JPS58219440A - レ−ザ発光分光分析方法 - Google Patents

レ−ザ発光分光分析方法

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JPS58219440A
JPS58219440A JP10287082A JP10287082A JPS58219440A JP S58219440 A JPS58219440 A JP S58219440A JP 10287082 A JP10287082 A JP 10287082A JP 10287082 A JP10287082 A JP 10287082A JP S58219440 A JPS58219440 A JP S58219440A
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Kozo Sumiyama
角山 浩三
Zenji Ohashi
大橋 善治
Yasuko Koshiyu
泰子 古主
Motoyuki Konishi
小西 元幸
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JFE Steel Corp
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Kawasaki Steel Corp
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G01N21/718Laser microanalysis, i.e. with formation of sample plasma

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レーザ発光分光分析方法に係り、特に、溶銑
、溶鋼、スラグ等の直接分析に用いるのに好適な、レー
ザ光を照射したときに試料表面から放出される光を分光
分析するようにしたレーザ発光分光分析方法の改良に関
する。
レーザ技術の進歩と共に、これを励起源とじて利用し、
発光分光分析を行おうとする試みが各方面で行われてい
る。即ち、試料表面に、適当な焦点距離の集光レンズに
よって焦点を結ぶようにされた、強力なレーザ光を照射
すると、表面層が急速に加熱される。特に、レーザ光を
数I Q nsgcのパルス状にすると、試料内部へ熱
が拡散する前に局所的にエネルギが注入された状態とな
り、溶解及び蒸発がおこる。蒸気はレーザによって更に
励起されてプラズマ化し、光を放出するようになる。こ
の光を適当な光導入系を用いて分光器に伝達し、回折格
子等により分光してスペクトルに分離した後、写真フィ
ルム、光電子増倍管、フォトダイオード等によシ検出す
ることによって、目的元素の含有歓を調べるのがレーザ
発光分光分析方法である。この手法は、非電導性物質に
も適用可能であり、大気中で分析することができる等優
れた特徴を持っているが、データの変動が大きく、分析
精度にも問題があった。その最大の原因は、レーザの出
力強度の変動にあると一般に考えられており、レーザ強
度を適当な方法で常時監視し、所定の範囲内である時に
のみデータを採取する方法が、通常とられている。しか
しながら、この方法では、レーザ光の強度分布の変化に
対応することができず、又、試料表面の形状、汚れ、酸
化被膜の存在等による蒸発励起過程の変動の影響を除去
することができないという欠点を有していた。
本発明は、前記従来の欠点を解消するべくなされたもの
で、レーザ出力強度の変動等に拘らず、高精度の分析を
行うことができるレーザ発光分光分析方法を提供するこ
とを目的とする。
本発明は、レーザ光を照射したときに、試料表面から放
出される光を分光分析するようにしたレーザ発光分光分
析方法において、前記レーザ光の発光モードなガウス分
布形のTEMo oモードに固定すると共に、試料放出
光中の所定スペクトル線の強度、又は、所定対のスペク
トル線の強度比が、所定範囲内であるときの被測定元素
のスペクトル線強度から、分析値を得るよ弓に(〜て、
前記目的を達成したものである。
本発明は、レーザ発光分光分析方法に関し、その短所と
されているスペクトル線強度の変動を、発明者らが調査
した結果に基づいてなされたものである。即ち、発明者
らの調査によって次のようなことが明らかになった。
一知 (1)  レーザ発振器から出力を増加すると、スペク
トル線強度の変動係数(標準偏差を平均値で除したもの
)は減少するが、レーザ発振器の後段に増幅器をおき、
更に出力を増加させると、スペクトル線強度の変動係数
は逆に大きくなる。
(2)増幅器を用いず、レーザ発振器のみでレーザ光を
得た場合でも、スペクトル線強度の変動は、レーザ出力
の変動より太きい。
第1図及び第2図に実験結果を示す。実験に用いた試料
は鉄合金であり、レーザ光としては、波長1.0611
m、パルス幅15n’secの赤外線レーザな用いてい
る。第1図から明らかな如く、レーザ出力が増幅器を利
用する出力2J以上になると、突然変動係数が大きくな
っている。この原因は、レーザパルスの強度分布にある
と考えられる。即ち、一般に、レーザ発振器から放射さ
れたレーザビームの垂直断面方向の強度分布(モード)
には、種々の対称性があり、発光分光分析に用いるよう
な高い出力が必要な場合には、パルス毎にモードが変化
するマルチモード発振となっている。ところが、このよ
