JP2992548B2 - Gas phase photochemical reactor using laser light - Google Patents

Gas phase photochemical reactor using laser light

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JP2992548B2
JP2992548B2 JP3329884A JP32988491A JP2992548B2 JP 2992548 B2 JP2992548 B2 JP 2992548B2 JP 3329884 A JP3329884 A JP 3329884A JP 32988491 A JP32988491 A JP 32988491A JP 2992548 B2 JP2992548 B2 JP 2992548B2
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Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
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Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビームを利用し
て同位体分離等の光化学反応を行うための反応装置に係
わり、特にレーザ媒質から取り出し得るレーザエネルギ
の大半を光化学反応に有効に利用できる気相光化学反応
装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a reactor for performing a photochemical reaction such as isotope separation using a laser beam, and in particular, most of the laser energy that can be extracted from a laser medium is effectively used for the photochemical reaction. The present invention relates to a gas phase photochemical reaction device that can be used.

【0002】[0002]

【従来技術】近年のレーザ技術における大出力化、発振
波長の多様化はレーザを光化学反応に利用しようという
研究を促進させてきた。レーザの光化学反応への応用の
最も典型的な例は、水素からウランに至る種々の元素の
同位体分離・濃縮技術であり、これは原料物質の光吸収
特性の同位体シフトを利用し、所望の同位体元素を含む
物質のみの化学反応を促進させることによるものであ
る。そして、従来この様なレーザビームによる同位体分
離・濃縮反応については種々の方法及び装置が提案され
ている。例えば、特開昭60−132,629号公報の
第1図に開示されているものは、パルス炭酸ガスレーザ
光を長焦点レンズで集光して反応器内に導入し、その焦
点面近傍で光化学反応を行わせるものである。この様な
赤外多光子吸収を用いた光化学反応においては、一般に
レーザのエネルギ密度がある値まではその増加と共に指
数関数的に反応効率が向上し、それ以上では反応効率は
飽和するという所謂クリティカルフルーエンスが存在す
る。このために、レーザビームはその集光された位置で
クリティカルフルーエンスが得られるような焦点距離の
集光レンズで収束され、その焦点近傍で反応が進行す
る。従って、この様な反応器においては反応器内の一部
でのみレーザパワーが有効に使われるに過ぎず、反応器
内でクリティカルフルーエンスに満たない領域では、反
応に寄与することなくレーザエネルギが吸収され、更に
残存したエネルギは反応器出射端から散逸するため、実
際にレーザ発振器から出力されたレーザパワーの数%か
ら20%程度しか有効に化学反応に用いられないという
問題点があった。
2. Description of the Related Art In recent years, the increase in output power and the diversification of oscillation wavelengths in laser technology have promoted research for utilizing lasers for photochemical reactions. The most typical example of the application of lasers to photochemical reactions is the isotope separation and enrichment technology of various elements ranging from hydrogen to uranium, which utilizes the isotope shift of the light absorption characteristics of the raw material to achieve the desired effect. This is because the chemical reaction of only the substance containing the isotope is promoted. Conventionally, various methods and apparatuses have been proposed for such isotope separation / concentration reactions using a laser beam. For example, the apparatus disclosed in FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 60-132,629 discloses a method in which a pulsed carbon dioxide laser beam is condensed by a long focal length lens and introduced into a reactor. A reaction is performed. In a photochemical reaction using such infrared multiphoton absorption, the reaction efficiency generally increases exponentially with increasing laser energy density up to a certain value, and the reaction efficiency is saturated at higher values. Fluence exists. For this reason, the laser beam is converged by a focusing lens having a focal length at which the critical fluence is obtained at the focused position, and the reaction proceeds near the focal point. Therefore, in such a reactor, the laser power is effectively used only in a part of the reactor, and the laser energy is absorbed without contributing to the reaction in the region where the critical fluence is less than the inside of the reactor. Further, since the remaining energy is dissipated from the exit end of the reactor, there is a problem that only a few to 20% of the laser power actually output from the laser oscillator is effectively used for the chemical reaction.

【0003】また、レーザビームを用いた光化学反応工
程においては、初期コストやランニングコストの何れに
おいてもレーザの占める割合が最も高く、低コストのレ
ーザ光化学反応工程を実現するためには、レーザパワー
の有効利用技術が必須の要件となる。そこで、この様な
問題に対応するため、特開昭59−123,517号公
報の第3図に示されている様な直列多段集光系が提案さ
れている。しかしながら、この方法では、集光段数が多
くなればなるほど上記の方法に比べてレーザパワーの利
用率が高くなるが、反応器が莫大な長さとなり、光軸の
安定性の確保が困難であること、各段の焦点前後での原
料物質の吸収による反応に寄与しないレーザエネルギの
損失が大きい等の問題点があった。前者の問題点の対応
として、反応器の長さが短く、かつレーザパワーを有効
に利用できる方式として、特開昭54−12,290号
公報の第1図に示される様な多重反射鏡対を設けた反応
器の例がある。この場合、ビームの多重反射においては
焦点を結ぶことなく重畳を繰り返すので、要求されるク
リティカルフルーエンスが1J/cm2 程度の低い値の
場合には非常に有効な方法であるが、高フルーエンス、
例えば5〜6J/cm2 が要求されるような場合には重
畳領域全域でこれを実現することは困難である。更に、
反射鏡の表面形状が複雑になり、また反射鏡の近傍でも
反応が起きるので、反応生成物によって反射鏡表面が汚
損され、長時間にわたる安定した反応が実現出来ない問
題点もある。
In the photochemical reaction process using a laser beam, the ratio of the laser is the highest in both the initial cost and the running cost. In order to realize a low-cost laser photochemical reaction process, the laser power must be reduced. Effective utilization technology is an essential requirement. In order to cope with such a problem, a series multi-stage light condensing system as shown in FIG. 3 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-123,517 has been proposed. However, in this method, as the number of condensing stages increases, the utilization rate of the laser power increases as compared with the above method, but the reactor becomes enormous in length, and it is difficult to secure the stability of the optical axis. In addition, there are problems such as a large loss of laser energy that does not contribute to the reaction due to absorption of the raw material before and after the focal point of each stage. In order to cope with the former problem, as a method in which the length of the reactor is short and the laser power can be used effectively, a multiple reflection mirror pair as shown in FIG. 1 of JP-A-54-12290 is used. There is an example of a reactor provided with. In this case, the superposition is repeated without focusing in the multiple reflection of the beam. Therefore, when the required critical fluence is a low value of about 1 J / cm 2 , this is a very effective method.
For example, when 5 to 6 J / cm 2 is required, it is difficult to realize this over the entire overlapping area. Furthermore,
Since the surface shape of the reflecting mirror becomes complicated and a reaction occurs near the reflecting mirror, the surface of the reflecting mirror is stained by a reaction product, and there is a problem that a stable reaction cannot be realized for a long time.

