JPH087136B2 - レーザカロリーメータ - Google Patents

レーザカロリーメータ

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JPH087136B2
JPH087136B2 JP1846690A JP1846690A JPH087136B2 JP H087136 B2 JPH087136 B2 JP H087136B2 JP 1846690 A JP1846690 A JP 1846690A JP 1846690 A JP1846690 A JP 1846690A JP H087136 B2 JPH087136 B2 JP H087136B2
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laser
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、レーザ用光学材料及びその上に被覆した薄
膜の使用レーザ波長にかける微少光吸収率測定に用いる
レーザカロリーメータに関し、特に、迷光による測定誤
差をなくすことができる新規な光学系を用いたレーザカ
ロリーメータに関する。
(従来の技術) 近年、レーザの高出力化に伴い、そのレーザに使用す
る光学部品の耐レーザ性の研究が進められている。レー
ザの高出力化を制限するファクタの1つに光学部品のレ
ーザダメージしきい値があり、このため、耐レーザ性の
研究において、レーザ用光学部品のレーザダメージしき
い値を求めることが重要である。
一方、レーザ用光学部品のレーザダメージしきい値を低
下させる主な原因にその光学部品に光学材料及びその上
に被覆した薄膜のレーザに対する微少光吸収がある。し
たがって、微少光吸収を測定することにより、レーザダ
メージしきい値を判断できる。しかし、この微少光吸収
は一般の分光光度計の測定限界である0.1%より小さい
ため測定が困難であった。
近年、このような微少光吸収率測定には、レーザ輻射
による測定試料の温度上昇から、その試料の微少光吸収
率を求めるレーザカロリーメトリ法が用いられている。
このような従来のレーザカロリーメータを第2図を参照
して以下に説明する。
チャンバ1には、レーザの光軸に対して垂直にレーザ
入射窓2及びレーザ出射窓3が配置されている。これら
のレーザ入射窓2及びレーザ出射窓3には反射防止膜が
被覆されている。チャンバ1内でこれらの窓の間に測定
試料4が配置され、その測定試料4には熱電対あるいは
サーミスタ等の温度測定素子5が接している。また、チ
ャンバ1は、空気による熱伝導を少なくするために真空
ポンプで排気している。なお、図面中、参照番号13及び
14はそれぞれ排気口及びサーミスタへの導線を示す。
(発明が解決しようとする課題) しかし、このレーザカロリーメトリ法では、測定精度
を向上させるために熱電対あるいはサーミスタ等の温度
測定素子に、迷光(Stray Light)と呼ばれる測定試料
及び真空チャンバのレーザ入出射窓等からのレーザの反
射光及び散乱光が当たらないようにしなければならな
い。
前述の従来のレーザカロリーメータでは、測定試料が
ない場合でも、レーザカロリーメータにレーザを通過さ
せることで温度測定素子の示す温度は上昇する。この原
因は、レーザ入射窓とレーザ出射窓に反射防止膜が被覆
されているが、これらの反射防止膜では完全に反射を零
にすることができず残留反射があり、この残留反射によ
るレーザの繰り返しの反射が迷光になり温度測定素子に
当たるためである。さらに、測定試料を挿入した場合に
は、レーザが、測定試料の表面反射により、あるいは薄
膜が施されている場合にはその反射により、レーザ入射
窓、レーザ出射窓あるいはチャンバの内壁に照射される
ために迷光を増加させていた。従来構成のレーザカロリ
ーメータでは、2重チャンバにした場合でも、このよう
な迷光による測定誤差の発生は基本的には変わらないも
のであった。
即ち、従来技術では、レーザカロリーメータ内のレー
ザの迷光が微少光吸収率測定の精度を低下させていた。
特に、測定試料の表面反射率あるいは薄膜が施されてい
る場合にはその反射率が異なる2つの測定試料の光吸収
率を比較することは、レーザの迷光の強度が異なるため
に信頼性に欠けていた。
したがって、本発明の目的は、レーザの迷光を極端に
減少させ、さらに測定試料の表面反射率あるいは薄膜が
施されている場合にはその反射率に影響を受けることな
く微少光吸収率の測定を行うことができる新規な光学系
を持つレーザカロリーメータを提供することにある。
(課題を解決するための手段) 前述の目的を達成するために、本発明は、レーザの迷
光を極端に減少させ、さらに測定試料の表面反射率ある
いは薄膜が施されている場合にはその反射率に影響を受
けることなく微少光吸収率の測定を行うことができる新
規な光学系を持つレーザカロリーメータを採用したもの
であり、具体的には、本発明は、レーザ照射による測定
試料の温度上昇から測定試料の微少光吸収率を求めるレ
ーザカロリーメータにおいて、チャンバと、チャンバ内
に配置した測定試料にレーザ入射窓を透過させて或る入
射角でレーザを照射するようにチャンバに設けたレーザ
