JP2008098450A - Sunlight-excited solid-state laser generator - Google Patents

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JP2008098450A JP2006279244A JP2006279244A JP2008098450A JP 2008098450 A JP2008098450 A JP 2008098450A JP 2006279244 A JP2006279244 A JP 2006279244A JP 2006279244 A JP2006279244 A JP 2006279244A JP 2008098450 A JP2008098450 A JP 2008098450A
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Mikio Muro
幹雄 室
Yoshiaki Takatani
芳明 高谷
Nobuyuki Kubota
伸幸 久保田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sunlight utilizing solid-state laser system which is especially effective for arrangement and use in a cosmic space, by providing a technology with which the sun and an active mirror are connected in a more flexible positional relationship for a simpler structure, resulting in a simpler attitude control device. <P>SOLUTION: There are provided a laser generator 52 which emits a laser beam 5, an active mirror structure 1 which consists of an active mirror 2, a heatsink 3, and an LD stack 4 that is excited by sunlight 8, and an optical fiber which guides a radiated laser beam that is generated in the LD stack 4 into the active mirror 2. A compound paraboloid condenser (CPC)10 is so arranged that a receiving surface for sunlight that excites the LD stack 4 agrees with an outgoing opening. The condensed sunlight 8 is projected into the incident opening of the CPC to excite the active mirror 2, for amplifying and outputting the laser beam 5. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、太陽光を集光してレーザー媒体を励起しレーザー増幅する太陽光励起固体レーザー発生装置に関し、特に、宇宙空間において収集した太陽光エネルギーをレーザーエネルギーに変換して需要場所に伝送する太陽光励起固体レーザーシステムに使用する太陽光励起固体レーザー装置に関する。   The present invention relates to a solar-excited solid-state laser generator that condenses sunlight to excite a laser medium to amplify the laser, and more particularly, to convert solar energy collected in outer space into laser energy and transmit it to a demand place. The present invention relates to a solar light pumped solid state laser device used in a light pumped solid state laser system.

地球温暖化の防止策として太陽エネルギーの利用が進められている。
しかし、太陽光の利用率は、地球の自転、天候の影響がある地上では15%程度であるので、元の太陽エネルギーは只でもエネルギーの安定供給に難がある。
ところが、固体レーザー発生装置を宇宙に設置して地上にレーザ伝送するシステムであれば、地球の自転や天候の影響を受けず、24時間100%利用できる。
Solar energy is being used to prevent global warming.
However, since the utilization rate of sunlight is about 15% on the earth where the rotation of the earth and the weather are affected, it is difficult to stably supply the energy even if the original solar energy is drought.
However, a system in which a solid-state laser generator is installed in space and laser-transmitted to the ground can be used 100% for 24 hours without being affected by the rotation of the earth or the weather.

そこで、アクティブミラーで構成された太陽光変換装置を人工衛星で地球を周回させて、太陽光エネルギーをレーザー光エネルギーに変換して地上に伝送し、需要場所でエネルギーを回収する太陽光利用固体レーザーシステムが構想されている。
地球を周回する人工衛星に搭載された太陽光利用システムは、大型の一次凹面鏡を常時太陽の方向に向けて、太陽光を二次凹面鏡に集め、これをアクティブミラーに入射して励起させ、エネルギー変換して増幅したレーザ光を地上に送信する。地上に到達したレーザーエネルギーは電力に変換して使用したり、水素に変換して蓄積する。
たとえば、一次凹面鏡で集光倍率を100倍とし、二次凹面鏡でさらに10倍とすれば、容易に1MW/m水準の高密度エネルギー回収装置を構成することができる。
Therefore, a solar-powered solid-state laser that collects solar energy from an active mirror, orbits the earth with an artificial satellite, converts solar energy into laser light energy, transmits it to the ground, and collects energy at the place of demand. A system is envisaged.
The solar-powered system mounted on an artificial satellite orbiting the earth always focuses the large primary concave mirror in the direction of the sun, collects sunlight into the secondary concave mirror, and injects it into the active mirror to excite it. The converted and amplified laser light is transmitted to the ground. Laser energy that reaches the ground is converted into electric power for use or converted into hydrogen for storage.
For example, if the condensing magnification is 100 times with the primary concave mirror and further 10 times with the secondary concave mirror, a high density energy recovery device of 1 MW / m 2 level can be easily configured.

アクティブミラーは、板状のレーザー媒質の裏面を反射面とし、励起光を入射してレーザー媒質を励起し、レーザー光を反射させると増幅を行う反射型のレーザー増幅素子であり、励起光のエネルギーをレーザー光のエネルギーに変換する光−光エネルギー変換素子である。
アクティブミラーを太陽光で励起してレーザー光にエネルギー変換するアクティブミラー型レーザー発生装置を利用すると、宇宙での太陽光をそのまま光−光の量子遷移によりレーザー光に変換し地上に送るので、エネルギー変換プロセスが少なく、全体としての効率がよい。
An active mirror is a reflection type laser amplifying element that uses a back surface of a plate-like laser medium as a reflection surface, excites excitation laser light to excite the laser medium, and amplifies the laser light when reflected. Is a light-to-light energy conversion element that converts energy into laser beam energy.
Using an active mirror type laser generator that excites the active mirror with sunlight and converts it into laser light, the sunlight in the universe is directly converted into laser light by the light-light quantum transition and sent to the ground. Less conversion process and overall efficiency.

全反射鏡と出力鏡の間にアクティブミラーを1枚以上配置したレーザー共振器では、共振器内で往復する間にレーザーがアクティブミラーで増幅されて出力鏡から放出される。
また、MOPA方式(Master Oscillator Power Amplifier)のレーザー発生装置は、多段に連結したアクティブミラーを1パスの増幅器として使用するもので、主発振器から放射された品質の高いシードレーザーをそのままパワー増幅するので、高出力で指向性のよいレーザー光を得るのに適している。
In the laser resonator in which one or more active mirrors are arranged between the total reflection mirror and the output mirror, the laser is amplified by the active mirror and emitted from the output mirror while reciprocating in the resonator.
The MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) laser generator uses a multi-stage active mirror as a one-pass amplifier, and power-amplifies a high-quality seed laser emitted from the main oscillator. It is suitable for obtaining a laser beam with high output and good directivity.

これらアクティブミラー型レーザ発生装置では、たとえば、図11の概念図に示すように、複数のアクティブミラーが反射面が千鳥に対向するように配置されていて、集光された太陽光をレーザー反射面に直接照射してアクティブミラーを励起するように構成することができる。
アクティブミラーの間を次々に伝播するレーザー光は、アクティブミラーの位置で太陽光と交差するが、互いに干渉することなく、レーザー媒体内で増幅され、一方の端から放射される。
In these active mirror type laser generators, for example, as shown in the conceptual diagram of FIG. 11, a plurality of active mirrors are arranged so that the reflecting surfaces face the zigzag, and the condensed sunlight is converted into a laser reflecting surface. The active mirror can be configured to be directly irradiated to the active mirror.
Laser light propagating in succession between the active mirrors intersects the sunlight at the position of the active mirror, but is amplified in the laser medium and emitted from one end without interfering with each other.

