置以及基於等離子體的發光的光譜鑑定微粒成 分的光譜分析裝置。在這裡，聚光裝置為將超短脈衝雷射向微粒聚光的裝置，但較 好是在聚光過程中通過在超短脈衝雷射的中形成強度光斑而生成光絲的裝置。另外，在本發明的微粒成分的測量裝置中，聚光裝置較好是包含具有局部的 凸部或凹部的反射鏡，將超短脈衝雷射照射在反射鏡上，基於局部的凸部或凹部反 射的光束截面的任意部位上形成強度光斑，從而作為產生光絲的起點的裝置。另外，本發明的微粒成分的測量裝置中，較好是在聚光裝置的反射鏡的局部 的凸部或凹部的周圍再設置與局部的凸部或凹部相比為大面積的凹部，基於大面積 的凹部將反射在光絲周圍的超短脈衝雷射的能量或周圍的強度光斑集中在成為產 生光絲的起點的強度光斑的周圍。另外，本發明的微粒成分的測量裝置中，較好是聚光裝置具備配置在超短脈衝雷射的聚光路徑上且連續地反射超短脈衝雷射的第1反射鏡和第2反射鏡，第1 反射鏡的反射面上具有局部的凸部或凹部，並且在第2反射鏡具有在光束截面的相 應於局部的凸部或凹部周圍的位置形成與第1反射鏡的局部的凸部或凹部相比為 大面積的凹部的反射面，在由第1反射鏡反射的光束截面的任意部位形成強度光斑 的同時，將由第2反射鏡反射的超短脈衝雷射的能量或周圍的強度光斑聚集在成為 產生光絲的起點的強度光斑的周圍。另外，本發明的微粒成分的測量裝置中，較好是聚光裝置的反射鏡為反射面 可任意變形的鏡。另外，本發明的微粒成分的測量裝置中，較好是受光裝置通過在發光光譜的 測量時實施時間的延遲，從而減少白色光光譜的強度的裝置。還有，本發明的微粒成分的測量裝置中，較好是受光裝置具備聚光發自微粒 的等離子體的光的受光望遠鏡。如果採用本發明的微粒成分測量方法以及裝置，則使超短脈衝雷射聚光在作 為對象物質的微粒而生成等離子體，通過觀察該等離子體的發光光譜，從而測量作 為對象物質的微粒的光譜，因此，由於不利用微粒內的自然聚光，則也可以測量納 米領域的粒徑的微粒。另外，可以同時測定多個物質的光譜，因此可以同時測定多 個物質的成分。還有，由於使用毫微微秒領域的超短脈衝雷射，因此在等離子體成 長之前雷射脈衝的照射就終止。為此，能夠使雷射能量有效地被對象物質吸收，可 以提高測定對象物質的發光效率。另外，在本發明的微粒成分的測量方法以及裝置中，在使用基於使超短脈衝 雷射傳播在大氣中、液體中、固體中而產生光絲的情況下，等離子體的發光在雷射 的推進方向被積分，因此可以充分地提高等離子體發光強度。因此，通過例如將光 纖或受光望遠鏡設置在雷射的後方，從而在原位測量以及遠距離測量時，可以有效 地測量微粒成分。還有，光絲為以被細長地限定的狀態直接傳播的雷射，通過使用 超短脈衝雷射可以生成更長的光絲，因此在光絲中通常生成等離子體，且形成等離 子體通道。由此，可以提高測定對象物質的發光效率。另外，本發明的微粒成分的測量方法以及裝置中，作為控制基於超短脈衝激 光的傳播的光絲的生成的方法，使用具有局部的凸部或凹部的反射鏡時，可以在預 先設計的任意的位置上生成光絲。通常，光絲根據雷射中的強度分布，在時間以及 空間上偶然生成，在雷射傳播中難以控制光絲的生成位置或時間。但是，在本發明 中通過使用具有局部的凸部或凹部的反射鏡，在雷射反射時將與鏡表面的局部的凸部或凹部對應的局部的空間變調賦予光束的波面，以此為起點(種)在光束的傳播過 程中形成光絲，因此能夠實時且簡單地對光絲的生成位置以及強度進行控制，可以 提高用光絲的微粒成分測量的效率。另外，通常如果光絲未傳播一定程度的距離， 則不能生成，但通過利用本發明，可以以較小的傳播距離生成光絲，因此特別是在 原位測量時有效。還有，在本發明的微粒成分測量方法以及裝置中，作為生成光絲且控制的方 法，使用在局部的凸部或凹部的基礎上，增加了與局部的凸部或凹部相比為大面積 的凹部的反射鏡時，可以在任意的位置上集中雷射強度，因此在基於局部的凸部或 凹部反射的光束截面的任意位置上形成的強度光斑的周圍，聚集基於大面積的凹部 反射的超短脈衝雷射的能量或周圍的強度光斑，從而可以進一步加強任意位置的強 度光斑的電場強度，更加能夠確保在光束的傳播時的光絲的生成。所述效果，在局 部的凸部或凹部和大面積的凹部通過各自不同反射鏡的反射來實現時也相同。並且，本發明的微粒成分測量方法以及裝置中，作為反射鏡使用可變形鏡時， 可以通過改變反射面的形狀來實時地改變光束截面上的光絲的產生位置，因此基於 氣象條件的變化等光絲的生成條件變化的情況下，也可以在最適宜的位置上生成光 絲。另外，本發明的微粒成分的測量方法以及裝置中，發光光譜的測量施加時時間的延遲時，可以在白色光傳播後測量發光光譜，因此可以減少白色光的幹擾(N)， 提高目標信號(S)的測定對象物質光譜的S/N比。另外，本發明的微粒成分測量方法以及裝置中，用受光望遠鏡聚光發光時， 可以進行遠距離測量。附圖的簡單說明