【0004】本願出願人らは、簡便な光学系を用いて反
射重畳を実現する方法として、行きと帰りのビームの集
光位置を一致させ、かつ2つ以上のビームがその焦点位
置近傍で重畳するレーザ集光方法として、2パス重畳の
例を特開平2−251,227号公報に、また多重パス
反射重畳の例を特願平2−126,836号として提示
した。これらの方法においては、反射鏡の曲率を適宜選
択することにより任意の所望のフルーエンスを実現で
き、かつ反射ビーム光軸とレーザ発振光軸が最終的に一
致するように設定されるので、最低2ビーム以上の重畳
が確実に実現される。しかしながら、これらの方法にお
いてはレーザエネルギの利用効率を改善するため反射パ
ス数を増加させ、レーザ伝搬距離を長くすると、反射鏡
のアライメントの安定な保持が困難になる問題がある。
更に、多重反射系においては、レーザ発振器における回
折に起因するビーム発散ならびに反応物質によるレーザ
ビームの自己集束・拡散効果のためレーザ集光プロフィ
ルが逐次変化して行くため、反射パス数に自ずから最大
値が存在し、レーザ発振器から取り出された全てのエネ
ルギを反応に用いることは不可能であった。また反応に
寄与しなかった残存レーザエネルギはレーザ発振器側に
戻るが、一般にこの反射ビームの空間モードはレーザ発
振器のそれと一致しないことから、たとえレーザ発振器
内に反射ビームが戻っても、回折損失によって失われ
る。また甚だしい場合には、レーザ発振器に係わる光学
部品の破損につながる可能性もある。
As a method of realizing reflection and superimposition using a simple optical system, the applicants of the present invention have made the focusing positions of the forward and backward beams coincide with each other, and superimpose two or more beams near the focal position. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-251,227 discloses an example of two-pass superposition, and Japanese Patent Application No. 2-126,836 discloses an example of multi-pass reflection superposition. In these methods, any desired fluence can be realized by appropriately selecting the curvature of the reflecting mirror, and the reflected beam optical axis and the laser oscillation optical axis are set so as to finally coincide with each other. Superimposition beyond the beam is reliably realized. However, in these methods, when the number of reflection paths is increased to improve the efficiency of using laser energy and the laser propagation distance is increased, there is a problem that it is difficult to maintain the alignment of the reflecting mirror stably.
Furthermore, in the multiple reflection system, the laser convergence profile changes gradually due to the beam divergence caused by diffraction in the laser oscillator and the self-focusing / diffusion effect of the laser beam due to the reactant, so the number of reflection paths naturally has a maximum value. And it was not possible to use all the energy extracted from the laser oscillator for the reaction. In addition, the residual laser energy that did not contribute to the reaction returns to the laser oscillator side, but since the spatial mode of this reflected beam generally does not match that of the laser oscillator, even if the reflected beam returns inside the laser oscillator, it will cause diffraction loss. Lost. In a severe case, there is a possibility that optical components related to the laser oscillator may be damaged.

