JP2023178763A - Photoacoustic wave generation device, photoacoustic wave generation method, and composition estimation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光音響波発生装置、光音響波発生方法及び組成推定方法に関する。 The present invention relates to a photoacoustic wave generation device, a photoacoustic wave generation method, and a composition estimation method.
水中に光音響波を発生させてその光音響波により対象を測定する方法が知られている。例えば、可視光~近赤外光のパルスレーザ光を水に照射して光音響波を発生させることが知られている。しかし、可視光~近赤外の波長の光は水に吸収されないため、黒色ゴム等の固形吸収体を水試料に接触させる、もしくは水溶液中に色素などの吸収体を混入させる必要がある。この方法では、固形吸収体の形状等による制約、吸収体の劣化等の問題があると共に、それらによる汚損、薬害等の問題も生じる。 A known method is to generate photoacoustic waves underwater and measure an object using the photoacoustic waves. For example, it is known to generate photoacoustic waves by irradiating water with pulsed laser light of visible light to near-infrared light. However, since light in the visible to near-infrared wavelengths is not absorbed by water, it is necessary to bring a solid absorber such as black rubber into contact with the water sample, or to mix an absorber such as a dye into the aqueous solution. This method has problems such as limitations due to the shape of the solid absorbent body and deterioration of the absorbent body, as well as problems such as staining and chemical damage caused by these.
また、非特許文献1には、テラヘルツ自由電子レーザからのテラヘルツレーザパルスを用いて水中に光音響波を発生させる技術が開示されている。この技術によれば、テラヘルツ光は水に吸収されやすいため、光音響波を発生させるために水中に固形吸収体を配置すること、あるいは水溶液中に色素などの吸収体を混入させることは必要ない。 Furthermore, Non-Patent Document 1 discloses a technique for generating photoacoustic waves in water using terahertz laser pulses from a terahertz free electron laser. According to this technology, terahertz light is easily absorbed by water, so it is not necessary to place a solid absorber in water to generate photoacoustic waves or to mix absorbers such as dyes into the aqueous solution. .
しかしながら、非特許文献1に開示された技術は、光音響波を発生させるために高強度のパルステラヘルツ光を用いる必要がある。現在、高強度パルステラヘルツ光を直接発生させる光源はテラヘルツ自由電子レーザしか存在しないが、この装置は大きな施設が必要で実用に資する事は難しい。またテラヘルツ光は光ファイバー等の伝送光学部品が十分開発されておらず、実用的な装置に組み込む際に取り扱いが比較的難しい。 However, the technique disclosed in Non-Patent Document 1 requires the use of high-intensity pulsed terahertz light to generate photoacoustic waves. Currently, the only light source that directly generates high-intensity pulsed terahertz light is a terahertz free electron laser, but this equipment requires large facilities and is difficult to put into practical use. Furthermore, transmission optical components such as optical fibers have not been sufficiently developed for terahertz light, and it is relatively difficult to handle it when incorporating it into practical equipment.
本発明の一態様は、上記の課題に鑑みて、テラヘルツ自由電子レーザよりも容易に利用可能な中赤外パルス光を用いて光音響波を発生させる技術を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems, one aspect of the present invention aims to provide a technique for generating photoacoustic waves using mid-infrared pulsed light, which is more easily available than a terahertz free electron laser.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光音響波発生装置は、水を含む液体の液面に中赤外パルス光を照射することによって、当該液体中を伝播する光音響波を生成する照射部を備えている。 In order to solve the above problems, a photoacoustic wave generator according to one aspect of the present invention provides a photoacoustic wave generator that transmits photoacoustic waves that propagate in the liquid by irradiating the surface of a liquid containing water with mid-infrared pulsed light. It is equipped with an irradiation section that generates waves.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光音響波発生方法は、水を含む液体の液面に中赤外パルス光を照射することによって、当該液体中を伝播する光音響波を生成する照射工程を含んでいる。 In order to solve the above problems, a photoacoustic wave generation method according to one aspect of the present invention provides photoacoustic waves that propagate in the liquid by irradiating the liquid surface of a liquid containing water with mid-infrared pulsed light. It includes an irradiation step that generates waves.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る組成推定方法は、水を含む液体の液面に中赤外パルス光を照射することによって、当該液体中を伝播する光音響波を生成する照射工程と、前記液体中を伝播する前記光音響波の波面を表す画像を取得する取得工程と、前記画像を参照することによって、前記液体中の前記光音響波の音速を特定する特定工程と、前記光音響波の音速を参照することによって、前記液体の組成を推定する推定工程と、を含んでいる。 In order to solve the above problems, a composition estimation method according to one aspect of the present invention irradiates the surface of a liquid containing water with mid-infrared pulsed light, thereby estimating photoacoustic waves propagating in the liquid. an irradiation step to generate an image; an acquisition step to obtain an image representing a wavefront of the photoacoustic wave propagating in the liquid; and a determination step to identify the sound speed of the photoacoustic wave in the liquid by referring to the image. and an estimating step of estimating the composition of the liquid by referring to the sound speed of the photoacoustic wave.
本発明の一態様によれば、テラヘルツ自由電子レーザよりも容易に利用可能な中赤外パルス光を用いて光音響波を発生させる技術を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a technique for generating photoacoustic waves using mid-infrared pulsed light, which is more easily available than a terahertz free electron laser.
