JP2010071815A - 空間電界計測方法及び空間電界計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザー光15を出力するレーザー装置16と、レーザー光15を大気中の被測定領域Aに照射してプラズマを発生させる照射装置と、プラズマの発光を受光してプラズマの発光強度の測定値を得る受光装置と、プラズマ周囲の電界強度に対するプラズマの発光強度について予め求められた相関関係を利用して、プラズマの発光強度の測定値から被測定領域の電界強度を解析する解析装置24とを備えるものとした。また、レーザー装置16は超短パルスレーザー光15を出力するレーザー装置であり、照射装置は超短パルスレーザー光15を大気中の被測定領域Aに照射してフィラメント14を発生させる照射装置であり、プラズマはフィラメント14の発生により生じるプラズマであることが好ましい。
【選択図】図1
Description
本実施例において使用した実験装置図を図6に示す。レーザー装置16としてチタンサファイアレーザー装置を用い、パルス幅を55fs、パルスエネルギーを84mJとして超短パルスレーザー光(λ=800nm)を出力した。また、Nd:YAGレーザー装置を用い、パルス幅6ns、パルスエネルギー750mJのナノ秒パルスレーザー光(λ=532nm)を出力した。本実施例において、超短パルスレーザー光は符号15aで示し、ナノ秒パルスレーザー光は符号15bで示す。尚、超短パルスレーザー光15aはレーザーフィラメントプラズマを発生させるために使用し、ナノ秒パルスレーザー光15bはレーザーブレイクダウンプラズマを発生させるために使用した。高圧電極40には直径60mmの球電極を用い、接地電極41には直径250mmの球電極を用いた。高圧電極40と接地電極41との間の水平方向距離は0.5mとし、レーザー光15が接地電極41側から照射されるように配置した。チタンサファイアレーザー装置からの超短パルスレーザー光15aは、高圧電極40から10.7m離れた位置から焦点距離10mの凹面ミラー17aで集光した。Nd:YAGレーザー装置からのナノ秒パルスレーザー光15bは、高圧電極40から2m離れた位置から焦点距離2mの凸レンズ17bで集光した。高圧電極40とレーザー光15の鉛直方向距離は5mmとした。そして、高圧電極40付近の発光を20m離れた位置で測定した。発光測定は、口径152mmの望遠鏡19により発光を集光し、分光器22で分光した後、ICCDカメラ23で受光することにより行った。ICCDカメラ23はゲート機能を有しており、レーザー光照射からゲート開放(データ取得)までの遅延時間及びゲート開放時間等を制御した。
上記実験装置を用いて、チタンサファイアレーザー装置からの超短パルスレーザー光15aの伝播時のフィラメント生成の様子を観測した。結果を示す写真を図7に示す。(a)が凹面ミラー17aからのレーザー光の伝播距離が5.0mの時のフィラメントの生成状態であり、(b)が凹面ミラー17aからの伝播距離が7.0mの時のフィラメントの生成状態であり、(c)が凹面ミラー17aからの伝播距離が9.0mの時のフィラメントの生成状態であり、(d)が凹面ミラー17aからの伝播距離が10.7mの時のフィラメントの生成状態である。(a)に示されるように、凹面ミラー反射後5mでフィラメントが生成することが確認された。尚、フィラメントは、写真の右側に観測される白い点である。そして、伝播距離が長くなるにつれて、フィラメントの発光は強くなり、凹面ミラー17aからの伝播距離が9.0mの時には、フィラメントの数も増加することが確認された。高圧電極の下である、凹面ミラー17aから10.7mの地点では、超短パルスレーザー光の中央部は白く明るく光り、その周りには虹色の光が観測された。中央部の白く明るく光っている箇所はフィラメントが集中している箇所であり、その周りの虹色の光は、フィラメントから生成した自己位相変調による白色光であると考えられた。以上の結果から、発光を観測する領域である高圧電極40の下において、フィラメントが十分に生成していることが確認された。