圖1是表示本發明的第1實施方式中進行大氣中微量氣溶膠成分的遠距離測量的狀態的示意圖。圖2是表示表面形狀可變鏡的一例的概略說明圖。圖3是圖2的表面形狀可變鏡的可變形鏡的主視圖(反射面)。圖4是表示鏡的反射面的局部的凸部和大面積的凹部之間的關係的原理圖。圖5是表示超短脈衝雷射的反射前後的波面的變化的說明圖，(A)表示入射的光束波面，(B D)表示通過具有局部的凸部的反射面反射的光束波面隨著時間的變化。圖6是表示實施本發明的光絲形成方法的例子的原理圖，(A)表示用一塊鏡實 現局部的凸部或大面積的凹部的例，(B)表示通過組合兩塊反射鏡來實現局部的凸 部和大面積的凹部的例子。圖7是表示厚度為6mm的可變形鏡的表面形狀的說明圖。 圖8是表示厚度為3mm的可變形鏡的表面形狀的說明圖。 圖9是表示在實施方式中將可變形鏡通過調節器朝鏡表面方向推壓而發生隆起變形時的表面形狀的說明圖。圖10是表示在實施方式中將可變形鏡通過調節器朝鏡背面方向拉伸而發生坑窪變形時的表面形狀的說明圖。圖11是表示近距離的光束截面強度的說明圖。 圖12是表示遠距離的光束截面強度的說明圖。圖13是表示實施方式中將可變形鏡通過調節器拉伸鏡中心部而發生坑窪變形 時的光束截面強度的說明圖。圖14是表示實施方式中將可變形鏡通過調節器拉伸鏡周邊部而發生坑窪變形 時的光束截面強度的說明圖。圖15是表示本發明的第2實施方式的進行雲的成分的遠距離測量的狀態的概 略結構圖。圖16是表示本發明的第3實施方式的進行大氣中微粒的原位測量的狀態的概 略結構圖。圖17是組合兩塊反射鏡來實現局部的凸部和大面積的凹部的例子的原理圖。 圖18是表示海鹽微粒成分的原位測量的試驗體系的概略結構圖。 圖19是表示產生光絲的雷射束截面的圖。 圖20是表示多條光絲的傳播狀態的參考圖。圖21是向海鹽微粒照射光絲時產生Na的光譜示意圖，(a)是ICCD相機的選通定時的，改變距雷射的延遲時間時發光光譜的變化示意圖，(b)是溶解食鹽的酒精燈的發光光譜的示意圖。圖22是表示海鹽微粒成分的遠距離測量試驗體系的概略結構圖。圖23是用光絲的海鹽微粒中Na的發光光譜的遠距離測量結果示意圖，(a)是海鹽微粒中Na的發光光譜的示意圖，(b)是溶解食鹽的酒精燈的發光光譜的示意圖。符號說明2可變形鏡(反射鏡) 9局部的凸部 10大面積的凹部14光絲15超短脈衝雷射 19受光望遠鏡實施發明的最佳方式以下，根據將本發明的構成示於附圖的最佳方式進行詳細地說明。圖1表示將本發明應用於採用雷射雷達法遠距離測量大氣中的微量氣溶膠的 成分的微粒成分測量方法以及裝置的第1實施方式。該微粒成分的測量裝置是通過 將從雷射裝置16輸出的超短脈衝雷射15照射在大氣中而產生光絲14，該光絲14 向納米粒或微米粒等測量對象的微粒中照射從而產生等離子體，基於該等離子體的 發光光譜測量微粒成分的裝置。還有，聚光裝置由將超短脈衝雷射15聚光且照射 在微粒上的凹面鏡17以及表面形狀可變鏡18構成。另外，接受基於超短脈衝雷射 15的聚光而產生自微粒的等離子體的發光的受光裝置由受光望遠鏡19、副鏡21、 光纖束20、分光器22以及ICCD相機23構成。還有，通過等離子體的發光光譜 鑑定微粒成分的光譜分析裝置是，預先將作為測量對象的包含微粒的各種物質所具 有的固有的光譜相關的信息資料庫化而保存在存儲單元中，通過比較用受光裝置測 量的光譜和已知的光譜數據來鑑定物質的裝置，由微型計算機24構成。測量對象的微粒中包含粒徑為nm數量級的粒子和ix m數量級的微米粒之外， 還包含nm以下的微粒、um以上的微粒。另外，超短脈衝雷射15是脈衝寬度在 微微秒(ps)範圍以下的雷射，可以通過例如摻鈦藍寶石(於夕y甘77一7)雷射裝 置、玻璃雷射裝置、光纖雷射裝置等進行照射。輸出自雷射裝置16的超短脈衝雷射15由凹面鏡17以及表面形狀可變鏡18 反射，照射在大氣中。照射了的超短脈衝雷射15緩慢地聚光的同時生成光絲14。 被光絲14照射的大氣中的氣溶膠被等離子體化，包含該等離子體的發光的來自光 絲14的發光通過以與超短脈衝雷射15非同軸的狀態設置的受光望遠鏡19聚光， 入射在光纖束20中。在本實施方式中，使受光望遠鏡19的反射光通過副鏡21反 射，從而使其入射在光纖束20中。