JP2008505344A - レーザー環境監視装置 - Google Patents
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Abstract
Description
「フィードバック最適化位相整形フェムト秒レーザパルスによる化学反応の制御」(Assion等)、Science、282巻、919頁、(1998年10月30日) 「レーザーに分子を制御することを教えること」(Judson等)、Physical Review Letters、68巻、10号、1500頁(1992年3月9日)
、防火扉を閉じる、及び/又は建築物から人々を避難させるためにアラームを送信するなどの重大な対抗策を実施する。また、レーザー検出コンピュータは、現在の計算値と履歴傾向を含む適切な警告と情報を司令センター及び消防署8に送る。また、監視装置4は、緊急職員が使用するための環境エリア間の移動と二重汚染を追跡するために建築物内の全ての環境エリアを感知し続ける。さらなる選択肢として、監視装置4のコンピュータ制御装置は、測定された物質に応じて、汚染物質を外部雰囲気に送り出すために建築物の外部排気口及び/又は窓を開くなどの中和動作を実施したり、建築物内のスプリンクラーを作動させたり、及び/又は物質を中和するためにHVAC装置の入口に解毒剤を導入するなどの直接対向策を実施する。
本発明の装置は、このような不利な条件下においてもどの化学物質が存在しているかを決定することに全く問題はない。最後に、テロリスト集団によって新たな化学的脅威が開発された場合には、司令センターは、当該化合物の多次元レーザー分析によって得られる分光シグネチャーを含む新しいライブラリで当該分野における全ての装置を更新することができる。ライブラリへの追加は、実験室における生成に1日未満を要し、アップロード直後に監視装置で利用することができる。
図3及び図4は、レーザー環境監視装置に使用するための本発明の制御装置21にかかる好適な実施形態を全体として示している。装置21は、フェムト秒レーザー23と、上流の回折格子25と、上流の凸面ミラー27と、空間光変調器29と、下流の凹面ミラー31と、下流の回折格子33と、検出装置35と、パーソナルコンピュータ37とを含む。パルス整形器は、回折格子から回折格子までの光学系全体である。以下に説明するように、回折格子はプリズムに取り替えることができ、空間光変調器は可変形ミラー、液晶空間光変調器又は微小電子機械装置(MEMS)であってもよい。パルス整形器は、透過性ではなく反射性であってもよい。また、パルス整形器は音響光学整形器(accousto optic shaper)であってもよい。
ッテルビウムレーザーも望ましい。飛行時間型質量分析計(time of flight mass spectrometer;TOF−MS)及びコンパクトなOcean
Optics分光器が検出のために好ましい。装置全体は、好ましくは振動減衰光学テーブルに設置する。
Eshaped(ω)=Einput(ω)xα(ω)xeiφ(ω)t
式中、a(ω)eiφ(ω)=A[y(ω)/υs]であり、αは周波数であり、eは定数である。
IIPSを使用した評価及び較正のために分光器39に供給される。レーザーの大部分(例えば95%)は、監視のために質量分析計に向かって送られる。
多光子パルス内干渉位相走査(multiphoton intrapulse interference phase scan;以下「MIIPS」という)装置及び方法を、フェムト秒レーザーパルスのスペクトル位相の特性を分析するために本発明の環境監視装置に好ましく採用する。超高速パルスのスペクトルの位相は、様々な形で多光子プロセスに影響を与え得る。位相はパルス長を増加させ、従ってパルスのピーク強度を減少させ、高強度励起下における通常の結果である飽和状態を防止する。また、位相は、電界の変化を分子内の波束力学と同期させるために使用することができる。最後に、位相は、複数の周波数が結合して多光子励起を達成するように干渉を引き起こすために使用することができる。このプロセスは多光子パルス内干渉(以下、「MII」という)として知られている
MII技術と多光子プロセスを制御するための応用は、最小数のパラメータを使用して特定のターゲットを達成するために必要な電界を合理的に設計することに基づくものである。方法は、n次電界の振幅を計算し、制御されている分子の吸収スペクトルと比較することに基づいている。これにより、制御プロセスの良好な物理的理解が得られ、展開学習(evolutionary learning)または同様の方法に基づくコンピュータプログラムによって電界を最適化する実験の解釈に非常に有用となり得る。環境監視に必要な強い電界光開裂とイオン化の場合には、そのような計算は不可能である。従って、各分子を特定するために最適なパルス形状は、学習法を使用して実験的に決定する。
