(57)【要約】【課題】液体中にレーザ光を収束することにより得られる反応場の反応条件を制御する。【解決手段】液体を加圧状態にしてこれへレーザ光を収束させると、液体中にレーザ光を収束して得られる反応場において予期せぬ大きなエネルギーが生じ、当該反応場の反応条件が変化する。これにより、液体の加圧状態を制御することにより、反応場の反応条件を制御することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中でレーザ光を収束させるレーザ光照射部であって、前記レーザ光を収束させた領域を反応場として該反応場に存在する物質に変化をもたらすように前記レーザ光を照射するレーザ光照射部と、
前記液体を加圧する液体加圧部と、
を備えてなるレーザ光照射装置。
【請求項２】
前記液体は水である、ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光照射装置。
【請求項３】
前記反応場にターゲットを配置し、該ターゲットにレーザアブレーションを生じさせる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ光照射装置。
【請求項４】
前記液体は２〜９atmに加圧される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ光照射装置。
【請求項５】
液相レーザアブレーション装置であって、ターゲットが浸漬される液体を加圧する、ことを特徴とする液相レーザアブレーション装置。
【請求項６】
液体中でレーザ光を収束させて得られる反応場であって、そこに存在する物質に変化をもたらす反応場の反応条件を制御する方法であって、
前記液体の圧力を変化させることにより前記反応場の反応条件を制御する、ことを特徴とする反応条件制御方法。
【請求項７】
前記液体は水である、ことを特徴とする請求項６に記載の反応条件制御方法。
【請求項８】
前記反応場にターゲットが配置される、ことを特徴とする請求項６又は７に記載の反応場制御方法。
【請求項９】
前記液体は２〜９atmに加圧される、ことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の反応場制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、レーザ光照射装置、液相レーザアブレーション装置及び反応場制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液相レーザアブレーション装置は液相中でターゲットにパルスレーザ光を照射してアブレーションを生じさせ、もってナノメートルオーダの微細な粒子を生成・回収するものである。
例えば特許文献１に記載の液相レーザアブレーション装置では、反応容器に純水を充填し、この純水中に金属ターゲットを浸漬してレーザアブレーションを実行する。ここに、反応容器には圧抜きが付設されてその圧力が一定に保たれている。なお、反応容器には何らコンプレッサ等の加圧装置は設けられていない。
また、特許文献２にはゼオライト粒子を水中に分散させ、次でゼオライト粒子にレーザ光線を照射してゼオライト粒子を粉砕する技術が開示されている。
【０００３】
液相レーザアブレーションではレーザ光を液体中で収束させ、当該レーザ光の収束した領域を高温高圧領域としている。この高温高圧領域においてターゲットがナノオーダまで微細に粉砕される。また、特許文献３及び４にはレーザ光を収束させて新規物質を合成することが開示されている。
即ち、レーザ光を収束させて得られた高温高圧領域は、周囲の液体領域とはその環境が大きく異なり、物質に変化をもたらす反応場となる。
本発明に関連する文献として、更に特許文献３〜５及び非特許文献１〜２を参照されたい。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１２２８４５号公報
【特許文献２】特開２００６−２７３６２３号公報
【特許文献３】特開２００４−２８３９２４号公報
【特許文献４】特開２００５−２６４０８９号公報
【特許文献５】特開２００３−３５６７１号公報
【非特許文献１】Sasaki et al. Journal of Photochemistry and Photobioogy A: Chemistry 182(2006) 335-341.
