微粒成分测量方法以及微粒成分测量装置的制作方法

专利名称：微粒成分测量方法以及微粒成分测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如纳米粒或微米粒等微粒成分的测量方法以及成分测量装置。 更加详细地，本发明涉及利用超短脉冲激光产生等离子体，通过测量该等离子体的 发光的光谱，测量微粒成分的微粒成分测量方法以及微粒成分测量装置。
背景技术：
一直以来，作为纳米粒或微米粒等原位(in—situ)时的成分测量，采用脉冲宽 度在纳秒(ns)领域的纳秒激光的激光诱导击穿光谱(LIBS)(非专利文献l)。另外，最 近提出了通过将超短脉冲激光照射在对象物质上，观察在物质内自然聚光的结果所 产生的等离子体的光谱，由此测量直径数ym以上的粒子成分的方法(非专利文献 2， 3)。另外，报道过利用基于超短脉冲激光的多光子吸收，在50m外的距离处测 量生物微粒成分的结果(非专利文献4， 5)。非专利文献l:若松他、"基于等离子体原子发光分析的微粒的粒径*组成的 同时测量C7。，X々原子発光分析^J; )微粒子(D粒径'組成同時計測)"、J.Aerosol Res./Vo1.19, pp.28誦33， 2004.非专利文献2: C.Favre et al.，"白色光纳米源与定向发射(White-light Nano source with Directional Emission)",Phys. Rev. Lett, pp. 035002-035005, 2002.非专利文献3: S.Borrma皿et al.，"多云的下午的激光作用(Lasing on cloud y afternoon)",Nature，Vol.418,pp. 826-827, 200.非专利文献4: J.kasparian et al.,"用于大气分析的白色光束(White-light filame nts for atmospheric analysis)", Sceince, Vol.301， pp. 61-64, 2003.非专利文献5:G.Mejean et al.，"利用毫微微伏太瓦激光雷达系统的对生物微粒 的远距离测量以及检测(Remote detection and identification of biological aerosols using a femtosecond terawatt lidar system)", Appl. Phys. B, Vol.B78, pp. 535-53 7, 2004.发明的揭示但是，在利用纳秒激光的LIBS中，由于激光的脉冲宽度宽，因此在激光脉冲 的波头部分就生成了等离子体，激光能量不能有效地被测定对象物质吸收，因此存 在发光较弱的问题。另外，将超短脉冲激光照射在对象物质上，且观察在物质内自 然聚光的结果所产生的等离子体的光谱的方法可适用于粒径为微米(iim)以上大小 的粒子，但粒径为纳米(nm)以下的粒子时，光不能够在粒子内有效地进行自然聚光， 因此存在适用困难的问题。还有，利用多光子吸收的方法需要在原子或分子的吸收 光谱中调谐激光波长，为此，存在难以同时测量多个成分的问题。本发明的目的在于提供可以使激光的能量有效地被测定对象物质吸收的同 时，可以良好地适用于纳米数量级的粒径的微粒，且能够同时测量多个成分的微粒 成分测量方法以及微粒成分测量装置。为了达到上述目的，本发明的微粒成分测量方法通过将超短脉冲激光向微粒 照射而产生等离子体，基于发自该等离子体的光的光谱测量微粒的成分。不同物质 的发自等离子体的光的光谱不相同，因此可以基于该发光光谱鉴定微粒的成分。在这里，较好是超短脉冲激光包含通过其照射产生的光丝。光丝通过超短脉 冲激光的照射生成，通过向微粒照射而产生等离子体。另外，在本发明的微粒成分测量方法中，光丝的生成较好是将超短脉冲激光 照射在具有局部的凸部或凹部的反射镜上，基于局部的凸部或凹部反射的光束截面的任意部位形成强度光斑，从而作为光丝的产生起点，在激光的传播过程中生成光 丝。照射在具有局部的凸部或凹部的反射镜上的超短脉冲激光，反射时由反射镜表 面的局部的凸部或凹部引起的局部空间调制被赋予光束的波面，以此成为起点(种) 在光束的传播过程中形成光丝。该光丝基于反射镜表面的局部的凸部或凹部的存在 而稳定地生成，因此通过在任意的位置上形成局部的凸部或凹部，从而可以在光束 截面的任意的位置上充分地连续形成。另外，在本发明的微粒成分的测量方法中，光丝的生成较好是在反射镜的局 部的凸部或凹部的周围设置与局部的凸部或凹部相比为大面积的凹部，基于大面积 的凹部，将反射在光丝周围的超短脉冲激光的能量或周围的强度光斑集聚在成为产 生光丝的起点的强度光斑的周围。这时，预先将基于局部的凸部或凹部形成的强度 光斑的生成位置和基于大面积的凹部引起的超短脉冲激光的能量或周围的强度光 斑的聚集位置相互关联，能够确保进一步加强光束截面的任意位置的强度光斑的电 场强度。另外，在本发明的微粒成分的测量方法中，光丝的生成较好是将超短脉冲激 光照射在具有局部的凸部或凹部的反射镜上，基于局部的凸部或凹部反射的光束截 面的任意部位形成强度光斑，从而作为形成产生光丝的起点的同时，将超短脉冲激 光也照射于在光束截面的相应于局部的凸部或凹部的周围的位置，具有与局部的凸 部或凹部相比为大面积的凹部的反射镜上，基于大面积的凹部将反射的超短脉冲激 光的能量或周边的强度光斑聚集在作为产生光丝的起点的强度光斑的周围。