WO2022004051A1 - レーザ光強度調整方法及びレーザ光強度調整装置 - Google Patents

レーザ光強度調整方法及びレーザ光強度調整装置 Download PDF

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秀治 志知
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Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for adjusting the intensity of laser light.
  • the Matrix Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI) method has been used as one of the methods for ionizing a measurement object in mass spectrometry.
  • MALDI Matrix Assisted Laser Desorption Ionization
  • a sample prepared by mixing a measurement target and a matrix is irradiated with a laser beam for a short time to ionize the molecules constituting the measurement target almost at the same time as vaporizing the measurement target substance. do.
  • ionization can be performed while preventing the molecules from being destroyed during irradiation with the laser beam.
  • Patent Document 1 describes a device for adjusting the intensity of laser light irradiating a sample in the MALDI method.
  • This laser light intensity adjusting device includes a laser light source that emits linearly polarized laser light, and an "energy adjusting member" that transmits the laser light with different transmittances depending on the direction of polarization of the transmitted laser light.
  • a polarizing beam splitter is used as the "energy adjusting member”. The polarization beam splitter transmits a component parallel to a predetermined direction (transmission direction) and reflects a component orthogonal to the component of the incident linearly polarized light.
  • the polarization beam splitter is provided so that the transmission direction can be rotated around the optical axis of the laser light emitted by the laser light source.
  • the intensity of the polarized light transmitted through the polarization beam splitter becomes the maximum value when the transmission direction and the polarization direction of the incident linearly polarized light match.
  • the polarization beam splitter is rotated 90 °, it changes to 0.
  • the reference angle is when the polarization direction of the laser light emitted by the laser light source and the transmission direction of the polarizing beam splitter match.
  • a concave lens is placed immediately after the laser light source on the optical path for irradiating the sample with the laser light to expand the diameter of the laser light, and a convex lens is placed immediately before the sample to collect the laser light again. Light is being done. As a result, the energy density between the concave lens and the convex lens is suppressed to ensure safety, and the sample can be irradiated with the laser beam at a high energy density by condensing with the convex lens.
  • the inventor of the present application arranges a polarizing beam splitter between the concave lens and the convex lens in the arrangement, and irradiates the sample while rotating the transmission direction of the polarizing beam splitter within a range of 90 ° from the reference angle.
  • the intensity of the laser beam was measured, it was found that the maximum value of the intensity did not become a predetermined value or the minimum value did not become 0.
  • the range in which the intensity of the laser beam irradiating the sample can be changed becomes narrow, and there arises a problem that the sample cannot be properly ionized.
  • An object to be solved by the present invention is to provide a method capable of changing the adjustment range of the laser beam intensity and a laser beam intensity adjusting device using the method.
  • the laser beam intensity adjusting method according to the present invention is a method of emitting the intensity of an incident laser beam, which is a linearly polarized laser beam, at a predetermined intensity.
  • An optical element that changes the intensity of the emitted laser light by transmitting a polarized component of the incident laser light in a predetermined transmission direction on the optical path of the incident laser light, and is centered on the optical axis of the incident laser light.
  • An intensity-changing optical element that rotates within a range of at least 90 ° from a predetermined reference angle and whose transmission direction is variable is arranged.
  • a polarization direction changing optical element with a variable direction) is placed. The direction of the change is adjusted so as to match the direction of polarization of the incident laser light emitted by the polarization direction changing optical element with the transmission direction when the rotation angle of the intensity changing optical element is the reference angle. It is a thing.
  • the laser beam intensity adjusting device is a device that emits the intensity of incident laser light, which is linearly polarized laser light, at a predetermined intensity.
  • An intensity-changing optical element that rotates about a shaft within a range of at least 90 ° from a predetermined reference angle and has a variable transmission direction.
  • An optical element arranged in front of the intensity changing optical element on the optical path of the incident laser light and emitted by changing the direction of polarization of the incident laser light, and the changing direction is variable. It is equipped with an optical element that changes the polarization direction.
  • the inventor of the present application has a characteristic that an optical element such as a lens changes the direction of polarization of incident laser light (without changing the intensity) and emits the light, and further, such an optical element is used. It has been found that the direction of change in polarized light is changed (without changing the intensity) by rotating the incident laser beam around the optical axis.
  • an optical element in which the polarization direction of the incident laser beam is changed and emitted and the changing direction is variable is referred to as a polarization direction changing optical element.
  • the intensity-changing optical element changes the intensity of the emitted laser beam by transmitting a component of the polarized light whose direction is changed by the polarization direction-changing optical element in a predetermined transmission direction, and further, the transmission direction is variable.
  • the polarization direction changing optical elements By combining these polarization direction changing optical elements and intensity changing optical elements, the polarization direction of the incident laser light is changed by the polarization direction changing optical element, so that the transmission direction of the intensity changing optical element is changed within a predetermined range.
  • the range in which the intensity of the emitted laser light is changed that is, the range in which the intensity of the laser light is adjusted can be changed.
  • the schematic diagram which shows an example of the MALDI ion source which includes one Embodiment of the laser light intensity adjustment apparatus which concerns on this invention.
  • the rotation angle of the polarized beam splitter and the polarized beam splitter when the polarization direction of the incident laser light and the transmission direction of the polarization beam splitter (intensity changing optical element) match.
  • the graph which shows the relationship of the intensity of the laser beam transmitted through. The figure schematically showing the polarization direction of the laser light incident on a polarization beam splitter and the transmission direction of a polarization beam splitter in the laser beam intensity adjusting apparatus of this embodiment.
  • the rotation angle of the polarization beam splitter and the transmission through the polarization beam splitter are transmitted.
  • the rotation angle of the polarization beam splitter and the transmission through the polarization beam splitter are transmitted.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a MALDI ion source 10 including a laser light intensity adjusting device 12 according to an embodiment of the present invention.
