(57)【要約】【課題】１つのレーザで適切なダブルＵＶパルスを得ることにより、低価格で小サイズを実現することができるレーザ誘起ブレイクダウン分光装置。【解決手段】１周期内にダブルパルス又は３つのパルスを発生するようにオンパルス幅が調整された励起パルスで準連続波励起の基本波を発振する受動Ｑスイッチレーザ１１０ａと、受動Ｑスイッチレーザから出射された基本波を波長変換することにより紫外レーザ光を得る波長変換素子１６ａ，１６ｂと、波長変換素子からの紫外レーザ光を集光してサンプル表面に照射する集光レンズ４と、サンプル表面に発生するプラズマ６の信号からスペクトルのピークを測定し、測定されたスペクトルのピークに基づきサンプル５の化学分析を行うスペクトロメータ９とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１周期内にダブルパルス又は３つのパルスを発生するようにオンパルス幅が調整された励起パルスで準連続波励起の基本波を発振する受動Ｑスイッチレーザと、
前記受動Ｑスイッチレーザから出射された基本波を波長変換することにより紫外レーザ光を得る波長変換素子と、
前記波長変換素子からの紫外レーザ光を集光してサンプル表面に照射する集光レンズと、
前記サンプル表面に発生するプラズマの信号からスペクトルのピークを測定し、測定されたスペクトルのピークに基づき前記サンプルの化学分析を行うスペクトロメータと、
を備えることを特徴とするレーザ誘起ブレイクダウン分光装置。
【請求項２】
１周期内にダブルパルス又は３つのパルスを発生するようにパルスの振幅が調整された励起パルスで準連続波励起の基本波を発振する受動Ｑスイッチレーザと、
前記受動Ｑスイッチレーザから出射された基本波を波長変換することにより紫外レーザ光を得る波長変換素子と、
前記波長変換素子からの紫外レーザ光を集光してサンプル表面に照射する集光レンズと、
前記サンプル表面に発生するプラズマの信号からスペクトルのピークを測定し、測定されたスペクトルのピークに基づき前記サンプルの化学分析を行うスペクトロメータと、
を備えることを特徴とするレーザ誘起ブレイクダウン分光装置。
【請求項３】
前記受動Ｑスイッチレーザは、Ｎｄ：ＹＡＧからなるレーザ媒質と、前記レーザ媒質からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加するＣｒ４＋：ＹＡＧからなる可飽和吸収体とを有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置。
【請求項４】
前記受動Ｑスイッチレーザは、マイクロチップで形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置。
【請求項５】
前記受動Ｑスイッチレーザは、１周期内にダブルパルス又は３つのパルスを発生するようにパルスの振幅が調整された励起パルスで準連続波励起の受動Ｑスイッチレーザからなることを特徴とする請求項１記載のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置。
【請求項６】
前記波長変換素子は、ＬｉＢ３Ｏ５結晶からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置。
【請求項７】
前記波長変換素子は、ＬｉＢ３Ｏ５結晶とＢａＢ２Ｏ４とからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプル表面に短パルスでレーザを当てることで発生するプラズマを用いてサンプルの化学分析を行うレーザ誘起ブレイクダウン分光装置（ＬＩＢＳ，Laser Induced Breakdown Spectroscopy）に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ誘起ブレイクダウン分光において、分光信号を強めるために、レーザのシングルパルスより、ピコ秒〜マイクロ秒の間隔で離れたダブルパルスを使われた方が有利だと知られている。
【０００３】
また、従来のダブルパルスレーザ誘起ブレイクダウン分光装置は、赤外線レーザを用いて、洗浄液中の微量な金属元素を検知し、金属元素の濃度を測定することができる。
【０００４】
しかしながら、赤外線レーザからの赤外線は、熱の影響が大きく、赤外線を用いて有機物の成分を検出することが困難であった。一方、紫外線は、熱の影響を受けにくいことから、２６６ｎｍ，３５５ｎｍの紫外光（ＵＶ）を出射するＵＶ半導体レーザ（ＵＶレーザ）を用いて、有機物の成分を検出することができる。
