JP2000002647A - 微粒子のブレイクダウン特性の測定装置およびその測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微粒子のブレイクダウン音響波の波高値とレ
ーザービームパワー密度の関係を正確に求めることが可
能な微粒子のブレイクダウン特性の測定装置および測定
方法を提供することである。 【解決手段】 試料セル中の試料液にパルス状のレーザ
ービームを所定数照射するレーザービーム照射手段１
と、所定数のレーザービームの照射によって発生したブ
レイクダウン音響波を検出する音響波検出手段５と、検
出された音響波を波形として記録する波形記録手段６
と、記録した音響波の波形群の中で最大のピーク値を求
める波形解析手段７とを備えた構成にしてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微粒子のブレイク
ダウン特性の測定装置およびその測定方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来から行われている超純水、水、試薬
液等の液体（以下、試料液という）にレーザービームを
照射し、レーザービームの集光部位における試料液中の
粒子状物質（以下、微粒子という）のブレイクダウンに
よる音響波を検出することによって試料液中の微粒子を
測定する方法（以下、ブレイクダウン法という）では、
文献（北森他、Japanese Journal of Applied Physics,
Vol. 27, No.6 (1988)pp. L983-L985.) などに記載の
ように、パルスレーザービームをレンズで集光すること
によって、レーザービームの集光領域での高いパワー密
度によって物質が熱破壊または絶縁破壊（以下、ブレイ
クダウンという）するときに発生する音響波（以下、ブ
レイクダウン音響波という）を音響波センサーで検出し
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】レーザービームの集光
領域においては、レーザービームのパワー密度が一定で
なく、ガウス分布などのパワー密度分布が生じるため、
そこで発生するブレイクダウン音響波は、一定のパワー
密度で発生したブレイクダウン音響波ではなく、強度の
異なるパワー密度で発生したブレイクダウン音響波が一
緒に混在した状態で測定される。そのため、微粒子のブ
レイクダウン音響波の強度を示す音響波の波高値として
は、得られた波高値の平均値が用いられていた。しか
し、音響波の波高値のばらつきが大きいため、或る一定
のパワー密度によって生じるブレイクダウン音響波の波
高値を正確に測定することが困難である。その結果、微
粒子のブレイクダウン音響波の波高値とレーザービーム
のパワー密度の関係を正確に求めることが困難である。

【０００４】本発明は微粒子のブレイクダウン音響波の
波高値とレーザービームパワー密度の関係を正確に求め
ることが可能な測定装置および測定方法を提供すること
を目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明のブレイクダウン特性の測定装置は、試料セ
ル中の試料液にパルス状のレーザービームを所定数照射
するレーザービーム照射手段と、所定数のレーザービー
ムの照射によって発生したブレイクダウン音響波を検出
する音響波検出手段と、検出された音響波を波形として
記録する波形記録手段と、記録した音響波の波形群の中
で最大のピーク値を求める波形解析手段とを備えた構成
であることを特徴とするものである。

【０００６】また、本発明のブレイクダウン特性の測定
方法は試料セル中の試料液にパルス状のレーザービーム
を所定数照射すること、所定数のレーザービームの照射
によって発生したブレイクダウン音響波を検出するこ
と、検出された音響波を波形として記録すること、記録
した音響波の波形群の中で最大のピーク値を求めること
からなるものである。

