WO2019239827A1 - 光多重反射容器 - Google Patents

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WO2019239827A1
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健大 五十嵐
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大陽日酸株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical multiple reflection container that multi-reflects laser light between a plurality of concave mirrors arranged face to face, and particularly to an optical multiple reflection container used for photoreaction or spectroscopic analysis.
  • Photoreaction using laser light induces optical transition between energy levels of specific molecular species.
  • the photoreaction proceeds when molecules that have absorbed light according to Lambert-Beer's law overcome the reaction potential barrier and cleave and recombine the molecular bonds. Therefore, the photoreaction rate is increased by increasing the light utilization rate, which indicates how much laser light has been used for the photoreaction, and by increasing the light utilization rate, the energy yield, which indicates the outcome for the input energy. The rate is also improved.
  • As a method of increasing the light utilization rate there is a long optical path utilizing light reflection or the like.
  • an optical multiple reflection container that refracts a plurality of laser beams by a reflecting surface such as a mirror and performs multiple reflection.
  • an optical multi-reflection container if there is an obstacle in the optical path of the incident laser light, it may interfere with the progress of the laser light, so an obstacle that prevents the progress of the laser light is installed in the optical path. It is not preferable to do. Therefore, conventionally, an optical multi-reflection container that realizes a long optical path without using anything in the optical path has been used.
  • Non-Patent Document 1 As a typical example of an optical multi-reflection container, spherical mirrors with concave reflecting surfaces are placed facing each other so that their optical axes coincide, laser light is introduced between the spherical mirrors, and incident between the opposing spherical mirrors A method of multiple reflection of light is widely known, and this is called a heliot cell (Non-Patent Document 1).
  • the holding and fixing member that holds the concave spherical mirror that reflects the laser light is cooled by a cooling mechanism, so that the concave spherical mirror is Technology that can secure a long optical path by increasing the number of reflections of laser light without increasing the size of the container by applying stress and changing the focal length by deforming the reflective surface of the spherical mirror by the stress It is disclosed.
  • the optical multiple reflection container that deforms the concave spherical mirror (hereinafter referred to as “concave mirror”)
  • a cooling mechanism for cooling the concave mirror is required, and the optical multiple reflection container is increased in size.
  • costs for cooling are required.
  • condensation or frosting occurs (especially condensation or frosting on the mirror surface causes significant attenuation of the laser beam, leading to performance degradation). there were. Therefore, there has been a demand for a technology that increases the number of times of reflection of laser light that is small in size and low in cost, and that does not require a cooling mechanism around the mirror.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is small and low-cost, does not require a cooling mechanism around the mirror, and can increase the number of reflections of laser light.
  • An object is to provide a multi-reflection container.
  • An optical multiple reflection container has a container to which a sample gas is supplied, and a pair of concave mirrors arranged to face the inside of the container, and enters laser light into the container.
  • An optical multi-reflection container that multi-reflects the laser light between the concave mirrors, wherein at least one convex lens is disposed on the concave surface on the optical path of the laser light that multi-reflects between the pair of concave mirrors.
  • An angle formed between the central axis of the convex lens and the central axis of the concave mirror is less than a critical angle when laser light is emitted from the convex lens. .
  • the present invention it is small and low-cost, and it is not necessary to install a cooling mechanism around the mirror, so that the number of reflections of laser light can be increased.
  • Example 3 it is a figure which shows the spot pattern in a concave-surface mirror when a laser beam injects into an optical multiple reflection container and carries out multiple reflection.
  • Example 3 it is a figure which shows an example of the spot pattern in a concave mirror when a laser beam injects into the optical multiple reflection container used as the comparison object, and made multiple reflection.
  • Comparative Example 1 it is a figure which shows the spot pattern in a concave mirror when a laser beam injects into the optical multiple reflection container used as the comparison object, and made multiple reflection
  • Comparative Example 2 it is a figure which shows the spot pattern in a concave mirror when a laser beam injects into the optical multiple reflection container used as the comparison object, and made multiple reflection
  • Comparative Example 3 it is a figure which shows the spot pattern in a concave mirror when a laser beam injects into the optical multiple reflection container used as the comparison object, and made multiple reflection
  • optical multiple reflection container according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
  • the optical multiple reflection container 1 includes a container 3, concave mirrors 5 and 7, and a convex lens 9, as shown in FIG.
  • Such an optical multi-reflection container 1 is used for photoreactions such as derivation of oxygen isotope enriched gas by laser irradiation to ozone disclosed in a known reference (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-73673), for example. Can do.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2008-73673 Japanese Patent Laid-Open No. 2008-73673
  • the sample gas is supplied to the container 3, and a pair of concave mirrors 5 and 7 and a convex lens 9 are accommodated therein.
  • the container 3 has a structure in which the sample gas that is the irradiation target material of the laser light does not leak.
  • the concave mirrors 5 and 7 have concave reflecting surfaces 5a and 7a, respectively.
  • the reflecting surface 5a and the reflecting surface 7a are arranged to face each other so as to face each other.
  • a pair of concave mirrors 5 and 7 are arranged to face to the central axis of each other of the reflecting surface 5a and 7a (the optical axis) C 1 matches .
  • z-axis shown in FIG. 1 is the central axis C 1 direction of the axis of the concave mirror 5 and 7
  • x-axis is the axis perpendicular to the central axis C 1 (described below Figures 2 and The same applies to 3).
  • the concave mirror 7 is provided with an incident hole 11 through which laser light L to be multiple-reflected between the concave mirrors 5 and 7 is introduced.
