WO2007034840A1

WO2007034840A1 - 微粒子成分計測方法および微粒子成分計測装置

Info

Publication number: WO2007034840A1
Application number: PCT/JP2006/318647
Authority: WO
Inventors: Takashi Fujii; Naohiko Goto; Megumi Miki; Takuya Nayuki; Koshichi Nemoto; Nobuyuki Tanaka
Original assignee: Central Research Institute Of Electric Power Industry
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2007-03-29
Also published as: US7764373B2; JP2007085790A; US20090180114A1; EP1947447A1; CN101268357B; EP1947447A4; CN101268357A; JP4888995B2

Abstract

　レーザー装置１６から出射された超短パルスレーザー光１５を集光することによりナノ粒子やマイクロ粒子等の微粒子に照射してプラズマを発生させ、より好ましくは超短パルスレーザー光１５中に生成されるフィラメント１４でプラズマを発生させ、そのプラズマからの発光スペクトルに基づいて微粒子の成分を計測するものである。

Description

明細書

微粒子成分計測方法および微粒子成分計測装置

技術分野

[0001] 本発明は、例えばナノ粒子やマイクロ粒子等の微粒子の成分計測方法および成分計測装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、超短パルスレーザーを用いてブラズマを生成し、そのプラズマからの発光スペクトルを計測することにより、微粒子の成分を計測する微粒子成分計測方法および微粒子成分計測装置に関する。

背景技術

[0002] 従来、ナノ粒子やマイクロ粒子等のインサイト (in-situ：その場)での成分計測としては、パルス幅がナノ秒 (ns)領域のナノ秒レーザーを用いたレーザー誘起ブレークダゥン分光 (LIBS)が用いられてきた (非特許文献 1)。また最近、超短パルスレーザーを対象物質に照射し、物質内で自然集光された結果生じるプラズマのスぺ外ルを観察することにより、直径数/ z m以上の粒子の成分を計測する手法が提案されている（非特許文献 2, 3)。また、超短パルスレーザーによる多光子吸収を利用して、ノィォ粒子の成分を 50mの距離力遠隔計測した結果も報告されている (非特許文献 4, 5

) o

[0003] 非特許文献 1 :若松他、「プラズマ原子発光分析による微粒子の粒径'組成同時計測」、 J. Aerosol Res./ Vol. 19, pp. 28—33, 2004.

非特許文献 2 : C. Favre et al., "Wnite— Light Nanosource with Directional Emission", Phys. Rev. Lett., pp. 035002—035005, 2002.

非特許文献 3 : S. Borrmann et al., "Lasing on cloudy afternoon", Nature, Vol. 418, p p. 826-827, 2002.

非特許文献 4 : J. Kasparian et al., "White-light filaments for atmospheric analysis , Science, Vol. 301, pp. 61—64, 2003.

非特許文献 5 : G. Mejean et al., "Remote detection and identification of biological ae rosols using a femtosecond terawatt lidar system , Appl. Phys. B, Vol. B78, pp. 535 -537, 2004. 発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] しかしながら、ナノ秒レーザーを用いた LIBSにおいては、レーザー光のパルス幅が長いため、レーザーパルスの波頭部分でプラズマが生成してしまい、レーザー光のエネルギーが測定対象物質に効率よく吸収されないため発光が弱い問題があった。また、超短パルスレーザー光を対象物質に照射し、物質内で自然集光された結果生じるプラズマのスペクトルを観察する手法は、粒径がマイクロメートル（ m)以上の大きさの粒子には適用可能である力ナノメートル (nm)以下の粒径の粒子の場合には光が効率よく粒子内で自然集光されないため、適用が困難である問題がある。さらに、多光子吸収を利用する方法は、原子や分子の吸収スペクトルにレーザー波長を同調する必要があり、またこのため、複数の成分を同時に計測することが困難であるとの問題がある。

[0005] 本発明は、レーザー光のエネルギーを測定対象物質に効率良く吸収させることができると共に、ナノオーダーの粒径の微粒子についても良好に適用でき、複数の成分を同時に計測することが可能な微粒子成分計測方法および微粒子成分計測装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006] かかる目的を達成するため、本発明の微粒子成分計測方法は、微粒子に超短パルスレーザー光を集光することによりプラズマを発生させ、そのプラズマからの発光スベクトルに基づ、て微粒子の成分を計測するようにして、る。プラズマからの発光スベクトルは物質ごとに異なるので、その発光スペクトルに基づいて微粒子の成分を同定することができる。

[0007] ここで、超短パルスレーザー光はその照射によって生成されるフィラメントを含むことが好ましい。フィラメントは、超短パルスレーザー光の照射によって生成され、微粒子に照射されてプラズマを発生させる。

[0008] また、本発明の微粒子成分計測方法において、フィラメントの生成は、局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーに超短パルスレーザ光を照射し、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フィラメント発生の起点とし、レーザー光の伝播過程で生成されるものであることが好ましい。局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーに照射された超短パルスレーザー光は、反射の際にミラー表面の局部的な凸部または凹部に応じた局所的な空間変調がビームの波面に与えられ、これが起点（種）となってフィラメントをビーム伝播の過程で形成する。このフィラメントは、反射ミラーの表面の局部的な凸部または凹部の存在により安定して生成されることから、局部的な凸部または凹部を任意の位置に形成することで、ビーム断面の任意の位置に一意的に連続して形成される。

[0009] また、本発明の微粒子成分計測方法において、フィラメントの生成は、反射ミラーの局部的な凸部または凹部の周りには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、大域的な凹部によりフィラメント周辺に反射した超短パルスレーザ一光のエネルギあるいは周辺の強度斑を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ものであることが好ましい。この場合には、局部的凸部または凹部により形成される強度斑の生成位置と大域的凹部により起こる超短パルスレーザー光のエネルギあるいは周辺の強度斑の集合位置とが予め関連づけられており、ビーム断面の任意位置の強度斑の電界強度をより確実にさらに強くする。

[0010] また、本発明の微粒子成分計測方法において、フィラメントの生成は、局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーに超短パルスレーザ光を照射し、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フィラメント発生の起点とすると共に、ビーム断面の局部的な凸部または凹部の周りに相当する位置に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超短パルスレーザー光を照射し、大域的な凹部により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ものであることが好ましい。この場合には、局部的凸部または凹部により反射後のビーム断面の任意の位置に一意的に形成される強度斑とは独立して大域的凹部により起こる超短パルスレーザー光のエネルギあるいは周辺の強度斑の集合が制御される

[0011] また、本発明の微粒子成分計測方法において、超短波パルスレーザー光を集光するための反射ミラーとしては、反射面が任意に変形可能な可変形ミラーを用いることが好ましい。この場合、反射ミラーの反射面の形状を変化させると局部的な凸部または凹部や大域的な凹部の位置等が変化し、フィラメントの発生位置を制御することができる。

