JPS58219437A - レ−ザ発光分光分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レーザ発光分光分析装置に係り、特に、溶銑
、溶鋼、溶融スラグの直接分析に用いるのに好適な、レ
ーザ発光部からレーザ光を照射したときに試料表面から
放出される光を１分光器により分光分析するようにした
レーザ発光分光分析装部の改良に関する。

試料表面に強力なパルス状のレーザ光を照射すると、局
所的にエネルギが注入された状態となり。

溶解、蒸発が起り、更に蒸気が励起されてプラズマ化し
、光を放出するようになる。この光を分光器で分散し、
目的元素のスペクトル線強度を、写真フィルム、光電子
増倍管、フォトダイオード等により測定することによっ
て、目的元素の含有量を求めるようにしたレーザ発光分
光分析装置が知られている。

このよっなレーザ光を励起源とするレーザ発光分光分析
装置に用いる光学系としては、第１図に示す如く、レー
ザ発光ｆＡ１２−１．ｌｉレーザ発光部１２から照射さ
れたレーザ光を試料１６の表面に収束させるための集光
レンズ１４からなるレーザ照射系１０と、試料１６の表
面から放出される光を分光器２２に導くための分光器光
学系２０゜及び、分光器２２からなる分光器系１８とを
別々の軸上に配設し、その交差する点に試料１６を設置
するものと、第２図に示す如（、レーザ発光部１２、該
レーザ発光部１２から照射されるレーザ光の方向を変換
するための直角プリズム２４．該直角プリズム２４によ
り方向変換されたレーザ光を溶鋼等からなる試料１６の
表面に収束させるためのレーザ光用の集光レンズ１４か
らなるレーザ照射系１０と、試料１６の表面から放出さ
れる光をレーザ光と同軸逆方向に伝播する光とするため
の試料放出光用の集光レンズ２６．試料放出光を分光器
（図示省略）に導くための、中央部にレーザ光透過部が
形成されたビームスブリック２８、及び１分光器からな
る分光器系１８とを有し、レーザ照射系ｌＯと分光器系
１８ｉ途中から同軸とするものが開発されている。両者
によれば、平滑な表面を持つ試料１６には有効であるが
、試料１６の置く位置を厳密に制御する必要がある。又
、後者によれば、試料１６の位置が若干変動しても。

試料１６から放出された光を分光器２２に導くことがで
きるものである。しかしながら、いずれの光学系におい
ても、試料１６と分光器２２間の距離が変化すると、試
料１６から放出された光を効率よ（分光器２２に導くこ
とができず、試料１６と分光器２２間に距離を任意に設
定することができないという欠点を有していた。

本発明は、前記従来の欠点を解消するべくなされたもの
で、試料表面と分光器間の距離を任意に設定することが
でき、従って、工場内等の分光器の設置に対し種々の制
約のある場所にも適用することができる一汎用性の高い
レーザ発光分光分析装置を提供することを目的とする。

本発明は、レーザ発光部からレーザ光を照射したときに
試料表面から放出される光を１分光器により分光分析す
るようにしたレーザ発光分光分析装置において、レーザ
光を所定の円環状とするためのビームスプリッタと、該
ビームスプリッタにより形成された円環状レーザ光を試
料表面に収束させるための円環状集光レンズと、該円環
状レンズ中心部の空所に配設された。試料表面から放出
される光を円環状レーザ光と同軸逆方向に伝播する平行
光線とするための１円環状凹面鏡及び半球状凸面鏡と、
少な（とも一部が前記円環状レーザ光内側のレーザ光非
通過部に配置された、平行光線化された試料放出光を円
環状レーザ光内側から分光器に導くための分光器光学系
とを設け、円環状集光レンズ、円環状凹面鏡及び半球状
凸面鏡と分光器光学系間におけるレーザ光及び試料放出
光が、互いに同軸、平行となるようにして、前記目的を
達成したものである。

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する
。

本実施例は、第３図に示す如く、レーザ照射系１０のレ
ーザ発光１１ｆＢ１２からレーザ光を照射したときに、
試料１６の表面から放出される光を１分光器系１Ｂの分
光器２２により分光分析するようにしたレーザ発光分光
分析装置において、前記レーザ発光ｓ］２から照射され
たレーザ光１３の断面形状を所定の円環状とするための
ビームスプリッタ３０と、該ビームスプリッタ３０によ
り形成された円環状レーザ光３１の照射方向を変えるた
めの直角プリズム２４と、該面角プリズム２４出側の円
環状レーザ光３１ｆＬ試料１６０表面に収束させるため
の円環状集光レンズ３２と、該円環状　　゛集光レンズ
３２中心部の空Ｗｒ　３２　ａに配設された。