しかし、結像光学系を使って太陽光をアクティブミラー表面に直接入射させる構成では、数1000倍のエネルギー集中度を得るために反射鏡とアクティブミラーの位置関係を正確に規定する精密な構造を宇宙空間で形成すると共に、高度な姿勢制御装置を備えて、人工衛星が地球を公転して姿勢を変化させるに従って太陽を追尾しながら太陽とアクティブミラーの位置関係を正確に制御する必要がある。
なお、アクティブミラーに照射する太陽光はエネルギー密度が極めて高くなっているため、姿勢制御の精度が悪いときなど、照射領域がずれる場合には周囲の機構に損傷を与える危険がある。
また、高出力のアクティブミラー型レーザ発生装置では、アクティブミラーに大量の太陽光を照射するが、変換効率が1でないため熱エネルギーが蓄積するので、昇温により出力が不安定になったり、甚だしくは装置が破損したりする危険が常にある。このため、高い能力のヒートシンクを備える必要がある。
However, in a configuration in which sunlight is directly incident on the active mirror surface using an imaging optical system, a precise structure that accurately defines the positional relationship between the reflecting mirror and the active mirror is required in order to obtain energy concentration of several thousand times. In addition to being formed in outer space, it is necessary to provide an advanced attitude control device and accurately control the positional relationship between the sun and the active mirror while tracking the sun as the satellite revolves around the earth and changes its attitude.
In addition, since the sunlight irradiated to the active mirror has an extremely high energy density, there is a risk of damaging surrounding mechanisms when the irradiation area is shifted, such as when the accuracy of posture control is poor.
In addition, a high-power active mirror type laser generator irradiates a large amount of sunlight to the active mirror, but since the conversion efficiency is not 1, heat energy is accumulated, so that the output becomes unstable due to a rise in temperature. There is always a risk of damage to the equipment. For this reason, it is necessary to provide a high capacity heat sink.

非結像系集光器として、複合放物面集光器(CPC:Compound Parabolic Concentrator) がある。
図12は、CPCの光軸を含む断面図である。
A’は放物線BB’の焦点、B’は放物線AA’の焦点に当たり、放物線AA’の対称軸はA’Bと平行、放物線BB’の対称軸はAB’と平行であり、放物線AA’と放物線BB’は光軸に対して対称な放物線である。これら放物線を光軸の周りに回転した形状がCPCである。
CPCは、光軸に対してある開口角θ以下で入射開口に入射する光線を射出開口に到達させる一方、開口角θ以上の角度で入射する光線は入射開口に戻してしまう機構になっている。
There is a compound parabolic concentrator (CPC) as a non-imaging system concentrator.
FIG. 12 is a cross-sectional view including the optical axis of the CPC.
A ′ is the focal point of the parabola BB ′, B ′ is the focal point of the parabola AA ′, the symmetry axis of the parabola AA ′ is parallel to A′B, the symmetry axis of the parabola BB ′ is parallel to AB ′, and the parabola AA ′ The parabola BB ′ is a parabola symmetric with respect to the optical axis. A shape obtained by rotating these parabolas around the optical axis is CPC.
The CPC has a mechanism in which a light beam incident on the incident aperture at an aperture angle θ or less with respect to the optical axis reaches the exit aperture, while a light beam incident at an angle of the aperture angle θ or more returns to the incident aperture. .

したがって、入射光の向きが変動しても、開口角θ以上に変動しなければ、入射開口に入射した光線は射出開口に到達する。このため、開口角θを適当に選ぶことにより、太陽を追尾することなく太陽光を取り込んで利用する装置を組み立てることができる。
また、図12の形状では、射出開口面積aに対して入射開口面積はa/sinθとなり、集光倍率が1/sinθとなるので、容易に数倍から10倍程度の集光倍率を持たせることができる。
Therefore, even if the direction of the incident light varies, if the angle does not vary more than the opening angle θ, the light beam incident on the incident aperture reaches the exit aperture. Therefore, by appropriately selecting the opening angle θ, it is possible to assemble a device that captures and uses sunlight without tracking the sun.
In the shape of FIG. 12, the incident aperture area is a / sin θ with respect to the exit aperture area a, and the condensing magnification is 1 / sin θ. Therefore, the condensing magnification is easily several times to 10 times. be able to.

特許文献1には、非結像光学的集中装置の製造方法が教示されているが、ここでCPCの基本的な形状例が開示されている。
また、特許文献2には、小型のCPCをアレイ配置したパネルを利用することにより、太陽を追尾しないで太陽光発電する地上設備が開示されている。
しかし、特許文献1,2には、アクティブミラーとCPCを組み合わせることに関連する記載がなく、また、宇宙空間でCPCを使用することについて何ら示唆するところがない。
特表平11−509011号公報 特開2004−053027号公報
Patent Document 1 teaches a method of manufacturing a non-imaging optical concentrator, and here, a basic shape example of CPC is disclosed.
Patent Document 2 discloses a ground facility that generates solar power without tracking the sun by using a panel in which small CPCs are arranged in an array.
However, Patent Documents 1 and 2 do not have a description related to combining an active mirror and CPC, and do not suggest any use of CPC in outer space.
Japanese National Patent Publication No. 11-509011 JP 2004-053027 A

そこで、本発明が解決しようとする課題は、アクティブミラーに太陽光を取り込んでレーザーにエネルギー変換する太陽光利用固体レーザーシステムにおいて、太陽とアクティブミラーの間をより柔軟な位置関係で結んで、構造をより簡素にして姿勢制御装置をより単純化する技術を提供することである。特に、宇宙空間に配置して利用する場合に有効な太陽光利用固体レーザーシステムを提供することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is that a solid-state laser system utilizing sunlight that converts sunlight into an active mirror and converts the energy into a laser, the sun and the active mirror are connected in a more flexible positional relationship, and the structure It is to provide a technique for further simplifying the attitude control device. In particular, it is to provide a solar solid-state laser system that is effective when used in space.

上記課題を解決するため、本発明の太陽光励起固体レーザー装置は、レーザー光を放射するレーザー発生装置と、余剰熱を放散するヒートシンクを裏側に密接して設けた1個以上のアクティブミラーを備えて、このアクティブミラーを集光した太陽光で励起して、レーザー光がアクティブミラー反射面で反射する間にレーザ光を増幅して放射する固体レーザ装置であって、
アクティブミラーの前面にアクティブミラーの反射面を射出開口とする複合放物面集光器(CPC)を配置して太陽光をCPCの入射開口に投射させるように配置し、CPCの側面のレーザー光の光路位置にレーザー光が透過する窓を設けたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, a solar light excitation solid-state laser device of the present invention includes a laser generator that emits laser light, and one or more active mirrors that are provided in close contact with a heat sink that dissipates excess heat. The solid-state laser device that excites the active mirror with the collected sunlight and amplifies and emits the laser light while the laser light is reflected by the active mirror reflecting surface,
A compound parabolic concentrator (CPC) having an active mirror reflecting surface as an exit aperture is disposed in front of the active mirror so that sunlight is projected onto the entrance aperture of the CPC, and laser light on the side surface of the CPC A window through which laser light is transmitted is provided at the optical path position.

本発明の太陽光励起固体レーザー装置は、アクティブミラーの前面から太陽光を照射してアクティブミラーを太陽光で直接励起するもので、アクティブミラーの前面にCPCを配置して、集光した太陽光をCPCの入射開口に導入するようにしたものである。本発明の太陽光励起固体レーザー装置では、太陽とアクティブミラーの間の位置関係が多少変動しても、アクティブミラーの入射開口から外れない限り、アクティブミラーに太陽光エネルギーを入射させることができる。   The solar-pumped solid-state laser device of the present invention irradiates sunlight from the front of the active mirror and directly excites the active mirror with sunlight. A CPC is arranged on the front of the active mirror to collect the collected sunlight. This is introduced into the entrance aperture of the CPC. In the solar light pumped solid-state laser device of the present invention, even if the positional relationship between the sun and the active mirror varies somewhat, solar energy can be incident on the active mirror as long as it does not deviate from the incident aperture of the active mirror.

本発明の太陽光励起固体レーザー装置では、レーザー光が反射する面と太陽光が入射する面が同じ面になる。一方、CPCは入射開口に入射した光線を射出開口に伝達する装置で、射出開口における射出光線はほぼ全ての方向に分布するから、CPC出射開口とアクティブミラー表面との間に空隙があると射出光線が漏れて、アクティブミラーに十分なエネルギーが入射しないことになる。したがって、CPCの射出開口面にアクティブミラー表面が位置するように配置されるが、レーザー光の光路にレーザー光を透過する窓を設けて、レーザー光の光路を確保している。   In the solar light excitation solid-state laser device of the present invention, the surface on which the laser light is reflected and the surface on which the sunlight enters are the same surface. On the other hand, the CPC is a device that transmits the light incident on the entrance aperture to the exit aperture, and the exit rays at the exit aperture are distributed in almost all directions, so if there is a gap between the CPC exit aperture and the active mirror surface, The light leaks and sufficient energy does not enter the active mirror. Therefore, although the active mirror surface is positioned on the exit opening surface of the CPC, a window for transmitting the laser beam is provided in the optical path of the laser beam to secure the optical path of the laser beam.