  • the MALDI ion source 10 includes a laser light source 11, a concave lens (polarization direction changing optical element) 121, a concave lens rotating mechanism 122, a mirror 13, a polarizing beam splitter (intensity changing optical element) 123, a polarizing beam splitter rotating mechanism 124, and a convex lens. It has 14, a sample chamber 15, and a camera 16.
  • the concave lens 121, the concave lens rotation mechanism 122, the polarization beam splitter 123, and the polarization beam splitter rotation mechanism 124 constitute the laser light intensity adjusting device 12.
  • the laser light source 11 is a light source that oscillates linearly polarized laser light.
  • an ultraviolet laser having an oscillation wavelength of 349 nm is used as the laser light source 11, but the wavelength of the laser beam is not particularly limited in the present invention.
  • the concave lens 121 is made of synthetic quartz, which is a material that easily transmits ultraviolet light, and is arranged on the optical path of the laser light emitted from the laser light source 11.
  • the concave lens 121 has a concave surface on the incident side and a convex surface on the exit side having a smaller curvature than the concave surface on the incident side, and has a concave shape as a whole. Due to such a shape, the laser beam incident on the concave lens 121 is expanded in diameter and becomes parallel light.
  • the purpose of using the concave lens 121 is to expand the diameter of the laser beam to suppress the energy density between the concave lens 121 and the convex lens 14 to ensure safety, and to condense the light with the convex lens 14 as described later to obtain high energy.
  • the purpose is to irradiate the sample S with a laser beam at a density.
  • the original purpose of the concave lens 121 is to expand the diameter of the laser beam, but the inventor of the present application changes the polarization direction of the concave lens 121 when the linearly polarized laser light passes through, and at the same time, the incident laser light. We have found that it also has the characteristic of changing the direction of change by rotating it around the optical axis. That is, the concave lens 121 corresponds to a polarization direction changing optical element.
  • the concave lens rotation mechanism 122 is a device that rotates the concave lens 121 around the optical axis of the laser beam (indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 1).
  • the concave lens rotation mechanism 122 may rotate the concave lens 121 by the power of a motor or the like, or holds the concave lens 121 rotatably without having power by itself and manually rotates the concave lens 121. It may be something to move. Further, the concave lens rotation mechanism 122 may be provided with a stopper for fixing the concave lens 121 when the concave lens is not rotated.
  • the mirror 13 is arranged on the optical path of the laser beam passing through the concave lens 121 with the incident angle to the reflecting surface directed in the direction of 45 °, and emits ultraviolet light in a specific wavelength band including the wavelength of the laser beam. It reflects in the 90 ° direction. Light having a wavelength not included in the wavelength band passes through the mirror 13. Visible light is not included in the wavelength band.
  • the polarizing beam splitter 123 is arranged on the optical path of the laser light reflected by the mirror 13, and when the polarization directions of the laser light incident on the polarization beam splitter 123 coincide with the predetermined transmission direction, the laser light is transmitted.
  • the polarization direction is orthogonal to the transmission direction, all the laser light is reflected in the 90 ° direction. More generally, if the angle of the transmission direction of the laser light (intensity A max ) incident on the polarizing beam splitter 123 with respect to the polarization direction is ⁇ , the intensity of the laser light passing through the polarizing beam splitter 123 is A max cos ⁇ . (See Fig. 2). Visible light captured by the camera 16 described later passes through the polarizing beam splitter 123 without being reflected.
  • the polarization beam splitter rotation mechanism 124 is a device that rotates the polarization beam splitter 123 around the optical axis of the laser beam.
  • the configuration may be such that the polarization beam splitter 123 is rotated by the power of a motor or the like, or the polarization beam splitter 123 is rotatably held without having power by itself, and the polarization beam splitter is manually split. It may be the one that rotates 123.
  • a shielding portion 1231 that shields the laser beam so that the laser beam reflected in the 90 ° direction by the polarizing beam splitter 123 is not emitted to the outside is provided.
  • the convex lens 14 is on the optical path of the laser beam that has passed through the polarizing beam splitter 123, and is provided on the wall surface of the sample chamber 15.
  • the sample chamber 15 is provided in a mass spectrometer that executes the MALDI method.
  • a sample holding unit 151 for holding the sample S in which the substance to be measured and the matrix are mixed is provided in the sample chamber 15.
  • the convex lens 14 is provided so as to concentrate the laser beam on the sample S held by the sample holding portion 151.
  • the camera 16 is arranged at a position facing the convex lens 14 with the polarizing beam splitter 123 and the mirror 13 interposed therebetween, and is inside the sample chamber 15 by visible light incident from the sample chamber 15 through the polarizing beam splitter 123 and the mirror 13. It is to shoot.
  • the camera 16 is provided for the purpose of adjusting the irradiation position of the laser beam and the position of the sample based on the image captured by the camera 16. Since the adjustment of the irradiation position and the position of the sample is not directly related to the present invention, detailed description thereof will be omitted.
  • the operation of the MALDI ion source 10 including the laser light intensity adjusting device 12 of the present embodiment and the laser light intensity adjusting method according to the present invention will be described.
  • the polarization beam splitter 123 is rotated by the polarization beam splitter rotation mechanism 124 so that the transmission direction 21 (FIG. 3) faces a predetermined reference angle.
  • the reference angle is usually set so that the transmission direction 21 and the polarization direction 221 coincide with each other when the polarization direction 221 of the laser light emitted from the laser light source 11 is incident on the polarization beam splitter 123 without changing. .. If the polarization direction 221 of the incident laser light does not change from the polarization direction at the time of emission of the laser light source 11, the intensity of the laser light passing through the polarization beam splitter 123 depends on the rotation angle ⁇ from the reference angle. Then, A max cos ⁇ (A max is a constant). Therefore, the adjustment range 232 of the laser beam intensity when the polarization beam splitter 123 is rotated 90 ° from the reference angle (rotation range 231 in FIG. 2) is a range from the maximum value A max to the minimum value 0. Become.