[0012] また、本発明の微粒子成分計測方法は、発光スペクトルの計測に時間的遅延をカロえることにより白色光スペクトル強度を減少させるものであることが好ましい。この場合には、発光スペクトルの計測に時間的遅延を加えることで白色光が伝播した後の発光スペクトルを計測することができる。

[0013] また、本発明の微粒子成分計測方法は、プラズマ力もの発光を受光望遠鏡を用いて集光することが好ましい。この場合には、微粒子の成分を遠隔力計測することができる。

[0014] さらに、本発明の微粒子成分計測装置は、超短パルスレーザー光を出力するレーザ一装置と、超短パルスレーザー光を集光して微粒子に照射する集光装置と、超短パルスレーザー光の集光により微粒子力発生したプラズマを受光する受光装置と、プラズマ力ゝらの発光スペクトルに基づいて微粒子の成分を同定するスペクトル解析装置とを備えている。ここで、集光装置は超短パルスレーザー光を微粒子に集光させるものである力集光過程で超短パルスレーザ光の中に強度斑を形成してフィラメントを生成するものであることが好ま U、。

[0015] また、本発明の微粒子成分計測装置において、集光装置は、局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーを含み、該反射ミラーに超短パルスレーザ光を照射し、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フィラメント発生の起点とするものであることが好ましい。

[0016] また、本発明の微粒子成分計測装置において、集光装置の反射ミラーは局部的な凸部または凹部の周りにさらに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、大域的な凹部によりフィラメント周辺に反射した超短パルスレーザビームのエネルギあるいは周辺の強度斑を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ようにして、るものが好ま、。

[0017] また、本発明の微粒子成分計測装置において、集光装置は、超短パルスレーザビームの集光路上に配置されて超短パルスレーザビーム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、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、かつ第 2の反射ミラーはビーム断面の局部的凸部または凹部の周りに相当する位置に第 1の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、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第 2の反射ミラーで反射した超短パルスレーザビームのエネルギあるいは周辺の強度斑をフィラメントの発生の起点となる強度斑の周りに集合させるようにしたものが好ましい。

[0018] また、本発明の微粒子成分計測装置において、集光装置の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が好ましい。

[0019] また、本発明の微粒子成分計測装置において、受光装置は発光スペクトルの計測に時間的遅延をカ卩えることにより白色光スペクトル強度を減少させるものであることが好ましい。

[0020] さらに、本発明の微粒子成分計測装置において、受光装置は微粒子のプラズマからの発光を集光する受光望遠鏡を備えて、ることが好ま、。

発明の効果

[0021] 本発明の微粒子成分計測方法および装置によると、超短パルスレーザー光を対象物質である微粒子に対して集光させてプラズマを生成させ、このプラズマからの発光スペクトルを観察することにより、対象物質である微粒子のスペクトルを計測するようにしているので、粒子内での自然集光を利用しないため、ナノメートル領域の粒径の粒子の計測も可能である。また、複数の物質のスペクトルを同時に計測することができるので、複数の物質の成分を同時に計測することができる。さらに、フェムト秒領域の超短パルスレーザーを用いるため、プラズマが成長する前にレーザーパルスの照射が終了する。このため、レーザーエネルギーを測定対象物質に効率よく吸収させることが可能であり、測定対象物質の発光効率を向上させることができる。

[0022] また、本発明の微粒子成分計測方法および装置にお!、て、超短パルスレーザー光を大気中、液体中、固体中において伝播させることにより生じるフィラメントを用いる場合、プラズマ発光がレーザー光の進行方向に積分されるため、プラズマ発光強度を格段に向上することが可能である。したがって、例えば光ファイバ一ゃ受光望遠鏡をレーザー光の後方に設置することにより、インサイト計測および遠隔計測において、微粒子成分を効率的に計測することが可能になる。さらに、フィラメントは細く絞られたまま伝播するレーザー光であり、超短パルスレーザー光を用いることによりさらに長 V、フィラメントの生成が可能であることから、フィラメントの中には通常プラズマが生成し、プラズマチャンネルが形成される。これにより、測定対象物質の発光効率を向上させることがでさる。

[0023] また、本発明の微粒子成分計測方法および装置にお!、て、超短パルスレーザー光の伝播によるフィラメントの生成を制御する手法として、局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーを使用する場合には、あらかじめ設計された任意の位置にフィラメントを生成することが可能である。通常、フィラメントはレーザー光中の強度分布に応じて、時間的および空間的に偶発的に生成されるものであり、レーザー光伝播中にフィラメントの生成位置や時間を制御することが困難である。しかし、本発明では局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーを使用することにより、レーザー光の反射の際にミラー表面の局部的な凸部または凹部に応じた局所的な空間変調をビームの波面に与え、これを起点 (種）としてフィラメントをビーム伝播の過程で形成するようにしているので、フィラメントの生成位置および強度をリアルタイムにかつ簡便に制御することが可能であり、フィラメントを用いた微粒子成分計測の効率を向上することが可能となる。また、通常ではフィラメントはある程度の距離を伝播させないと生成しないが、本発明を用いることにより少ない伝播距離でフィラメントを生成することができるため、特にインサイトの計測にぉ、て有効である。

[0024] さらに、本発明の微粒子成分計測方法および装置において、フィラメントを生成しかつ制御する方法として、局部的な凸部または凹部に、局部的な凸部または凹部に比して大域的な凹部を加えた反射ミラーを使用する場合には、任意の位置にレーザ一光強度を集中することが可能であることから、局部的凸部または凹部により反射したビーム断面の任意の位置に形成された強度斑の周りに、大域的な凹部により反射した超短パルスレーザー光のエネルギーあるいは周辺の強度斑を集合させて任意の位置の強度斑の電界強度をさらに強くし、ビーム伝播中のフィラメント生成をより確実なものとできる。このことは、局部的な凸部または凹部と大域的な凹部とを別々の反射ミラーでの反射にぉヽて実現する場合にぉ、ても同様である。

[0025] さらに、本発明の微粒子成分計測方法および装置において、反射ミラーとして可変形ミラーを使用した場合には、反射面の形状を変化させることにより、リアルタイムでビーム断面上におけるフィラメントの発生位置を変化させることができるので、気象条件の変化等によりフィラメントの生成条件が変化した場合でも、最適な位置にフィラメントを生成することが可能である。

[0026] また、本発明の微粒子成分計測方法および装置にお!、て、発光スペクトルの計測に時間的遅延を加える場合には、白色光が伝播した後の発光スペクトルを計測することができるため、ノイズ (N)である白色光スペクトルの強度を減少させ、目的の信号 (S)である測定対象物質スペクトルの SZN比を向上させることができる。