レーザー光の透過窓は、光路分を切り抜いたものであってもよい。また、レーザー光を透過するダイクロイックミラーで形成してもよい。ダイクロイックミラーで形成する場合は、CPCにおける太陽光の反射を確保して集光効率を劣化させない。
アクティブミラーは、Crを添加したNd:YAGのセラミックをレーザー媒体として形成されることが好ましい。Cr/Nd:YAGセラミックは、誘導放出断面積が大きく、熱伝導率も高い。また、可視光領域における吸収波長分布が大きく、黒体輻射に近い太陽光を吸収するのに適している。
The laser light transmission window may have a light path cut out. Moreover, you may form with the dichroic mirror which permeate | transmits a laser beam. In the case of forming with a dichroic mirror, reflection of sunlight at the CPC is ensured and the light collection efficiency is not deteriorated.
The active mirror is preferably formed using Nd: YAG ceramic to which Cr is added as a laser medium. Cr / Nd: YAG ceramic has a large stimulated emission cross section and a high thermal conductivity. In addition, the absorption wavelength distribution in the visible light region is large, and it is suitable for absorbing sunlight close to blackbody radiation.

また、本発明第2の太陽光励起固体レーザー装置は、アクティブミラー裏面のヒートシンクの裏面に太陽光で励起するレーザーダイオード(LD)スタックを設け、LDスタックの各放射レーザー光を発光端からアクティブミラーに導く光ファイバをヒートシンクを貫通して備え、LDスタックのLDを励起する太陽光を受容する面の外側に受容面が射出開口と一致するように複合放物面集光器(CPC)を配置して、集光した太陽光をこのCPCの入射開口に投射させるようにしたことを特徴とする。   The second solar-pumped solid-state laser device of the present invention is provided with a laser diode (LD) stack that is excited by sunlight on the back surface of the heat sink on the back surface of the active mirror, and each radiated laser beam of the LD stack is changed from the light emitting end to the active mirror. A compound parabolic concentrator (CPC) is disposed outside the surface of the LD stack that receives the sunlight that excites the LD, and the receiving surface coincides with the exit aperture. Thus, the condensed sunlight is projected onto the entrance opening of the CPC.

本発明第2の太陽光励起固体レーザ装置は、アクティブミラーの後ろ面に太陽光励起(LD)スタックを配置し、LDスタックの裏側に受容面を設けて射出開口と一致するようにCPCを設けたものである。集光した太陽光をCPCで受容してLDスタックを励起し、発生する半導体レーザ光をアクティブミラーの励起光として入射させるようにして、太陽光で間接的にレーザー光を増幅して放射させる。LDスタックで発生した励起光はヒートシンクを貫通する光ファイバでアクティブミラーの背面に導かれる。   In the second solar-pumped solid state laser device of the present invention, a solar-pumped (LD) stack is disposed on the rear surface of the active mirror, and a receiving surface is provided on the back side of the LD stack, and a CPC is provided so as to coincide with the exit opening. It is. The collected sunlight is received by the CPC to excite the LD stack, and the generated semiconductor laser light is made incident as the excitation light of the active mirror, so that the laser light is indirectly amplified and emitted by the sunlight. The excitation light generated in the LD stack is guided to the back of the active mirror by an optical fiber that penetrates the heat sink.

CPCは、アクティブミラーの裏側に設けられるので、アクティブミラーで増幅されるレーザー光の走行を妨げない。
LDスタックは、裏の受容面に太陽光を照射すると直接にレーザ光を発生する太陽光直接励起方式レーザダイオードスタックを用いることができる。
また、太陽電池を介して電気的にレーザ光を発生するレーザダイオードを多数分布させたレーザダイオードスタックであって、太陽電池の受容面に太陽光を照射して起電力を発生させ、太陽電池から電力の供給を受けてアクティブミラーを励起する光を発生するものであってもよい。
Since the CPC is provided on the back side of the active mirror, it does not hinder the traveling of the laser light amplified by the active mirror.
As the LD stack, a direct sunlight excitation type laser diode stack that directly generates laser light when sunlight is irradiated onto the back receiving surface can be used.
Also, a laser diode stack in which a large number of laser diodes that electrically generate laser light via a solar cell are distributed, and an electromotive force is generated by irradiating sunlight on the receiving surface of the solar cell, It may generate light that excites the active mirror upon receiving power.

光ファイバーから放出される励起光はアクティブミラーに入射した後に少なくとも一部がアクティブミラーの表面内側で全反射する方向角を持つようにすることが好ましい。
レーザー媒体には多数の分布したLDスタックから励起光が注入され、注入された励起光は少なくとも一部がレーザー媒体の表面内側で全反射して拡散して、レーザー媒体中に励起光が充満するため、入射するレーザー光は効率よく励起光と反応して増幅される。
It is preferable that at least a part of the excitation light emitted from the optical fiber has a directional angle that is totally reflected inside the surface of the active mirror after entering the active mirror.
Excitation light is injected into the laser medium from a number of distributed LD stacks, and at least part of the injected excitation light is totally reflected and diffused inside the surface of the laser medium, and the excitation light fills the laser medium. Therefore, the incident laser light is efficiently amplified by reacting with the excitation light.

励起光がアクティブミラーの表面内側で全反射するようにするため、光ファイバーから入射する励起光が反対側の表面に当たる位置に円錐型のミラーを配置してもよい。また、励起光の入射位置に円錐型の凹みを形成してもよい。さらに、光ファイバの先端に、励起光を拡散する光学系を備えてもよい。このような光学系として凹面レンズや円錐状の凹みを持つ円錐レンズなどが利用できる。   In order to cause the excitation light to be totally reflected inside the surface of the active mirror, a conical mirror may be disposed at a position where the excitation light incident from the optical fiber hits the opposite surface. Moreover, you may form a cone-shaped dent in the incident position of excitation light. Furthermore, an optical system for diffusing excitation light may be provided at the tip of the optical fiber. As such an optical system, a concave lens or a conical lens having a conical depression can be used.

レーザー媒体をNd:YAGあるいはYb:YAGとしたときは、その励起光源として、それぞれ波長が808nmと941nm近傍のレーザ光を発生するLDを使用することが好ましい。
また、レーザー媒体をセラミック化することが好ましい。セラミック化によって、大型のレーザー媒体を形成すること可能である。また、セラミックは、熱伝導率も高く熱の放出能力が大きいので、高密度実装が可能となり、結局レーザー媒質が軽量化される。特に、宇宙空間に設置する場合には装置軽量化の効果が大きい。
When the laser medium is Nd: YAG or Yb: YAG, it is preferable to use an LD that generates laser light having wavelengths of 808 nm and 941 nm as the excitation light source.
Further, it is preferable to ceramicize the laser medium. Larger laser media can be formed by ceramization. In addition, since ceramic has a high thermal conductivity and a large heat release capability, high-density mounting is possible, and the laser medium is eventually reduced in weight. In particular, when installed in outer space, the effect of reducing the weight of the device is significant.

