JP2013235930A - Sunlight-pumped laser oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽光により励起される太陽光励起レーザー発振装置に関する。 The present invention relates to a solar light excitation laser oscillation device excited by sunlight.
地球環境問題を解決するために、太陽光の有効利用が考えられている。一例として、太陽光により励起されるレーザー発振装置がある。このような太陽光励起レーザー発振装置において、レーザー媒体へ太陽光を集光する方法としては、棒状のレーザー媒体の出力端部からレーザー媒体の長手方向の軸から離れる方向に延びるテーパー状の反射面に太陽光を反射させてレーザー媒体に集光する方法がある(例えば、特許文献1参照)。 Effective use of sunlight is considered to solve global environmental problems. As an example, there is a laser oscillation device excited by sunlight. In such a solar-excited laser oscillation apparatus, as a method of concentrating sunlight on the laser medium, a tapered reflecting surface extending in a direction away from the longitudinal axis of the laser medium from the output end of the rod-shaped laser medium is used. There is a method of reflecting sunlight and condensing it on a laser medium (see, for example, Patent Document 1).
しかし、特許文献1に記載されているようなテーパー状の反射面による集光方法では、太陽光がレーザー媒体の出力端部付近に集中して集光され、レーザー媒体が吸収する太陽光のエネルギーがその部分だけ大幅に大きくなる結果、その出力端部付近でのレーザー媒体の歪みが大きくなり破損するおそれがある。 However, in the condensing method using a tapered reflecting surface as described in Patent Document 1, sunlight is concentrated and concentrated near the output end of the laser medium and absorbed by the laser medium. As a result, only that portion becomes significantly large, and as a result, the distortion of the laser medium in the vicinity of the output end portion becomes large and may be damaged.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、太陽光からレーザー光への変換効率及びレーザー媒体の耐久性を向上させることが可能な太陽光励起レーザー発振装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a solar light excitation laser oscillation device capable of improving the conversion efficiency from sunlight to laser light and the durability of the laser medium. To do.
上記目的を達成するため、本発明のレーザー発振装置は、
太陽光に励起されてレーザー光を出力する棒状のレーザー媒質と、
前記レーザー媒質の長手方向の軸に対して前記レーザー媒質の側方に位置し、前記軸に対してそれぞれ異なる傾斜角を有し、前記太陽光を反射する複数の反射面と、
を備え、
前記複数の反射面は、前記レーザー媒質の出力端部側の位置から、前記レーザー媒質の出力端部と反対側の端部側の位置へ向かうにつれて、前記レーザー媒質の長手方向の軸から離れるように、前記軸に対して傾斜する外向傾斜面を含む、
ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the laser oscillation device of the present invention comprises:
A rod-shaped laser medium that emits laser light when excited by sunlight; and
A plurality of reflecting surfaces that are located laterally of the laser medium with respect to the longitudinal axis of the laser medium, have different inclination angles with respect to the axis, and reflect the sunlight;
With
The plurality of reflecting surfaces are separated from the longitudinal axis of the laser medium from the position on the output end side of the laser medium toward the position on the end side opposite to the output end of the laser medium. Including an outwardly inclined surface inclined with respect to the axis,
It is characterized by that.
前記外向傾斜面は、
前記軸に対して第1の角度で傾斜する第1外向傾斜面と、
前記軸に対して第1の角度よりも小さい第2の角度で傾斜する第2外向傾斜面と、
前記第1外向傾斜面とともに前記第2外向傾斜面を挟んで前記レーザー媒質の出力端部側に位置し、前記軸に対して第2の角度よりも大きい第3の角度で傾斜する第3外向傾斜面と、
を含んでもよい。
The outwardly inclined surface is
A first outwardly inclined surface inclined at a first angle with respect to the axis;
A second outwardly inclined surface that is inclined with respect to the axis at a second angle smaller than the first angle;
A third outward direction that is located on the output end side of the laser medium with the second outwardly inclined surface sandwiched between the second outwardly inclined surface and that is inclined at a third angle larger than the second angle with respect to the axis. An inclined surface;
May be included.
媒質を介して前記レーザー媒質の少なくとも一部を覆い、前記媒質よりも屈折率が大きいプリズムをさらに備えてもよい。 You may further provide the prism which covers at least one part of the said laser medium through a medium, and has a refractive index larger than the said medium.
前記レーザー媒質と水とを収容するガラス管をさらに備え、
前記プリズムは、前記ガラス管の外側側面に配置されてもよい。
Further comprising a glass tube containing the laser medium and water;
The prism may be disposed on an outer side surface of the glass tube.
前記複数の反射面は、前記レーザー媒質の出力端部側の位置から、前記レーザー媒質の出力端部と反対側の端部側の位置へ向かうにつれて、前記レーザー媒質の長手方向の軸に近づくように、前記軸に対して傾斜する内向傾斜面をさらに含んでもよい。 The plurality of reflection surfaces approach the longitudinal axis of the laser medium from the position on the output end side of the laser medium toward the position on the end side opposite to the output end of the laser medium. In addition, an inwardly inclined surface that is inclined with respect to the axis may be further included.