  • the polarization direction of the laser beam emitted from the laser light source 11 changes as it passes through the concave lens 121.
  • the angle formed by the polarization direction 221 when there is no change and the polarization direction 222 changed from the polarization direction 221 is set to ⁇ 0 (FIG. 3). If the polarization beam splitter 123 is rotated 90 ° from the reference angle in this state, the maximum intensity of the laser beam passing through the polarization beam splitter 123 during that time is only A max cos ⁇ 0 ( ⁇ A max ). ..
  • the adjustment range 233 of the laser beam intensity when the polarization beam splitter 123 is rotated 90 ° from the reference angle is in the range from the maximum value A max cos ⁇ 0 ( ⁇ A max ) to the minimum value 0 (FIG. 4). ),
  • the polarization direction 221 becomes narrower than the intensity adjustment range 232 when the polarization direction does not change from the polarization direction at the time of emission of the laser light source 11.
  • the adjustment range 234 of the laser beam intensity when the splitter 123 is rotated 90 ° from the reference angle has a maximum value of A ma and a minimum value of A max cos (90 ° - ⁇ 0 ) (> 0) (> 0).
  • the adjustment range 234 is narrower than the intensity adjustment range 232 when the polarization direction 221 does not change from the polarization direction at the time of emission of the laser light source 11.
  • the concave lens rotation mechanism 122 by rotating the concave lens 121 by the concave lens rotation mechanism 122, the polarization direction is changed so that the polarization direction of the laser beam passing through the concave lens 121 coincides with the transmission direction 21 of the polarization beam splitter 123.
  • the adjustment range of the laser beam intensity when the polarization beam splitter 123 is rotated 90 ° from the reference angle is in the range from the maximum value A max to the minimum value 0, and the magnitude of the adjustment range is maximized. ..
  • the polarizing beam splitter 123 is rotated within a range of 90 ° from the reference angle by the polarizing beam splitter rotation mechanism 124, so that the laser irradiated to the sample S is irradiated.
  • the light intensity is adjusted within the above adjustment range. As a result, the intensity of the laser beam emitted when the sample S is ionized in the mass spectrometer can be appropriately set.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the rotation angle of the concave lens 121 is adjusted so that the adjustment range of the laser beam intensity is maximized.
  • the adjustment range of the laser beam intensity is adjusted.
  • the rotation angle may be adjusted so as to intentionally narrow.
  • a concave lens is used as the polarization direction changing optical element, but the shape of the concave lens is not limited to the above. Further, instead of the concave lens, a convex lens may be arranged in front of the intensity changing optical element as a polarization direction changing optical element. Furthermore, some optical elements other than lenses, such as a bandpass filter that allows only a specific wavelength band of laser light to pass through, have the characteristics of a polarization direction changing optical element. It may be used in the invention.
  • a polarizing beam splitter is used as the intensity changing optical element, but a polarizing plate or the like may be used instead.
  • the case of adjusting the intensity of the laser beam irradiated to ionize the sample in the mass spectrometer has been described as an example, but the application of the present invention is not limited to this, and for example, cutting or cutting using the laser beam is performed.
  • the present invention can also be applied to processing such as welding.
  • the laser beam intensity adjusting method is a method of emitting the intensity of an incident laser beam, which is a linearly polarized laser beam, at a predetermined intensity.
  • An optical element that changes the intensity of the emitted laser light by transmitting a polarized component of the incident laser light in a predetermined transmission direction on the optical path of the incident laser light, and is centered on the optical axis of the incident laser light.
  • An intensity-changing optical element that rotates within a range of at least 90 ° from a predetermined reference angle and whose transmission direction is variable is arranged.
  • a polarization direction changing optical element with a variable direction) is placed. The direction of the change is adjusted so as to match the direction of polarization of the incident laser light emitted by the polarization direction changing optical element with the transmission direction when the rotation angle of the intensity changing optical element is the reference angle. It is a thing.
  • the laser beam intensity adjusting device is a device that emits the intensity of incident laser light, which is linearly polarized laser light, at a predetermined intensity.
  • An optical element arranged on the optical path of the incident laser beam which changes the intensity of the emitted laser beam by transmitting a polarized component of the incident laser beam in a predetermined transmission direction, and is the light of the incident laser beam.
  • An intensity-changing optical element that rotates about a shaft within a range of at least 90 ° from a predetermined reference angle and has a variable transmission direction.
  • An optical element arranged in front of the intensity changing optical element on the optical path of the incident laser light and emitted by changing the direction of polarization of the incident laser light, and the changing direction is variable. It is equipped with an optical element that changes the polarization direction.
  • the polarization direction of the incident laser light is changed by the polarization direction changing optical element, so that the transmission of the intensity changing optical element is changed. It is possible to change the range in which the intensity of the emitted laser light is changed while changing the direction within a predetermined range, that is, the adjustment range of the intensity of the laser light.
  • the polarization direction changing optics so as to match the polarization of the laser beam emitted from the polarization direction changing optical element and incident on the intensity changing optical element with the transmission direction when the rotation angle of the intensity changing optical element is the reference angle.
  • the intensity of the laser beam changes from the maximum value to 0 while the intensity changing optical element is rotated by 90 ° from a predetermined reference angle.
  • the intensity adjustment range can be set to the maximum range that can be taken by the intensity changing optical element.
  • a polarizing beam splitter or a polarizing plate can be used as the intensity changing optical element.
  • the polarization direction changing optical element for example, an optical lens such as a concave lens, a bandpass filter that allows only a specific wavelength band of laser light to pass through, or the like can be used.
  • the polarization direction changing optical element is a concave lens in the laser light intensity adjusting method according to the first item.
  • the polarization direction changing optical element is a concave lens.