うに1つのビームの中に幾つかの強度分布のピークが存
在している場合に増幅器を作動させると、特定のピーク
が優先的に増幅されるようになる。従って、このような
強度分布を持ったレーザビームを試料表面上に収束する
と、そこでのスポット径の中で、局所的にレーザ照射密
度の高い領域が生じるようになる。このような照射密度
のゆらぎは、パルス毎に変化するので、発光スペクトル
の強度が変動するようになる。そこで、発明者らは、発
光分光分析に用いるレーザに関しても、ホログラフィ等
に用いられているモードロック手法を利用し、ガウス分
布状の出力が得られるTEMoOモードに固定すること
を考えた。モードとしては、この他円墳状の分布が得ら
れるTEM(11モード等も利用できるが、発光分光分
析(=はガウス分布が厳適であると考えられる。同、モ
ードロックを行うと、レーザ出力が減少するが、レーザ
発振器の出力を増加すると共に、増幅器を追加すること
によって、補うことができる。勿論、TEM00モード
に固定した場合には、増幅器を利用してもモードは変化
しない。
一方、第2図は、鉄合金に、第1図と同一のレーザ光を
照射したときの、271.4nmのPeスペクトル線強
度の変動係数(実線A)とレーザ出力の変動係数(実線
B)を比較して示しだものである。増幅器を使用してい
ないにも拘らず、スペクトル線の強度変化は、レーザ出
力の変動幅より大きくなっている。このような発光スペ
クトルの強度変化は、前記のモードロックによってかな
り改善されるが、その他、レーザ照射時に試料表面でお
こる蒸発、励起過程のゆらぎの影響も無視することがで
きない。後者は、単にレーザの出力やモードを制御した
だけでは除去できないので、レーザ照射時に得られる所
定スペクトル線、例えば、鉄合金の場合には、適当な波
長のFeスペクトル線を1つ或いは2つ選び、その強度
或いは強度比を常に監視して、所定の変動範囲内にある
ときにのみ、測定目的元素のスペクトル線強度を読取る
ことを考えた。特に、後者の強度比を規制する方式は、
レーザ照射(二よって生成されたプラズマの温度を限定
することになり、分析精度の向上に有効である。
本発明は、上記のような知見に基づいてなされたもので
ある。
以下図面を診照して、本発明に係るレーザ発光分光分析
方法が採用されたレーザ発光分光分析装置の実施例を詳
細1′−説明する。
本実施例は、第3図に示す如く、レーザ光を発振するだ
めの、モードロック用の機構(図示省略)が組込まれた
レーザ発振器10と、該レーザ発振器10を駆動するだ
めの発振器用電源11と、前記レーザ発振器10に組込
まれている高速スイッチング素子(図示省略)を働かせ
るだめの高速スイッチング素子用電源12と、前記レー
ザ発振器10から発振されたレーザ光のビーム径を拡大
するためのアップコリメータ13と、該アップコリメー
タ13から出射されたレーザ光を増幅するだめの増幅器
14と、該増幅器14を駆動するための増幅器用電源1
5と、前記増幅器14から出射したレーザ光の照射方向
を変えるための直角プリズム16と、レーザ光を試料2
0の表面に収束するための集光レンズ18と、レーザ光
に対して所定の方向を向くように配置された試料200
表面から、レーザ照射によって放出された光を分光器2
2の入口スリット26に結像するだめの、例えば凹面鏡
からなる分光器光学系24と、入口スリット26に結像
された試料放出光を、回、析格子等によりスペクトル線
に分離するための分光器22と、該分光器22により分
離されたスペクトル線のうち、監視用の波長のスペクト
ル線の強度を検出して電気信号に変換するための、1台
又は2台の監視用光検出器28と、被測定元素のスペク
トル線の強度を検出して電気信号に変換するだめの測定
用光検出器30と、前記監視用光検出器28の出力に応
じて、試料放出光中の所定スペクトル線の強度、又は、
所定対のスペクトル線の強度比が所定範囲内であるか否
かを検出するスペクトル線強度モニタ32と、該スペク
トル線強度モニタ32により、試料放出光中の所定スペ
クトル線の強度、又は、所定対のスペクトル線の強度比
が、所定範囲内である時に開かれるゲート回路34と、
該ゲート回路34が開かれている時の前記測定用光検出
器30出力から測定値を求め、表示する表示部36とか
ら構成されている。
前記レーザ発振器10としては、例えば、波長0.69
μmのルビーレーザ、或いは、波長1.05乃至1.0
6μmの赤外線レーザを用いることができる。
前記増幅器14に用いられるレーザ物質は、レーザ密度
を一定値以下に拍斑るために、レーザ発振器10より太
くされている。前記アップコリメータ13は、このよう
なレーザ物質の口径の相異を打ち消すだめのものである
又、前記直角プリズム16は、レーザ光を試料20の表
面に対して所定の角度で照射するだめのものであり、レ
ーザ発振器10を含むレーザ発光部を、はじめから所定
の方向に設置1シた場合には、省略することができる。
以下作用を説明する。
まず、発振器用電源11及び増幅器用電源15に蓄えら
れた電気エネルギを、レーザ発振器10及び増幅器14
内のレーザ物質に伝えて励起状態とする。所定のエネル
ギがレーザ発振器10内のレーザ吻實C二蓄えられた時
、発振器用電#、11から高速ス1ツチング素子用1源
12(=儒号が送られて高速スイッチング素子が作動さ
れ、レーザ発振器10に畜えられたエネルギが一度に放