上記実験装置を用いて、高圧電極40と接地電極41間のプラズマの発光の状態を観測した。結果を示す写真を図8に示す。(a)はNd:YAGレーザー装置からのレーザー光を照射した場合であり、集光点である高圧電極40の下において、点上の明るいプラズマ発光が観測された。(b)〜(e)はチタンサファイアレーザー装置により超短パルスレーザー光15aを照射した場合であり、(b)は印加電圧無し、(c)印加電圧50kV、(d)印加電圧100kV、(e)印加電圧150kVである。(b)〜(e)のそれぞれにおいて、フィラメントの生成により生じた長い線状のプラズマの発光が高圧電極40と接地電極41間で観測された。また、印加電圧を100kV、150kVとした場合には、高圧電極40の下に明るい発光が観測された。これらの発光を拡大したものを(g)及び(h)に示す。(g)及び(h)に示される結果から、発光がフィラメントから発生していることが確認された。尚、(f)は超短パルスレーザー光15aを照射せずに、印加電圧を150Vとした場合の結果である。高圧電極40付近には、(d)及び(e)で観測されたような明るい発光は観測されなかった。発光はフィラメントから発生していることは、このことからも明らかである。
上記実験装置を用いて、高圧電極40の下に発生するプラズマの発光スペクトルを測定した。結果を図9に示す。(a)は、Nd:YAGレーザー装置によりナノ秒パルスレーザー光15bを照射したときの結果を示す図であり、(b)はチタンサファイアレーザー装置により超短パルスレーザー光15aを照射したときの結果を示す図である。尚、Nd:YAGレーザー装置によりナノ秒パルスレーザー光15bを照射した場合、レーザー照射直後の白色光ノイズが大きいため、レーザー照射からICCDカメラ23のゲート開放までの遅延時間を400nsとした。またゲート開放時間は25msとした。チタンサファイアレーザー装置により超短パルスレーザー光15aを照射した場合には、レーザー照射直後の白色光ノイズはほとんど無いため、ICCDカメラ23のゲート開放までの遅延時間は20nsとした。またゲート開放時間も20nsとした。(a)及び(b)の両発光スペクトル共に、窒素分子の発光に帰属される337.1nmの発光が、印加電圧の上昇と共に増加することが明らかとなった。
実施例3において150kV以上の印加電圧で見られたリーダー進展の影響を排除するため、図6に示す実験装置図に改良を加えた実験装置を用いて実験を行った。この実験装置図を図11に示す。図6に示す実験装置図と図11に示す実験装置図との大きな相違点は、高圧電極40と接地電極41にある。即ち、図11に示す実験装置では、高圧電極40を直径250mmの球電極とし、接地電極として2.5m×1.25mの平板を高圧電極の真下に設置した。また、チタンサファイアレーザー装置から出力される超短パルスレーザー光15aのパルス幅を50fsとした。さらに、高圧電極の下から10.4m離れた位置より焦点距離10mの凹面ミラー17aで集光し、超短パルスレーザー光15aを伝播させた。その他の装置構成は図6に示す実験装置と同一とした。
9 局部的な凸部
10 大域的な凹部
14 フィラメント
15 レーザー光(超短パルスレーザー光)
16 レーザー装置
19 望遠鏡
24 解析装置
A 被測定領域
Claims (16)
- 大気中の被測定領域にレーザー光を照射してプラズマを発生させ、前記プラズマの発光強度の測定値を得、前記プラズマ周囲の電界強度に対する前記プラズマの発光強度について予め求められた相関関係を利用して、前記プラズマの発光強度の測定値から前記被測定領域の電界強度を求めることを特徴とする空間電界計測方法。
- 前記レーザー光が超短パルスレーザー光であり、前記プラズマは前記超短パルスレーザー光を前記大気中の被測定領域に照射して発生させたフィラメントにより生じるプラズマである請求項1記載の空間電界計測方法。
- 局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーに前記超短パルスレーザ光を照射し、前記局部的な凸部または凹部により反射したビーム断面の任意の部位に強度斑を作ることで前記フィラメント発生の起点とする請求項2記載の空間電界計測方法。
- 前記反射ミラーの前記局部的な凸部または凹部の周りには前記局部的な凸部または凹部に比して大域的な凹部が設けられており、前記大域的な凹部により前記フィラメント周辺に反射した前記超短パルスレーザ光のエネルギあるいは周辺の強度斑を前記フィラメント発生の起点となる強度斑の周りに集合させる請求項3記載の空間電界計測方法。
