(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源と、
該レーザー光源からのレーザー光を拡大する拡大光学系と、
該拡大光学系により拡大され測定対象プラズマを透過したレーザー光が入射され、該レーザー光の輝点の位置変動として表される位相分布を検出する波面測定部と、
該波面測定部により検出された位相分布を読み取るＣＣＤカメラと、
該ＣＣＤカメラにより読み取られたデータに基づき位相分布の画像を作成する画像処理部とから構成され、単一光路によりプラズマ密度の測定を可能にしたプラズマ密度測定装置。
【請求項２】
レーザー光源と、
該レーザー光源からのレーザー光を拡大する反射望遠鏡と、
該反射望遠鏡により拡大され測定対象プラズマを透過したレーザー光を縮小する反射望遠鏡と、
該反射望遠鏡により縮小されたレーザー光の輝点の位置変動として表される位相分布を検出する波面測定部と、
該波面測定部により検出された位相分布を読み取るＣＣＤカメラと、
該ＣＣＤカメラにより読み取られたデータに基づき位相分布の画像を作成する画像処理部とから構成され、単一光路によりプラズマ密度の測定を可能にしたプラズマ密度測定装置。
【請求項３】
レーザー光源と、
該レーザー光源からのレーザー光を拡大するレンズと、
該レンズにより拡大され測定対象プラズマを透過したレーザー光を縮小する反射望遠鏡と、
該反射望遠鏡により縮小されたレーザー光の輝点の位置変動として表される位相分布を検出する波面測定部と、
該波面測定部により検出された位相分布を読み取るＣＣＤカメラと、
該ＣＣＤカメラにより読み取られたデータに基づき位相分布の画像を作成する画像処理部とから構成され、単一光路によりプラズマ密度の測定を可能にしたプラズマ密度測定装置。
【請求項４】
前記波面測定部がレンズアレイ又はピンホールアレイにより構成された請求項１，２又は３に記載のプラズマ密度測定装置。
【請求項５】
前記波面測定部が干渉用平板により構成された請求項１，２又は３に記載のプラズマ密度測定装置。
【請求項６】
レーザー光源と、
該レーザー光源からのレーザー光を拡大する拡大光学系と、
該拡大光学系により拡大されたレーザー光の測定対象プラズマを透過したレーザー光の強度分布を読み取るＣＣＤカメラと、
該ＣＣＤカメラにより読み取られた強度分布データから位相回復計算手法により位相分布データを求める演算部を含み、かつ該演算部により求められたデータに基づき位相分布の画像を作成する画像処理部とから構成され、単一光路によりプラズマ密度の測定を可能にしたプラズマ密度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光をプラズマ透過させ、この透過したレーザー光の波面の位相分布を評価することによりプラズマ密度を測定するプラズマ密度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマ密度計測は、主として図６に示すマッハ・ゼンダー型の干渉計を用いて行われていた。即ち、レーザー光源１からのレーザー光２をレンズを用いた拡大光学系３により、例えばレーザー光径を数cm程度に拡大されたレーザー光４をハーフミラー等を用いたビームスプリッター５により分割し、一方を参照光６として，他方をプローブ光７として利用する。プローブ光７は、測定対象のプラズマ８を透過させるが、この透過の際にプラズマ８の密度に応じて屈折率が異なるため、密度に対応してプローブ光７と参照光６との間に光路差を生ずる。
【０００３】
従って、プラズマ透過後のプローブ光７と参照光６をビームスプリッター９で重ね合わせると干渉縞が生じ、これをＣＣＤカメラ１０により読み取り、この干渉縞データを表示部を有する画像処理部１１で処理し干渉縞としてプラズマ密度を観測することができる。この干渉縞のシフト量はレーザー光の伝播方向におけるプラズマ密度の線積分に対応する。回転対称分布の場合にはアーベル変換により、径方向の分布を算出できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来のマッハ・ゼンダー干渉計によるプラズマ密度測定では、参照光６とプローブ光７の光路差をレーザー光の可干渉距離以下にし、参照光６用にプラズマ８を迂回する光路を設ける必要があった。このため、比較的長いパルス、例えば１０ピコ秒（１０×１０-12 秒）程度のレーザー光を用いる必要があり、超高速時間分解の測定が困難である。また、外部振動による測定誤差を防止するうえから、レーザー光の光路系全体を同一定盤に設置することが望ましく、光路系全体の規模を小形化する必要があり、よってプラズマ７の近傍に干渉計の光学素子を設置する必要があり、絶縁距離を大きく取る場合の測定に困難が伴うと共に、雷インパルス放電や大気圧アーク放電のような大型プラズマへの適用が困難であった。
