(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高出力レーザから出力されたＰ偏光のレーザ光が、ポーラライザ（Ｐ偏光透過、Ｓ偏光反射）を通過し被散乱物質に照射され、被散乱物質を透過したレーザ光がファラデーローテータ（永久磁石型、回転角４５度）を透過し、一番目の位相共役鏡にて折り返され同じファラデーローテータを通過しＳ偏光で被散乱物質を透過し、被散乱物質を透過したＳ偏光のレーザ光がポーラライザによって反射され二番目の位相共役鏡にて折り返し反射され、再びポーラライザにて反射された後、被散乱物質、ファラデーローテータを通過し一番目の位相共役鏡にて再度折り返され同じファラデーローテータを通過しＰ偏光で被散乱物質を透過することにより、レーザ光が被散乱物質を合計４回通過し、通常の４倍近い散乱光を発生させることができることを特徴とするマルチパスレーザ散乱測定方法。
【請求項２】
高出力レーザから出力されたＰ偏光のレーザ光が、ポーラライザ（Ｐ偏光透過、Ｓ偏光反射）を通過しファラデーローテータ（電磁石型、無通電、回転角０度）透過後、被散乱物質に照射され、被散乱物質を透過したレーザ光が一番目の位相共役鏡にて折り返されＰ偏光で被散乱物質を透過し、被散乱物質を透過したＰ偏光のレーザ光がファラデーローテータ（電磁石型、通電、回転角９０度）にてＳ偏光に変えられ、ポーラライザによって反射され二番目の位相共役鏡にて折り返し反射され、再びポーラライザにて反射された後、ファラデーローテータ（電磁石型、通電、回転角９０度）にてＰ偏光に変えられ、被散乱物質を通過し一番目の位相共役鏡にて再度折り返されＰ偏光で被散乱物質を透過することにより、レーザ光が電磁石を切るまでレーザ光が一番目と２番目の位相共役鏡間に閉じ込められるため、被散乱物質を多数回通過し、数倍以上の散乱光を発生させることができることを特徴とするマルチパスレーザ散乱測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ散乱計測においてレーザ装置出力を増加させることなく、被散乱物質を複数回通過させることにより散乱光強度を倍増させる測定方法である。特に、本発明は、核融合装置における炉心プラズマの電子温度・電子密度測定手法であるトムソン散乱計測に関するものである。又、本発明は、トムソン散乱に限らず、レーザを用いたレーリー散乱、ラマン散乱、ミー散乱、ブリルアン散乱などの散乱計測にも応用可能であり、プロセスプラズマの温度・密度計測、プロセスプラズマ中のダスト計測など幅広い応用が可能である。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ散乱測定は、被散乱物質にレーザ光線を照射し、その散乱光を検出器で検出し分析する測定手法である。ここではトムソン散乱測定を例として従来の技術を述べる。
【０００３】
トムソン散乱計測では、強力な単色光源であるＰ偏光のレーザをプラズマ中に入射し、プラズマ中の電子から微弱なムソン散乱光を発生させ、電子の速度分布に対応したトムソン散乱スペクトルを高感度検出器で検出し解析することにより、プラズマ中の電子の温度と密度を評価する測定方法である。
【０００４】
トムソン散乱計測の装置構成を図１に示す。図に示すとおり、ＹＡＧレーザから発射されたレーザビームはミラー光学系を伝搬し核融合装置中の炉心プラズマに入射される。プラズマを透過したレーザ光はほとんど損失がなく、プラズマに入射したレーザ光のほぼ１００％の光がビームダンプに入り、レーザ光はここで終端消滅させられる。レーザによって発生した電子からのトムソン散乱光は集光器で集められ、光ファイバーによって分光器に導かれ検出器で検出される。検出器の検出信号はデータ収集装置に集められ、解析用ワークステーションで解析を行う。
【０００５】