試料１６の表面から放出される光を円環状レーザ光３１
と同軸逆方向に伝播する平行光線３７とするための１円
環状凹面鏡３４及び半球状凸面鏡３６と、凹面鏡４０が
、１記円環状レーザ光３１内側のレーザ光非通過部に配
置された。平行光線化された試料放出光３７を円環状レ
ーザ光３１の内側から外側に取り出して分光器２２０入
ロスリツト４２に結像するための、凹面鏡４０からなる
分光器光学系２０と１分光器２２と、該分光器２２の後
方に配貨された、分光器２２により分光されたスペクト
ル線の強度を検出するための光検出器４４と、前記円環
状集光レンズ３２１円環状凹面＠！３４及び半球状凸面
鏡３６と分光器光学系２０間の距離を可変とするための
、中間部にすり合せ部４６ａが形成された鏡筒４６と、
を設けたものである。

前記レーザ発光部１２ば、所定出力のパルス状レーザ光
を放出するもので１例えば、波長０．６９μｍのルビー
レーザ、波長１．０５乃至１．０６μｍの赤外線レーザ
が用いられている。

繭重ビームスプリッタ３０は、レーザ光をその垂Ｍな断
面における形状が円環状となるように変換するものであ
る。なお、レーザ発光部１２にモードロック機構を組み
込んでＴＥＭｏ１モードに固定し、始めから円環状のレ
ーザ光を得て、前記ビームスプリッタ３ｏを省略したり
、或いは、前記ビームスプリッタ３ｏにより、円環状レ
ーザ光の直径を拡大するように構成することも可能であ
る。

前記直角プリズム２４に、レーザ照射系１ｏと分光器系
１８の光軸を一致させるためのもので、レーザ発光部１
２を試料１６の表面に対して垂直方向に設置した場合に
は、省略する午とができる。

前記円環状集光レンズ３２け、同一断面形状のレーザ光
３１を、その焦点においた試料１６の表面に収束すると
共に、その中心部に１円環状凹面鏡３４及び半球状凸面
鏡３６を組込む空所３２ａを有している。なお、円環状
レーザ光３１の断面形状と円環状集光レンズ３２の断面
形状が相違する時には、アップコリメータを用いて、円
環状レーザ光３１の断面形状を修正すれば良い。

前記円環状凹面鏡３４は、円環状集光レンズ３２の内径
より内側、半球状凸面鏡３６の外側に配置されている。

この円環状凹面！３４と半球状凸面鏡３６の曲率は、試
料１６から放出された光が、円環状レーザ光３１と同軸
逆方向に平行に伝えられるような組合せとされている。

前記分光器光学系２０の凹面鏡４ｏは、レーザ光の中心
軸近傍に配設され１円環状に拡げられたレーザ光３１に
よって、背後から照射されないように設置されている。

この凹面鏡４ｏは、試料　。

１６から放出され１円環状凹面鏡３４及び半球状凸面鏡
３６で平行光線とされた光３７を５分光器２２の入口ス
リット４２に結像する曲率を有している。尚、第３図に
示す実施例においては、凹面鏡４０を１枚使用していた
が１例えば第４図に示す変形例の如く、凹面鏡４０と平
面鏡４８を組合せて、凹面鏡４０のみを円環状レーザ光
３１の光軸近傍に設置することも可能である。

前記円環状集光レンズ３２と円環状凹面鏡３４及び半球
状凸面鏡３６の組合せは、必らずしも同一焦点距離とす
る必要にな（、目的により、適当な値のレンズ、鏡の組
合せを用いれば良い。特に、レーザ照射によって放出さ
れるプラズマが試料面より大きく上部に拡大している場
合には、この２つの光学系を別々の焦点距離として、プ
ラズマからの光をより正確に平行光線とすることができ
る。

前記光検出器４４としては、例えば、光電子増倍管、フ
ォトダイオード、写真フィルム等が用いられている。前
記鏡筒４６には、真空紫外領域のスペクトルを検出する
場合に備えて、試料１６〜集光レンズ３２間をアルゴン
雰囲気とし、集光レンズ３２１円環状凹面鏡３４．半球
状凸面ｉ１！３６間を真空シールし、集光レンズ３２〜
分光器２２間を真空とするか、或いは試料１６〜分光器
２２間をすべてアルゴン雰囲気とするための、アルゴン
ガス導入部４６ｂ、レーザ光導入部をシールする光学ガ
ラス５０１分光器２２の入ロスリット４２後段をシール
する。　ＣａＦ２等からなる真空シールガラス５２が設
けられている。

