(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジャイアントパルスレーザーを用いて、被分析試料表面に高エネルギー密度のレーザーを照射することにより被分析試料表面の構成元素を励起、発光させ、発光分光分析装置を用いて、被分析試料の構成元素分析を行うレーザー発光分光分析装置において、ジャイアントパルスレーザーを集光レンズにて集光して得られる高エネルギー密度のレーザー光を、前記集光レンズの中心以外の位置を通し、且つ、被分析試料に対し、斜めに照射する光学系を備えたことを特徴とするレーザー発光分光分析装置。
【請求項２】
ジャイアントパルスレーザーを集光させる集光レンズは、レーザー光反射防止用コーティングをレーザー照射装置側のみに施し、片面コーティングとしたレンズとしたことを特徴とする請求項１に記載のレーザー発光分光分析装置。
【請求項３】
集光レンズ直下に、入射レーザー光が通過する部分にのみ開口部を設けたレンズ保護板を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー発光分光分析装置。
【請求項４】
集光レンズが、レンズと被分析試料との距離を変えることなく回転させる機構を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザー発光分光分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ジャイアントパルスレーザーを用いて被分析試料の構成元素分析を行うレーザー発光分光分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザー発光分光分析装置は、ジャイアントパルスレーザーを集光して得られる高エネルギー密度のレーザー光を、被分析試料に対し垂直に照射する構造が用いられていた。また集光レンズは、レンズ両面にレーザー光反射防止用コーティングを施し、保護板や回転機構の無い、固定式のレンズが使用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザー発光分光分析装置では、極めて短い周期で、集光レンズの中央部にφ１mm程度の破損が発生した。破損部は溶損してしまっており、破損したレンズを分析に使用しても、所定のエネルギー密度が得られないため、被分析試料の構成元素分析が不可能となる。従って、破損の都度レンズを交換する必要があり、メンテナンス費用が大きくなるという課題があった。
【０００４】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、レンズの交換頻度を大幅に削減でき、メンテナンス費用の節減を図ることができるレーザー発光分光分析装置を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明の要旨は次の通りである。
（１）ジャイアントパルスレーザーを用いて、被分析試料表面に高エネルギー密度のレーザーを照射することにより被分析試料表面の構成元素を励起、発光させ、発光分光分析装置を用いて、被分析試料の構成元素分析を行うレーザー発光分光分析装置において、ジャイアントパルスレーザーを集光レンズにて集光して得られる高エネルギー密度のレーザー光を、前記集光レンズの中心以外の位置を通し、且つ、被分析試料に対し、斜めに照射する光学系を備えたことを特徴とするレーザー発光分光分析装置。
（２）ジャイアントパルスレーザーを集光させる集光レンズは、レーザー光反射防止用コーティングをレーザー照射装置側のみに施し、片面コーティングとしたレンズとしたことを特徴とする（１）に記載のレーザー発光分光分析装置。
（３）集光レンズ直下に、入射レーザー光が通過する部分にのみ開口部を設けたレンズ保護板を設けたことを特徴とする（１）又は（２）記載のレーザー発光分光分析装置
（４）集光レンズが、レンズと被分析試料との距離を変えることなく回転させる機構を備えたことを特徴とする請求項（１）〜（３）のいずれか１項に記載のレーザー発光分光分析装置。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１はレーザー発光分光分析装置の全体図である。レーザー発光分光分析装置は、レーザー照射装置１１、発光分光分析装置１２、光ファイバー１３、解析用パソコン１４で構成される。被分析試料は、レーザー照射装置１１内にある分析試料室１５内にセットする。
【０００７】
レーザー照射装置１１において被分析試料に高エネルギー密度のレーザーを照射すると、被分析試料表面でプラズマ発光し、この光が光ファイバー１３を通して、発光分光分析装置１２内に導入される。発光分光分析装置１２では、得られた光の波長から被分析試料内に含まれる元素を特定できる。分析結果は、解析用パソコン１４に表示される。
【０００８】