这时， 可以与基于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强度光 斑相独立地，对基于大面积的凹部产生的超短脉冲激光的能量或周围的强度光斑的 聚集进行控制。另外，在本发明的微粒成分的测量方法中，作为用于聚光超短脉冲激光的反 射镜，较好是使用发射面可任意变形的的可变镜。这时，如果改变反射镜的反射面 的形状，则局部的凸部或凹部或者大面积的凹部的位置等发生变化，从而可以控制 光丝的产生的位置。另外，本发明的微粒成分测量方法较好是通过在发光光谱的测量时，实施时 间的迟延而减少白色光光谱的强度。这时，通过发光光谱的测量时实施时间的延迟， 从而可以测量白色光的传播过后的发光光谱。另外，本发明的微粒成分的测量方法较好是将发自等离子体的光用受光望远 镜聚光。这时，可以对微粒成分从远距离进行测量。还有，本发明的微粒成分的测量装置具备输出超短脉冲激光的激光装置、将 超短脉冲激光聚光且向微粒照射的聚光装置、接受基于超短脉冲激光的聚光而产生 自微粒的等离子体的发光的受光装置以及基于等离子体的发光的光谱鉴定微粒成 分的光谱分析装置。在这里，聚光装置为将超短脉冲激光向微粒聚光的装置，但较 好是在聚光过程中通过在超短脉冲激光的中形成强度光斑而生成光丝的装置。另外，在本发明的微粒成分的测量装置中，聚光装置较好是包含具有局部的 凸部或凹部的反射镜，将超短脉冲激光照射在反射镜上，基于局部的凸部或凹部反 射的光束截面的任意部位上形成强度光斑，从而作为产生光丝的起点的装置。另外，本发明的微粒成分的测量装置中，较好是在聚光装置的反射镜的局部 的凸部或凹部的周围再设置与局部的凸部或凹部相比为大面积的凹部，基于大面积 的凹部将反射在光丝周围的超短脉冲激光的能量或周围的强度光斑集中在成为产 生光丝的起点的强度光斑的周围。另外，本发明的微粒成分的测量装置中，较好是聚光装置具备配置在超短脉冲激光的聚光路径上且连续地反射超短脉冲激光的第1反射镜和第2反射镜，第1 反射镜的反射面上具有局部的凸部或凹部，并且在第2反射镜具有在光束截面的相 应于局部的凸部或凹部周围的位置形成与第1反射镜的局部的凸部或凹部相比为 大面积的凹部的反射面，在由第1反射镜反射的光束截面的任意部位形成强度光斑 的同时，将由第2反射镜反射的超短脉冲激光的能量或周围的强度光斑聚集在成为 产生光丝的起点的强度光斑的周围。另外，本发明的微粒成分的测量装置中，较好是聚光装置的反射镜为反射面 可任意变形的镜。另外，本发明的微粒成分的测量装置中，较好是受光装置通过在发光光谱的 测量时实施时间的延迟，从而减少白色光光谱的强度的装置。还有，本发明的微粒成分的测量装置中，较好是受光装置具备聚光发自微粒 的等离子体的光的受光望远镜。如果采用本发明的微粒成分测量方法以及装置，则使超短脉冲激光聚光在作 为对象物质的微粒而生成等离子体，通过观察该等离子体的发光光谱，从而测量作 为对象物质的微粒的光谱，因此，由于不利用微粒内的自然聚光，则也可以测量纳 米领域的粒径的微粒。另外，可以同时测定多个物质的光谱，因此可以同时测定多 个物质的成分。还有，由于使用毫微微秒领域的超短脉冲激光，因此在等离子体成 长之前激光脉冲的照射就终止。为此，能够使激光能量有效地被对象物质吸收，可 以提高测定对象物质的发光效率。另外，在本发明的微粒成分的测量方法以及装置中，在使用基于使超短脉冲 激光传播在大气中、液体中、固体中而产生光丝的情况下，等离子体的发光在激光 的推进方向被积分，因此可以充分地提高等离子体发光强度。因此，通过例如将光 纤或受光望远镜设置在激光的后方，从而在原位测量以及远距离测量时，可以有效 地测量微粒成分。还有，光丝为以被细长地限定的状态直接传播的激光，通过使用 超短脉冲激光可以生成更长的光丝，因此在光丝中通常生成等离子体，且形成等离 子体通道。由此，可以提高测定对象物质的发光效率。另外，本发明的微粒成分的测量方法以及装置中，作为控制基于超短脉冲激 光的传播的光丝的生成的方法，使用具有局部的凸部或凹部的反射镜时，可以在预 先设计的任意的位置上生成光丝。通常，光丝根据激光中的强度分布，在时间以及 空间上偶然生成，在激光传播中难以控制光丝的生成位置或时间。但是，在本发明 中通过使用具有局部的凸部或凹部的反射镜，在激光反射时将与镜表面的局部的凸部或凹部对应的局部的空间变调赋予光束的波面，以此为起点(种)在光束的传播过 程中形成光丝，因此能够实时且简单地对光丝的生成位置以及强度进行控制，可以 提高用光丝的微粒成分测量的效率。另外，通常如果光丝未传播一定程度的距离， 则不能生成，但通过利用本发明，可以以较小的传播距离生成光丝，因此特别是在 原位测量时有效。还有，在本发明的微粒成分测量方法以及装置中，作为生成光丝且控制的方 法，使用在局部的凸部或凹部的基础上，增加了与局部的凸部或凹部相比为大面积 的凹部的反射镜时，可以在任意的位置上集中激光强度，因此在基于局部的凸部或 凹部反射的光束截面的任意位置上形成的强度光斑的周围，聚集基于大面积的凹部 反射的超短脉冲激光的能量或周围的强度光斑，从而可以进一步加强任意位置的强 度光斑的电场强度，更加能够确保在光束的传播时的光丝的生成。所述效果，在局 部的凸部或凹部和大面积的凹部通过各自不同反射镜的反射来实现时也相同。并且，本发明的微粒成分测量方法以及装置中，作为反射镜使用可变形镜时， 可以通过改变反射面的形状来实时地改变光束截面上的光丝的产生位置，因此基于 气象条件的变化等光丝的生成条件变化的情况下，也可以在最适宜的位置上生成光 丝。另外，本发明的微粒成分的测量方法以及装置中，发光光谱的测量施加时时间的延迟时，可以在白色光传播后测量发光光谱，因此可以减少白色光的干扰(N)， 提高目标信号(S)的测定对象物质光谱的S/N比。另外，本发明的微粒成分测量方法以及装置中，用受光望远镜聚光发光时， 可以进行远距离测量。附图的简单说明