以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の1実施例に係る太陽光励起固体レーザー装置の概念図、図2は本実施例で使用するアクティブミラー構造体の例を示す構成図、図3はアクティブミラー構造体の主要部拡大図、図4はアクティブミラーへの導光部を例示する拡大構成図、図5はアクティブミラーへの導光部の別の態様を示す拡大構成図、図6はアクティブミラー構造体の別の例を示す構成図、図7は本実施例の第2の態様に係る太陽光励起固体レーザー装置の概念図、図8は第2態様に係る太陽光励起固体レーザー装置におけるCPC部分の断面図、図9はその平面図、図10は本発明の固体レーザー装置を用いて構成した宇宙太陽レーザー発生装置の概念図、図11は従来のアクティブミラー型太陽光励起固体レーザー装置例を説明する概念図、図12は複合放物面集光器(CPC)の原理を説明するための光軸を含む断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram of a solar light pumped solid-state laser device according to one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of an active mirror structure used in this embodiment, and FIG. 3 is a main part of the active mirror structure. FIG. 4 is an enlarged configuration diagram illustrating the light guide unit to the active mirror, FIG. 5 is an enlarged configuration diagram illustrating another mode of the light guide unit to the active mirror, and FIG. 6 is another diagram of the active mirror structure. FIG. 7 is a conceptual diagram of a solar light pumped solid state laser device according to the second mode of the present embodiment, FIG. 8 is a cross-sectional view of a CPC portion in the solar light pumped solid state laser device according to the second mode, and FIG. Is a plan view thereof, FIG. 10 is a conceptual diagram of a space solar laser generator constructed using the solid-state laser device of the present invention, FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating an example of a conventional active mirror type solar-pumped solid-state laser device, and FIG. Is complex It is a cross-sectional view including the optical axis for explaining the principle of the parabolic concentrator (CPC).

図1に示す本実施例の太陽光励起固体レーザー装置は、宇宙空間で太陽光エネルギーをレーザーエネルギーに変換するアクティブミラー型レーザー装置である。レーザー光5を発振するレーザ発生器52と、対向して千鳥に配列されたアクティブミラー2により形成される。レーザー光5は、アクティブミラー2における反射を順次繰り返して、励起光のエネルギーを加重して増幅され、出力レーザー光51として端面から放出される。
出力レーザー光51は出力反射鏡7によって進行方向を調整することができる。
The solar light excitation solid-state laser device of this embodiment shown in FIG. 1 is an active mirror type laser device that converts solar energy into laser energy in outer space. It is formed by a laser generator 52 that oscillates laser light 5 and active mirrors 2 arranged in a staggered manner facing each other. The laser beam 5 is sequentially amplified by reflection by the active mirror 2, is amplified by weighting the energy of the excitation light, and is emitted as an output laser beam 51 from the end face.
The traveling direction of the output laser beam 51 can be adjusted by the output reflecting mirror 7.

アクティブミラー2に補填されるレーザー励起光は、LDスタック4で生成されヒートシンク3内に埋設された光ファイバーを通してアクティブミラー2に供給される。
LDスタック4にはそれぞれ、収束された太陽光8が照射する複合放物面集光器(CPC)10が入射開口を外側に向けて設けられる。
CPC10は、内壁が反射面になって出口側に徐々に窄まる円形断面を有する筒形であって、図10に示した通り、中心軸を含む断面を取ったとき、内壁の断面が対向する内壁断面の出口側先端に焦点を有する放物線を描くような回転体でできた非結像集光光学系である。
The laser excitation light supplemented in the active mirror 2 is supplied to the active mirror 2 through an optical fiber generated by the LD stack 4 and embedded in the heat sink 3.
Each of the LD stacks 4 is provided with a compound parabolic concentrator (CPC) 10 to which the converged sunlight 8 irradiates with the incident aperture facing outward.
The CPC 10 has a cylindrical shape having a circular cross section in which the inner wall becomes a reflecting surface and gradually narrows toward the exit side. As shown in FIG. 10, when the cross section including the central axis is taken, the cross section of the inner wall faces. This is a non-imaging condensing optical system made of a rotating body that draws a parabola having a focal point at the exit end on the inner wall cross section.

CPCでは、入射開口に入射する光線は、中心軸に対する傾きがたとえば30°など設計上決まる開口角θより小さい角度である限り、全て出射開口に達する。したがって、CPCの集光効率は開口比と等しく、簡単に3〜10の値を持たせることができる。また、入射光の向きが多少変化しても、集光効率は変化しない。
CPC10の入射開口に入射した集光された太陽光8は全てLDスタック4の入力部に到達するようになっている。
また、集光した太陽光8の集光位置が多少ずれても、CPCの入射開口内に収まる限り、LDスタック4の光受容部に伝達され、周辺にある他の部材を破損させることはない。
In CPC, all the light rays incident on the entrance aperture reach the exit aperture as long as the inclination with respect to the central axis is an angle smaller than the aperture angle θ determined by design, such as 30 °. Therefore, the light collection efficiency of CPC is equal to the aperture ratio, and can easily have a value of 3 to 10. Further, the light collection efficiency does not change even if the direction of the incident light changes somewhat.
All of the collected sunlight 8 that has entered the entrance aperture of the CPC 10 reaches the input section of the LD stack 4.
Further, even if the condensed sunlight of the condensed sunlight 8 is slightly deviated, it is transmitted to the light receiving portion of the LD stack 4 as long as it falls within the entrance opening of the CPC and does not damage other members in the vicinity. .

図2は、本実施例のアクティブミラー構造体1の例を示す構成図である。図2のアクティブミラー構造体1は、宇宙空間で太陽光エネルギーをレーザー光に転換して伝送するために構成したものである。
図2に示すように、アクティブミラー構造体1は、レーザー媒体により形成されるアクティブミラー2と、熱良導体で形成され多数の光ファイバー31が縦断するように埋め込まれたヒートシンク3と、多数のレーザーダイオード(LD)が配列されたレーザーダイオードスタック(LDスタック)4と、LDスタック4の光受容面を射出開口とするCPC10とで構成される。
LDスタック4は、太陽光を直接に励起光に変換する太陽光直接励起方式のLDを多数集積した固体レーザーである。ヒートシンク3には極大面積の放熱板37を接続して、吸収しきれず熱として蓄積する太陽光エネルギーを黒体輻射により宇宙空間に放散させる。
FIG. 2 is a configuration diagram illustrating an example of the active mirror structure 1 of the present embodiment. The active mirror structure 1 in FIG. 2 is configured to convert sunlight energy into laser light and transmit it in outer space.
As shown in FIG. 2, the active mirror structure 1 includes an active mirror 2 formed of a laser medium, a heat sink 3 formed of a good thermal conductor and embedded so that a large number of optical fibers 31 run vertically, and a large number of laser diodes. A laser diode stack (LD stack) 4 in which (LD) is arranged and a CPC 10 having a light receiving surface of the LD stack 4 as an emission opening.
The LD stack 4 is a solid-state laser in which many sunlight direct excitation type LDs that directly convert sunlight into excitation light are integrated. A heat radiating plate 37 having a maximum area is connected to the heat sink 3 so that solar energy that cannot be absorbed and accumulated as heat is dissipated into outer space by black body radiation.

さらに、図3の概念的な断面図に示すように、LDスタック4の多数の発光部41はLDごとに存在し、光ファイバー31はレーザー発光部41のおのおのに対応して多数分布した状態で設けられている。
ヒートシンク3には、LDスタック3の光ファイバー31の先端に当たる位置にすり鉢形のくぼみ34が設けられていて、光ファイバー先端部の収納スペースとなり、かつ光ファイバー31から放出されるレーザー励起光をアクティブミラー2に導く導光空間33となっている。
Further, as shown in the conceptual cross-sectional view of FIG. 3, a large number of light emitting portions 41 of the LD stack 4 exist for each LD, and a large number of optical fibers 31 are provided corresponding to each of the laser light emitting portions 41. It has been.
The heat sink 3 is provided with a mortar-shaped recess 34 at a position corresponding to the tip of the optical fiber 31 of the LD stack 3, and serves as a storage space for the tip of the optical fiber, and the laser excitation light emitted from the optical fiber 31 is sent to the active mirror 2. A light guide space 33 is formed.