【０００５】
図７に従来のダブルパルスレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の構成図を示す（非特許文献１）。レーザ誘起ブレイクダウン分光装置は、ＵＶレーザ１ａ，１ｂ、λ／２波長板２ａ，２ｂ、偏光ビームスプリッタ３ａ，３ｂ、集光レンズ４、サンプル（試料）５、収集ヘッド７、光ファイバ８、スペクトロメータ９を備えている。
【０００６】
ＵＶレーザ１ａからのＵＶレーザ光は、λ／２波長板２ａを通して、偏光ビームスプリッタ３ａで偏光されて第１レーザパルスが集光レンズ４に導光される。ＵＶレーザ１ｂからのＵＶレーザ光は、λ／２波長板２ｂを通して、偏光ビームスプリッタ３ｂで偏光されて第２レーザパルスが集光レンズ４に導光される。
【０００７】
即ち、第１レーザパルスと第２レーザパルスとのダブルＵＶパルスが集光レンズ４で集光されてサンプル５の表面に照射される。
【０００８】
このため、サンプル５の表面からプラズマ６が発生し、プラズマ６の信号を収集ヘッド７で収集し、収集されたプラズマ６の信号は、光ファイバ８を介してスペクトロメータ９に送られる。
【０００９】
スペクトロメータ９は、分光器等を有しており、プラズマ６の信号のピークスペクトルを測定し、測定されたピークスペクトルに基づき、サンプル５の化学組成を分析することができる。また、ダブルＵＶパルスを用いているので、プラズマの信号（分光信号）を強めることができ、サンプル５の化学組成を正確に分析することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Proc. of SPIE Vol.7214 72140J-1 Ultrafast Phenomena in Semiconductors and Nanostructure Materials XIII, ”Laser ablation of organic materials for discrimination of bacteria in an inorganic background“, Matthieu Baudelet et.al.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、ダブルＵＶパルスを得るために、２つのＵＶレーザ１ａ，１ｂが使用されているため、レーザ誘起ブレイクダウン分光装置のコストが高くなり、サイズも大きくなっていた。
【００１２】
また、サンプル５が遠い場所にある場合には、ＵＶレーザ１ａからの第１レーザパルスとＵＶレーザ１ｂからの第２レーザパルスとを集光レンズ４で集光したビームスポットを重ね合わせるのが難しかった。
【００１３】
本発明の課題は、１つのレーザで適切なダブルＵＶパルスを得ることにより、低価格で小サイズを実現することができるレーザ誘起ブレイクダウン分光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置は、１周期内にダブルパルス又は３つのパルスを発生するようにオンパルス幅が調整された励起パルスで準連続波励起の基本波を発振する受動Ｑスイッチレーザと、前記受動Ｑスイッチレーザから出射された基本波を波長変換することにより紫外レーザ光を得る波長変換素子と、前記波長変換素子からの紫外レーザ光を集光してサンプル表面に照射する集光レンズと、前記サンプル表面に発生するプラズマの信号からスペクトルのピークを測定し、測定されたスペクトルのピークに基づき前記サンプルの化学分析を行うスペクトロメータを備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、１周期内にダブルパルス又は３つのパルスを発生するようにパルスの振幅が調整された励起パルスで準連続波励起の基本波を発振する受動Ｑスイッチレーザと、前記受動Ｑスイッチレーザから出射された基本波を波長変換することにより紫外レーザ光を得る波長変換素子と、前記波長変換素子からの紫外レーザ光を集光してサンプル表面に照射する集光レンズと、前記サンプル表面に発生するプラズマの信号からスペクトルのピークを測定し、測定されたスペクトルのピークに基づき前記サンプルの化学分析を行うスペクトロメータを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