  • the energy density of the laser light is suppressed between the polarization direction changing optical element and the intensity changing optical element to ensure safety. can do.
  • the energy density of the laser light irradiated to the irradiation target is increased by providing a convex lens between the intensity changing optical element and the laser beam irradiation target. be able to.
  • the rotation angle of the convex lens provided between the intensity changing optical element and the irradiation target with respect to the optical axis of the laser beam is the direction of linearly polarized light incident on the intensity changing optical element. Since it does not affect the adjustment range of the strength, it does not affect the adjustment range of the strength.
  • the intensity changing optical element is a polarizing beam splitter in the laser light intensity adjusting method according to the first item or the second item.
  • the intensity changing optical element is a polarizing beam splitter.
  • the laser light incident on the polarizing beam splitter is reflected because it is not passed through for adjusting the intensity. It is possible to suppress the absorption of the energy of the laser beam by the intensity changing optical element (polarized beam splitter), thereby suppressing the heating of the intensity changing optical element.
  • the mass spectrometer according to item 7 is The laser light intensity adjusting device according to any one of the items 4 to 6 and the laser light intensity adjusting device. It includes a sample holding unit for holding a sample to be analyzed, which is arranged on the optical path of the laser beam transmitted through the intensity changing optical element.
  • the intensity of the laser beam emitted when the sample is ionized in the mass spectrometer can be appropriately set.

Abstract

レーザ光強度調整装置１２は、直線偏光のレーザ光である入射レーザ光の強度を所定の強度で出射する装置であって、前記入射レーザ光の光路上に配置された、所定の透過方向の該入射レーザ光の偏光の成分を透過させることにより出射レーザ光の強度を変更する光学素子であって、前記入射レーザ光の光軸を中心に所定の基準角から少なくとも90°の範囲内で回動し、該透過方向が可変である強度変更光学素子（偏光ビームスプリッタ１２３）と、前記入射レーザ光の光路上の、前記強度変更光学素子よりも手前に配置された、該入射レーザ光の偏光の方向を変更して出射する光学素子であって、該変更の方向が可変である偏光方向変更光学素子（凹レンズ１２１）とを備える。

Description

レーザ光強度調整方法及びレーザ光強度調整装置
　本発明は、レーザ光の強度を調整する方法及び装置に関する。
　従来より、質量分析において測定対象物をイオン化する方法の1つとして、マトリックス支援レーザ脱離イオン化（Matrix Assisted Laser Desorption Ionization：MALDI）法が用いられている。MALDI法では、測定対象物とマトリクスとを混合させることで調製された試料にレーザ光を短時間照射することにより、測定対象物質を気化させるのとほぼ同時に該測定対象物を構成する分子をイオン化する。このようにマトリクスを混合させておくと共に、レーザ光の強度を適切に調整することにより、レーザ光の照射時に分子を壊すことを防ぎつつイオン化することができる。