ヒートシンク3は、集光された太陽光8が入射するLDスタック4、レーザ光5が反射するアクティイブミラー2、レーザ励起光が透過する光ファイバー31から吸収した余剰熱を放熱フィン37に伝達する。放熱フィン37はヒートシンク3を繋いだ上、宇宙に広く突出して、装置で発生する余剰熱を宇宙空間に放射して、装置の過熱を抑制する。   The heat sink 3 transmits surplus heat absorbed from the LD stack 4 on which the collected sunlight 8 is incident, the active mirror 2 on which the laser light 5 is reflected, and the optical fiber 31 through which the laser excitation light is transmitted, to the radiation fins 37. The radiating fin 37 connects the heat sink 3 and protrudes widely into space, and radiates surplus heat generated in the device to outer space to suppress overheating of the device.

光ファイバー31の先端部に形成される導光空間33には、図4に示すように、円錐型反射鏡38を配置することが好ましい。
円錐型反射鏡38は、光ファイバー31の中心軸延長上に頂点が来るように配置される。コア32から放射されたレーザー励起光6は、反射鏡38に反射して導光空間33の開口からアクティブミラー2に入射する。
レーザー励起光6がアクティブミラー2に入射するときの入射角は、円錐型反射鏡38がなかったときと比較すると極めて大きくなり、アクティブミラー2に入射したレーザー励起光はアクティブミラー2の表面に対する傾きが小さくなり、従来より広い範囲に分散するようになる。
In the light guide space 33 formed at the tip of the optical fiber 31, it is preferable to arrange a conical reflector 38 as shown in FIG.
The conical reflecting mirror 38 is arranged so that the apex is on the extension of the central axis of the optical fiber 31. The laser excitation light 6 emitted from the core 32 is reflected by the reflecting mirror 38 and enters the active mirror 2 from the opening of the light guide space 33.
The incident angle when the laser excitation light 6 is incident on the active mirror 2 is extremely large as compared with the case where the conical reflector 38 is not provided, and the laser excitation light incident on the active mirror 2 is inclined with respect to the surface of the active mirror 2. Becomes smaller and spreads over a wider range than before.

また、表面で全反射する成分が多くなるので、アクティブミラー2の中に閉じ込められてレーザー増幅に寄与する割合が大きくなってエネルギー変換効率が向上する。
したがって、アクティブミラー2で反射するレーザー光5が効率よく増幅されるようになる。
また、この方法は、アクティブミラー2の内部に特別な工作を施す必要がないので、アクティブミラー2の加工が容易である。
In addition, since the total reflection component on the surface increases, the ratio of being confined in the active mirror 2 and contributing to laser amplification increases, and the energy conversion efficiency is improved.
Therefore, the laser beam 5 reflected by the active mirror 2 is efficiently amplified.
In addition, this method does not require any special work on the inside of the active mirror 2, so that the processing of the active mirror 2 is easy.

アクティブミラー2のヒートシンク3に接する裏面には増幅するレーザー光5に対するレーザー反射膜21が形成されていて、レーザー光5が高い反射率で反射するようになっている。なお、レーザー光5が光ファイバー31に照射すると光ファイバー31が損傷を受ける可能性があるため、レーザー反射膜21は光ファイバー31の先端位置に設けられる導光空間33の部分にも存在させることが好ましい。   A laser reflection film 21 for the laser beam 5 to be amplified is formed on the back surface of the active mirror 2 in contact with the heat sink 3 so that the laser beam 5 is reflected with a high reflectance. Since the optical fiber 31 may be damaged when the laser light 5 is applied to the optical fiber 31, the laser reflection film 21 is preferably also present in a portion of the light guide space 33 provided at the tip position of the optical fiber 31.

また、アクティブミラー2の表面はレーザー励起光6に対する反射率が高いことが求められるが、導光空間33に当たる部分はレーザー励起光6が透過する必要がある。このため、アクティブミラー2の裏面には増幅するレーザー光5に対するレーザー反射膜21を形成し、これと貼り合わせるヒートシンク3の表面に励起光に対する反射率が高い励起光反射面35を形成することが好ましい。   Further, the surface of the active mirror 2 is required to have a high reflectivity with respect to the laser excitation light 6, but the laser excitation light 6 needs to be transmitted through a portion corresponding to the light guide space 33. For this reason, a laser reflection film 21 for the laser beam 5 to be amplified is formed on the back surface of the active mirror 2, and an excitation light reflection surface 35 having a high reflectivity for the excitation light is formed on the surface of the heat sink 3 bonded thereto. preferable.

LDスタック4から放射されたレーザー励起光6は光ファイバ31のコア32を透過して端末から導光空間33に放出され、さらにアクティブミラー2中に入射する。導光空間33には円錐型反射鏡38が設けられているので、レーザ励起光6の大きな部分は、反射鏡38の表面で反射してアクティブミラー2の表面に対して浅い角度になってからアクティブミラー2中に入射し、アクティブミラー2の中に拡散する。アクティブミラー2の屈折率と外側の媒体の屈折率の関係で決まる全反射の臨界角より大きな角でアクティブミラー2の表面に入射した励起光6はアクティブミラー2の外部に放散されず、アクティブミラー2中に残ってレーザー光5の増幅に寄与する。   The laser excitation light 6 radiated from the LD stack 4 passes through the core 32 of the optical fiber 31, is emitted from the terminal to the light guide space 33, and further enters the active mirror 2. Since the conical reflecting mirror 38 is provided in the light guide space 33, a large portion of the laser excitation light 6 is reflected by the surface of the reflecting mirror 38 and becomes a shallow angle with respect to the surface of the active mirror 2. The light enters the active mirror 2 and diffuses into the active mirror 2. The excitation light 6 incident on the surface of the active mirror 2 at an angle larger than the critical angle of total reflection determined by the relationship between the refractive index of the active mirror 2 and the refractive index of the outer medium is not diffused outside the active mirror 2, 2 contributes to amplification of the laser beam 5.

アクティブミラー2は、励起光のエネルギーがレーザー光に伝達しやすいレーザー媒体で形成され、励起光の吸収率も大きい。したがって、従来手法のようにアクティブミラーの外周から励起光を注入するのでは、励起光はアクティブミラーの中で直ぐに減衰して、レーザー光増幅に対して寄与できるレーザー媒体のボリュームが大きくならない。
これに対して、本実施例のアクティブミラー構造体1では、LDスタックを用いて多数の励起光入射点を設ける上、励起光入射位置に反射鏡を配置して入射した励起光をアクティブミラーの広がり方向に拡散させるので、アクティブミラーの殆どの部分に励起光が拡散してレーザー光増幅が行えるようになり、大面積のアクティブミラーを形成することが可能になり、励起光のエネルギーをレーザー光に伝達するエネルギー変換効率が向上する。
The active mirror 2 is formed of a laser medium in which the energy of the excitation light is easily transmitted to the laser light, and has a high absorption rate of the excitation light. Therefore, when the excitation light is injected from the outer periphery of the active mirror as in the conventional method, the excitation light is immediately attenuated in the active mirror, and the volume of the laser medium that can contribute to laser light amplification does not increase.
On the other hand, in the active mirror structure 1 of the present embodiment, a large number of excitation light incident points are provided using an LD stack, and a reflection mirror is arranged at the excitation light incident position to transmit the incident excitation light to the active mirror. Because it is diffused in the spreading direction, the excitation light can be diffused in almost all parts of the active mirror and laser light amplification can be performed, and a large-area active mirror can be formed. The energy conversion efficiency transmitted to the is improved.

また、本実施例のアクティブミラー構造体1は、励起光をアクティブミラーの裏側から供給し、レーザー光が入射する表側にはレーザー光の走行の障害となるような設備を設けない。したがって、構成上の簡約化ができる上に、エネルギー変換効率も向上する。   Moreover, the active mirror structure 1 of the present embodiment supplies excitation light from the back side of the active mirror, and does not provide equipment that obstructs the running of the laser light on the front side where the laser light is incident. Therefore, the configuration can be simplified and the energy conversion efficiency is also improved.

