(57)【要約】  元素濃度測定の開示される方法及びハンドヘルドアナライザは、レーザーにより発生したパルスによって発生した高温で高度にイオン化されたプラズマのスペクトル分析に基づく。高いパルスエネルギー及び短いパルス持続期間に起因して、中性原子線に加えて高強度の一価及び多価イオン線が励起される。開示されるアナライザのパルスレーザー源は、１００と１０００μＪとの間のパルスエネルギー、０．０１から１．５ｎｓまでのパルス持続期間、０．１から５０ｋＨｚのパルス繰り返し率で１．５〜１．６信号波長での信号光の一連のパルスを出力するように構成され、且つ１から６０μｍに変わるサンプルの表面上のビームスポットを有する。上述のパラメータは、０．０１％までの検出限界によって二価イオン線ＣＩＩＩを採用することによって炭素鋼における炭素濃度、及び０．０１％未満の検出限界によって炭素鋼に一般的に存在する他の元素を測定可能にする高温、高度にイオン化されたプラズマ（プラズマ）を誘起するのに十分な少なくとも２０ＧＷ／ｃｍ２レーザー出力密度を提供する。
2019514010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンドヘルドアナライザを利用することによって元素濃度を測定する方法であって：
パルスレーザーにエネルギーを与え、それによって０．１から５０ｋＨｚまでのパルス繰り返し率で一連のパルスを出力する段階であって、各パルスが、０．０１から１．５ｎｓまでの持続期間及び５０と１０００μＪとの間のパルスエネルギーを有する、段階と；
分析されることになるサンプル上へレーザービームの焦点を合わせ、それによって、所望の波長範囲において特性スペクトルを照射する高温の高度にイオン化されたプラズマを発生させる段階と；
単一パルスによってゾーン内の各位置でプラズマを発生させるようにサンプルのゾーンにわたって集束レーザービームをスキャンして、それによってサンプル上でレーザービームの焦点を連続的に合わせる段階と；
分光計においてプラズマ放射を集めて、それによって信号出力を生成する段階と；
信号出力を処理して、それによって、サンプルにおいて存在する元素の濃度を測定する段階と、
を含む、方法。
【請求項２】
前記集束レーザービームが、実質的に回折限界であり、１．５〜１．６ｎｍ波長範囲において放出され、且つ５から６０μｍ範囲においてサンプルの表面上でビームスポットを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの分光計が、１７０と８００ｎｍとの間の所望の波長範囲及び１から２００ピコメートル範囲における分解能を有する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
炭素鋼における炭素濃度が、約０．０１％の検出限界によって二価イオン線ＣＩＩＩを採用することによって測定されつつ、前記炭素鋼に典型的に存在する他の元素の濃度が、０．０１％未満の検出限界によって測定され、他の元素が、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｕ及びＡｌを含み、請求項１から３の何れか一項に記載の方法が、鋼種を決定する段階をさらに含む、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
元素濃度の測定の結果を表示することをさらに含む、請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
スキャニングの間に集束レーザービームの焦点を自動で合わせることをさらに含む、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
元素濃度測定のハンドヘルドアナライザであって、
０．１から５０ｋＨｚまでのパルス繰り返し率で信号波長での信号光の一連のパルスを出力するように構成されるパルスレーザー源であって、光信号のパルスが各々、０．０１から１．５ｎｓまでの持続期間及び５０と１０００μＪとの間のパルスエネルギーを有する、パルスレーザー源と；
特性スペクトルを照射する高温の高度にイオン化されたプラズマ（プラズマ）をレーザーが誘起するようにサンプルで焦点へ信号光のパルスの焦点を合わせるための伝搬経路に沿って制御可能に移動可能であり且つ各パルスによって作用される集束レンズ（又はレンズ組み合わせ）であって、前記焦点が５から６０μｍ範囲において変わる、集束レンズ（又はレンズ組み合わせ）と；
単一パルスによって各照射表面位置でプラズマを発生させるようにサンプルの表面にわたって集束ビームを掃引するように構成されたスキャナと；
プラズマから光を受け取り、スペクトルを表現する情報を生成し、且つ信号出力を発生させるように構成された少なくとも１つの分光計と；
信号出力を処理して、それによって、サンプルにおいて存在する元素の濃度を測定するためのプロセッサと、
を含む、ハンドヘルドアナライザ。
【請求項８】
前記レーザー源が、
