(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料中における衝撃波の伝搬速度を測定する装置であって、
瞬時周波数が時間的に変化するチャープパルス光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、前記第１分岐光をミラーへ出力し、前記第２分岐光を前記試料へ出力し、前記ミラーで反射された前記第１分岐光と前記試料中の前記衝撃波で反射された前記第２分岐光とを合波して当該合波光を出力する干渉光学系と、
前記合波光を分光して前記合波光の周波数干渉縞を求める分光器と、
を備え、
前記周波数干渉縞に基づいて前記衝撃波の伝搬速度を求める、
速度測定装置。
【請求項２】
パルス光を伸長する伸長部と、その伸長されたパルス光を圧縮する圧縮部とを含み、その圧縮されたパルス光を前記試料に照射して前記衝撃波を発生させる衝撃波発生用光源を更に備え、
前記伸長部により伸長されて出力されたパルス光の一部を分岐して前記チャープパルス光として用いる、
請求項１に記載の速度測定装置。
【請求項３】
前記周波数干渉縞に基づいて前記試料の界面への前記衝撃波の到達時刻を求め、
前記衝撃波の到達時刻および発生時刻に基づいて前記衝撃波の伝搬時間を求め、
前記衝撃波の伝搬時間および伝搬距離に基づいて前記衝撃波の伝搬速度を求める、
請求項１または２に記載の速度測定装置。
【請求項４】
前記周波数干渉縞に基づいて前記試料中の前記衝撃波の伝搬時間を求め、
前記衝撃波の伝搬時間および伝搬距離に基づいて前記衝撃波の伝搬速度を求める、
請求項１または２に記載の速度測定装置。
【請求項５】
前記周波数干渉縞の周期に基づいて前記衝撃波の伝搬速度を求める、
請求項１または２に記載の速度測定装置。
【請求項６】
試料中における衝撃波の伝搬速度を測定する方法であって、
干渉光学系を用いて、瞬時周波数が時間的に変化するチャープパルス光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、前記第１分岐光をミラーへ出力し、前記第２分岐光を前記試料へ出力し、前記ミラーで反射された前記第１分岐光と前記試料中の前記衝撃波で反射された前記第２分岐光とを合波して当該合波光を出力し、
分光器を用いて前記合波光を分光して前記合波光の周波数干渉縞を求め、
前記周波数干渉縞に基づいて前記衝撃波の伝搬速度を求める、
速度測定方法。
【請求項７】
パルス光を伸長する伸長部と、その伸長されたパルス光を圧縮する圧縮部とを含む衝撃波発生用光源を用いて、その圧縮されたパルス光を前記試料に照射して前記衝撃波を発生させ、
前記伸長部により伸長されて出力されたパルス光の一部を分岐して前記チャープパルス光として用いる、
請求項６に記載の速度測定方法。
【請求項８】
前記周波数干渉縞に基づいて前記試料の界面への前記衝撃波の到達時刻を求め、
前記衝撃波の到達時刻および発生時刻に基づいて前記衝撃波の伝搬時間を求め、
前記衝撃波の伝搬時間および伝搬距離に基づいて前記衝撃波の伝搬速度を求める、
請求項６または７に記載の速度測定方法。
【請求項９】
前記周波数干渉縞に基づいて前記試料中の前記衝撃波の伝搬時間を求め、
前記衝撃波の伝搬時間および伝搬距離に基づいて前記衝撃波の伝搬速度を求める、
請求項６または７に記載の速度測定方法。
【請求項１０】
前記周波数干渉縞の周期に基づいて前記衝撃波の伝搬速度を求める、
請求項６または７に記載の速度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料中における衝撃波の伝搬速度を測定する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料への高強度パルスレーザ光の照射による衝撃波発生に基づく高圧状態を利用して試料を改変することができる。また、試料中の衝撃波の伝搬速度を測定することで、試料中の圧力を推定することができる。衝撃波の伝搬速度を測定する技術が非特許文献１に記載されている。