图1是表示本发明的第1实施方式中进行大气中微量气溶胶成分的远距离测量的状态的示意图。图2是表示表面形状可变镜的一例的概略说明图。图3是图2的表面形状可变镜的可变形镜的主视图(反射面)。图4是表示镜的反射面的局部的凸部和大面积的凹部之间的关系的原理图。图5是表示超短脉冲激光的反射前后的波面的变化的说明图，(A)表示入射的光束波面，(B D)表示通过具有局部的凸部的反射面反射的光束波面随着时间的变化。图6是表示实施本发明的光丝形成方法的例子的原理图，(A)表示用一块镜实 现局部的凸部或大面积的凹部的例，(B)表示通过组合两块反射镜来实现局部的凸 部和大面积的凹部的例子。图7是表示厚度为6mm的可变形镜的表面形状的说明图。 图8是表示厚度为3mm的可变形镜的表面形状的说明图。 图9是表示在实施方式中将可变形镜通过调节器朝镜表面方向推压而发生隆起变形时的表面形状的说明图。图10是表示在实施方式中将可变形镜通过调节器朝镜背面方向拉伸而发生坑洼变形时的表面形状的说明图。图11是表示近距离的光束截面强度的说明图。 图12是表示远距离的光束截面强度的说明图。图13是表示实施方式中将可变形镜通过调节器拉伸镜中心部而发生坑洼变形 时的光束截面强度的说明图。图14是表示实施方式中将可变形镜通过调节器拉伸镜周边部而发生坑洼变形 时的光束截面强度的说明图。图15是表示本发明的第2实施方式的进行云的成分的远距离测量的状态的概 略结构图。图16是表示本发明的第3实施方式的进行大气中微粒的原位测量的状态的概 略结构图。图17是组合两块反射镜来实现局部的凸部和大面积的凹部的例子的原理图。 图18是表示海盐微粒成分的原位测量的试验体系的概略结构图。 图19是表示产生光丝的激光束截面的图。 图20是表示多条光丝的传播状态的参考图。图21是向海盐微粒照射光丝时产生Na的光谱示意图，(a)是ICCD相机的选通定时的，改变距激光的延迟时间时发光光谱的变化示意图，(b)是溶解食盐的酒精灯的发光光谱的示意图。图22是表示海盐微粒成分的远距离测量试验体系的概略结构图。图23是用光丝的海盐微粒中Na的发光光谱的远距离测量结果示意图，(a)是海盐微粒中Na的发光光谱的示意图，(b)是溶解食盐的酒精灯的发光光谱的示意图。符号说明2可变形镜(反射镜) 9局部的凸部 10大面积的凹部14光丝15超短脉冲激光 19受光望远镜实施发明的最佳方式以下，根据将本发明的构成示于附图的最佳方式进行详细地说明。图1表示将本发明应用于采用激光雷达法远距离测量大气中的微量气溶胶的 成分的微粒成分测量方法以及装置的第1实施方式。该微粒成分的测量装置是通过 将从激光装置16输出的超短脉冲激光15照射在大气中而产生光丝14，该光丝14 向纳米粒或微米粒等测量对象的微粒中照射从而产生等离子体，基于该等离子体的 发光光谱测量微粒成分的装置。还有，聚光装置由将超短脉冲激光15聚光且照射 在微粒上的凹面镜17以及表面形状可变镜18构成。另外，接受基于超短脉冲激光 15的聚光而产生自微粒的等离子体的发光的受光装置由受光望远镜19、副镜21、 光纤束20、分光器22以及ICCD相机23构成。还有，通过等离子体的发光光谱 鉴定微粒成分的光谱分析装置是，预先将作为测量对象的包含微粒的各种物质所具 有的固有的光谱相关的信息数据库化而保存在存储单元中，通过比较用受光装置测 量的光谱和已知的光谱数据来鉴定物质的装置，由微型计算机24构成。测量对象的微粒中包含粒径为nm数量级的粒子和ix m数量级的微米粒之外， 还包含nm以下的微粒、um以上的微粒。另外，超短脉冲激光15是脉冲宽度在 微微秒(ps)范围以下的激光，可以通过例如掺钛蓝宝石(于夕y甘77一7)激光装 置、玻璃激光装置、光纤激光装置等进行照射。输出自激光装置16的超短脉冲激光15由凹面镜17以及表面形状可变镜18 反射，照射在大气中。照射了的超短脉冲激光15缓慢地聚光的同时生成光丝14。 被光丝14照射的大气中的气溶胶被等离子体化，包含该等离子体的发光的来自光 丝14的发光通过以与超短脉冲激光15非同轴的状态设置的受光望远镜19聚光， 入射在光纤束20中。在本实施方式中，使受光望远镜19的反射光通过副镜21反 射，从而使其入射在光纤束20中。输出自光纤束20的光入射在分光器22内且被分光后，通过ICCD相机23受光，基于其光谱鉴定大气中的气溶胶的成分。即，通过将观测到的发自等离子体的 发光光谱与各种物质具有的固有的光谱进行对照，从而可以鉴定大气中气溶胶的成 分。光谱的对照例如通过使用存储着各种物质具有的固有的光谱相关信息的微型计 算机24来进行。在本实施方式中，通过将受光望远镜19与激光非同轴地设置，且调整ICCD 相机23的选通定时(Gate Timing),从而减小产生自光丝14的白色光给上述发光光 谱的测量带来的影响。