　特許文献１には、MALDI法において試料に照射するレーザ光の強度を調整するための装置が記載されている。このレーザ光強度調整装置は、直線偏光のレーザ光を出射するレーザ光源と、透過するレーザ光の偏光の方向に応じて異なる透過率でレーザ光を透過させる「エネルギー調整部材」とを有する。「エネルギー調整部材」には、具体的には偏光ビームスプリッタが用いられる。偏光ビームスプリッタは、入射する直線偏光のうち、所定方向（透過方向）に平行な成分を透過させ、それに直交する成分を反射させるものである。特許文献１のレーザ光強度調整装置では、偏光ビームスプリッタは、レーザ光源が出射するレーザ光の光軸を中心として前記透過方向が回動可能となるように設けられている。該光軸を中心として該透過方向を回動させてゆくと、該偏光ビームスプリッタを透過する偏光の強度は、該透過方向と入射した直線偏光の偏光方向が一致したときに最大値となり、そこから偏光ビームスプリッタを90°回転させたときに0となるように変化してゆく。従って、偏光ビームスプリッタを透過した光を試料に照射するように偏光ビームスプリッタを配置したうえで、レーザ光源が出射するレーザ光の偏光方向と偏光ビームスプリッタの透過方向が一致するときを基準角として、偏光ビームスプリッタを該基準角から90°の範囲内で回動させることにより、試料に照射するレーザ光の強度を所定の最大値から0までの範囲内で調整することができる。
実用新案登録第3217378号公報
　MALDI法では従来より、試料にレーザ光を照射する光路上の、レーザ光源の直後に凹レンズを配置してレーザ光を拡径するとともに、試料の直前に凸レンズを配置して該レーザ光を再び集光することが行われている。これにより、凹レンズと凸レンズの間のエネルギー密度を抑えて安全性を確保すると共に、凸レンズで集光することによって高いエネルギー密度で試料にレーザ光を照射することができる。しかし、本願発明者が、該配置において、凹レンズと凸レンズの間に偏光ビームスプリッタを配置し、該偏光ビームスプリッタの透過方向を基準角から90°の範囲内で回動させつつ、試料に照射するレーザ光の強度を測定したところ、該強度の最大値が所定値にならないか、又は最小値が0にならないことを見いだした。これにより、試料に照射するレーザ光の強度を変化させることのできる範囲が狭くなり、試料のイオン化を適切に行うことができないという問題が生じる。
　また、試料に照射するレーザ光の強度の調整範囲を意図的に狭くすることができれば、該強度を微調整することが容易になる。しかし、特許文献１の装置では、調整範囲を狭くするように変更することはできない。
　本発明が解決しようとする課題は、レーザ光の強度の調整範囲を変更することができる方法及びその方法を用いたレーザ光強度調整装置を提供することである。
　上記課題を解決するために成された本発明に係るレーザ光強度調整方法は、直線偏光のレーザ光である入射レーザ光の強度を所定の強度で出射する方法であって、
　前記入射レーザ光の光路上に、所定の透過方向の該入射レーザ光の偏光の成分を透過させることにより出射レーザ光の強度を変更する光学素子であって、前記入射レーザ光の光軸を中心に所定の基準角から少なくとも90°の範囲内で回動し、該透過方向が可変である強度変更光学素子を配置し、
　前記入射レーザ光の光路上の、前記強度変更光学素子よりも手前に、該入射レーザ光の偏光の方向を変更して出射する光学素子であって、該変更の方向（偏光の方向を変更させる方向）が可変である偏光方向変更光学素子を配置し、
　前記強度変更光学素子の回動角が前記基準角であるときの前記透過方向に、前記偏光方向変更光学素子が出射する前記入射レーザ光の偏光の方向を合わせるように前記変更の方向を調整する
　ものである。
　本発明に係るレーザ光強度調整装置は、直線偏光のレーザ光である入射レーザ光の強度を所定の強度で出射する装置であって、
　前記入射レーザ光の光路上に配置された、所定の透過方向の該入射レーザ光の偏光の成分を透過させることにより出射レーザ光の強度を変更する光学素子であって、前記入射レーザ光の光軸を中心に所定の基準角から少なくとも90°の範囲内で回動し、該透過方向が可変である強度変更光学素子と、
　前記入射レーザ光の光路上の、前記強度変更光学素子よりも手前に配置された、該入射レーザ光の偏光の方向を変更して出射する光学素子であって、該変更の方向が可変である偏光方向変更光学素子と
　を備える。
　本願発明者は、レンズ等の光学素子には、入射レーザ光の（強度は変更することなく）偏光の方向を変更して出射するという特性を有するものがあり、さらに、そのような光学素子を入射レーザ光の光軸を中心に回動させることによって、（強度は変化させることなく）偏光の変更の方向を変化させることを見出した。本明細書では、入射レーザ光の偏光方向を変更して出射し、且つ該変更の方向が可変である光学素子を、偏光方向変更光学素子と呼ぶ。一方、強度変更光学素子は、偏光方向変更光学素子によって方向が変更された偏光のうち所定の透過方向の成分を透過させることにより、出射レーザ光の強度を変更し、さらに、この透過方向が可変である。これら偏光方向変更光学素子と強度変更光学素子を組み合わせることにより、偏光方向変更光学素子によって入射レーザ光の偏光方向が変更されるため、強度変更光学素子の透過方向を所定の範囲内で変更する間に出射レーザ光の強度が変更される範囲、すなわちレーザ光の強度の調整範囲を変更することができる。
本発明に係るレーザ光強度調整装置の一実施形態を含むMALDIイオン源の一例を示す概略図。 本実施形態のレーザ光強度調整装置において、入射するレーザ光の偏光方向と偏光ビームスプリッタ（強度変更光学素子）の透過方向が一致している場合における、偏光ビームスプリッタの回動角と偏光ビームスプリッタを透過するレーザ光の強度の関係を示すグラフ。 本実施形態のレーザ光強度調整装置において、偏光ビームスプリッタに入射するレーザ光の偏光方向及び偏光ビームスプリッタの透過方向を模式的に示す図。 本実施形態のレーザ光強度調整装置において、入射するレーザ光の偏光方向と偏光ビームスプリッタの透過方向が角度θ0だけずれている場合における、偏光ビームスプリッタの回動角と偏光ビームスプリッタを透過するレーザ光の強度の関係を示すグラフ。 本実施形態のレーザ光強度調整装置において、入射するレーザ光の偏光方向と偏光ビームスプリッタの透過方向が角度-θ0だけずれている場合における、偏光ビームスプリッタの回動角と偏光ビームスプリッタを透過するレーザ光の強度の関係を示すグラフ。 本実施形態のレーザ光強度調整装置において、偏光ビームスプリッタを固定した状態で凹レンズの回動角と偏光ビームスプリッタを透過するレーザ光のエネルギーの関係を実験で求めた結果を示すグラフ。