この文献に記載された速度測定技術では、ＶＩＳＡＲ（Velocity Interferometer System for Any Reflector）と呼ばれる速度干渉計が用いられる。ＶＩＳＡＲでは、干渉縞の変化をストリークカメラにより撮影し、その撮影した干渉縞の変化に基づいて衝撃波の伝搬速度を測定する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】L. M. Barker and R. E. Hollenbach,"Laser interferometer for measuring high velocities of any reflectingsurface," J. Appl. Phys. Vol.43, No.11, pp.4669-4675 (1972).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＶＩＳＡＲは、ストリークカメラを用いることから、高価である。また、ＶＩＳＡＲでは、撮影される像が時間軸と空間軸とを有しており、そのうち空間軸の方向に干渉縞が現れるので、速度測定の分解能が低い。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、衝撃波の速度測定の分解能が高く安価に構成することができる速度測定装置および速度測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の速度測定装置は、試料中における衝撃波の伝搬速度を測定する装置であって、瞬時周波数が時間的に変化するチャープパルス光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、第１分岐光をミラーへ出力し、第２分岐光を試料へ出力し、ミラーで反射された第１分岐光と試料中の衝撃波で反射された第２分岐光とを合波して当該合波光を出力する干渉光学系と、合波光を分光して合波光の周波数干渉縞を求める分光器と、を備え、周波数干渉縞に基づいて衝撃波の伝搬速度を求める。
【０００７】
本発明の速度測定方法は、試料中における衝撃波の伝搬速度を測定する方法であって、干渉光学系を用いて、瞬時周波数が時間的に変化するチャープパルス光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、第１分岐光をミラーへ出力し、第２分岐光を試料へ出力し、ミラーで反射された第１分岐光と試料中の衝撃波で反射された第２分岐光とを合波して当該合波光を出力し、分光器を用いて合波光を分光して合波光の周波数干渉縞を求め、周波数干渉縞に基づいて衝撃波の伝搬速度を求める。
【０００８】
本発明では、パルス光を伸長する伸長部と、その伸長されたパルス光を圧縮する圧縮部とを含む衝撃波発生用光源を用いて、その圧縮されたパルス光を試料に照射して衝撃波を発生させ、伸長部により伸長されて出力されたパルス光の一部を分岐してチャープパルス光として用いるのが好適である。
【０００９】
本発明では、周波数干渉縞に基づいて試料の界面への衝撃波の到達時刻を求め、衝撃波の到達時刻および発生時刻に基づいて衝撃波の伝搬時間を求め、衝撃波の伝搬時間および伝搬距離に基づいて衝撃波の伝搬速度を求めることができる。周波数干渉縞に基づいて試料中の衝撃波の伝搬時間を求め、衝撃波の伝搬時間および伝搬距離に基づいて衝撃波の伝搬速度を求めることもできる。また、周波数干渉縞の周期に基づいて衝撃波の伝搬速度を求めることもできる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、衝撃波の速度測定の分解能が高く安価に装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本実施形態の速度測定装置１の構成を示す図である。
【図２】図２は、第１分岐光（チャープパルス光）の時間波形の一例を示す図である。
【図３】図３は、周波数干渉縞の一例を示す図である。
【図４】図４は、実施例で用いた試料９０の構成を示す図である。