【0005】このような問題点に対応するため、米国特
許4,072,590号公報には、レーザ共振器を両端
とも全反射鏡で構成し、レーザ共振器内に反応容器を挿
入するレーザ光による同位体分離方法が開示されてい
る。この方法においては、レーザ媒質から取り出し得る
エネルギは全て共振器内に閉じ込められるので、反応媒
質に有効にエネルギを結合させることが出来る。しかし
ながら、この方法では、単純にレーザ共振器を2枚の全
反射鏡のみで構成し、その間に反応容器を挿入している
ので、一度レーザ共振器の条件が決定されると反応容器
内でのレーザエネルギ密度を変更することは出来ない。
ここで、レーザ光化学反応においては、前述のごとくク
リティカルフルーエンス近傍のエネルギ密度が要求され
るが、この値は一般的には数〜数10J/cm2 の範囲
にある。しかるに、一般にレーザ共振器用ミラーに用い
られる多層膜コーテイングの破壊閾値は1J/cm2
度であり、全反射鏡上でのレーザエネルギ密度に比べる
と反応容器中では、はるかに高いフルーエンスが要求さ
れることになる。このような条件を満たすためには、共
振器ミラーとしてかなり曲率半径の小さいものを使用す
る必要があるが、この場合同時にレーザ媒質中のビーム
モードも変わってしまうため、レーザ媒質から有効にエ
ネルギを取り出すことが困難になる。
To cope with such a problem, US Pat. No. 4,072,590 discloses a laser beam in which a laser resonator is constituted by a total reflection mirror at both ends and a reaction vessel is inserted into the laser resonator. Discloses an isotope separation method. In this method, all the energy that can be extracted from the laser medium is confined in the resonator, so that the energy can be effectively coupled to the reaction medium. However, in this method, the laser resonator is simply composed of only two total reflection mirrors, and the reaction vessel is inserted between them. Therefore, once the conditions of the laser resonator are determined, the laser cavity is not used. The laser energy density cannot be changed.
Here, in the laser photochemical reaction, an energy density near the critical fluence is required as described above, but this value is generally in the range of several to several tens J / cm 2 . However, the breakdown threshold of a multilayer coating generally used for a mirror for a laser resonator is about 1 J / cm 2 , and a much higher fluence is required in a reaction vessel than the laser energy density on a total reflection mirror. Will be. In order to satisfy such a condition, it is necessary to use a resonator mirror having a considerably small radius of curvature. In this case, however, the beam mode in the laser medium changes at the same time. It becomes difficult to remove.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
の、2枚の全反射鏡対で構成される共振器中に反応容器
を挿入する方法で問題となっているレーザ媒質からのエ
ネルギ抽出効率の劣化を来たすことなく、かつ反応容器
中で高いレーザ光強度を得ることが出来る簡便な装置を
実現することで、レーザ媒質から取り出し得るエネルギ
に対する光化学反応効率を従来法に比べて大幅に改善
し、廉価なプロセスを実現できる反応装置を提供するこ
とにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of inserting a reaction vessel into a resonator constituted by two pairs of total reflection mirrors. By realizing a simple device that can obtain high laser light intensity in the reaction vessel without deteriorating the extraction efficiency, the photochemical reaction efficiency for the energy that can be extracted from the laser medium will be significantly higher than that of the conventional method. It is an object of the present invention to provide a reactor which can realize an improved and inexpensive process.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザビーム
を気相原料物質が存在する反応容器内の反応領域に導入
し、原料物質の光吸収特性を用いて所望の化学反応を行
うための装置で、レーザ共振器を全反射鏡対で構成し、
反応容器をレーザ共振器内に挿入するレーザ光を用いた
気相光化学反応装置において、レーザ共振器内に一対の
集光光学系からなるテレスコープを設け、その間のレー
ザ集光位置に反応容器を設置し、テレスコープ光学系の
焦点距離を変更することにより反応容器内のレーザ光強
度を制御することを特徴とするレーザ光を用いた気相光
化学反応装置であり、これによってレーザ媒質から取り
出し得るレーザエネルギの殆ど全てを光化学反応に有効
に利用し得る装置を提供するものである。
According to the present invention, a laser beam is introduced into a reaction region in a reaction vessel in which a gaseous source material is present, and a desired chemical reaction is performed using the light absorption characteristics of the source material. In the device, the laser resonator is composed of a total reflection mirror pair,
In a gas-phase photochemical reaction device using laser light that inserts a reaction vessel into a laser resonator, a telescope consisting of a pair of focusing optics is provided inside the laser resonator, and the reaction vessel is placed at the laser focusing position between them. A gas-phase photochemical reaction apparatus using laser light, which is installed and controls the laser light intensity in the reaction vessel by changing the focal length of the telescope optical system, which can be extracted from the laser medium. An object of the present invention is to provide a device capable of effectively utilizing almost all of laser energy for a photochemical reaction.

【0008】[0008]

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。図2は本発明
に基づく光学部品の配置例を示したものである。レーザ
媒質に対するレーザ共振器はレーザ発振波長を選択する
ためにリトロウ型に配置されたグレーテイングからなる
全反射鏡M1とそれと対向した位置に設置される全反射
鏡M2 で構成される。全透過窓Wは気体レーザ媒質と大
気とを遮断し、レーザビームを全部透過させる窓であ
る。レンズL1 ,L2 はテレスコープを構成し、それら
の焦点距離は光化学反応において要求されるフルーエン
ス値から決定される。反応容器2はテレスコープ間で所
望のフルーエンス値が得られている点に設置される。以
上の構成において、レーザ媒質から取り出された誘導放
出光は全反射鏡対M1 ,M2 間で共振し、レーザ発振に
至る。ここで、レーザ発振のための閾値条件は、レーザ
光が共振器内を一往復する間にレーザ媒質から得る利得
が、その他の損失を上まわることである。反応物質によ
る損失は、レーザ波長、反応気体の圧力、種類によって
変化するが、1パスでの損失は最大でもたかだか数%程
度である。一方、一般的なレーザ発振器の出力鏡の透過
率は少なくとも10%以上であることを考えると、共振
器内一往復でのレーザ利得は1/0.9以上である。本
発明の構成では、出力鏡は全反射鏡(透過率〜0%)で
置き替わり、この損失が減少する代わりに上に述べた反
応物質による損失が導入されるが、これはレーザ利得に
比べて小さいので、レーザ発振閾値条件は充分満たされ
ていることになる。ここで、レーザ共振器内に存在する
全透過窓W、テレスコープ用レンズL1 ,L2 はレーザ
発振波長に対して無反射コーテイングが施されており、
また反応容器2のレーザ光導入用窓は反射損失を防止す
るためにブリュースタ角に設定されているので、レーザ
共振器中の損失は全反射鏡M1 ,M2 の反射損失、なら
びに反応媒質によって吸収されるエネルギ損失のみであ
る。テレスコープによって反応容器2内では所望のレー
ザフルーエンスが得られており、またレーザ媒質から取
り出されたエネルギの内、全反射鏡によって損失する成
分以外は全て反応媒質に投入されることになるので、レ
ーザパルス当りの光化学反応効率を飛躍的に改善させる
ことが出来る。また、図3は、図2と同一の原理で別の
光学部品の配置例を示したものであり、テレスコープ用
レンズL1 ,L2 を全反射球面鏡M3 ,M4 に変更した
ものであり、動作は図2と全く同じである。
The present invention will be described below in detail. FIG. 2 shows an example of the arrangement of optical components according to the present invention. A laser resonator for laser medium consists of a total reflection mirror M 2 which is installed in a total reflection mirror M 1 and therewith a position facing consisting of Bragg gratings disposed Ritorou type to select the lasing wavelength. The total transmission window W is a window that shuts off the gas laser medium and the atmosphere and allows the entire laser beam to pass through. The lenses L 1 and L 2 constitute a telescope, and their focal length is determined from a fluence value required in a photochemical reaction. The reaction vessel 2 is installed at a point where a desired fluence value is obtained between telescopes. In the above configuration, the stimulated emission light extracted from the laser medium resonates between the total reflection mirror pair M 1 and M 2 , leading to laser oscillation. Here, the threshold condition for laser oscillation is that the gain obtained from the laser medium during one round trip of the laser light in the resonator exceeds other losses. The loss due to the reactant varies depending on the laser wavelength, the pressure of the reactant gas, and the type, but the loss in one pass is at most a few percent at most. On the other hand, considering that the transmittance of the output mirror of a general laser oscillator is at least 10% or more, the laser gain in one round trip in the resonator is 1 / 0.9 or more. In the configuration of the present invention, the output mirror is replaced by a total reflection mirror (transmittance 00%), and instead of reducing this loss, the above-described loss due to the reactant is introduced, which is compared with the laser gain. Therefore, the laser oscillation threshold condition is sufficiently satisfied. Here, the non-reflective coating is applied to the laser oscillation wavelength of the total transmission window W and the telescope lenses L 1 and L 2 existing in the laser resonator.
Also, since the laser light introduction window of the reaction vessel 2 is set at a Brewster angle to prevent reflection loss, the loss in the laser resonator is caused by the reflection loss of the total reflection mirrors M 1 and M 2 and the reaction medium. Only the energy loss absorbed by the A desired laser fluence is obtained in the reaction vessel 2 by the telescope, and all of the energy extracted from the laser medium, except for the component lost by the total reflection mirror, is injected into the reaction medium. The photochemical reaction efficiency per laser pulse can be dramatically improved. FIG. 3 shows an example of the arrangement of another optical component based on the same principle as that of FIG. 2, in which the telescope lenses L 1 and L 2 are changed to total reflection spherical mirrors M 3 and M 4. Yes, the operation is exactly the same as in FIG.

