JP4370134B2

JP4370134B2 - レーザ分解装置及び分解方法

Info

Publication number: JP4370134B2
Application number: JP2003316703A
Authority: JP
Inventors: 祥啓出口; 剛俊山浦
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: JP2005081259A

Description

本発明は、水蒸気の存在のもと例えば有害物質などの被分解物が存在する領域に特定波長のレーザ光を照射して分解処理するレーザ分解装置及び方法に関する。

近年、環境規制が厳しくなり、自動車の排気ガス、工場排出ガスなどの有害成分を含むガスの分解処理が急務である。

このため、従来では、トンネル内の排ガス中の低ＮＯｘ化においては、ＮＯｘやＳＯｘなどを分解する特定の波長のレーザ光を用いた個別処理が提案されている（特許文献１）。

特開２００２−１１３２３号公報

しかしながら、従来の装置では、トンネル内において特定の有害物質は分解処理することができるものの、例えば交差点のような様々な汚染物質があるようなところでは、効率的な環境浄化を促進することができないという問題がある。
また、空気中の有害物質を効率よく分解し、快適空間、快適環境のための装置の出現が望まれている。
さらに、自動車からの排気ガス、工場からの排出ガスの浄化において、特定のガスのみならず、有機物質などの有害ガスを総合して効率よく浄化するような装置の出現が望まれている。

本発明は、上記問題に鑑み、快適な環境を提供するために、各種有害成分などが含まれる領域に水蒸気を励起する特定波長のレーザ光を照射し、該励起された高いエネルギーにより有害物質などの被分解物を分解処理することができるレーザ分解装置及び方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、水蒸気を励起するレーザ光を照射するレーザ装置を備え、レーザ光の照射によって高い励起状態となった水蒸気により被分解物を分解するレーザ分解装置であって、水蒸気の励起波長が１１００〜１１６０ｎｍ、１３４０〜１５００ｎｍ、１８００〜２０００ｎｍの波長域の１又は２以上の特定波長であり、且つ該レーザ光を増幅し、被分解物が存在する領域に照射し、該領域に存在する水蒸気を高いエネルギー状態とし、被分解物を分解することを特徴とするレーザ分解装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、レーザ光を増幅する増幅器を備えてなることを特徴とするレーザ分解装置にある。

第３の発明は、第１又は２において、水蒸気を噴霧する水蒸気噴霧手段を備えてなることを特徴とするレーザ分解装置にある。

第４の発明は、半導体レーザ装置を用いて、水蒸気の特定励起波長のレーザ光を用い、
該レーザ光を被分解物が存在する領域に照射し、被分解物が存在する領域の水蒸気を高い
エネルギー状態にしつつ、被分解物を分解するレーザ分解方法であって、水蒸気の励起波
長が１１００〜１１６０ｎｍ、１３４０〜１５００ｎｍ、１８００〜２０００ｎｍの波長
域の１又は２以上の特定波長であり、且つ該レーザ光を増幅し、被分解物が存在する領域
に照射し、該領域に存在する水蒸気を高いエネルギー状態としつつ、被分解物を分解する
ことを特徴とするレーザ分解方法にある。

以上述べたように、本発明によれば、半導体レーザ装置からの水蒸気の特定励起波長のレーザ光を用い、該レーザ光を被分解物が存在する領域に照射し、被分解物が存在する領域の水蒸気を高いエネルギー状態にしつつ、被分解物を分解するので、環境浄化を効率よく促進することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明によるレーザ分解装置とその分解方法について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係るレーザ分解処理装置を示す概念図である。
図１に示すように、レーザ分解装置１００は、水蒸気を励起するレーザ光１０１を照射するレーザ装置１０２を備え、特定の水蒸気励起レーザ光１０１を被分解物１０３が存在する領域１０４に照射し、該レーザ光の１０１の照射によって高い励起状態となった水蒸気により被分解物１０３を分解するものである。