[0027] さらに、本発明の微粒子成分計測方法および装置において、受光望遠鏡で発光を集光する場合には、遠隔計測することができる。

図面の簡単な説明

[0028] [図 1]本発明の第 1の実施形態を示し、大気中の微量なエアロゾル成分の遠隔計測を行う様子を示す概略構成図である。

[図 2]表面形状可変鏡の一例を示す概略説明図である。

[図 3]図 2の表面形状可変鏡の可変形ミラーの正面図 (反射面側)である。

[図 4]ミラーの反射面における局部的凸部と大域的凹部との関係を示す原理図である。

[図 5]超短パルスレーザビームの反射の前後における波面の変化を示す説明図であり、（A)は入射するビーム波面、（B〜D)は局部的凸部を有する反射面で反射したビーム波面の経時変化を示す。

[図 6]本発明のフィラメント形成方法を実施する例を示す原理図であり、 (A)は 1枚のミラーで局部的凸部と大域的凹部を実現する例、（B)は 2枚の反射ミラーを組み合わせて局部的凸部と大域的凹部を実現する例をそれぞれ示す。

[図 7]厚さ 6mmの可変形ミラーの表面形状を示す説明図である。

[図 8]厚さ 3mmの可変形ミラーの表面形状を示す説明図である。

[図 9]実施形態の可変形ミラーをァクチユエータでミラー表面側へ押して隆起変形させた場合の表面形状を示す説明図である。

[図 10]実施形態の可変形ミラーをァクチユエータでミラー裏面側へ引っ張って窪み変形させた場合の表面形状を示す説明図である。

[図 11]近距離のビーム断面強度を示す説明図である。

[図 12]遠距離のビーム断面強度を示す説明図である。

[図 13]実施形態の可変形ミラーをァクチユエータでミラー中央部を引っ張って窪み変形させた場合のビーム断面強度を示す説明図である。

[図 14]実施形態の可変形ミラーをァクチユエータでミラー周辺部を引っ張って窪み変形させた場合のビーム断面強度を示す説明図である。

[図 15]本発明の第 2の実施形態を示し、雲の成分の遠隔計測を行う様子を示す概略構成図である。

[図 16]本発明の第 3の実施形態を示し、大気中微粒子のインサイト計測を行う様子を示す概略構成図である。

[図 17]2枚の反射ミラーを組み合わせて局部的凸部と大域的凹部を実現する例の原理図である。

[図 18]海塩粒子成分のインサイト計測の実験系を示す概略構成図である。

[図 19]フィラメントの発生したレーザービームの断面を示す図である。

[図 20]マルチフィラメントの伝播の様子を示す参考図である。

[図 21]海塩粒子にフィラメントを照射した時の Naの発生スペクトルを示し、 (a)は ICC Dカメラのゲートタイミングの、レーザー光から遅延時間を変化させた時の発光スぺクトルの変化を示す図、 (b)は食塩を溶解したアルコールランプの発光スペクトルを示す図である。

[図 22]海塩粒子成分の遠隔計測実験系を示す概略構成図である。

[図 23]フィラメントを用いた海塩粒子中 Naの発光スペクトルの遠隔計測結果を示し、 (a)は海塩粒子中 Naの発光スペクトルを示す図、（b)は食塩を溶解したアルコールランプの発光スペクトルを示す図である。

符号の説明

2 可変形ミラー (反射ミラー） 9 局部的な凸部

10 大域的な凹部

14 フィラメント

15 超短パルスレーザー光

19 受光望遠鏡

発明を実施するための最良の形態

[0030] 以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

[0031] 図 1に本発明を大気中の微量なエアロゾルの成分をライダーにより遠隔計測する微粒子成分計測方法並びに装置に適用した第 1の実施形態を示す。この微粒子成分計測装置は、レーザー装置 16から出力された超短パルスレーザー光 15を大気中に照射することによって生成されるフィラメント 14を、ナノ粒子やマイクロ粒子等の計測対象の微粒子に照射してプラズマを発生させ、そのプラズマ力ゝらの発光スペクトルに基づいて微粒子の成分を計測するものである。尚、超短パルスレーザー光 15を集光して微粒子に照射する凹面鏡 17並びに表面形状可変鏡 18で集光装置が構成される。また、超短パルスレーザー光 15の集光により微粒子力も発生したプラズマを受光する受光装置は、受光望遠鏡 19、副鏡 21、バンドルファイバー 20、分光器 22並びに ICCDカメラ 23によって構成される。さらに、プラズマからの発光スペクトルに基づ V、て微粒子の成分を同定するスペクトル解析装置は、予め計測対象となる微粒子を含む各種物質のもつ固有のスペクトルに関する情報がデータベース化されて記憶手段に格納され、受光装置によって計測されたスペクトルと既知のスペクトルデータとを比較して物質を同定するものであり、パーソナルコンピュータ 24によって構成されている。

[0032] 計測対象の微粒子には、粒径が nmオーダーのナノ粒子や μ mオーダーのマイク口粒子の他、粒径が nm以下の粒子、 μ m以上の粒子が含まれる。また、超短パルスレーザー光 15は、パルス幅がピコ秒 (ps)領域以下のレーザー光であり、例えばチタンサファイアレーザー装置、ガラスレーザー装置、ファイバーレーザー装置等によつて照射することができる。

[0033] レーザー装置 16から出射した超短パルスレーザー光 15は、凹面鏡 17および表面形状可変鏡 18により反射され、大気中に照射される。照射された超短パルスレーザ一光 15は緩やかに集光しつつフィラメント 14を生成する。フィラメント 14の照射を受けた大気中のエアロゾルはプラズマ化され、そのプラズマの発光を含むフィラメント 1 4からの発光は超短パルスレーザー光 15と非同軸に設置された受光望遠鏡 19により集光され、バンドルファイバー 20に入射する。本実施形態では、受光望遠鏡 19の反射光を副鏡 21により反射させてバンドルファイバー 20に入射させて、る。

[0034] バンドルファイバー 20からの出射光は分光器 22に入射し、分光された後、 ICCD力メラ 23により受光され、そのスペクトルに基づいて大気中エアロゾルの成分を同定する。即ち、観測したプラズマ力もの発光スペクトルを各物質力 Sもつ固有のスペクトルと照合することで、大気中エアロゾルの成分を同定することができる。スペクトルの照合は、例えば各物質力 Sもつ固有のスペクトルに関する情報を記憶しているパーソナルコンピュータ 24を使用して行われる。

