JPS62255854A - レ−ザ計測装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、レーザビームを用いて測定対象物質のエネ
ルギー準位２組成成分、成分濃度等を測定するレーザ計
測装置に関するものである。

〔従来の技術〕

カースとは、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ａｎｔｉ−３ｔｏｋｅ
ｓ　ＲａｍａｎＳ　ｐｅｅｔｒｏＳｃｏｐｙ　＝コヒー
レント反スト−クスラマン分光法の頭文字ＣＡＲ３に由
来し、高出力レーザを利用した新しい分光計測法である
。

カースは、ある物質に振動数の異なる２種類の光（ω１
．ω２；ただしω２＝ω１−Δω；Δω＝物質の分子が
有する固有振動数）を合わせて照射するとその物質の反
スト−クス光ω、（＝２ω□−ω２）が共鳴的に発生ず
る現象である。ω３の波長スペクトルおよびその強度か
らその物質のエネルギー準位（温度）２組成成分および
成分濃度等を知る乙とができる。

カースは、光を利用した非接触測定技術で、従来、特に
測定が困難であった燃焼、化学反応、プラズマ等の複雑
な反応過程における温度、ガス成分濃度等が測定できる
顕著な長所を有する注目すべき計測法である。

これをさらに第２図によって説明する。

第２図は従来のカース計測装置の説明図である。

この従来装置では、パルスＹＡＧレーザ１から発振した
波長１０６４．　ｎ　ｍのレーザ光を第２高調波発生器
２を経て波長５３２ｎｒｎの基準レーザビームω、にす
る。この基準レーザビームω１を光分割器３で、これと
ビームの横断面形状（横断面パターン）は同一であるが
光強度（エネルギー）が減衰した２つのし・−ザビーム
に分割している。分割して得られた一方のレーザビーム
を適当な光学系を経て色素レーザ４に照射し、色素レー
ザ４から波長６０７ｎｌＴ＋の近辺の広帯域ストークス
ビームω２を発生させている。分割により得られた他方
のレーザビームは波長が５３２ｎｍの基準レーザビーム
ω１であゆ、この基準レーザビームω。

と、ス）・−クスビームω２とをそれぞれグイクロイッ
クミラー１０．　レンズ１１を経て一緒にして測定対象
物質Ｍに照射する。この場合、測定対象物質Ｍを火炎と
するが、この他の固体、液体あるいは気体状の任意の物
質とすることができる。

測定対象物質Ｍから得られる出力光は反ストークスビー
ムω３の他に入射光としての基準レーザビームω１およ
びストークスビームω２が含まれているのて、レンズ１
２で集光後、これら反ストークスビームω３以外のビー
ムを排除する適当な波長’Ｍ　択Ｍ　５を用いて反スト
ークスビームの３のみを選択し、この反ストークスビー
ムω３を適当な光学系を経て分光器６に入射させる。

この分光器６において分散された各波長成分のレーザビ
ームを分光器６に接続した検出器７で検出する。従来は
この検出器７は、フォトマル（光電子増倍管）よりも感
度は悪いがｓ　ｏ　ｏ　ｑ、ｇ程度集積化して形成した
光検出器アレイまたは多チャンネル分析器で構成してい
る。この検出器７で検出された光出力は５００個程度の
並列の電気信号として得られるので、各出力をミニコン
ピユータ８で処理を行って表示装置９で分子の反ストー
クスビームスベクトル 度とか濃度の表示を行うように構成している。なお、パ
ルスＹＡＧレーザ１および検出ｕ７ば互いに同期を取っ
ている。

上述したカースにおいて反ストークスビーム（・）３が
発生するには次のような物理的条件（位相整合条件）の
下に基準レーザビームω１とストークスビームω２を混
合させる必要がある。

すなわち、エネルギー保存の法則（２ω１−ω２＝ω，
）と運動量保存の法則（２　Ｋ　、　−　Ｋ　２＝　Ｋ
　、、　Ｋ□２に２，に、はそれぞれω、、ω２，ω３
の波数ベクトルを示す）である。

この条件を満足させる最も初歩的な光混合法は、第３図
に示す共線法（コリニアカースとも呼ばれろ）で、基準
レーザビームω，とストークスビームω２を同軸上で重
ね合せてレンズ１１で集光し、測定対象物質Ｍに照射す
る方法である。なお、第３図および以下に述べる第４図
，第５図ではビームの各部におけろ断面図を併せて示し
である。

乙の共線ン去は調整しやすく、反ストークスビームω３
の強度が大きいという長所がある。

また第４図に示す最小交叉角法（ミニマムクロスアング
ルカース）は空間的なサンプリングボリュームを小さく
して測定精度を上げるため、両ビームω１とω２をそれ
ぞれ半円形にしてわずかな間隙をもたせて交叉させる方
法である。

その他に第５図に示す箱型法（ボックスカース）がある
。これは基準し・−ザビームωｌをビームスプリッタＩ
ＯＡで２本に分けた後、グイクロイックミラー１０Ｂを
介してストークスビームω２と合せ合計３本のビームを
それぞれ離してレンズ１１で集光する方法である。反ス
ｊ・−クスビームの３の発生は非常に微小な体積から起
り、空間分解能が良く、出射側で反ストークスビームω
３の分離が容易である等の利点がある。なお上記第３図
〜第５図はいずれも第２図中の点線で囲んだ部分に相当
しており、また第２図と同一の符号は同一の部分を示し
ている。