明では、前記受動Ｑスイッチレーザは、Ｎｄ：ＹＡＧからなるレーザ媒質と、前記レーザ媒質からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加するＣｒ４＋：ＹＡＧからなる可飽和吸収体とを有することを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明では、受動Ｑスイッチレーザは、マイクロチップで形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明では、前記受動Ｑスイッチレーザは、１周期内にダブルパルス又は３つのパルスを発生するようにパルスの振幅が調整された励起パルスで準連続波励起の受動Ｑスイッチレーザからなることを特徴とする。
【００１９】
請求項６の発明では、前記波長変換素子は、ＬｉＢ３Ｏ５結晶からなる。
【００２０】
請求項７の発明では、前記波長変換素子は、ＬｉＢ３Ｏ５結晶とＢａＢ２Ｏ４とからなる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、受動Ｑスイッチレーザは、オンパルスの幅又は振幅が調整された励起パルスで準連続波励起を行うので、１周期内にダブルパルス又は３つのパルスを持つ基本波が発生し、波長変換素子が基本波を紫外レーザ光に変換し、紫外レーザ光のダブルパルス又は３つのパルスを用いてサンプルの化学分析を行うことができる。従って、１つのＵＶレーザで適切なダブルＵＶパルスを得ることにより、低価格で小サイズを実現することができる。さらに、以前述べた２つのレーザのビームスポットを重ね合わせる問題を避けた。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の構成図である。
【図２】本発明の実施例２のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の構成図である。
【図３】実施例１のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の具体的構成を示す図である。
【図４】実施例１のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の変形例を示す構成図である。
【図５】実施例２のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の具体的構成を示す図である。
【図６】実施例２のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の変形例を示す構成図である。
【図７】従来のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の一例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
（実施例１）
以下、本発明の実施形態に係るレーザ誘起ブレイクダウン分光装置を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の実施例１のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の構成図である。図１に示す実施例１のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置は、受動ＱスイッチＵＶレーザ１１、集光レンズ４、サンプル５、収集ヘッド７、光ファイバ８、スペクトロメータ９を備えている。
【００２５】
受動ＱスイッチＵＶレーザ１１の励起は、ＱＣＷ(Quasi-Continuous-Wave、準連続波)励起パルスにより行う。ＱＣＷ励起の場合、レーザ発振の閾値が励起パルスのパルス振幅とパルス幅によって決定される。
【００２６】
パルス振幅をＡで一定値にすると、レーザ発振を得るために、パルス幅を閾値Ｗ１以上にする必要がある。この閾値Ｗ１は、レーザの設計、例えば励起ビームサイズ、レーザ媒質、受動Ｑスイッチの媒質、共振器の損失等で決定される。この条件で、１つの励起パルスに対して、１つのレーザ出力パルスが得られる。
【００２７】
励起パルス幅をもっと長くし、図１に示すように、パルス幅Ｗ２＞Ｗ１＋Ｔの時に、１つの励起パルスに対して、２つのレーザ出力パルスが得られる。即ち、励起パルスの１周期内にダブルＵＶパルスを発生するようにオンパルス幅を調整することで、ダブルＵＶパルスが得られる。Ｔの値は、レーザの設計、例えば励起ビームサイズ、レーザ媒質、受動Ｑスイッチの媒質、共振器の損失等で決定される。