[0035] 本実施形態においては、受光望遠鏡 19をレーザー光と非同軸に設置し、 ICCD力メラ 23のゲートタイミングを調整することにより、フィラメント 14から発生する白色光が上記発光スペクトルの計測に与える影響を低減している。すなわち、超短パルスレーザ一光 15と受光望遠鏡 19が同軸に設置されているならば、 ICCDカメラ 23のゲートタイミングを遅らせて白色光が伝播した後に設定しても、一度発生した白色光が伝播した後の後方散乱光を受光してしまうため、白色光の影響をなくすことは困難である。これに対し、図 1に示すように超短パルスレーザー光 15と受光望遠鏡 19を非同軸にすると、一度発生した白色光は伝播するに従い受光望遠鏡 19の視野 33からはずれるため、 ICCDカメラ 23のゲートタイミングを白色光が伝播した後に設定する（時間的遅延)ことで、白色光の影響を除去して大気中エアロゾルの発光スペクトルを観測することができる。このように、測定対象物質の発光スペクトルの計測に時間的遅延を加えることにより白色光スペクトル強度を減少させ、測定対象物質スペクトルの SZN比を向上させることができる。

[0036] また、図 1に示すように、表面形状可変鏡 18の角度を変えることにより超短パルスレ一ザ一光 15の伝播方向を変えることができる。これにより、受光望遠鏡 19の視野 33 内に入るフィラメント 14の受光望遠鏡 19からの距離を変化させることができるため、対象物質の計測距離を変えることができる。図 1の実施形態は、大気中のアスベストやバイオ兵器等の遠隔計測にも適用可能である。

[0037] また、本実施形態ではフィラメント 14の生成位置を凹面鏡 17の焦点距離と表面形状可変鏡 18の反射面形状を調整することで制御している。凹面鏡 17の焦点距離による制御は補助的に用いるものであり、凹面鏡 17の焦点距離によってフィラメント 14 の生成する位置をだいたい決める。そして、表面形状可変鏡 18の反射面の形状を変化させることで、フィラメント 14の生成位置を微調整する。換言すると、凹面鏡 17はフィラメント 14の生成位置決定の粗調整に用い、表面形状可変鏡 18は微調整に用いる。例えば、インサイト計測のように非常に短い伝播距離でフィラメント 14を生成するためには、焦点距離の短い凹面鏡 17を使用する。逆に、ライダー計測のように、フイラメント 14の生成開始は超短パルスレーザー光 15がある程度長距離伝播した後でもよぐそのかわり長いフィラメント 14が欲しい場合は、焦点距離の長い凹面鏡 17を用いるか、または凹面鏡 17を用いずに表面形状可変鏡 18のみを用いる。表面形状可変鏡 18は通常平面ミラーを用いており、レーザービーム断面上の位相分布を制御する。表面形状可変鏡 18の反射面形状を変化させることでその焦点距離も多少は変化するが、フィラメント 14の生成位置を粗調整する場合のように大きく変化させるには凹面鏡 17を併用するのが好ましい。なお、凹面鏡 17を可変形ミラーとしてその反射面形状を変化させることでフィラメント 14の生成位置を微調整することが可能であれば、表面形状可変鏡 18を省略しても良い。ただし、凹面鏡 17の反射面形状の変化を精密に制御することは難しいので、凹面鏡 17と表面形状可変鏡 18を併用することが実用的である。

[0038] また本実施形態では、表面形状可変鏡 18の角度を変えることにより超短パルスレ一ザ一光 15の伝播方向を変えて、るが、表面形状可変鏡 18から反射されたレーザ一光を図 1には記載されて、な、全反射鏡により反射して大気中に照射し、この全反射鏡の角度を変えることにより超短パルスレーザー光 15の伝播方向を変えることも可能である。この場合、通常の全反射鏡は表面形状可変鏡に比べて構造が単純であるため角度を変えやすぐそのため超短パルスレーザー光の伝播方向の制御が容易であるという利点がある。 [0039] ここで、表面形状可変鏡 18の反射面形状の変化とフィラメント 14の生成についてより具体的に説明する。図 2及び図 3に表面形状可変鏡 18を示す。表面形状可変鏡 1 8は、独立制御可能な複数のァクチユエータを備える可変形ミラーを用いたものであり、反射面が任意に変形可能な反射ミラー (本明細書では可変形ミラーと呼ぶ) 2と、該可変形ミラー 2の背面側に連結されて可変形ミラー 2に対して変位を与えるァクチユエータ 8とを備え、ァクチユエータ 8の駆動によって可変形ミラー 2を大域的に変形可能としたものである。

[0040] ここで、可変形ミラー 2としては、独立して制御可能な複数本のァクチユエータ 8の駆動により反射面が任意に変形可能な薄肉の平面ミラーが採用されている。本実施形態の場合、ァクチユエータ 8の駆動により所望の大域的凹部を容易に形成できる程度の剛性を有するものであり、例えば縦横寸法が 100 X 100 (mm)程度の正方形状のミラーにぉ、ては厚さ 3mm程度の薄肉の平面鏡の使用が好ま U、。

[0041] 反射ミラー 2の背面はァクチユエータ 8に連結され、ァクチユエータ 8を介してフレーム 1に支持されている。本実施形態では、 13本のァクチユエータ 8が可変形ミラー 2の裏面全域にほぼ均等な間隔で縦横並びに対角線上に配置されている力この本数に特に限られるものではな、。

[0042] ァクチユエータ 8は、可変形ミラー 2の背面に固着されているロッド 3を含み、該ロッド 3が当該ァクチユエータ 8の可動部 (本実施形態ではロッドホルダ 4)に対して切り離し可能に連結されている。例えば、ァクチユエータ 8は、駆動素子 6の先端に固定されているロッドホルダ 4の少なくともロッド 3を固定する端部側にロッド 3を嵌め込む孔を設け、ロッド 3の後端側を嵌め込んだ状態でロッド 3をねじ 5で締め付けることによって着脱可能に固定されている。本実施形態では、ロッドホルダ 4のねじ孔に螺合されたねじ 5の先端でロッド 3の外周面を押しつけることによって摩擦力でロッド 3を固定するようにしている力場合によってはピンなどで着脱可能に連結しても良い。ロッド 3を簡単に着脱できる構造とすることによって、可変形ミラー 2の反射特性が劣化した場合など、可変形ミラー 2の交換が必要となった場合には、ねじ 5を弛めてロッドホルダ 4からロッド 3を取り外すことで、劣化した可変形ミラー 2 (裏面に接着されたロッド 3を含む )だけを交換することができる。即ち、ロッドホルダ 4、ァクチユエータ 8及び支持フレーム 1はそのまま再利用できるので経済的である。