【０００７】

【発明の実施の態様】図１は本発明の微粒子のブレイク
ダウン特性の測定装置の構成の一実施態様の概略図、図
２はレーザービーム集光領域における微粒子のブレーク
ダウン位置と音響波検出器の位置の関係を示す模式図、
図３は集光領域におけるレーザービーム断面のパワー密
度分布を示す模式図、図４は所定数照射されたレーザビ
ームによって得られた音響波の波形分布を示す模式図で
あって、微粒子のブレイクダウン特性の測定装置は光源
である所定波長のレーザービーム２０を発生させるレー
ザービーム照射手段１と、レーザービーム照射手段１か
ら発振されたレーザービームを所定のパワー密度に制御
する光パワー密度制御手段２と、レーザービームを集光
させる集光レンズ３と、断面形状が矩形状または円形状
で長手方向の一端部に透過光用窓４ｂが、周壁部４ａに
微粒子４０を含有する試料液３０を供給する試料液入口
４ｃと試料液３０を送出する試料液出口４ｄとが設けら
れていると共に透過光用窓（石英製板ガラス）４ｂが集
光レンズ３と対向するように接着されたステンレス鋼製
の試料セル４と、該試料セル４の周壁部４ａに試料セル
４の中心部（レーザービームの集光部位）から半径方向
にＬ（５ｍｍ）ずらした位置に取り付けられた試料液３
０中の微粒子４０のレーザーブレイクダウンにより発生
した音響はパルスを検出する音響波検出手段５と、該音
響波検出手段５によって検出された電気信号を波形とし
て記憶する波形記憶手段６と、音響波の波形群の中から
最大の波高値を求める波形解析手段７と、レーザービー
ムのパワー密度の設定値が変えられ、変更後のパワー密
度で所定数（ショット数）のレーザービームの照射が行
われるようにレーザービーム照射手段１および光パワー
密度制御手段２に制御信号を送るレーザー制御手段８
と、得られたパワー密度（Ｐ）と最大波高値（Ｈ）から
ＰとＨの関係式等が最小二乗近似法によって求められる
演算処理機能を有すると共にプリンタ、ディスプレイ
（ＣＲＴ）等にそれ等を出力する演算出力手段９とによ
り構成されている。

【０００８】レーザービーム照射手段１は試料液（超純
水、試薬液、水）による吸収が無い波長で、かつレーザ
ービームの焦点で大きなパワー密度を得ることができる
パルスＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｍｎ、パ
ルス幅５ｎｓ）を用い、レーザーパルスの繰り返し周波
数は少なくとも１０Ｈｚで照射できる照射器を使用す
る。

【０００９】集光レンズ３は焦点距離６０ｍｍのシリン
ドリカルレンズを使用する。

【００１０】試料セル４は合成樹脂製板、合成樹脂製筒
によって製作することができる透過光用窓４ｂは石英製
板ガラスを直接試料セル４に取り付けず、試料セル４の
端部に周方向に突出するフランジを設けて該フランジ部
にＯリング等のシール材装着用溝を形成し、透過光用窓
４ｂをフランジと略同形状の枠体によって押圧するよう
にボルトによって取り付ける覗き窓のような構成にする
ことができる。

【００１１】音響波検出手段５は試料液との音響的なマ
ッチングがよく、広帯域において鋭いインパルス応答が
得られるＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）製の高分子
圧電膜音響波センサーを使用し、試料セル４の周壁部４
ａに該音響波センサー５と略同形状の孔を穿設すると共
にＯリング溝を形成して受信面が試料液３０と直接接触
するように壁部の内周面と略同一あるいは少し突出した
状態になるようにシール用Ｏリング（図示せず）によっ
て支持された状態で取り付ける。

【００１２】上述の試料セル４の試料液入口４ｃには試
料液供給用管（図示せず）が連結され、試料液出口４ｄ
には試料液吸引用の定量ポンプ等を有する試料液送出用
管（図示せず）が連結されている。該試料液供給用管と
試料液送出用管は合成樹脂管あるいはステンレス鋼管を
使用する。

【００１３】波形記録手段６はストレージオシロスコー
プ等を使用する。

【００１４】上述の波形記録手段６、波形解析手段７、
レーザー制御手段８、演算出力手段９は１台のコンピュ
ータによって機能させることができる。

【００１５】先ず、レーザービームの集光領域のパワー
密度分布と微粒子のブレイクダウン位置の関係を模式的
に示した図２および図３を用いてその作用について説明
する。

【００１６】シングルモードの発振を行うレーザービー
ム２０を集光レンズ３によって集光すると、焦点の位置
では図２に示すようなビームウェストと呼ばれるレーザ
ービームのくびれが生じ、焦点における光軸（図２にお
けるＺ軸）に垂直な面内（半径ｒ方向）では、図３に示
すようなガウス分布に従う強度分布となる。