即，如果超短脉冲激光15和受光望远镜19同轴地设置，则 使ICCD相机23的选通定时变慢，即使是在白色光传播后设定，也会接收到一次 产生的白色光传播后的反散射光，因此难以消除白色光的影响。对此，如果如图l 所示的将超短脉冲激光15和受光望远镜19非同轴地设置，则一次产生的白色光随 着传播脱离自受光望远镜19的视野33，因此通过将ICCD相机23的选通定时设 定在白色光传播后(时间延迟)，从而可以除去白色光的影响观测大气中气溶胶的发 光光谱。如所述，在测定对象物质的发光光谱测量中实施时间延迟，从而可以减少 白色光光谱的强度，提高测定对象物质光谱的S/N比。另外，如图1所示，通过改变表面形状可变镜18的角度，可改变超短脉冲激 光15的传播方向。由此，可以改变进入受光望远镜19的视野33内的光丝14与受 光望远镜19之间的距离，因此可以改变对象物质的测量距离。图1的实施方式能 够适用于大气中的石棉(7》《》卜)或生物武器等远距离测量。另外，在本发明实施方式中产生光丝14的位置通过调整凹面经镜17的焦距 和表面形状可变镜18的反射面的形状来进行控制。基于凹面镜17的焦距的控制是 作为辅助手段来使用，通过凹面镜17的焦距大致决定光丝14的产生位置。通过改 变表面形状可变镜18的反射面的形状，微调光丝14的产生位置。换句话来说，凹 面镜17用于决定光丝14的产生位置的粗调，表面形状可变镜18用于微调、例如， 如原位测量为了在非常短的传播距离内产生光丝14，需要使用短焦距的凹面镜17。 相反地，如激光雷达测量,光丝14的开始产生可以在超短脉冲激光15传播一定程 度的长距离后开始，相对与此，需要长光丝14时，使用长焦距的凹面镜17或不使 用凹面镜17而仅使用表面形状可变镜17。表面形状可变镜18通常使用平面镜， 控制激光束截面上的位相分布。通过改变表面形状可变镜18的反射面形状，其焦 距多少也会有一些变化，但在粗调光丝14产生的位置的情况下，需要使其改变大 时较好是并用凹面镜17。还有，如果通过将凹面镜17作为可变形镜使其反射面的 形状改变从而能够微调光丝14产生的位置，则可以省去表面形状可变镜18。但是，难以精确地控制凹面镜17的反射面形状的变化，因此并用凹面镜17和表面形状可 变镜18较实用。另外本实施方式中，通过改变表面形状可变镜18的角度来改变超短脉冲激光 15的传播方向，但是也可以将被表面形状可变镜18反射的激光通过未示于图1的 全反射镜反射而照射在大气中，通过改变该全反射镜的角度，来改变超短脉冲激光 15的传播方向。这时， 一般的全反射镜与表面形状可变镜相比构造简单，因此容 易改变角度，为此存在容易控制超短脉冲激光的传播方向的优点。在这里，对于表面形状可变镜18的反射面形状的变化和光丝14的产生具体 地进行说明。将表面形状可变镜18示于图2以及图3。表面形状可变镜18使用具 备可独立控制的多个调节器的可变形镜，具有反射面可任意变形的反射镜(在本说 明书中称为可变形镜)2和连接在该可变形镜2的背面且对可变形镜2赋予变位的 调节器8，通过调节器8的驱动能够使可变形镜2大幅度地变形。在这里，作为可变形镜2采用通过可独立控制的多个调节器8的驱动使反射 面能够任意变形的薄型平面镜。在本实施方式中的该镜是具有通过调节器8的驱动 可以容易地形成所需的大面积的凹部的韧刚性的镜，例如横宽大小为100X 100(mm) 左右的正方形的镜子中较好是使用厚度为3mm左右的薄型平面镜。反射镜2的背面连接在调节器8上，通过调节器8支持在架子上。在本实施 方式中，在可变形镜2的整个内表面上，13个调节器8以几乎均等的间隔配置在 纵横以及对角线上，但对该个数无特别限制。调节器8包含固定在可变形镜2背面的支杆3，该支杆3相对于该调节器8 的可动部分(在本实施方式的支杆夹具4)可分离地连接。例如，调节器8通过在固 定在驱动元件6的前端的支杆夹具4的至少固定支杆3的端部设置嵌入支杆3的孔， 以嵌入支杆3后端的状态用螺钉5卡紧支杆3，从而可装卸地进行固定。在本实施 方式中，通过由螺合于支杆夹具4的螺钉孔的螺钉5的前端压住支杆3的外周面， 从而利用摩擦力固定支杆3，但是也可以根据情况用轴销等可装卸地进行连接。通 过形成3可简单地装卸支杆的结构，在可变形镜2的反射特性变差等情况，即需要 更换可变形镜2时，通过拧开螺钉5从支杆夹具4卸下支杆3，从而可以只更换不 良的可变形镜2(包含粘接在内表面的支杆3)。即，可以直接地再利用支杆夹具4、 调节器8以及支撑架1，因此是经济的。在本实施方式中，调节器8和可变形镜2的连接是通过使用环氧树脂类粘结 剂7连接支杆3的前端和可变形镜2的背面来实施。这时，对厚度为3mm的薄型可变形镜2，粘结剂7固化时产生的应力变化的影响容易显现在镜表面，粘结了调 节器8的部分的可变形镜的表面(反射面)稍微隆起。例如在用环氧树脂类粘结剂7粘结支杆3的本实施方式的情况下，形成了 0.4um的凸部9。在这里，如果基于 粘结剂的硬化或固化形成的凸部或凹部为局部，则对超短脉冲激光反射时产生的光 束的波面带来局部的空间调制，足以成为用作形成光丝的起点。另外，如果是利用 粘结剂7使其产生的高度0.4 ix m左右的隆起或坑洼，则也可以蒸镀形成可变形镜 2的镜面而制造时，预先在蒸镀面前方设置带孔掩模，在蒸镀工序时，通过局部地 调控镜面蒸镀的膜厚，从而局部地形成凸部或凹部。