【非特許文献２】Changhao et al. Chem. Mater. 2004, 16, 963-965
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
液体中にレーザ光を収束させて反応場を形成し、当該反応場において物質に変化を与えるとき、反応場の内部環境、換言すれば反応場の反応条件を変化させれば当該反応場における物質の変化の態様も変化すると考えられる。
液体中にレーザ光を収束させて得られる反応場では、５０００Ｋかつ７０００気圧の高温高圧状態が生じていると考えられる（Sakka et al. Appl. Surf. Sci. 2002, 197-198, 246-250.及び  Sakka et al. Appl. Surf. Sci. 2002, 197-198, 56-60.参照）。
かかる極限の高温高圧状態に変化を与え、もって当該反応場の反応条件を制御しようとする試みはなされていない。
そこでこの発明は、液体中にレーザ光を収束することにより得られる反応場の反応条件を制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねてきた結果、液体を加圧状態にしてこれへレーザ光を収束させると、レーザ光を収束して得られる反応場において予期せぬ大きなエネルギーが生じ、当該反応場の反応条件が大きく変化することを見出した。即ち、液体の加圧状態を制御することにより、反応場の反応条件を制御することができる。
この発明は上記の知見に基づきなされたものであり、その第１の局面は次の様に規定される。即ち、
液体中でレーザ光を収束させるレーザ光照射部であって、前記レーザ光を収束させた領域を反応場として該反応場に存在する物質に変化をもたらすように前記レーザ光を照射するレーザ光照射部と、
前記液体を加圧する液体加圧部と、
を備えてなるレーザ光照射装置。
【０００７】
このように規定される第１の局面のレーザ光照射装置によれば、液体の圧力を変化させることにより、レーザ光の収束領域である反応場において反応条件を大きく変化させることができる。
液体中にレーザ光を収束させて得られる反応場は極限の高温高圧状態であるので、液体の温度やレーザ光のパワーを変化させても、反応場の内部環境、即ち反応条件は殆ど変化しない。他方、液体の圧力を変化させると反応場の内部環境が大きく変化する。これにより、反応場の反応条件を制御可能となる。
【０００８】
上記において液体には任意の液体を採用することができる。例えば、水、有機溶媒、水溶液、コロイド溶液、エマルジョン等を採用することができる。液体として水を採用することにより装置全体が安価になり、また取扱いが容易になる。
この液体中にバルクのターゲットを存在させてもよい。当該ターゲットの表面へレーザ光を収束することにより、液相レーザアブレーションが実行される。ターゲットの種類も任意に選択することができる。
【０００９】
レーザ光はこれを収束することにより物質に変化を与えることができれば任意に選択することができる。物質に変化を与え得る高出力レーザ光の光源として、汎用のＹＡＧレーザやエキシマレーザ等を挙げることができる。かかるレーザ光の波長、照射時間も任意に設定することができる。
【００１０】
レーザ光を液体中で収束すると収束領域で液体が急速に昇温され、かつ昇温に伴い液体蒸発が生じ、もって局所的に高温高圧状態が生じる。その結果、物質が絶縁破壊し、プラズマ化されると考えられる。
液体は反応容器に充填され、この反応容器へ加圧装置が接続される。液体の加圧装置はポンプ型、シリンダー型など汎用的なものを任意に利用できる。この加圧装置により、反応容器内の液体の圧力を任意に調節する。
【００１１】
この発明の他の局面は次の様に規定される。即ち、
液相レーザアブレーション装置であって、ターゲットが浸漬される液体を加圧する、ことを特徴とする液相レーザアブレーション装置。
かかる液層アブレーション装置によれば、液体を加圧することによりアブレーションの生じる領域のエネルギーを大きくできる。
【００１２】
この発明の更に他の局面は次の様に規定される。即ち、
液体中でレーザ光を収束させて得られる反応場であって、そこに存在する物質に変化をもたらす反応場の反応条件を制御する方法であって、
前記液体の圧力を変化させることにより前記反応場の反応条件を制御する、ことを特徴とする反応条件制御方法。
このように規定される反応条件制御方法によれば、極限の高温高圧状態にある反応場を簡易な方法で制御可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１にこの発明の実施例のレーザ光照射装置１の概略構成を示す。
このレーザ光照射装置１はレーザ光照射部１０，反応部２０及び加圧部３０を備えてなる。
レーザ光照射部１０はレーザ発信器１１とレンズ１２とを備え、レーザ発信器１１から照射されるパルス状のＹＡＧレーザ光はレンズ１２で収束される。
反応部２０は筒状の反応容器２１からなる。この反応容器２１のレーザ発信器１１側には窓部２２が形成され、レンズ１２で収束されたレーザ光１３は当該窓部２２を透過して反応容器２１のほぼ中央で焦点を結ぶ。符号２４はリテーナであり、反応容器２１に対して気密性を維持して着脱可能である。リテーナ２４の膨出部２５の先端にターゲットが固定される。
【００１４】
反応容器２１のほぼ中央の側壁には観察窓２６が形成され、レーザ光１３が収束した領域を観察可能である。観察窓２６にはＩＣＣＤカメラ２７が付設されている。観察窓２６の対向面には加圧部３０への接続部２８が形成される。