前記レーザー媒質の出力端部と反対側の端部と対向して配置されるガラス窓をさらに備え、
前記媒質及び前記レーザー媒質は、前記ガラス窓と前記複数の反射面とにより形成される空間内に収容され、
前記プリズムは、前記ガラス窓の前記空間を形成する面と反対側の面に配置されてもよい。
A glass window disposed opposite to the end opposite to the output end of the laser medium,
The medium and the laser medium are accommodated in a space formed by the glass window and the plurality of reflecting surfaces,
The prism may be disposed on a surface of the glass window opposite to a surface forming the space.
前記反射面は、ガラス材料に前記太陽光を反射する表面処理が施されることにより形成されてもよい。 The reflective surface may be formed by subjecting a glass material to a surface treatment that reflects the sunlight.
前記反射面は、樹脂材料に前記太陽光を反射する表面処理が施されることにより形成されてもよい。 The reflective surface may be formed by subjecting a resin material to a surface treatment that reflects the sunlight.
本発明によれば、太陽光からレーザー光への変換効率及びレーザー媒体の耐久性を向上させることが可能な太陽光励起レーザー発振装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sunlight excitation laser oscillation apparatus which can improve the conversion efficiency from sunlight to a laser beam and durability of a laser medium can be provided.
(実施形態1)
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
(Embodiment 1)
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置1の概略構成例を示す模式図である。図2は、太陽光励起レーザー発振装置1で使用するフレネルレンズ10の平面図である。図3は、フレネルレンズ10による集光の様子を示す模式図である。図4は、太陽光励起レーザー発振装置1の光ガイド20及びレーザーキャビティ30を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration example of a solar light pumped laser oscillation device 1 according to the present embodiment. FIG. 2 is a plan view of the Fresnel
図1に示すように、太陽光励起レーザー発振装置1は、太陽光を集光するフレネルレンズ10と、集光された太陽光をレーザーの励起光として導く光ガイド20と、レーザー光を共振させるレーザーキャビティ30と、を備える。そして、太陽光励起レーザー発振装置1は、発生したレーザー光を、ターゲット2の一例である酸化マグネシウム(MgO)に照射し、マグネシウム(Mg)の蒸気を発生させて、酸化マグネシウムからマグネシウムを得る。なお、ターゲット2としては、発生したレーザー光により加工するための金属やプラスチック、あるいは高温に加熱して還元することによって精製するための酸化マグネシウム等の酸化物材料を用いても良い。
As shown in FIG. 1, a sunlight-excited laser oscillation device 1 includes a Fresnel
図2に示すように、フレネルレンズ10は、1〜2m四方の分割レンズ11を4枚組み合わせて構成した四分割方式のフレネルレンズである。フレネルレンズ10は、屈折方式で太陽光を集光するために、プラスチックの片面に図2で示すような溝11aを有する。この溝11aは、反射損失が小さくなるように分割レンズ11の出射面に形成されている。分割レンズ11の入出射面には、散乱損失が数%以下となるように深紫外波長域で発光するエキシマランプを用いて表面処理が施されている。また、分割レンズ11の入出射面には、“光学薄膜の形成方法”の特許技術(特許第3905035号)を用いて表面に誘電体光学薄膜が蒸着され、反射率を数%以下にしてある。このように、フレネルレンズ10は、深紫外光によって表面改質されている。なお、フレネルレンズ10の分割数は4つに限定されず、また、分割レンズ11の形状は正方形に限定されず、分割レンズ11を合わせて、フレネルレンズ10の効果を奏すればよい。
As shown in FIG. 2, the Fresnel
図3に示すように、焦点距離fのフレネルレンズ10の焦点の位置に、レーザーキャビティ30の端部付近が位置するように、光ガイド20が配置される。そして、フレネルレンズ10は、太陽光Sを光ガイド20の中心部(レーザーハウジングの中心部)に集光させる。また、フレネルレンズ10の光軸は、レーザー媒質31の長手方向の軸X(レーザー媒質31の光軸)に対して平行である。なお、レーザー媒質31の詳細については、後述する。このように、フレネルレンズ10は、太陽光Sを集光して光ガイド20に入射させる集光手段の一例として機能する。
As shown in FIG. 3, the
次に、図4に示すように、光ガイド20は、集光された太陽光Sfを内部に透過させる太陽光入射窓21と、太陽光Sfを反射してレーザー媒質31に導く複数の反射面22(22a,22b)と、レーザーキャビティ30を収納するレーザーハウジング23と、を有する。なお、フレネルレンズ10で集光された太陽光Sfの集光径は、焦点付近で50mm程度もあるため、光ガイド20を設けることが必要不可欠となる。光ガイド20は、フレネルレンズ10で集光された太陽光Sfを高効率でレーザーキャビティ30へガイドする役目がある。
Next, as shown in FIG. 4, the