一般的な既存のトムソン散乱装置では、レーザはプラズマ中を１回しか通過しておらず（シングルパス）、レーザのエネルギーの大部分を無駄に捨てていることになる。トムソン散乱光は非常に微弱なため、散乱光量を増やすことが計測精度の向上に直接結びつく。測定精度を下げることなくトムソン散乱光量を増やすためにはレーザの出力を上げることが最も効果的である。レーザの出力を上げる方策としては、▲１▼単体の高出力レーザ装置をさらに高出力化すること、▲２▼複数の高出力レーザ装置から出力されるビームを一本に束ね実効的な出力を上げること、▲３▼レーザビームを被散乱物質に複数回通過させ散乱光量を増加させることなどが考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ散乱計測の精度向上のためにレーザの出力を上げる方策として「従来の技術」において３つの方策を述べた。▲１▼▲２▼の方策で問題となるのは、レーザ装置の改造あるいは多数のレーザ装置が必要となり、一般に多大な研究開発費・長期の開発期間を要し、装置が大型化するため新たな技術開発が求められていた。
【０００７】
▲３▼については、従来捨てているレーザエネルギーを再回収し有効に使う方法であり最も合理的な方策と考える。具体例としてはビームダンプの代わりに終端部に全反射鏡を設置しレーザビームを折り返すことであり、レーザビームが被散乱物質中を往復することにより散乱光量を倍増させることが可能である。しかしながら、この方法では精密な光軸調整を要し、光軸調整不良の場合、レーザビームのごく一部がビーム伝送系の一部に接触しトムソン散乱光よりも格段に強力な光（迷光）が発生し、これにより散乱計測が不可能となる。
【０００８】
トムソン散乱計測では被散乱物質の位置での輝度を上げるために被散乱物質の直前に集光レンズを入れているが、このレンズにより被散乱物質を通過した後のビームが拡散ビームになるために、折り返したレーザによる迷光発生も懸念される。また、核融合装置のトムソン散乱では、放射線遮蔽などの考慮によりレーザの行路長が比較的長くなるため（ＪＴ−６０Ｕの場合約７０ｍ）、温度変化などによって光学系が伸縮した場合、レーザ光軸の変位が無視できない。このとき、レーザ光軸の変位にあわせて全反射鏡の光軸調整をその都度行う必要がある。
【０００９】
本発明では、以上の問題や欠点を鑑みてなされたものであり、折り返しのために全反射鏡ではなく位相共役鏡を用い、散乱物質を複数回数通過させるマルチパスのビーム伝播を可能とし測定精度の向上を図った。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では位相共役鏡を用い、散乱物質を複数回数通過させるマルチパスのビーム伝播を行う。図２に位相共役鏡の性質を示す。図２の通常の鏡（全反射鏡）の場合、点光源からの発散光はスネルの法則に従って反射するので、鏡に到達すると単に光路を折り曲げるだけで次第に広がりながら伝搬する。また光源と鏡の間に光学的に不均質のものがあった場合、波面歪みが発生する。
【００１１】
一方、位相共役鏡を用いた場合、位相共役鏡に到達した発散光は、たとえ光源との間に光学的に不均質のものがあった場合でも、入射光と全く同じ光路を逆進し点光源へ戻る。このような位相共役鏡の性質を用いることにより、散乱計測におけるレーザビームのマルチパス伝播が可能となる。さらに、位相共役鏡で反射された光は入射光路と同経路を逆進するため、迷光発生の問題が回避される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のマルチパスレーザ散乱測定方法は、上記のように位相共役鏡を用いることにより被散乱物質に複数回レーザ光を通過させることにより散乱光を増大させる。光学系の配置により被散乱物質中にレーザビームを１往復（▲１▼２パス型）あるいは２往復（▲２▼４パス型）さらには２往復以上（▲３▼多パス型）通過させることができる。位相共役鏡を用いたマルチパス散乱の概念を図３に示す。
【００１３】
▲１▼  被散乱物質中にレーザビームを１往復させる「２パス型」では、レーザ光を被散乱物質中を通過させ、通過したレーザ光を位相共役鏡によって反射させ再度被散乱物質中を通過させる。反射光は最終的にレーザ装置に戻るが、散乱計測で使うレーザの出力は比較的大きいので、レーザ装置内に設置したアイソレータにより戻り光をはじき出しビームダンプにて安全に終端消滅させる。この方式では、被散乱物質中を２回通過するため従来のシングルパス方式の約２倍の散乱光を得ることができる。