加圧部３０はロータリポンプ型の加圧機３１を備え、この加圧機３１により反応容器２１へ充填される液体へ任意の圧力をかけている。符号３３は圧力計である。
【００１５】
図１の構成のレーザ光照射装置１において、反応容器２１へ純水を充填し、パルス状のＹＡＧレーザ光を照射したとき、ＩＣＣＤカメラ２７で観測されたレーザ光の収束領域の画像を図２に示す。なお、ＹＡＧレーザの照射条件は波長：１．０６μｍ、照射時のレーザエネルギー（瞬時パワー）２８０ｍＪ／pulseであり、単パルスを照射している。図２（Ａ）は反応容器２１内の圧力が１ａｔｍのときに観察された画像であり、図２（Ｂ）は加圧機３１を作動させて反応容器２１内の圧力を９ａｔｍとしたとき観察された画像である。
図３は反応容器２１内の圧力変化とＩＣＣＤカメラ２７で観察された画像の積分輝度（レーザ光を２０回照射し、各回毎に得られた画像の積分輝度の平均値（黒丸）と標準偏差（縦棒））との関係を示している。
【００１６】
図２及び図３より、純水にかける圧力を高くするにつれレーザ光の収束領域における輝度が大きくなることがわかる。
これは、加圧を施した場合に、レーザ照射初期に生じる局所的電子数、あるいは電子エネルギー状態に変化が生じたためと考えられる。
図２及び図３の結果より、液相へ印加する圧力は２ａｔｍ以上とすることが好ましい。更に好ましくは２〜９ａｔｍである。本発明者らの検討によれば、液層へ加圧する圧力は２〜３００ａｔｍとすることができる。
レーザ光を液体中で収束した場合には液体に含まれる元素に応じて発光の態様が変化する。この実施例のように液体を加圧すれば、レーザ光の収束領域の輝度が大きくなるので、非加圧時では観測できないような微量の元素に基づく発光をも観察可能となる。換言すれば、レーザ光の出力を何ら増大することなく、元素の同定感度を増大することができる。
【００１７】
次に、リテーナ２４の膨出部２５の先端にチタン製のターゲットを固定し、当該ターゲットの表面にＹＡＧレーザ光を収束させた。ＹＡＧレーザの照射条件は波長：１．０６μｍ、照射時のレーザエネルギー（瞬時パワー）５６ｍＪ／pulseで単パルスを照射している。そのときにＩＣＣＤカメラ２７が撮影した画像を図４に示す。図４（Ａ）は反応容器２１内の圧力が１ａｔｍのときに観察された画像であり、図４（Ｂ）は加圧機３１を作動させて反応容器２１内の圧力を９ａｔｍとしたとき観察された画像である。図中符号Ｔはターゲットを示す。
【００１８】
図５は反応容器２１内の圧力変化とＩＣＣＤカメラ２７で観察された画像の積分輝度（レーザ光を２０回照射し、各回に得られた画像の積分輝度の平均値（黒丸）と標準偏差（縦棒））との関係を示している。
図６は上記の観察結果において、１atmと６atmの観察終了後のターゲットの表面プロファイルである。図６の結果は触針型の段差計（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製、型番：Ａｌｐｈａ−Ｓｔｅｐ５００）により得られた。
図６の結果より、液体へ与える圧力を大きくしてもターゲットに対する影響（アブレーション量）は殆どかわらないことがわかる。換言すれば、反応場に存在するターゲット粒子の量に変化はない。
その一方で、図４及び図５より液体へ与える圧力を大きくすると反応場において高い輝度が得られている。
以上より、液体へ与える圧力を大きくすると反応場に存在する物質の内部エネルギーが増大することがわかる。即ち、液体へ与える圧力を僅かに変化させるだけで、反応場においてそこに存在する物質の内部エネルギーを著しく大きくすることができる。換言すれば、液体へ与える圧力を僅かに変化させるだけで、反応場の反応条件を大きく変化させることができる。
【００１９】
液相の圧力を高くすることにより、レーザ光が収束する領域のエネルギーが極めて大きなものとなる。これにより、新規な態様のレーザアブレーションを行なうことができる。更には、反応場において物質を合成する際にも、今まで得られなかった新たな物質を合成できる可能性もある。
【００２０】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は本発明の実施例のレーザ光照射装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２は実施例のレーザ光照射装置において純水中のレーザ光を収束させたときに観察される画像を示し、図２（Ａ）は純水を大気圧としたときの画像であり、図２（Ｂ）は純水を９ａｔｍまで加圧したときの画像である。
【図３】図３は純水の圧力と観察画像の輝度との関係を示すグラフである。
【図４】図４は液相レーザアブレーションを実行したときに観察される画像を示し、図４（Ａ）は液相を大気圧としたときの画像であり、図４（Ｂ）は液相を９ａｔｍまで加圧したときの画像である。
【図５】図５は液相の圧力と観察画像の輝度との関係を示すグラフである。
【図６】図６はターゲット表面のプロファイルを示す。
【符号の説明】
【００２２】
１    レーザ光照射装置
１０  レーザ光照射部
２０  反応部
２５  膨出部
３０  加圧部
【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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【図４】
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