CN1290415A - 光反应装置 - Google Patents
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Abstract
由多个相对峙的凹面镜使激光发生多次反射,使其反射光路集中而形成光子密度高的反应空间,将气体、液体、固体、等离子体、粒子束、电子束之类的反应对象引入此反应空间,通过和激光的相互作用而引起光激励、光电离、光分解、光分离、光合成、光生成、光分析等等的光反应。
Description
技术领域
本发明涉及到由多个相对峙的凹面镜使激光多次反射、使这种反射光路集中起来形成光子密度高的反应空间，将气体、液体、固体、等离子体、粒子束、电子束之类的反应对象引入此反应空间，经过和激光的相互作用而引起光激励、光电离、光分解、光分离、光合成、光生成、光分析等的光反应的装置。
背景技术
气体、液体、固体、粒子束等和构成它们的原子、分子相对应的、某一特定波长的激光发生强的光反应。为进行这种光反应的以往技术一般是使用将两个曲面镜相对放置的光谐振器，在其中进行光反应。在这种情况下，光子密度高的空间集中在中心部分的一点处。这一部分极窄极短，能和通过这里的原子和分子发生光反应的时间也短。并且为了确保储存光的能力，有必要将曲面镜上开的洞尽量做得小些以降低损耗，使得应该向其反应空间导入的光和原子、分子的导入变得很困难。另外最近为了提高其强度，激光本身也有超短脉冲化的倾向。为此，使反应空间在时间和空间上都极小化，结果使光反应的发生变得困难了。
然而，为使光反应发生而入射的气体流和粒子束，需要轴上的宽大的孔(称为孔径)作为入射、出射孔，而且其多是密度低同时反应度低的。为了使这样的气体流和粒子束充分与激光发生光反应，需要在时间或空间上长度足够大的反应范围。
发明的公开
本申请发明的目的在于解决这样的问题，即提供能高效利用激光的新型的光反应装置。为此，更具体地说，是以提供能够确保用于将作为光反应对象的气体流和粒子束导入反应空间的宽大孔径，能够确保光子密度高的大的反应空间，能够确保更长的反应时间的光反应装置为目的。
为了解决上述课题，本申请的发明的光反应装置包含有由以公共的轴为中心配置成环形的多个凹面镜组成的相对峙并成对的第一和第二镜面群。由激光发生装置发生的激光经由激光导入装置被导入到从第一镜面群中选取的一个凹面镜。属于第一镜面群的各个凹面镜被配置得使入射激光反射并通过轴上的一定位置，使反射光入射到第二镜面群中对应的一个凹面镜。由此，在反射光重叠的位置即形成光子密度高的反应空间。再有，属于第二镜面群的各个凹面镜被配置得使从第一镜面群中的一个凹面镜入射的激光反射，并使激光入射到与其邻接的相邻凹面镜。从而，激光依次在第一和第二镜面群的圆周方向移动，同时反复来往于第一镜面和第二镜面群之间。在激光多次通过的反应空间，使反应对象和激光发生相互作用。
在本申请的发明的光反应装置中，能够配置得使被入射到第一镜面群中各凹面镜的激光作为集中光束反射并聚焦于轴上的一定位置后，再使反射光入射到第二个镜面群中的对应的一个凹面镜。由此可以在反射光的焦点重叠的位置形成光子密度高的反应空间。
图面的简单说明
图1为表示本发明的光反应装置的概况的图，(a)为侧面图，(b)、(c)为各个镜面群的正面图。
图2为表示在本发明的光反应装置的镜面群之间往来的激光的光路的说明图，(a)表示激光发出的光路，(b)表示激光返回的光路。
图3为表示由本发明的光反应装置进行的气体和激光的光反应的说明图。
图4为表示由本发明的光反应装置得到波长变换了的激光的方法的说明图。
图5为表示使本发明的光反应装置应用于荷电变换装置的方法的说明图。
图6为表示使本发明的光反应装置应用于多价离子源的方法的说明图。
图7为表示使本发明的光反应装置应用于微量物分析装置的方法的说明图。
图8为表示使本发明的光反应装置应用于微量物分析装置的方法的说明图。
图9为表示使本发明的光反应装置应用于微量物分解装置的方法的说明图。
图10为表示本发明的光反应装置中的两级激励法的说明图。
实现发明的最佳形式
参照图面对本发明的实现形式进行说明。图1为表示本发明的光反应装置的概况的图，(a)为侧面图，(b)、(c)为各个镜面群的正面图。图2表示在镜面群A、B之间往来的激光的光路L1、L2。