輸出自光纖束20的光入射在分光器22內且被分光後，通過ICCD相機23受光，基於其光譜鑑定大氣中的氣溶膠的成分。即，通過將觀測到的發自等離子體的 發光光譜與各種物質具有的固有的光譜進行對照，從而可以鑑定大氣中氣溶膠的成 分。光譜的對照例如通過使用存儲著各種物質具有的固有的光譜相關信息的微型計 算機24來進行。在本實施方式中，通過將受光望遠鏡19與雷射非同軸地設置，且調整ICCD 相機23的選通定時(Gate Timing),從而減小產生自光絲14的白色光給上述發光光 譜的測量帶來的影響。即，如果超短脈衝雷射15和受光望遠鏡19同軸地設置，則 使ICCD相機23的選通定時變慢，即使是在白色光傳播後設定，也會接收到一次 產生的白色光傳播後的反散射光，因此難以消除白色光的影響。對此，如果如圖l 所示的將超短脈衝雷射15和受光望遠鏡19非同軸地設置，則一次產生的白色光隨 著傳播脫離自受光望遠鏡19的視野33，因此通過將ICCD相機23的選通定時設 定在白色光傳播後(時間延遲)，從而可以除去白色光的影響觀測大氣中氣溶膠的發 光光譜。如所述，在測定對象物質的發光光譜測量中實施時間延遲，從而可以減少 白色光光譜的強度，提高測定對象物質光譜的S/N比。另外，如圖1所示，通過改變表面形狀可變鏡18的角度，可改變超短脈衝激 光15的傳播方向。由此，可以改變進入受光望遠鏡19的視野33內的光絲14與受 光望遠鏡19之間的距離，因此可以改變對象物質的測量距離。圖1的實施方式能 夠適用於大氣中的石棉(7》《》卜)或生物武器等遠距離測量。另外，在本發明實施方式中產生光絲14的位置通過調整凹面經鏡17的焦距 和表面形狀可變鏡18的反射面的形狀來進行控制。基於凹面鏡17的焦距的控制是 作為輔助手段來使用，通過凹面鏡17的焦距大致決定光絲14的產生位置。通過改 變表面形狀可變鏡18的反射面的形狀，微調光絲14的產生位置。換句話來說，凹 面鏡17用於決定光絲14的產生位置的粗調，表面形狀可變鏡18用於微調、例如， 如原位測量為了在非常短的傳播距離內產生光絲14，需要使用短焦距的凹面鏡17。 相反地，如雷射雷達測量,光絲14的開始產生可以在超短脈衝雷射15傳播一定程 度的長距離後開始，相對與此，需要長光絲14時，使用長焦距的凹面鏡17或不使 用凹面鏡17而僅使用表面形狀可變鏡17。表面形狀可變鏡18通常使用平面鏡， 控制雷射束截面上的位相分布。通過改變表面形狀可變鏡18的反射面形狀，其焦 距多少也會有一些變化，但在粗調光絲14產生的位置的情況下，需要使其改變大 時較好是並用凹面鏡17。還有，如果通過將凹面鏡17作為可變形鏡使其反射面的 形狀改變從而能夠微調光絲14產生的位置，則可以省去表面形狀可變鏡18。但是，難以精確地控制凹面鏡17的反射面形狀的變化，因此並用凹面鏡17和表面形狀可 變鏡18較實用。另外本實施方式中，通過改變表面形狀可變鏡18的角度來改變超短脈衝雷射 15的傳播方向，但是也可以將被表面形狀可變鏡18反射的雷射通過未示於圖1的 全反射鏡反射而照射在大氣中，通過改變該全反射鏡的角度，來改變超短脈衝雷射 15的傳播方向。這時， 一般的全反射鏡與表面形狀可變鏡相比構造簡單，因此容 易改變角度，為此存在容易控制超短脈衝雷射的傳播方向的優點。在這裡，對於表面形狀可變鏡18的反射面形狀的變化和光絲14的產生具體 地進行說明。將表面形狀可變鏡18示於圖2以及圖3。表面形狀可變鏡18使用具 備可獨立控制的多個調節器的可變形鏡，具有反射面可任意變形的反射鏡(在本說 明書中稱為可變形鏡)2和連接在該可變形鏡2的背面且對可變形鏡2賦予變位的 調節器8，通過調節器8的驅動能夠使可變形鏡2大幅度地變形。在這裡，作為可變形鏡2採用通過可獨立控制的多個調節器8的驅動使反射 面能夠任意變形的薄型平面鏡。在本實施方式中的該鏡是具有通過調節器8的驅動 可以容易地形成所需的大面積的凹部的韌剛性的鏡，例如橫寬大小為100X 100(mm) 左右的正方形的鏡子中較好是使用厚度為3mm左右的薄型平面鏡。反射鏡2的背面連接在調節器8上，通過調節器8支持在架子上。在本實施 方式中，在可變形鏡2的整個內表面上，13個調節器8以幾乎均等的間隔配置在 縱橫以及對角線上，但對該個數無特別限制。調節器8包含固定在可變形鏡2背面的支杆3，該支杆3相對於該調節器8 的可動部分(在本實施方式的支杆夾具4)可分離地連接。例如，調節器8通過在固 定在驅動元件6的前端的支杆夾具4的至少固定支杆3的端部設置嵌入支杆3的孔， 以嵌入支杆3後端的狀態用螺釘5卡緊支杆3，從而可裝卸地進行固定。