なお、アクティブミラー2のレーザー媒体は、Nd:YAGあるいはYb:YAGのセラミックとすることが好ましい。これらのレーザ媒体は、それぞれ波長が808nmと941nm近傍で吸収率が高く、エネルギー交換を効率よく行うので、これらのレーザ媒体を使うときは、これらの波長を有するレーザ光を発生するLDをレーザ励起光源とすることが好ましい。
レーザ媒体をセラミック化することにより大型のアクティブミラーを形成することが可能になる。また、セラミック化したこれら媒体は、熱伝導率も高く熱の放出能力が大きいので、高密度実装が可能となり、結局アクティブミラー構造体が軽量化され、特に、宇宙空間に設置する場合には大きな効果が見込まれる。
The laser medium of the active mirror 2 is preferably Nd: YAG or Yb: YAG ceramic. These laser media have high absorptance in the vicinity of wavelengths of 808 nm and 941 nm, respectively, and perform energy exchange efficiently. Therefore, when using these laser media, the laser that generates laser light having these wavelengths is laser-excited. A light source is preferable.
By making the laser medium ceramic, a large active mirror can be formed. In addition, these ceramicized media have high thermal conductivity and high heat release capability, enabling high-density mounting, resulting in a lighter active mirror structure, especially when installed in outer space. The effect is expected.

なお、図5に示すように、図4に示した円錐型反射鏡38の代わりに、アクティブミラー2の増幅するレーザー光5が入射する側の面に底面を持った円錐型反射鏡22を設けてもよい。
円錐型反射鏡22は、各光ファイバー31ごとに設けられ、コア32のある中心軸の延長上に頂点が来るように配置される。光ファイバー31から放射されアクティブミラー2に入射したレーザー励起光6は、反射鏡22に反射して進行方向を屈曲し、広い範囲に励起光が到達するようになる。さらに、反射後の励起光6は、アクティブミラー2の表面で全反射してアクティブミラー2の中に閉じ込められる割合が大きくなってエネルギー変換効率が向上する。
反射鏡22は、レーザー媒体に円錐状の凹みを形成しその壁面に金属を堆積させて、または誘電体多層膜によるダイクロイックミラーの反射面23とすることによって形成したものであってもよい。
As shown in FIG. 5, instead of the conical reflector 38 shown in FIG. 4, a conical reflector 22 having a bottom surface on the surface on which the laser beam 5 to be amplified of the active mirror 2 is incident is provided. May be.
The conical reflector 22 is provided for each optical fiber 31 and is arranged so that the apex is on the extension of the central axis where the core 32 is located. The laser excitation light 6 emitted from the optical fiber 31 and incident on the active mirror 2 is reflected by the reflecting mirror 22 and bent in the traveling direction so that the excitation light reaches a wide range. Furthermore, the ratio of the reflected excitation light 6 that is totally reflected on the surface of the active mirror 2 and confined in the active mirror 2 increases, and the energy conversion efficiency is improved.
The reflecting mirror 22 may be formed by forming a conical recess in the laser medium and depositing metal on the wall surface thereof, or forming the reflecting surface 23 of a dichroic mirror made of a dielectric multilayer film.

また、反射鏡22の反射面23は、放物線を光ファイバー31の中心軸を回転軸とする放物線回転面であってもよい。このような放物線回転面で反射した励起光6は、アクティブミラー2の表面とほぼ平行の方向に放射されて、励起光6がアクティブミラー2内を最も遠方まで到達する。   Further, the reflecting surface 23 of the reflecting mirror 22 may be a parabolic rotating surface having a parabola as a rotation axis about the central axis of the optical fiber 31. The excitation light 6 reflected by such a parabolic rotation surface is emitted in a direction substantially parallel to the surface of the active mirror 2, and the excitation light 6 reaches the farthest inside the active mirror 2.

なお、円錐型反射鏡38の代わりに、別の光学的方法を用いることもできる。たとえば、導光空間33に対峙してアクティブミラー2にレーザー励起光を入射する位置に円錐形の凹みを形成したものを利用してもよい。レーザー励起光6が凹みの表面からアクティブミラー2に入射するときは入射角より屈折角の方が小さいので、アクティブミラー2内におけるレーザー励起光の進行方向はアクティブミラー2表面との角度が小さくなり、励起光の浸透領域を広げる効果がある。   Instead of the conical reflector 38, another optical method can be used. For example, a conical dent formed at a position where the laser excitation light enters the active mirror 2 facing the light guide space 33 may be used. When the laser excitation light 6 is incident on the active mirror 2 from the concave surface, the refraction angle is smaller than the incident angle, so that the traveling direction of the laser excitation light in the active mirror 2 is smaller with respect to the surface of the active mirror 2. This has the effect of expanding the penetration area of the excitation light.

また、光ファイバー31の先端部に形成される導光空間33に凹レンズを配置して、レーザー励起光がアクティブミラー2の表面に入射する角度をより大きくしてもよい。凹レンズは、レーザ励起光の進行方向をアクティブミラー2の拡がり方向に近づけるので、アクティブミラー2の内部でレーザー光を円滑に増幅することができる。また、アクティブミラー2の内部に特別な構造を形成しないので、アクティブミラー2の加工が簡単である。   Further, a concave lens may be disposed in the light guide space 33 formed at the tip of the optical fiber 31 so that the angle at which the laser excitation light enters the surface of the active mirror 2 may be increased. Since the concave lens brings the traveling direction of the laser excitation light closer to the spreading direction of the active mirror 2, the laser light can be smoothly amplified inside the active mirror 2. Moreover, since no special structure is formed inside the active mirror 2, the processing of the active mirror 2 is simple.

図6は、本実施例のアクティブミラー構造体1の別の例を示す構成図である。図6のアクティブミラー構造体1も、宇宙空間で太陽光エネルギーをレーザー光に転換して伝送するために構成したもので、図2のものと比較すると、LDスタック4として電力により励起光に変換するLDを集積したものを使用するところが異なる。
このため、LDスタック4に電力ケーブル92を介して太陽電池9を接続し、太陽電池9の光受容面を射出開口とするCPC10を設けてある。
FIG. 6 is a configuration diagram showing another example of the active mirror structure 1 of the present embodiment. The active mirror structure 1 in FIG. 6 is also configured to transmit solar energy by converting it into laser light in outer space. Compared with that in FIG. 2, the LD stack 4 converts it into excitation light by electric power. The place where the thing which integrated LD which does is used is different.
For this reason, the solar cell 9 is connected to the LD stack 4 via the power cable 92, and the CPC 10 having the light receiving surface of the solar cell 9 as an emission opening is provided.

集光した太陽光8をCPC10で受容して、太陽電池9の光受容面に集光し、太陽光エネルギーを太陽電池9で電力変換し、LDスタック4が電力ケーブル92を通して供給される電力でレーザー励起光を発生してアクティブミラー2に供給する。励起したアクティブミラー2で反射して増幅された出力レーザー光51は、出力反射鏡7により放出方向を調節されて遠隔の受光装置に向かって射出される。
太陽電池9も、変換しきれない太陽エネルギーで過熱するのを防ぐため、大きな放熱板37を接続して、蓄積する熱を宇宙空間に放散させる。
The collected sunlight 8 is received by the CPC 10, condensed on the light receiving surface of the solar cell 9, the solar energy is converted into power by the solar cell 9, and the LD stack 4 is supplied with power supplied through the power cable 92. Laser excitation light is generated and supplied to the active mirror 2. The output laser beam 51 reflected and amplified by the excited active mirror 2 is emitted toward the remote light receiving device after the emission direction is adjusted by the output reflecting mirror 7.
In order to prevent the solar cell 9 from being overheated by solar energy that cannot be converted, a large heat radiating plate 37 is connected to dissipate the accumulated heat into outer space.