在这里，可变形镜2的厚度为具有可形成大面积的凹部程度的挠性的厚度， 有时也会不通过用粘结剂7直接粘结而形成凸部9或凹部。例如，图8表示厚度为 3mm的可变形镜2的表面形状。这时，产生点状的局部的隆起(凸部)或坑洼(凹部)。 其它，在图7表示厚度为6mm的可变形镜2的表面形状。这时，与图8的镜不相 同，未产生点状的局部的隆起(凸部)或坑洼(凹部)。这可以认为由于可变形镜过厚， 因此不会由粘结剂硬化时或固化时的收縮或应力而产生局部的隆起或坑洼。由此， 通过支杆3的粘结在镜表面形成局部的凸部或凹部时，较好是使用厚度为2 3mm 左右的镜。当然，如果是不依靠可变形镜2的内表面和调节器8通过粘结剂7的直 接结合形成局部的凸部或凹部，例如是通过蒸镀膜的控制等来形成凸部或凹部，则 具有通过调节器8的驱动可以形成大面积的形成凹部10程度的挠性的厚度就可以 实施。另外，作为驱动元件6使用压电元件(PZT:Pb —Zr — Ti)或电致伸縮元件 (PMN:Pb —Mg—Nb)等，能使可变形镜微小变位的驱动源。使用电致伸縮元件等驱 动元件时，通过改变施加电压的大小或方向，从而可以容易地控制驱动元件的变位 方向以及变位量，因此优选使用，但不局限于这些。驱动元件6固定在相对于支撑 架1的基座垂直配置的壁la上，且支持作为可动部的支杆夹具4通过具有贯穿孔 的壁la向前后方向(图2的左右方向)可进退。可变形镜2通过适当控制相互平行 地配置的多个调节器8的驱动，即通过组合向前方推进支杆3的调节器8和向后方 拉回支杆3的调节器8、或使支杆3不驱动的调节器8，从而可以在可变形镜2上 所需的领域中形成大面积的凹部10。将超短脉冲激光15入射在如上所述构成的表面形状可变形镜18上，将其反 射光传播在大气中时，生成光丝的过程在下面进行说明。还有，为了简单地进行说 明，通过对一个边的大小为100mm的镜使超短脉冲激光15的直径为50V^mm,藉此对13个调节器中的中心附近的5个(符号E、 J、 K、 L、 M)作为主要的研究对象。首先，对于仅使用反射面具有局部的凸部或凹部的反射镜来形成光丝的方法 进行说明。将产生如图8所示的点状的局部隆起(凸部)或坑洼(凹部)的可变形镜2 介装在超短脉冲激光15的光线路径上，即使是在波面平整的超短脉冲激光15中(参 考图5(A))，反射光束中对应于镜表面的局部的凸部或凹部的局部的空间变调赋予 在光束的波面上(参考图5(B))，反射光束13的传播过程中赋予在前述的反射光束 13的波面上的局部的空间变调更加显著(图5(C、 D))，以此为起点(种)在光束传播 过程中形成光丝14。该光丝14通过反射镜表面的局部的凸部或凹部的存在稳定生 成，因此基于局部的凸部或凹部形成在任意位置，从而在光束截面的任意位置上充 分地连续形成。图11是表示近距离的反射光丝13的截面强度分布，图12表示远 距离的反射光丝13的截面强度分布。如所述可知基于形成在镜中心部上的局部的 凸部9或凹部，优先生成单一的光丝14。明确了反射超短脉冲激光15且使其传播 在大气中时，在反射的光束13的截面上，通过强度光斑生成光丝14的起点11， 并且在传播的过程中光丝14逐渐成长。然后，对于使用具有局部的凸部9或凹部和与其相比大面积的凹部IO的反射 镜来生成光丝的方法进行说明。如图10所示，通过使符号E、 J、 K、 L、 M的5 个调节器8驱动，将可变形镜2向背面方向拉伸，从而在可变形镜2的表面形成大 面积的坑洼使其变形。在该状态下，如图4所示，通过调节器可以实现镜的表面形 状形成为大面积的凹部10且存在局部的凸部9(或凹部)的特殊的表面形状(参考图 11)。由此，在局部的凸部9或凹部的周围或在光束截面上相应于局部的凸部9或 凹部的周围的位置上，使反射光束13的能量或以周边的强度光斑聚集在成为中心 的强度光斑的周围，从而加强成为生成光丝的起点的强度光斑的电场强度，由此确 保光丝传播中的光丝的生成。图13表示拉伸可变形镜2的中心部时光束截面的状 态。通过拉伸相应于光丝中心部的镜的中心部的调节器(E)，在镜中心部形成大面 积的凹部时，周边的强度光斑聚集在光丝的中心形成高密度的光丝14(参考图13)。并且，通过控制光束截面上形成大面积的凹部的位置，可控制生成光丝14的 位置。例如，在拉伸相应于光丝中心部的镜中心部的调节器(E)而在镜中心部形成 大面积的凹部10时，周边的强度光斑聚集在光束的中心形成高密度的光丝14(参 考图13)。另外，在拉伸反射镜的被照射光束的领域12内相应于镜周边部(光束周 边部)的调节器(M)而在镜周边部形成大面积的凹部时，强度光斑的形成偏向光束周边部，周边部侧的光丝的形成显著，从而形成高密度的光丝14(参考图14)。由此， 明确了即使不改变成为在反射镜的表面产生光丝的起点的局部的凸部或凹部的位 置，也可以通过控制在反射镜表面形成的大面积的凹部的形成位置，控制显著地形 成光丝的位置、形成高密度的光丝的位置。如果采用该超短脉冲激光发生装置，可以控制光丝的产生，由此生成的光丝 可以应用在例如放电路径的控制。另外，在高密度的气体中使超短脉冲光丝传播时， 与使其在大气中传播的情况相比等离子体的产生更为显著。光丝中局部存在超高强度的激光电场，因此通过产生的等离子体和激光电场的相互作用，能够使电子加速。 另外，将产生的等离子体作为光放大介质时能够感应发射，如果使用超长且连续的 光丝，则放大效率提高。并且，即使在玻璃等固体介质中传播超短脉冲高强度激光 时，光丝的产生也会显著。