受動Ｑスイッチレーザーであって：
基本波長でポンプ光を出力し、且つ、前記基本波長で高度に反射性の入力鏡が設けられる、イッテルビウム（Ｙｂ）ドープ固体状態利得媒質と；
前記基本波長で高度に反射性であり、且つ、前記入力鏡によって基本光に関するレーザーキャビティを画定する出力カプラと；
前記ポンプ光の前記パルスを発生させるように構成され、且つ、前記入力鏡と出力カプラとの間の前記レーザーキャビティにおいて位置する可飽和吸収体と、を含む、受動Ｑスイッチレーザーと；
前記可飽和吸収体の隣に位置し、且つ、前記基本波長で透明な第２の鏡と前記出力カプラとの間で画定される共振器によって構成される光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）であって、ＯＰＯが、前記基本波長よりも長い前記信号波長での前記信号光へ前記基本光を周波数変換するために前記共振器内に配された非線形結晶を有し、前記第２の鏡が、前記信号波長で高度に反射性であり、一方で前記出力カプラが、前記信号波長で部分的に透明である、ＯＰＯと、
を含む、請求項７に記載のハンドヘルドアナライザ。
【請求項９】
９４０と９５０ｎｍとの間の範囲であるサブポンプ波長でＹｂドープ固体状態利得媒質を励起するポンプ源をさらに含み、前記Ｙｂドープ固体状態媒質が、１０２０〜１０５０ｎｍ範囲における前記基本波長で動作するＹｂ：ＹＡＧ結晶を含み、光吸収体がＣｒ：ＹＡＧ結晶であり、前記非線形結晶が、１５００〜１６００ｎｍ間の範囲である前記信号波長を発生させる非臨界整合（ｎｏｎ−ｃｒｉｔｉｃａｌｌｙ  ｍａｔｃｈｅｄ）ＫＴＰ、ＫＴＡ、ＲＴＰ又はＲＴＡである、請求項７及び８に記載のハンドヘルドアナライザ。
【請求項１０】
可飽和吸収体が、ブリーチされるときに基本波長を偏光するための１１０°カットを有するＣｒ：ＹＡＧ結晶である、請求項７から９の何れか一項に記載のハンドヘルドアナライザ。
【請求項１１】
光学部品を含むビーム拡大器チューブと、
軸周りに回転可能なシャフトを有する前記ビーム拡大器チューブに取り付けられた少なくとも１つの電気モーターと、
前記軸に対して前記モーターの角変位を引き起こすための前記シャフトに取り付けられた不安定な（偏心）重量と、
レーザーシャーシに固定された静止マウントと、
前記静止マウントと前記ビーム拡大器チューブとの間に位置する弾性カプラと、を含む、ビーム拡大器出力で拡大される前記信号光によって作用されるビーム拡大器−スキャナユニットをさらに含み、
前記ビーム拡大器チューブが、前記電気モーターの入力電圧値に従うビーム方向変化において得られるレーザー出力ビーム軸に関するその角度位置を変化する、請求項７から９の何れか一項に記載のハンドヘルドアナライザ。
【請求項１２】
スキャニングのパターンが、前記モーターに印加された電圧及び前記電圧印加の時間の関数である、請求項７から１１の何れか一項に記載のハンドヘルドアナライザ。
【請求項１３】
前記パターンが、前記表面上に焦点の均一な分布を提供する、請求項７から１２の何れか一項に記載のハンドヘルドアナライザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の背景
１．開示の分野
本発明は、レーザー誘起破壊分光法に関する。より具体的には、本発明は、ハンドヘルドデバイスによる高温の高度にイオン化されたプラズマのレーザー誘起破壊分光法に基づいた元素濃度測定の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２．従来技術
化学元素組成のハンドヘルドアナライザは、非常に人気のあるツールである。なぜなら、それらは、現場の明確な材料の定量分析を提供することができるからである。現在、最も商用的に利用可能なハンドヘルドデバイスにおいて用いられる２つの代替技術が存在する：蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）及びレーザー破壊分光法（ＬＩＢＳ）。
【０００３】
ＸＲＦ法は、ｋｅＶのＸ線放射によって励起されるＸ線領域における特徴的な蛍光スペクトルの検出に基づく。ＸＲＦ技術は、より高いレベルの成熟度を有し且つより一般的に用いられるにも関わらず、２つの主要な欠点を有する：それは、１２以下のｚを有する元素を検出できず、且つそれは有害な電離放射線を用いる。
【０００４】
ＬＩＢＳ法は、ＵＶ、可視及び近ＩＲスペクトル領域において特徴的な原子及びイオンスペクトルを照射するプラズマプルームを製造するサンプル表面内に集束された高エネルギーレーザーパルスを利用する。これらのスペクトルは、測定され、分析されて、サンプルの元素組成上の定量的情報を提供する。ＬＩＢＳ法は、水素（Ｈ）からウラン（Ｕ）までの元素の濃度を測定するために用いられ得る。大部分の元素の濃度は、低検出限界（１０  ｐｐｍまで）によって決定され得る。
【０００５】