【００１４】
▲２▼  被散乱物質中にレーザビームを２往復させる４パス型では、高出力レーザから出力された直線偏光のレーザ光は、ポーラライザを通過し被散乱物質に照射され、被散乱物質を透過したレーザ光はファラデーローテータを透過し、一番目の位相共役鏡にて折り返され同じファラデーローテータを通過し被散乱物質を透過する。被散乱物質を透過したレーザ光はポーラライザによって反射され二番目の位相共役鏡にて折り返し反射され、再びポーラライザにて反射された後、被散乱物質、ファラデーローテータを通過し一番目の位相共役鏡にて再度折り返され同じファラデーローテータを通過し被散乱物質を透過する。これによりレーザ光は被散乱物質を合計４回通過し、通常の４倍近い散乱光を発生させることができる。
【００１５】
偏光に着目した場合、例えばＰ偏光を透過させＳ偏光を反射させるポーラライザを用いた場合、レーザ装置から出力されたＰ偏光の光は、ポーラライザを透過し被散乱物質通過する。被散乱物質を通過した光は位相共役鏡で折り返され、ファラデーローテータを１往復することにより偏光はＰ偏光からＳ偏光に変わる。Ｓ偏光の光は被散乱物質を通過しポーラライザで反射され位相共役鏡で折り返され再度ポーラライザで反射され被散乱物質を通過する。被散乱物質を通過した光は再度位相共役鏡で折り返され、ファラデーローテータを１往復することにより偏光はＳ偏光からＰ偏光に変わる。Ｐ偏光に変わった光は被散乱物質を通過し、ポーラライザを透過し最終的にレーザ装置へ戻る。▲１▼同様、レーザ装置に戻ってきた光はレーザ装置内のアイソレータではじき出しビームダンプにて終端消滅させる。なお、この計測手法は散乱物質中に２つの偏光状態が混在するため偏光依存型の散乱計測には適さない。
【００１６】
▲３▼  被散乱物質中にレーザビームを２往復以上させる多パス型では、高出力レーザから出力されたＰ偏光のレーザ光は、ポーラライザ（Ｐ偏光透過、Ｓ偏光反射）を通過し電流を流さない状態で電磁石型ファラデーローテータ（回転角０度）透過後、被散乱物質に照射され、被散乱物質を透過したレーザ光は一番目の位相共役鏡にて折り返されＰ偏光で被散乱物質を透過する。被散乱物質を透過したＰ偏光のレーザ光は電磁石型ファラデーローテータ（回転角９０度）にてＳ偏光に変えられ、ポーラライザによって反射され二番目の位相共役鏡にて折り返し反射され、再びポーラライザにて反射された後、電磁石型ファラデーローテータ（回転角９０度）にてＰ偏光に変えられ、被散乱物質を通過し一番目の位相共役鏡にて再度折り返されＰ偏光で被散乱物質を透過する。これによりレーザ光は電磁石を切るまでレーザ光は一番目と２番目の位相共役鏡間に閉じ込められるため、被散乱物質を多数回通過し、原理的に数倍以上の散乱光を発生させることができる。
【００１７】
なお、電磁石を切りポーラライザに入射する偏光をＰ偏光にした場合レーザビームは入射光路を逆進しレーザ装置に戻る。▲１▼同様、レーザ装置に戻ってきた光はレーザ装置内のアイソレータではじき出しビームダンプにて終端消滅させる。この手法は散乱物質中でＰ偏光を維持するためトムソン散乱などのように偏光依存型の散乱計測に適している。
【００１８】
【実施例】
本発明の実施例を示し詳しく説明する。勿論、本発明は以下の例によって限定されるものではない。図４は２パス型の実施例で、ダブルパストムソン散乱測定の概念図である。本実施例では、位相共役鏡として液体フロン系物質を媒質とする誘導ブリルアン散乱セル（ＳＢＳセル）を用いた。
【００１９】
ＹＡＧレーザ装置で増幅された口径１４ｍｍのレーザ光はアイソレータを通過してビームエキスパンダーで口径約２５ｍｍに拡大され、誘電体ミラーコーティングされた１０枚の全反射鏡で数十ｍ伝搬され、ブリュースター窓、内径５０ｍｍの迷光防止バッフル板つきレーザ配管を通り、臨界プラズマ試験装置ＪＴ−６０で生成された核融合プラズマ中（被散乱物質）に入射される。
【００２０】
なお、比較的長距離伝播を行うため、立ち下がりピットの真空配管の窓の直前に凸レンズ（ｆ１４０００，φ１００）を、折り返しピットの真空配管の窓の直後には凸レンズ（ｆ１７０００，φ１００）を配置し、ケプラー型のビームエキスパンダーを組んでいる。これは、レーザビームに対してイメージリレー光学系としても作用し、レーザ装置でのビーム像をＪＴ−６０の直下に転送している。