其传播时，由于介质的组成变化，因此通过局部地改变 折射率或透过率等能够实现细微的加工或改性，如果使用超长且连续的光丝，则波 导等的加工也会容易。由此，除了前述的激光诱导放电技术以外，还可应用于多种 同时测量的大气环境测量或将光丝作为光放大介质而使其感应发射的光放大、加速 电子的粒子加速、还有改变介质组成的激光加工等。然后，对于将本发明应用于远距离测量云25的成分的方法以及装置的第2实 施方式，根据图15进行说明。还有，对与图1的微粒成分的测量装置相同的构件赋予相同的符号，对其省略详细说明。该第2实施方式的微粒成分的测量装置为远距离测量云25的成分的装置，与 图1的微粒成分的测量装置相比较时其不同点在于与图1的装置中超短脉冲激光 15和受光望远镜19的光轴为非同轴相比，在图15的实施方式中，超短脉冲激光 15和受光望远镜19的光轴为同轴。由于使超短脉冲激光15和受光望远镜19的光 轴成为同轴，将反射自表面形状可变镜18的反射光通过设置在受光望远镜19的副 镜21的内侧的全反射镜26来进行反射，将超短脉冲激光15向大气中照射。由于 云25的微粒密度大，因此由超短脉冲激光15或其光丝14产生的白色光难以进行 传播。为此，即使是如图15所示使超短脉冲激光15和受光望远镜19的光轴成为 同轴，从测定领域传播后的超短脉冲激光15或白色光的反散射的影响小。还有， 即使是如图1所示超短脉冲激光15和受光望远镜19的光轴成为非同轴时，也可以 实施光探测云25的成分。然后，对于将本发明应用于能够对大气中微粒进行原位测量的微粒成分的测 量方法以及装置的第3实施方式，根据图16进行说明。还有，对与图l的微粒成分的测量装置相同的构件赋予相同的符号，对其省略详细说明。该第3实施方式不实施激光雷达测量，因此与第1以及第2的实施方式不同点为不使用受光望远镜19。首先，将大气中的微粒收集微粒在填充壳27内。超短 脉冲激光15被凹面镜17、表面形状可变镜18以及二色镜28反射后，通过窗29 入射到微粒填充壳27内。超短脉冲激光15通过被凹面镜17以及表面形状可变镜 18反射被聚光。并且通过使表面形状可变镜18的反射面形状如上所述改变，从而 可以控制微粒填充壳27内的光丝14的生成位置或强度。通过微粒填充壳27的超 短脉冲激光15照射在设置于填充壳27内的束流收集器30上。发自光丝14的光和由超短脉冲激光15以及光丝14产生的白色光的散射光透 过窗29达至分色镜28。在这里，分色镜28具有反射超短脉冲激光15且透过测定 物质的发光波长的特性。由此，防止束流收集器30的强激光的散射向光纤束20 入射。发自光丝14的光或白色光通过光纤束20入射在分光仪22内，被分光后通 过ICCD相机23受光而获得发光光谱。将该发光光谱与各物质所固有的光谱进行 对照，鉴定测定对象物质的大气中的微粒的成分。另外，通过改变ICCD相机23 的选通定时来实施迟延时间，从而可以减少产生自光丝14的白色光对发光光谱的 测量带来的影响。在图16中，光纤束20设置在分色镜28的背面，但也可以在微粒填充壳27 的侧面设置另一窗，介于仅透过测定物质的发光波长的滤光器来设置光纤束，从而 测量发自光丝的光。这时，由于将光丝的发光从横方向进行测定，光丝内的发光的 积分效果变小，但可以减少来自束流收集器30的强激光的散射的影响。还有，上述实施方式为本发明的较佳的实施方式之一，但并不局限于该实施 方式，在不超过本发明的内容的范围内可以进行各种变化。例如，在上述说明中作为受光元件使用ICCD相机23，但不局限于ICCD相 机23。例如可以用阵列型半导体元件来代替ICCD相机23。这时，由于不具有图 像增强的增强功能，因此测定感度下降，但与ICCD相机23相比，由于阵列型半 导体元件的价格低，因此可以降低制造成本。适用于测定物质的发光强度强的情况。另外，也可以用光电增倍管来代替ICCD相机23。使用光电增倍管时，可以 有以下两种方法。第一，可以使用一般的一元件光电增倍管。光电增倍管的敏感度高，另外受 光面积也大，因此单一波长的发光强度的测定感度提高。另外，通过将分光器22 的狭缝的宽度变小，也可以提高测定分解能力。但这时，只能测定单一波长的强度，因此为了获得用于鉴定测定物质的成分所需的发光光谱，需要改变分光仪22的衍 射光栅的角度，依次测定相应于各波长的强度。这时，激光的强度或测定物质的浓 度不一定始终稳定，因此在改变衍射光栅的角度时，各波长的激光强度或测定物质 浓度等测定条件有可能发生变化。为此，存在无法正确地测定发光光谱的可能性。 特别是在测定微弱光时，为了改善S/N比需要积分受光信号，但如果在各波长中 长时间地积分受光信号，则测量一个发光光谱需要较长时间。较好是应用于激光强 度以及测定对象物质浓度等测定条件稳定的情况。第二，可以使用多通道光电增倍管。多通道光电增倍管是以阵列状设置的光 电增倍管。如果使用该光电增倍管，则感度高的每一元件的受光面积也大，因此发 光强度的测定感度提高。并且同时可以测量宽的光谱，因此也能够通过积分来改善S/N比。但是，通常多通道光电增倍管的每个通道的面积大，因此不能说波长的分解能力良好。对于具有宽的光谱的物质的测量特别有效。