ここで、水蒸気を励起するレーザ光１１とは、図２に示すような波長域をいう。
図２に示すように、水蒸気を励起する特定波長とは、１１００〜１１６０ｎｍの第１の波長領域、１３４０〜１５００ｎｍの第２の波長領域、１８００〜２０００ｎｍの第３の波長域がある。そして、これらの波長領域において、例えば図３に示すように、第２の波長領域において、１３５９．５ｎｍ、１３６１．７ｎｍ、１３６２．５ｎｍのような特定の波長が水蒸気の励起波長となる。

そして、図４に示すように、１３５９．５ｎｍの波長で水蒸気を励起すると、存在確率とエネルギーの関係において、約７０００（ｃｍ^-1）というエネルギー活性が高い状態に遷移させることができることとなる。

これは、図５の分子の内部エネルギーとレーザ光による励起の状態を示すように、通常、水の分子内には、回転、振動、電子エネルギーが存在し、一般に、常温では、低いエネルギー状態のみ分子が存在する（常温での存在領域）。ここで、温度が高くなるにつれて、ボルツマン分布に従い、高いエネルギー状態に分子が移行し、その反応性が上昇する（高温での存在領域）。
そして、レーザ光を照射することにより、Ｈ₂Ｏを選択的に非常に高いエネルギー状態（〜１００００Ｋに相当）に遷移させることができる（レーザ励起での存在領域）。この結果、通常では決して達成し得ないような反応特性を常温（低い温度）にて達成することが可能となる。

そして、図２に示した１１００〜１１６０ｎｍの第１の波長領域では約８０００程度のエネルギー（ｃｍ^-1）となり、１３４０〜１５００ｎｍの第２の波長領域では７０００となり、１８００〜２０００ｎｍの第３の波長域では、約５２００（ｃｍ^-1）のエネルギーと、波長が短いほど高いエネルギー状態へと遷移することとなる。
ただし、波長が短い第１の波長領域では、相対光吸収強度が低いので、この波長領域と第２又は第３の波長領域の特定のレーザ光を、適宜選択して、好適な水蒸気励起レーザ光とするようにすればよい。

例えば、図３に示したような三種類の波長（波長１、波長２、波長３）のレーザ光を用いる場合には、図６に示すような、波長１用のシングルモード半導体レーザ２１−１と、
波長２用のシングルモード半導体レーザ２１−２と、波長３用のシングルモード半導体レーザ２１−３とを用い、合波手段２２により、三種類の波長を合波させ、ついで、レーザ光を増幅する光増幅用半導体レーザ装置２３を用いた半導体レーザ光増幅器２４により、合波レーザ光を増幅する。この増幅されたレーザ光を被分解物が存在する領域に照射することで、被分解物を高い水蒸気エネルギーにより効率よく分解処理ことができる。
すなわち、環境中には水蒸気が存在しているので、上記波長領域の特定の波長を選択し水蒸気に照射することで、環境中の水蒸気を励起させて高いエネルギーとすることにより、環境中に存在する例えば有害物質などの被分解物を分解処理することができる。

また、環境中に水蒸気の量が少ない場合には、積極的に水蒸気雰囲気とするための手段として、水蒸気噴霧手段を別途備えるようにすればよい。

ここで、本実施例におけるレーザ分解装置の具体例を図７に示す。図７に示すように、本実施例にかかるレーザ分解装置１０は、シングルモード半導体レーザ発振装置１１と、水蒸気励起波長となるように校正する波長校正装置１２と、該校正されたレーザ光１１ａを増幅する光増幅用半導体レーザ１３を各々備えた第１及び第２の増幅器１４，１５と、水蒸気を励起する特定の波長となって増幅したレーザ光１６を、被分解物が存在する領域１７にレーザ光を導入する導入手段（光ファイバ）１８とからなり、被分解物が存在する領域１７において、レーザ光を照射し、水蒸気を高いエネルギー状態に活性化させて被分解物を分解処理するようにしている。