【００２８】
このように、受動ＱスイッチＵＶレーザ１１において、パルス幅Ｗ２＞Ｗ１＋Ｔにすることで、ダブルＵＶパルスＰ１，Ｐ２が得られ、ダブルＵＶパルスＰ１，Ｐ２が集光レンズ４を介してサンプル５の表面に照射される。
【００２９】
このため、サンプル５の表面からプラズマ６が発生し、スペクトロメータ９は、プラズマ６の信号のピークスペクトルを測定し、測定されたピークスペクトルに基づき、サンプル５の化学組成を分析する。
【００３０】
従って、１つの受動ＱスイッチＵＶレーザ１１で適切なダブルＵＶパルスを得ることにより、低価格で小サイズを実現することができる。
【００３１】
（実施例２）
図２は、実施例２のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の構成図である。励起源１０ａは、ＱＣＷ励起した励起パルスを受動ＱスイッチＵＶレーザ１１ａに出力する。励起パルスは、パルス幅Ｗ３＞Ｗ１＋２Ｔである。励起パルスの振幅は、Ａで一定値である。
【００３２】
図２に示すように、パルス幅Ｗ３をパルス幅Ｗ３＞Ｗ１＋２Ｔにすると、１つの励起パルスに対して、３つのＵＶレーザ出力パルスが得られる。即ち、励起パルスの１周期内に３つのＵＶパルスを発生するようにオンパルス幅を調整することで、３つのＵＶパルスが得られる。２Ｔの値は、レーザの設計、例えば励起ビームサイズ、レーザ媒質、受動Ｑスイッチの媒質、共振器の損失等で決定される。
【００３３】
このように、パルス幅Ｗ３をパルス幅Ｗ３＞Ｗ１＋２Ｔにすることで、３つのＵＶパルスが得られるので、分光信号をより大きくする可能性がある。
【００３４】
（実施例１の受動ＱスイッチＵＶレーザの具体的構成）
図３に、実施例１のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の具体的構成を示す。図１に示す受動ＱスイッチＵＶレーザ１１は、図３に示す受動Ｑスイッチレーザ１１０ａとＬＢＯ１６ａ，１６ｂとから構成されている。
【００３５】
受動Ｑスイッチレーザ１１０ａは、１周期内にダブルパルスを発生するようにオンパルス幅が調整された励起パルスで準連続波励起の基本波（波長が１０６４ｎｍ）を発振する。受動Ｑスイッチレーザ１１０ａは、励起源１０、入力ミラー１２、レーザ媒質１４、可飽和吸収体１５、出力ミラー１３を備えている。入力ミラー１２、レーザ媒質１４、可飽和吸収体１５、出力ミラー１３は、光共振器を構成する。
【００３６】
励起源１０は、励起（ポンプ）用のレーザダイオードを有し、レーザダイオードでＱＣＷ励起した励起パルスをレーザ媒質１４に出力する。励起パルスは、パルス幅Ｗ２＞Ｗ１＋Ｔである。励起パルスの振幅は、Ａで一定値である。
【００３７】
レーザ媒質１４は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、ＹＶＯ４、又はＧｄＶＯ４からなり、入力ミラー１２と出力ミラー１３との間に配置される。レーザ媒質１４の一端側には、入力ミラー１２が配置され、入力ミラー１２は、励起光を透過しレーザ光を高反射率で反射する。出力ミラー１３は、レーザ光の一部を透過するとともに、残りを反射させる。
【００３８】
可飽和吸収体１５は、入力ミラー１２と出力ミラー１３との間に配置され、レーザ媒質１４からのレーザ光の吸収に伴って透過率が増加する。可飽和吸収体１５は、励起準位の電子密度が飽和すると、透明化し、光共振器のＱ値が急激に高まりレーザ発振が発生してパルス光が発生する。可飽和吸収体１５は、例えば、Ｃｒ４＋：ＹＡＧからなる。
【００３９】
ＬＢＯ１６ａ，１６ｂは、本発明の波長変換素子に対応し、例えば、ＬｉＢ３Ｏ５の非線形結晶からなり、受動Ｑスイッチレーザ１１０ａからの基本波を波長変換する。ＬＢＯ１６ａは、受動Ｑスイッチレーザ１１０ａからの基本波（波長１０６４ｎｍ）を波長変換して２倍波（波長５３２ｎｍ）を得る。ＬＢＯ１６ｂは、ＬＢＯ１６ａからの基本波（波長１０６４ｎｍ）と２倍波（波長５３２ｎｍ）とを混合して３倍波（波長３５５ｎｍ）のＵＶレーザ光を得て、集光レンズ４に出力する。
【００４０】
このように受動Ｑスイッチレーザ１１０ａとＬＢＯ１６ａ，１６ｂとを用いることにより、ダブルＵＶパルスを得ることができるので、１つの受動ＱスイッチＵＶレーザ１１で適切なダブルＵＶパルスを得ることにより、低価格で小サイズを実現することができる。