  • the concave mirrors 5 and 7 may be made of glass or metal such as copper or aluminum, and any material may be used.
  • the convex lens 9 is disposed on the optical path of the laser light L that is multiply reflected between the concave mirror 5 and the concave mirror 7 and bends the optical path of the laser light L incident on the convex lens 9.
  • Convex lens 9 is disposed so that its center axis (optical axis) C 2 is inclined with respect to the center axis C 1 of the concave mirror 5 and 7.
  • the central axis C 2 of the convex lens 9 an acute angle formed between the center axis C 1 of the concave mirror 5 and 7 (hereinafter, it referred to as "tilt angle".)
  • tilt angle an acute angle formed between the center axis C 1 of the concave mirror 5 and 7
  • the angle to be formed is not more than the critical angle of the convex lens 9, preferably 0 ° or more and not more than critical angle, more preferably 15 ° or more and not more than critical angle.
  • the critical angle is calculated by the following equation. n 1 is the refractive index of the convex lens 9, n 2 is the refractive index of the sample gas, and ⁇ c is the critical angle.
  • the spot pattern of the spot S of the laser light L on the concave mirrors 5 and 7 becomes a Lissajous shape, and the reflecting surface 5a of the concave mirrors 5 and 7 is reflected. And it becomes easy to obtain a pattern shape using the entire surface of 7a.
  • the optical multiple reflection container 1 according to the present embodiment it is possible to increase the number of reflections of the laser light L between the concave mirrors 5 and 7 and increase the optical path length. Cost reduction can be realized without the need for a cooling mechanism for cooling 7.
  • the present invention does not particularly limit the number of convex lenses.
  • the size of the convex lens 9 is that of the laser light L that is multiple-reflected between the concave mirrors 5 and 7 in a normal Heliot cell type optical multiple reflection container 13 in which the convex lens 9 as shown in FIG. It is larger than the diameter of the beam bundle B.
  • the position where the convex lens 9 is disposed is not particularly limited. However, for example, if the convex lens 9 is disposed too close to one of the concave mirrors 5 and 7, the laser light L constituting the beam bundle B is detached from the other outer periphery of the concave mirrors 5 and 7, and multiple reflection is obtained. It may not be possible. Therefore, it is desirable to install the convex lens 9 near the center between the concave mirror 5 and the concave mirror 7. Further, in FIG. 1, a convex lens 9 is its center is located on the center axis C 1 of the concave mirror 5 and 7, for example in the x-axis direction in FIG. 1 and arranged by shifting the center of the convex lens 9 Also good.
  • the type of the convex lens 9 may be either a biconvex lens or a plano-convex lens capable of obtaining a positive focal length.
  • the laser light L that has passed through the convex lens 9 may pass outside the outer periphery of the concave mirror 5 or 7 and may not continue multiple reflection. What is necessary is just to select the focal distance of the convex lens 9 suitably so that the multiple reflection of the light L can be continued.
  • FIG. 1 shows the optical multiple reflection container 1 composed of the container 3, the concave mirrors 5 and 7, and the convex lens 9.
  • the optical multiplexing shown in FIG. The reflective container 21 can be illustrated.
  • the optical multiple reflection container 21 adjusts the swing and tilt directions of the mirror holder 23 holding the concave mirrors 5 and 7, and the concave mirrors 5 and 7.
  • a mirror adjusting mechanism 25 that performs adjustment, a lens holder 27 that holds the tilt angle of the convex lens 9 so as to be adjustable, an incident window 29 for allowing the laser light L to enter the container 3, a gas introduction port 31 for the sample gas, and a gas guide An outlet 33 is provided.
  • a laser light source 35 is installed outside the container 3.
  • the laser light L emitted from the laser light source 35 passes through the incident window 29 and the incident hole 11 and enters between the concave mirrors 5 and 7. Then, the laser beam L that has been multiple-reflected between the concave mirrors 5 and 7 passes through the incident hole 11 and the incident window 29 and is emitted out of the container 3.
  • a single incident hole 11 is provided in the concave mirror 7.
  • a plurality of incident holes 11 may be provided, or may be provided in the concave mirror 5.
  • the laser beam introduction method in the optical multiple reflection container according to the present invention is not limited to the one that allows the incident hole 11 provided in the concave mirror 5 or 7 to pass therethrough.
  • a guide mirror may be separately installed between the concave mirrors arranged opposite to each other, and laser light may be introduced by causing the laser light to be incident on the guide mirror and reflected to the concave mirror side (for example, FIG. 1 in Patent Document 1).
  • the light multiple reflection containers 1 and 21 have an exit hole (not shown) for taking out the laser light L out of the container 3 in common with the incident hole 11, and the laser light L that is multiply reflected between the concave mirrors 5 and 7. Passes through the incident hole 11 and exits from the container 3.
  • an exit hole may be provided in the container 3 separately from the entrance hole 11. Then, regardless of whether the exit holes are provided in the concave mirror or the container, the position and number of the exit holes can be appropriately changed according to the required optical path length and the position and number of spots.
  • the optical multiple reflection container according to the present invention when the optical multiple reflection container according to the present invention is applied to the spectroscopic analysis, an emission hole for emitting the multiple reflected laser light is provided, and the laser light that has passed through the emission hole is taken out of the container. You can do it.
  • the optical multiple reflection container according to the present invention when the optical multiple reflection container according to the present invention is applied to the photoreaction, it is not necessary to take out the laser light after the multiple reflections out of the container, and therefore it is not necessary to provide an emission hole in the container.