　図１～図６を用いて、本発明に係るレーザ光強度調整方法及び装置の実施形態を説明する。
　図１は、本発明の一実施形態であるレーザ光強度調整装置１２を含むMALDIイオン源１０を示す概略図である。このMALDIイオン源１０は、レーザ光源１１、凹レンズ（偏光方向変更光学素子）１２１、凹レンズ回動機構１２２、ミラー１３、偏光ビームスプリッタ（強度変更光学素子）１２３、偏光ビームスプリッタ回動機構１２４、凸レンズ１４、試料室１５及びカメラ１６を有する。これら各構成要素のうち、凹レンズ１２１、凹レンズ回動機構１２２、偏光ビームスプリッタ１２３及び偏光ビームスプリッタ回動機構１２４により、レーザ光強度調整装置１２が構成されている。
　レーザ光源１１は直線偏光のレーザ光を発振する光源である。本実施形態では、レーザ光源１１には発振波長が349nmである紫外レーザを用いるが、本発明ではレーザ光の波長は特に限定されない。
　凹レンズ１２１は、紫外光を透過し易い材料である合成石英製であって、レーザ光源１１を出射したレーザ光の光路上に配置されている。この凹レンズ１２１は、入射側の面が凹面、出射側の面が入射側の凹面よりも曲率が小さい凸面から成り、全体として凹状の形状を有する。このような形状により、凹レンズ１２１に入射するレーザビームは、拡径されたうえで平行光となる。凹レンズ１２１を用いる目的は、レーザビームを拡径することにより、凹レンズ１２１と凸レンズ１４の間のエネルギー密度を抑えて安全性を確保すると共に、後述のように凸レンズ１４で集光することによって高いエネルギー密度で試料Ｓにレーザ光を照射することにある。
　このように凹レンズ１２１の本来の目的はレーザビームを拡径することにあるが、本願発明者は、凹レンズ１２１が、直線偏光のレーザ光が通過する際に偏光方向を変更させると共に入射レーザ光の光軸を中心に回動させることによって変更の方向を変化させる、という特性を併せ持つことを見出した。すなわち、凹レンズ１２１は、偏光方向変更光学素子に相当する。
　凹レンズ回動機構１２２は、レーザ光の光軸（図１中に一点鎖線で示す）を中心として凹レンズ１２１を回動させる装置である。凹レンズ回動機構１２２は、モータ等の動力で凹レンズ１２１を回動させるものであってもよいし、それ自体は動力を有することなく凹レンズ１２１を回動可能に保持し、手動で凹レンズ１２１を回動させるものであってもよい。また、凹レンズ回動機構１２２には、凹レンズを回動させないときに凹レンズ１２１を固定するストッパを設けるとよい。
　ミラー１３は、凹レンズ１２１を通過したレーザ光の光路上に、反射面への入射角を45°の方向に向けて配置されており、該レーザ光の波長を含む特定の波長帯の紫外光を90°方向に反射するものである。当該波長帯に含まれない波長の光は、ミラー１３を透過する。可視光は当該波長帯に含まれない。
　偏光ビームスプリッタ１２３は、ミラー１３で反射されたレーザ光の光路上に配置されており、それに入射するレーザ光の偏光方向が所定の透過方向に一致している場合にはレーザ光を透過させ、偏光方向が透過方向に直交している場合にはレーザ光を全て90°方向に反射させるものである。より一般化して言うと、偏光ビームスプリッタ１２３に入射するレーザ光（強度Amax）の偏光方向に対する透過方向の角度をθとすると、偏光ビームスプリッタ１２３を通過したレーザ光の強度はAmaxcosθとなる（図２参照）。なお、後述のカメラ１６で捉えられる可視光は、反射されることなく偏光ビームスプリッタ１２３を透過する。
　偏光ビームスプリッタ回動機構１２４は、レーザ光の光軸を中心として偏光ビームスプリッタ１２３を回動させる装置である。その構成は、モータ等の動力で偏光ビームスプリッタ１２３を回動させるものであってもよいし、それ自体は動力を有することなく偏光ビームスプリッタ１２３を回動可能に保持し、手動で偏光ビームスプリッタ１２３を回動させるものであってもよい。
　偏光ビームスプリッタ１２３の周囲には、該偏光ビームスプリッタ１２３によって90°方向に反射されたレーザ光が外部に放出されないように該レーザ光を遮蔽する遮蔽部１２３１が設けられている。
　凸レンズ１４は、偏光ビームスプリッタ１２３を通過したレーザ光の光路上であって、試料室１５の壁面に設けられている。試料室１５は、MALDI法を実行する質量分析装置に設けられている。試料室１５内には、測定対象物質とマトリクスを混合した試料Ｓを保持する試料保持部１５１が設けられている。凸レンズ１４は、試料保持部１５１に保持された試料Ｓにレーザ光を集光するように設けられている。
　カメラ１６は、偏光ビームスプリッタ１２３及びミラー１３を挟んで凸レンズ１４と対向する位置に配置されており、試料室１５から偏光ビームスプリッタ１２３及びミラー１３を通過して入射する可視光により試料室１５内を撮影するものである。カメラ１６は、それが撮影した画像に基づいてレーザ光の照射位置と試料の位置を調整することを目的として設けられている。この照射位置と試料の位置の調整に関しては、本発明と直接的な関係がないため、詳細な説明を省略する。
　次に、本実施形態のレーザ光強度調整装置１２を含むMALDIイオン源１０の動作、及び本発明に係るレーザ光強度調整方法を説明する。
　まず、偏光ビームスプリッタ回動機構１２４により、透過方向２１（図３）が所定の基準角を向くように、偏光ビームスプリッタ１２３を回動させる。ここで基準角は、通常は、レーザ光源１１を出射したレーザ光の偏光方向２２１が変化することなく偏光ビームスプリッタ１２３に入射する場合に透過方向２１と該偏光方向２２１とが一致するように定める。仮に、入射レーザ光の偏光方向２２１がレーザ光源１１の出射時の偏光方向から変化していなければ、偏光ビームスプリッタ１２３を通過したレーザ光の強度は、基準角からの回動角θに依存して、Amaxcosθ（Amaxは定数）となる。従って、偏光ビームスプリッタ１２３を基準角から90°回動させた（図２中の回動範囲２３１）ときのレーザ光の強度の調整範囲２３２は、最大値Amaxから最小値0までの範囲となる。
