JP2017168662A - 太陽光励起レーザー装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の装置は、太陽光を吸収してレーザー媒質の感度の高い波長帯域の蛍光を放出する蛍光物質が分散され、外部よりも屈折率が高い材料から形成され、一方の面から太陽光が入射すると、蛍光物質から放出される蛍光が縁面に集光されて出射する蛍光導光板と、蛍光導光板の縁面上にて巻装された1条の光ファイバーとを含む。光ファイバーは、レーザー媒質が分散されたコア部と、蛍光を透過する材料にて形成されたクラッド部と、一方の端面にて光の実質的に全てを反射する反射手段と、他方の端面にてレーザー媒質が放出した光の一部を透過させる反射手段とを含み、蛍光導光板の縁面から出射された蛍光がクラッド部を透過してコア部まで達し、蛍光によりレーザー媒質が励起されてレーザー発振が達成される。
【選択図】 図1
Description
第一の面と、第二の面と、第一及び第二の面の周縁を接続する縁面とから成り、その内部又は第一若しくは第二の面上に太陽光を吸収してレーザー媒質の感度の高い波長帯域の蛍光を放出する蛍光物質が分散され且つ外部よりも屈折率が高い材料から形成された板状構造を有し、第一の面から太陽光が入射すると、蛍光物質から放出される蛍光が実質的に縁面に集光されて出射する蛍光導光板と、
蛍光導光板の縁面上にて第一及び第二の面の周縁方向に沿って巻装された1条の光ファイバーにして、レーザー媒質が分散されたコア部と、表面及び内部が蛍光を透過する材料にて形成されコア部の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部と、光ファイバーの一方の端面にてレーザー媒質が放出した光の実質的に全てを反射する第一の反射手段と、光ファイバーの他方の端面にてレーザー媒質が放出した光の一部を透過させ、その残りを反射する第二の反射手段とを含み、蛍光導光板の縁面から出射された蛍光がクラッド部の表面を透過してコア部まで達し、蛍光によりレーザー媒質が励起されてレーザー発振が達成可能であり、レーザー光が光ファイバーの他方の端面から出射する光ファイバーとを含む装置によって達成される。
Lf<(ησηs/Is)ηaαpηDηT(Sr/St)Io・Rw …(1)
[ここで、Lfは、光ファイバーのレーザー発振波長に於ける内部損失、ησ、ηs、Is、ηa、αpは、それぞれ、レーザー媒質の量子効率、ストークス効率、飽和強度、蛍光の吸収される割合、吸光係数であり、ηD、ηTは、蛍光導光板に於ける蛍光物質の量子効率、蛍光の縁面までの伝搬効率であり、Ioは、太陽光の単位面積当たりの光強度であり、Rwは、太陽光の強度のうち蛍光物質に吸収される強度の比である。]
を満たすとき、レーザー発振が生ずる。従って、好ましくは、第一の面と縁面との比Sr/Stが上記の式(1)を満たすように、蛍光導光板が成形される。
2…蛍光導光板
2a…太陽光受容面(第一の表面)
2b…蛍光導光板内部
2c…蛍光導光板縁面
2d…蛍光物質薄膜
3…光ファイバー部
3a…光ファイバー
3b…クラッド部
3c…コア部
4…出射端
5…反射端
6…反射ミラー枠
SL…太陽光
LL…レーザー光
LM…レーザー媒質(Nd3+)
FL…蛍光
FM…蛍光物質(量子ドット)
図1を参照して、本発明による一つの実施形態の太陽光励起レーザー装置1は、略円盤形状の蛍光導光板2と、その周囲の縁面上に於いて巻装された一条の光ファイバー3aから成る光ファイバー部3とから構成される(なお、説明の目的で、同図の各部の構造は、模式的に描かれており、実際の装置の寸法の割合は大幅に異なり得る。)。
(1)作動原理
図1(C)及び図2(A)を参照して、本発明による太陽光励起レーザー装置1の動作に於いて、「発明の概要」の欄に於いて述べた如く、まず、太陽光SLが蛍光導光板2内へ入射し、蛍光物質FMが励起され、これにより、蛍光物質FMから蛍光FLが放出されることとなる。そして、蛍光FLが光ファイバー3aのコア部3cにドープされたレーザー媒質LMを励起し(ポンピングし)、これにより、レーザー媒質LMからの放出光LLがレーザー発振に利用されることとなる。
上記の太陽光励起レーザー装置1に於いては、光ファイバー3aの略全長にポンピングのための蛍光が入射すると仮定できるので、レーザー発振を達成するためには、ファイバーレーザーの小信号利得γoが光ファイバー3aのレーザー発振波長に於ける内部損失Lfより大きいこと、即ち、
Lf<γo …(2)
を満たすことが要求される。小信号利得γoは、
γo=(ησηs/Is)Pab …(3)