  • Example 1 The experiment was performed using the optical multiple reflection container 21 shown in FIG. In the optical multiple reflection container 21, concave mirrors 5 and 7 and a convex lens 9 are arranged inside the container 3.
  • An incident hole 11 of ⁇ 4.0 mm was provided at a position about 30 mm above the central axis C 1 of the concave mirror 7. Then, the center axis C 1 of the concave mirror 5 and the concave mirror 7 are matched, and, so that the distance between the concave mirror 5 and the concave mirror 7 (between the concave mirror distance) is 900 mm, the concave mirror 5 and 7 Were each held by a mirror holder 23.
  • the convex lens 9 is held by using a lens holder 27 so that the inclination angle can be adjusted with respect to the central axis C 1 of the concave mirrors 5 and 7, and is located at a position of 450 mm near the center between the concave mirrors 5 and 7. Arranged. Further, the angle of the acute and the center axis C 1 and the central axis C 2 was 15.0 °.
  • the refractive index of the convex lens 9 used is 1.515.
  • the critical angle ⁇ C at which total reflection occurs when the laser light is emitted from the convex lens 9 is about 41.3. °.
  • Example 2 In Example 1, a except for using 18.0 ° angle between acute between the central axis C 1 and the central axis C 2, to obtain a light multiple reflection vessel in the same manner as in Example 1.
  • Example 3 In Example 1, except that the angle between acute between the central axis C 1 and the central axis C 2 was 41.0 °, to obtain a light multiple reflection vessel in the same manner as in Example 1.
  • Example 1 An optical multiple reflection container was obtained in the same manner as in Example 1 except that the convex lens 9 was not disposed.
  • Comparative Example 2 In Example 1, except that the angle between acute between the central axis C 1 and the central axis C 2 set to 0 °, to give a light multiple reflection vessel in the same manner as in Example 1. At this time, laser light reflected from the lens surface (stray light) is reflected on the concave mirror surface.
  • Example 3 (Comparative Example 3) In Example 1, a except for using 50.0 ° angle between acute between the central axis C 1 and the central axis C 2, and in the same manner as in Example 1.
  • Evaluation was performed by observing spot patterns on the concave mirrors 5 and 7 from an observation window (not shown) provided in the container 3 using the obtained optical multiple reflection container.
  • the number of spots was measured by photographing a spot pattern on the concave mirror 5 using a camera or the like having appropriate exposure characteristics.
  • FIGS. 4 to 6 show spot patterns photographed in Examples 1 to 3
  • FIGS. 7 to 9 show spot patterns photographed in Comparative Examples 1 to 3.
  • FIG. Table 1 summarizes the results.
  • Examples 1 to 3 When the center axis C 2 of the convex lens 9 to tilt the convex lens 9 below the critical angle with respect to the center axis C 1 of the concave mirror 5 and 7 the number of spots is increased.
  • Examples 1 to 3 as shown in FIGS. 4 to 6, the spot pattern changed in a Lissajous manner while maintaining the multiple reflections at the concave mirrors 5 and 7.
  • Example 2 inclined at an angle of 18.0 ° forming the convex lens 9, at least 46 or more spots were confirmed. This is more than twice the number of spots in the spot pattern (FIG. 7) in Comparative Example 1 in which no convex lens is provided.
  • the spot patterns shown in FIG. 4 to FIG. 6 were similar to the Lissajous spot pattern obtained with an astigmatism heliot cell or the like.
  • the Lissajous spot pattern was obtained in the optical multi-reflection container 21 of Examples 1 to 3 because the optical path taken by the laser light L linearly between the concave mirrors 5 and 7 was originally the convex lens 9. It is thought that this is because of the bending.
  • the spot pattern of Comparative Example 2 installed in a state where the angle forming the convex lens 9 is 0 ° is such that the laser light L transmitted through the convex lens 9 is circular on the surface of the concave mirror 5 as in Comparative Example 1.
  • the number of spots was 11.
  • the laser beam reflected by the surface of the convex lens 9 was reflected around the circular spot. Since this reflected light has low power and it is difficult to determine the optical path, it cannot be used effectively.
  • a Lissajous spot pattern can be formed by bending the optical path of the laser beam L by the convex lens 9, and the number of spots in the spot pattern can be increased.
  • Increasing the number of spots as described above is synonymous with increasing the optical path length without changing the distance between the concave mirrors 5 and 7 (distance between the concave mirrors).
  • the optical path length between the concave mirrors 5 and 7 can be estimated by the product of the number of spots and the distance between the concave mirrors.
  • the performance improvement when the optical multiple reflection container 21 is applied to the photoreaction was estimated as follows. In this examination, it was assumed that the laser light L was CW light, the incident light quantity I 0 incident on the container 3 was constant, and the inside of the container 3 in which the concave mirrors 5 and 7 and the convex lens 9 were installed was vacuum.
  • the influence on the light reaction speed when the laser light is subjected to multiple reflection can be evaluated using the light amount integrated value I total obtained by the following equation (1).
  • I 0 is the amount of incident light first incident on the container
  • R is the mirror reflectivity
  • 2, 3,..., N is the number of reflections at the concave mirrors 5 and 7.
  • the integrated light amount I total in the container 3 is a value obtained by integrating the amount of light for each reflection. The larger the value, the more the amount of light absorbed by the sample gas to be irradiated with laser light in accordance with Lambert-Beer's law. An increase in speed can be expected.
  • the mirror reflectivity R in Formula (1) in the case of the optical multiple reflection container of the comparative example 1 which is a normal type heliot cell, what is necessary is just to give the reflectivity of the concave mirrors 5 and 7 as it is.