【0009】次に、テレスコープを挿入することによっ
て、元々のレーザ発振器におけるレーザビームの空間モ
ードを変化させることなく、かつ反応容器内で所望のレ
ーザフルーエンスを実現する方法について説明する。図
4は、本来のレーザ発振器の一形態を模式的に表したも
のであり、部分透過鏡OCはレーザ出力ミラーとして動
作するものである。図5は、図4の光学部品配置におい
て、 l1 =2800mm R1 =∞(平面), R2 =15000mm(凹面), R
3 =∞(平面) の条件の際の、ガウスビームの共振器内における空間伝
搬プロフィルをABCD行列を用いた光線追跡法によっ
て解析を行った結果を示したものである。レーザ媒質か
らレーザエネルギを最も効率良く取り出すためには、共
振器中における励起されたレーザ媒質の空間と、共振器
内で発生し得るレーザビームの空間モードを一致させる
必要がある。
Next, a method for realizing a desired laser fluence in the reaction vessel without changing the spatial mode of the laser beam in the original laser oscillator by inserting a telescope will be described. FIG. 4 schematically shows one form of the original laser oscillator, and the partially transmitting mirror OC operates as a laser output mirror. FIG. 5 shows that in the optical component arrangement of FIG. 4, l 1 = 2800 mm R 1 = ∞ (planar), R 2 = 15000 mm (concave), R
FIG. 6 shows the results of analyzing the spatial propagation profile of a Gaussian beam in a resonator by the ray tracing method using an ABCD matrix under the condition of 3 = ∞ (plane). In order to extract laser energy from the laser medium most efficiently, it is necessary to match the space of the excited laser medium in the resonator with the spatial mode of the laser beam that can be generated in the resonator.

【0010】以下の説明においては、図4の光学部品配
置を本来の最適化されたレーザ共振器と考え、図5の空
間プロフィルが励起媒質の空間プロフィルと一致してい
るものとして議論を進める。なお、以下では空間プロフ
ィルの対比が要点となるため、図5の形式で解析結果を
示す場合には、縦軸、横軸とも全て同一の縮尺で表すこ
とにする。
In the following description, the optical component arrangement of FIG. 4 will be considered as an originally optimized laser resonator, and the discussion will proceed assuming that the spatial profile of FIG. 5 matches the spatial profile of the excitation medium. In the following, since the comparison of the spatial profiles is the main point, when the analysis results are shown in the format of FIG. 5, both the vertical and horizontal axes are represented by the same scale.

【0011】図6は、図2の光学部品配置において l1 =2800mm, l2 =500mm, l3 =159
0mm, l4 =210mm f1 =800mm, f2 =800mm R1 = R2 =R3 =∞(平面), R4 =15000m
m(凹面) の条件において、全反射鏡対M1 ,M2 をレーザ共振器
用ミラーとして考えた場合の、共振器内において発生す
るガウスビームの空間伝搬プロフィルを光線追跡した結
果を示したものである。本図と図5を対比すると全反射
鏡M1 と全透過窓Wとの間におけるレーザビームの空間
プロフィルは両者とも殆ど同一であり、かつテレスコー
プレンズL1 ,L2 間ではレーザビームが集光され、レ
ーザパワー密度が大きくなっていることが示されてい
る。
FIG. 6 shows that in the optical component arrangement of FIG. 2, l 1 = 2800 mm, l 2 = 500 mm, and l 3 = 159.
0 mm, l 4 = 210 mm f 1 = 800 mm, f 2 = 800 mm R 1 = R 2 = R 3 = ∞ (flat), R 4 = 15000 m
In the condition of m (concave surface), when the total reflection mirror pair M 1 , M 2 is considered as a mirror for a laser resonator, a ray tracing result of a spatial propagation profile of a Gaussian beam generated in the resonator is shown. is there. Spatial profile of the laser beam between the contrasting this figure and FIG. 5 and the total reflection mirror M 1 to the total transmission window W are almost identical both, and the laser beam is condensed in between the telescope lenses L 1, L 2 It is shown that the laser power density is increased.