在本實施 方式中，通過由螺合於支杆夾具4的螺釘孔的螺釘5的前端壓住支杆3的外周面， 從而利用摩擦力固定支杆3，但是也可以根據情況用軸銷等可裝卸地進行連接。通 過形成3可簡單地裝卸支杆的結構，在可變形鏡2的反射特性變差等情況，即需要 更換可變形鏡2時，通過擰開螺釘5從支杆夾具4卸下支杆3，從而可以只更換不 良的可變形鏡2(包含粘接在內表面的支杆3)。即，可以直接地再利用支杆夾具4、 調節器8以及支撐架1，因此是經濟的。在本實施方式中，調節器8和可變形鏡2的連接是通過使用環氧樹脂類粘結 劑7連接支杆3的前端和可變形鏡2的背面來實施。這時，對厚度為3mm的薄型可變形鏡2，粘結劑7固化時產生的應力變化的影響容易顯現在鏡表面，粘結了調 節器8的部分的可變形鏡的表面(反射面)稍微隆起。例如在用環氧樹脂類粘結劑7粘結支杆3的本實施方式的情況下，形成了 0.4um的凸部9。在這裡，如果基於 粘結劑的硬化或固化形成的凸部或凹部為局部，則對超短脈衝雷射反射時產生的光 束的波面帶來局部的空間調製，足以成為用作形成光絲的起點。另外，如果是利用 粘結劑7使其產生的高度0.4 ix m左右的隆起或坑窪，則也可以蒸鍍形成可變形鏡 2的鏡面而製造時，預先在蒸鍍面前方設置帶孔掩模，在蒸鍍工序時，通過局部地 調控鏡面蒸鍍的膜厚，從而局部地形成凸部或凹部。在這裡，可變形鏡2的厚度為具有可形成大面積的凹部程度的撓性的厚度， 有時也會不通過用粘結劑7直接粘結而形成凸部9或凹部。例如，圖8表示厚度為 3mm的可變形鏡2的表面形狀。這時，產生點狀的局部的隆起(凸部)或坑窪(凹部)。 其它，在圖7表示厚度為6mm的可變形鏡2的表面形狀。這時，與圖8的鏡不相 同，未產生點狀的局部的隆起(凸部)或坑窪(凹部)。這可以認為由於可變形鏡過厚， 因此不會由粘結劑硬化時或固化時的收縮或應力而產生局部的隆起或坑窪。由此， 通過支杆3的粘結在鏡表面形成局部的凸部或凹部時，較好是使用厚度為2 3mm 左右的鏡。當然，如果是不依靠可變形鏡2的內表面和調節器8通過粘結劑7的直 接結合形成局部的凸部或凹部，例如是通過蒸鍍膜的控制等來形成凸部或凹部，則 具有通過調節器8的驅動可以形成大面積的形成凹部10程度的撓性的厚度就可以 實施。另外，作為驅動元件6使用壓電元件(PZT:Pb —Zr — Ti)或電致伸縮元件 (PMN:Pb —Mg—Nb)等，能使可變形鏡微小變位的驅動源。使用電致伸縮元件等驅 動元件時，通過改變施加電壓的大小或方向，從而可以容易地控制驅動元件的變位 方向以及變位量，因此優選使用，但不局限於這些。驅動元件6固定在相對於支撐 架1的基座垂直配置的壁la上，且支持作為可動部的支杆夾具4通過具有貫穿孔 的壁la向前後方向(圖2的左右方向)可進退。可變形鏡2通過適當控制相互平行 地配置的多個調節器8的驅動，即通過組合向前方推進支杆3的調節器8和向後方 拉回支杆3的調節器8、或使支杆3不驅動的調節器8，從而可以在可變形鏡2上 所需的領域中形成大面積的凹部10。將超短脈衝雷射15入射在如上所述構成的表面形狀可變形鏡18上，將其反 射光傳播在大氣中時，生成光絲的過程在下面進行說明。還有，為了簡單地進行說 明，通過對一個邊的大小為100mm的鏡使超短脈衝雷射15的直徑為50V^mm,藉此對13個調節器中的中心附近的5個(符號E、 J、 K、 L、 M)作為主要的研究對象。首先，對於僅使用反射面具有局部的凸部或凹部的反射鏡來形成光絲的方法 進行說明。將產生如圖8所示的點狀的局部隆起(凸部)或坑窪(凹部)的可變形鏡2 介裝在超短脈衝雷射15的光線路徑上，即使是在波面平整的超短脈衝雷射15中(參 考圖5(A))，反射光束中對應於鏡表面的局部的凸部或凹部的局部的空間變調賦予 在光束的波面上(參考圖5(B))，反射光束13的傳播過程中賦予在前述的反射光束 13的波面上的局部的空間變調更加顯著(圖5(C、 D))，以此為起點(種)在光束傳播 過程中形成光絲14。該光絲14通過反射鏡表面的局部的凸部或凹部的存在穩定生 成，因此基於局部的凸部或凹部形成在任意位置，從而在光束截面的任意位置上充 分地連續形成。圖11是表示近距離的反射光絲13的截面強度分布，圖12表示遠 距離的反射光絲13的截面強度分布。如所述可知基於形成在鏡中心部上的局部的 凸部9或凹部，優先生成單一的光絲14。明確了反射超短脈衝雷射15且使其傳播 在大氣中時，在反射的光束13的截面上，通過強度光斑生成光絲14的起點11， 並且在傳播的過程中光絲14逐漸成長。然後，對於使用具有局部的凸部9或凹部和與其相比大面積的凹部IO的反射 鏡來生成光絲的方法進行說明。