図7は本実施例の第2の態様に係る太陽光励起固体レーザー装置の概念図、図8はレーザー光反射部分の断面図、図9は平面図である。
本態様も、レーザー光5を発振するレーザ発生器52と、対向して千鳥に配列されたアクティブミラー2により形成され、CPC10を用いてアクティブミラー2に太陽光8を集めるアクティブミラー型レーザー装置であるが、アクティブミラー2のレーザー光反射面に集光した太陽光8を直接照射するところが図1に示す第1の態様と異なる。
FIG. 7 is a conceptual diagram of a solar light pumped solid state laser device according to the second mode of the present embodiment, FIG. 8 is a sectional view of a laser light reflecting portion, and FIG. 9 is a plan view.
This embodiment is also an active mirror type laser device that is formed by a laser generator 52 that oscillates laser light 5 and active mirrors 2 arranged in a staggered manner and that collects sunlight 8 on the active mirror 2 using a CPC 10. There is a difference from the first mode shown in FIG. 1 in that the sunlight 8 collected directly on the laser light reflecting surface of the active mirror 2 is directly irradiated.

アクティブミラー2は、たとえば、Crを添加したNd:YAGのセラミックで形成される。Nd/Cr:YAGは太陽光8の吸収とレーザー光5への変換の効率が比較的高く、また、セラミック化することにより大型のレーザー媒体を形成すること可能である。
レーザ発生器52から射出されたレーザー光5は、太陽光8で励起されたアクティブミラー2で順次繰り返し反射して増幅され、太陽光エネルギーを変換した光エネルギーを搬送する出力レーザー光51として端面から放出される。
The active mirror 2 is formed of, for example, Nd: YAG ceramic to which Cr is added. Nd / Cr: YAG is relatively high in the efficiency of absorption of sunlight 8 and conversion into laser light 5, and it is possible to form a large laser medium by making it ceramic.
The laser light 5 emitted from the laser generator 52 is sequentially reflected and amplified by the active mirror 2 excited by the sunlight 8 and amplified, and is output from the end face as output laser light 51 that carries light energy converted from sunlight energy. Released.

アクティブミラー2は裏面にヒートシンク3を密着接合して、レーザー媒体で発生する熱を速やかにヒートシンク3に移転し、ヒートシンク3は放熱フィン37に熱を伝えて宇宙空間に輻射させ、装置の昇温を防止する。
本態様におけるCPC10は、レーザー光5の通路を遮る位置に配置されるので、レーザー5の通路と干渉する位置にレーザ光5を透過する透過窓101を備える。透過窓101は単にCPC10の反射壁を切り欠いた孔であってもよいし、太陽光8の反射面を確保しながらレーザー光5の波長成分をよく透過するダイクロイックミラーであってもよい。
なお、CPC10の全反射面を太陽光8の殆どを反射しレーザー光5を透過するダイクロイックミラー面で形成してもよい。
The active mirror 2 has a heat sink 3 closely bonded to the back surface, and the heat generated by the laser medium is quickly transferred to the heat sink 3. The heat sink 3 transmits heat to the radiation fins 37 and radiates it to outer space, thereby increasing the temperature of the apparatus. To prevent.
Since the CPC 10 in this embodiment is disposed at a position that blocks the path of the laser light 5, the CPC 10 includes a transmission window 101 that transmits the laser light 5 at a position that interferes with the path of the laser 5. The transmission window 101 may simply be a hole in which the reflection wall of the CPC 10 is cut out, or may be a dichroic mirror that transmits the wavelength component of the laser beam 5 well while ensuring the reflection surface of the sunlight 8.
The total reflection surface of the CPC 10 may be formed of a dichroic mirror surface that reflects most of the sunlight 8 and transmits the laser light 5.

本態様の太陽光励起固体レーザー装置は、アクティブミラー2が太陽光8を受容して直接的にレーザー媒体を励起し、アクティブミラー2中を透過するレーザー光5のエネルギーに転換するので、比較的簡素な構成で効率のよい太陽光利用を図ることができる。   Since the active mirror 2 receives the sunlight 8 and directly excites the laser medium and converts it into the energy of the laser beam 5 that passes through the active mirror 2, the solar-excited solid-state laser device of this aspect is relatively simple. Efficient use of sunlight can be achieved with a simple configuration.

図10は、図1あるいは図7に示した本実施例の太陽光励起固体レーザー装置を用いて構成する宇宙太陽レーザー発生装置の概念図である。
図10に示す宇宙太陽レーザー発生装置では、太陽光16は大面積の凹面鏡を構成する第1集光器11でエネルギー密度を約100倍にして縦長の第2集光器12に集中し、第2集光器12で反射して縦方向に配設されたレーザー増幅器14の両側にそれぞれ設けられたCPC13に入射させる。第2集光器12とCPC13でほぼ10倍に集光すると、受光部における太陽光のエネルギー密度は1000倍になる。
CPC13に入射した太陽光は、レーザー増幅器14でレーザー光エネルギーに変換されて、出力レーザー光17として地上などのエネルギー需要地にある受容施設に伝搬される。
利用できなかったエネルギーは構造支持構造を兼ねる放熱板15の黒体輻射により宇宙空間に放出して、システムの昇温を防止する。
FIG. 10 is a conceptual diagram of a space solar laser generator configured using the solar light pumped solid state laser device of the present embodiment shown in FIG. 1 or FIG.
In the space solar laser generator shown in FIG. 10, the sunlight 16 is concentrated on the vertically long second condenser 12 by increasing the energy density by about 100 times with the first condenser 11 constituting a concave mirror having a large area. The light is reflected by the two concentrators 12 and is incident on the CPCs 13 provided on both sides of the laser amplifier 14 arranged in the vertical direction. When the second condenser 12 and the CPC 13 condense the light approximately 10 times, the energy density of sunlight in the light receiving part becomes 1000 times.
Sunlight incident on the CPC 13 is converted into laser light energy by the laser amplifier 14 and propagated as an output laser light 17 to a receiving facility in an energy demand place such as the ground.
The energy that could not be used is released into outer space by the black body radiation of the heat radiating plate 15 that also serves as the structure support structure, and the temperature rise of the system is prevented.

効率の高い太陽エネルギー利用を達成するためには、図中の放熱板を太陽光線に平行に向け、第1集光器11の受光面を太陽の方向に向けて、集光器上に陰を作らず太陽光線に対する受光面の角度を垂直に維持することが必要である。
太陽に対する追尾制御の性能が劣る場合は、受光部への入射角が変化し集中した太陽光が周辺機器に照射して損傷を与えたり受光する太陽エネルギーが変動することがある。しかし、CPC13を介在させているため、収束太陽光入射方向の許容範囲を拡大し、機器の損傷を防止しエネルギー変動を抑制することができる。
In order to achieve efficient use of solar energy, the heat sink in the figure is directed parallel to the sunlight, the light receiving surface of the first collector 11 is directed toward the sun, and the shade is shaded on the collector. It is necessary to maintain the angle of the light receiving surface with respect to sunlight without making it.
When the performance of tracking control with respect to the sun is inferior, the incident angle to the light receiving section changes, and concentrated sunlight irradiates peripheral devices to damage or receive received solar energy. However, since the CPC 13 is interposed, it is possible to expand the allowable range in the convergent sunlight incident direction, prevent damage to the device, and suppress energy fluctuation.