【００４１】
（実施例１のマイクロチップ型の受動Ｑスイッチレーザ）
図４に実施例１のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の変形例を示す。図４に示す変形例では、受動Ｑスイッチレーザ１１０ｂがマイクロチップ化されている。受動Ｑスイッチレーザ１１０ｂは、レーザ媒質１４と可飽和吸収体１５とが一体化され、レーザ媒質１４の入射面に入力ミラー１２ａが塗布され、可飽和吸収体１５の出射側に出力ミラー１３ａが塗布されている。
【００４２】
以上の構成により、受動Ｑスイッチレーザ１１０ｂのマイクロチップ化を図ることができる。
【００４３】
（実施例２の受動ＱスイッチＵＶレーザの具体的構成）
図５に、実施例２のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置の具体的構成を示す。図２に示す受動ＱスイッチＵＶレーザ１１ａは、図５に示す受動Ｑスイッチレーザ１１０ｂとＬＢＯ１６ａとＢＢＯ１７とから構成されている。
【００４４】
受動Ｑスイッチレーザ１１０ｂは、１周期内に３つのパルスを発生するようにオンパルス幅が調整された励起パルスで準連続波励起の基本波（波長が１０６４ｎｍ）を発振する。受動Ｑスイッチレーザ１１０ｂは、励起源１０、入力ミラー１２、レーザ媒質１４、可飽和吸収体１５、出力ミラー１３を備えている。
【００４５】
励起源１０の励起パルスは、パルス幅Ｗ３をパルス幅Ｗ３＞Ｗ１＋２Ｔにする。即ち、励起パルスの１周期内に３つのＵＶパルスを発生するようにオンパルス幅を調整することで、３つのＵＶパルスが得られる。
【００４６】
ＬＢＯ１６ａとＢＢＯ（バリウムボライト）１７は、本発明の波長変換素子に対応し、非線形結晶からなる。ＢＢＯ１７は、例えば、ＢａＢ２Ｏ４からなる。ＬＢＯ１６ａは、受動Ｑスイッチレーザ１１０ａからの基本波（波長１０６４ｎｍ）を波長変換して２倍波（波長５３２ｎｍ）を得る。ＢＢＯ１７は、ＬＢＯ１６ａからの２倍波（波長５３２ｎｍ）と２倍波（波長５３２ｎｍ）を混合して４倍波（波長２６６ｎｍ）のＵＶレーザ光を得て、集光レンズ４に出力する。
【００４７】
このように受動Ｑスイッチレーザ１１０ｂとＬＢＯ１６ａとＢＢＯ１７とを用いることにより、３つのＵＶパルスを得ることができるので、１つの受動ＱスイッチＵＶレーザ１１ａで適切な３つのＵＶパルスを得ることにより、低価格で小サイズを実現することができる。
【００４８】
なお、本発明は、上述した実施例１及び実施例２のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置に限定されるものではない。実施例１及び実施例２のレーザ誘起ブレイクダウン分光装置では、励起パルスの振幅が一定値で且つ励起パルス幅のオン幅を調整することで、ダブルＵＶパルス又は３つのＵＶパルスを発生させていたが、例えば、励起パルスのパルス幅が一定値にし、励起パルスの振幅を調整することで、ダブルＵＶパルス又は３つのＵＶパルスを発生させてもよい。
【００４９】
あるいは、励起パルスのパルス幅のオン幅と振幅との両方を調整することで、ダブルＵＶパルス又は３つのＵＶパルスを発生させてもよい。このようにすれば、その効果がさらに大となる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、分光法、レーザを用いた測定器、レーザ加工、レーザ誘起ブレイクダウン分光法に適用可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１ａ，１ｂ  ＵＶレーザ
２ａ，２ｂ  λ／２波長板
３ａ，３ｂ  偏光ビームスプリッタ
４  集光レンズ
５  サンプル
６  プラズマ
７  収集ヘッド
８  光ファイバ
９  スペクトロメータ
１１，１１ａ  受動ＱスイッチＵＶレーザ
１１０ａ，１１０ｂ  受動Ｑスイッチレーザ
１２，１２ａ  入力ミラー
１３，１３ａ  出力ミラー
１４  レーザ媒質
１６ａ，１６ｂ  ＬＢＯ
１７  ＢＢＯ
【図１】
2020113569.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020113569.tif 000008
【図７】
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