〔実施形態1〕
(光音響波発生装置1)
以下、本発明の一実施形態に係る光音響波発生装置について、図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る光音響波発生装置1の構成を示すブロック図である。光音響波発生装置1は、水を含む液体中に光音響波を発生させる装置である。また、光音響波発生装置1は、液体中に発生させた光音響波を測定して、液体の組成を推定又は分析してもよい。
[Embodiment 1]
(Photoacoustic wave generator 1)
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A photoacoustic wave generation device according to an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a photoacoustic wave generator 1 according to this embodiment. The photoacoustic wave generator 1 is a device that generates photoacoustic waves in a liquid containing water. Further, the photoacoustic wave generator 1 may estimate or analyze the composition of the liquid by measuring the photoacoustic waves generated in the liquid.
図1に示すように、光音響波発生装置1は照射部11を備えている。照射部11は、水を含む液体の液面に中赤外パルス光を照射することによって、当該液体中を伝播する光音響波を生成する。照射部11は、中赤外パルス光を液体の液面に、所定の照射面積にて照射するように集光する。この照射面積の大きさは、中赤外パルス光の指向度、中赤外パルス光のパルス強度、液体の種類等によって適宜設定してもよい。なお、本実施形態で用いることができる液体は、水を含む液体であればよい。水を含む液体は、水と分離せずに混じりあう物質と水との混合物であることが好ましい。水は中赤外パルス光をよく吸収し、取り扱いも容易なためである。水のこのような性質のため、従来は中赤外光を用いて水を含む液体を分析することは行われていなかった。しかし、本実施形態は、水のこのような性質を逆に利用するものである。なお、液体中に含まれる水の割合は限定されない。ただし、発生した光音響波の測定が容易な液体であることが好ましい。例えば、固形物をできるだけ含まない液体であることが好ましい。
As shown in FIG. 1, the photoacoustic wave generator 1 includes an
ここで光音響波について説明する。照射したレーザパルスのエネルギーは液面近傍の厚みα-1(αは吸収係数)にレーザのパルス幅の時間内で蓄積される。エネルギーが蓄積された箇所からそのエネルギーは音速で拡散するが、エネルギーが閉じ込められている厚みα-1の領域をエネルギーが伝播する前にレーザパルスによるエネルギー蓄積が終了した場合、続く熱弾性過程が一度に急激に生じるため、強いパルス状の圧力波が発生する。この圧力波を光音響波という。 Here, photoacoustic waves will be explained. The energy of the irradiated laser pulse is accumulated in the thickness α −1 (α is the absorption coefficient) near the liquid surface within the time of the laser pulse width. The energy diffuses at the speed of sound from the point where it is stored, but if the energy storage by the laser pulse ends before the energy propagates through the region of thickness α -1 where the energy is confined, the subsequent thermoelastic process Because they occur all at once, a strong pulse-like pressure wave is generated. This pressure wave is called a photoacoustic wave.
なお、光エネルギーが大きすぎると、爆縮が発生してエネルギーを吸収した物質が飛散してしまい、光音響波は発生しない。本実施形態では、そのようなエネルギーよりも小さいエネルギーの中赤外パルス光を用いる。逆に、光エネルギーが小さすぎると、光音響波は発生しないか、発生してもその光音響波を測定することが困難になる。そこで、本実施形態では、測定可能な程度の光音響波を発生させるだけのエネルギーを有する中赤外パルス光を用いる。 Note that if the optical energy is too large, implosion will occur and the material that has absorbed the energy will be scattered, and no photoacoustic waves will be generated. In this embodiment, mid-infrared pulsed light having an energy smaller than such energy is used. Conversely, if the light energy is too small, no photoacoustic waves will be generated, or even if they are generated, it will be difficult to measure the photoacoustic waves. Therefore, in this embodiment, mid-infrared pulsed light having enough energy to generate measurable photoacoustic waves is used.
図1に示すように、光音響波発生装置1は、中赤外パルス光を生成する生成部10を備えてもよい。中赤外光とは、明確な定義があるわけではないが、本実施形態においては波長が3μm以上20μm以下の範囲の光を指す。また、パルス光のパルス幅は、液体中に光音響波を発生させるために必要なパルス幅である。具体的には、前述の光音響波の発生機構から、中赤外パルス光のパルス幅は、液体の吸収係数をα、液体中の音速をνとした場合に(αν)-1よりも小さい。例えば、中赤外パルス光の波長5μmでの吸収係数300cm-1、室温での水中音速1500m/sを仮定すると、必要なパルス幅は20ns程度となり、後述する実施形態で説明した中赤外パルス光のパルス幅100fsはこれと比べて十分小さい。
As shown in FIG. 1, the photoacoustic wave generator 1 may include a
また、中赤外パルス光の1パルスあたりのエネルギーは、上述したように、測定できる程度の強さの光音響波を発生可能な程度の強さである。ただし、中赤外パルス光の吸収係数が液体の種類及び中赤外パルス光の波長によって若干異なるため、これらの条件によって1パルスあたりのエネルギーの下限は変わる。例えば、中赤外パルス光のエネルギーは、10μJ/パルス以上であることが好ましい。この程度のエネルギーを持つ中赤外パルス光であれば、液面の微小な範囲(集光点)に集光することにより、液体中に球面波の光音響波を発生させることができる。球面波とは、波面が集光点を中心とする球面上に広がる波である。中赤外パルス光の1パルスあたりのエネルギーの上限は、上述したように、液体の熱弾性過程を生じさせる上限のエネルギーであり、それを超えるエネルギーでは爆縮を生じさせるため液体が飛散して測定できない。 Further, the energy per pulse of the mid-infrared pulsed light is, as described above, strong enough to generate a measurable photoacoustic wave. However, since the absorption coefficient of the mid-infrared pulsed light differs slightly depending on the type of liquid and the wavelength of the mid-infrared pulsed light, the lower limit of the energy per pulse changes depending on these conditions. For example, the energy of the mid-infrared pulsed light is preferably 10 μJ/pulse or more. Mid-infrared pulsed light having this level of energy can generate a spherical photoacoustic wave in the liquid by focusing it on a small area (focusing point) on the liquid surface. A spherical wave is a wave whose wavefront spreads over a spherical surface centered on a focal point. As mentioned above, the upper limit of the energy per pulse of mid-infrared pulsed light is the upper limit of energy that causes thermoelastic processes in the liquid, and energy exceeding this causes implosion and causes the liquid to scatter. Cannot be measured.