しかしながら、鉄（Ｆｅ）合金内部で測定することが困難である、炭素（Ｃ）等の元素が存在する。なぜなら、Ｃ輝線は、Ｆｅマトリクス及び非炭素不純物関連の信号によってマスクされるからである。現在、世界で製造されるＦｅ合金の大部分は、炭素鋼であり、炭素濃度は材料特性に関して決定的なパラメータである。そのため、０．０５％より良い検出限界を有するＣ濃度測定は、多数の工業用途に関して非常に重要である。鋼におけるＣ濃度を測定できるハンドヘルドアナライザに関する大きな需要が存在する。ＸＲＦ及びＬＩＢＳの両方に基づいた商用的に利用可能なハンドヘルドアナライザはいずれも、Ｃを検出できない、又は、Ｆｅ合金に関するかなり高い検出限界を示すので、それらはその課題のために用いることができない。
【０００６】
従来のＬＩＢＳアプローチは、プラズマ発生のために１０ｓ  ｍＪエネルギー、１〜１０ナノ秒（ｎｓ）パルスを採用する。しかしながら、このアプローチは、特定の欠点を有する。まず、ｍＪレベルのレーザーは通常、１〜２０Ｈｚの低い繰り返し率を有する。このような低い繰り返し率は、測定当たりの平均化の数を制限し、次に、信号対ノイズ比の改善を制限する。他の１つの欠点は、ｍＪパルスが、かなり大きな容積においてプラズマを発生させることであり、いくつかの輝線（特にイオン線）の再吸収及びこれらの線の検出される強度の大幅な減少に関連付けられる。
【０００７】
従来のＬＩＢＳのさらに他の１つの欠点は、プラズマ発生のレジームが、元素輝線をマスクする電子連続体からの強力な信号が付随するという事実に由来する。マスキング問題を解決するために、連続体寄与の減少を助けるストロボ又はゲート検出を用いる必要がある。残念ながら、ストロボ又はゲート検出はまた、検出される放出光の利用可能な量減少させる。
【０００８】
検出感度は、パルスエネルギーの増加及びパルス形状操作によって（例えば、二重パルス励起を有することによって）改善され得る。炭素の１ｐｐｍ検出限界は、１００ｍＪ二重パルスレーザーによって実証されてきたが、その全体的な寸法は、ハンドヘルドデバイスに関するすべての妥当なサイズをはるかに超える。
【０００９】
ハンドヘルドアナライザにおいて今日までに実現される最大のパルスエネルギーは、１０〜５０Ｈｚ繰り返し率及び１ｎｓのパルス持続期間を有する６ｍＪである（ＳｃｉＡｐｓ，ＩｎｃによるＬＩＢＳハンドヘルドアナライザのＺ線）。Ｚ−５００アナライザが、ＤＵＶ  １９３又は１７５ｎｍ  ＣＩ原子線の分析によってＣ濃度を測定できることが報告された。２００ｎｍ未満の波長での空気による強力なＤＵＶ光吸収のために、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスが用いられた。
【００１０】
いくつかの商用的なハンドヘルドＬＩＢＳ元素アナライザにおいて用いられる他の１つのアプローチは、１〜５ｋＨｚ繰り返し率で発せられる１〜２ナノ秒パルスを用いること及び１０から３０μＪエネルギーを送達することを含む。その場合では非常に強い集束が用いられる。これらのパラメータは通常、いくつかのイオン輝線をスペクトルに存在しなくする、より低温のプラズマにつながる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
材料における元素濃度を確実に測定するための能力に加えて、ＬｉＢＳに基づいたハンドヘルドアナライザはまた、以下の特徴を有するべきであった：それらは、片手で操作するのに十分に軽量且つコンパクトであるべきである；用いられるレーザー放射は、目に安全な波長範囲内であることが好ましい；レーザーは、クラスＩであるべきである；アナライザは、低メンテナンス且つ使用が容易であるべきであり、パージングガスを用いないことが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
レーザーパルスによって発生した高温の高度にイオン化されたプラズマのスペクトル分析に基づく元素濃度測定の開示される方法及びハンドヘルドアナライザは、既知の方法及びデバイスの欠点を克服する。開示されるハンドヘルドアナライザは、中性原子線に加えて高強度の一価及び多価イオン線を励起するように構成されたパルスレーザー源を含む。アナライザは具体的には、検出の限界を大幅に減少させ且つ元素濃度測定の正確さの高い度合いを提供する高い信号対ノイズ比を可能にするシステムパラメータの群によって構成される。開示されるハンドヘルドアナライザの使用は、プラスチック、誘電体及び透明サンプルを含む固体状態材料における水素（Ｈ）からウラン（Ｕ）までの元素の定量分析を提供することを可能にする。ハンドヘルドアナライザの最も魅力的な特徴の内の１つは、炭素鋼の現場の濃度分析及び０．０１％まで及び未満さえの鋼種決定を提供するその構造である。
【００１３】
本開示の一態様によると、ハンドヘルドアナライザは、１．５〜１．６ｎｍ範囲において変わる信号光波長でのガウス（ＴＥＭｏｏ）強度プロファイルを有するレーザービームを発する高エネルギーパルスレーザー源を含む。パルスによって送達されるエネルギーは、分析されることになる材料の表面上でプラズマを発生させるのに十分高い。開示されるアナライザは、材料の所望のゾーンにわたってレーザービームを掃引するスキャナ、少なくとも１つの分光計、及び検出されたデータを処理するためのシステムをさらに含む。