　しかし実際には、レーザ光源１１を出射したレーザ光の偏光方向は凹レンズ１２１を通過することにより変化する。ここでは、変化の無い場合の偏光方向２２１と、そこから変化した偏光方向２２２との成す角度をθ0とする（図３）。もしこのままの状態で、偏光ビームスプリッタ１２３を基準角から90°回動させると、その間に偏光ビームスプリッタ１２３を通過したレーザ光の強度の最大値はAmaxcosθ0（＜Amax）にしかならない。そうすると、偏光ビームスプリッタ１２３を基準角から90°回動させたときのレーザ光の強度の調整範囲２３３は、最大値Amaxcosθ0（＜Amax）から最小値0までの範囲となり（図４）、偏光方向２２１がレーザ光源１１の出射時の偏光方向から変化していない場合の強度の調整範囲２３２よりも狭くなってしまう。
　同様に、変化の無い場合の偏光方向２２１と、そこから変化した偏光方向２２２との成す角度が-θ0である（偏光方向が上記の例とは逆方向にずれる）場合には、偏光ビームスプリッタ１２３を基準角から90°回動させたときのレーザ光の強度の調整範囲２３４は、最大値がAma、最小値がAmaxcos(90°-θ0)（＞0）となる（図５）。この場合にも、調整範囲２３４は、偏光方向２２１がレーザ光源１１の出射時の偏光方向から変化していない場合の強度の調整範囲２３２よりも狭くなってしまう。
　そこで、凹レンズ回動機構１２２によって凹レンズ１２１を回動させることにより、凹レンズ１２１を通過したレーザ光の偏光方向が偏光ビームスプリッタ１２３の透過方向２１に一致するように、該偏光方向を変更させる。これにより、偏光ビームスプリッタ１２３を基準角から90°回動させたときのレーザ光の強度の調整範囲は、最大値Amaxから最小値0までの範囲となり、調整範囲の大きさが最大となる。
　以上のようレーザ光の強度の調整範囲を設定した後、偏光ビームスプリッタ回動機構１２４により偏光ビームスプリッタ１２３を基準角から90°の範囲内で回動させることにより、試料Ｓに照射されるレーザ光の強度を上記調整範囲内で調整する。これにより、質量分析装置において試料Ｓをイオン化する際に照射するレーザ光の強度を適切に設定することができる。
　凹レンズ１２１をレーザ光の光軸を中心に回動させることによって凹レンズ１２１を通過するレーザ光の直線偏光の方向が変化することを確認するために、偏光ビームスプリッタ１２３を固定した状態で凹レンズ１２１を回動させつつ、偏光ビームスプリッタ１２３を透過したレーザ光のエネルギー（強度に対応）を測定する実験を行った。この実験の結果を図６のグラフに示す。このグラフの横軸は凹レンズ１２１の回動角φ（偏光ビームスプリッタ１２３の回動角θとは異なる）を示している。なお、任意の1つの回動位置をφの基準角（φ=0°）と定めた。図６に示すように、偏光ビームスプリッタ１２３を固定しているにも関わらず、凹レンズ１２１の回動角φが変化するのに伴って、偏光ビームスプリッタ１２３を透過したレーザ光のエネルギーも変化している。これは、凹レンズ１２１を通過するレーザ光の直線偏光の方向が変化していることを意味する。この実験結果より、90°付近の回動角φaにおいて、レーザ光のエネルギーが最大となり、凹レンズ１２１を通過するレーザ光の直線偏光の方向と偏光ビームスプリッタ１２３の透過方向が一致していると考えられる。従って、この回動角φaで凹レンズ１２１を固定したうえで偏光ビームスプリッタ１２３を回動させれば、レーザ光のエネルギー（強度）の調整範囲を最大にすることができる。
　［変形例］
　本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態ではレーザ光の強度の調整範囲が最大になるように凹レンズ１２１の回動角を調整したが、強度を微調整することを容易にするために、レーザ光の強度の調整範囲を意図的に狭くするように該回動角を調整してもよい。
　上記実施形態では偏光方向変更光学素子として凹レンズを用いたが、凹レンズの形状は上記のものには限定されない。また、凹レンズの代わりに凸レンズを偏光方向変更光学素子として強度変更光学素子の手前に配置してもよい。さらには、レーザ光のうち特定の波長帯のもののみを通過させるバンドパスフィルタ等、レンズ以外の光学素子にも、偏光方向変更光学素子としての特性を有するものがあり、それらの光学素子を本発明で用いてもよい。
　上記実施形態では、強度変更光学素子として偏光ビームスプリッタを用いたが、その代わりに、偏光板等を用いてもよい。
　上記実施形態では、質量分析装置において試料をイオン化するために照射するレーザ光の強度を調整する場合を例に説明したが、本発明の用途はそれには限られず、例えばレーザ光を用いて切断や溶接等の加工を行う場合等にも本発明を適用することができる。
　［態様］
　上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
　（第１項）
　第１項に係るレーザ光強度調整方法は、直線偏光のレーザ光である入射レーザ光の強度を所定の強度で出射する方法であって、
　前記入射レーザ光の光路上に、所定の透過方向の該入射レーザ光の偏光の成分を透過させることにより出射レーザ光の強度を変更する光学素子であって、前記入射レーザ光の光軸を中心に所定の基準角から少なくとも90°の範囲内で回動し、該透過方向が可変である強度変更光学素子を配置し、
　前記入射レーザ光の光路上の、前記強度変更光学素子よりも手前に、該入射レーザ光の偏光の方向を変更して出射する光学素子であって、該変更の方向（偏光の方向を変更させる方向）が可変である偏光方向変更光学素子を配置し、
　前記強度変更光学素子の回動角が前記基準角であるときの前記透過方向に、前記偏光方向変更光学素子が出射する前記入射レーザ光の偏光の方向を合わせるように前記変更の方向を調整する
　ものである。
　（第４項）
　第４項に係るレーザ光強度調整装置は、直線偏光のレーザ光である入射レーザ光の強度を所定の強度で出射する装置であって、
　前記入射レーザ光の光路上に配置された、所定の透過方向の該入射レーザ光の偏光の成分を透過させることにより出射レーザ光の強度を変更する光学素子であって、前記入射レーザ光の光軸を中心に所定の基準角から少なくとも90°の範囲内で回動し、該透過方向が可変である強度変更光学素子と、
　前記入射レーザ光の光路上の、前記強度変更光学素子よりも手前に配置された、該入射レーザ光の偏光の方向を変更して出射する光学素子であって、該変更の方向が可変である偏光方向変更光学素子と