図2は、光音響波の球面波と平面波の違いを示す模式図である。図2(a)は、中赤外パルス光210を集光レンズ220等で集光して液面の集光点201に集光させた場合の球面波230を示す。球面波230は、集光点201の集光径が光音響波の波長程度である場合に発生する。球面波230は、集光点201を中心とする球面状に進む。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the difference between a spherical wave and a plane wave of photoacoustic waves. FIG. 2A shows a
例えば、中赤外パルス光を集光径が光音響波の波長よりも大きい直径を持つ円状に照射することにより、液体中に平面波の光音響波を発生させることができる。図2(b)は、中赤外パルス光210を液面の照射面202に照射した場合の平面波240を示す。図示するように、平面波240は、照射面202に平行な波面が照射面202に垂直な方向に進む。平面波240の光音響波は、球面波230に比べて指向性が高い。指向性が高い平面波240は、同じエネルギーで発生させた球面波230よりも長距離を進むことができる。平面波の光音響波を発生させるためには、中赤外パルス光のエネルギーは100μJ/パルス以上であることが好ましい。集光点201よりも広い範囲に照射して光音響波を発生させる必要があるためである。
For example, plane photoacoustic waves can be generated in a liquid by irradiating mid-infrared pulsed light in a circular shape with a focused diameter larger than the wavelength of the photoacoustic waves. FIG. 2(b) shows a
図3は、生成部10と照射部11の構成例を示す模式図である。図3に示す例では、生成部10は、いずれも公知のチタンサファイアレーザ(例えば、波長800nm、パルス幅50fs、パルスエネルギー1.2mJ)と光パラメトリック増幅器(Optical Parametric Amplifier、以下「OPA」という。)とを用いて中赤外パルス光を生成する。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration example of the
具体的には、一例として図3に示すように、チタンサファイアレーザ(図示せず)からのパルス励起光50をOPA51に導入し、シグナル光(波長1380nm)41とアイドラー光(波長1900nm)42を発生させる。シグナル光41とアイドラー光42の遅延時間を、2つの多層膜ミラー52,54、遅延ステージ53、55を介して調整した後、AgGaS2結晶64に導入する。AgGaS2結晶64内での差周波発生過程により、シグナル光41とアイドラー光42の周波数差と等しいパルス幅100fsの中赤外パルス光(波長5μm)43が発生するので、フィルタ56を介して取出し、照射部11に送る。
Specifically, as shown in FIG. 3 as an example, pulsed excitation light 50 from a titanium sapphire laser (not shown) is introduced into the
なお、中赤外パルス光43は、フリッパーミラー58を用いて分岐させた図3の左側に示す干渉計(ビームスプリッタ65、遅延ステージ59、ミラー60の組み合わせ)に導入して干渉波形を光量調整用のNDフィルタ63、ピンホール62を通してフォトダイオード61で測定したのち、フーリエ変換により図4に示すようなスペクトルを得ることでその波長を確認することができる。
The mid-infrared pulsed light 43 is introduced into an interferometer (a combination of a
照射部11は、生成部10から送られた中赤外パルス光(パルス幅100fs)43を、上方から液面に向かって反射する放物面ミラー71を備えている。図5に示すように、放物面ミラー71で反射された中赤外パルス光43は、セル90に入れた液体91の液面に向けて照射される。
The
なお、照射部11は、図5のように中赤外パルス光43が液体91の液面に所定の集光径で集光するように放物面ミラー71を用いて構成されてもよく、あるいは中赤外パルス光43が平行光のまま液面に照射されるように平面ミラー等を用いて構成されてもよい。あるいは、所定の面積の平行光となるようにレンズ、コリメータ等を組み合わせて構成されてもよい。
Note that the
照射された中赤外パルス光43は、液面近傍で完全に吸収され、100fs程度の短時間に、かつ非常に狭い領域に熱エネルギーとして蓄積される。蓄積された熱エネルギーは1ns程度の時間で熱弾性過程により圧力波(光音響波)として液体中及び空気中に放出される。液体中に放出された光音響波は液中深部にまで伝播する。 The irradiated mid-infrared pulsed light 43 is completely absorbed near the liquid surface and is accumulated as thermal energy in a very narrow area in a short time of about 100 fs. The accumulated thermal energy is released into the liquid and into the air as pressure waves (photoacoustic waves) by a thermoelastic process in a time of about 1 ns. Photoacoustic waves emitted into a liquid propagate deep into the liquid.