【００１４】
第１の態様の開示されるハンドヘルドアナライザの他の１つの態様は、一価及び多価イオン線の増加した検出強度へつながるプラズマを発生させるシステムパラメータの最適化に関する。本システムパラメータは、パルスエネルギー、パルス持続期間、集束ウエスト直径、集束位置スキャニングレジーム、レーザーパルス繰り返し率及び分光計分解能を含む。ハンドヘルドアナライザの最適化された構造は、検出の限界を大幅に減少させ、且つ、ハンドヘルドデバイスによる元素濃度測定の正確さを改善する。
【００１５】
この態様によると、パルスレーザー源は、０．１〜５０ｋＨｚの繰り返し率で０．０１〜１．５ｎｓ波長範囲においてパルスを出力するように構成される。パルスは各々、５０と１０００μＪとの間で変わるパルスエネルギーによって特徴付けられる。集束レーザービームは、処理されることになる材料の照射表面上で１から６０μｍの範囲であるビームウエスト直径を有する。
【００１６】
本開示のさらなる態様では、任意の上記で開示された態様のレーザー源のパルスエネルギーは高く、強い信号対ノイズ比は、複雑なゲートシステムのための必要性を除外するようになる。ハンドヘルドアナライザの分光計は、１７０〜８００ｎｍスペクトル範囲において１から２００ピコメートル（ｐｍ）分解能範囲を維持するように作動する。
【００１７】
任意の上記で議論された態様のハンドヘルドアナライザは、２〜５ｋＨｚの繰り返し率で０．３〜０．４ｎｓパルス及び１００μＪのパルスエネルギーを出力するように構成されるときプラズマ発生を最適化することにおいて特に有用であった。そのように構成されたアナライザは、サンプル表面上の５０μｍウエスト直径を有するガウスビームを出力し、２００〜４００ｎｍの範囲における０．１ｎｍのスペクトル分解能を有する。２００〜４００ｎｍスペクトル範囲は、炭素鋼において一般的に存在する元素の非ゲート検出に関して特に適切である。
【００１８】
本開示のさらなる態様では、任意の上記で開示された態様のハンドヘルドアナライザは、サンプルの所望のゾーンを照射しつつビームが一度だけゾーン内の同じ位置上に入射するように、レーザービームを操作するスキャナによって構成される。言い換えると、パルスは決してサンプルの表面上で重複しない。
【００１９】
任意の上記で開示された態様のスキャナは、その上に取り付けられた偏心器を備えるシャフトを各々が有する多数の電気モーターによって構成される。モーターは、テレスコープ等のビーム拡大器へ結合されて、サンプル上で２回の同じ場所での照射を防止するやり方でテレスコープの出力レンズへ揺れる動作を適用する。
【００２０】
さらなる態様では、任意の上記で開示された態様のハンドヘルドアナライザは、０．０１％まで及び未満の検出限界によって二価イオン線ＣＩＩＩ  ２２９．６８７を採用することによって測定される炭素鋼における炭素濃度を検出するように作動する。
【００２１】
本開示はまた、上記で議論された態様の各々及び任意の可能なそれらの組み合わせにおいて開示されるハンドヘルドアナライザによって元素濃度を測定するための方法に関する。
【００２２】
開示は、以下の図面によって付随する特定の説明において詳細に以下でさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】開示されるハンドヘルド元素アナライザの写真である。
【図２】図１のハンドヘルド元素アナライザのブロック図である。
【図３】部分的に除去された筐体による図１のハンドヘルドアナライザの写真である。
【図４】図１のハンドヘルドアナライザのレーザー源の光学模式図である。
【図５】図１のハンドヘルド元素アナライザのスキャナユニットの写真である。
【図６】図４のスキャナの実施形態の内の１つの線図である。
【図７】Ｆｅマトリクスバックグラウンド減算後の、０．４５％のＣを有する炭素鋼サンプルの発光スペクトルである。
【図８】４つの炭素鋼認証標準サンプルに関するＣＩＩＩ  ２２９．６８７ｎｍ線強度対炭素濃度（Ｆｅ質量に対するＣの比率）である。
【図９】開示されるハンドヘルド元素アナライザによって発せられるパルスの、コンピュータで生成されたイメージである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
ここで本開示を詳細に参照する。可能な限り、同じ又は同様の部品又はステップを参照するために、図面および説明において同じ又は同様の参照番号が使用される。図面は簡略化された形態であり、正確な縮尺ではない。コンピュータで生成されたイメージである。「結合する」との用語及び同様の用語は、必ずしも直接的且つ直近の接続を意味するのではなく、中間の要素又はデバイスを介した接続も含む。
【００２５】