太陽光入射窓21は、フレネルレンズ10の光軸に平行に入射する垂直入射光Sf1に対して垂直に配置され、ガラス等の板状の透明材料から形成される。このように、太陽光Sfを取り入れる光ガイド20の入射窓の面が、フレネルレンズ10の光軸と垂直に配置される。
The
反射面22は、レーザー媒質31の長手方向の軸Xに対してレーザー媒質31の側方に位置し、レーザーハウジング23の内面に形成される。反射面22には、高反射金属膜が冷却水によって腐食し、反射率低下を防止するために太陽光を吸収しない誘電体多層膜を蒸着している。例えば、反射面として、耐水性薄膜付きのAlやAg鏡、あるいは、AlやAg膜の上に誘電体多層膜をコーティングした反射鏡が用いられていて、反射率が95%以上である。また、ガラス材料や樹脂材料に太陽光を反射する表面処理を施すことにより反射面22を形成してもよい。このような廉価な材料を表面処理することにより反射面22を形成することで、低コストを実現することができる。
The
次に、具体的な反射面22の形状について説明する。本実施形態に係る反射面22は、レーザー媒質の出力端部からレーザー媒質の長手方向の軸Xから離れる方向に延びるように、2段のテーパー形状の反射面、すなわち、第1反射面22aと、第2反射面22bと、から構成される。
Next, a specific shape of the reflecting
第1反射面22aは、レーザー媒質31の出力端部側の位置から、レーザー媒質の出力端部と反対側の端部の位置へ向かうにつれて、軸Xから離れるように、軸Xに対して傾斜する面である。すなわち、第1反射面22aは、レーザーハウジング23内から太陽光入射窓21に向かう方向(外向き)に面が向くように傾斜する外向傾斜面である。第1反射面22aは、軸Xに対して、角度θ1だけ傾斜している。
The first reflecting
ここで、第1反射面22aの軸Xに対する傾斜角である角度θ1は、図5(a)及び(b)に示すような1段のテーパー形状に形成された反射面220を有する従来の太陽光励起レーザー発振装置の反射面220の傾斜角よりも大きい。
Here, the angle θ 1, which is an inclination angle of the first reflecting
第2反射面22bは、第1反射面22aのレーザー媒質31の出力端部側の端部から連続的にレーザー媒質31の出力端部へ延びるように形成される反射面である。第2反射面22bは、軸Xと略平行な面である。
The second reflecting
次に、レーザーハウジング23は、太陽光入射窓21と反射面22とにより形成される空間24を有し、空間が冷却水で満たされている。レーザーハウジング23は、冷却水入口25及び冷却水出口26を有し、外部から空間24に冷却水を供給し、排出できるように構成されている。冷却水入口25及び冷却水出口26は、外部から空間24に連結するように、レーザーハウジング23内部を貫通し、空間24に達している。また、レーザーハウジング23の材料には、金属、プラスチック、ガラス、およびセラミックなどが使用されている。
Next, the
次に、レーザーキャビティ30は、図1や図4に示すように、太陽光により励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質31と、レーザー媒質31の端部であって、太陽光入射窓21に対向する面に形成された高反射膜32と、レーザー媒質31のレーザー光を出力する端部である出力端部の面に形成された反射防止膜33と、レーザー媒質31の出力端部に対向する位置に設置された出力ミラー34と、を有する。
Next, as shown in FIGS. 1 and 4, the
レーザー媒質31の材質は、NdとCrを共添加したYAG(Y3Al5O12)、GSGG(Gd3Ac2Al3O12)、或いは高濃度のNdを添加したYAG、GSGG、GGG(Gd3Ga5O12)等の固体レーザー結晶(または、セラミック)である。レーザー媒質31の形状は、断面形状が円形の棒状である。しかし、レーザー媒質31の断面形状は円形に限られず、例えば光ガイド20の形状に応じて適宜決定してもよい。
The material of the
高反射膜32は、レーザー媒質31の発振波長で高反射する誘電体多層膜を蒸着することにより形成されている。例えば、YAG結晶を用いた場合は、波長1.064μm用の高反射膜(反射率99%以上)が蒸着により形成されている。そして、高反射膜32は、レーザー媒質31内において励起された波長1.064μmの光のみを反射し、他の波長の光、すなわち、太陽光入射窓21を通過して入射してくる太陽光のほとんどは、高反射膜32を透過して、レーザー媒質31に入射する。
The
反射防止膜33は、波長1.064μmの反射防止膜(反射率0.2%以下)を蒸着することにより形成されている。反射防止膜33は、レーザーキャビティ30内での反射損失の防止や、他のモードの発振を防止する。
The
出力ミラー34は、図4に示すように、レーザー媒質31の出力端部に対向する凹面34aを有する。そして、出力ミラー34の凹面34aは、レーザー媒質31の熱レンズ効果を補正する効果を有する。レーザーキャビティ30において成長したレーザー光が、出力ミラー34から外部へ出力される。レーザー光の出力は出力ミラー34の凹面34aの曲率半径と反射率に大きく左右されるため、出力ミラー34は、調整が容易な構成になっている。
As shown in FIG. 4, the
レーザー媒質31は、太陽光により光ポンピングされる。高反射膜32を通過した太陽光はレーザー媒質31内部に入射してレーザー媒質31を励起し(軸方向励起)、光ガイド20の反射面22で反射された太陽光は、レーザー媒質31内部に入射してレーザー媒質31を励起する(側面励起)。
The
次に、太陽光励起レーザー発振装置1の動作例として、光ガイド20における集光について、従来の太陽光励起レーザー発振装置の光ガイド200の反射面220と比較して説明する。なお、従来の太陽光励起レーザー装置は、その光ガイド200の反射面220が略円錐状、すなわち1段のテーパー形状となるように形成されている点において本実施形態に係る太陽光励起レーザー装置1と異なり、それ以外の構成は、同様であるものとする。
Next, as an operation example of the sunlight-excited laser oscillation device 1, focusing on the