上述の実施形態では、生成部10として、中赤外パルス光を生成するためにチタンサファイアレーザとOPAとを用いた。しかし、生成装置又は生成方法はこれに限られない。ある程度のパルスエネルギーを有する中赤外パルス光を生成できれば、その手段は限定されない。特に、近年では、本実施形態に適用可能な高パルスエネルギーの中赤外パルスレーザ光を射出可能なレーザ装置が開発されており、そのような市販のレーザ装置を用いることができる。
In the embodiment described above, a titanium sapphire laser and an OPA were used as the
光音響波発生装置1は、図3に示すように、画像生成部12を備えていてもよい。画像生成部12は、例えばシャドウグラフ法を用いて、光音響波を画像化する。シャドウグラフ法とは、対象の媒体に平行光を当て、媒体を透過した光をセンサで電気信号として取得し、画像として表示する方法である。媒体の濃度の違いが明暗の違いとして検出されるので、圧力波としての光音響波の画像を得ることができる。
The photoacoustic wave generation device 1 may include an
画像生成部12は、一例として、レーザ光源72、NDフィルタ73、ミラー74、レンズ群75,76、撮像カメラ77を備える。画像生成部12は、インコヒーレントパルスレーザー光を用いたシャドウグラフ法により光音響波を画像化することができる。例えば、レーザ光源72として、インコヒーレントパルスレーザー光(例えば、波長645nm、パルス幅10ns)を生成するレーザ装置を用いることができる。インコヒーレントパルスレーザー光を用いる理由は、コヒーレント光を用いた場合、微小なダストや回折効果によって画像に干渉縞が生じやすくなり、良質なシャドウグラフ像が得られにくいためである。
The
レーザ光源72から射出されたインコヒーレントパルスレーザー光80は、NDフィルタ73を通った後、ミラー74で反射されて前述のセル90に入れた液体91を透過する。液体91を透過したインコヒーレントパルスレーザー光81は、レンズ群75,76によって撮像カメラ77の撮像素子(例えば、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)素子など)上に結像する。この撮像素子の電気信号データを取得し、画像表示することができる。像の転送倍率は2倍とした。こうして撮像カメラ77で撮像されたシャドウグラフ画像を解析することにより、光音響波の速度を求めることができる。
Incoherent
照射光源としてパルス光を用いることで、そのパルス幅を時間分解能とした光音響波のスナップ画像が取得され、光音響波が液面で発生する時間(中赤外パルス光照射のタイミング)から観測用パルス光源を照射する時間までの間隔をスキャンすることで、光音響波が水中を伝播する様子(時間変化)を観測することができる。 By using pulsed light as the irradiation light source, a snapshot image of the photoacoustic wave with the time resolution of the pulse width can be obtained, and observation can be made from the time when the photoacoustic wave is generated at the liquid surface (timing of mid-infrared pulsed light irradiation). By scanning the interval between irradiation times with the pulsed light source, it is possible to observe how photoacoustic waves propagate through water (changes over time).
図6は、光音響波をシャドウグラフ法で撮像した画像の一例である。図6(a)は、波長5.1μm、パルスエネルギー14μJの中赤外パルス光を水面にビーム径77μmに集光した場合の、発生した光音響波の水中伝播の0.5μsごとのスナップショットで示す画像である。経過時間は左上から左下に、照射後0μs後、0.5μs後、1μs後、右上から右下に1.5μs後、2μs後、2.5μs後である。液面(画像中の黒い線)が湾曲しているのは、表面張力によりセルの左右の内壁に水面が引っ張られているためである。 FIG. 6 is an example of an image obtained by capturing photoacoustic waves using the shadow graph method. Figure 6(a) shows snapshots every 0.5 μs of the underwater propagation of the photoacoustic waves generated when mid-infrared pulsed light with a wavelength of 5.1 μm and pulse energy of 14 μJ is focused on the water surface to a beam diameter of 77 μm. This is the image shown in . The elapsed time is from upper left to lower left: 0 μs, 0.5 μs, 1 μs after irradiation, and from upper right to lower right: 1.5 μs, 2 μs, and 2.5 μs after irradiation. The reason why the liquid surface (black line in the image) is curved is because the surface tension is pulling the water surface against the left and right inner walls of the cell.
図6(b)は、光音響波の垂直断面の波形の時間変化を示すグラフである。縦軸は波面の強度(単位は任意)である。具体的には、図6(a)に示した光音響波画像に対応しており、中赤外パルス光照射位置に対して垂直方向の強度分布を経過時間ごとにプロットした図である。図6(b)から、中赤外パルス光照射後2μsで光音響波は水深3mmに到達していることがわかる。これから光音響波の速度は約1500m/sと見積もられ、これは室温水中での音速に対応する。 FIG. 6(b) is a graph showing a temporal change in the waveform of a vertical cross section of a photoacoustic wave. The vertical axis is the intensity of the wavefront (units are arbitrary). Specifically, it corresponds to the photoacoustic wave image shown in FIG. 6(a), and is a diagram in which the intensity distribution in the direction perpendicular to the mid-infrared pulsed light irradiation position is plotted for each elapsed time. It can be seen from FIG. 6(b) that the photoacoustic wave reaches a depth of 3 mm in 2 μs after irradiation with the mid-infrared pulsed light. From this, the speed of the photoacoustic wave is estimated to be approximately 1500 m/s, which corresponds to the speed of sound in room temperature water.
光音響波の実用化においては、光音響波を指向性の高い波として平面波に近づける事が好ましい。これは特定の対象物の方向にエネルギーを集中させて遠方まで光音響波を到達させることを可能とする。 In the practical application of photoacoustic waves, it is preferable that the photoacoustic waves be made into highly directional waves that approach plane waves. This allows photoacoustic waves to reach long distances by concentrating energy in the direction of a specific target.