ここで、上記波長の校正を行う波長校正装置１２の概略を図８に示す。
図８に示すように、波長構成装置１２は励起させる水蒸気２１を容器２２に封入し、光ファイバからのレーザ光１１ａを光検出器２３によりその透過光強度を測定するものである。そして、図９に示すように、この透過光強度のピークが設定波長となるように波長を校正するようにしている。なお、この波長の校正は温度と電流とにより調整することができる。
なお、波長校正を行うことなく、特定の水蒸気励起波長を固定したレーザ発振装置を用いるようにしてもよい。

また、増幅したレーザ光を光ファイバにおいて転送する場合において、最大光強度に制限がある場合には、図１０に示すように、第２の半導体レーザ光増幅器１５からの増幅されたレーザ光を第３の半導体レーザ光増幅器１９へ光ファイバで転送し、この増幅器１９において光増幅用の半導体レーザ１３で増幅して反応場１７へ導くようにすればよい。

ここで、本発明において、被分解物が存在する領域とは閉鎖領域に限定されるものではなく、開放領域におけるレーザ光照射範囲において、被分解物を分解処理するようにしている。

ここで、被分解物が存在する領域としては、例えば交差点、排気ガス出口近傍、建造物室内、運行物又は運行物室内、喫煙室内、クーラ内部、浄化装置内部、食器洗乾燥機、便器、汚染処理場、家畜育成場、鮮魚運搬容器、リサイクル物などを挙げることができるが、例えば有害物質等の被分解物が存在する領域であれば、本発明ではこれらに限定されるものではない。

特に、環境中における空気の浄化、閉鎖または開放領域における空気の浄化に本発明を適用することで快適な環境を提供することができる。

本発明による実施例２について図１１、図１２を用いて説明する。
図１１は、本発明の実施例２に係るレーザ分解装置を交差点に設置した概略図であり、図１２はその部分拡大図である。
これらの図面に示すように、実施例１で述べたようなレーザ分解装置１００を用い、交差点２０１において、信号機２０２の上部側及び下部側からレーザ光１０１を光ファイバ２０３により照射させるようにしている。
本実施例においては、信号機２０２の上部側及び下部側からレーザ光１０１を照射しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図１１に示すように、車両の停止部分近傍の歩道側にレーザ分解装置１００を設置し、車両から排出する排気ガス中のＮＯｘ、ＳＯｘ、有機化合物など有害物質を積極的に分解するようにしてもよい。
レーザ光１０１の照射は複数の光ファイバを用いて行なったり、レーザ光の照射端部が回転する回転手段等を用いて行うようにすればよい。

本発明による実施例３について図１３を用いて説明する。
図１３は、本発明の実施例３に係るレーザ分解装置を室内側に設置した概略図である。
図１３に示すように、実施例１で述べたようなレーザ分解装置１００を用い、室内２１０側のドア２１１の上部側からレーザ光１０１を照射させるようにしている。これにより、室内に侵入する空気ならびに室内循環空気の浄化をおこなうことができる。

また、レーザ光を照射するシャワーブースとすることで、シャワーブース内に存在するもののにおいなどを分解処理することができる。
例えば、このシャワーブースをクリーニング店におけるクリーング溶剤の除去に用いて好適である。これにより、有機溶剤過敏者に対しても安全なクリーニング仕上げ製品を提供できる。

本発明による実施例４について図１４を用いて説明する。
図１４は、本発明の実施例４に係るレーザ分解装置を有害物質の処理に適用した概略図である。
図１４に示すように、実施例１で述べたようなレーザ分解装置１００を処理作業者２２０が携帯し、有害物質などの被処理物１０３に対し、レーザ光１０１を照射することで、有害物質の浄化処理をおこなうことができる。この際、水蒸気を水蒸気噴霧手段等により別途噴霧するようにして、水蒸気量を増大させるようにしてもよい。