【0012】図7は、図2の光学部品配置において、 l1 =2800mm, l2 =500mm, l3 =308
0mm, l4 =520mm f1 =1600mm, f2 =1600mm R1 = R2 =R3 =∞(平面), R4 =15000m
m(凹面) の条件、すなわち図6に比べてテレスコープレンズ
1 ,L2 の焦点距離をそれぞれ2倍にし、それに伴い
3,l4 の距離を大きくした場合の、図6と同様の光線
追跡を行った結果を示したものである。図6と同様に、
全反射鏡M1 と全透過窓Wとの間におけるレーザビーム
の空間プロフィルは、図5のそれとほぼ同一であり、か
つ図6の結果と対比すると、テレスコープレンズ間での
集光ビーム径がおよそ2倍となるので、レーザパワー密
度がおよそ1/4に低下していることがわかる。以上に
示した例は、テレスコープの焦点距離として、2種類の
条件に対する解析結果を示したに過ぎない。しかしなが
ら、これらの焦点距離は任意に変更できるので、本発明
に基づいて、全反射鏡対M1 ,M2 によって構成される
レーザ共振器中に、要求されるフルーエンスに従って適
宜選択された焦点距離のテレスコープを挿入することに
よって、レーザビーム空間プロフィルとレーザ励起媒質
の空間プロフィルとの整合条件を崩すことなく、テレス
コープ間で任意のレーザパワー密度を実現できることが
わかる。
FIG. 7 shows that, in the optical component arrangement of FIG. 2, l 1 = 2800 mm, l 2 = 500 mm, and l 3 = 308.
0 mm, l 4 = 520 mm f 1 = 1600 mm, f 2 = 1600 mm R 1 = R 2 = R 3 = ∞ (flat), R 4 = 15000 m
The condition of m (concave surface), that is, the focal lengths of the telescope lenses L 1 and L 2 are respectively doubled and the distances l 3 and l 4 are increased as compared with FIG. It shows the result of ray tracing. As in FIG.
Spatial profile of the laser beam between the total reflection mirror M 1 to the total transmission window W is substantially the same as that of FIG. 5, and from a comparison with the results of Figure 6, the focused beam diameter of between telescope lens Since the laser power density is approximately doubled, it can be seen that the laser power density is reduced to approximately 1/4. The examples described above merely show the analysis results under the two conditions as the focal length of the telescope. However, since these focal lengths can be changed arbitrarily, according to the present invention, a focal length appropriately selected according to the required fluence is provided in the laser resonator constituted by the total reflection mirror pair M 1 and M 2 . It can be seen that by inserting a telescope, an arbitrary laser power density can be realized between telescopes without breaking the matching condition between the laser beam spatial profile and the spatial profile of the laser excitation medium.

【0013】次に、従来技術と本発明の差異について説
明する。図8は、米国特許4,072,590号公報に
示された従来技術に基づいた光学部品の配置を示したも
のであり、図2に比べてレーザ発振器を構成する全反射
鏡M1 の表面形状が凹面であり、テレスコープは存在し
ない。なお、図中の全透過窓Wは、図2と統一するため
に示したものであるが、両面とも平面であり、かつレー
ザパワーを全透過させるので、レーザビームの空間プロ
フィルに関する限り存在しないものと等価である。以上
の配置において l1 =2800mm, l2 =2800mm R1 =10000mm(凹面), R2 =R3 =R4 =∞
(平面) の条件で、全反射鏡対M1 ,M2 をレーザ共振器用ミラ
ーとして考えた場合の、共振器内において発生するガウ
スビームの空間伝搬プロフィルを光線追跡した結果を図
9に示す。本図と図5を対比すると全反射鏡M1 と全透
過窓Wとの間におけるレーザビームの空間プロフィル
は、当然のことながら全反射鏡M1 近傍で大きくなり、
もしM1 −W間にレーザビーム径を規制するような回折
損失要因が存在すると、レーザ媒質からの充分なエネル
ギ抽出が困難になる。また、反応容器2近傍において大
きなレーザパワー密度を期待することはできない。
Next, the difference between the prior art and the present invention will be described. Figure 8 is shows the arrangement of the optical components based on U.S. Patent 4,072,590 discloses the indicated prior art, the surface of the total reflection mirror M 1 which constitute the laser oscillator as compared with FIG. 2 The shape is concave and there is no telescope. Note that the total transmission window W in the figure is shown for unification with FIG. 2, but is a plane that is flat on both sides and completely transmits the laser power, so that it does not exist as far as the spatial profile of the laser beam is concerned. Is equivalent to In the above arrangement, l 1 = 2800 mm, l 2 = 2800 mm R 1 = 10000 mm (concave surface), R 2 = R 3 = R 4 = ∞
FIG. 9 shows the results of ray tracing the spatial propagation profile of a Gaussian beam generated in the resonator when the total reflection mirror pair M 1 and M 2 are considered as a mirror for a laser resonator under the condition of (plane). Spatial profile of the laser beam between the contrasting this figure and FIG. 5 and the total reflection mirror M 1 to the total transmission window W is greater by the total reflection mirror M 1 near Naturally,
If there is a diffraction loss factor that restricts the laser beam diameter between M 1 and W, it becomes difficult to sufficiently extract energy from the laser medium. Further, a large laser power density cannot be expected in the vicinity of the reaction vessel 2.