図5(a)及び(b)は、光ガイド200内における集光の様子を示す模式図である。なお、図5(a)は、光ガイド200内において反射面220の端面付近で反射した場合、(b)は、光ガイド200内における反射面220の奥で反射した場合を表す。
FIGS. 5A and 5B are schematic views showing the state of light collection in the
図1に示すように、太陽光Sは、フレネルレンズ10により集光され、太陽光Sfとして太陽光入射窓21を通過して光ガイド20内に入射する。この集光された入射光は、レーザー媒質31の径にほぼ等しくなるまで太陽光の径が絞られ、レーザー媒質31の高反射膜32が形成されている端部から入射してレーザー媒質31を軸方向に励起させる。その他の太陽光は、光ガイド20の反射面22で反射され、レーザー媒質31の側面からレーザー媒質31の内部に入射してレーザー媒質31を側面励起させる。
As shown in FIG. 1, sunlight S is collected by the
次に、従来の太陽光励起レーザー発振装置における光ガイド200の反射面220で反射された太陽光Sfについて説明する。
Next, the sunlight Sf reflected by the
図5(a)に示すように、従来の太陽光励起レーザー発振装置における反射面220の端面付近に入射した太陽光Sfのうち、太陽光入射窓21またはレーザー媒質31の端面に対して垂直に入射する垂直入射光Sf1は、1回目の反射光及び2回目の反射光共に、比較的、光ガイド200の底部(レーザー媒質31の出力端部付近)の方に集まっている。また、斜入射光Sf2も1回目の反射により、光路が光ガイド200の底部に到達している。なお、図5(a)及び(b)に示した斜入射光Sf2は、様々な角度がある斜入射光のうちの一例である。
As shown in FIG. 5A, out of the sunlight Sf incident near the end surface of the
次に、図5(b)に示すように、光ガイド200の底部付近の反射面220で反射した場合、垂直入射光Sf1及び斜入射光Sf2は、光路が光ガイド200の底部に到達している。これら図5(a)及び(b)で示したように、反射面220で反射した太陽光は、光ガイド200の底部付近に集まりやすい。そのため、反射面220で反射した太陽光は、レーザー媒質31の出力端部付近を励起させやすい。
Next, as shown in FIG. 5B, when the light is reflected by the
また、従来の太陽光励起レーザー発振装置は、出力ミラー34の凹面34aに起因して、レーザー媒質31におけるモードボリュームが、レーザー媒質31の出力端部付近において大きい。従って、レーザー媒質31のモードボリュームが大きい出力端部付近に、光ガイド200の反射面220により反射された太陽光が集まり、太陽光からレーザー光への変換効率をより向上させることができる。しかし、このように太陽光がレーザー媒質31の出力端部付近に集中し、レーザー媒体31が吸収する太陽光のエネルギーがその部分だけ大幅に大きくなる結果、出力端部付近でのレーザー媒体31の歪みが大きくなり破損するおそれがある。
Further, in the conventional solar-pumped laser oscillation device, the mode volume in the
このような従来の太陽光励起レーザー発振装置における反射面220に対し、本実施形態に係る反射面22の第1反射面22aは、図4に示すように、反射面220よりも軸Xに対する傾斜角θ1が大きい、すなわち、軸X方向の長さLが短い。従って、光ガイド200の底部付近に入射する太陽光が減少し、従来の太陽光励起レーザー装置よりも、太陽光がレーザー媒質31の出力端部付近に集中することを防ぐことができる。
With respect to the
なお、図6に示すように、第1反射面22aを、図4に示す第1反射面22aの傾斜角θ1よりも大きく、すなわち、軸X方向の長さLをさらに短くすると、第1反射面22aで反射した太陽光は、レーザー媒質31に向かわず、ほとんど光ガイド20の外側に出ていってしまう。従って、第1反射面22aの傾斜角θ1、すなわち、第1反射面22aの軸X方向の長さLには、レーザー媒質31の出力端部付近への太陽光の集中する度合と、第1反射面22aで反射した太陽光が外側へ出ていく度合とのトレードオフを考慮して、適切な値を設定することが好ましい。
As shown in FIG. 6, when the first reflecting
このように、本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置1は、太陽光により励起されてレーザー光を出力する棒状のレーザー媒質31と、レーザー媒質31の出力端部からレーザー媒質31の長手方向の軸Xに対してレーザー媒質31の側方に位置し、軸Xに対してそれぞれ異なる傾斜角を有し、太陽光を反射する第1反射面22a及び第2反射面22bと、を備え、第1反射面22aは、外向きに傾斜する反射面である。従って、レーザー媒質31の出力端部付近において、太陽光がレーザー媒質31の出力端部付近に集中することを防ぎつつ、太陽光からレーザー光への変換効率を向上させることができる。
As described above, the solar light excitation laser oscillating device 1 according to this embodiment includes a rod-shaped
(実施形態2)
上記の実施形態1では、複数の反射面22が、外向きに傾斜する第1反射面22aと、軸Xと略平行な第2反射面とから構成される例について説明した。しかし、複数の反射面の構成はこれに限られない。実施形態2では、複数の反射面が3つの反射面から構成される例について説明する。なお、実施形態2において、複数の反射面以外の構成は、実施形態1と同様であるものとし、その詳細な説明を省略する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the example in which the plurality of reflecting