概念的に、元素検出の感度を増加するために、プラズマ発生のレジームは、図１〜６の開示されるアナライザによって最適化される。最適化されたプラズマは、一価及び多価イオン線の検出された強度を増加する。
【００２６】
特に図１を参照すると、開示されたアナライザ１０は、以下で開示されるように、多数の構成要素を包み込む筐体１２においてパッケージ化され、約２キログラムの重量である。アナライザ１０は、１．５〜１．６μｍの目に安全な波長範囲において動作する１Ｍクラスレーザー源によって構成される。
【００２７】
図２及び３は、以下のやり方において動作する、アナライザ１０のブロック図及び部分的に開いたアナライザ１０を示す。特に図２に戻ると、プロセス制御ブロック（ＰＣＢ）１６は、バッテリー１８によってエネルギーが与えられ、ビデオカメラ２０、スキャナユニット２２、光源２４、サーモスタットＰＣＢ２６、レーザーポンプダイオードＰＣＢ２８、レーザートリガーボタン１４及びマイクロプロセッサ３２と直接の電気通信をしている。
【００２８】
一旦アナライザ１０が動作の準備ができると、アナライザ１０の末端部３４（図３）０が、分析されることになるサンプルの表面３６と表面−表面接触させられる（図２）。その後、ユーザーは、トリガーボタン１４を押して、９３０〜９５０ｎｍ内の波長で多重モードサブポンプ光を発する図２の１つ又は複数のレーザーポンプダイオード３８にエネルギーを与える。サブポンプ光は、１０５０〜１０６０ｎｍの間の範囲の波長で実質的に単一モードにおけるパルス放射−信号光−を出力するパルスレーザー４０に結合される。信号光は、ビーム拡大器又はテレスコープ４２を通して、及びその後、サンプルの表面３６上に信号光の焦点を合わせるように構成された集束レンズ系４４を通してさらに導かれる。
【００２９】
表面３６上の所望のビームスポットは、ＵＳＢハブ４８を介してマイクロプロセッサ３２から信号を受け取る、圧電アクチュエータによって集束系４４を移動させることによって実現される。集束系４４は、表面３６へ向かう及びそこから離れる信号光の伝搬の方向に沿って導かれる。
【００３０】
ビーム集束の間に、スキャナユニット２２は、信号光の角変位をもたらす動作をテレスコープ４２に提供するように作動される。信号光が表面３６上のゾーンを掃引するとき、自動集束システムは、信号光の角度位置に関わらず、それがゾーン内で所望のビームスポットを有するように動作する。
【００３１】
表面の照射の間、信号光によって掃引されたゾーンは、典型的には単一又は多数の発光ダイオード（ＬＥＤ）として構成される、光源２４によって照らされる。プロセス全体は、ビデオカメラ２０によって検査される。
【００３２】
発生した高温の高度にイオン化されたプラズマの放射は、集められたプラズマを１以上のファイバー導波路５４内に結合する光収取システム５０によって集められる（図３）。後者は、既知の方法で、送達された放射を分析する１以上の分光計５２へ、集められたプラズマ光を導く。分光分析の結果は、さらに定量化され、且つ定量化される。
【００３３】
システムパラメータの最適化は、高温プラズマにつながり、炭素鋼における炭素濃度が、既知のポータブルアナライザによって見ることができないと考えられる０．０１％までの検出限界を有して、図７に示されるように、二価イオン線ＣＩＩＩ  ２２９．６８７を採用することによって測定され得るようになる。図８は、４つの炭素鋼認証標準サンプルにおいて測定される炭素濃度上のＣＩＩＩ  ２２９．６８７ｎｍ線強度の依存性を示す。線形フィットもまた示される。線形フィットの決定係数Ｒ２は、０．９９９に等しい。
【００３４】
特に、臨界プラズマを発生させることが可能なアナライザ１０は、２〜５ｋＨｚのパルス繰り返し率で一連のパルスを出力するように構成される。各パルスは、幅０．３〜０．４ｎｍパルス幅及び１００μＪのパルスエネルギーによって出力され、サンプル表面上に５０μｍガウスビームウエスト直径を形成する。発生したプラズマによって、アナライザは、２００〜４００ｎｍ波長における０．１ｎｍのスペクトル分解能を、運命づけられていない検出に提供するように作動する。アナライザ１０の所望の操作に必要不可欠なのは、すべてのパルスによる新鮮なスポットからのプラズマ発生を可能にするビームスキャニングレジームである。
【００３５】
サブナノ秒パルス持続期間、１００μＪパルスエネルギー及び強い集束の組み合わせは、表面上の〜２０ＧＷ／ｃｍ２レーザー出力密度につながる。加えて、より長いパルスと比較して、最適化されたパルス持続期間は、励起されたゾーンからのより低い熱放散を提供するので、より高い温度のプラズマにつながる。これらの条件下で発生したプラズマは、強いイオン線及び抑制された電子連続体を有するので、ゲート検出は必要とされない。１００μＪパルスエネルギー、非ゲート検出及び高いパルス繰り返し率は、１秒の測定時間の下で検出器上に十分に高い総光子束を提供する。単一パルス単一パルスによるプラズマの発生及び上記で開示されるビームスキャニングレジームは、信号光の焦点が常にサンプル上に合わせられることを可能にする。用いられる０．１ｎｍのスペクトル分解能は、大部分の元素に関する線分離のために十分に優れていた。特に、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｕ，Ａｌを含む、炭素鋼に一般的に存在する他の元素の濃度の測定は、０．０１％未満のこれらの元素に関する検出限界によって行われ得る。２００〜４００ｎｍの波長範囲は、炭素鋼において一般的である元素に関して適しており、一方で、１７０から約８００ｎｍの、より大きい波長範囲は、ＨからＵまでのすべての元素の、より多目的な分析のために要求される。発明のアナライザが用いられるとき、パージングガスは必要とされない。
