JP4955419B2

JP4955419B2 - 白色光励起レーザー装置

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Publication number: JP4955419B2
Application number: JP2007046478A
Authority: JP
Inventors: 村原正隆; 村原正秀; 岡本義昭; 小川公一
Original assignee: 有限会社岡本光学加工所; 村原正隆; 村原正秀
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: JP2008210999A

Description

本発明は、白色光励起レーザー装置に関する

固体レーザーや液体レーザーなどの光励起源はXeやKrフラッシュランプや半導体レーザーがある。XeやKrフラッシュランプによる励起には楕円鏡の2つの焦点の一方にランプを、他方にレーザーロッドを配置する方法が取られている。また半導体励起では固体レーザーヘッドやロッドの極近傍に光学系を介さず半導体レーザーを置く。とくに高出力レーザーでは光源とレーザーロッドの間に冷却水を流す事が多い。

太陽光励起固体レーザーは、非特許文献１に示すように、１９６６年米国のC.G.Youngが太陽光を放物面鏡で集光してレーザーロッドに照射し、1.3 Wの連続発振に世界で最初に成功した。１９９８年イスラエルのワイツマン研究所では、非特許文献２に示すように太陽光をNd、Hoドープのアレキサンドライトレーザーに照射して、変換効率30％でkW級のレーザー発振に成功している。２００１年（財）レーザー技術総合研究所では、非特許文献３に示すように太陽光をフレネルレンズで集光し、その光をファイバーレーザーのクラッド部分に入れ、コアー部のレーザーロッドをクラッドでの反射光によりレーザー励起する方法を提案している。２００２年米国航空宇宙局（NASA）のジェット推進研究所では、非特許文献４に示すように光ファイバーレーザーを束ねる方式を提案している。この様に放物面鏡やフレネルレンズを用い太陽光を千倍から一万倍に集光して、３準位または４準位レーザー媒質に効率良く吸収させると、発振に至る十分な反転分布を得ることができる。しかし太陽光を直接入射した時の熱的効果によるビーム品質や媒質のダメージが考えられるが、それを解決するために、本願発明者は特許文献１に示すようにトロイダル鏡やトロイダルレンズで集光した太陽光をトロイダル型ガラス容器の中を冷却水で循環させ、その中のレーザーロッドに水を介して高密度平行光励起を行うことを開示している。さらに本願発明者は特許文献２において内部に冷却水あるいはシリコーンオイルが満たされた積分球や円筒あるいは円錐台など軸対称円形ガラス容器両端面の一方の入射窓から対物レンズやミラーで集光した高密度太陽光を入射し、入射した光はガラス容器内部に進み、ガラス容器の外壁にコーティングされた反射膜で何回も反射されてレーザーロッド全体を励起することが開示されている。そこで次に残された課題は太陽光の有する幅広いスペクトルを効率良くレーザーロッドに吸収させる方法の開発である。

太陽から地球に注がれるエネルギー密度は１ｋＷ／ｍ２あり、このエネルギーの可視光線を半導体の量子光電効果を利用して発電するのが太陽電池である。太陽電池のエネルギー変換効率は太陽電池に入射されたエネルギーと太陽電池の電気出力エネルギーの比をパーセントで表したものである。現在市場に出回っている太陽電池の９９％がシリコン系材料を使ったものであり、電池素子が単結晶シリコンの場合の変換効率は１７〜２１％、た結晶シリコンで１５〜１７％、アモルファスシリコンで１０〜１２％である。

太陽電池の変換効率が高々２０％と低い理由は、太陽電池が熱エネルギーを媒介しないエネルギー変換だからである。地球上に降注ぐ太陽光の波長域は250〜1800nmである。しかし太陽電池はその中の400〜800nmの光のみしか使われていない。特に単結晶シリコンでは励起波長のピークが800nm、アモルファスシリコンでは600nm前後にあり、太陽光のピーク波長550nmに比べ長波長側にずれている。そこで太陽光のピーク波長550nmによって色素を励起して長波長の光に変換する方法の特許出願が多い。二酸化チタンを光電変換の基幹部品に用いる色素増感型太陽電池の研究がそれを物語っている。例えば、金属イオンをドープした酸化チタン半導体層の表面に、遷移金属錯体などの分光増感色素を吸着させた色素増感型太陽電池が特許文献３に記載されている。色素増感された酸化物半導体微粒子薄膜を用いた太陽電池について特許文献４に開示されている。しかしこれら色素増感型太陽電池の吸収波長域がシリコンより狭いため実用にはいたっていない。