図２は、レーザー照射装置の詳細図である。レーザー照射装置は、レーザー光源２１と、レーザー反射ミラー２２と、集光レンズ２３と、試料ステージ２４と、レーザー用電源装置２６とで構成される。レーザー反射ミラー２２は、レーザー光源２１から発せられるレーザー光の進行方向を９０°変化させ、分析試料室１５にレーザー光を導入するためのものである。集光レンズ２３はレーザー光を集光し、被分析試料表面で、所定のエネルギー密度を得られるようにするものである。２５は被分析試料で、試料ステージ２４上にセットする。試料ステージ２４は昇降機構を有しており、試料ステージ２４が下降した状態で試料をセットする。試料ステージ２４が上昇すると、被分析試料２５は試料セル２７の下端に押しつけられる。試料セル２７は固定されており、被分析試料２５を試料セル下端に押しつけることで、試料表面と集光レンズ２３との距離を一定に保つことができる。
【０００９】
図３は本発明適用前のレーザー発光分光分析装置の光学系詳細図である。
レーザー発光分光分析装置は、ジャイアントパルスレーザーを使用し、パルスレートは１０［pps ＝パルス／秒］、１回の分析で平均２，０００のパルスの照射を行う。図３の光学系で分析を行った場合に、集光レンズが破損する現象が発生した。図４は破損が発生した集光レンズの概観写真である。レンズ４２のほぼ中央に破損４１が発生している。この現象は、累計照射パルス数に依存せず、ランダムに発生し、累計５，０００パルスで破損するものもあれば、累計約５０万パルスで発生するものもあった。破損は３ヶ月間で８回発生しており、装置の取り扱い上の不注意や、偶発的な現象でないことは明らかである。また、レンズの破損は必ずレンズ下面で発生しており、レンズ上面での破損は皆無であった。ここでレンズ下面とは、被分析試料に近い方の面を指し、上面とはレーザー光源に近い方の面を指す。
【００１０】
この現象の原因は、最終的に被分析試料でのレーザー光の反射であると考えられたが、この結論に至るまでの過程を以下に列記する。
発生原因としては被分析試料からの反射以外にも、レーザー光源の品質不良、レンズの品質不良、レーザー入射光が既にレンズの耐久性を超えていること、図３の試料セル保護ガラス３３からの反射、レンズ３２周囲の粉塵が考えられた。
【００１１】
まず、レーザー光源の品質不良に関しては、レーザーの波形観察や、パルスレートの測定、レーザーエネルギーの測定を通し、レーザー自体の単体性能の確認を行い、問題は無いと判断した。レンズの品質不良に関しては製造ロットの違うレンズでも破損が発生したことや、レンズ材質を溶融温度の高い材質に変更しても同じ現象が発生したことから、レンズ品質不良が原因では無いと判断した。レーザー入射光については、レンズ直下にレーザー光を全て吸収して熱エネルギーに変換するダンパー材を設置して、集光レンズに全く反射が返らない状態を作り、集光レンズの耐久試験を行った。その結果、全く破損が見られなかったことから、入射光単独では、破損しないと判断した。試料セル保護ガラスからの反射については保護ガラスを外した状態でも破損が発生したことや、上述のダンパー材を保護ガラス直下に設置して耐久試験を行った結果、破損が発生しなかったことから、問題無いと判断した。レンズ周囲の粉塵については、本装置が比較的環境の良い屋内に設置されていることから、周囲環境による粉塵より、分析中に被分析試料から飛散するヒューム等が影響を及ぼしているのでは無いかと予測した。そこで、集光レンズにレンズ保護ガラスを取り付け、ヒュームが集光レンズに付着することの無い状態を作り、この状態で耐久試験を行ったが、集光レンズが破損したため、粉塵も今回の現象の発生原因では無いと判断した。
【００１２】
以上の結果から、発生原因は被分析試料からの反射にあると判断し、対策検討を行った。図６は、対策の考え方を示す模式図である。
図６（ａ）は従来の垂直照射の場合である。これに対し図６（ｂ）は、試料に対し斜め照射を行う場合である。実際には、垂直方向に対し、２°の傾斜をつけた。この角度は今回使用したレーザー発光分光分析装置の制約からくるもので、２°の傾斜に限定するものでは無い。この傾斜をつけた光学系を使用し、まず、傾斜をつける前後で分析精度に影響が出ないことを確認した。その後、レンズの耐久試験を実施した。
【００１３】
その結果、レンズ破損現象が発生したものの、垂直照射からは明らかな改善が見られた。垂直照射との違いを２点以下に列記する。
１点目は、破損に至るまでの累計照射パルス数が、従来に比べ高位に安定したことである。図７は、破損に至るまでの累計照射パルス数の変化を示す図である。垂直照射の場合、上述した通り、５，０００〜約５０万パルスで破損していたが、斜め照射の場合は約６０万パルスまでは破損が発生しないことが確認された。
２点目は、レンズ破損発生箇所が変化したことである。垂直照射の場合は、ほぼレンズの中心で破損が発生していたのに対し、斜め照射の場合は、レンズの中心では無く、図６（ｂ）で、入射光の点線とレンズの下面の交わる位置で破損が発生していた。図８はレンズ破損箇所が変化したことを現す図である。
【００１４】