【0014】反応容器2内において、比較的大きなパワ
ー密度を実現するために、全反射鏡M2 を凹面鏡にした
例として、図8の光学部品配置において、 l1 =2800mm, l2 =1200mm R1 =4200mm(凹面), R2 =R3 =∞(平
面), R4 =6000mm(凹面) の条件の場合の、図9と同様の光線追跡を行った結果を
図10に示す。この場合、反応容器2近傍、すなわち全
透過窓Wと全反射鏡M2 の間でのビームプロフィルは図
9のそれに比べると小さくなり、レーザパワー密度を増
加させることはできる。しかしながら、図9と同様に、
全反射鏡M1 と全透過窓Wとの間におけるレーザビーム
の空間プロフィルは、全反射鏡M1 近傍で大きくなり、
また全透過窓W近傍では図5のそれに比べて逆に小さく
なってしまう結果、レーザエネルギ抽出効率はより悪く
なってしまう。以上の例においては2種類の条件設定に
対する計算結果を示したに過ぎないが、レーザエネルギ
抽出効率を損なうことなく、反応容器内で反射鏡上より
も大きなレーザパワー密度を実現することは、従来法で
は困難であることが明かである。
[0014] In the reaction vessel 2, in order to achieve a relatively large power density, the total reflection mirror M 2 As an example of the concave mirror, the optical component arrangement of Figure 8, l 1 = 2800mm, l 2 = 1200mm R FIG. 10 shows the results of ray tracing similar to FIG. 9 under the conditions of 1 = 4200 mm (concave surface), R 2 = R 3 = ∞ (planar surface), and R 4 = 6000 mm (concave surface). In this case, the reaction vessel 2 near, or beam profile among all transmission window W and the total reflection mirror M 2 becomes smaller than that of FIG. 9, it is possible to increase the laser power density. However, as in FIG.
Spatial profile of the laser beam between the total reflection mirror M 1 to the total transmission window W is greater by the total reflection mirror M 1 near
On the other hand, in the vicinity of the all-transmission window W, the size becomes smaller as compared with that of FIG. In the above example, only the calculation results for the two types of condition settings are shown. However, realizing a laser power density higher than that on a reflecting mirror in a reaction vessel without impairing the laser energy extraction efficiency is conventionally known. It is clear that the law is difficult.

【0015】図11は本発明のさらに別の形態の光学部
品の配置例を示したものである。この例においては、図
2の配置に比べて光学部品の点数を減らすため、テレス
コープを構成する一対の集光光学系が、レンズL 2 と、
レーザ共振器を構成する一方の全反射鏡M 2 とによって
構成されている。この配置における空間モード挙動とし
て、図6と等価な条件として、 l1 =2800mm, l2 =500mm, l3 =1630mm f1 =800mm R1 =R2 =R3 =∞(平面), R4 =800mm(凹面) の場合のガウスビームの光線追跡計算結果を図12に、
また図7と等価な条件として l1 =2800mm, l2 =500mm, l3 =3210mm f1 =1600mm R1 =R2 =R3 =∞(平面), R4 =1600mm(凹面) の場合のガウスビームの光線追跡計算結果を図13に示
す。これらの図を参照するとこの構成によっても、図6
及び図7で得られた結果と同様に、全反射鏡M1と全透
過窓Wとの間のレーザビーム空間プロフィルを図5のそ
れと同一に保ったまま、反応容器2近傍で自由にレーザ
パワー密度すなわちレーザフルーエンスを制御できるこ
とがわかる。
FIG. 11 shows another example of the arrangement of optical components according to the present invention. In this example, to reduce the number of optical components as compared to the arrangement of FIG. 2, Therese
A pair of condensing optical systems constituting the co-op includes a lens L 2 ,
By a total reflection mirror M 2 one constituting a laser resonator
It is configured. As the spatial mode behavior in this arrangement, as conditions equivalent to FIG. 6, l 1 = 2800 mm, l 2 = 500 mm, l 3 = 1630 mm f 1 = 800 mm R 1 = R 2 = R 3 = ∞ (plane), R 4 = 800 mm (concave surface) FIG.
Further, as conditions equivalent to FIG. 7, l 1 = 2800 mm, l 2 = 500 mm, l 3 = 3210 mm f 1 = 1600 mm R 1 = R 2 = R 3 = ∞ (flat surface), and R 4 = 1600 mm (concave surface) FIG. 13 shows the result of ray tracing calculation of a Gaussian beam. Referring to these figures, this configuration also provides
And similar to the results obtained in FIG. 7, the laser beam spatial profile between the total reflection mirror M 1 to the total transmission window W while maintaining the same as that of FIG. 5, freely laser power in the reaction vessel 2 near It can be seen that the density, ie, the laser fluence, can be controlled.

【0016】[0016]