[0043] ァクチユエータ 8と可変形ミラー 2との連結は、本実施形態の場合、エポキシ榭脂系接着剤 7を使って、ロッド 3の先端と可変形ミラー 2の背面とを接着することによって行われている。この場合、厚さ 3mmという薄肉の可変形ミラー 2では、接着剤 7が硬化するときの応力変化の影響がミラー表面に現れやすぐァクチユエータ 8が接着された部分の可変形ミラーの表面側 (反射面側）が僅かに隆起した。例えばエポキシ榭脂系接着剤 7でロッド 3を接着させた本実施形態の場合、 0. 4 mの凸部 9が形成された。ここで、接着剤の硬化または固化により形成される凸部または凹部が局部的であれば、超短パルスレーザビームが反射したときに生ずるビームの波面に与えられる局所的な空間変調は、フィラメントを形成する起点となる十分なものとなる。また、接着剤 7を利用して生じさせた高さ 0. 4 m程度の隆起や窪みであれば、可変形ミラー 2 の鏡面を蒸着形成して製作する時、予め蒸着面手前に穴開きマスクをセットし、蒸着工程時に鏡面蒸着の膜厚を局部的にコントロールすることで局部的凸部または凹部を形成することも可能である。

[0044] ここで、可変形ミラー 2の厚みが大域的な凹部が形成できる程度の可撓性を有する厚さであっても、接着剤 7によってロッド 3を直付けすることにより局部的な凸部 9または凹部が形成されないことがある。例えば、図 8は厚さ 3mmの可変形ミラー 2の表面形状を示す。この場合には、点状の局部的な隆起（凸部)あるいは窪み（凹部）が発生している。他方、図 7には厚さ 6mmの可変形ミラー 2の表面形状を示す。この場合には、図 8のミラーとは異なって、点状の局部的な隆起（凸部)あるいは窪み（凹部）が発生していない。これは、可変形ミラーが厚過ぎるので、接着剤の硬化時または固化時の収縮やストレスでは局部的隆起あるいは窪みが起きないものと思われる。このことから、ロッド 3の接着によってミラー表面に局部的凸部または凹部を形成する場合には、厚さ 2〜3mm程度のミラーを使用することが好ましい。勿論、可変形ミラー 2の裏面とァクチユエータ 8の接着剤 7による直付けによって局部的な凸部または凹部を形成しな、のであれば、例えば蒸着膜の制御などで局部的な凸部または凹部を形成するのであれば、ァクチユエータ 8の駆動によって大域的な凹部 10が形成できる程度の可撓性を有する厚さであれば実施可能である。 [0045] また、駆動素子 6としては、圧電素子（PZT: Pb— Zr—Ti)または電歪素子（PMN: Pb— Mg— Nb)などの、可変形ミラーの微小変位を可能とする駆動源が用いられている。電歪素子などの駆動素子の場合、印加電圧の大きさや方向を切り替えることで、駆動素子の変位方向並びに変位量を容易に制御できるので使用が好ましいが、これに限られるものではない。駆動素子 6はフレーム 1の土台に対して垂直に配置されている壁 lbに固定され、可動部となるロッドホルダ 4は貫通孔を有する壁 laを通して前後方向（図 2の左右方向）へ進退動可能に支持されている。可変形ミラー 2は互いに平行に配置された複数のァクチユエータ 8の駆動を適宜制御することによって、即ちロッド 3を前方に押し出すァクチユエータ 8と後方へ引き戻すァクチユエータ 8あるいは駆動させないァクチユエータ 8とを組み合わせることによって、可変形ミラー 2の所望の領域に大域的凹部 10を形成するように変形させられる。

[0046] 以上のように構成された表面形状可変鏡 18に超短パルスレーザー光 15を入射し、その反射光を大気中伝播させたときにフィラメントが生成されることを以下に説明する。尚、説明を簡単にするため、一辺 100mmのミラーに対して超短パルスレーザー光 15の直径を 50 2mmとすることで、 13本のァクチユエータのうちの、中心付近の 5 本 (符号 E, J, K, L, M)について注目することとした。

[0047] まず、反射面に局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーのみを使ってフィラメントを形成する方法について説明する。図 8に示すような点状の局部的な隆起（凸部 )あるいは窪み（凹部）が発生して、る可変形ミラー 2を超短パルスレーザー光 15の光路上へ介装することによって、波面が整った超短パルスレーザー光 15であっても ( 図 5 (A)参照）、反射ビーム中には、ミラー表面の局部的な凸部または凹部に応じた局所的な空間変調がビームの波面に与えられ (図 5 (B)参照）、反射ビーム 13の伝播の過程で前述の反射ビーム 13の波面に与えられる局所的な空間変調がさらに顕著となり（図 5 (C, D)参照）、これが起点 (種）となってフィラメント 14をビーム伝播の過程で形成する。このフィラメント 14は、反射ミラーの表面の局部的な凸部または凹部の存在により安定して生成されることから、局部的な凸部または凹部を任意の位置に形成することで、ビーム断面の任意の位置に一意的に連続して形成される。図 11 は近距離における反射ビーム 13の断面強度分布を示し、図 12は遠距離における反射ビーム 13の断面強度分布を示す。このように、ミラー中央部に作られた局部的凸部 9または凹部によって単一のフィラメント 14が優先的に生成されていることが判る。超短パルスレーザー光 15を反射させて大気中伝播させた場合、反射したビーム 13 の断面には、強度斑によってフィラメント 14の起点 11が生成され、さらに伝播が進む中でフィラメント 14が成長することが判明した。

[0048] 次ぎに、局部的凸部 9または凹部とそれよりも大きな大域的な凹部 10を有する反射ミラーを使ってフィラメントを形成する方法について説明する。図 10に示すように、符号 E, J, K, L, Mの 5個のァクチユエータ 8を駆動させ、可変形ミラー 2を裏面側から引っ張って、可変形ミラー 2の表面側を大域的に窪ませて変形させる。この状態においても、図 4に示すように、ァクチユエータによってミラー表面形状が大域的な凹部 10 に形成され尚かつ局部的凸部 9 (または凹部）が存在する特殊な表面形状が実現されている（図 11参照)。これによつて、局部的凸部 9または凹部の周りあるいはビーム断面の局部的な凸部 9または凹部の周りに相当する位置に、反射ビーム 13のェネルギあるいは周辺の強度斑を中心となる強度斑の周りに集合させて、フィラメント生成の起点となる強度斑の電界強度をより強くしてビーム伝播中のフィラメント生成をより確実なものにする。図 13に可変形ミラー 2の中央部を引つ張ったときのビーム断面の状態を示す。ビーム中央部に相当するミラー中央部のァクチユエータ (E)を引っ張ってミラー中央部に大域的凹部を形成した場合、周辺の強度斑がビーム中央に集合し高密度のフィラメント 14が形成された（図 13参照)。