  • the reflectivities of the concave mirrors 5 and 7 used in this example were 99.5% by actual measurement, and the transmittance of the convex lens 9 was 99.2% by actual measurement.
  • the reflected light on the surface of the convex lens 9 was not taken into consideration, and the thickness of the convex lens 9 was made thin enough to be ignored compared to the distance between the concave mirrors.
  • Table 2 shows the result of calculating the in-container light amount integrated value Itotal when the optical multiple reflection container 21 according to Example 2 and the optical multiple reflection container 13 according to Comparative Example 1 are used.
  • the number of reflections n is the sum of the number of spots on the concave mirrors 5 and 7. However, since the laser beam L is finally emitted from the incident hole 11 to the outside of the container 3 in the concave mirror 7 having the incident hole 11, the number of spots is one smaller than that of the concave mirror 5.
  • Comparative Example 1 is an optical multiple reflection container 13 without a convex lens
  • Example 2 is an optical multiple reflection container 21 with a convex lens 9.
  • the integrated amount of light in the container was 2,792 mW
  • Example 2 the integrated amount of light in the container was 5,392 mW. It can be seen that the amount of light integrated in the container is increased by providing the convex lens 9.
  • the light reaction rate in the light multiple reflection container 21 according to Example 2 is 5,392 mW / in comparison with the light multiple reflection container according to Comparative Example 1. An increase of 2,792 mW ⁇ 1.9 times is expected.
  • the optical multiple reflection container 21 according to the present invention when the optical multiple reflection container 21 according to the present invention is applied to generation of oxygen isotope enriched gas by ozone laser irradiation disclosed in the above-mentioned reference, the conventional optical multiple reflection container is used.
  • the generation rate of the oxygen isotope enriched gas can be expected to be 1.9 times that of
  • the convex lens is disposed on the optical path between the pair of concave mirrors that multiplexly reflect the laser light, so that the Lissajous characteristic spot pattern in the concave mirror is provided. It was shown that the number of reflections between the concave mirrors can be increased. As a result, the number of times the laser beam is reflected by the concave mirror increases, so that the optical path length can be increased by more than twice that of a normal type heliot cell of the same size, and the reaction rate of the photoreaction by the laser beam is increased. It has been demonstrated that