太陽電池に使われていない短波長域の光を利用する試みとして特許文献５には太陽電池表面に蒸着されている無反射膜にEuなどの希土類金属をドープして熱拡散することにより、短波長領域の光を希土類イオンに一旦吸収させて、長波長側に発光させ、この発光光をシリコンに効率よく吸収させた量のキャリアを励起して高効率で光電変換を行うことができることが開示されている。

熱電素子はペルチェ素子とも言い異種の半導体を接合して電流を流すと、一方の接合部で発熱が、他方の接合部で吸熱が起こる。このことは一方で吸熱した熱を他方で放出することを意味し、電流の向きを逆にすると発熱、吸熱が逆になる。また両接合面に温度差を持たすと電位差が現れ、これが温度差発電素子としても働く。本願発明者はこの熱電素子に正弦波直流電圧をプラス電位からマイナス電位に変化するようにして熱電素子に印加して、温度差を周期的に変化させて、その熱変化を岩石試料に与え、岩石の熱定数測定装置を作ったことが非特許文献５に開示されている。また熱電素子の一方をレーザーミラーに密接させ、他方を冷却水で冷却した状態で素子に直流を流す事によってレーザーミラーを冷却する装置を特許文献６に開示されている。またこの熱電素子を一方に500℃以下の高温を与え、他方を100℃以下にした温度差を発電素子に使うことが非特許文献６に、その素子の製作方法が特許文献７に開示されている。

太陽電池の裏側に赤外線のみ透過する層と熱吸収層の背後に熱電素子を、その背後に冷却装置を付けて太陽光発電と熱発電を併用する方法が特許文献８に開示されている。太陽電池の裏側と熱伝素子の裏側との間に熱交換用のフィンを付け、太陽電池と熱伝素子を冷却して太陽光発電と熱発電を併用する方法が特許文献９に開示されている。ドーナツ型の中央部は太陽光の入射口、周辺部はフレネルレンズからなりこのレンズにより集められた太陽エネルギーと中央部の開口部を通過した太陽光とを重畳して集光し、太陽電池または熱電素子に照射する方法が特許文献１０に開示されている。

地球に降注ぐ太陽光のエネルギー密度は１ｋＷ／ｍ２あり、このエネルギーの可視光線を半導体の量子光電効果を利用して発電するのが太陽電池であるが、その光電効率は高々２０％である。この効率を上げる最も容易な方法が、太陽光の密度を高くすることである。本願発明者は円筒鏡を製造する方法として、耐熱煉瓦表面を円筒状にＮＣフライス加工したミラー鋳型を作り、その上に電気炉中でガラス板を載せ、ガラスの軟化点近くまで炉の温度を上げ、鋳型の下部から真空脱気することによりガラス表面が予め計算された曲面まで馴染ませル事により、大口径球面ミラーを作る方法を非特許文献７および特許文献１１に開示している。この手法は昭和４９年４月から通産省工業技術院のサンシャイン計画の中で「筒型法物面鏡」として日立製作所原子力研究所が「太陽熱発電システムの開発」で使用した事が非特許文献８に開示されている。さらに本願発明者は特許文献１で太陽励起レーザーに集光鏡としてトロイダル鏡を使うことを開示している。