図7は、本実施形態における光ガイド20及びレーザーキャビティ30を示す模式図である。本実施形態において、光ガイド20は、実施形態1における反射面22の代わりに、反射面42を備える。反射面42は、レーザー媒質31の出力端部からレーザー媒質の長手方向の軸Xから離れる方向に延びるように、3段のテーパー形状の反射面、すなわち、第1反射面42aと、第2反射面42bと、第3反射面42cと、から構成される。第1反射面42aは、軸Xに対して角度θa1で傾斜する反射面である。第2反射面42bは、軸Xに対して角度θa1よりも小さい角度θa2で傾斜する反射面である。第3反射面42cは、第1反射面42aとともに第2反射面42bを挟んでレーザー媒質31の出力端部側に位置し、軸Xに対して角度θa2よりも大きい角度θa3で傾斜する反射面である。具体的には、レーザー媒質31の出力端部から軸Xを中心として外方へ広がるように角度θa3で傾斜する第3反射面42cが延び、第3反射面42cからさらに外方へ広がるように角度θa2で傾斜する第2反射面42bが延び、第2反射面42bからさらに外方へ広がるように角度θa1で傾斜する第1反射面42aが延びる。このように、第1反射面42a、第2反射面42b、及び第3反射面42cは、レーザー媒質31の出力端部からレーザー媒質31を囲うように連続的に延びて反射面42を形成している。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the
ここで、第3反射面42cの軸Xに対する傾斜角である角度θa3は、図5(a)及び(b)に示すような1段のテーパー形状に形成された反射面220を有する従来の太陽光励起レーザー装置の反射面220の傾斜角よりも大きい。すなわち、光ガイド20の底部付近に入射する太陽光は、第3反射面42cにより光ガイド20の上方向(太陽光入射窓21の方向)に反射される。
Here, the angle θ a3, which is an inclination angle of the third reflecting
次に、本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置1における光ガイド20の反射面42で反射された太陽光Sfの光路、及び光ガイド20における集光について説明する。
Next, the optical path of the sunlight Sf reflected by the reflecting
図8(a)及び(b)は、光ガイド20内における集光の様子を示す模式図である。なお、図8(a)は、光ガイド20内において反射面42端面付近で反射した場合、(b)は、光ガイド20内における反射面42の奥で反射した場合を表す。
FIGS. 8A and 8B are schematic views showing the state of light collection in the
図8(a)に示すように、反射面42の端面付近(具体的には第1反射面42a)に入射した太陽光Sfのうち、太陽光入射窓21またはレーザー媒質31の端面に対して垂直に入射する垂直入射光Sf1及び斜入射光Sf2は、1回目の反射光及び2回目の反射光共に、比較的、光ガイド20の中央部から上部付近(レーザー媒質31の中央部から上部付近)に集まっている。
As shown in FIG. 8A, out of sunlight Sf incident on the vicinity of the end surface of the reflecting surface 42 (specifically, the first reflecting
次に、図8(b)に示すように、光ガイド20の底部付近の反射面42(具体的には第3反射面42c)で反射した場合、垂直入射光Sf1及び斜入射光Sf2は、光路が光ガイド20の底部に到達せずに、上方向に反射される。従って、図5(a)及び(b)で示したように、反射面22で反射した太陽光は、光ガイド20の底部付近に集中せず、レーザー媒質31をその長手方向において略均一に励起させやすい。
Next, as shown in FIG. 8B, when reflected by the reflecting surface 42 (specifically, the third reflecting
このように本実施形態によれば、太陽光により励起されてレーザー光を出力する棒状のレーザー媒質31と、レーザー媒質31の出力端部からレーザー媒質31の長手方向の軸Xから離れる方向に延び、太陽光を反射する反射面42と、を備え、反射面42は、軸Xに対して角度θa1で傾斜する第1反射面42aと、軸Xに対して角度θa1よりも小さい角度θa2で傾斜する第2反射面と42bと、第1反射面42aとともに第2反射面42bを挟んでレーザー媒質31の出力端部側に位置し、軸Xに対して角度θa2よりも大きい角度θa3で傾斜する第3反射面42cと、を含むことにより、レーザー媒質31の出力端部付近において、太陽光が集中せず、レーザー媒質31をその長手方向において略均一に励起されるとともに、太陽光からレーザー光への変換効率を向上させることができる。
Thus, according to the present embodiment, the rod-shaped
(実施形態3)
上記の実施形態1及び2では、レーザー媒質31の出力端部付近に太陽光を集中させず、全体に分散させる効果が期待できる。しかし、太陽光を全体に分散させることにより、光ガイド20の外部へ逃げる太陽光の量が増えてしまうおそれがある。本実施形態では、実施形態1及び2の構成に、光ガイド20内に入射した太陽光を光ガイド20の外部へ逃げないように閉じこめるための構成をさらに付加する例について説明する。
(Embodiment 3)
In
図9に、本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置1の光ガイド20及びレーザーキャビティ30を示す模式図を示す。本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置1は、実施形態1に係る太陽光励起レーザー発振装置1に、さらに、ガラス管50と、プリズム60と、を備える。
In FIG. 9, the schematic diagram which shows the
ガラス管50は、レーザーキャビティ30と、水とを収容する。水は、レーザーキャビティ30を冷却するものであり、ガラス管50は、図示しない冷却水入口及び冷却水出口を有し、外部からガラス管50内に冷却水を供給し、排出できるように構成されている。なお、実施形態1において、冷却水は空間24内に供給されているが、本実施形態において、冷却水はガラス管50内に供給され、空間24内は空気で満たされている。
The
プリズム60は、ガラス管50の屈折率より大きい屈折率を有し、例えば石英ガラスから形成される。プリズム60は、三角錐状の複数のプリズム片61から構成され、ガラス管50の外側側面を覆うように配置される。本実施形態において、プリズム60は、全反射の性質により、空間24からプリズム60へ入射した太陽光が再度空間24中へ出て行くことを防止するものとして機能する。