如圖10所示，通過使符號E、 J、 K、 L、 M的5 個調節器8驅動，將可變形鏡2向背面方向拉伸，從而在可變形鏡2的表面形成大 面積的坑窪使其變形。在該狀態下，如圖4所示，通過調節器可以實現鏡的表面形 狀形成為大面積的凹部10且存在局部的凸部9(或凹部)的特殊的表面形狀(參考圖 11)。由此，在局部的凸部9或凹部的周圍或在光束截面上相應於局部的凸部9或 凹部的周圍的位置上，使反射光束13的能量或以周邊的強度光斑聚集在成為中心 的強度光斑的周圍，從而加強成為生成光絲的起點的強度光斑的電場強度，由此確 保光絲傳播中的光絲的生成。圖13表示拉伸可變形鏡2的中心部時光束截面的狀 態。通過拉伸相應於光絲中心部的鏡的中心部的調節器(E)，在鏡中心部形成大面 積的凹部時，周邊的強度光斑聚集在光絲的中心形成高密度的光絲14(參考圖13)。並且，通過控制光束截面上形成大面積的凹部的位置，可控制生成光絲14的 位置。例如，在拉伸相應於光絲中心部的鏡中心部的調節器(E)而在鏡中心部形成 大面積的凹部10時，周邊的強度光斑聚集在光束的中心形成高密度的光絲14(參 考圖13)。另外，在拉伸反射鏡的被照射光束的領域12內相應於鏡周邊部(光束周 邊部)的調節器(M)而在鏡周邊部形成大面積的凹部時，強度光斑的形成偏向光束周邊部，周邊部側的光絲的形成顯著，從而形成高密度的光絲14(參考圖14)。由此， 明確了即使不改變成為在反射鏡的表面產生光絲的起點的局部的凸部或凹部的位 置，也可以通過控制在反射鏡表面形成的大面積的凹部的形成位置，控制顯著地形 成光絲的位置、形成高密度的光絲的位置。如果採用該超短脈衝雷射發生裝置，可以控制光絲的產生，由此生成的光絲 可以應用在例如放電路徑的控制。另外，在高密度的氣體中使超短脈衝光絲傳播時， 與使其在大氣中傳播的情況相比等離子體的產生更為顯著。光絲中局部存在超高強度的雷射電場，因此通過產生的等離子體和雷射電場的相互作用，能夠使電子加速。 另外，將產生的等離子體作為光放大介質時能夠感應發射，如果使用超長且連續的 光絲，則放大效率提高。並且，即使在玻璃等固體介質中傳播超短脈衝高強度雷射 時，光絲的產生也會顯著。其傳播時，由於介質的組成變化，因此通過局部地改變 折射率或透過率等能夠實現細微的加工或改性，如果使用超長且連續的光絲，則波 導等的加工也會容易。由此，除了前述的雷射誘導放電技術以外，還可應用於多種 同時測量的大氣環境測量或將光絲作為光放大介質而使其感應發射的光放大、加速 電子的粒子加速、還有改變介質組成的雷射加工等。然後，對於將本發明應用於遠距離測量雲25的成分的方法以及裝置的第2實 施方式，根據圖15進行說明。還有，對與圖1的微粒成分的測量裝置相同的構件賦予相同的符號，對其省略詳細說明。該第2實施方式的微粒成分的測量裝置為遠距離測量雲25的成分的裝置，與 圖1的微粒成分的測量裝置相比較時其不同點在於與圖1的裝置中超短脈衝雷射 15和受光望遠鏡19的光軸為非同軸相比，在圖15的實施方式中，超短脈衝雷射 15和受光望遠鏡19的光軸為同軸。由於使超短脈衝雷射15和受光望遠鏡19的光 軸成為同軸，將反射自表面形狀可變鏡18的反射光通過設置在受光望遠鏡19的副 鏡21的內側的全反射鏡26來進行反射，將超短脈衝雷射15向大氣中照射。由於 雲25的微粒密度大，因此由超短脈衝雷射15或其光絲14產生的白色光難以進行 傳播。為此，即使是如圖15所示使超短脈衝雷射15和受光望遠鏡19的光軸成為 同軸，從測定領域傳播後的超短脈衝雷射15或白色光的反散射的影響小。還有， 即使是如圖1所示超短脈衝雷射15和受光望遠鏡19的光軸成為非同軸時，也可以 實施光探測雲25的成分。然後，對於將本發明應用於能夠對大氣中微粒進行原位測量的微粒成分的測 量方法以及裝置的第3實施方式，根據圖16進行說明。還有，對與圖l的微粒成分的測量裝置相同的構件賦予相同的符號，對其省略詳細說明。該第3實施方式不實施雷射雷達測量，因此與第1以及第2的實施方式不同點為不使用受光望遠鏡19。首先，將大氣中的微粒收集微粒在填充殼27內。超短 脈衝雷射15被凹面鏡17、表面形狀可變鏡18以及二色鏡28反射後，通過窗29 入射到微粒填充殼27內。超短脈衝雷射15通過被凹面鏡17以及表面形狀可變鏡 18反射被聚光。並且通過使表面形狀可變鏡18的反射面形狀如上所述改變，從而 可以控制微粒填充殼27內的光絲14的生成位置或強度。通過微粒填充殼27的超 短脈衝雷射15照射在設置於填充殼27內的束流收集器30上。