光反应装置11有相互相对放置的一对镜面群A、B。镜面群A将多个凹面镜A1、A2、…、An以轴O为中心呈环形配置而成。镜面群B将多个凹面镜B1、B2、…、Bn以轴O为中心呈环形配置而成。在图1上表示镜面群A、B各由12个凹面镜组成(n=12的情况)的情况。在镜面群A、B的环的内侧形成用于导入电子束的开口Ap。在图1(a)中表现出镜面群A、B侧面看来被排列成圆弧形，但这是为便于表示属于镜面群A的各凹面镜An的焦距相等的示意性示图，实际上侧面看来被排列在平面上。
属于镜面群A的各凹面镜An被配置得能反射入射的激光L、使其聚焦于轴O上的一定位置处，再将反射光入射到第二个镜面群B中的对应的一个凹面镜Bm。在这里，从凹面镜An指向凹面镜Bn的、在其中间聚焦的激光的光路L1被称为「往路」。
属于第二个镜面群B的各凹面镜Bn被配置得能反射从镜面群A中的对应的一个凹面镜An入射的激光L1、将激光入射到和镜面群A中的凹面镜An在φ方向相邻接的相邻凹面镜An+1。在这里，从凹面镜Bn指向凹面镜An+1的激光的光路L2被称为「复路」。从而，被导入镜面群A、B的激光L按A1-B1-A2-B2…An-Bn-An+1的方式使反射光在镜面群A、B的环形的圆周方向(φ方向)顺序移动、来回反射。在图1上为简单起见，仅表示了从凹面镜A1到A6部分的来回往复的激光线的光路。
令从凹面镜An向凹面镜Bn的往路L1的镜面间距离为2Z，设定凹面镜An、Bn的曲率半径分别为2Z。在图1上，从B12的位置，如果激光通过例如望远镜以平行光束入射到凹面镜A1，则经凹面镜A1反射的光L1聚焦于轴O上的Oa点处，然后逐渐变宽而到达凹面镜B1。由于凹面镜B1和凹面镜A1的焦距相等，由凹面镜B1反射的光L2成为平行光束进到凹面镜A2。经凹面镜A2反射并聚焦于Oa点处。如此依次反复。这种情况下往路的光L1全部聚焦于Oa点处，复路的光L2全部成为平行光束。
反之，如果对于凹面镜A1作为集中光束入射激光，使其反射光成为平行光束，则经镜面群A反射的往路光L1完全成为平行光，通过轴O上的Oa点朝向镜面群B，被其反射的复路光L2再次作为集中光束返回镜面群A，如此反复进行反射。在这种情况下，激光作为平行光束在点Oa处多次重叠，在此形成光子密度高的反应空间。由于复路光L2也集中在点Oa附近的比较狭窄的空间，根据情况复路光L2也能为光反应所利用。
例如在激光从B12位置(假定此位置无凹面镜)入射的情况下，在镜面群A、B之间转了一圈的光从B12位置射出。从而，使用置于其外部的包含有(使偏振面旋转90°的)光学开关等的光学回路能将光导入、使其多次反回再重复入射。由此可以将激光存放在镜面群A、B之间。另外，由于在SHG(第二高次谐波发生器)处波长改变而总是能够导入光。再者，对激光的入射、出射位置及其方法不受这个限制。
在凹面镜上光相对其法线倾斜反射时由于像差图像会变形，但由于使其旋转至φ方向再反射，旋转角每180°可将其像差抵消。从而能够反复进行很长距离的反射。能够使激光在镜面群A、B间来回运行的次数由镜面的反射损失决定。经一次反射可以得到0．999的光子密度，经两次光子密度下降到0．9992，对全部取它们的和，在光的交叉部分可以得到1000倍(1／(1-0．999)=1000)的光子密度。
从而，如果将气体、液体、固体、等离子体、粒子束、电子束之类的反应对象沿轴O引入镜面群A、B间，则在激光多次聚焦的Oa点附近的反应空间F处反应对象和激光相互作用可以得到所希望的光反应。
储存在此光反应装置的激光脉冲有以下3种形式：
(1)单·短脉冲储存：比镜面间距离短的大功率光脉冲只放入一个脉冲，使和镜面间飞行时间相等时间间隔的脉冲串反复对电子束发生作用。(2)多重短脉冲储存：和镜面间飞行时间相等周期的短脉冲放入多个脉冲，储存在镜面群之间。(3)长脉冲储存：使用比镜面间距离的2倍更长的光脉冲，使成为在镜面群之间常有激光存在的状态。如果用这些方法将激光导入镜面群之间，不论在何种情况，光也能够重叠在光路交叉的镜面群之间的中心部分并使光子密度增高。
在进入反应空间的是具有速度V的粒子束的情况下，按照相对论，光能量密度由于洛伦兹收缩而变成γ(1-β·cosθ)倍，另外由于多普勒效应，光的波长变为γ(1-β·cosθ)分之一。这里β为V／C，γ为(1-β2)-1／2，而θ为在反应空间F形成的激光的光束和粒子束的交叉角。从而，靠着对粒子束的速度、交叉角的选择，能提高适当的激光器实际输出功率、或对适当的激光波长进行选择和调整。