図7は、中赤外パルス光の水面での集光径(ビーム径)を変化させて光音響波を発生させた場合のシャドウグラフ画像である。撮像時刻は、中赤外パルス光の照射の1μs後である。図7の各画像に点線の円SPで示した箇所が集光部分である。図7の(a)、(b)、(c)、(d)は、集光径がそれぞれ0.077mm、0.110mm、0.142mm、0.177mmの場合のシャドウグラフ画像である。また、図8は、図7のそれぞれの画像の中赤外パルス光の条件である集光径及びエネルギー密度と、生成された光音響波の発散角をまとめた表である。図8に示すように、集光径の広い(d)の結果ではビーム発散角が27度程度と小さく、指向性の高い光音響波の発生が実現されている。これはホイヘンスの原理により、波源が大きくなると干渉により進行方向の波が増強されるためである。 FIG. 7 is a shadow graph image when a photoacoustic wave is generated by changing the condensing diameter (beam diameter) of mid-infrared pulsed light on the water surface. The imaging time is 1 μs after the mid-infrared pulsed light irradiation. The locations indicated by dotted circles SP in each image in FIG. 7 are light condensing portions. (a), (b), (c), and (d) of FIG. 7 are shadow graph images when the converging diameters are 0.077 mm, 0.110 mm, 0.142 mm, and 0.177 mm, respectively. Further, FIG. 8 is a table summarizing the condensed diameter and energy density, which are the conditions of the mid-infrared pulsed light, and the divergence angle of the generated photoacoustic waves for each image in FIG. As shown in FIG. 8, in the result (d) with a wide condensing diameter, the beam divergence angle is as small as about 27 degrees, and highly directional photoacoustic waves are generated. This is because according to Huygens' principle, when the wave source becomes larger, the waves in the traveling direction are strengthened due to interference.
中赤外パルス光のエネルギー密度をより大きくすれば、より発散角の小さい平面波を生成することが可能である。それにより、より遠方まで光音響波を到達させることが可能となる。そのためには、例えば、高エネルギーのレーザを射出可能なQスイッチナノ秒パルスレーザを用いることができる。なお、光音響波を画像化する方法としては、シャドウグラフ法に限定されない。例えばシュリーレン法を含む、その他の方法を用いてもよい。 By increasing the energy density of the mid-infrared pulsed light, it is possible to generate a plane wave with a smaller divergence angle. This allows photoacoustic waves to reach further distances. For this purpose, for example, a Q-switched nanosecond pulse laser capable of emitting a high-energy laser can be used. Note that the method of imaging photoacoustic waves is not limited to the shadow graph method. Other methods may also be used, including, for example, the Schlieren method.
(光音響波発生方法)
次に、本実施形態に係る光音響波発生方法について説明する。図9は、光音響波発生方法S1の流れを示すフロー図である。図9に示すように、光音響波発生方法S1は、中赤外パルス光を、水を含む液体の液面に照射するステップS12を含む。これにより、当該液体中を伝播する光音響波を発生させることができる。光音響波を発生させるための中赤外パルス光の条件等は、光音響波発生装置1の実施形態で説明したとおりである。
(Photoacoustic wave generation method)
Next, a photoacoustic wave generation method according to this embodiment will be explained. FIG. 9 is a flow diagram showing the flow of the photoacoustic wave generation method S1. As shown in FIG. 9, the photoacoustic wave generation method S1 includes step S12 of irradiating the surface of a liquid containing water with mid-infrared pulsed light. Thereby, it is possible to generate photoacoustic waves that propagate in the liquid. The conditions for the mid-infrared pulsed light for generating photoacoustic waves are as described in the embodiment of the photoacoustic wave generator 1.
図9に示すように、光音響波発生方法S1は、ステップS12の前に、中赤外パルス光を生成するステップS11を含んでもよい。中赤外パルス光を生成する方法については、光音響波発生装置1の実施形態で説明したとおりである。 As shown in FIG. 9, the photoacoustic wave generation method S1 may include a step S11 of generating mid-infrared pulsed light before step S12. The method for generating mid-infrared pulsed light is the same as described in the embodiment of the photoacoustic wave generator 1.
以上のように、本実施形態に係る光音響波発生装置1及び光音響波発生方法S1によれば、水を含む液体の液面に中赤外パルス光を照射することによって当該液体中を伝播する光音響波を生成することができる。中赤外パルス光は水によく吸収されるため、測定のために中赤外パルス光を用いることはこれまで考えられていなかった。しかし、本願の発明者は、この性質を逆に利用して、中赤外パルス光を用いることで、テラヘルツ光を用いる方法に比べて安価で取り扱いが簡易な装置で光音響波を発生させることができることに着目した。この方法により、光音響波を用いる測定方法を広い分野にわたって適用することが容易となった。 As described above, according to the photoacoustic wave generation device 1 and the photoacoustic wave generation method S1 according to the present embodiment, by irradiating the liquid surface of a liquid containing water with mid-infrared pulsed light, the light propagates through the liquid. It is possible to generate photoacoustic waves. Since mid-infrared pulsed light is well absorbed by water, it has not been considered to use mid-infrared pulsed light for measurement. However, the inventor of the present application has taken advantage of this property to generate photoacoustic waves using a device that is cheaper and easier to handle than the method using terahertz light by using mid-infrared pulsed light. We focused on what can be done. This method has made it easy to apply measurement methods using photoacoustic waves to a wide range of fields.
〔実施形態2〕
次に、本発明の実施形態2について説明する。光音響波を用いる測定方法として、例えば、液体の組成を推定することができる。本実施形態は、光音響波を用いて、液体の組成を推定する方法である。図10は、本実施形態に係る組成推定方法S2の流れを示すフロー図である。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. As a measurement method using photoacoustic waves, for example, the composition of a liquid can be estimated. This embodiment is a method of estimating the composition of a liquid using photoacoustic waves. FIG. 10 is a flow diagram showing the flow of the composition estimation method S2 according to this embodiment.
組成推定方法S2は、次のステップを含む。ステップS21において、水を含む液体の液面に中赤外パルス光を照射することによって、当該液体中を伝播する光音響波を生成する(照射工程)。中赤外パルス光を生成する方法又は装置と、生成した中赤外パルス光を、水を含む液体の液面に照射する方法又は装置は、実施形態1で説明したとおりである。 The composition estimation method S2 includes the following steps. In step S21, a photoacoustic wave that propagates in the liquid is generated by irradiating the surface of the liquid containing water with mid-infrared pulsed light (irradiation step). The method or device for generating mid-infrared pulsed light and the method or device for irradiating the surface of a liquid containing water with the generated mid-infrared pulsed light are as described in Embodiment 1.