The
ここで、プリズム60における太陽光の全反射について説明する。
Here, total reflection of sunlight in the
一般的に、屈折率NA,NBを持つ2つの媒質A,Bを通過する光の入射角θA、屈折角θBは、スネルの法則により以下の関係が成り立つ。
今、NA>1であり、かつNB=1であるとすると、以下の数2式より、θB=90度(sinθB=1)となることができるθAが存在する。
同じ条件で、θA=90度(sinθA=1)とすると、数2式は
図10にプリズム片61に入射する光の経路を示す。図10に示すように、ガラス管50の内側から屈折率が1よりも大きなプリズム片61に入射した光L1は、図10の実線で示す経路を通って、再度ガラス管50内に入射する。また、空気中からプリズム片61に入射した光L2は、図10の鎖線で示す経路を通るが、ガラス管50とプリズム片61との境界で全反射する可能性がある。これを防ぐには、プリズム片61の底面が同じような屈折率を持つ媒質と接していることが必要である。本実施形態において、レーザー媒質31は、周囲を水で取り囲まれた状態でガラス管50内に収容されており、そのガラス管50の外側側面にプリズム片61が配置されている。従って、空気中からプリズム片61に入射した光L2は、プリズム片61、ガラス管50、水を通ってレーザー媒質31に入射する。レーザー媒質31に吸収されなかった光は、入射したプリズム片61と反対側のプリズム片61に入射し、プリズム片61と空気との境界で全反射する。従って、全反射した光は、空気中に逃げず、再びレーザー媒質31に向かって進む。
FIG. 10 shows a path of light incident on the
具体的には、プリズム片61の材質が石英ガラスである場合、屈折率NA=1.54であるから、数2式より臨界角度θmは、sinθm=1/1.54より、θm=40度である。すなわち、プリズム片61から空気中へ向かう光は、その入射角が40度以上である場合に全反射する。従って、プリズム片61から空気中へ向かう光は、空気中へ透過する確率よりも、境界で全反射する確率の方が大きいと考えられる。
Specifically, when the material of the
一方、水の屈折率はN=1.33であるから、数2式において、NA=1.54、NB=1.33とすると、臨界角度θmは、sinθm=1.33/1.54より、θm=60度である。すなわち、プリズム片61から水へ向かう光は、その入射角が60度以上である場合に全反射する。従って、プリズム片61から水へ向かう光は、境界で全反射する確率よりも、水中に透過する確率の方が大きいと考えられる。
On the other hand, since the refractive index of water is N = 1.33, if N A = 1.54 and N B = 1.33 in
さらに、本実施形態において、プリズム片61と水との間にはガラス管50が介在する。ガラス管50の屈折率がN=1.46であるとすると、プリズム片61とガラス管50との境界では、数2式において、NA=1.54、NB=1.46とすると、臨界角度θmは、sinθm=1.46/1.54より、θm=71度である。すなわち、プリズム片61からガラス管へ向かう光は、その入射角が71度以上である場合に全反射する。また、ガラス管50と水との境界では、数2式において、NA=1.46、NB=1.33とすると、臨界角度θmは、sinθm=1.33/1.46より、θm=66度である。すなわち、ガラス管50をプリズム片61と水との間に介在させることにより、空気中からプリズム片61に入射した光が反射せずに水中まで到達する確率を増加させることができる。
Further, in the present embodiment, a
このように、プリズム60からレーザー媒質31までの光の経路中に少しずつ屈折率の異なる媒質を介在させることにより、一度プリズム60に入射した光を空気中に逃がさないように閉じこめる効果を増加させることができる。これにより、レーザー媒質31への光の吸収効率を上げることができる。
In this way, by interposing a medium having a different refractive index little by little in the light path from the
(実施形態4)
実施形態3において、プリズム60は、レーザー媒質31が収容されたガラス管50の外側側面に配置されているものとして説明したが、プリズム60の配置はこれに限られない。例えば、プリズム60は、レーザーハウジング23の外側に配置されてもよい。
(Embodiment 4)
In the third embodiment, the
図11(a)及び(b)に本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置1の光ガイド20及びレーザーキャビティ30を示す模式図を示す。本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置1は、実施形態1に係る太陽光励起レーザー発振装置1に、さらにプリズム70、を備える。
11A and 11B are schematic views showing the
図11(a)に示す例では、プリズム70は、太陽光入射窓21上に配置される1つのプリズム片から構成される。この構成により、図11(a)の上方から入射した太陽光は、プリズム70と空気との境界で反射されることなく、プリズム70、太陽光入射窓21、空間24の水へと入射する。また、レーザーハウジング23内部から外に向かって出て行く光は、プリズム70と空気との境界において全反射されるため、再度内側に向かう。
In the example shown in FIG. 11A, the
また、図11(b)に示す例では、プリズム70は、太陽光入射窓21上に配置される複数のプリズム片71から構成される。図11(a)に示す例では、プリズム70を構成する1つのプリズム片の体積が大きいため、プリズム70内のわずかな不純物が吸収した太陽光によって熱破壊が起こるおそれがある。従って、図11(b)に示すように、複数の小さなプリズム片71を太陽光入射窓21上に配置することにより、熱破壊の可能性を低減することができる。
In the example illustrated in FIG. 11B, the
(実施形態5)