【実施例】以下、実施例に基づいて、本発明に係わるレ
ーザ光を用いた気相光化学反応装置を具体的に説明す
る。図1に、本発明による気相光化学反応装置の一例を
示す。同図において、レーザ励起部3は大気圧動作横方
向励起(TEA)CO2 レーザ管である。レーザ用全反
射鏡M1 は多数存在するCO2 レーザの発振線の内の一
本を選択するためにリトロウ型に配置された平面グレー
テイングであり、その角度は発振波長が9.57μmに
なるように設定されている。全透過窓Wは、両面が平面
の無反射コーテイングが施されたZnSeウインドウで
あり、レーザ媒質と大気とを遮断しレーザビームを全部
透過させる窓である。なお、上記レーザ励起部3を通常
のレーザ発振器として用いる場合には、図4のごとく、
全透過窓Wが設置されている位置に部分透過鏡からなる
出力ミラーが設置される。レーザ励起部長、すなわち全
反射鏡M1と全透過窓Wとの距離は2.8mである。レ
ーザ励起部3の能力は、レーザ発振器として動作させた
場合、パルス半値幅約80nsec.、パルスエネルギ
8J/パルスのレーザパルスを出力する能力を有する。
全透過窓Wの右側50cmの位置には、焦点距離160
cmの無反射コーテイングが施されたZnSe集光レン
ズL1 が設置され、そこから3.21mの位置に、銅製
で金コーテイングが施された曲率半径1.6mの凹面全
反射鏡M2 が設置されている。以上の条件は図13の計
算条件と一致するものである。反応容器2は、円筒形の
ガラス製容器であり、その両端には、入射角がブリュー
スター角度に設定されたNaCl基板がレーザビーム導
入用の窓として設置されている。反応物質4は、反応容
器2の一端から導入され、レーザ照射を受けた後、他端
から排出される構成となっている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a gas phase photochemical reaction apparatus using laser light according to the present invention will be described in detail based on embodiments. FIG. 1 shows an example of a gas phase photochemical reaction device according to the present invention. In the figure, a laser excitation unit 3 is an atmospheric pressure operated lateral excitation (TEA) CO 2 laser tube. The laser total reflection mirror M1 is a planar grating arranged in a Littrow type in order to select one of a large number of oscillation lines of a CO 2 laser, and its angle is set to an oscillation wavelength of 9.57 μm. It is set as follows. The total transmission window W is a ZnSe window having flat surfaces on both sides and coated with a non-reflection coating, and is a window that shields the laser medium from the atmosphere and allows the entire laser beam to pass therethrough. When the laser excitation unit 3 is used as a normal laser oscillator, as shown in FIG.
An output mirror composed of a partial transmission mirror is installed at a position where the total transmission window W is installed. Laser excitation director, ie the distance between the total reflection mirror M 1 to the total transmission window W is 2.8 m. When operated as a laser oscillator, the capability of the laser excitation section 3 is such that the pulse half width is about 80 nsec. , Capable of outputting a laser pulse having a pulse energy of 8 J / pulse.
At a position 50 cm to the right of the total transmission window W, a focal length of 160
nonreflective coating of cm is installed ZnSe condenser lens L 1 which has been subjected, a position of 3.21m from there, concave total reflection mirror M 2 gold coating is subjected curvature radius 1.6m installation with copper Have been. The above conditions are the same as the calculation conditions in FIG. The reaction vessel 2 is a cylindrical glass vessel, and a NaCl substrate whose incident angle is set to a Brewster angle is installed at both ends as a window for introducing a laser beam. The reaction substance 4 is configured to be introduced from one end of the reaction vessel 2, receive laser irradiation, and then discharged from the other end.

【0017】以上に示した系を用いて炭素13の同位体
濃縮をCHClF2を原料気体として用いて行った。そ
の結果、炭素13が天然濃度の50倍に濃縮されたC2
4 が生成物として得られ、レーザパルス当りの13C
分離効率として8×10-7mol/パルスの効率が得ら
れた。比較のために、従来法に相当する図10の条件に
系を変更して同様な濃縮実験を行った結果、レーザパル
ス当りの13C分離効率として5×10-8mol/パル
スの効率が得られた。従って、本発明により、単位レー
ザパルスエネルギ当りの光化学反応効率は従来技術に比
べて10倍以上に改善された。
Using the above-described system, carbon 13 isotope enrichment was performed using CHClF 2 as a raw material gas. As a result, C 2 carbon 13 is concentrated 50-fold of a natural concentration
F 4 was obtained as product, per laser pulse 13C
An efficiency of 8 × 10 −7 mol / pulse was obtained as the separation efficiency. For comparison, a similar enrichment experiment was performed with the system changed to the condition of FIG. 10 corresponding to the conventional method, and as a result, an efficiency of 5 × 10 −8 mol / pulse was obtained as the 13C separation efficiency per laser pulse. Was. Therefore, according to the present invention, the photochemical reaction efficiency per unit laser pulse energy has been improved more than ten times as compared with the prior art.

【0018】以上の実施例においては、パルスCO2
ーザの代表であるTEAレーザを例にとって示したが、
本発明がQスイッチ技術等によるその他のパルスCO2
レーザや連続波レーザ、さらには固体レーザや色素レー
ザなどの他のレーザに対しても適用が可能であることは
言うまでもない。
In the above embodiment, the TEA laser, which is a representative of the pulse CO 2 laser, has been described as an example.
The present invention relates to other pulse CO 2 by Q switch technology or the like.
Needless to say, the present invention can be applied to other lasers such as a laser, a continuous wave laser, and a solid-state laser or a dye laser.

【0019】[0019]

【発明の効果】以上に説明したごとく、本発明によれ
ば、レーザビームによる気相光化学反応工程の中で最も
高い価格を占めるレーザビームのパワーを有効に利用す
ることができ、レーザエネルギに対する光化学反応効率
の改善、並びにレーザの各種の費用の低減が可能であ
り、低コストのレーザ気相光化学反応工程を実現できる
利点を有する。
As described above, according to the present invention, it is possible to effectively use the power of the laser beam, which occupies the highest price in the gas-phase photochemical reaction process using the laser beam, and it It is possible to improve the reaction efficiency and reduce various costs of laser, and has an advantage that a low-cost laser gas phase photochemical reaction process can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のレーザ光を用いた気相光化学反応装置
の一実施例を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of a gas phase photochemical reaction device using laser light of the present invention.

【図2】本発明における光学部品の配置例を示した模式
図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of arrangement of optical components according to the present invention.

【図3】本発明の他の光学部品の配置例を示した模式図
であり、図2に比べてテレスコープレンズを全反射凹面
鏡で置き換えた例である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing another example of the arrangement of optical components of the present invention, in which a telescope lens is replaced by a total reflection concave mirror as compared with FIG.

【図4】レーザ励起部を発振器として用いた場合の光学
部品の配置例を示した模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of arrangement of optical components when a laser excitation unit is used as an oscillator.