- 局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーに前記超短パルスレーザ光を照射し、前記局部的な凸部または凹部により反射したビーム断面の任意の部位に強度斑を作ることで前記フィラメント発生の起点とすると共に、前記ビーム断面の前記局部的な凸部または凹部の周りに相当する位置に前記局部的な凸部または凹部に比して大域的な凹部を有する反射ミラーにも前記超短パルスレーザー光を照射し、前記大域的な凹部により反射した前記超短パルスレーザ光のエネルギあるいは周辺の強度斑を前記フィラメント発生の起点となる強度斑の周りに集合させる請求項2記載の空間電界計測方法。
- 前記反射ミラーは反射面が任意に変形可能な可変形ミラーであることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一つに記載の空間電界計測方法。
- 前記プラズマからの発光を望遠鏡またはレンズにより集光する請求項1〜6のいずれか一つに記載の空間電界計測方法。
- 前記プラズマの発光強度に代えて、前記プラズマの発光のうちの異なる二種の分子の発光強度比を用いる請求項1〜7のいずれか一つに記載の空間電界計測方法。
- レーザー光を出力するレーザー装置と、前記レーザー光を大気中の被測定領域に照射してプラズマを発生させる照射装置と、前記プラズマの発光を受光して前記プラズマの発光強度の測定値を得る受光装置と、前記プラズマ周囲の電界強度に対する前記プラズマの発光強度について予め求められた相関関係を利用して、前記プラズマの発光強度の測定値から前記被測定領域の電界強度を解析する解析装置とを備えることを特徴とする空間電界計測装置。
- 前記レーザー装置は超短パルスレーザー光を出力するレーザー装置であり、前記照射装置は前記超短パルスレーザー光を前記大気中の被測定領域に照射してフィラメントを発生させる照射装置であり、前記プラズマは前記フィラメントの発生により生じるプラズマである請求項9記載の空間電界計測装置。
- 前記照射装置は、局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーを含み、該反射ミラーに前記超短パルスレーザ光を照射し、前記局部的な凸部または凹部により反射したビーム断面の任意の部位に強度斑を作ることで前記フィラメント発生の起点とする請求項10記載の空間電界計測装置。
- 前記照射装置の前記反射ミラーは前記局部的な凸部または凹部の周りにさらに前記局部的な凸部または凹部に比して大域的な凹部が設けられており、前記大域的な凹部により前記フィラメント周辺に反射した超短パルスレーザ光のエネルギあるいは周辺の強度斑を前記フィラメント発生の起点となる強度斑の周りに集合させる請求項11記載の空間電界計測装置。
- 前記照射装置は、前記超短パルスレーザ光の集光路上に配置されて前記超短パルスレーザ光を連続的に反射する第1の反射ミラーと第2の反射ミラーを備え、前記第1の反射ミラーは局部的凸部または凹部を反射面に有し、かつ前記第2反射ミラーは前記ビーム断面の前記局部的凸部または凹部の周りに相当する位置に前記第1反射ミラーの局部的凸部または凹部に比して大域的な凹部を形成する反射面を有し、前記第1の反射ミラーで反射したビーム断面の任意の部位に強度斑を作ると共に前記第2の反射ミラーで反射した超短パルスレーザ光のエネルギあるいは周辺の強度斑を前記フィラメントの発生の起点となる前記強度斑の周りに集合させることを特徴とする請求項10記載の空間電界計測装置。
- 前記反射ミラーは反射面が任意に変形可能な可変形ミラーであることを特徴とする請求項11〜13のいずれか一つに記載の空間電界計測装置。
- 前記受光装置は前記プラズマの発光を集光する望遠鏡またはレンズを備えている請求項9〜14のいずれか一つに記載の空間電界計測装置。
- 前記解析装置を、前記プラズマの発光強度に代えて、前記プラズマの発光のうちの異なる二種の分子の発光強度比を用いて前記被測定領域の電界強度を解析するものとする請求項9〜15のいずれか一つに記載の空間電界計測方法。
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