[使原子和分子的气体发生光反应的情况]
如图3所表示的那样，在本发明的光反应装置的反应空间F中作为反应对象使气体G通过时，能够和激光L发生光反应(光激励及其他)。
例如，选择适当波长的激光在导管内形成反应空间F。将二噁英气、NoX气等的气体G导入此反应空间F，能够高效率地对它们进行光分解。或者如果导入氧气G的话，能够光合成臭氧。也就是说，由于原子和分子的气体G和反应空间F的激光发生光反应，光分解、光处理、光合成或光分析都可以进行。
[利用液体或固体的波长变换元件发生波长变换了的激光的情况]
如图4所表示的那样，在反应空间F中作为反应对象配置有液体或固体的波长变换元件CE，由适当的激光进行激励，由另行在轴O上配置的光谐振器RE振荡产生特定波长的激光。使液体或固体的波长变换元件从流入口IN流入而配置在反应空间F，由激光L进行激励。由此使波长变换了的激光产生。波长变换了的激光L3储存在光谐振器RE为希望的目的所利用。
[将粒子束进行荷电变换的情况]
如图5所表示的那样，将由激光发生器LA发生的激光L导入镜面群A、B间，形成反应空间F。在反应空间F导入作为反应对象的高能量的氢分子束H0，由于和激光L的相互作用而被高效率地激励。被激励的氢束由包围着反应空间设置的用于荷电变换的磁铁U产生的磁场电离进行荷电变换。由于电离了的氢离子(H+)经环形加速器RA在镜面群A、B间循环，可以利用作为环形加速器RA的荷电变换部分。
[作为多价离子源利用的情况]
如图6所表示的那样，将由离子源来的离子束IB导入反应空间F，因光学电离很多电子被剥掉，能够使之成为电荷数多的多价离子。也就是说，将激光发生器LA发生的激光L导入镜面群A、B间而形成反应空间F。将从离子源来的离子束IB导入此反应空间F，在反应空间F中对此离子束进行激励使电荷数增加而发生多价离子束。在加速部分对多价离子束进行加速。具体地说，由于从离子源将一价氧离子导入反应空间F使之成为8价的多价离子，在加速部分能加速到8倍的能量。
[应用于微量物分析装置的情况]
使本发明的光反应装置应用于微量物分析装置的情况，如图7所表示的那样，设置有引入了排出气体G流动的导管D的真空室V。真空室V可以由真空泵21抽真空。在用于将排出气体G取入真空室V的导管D处设置有压缩器对排出气体G进行一次压缩。气体G经由压缩器6的阀门通过喷嘴N喷射在真空室V内。气体因喷射而膨胀并冷却。喷嘴N将喷射口向着真空室V内形成的反应空间F配置。光反应装置11使得排出气体G中的例如微量的二噁英发生共振电离。对光反应装置11从真空室V的外部供给激光L。在真空室V的外部，为了能够对应二噁英那样的成为对象的微量物选择特定波长的激光供给光反应装置11而设置有激光发生器LA、光开关7、偏振片8和反射镜9。特定波长的激光具有只对特定的物质发生共振并能电离的性质。如果对于例如二噁英应用长脉冲法、使用2纳秒长度的长脉冲的大输出功率激光的话，能够不分解二噁英的分子、以其原来状态仅剥掉电子而使之离子化。在真空室V处设置有离子捕集向导10，这是一种电吸附装置。离子捕集向导10根据其电荷而捕获离子化的二噁英。被离子捕集向导10捕获的二噁英被送到飞行时间质量分析器12进行分析、检测，将质谱表示在监视器13上。再从其质谱上能够对二噁英进行量和质的分析。
[应用于有害微量物除去装置的情况]
如图8所表示的那样，在排气导管D的途中安置上光反应装置11、设置光圈15，用短脉冲法使二噁英电离。在这种情况下，是以分解、无害化为目的，由于不需要超高灵敏度，不对排出气体G进行压缩，而是在大气压的原来状况下发生反应。
[作为X射线发生装置利用的情况]
图9表示将光反应装置11应用于X射线的发生的情况的概念图。11是光反应装置，LA是激光发生装置，23是SHG(第二高次谐波发生器)，24为分色镜，A、B分别为镜面群。镜面群A、B被设置在真空室V内。选取某个波长的激光L导入光反应装置11内，使激光L集中起来形成光子密度高的反应空间F。在真空室V内的反应空间F处沿轴O导入电子束E，使其和激光L发生相互作用。可以认为，作为光的粒子的激光和电子束相碰撞，由于光子束的散射而发生X射线。如果使作为十分强的电磁波的激光作为周期地施加电磁力的波动器而起作用，即发生X射线的辐射光。X是由于逆康普顿散射或由于和波动器的作用而发生的X射线，Ef是散射电子。