【図5】図4の構成において共振器内で発生するガウス
ビームの空間モードを光線追跡によって解析した結果を
示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a result of analyzing a spatial mode of a Gaussian beam generated in the resonator by ray tracing in the configuration of FIG. 4;

【図6】図2の光学部品配置において、全反射鏡対
1 ,M2 をレーザ共振器用ミラーとして考えた場合
の、共振器内において発生するガウスビームの空間伝搬
プロフィルを光線追跡した結果を示す図である。
FIG. 6 shows a result of ray tracing of a spatial propagation profile of a Gaussian beam generated in the resonator when the total reflection mirror pair M 1 , M 2 is considered as a mirror for a laser resonator in the optical component arrangement of FIG. FIG.

【図7】図6と同一の配置において、光学部品の条件を
変えた場合の図6と同様の解析結果を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an analysis result similar to FIG. 6 when the condition of the optical component is changed in the same arrangement as in FIG. 6;

【図8】従来技術における光学部品の配置例を示した模
式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of arrangement of optical components according to the related art.

【図9】図8の従来法における光学部品配置において、
全反射鏡対M1 ,M2 をレーザ共振器用ミラーとして考
えた場合の、共振器内において発生するガウスビームの
空間伝搬プロフィルを光線追跡した結果を示す図であ
る。
9 shows an optical component arrangement in the conventional method of FIG.
FIG. 11 is a diagram illustrating a ray tracing result of a spatial propagation profile of a Gaussian beam generated in the resonator when the total reflection mirror pair M 1 and M 2 are considered as mirrors for a laser resonator.

【図10】図9と同一の配置において、光学部品の条件
を変えた場合の図9と同様の解析結果を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing an analysis result similar to FIG. 9 when the condition of the optical component is changed in the same arrangement as in FIG. 9;

【図11】本発明の他の光学部品の配置例を示した模式
図であり、図2に比べてテレスコープレンズL2 と全反
射鏡M2 を同一の全反射鏡M2 によって構成した例であ
る。
11 is a schematic view showing an arrangement example of another optical component of the present invention, example in which the telescope lens L 2 and the total reflection mirror M 2 by the same total reflection mirror M 2 as compared with FIG. 2 It is.

【図12】図11の光学部品配置において、全反射鏡対
1 ,M2 をレーザ共振器用ミラーとして考えた場合
の、共振器内において発生するガウスビームの空間伝搬
プロフィルを光線追跡した結果を示す図である。
FIG. 12 shows a result of ray tracing of a spatial propagation profile of a Gaussian beam generated in a resonator when the total reflection mirror pair M 1 and M 2 are considered as mirrors for a laser resonator in the optical component arrangement of FIG. FIG.

【図13】図12と同一の配置において、光学部品の条
件を変えた場合の図12と同様の解析結果を示す図であ
る。
FIG. 13 is a diagram showing an analysis result similar to that of FIG. 12 when the condition of the optical component is changed in the same arrangement as in FIG. 12;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:レーザビーム 2:反応容器 3:レーザ励起部 4:原料気体 M1 :全反射鏡 M2 :全反射鏡 W:全透過窓 M3 :凹面全反射鏡 M4 :凹面前反射鏡 L1 ,L2 :レンズ1: Laser beam 2: reactor 3: laser pumping unit 4: raw material gas M 1: total reflection mirror M 2: total reflection mirror W: total transmission window M 3: concave total reflection mirror M 4: concave front reflector L 1 , L 2 : lens

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂井 辰彦 神奈川県相模原市淵野辺5−10−1、新 日本製鐵株式会社 エレクトロニクス研 究所内 (56)参考文献 特開 平2−251227(JP,A) 特開 平2−214526(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Tatsuhiko Sakai 5-10-1 Fuchinobe, Sagamihara City, Kanagawa Prefecture, Nippon Steel Corporation Electronics Research Laboratory (56) References JP-A-2-251227 (JP, A JP-A-2-214526 (JP, A)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 レーザビームを気相原料物質が存在する
反応容器内の反応領域に導入し、原料物質の光吸収特性
を用いて所望の化学反応を行うための装置で、レーザ共
振器を全反射鏡対で構成し、反応容器をレーザ共振器内
に挿入するレーザ光を用いた気相光化学反応装置におい
て、レーザ共振器内に一対の集光光学系からなるテレス
コープを設け、その間のレーザ集光位置に反応容器を設
置し、テレスコープ光学系の焦点距離を変更することに
より反応容器内のレーザ光強度を制御することを特徴と
するレーザ光を用いた気相光化学反応装置。
An apparatus for introducing a laser beam into a reaction region in a reaction vessel in which a gaseous source material is present, and performing a desired chemical reaction using light absorption characteristics of the source material. In a gas-phase photochemical reaction device using a laser beam, which is composed of a pair of reflecting mirrors and inserts a reaction vessel into a laser resonator, a telescope consisting of a pair of condensing optical systems is provided in the laser resonator, and the laser between them A gas-phase photochemical reaction apparatus using laser light, wherein a reaction vessel is installed at a focusing position and a laser beam intensity in the reaction vessel is controlled by changing a focal length of a telescope optical system.
【請求項2】 レーザ共振器内に挿入するテレスコープ
が一対のレンズもしくは集光反射鏡からなる請求項1記
載のレーザ光を用いた気相光化学反応装置。
2. A gas phase photochemical reaction apparatus using laser light according to claim 1, wherein the telescope inserted into the laser resonator comprises a pair of lenses or a condensing reflector.
【請求項3】 テレスコープを構成する一対の集光光学
は、その一方の集光光学系がレーザ共振器を構成する
全反射鏡対の一方の全反射鏡で構成されている請求項1
記載のレーザ光を用いた気相光化学反応装置。
3. A pair of focusing optical systems constituting a telescope , one of which constitutes a laser resonator.
2. The method according to claim 1 , wherein the total reflection mirror comprises one total reflection mirror.
A gas phase photochemical reaction device using the laser light described in the above.
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