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Abstract

小型かつ低コストで、ミラー周辺部に冷却機構の設置が不要であり、レーザー光の反射回数を増やすことができる光多重反射容器を提供することを目的とし、本発明は、試料ガスの供給を受ける容器（３）と、容器３の内部に収容されて対向して配設された一対の凹面ミラー（５及び７）を有し、容器（３）内にレーザー光を入射し、該レーザー光を凹面ミラー（５及び７）の間で多重反射させるものであって、凹面ミラー（５及び７）の間で多重反射する前記レーザー光の光路上に少なくとも１個の凸レンズ（９）をその中心軸（Ｃ２）が凹面ミラー（５又は７）の中心軸（Ｃ１）に対して傾斜するように配設し、凸レンズ（９）の中心軸（Ｃ２）と凹面ミラー（５又は７）の中心軸（Ｃ１）との鋭角のなす角度が、レーザー光が前記凸レンズから出射する際の臨界角以下である光多重反射容器を提供する。

Description

光多重反射容器
　本発明は、向かい合わせに配置された複数の凹面ミラーの間でレーザー光を多重反射させる光多重反射容器に関し、特に、光反応又は分光分析に用いる光多重反射容器に関する。
　レーザー光を用いた光反応は、特定の分子種のエネルギー準位間の光学遷移を誘起するものである。また、光反応は、Ｌａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒの法則により光を吸収した分子が反応のポテンシャル障壁を乗り越えて分子結合を切断・再結合することにより進行する。したがって、光反応速度は、レーザー光が光反応にどれだけ用いられたかを示す光利用率を増加させることによって大きくなり、また、光利用率を増加させることで、投入エネルギーに対する成果を示すエネルギー収率も向上する。光利用率を増加させる方法としては、光の反射等を利用した長光路化がある。そして、長光路化を効率よく実現する方法として、ミラーなどの反射面によりレーザー光を複数回折り返して多重反射させる光多重反射容器が知られている。
　このような光多重反射容器においては、入射したレーザー光の光路に障害物が存在すると、レーザー光の進行を阻害することがあるため、光路にはレーザー光の進行を妨げるような障害物を設置することは好ましくない。そこで、従来は、光路には何も存在させずに長光路化を実現した光多重反射容器が用いられていた。
　光多重反射容器の代表例として、凹状反射面を有する球面ミラーを互いの光軸が一致するように対向して配置し、この球面ミラー間にレーザー光を導入し、対抗する球面ミラー間で入射光を多重反射させる方式が広く知られており、これをヘリオットセルと呼ぶ（非特許文献１）。
　一方、よりレーザー光の反射回数を増やす方法として、例えば特許文献１には、レーザー光を反射する凹状球面ミラーを保持する保持固定部材を冷却機構によって冷却することで、該凹状球面ミラーに対して応力を付与し、該応力により前記球面ミラーの反射面を変形させて焦点距離を変化させることにより、容器のサイズを大きくせずにレーザー光の反射回数を増加させて長光路を確保できる技術が開示されている。
特開２０１６－１２１９０５号公報
Ｄ．　Ｈｅｒｒｉｏｔｔ，Ｈ．　Ｋｏｇｅｌｎｉｋ　ａｎｄ　Ｒ．Ｋｏｍｐｆｎｅｒ，Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．　３，Ｎｏ．　４，１９６４，ｐｐ．　５２３－５２６
　しかしながら、凹状球面ミラー（以下、「凹面ミラー」という）を変形させる光多重反射容器においては、該凹面ミラーを冷却するための冷却機構が必要になり、光多重反射容器が大型化してしまうことに加え、冷却させるためのコストを要するという問題があった。さらに、冷却部周辺に水分等の凝縮温度が高い成分が存在すると結露・着霜が発生する（特にミラー表面への結露・着霜はレーザー光の著しい減衰を引き起こし性能低下につながる）という問題もあった。
　そのため、小型かつ低コスト、さらにミラー周辺部に冷却機構の設置が不要となるレーザー光の反射回数を増やす技術が望まれていた。
　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、小型かつ低コストで、ミラー周辺部に冷却機構の設置が不要であり、レーザー光の反射回数を増やすことができる光多重反射容器を提供することを目的とする。
　本発明に係る光多重反射容器は、試料ガスが供給される容器と、該容器の内部に対向して配設された一対の凹面ミラーとを有し、前記容器内にレーザー光を入射し、該レーザー光を前記凹面ミラー間で多重反射させる光多重反射容器であって、前記一対の凹面ミラー間で多重反射する前記レーザー光の光路上に、少なくとも１個の凸レンズをその中心軸が前記凹面ミラーの中心軸に対して傾斜するように配設し、前記凸レンズの中心軸と前記凹面ミラーの中心軸との鋭角のなす角度が、レーザー光が前記凸レンズから出射する際の臨界角以下である。
　本発明においては、小型かつ低コストで、ミラー周辺部に冷却機構の設置が不要であり、レーザー光の反射回数を増やすことができる。
本発明の実施の形態に係る光多重反射容器の構成を説明する図である。 通常型ヘリオットセルである従来の光多重反射容器を示す図である。 本発明の他の形態に係る光多重反射容器を示す図である。 本発明の実施例において、光多重反射容器にレーザー光を入射して多重反射させたときの凹面ミラーにおけるスポットパターンを示す図である（実施例１）。 本発明の実施例において、光多重反射容器にレーザー光を入射して多重反射させたときの凹面ミラーにおけるスポットパターンを示す図である（実施例２）。 本発明の実施例において、光多重反射容器にレーザー光を入射して多重反射させたときの凹面ミラーにおけるスポットパターンを示す図である（実施例３）。 本発明の実施例において、比較対象とした光多重反射容器にレーザー光を入射して多重反射させたときの凹面ミラーにおけるスポットパターンの一例を示す図である（比較例１）。 本発明の実施例において、比較対象とした光多重反射容器にレーザー光を入射して多重反射させたときの凹面ミラーにおけるスポットパターンを示す図である（比較例２）。 本発明の実施例において、比較対象とした光多重反射容器にレーザー光を入射して多重反射させたときの凹面ミラーにおけるスポットパターンを示す図である（比較例３）。