図12に、本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置1の光ガイド20及びレーザーキャビティ30を示す模式図を示す。本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置1は、実施形態3に係る太陽光励起レーザー発振装置1の光ガイド20において、反射面22の代わりに、反射面82を備える。なお、実施形態5において、反射面以外の構成は、実施形態3と同様であるものとし、その詳細な説明を省略する。
(Embodiment 5)
In FIG. 12, the schematic diagram which shows the
反射面82は、複数の反射面82a〜82gから構成される。反射面82aは、レーザー媒質の長手方向の軸Xと略平行な面である。
The reflecting
反射面82b,82d,82f,82gは、レーザー媒質31の出力端部側の位置から、レーザー媒質の出力端部と反対側の端部の位置へ向かうにつれて、軸Xから離れるように、軸Xに対して傾斜する面である。すなわち、反射面82b,82d,82f,82gは、レーザーハウジング23内から太陽光入射窓21に向かう方向(外向き)に面が向くように傾斜する外向傾斜面である。
The reflecting
反射面82c,82eは、レーザー媒質31の出力端部側の位置から、レーザー媒質の出力端部と反対側の端部の位置へ向かうにつれて、軸Xに近づくように、軸Xに対して傾斜する面である。すなわち、反射面82c,82eは、レーザーハウジング23内からレーザー媒質31の出力端部に向かう方向(内向き)に面が向くように傾斜する内向傾斜面である。
The reflection surfaces 82c and 82e are inclined with respect to the axis X so as to approach the axis X from the position on the output end side of the
次に、本実施形態における光ガイド20内における集光について説明する。
Next, light collection in the
図12に示すように、反射面82b,82d,82f,82gに入射した太陽光Sf3(図12では反射面82bに入射した太陽光のみ図示)は、反射により、比較的レーザー媒質31の中央部から上部付近に集光する。従って、太陽光がレーザー媒質31の出力端部付近に集光することが防止される。また、反射面82b,82d,82fは、その軸Xと垂直方向の長さが、図6に示すような第1反射面22aよりも短い。従って、反射面82b,82d,82fは、図6に示すような第1反射面22aよりも、光ガイド20の奥に向かう太陽光を遮る量が少ない。
As shown in FIG. 12, sunlight Sf3 incident on the reflecting
また、図12に示すように、反射面82c,82eは、光ガイド20の奥から反射して外に向かう太陽光Sf4(図12では反射面82cに入射した太陽光のみ図示)をレーザー媒質31に向かう方向に反射する。光ガイド20内に入射した光の損失を低減することができる。
As shown in FIG. 12, the reflecting
なお、本実施形態では、反射面82b,82d,82f,82gの4つの外向傾斜面と、反射面82c,82eの2つの内向傾斜面とを含む反射面82について説明したが、反射面82に含まれる外向傾斜面及び内向傾斜面の数はこれに限られない。
In the present embodiment, the
1 太陽光励起レーザー装置
10 フレネルレンズ
11 分割レンズ
11a 溝
20 光ガイド
21 太陽光入射窓
22 反射面
22a 第1反射面
22b 第2反射面
23 レーザーハウジング
24 空間
25 冷却水入口
26 冷却水出口
30 レーザーキャビティ
31 レーザー媒質
32 高反射膜
33 反射防止膜
34 出力ミラー
42 反射面
42a 第1反射面
42b 第2反射面
42c 第3反射面
50 ガラス管
60 プリズム
61 プリズム片
70 プリズム
71 プリズム片
82(82a〜82g) 反射面
200 従来の光ガイド
220 従来の反射面
2 ターゲット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sunlight
Claims (8)
前記レーザー媒質の長手方向の軸に対して前記レーザー媒質の側方に位置し、前記軸に対してそれぞれ異なる傾斜角を有し、前記太陽光を反射する複数の反射面と、
を備え、
前記複数の反射面は、前記レーザー媒質の出力端部側の位置から、前記レーザー媒質の出力端部と反対側の端部側の位置へ向かうにつれて、前記レーザー媒質の長手方向の軸から離れるように、前記軸に対して傾斜する外向傾斜面を含む、
ことを特徴とする太陽光励起レーザー発振装置。 A rod-shaped laser medium that emits laser light when excited by sunlight; and
A plurality of reflecting surfaces that are located laterally of the laser medium with respect to the longitudinal axis of the laser medium, have different inclination angles with respect to the axis, and reflect the sunlight;
With
The plurality of reflecting surfaces are separated from the longitudinal axis of the laser medium from the position on the output end side of the laser medium toward the position on the end side opposite to the output end of the laser medium. Including an outwardly inclined surface inclined with respect to the axis,
A solar-excited laser oscillation device characterized by that.
前記軸に対して第1の角度で傾斜する第1外向傾斜面と、
前記軸に対して第1の角度よりも小さい第2の角度で傾斜する第2外向傾斜面と、