補償を行うことができる。数分以内にパルスが特性分析・補償され、サンプルにおいて変換制限(transform−limited;以下、「TL」という)またはユーザー特定整形パルスが得られる。本発明では、整形器とレーザーが仕様内で動作していることを確認するためにこの能力が重要である。
がパルス内の全ての周波数の相対位相に依存するため、同期自己相関(synchronous autocorrelation)、ビーム分割、時間遅延は必要ではない。パルスの振幅は、通信受信器内の分光器から直接得られる。図5を参照すると、フェムト秒レーザー123からのパルスの全ての周波数成分の位相を正確に決定するために、後述するように、A.M.Weiner,「空間光変調器を使用するフェムト秒パルス整形(Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators)」,Rev.Sci.Instrum.71,pp.1929〜1960頁(2000)に記載されているようなパルス整形器を使用して、上記情報を直接をもたらすように設計された基準位相関数を導入する。整形パルスは薄いSHG結晶507によって周波数が2倍にされ、出力は分光器503に供給される。
本発明のいくつかの変形では、透明な石英担体に付着した化学粉体を薄いSHG結晶の代わりに採用する。現在、粉体を使用する実施形態は、MIIPS、非線形光学特性分析、FROG分析などの高エネルギー(例えば、1ナノジュール以上)の用途におけるコストを大幅に削減するために好ましい。化学粉体は、好ましくはリン酸二水素カリウム(KDPまたはKD*P)またはβ−ホウ酸バリウムであり、ガラスまたは顕微鏡スライドにシリコーンゴムまたはシアノアクリレート(C5H5NO2)接着剤を使用して接着する。タイプI位相整合を使用する。粉体の粒径は、焦点長さ、レーザーの強度、検出器の感度に応じて、好ましくは約0.5〜20μmである。また、粉体は、20fsよりも短いレーザーパルスに対して向上した平均結果が得られる広範囲のランダムな結晶方位を有するために有利である。
レーザー制御は、初期・最終状態を接続する異なる非線形光学経路の干渉によって支配される。課題は、パルス内の各周波数について適切な位相を見出し、所望の経路において強め合う干渉を達成し、その他の場所では弱め合う干渉を達成することである。非常に近い近似のためには、フェムト秒パルスの異なる周波数成分の位相をπによって分離された2つの値に設定することで十分である。非常に近い近似を得るためには、フェムト秒パル
スの異なる周波数成分の位相をπによって分離された2つの値に設定することで十分である。異なる周波数の光子間の位相は、所与の経路を最大化または最小化するために好ましくは0またはπの2つの数値のみをとる。差がπであるあらゆる2つの数値が同様に機能する。この方法は二位相整形(binary phase shaping;以下、「BPS」という)と定義される。BPSは、好ましくは超短レーザーパルスによる選択的多光子励起の問題を解決するために使用される。3〜10の範囲の小さな位相数の使用は、我々の二値アプローチの些細な拡張と見なされる。
最初に、パルス整形器を、コンピュータのメモリに記憶されたデータのライブラリの要件に基づいて環境監視のためにプログラムする。化学・生物物質についての高速で、正確で、再現性のある環境監視では、通常は現場において展開学習モードでパルス整形器を動
作させることはできない。ただし、そのような現場における使用も本発明の範囲に含まれる。その代わりに、はるかに効率的な動作モードを使用し、装置は変換制限(TL)パルスによって絶え間なく環境を監視する。このような状況では、装置は1秒の分数を使用して予備的ではあるが、非常に感度の高い測定を行う。疑わしい分子フラグメントイオンが検出された場合には、装置は予め記憶された疑わしい物質のライブラリ検索を起動し、一連の予めプログラムされた整形パルスを採用して絶対的な識別を行う。検索モードでは、装置は繰返し率を3〜6桁増加させ、可能な限り最も高速な分析を行う。装置は予めプログラムされた一連の整形パルスを使用するため、識別過程全体は1分足らずで完了することができる。
である。
T=cos2[π(R1(V1)−R2(V2))/λ]