　を備える。
　第１項に係るレーザ光強度調整方法及び第４項に係るレーザ光強度調整装置によれば、偏光方向変更光学素子によって入射レーザ光の偏光の方向が変更されるため、強度変更光学素子の透過方向を所定の範囲内で変更する間に出射レーザ光の強度が変更される範囲、すなわちレーザ光の強度の調整範囲を変更することができる。
　その際、偏光方向変更光学素子を出射して強度変更光学素子に入射するレーザ光の偏光を、強度変更光学素子の回動角が基準角であるときの透過方向に合わせるように偏光方向変更光学素子による偏光方向の変更の方向を調整することにより、強度変更光学素子が所定の基準角から90°回動する間に、レーザ光の強度は最大値から0まで変化する。これにより、強度の調整範囲を、強度変更光学素子で取り得る最大の範囲とすることができる。
　強度変更光学素子には、例えば偏光ビームスプリッタや偏光板を用いることができる。偏光方向変更光学素子には、例えば凹レンズ等の光学レンズや、レーザ光のうち特定の波長帯のもののみを通過させるバンドパスフィルタ等を用いることができる。
　（第２項）
　第２項に係るレーザ光強度調整方法は、第１項に係るレーザ光強度調整方法において、前記偏光方向変更光学素子が凹レンズである。
　（第５項）
　第５項に係るレーザ光強度調整装置は、第４項に係るレーザ光強度調整装置において、前記偏光方向変更光学素子が凹レンズである。
　第２項に係るレーザ光強度調整方法及び第５項に係るレーザ光強度調整装置によれば、偏光方向変更光学素子と強度変更光学素子の間においてレーザ光のエネルギー密度を抑えて安全性を確保することができる。
　なお、偏光方向変更光学素子に凹レンズを用いる場合には、強度変更光学素子とレーザ光の照射対象物の間に凸レンズを設けることにより、照射対象物に照射されるレーザ光のエネルギー密度を高くすることができる。なお、偏光方向変更光学素子とは異なり、強度変更光学素子と照射対象物の間に設けられた凸レンズの、レーザ光の光軸に関する回動角は、強度変更光学素子に入射する直線偏光の方向に影響を与えないため、該強度の調整範囲にも影響を与えない。
　（第３項）
　第３項に係るレーザ光強度調整方法は、第１項又は第２項に係るレーザ光強度調整方法において、前記強度変更光学素子が偏光ビームスプリッタである。
　（第６項）
　第６項に係るレーザ光強度調整装置は、第４項又は第５項に係るレーザ光強度調整装置において、前記強度変更光学素子が偏光ビームスプリッタである。
　第３項に係るレーザ光強度調整方法及び第６項に係るレーザ光強度調整装置によれば、偏光ビームスプリッタに入射するレーザ光のうち、強度の調整のために通過させないものを反射させるため、強度変更光学素子（偏光ビームスプリッタ）にレーザ光のエネルギーが吸収されることを抑え、それにより強度変更光学素子が加熱されることを抑えることができる。
　（第７項）
　第７項に係る質量分析装置は、
　第４項～第６項のいずれか１項に記載のレーザ光強度調整装置と、
　前記強度変更光学素子を透過したレーザ光の光路上に配置された、分析対象の試料を保持する試料保持部と
を備える。
　第７項に係る質量分析装置によれば、質量分析装置において試料をイオン化する際に照射するレーザ光の強度を適切に設定することができる。
１０…MALDIイオン源
１１…レーザ光源
１２…レーザ光強度調整装置
１２１…凹レンズ（偏光方向変更光学素子）
１２２…凹レンズ回動機構
１２３…偏光ビームスプリッタ（強度変更光学素子）
１２３１…遮蔽部
１２４…偏光ビームスプリッタ回動機構
１３…ミラー
１４…凸レンズ
１５…試料室
１５１…試料保持部
１６…カメラ
２１…偏光ビームスプリッタの透過方向
２２１、２２２…レーザ光の偏光方向
２３１…偏光ビームスプリッタの回動範囲
２３２、２３３、２３４…レーザ光の強度の調整範囲

Claims (7)

  1. 　直線偏光のレーザ光である入射レーザ光の強度を所定の強度で出射する方法であって、
    　前記入射レーザ光の光路上に、所定の透過方向の該入射レーザ光の偏光の成分を透過させることにより出射レーザ光の強度を変更する光学素子であって、前記入射レーザ光の光軸を中心に所定の基準角から少なくとも90°の範囲内で回動し、該透過方向が可変である強度変更光学素子を配置し、
    　前記入射レーザ光の光路上の、前記強度変更光学素子よりも手前に、該入射レーザ光の偏光の方向を変更して出射する光学素子であって、該変更の方向が可変である偏光方向変更光学素子を配置し、
    　前記強度変更光学素子の回動角が前記基準角であるときの前記透過方向に、前記偏光方向変更光学素子が出射する前記入射レーザ光の偏光の方向を合わせるように前記変更の方向を調整する
    　レーザ光強度調整方法。
  2. 　前記偏光方向変更光学素子が凹レンズである、請求項１に記載のレーザ光強度調整方法。
  3. 　前記強度変更光学素子が偏光ビームスプリッタである、請求項１に記載のレーザ光強度調整方法。
  4. 　直線偏光のレーザ光である入射レーザ光の強度を所定の強度で出射する装置であって、
    　前記入射レーザ光の光路上に配置された、所定の透過方向の該入射レーザ光の偏光の成分を透過させることにより出射レーザ光の強度を変更する光学素子であって、前記入射レーザ光の光軸を中心に所定の基準角から少なくとも90°の範囲内で回動し、該透過方向が可変である強度変更光学素子と、
    　前記入射レーザ光の光路上の、前記強度変更光学素子よりも手前に配置された、該入射レーザ光の偏光の方向を変更して出射する光学素子であって、該変更の方向が可変である偏光方向変更光学素子と
    　を備えるレーザ光強度調整装置。
  5. 　前記偏光方向変更光学素子が凹レンズである、請求項４に記載のレーザ光強度調整装置。
  6. 　前記強度変更光学素子が偏光ビームスプリッタである、請求項４に記載のレーザ光強度調整装置。
  7. 　請求項４に記載のレーザ光強度調整装置と、
    　前記強度変更光学素子を透過したレーザ光の光路上に配置された、分析対象の試料を保持する試料保持部と
    を備える質量分析装置。
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