另外，在上述说明中例举了作为表面形状可变镜18，使用基于如示于图6(A) 的一块薄反射镜的可变形镜2，形成局部的凸部9或凹部和大面积的凹部10，生成 产生光丝的起点的步骤、使超短脉冲激光束的能量或周边的强度光斑聚集在中心的 强度光斑的周围的步骤，同时实施的例子方式进行了说明，但可以如图6(B)所示， 将具有局部的凸部9或凹部的第1镜2'和具有大面积的凹部10的第2镜2"的至 少2个镜组合在光路径上，将上述两个步骤用各自的反射镜分前后实施。通过所述 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丝，或通过控制大面 积的凹部的形成位置来随意控制光丝生成的位置。通过将具有该局部凸部9或凹部的第1第1镜2'和具有大面积的凹部10的 第2镜2"组合而形成光丝14时，第1镜2'的局部的凸部9或凹部和第2镜2" 的大面积的凹部IO可以都是不会变位或变形的固定的结构，也可以是分别可动的 结构。例如，也可以如图17所示，超短脉冲激光的光路上配置具有局部的凸部9 的第1反射镜2'和由在光束截面的相应于局部的凸部9的周围的位置上形成大面 积的凹部10的可变形镜形成的第2反射镜2"，在超短脉冲激光15通过该第1以 及第2镜2' ， 2"之间反射时，光束截面的任意部位上生成强度光斑，在该强度 光斑周围，或者在形成多个强度光斑中的任意一个光斑或在多个强度光斑的周围聚 集超短脉冲激光15的能量或周围的强度光斑。在这里，可以独立控制第l反射镜 2'和第2反射镜2"，因此通过能够将第1反射镜2'在X-Y方向进行控制，从 而可以改变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，由可变形镜形成的第2反射镜2"，在其可变形镜的背面具备分别可独立控制的多个调节器 8，因此通过调节器8的驱动使反射面成为任意曲率的大面积的凹部10或控制大面积的凹部IO的曲率中心位置、形状等，从而随意控制在光束截面上的光丝的形成 位置、强度、密度等。另外第1反射镜2'根据情况预备另一个局部的凸部9形 成在不同位置上的镜，可以通过两者更换，改变局部的凸部9或凹部的位置的变化。另外，在上述实施方式中例示了在可变形镜2的背面上用粘结剂7直接粘结 支杆3的结构，但也可以将调节器8的驱动元件本身或固定在驱动元件上的构件的 前端部直接粘结在镜的背面，将可变形镜2用调节器8直接进行支持。另外，在上述说明中设置大面积的凹部10，将在光丝14的周围反射的超短脉 冲激光15的能量或周围的强度光斑聚集在成为光丝14产生的起点的强度光斑的周 围，但也可以省略大面积的凹部10。另外，在上述说明中，通过超短脉冲激光15的照射生成光丝14，使光丝14 照射在测量对象的微粒上，从而产生等离子体，但也可以通过将超短脉冲激光15 聚光在微粒上，从而产生等离子体。另外，上述实施方式涉及大气中悬浮的微粒的测量，但不局限于这些，可以 适用于例如活体或液体中的微粒的测量。实施例1进行确认本发明效果的试验。利用超短脉冲激光15进行海盐微粒中的Na的 原位测量。图18表示其试验体系。用超声波加湿器(微粒发生装置)31将饱和食盐 水(150g/500ml)微粒化，生成人工海盐微粒。利用未图示的激光的粒径测定装置 (Oxford lasers; VisiSizer)进行测定时，气溶胶(海盐微粒)的粒径为10um以下。将 生成的海盐微粒喷至内径20cm、长度5m的圆筒32中。使用的激光装置为线性脉 冲增幅的毫微微秒掺钛蓝宝石激光装置。将脉冲能量为130mJ、脉冲幅为70fs、峰 输出为2TW、脉冲频率为10Hz的激光用焦距20m的凹面镜17进行聚光，照射在 海盐微粒上。聚光后约18m位置上，使用在相对于激光推进方向的后方以23度角 度设置的光纤束20，将海盐微粒的发光导光至焦距460mm的分光器22内。分光 的光谱被ICCD相机23受光。在图19中表示海盐微粒发光测量点的激光束截面和生成的多条光丝的形状。 激光束中观察得到的多个亮点为光丝14。图2为参考图，将入射至充满着水蒸气 的圆筒中的激光多条重叠的图。观察到一条一条的光丝14传播的状态。在海盐微粒上照射光丝14时的光谱测定结果示于图21(a)。使测量时的ICCD相机23的选通定时为20ns。超短脉冲激光15的照射时间约为10ns。首先，将分 光器22的中心波长设定为800nm，发现最强地观察到掺钛蓝宝石激光的基本波以 及基于自身的相位变调产生的白色光的ICCD相机23的选通定时。将从该时间分 别迟延20ns、 40ns、 120ns时的分光光谱示于图21(a)。另夕卜，将作为对照光谱的溶 解食盐的酒精灯的发光光谱示于图21(b)。明显地观察得到Na的D" 02线。根据图21(a)，在海盐微粒中照射光丝14时的迟延的时间为20ns时(施加20ns 时间迟延时)，可以明显地观察得到Na的发光。迟延时间为40ns(40ns的时间迟延) 时几乎观察不到Na的发光，迟延时间为120ns(120ns的时间迟延)时完全没有观察 到。可知迟延时间为20ns时在长的波长侧的信号强度缓慢上升的原因是由于产生 白色光，且伴随迟延时间的加长白色光强度也在减弱。迟延时间为O时，即ICCD 相机23的选通定时与激光照射几乎相同时，被白色光的光谱覆盖，因此观察不到 Na的发光。由以上的结果表示通过调整ICCD相机23的选通定时，测定在光丝 14中产生的等离子体的发光光谱，从而能够进行海盐微粒的鉴定。实施例2基于上述结果进行海盐微粒的激光雷达测量试验。其试验体系示于图22。