【図５】図５は、図４（ａ）に示された試料９０を用いた第１実施例で取得された周波数干渉縞を示す図である。
【図６】図６は、図４（ａ）に示された試料９０を用いた第２実施例で取得された周波数干渉縞を示す図である。
【図７】図７は、図４（ｂ）に示された試料９０を用いた第３実施例で取得された周波数干渉縞を示す図である。
【図８】図８は、図４（ｂ）に示された試料９０を用いた第４実施例で取得された周波数干渉縞を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００１３】
図１は、本実施形態の速度測定装置１の構成を示す図である。速度測定装置１は、干渉光学系１０、分光器２０および衝撃波発生用光源３０を備える。また、速度測定装置１は、ミラー４１〜４６、ビームスプリッタ４７、レンズ５１〜５３および移動部５４を備える。干渉光学系１０は、マイケルソン干渉計を構成しており、ビームスプリッタ１１、ミラー１２、ＮＤフィルタ１３および移動部１４を含む。衝撃波発生用光源３０は、伸長部３１、増幅部３２、圧縮部３３およびビームスプリッタ３４を含む。
【００１４】
衝撃波発生用光源３０の伸長部３１は、入力したパルス光をパルス伸長して、チャープパルス光を生成する。増幅部３２は、伸長部３１により生成されたチャープパルス光を増幅する。圧縮部３３は、増幅部３２により増幅されたチャープパルス光をパルス圧縮して、高強度の衝撃波発生用レーザ光を生成し出力する。例えば、この衝撃波発生用レーザ光のパルス幅は１ピコ秒以下であり、強度の尖頭値は１０１４Ｗ／ｃｍ２以上である。
【００１５】
衝撃波発生用光源３０から出力された衝撃波発生用レーザ光は、ミラー４１，４２およびレンズ５１を経て、試料９０の第１主面９１に照射される。試料９０の第１主面９１に衝撃波発生用レーザ光が照射されると、第１主面９１において衝撃波が発生して高圧状態となり、第１主面９１近傍の領域が改変される。例えば、照射前に単結晶であったものが、照射後に多結晶粒の多層構造に改変される。第１主面９１において発生した衝撃波は、対向する第２主面９２へ伝搬して行く。試料９０中の衝撃波の伝搬速度を測定することで、衝撃波発生用レーザ光の照射に因る試料９０の圧力を推定することができる。
【００１６】
衝撃波発生用光源３０の伸長部３１と増幅部３２との間にビームスプリッタ３４が設けられている。このビームスプリッタ３４は、伸長部３１により伸長されて出力されたチャープパルス光の一部を分岐して出力する。ビームスプリッタ３４により分岐されて出力されたチャープパルス光は、ミラー４３〜４６、ビームスプリッタ４７およびレンズ５２，５３を経て干渉光学系１０に入力される。
【００１７】
ミラー４３とミラー４４との間のチャープパルス光の光路と、ミラー４５とミラー４６との間のチャープパルス光の光路とは、互いに平行である。移動部５４は、前記光路に平行な方向にミラー４４，４５を移動させる。この移動により、試料９０の第１主面９１に衝撃波発生用レーザ光が照射されるタイミングに対して、試料９０の第２主面９２にチャープパルス光が照射されるタイミングを調整することができる。
【００１８】
干渉光学系１０のビームスプリッタ１１は、レンズ５３から到達したチャープパルス光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、第１分岐光をミラー１２へ出力し、第２分岐光を試料９０へ出力する。また、ビームスプリッタ１１は、ミラー１２で反射された第１分岐光と試料９０で反射された第２分岐光とを合波して、当該合波光を出力する。試料９０における第２分岐光の反射は、試料９０の第２主面９２で発生する他、第１主面９１で発生する場合があり、試料９０中を伝搬する衝撃波で発生する場合もある。
【００１９】
ビームスプリッタ１１とミラー１２との間の第１分岐光の光路上にＮＤフィルタ１３が設けられている。このＮＤフィルタ１３は、ビームスプリッタ１１に戻ってくる第１分岐光および第２分岐光それぞれの強度を互いに同程度として、分光器２０により取得される周波数干渉縞（後述）のコントラストを改善する。移動部１４は、ビームスプリッタ１１とミラー１２との間の光路に平行な方向にミラー１２を移動させる。この移動により、ビームスプリッタ１１による分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差を調整することができる。