前記第1外向傾斜面とともに前記第2外向傾斜面を挟んで前記レーザー媒質の出力端部側に位置し、前記軸に対して第2の角度よりも大きい第3の角度で傾斜する第3外向傾斜面と、
を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の太陽光励起レーザー発振装置。 The outwardly inclined surface is
A first outwardly inclined surface inclined at a first angle with respect to the axis;
A second outwardly inclined surface that is inclined with respect to the axis at a second angle smaller than the first angle;
A third outward direction that is located on the output end side of the laser medium with the second outwardly inclined surface sandwiched between the second outwardly inclined surface and that is inclined at a third angle larger than the second angle with respect to the axis. An inclined surface;
including,
The solar light excitation laser oscillating device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の太陽光励起レーザー発振装置。 Covering at least a part of the laser medium via a medium, further comprising a prism having a refractive index larger than that of the medium;
The solar light excitation laser oscillating device according to claim 1 or 2.
前記プリズムは、前記ガラス管の外側側面に配置される、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の太陽光励起レーザー発振装置。 Further comprising a glass tube containing the laser medium and water;
The prism is disposed on an outer side surface of the glass tube.
The solar light excitation laser oscillating device according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項4に記載の太陽光励起レーザー発振装置。 The plurality of reflection surfaces approach the longitudinal axis of the laser medium from the position on the output end side of the laser medium toward the position on the end side opposite to the output end of the laser medium. Further including an inwardly inclined surface inclined with respect to the axis,
The solar-pumped laser oscillation device according to claim 4.
前記媒質及び前記レーザー媒質は、前記ガラス窓と前記複数の反射面とにより形成される空間内に収容され、
前記プリズムは、前記ガラス窓の前記空間を形成する面と反対側の面に配置される、
ことを特徴とする請求項3に記載の太陽光励起レーザー発振装置。 A glass window disposed opposite to the end opposite to the output end of the laser medium,
The medium and the laser medium are accommodated in a space formed by the glass window and the plurality of reflecting surfaces,
The prism is disposed on a surface opposite to a surface forming the space of the glass window.
The solar-pumped laser oscillation device according to claim 3.
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の太陽光励起レーザー発振装置。 The reflective surface is formed by subjecting a glass material to a surface treatment that reflects the sunlight.
The solar light pumped laser oscillation device according to any one of claims 1 to 6.
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の太陽光励起レーザー発振装置。 The reflective surface is formed by applying a surface treatment that reflects the sunlight to a resin material.
The solar light pumped laser oscillation device according to any one of claims 1 to 6.
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