式中、R(V)はSLMによって導入される電圧の関数である。V2を固定し、V1を走査することによって、T(V1)が測定され、R1(V1)がコンピュータ(定数を除く)によって計算される。R2(V2)は、V1を一定に維持しながらT(V2)を測定することによって得られる。R1(V1)及びR2(V2)は既知であるため、位相遅延φはφ=π(R1(V1)+R2(V2))/λ)のように計算される。上記式を使用して、振幅のみ又は位相のみのパルス整形を行うようにコンピュータを介してパルス整形器をプログラムすることができる。パルス整形器は、通常は数分間を必要とするプロセスである完全な較正を自動的に実行するようにプログラムすることができる。部材内のLCDが45°の向きを有していない場合には、ビームの偏光を回転させ、較正を行うために半波長板を使用することができる。
ットは、続くピークを谷の比率(a/b),(a/c),(b/c)に増加させる。最後の3つのレーザー波形は、同一の比率について最低値を生成する。方法の特定能力を最大化させるために、6つのパルスは6つの異なるパルス波形によって特定可能な異なる結果を生じさせることが必要であり、TLパルスによる励起によって得られるイオン化フラグメンテーションパターンに関して異なる。ライブラリに含まれるパルスを特定するために使用する方法としてこの方法を概説したが、その他の方法も考えられる。
と判断の可能性を著しく減少させる。
図15は、本発明にかかるレーザー環境監視装置701の第1の代替実施形態における使用を示す。本実施形態では、フェムト秒レーザーと、パルス整形器と、質量分析計と、コンピュータとを有する監視装置703が流動的(fluidically)に金属検出セキュリティチェックポイント装置707の壁内部の各種入口705に連結されている。そのような装置は、空港、建築物の入口、駅またはその他の公共施設に設けられる。監視装置は、入口705に隣接して移動する人、荷物又はその他のアイテムに爆発物質又はその他の望ましくない化学物質が存在しているか否かを感知・判定するように設定される。望ましくない化学・生物(病原物質を含む)物質を感知すると、CRT出力画面709に投写され、警告灯又はアラームを作動させることができる。アクティブ基線減算とライブラリ比較を上述したように採用する。
Claims (71)
- a)レーザービームパルスを放出するために動作可能なレーザーと、
b)前記レーザービームパルスを整形するために動作可能なパルス整形器と、
c)前記整形パルスを受け、環境物質の特性を検出するために動作可能な検出器と、
d)前記検出器に接続され、前記物質が有害であるか否かを決定するために動作可能な制御装置と、
を含む装置。 - 請求項1において、前記検出器に接続された建築物換気装置をさらに含む装置。
- 請求項1において、前記検出器が前記建築物換気装置の複数のゾーンに接続され、前記制御装置が、前記ゾーンによって分離された各建築物エリアに前記有害物質の一種が存在しているか否かを自動的かつ選択的に決定する装置。
- 請求項1において、前記物質を特定するために展開学習演算する装置。
- 請求項1において、前記レーザービーム整形器がπだけ分離された2つの位相値を使用する装置。
- 請求項1において、パルス特性分析と補償のために多光子パルス内干渉位相走査をする装置。
- 請求項1において、前記レーザービームパルス整形器が、少なくとも1つのコリメート光学系と回折格子とを含む装置。
- 請求項1において、前記レーザーの帯域幅が、前記パルス整形器の位相変調器の少なくとも大部分の画素にわたって分散されている装置。
- 請求項1において、前記物質が化学分子である装置。
- 請求項1において、前記物質が生物病原体である装置。
- 請求項1において、
可動アイテムに隣接して配置されたセキュリティチェックポイント装置をさらに含み、
前記検出器は、前記チェックポイント装置に接続され、
前記検出器と前記制御装置は、望ましくない物質が前記可動アイテム上に存在するか否かを決定し、
前記物質は、爆発物質である、装置。 - 請求項1において、前記物質が、人間が吸い込むことができる病原物質である装置。
- 請求項1において、前記制御装置は、前記判定結果に応じて前記検出器のサンプリングレートを自動的に変化させる、装置。
- 請求項1において、前記物質の存在が自動的に決定された場合に、前記有害物質の悪影響を減少させるために前記制御装置によって自動的に開始される対策手順をさらに含む装置。
- 請求項1において、前記検出器が質量分析計であり、前記レーザーパルスが約50フェ
ムト秒未満の持続時間を有する装置。 - 空気サンプルに約50フェムト秒未満の持続時間を有するレーザービームを放射するために動作可能なフェムト秒レーザーと、