發自光絲14的光和由超短脈衝雷射15以及光絲14產生的白色光的散射光透 過窗29達至分色鏡28。在這裡，分色鏡28具有反射超短脈衝雷射15且透過測定 物質的發光波長的特性。由此，防止束流收集器30的強雷射的散射向光纖束20 入射。發自光絲14的光或白色光通過光纖束20入射在分光儀22內，被分光後通 過ICCD相機23受光而獲得發光光譜。將該發光光譜與各物質所固有的光譜進行 對照，鑑定測定對象物質的大氣中的微粒的成分。另外，通過改變ICCD相機23 的選通定時來實施遲延時間，從而可以減少產生自光絲14的白色光對發光光譜的 測量帶來的影響。在圖16中，光纖束20設置在分色鏡28的背面，但也可以在微粒填充殼27 的側面設置另一窗，介於僅透過測定物質的發光波長的濾光器來設置光纖束，從而 測量發自光絲的光。這時，由於將光絲的發光從橫方向進行測定，光絲內的發光的 積分效果變小，但可以減少來自束流收集器30的強雷射的散射的影響。還有，上述實施方式為本發明的較佳的實施方式之一，但並不局限於該實施 方式，在不超過本發明的內容的範圍內可以進行各種變化。例如，在上述說明中作為受光元件使用ICCD相機23，但不局限於ICCD相 機23。例如可以用陣列型半導體元件來代替ICCD相機23。這時，由於不具有圖 像增強的增強功能，因此測定感度下降，但與ICCD相機23相比，由於陣列型半 導體元件的價格低，因此可以降低製造成本。適用於測定物質的發光強度強的情況。另外，也可以用光電增倍管來代替ICCD相機23。使用光電增倍管時，可以 有以下兩種方法。第一，可以使用一般的一元件光電增倍管。光電增倍管的敏感度高，另外受 光面積也大，因此單一波長的發光強度的測定感度提高。另外，通過將分光器22 的狹縫的寬度變小，也可以提高測定分解能力。但這時，只能測定單一波長的強度，因此為了獲得用於鑑定測定物質的成分所需的發光光譜，需要改變分光儀22的衍 射光柵的角度，依次測定相應於各波長的強度。這時，雷射的強度或測定物質的濃 度不一定始終穩定，因此在改變衍射光柵的角度時，各波長的雷射強度或測定物質 濃度等測定條件有可能發生變化。為此，存在無法正確地測定發光光譜的可能性。 特別是在測定微弱光時，為了改善S/N比需要積分受光信號，但如果在各波長中 長時間地積分受光信號，則測量一個發光光譜需要較長時間。較好是應用於雷射強 度以及測定對象物質濃度等測定條件穩定的情況。第二，可以使用多通道光電增倍管。多通道光電增倍管是以陣列狀設置的光 電增倍管。如果使用該光電增倍管，則感度高的每一元件的受光面積也大，因此發 光強度的測定感度提高。並且同時可以測量寬的光譜，因此也能夠通過積分來改善S/N比。但是，通常多通道光電增倍管的每個通道的面積大，因此不能說波長的分解能力良好。對於具有寬的光譜的物質的測量特別有效。另外，在上述說明中例舉了作為表面形狀可變鏡18，使用基於如示於圖6(A) 的一塊薄反射鏡的可變形鏡2，形成局部的凸部9或凹部和大面積的凹部10，生成 產生光絲的起點的步驟、使超短脈衝雷射束的能量或周邊的強度光斑聚集在中心的 強度光斑的周圍的步驟，同時實施的例子方式進行了說明，但可以如圖6(B)所示， 將具有局部的凸部9或凹部的第1鏡2'和具有大面積的凹部10的第2鏡2"的至 少2個鏡組合在光路徑上，將上述兩個步驟用各自的反射鏡分前後實施。通過所述 方法，也可以在反射光束截面的任意部位上形成任意密度的光絲，或通過控制大面 積的凹部的形成位置來隨意控制光絲生成的位置。通過將具有該局部凸部9或凹部的第1第1鏡2'和具有大面積的凹部10的 第2鏡2"組合而形成光絲14時，第1鏡2'的局部的凸部9或凹部和第2鏡2" 的大面積的凹部IO可以都是不會變位或變形的固定的結構，也可以是分別可動的 結構。例如，也可以如圖17所示，超短脈衝雷射的光路上配置具有局部的凸部9 的第1反射鏡2'和由在光束截面的相應於局部的凸部9的周圍的位置上形成大面 積的凹部10的可變形鏡形成的第2反射鏡2"，在超短脈衝雷射15通過該第1以 及第2鏡2' ， 2"之間反射時，光束截面的任意部位上生成強度光斑，在該強度 光斑周圍，或者在形成多個強度光斑中的任意一個光斑或在多個強度光斑的周圍聚 集超短脈衝雷射15的能量或周圍的強度光斑。在這裡，可以獨立控制第l反射鏡 2'和第2反射鏡2"，因此通過能夠將第1反射鏡2'在X-Y方向進行控制，從 而可以改變形成在反射面上的局部的凸部9在光束截面上的位置。