太陽光のように広いスペクトルを持つ場合は発熱量が大きくなるため、大規模な冷却装置が必要である。一方半導体レーザーの発振波長はファイバーレーザーロッドの吸収帯に近接しているため、高効率レーザー発振が期待できる。非特許文献９によるとYbをドープしたダブルクラッドファイバーレーザーは975nmに吸収があるため、100μφで２０メーターのファイバーに2.2Wの高出力半導体レーザーダイオードで光励起して1.3Wの出力、すなわち６３％の高効率を出している。しかし、地上で350〜1500nmと広帯域のスペクトルを有する太陽光を用い効率よく発振するには、励起に使われない太陽光の紫外線や可視光線をレーザーの励起光に波長変換し、励起波長より波長の長い赤外線を冷却水に吸収させるかあるいはそれらの赤外線をコールドミラーで系外に反射させ熱源として使うことが急務である。
特願２００５−３３８４２５特願２００６−２３９９９０特公平８-１５０９７号公報特願２００１−２７２２５２（特開２００３−８６２５７）特願平７−０２７３５９（特開平８−２０４２２２）特願昭５３−０２４９７２特願２０００−３９９２５５（特開２００２−２０３９９３）特願平８−２６４１４４（特開平１０−１１０６７０）特願平４−３２４１６２（特開平６−１７４２４９）特願２００３−１１０６（特開２００４−２１４４９１）特願昭５１−７９０５５（特開昭５３−５６４７）特願２００３−２９８１２４（特開２００５−０７０２４３）特願２００５−２５１２５７（特開２００６−１０４０４６）特願２００３−２９８１５８（特開２００５−０７０２４５） C.C.Young; Applied Optics, 5, p993 (1966) Israel' ;IEEE Spectrum, May, p30 (1998) 今崎一男；レーザー・クロス、No. 158, p2 (2001) D. Maynard; "Power Beaming Technology Vision & Goal" ,Proceeding of Space Solar Power Concept And Technology Maturation Program Technical Interchenge Meeting (2002) 村原正隆、岩石の熱拡散率熱半導体で測定、日刊工業新聞、昭和５２年３月３０日東芝プレスリリース、２００４年３月２９日号、上下面の温度差を利用して発電する熱伝モジュール開発について村原正隆・萩原義一、応用物理、第４５巻第９号、７００−７０３（１９７６）稲垣清和、隅田勲、梶浦宗次、土井彰、大島亮一郎、応用物理、第４６巻第１０号、１０４０−１０４４（１９７７）伊藤秀明他；三菱電線工業時報第101号ｐ21-24 (2004) レーザーハンドブック、編者レーザー学会、発行者株式会社オーム社、昭和５７年１２月１５日発行光物性ハンドブック、発行者株式会社朝倉書店、１９８４年３月２０日発行村原正隆、「エキシマランプを用いた石英ガラスの室温接着とコーティング」、セラミックス、４１[６]、４４０−４４３（２００６） M.Murahara, N.Sato,and A.Ikadai, Optics Letters, 30[24]

太陽光を千倍から一万倍に集光して、３準位または４準位レーザー媒質に効率良く吸収させると、発振に至る十分な反転分布を得ることができる。本願発明者は特許文献１に球面あるいは円筒あるいはトロイダル面を有する石英ガラス容器内部を冷却水で満たし、その外壁にファイバーレーザーロッドを配列する方法を開示している。しかしコアー径が太い円筒型レーザーロッドでは熱放散が困難で、大量の冷却水を高速流で冷却しない限り、レーザーロッドの熱破壊を免れない。とくに太陽光は広いスペクトルを有するため発熱量も大きく、固体レーザーロッドに高密度太陽光を直接入射する事は難しい。この熱作用のため連続発振は無理である。

本願発明者は特許文献２において、外壁に反射膜をコーティングした積分球型ガラス容器の入射窓から赤外線を分離した太陽光や半導体レーザー光あるいはキセノンランプや水銀ランプ光などの高密度光を冷却液として水やシリコーンオイルを介してレーザーロッドに投入することを開示している。しかしこの文献でもレーザーロッドに投入される紫外線や可視光線は有効利用されていなかった。さらに特許文献１において固体レーザーヘッドの冷却水の中に色素レーザー媒質を混入させ、長紫外線による発光によるレーザー媒質の間接励起を開示している。しかしこの方法では循環中に色素の周囲に気泡が発生し、発光効率を下げる欠点があった。そこで本願発明では、太陽光の全てのスペクトルを使ってレーザー媒質の励起やレーザーロッドの冷却に用い、太陽光の輻射するエネルギーを無駄なく利用することが課題である。