【００２０】
ビームスプリッタ１１から出力された合波光は、レンズ５３，５２およびビームスプリッタ４７を経て分光器２０に入力される。レンズ５３，５２は、試料９０の像を分光器２０の撮像面に結像する。分光器２０は、その結像された合波光を分光して合波光のスペクトル（周波数干渉縞）を求める。
【００２１】
本実施形態の速度測定方法は、このような構成の速度測定装置１を用いて、分光器２０により取得された周波数干渉縞に基づいて、試料９０中を伝搬する衝撃波の伝搬速度を求める。
【００２２】
次に、分光器２０により取得される周波数干渉縞について数式を用いて説明する。ミラー１２により反射されてビームスプリッタ１１に戻ってきた第１分岐光の電場Ｅ１(ｔ)を下記（１）式で表す。ここで、ｉは虚数単位である。ｔは時刻を表す。τは時間波形の包絡線関数を規定する定数である。ω０は中心周波数を表し、ω０＋ａｔは瞬時周波数を表す。チャープパルス光は、瞬時周波数が時間的に変化する。図２は、（１）式で表される第１分岐光（チャープパルス光）の時間波形の一例を示す図である。（１）式を変形すると下記（２）式のように表される。
【００２３】
【数１】
0006600201.tif 000002
【００２４】
【数２】
0006600201.tif 000003
【００２５】
試料９０の反射面が静止している場合には、試料９０からビームスプリッタ１１に戻ってきた第２分岐光の電場Ｅ２(ｔ)は、下記（３）式で表される。ここで、２Δｌは、ビームスプリッタ１１による分岐から合波までの第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差である。
【００２６】
【数３】
0006600201.tif 000004
【００２７】
ビームスプリッタ１１から出力されて干渉計２０により受光される合波光のパワースペクトルは下記（４）式で表される。ここで、Ｓ０(ω)は第１分岐光のスペクトルであり、Ｐ０(ω)は第１分岐光のパワースペクトルである。試料９０の反射面が静止していている場合、分光器２０は、このような周波数干渉縞を取得することができる。この周波数干渉縞の周期は、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差によって異なる。
【００２８】
【数４】
0006600201.tif 000005
【００２９】
試料９０の反射面が速度ｖで移動している場合には、試料９０からビームスプリッタ１１に戻ってきた第２分岐光の電場Ｅ２(ｔ)は、下記（５）式で表される。ビームスプリッタ１１から出力されて干渉計２０により受光される合波光のパワースペクトルは下記（６）式で表される。ここで、Ｓ１(ω)は第１分岐光のスペクトルであり、Ｐ２(ω)は第２分岐光のスペクトルである。
【００３０】
【数５】
0006600201.tif 000006
【００３１】
【数６】
0006600201.tif 000007
【００３２】
この（６）式の右辺の第３項が周波数干渉縞を表す。この第３項を振幅成分と位相成分とに分離すると、位相成分は２つの干渉項１および干渉項２の和で表される。一方の干渉項１は下記（７）式で表される。ω' は、瞬時周波数ωと中心周波数ω０との差であり、下記（８）式で表される。（７）式の第２項は、パルス光のチャーピングに依存しない初期位相であり、考慮しなくてよい。（７）式の第１項と静止時（ｖ＝０）の位相との差δω１は、下記（９）式で表される。
【００３３】
【数７】
0006600201.tif 000008
【００３４】
【数８】
0006600201.tif 000009
【００３５】
【数９】
0006600201.tif 000010
【００３６】