前記レーザービームパルスを整形するために動作可能なパルス整形器と、
その後のレーザービーム放出のために前記パルス整形器のパルス整形性能を自動的に変化させる制御装置と、
を含む環境監視装置。 - 請求項16において、前記パルス整形器がフーリエ面を含む装置。
- 請求項17において、前記パルス整形器が、少なくとも1つのコリメート光学系と回折格子とをさらに含む装置。
- 請求項16において、前記制御装置によって以前に保存された質量スペクトルデータとの比較のために前記空気サンプルの特性を検出する質量分析計をさらに含む装置。
- 請求項19において、前記質量分析計に接続された建築物換気装置をさらに含む装置。
- 請求項16において、前記制御装置が、実質的に無作為に採用されたパルス波形を使用した以前の質量分析結果に基づく最も望ましいレーザービームパルス波形である所定の位相関数のライブラリを使用する装置。
- 請求項16において、前記パルス整形器が、前記レーザービームの(a)振幅及び(b)位相の少なくとも1つを制御するために動作可能な音響光学変調器を含む装置。
- 請求項16において、前記パルス整形器が、前記レーザービームの(a)振幅及び(b)位相の少なくとも1つを制御するために動作可能な液晶表示装置を含む装置。
- 請求項16において、前記パルス整形器が可変形ミラーを含む装置。
- 請求項16において、前記フェムト秒レーザーが、21フェムト秒未満の持続時間を有するレーザービームパルスを送出する装置。
- 請求項16において、前記制御装置が前記空気サンプルにおける多分子物質を特定する装置。
- 請求項16において、前記制御装置が、許容できる化学物質が前記監視環境に存在するか否かを判断し、前記監視環境における新たな物質の存在を判断するために、自動反復サンプリング時に分析する新たな空気サンプルを保存された許容できる化学物質のデータと自動的に比較する装置。
- 請求項16において、前記整形器がπだけ分離された2つの位相値を使用する装置。
- 請求項16において、パルス特性分析と補償に使用される多光子パルス内干渉位相走査(multiphoton intrapulse interference phase scan)をさらに含む装置。
- 請求項16において、前記物質を特定するために展開学習演算する装置。
- 請求項16において、前記制御装置が、生物病原体が前記空気サンプルに存在するか否かを自動的に判断する装置。
- (a)換気装置を含む建築物と、
(b)前記換気装置に接続されたレーザー検出装置と、
(c)前記レーザー検出装置に接続され、前記レーザー検出装置を動作させる制御装置と、
を含み、
(d)前記レーザー検出装置が前記換気装置から空気サンプルを繰返し受け取り、前記制御装置が望ましくない物質が存在するか否かを判断し、
(e)前記制御装置が、前記建築物における前記望ましくない物質の有害性を減少させるために自動的に対抗策を実施する監視装置。 - 請求項32において、前記制御装置が前記建築物内の複数の別々のエリアを自動的に監視する装置。
- 請求項33において、前記制御装置が、前記物質が前記別々のエリア間を移動しているか否かを自動的に判断する装置。
- 請求項33において、前記制御装置が前記換気装置の動作を自動的に変化させて前記別々のエリアの内の汚染されたエリアを隔離させる装置。
- 請求項32において、前記対応策が前記建築物の外部の雰囲気に前記物質を自動的に放出させることをさらに含む装置。
- 請求項32において、前記対応策が前記建築物内のドアを自動的に閉じることをさらに含む装置。
- 請求項32において、前記対応策が前記建築物内に水を自動的に流入させることをさらに含む装置。
- 請求項32において、前記対応策が、前記物質の中和剤及び解毒剤の少なくとも1つを前記建築物内に自動的に注入することをさらに含む装置。
- 請求項32において、前記レーザー検出装置が、前記レーザーによって放出されるレーザービームパルスの特性を変化させるパルス整形器をさらに含む装置。
- 請求項32において、前記レーザー検出装置が、前記物質の質量スペクトルを検出する質量分析計をさらに含む装置。
- 請求項32において、前記レーザー検出装置が、前記物質が前記装置において監視される物質に約50フェムト秒未満のレーザービームパルスを放射するために動作可能なレーザーをさらに含む装置。
- (a)複数の可動サンプルに隣接して配置されたセキュリティチェックポイント装置と、
(b)前記サンプル上の物質の存在を感知するレーザー検出装置と、