斜め照射での耐久試験結果から、レンズ破損原因について考察する。入射光単独では、レンズは破損しないことは既に確認している。従って、レンズ破損原因は、入射光と反射光が重なり合うことで発生するか、反射光単独で発生するかどちらかである。仮に反射光単独で破損するとした場合、破損は反射光がレンズに当たる全ての場所で発生するはずである。ここで、反射光の方向を確認するため、レンズ直下に感熱紙を置いて、レーザーを照射したところ、感熱紙が変色した場所は一定ではなく、反射光の方向はランダムであることが判った。従って、反射光単独でレンズが破損するのであれば、レンズ破損箇所がばらつくはずであるが、破損箇所は一定で、入射光の中心近くが破損した。これらの結果から、レンズ破損は入射と反射が重なった所で発生する可能性が高いと考えられる。
【００１５】
以上より、レンズ破損を完全に無くすためには、入射光と反射光を分離することが必要となるが、これは非常に困難であることが容易に想像された。従って、斜め照射での耐久試験でレンズの耐久性が高位に安定したことに鑑み、更にレンズの耐久性を高め、１枚のレンズで使用可能な期間を極限まで延長することを検討した。
【００１６】
まず、集光レンズの中で最も耐久性の低いのは、レンズ材質よりも反射防止用コーティングであるため、レンズ下面のコーティングを止め、レンズ上面側のコーティングはそのままとする片面コーティングとした。上面側にコーティングをしたのは、レンズの透過率を確保するためである。また、被分析試料からの反射がランダムな方向に発生することから、保護板を設け、極力反射光からレンズを保護するような対策を行った。
【００１７】
最後に、レンズを回転する機構を設けた。これは斜め照射にしたことで、破損箇所がレンズ中心から外れた位置に変化したことを利用し、１枚のレンズで破損していない箇所を何度も使用できるようにするためである。但し、回転することによりレンズと被分析試料表面との距離が変化してはならないため、この距離を変化させないような機構も同時に設けた。図９は回転機構を付けた場合に、利用可能な箇所を表わしたもので、１枚のレンズで５箇所まで利用できるようにした。
【００１８】
図１０は、今回の対策を反映させた光学系の詳細図である。１０１はレーザー反射ミラーで、斜め照射するため、取付位置の変更を行った。１０２は集光レンズで、片面コーティングとしたものである。１０３はレンズ回転機構で、レンズを回転させてもレンズと被分析試料との距離が変化しない機構を有している。１０４はレンズ保護板で、入射光が通過する部分にのみ開口部を設けている。１０５は試料セルで、１０６は被分析試料である。
【００１９】
以上の対策を行った上で、再度レンズ耐久試験を行った。耐久試験での照射パルス数の上限を、１年間分の分析試料数に相当する、３６０万パルスとしたところ、レンズを破損することなく耐久試験を完了した。これは回転機構も使わず、レンズ１箇所での結果である。
【００２０】
以上により、レンズ破損現象を完全に解消することはできないものの、レンズの交換頻度を大幅に削減できることが確認できた。
参考までに、過去の破損頻度から、年間で３２枚のレンズを使用する必要があると仮定すると、レンズ単価が８万円程度であることから、年間で約２５０万円のレンズ費用を削減することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常のレーザー発光分光分析装置の全体図。
【図２】レーザー発光分光分析装置のレーザー照射装置部の詳細図。
【図３】本発明適用前におけるレーザー発光分光分析装置の光学系の詳細図。
【図４】レンズ破損状況を表す説明図。
【図５】レンズ保護板の設置状況を現す図。
【図６】照射方向を変化させる対策の考え方を示す模式図。
【図７】垂直照射と斜め照射での、レンズ破損に至るまでの累計パルス数を示すグラフ。
【図８】垂直照射と斜め照射での、レンズ破損位置の変化を表す図。
【図９】レンズ回転機構での、使用可能場所を表す図。
【図１０】本発明適用後におけるレーザー発光分光分析装置の光学系の詳細図。
【符号の説明】
１１  レーザー照射装置        １２  発光分光分析装置
１３  光ファイバー            １４  解析用パソコン
１５  分析試料室
２１  レーザー光源            ２２  レーザー反射ミラー
２３  集光レンズ              ２４  試料ステージ
２５  被分析試料              ２６  レーザー用電源装置
３１  レーザー反射ミラー      ３２  集光レンズ
３３  試料セル                ３４  被分析試料
４１  破損部                  ４２  集光レンズ
５１  集光レンズ              ５２  集光レンズ保護ガラス
１０１  レーザー反射ミラー    １０２  集光レンズ（片面コーティング）
１０３  レンズ回転機構        １０４  レンズ保護板
１０５  試料セル              １０６  被分析試料
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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