　本発明の実施の形態に係る光多重反射容器について、図１及び図２に基づいて以下に説明する。
　本実施の形態に係る光多重反射容器１は、図１に一例として示すように、容器３と、凹面ミラー５及び７と、凸レンズ９とを備えたものである。このような光多重反射容器１は、例えば公知の参考文献（特開２００８－７３６７３号公報）に開示されているオゾンへのレーザー光照射による酸素同位体濃縮ガスの派生等の光反応に用いることができる。
　以下、本実施の形態に係る光多重反射容器１の各構成について説明する。
　なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　また、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示されている場合があるが、各構成要素の寸法や比率などが実際と同じであるとは限らない。
　容器３には、試料ガスが供給され、その内部に一対の凹面ミラー５及び７と、凸レンズ９とが収容されている。光多重反射容器１を光反応又は分光分析に適用する場合にあっては、容器３は、レーザー光の照射対象物質である試料ガスがリークしない構造とする。
　凹面ミラー５及び７は、凹状の反射面５ａ及び７ａをそれぞれ有する。反射面５ａと反射面７ａとは、向かい合わせるように対向して配置されている。本実施の形態では、図１に示すように、一対の凹面ミラー５及び７が、互いの反射面５ａ及び７ａの中心軸（光軸）Ｃ１が一致するように対向して配置されている。ここで、図１に示すｚ軸は、凹面ミラー５及び７の中心軸Ｃ１方向の軸であり、ｘ軸は、中心軸Ｃ１に直交する方向の軸である（後述する図２及び図３においても同様）。
　そして、凹面ミラー７には、凹面ミラー５及び７との間で多重反射させるレーザー光Ｌを導入させる入射穴１１が設けられている。
　なお、凹面ミラー５及び７は、ガラス製若しくは銅やアルミ等の金属製でよく、材質は問わない。
　凸レンズ９は、凹面ミラー５と、凹面ミラー７との間で多重反射するレーザー光Ｌの光路上に配設されたものであり、凸レンズ９に入射したレーザー光Ｌの光路を曲げるものである。
　凸レンズ９は、その中心軸（光軸）Ｃ２が凹面ミラー５及び７の中心軸Ｃ１に対して傾斜するように配設される。ここで、傾斜するように配設とは、凸レンズ９の中心軸Ｃ２と、凹面ミラー５及び７の中心軸Ｃ１との鋭角のなす角度（以下、「傾斜角度」という場合あり。）が０°又は９０°以外の角度となるように配設されている状態のことをいう。そのため、凸レンズ９は、傾斜角度が調整可能なレンズホルダー等によって保持されることが好ましい。
　なす角度としては、凸レンズ９の臨界角以下であり、０°以上臨界角以下が好ましく、１５°以上臨界角以下がより好ましい。
　なお、臨界角は、次式で算出される。ｎ１は凸レンズ９の屈折率、ｎ２は試料ガスの屈折率で、θｃが臨界角である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　少なくとも１個の凸レンズ９がこのように傾斜するように配設されることで、凹面ミラー５及び７におけるレーザー光ＬのスポットＳのスポットパターンがリサージュ状となり、凹面ミラー５及び７の反射面５ａ及び７ａの全面を使ったパターン形状が得やすくなる。これにより、本実施の形態に係る光多重反射容器１によれば、凹面ミラー５及び７の間でのレーザー光Ｌの反射回数を増し、光路長を増加させることが可能となり、凹面ミラー５及び７を冷却する冷却機構を必要とせずに低コスト化が実現できる。
　また、図１に示す光多重反射容器１においては１個の凸レンズ９が配設されているが、本発明は、凸レンズを配設する個数を特に限定するものではない。
　そして、凸レンズ９の大きさは、図２に示すような凸レンズ９が配設されていない通常のヘリオットセル型の光多重反射容器１３において凹面ミラー５及び７の間で多重反射するレーザー光Ｌのビーム束Ｂの径よりも大きい。
　さらに、凸レンズ９を配設する位置についても特に限定はない。しかしながら、例えば、凹面ミラー５及び７の一方に近づけ過ぎて凸レンズ９を配設すると、ビーム束Ｂを構成するレーザー光Ｌが凹面ミラー５及び７の他方の外周から外れてしまい、多重反射が得られない場合がある。そのため、凸レンズ９は、凹面ミラー５と凹面ミラー７の間の中央付近に設置することが望ましい。また、図１において、凸レンズ９は、その中心が凹面ミラー５及び７の中心軸Ｃ１上に位置しているが、例えば図１のｘ軸方向に凸レンズ９の中心をずらして配設してもよい。
　なお、凸レンズ９の種類については、正の焦点距離が得られる両凸レンズ、平凸レンズのいずれであってもよい。もっとも、焦点距離の大きすぎる凸レンズ９を用いた場合、凸レンズ９を透過したレーザー光Ｌは、凹面ミラー５又は７の外周よりも外側を通過して多重反射が継続しなくなることもあるため、レーザー光Ｌの多重反射が継続できるように凸レンズ９の焦点距離を適宜選択すればよい。
　なお、図１は、容器３と、凹面ミラー５及び７と、凸レンズ９から構成される光多重反射容器１を示したものであるが、本発明の他の形態として、図３に示す光多重反射容器２１が例示できる。
　光多重反射容器２１は、容器３と、凹面ミラー５及び７と、凸レンズ９の他に、凹面ミラー５及び７を保持するミラーホルダー２３と、凹面ミラー５及び７の首振りや傾き方向を調整するミラー調整機構２５と、凸レンズ９の傾斜角度を調整可能に保持するレンズホルダー２７と、レーザー光Ｌを容器３内に入射させるための入射窓２９と、試料ガスのガス導入口３１及びガス導出口３３とが設けられている。
　さらに、光多重反射容器２１においては、容器３の外部にレーザー光源３５が設置されている。レーザー光源３５から出射したレーザー光Ｌは、入射窓２９と入射穴１１とを通過して、凹面ミラー５及び７の間に入射する。そして、凹面ミラー５及び７の間で多重反射したレーザー光Ｌは、入射穴１１と入射窓２９とを通過して容器３外に出射する。