(c)前記装置に接続され、前記装置が対象物質を特定したか否かを判断する制御装置と、
を含む装置。 - 請求項43において、前記レーザー検出装置が、前記レーザーによって放出されるビームの特性を変化させるパルス整形器をさらに含む装置。
- 請求項43において、前記レーザー検出装置が、前記物質の質量スペクトルを検出する質量分析計をさらに含む装置。
- 請求項43において、前記レーザー検出装置が、約50フェムト秒未満のレーザービームパルスを放出するために動作可能なレーザーをさらに含む装置。
- 請求項43において、前記制御装置が、許容できる化学物質が前記監視環境に存在するか否かを判断し、前記監視環境における新たな物質の存在を判断するために、自動反復サンプリング時に分析する新たな空気サンプルを保存された許容できる化学物質のデータと自動的に比較する装置。
- 請求項43において、前記対象物質が爆発物質である装置。
- 請求項43において、前記対象物質が病原体である装置。
- 請求項43において、前記対象物質が危険化学物質である装置。
- 請求項43において、前記対象物質が病原物質である装置。
- 請求項43において、前記サンプルが人間である装置。
- 請求項43において、前記サンプルが荷物である装置。
- 請求項43において、前記装置及び前記制御装置が多光子干渉を使用する装置。
- 請求項43において、前記装置が約21フェムト秒未満の持続時間を有するレーザービームパルスを整形するパルス整形器を含む装置。
- 装置を動作させる方法であって、
(a)レーザービームパルスをサンプルに放射すること、
(b)前記レーザービームパルスの波形を変化させること、
(c)前記変化させた整形レーザービームパルスを使用して質量スペクトルを検出すること、
(d)前記工程(a)〜(c)の後に、異なる波形の複数の追加レーザービームパルスを自動的に生成すること、
(e)前記検出された質量スペクトルを自動的かつ電子的に分析し、目標値との近接度に基づいてそれらをランク付けすること、
(f)前記工程(a)〜(e)を繰り返し、検出された値を統計的に向上させること、
(g)前記レーザービームパルスを最も類似するものから最も異なるものへとランク付けすること、
を含む方法。 - 請求項56において、前記レーザービームパルスが約50フェムト秒未満である方法。
- 請求項56において、前記レーザービームパルスの少なくとも1つが約21フェムト秒未満である方法。
- 請求項56において、前記サンプルが有害分子である方法。
- 請求項56において、
(a)選択され、ランク付けされた前記質量スペクトルをメモリライブラリに保存すること、
(b)未知の化学物質の環境を監視すること、
(c)前記環境におけるどの化学物質が許容でき、どの化学物質が許容できないかを自動的に判断すること、
をさらに含む方法。 - エリアを監視する方法であって、
(a)前記エリアのサンプルを反復的に監視すること、
(b)整形レーザーパルスを前記サンプルに放射すること、
(c)少なくとも部分的に前記工程(b)で作成された質量スペクトルを、許容できるバックグラウンド化学物質の質量スペクトルと比較すること、
(d)前記質量スペクトルの比較に少なくとも部分的に基づいて有害なアイテムを自動的に特定すること、
を含む方法。 - 請求項61において、通常の条件において約1分間以下の繰り返し間隔で前記エリアを監視することをさらに含む方法。
- 請求項61において、疑わしいアイテムが特定された場合に1分間あたり少なくとも1000回の繰り返し間隔で前記エリアを監視することをさらに含む方法。
- 請求項61において、前記監視工程、前記放射工程、前記分析工程、前記比較工程、前記特定工程が、コンピュータによって自動的に制御され、実施される方法。
- 請求項61において、前記レーザーパルスが約50フェムト秒未満の持続時間を有する方法。
- 請求項61において、前記レーザーパルスが約21フェムト秒未満の持続時間を有する方法。
- 請求項61において、前記レーザーパルスに誘発された非線形光学プロセスを制御することをさらに含む方法。
- 請求項61において、前記レーザーパルスを二値的に整形することをさらに含む方法。
- 請求項61において、前記監視サンプルを建築物の換気装置から受け取ることをさらに含む方法。
- 請求項61において、前記監視サンプルを人間又は動物の息から受け取ることをさらに含む方法。
- 請求項61において、前記監視サンプルをセキュリティチェックポイントで受け取ることをさらに含む方法。
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