次に、ステップS22において、液体中を伝播する光音響波の波面を表す画像を取得する(取得工程)。画像の取得方法は、実施形態1で説明したとおりである。 Next, in step S22, an image representing the wavefront of the photoacoustic wave propagating in the liquid is acquired (acquisition step). The image acquisition method is as described in the first embodiment.
次に、ステップS23において、画像を参照することによって、液体中の光音響波の音速を特定する(特定工程)。画像から光音響波の音速を特定する方法は、実施形態1で説明したとおりである。 Next, in step S23, the sound speed of the photoacoustic wave in the liquid is specified by referring to the image (identification step). The method of identifying the sound speed of a photoacoustic wave from an image is as described in the first embodiment.
次に、ステップS24において、光音響波の音速を参照することによって、液体の組成を推定する(推定工程)。この推定工程では、予め取得しておいた液体の組成とその液体中の光音響波の音速との関係に基づいて液体の組成を推定する。 Next, in step S24, the composition of the liquid is estimated by referring to the sound speed of the photoacoustic wave (estimation step). In this estimation step, the composition of the liquid is estimated based on the relationship between the composition of the liquid and the sound speed of the photoacoustic wave in the liquid, which has been obtained in advance.
以上の組成推定方法S2によれば、液体の組成とその液体中の光音響波の音速との関係を予め取得しておくことで、多くの種類の液体の組成を推定することができる。これは、画像生成部を備える1つの光音響波発生装置で多くの種類の液体の組成を推定できることを意味している。 According to the above composition estimation method S2, by obtaining the relationship between the composition of a liquid and the sound speed of a photoacoustic wave in the liquid in advance, it is possible to estimate the composition of many types of liquid. This means that the compositions of many types of liquids can be estimated with one photoacoustic wave generation device equipped with an image generation section.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made within the scope of the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. are also included within the technical scope of the present invention.
本発明の一実施例について以下に説明する。液体の組成を分析する方法として多くの方法が知られている。しかし、その成分によって分析方法が異なる場合が多い。そこで、1つの方法を用いて、成分の種類が判明している溶液又は混合液の成分定量分析ができれば好都合である。本実施例は、光音響波を用いて、エタノール水溶液(水とエタノールとの混合液)中のエタノール濃度を推定したものである。 An embodiment of the present invention will be described below. Many methods are known for analyzing the composition of liquids. However, the analysis method often differs depending on the component. Therefore, it would be advantageous if a single method could be used to quantitatively analyze the components of a solution or mixed solution whose components are known. In this example, the ethanol concentration in an ethanol aqueous solution (a mixture of water and ethanol) was estimated using photoacoustic waves.
水とアルコールの混合溶液は、その物理化学的特性がモル分率に特異的かつ強い依存性を示すことが知られている。例えば、エタノール溶液中の光音響波の速度はモル分率に対して単調変化をせず、図11に示すように、モル分率0.1辺りに極値を有する。このような強い依存性を有することから、光音響波の速度の活用により、混合溶液の定量分析(混合比分析)における高感度化及び測定の高速化を図ることが可能である。 It is known that the physicochemical properties of a mixed solution of water and alcohol exhibit a specific and strong dependence on the molar fraction. For example, the speed of photoacoustic waves in an ethanol solution does not monotonically change with respect to the mole fraction, but has an extreme value around the mole fraction of 0.1, as shown in FIG. Because of this strong dependence, by utilizing the speed of photoacoustic waves, it is possible to achieve higher sensitivity and faster measurement in quantitative analysis (mixing ratio analysis) of mixed solutions.
実施形態2で説明した方法を用いて測定した水・エタノール混合溶液内での光音響波速度のモル分率依存性の測定結果と、文献値(G. D'Arrigo and A. Paparelli, The Journal of Chemical Physics, vol. 88, page 405-415 (1998))と、比較例としてテラヘルツ光を用いて発生させた光音響波で測定した結果と、をまとめた結果を図11に示す。本測定は1分以内に完結しており、かつ図示するように文献値と非常に良い一致を示す定量性も有する。本手法はシャドウグラフ法による二次元画像観測を用いているため、速度の二次元的な空間分布、即ち混合比分布の画像化が可能となり、かつ1分以内の比較的高速な測定が可能である。 The measurement results of the mole fraction dependence of the photoacoustic wave velocity in a water/ethanol mixed solution measured using the method described in Embodiment 2 and the literature values (G. D'Arrigo and A. Paparelli, The Journal of Chemical Physics, vol. 88, pages 405-415 (1998)) and results measured using photoacoustic waves generated using terahertz light as a comparative example, are shown in FIG. 11. This measurement was completed within one minute, and as shown in the figure, it also has quantitative properties that show very good agreement with literature values. Since this method uses two-dimensional image observation using the shadow graph method, it is possible to image the two-dimensional spatial distribution of velocity, that is, the mixture ratio distribution, and relatively fast measurement within one minute is possible. be.