本発明による実施例５について図１５を用いて説明する。
図１５は、本発明の実施例５に係るレーザ分解装置を車両の排気管出口近傍に設置した概略図である。
図１５に示すように、実施例１で述べたようなレーザ分解装置（図示せず）を用い、車両の排気管２３０の出口近傍に設けた光ファイバ２０３の端部からレーザ光１０１を照射させるようにしている。これにより、排気管２３０から外部へ放出される排ガスの浄化をおこなうことができる。

本発明による実施例６について図１６を用いて説明する。
図１６は、本発明の実施例６に係るレーザ分解装置を工場などの煙突に設置した概略図である。
図１６に示すように、実施例１で述べたようなレーザ分解装置１００を用い、工場からの排ガスを排出する煙突２４０の出口近傍に設けた光ファイバ２０３の端部からレーザ光１０１を照射させるようにしている。これにより、煙突２３０から外部へ放出される排ガスの浄化をおこなうことができる。

以上のように、本発明にかかるレーザ分解装置は、各種有害成分などが含まれる領域に水蒸気を励起する特定波長のレーザ光を照射することで励起された高いエネルギーにより有害物質などの被分解物を分解処理することができ、環境浄化に用いて適している。

実施例１にかかるレーザ分解装置の概略図である。Ｈ₂Ｏの相対光吸収強度と波長との関係を示すグラフである。水蒸気の励起レーザ光の波長と吸収量の関係図である。常温の水蒸気のエネルギー状態とレーザ光により励起された水蒸気のエネルギー状態の存在確率を示すグラフである。水蒸気の常温、高温、レーザ光による励起による分子の内部エネルギー変化を示す図である。三種類の波長を合波してなるレーザ分解装置の構成図である。波長校正手段及び光増幅手段を備えたレーザ分解装置の構成図である。波長校正装置の概略図である。レーザ波長と透過光強度との関係図である。波長校正手段及び光増幅手段を備えたレーザ分解装置の構成図である。実施例２にかかるレーザ分解装置を交差点に設置した概略図である。実施例２にかかる信号機に設置したレーザ分解装置の構成図である。実施例３にかかるレーザ分解装置を部屋に設置した概略図である。実施例４にかかるレーザ分解装置を形態する状態を示した概略図である。実施例５にかかるレーザ分解装置を排気管に設置した概略図である。実施例６にかかるレーザ分解装置を煙突に設置した概略図である。

符号の説明

１００レーザ分解装置
１０１レーザ光
１０２レーザ装置
１０３被分解物
１０４被分解物が存在する領域

Claims

水蒸気を励起するレーザ光を照射するレーザ装置を備え、レーザ光の照射によって高い
励起状態となった水蒸気により被分解物を分解するレーザ分解装置であって、
水蒸気の励起波長が１１００〜１１６０ｎｍ、１３４０〜１５００ｎｍ、１８００〜２
０００ｎｍの波長域の１又は２以上の特定波長であり、且つ該レーザ光を増幅し、被分解
物が存在する領域に照射し、該領域に存在する水蒸気を高いエネルギー状態とし、被分解
物を分解することを特徴とするレーザ分解装置。
請求項１において、
レーザ光を増幅する増幅器を備えてなることを特徴とするレーザ分解装置。
請求項１又は２において、
水蒸気を噴霧する水蒸気噴霧手段を備えてなることを特徴とするレーザ分解装置。
半導体レーザ装置を用いて、水蒸気の特定励起波長のレーザ光を用い、
該レーザ光を被分解物が存在する領域に照射し、被分解物が存在する領域の水蒸気を高い
エネルギー状態にしつつ、被分解物を分解するレーザ分解方法であって、
水蒸気の励起波長が１１００〜１１６０ｎｍ、１３４０〜１５００ｎｍ、１８００〜２
０００ｎｍの波長域の１又は２以上の特定波長であり、且つ該レーザ光を増幅し、被分解
物が存在する領域に照射し、該領域に存在する水蒸気を高いエネルギー状態としつつ、被
分解物を分解することを特徴とするレーザ分解方法。