〔発明が解決しようとする間居点〕

上述した各従来の方法にはそれぞれ次のような欠点があ
る。共線法は、２色のレーザビームを同軸上に一致させ
るだけで、調整法は容易であるが、光路上全て位相整合
条件を満足しているので、レンズ１１で集光しても、焦
点を中心としてその近傍からも反ストークスビームω３
が強く発生ずるため物質のどの点から反ストークスビー
ムω３が発生したかを判別しにくくなり、測定精度が低
下するという欠点がある。

また最小交叉方法は空間分解能が高く、測定精度は向上
するが、反ストークスビームω３の発生量が低下するた
め２本のビームの位相整合条件を満足させる光路の調整
が困難となる欠点がある。

さらに、箱型法は、最も空間分解能が高く、反ス）・−
クスビームω３の分離も容易であるが、３本のビームの
位相整合条件を満足させるために調整要部品が増加し装
置がｙ、雑となるほか、さらに反ストークスビームω３
の強度が低下するため調整が一層困難となる。

この発明は、上述の欠点を解決し、調整が容易でかつ空
間分解能が高い精度の良いデータを得ることのできるレ
ーザ計測装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にがかるレーザ計測装置は、基準レーザビーム
ω１の横断面パターンの一部にストークスビームω２を
混合させて測定対象物質に入射させろ手段と、出射側に
おいて前記基準レーザビームω１とストークスビームω
２の混合部のみを遮断し、その他の基準レーザビーム（
・Ｊｌの横断面パターンに含まれてくる反ストークスビ
ームω３を抽出する手段とを備えたものである。

〔作用〕

この発明においては、測定対象物質に入射するビームは
、ビームの上部が共線法と同じく半円形の基準レーザビ
ームω１とストークスビームω２の混合したものとなり
、また上方のストークスビームω２と下方の半円形の基
準レーザビームω１とが最小交叉方法と同じ形となる。

そして、出射側では、共線法で得られる基準レーザビー
ムω１とストークスビームＯＪ　２の混合部のみを遮断
することにより精度の良い反ストークスビームω３を得
る。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す要部の構成略図であ
る。この図において、１０〜１２１Ｍは第２図と同じも
のを示す。１３はナイフェツジでストークスビームω２
の横断面パターンの半分を遮断し半円形にするものであ
る。１４は同じくナイフェツジでレンズ１２を通ったビ
ームの基準レーザビームω１とストークスビームω雪の
混合部のみを遮断し反ストークスビームω３のみを取り
出すものである。

次に動作について説明する。基準レーザビームω、は円
型の横断面パターンのままグイクロイックミラー１０を
通過してレンズ１１に入る。

一方、ストークスビームω２は横断面パターンの半分を
ナイフェツジ１３で遮断され半円形となりグイクロイッ
クミラー１０によって反射される。

こうすることによって、ビーム上部は半円形ビームによ
る共線法ができ上がる。

また上方のストークスビームω２と下方の基準レーザビ
ームω１が最小交叉方法を構成する。

上述のように共線法は最も反ストークスビームωコを発
生しやすい方法であるため、位相整合の調整はこの共綿
部で発生する反ストークスビームω、を利用して行う。

共線法で最適条件が得られれば、その時点で最小交叉方
法においても最適条件が成り立ったことになる。調整終
了後に共線法で得られる反ストークスビームＯＪ　３を
ナイフェツジ１４で遮断すれば、最小交叉方法によって
生じた空間上の微小な交叉点から生じた測定精度の良い
反ストークスビームω３を容易に得ることができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上詳細に説明したように、基準レーザビー
ムω１の横断面パターンの一部にストークスビームω２
を混合させて測定対像物質に入射させる手段と、出射側
においで前記基準レーザビームω、とストークスビーム
ω２の混合部のみを遮断し、その他の基準レーザビーム
ω□の横断面パターンに含まれて（る反ストークスビー
ムω３を抽出する手段とを備えたので、従来の共線法。

最小交叉方法の両者の利点のみを効果的に利用できるの
で、精度の高い測定が可能であり、しかも構成が簡単で
あるため操作性もよい等の優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す要部の構成略図、第
２図は従来のレーザ計測装置の原理を示すブロック図、
第３図は同じ〈従来の共線法を説明するための要部の構
成略図、第４図は従来の最小交叉方法を説明するための
要部の構成略図、第５図は従来の箱型法を説明するため
の要部の構成略図である。 図中、１ｏはグイクロイックミラー、１１゜１２はレン
ズ、１３．１４はナイフェツジ、ω１ハ基準レーザビー
ム、ω２はストークスビーム、ω３は反ス１−−クスビ
ームである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基準レーザビームω＿１とストークスビームω＿２、を
   利用して反ストークスビームω＿３を発生させるカース
   測定装置において、前記レーザビームω＿１の横断面パ
   ターンの一部にストークスビームω＿２を混合させて測
   定対象物質に入射させる手段と、出射側において前記基
   準レーザビームω＿１とストークスビームω＿２の混合
   部のみを遮断し、その他の前記基準レーザビームω＿１
   の横断面パターンに含まれてくる反ストークスビームω
   ＿３を抽出する手段とを備えたことを特徴とするレーザ
   計測装置。