現在測定時間を制限しているのは、中赤外パルス光照射からシャドウグラフ用パルス光を照射するまでの時間を掃引する機構の通信時間であり、この点を改善することにより測定時間は1/10程度に短縮することも可能である。これによりラインでの測定も可能となるため、音響波が伝播可能でかつシャドウグラフ法が適用可能な透明(可視・近赤外光領域に対して)な材料について組成の均一性測定等への応用が考えられる。例えば、混合溶液の均一性(アルコール製品等)や混合状態の測定に適用することが考えられる。これまでアルコール飲料の醸造過程等は経験による測定が主であった。光音響波は溶液構造に強く依存し、かつ醸造過程の各状態も水・アルコール分子(分子集団)の混合状態に強く依存すると言われている。そこで、光音響波速度として混合状態を数値化し、それを二次元画像化することで、醸造度等の評価が可能となると考えられる。 Currently, the measurement time is limited by the communication time of the mechanism that sweeps the time from mid-infrared pulsed light irradiation to shadowgraph pulsed light irradiation, and by improving this point, the measurement time can be reduced to 1. It is also possible to shorten it to about /10. This makes it possible to measure in a line, so it is useful for measuring the composition uniformity of transparent (for visible and near-infrared light regions) materials that allow acoustic waves to propagate and to which the shadowgraph method can be applied. Possible applications. For example, it may be applied to measuring the uniformity of mixed solutions (alcohol products, etc.) and the state of mixing. Up until now, measurements of the brewing process of alcoholic beverages have mainly been based on empirical measurements. It is said that photoacoustic waves strongly depend on the solution structure, and each state during the brewing process also strongly depends on the mixed state of water and alcohol molecules (molecule groups). Therefore, it is thought that by quantifying the mixing state as photoacoustic wave velocity and converting it into a two-dimensional image, it will be possible to evaluate the degree of brewing.
なお、上記の実施例で説明した方法は、図11に示すように、中赤外パルス光だけでなく、テラヘルツパルス光を用いて上述の実施形態と同様な方法で発生させた光音響波でも同じ結果が得られる。つまり、以下の組成推定方法でも組成を推定することが可能である。 Note that the method described in the above example can be applied not only to mid-infrared pulsed light but also to photoacoustic waves generated in the same manner as in the above embodiment using terahertz pulsed light, as shown in FIG. I get the same result. In other words, the composition can also be estimated using the composition estimation method described below.
組成推定方法は、水を含む液体の液面に中赤外光からテラヘルツ光の波長のパルス光を照射することによって、当該液体中を伝播する光音響波を生成する照射工程と、前記液体中を伝播する前記光音響波の波面を表す画像を取得する取得工程と、前記画像を参照することによって、前記液体中の前記光音響波の音速を特定する特定工程と、前記光音響波の音速を参照することによって、前記液体の組成を推定する推定工程と、を含む。この方法によれば、光音響波を用いることで、水を含む溶液又は混合液中の成分の定量分析を行うことができる。例えば、混合溶液の均一性(アルコール製品等)や混合状態の測定に適用することができる。 The composition estimation method includes the steps of irradiating the surface of a liquid containing water with pulsed light with a wavelength ranging from mid-infrared light to terahertz light to generate photoacoustic waves that propagate in the liquid; an acquisition step of acquiring an image representing a wavefront of the photoacoustic wave propagating through the liquid; a specifying step of identifying the sound speed of the photoacoustic wave in the liquid by referring to the image; estimating the composition of the liquid by referring to the method. According to this method, components in a solution or mixed solution containing water can be quantitatively analyzed by using photoacoustic waves. For example, it can be applied to measuring the uniformity of mixed solutions (alcohol products, etc.) and the mixing state.
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る光音響波発生装置は、水を含む液体の液面に中赤外パルス光を照射することによって、当該液体中を伝播する光音響波を生成する照射部を備えている。
〔summary〕
A photoacoustic wave generation device according to aspect 1 of the present invention includes an irradiation unit that generates photoacoustic waves that propagate in the liquid by irradiating the surface of a liquid containing water with mid-infrared pulsed light. There is.
本発明の態様2に係る光音響波発生装置は、態様1に記載の光音響波発生装置において、前記中赤外パルス光の波長は3μm以上20μm以下である。 A photoacoustic wave generation device according to aspect 2 of the present invention is the photoacoustic wave generation device according to aspect 1, wherein the wavelength of the mid-infrared pulsed light is 3 μm or more and 20 μm or less.
本発明の態様3に係る光音響波発生装置は、態様1又は2に記載の光音響波発生装置において、前記中赤外パルス光のパルス幅は、前記液体の吸収係数をα、前記液体中の音速をνとした場合に(αν)-1よりも小さい。 A photoacoustic wave generation device according to aspect 3 of the present invention is the photoacoustic wave generation device according to aspect 1 or 2, in which the pulse width of the mid-infrared pulsed light is such that the absorption coefficient of the liquid is α, is smaller than (αν) -1 , where ν is the speed of sound.
本発明の態様4に係る光音響波発生装置は、態様1から3のいずれか一に記載の光音響波発生装置において、前記中赤外パルス光のエネルギーは、10μJ/パルス以上である。 A photoacoustic wave generation device according to aspect 4 of the present invention is the photoacoustic wave generation device according to any one of aspects 1 to 3, wherein the energy of the mid-infrared pulsed light is 10 μJ/pulse or more.
本発明の態様5に係る光音響波発生装置は、態様1から4のいずれか一に記載の光音響波発生装置において、前記中赤外パルス光のエネルギーは100μJ/パルス以上であり、前記照射部は、前記光音響波が平面波となる照射面積で前記中赤外パルス光を前記液面に照射する。 A photoacoustic wave generation device according to aspect 5 of the present invention is the photoacoustic wave generation device according to any one of aspects 1 to 4, wherein the energy of the mid-infrared pulsed light is 100 μJ/pulse or more, and the irradiation The part irradiates the liquid surface with the mid-infrared pulsed light in an irradiation area where the photoacoustic wave becomes a plane wave.