入射窓と、測定試料を透過したレーザと測定試料により
反射したレーザを前記入射角の2分の1の入射角でそれ
ぞれ入射するようにチャンバに設けた対向配置の2つの
レーザ出射窓と、を有し、前記2つのレーザ出射窓の各
々は、反射防止膜が被覆されており、かつ一方のレーザ
出射窓の反射防止膜の残留反射により反射したレーザが
他方のレーザ出射窓からそれぞれ出射するように配置さ
れたものである。ことを特徴とするレーザカロリーメー
タを採用するものである。
さらに、本発明は、前述の構成に加えて、輻射熱のよ
うな熱的な影響及び迷光による光学的な影響をさらに小
さくするために2重チャンバを採用してもよいものであ
る。
(実施例) 次に、図面を参照して本発明を説明する。
第1図は本発明のレーザカロリーメータの好ましい実
施例を示す概略断面図である。
第1図において、外側チャンバ6中には、内側チャン
バ7が配置されている。外側チャンバ6にはレーザ入射
窓8が設けられており、レーザは、このレーザ入射窓8
を通過し、内側チャンバ7内に置かれた測定試料9に入
射角θ度で入射するように照射される。なお、レーザ入
射窓8には反射防止膜(図示せず)が施されており、レ
ーザの大部分はレーザ入射窓8を透過して外側チャンバ
6内に入るが、反射防止膜の残留反射により一部は反射
される。
外側チャンバ6にはレーザ出射窓10が設けられてお
り、このレーザ出射窓10は、測定試料9を透過したレー
ザが内側チャンバ7を出た後、入射角θ/2度で入射さ
れ、このレーザ出射窓10を通過して外側チャンバ6の外
に出るように設定されている。このレーザ出射窓10にも
反射防止膜(図示せず)が被覆されている。したがっ
て、前述のように、レーザ出射窓10に入射したレーザは
大部分レーザ出射窓10を透過するが、反射防止膜の残留
反射によりレーザの一部は外側チャンバ6内に反射され
る。
また、外側チャンバ6にはレーザ出射窓11が設けられ
ており、このレーザ出射窓11は、測定試料9で反射した
レーザが内側チャンバ7を出た後、入射角θ/2度で入射
され、このレーザ出射窓10を通過して外側チャンバ6の
外に出るように設定されている。このレーザ出射窓11に
も反射防止膜(図示せず)が被覆されている。したがっ
て、前述のように、レーザ出射窓11に入射したレーザは
大部分レーザ出射窓11を透過するが、反射防止膜の残留
反射によりレーザの一部は外側チャンバ6内に反射され
る。
そして、これらのレーザ出射窓10及び11は、一方のレ
ーザ出射窓10で反射したレーザが他方のレーザ出射窓11
に向けられて、それによってレーザがその他方のレーザ
出射窓11を透過して外側チャンバ6の外に出射され、ま
た他方のレーザ出射窓11で反射したレーザが一方のレー
ザ出射窓10に向けられて、それによってレーザがその一
方のレーザ出射窓10を透過して外側チャンバ6の外に出
射されるように、対向して配置されている。なお、それ
ぞれのレーザ出射窓10及び11で反射したレーザの光軸
は、外側チャンバ6の1つの側壁に沿ったものであり、
内側チヤンバ7は、これらの反射したレーザの光路によ
り内側に配置されて、これらの反射したレーザの光路を
邪魔しないようになっている。
測定試料9には熱電対あるいはサーミスタ等の温度測
定素子12が接している。そして、この温度測定素子12は
レーザが直接照射されないような位置に配置されてい
る。また、外側チャンバ6と内側チャンバ7は、空気に
よる熱伝導を少なくするために排気口13を通して真空ポ
ンプ(図示せず)で排気している。また、熱電対あるい
はサーミスタ等の測定温度素子への導線14が外側チャン
バ6及び内側チャンバ7を通るように配置されている。
なお、前述の3つのレーザ入射窓に施された反射防止膜
は、それぞれのレーザ入射角に応じて形成されたもので
ある。
次に、本発明のレーザカロリーメータと従来のレーザ
カロリーメータを比較するために行った実験について説
明する。
例1 第1図に示す構成の本発明のレーザカロリーメータを
用いた。その際、外側チャンバ6と内側チャンバ7はア
ルミニウムで製作し、これらの表面にはアルマイト加工
を施した。内側チャンバ7は外側チャンバ6にテフロン
ねじを用いて固定した。温度測定素子12には、測定感度
0.001℃のサーミスタ素子を用いた。また、レーザは測
定試料9に入射角30度で照射した。レーザカロリーメー
タは、真空圧10-3torrまで真空ポンプを用いて排気し
た。この測定は、室温が25±0.1℃にコントロールされ
ている実験室で行った。この例1は、レーザの迷光を比
較するために測定試料なしで行ったものである。
レーザ光源として、20WのNd:YAG(波長1064nm、連続
発振)を用いてレーザカロリーメータに3分間入射し
た。このときの迷光による温度上昇は、0.006℃であっ
た。
次に、第2図に示す構成の従来のレーザカロリーメー
タを用いた。レーザカロリーメータの材料、温度測定素
子、レーザ光源は、同一のものを用いた。また、真空圧
及び入射時間も同一の条件で行った。ただし、入射角は
0度(垂直)で行った。その結果、迷光による温度上昇
は、0.028℃であった。