本発明の1実施例に係る太陽光励起固体レーザー装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the sunlight excitation solid-state laser apparatus which concerns on one Example of this invention. 本実施例で使用するアクティブミラー構造体の例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the example of the active mirror structure used in a present Example. 本実施例におけるアクティブミラー構造体の主要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the active mirror structure in a present Example. 本実施例におけるアクティブミラーへの導光部を例示する拡大構成図である。It is an enlarged block diagram which illustrates the light guide part to the active mirror in a present Example. 本実施例のアクティブミラーへの導光部の別の態様を示す拡大構成図である。It is an enlarged block diagram which shows another aspect of the light guide part to the active mirror of a present Example. 本実施例のアクティブミラー構造体の別の例を示す構成図である。It is a block diagram which shows another example of the active mirror structure of a present Example. 本実施例の第2の態様に係る太陽光励起固体レーザー装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the sunlight excitation solid-state laser apparatus which concerns on the 2nd aspect of a present Example. 第2態様に係る太陽光励起固体レーザー装置におけるCPC部分の断面図である。It is sectional drawing of the CPC part in the sunlight excitation solid-state laser apparatus which concerns on a 2nd aspect. 図8のCPC部分の平面図である。It is a top view of the CPC part of FIG. 本実施例の太陽光励起固体レーザー装置を用いて構成した宇宙太陽レーザー発生装置の概念図である。アクティブミラーを使用した固体レーザー装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the space solar laser generator comprised using the sunlight excitation solid-state laser apparatus of a present Example. It is a conceptual diagram of the solid-state laser apparatus using an active mirror. 従来のアクティブミラー型レーザ発生装置を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the conventional active mirror type laser generator. 複合放物面集光器(CPC) の光軸を含む断面図である。It is sectional drawing containing the optical axis of a compound parabolic concentrator (CPC).

符号の説明Explanation of symbols

1 アクティブミラー構造体
2 アクティブミラー
21 レーザー反射膜
22 反射鏡
23 反射面
24 回転軸
25 円錐形凹み
3 ヒートシンク
31 光ファイバー
32 コア
33 導光空間
34 すり鉢形くぼみ
35 励起光反射面
36 凹レンズ
37 放熱フィン
38 反射鏡
4 レーザーダイオードスタック(LDスタック)
5 レーザー光
51 出力レーザー光
52 レーザー発生器
6 レーザー励起光
7 出力反射鏡
8 太陽光
9 太陽電池
91 放熱フィン
92 電力ケーブル
10 CPC集光光学系
101 透過窓
11 第1集光器
12 第2集光器
13 CPC集光器
14 レーザー増幅器
15 放熱板
16 太陽光
17 出力レーザー光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Active mirror structure 2 Active mirror 21 Laser reflecting film 22 Reflective mirror 23 Reflecting surface 24 Rotating shaft 25 Conical recess 3 Heat sink 31 Optical fiber 32 Core 33 Light guide space 34 Mortar-shaped recess 35 Excitation light reflecting surface 36 Concave lens 37 Radiation fin 38 Reflector 4 Laser diode stack (LD stack)
5 Laser Light 51 Output Laser Light 52 Laser Generator 6 Laser Excitation Light 7 Output Reflector 8 Sunlight 9 Solar Cell 91 Radiation Fin 92 Power Cable 10 CPC Condensing Optical System 101 Transmission Window 11 First Concentrator 12 Second Collection Optical device 13 CPC concentrator 14 Laser amplifier 15 Heat sink 16 Sunlight 17 Output laser light

Claims (8)

レーザ光を放射するレーザ発生装置と、余剰熱を放散するヒートシンクを裏側に密接して設けた1個以上のアクティブミラーを備えて、該アクティブミラーを集光した太陽光で励起して、該アクティブミラー反射面で反射する間に前記レーザ光を増幅して放射する固体レーザ装置であって、
前記アクティブミラーの前面に該アクティブミラーの反射面を射出開口とする複合放物面集光器(CPC)を配置して前記太陽光を該CPCの入射開口に投射させるように配置し、前記CPCの側面の前記レーザ光の光路位置に該レーザ光が透過する窓を設けたことを特徴とする太陽光励起固体レーザ装置。
A laser generator that emits laser light, and one or more active mirrors provided in close contact with a heat sink that dissipates surplus heat are provided. A solid-state laser device that amplifies and emits the laser light while reflecting on a mirror reflecting surface,
A compound parabolic concentrator (CPC) having a reflection surface of the active mirror as an exit aperture is disposed on the front surface of the active mirror so that the sunlight is projected onto an entrance aperture of the CPC, and the CPC A solar-excited solid-state laser device, wherein a window through which the laser beam is transmitted is provided in the optical path position of the laser beam on the side surface of the solar beam.
前記レーザ光が透過する窓は、前記レーザ光を透過するダイクロイックミラーで形成されることを特徴とする請求項1記載の太陽光励起固体レーザ装置。 2. The solar light pumped solid state laser device according to claim 1, wherein the window through which the laser beam is transmitted is formed by a dichroic mirror that transmits the laser beam. 前記アクティブミラーは、Crを添加したNd:YAGのセラミックで形成されることを特徴とする請求項1または2記載の太陽光励起固体レーザ装置。 3. The solar light pumped solid state laser device according to claim 1, wherein the active mirror is made of Nd: YAG ceramic to which Cr is added. レーザ光を放射するレーザ発生装置と、余剰熱を放散するヒートシンクを裏側に密接して設けた1個以上のアクティブミラーを備えて、該アクティブミラーを集光した太陽光で励起して、該アクティブミラー反射面で反射する間に前記レーザ光を増幅して放射する固体レーザ装置であって、
前記アクティブミラー裏面のヒートシンクの裏面に太陽光で励起するレーザダイオード(LD)スタックを設け、該LDスタックの各放射レーザ光を発光端から前記アクティブミラーに導く光ファイバを該ヒートシンクを貫通して備え、該LDスタックのLDを励起する太陽光を受容する面の外側に該受容面を射出開口とする複合放物面集光器(CPC)を配置して、前記集光した太陽光を該CPCの入射開口に投射させるようにしたことを特徴とする太陽光励起固体レーザ装置。
A laser generator that emits laser light, and one or more active mirrors provided in close contact with a heat sink that dissipates surplus heat are provided. A solid-state laser device that amplifies and emits the laser light while reflecting on a mirror reflecting surface,
A laser diode (LD) stack excited by sunlight is provided on the back surface of the heat sink on the back surface of the active mirror, and an optical fiber is provided through the heat sink to guide each laser beam of the LD stack from the light emitting end to the active mirror. A compound parabolic concentrator (CPC) having the receiving surface as an exit aperture is disposed outside the surface of the LD stack that receives the sunlight that excites the LD, and the collected sunlight is converted into the CPC. A solar-excited solid-state laser device characterized by projecting to an incident aperture of the solar light.
前記LDスタックは、裏の受容面に太陽光を照射すると直接にレーザ光を発生する太陽光直接励起方式レーザダイオードスタックであることを特徴とする請求項4記載の太陽光励起固体レーザ装置。 The solar-pumped solid-state laser device according to claim 4, wherein the LD stack is a solar direct-pumped laser diode stack that directly generates laser light when sunlight is irradiated onto the back receiving surface. 前記LDスタックは、前記受容面に照射した太陽光により起電力を発生する太陽電池から電力の供給を受けて前記アクティブミラーを励起する光を発生するレーザダイオードを多数分布させたレーザダイオードスタックであることを特徴とする請求項4記載の太陽光励起固体レーザ装置。 The LD stack is a laser diode stack in which a large number of laser diodes that generate power for exciting the active mirror upon receiving power from a solar cell that generates electromotive force by sunlight irradiated on the receiving surface are distributed. The solar light pumped solid state laser device according to claim 4. 前記光ファイバーから放出される前記励起光が前記アクティブミラーに入射した後に少なくとも一部が前記アクティブミラーの表面内側で全反射する方向角を持つことを特徴とする請求項4から6のいずれかに記載の太陽光励起固体レーザ装置。 7. The directional angle according to claim 4, wherein at least a part of the excitation light emitted from the optical fiber is totally reflected inside the surface of the active mirror after being incident on the active mirror. 8. Solar-pumped solid-state laser device. 請求項1から7のいずれかに記載の太陽光励起固体レーザ装置を備えて、宇宙空間で太陽光エネルギーをレーザ光に変換し、該レーザ光によりエネルギーを需要場所に伝送することを特徴とする太陽光利用固体レーザシステム。 A solar comprising the solar light pumped solid-state laser device according to any one of claims 1 to 7, wherein solar energy is converted into laser light in outer space, and energy is transmitted to a demand place by the laser light. Optical solid-state laser system.
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