另外，由可變形鏡形成的第2反射鏡2"，在其可變形鏡的背面具備分別可獨立控制的多個調節器 8，因此通過調節器8的驅動使反射面成為任意曲率的大面積的凹部10或控制大面積的凹部IO的曲率中心位置、形狀等，從而隨意控制在光束截面上的光絲的形成 位置、強度、密度等。另外第1反射鏡2'根據情況預備另一個局部的凸部9形 成在不同位置上的鏡，可以通過兩者更換，改變局部的凸部9或凹部的位置的變化。另外，在上述實施方式中例示了在可變形鏡2的背面上用粘結劑7直接粘結 支杆3的結構，但也可以將調節器8的驅動元件本身或固定在驅動元件上的構件的 前端部直接粘結在鏡的背面，將可變形鏡2用調節器8直接進行支持。另外，在上述說明中設置大面積的凹部10，將在光絲14的周圍反射的超短脈 衝激光15的能量或周圍的強度光斑聚集在成為光絲14產生的起點的強度光斑的周 圍，但也可以省略大面積的凹部10。另外，在上述說明中，通過超短脈衝雷射15的照射生成光絲14，使光絲14 照射在測量對象的微粒上，從而產生等離子體，但也可以通過將超短脈衝雷射15 聚光在微粒上，從而產生等離子體。另外，上述實施方式涉及大氣中懸浮的微粒的測量，但不局限於這些，可以 適用於例如活體或液體中的微粒的測量。實施例1進行確認本發明效果的試驗。利用超短脈衝雷射15進行海鹽微粒中的Na的 原位測量。圖18表示其試驗體系。用超聲波加溼器(微粒發生裝置)31將飽和食鹽 水(150g/500ml)微粒化，生成人工海鹽微粒。利用未圖示的雷射的粒徑測定裝置 (Oxford lasers; VisiSizer)進行測定時，氣溶膠(海鹽微粒)的粒徑為10um以下。將 生成的海鹽微粒噴至內徑20cm、長度5m的圓筒32中。使用的雷射裝置為線性脈 衝增幅的毫微微秒摻鈦藍寶石雷射裝置。將脈衝能量為130mJ、脈衝幅為70fs、峰 輸出為2TW、脈衝頻率為10Hz的雷射用焦距20m的凹面鏡17進行聚光，照射在 海鹽微粒上。聚光後約18m位置上，使用在相對於雷射推進方向的後方以23度角 度設置的光纖束20，將海鹽微粒的發光導光至焦距460mm的分光器22內。分光 的光譜被ICCD相機23受光。在圖19中表示海鹽微粒發光測量點的雷射束截面和生成的多條光絲的形狀。 雷射束中觀察得到的多個亮點為光絲14。圖2為參考圖，將入射至充滿著水蒸氣 的圓筒中的雷射多條重疊的圖。觀察到一條一條的光絲14傳播的狀態。在海鹽微粒上照射光絲14時的光譜測定結果示於圖21(a)。使測量時的ICCD相機23的選通定時為20ns。超短脈衝雷射15的照射時間約為10ns。首先，將分 光器22的中心波長設定為800nm，發現最強地觀察到摻鈦藍寶石雷射的基本波以 及基於自身的相位變調產生的白色光的ICCD相機23的選通定時。將從該時間分 別遲延20ns、 40ns、 120ns時的分光光譜示於圖21(a)。另夕卜，將作為對照光譜的溶 解食鹽的酒精燈的發光光譜示於圖21(b)。明顯地觀察得到Na的D" 02線。根據圖21(a)，在海鹽微粒中照射光絲14時的遲延的時間為20ns時(施加20ns 時間遲延時)，可以明顯地觀察得到Na的發光。遲延時間為40ns(40ns的時間遲延) 時幾乎觀察不到Na的發光，遲延時間為120ns(120ns的時間遲延)時完全沒有觀察 到。可知遲延時間為20ns時在長的波長側的信號強度緩慢上升的原因是由於產生 白色光，且伴隨遲延時間的加長白色光強度也在減弱。遲延時間為O時，即ICCD 相機23的選通定時與雷射照射幾乎相同時，被白色光的光譜覆蓋，因此觀察不到 Na的發光。由以上的結果表示通過調整ICCD相機23的選通定時，測定在光絲 14中產生的等離子體的發光光譜，從而能夠進行海鹽微粒的鑑定。實施例2基於上述結果進行海鹽微粒的雷射雷達測量試驗。其試驗體系示於圖22。與 上述原位測量相同，將超短脈衝雷射15由焦距約為20m的凹面鏡17聚光，從而 生成光絲14，照射在人工生成的海鹽微粒中。受光望遠鏡19是主鏡直徑為12.5 英寸、焦距為1.5m的牛頓型，在離海鹽微粒約20m的前方與超短脈衝雷射同軸地 進行設置。由受光望遠鏡19聚光的光通過光纖束20入射至分光器22中。輸出自 光纖束20的光通過焦距為460mm的分光器22分光，由ICCD相機23受光。測定的結果示於圖23。示於圖23(b)的對照光譜是溶解食鹽的酒精燈的發光光 譜，明顯地觀察得到Na的D,線和02線。示於圖23(a)的光譜是將Tcube雷射照射 海鹽微粒進行遠距離測量而獲得的光譜，減去了在未照射雷射的狀態下測定的空白 值。這時，使對雷射的ICCD相機23的遲延的選通定時與上述原位測量相同地為 20ns。根據光譜的形狀明顯地觀察得到海鹽微粒中Na的D,線和D2線。由上述結 果，可以確定利用本發明能夠實施粒徑為10"m以下的微粒的雷射雷達測量。