以下作用を説明する。

ます１円環状集光レンズ３２１分光器光学系２０を含む
鏡筒４６の中間すり合せ部４６ａを調整し、試料１６が
円環状集光レンズ３２の焦点に（るように設置する。こ
のとき、試料１６は、同時に円環状凹面鏡３４及び半球
状凸面鏡３６カ・らなる集光系の焦点に自動的に到達す
る。次に、レーザ発光部１２を作動させ、所定の強度、
パルス幅のレーザ光１３を放出させ、ビームスプリッタ
３０により円環状とする。円環状に拡大されたレーザ光
３１に、直角プリズム２４を介して円環状集光レンズ３
２に導かれ、試料１６０表面に収束される。これにより
、試料１６のレーザ照射領域は瞬時にプラズマ化し、光
を放出する。この試料放出光は５円環状凹面鏡３４及び
半球状凸面鏡３６の組合せにより平行光線３７となり、
分光器光学系２０の凹面鏡４０ＩＣより分光器２２の入
口スリット４２に導かれる。分光器２２の内部では。

回折格子、プリズム等により光が分散され、測定目的元
素のスペクトル線強度が光検出器４４で読取られ１通常
の方法によりデータ処理され１分析値に換算される。

本実施例により、レーザ発光部１２から放出された、波
長１．０６μｍ、出力２Ｊ＝パルス幅１５ｎｓｅｃ　、
　　ビーム径１２．７０のレーザ光１３を、ビームスプ
リッタ３０で夕１径５０１３．内径４０闘の円環状レー
ザ光３１とし、これを焦点距離１５０ｍｍの円環状集光
レンズ３２で収束し、試料１６から放出された光を、外
円の半径が３５ｎ、内円の半径が３０闘の円環状凹面ｆ
ｉ！、３４で集光し、半径２５關の半球状凸面鏡３６で
平行光線３７として。

Ｆｅ−Ｐ２元合金からなる試料１６から放出さ１１．ｆ
ｃ尤の−２７１，４ｎｍのｐ１３スペクトル線強度及び
２１４゜ＯｙＢｌｌ　（Ｄ　ｐスペクトル線強度を、試
料１６から分光器光学系２０間の距離を変えて測定した
ところ、第５図に示すような結果が得ら−ｆｉた。尚、
試料１６と分光器２２の間はアルゴンによりパージして
いる。第５図から明らかな如く、レーザ出力が約１０％
変動していることを考慮すると、いずれのスペクトル線
強度も１分光器と試料間の距離に拘らず、はぼ一定の値
となっていることが明らかである。

以上説明した辿り５本発明に工れば、試料と分光器の距
離に拘らず、精度の高い測定を行うことができる。従っ
て、工場内等の分光器の股散に対し種々の制約のある場
所にも適用することができ、汎用性を高めることができ
るという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のレーザ発光分光分析装首の一例におけ
るレーザ熱射系と分光器系の配ｇｔを示す正面図、第２
図は、同じ（他の例のレーザ照射系と分光器系の酩酊を
示す断面図、第３図は１本発明に係るレーザ発光分光分
析ｋｆｄの実施例の構成を示す断面図、第４図は、同じ
く変形＄１１　ｖｃおける分光器光学系の配室を示す正
面図、第５図は、前記実ｋｍ例により測定された。Ｆｅ
、ＰのスペクトルＩｖｉ１強度と試料と分光器光学系間
の距離の関係の１例を示す線図である。 １０・・・レーザ照射系、１２・・・レーザ発光部。 １３・・・レーザ光、１６・・・試料、１８・・・分光
器系。 ２０・・・分光器光学系、２２・・・分光器、３０・・
・ビームスプリッタ、３１・・・円環状レーザ光。 ３２・・・円環状集光レンズ、３２ａ・・・窒所。 ３４・・・円環状凹面鏡、３６・・・半球状凸面鏡。 ３７・・・試料放出光、４０・・・凹面鏡、４２・・・
入口スリット、４４・・・光検出器、４６・・・鏡筒、
４６ａ・・・すり合せ部、４Ｂ・・・平面鏡。 代理人　　高　矢　　　論 （ほか１名） 第１図 第２図 ″−ン：−ゝ−旧

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　レーザ発光部からレーザ光を照射したときに
   試料表面から放出される光を１分光器により分光分析す
   るようにしたレーザ発光分光分析装置において、レーザ
   光を所定の円環状とするだめのビームスプリッタと、該
   ビームスプリッタにより形成された円環状レーザ光を試
   料表面に収束させるための円環状集光レンズと、該円環
   状レンズ中心部の空所に配設された、試料表面から放出
   される光を円環状レーザ光と同軸逆方向に伝播する平行
   光線とするための１円環状凹面鏡及び半球状凸面鏡と、
   少な（とも一部が前記円環状レーザ光内側のレーザ光非
   通過部に配置された。平行光線化された試料放出光を円
   環状レーザ光内側から分光器に導くための分光器光学系
   とを設け、円環状集光レンズ、円環状凹面鏡及び半球状
   凸面鏡と分光器光学系間におけるレーザ光及び試料放出
   光が、互（１） いに同軸、平行となるようにしたことを特徴とするレー
   ザ発光分光分析装置。