【００３６】
ＣＩＩＩ  ２２９．６８７ｎｍ線強度を検出するためのアナライザ１０の能力は、とりわけ、レーザー４０及び、スキャナ２２とテレスコープ４２との組み合わせによる成果である。これらの構成要素は、より詳細に本明細書で以下に議論される。
【００３７】
レーザー４０の光学模式図を示す図２及び４を参照すると、後者は、ファイバーサポート５６を有するピグテールポンプレーザーダイオード３８を含む。９４０ｎｍ波長でのポンプ光は、利得媒質６２上に入射するポンプ光に対して透明である入力反射素子６０及び２レンズコンデンサー５８を通って伝搬するようにファイバーから放出される。利得媒質６２は、１０２０〜１０４０ｎｍポンプ波長範囲においてポンプ光を発生させるＹｂ：ＹＡＧ結晶を含む。入力反射鏡６０は、入力鏡６０と出力鏡６４との間に画定されるポンプレーザーキャビティを有するポンプレーザーの高反射率鏡を画定する。
【００３８】
サブナノ秒パルスの形成は、パルスレーザー分野における当業者に良く知られた方法においてレーザーをモード同期するように構成された１つまたは多数の光吸収体（ＯＡ）をポンプレーザーキャビティにおいて配することによって実現される。好ましくは、ＯＡ６６は、Ｃｒ：ＹＡＧ結晶として構成される。
【００３９】
ポンプ光は、偏光されないので、偏光を得るように処理されるべきである。偏光光を得る１つの可能性は、既知の方法でＣｒ：ＹＡＧ結晶を切ることである。他の可能性は、別個の偏光子構成要素６８を用いることである。１０３０ｎｍ波長での偏光されたポンプ光は、中間の鏡７２において偏光ポンプ光の焦点を合わせる正の収束レンズ７０上に入射する。
【００４０】
中間の鏡７２及び出力カプラ６４は、非線形結晶７４を有する光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）の共振器を画定する。１０３０ｎｍでポンプ光によって励起されるとき非線形結晶７４は、この模式図では、１５００〜１６００ｎｍ間で変わる信号光波長で信号光のパルスを出力するように構成される。結晶７４は、ＫＴＰ、ＫＴＡ、ＲＴＰ又はＲＴＡ結晶から選択され得、且つ非臨界同期（ｎｏｎ−ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ）のために切られ得る。
【００４１】
共振器に戻ると、中間の鏡７２は、１５００〜１６００ポンプ波長で１００％反射性であり、且つポンプ波長で完全に透明である。信号光は、１．５〜１．６μｍ波長で部分的に透明であり（０．２〜０．３％反射率）且つ１０３０ｎｍポンプ波長で１００％反射性である出力カプラ６４を通って共振器から取り出される（ｏｕｔｃｏｕｐｌｅｄ）。光信号パルスは、図９に示される。
【００４２】
Ｙｂ：ＹＡＧ結晶は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶に対して特定の利点を有する。例えば、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶と比較して、より低いヒットを発生させる。Ｎｄ：ＹＡＧに対するＹｂ：ＹＡＧの他の１つの利点は、この開示の範疇内で必要不可欠なその高い出力密度である。
【００４３】
図５及び６を参照すると、テレスコープと組み合わされたスキャナユニット２２は、信号光ビームを拡大するように構成され、それは、その後しっかりと焦点を合わせられ得、信号光のパルスを、分析されることになるサンプルの表面上の重複から防止するように時間の経過共にこのビームを制御可能に偏向させるようになる。この利点の特徴は、１つ又は多数の電気モーター７６の偏心動作が、テレスコープユニット４２のレンズ７８へ移される構造によって実現される。結果として、アナライザ１０の末端部がサンプルに対してしっかりと押し付けられる一方で、レンズ７８は、角度をもって移動されるので、サンプルの表面上の特定のゾーンを横切って信号光を導く。信号光の各パルスは、同じ場所に決して２回照射することなく、ゾーン内にプラズマを生成する。
【００４４】
具体的に図６に戻ると、スキャナは、デバイスのフレーム９０に堅く取り付けられたサポート８４をさらに含む。レンズ７８を含むビーム拡大光学系を収納する、テレスコープユニットの円筒スリーブ８４は、弾性リング８８によってサポート８６に取り付けられる。後者は、環境要因に関わらずその特徴及び形状を保つ、シリコン等の材料から作製される。スリーブ８４は、カンチレバー８２によって電気モーター７６に固定される。