出される。レーザ発振器10の中には、モードロック機
構が、組込まれており、放出されたパルス状のレーザ光
は、ガウス分布のTEMooモードになっている。レー
ザ発振器10から発振されたレーザ先勝は、アップコリ
メータ13を介して増幅器14に入射する。すると、こ
の増幅器14に蓄えられていたエネルギも又瞬時に放出
され、レーザ光が更に強められる。このようにして得ら
れた強力なレーザパルスが、IW角プリズム16及び東
光レンズ18を介して、試料20の表面に収束される。
すると、試料20の表面が短時間内に局所的に加熱され
て、プラズマ化する。この時、プラズマから放出される
光は、分光器光学系24により分光器22に導かれ、分
光器22の回折格子等によυ分散される。分散光のうち
、監視用の特定波長のスペクトル線が、監視用光検出器
28で検出され、スペクトル線強度モニタ32で、所定
スペクトル線の強度、又は、所定対のスペクトル線の強
度比が所定の範囲内であるか否かが検出される。スペク
トル線の強度或いは強度比が所定範囲内であるとき(二
のみゲート回路34が開かれ、被測定元素のスペクトル
線を受光した測定用光検出器30の出力が表示部36に
伝えられて、測定結果が表示される。このようにして得
られた被測定元素のスペクトル線強度は、通常の手法で
データ処理される。
以上説明した通り、本発明によれば、レーザ出力強度の
変動等に拘らず、高精度の分析を行うことができるとい
う優れた効果を有する。
鉄合金中の288.2%mのSiスペクトル線強度の測
定に際して、従来法により測定したスペクトル線強度の
変動係数を求めたところ13.0%であったのが、レー
ザ出力をTEMooモードに固定した場合には、9.0
%に向上し、更に、本発明により、レーザ出力をTEM
ooモードに固定すると共に、271.4%mのFeス
ペクトル線強度を監視し、所定値の±5チにあるときに
のみ、288.2%mのSiスペクトル線の強度を読取
るようにしたところ、7.3%とな9、又、同じく本発
明により、レーザ出力をTEMooモードに固定すると
共に、271.4%mと273.1 nmの2つのFe
スペクトル線を監視し、その強度比が所定値の±5チ内
にあるときのSiスペクトル線強度を読取るようにした
ところ、5.9俤となシ、いずれも、従来法、或いは、
レーザ出力をTEMooモードに固定しただけの場合に
比べて、スペクトル線強度の変動係数が小さくなってい
ることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
第1図は、発明者らの実験による、レーザ出力(11) と271.4 nmのFeスペクトル線強度の変動係数
の関係を示す線図、第2図は、同じく、レーザ出力と、
レーザ出力の変動係数及び271.4 nmのFeスペ
クトル線強度の変動係数の関係を比較して示す線図、第
3図は、本発明に係るレーザ発光分光分析方法が採用さ
れたレーザ発光分光分析装置の実施例の構成を示すブロ
ック線図である。 10・・・レーザ発振器、14・・・増幅器、18・・
・集光レンズ、 20・・・試料、22・・・分光器、
   28・・・監視用光検出器、30・・・測定用光
検出器、 32・・・スペクトル線強度モニタ、 34・・・ゲート回路、 36・・・表示部。 代理人   高  矢    論 (ほか1名) (12) 第1図 第2図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)  レーザ光を照射したときに試料表面から放出
    される光を分光分析するようにしたレーザ発光分光分析
    方法において、前記レーザ光の発光モードをガウス分布
    形のTEMooモー、ドに固定すると共に、試料放出光
    中の所定スペクトル線の強度、又は、所定対のスペクト
    ル線の強度比が、所定範囲内であるときの被測定元素の
    スペクトル線強度から、分析値を得るようにしたことを
    特徴とするレーザ発光分光分析方法。
JP10287082A 1982-06-15 1982-06-15 レ−ザ発光分光分析方法 Granted JPS58219440A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0176625A2 (en) * 1984-10-05 1986-04-09 Kawasaki Steel Corporation Method of laser emission spectroscopical analysis of steel and apparatus therefor
JP2008032606A (ja) * 2006-07-31 2008-02-14 Japan Aerospace Exploration Agency レーザー誘起プラズマ分光分析法における解析方法とその装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0176625A2 (en) * 1984-10-05 1986-04-09 Kawasaki Steel Corporation Method of laser emission spectroscopical analysis of steel and apparatus therefor
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