[0049] さらに、ビーム断面上における大域的凹部の形成位置を制御することによって、フィラメント 14が生成される位置を制御できる。例えば、ビーム中央部に相当するミラー中央部のァクチユエータ (E)を引っ張ってミラー中央部に大域的凹部 10を形成した場合、周辺の強度斑がビーム中央に集合し高密度のフィラメント 14が形成された（図 13参照)。他方、反射ミラーのビームが照射される領域 12内のミラー周辺部 (ビーム周辺部）に相当するァクチユエータ（M)を引っ張ってミラー周辺部に大域的凹部を形成した場合、強度斑もビーム周辺部に片寄り、周辺部の方がフィラメントの形成が顕著となって高密度のフィラメント 14が形成された（図 14参照)。このことから、反射ミラーの表面のフィラメント生成の起点となる局部的な凸部または凹部の位置を変更しなくとも、反射ミラー表面に形成される大域的凹部の形成位置を制御することでフイラメントが顕著に形成される位置、高密度のフィラメントが形成される位置を制御できることが明らかになった。

[0050] 因みに、この超短パルスレーザ発生装置によればフィラメントの発生を制御できるので、生成されたフィラメントは、例えば放電経路のコントロールに応用することができる。また、高密度のガス中で超短パルスレーザビームを伝播させる場合、大気中で伝播させる場合と比べてプラズマの発生がより顕著である。フィラメントには超高強度のレーザ電場が局在しているため、発生したプラズマとレーザ電場との相互作用により電子を加速させることが可能となる。また、発生したプラズマを光増幅媒質とした場合は誘電放出が可能となり、長尺で連続したフィラメントを用いれば増幅効率が向上する。さらに、ガラスなどの固体媒質中に超短パルス高強度レーザを伝播させる場合でもフィラメントの発生が顕著である。その伝播の際、媒質の組成が変化するために局部的に屈折率や透過率を変化させるなどして微細な加工ゃ改質が可能であり、長尺で連続したフィラメントを用いれば導波路などの加工も容易になると考えられる。このことから、前述のレーザ誘雷技術の他、多種同時計測による大気環境計測や、フイラメントを光増幅媒質にして誘導放出させる光増幅、電子を加速させる粒子加速、そして媒質の組成を変化させるレーザ加工などに応用可能である。

[0051] 次に、本発明を雲 25の成分を遠隔計測する微粒子成分計測方法並びに装置に適用した第 2の実施形態について図 15に基づいて説明する。なお、図 1の微粒子成分計測装置と同一の部材には同一の符号を付してそれらの詳細な説明は省略する。

[0052] この第 2の実施形態の微粒子成分計測装置は、雲 25の成分を遠隔計測するものであり、図 1の微粒子成分計測装置と比べた場合の相違は、図 1のものが超短パルスレーザー光 15と受光望遠鏡 19の光軸が非同軸なのに対し、図 15の実施形態では超短パルスレーザー光 15と受光望遠鏡 19の光軸が同軸である点である。超短パルスレーザー光 15と受光望遠鏡 19の光軸を同軸にするために、表面形状可変鏡 18 力もの反射光を受光望遠鏡 19の副鏡 21の裏側に設置した全反射鏡 26により反射し、超短パルスレーザー光 15を大気中に照射している。雲 25は粒子密度が大きいため、超短パルスレーザー光 15そのものやフィラメント 14により発生した白色光が伝播しにくい。そのため、図 15に示すように超短パルスレーザー光 15と受光望遠鏡 19の光軸を同軸にしても、測定領域力も伝播後の超短パルスレーザー光 15や白色光の後方散乱の影響が少ない。なお、図 1に示すように超短パルスレーザー光 15と受光望遠鏡 19の光軸を非同軸にした場合でも、雲 25の成分のライダー計測は可能である。

[0053] 次に、本発明を大気中における微粒子についてのインサイト計測を可能とする微粒子成分計測方法並びに装置に適用した第 3の実施形態について図 16に基づいて説明する。なお、図 1の微粒子成分計測装置と同一の部材には同一の符号を付してそれらの詳細な説明は省略する。

[0054] この第 3の実施形態は、ライダー計測を行わないため受光望遠鏡 19を用いない点で第 1及び第 2の実施形態と異なる。まず、大気中の微粒子を微粒子充填セル 27内に吸引する。超短パルスレーザー光 15は凹面鏡 17、表面形状可変鏡 18およびダイクロイツクミラー 28により反射された後、窓 29を通して微粒子充填セル 27に入射される。超短パルスレーザー光 15は凹面鏡 17および表面形状可変鏡 18で反射されることにより集光される。さらに表面形状可変鏡 18の反射面形状を上述のように変化させることにより、微粒子充填セル 27内におけるフィラメント 14の生成位置や強度を制御することができる。微粒子充填セル 27を通過した超短パルスレーザー光 15は微粒子充填セル 27内に設置されたビームダンバ 30に照射する。

[0055] フィラメント 14からの発光と、超短パルスレーザー光 15およびフィラメント 14により生成する白色光の散乱光は、窓 29を透過してダイクロイツクミラー 28に至る。ここでダイクロイツクミラー 28は超短パルスレーザー光 15を反射し、測定物質の発光波長を透過させる特性を有する。これにより、ビームダンバ 30からの強いレーザー光の散乱がバンドルファイバー 20へ入射することを防ぐ。フィラメント 14からの発光や白色光はバンドルフアイバー 20を介して分光器 22に入射し、分光された後 ICCDカメラ 23により受光され発光スペクトルを得る。この発光スペクトルを各物質がもつ固有のスペクトルと照合し、測定対象物質である大気中の微粒子の成分を同定する。また、 ICCDカメラ 23のゲートタイミングを変化させて時間的遅延をカ卩えることで、フィラメント 14から発生する白色光が発光スペクトルの計測に与える影響を低減することができる。 [0056] 図 16では、バンドルファイバー 20がダイクロイツクミラー 28の後方に設置されている力微粒子充填セル 27の側面に別の窓を設置し、測定物質の発光波長のみを透過させるフィルターを介してバンドルファイバーを設置することにより、フィラメントからの発光を計測することも可能である。この場合、フィラメントの発光を横方向から測定するためフィラメント内での発光の積分効果が少なくなる力ビームダンバ 30からの強 V、レーザー光の散乱の影響を低減することができる。