　図１に示す光多重反射容器１や図３に示す光多重反射容器２１は、凹面ミラー７に一つの入射穴１１が設けられている。しかしながら、入射穴１１は、複数設けられてもよいし、さらには凹面ミラー５に設けてもよい。
　また、本発明に係る光多重反射容器におけるレーザー光の導入方式は、凹面ミラー５又は７に設けた入射穴１１を通過させるものに限るものではない。例えば、対向配置した凹面ミラーの間にガイドミラーを別途設置し、該ガイドミラーにレーザー光を入射して凹面ミラー側に反射させることで、レーザー光を導入するものであってもよい（例えば、特許文献１中の図１参照）。
　また、光多重反射容器１及び２１は、レーザー光Ｌを容器３外に取り出す出射穴（図示なし）が入射穴１１と共通するものであり、凹面ミラー５及び７間で多重反射したレーザー光Ｌが入射穴１１を通過して容器３外へと出射するものである。しかしながら、入射穴１１とは別に、容器３に出射穴を設けてもよい。そして、出射穴を凹面ミラー又は容器のどちらに設ける場合であっても、必要な光路長やスポットの位置及び数に応じて出射穴を設ける位置や個数を適宜変更することが可能である。
　このように、本発明に係る光多重反射容器を分光分析に適用する場合には、多重反射したレーザー光を出射させる出射穴を設け、該出射穴を通過したレーザー光を容器の外へ取り出すようにすればよい。ただし、本発明に係る光多重反射容器を光反応に適用する場合には、多重反射した後のレーザー光を容器の外に取り出す必要がないため、容器に出射穴を設けなくてもよい。
　本発明の光多重反射容器による作用効果について確認するための実験を行ったので、その結果について以下に説明する。
（実施例１）
　実験は、図３に示す光多重反射容器２１を用いて行った。
　光多重反射容器２１は、容器３の内部に、凹面ミラー５及び７と、凸レンズ９とが配設されている。
　凹面ミラー５及び７には、凹面ミラー（Ｔｈｏｒｌａｂｓ製、ＣＭ７５０－５００－Ｅ０２、焦点距離ｆ＝５００ｍｍ、外径φ７５．０ｍｍ）を用いた。凹面ミラー７の中心軸Ｃ１から上方約３０ｍｍの位置にφ４．０ｍｍの入射穴１１を設けた。そして、凹面ミラー５と凹面ミラー７の中心軸Ｃ１を一致させ、かつ、凹面ミラー５と凹面ミラー７との間の距離（凹面ミラー間距離）が９００ｍｍとなるように、凹面ミラー５及び７をそれぞれミラーホルダー２３により保持した。
　凸レンズ９には、両凸レンズ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ製、ＬＡ１７７９－Ｂ、焦点距離ｆ＝１０００ｍｍ、外径φ５０．８ｍｍ）を用いた。そして、凸レンズ９は、凹面ミラー５及び７の中心軸Ｃ１に対して傾斜角度を調整できるようにレンズホルダー２７を用いて保持し、凹面ミラー５と７の間の中央付近となる４５０ｍｍの位置に配設した。また、中心軸Ｃ１と中心軸Ｃ２との鋭角のなす角度は１５．０°とした。
　なお、本実施例において、用いた凸レンズ９の屈折率は１．５１５である。試料ガス（空気）の屈折率は約１．０００２７（大気圧、２５℃）であるため、このときレーザー光が凸レンズ９から出射するときに全反射が発生する臨界角θＣは約４１．３°となる。
（実施例２）
　実施例１において、中心軸Ｃ１と中心軸Ｃ２との鋭角のなす角度を１８．０°とした以外は、実施例１と同様にして光多重反射容器を得た。
（実施例３）
　実施例１において、中心軸Ｃ１と中心軸Ｃ２との鋭角のなす角度を４１．０°とした以外は、実施例１と同様にして光多重反射容器を得た。
（比較例１）
　実施例１において、凸レンズ９を配置しなかった以外は、実施例１と同様にして光多重反射容器を得た。
（比較例２）
　実施例１において、中心軸Ｃ１と中心軸Ｃ２との鋭角のなす角度を０°とした以外は、実施例１と同様にして光多重反射容器を得た。このとき凹面ミラー表面にはレンズ表面でのレーザー反射光（迷光）が映り込んでいる。
（比較例３）
　実施例１において、中心軸Ｃ１と中心軸Ｃ２との鋭角のなす角度を５０．０°とした以外は、実施例１と同様にした。
　得られた光多重反射容器を用いて、容器３に設けた観察窓（図示なし）から凹面ミラー５及び７におけるスポットパターンを観察することにより評価した。ここで、スポットの個数は、適切な露光特性を有するカメラ等を用いて凹面ミラー５におけるスポットパターンを撮影することにより計測した。
　図４～図６に、実施例１～実施例３において撮影したスポットパターンを、図７～図９に、比較例１～比較例３において撮影したスポットパターンを示す。また、これらの結果をまとめたものを表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
 
　まず、実施例１～実施例３の結果について説明する。
　凸レンズ９の中心軸Ｃ２が凹面ミラー５及び７の中心軸Ｃ１に対して凸レンズ９を臨界角以下に傾斜させるとスポットの個数が増加した。そして、実施例１～実施例３においては、図４～図６に示すように、凹面ミラー５及び７での多重反射を維持しながらスポットパターンがリサージュ状に変化した。
　特に、凸レンズ９をなす角度１８．０°に傾斜させた実施例２においては、少なくとも４６個以上のスポットが確認された。これは、凸レンズが配設されていない比較例１でのスポットパターン（図７）におけるスポットの個数の倍以上である。
　図４～図６に示すスポットパターンは、非点収差ヘリオットセル等で得られるリサージュ状のスポットパターンに類似するものであった。もっとも、実施例１～実施例３の光多重反射容器２１においてリサージュ状のスポットパターンが得られたのは、本来、直線的に凹面ミラー５及び７の間をレーザー光Ｌがとる光路が凸レンズ９により曲げられたためであると考えられる。
　次に、比較例１～比較例３の結果について説明する。
　凸レンズ９が配置されていない比較例１の光多重反射容器においては、図７に示すように、スポットパターンは同心円状であり、スポットの個数は１５個であった。
　凸レンズ９をなす角度０°の状態で設置した比較例２のスポットパターンは、図８に示すように、凸レンズ９を透過したレーザー光Ｌは凹面ミラー５の表面で比較例１と同様に円形状のスポットパターンを示し、スポットの個数が１１個であった。また、円形状スポット周辺では凸レンズ９の表面で反射したレーザー光が映り込んでいた。この反射光はパワーが低く、光路を判別することが難しいため有効に使用することはできない。