したがって、本発明のレーザカロリーメータでは、従
来のものに比較して迷光が約1/5に減少していた。
例2 例2では、測定精度に影響を与える測定材料の表面反
射による迷光あるいは薄膜が施されている場合にはその
薄膜からの反射による迷光の増加を比較するために行っ
た。
測定試料として、(1)光学研磨した合成石英(厚さ
200μm)、(2)光学研磨した合成石英(厚さ200μ
m)に電子ビーム真空蒸着法で光学的膜厚nd=λ/4(た
だし、nは照射レーザ波長λにおける薄膜の屈折率であ
り、dはその薄膜の物理的膜厚である)のTiO2薄膜を蒸
着したもの及び(3)光学研磨した合成石英(厚さ200
μm)に電子ビーム真空蒸着法で光学的膜厚nd=λ/2の
TiO2薄膜を蒸着したものを用いた。
最初、従来のレーザカロリーメータで、薄膜が被覆さ
れていない合成石英に20WのNd:YAGレーザ(波長1064n
m、連続発振)を3分間照射し、温度上昇を測定した。
その後、同様にTiO2薄膜が被覆されている2つの合成石
英について温度上昇を測定した。その結果、TiO2薄膜が
被覆されている合成石英の温度上昇から薄膜が被覆され
ていない合成石英の温度上昇を引いた値(薄膜のみの温
度上昇に対応する値)は、光学的薄厚nd=λ/4の場合で
は、0.142℃であり、光学的膜厚d=λ/2の場合では、
0.128℃であった。
一方、本発明のレーザカロリーメータで同様に測定し
た値は、光学的膜厚nd=λ/4の場合では、0.085℃であ
り、光学的膜厚nd=λ/2の場合では、0.138℃であっ
た。このように、本発明のレーザカロリーメータによる
測定結果は、ほぼ膜厚に比例した値になつているのに対
して、従来のレーザカロリーメータによる測定結果は、
本来なら低い値でなければならない光学的膜厚nd=λ/4
の場合の方が光学的膜厚nd=λ/2の場合の方より高い値
を示している。この原因は、光学的膜厚nd=λ/4の場合
の反射率(約25%)が光学的膜厚nd=λ/2の場合の反射
率(約4%)より高いために、光学的膜厚nd=λ/4の場
合の測定時に、迷光が増加してサーミスタが温度上昇し
たためである。
この結果が示すように、本発明のレーザカロリーメー
タは、従来のものに比較して迷光が極端に少ないため、
測定試料の表面反射率、あるいは薄膜が施されている場
合にはその反射率の影響を受けることなく微少光吸収率
測定が可能である。
(発明の効果) 以上詳細に説明したように、本発明のレーザカロリー
メータは、測定試料を透過したレーザ及び測定試料から
反射したレーザによる迷光を極端に少なくするように、
その光学系を構成することにより、測定試料の表面反射
率あるいは薄膜が施されている場合にはその薄膜の反射
率による影響を受けることなく、レーザ光学用ガラス、
結晶、光学薄膜等の微少光吸収率測定を可能にしたもの
である。
また、本発明のレーザカロリーメータを2重チャンバ
に構成して、熱的な影響及び光学的な影響を最少にする
ことにより測定精度を向上させている。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のレーザカロリーメータの好ましい実施
例を示す概略断面図である。 第2図は従来のレーザカロリーメータの概略断面図であ
る。 6……外側チャンバ、7……内側チャンバ、8……レー
ザ入射窓、9……測定試料、10……レーザ出射窓、11…
…レーザ出射窓、12……温度測定素子。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レーザ照射による測定試料の温度上昇から
    測定試料の微少光吸収率を求めるレーザカロリーメータ
    において、チャンバと、チャンバ内に配置した測定試料
    にレーザ入射窓を透過させて或る入射角でレーザを照射
    するようにチャンバに設けたレーザ入射窓と、測定試料
    を透過したレーザと測定試料により反射したレーザを前
    記入射角の2分の1の入射角でそれぞれ入射するように
    チャンバに設けた対向配置の2つのレーザ出射窓と、を
    有し、前記2つのレーザ出射窓の各々は、反射防止膜が
    被覆されており、かつ一方のレーザ出射窓の反射防止膜
    の残留反射により反射したレーザが他方のレーザ出射窓
    からそれぞれ出射するように配置されたものである、こ
    とを特徴とするレーザカロリーメータ。
  2. 【請求項2】請求項1記載のレーザカロリーメータにお
    いて、前記チャンバが外側チャンバであり、一方のレー
    ザ出射窓の反射防止膜の残留反射により反射して他方の
    レーザ出射窓にそれぞれ入射するレーザが透過しないよ
    うに外側チャンバ内に配置した内側チャンバをさらに有
    する、ことを特徴とするレーザカロリーメータ。
  3. 【請求項3】請求項1または2記載のレーザカロリーメ
    ータにおいて、前記測定試料は光路を著しく変更させる
    ことのない形状の光学材料及びその上に被覆した薄膜で
    ある、ことを特徴とするレーザカロリーメータ。
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