權利要求
1.微粒成分測量方法，其特徵在於通過將超短脈衝雷射向微粒聚光而產生等離子體，基於所述等離子體的發光光譜測量所述微粒的成分。
2. 如權利要求1所述的微粒成分測量方法，其特徵在於，所述超短脈衝雷射包 含通過其照射產生的光絲。
3. 如權利要求2所述的微粒成分測量方法，其特徵在於，將超短脈衝雷射照射 在具有局部的凸部或凹部的反射鏡上，基於所述局部的凸部或凹部反射的光束截面 的任意部位形成強度光斑而作為產生所述光絲的起點。
4. 如權利要求3所述的微粒成分測量方法，其特徵在於，在所述反射鏡的所述 局部的凸部或凹部的周圍設置與所述局部的凸部或凹部相比為大面積的凹部，基於 所述大面積的凹部使反射在所述光絲周圍的超短脈衝雷射的能量或周圍的強度光 斑聚集在成為產生所述光絲的起點的強度光斑的周圍。
5. 如權利要求2所述的微粒成分測量方法，其特徵在於，將所述超短脈衝雷射 照射在具有局部的凸部或凹部的反射鏡上，基於所述局部的凸部或凹部在反射的光 束截面的任意部位形成強度光斑，從而作為形成產生光絲的起點的同時，將超短脈 衝激光也照射於在光束截面的相應於局部的凸部或凹部的周圍的位置具有與局部 的凸部或凹部相比為大面積的凹部的反射鏡上，基於大面積的凹部使反射的超短脈 衝激光的能量或周邊的強度光斑聚集在成為產生光絲的起點的強度光斑的周圍
6. 如權利要求3所述的微粒成分測量方法，其特徵在於，所述反射鏡為反射面 可任意變形的可變形鏡。
7. 如權利要求1所述的微粒成分測量方法，其特徵在於，在所述發光光譜的測 量時實施時間的延遲，減少白色光光譜的強度。
8. 如權利要求1所述的微粒成分測量方法，其特徵在於，將發自所述等離子體 的光用受光望遠鏡聚光。
9. 微粒成分測量裝置，其特徵在於，具備輸出超短脈衝雷射的雷射裝置、將所 述超短脈衝雷射聚光且向微粒照射的聚光裝置、接受基於所述超短脈衝雷射的聚光 而產生自微粒的等離子體的發光的受光裝置以及基於所述等離子體的發光光譜鑑 定微粒成分的光譜分析裝置。
10. 如權利要求9所述的微粒成分測量裝置，其特徵在於，所述聚光裝置為在所述超短脈衝雷射的聚光過程中在所述超短脈衝雷射中形成強度光斑而生成光絲 的裝置。
11. 如權利要求10所述的微粒成分測量裝置，其特徵在於，所述聚光裝置包含 具有局部的凸部或凹部的反射鏡，將超短脈衝雷射照射在所述反射鏡上，基於所述 局部的凸部或凹部反射的光束截面的任意部位形成強度光斑而作為產生所述光絲 的起點。
12. 如權利要求11所述的微粒成分測量裝置，其特徵在於，所述聚光裝置的反 射鏡在局部的凸部或凹部的周圍再設置與局部的凸部或凹部相比為大面積的凹部， 基於所述大面積的凹部使反射在光絲周圍的超短脈衝雷射束的能量或周圍的強度 光斑聚集在成為產生光絲的起點的強度光斑的周圍。
13. 如權利要求11所述的微粒成分測量裝置，其特徵在於，所述聚光裝置具備配置在超短脈衝雷射束的聚光路徑上而連續地反射超短脈衝雷射束的第1反射鏡和第2反射鏡，第1反射鏡的反射面上具有局部的凸部或凹部，並且所述第2反射 鏡具有在光束截面的相應於局部的凸部或凹部周圍的位置形成與所述第1反射鏡 的局部的凸部或凹部相比為大面積的凹部的反射面，在由所述第1反射鏡反射的光 束截面的任意部位形成強度光斑的同時將由所述第2反射鏡反射的超短脈衝雷射 束的能量或周圍的強度光斑聚集在成為產生光絲的起點的所述強度光斑的周圍。
14. 如權利要求11所述的微粒成分測量裝置，其特徵在於，所述反射鏡為反射 面可任意變形的可變形鏡。
15. 如權利要求9所述的微粒成分測量裝置，其特徵在於，所述受光裝置通過 在發光光譜的測量時實施時間的延遲，減少白色光光譜的強度。
16. 如權利要求9所述的微粒成分測量裝置，其特徵在於，所述受光裝置具備 聚光發自微粒的等離子體的光的受光望遠鏡。
全文摘要
本發明通過將輸出自雷射裝置16的超短脈衝雷射15聚光，向納米粒或微米粒照射而產生等離子體，更好是利用在超短脈衝雷射15中生成的光絲14產生等離子體，基於該等離子體的發光光譜測量微粒成分。
文檔編號G01N21/63GK101268357SQ200680034289
公開日2008年9月17日 申請日期2006年9月20日 優先權日2005年9月20日
發明者三木惠, 名雪琢彌, 後藤直彥, 根本孝七, 田中伸幸, 藤井隆 申請人:財團法人電力中央研究所