本願発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究した結果、ガラス容器内部に冷却水またはシリコーンオイルを満たした１個または複数個連結した積分球や円筒あるいは円錐台やラッパ管などのから成り、ガラス容器が１連の場合はその両端面の一方は入射窓、他端は対称軸を光軸として置かれた円筒型レーザーロッドの出口であり、２連の場合は各ガラス容器の任意の場所に入射窓を付ける事が出来る。本願発明では入射した高密度ランプ光や太陽光などの白色光を光学系内に閉じ込めるために、積分球に代表される様な回転軸対称２次曲面ガラス容器を用いている。さらに同様な効果を得るために、１４、２６、３２、３８、６２面体などの多面体を用いることを推奨する。その中でも正6角形を２０個、正5角形を１２個有する32面体は積分球と同様な効果が期待できる。光や音の均一な伝播や外力の分散など球型が最良であるが、本発明の様に球面ガラス容器の外壁にぺルチェ冷凍素子を密着させるには平面が簡便である。そこで内外壁とも32面体ガラス容器、あるいはガラス容器の内壁は球面で外壁は32面多面体にすることが望ましい。円筒型ガラス容器の場合は内壁を円筒、外壁は多面柱型にすることが望ましい。そして、ガラス容器の外壁には蛍光体を塗布し、その上皮に金、アルミニウム、銀などの金属蒸着膜や誘電体多層膜などの反射膜をコーティングするため、ガラス容器内部に固定したレーザーロッドを直接冷却液を介してガラス容器の入射窓から対物鏡やレンズで集光したランプ光や太陽光などの白色光を有効利用できる。他方、シリコーンオイルの熱伝導率は水の約１/４、比熱は水の約１/３と低いが、しかし、水が０℃で凍るのに対しシリコーンオイルは−６５℃でも流動性を示す。さらに水は１００℃で沸騰するが、シリコーンオイルは２００℃まで変化しない。本願発明者が特許文献２に開示してあるように、水は６５０ナノメーターより長波長になると透過率が極端に下がる。ところがシリコーンオイルは２０００ナノメーターでも透明である。紫外線透過については短波長になるに連れて両者とも透過率は下がるが、共に１９０ナノメーターまで透過する。以上の性質をレーザーロッドの側から考察すると、水では考えられない特質がシリコーンオイルには在ることがわかる。もし太陽光励起レーザーの冷却水に水を用いれば、水が赤外線を吸収してお湯に成り、これがレーザーロッドを暖め、しいては熱破壊に繋がる。レーザーロッドの温度が上がれば発振効率も下がる。そこで素子の温度を下げるために高速冷却水を循環させる事になる。冷却が目的の水が太陽光の赤外線を吸熱して冷却水を暖めているのでは何にも成らない。この熱によって気泡も発生し、レーザー励起光や反射鏡の界面に反射のイレギュラーを発生させる。シリコーンオイルは粘度が低くは成るものの２００℃以上まで流動性があり気体の発生は無く、しかもシリコーンオイルには消泡作用があるため例え泡が発生してもシリコーンオイル自身が吸収するため泡による光散乱は起こらない。冷媒としての水は冷やしても高々０℃である。ところがシリコーンオイルは−６５℃まで冷却する事ができ、レーザーロッドの冷却効率は高い。しかも水は太陽光の内、紫外線や赤外線を吸収するがシリコーンオイルは殆ど吸収しない。またネオジウムドープヤグレーザーやファイバーレーザーなどの光励起は８０８ナノメーター以上の波長を用いるが、冷却水中で励起を行うには効率が悪い。しかしシリコーンオイル中では効率の良い励起ができる。