【００２１】
プラズマを通過した光は内径５０ｍｍの迷光防止バッフル板つきレーザ配管を通り、ブリュースター窓から出射される。ブリュースター窓から出射された光は、誘電体ミラーコーティングされた全反射鏡にて９０°折り曲げられ、集光レンズ（ｆ３００）によってＳＢＳセルに集光される。ＳＢＳセルで反射された光は往路と同じ経路でプラズマ中を通過し、レーザ装置まで戻る。レーザ装置に戻った光はアイソレータによりはじき出される。この測定系におけるレーザビームの総伝播距離は、図5に示されるように約１５３ｍとなる。
【００２２】
本実施例ではレーザ光がプラズマ中を２回通過するため、従来の２倍近いトムソン散乱光を発生させることが可能である。プラズマ中で発生した散乱光はＪＴ−６０近傍に設置された集光器で集められ、光ファイバーで別室の分光装置まで導かれ計測される。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は、以上詳しく説明したように構成されているので、以下に記載するような効果がある。
【００２４】
（一）良好なビーム伝播特性
位相共役鏡を用いて折り返された光は入射光路と全く同じ光路を逆進するため、入射光の迷光発生量を極めて低く押さえておけば、反射光の迷光発生量も極めて低くなる。初期実験結果からは、ダブルパス散乱時の迷光発生量はシングルパス時の約１．５倍となっており、２倍以上にはならないことを確認した。
【００２５】
一方、ダブルパス散乱計測におけるビーム伝送パターンの初期実験では、レーザ装置から円形で発射されたビームは約７６ｍ前方の位相共役鏡で折り返され、約１５３ｍ先の反射パターンも円形のパターンを保持していることを確認した。測定結果は図５に示すとおりである。
【００２６】
なお実験では、波長１０６４ｎｍ、パルス幅約３０ｎｓ、レーザパルスの繰り返し５０ＨｚのＹＡＧレーザを用いた。
（二）散乱光の増加による散乱計測の精度向上
臨界プラズマ試験装置ＪＴ−６０においてダブルパストムソン散乱計測にを実施した。同じ条件でプラズマを生成し位相共役鏡「▲１▼あり」の場合と「▲２▼なし」の場合についてトムソン散乱計測を行い、電子温度・電子密度を評価すると共に散乱光量の比較を行った。トムソン散乱では、散乱光量はレーザのエネルギーに比例する。ダブルパストムソン散乱では、プラズマ中にレーザ光を２回通すことにより実効的なエネルギーを約２倍にしているので散乱光量も約２倍になるはずである。
【００２７】
測定結果は図６に示すとおりである。図中のグラフ（ａ）はトムソン散乱によるプラズマの電子温度を表している。同じ条件でプラズマを生成しているので、位相共役鏡あり／なし双方で電子温度はほぼ同じである。図中のグラフ（ｂ）はトムソン散乱によるプラズマの電子密度を表している。電子密度は散乱光量に比例するため、位相共役鏡ありの場合の電子密度が位相共役鏡なしの場合よりも増加していることがわかる。図中のグラフ（ｂ）の２つの曲線の比をとったものが図中のグラフ（ｃ）で、これは散乱光の強度比に対応している。この初期実験では、位相共役鏡を用いたダブルパス散乱により散乱光強度比が約１．６倍になっていることが確認できた。これに伴い、グラフ（ｄ）に示すように電子温度と電子密度の相対誤差も減少することを確認した。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のトムソン散乱測定装置を示す概念図である。
【図２】  位相共役鏡の性質を示す図である。
【図３】  位相共役鏡を用いたマルチパス散乱の概念図である。
【図４】  ダブルパストムソン散乱の概念図である。
【図５】  位相共役鏡の反射パターンを示す図である。
【図６】  位相共役鏡を用いたダブルパストムソン散乱測定の初期結果を示す図である。
【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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