[0057] なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

[0058] 例えば、上述の説明では受光素子として ICCDカメラ 23を用いていた力 ICCD力メラ 23に限るものではない。 ICCDカメラ 23の代わりに例えばアレイ型半導体素子を用いることも可能である。この場合、イメージインテンシファイアによる増強機能が付カロされていないため測定感度が落ちる力 ICCDカメラ 23に比べてアレイ形半導体素子は安価であるため製造コストを安くすることができる。測定物質の発光強度が強い場合に適している。

[0059] また、 ICCDカメラ 23の代わりに光電子増倍管を用いることもできる。光電子増倍管を用いる場合、以下の二つの方法が考えられる。

[0060] 第一に、通常の一素子の光電子増倍管を用いることができる。光電子増倍管は感度が高ぐまた受光面積も大きいため、単一波長における発光強度の測定感度が向上する。また、分光器 22のスリット幅を小さくすることにより、測定分解能も向上することができる。しかしこの場合、一度に単一波長の強度しか測定ができないため、測定物質の成分を同定するために必要な発光スペクトルを得るためには、分光器 22の回折格子の角度を変化させ、各波長当りの強度を順次測定する必要がある。この場合、レーザー光の強度や測定物質の濃度は必ずしも安定ではないため、回折格子の角度を変化させる間に、各波長におけるレーザー光強度や測定物質濃度等測定条件が変化する可能性がある。このため、発光スペクトルを正確に測定できない可能性がある。特に微弱光を測定する場合、 SZN比を改善するために受光信号を積分する必要がある力各波長において長時間受光信号を積分すると一つの発光スぺタトルを計測するのに長時間を要する。レーザー光強度および測定対象物質濃度等測定条件が安定な場合に適用するのが好ましい。

[0061] 第二に、マルチチャンネル光電子増倍管を用いることができる。マルチチャンネル光電子増倍管とは、アレイ状に設置された光電子増倍管のことである。これを用いると、感度が高く一素子当たりの受光面積も大きいため発光強度の測定感度が向上する。さらに一度に広いスペクトルの計測が可能であるため、積分することにより SZN 比を改善することも可能である。しかし、通常マルチチャンネル光電子増倍管は 1チヤンネルの面積が大き、ため波長分解能が良好とは言えな、。広、スペクトルを有する物質の計測に特に効果的である。

[0062] また、上述の説明では表面形状可変鏡 18として図 6 (A)に示すような 1枚の薄肉反射鏡による可変形ミラー 2を用いて、局部的な凸部 9または凹部と大域的な凹部 10とを形成し、フィラメント発生の起点を生成する工程と、超短パルスレーザビームのエネルギあるいは周辺の強度斑を中心の強度斑の周りに集合させる工程とを同時に実施させる例を挙げて主に説明している力図 6 (B)に示すように局部的な凸部 9または凹部を有する第 1のミラー 2'と大域的な凹部 10を有する第 2のミラー 2"との少なくとも 2枚のミラーを光路上で組み合わせ、上述の 2つの工程を別々の反射ミラーで前後させて実施することも可能である。これによつても、反射ビーム断面の任意の部位に任意の密度のフィラメントを生成させたり、あるいは大域的凹部の形成位置を制御することによりフィラメントの生成位置を任意に制御することも可能である。

[0063] この局部的な凸部 9または凹部を有する第 1のミラー 2'と大域的な凹部 10を形成する第 2のミラー 2"とを組み合わせてフィラメント 14を形成する場合、第 1のミラー 2，の局部的凸部 9または凹部と第 2のミラー 2"の大域的凹部 10は共に変位または変形しない固定的構成としても良いが、それぞれ可動的な構成としても良い。例えば、図 17に示すように、超短パルスレーザビームの光路上に局部的凸部 9を有する第 1の反射ミラー 2'とビーム断面の局部的凸部 9の周りに相当する位置に大域的な凹部 10 を形成する可変形ミラーから成る第 2の反射ミラー 2"を配置し、超短パルスレーザー光 15がこれら第 1及び第 2のミラー 2，， 2"間を経由して反射する間に、ビーム断面の任意の部位に強度斑を作ってその周りあるいは複数形成された強度斑のうちの任意の 1つある!/、は複数の強度斑の周りに超短パルスレーザー光 15のエネルギあるいは周辺の強度斑を集合させるようにすることも可能である。ここで、第 1の反射ミラー 2'と第 2の反射ミラー 2"とは独立して制御可能にできるので、第 1の反射ミラー 2'を X— Y 方向に制御可能とすることにより反射面に形成した局部的凸部 9のビーム断面上における位置を変更することができる。また、可変形ミラー力も成る第 2の反射ミラー 2" は、可変形ミラーの背面側にそれぞれ独立制御可能な複数のァクチユエータ 8を備えているので、ァクチユエータ 8の駆動により反射面を任意の曲率の大域的凹部 10としたり、あるいは大域的凹部 10の曲率中心位置、形状などを制御して、ビーム断面におけるフィラメントの形成位置、強度、密度などを自在に制御できる。また、第 1の反射ミラー 2'は、場合によっては局部的凸部 9が異なる位置に形成された別のミラーを用意しておき、これを交換することによって局部的凸部 9あるいは凹部の位置を変更可能とすることもある。

[0064] また、上記実施形態においては可変形ミラー 2の裏面にロッド 3を接着剤 7で直に接着した構造が示された力ァクチユエータ 8の駆動素子そのものあるいは駆動素子に固着された部材の先端部を直にミラー裏面に接着し、可変形ミラー 2をァクチユエ一タ 8で直接担持することもできる。

[0065] また、上述の説明では、大域的な凹部 10を設けてフィラメント 14周辺に反射した超短パルスレーザー光 15のエネルギあるいは周辺の強度斑をフィラメント 14発生の起点となる強度斑の周りに集合させるようにして、たが、大域的な凹部 10を省略しても良い。

[0066] また、上述の説明では、超短パルスレーザー光 15の照射によってフィラメント 14を生成させ、フィラメント 14を計測対象である微粒子に照射させてプラズマを発生させていたが、微粒子に超短パルスレーザー光 15を集光することでプラズマを発生させるようにしても良い。

[0067] また、上記実施形態は大気中に浮遊する微粒子の計測に関してであった力これに限定されるものではなく、たとえば生体や液体中の微粒子の計測にも適用可能である。