本発明は、レーザー光のプラズマ透過後の位相分布による波面歪のみの測定により、プラズマ密度測定が可能であることに着目し、単一光路によるプラズマ密度測定を可能にしたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願の第１の発明によるプラズマ密度測定装置は、レーザー光源と、該レーザー光源からのレーザー光を拡大する拡大光学系と、該拡大光学系により拡大され測定対象プラズマを透過したレーザー光が入射され、該レーザー光の輝点の位置変動として表される位相分布を検出する波面測定部と、該波面測定部により検出された位相分布を読み取るＣＣＤカメラと、該ＣＣＤカメラにより読み取られたデータに基づき位相分布の画像を作成する画像処理部とから構成され、単一光路によりプラズマ密度の測定を可能にしたものである。
【０００６】
本願の第２の発明によるプラズマ密度測定装置は、レーザー光源と、該レーザー光源からのレーザー光を拡大する拡大光学系と、該拡大光学系により拡大されたレーザー光の測定対象プラズマを透過したレーザー光の強度分布を読み取るＣＣＤカメラと、該ＣＣＤカメラにより読み取られた強度分布データから位相回復計算手法により位相分布データを求める演算部を含み、かつ該演算部により求められたデータに基づき位相分布の画像を作成する画像処理部とから構成され、単一光路によりプラズマ密度の測定を可能にしたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明によるプラズマ密度測定装置を、図１に示す第１の実施例にもとづいて説明する。レーザー光源１からのレーザー光２をレンズを用いた拡大光学系３により拡大されたレーザー光４とし、測定対象のプラズマ８を透過させ、この透過したレーザー光１２をレンズアレイ１３及びＣＣＤカメラ１０とにより構成されたシャック・ハルトマン型計測装置と言われる波面測定手段により位相分布を測定する。即ち、レーザー光１２はレンズアレイ１３によって輝点のアレイ像を結ぶ。この輝点の位置は、その場所の波面の傾きに対応しているため、輝点の位置変動（位相分布）をＣＣＤカメラ１０により読み取り、この位相分布データを積分処理して画像処理し、輝点として現わされるプラズマ密度を画像処理部１１により観測することができる。
【０００８】
従って、参照光源なしにプラズマ８を透過したレーザー光１２の波面分布を容易に測定することができる。なお、レンズアレイ１３は例えば７×７の４９個程度のレンズ数が用いられる。また、輝点の位置検出をレンズアレイ１３に換えて、図示していないピンホールアレイを用いて、同様な原理で観測することができる。なお、本発明の場合は、単一光路によるプラズマ密度測定を行うものであるため、短いパルス、例えばフェムト秒（１０-15 秒）程度のレーザー光を用いることができるので、超高速時間分解の測定が可能である。
【０００９】
【実施例】
図２に本発明によるプラズマ密度測定装置の第２の実施例を示す。この実施例は、測定対象のプラズマ８を透過したレーザー光１２を、干渉用平板１４とＣＣＤカメラ１０により構成されたシアリング型干渉計と言われる波面測定手段により位相分布を測定する。即ち、レーザー光１２を干渉用平板１４によって複数に分割し、発生させた干渉パターンをＣＣＤカメラ１０により読み取り、これを画像処理して干渉縞として現わされるプラズマ密度を画像処理部１１により観測することができる。
基本的には、プラズマ透過後の波面分布をｗ（ｘ，ｙ）とした場合に、それをｘ方向にΔｘシフトした場合の波面はｗ（ｘ＋Δｘ，ｙ）となり、観測される干渉パターンはｆ（ｘ，ｙ）＝ｗ（ｘ，ｙ）−ｗ（ｘ＋Δｘ，ｙ）となる。最も単純な処理では上式をΔｘ毎に離散化し、ある基準点から積算すれば基準点からの波面歪み量を求めることができる。
【００１０】
図３に本発明によるプラズマ密度測定装置の第３の実施例を示す。この実施例は、雷インパルス放電或いは大気圧アーク放電などの大型プラズマの密度測定をする場合に適するように構成されたものである。即ち、レーザー光源１のレーザー光２を例えばカセグレン型の反射望遠鏡１５を用いてビーム径を、例えば５０cm程度に拡大したレーザー光１６とし、測定対象の大型プラズマ１７を透過させる。この透過したレーザー光１８を受光側に設けられたカセグレン型の反射望遠鏡１９を用いてビーム径を、図１の実施例で説明したように例えば数cm程度のビーム径に縮小したレーザー光１２とし、図１に示したレンズアレイ１３やピンホールアレイ、又は図２に示した干渉用平板１４による位相分布の検出を行う波面測定手段の波面測定部２０と、ＣＣＤカメラ１０を用いて位相分布を測定し、画像処理部１１で干渉縞が観測できるようにする。このシステム構成の場合、前述したように５０cm径のカセグレン型の反射望遠鏡を用いれば、大型プラズマ１７の５０cmの領域を観測することができる。なお、反射望遠鏡１５はカセグレン型に限定されるものではない。