【００１７】ｒ＝ｒ0 の位置のパワー密度が微粒子のブ
レイクダウン閾値Ｐ0 に等しいとすると、微粒子のブレ
イクダウン領域は−ｒ0 ≦ｒ≦ｒ0 の範囲となる。

【００１８】従って、図４に示されるように、焦点にお
いて光軸に垂直な面内に位置する音響波検出手段５によ
って検出された音響波には、ブレイクダウン位置から音
響波検出器までの距離の差による時間差、すなわちレー
ザービーム照射後の波形のピークの時間的な分布と、波
形の強度分布が発生する。音響波のピークの波高値はブ
レイクダウン領域のパワー密度に比例するため、図３の
ｒ＝０の位置（ビームウェストの中心）で発生したブレ
イクダウン音響波が、図４の矢印４０-1で示すように、
波形群の中で最大の波高値となる。第２図で示すよう
に、例えば、位置４０-2、４０-3、４０-4で発生した音
響波よりも、位置４０-1で発生した音響波の波高値が最
大の波高値となる。

【００１９】従って、波形群の中から最大波高値の波形
を求めることによって、微粒子がレーザービームのピー
クパワー密度（図３におけるＰｍａｘ）でブレイクダウ
ンしたときの波形を求めることができる。そのため、照
射するレーザービームのパワー密度の設定を順次変化さ
せて、各ピークパワー密度に対する最大波高値を測定す
ることにより、パワー密度と波高値の関係を正確に測定
することができる。

【００２０】上述のブレイクダウン特性測定装置を使用
して粒径０．０４と０．５５μｍのポリスチレン粒子と
シリカ粒子、および０．０２５μｍのフィルターで濾過
した超純水を試料セル３に供給し、レーザービーム照射
手段１によって波長５３２ｍｎ、パルス幅５ｎｓ、レー
ザーパルスの繰り返し周波数１０Ｈｚで２０００ショッ
ト照射してレーザーパワー密度と音響波の波高値の関係
の測定したところ図５に示すような結果を得ることがで
きた。

【００２１】これに対して、従来の方法で得られた全て
の音響波の平均値を各パワー密度毎にプロットした結果
は図６に示される通りであり、図５と図６を比較すると
微粒子の種類や粒径によるパワー密度と音響波波高値の
特性の差異が明瞭に出ていることが判る。この様に、本
発明の方法によれば、同一の粒径であってもポリスチレ
ン粒子はシリカ粒子より波高値が高いことや、粒径０．
５５μｍの粒子が粒径０．０４μｍの粒子より波高値が
高いことが判る。

【００２２】

【発明の効果】本発明のブレイクダウン特性測定装置お
よびその測定方法によれば、検出された音響波の波形群
の中における最大のピーク値である最大波高値の波形が
レーザービームの最大パワー密度で微粒子がブレイクダ
ウンしたときの音響波に対応するため、パワー密度と波
高値の関係を正確に測定することができる。その結果、
微粒子の材質や粒径による微粒子のブレイクダウン特性
を正確に把握することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のブレイクダウン特性測定装置に関する
実施例の構成図、

【図２】レーザービーム集光領域の微粒子のブレイクダ
ウン位置と検出器の位置の関係を示す模式図、

【図３】集光領域のビーム断面のパワー密度分布を示す
模式図である。

【図４】繰り返しレーザーパルス照射によって得られた
音響波の波形分布を示す模式図である。

【図５】本発明におけるパワー密度と最大波高値の関係
の測定例を示す図である。

【図６】従来の方法におけるパワー密度と平均波高値の
関係の測定例を示す図である。

【符号の説明】

１ レーザービーム照射手段 ２ 光パワー密度制御手段 ３ 集光レンズ ４ 試料セル ５ 音響波検出手段 ６ 波形記録手段 ７ 波形解析手段 ８ レーザー制御手段 ９ 演算出力手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料セル中の試料液にパルス状のレーザ
   ービームを所定数照射するレーザビーム照射手段と、所
   定数のレーザービームの照射によって発生したブレイク
   ダウン音響波を検出する音響波検出手段と、検出された
   音響波を波形として記録する波形記録手段と、記録した
   音響波の波形群の中で最大のピーク値を求める波形解析
   手段とを備えていることを特徴とする微粒子のブレイク
   ダウン特性の測定装置。
2. 【請求項２】 試料セル中の試料液にパルス状のレーザ
   ービームを所定数照射すること、所定数のレーザービー
   ムの照射によって発生したブレイクダウン音響波を検出
   すること、検出された音響波を波形として記録するこ
   と、記録した音響波の波形群の中で最大のピーク値を求
   めることを有することを特徴とする微粒子のブレイクダ
   ウン特性の測定方法。