与 上述原位测量相同，将超短脉冲激光15由焦距约为20m的凹面镜17聚光，从而 生成光丝14，照射在人工生成的海盐微粒中。受光望远镜19是主镜直径为12.5 英寸、焦距为1.5m的牛顿型，在离海盐微粒约20m的前方与超短脉冲激光同轴地 进行设置。由受光望远镜19聚光的光通过光纤束20入射至分光器22中。输出自 光纤束20的光通过焦距为460mm的分光器22分光，由ICCD相机23受光。测定的结果示于图23。示于图23(b)的对照光谱是溶解食盐的酒精灯的发光光 谱，明显地观察得到Na的D,线和02线。示于图23(a)的光谱是将Tcube激光照射 海盐微粒进行远距离测量而获得的光谱，减去了在未照射激光的状态下测定的空白 值。这时，使对激光的ICCD相机23的迟延的选通定时与上述原位测量相同地为 20ns。根据光谱的形状明显地观察得到海盐微粒中Na的D,线和D2线。由上述结 果，可以确定利用本发明能够实施粒径为10"m以下的微粒的激光雷达测量。
权利要求
1.微粒成分测量方法，其特征在于通过将超短脉冲激光向微粒聚光而产生等离子体，基于所述等离子体的发光光谱测量所述微粒的成分。
2. 如权利要求1所述的微粒成分测量方法，其特征在于，所述超短脉冲激光包 含通过其照射产生的光丝。
3. 如权利要求2所述的微粒成分测量方法，其特征在于，将超短脉冲激光照射 在具有局部的凸部或凹部的反射镜上，基于所述局部的凸部或凹部反射的光束截面 的任意部位形成强度光斑而作为产生所述光丝的起点。
4. 如权利要求3所述的微粒成分测量方法，其特征在于，在所述反射镜的所述 局部的凸部或凹部的周围设置与所述局部的凸部或凹部相比为大面积的凹部，基于 所述大面积的凹部使反射在所述光丝周围的超短脉冲激光的能量或周围的强度光 斑聚集在成为产生所述光丝的起点的强度光斑的周围。
5. 如权利要求2所述的微粒成分测量方法，其特征在于，将所述超短脉冲激光 照射在具有局部的凸部或凹部的反射镜上，基于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强度光斑，从而作为形成产生光丝的起点的同时，将超短脉 冲激光也照射于在光束截面的相应于局部的凸部或凹部的周围的位置具有与局部 的凸部或凹部相比为大面积的凹部的反射镜上，基于大面积的凹部使反射的超短脉 冲激光的能量或周边的强度光斑聚集在成为产生光丝的起点的强度光斑的周围
6. 如权利要求3所述的微粒成分测量方法，其特征在于，所述反射镜为反射面 可任意变形的可变形镜。
7. 如权利要求1所述的微粒成分测量方法，其特征在于，在所述发光光谱的测 量时实施时间的延迟，减少白色光光谱的强度。
8. 如权利要求1所述的微粒成分测量方法，其特征在于，将发自所述等离子体 的光用受光望远镜聚光。
9. 微粒成分测量装置，其特征在于，具备输出超短脉冲激光的激光装置、将所 述超短脉冲激光聚光且向微粒照射的聚光装置、接受基于所述超短脉冲激光的聚光 而产生自微粒的等离子体的发光的受光装置以及基于所述等离子体的发光光谱鉴 定微粒成分的光谱分析装置。
10. 如权利要求9所述的微粒成分测量装置，其特征在于，所述聚光装置为在所述超短脉冲激光的聚光过程中在所述超短脉冲激光中形成强度光斑而生成光丝 的装置。
11. 如权利要求10所述的微粒成分测量装置，其特征在于，所述聚光装置包含 具有局部的凸部或凹部的反射镜，将超短脉冲激光照射在所述反射镜上，基于所述 局部的凸部或凹部反射的光束截面的任意部位形成强度光斑而作为产生所述光丝 的起点。
12. 如权利要求11所述的微粒成分测量装置，其特征在于，所述聚光装置的反 射镜在局部的凸部或凹部的周围再设置与局部的凸部或凹部相比为大面积的凹部， 基于所述大面积的凹部使反射在光丝周围的超短脉冲激光束的能量或周围的强度 光斑聚集在成为产生光丝的起点的强度光斑的周围。
13. 如权利要求11所述的微粒成分测量装置，其特征在于，所述聚光装置具备配置在超短脉冲激光束的聚光路径上而连续地反射超短脉冲激光束的第1反射镜和第2反射镜，第1反射镜的反射面上具有局部的凸部或凹部，并且所述第2反射 镜具有在光束截面的相应于局部的凸部或凹部周围的位置形成与所述第1反射镜 的局部的凸部或凹部相比为大面积的凹部的反射面，在由所述第1反射镜反射的光 束截面的任意部位形成强度光斑的同时将由所述第2反射镜反射的超短脉冲激光 束的能量或周围的强度光斑聚集在成为产生光丝的起点的所述强度光斑的周围。
14. 如权利要求11所述的微粒成分测量装置，其特征在于，所述反射镜为反射 面可任意变形的可变形镜。
15. 如权利要求9所述的微粒成分测量装置，其特征在于，所述受光装置通过 在发光光谱的测量时实施时间的延迟，减少白色光光谱的强度。
16. 如权利要求9所述的微粒成分测量装置，其特征在于，所述受光装置具备 聚光发自微粒的等离子体的光的受光望远镜。
全文摘要
本发明通过将输出自激光装置16的超短脉冲激光15聚光，向纳米粒或微米粒照射而产生等离子体，更好是利用在超短脉冲激光15中生成的光丝14产生等离子体，基于该等离子体的发光光谱测量微粒成分。
文档编号G01N21/63GK101268357SQ200680034289
公开日2008年9月17日 申请日期2006年9月20日 优先权日2005年9月20日
发明者三木惠, 名雪琢弥, 后藤直彦, 根本孝七, 田中伸幸, 藤井隆 申请人:财团法人电力中央研究所