【００１１】
図４に本発明によるプラズマ密度測定装置の第４の実施例を示す。この実施例は、図３の第３の実施例におけるレーザー光２の出射側のカセグレン型の反射望遠鏡１５を省略したものである。この場合は、レーザー光２は点光源として作用し、球面収差を有しているが、それを予め評価しておくことで、大型プラズマ１７による波面の変化を測定できる。例えば直径５０cmのカセグレン型の反射望遠鏡１９を用いた場合には、反射望遠鏡１９から大型プラズマ１７の中心までの距離を２ｍとし、２０cmの領域を観測するには入射側で球面波に変化させるための拡大レンズ２１の位置はプラズマ１７中心から２ｍとすればよい。この距離を大きくすれば、大型プラズマ１７のより広い領域での観測が可能となる。
【００１２】
なお、前述した実施例の場合における注意点としては、（１）市販のカセグレン型の反射望遠鏡は同軸型であり視野の中央部が副鏡により遮られるが、これを避けるには非同軸型にする必要がある。（２）シャック・ハルトマン型計測装置を用いる場合は、ポイント数が比較的少ないので、高い空間分解能を得る場合にはレンズアレイの数などを検討する必要がある。
【００１３】
図５に本発明によるプラズマ密度測定装置の第５の実施例を示す。この実施例は、レーザー光源１からのレーザー光２をレンズを用いた拡大光学系３により拡大されたレーザー光４とし、測定対象のプラズマ８を透過させ、この透過前後のレーザー光１２の波面の歪みにより強度分布が歪むことを利用し、この強度分布を直接ＣＣＤカメラ１０で測定し、この強度分布データから位相回復計算手法により位相分布データを求める演算部を含む画像処理部１１で反復計算を行い、この計算結果に基づき画像処理部１１でプラズマ密度を観測するようにしたものである。
【００１４】
即ち、この実施例では波面測定部２０は使わず強度分布を直接測定する。波面の空間伝播はフレネル変換によって求められるが、既知の振幅を持つフレネルペアの位相分布を求める手法としてエラーリダクション法がある。この方法は正逆のフーリエ変換と振幅成分を既知の振幅と置き換える計算ループを反復することにより、真値の複素振幅に近づけてゆく手法であるが、同様の手法はフレネルペアにも適用できる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の特徴は単一光路でプラズマの密度計測を可能にした点にあり、本発明は従来の測定装置に比較して次のような長所がある。
（１）参照光を必要としないために、測定対象物の近傍に光学素子を設置する必要がない。このために、絶縁距離の問題や電界の歪みなどの問題がない。
（２）参照光を必要としないために、ビームスプリッターやミラーなどを削減又は削除することが可能である。よってコストも比較的安く、大口径化も容易である。
（３）単一光路であるため、アライメントや装置の設置が容易である。
（４）用いるレーザー光の可干渉距離はそれほど長い必要はなく、短パルスレーザー光への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ密度測定装置の第１の実施例を示す模式図である。
【図２】本発明のプラズマ密度測定装置の第２の実施例を示す模式図である。
【図３】本発明のプラズマ密度測定装置の第３の実施例を示す模式図である。
【図４】本発明のプラズマ密度測定装置の第４の実施例を示す模式図である。
【図５】本発明のプラズマ密度測定装置の第５の実施例を示す模式図である。
【図６】従来のプラズマ密度測定装置の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１  レーザー光源
２  レーザー光
３  拡大光学系
４，１６  拡大されたレーザー光
５，９  ビームスプリッター
６  参照光
７  プローブ光
８  プラズマ
１０  ＣＣＤカメラ
１１  画像処理部
１２  プラズマ８を透過したレーザー光
１３  レンズアレイ
１４  干渉用平板
１５，１９  反射望遠鏡
１７  大型プラズマ
１８  プラズマ１７を透過したレーザー光
２０  レンズアレイや干渉用平板等による波面測定部
２１  拡大レンズ
【図１】
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【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】
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