位相成分の他方の干渉項２の位相δω２は下記（１０）式で表される。したがって、試料９０の反射面が速度ｖで移動している場合には、その移動によって、分光器２０により取得される周波数干渉縞の周期（周波数）が変化する。その変化量は、δω１とδω２との和となり、下記（１１）式で表される。この式は、速度ｖにほぼ比例している。本実施形態は、周波数干渉縞に基づいて衝撃波の伝搬速度を求める。
【００３７】
【数１０】
0006600201.tif 000011
【００３８】
【数１１】
0006600201.tif 000012
【００３９】
図３は、周波数干渉縞の一例を示す図である。分光器２０は、２次元配列された画素構造を有する撮像素子を含む。この図は、分光器２０の撮像素子により取得される周波数干渉縞の計算例を示す。横軸は周波数軸である。チャープパルス光の瞬時周波数ωが時刻ｔによって変化するので、横軸は時間軸でもある。干渉縞は周波数軸方向（時間軸方向）に現れる。縦軸は空間軸である。図３（ａ）と図３（ｂ）とでは周波数干渉縞の周期（周波数）が互いに異なっている。これは、（１１）式に示されるように、周波数干渉縞の周期（周波数）が速度ｖによって異なることによる。
【００４０】
例えば、チャープパルス光のパルス幅を７１０ｐｓとし、波長の変化幅を５.７ｎｍとし、分光器２０の波長分解能を０.０１ｎｍとする。このとき、時間分解能は１.２５ｐｓ（＝0.01×710／5.7）となる。チャープパルス光のチャープ量を大きくすれば、時間分解能を数十ｐｓにすることができる。これに対し、従来のＶＩＳＡＲの時間分解能は通常ナノ秒オーダである。このように、従来技術と比較すると、本実施形態は、衝撃波の速度測定の分解能が高い。また、本実施形態では、ストリークカメラを用いる必要がなく、安価な構成とすることができる。
【００４１】
本実施形態では、衝撃波の伝搬速度ｖを求めるに際して、周波数干渉縞の周期に基づいて衝撃波の伝搬速度ｖを求めることができる。また、周波数干渉縞に基づいて試料９０の第２主面９２への衝撃波の到達時刻ｔ２を求め、衝撃波の第２主面９２への到達時刻ｔ２および第１主面９１での発生時刻ｔ１に基づいて衝撃波の伝搬時間Ｔ（＝ｔ２−ｔ１）を求め、そして、衝撃波の伝搬時間Ｔおよび伝搬距離（第１主面９１と第２主面９２との間の間隔）ｄに基づいて衝撃波の伝搬速度ｖ（＝Ｔ／ｄ）を求めることもできる。また、周波数干渉縞に基づいて試料９０中の衝撃波の伝搬時間Ｔを求め、衝撃波の伝搬時間Ｔおよび伝搬距離ｄに基づいて衝撃波の伝搬速度ｖを求めることもできる。
【００４２】
次に、実施例について説明する。図４は、実施例で用いた試料９０の構成を示す図である。図４（ａ）に示される試料９０は、チャープパルス光（第２分岐光）が入射する第２主面９２に反射膜９３が設けられたものである。図４（ｂ）に示される試料９０は、衝撃波発生用レーザ光が照射される第１主面９１に反射膜９４が設けられたものである。図４（ｂ）に示される試料９０では、チャープパルス光は、試料９０の第２主面９２で反射する他、試料９０の第１主面９１に設けられた反射膜９４でも反射し、また、伝搬している衝撃波の波面でも反射する。
【００４３】
試料９０の材料は任意であるが、本実施例ではジルコニア（厚さ１５０×１０−４ｃｍ）を用いた。反射膜９３，９４の材料は、チャープパルス光を反射させることができるものであれは任意であり、例えばアルミニウム等の金属を用いることができるが、本実施例ではバナジウムを用いた。
【００４４】
図４（ａ）に示された試料９０を用いた実施例で取得された周波数干渉縞を図５および図６に示す。図４（ｂ）に示された試料９０を用いた実施例で取得された周波数干渉縞を図７および図８に示す。これらの図は、衝撃波発生用レーザ光の照射前（各図（ａ））、照射中（各図（ｂ））および照射後（各図（ｃ））それぞれの周波数干渉縞を示す。また、各々の周波数干渉縞の横軸は、波長を表すとともに、時刻をも表す。時刻は、衝撃波発生用レーザ光が試料９０の第１主面９１に照射されたタイミングを基準（時刻０）としている。
【００４５】