【００４５】
スリーブ８４、カンチレバー８３及びモーター７６を含む上記で開示される運動学的スキームは、それに印加される力に応答してその初期位置から特定の角度でサポート８６に対して弾性的に移動することが可能である。力が止められると、スリーブ８４は、弾性リング８８によって発生する弾性力に応じて初期位置へ戻る。レーザー４０は、フレーム９０へ変位可能に固定されるので、レーザービームは、サポート８６に対して動かない。
【００４６】
スリーブ８４は、その初期位置における、つまりスキャニングが存在しない場合、信号光の方向は、テレスコープのすべての光学部品の光軸と一致し、一方で、レーザービームは同じ位置のままである。一旦スリーブ８４が特定の角度で移動すると、レーザーから表面までの距離及びビームの入射の角度の両方は変化し、その初期位置からのレーザービームの偏向につながる。
【００４７】
スリーブ８４を移動させる力は、偏心電気モーター７６の回転の間に現れる慣性力以外の何ものでもない。この力は、スリーブ８４へカンチレバー８２を通してモーターのシャフトから移される。一定電圧が電気モーター７６へ印加されるので、慣性力も一定であり、スリーブ８４は、一定角度で偏向させる。これらの条件下では、レーザービームは、印加電圧によって画定される一定の直径の円の周りを動く。
【００４８】
印加電圧の振幅が、特定の基準に従って時間と共に変わることが始まるので、レーザービームの偏向の大きさはまた時間と共に変化する。結果として、基準に依存して、レーザービームの移動は、サンプルの表面上で形成される円形ゾーン内で、らせん状、階段状及び他のもの等の、異なる軌道を有し得る。
【００４９】
信号光の放出パルスの繰り返し率に応じて電圧を制御可能に変化させると、所望の直径を有する領域にわたってサンプルの表面上でレーザービームの均一な分布を得ることが可能である。
【００５０】
添付の図面を参照して、開示されるアナライザ及び方法を説明してきたが、開示される構造は、図面に示されるそれらの正確な実装に限定されないこと、及び、様々な変化、変形及び適合が、添付の特許請求の範囲において定義されるような本発明の範疇又は精神から逸脱することなく当業者によってその中で達成され得ることが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
2019514010.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年12月12日(2018.12.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンドヘルドアナライザを利用することによって元素濃度を測定する方法であって：
パルスレーザーにエネルギーを与え、それによって０．１から５０ｋＨｚまでのパルス繰り返し率で一連のパルスを出力する段階であって、各パルスが、０．０１から１．５ｎｓまでの持続期間及び５０と１０００μＪとの間のパルスエネルギーを有する、段階と；
不活性ガスの存在無しで分析されることになるサンプル上へレーザービームの焦点を合わせ、それによって、所望の波長範囲において特性スペクトルを照射する高温の高度にイオン化されたプラズマを発生させる段階と；
単一パルスによってゾーン内の各位置でプラズマを発生させるようにサンプルのゾーンにわたって集束レーザービームをスキャンして、それによってサンプル上でレーザービームの焦点を連続的に合わせる段階と；
分光計においてプラズマ放射を集めて、それによって信号出力を生成する段階と；
信号出力を処理して、それによって、サンプルにおいて存在する炭素を含む、元素の濃度を測定する段階であって、炭素濃度が、２２９．６８７ｎｍ波長を含む波長範囲における二価炭素イオンスペクトル線を用いることによって、発生したプラズマにおいて測定される、段階と、
を含む、方法。
【請求項２】
前記集束レーザービームが、実質的に回折限界であり、１．５〜１．６μｍ波長範囲において放出され、且つ５から６０μｍ範囲においてサンプルの表面上でビームスポットを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの分光計が、１７０と８００ｎｍとの間の波長範囲において１から２００ピコメートル範囲における分解能を有する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記サンプルにおいて存在する前記元素が炭素鋼を含み、炭素鋼における炭素濃度が、約０．０１％の検出限界によって測定されつつ、前記炭素鋼に典型的に存在する他の元素の濃度が、０．０１％未満の検出限界によって測定され、他の元素が、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｕ及びＡｌを含み、本方法が、鋼種を決定する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