　さらに、図６に示す状態から凸レンズ９をさらに傾斜させてなす角度（傾斜角度）を臨界角よりも大きくした比較例３においては、ビーム束Ｂの一部が凸レンズ９の表面で全反射を起こすため、図９に示す通り、スポットの個数が減少した。
　以上の結果より、凸レンズ９によりレーザー光Ｌの光路を曲げることで、リサージュ状のスポットパターンを形成し、該スポットパターンにおけるスポットの個数を増加できることが示された。
　次に、実施例２及び比較例１の光多重反射容器を用いて、スポットの個数の増加による光路長の増加と、該光路長の増加による光反応速度の増大効果について検討した。
　上記のようにスポットの個数を増加させることは、凹面ミラー５及び７間の距離（凹面ミラー間距離）を変えずに光路長を増加させることと同義である。そして、凹面ミラー５及び７の間における光路長は、スポットの個数と凹面ミラー間距離との積により概算できる。
　そこで本実施例では、光多重反射容器２１を光反応に適用した場合の性能向上を以下のように推算した。ここでの検討にあたり、レーザー光ＬはＣＷ光とし、容器３に入射する入射光量Ｉ０を一定とし、凹面ミラー５及び７と凸レンズ９とが設置された容器３内は真空と仮定した。
　レーザー光を多重反射させたときの光反応速度への影響は、下式（１）により得られる光量積算値Ｉｔｏｔａｌを用いて評価することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
　Ｉ０は容器に最初に入射した入射光量、Ｒはミラー反射率、２、３、…、ｎは凹面ミラー５及び７での反射回数である。容器３内における光量積算値Ｉｔｏｔａｌは反射毎の光量を積算した値で、この数値が大きいほどＬａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒの法則に従いレーザー光の照射対象となる試料ガスへの吸光量が比例し、光反応速度の増大が期待できる。
　なお、式（１）におけるミラー反射率Ｒについては、通常型ヘリオットセルである比較例１の光多重反射容器の場合は、凹面ミラー５及び７の反射率をそのまま与えればよい。しかしながら、本発明に係る実施例２の光多重反射容器２１の場合は、凸レンズ９による光量ロス（＝１－透過率）を考慮する必要があるため、式（１）におけるミラー反射率Ｒは、Ｒ＝（凹面ミラーの反射率）×（凸レンズの透過率）で算出した。
　本実施例で用いた凹面ミラー５及び７の反射率は、実測で９９．５％であり、また、凸レンズ９の透過率は実測で９９．２％であった。なお、凸レンズ９の表面の反射光は考慮せず、また、凸レンズ９の厚さも凹面ミラー間距離に比べて十分無視できる程薄くした。
　実施例２に係る光多重反射容器２１と、比較例１に係る光多重反射容器１３とを用いた場合の容器内光量積算値Ｉｔｏｔａｌを算出した結果を表２に示す。反射回数ｎは、凹面ミラー５及び７のスポットの個数の和となる。ただし、入射穴１１のある凹面ミラー７では最終的に入射穴１１からレーザー光Ｌが容器３外部に出射されるため、凹面ミラー５よりスポットの個数が１小さくなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
  
　表２において、「比較例１」は凸レンズなしの光多重反射容器１３、「実施例２」は凸レンズ９ありの光多重反射容器２１である。
　表２に示されるように、比較例１の場合、容器内光量積算値は２，７９２ｍＷであるのに対し、実施例２の場合、容器内光量積算値は５，３９２ｍＷであった。凸レンズ９を配設することで容器内光量積算値が増加していることがわかる。そして、光反応速度が容器内光量積算値に比例すると仮定すると、実施例２に係る光多重反射容器２１における光反応速度は、比較例１に係る光多重反射容器に比べて、５，３９２ｍＷ／２，７９２ｍＷ≒１．９倍の増加が見込まれる。
　これにより、例えば、本発明に係る光多重反射容器２１を前述の参考文献に開示されているオゾンへのレーザー光照射による酸素同位体濃縮ガスの発生に適用すると、従来の光多重反射容器を用いた場合に比べて酸素同位体濃縮ガスの発生速度が１．９倍になることが期待できる。
　以上より、上記の本発明に係る光多重反射容器においては、レーザー光を多重反射させる一対の凹面ミラー間の光路上に凸レンズを配設することで、凹面ミラーにおいてリサージュ状の特徴的なスポットパターンが得られ、前記凹面ミラー間における反射回数を増加させることができることが示された。これにより、凹面ミラーにおけるレーザー光の反射回数が増加するため、同一サイズの通常型ヘリオットセルに対して光路長を２倍以上長くすることができ、かつ、レーザー光による光反応の反応速度を増加させることができることが実証された。
　　１　光多重反射容器
　　３　容器
　　５、７　凹面ミラー
　　５ａ、７ａ　反射面
　　９　凸レンズ
　１１　入射穴
　１３　光多重反射容器
　２１　光多重反射容器
　２３　ミラーホルダー
　２５　ミラー調整機構
　２７　レンズホルダー
　２９　入射窓
　３１　ガス導入口
　３３　ガス導出口
　３５　レーザー光源
　　Ｂ　ビーム束
　　Ｃ１　中心軸（凹面ミラー）
　　Ｃ２　中心軸（凸レンズ）
　　Ｌ　レーザー光
　　Ｓ　スポット

Claims (2)

  1. 　試料ガスが供給される容器と、該容器の内部に対向して配設された一対の凹面ミラーとを有し、前記容器内にレーザー光を入射し、該レーザー光を前記凹面ミラー間で多重反射させる光多重反射容器であって、
    　前記一対の凹面ミラー間で多重反射する前記レーザー光の光路上に、少なくとも１個の凸レンズをその中心軸が前記凹面ミラーの中心軸に対して傾斜するように配設し、
    　前記凸レンズの中心軸と、前記凹面ミラーの中心軸との鋭角のなす角度が、レーザー光が前記凸レンズから出射する際の臨界角以下であることを特徴とする光多重反射容器。
  2. 　前記なす角度が、１５°以上であって、レーザー光が前記凸レンズから出射する際の臨界角以下であることを特徴とする請求項１記載の光多重反射容器。
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