[两级激励]
如图10所表示的那样，此光反应装置11是将两组镜面群A、B和A’、B’共同构成反应空间F地并列起来，导入例如红外激光器和YAG-2nd激光器那样的各自波长不同的激光L、L’。如果向反应空间F作为反应对象导入粒子束PB，则作为第一阶段由YAG-2nd激光器进行光反应，而第二阶段由红外激光器进行光反应。
产业上利用的可能性
本发明可以在使某一特定波长的激光和原子或分子的气体，或液体和固体等相互作用、而引起光激励、光电离、光分解、光分离、光合成、光生成、光分析等々的光反应的产业领域中进行利用。
Claims (13)
1．一种光反应装置，其特征在于，备有
分别包括以公共的轴为中心被排列成环状的多个凹面镜，相互相对配置以在两者间形成激光重叠的反应空间的第一和第二镜面群；
产生在这些镜面群之间来回反射的激光的激光发生装置；
将由此激光发生装置发生的激光导入到上述第一和第二镜面群、在第一和第二镜面群之间来回反射规定次数后再导出的激光导入装置；
以及用于将反应对象导入在上述的第一镜面群和上述的第二镜面群之间形成的反应空间的反应对象导入装置；
属于上述的第一镜面群的各个凹面镜被配置得使入射激光反射并通过上述轴上的一定位置，使反射光入射到上述第二镜面群中的对应的一个凹面镜，由此，形成在上述轴上的一定位置处反射光重叠的光子密度高的上述反应空间，
属于第二镜面群的各个凹面镜被配置得使从上述第一镜面群中的对应的一个凹面镜入射的激光反射，并使激光入射到与上述第一镜面群中的对应的一个凹面镜邻接的一个相邻凹面镜，从而在镜面群的圆周方向使反射光依次移动。
2．权利要求1所记载的光反应装置，其特征在于，属于上述第一镜面群的各凹面镜被配置成反射入射激光并聚焦于上述轴上的一定位置后，使反射光入射到上述第二个镜面群中的对应的一个凹面镜，由此形成在上述轴上的一定位置处使焦点重叠的光子密度高的反应空间。
3．权利要求1所记载的光反应装置，其特征在于，由属于上述第一镜面群的各凹面镜反射的光是平行光束，而由属于上述第二镜面群的各凹面镜反射的光是在其行进途中聚焦的会聚束。
4．权利要求1所记载的光反应装置，其特征在于，
共有上述反应空间地一并设置至少两个具备上述第一和第二的镜面群、上述激光发生装置、上述激光导入装置的激光储存装置，
波长各不相同的激光分别被导入上述的激光储存装置中，由此在上述反应空间中使波长不同的多束激光相重叠。
5．权利要求1所记载的光反应装置，其特征在于，导入上述反应空间的反应对象是粒子束，通过和激光的相互作用使激光的实际输出功率增大或实现激光的波长选择。
6．权利要求1所记载的光反应装置，其特征在于，导入上述反应空间的反应对象是波长变换元件，通过和激光的相互作用进行激光的波长变换。
7．权利要求1所记载的光反应装置，其特征在于，导入上述反应空间的反应对象是粒子束，设置有用于荷电变换的磁铁将上述反应空间包围住，由此在上述反应空间产生磁场，用磁场将上述反应空间激励的粒子束电离。
8．权利要求7所记载的光反应装置，其特征在于，上述反应空间被设置在环形加速器的环内，在上述反应空间所激励、由上述磁场电离的粒子被环形加速器加速。
9．权利要求1所记载的光反应装置，其特征在于，导入上述反应空间的反应对象是离子束，通过和激光的相互作用生成多价离子。
10．权利要求1所记载的光反应装置，其特征在于，导入上述反应空间的反应对象是电子束，通过和激光的相互作用使得发生X射线。
11．权利要求1所记载的光反应装置，其特征在于，导入上述反应空间的反应对象是气体，通过和激光的相互作用使其发生光分解。
12．权利要求1所记载的光反应装置，其特征在于，上述反应空间被形成在真空室内，用于将被压缩的上述气体导入上述真空室内的导管将喷嘴前端朝向上述反应空间而设置。
13．权利要求1所记载的光反应装置，其特征在于，导入上述反应空间的反应对象是气体，上述反应空间被形成在真空室内，在上述真空室内、将喷嘴前端朝向上述反应空间而设置导管，被压缩了的上述气体经上述导管被导入上述反应空间，在上述真空室内，进而设置了利用电荷捕获上述气体的离子化分子的离子捕集引导，此离子捕集引导被电连接到离子飞行时间质量分析器，进行分子的分析。
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