本発明の態様6に係る光音響波発生装置は、態様1から5のいずれか一に記載の光音響波発生装置において、前記中赤外パルス光を生成する生成部を更に備える。
A photoacoustic wave generation device according to an
本発明の態様7に係る光音響波発生装置は、態様1から6のいずれか一に記載の光音響波発生装置において、前記光音響波を画像化する画像生成部を更に備える。 A photoacoustic wave generation device according to a seventh aspect of the present invention is the photoacoustic wave generation device according to any one of aspects 1 to 6, further comprising an image generation unit that converts the photoacoustic wave into an image.
本発明の態様8に係る光音響波発生装置は、態様7に記載の光音響波発生装置において、前記画像生成部は、インコヒーレントパルスレーザー光を用いたシャドウグラフ法により前記光音響波を画像化する。 In the photoacoustic wave generation device according to aspect 8 of the present invention, in the photoacoustic wave generation device according to aspect 7, the image generation unit converts the photoacoustic wave into an image by a shadow graph method using incoherent pulsed laser light. become
本発明の態様9に係る光音響波発生方法は、水を含む液体の液面に中赤外パルス光を照射することによって、当該液体中を伝播する光音響波を生成する照射工程を含んでいる。 The photoacoustic wave generation method according to aspect 9 of the present invention includes an irradiation step of generating a photoacoustic wave that propagates in the liquid by irradiating the surface of the liquid containing water with mid-infrared pulsed light. There is.
本発明の態様10に係る組成推定方法は、水を含む液体の液面に中赤外パルス光を照射することによって、当該液体中を伝播する光音響波を生成する照射工程と、前記液体中を伝播する前記光音響波の波面を表す画像を取得する取得工程と、前記画像を参照することによって、前記液体中の前記光音響波の音速を特定する特定工程と、前記光音響波の音速を参照することによって、前記液体の組成を推定する推定工程と、を含んでいる。
A composition estimation method according to
本発明の態様11に係る組成推定方法は、態様10に記載の組成推定方法において、前記液体は、水とアルコールとの混合液である。 A composition estimation method according to an eleventh aspect of the present invention is the composition estimation method according to the tenth aspect, wherein the liquid is a mixed liquid of water and alcohol.
1…光音響波発生装置
10…生成部
11…照射部
12…画像生成部
41…シグナル光
42…アイドラー光
43…中赤外パルス光
50…パルス励起光
51…光パラメトリック増幅器(OPA)
52,54…多層膜ミラー
53,55,59…遅延ステージ
56…フィルタ
58…フリッパーミラー
60,74…ミラー
61…フォトダイオード
62…ピンホール
63,73…NDフィルタ
64…AgGaS2結晶
65…ビームスプリッタ
71…放物面ミラー
72…レーザ光源
75,76…レンズ群
77…撮像カメラ
80,81…インコヒーレントパルスレーザー光
1...
52, 54...
Claims (11)
ことを特徴とする光音響波発生装置。 comprising an irradiation unit that generates photoacoustic waves that propagate in the liquid by irradiating the surface of the liquid containing water with mid-infrared pulsed light;
A photoacoustic wave generator characterized by:
ことを特徴とする請求項1に記載の光音響波発生装置。 The wavelength of the mid-infrared pulsed light is 3 μm or more and 20 μm or less,
The photoacoustic wave generating device according to claim 1, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1に記載の光音響波発生装置。 The pulse width of the mid-infrared pulsed light is smaller than (αν) −1 , where α is the absorption coefficient of the liquid and ν is the sound velocity in the liquid.
The photoacoustic wave generating device according to claim 1, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1に記載の光音響波発生装置。 The energy of the mid-infrared pulsed light is 10 μJ/pulse or more,
The photoacoustic wave generating device according to claim 1, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の光音響波発生装置。 The energy of the mid-infrared pulsed light is 100 μJ/pulse or more, and the irradiation unit irradiates the liquid surface with the mid-infrared pulsed light in an irradiation area where the photoacoustic wave becomes a plane wave.
The photoacoustic wave generation device according to any one of claims 1 to 4.
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の光音響波発生装置。 further comprising a generation unit that generates the mid-infrared pulsed light;
The photoacoustic wave generation device according to any one of claims 1 to 4.
ことを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の光音響波発生装置。 further comprising an image generation unit that images the photoacoustic wave;
The photoacoustic wave generation device according to any one of claims 1 to 4.
ことを特徴とする請求項7に記載の光音響波発生装置。 The image generation unit images the photoacoustic wave by a shadow graph method using incoherent pulsed laser light.
The photoacoustic wave generating device according to claim 7, characterized in that:
ことを特徴とする光音響波発生方法。 The method includes an irradiation step of generating a photoacoustic wave that propagates in the liquid by irradiating the surface of the liquid containing water with mid-infrared pulsed light.
A photoacoustic wave generation method characterized by:
前記液体中を伝播する前記光音響波の波面を表す画像を取得する取得工程と、
前記画像を参照することによって、前記液体中の前記光音響波の音速を特定する特定工程と、
前記光音響波の音速を参照することによって、前記液体の組成を推定する推定工程と、を含んでいる、
ことを特徴とする組成推定方法。 An irradiation step of generating a photoacoustic wave that propagates in the liquid by irradiating the surface of the liquid containing water with mid-infrared pulsed light;
an acquisition step of acquiring an image representing a wavefront of the photoacoustic wave propagating in the liquid;
identifying the sound speed of the photoacoustic wave in the liquid by referring to the image;
estimating the composition of the liquid by referring to the sound speed of the photoacoustic wave;
A composition estimation method characterized by the following.
ことを特徴とする請求項10に記載の組成推定方法。 The liquid is a mixture of water and alcohol.
The composition estimation method according to claim 10.
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