実施例 1

[0068] 本発明の効果を確認する実験を行った。超短パルスレーザー光 15を用いて海塩粒子中の Naのインサイト計測を行った。図 18にその実験系を示す。超音波加湿器（微粒子発生装置） 31を用いて飽和食塩水（150gZ500ml)を微粒子化し、人工的な海塩粒子を生成した。図示しないレーザーを用いた粒径測定装置（Oxford lasers; VisiSizer)で測定したところエアロゾル (海塩粒子）の粒径は 10 μ m以下であった。生成した海塩粒子を内径 20cm、長さ 5mの円筒 32中に噴霧した。使用したレーザー装置はチヤープパルス増幅のフェムト秒チタンサファイアレーザー装置である。パルスエネルギー 130mJ、パルス幅 70fs、ピーク出力 2TW、パルス繰り返し 10Hzのレ一ザ一光を焦点距離 20mの凹面鏡 17を用いて集光し、海塩粒子に照射した。集光後約 18mの位置において、レーザー光進行方向に対して後方に 23度の角度で設置したバンドルファイバー 20を用いて、海塩粒子の発光を焦点距離 460mmの分光器 22に導光した。分光したスペクトルは ICCDカメラ 23で受光した。

[0069] 図 19に海塩粒子発光計測地点におけるレーザビーム断面と生成したマルチフイラメントの様子を示す。レーザビーム中に観察される多数の輝点がフィラメント 14である。図 20は参考図であり、水蒸気を充満した円筒中に入射するレーザー光を斜め横から多数ショット重ね撮りしたものである。一本一本のフィラメント 14が伝播する様子が観察されている。

[0070] 海塩粒子にフィラメント 14を照射したときの分光測定結果を図 21 (a)に示す。計測時における ICCDカメラ 23のゲート幅は 20nsとした。超短パルスレーザー光 15の照射タイミングには約 10nsのジッターがある。まず、分光器 22の中心波長を 800nmに設定し、チタンサファイアレーザーの基本波および自己位相変調により発生する白色光が最も強く観測される ICCDカメラ 23のゲートタイミングを見出した。そのタイミング力のゲート遅れ時間が 20ns、 40ns, 120nsの時の分光スペクトルを図 21 (a)に示す。また、参照スペクトルとして食塩を溶解したアルコールランプの発光スペクトルを図 21 (b)に示す。 Naの D

1、 D線が明瞭に観察されている。

2

[0071] 図 21 (a)より、海塩粒子にフィラメント 14を照射した場合遅れ時間が 20nsの時（20 nsの時間遅延をカ卩えた時）に Naの発光が明瞭に観測されている。遅れ時間が 40ns (40nsの時間遅延）になると Naの発光はほとんど観測されなくなり、遅れ時間が 120 ns (120nsの時間遅延）の時には全く観測されていない。遅れ時間が 20nsの時に長波長側の信号強度が徐々に上昇していくのは白色光発生のためであり、遅れ時間の増大と共に白色光強度も弱くなつていることが分かる。遅れ時間が 0の時、すなわち I CCDカメラ 23のゲートタイミングがレーザー照射とほぼ同じ時には、白色光のスぺクトルに隠れて Naの発光は観測されな力つた。以上の結果より、 ICCDカメラ 23のゲートタイミングを調整し、フィラメント 14中に生成したプラズマの発光スペクトルを測定することにより、海塩粒子の同定が可能であることが示された。

実施例 2

[0072] 上記の結果を元に、海塩粒子のライダー計測実験を行った。図 22にその実験系を示す。上記のインサイト計測と同様、超短パルスレーザー光 15を約 20mの焦点距離の凹面鏡 17で集光することによりフィラメント 14を生成し、人工的に生成した海塩粒子に照射した。受光望遠鏡 19は主鏡直径 12. 5インチ、焦点距離 1. 5mの-ユートン型であり、海塩粒子より約 20m手前に超短パルスレーザー光 15と同軸に設置した。受光望遠鏡 19により集光された光はバンドルファイバー 20を通して分光器 22に入射した。バンドルファイバー 20からの出射光は焦点距離 460mmの分光器 22により分光され、 ICCDカメラ 23により受光された。

[0073] 測定した結果を図 23に示す。図 23 (b)に示す参照スペクトルは食塩を溶解したァルコールランプの発光スペクトルであり、 Naの D線と D線が明瞭に観察される。図 2

1 2

3 (a)に示すスペクトル力 Tキューブレーザ一光を海塩粒子に照射して遠隔で計測して得たスペクトルであり、レーザー光を照射せずに測定したバックグラウンドのデータを差し引いている。この時、レーザー光に対する ICCDカメラ 23のゲート遅れ時間は上記のインサイト計測と同様 20nsとした。スペクトルの形状より明らかに海塩粒子中の Naの D線と D線が観測されている。以上の結果より、本発明により粒径 10 m

1 2

以下の微粒子のライダー計測が可能であることが確認できた。

Claims

請求の範囲

[1] 微粒子に超短パルスレーザー光^^光することによりプラズマを発生させ、そのプラズマからの発光スペクトルに基づいて前記微粒子の成分を計測することを特徴とする微粒子成分計測方法。

[2] 前記超短パルスレーザー光はその照射によって生成されるフィラメントを含むものである請求項 1記載の微粒子成分計測方法。

[3] 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ことを特徴とする請求項 2記載の微粒子成分計測方法。

[4] 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イラメント周辺に反射した超短パルスレーザビーム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ことを特徴とする請求項 3記載の微粒子成分計測方法。

[5] 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ことを特徴とする請求項 2記載の微粒子成分計測方法。

[6] 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記載の微粒子成分計測方法。

[7] 前記発光スペクトルの計測に時間的遅延を加えることにより白色光スペクトル強度を減少させることを特徴とする請求項 1記載の微粒子成分計測方法。

[8] 前記プラズマからの発光を受光望遠鏡を用いて集光することを特徴とする請求項 1記載の微粒子成分計測方法。

超短パルスレーザー光を出力するレーザー装置と、前記超短パルスレーザー光を集光して微粒子に照射する集光装置と、前記超短パルスレーザー光の集光により前記微粒子から発生したプラズマを受光する受光装置と、前記プラズマからの発光スペクトルに基づいて前記微粒子の成分を同定するスペクトル解析装置とを備える微粒子成分計測装置。

前記集光装置は前記超短パルスレーザー光の集光過程で前記超短パルスレーザ光の中に強度斑を形成してフィラメントを生成するものである請求項 9記載の微粒子成分計測装置。

前記集光装置は、局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーを含み、該反射ミラ一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ことを特徴とする請求項 10記載の微粒子成分計測装置。

前記集光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ビーム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ことを特徴とする請求項 11記載の微粒子成分計測装置。

前記集光装置は、前記超短パルスレーザビームの集光路上に配置されて前記超短パルスレーザビーム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ビーム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 11記載の微粒子成分計測装置。

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記載の微粒子成分計測装置。

前記受光装置は前記発光スペクトルの計測に時間的遅延を加えることにより白色光スペクトル強度を減少させることを特徴とする請求項 9記載の微粒子成分計測装置前記受光装置は前記微粒子のプラズマからの発光を集光する受光望遠鏡を備えて、る請求項 9記載の微粒子成分計測装置。