により与えられる。ここで、ησ、ηs、Is、Pabは、それぞれ、レーザー媒質の量子効率、ストークス効率、飽和強度、光ファイバーの単位体積当たりの吸収パワー(W/m3)であり、Isは、
Is=hν/στ …(3) …(4)
にて与えられる。ここで、hνは、レーザー光波長の光子エネルギーであり、σは誘導放出断面積であり、τは、レーザー媒質の蛍光寿命である。そして、光ファイバーの単位体積当たりの吸収パワーPabは、
Pab=ηaαpIi …(5)
により与えられる。ここで、ηa、αpは、それぞれ、蛍光のうち、レーザー媒質の吸収される割合、吸光係数であり、Iiは、光ファイバーへ与えられる単位面積当たりの光強度である。
Ii=ηDηT(Sr/St)Io・Rw …(6)
により与えられる。ここで、ηD、ηTは、蛍光導光板に於ける蛍光物質の量子効率、蛍光の縁面までの伝搬効率であり、Ioは、太陽光の単位面積当たりの光強度(W/m2)であり、Rwは、太陽光の強度のうち蛍光物質に吸収される強度の比である。従って、式(2)〜(6)から、レーザー発振のための条件は、既に述べた如く、
Lf<(ησηs/Is)ηaαpηDηT(Sr/St)Io・Rw …(1)
となる。式(1)に於いては、(Sr/St)を除くパラメータは、物性的なパラメータであるので、選択された材料等により決定される。従って、好ましくは、蛍光導光板は、物性的なパラメータを参照して、太陽光受容面と縁面との比Sr/Stが上記の式(1)を満たすように成形される。
ηext=(1−(Lf/γo)1/2)2
にて与えられ、レーザー出力PLは、
PL=γoIsVηext
にて表される(Vは、光ファイバーのコア部の体積)。上記の蛍光導光板(直径D=1000mm)の例の場合に於いて、γoが、7.1×10-3m-1(=30.7dB/km)となり、光ファイバーの損失6dB/kmであることから、レーザーの取り出し効率は約31%と見積もられ、コア部の直径を20μm、光ファイバーの長さを100mとすると、PL=16.2mWと見積もられる。
Claims (5)
- 太陽光励起レーザー装置であって、
第一の面と、第二の面と、前記第一及び第二の面の周縁を接続する縁面とから成り、その内部又は前記第一若しくは第二の面上に太陽光を吸収してレーザー媒質の感度の高い波長帯域の蛍光を放出する蛍光物質が分散され且つ外部よりも屈折率が高い材料から形成された板状構造を有し、前記第一の面から太陽光が入射すると、前記蛍光物質から放出される前記蛍光が実質的に前記縁面に集光されて出射する蛍光導光板と、
前記蛍光導光板の前記縁面上にて前記第一及び第二の面の周縁方向に沿って巻装された1条の光ファイバーにして、前記レーザー媒質が分散されたコア部と、表面及び内部が前記蛍光を透過する材料にて形成され前記コア部の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部と、前記光ファイバーの一方の端面にて前記レーザー媒質が放出した光の実質的に全てを反射する第一の反射手段と、前記光ファイバーの他方の端面にて前記レーザー媒質が放出した光の一部を透過させ、その残りを反射する第二の反射手段とを含み、前記蛍光導光板の縁面から出射された前記蛍光が前記クラッド部の表面を透過して前記コア部まで達し、前記蛍光により前記レーザー媒質が励起されてレーザー発振が達成可能であり、レーザー光が前記光ファイバーの他方の端面から出射する光ファイバーと
を含む装置。 - 請求項1の装置であって、前記1条の光ファイバーが前記蛍光導光板の前記縁面上にて複数回巻き付けられている装置。
- 請求項1又は2の装置であって、前記1条の光ファイバーが前記蛍光導光板の前記縁面の実質的に全域を亘って囲繞している装置。
- 請求項1乃至3のいずれかの装置であって、前記第一の面を除く外表面の全域が内向きに光を反射する反射ミラー体で囲繞されている装置。
- 請求項1乃至4のいずれかの装置であって、前記蛍光導光板の太陽光を受光する前記第一の面の面積Srと前記蛍光を出射する前記縁面の面積Stとの比Sr/Stが下記の条件式:
Lf<(ησηs/Is)ηaαpηDηT(Sr/St)Io・Rw
[ここで、Lfは、前記光ファイバーのレーザー発振波長に於ける内部損失、ησ、ηs、Is、ηa、αpは、それぞれ、前記レーザー媒質の量子効率、ストークス効率、飽和強度、前記蛍光の吸収される割合、吸光係数であり、ηD、ηTは、前記蛍光導光板に於ける蛍光物質の量子効率、前記蛍光の前記縁面までの伝搬効率であり、Ioは、太陽光の単位面積当たりの光強度であり、Rwは、太陽光の強度のうち蛍光物質に吸収される強度の比である。]
を満たす装置。
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