図５は、図４（ａ）に示された試料９０を用いた第１実施例で取得された周波数干渉縞を示す図である。衝撃波発生用レーザ光照射中の周波数干渉縞の形状は、衝撃波発生用レーザ光照射前と比べて変化していることが分かる。このことから、この周波数干渉縞の左端の時刻０.１６３ｎｓには、試料９０の第２主面９２に設けられた反射膜９３に衝撃波が既に到達していたことが分かる。それ故、衝撃波の伝搬速度ｖは９.２×１０７ｃｍ／ｓ（＝150x10-4／163x10-12）以上であるという結果が得られた。
【００４６】
図６は、図４（ａ）に示された試料９０を用いた第２実施例で取得された周波数干渉縞を示す図である。図６（ｂ）の衝撃波発生用レーザ光照射中の周波数干渉縞に対して画像処理をして縞成分のみを抽出したものを図６（ｂ）の下に示しており、また、この図の左にある矢印は衝撃波発生用レーザ光の照射位置を表している。衝撃波発生用レーザ光照射中の周波数干渉縞において、縞が乱れている期間では、衝撃波の伝搬により反射膜９３が移動していると判断することができる。この期間が時刻０.３４３ｎｓ以降であることから、衝撃波の伝搬速度ｖは４.４×１０７ｃｍ／ｓ（＝150x10-4／343x10-12）であるという結果が得られた。
【００４７】
図７は、図４（ｂ）に示された試料９０を用いた第３実施例で取得された周波数干渉縞を示す図である。第３実施例では、第１分岐光より第２分岐光の路長を長くした。各々の周波数干渉縞は、短周期の縞と長周期の縞とが重畳されたものとなっている。短周期の縞は、第１主面９１で反射した第２分岐光および第１分岐光による干渉を表す。長周期の縞は、第２主面９２で反射した第２分岐光および第１分岐光による干渉を表す。衝撃波発生用レーザ光照射中の周波数干渉縞において、短周期の縞が消えている（コントラストが小さくなっている）期間では、衝撃波により第１主面９１からの反射光が小さくなっている期間であると判断することができる。この期間の長さが０.１８６ｎｓであることから、衝撃波の伝搬速度ｖは８.１×１０７ｃｍ／ｓ（＝150x10-4／186x10-12）であるという結果が得られた。
【００４８】
図８は、図４（ｂ）に示された試料９０を用いた第４実施例で取得された周波数干渉縞を示す図である。第４実施例では、第１分岐光より第２分岐光の路長を短くした。各々の周波数干渉縞は、短周期の縞と長周期の縞とが重畳されたものとなっている。短周期の縞は、第２主面９２で反射した第２分岐光および第１分岐光による干渉を表す。長周期の縞は、第１主面９１で反射した第２分岐光および第１分岐光による干渉を表す。図８（ｂ）の衝撃波発生用レーザ光照射中の周波数干渉縞に対して画像処理をして長周期の縞成分のみを抽出したものを図８（ｂ）の下に示す。衝撃波発生用レーザ光照射中の周波数干渉縞において、長周期の縞が消えている（コントラストが小さくなっている）期間では、衝撃波により第１主面９１からの反射光が小さくなっている期間であると判断することができる。この期間の長さが０.１８６ｎｓであることから、衝撃波の伝搬速度ｖは８.１×１０７ｃｍ／ｓ（＝150x10-4／186x10-12）であるという結果が得られた。
【００４９】
以上の実施例から、試料９０における衝撃波の伝搬速度は１０７ｃｍ／ｓ以上であると推定された。
【符号の説明】
【００５０】
１…速度測定装置、１０…干渉光学系、１１…ビームスプリッタ、１２…ミラー、１３…ＮＤフィルタ、１４…移動部、２０…分光器、３０…衝撃波発生用光源、３１…伸長部、３２…増幅部、３３…圧縮部、３４…ビームスプリッタ、４１〜４６…ミラー、４７…ビームスプリッタ、５１〜５３…レンズ、５４…移動部、９０，９０Ａ，９０Ｂ…試料、９１…第１主面、９２…第２主面、９３，９４…反射膜。
【図１】
0006600201.tif 000013
【図２】
0006600201.tif 000014
【図３】
0006600201.tif 000015
【図４】
0006600201.tif 000016
【図５】
0006600201.tif 000017
【図６】
0006600201.tif 000018
【図７】
0006600201.tif 000019
【図８】
0006600201.tif 000020