元素濃度の測定の結果を表示することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
スキャニングの間に集束レーザービームの焦点を自動で合わせることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
パージングガスの使用無しの元素濃度測定のハンドヘルドアナライザであって、
０．１から５０ｋＨｚまでのパルス繰り返し率で信号波長での信号光の一連のパルスを出力するように構成されるパルスレーザー源であって、光信号のパルスが各々、０．０１から１．５ｎｓまでの持続期間及び５０と１０００μＪとの間のパルスエネルギーを有する、パルスレーザー源と；
特性スペクトルを照射する高温の高度にイオン化されたプラズマをレーザーが誘起するようにサンプルで焦点へ信号光のパルスの焦点を合わせるための伝搬経路に沿って制御可能に移動可能であり且つ各パルスによって作用される集束レンズ又はレンズ組み合わせであって、前記焦点が５から６０μｍ範囲において変わる、集束レンズ又はレンズ組み合わせと；
単一パルスによって各照射表面位置でプラズマを発生させるようにサンプルの表面にわたって集束ビームを掃引するように構成されたスキャナと；
プラズマから光を受け取り、スペクトルを表現する情報を生成し、且つ信号出力を発生させるように構成された少なくとも１つの分光計と；
信号出力を処理して、それによって、サンプルにおいて存在する炭素を含む元素の濃度を測定するためのプロセッサであって、前記炭素濃度が、２２９．６８７ｎｍ波長範囲を含む波長範囲における二価炭素イオン線を用いることによって、発生したプラズマにおいて測定される、プロセッサと、
を含む、ハンドヘルドアナライザ。
【請求項８】
前記レーザー源が、
受動Ｑスイッチレーザーであって：
基本波長でポンプ光を出力し、且つ、前記基本波長で高度に反射性の入力鏡が設けられる、イッテルビウム（Ｙｂ）ドープ固体状態利得媒質と；
前記基本波長で高度に反射性であり、且つ、前記入力鏡によって基本光に関するレーザーキャビティを画定する出力カプラと；
前記ポンプ光の前記パルスを発生させるように構成され、且つ、前記入力鏡と出力カプラとの間の前記レーザーキャビティにおいて位置する可飽和吸収体と、を含む、受動Ｑスイッチレーザーと；
前記可飽和吸収体の隣に位置し、且つ、前記基本波長で透明な第２の鏡と前記出力カプラとの間で画定される共振器によって構成される光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）であって、ＯＰＯが、前記基本波長よりも長い前記信号波長での前記信号光へ前記基本光を周波数変換するために前記共振器内に配された非線形結晶を有し、前記第２の鏡が、前記信号波長で高度に反射性であり、一方で前記出力カプラが、前記信号波長で部分的に透明である、ＯＰＯと、
を含む、請求項７に記載のハンドヘルドアナライザ。
【請求項９】
９３０と９５０ｎｍとの間の範囲であるサブポンプ波長でＹｂドープ固体状態利得媒質を励起するポンプ源をさらに含み、前記Ｙｂドープ固体状態媒質が、１０２０〜１０４０ｎｍ範囲における前記基本波長で動作するＹｂ：ＹＡＧ結晶を含み、光吸収体がＣｒ：ＹＡＧ結晶であり、前記非線形結晶が、１５００〜１６００ｎｍ間の範囲である前記信号波長を発生させる非臨界整合（ｎｏｎ−ｃｒｉｔｉｃａｌｌｙ  ｍａｔｃｈｅｄ）ＫＴＰ、ＫＴＡ、ＲＴＰ又はＲＴＡである、請求項７又は８に記載のハンドヘルドアナライザ。
【請求項１０】
可飽和吸収体が、ブリーチされるときに基本波長を偏光するための１１０°カットを有するＣｒ：ＹＡＧ結晶である、請求項７に記載のハンドヘルドアナライザ。
【請求項１１】
光学部品を含むビーム拡大器チューブと、
軸周りに回転可能なシャフトを有する前記ビーム拡大器チューブに取り付けられた少なくとも１つの電気モーターと、
前記軸に対して前記モーターの角変位を引き起こすための前記シャフトに取り付けられた不安定な（偏心）重量と、
レーザーシャーシに固定された静止マウントと、
前記静止マウントと前記ビーム拡大器チューブとの間に位置する弾性カプラと、を含む、ビーム拡大器出力で拡大される前記信号光によって作用されるビーム拡大器−スキャナユニットをさらに含み、
前記ビーム拡大器チューブが、前記電気モーターの入力電圧値に従うビーム方向変化において得られるレーザー出力ビーム軸に関するその角度位置を変化する、請求項７に記載のハンドヘルドアナライザ。
【請求項１２】
スキャニングのパターンが、前記モーターに印加された電圧及び前記電圧印加の時間の関数である、請求項１１に記載のハンドヘルドアナライザ。
【請求項１３】
前記パターンが、前記表面上に焦点の均一な分布を提供する、請求項１２に記載のハンドヘルドアナライザ。
【国際調査報告】
2019514010.tif 000012