冷却はシリコーンオイルをペルチェ冷凍素子で冷却することが装置を簡略化する。ペルチェ冷凍素子は熱電素子とも言い異種の半導体を接合して電流を流すと、一方の接合部で発熱が、他方の接合部で吸熱が起こる。このことは一方で吸熱した熱を他方で放出することを意味し、電流の向きを逆にすると発熱、吸熱が逆になる。また両接合面に温度差を持たすと電位差が現れ、これが温度差発電素子としても働く。本願発明は太陽光が輻射するすべてのエネルギーをレーザー発振に使うことである。したがってレーザー媒質の励起に直接関与しない波長の光、すなわち冷却効果を妨げる赤外線は系外に外し、その赤外線で半導体熱電素子を加熱しての温度差発電を行い、これによって得られた電力によりペルチェ冷凍素子を作動させてレーザーロッドの冷却に利用する。レーザー媒質がNd³⁺の時は820nm以上の赤外線により半導体熱電素子による温度差発電を行い、600nmから790nmの赤外線で太陽電池による太陽光発電に利用する。これら太陽熱発電と太陽光発電で得られた電力はペルチェ熱電素子の電力に使われる。また長紫外線や可視光線の短波長側は蛍光体を励起してその発光をレーザーロッドの励起に利用する。ここで長紫外線とは３００〜４００ナノメートルの波長域を意味する。

以上述べた役割を効果的に実施するためにレーザーロッドを励起する容器の形状を積分球や茄子型球あるいは円筒または円錐台やラッパ管など回転軸対称２次曲面あるいは多面体ガラス容器とし積分球のように入射した光が励起系外に逃がさないようにし、そのガラス容器の対称軸に円筒型レーザーロッドの光軸を合わせ、ガラス容器の外壁あるいはレーザーロッドの外壁に蛍光体を塗布あるいはドーピングまたは焼結し、ガラス容器の最外壁に反射膜を蒸着し、ガラス容器内部は冷却液として水あるいはシリコーンオイルを満たし、ガラス容器の最外壁の反射膜層上から直接冷却する。特にシリコーンオイルは熱によって気泡を発生することも無く、200℃でも液体であり、−60℃でも液体である。このように−60℃まで素子を冷却できる。このため本願では２次曲面ガラス容器の最外壁の反射膜層上にペルチェ冷凍素子を球面に沿ってモザイク状に並べ、その素子の外壁を二重管構造をなす冷却水で冷却するか、あるいは冷却液を循環させて、チラーで冷却する。

非特許文献１０に開示してあるように固体レーザー媒質として最もポピュラーな３価のネオジウム（Nd³⁺）は４準位レーザーで７２０から８３０ナノメーターで効率の良いレーザー遷移を行い、ネオジウムドープヤグレーザーでは８０８ナノメーター励起で１０６０ナノメーターのパルス・連続発振が行われている。一方３準位レーザーに代表される３価のクロム（Cr³⁺）はルビーレーザーは吸収帯のピーク波長が４０６と５５０ナノメーターであるため、Xeフラッシュランプ励起で６９４ナノメーターのパルス発振が得られる。また５１４．５ナノメーターのAr+レーザーでは連続発振ができる。しかし、これら固体レーザーロッドを高密度光で励起すると励起光やレーザー出力でレーザー素子自身が高温に成り、冷却不足時のレーザー発振はレーザーロッド内部に熱レンズ効果などを起こし媒質破壊に至る。これを防止するには強制冷却が不可欠である。さらにレーザーロッドを光励起するには冷媒が励起光を透過する必要がある。この両者を満たす最も優れた冷媒はシリコーンオイルである。

さらにレーザー媒質の励起効率を上げるために、積分球や茄子型球あるいは円筒または円錐台やラッパ管など回転軸対称２次曲面あるいは多面体ガラス容器を夫々連結し、レーザー媒質固有の励起波長で励起するための励起室と間接的にレーザーロッドを励起するための蛍光体を長紫外線や短波長可視光線で励起する励起室に分離し、共通するそれらのガラス容器の対称軸に１本の円筒型レーザーロッドの光軸を合わせ、ガラス容器の外壁あるいはレーザーロッドの外壁に蛍光体を塗布あるいはドーピングまたは焼結し、両方のガラス容器の最外壁に反射膜を蒸着し、ガラス容器内部は冷却液として水あるいはシリコーンオイルを満たし、ガラス容器の最外壁の反射膜上から直接あるいは冷却液を循環させて間接的にペルチェ冷凍素子で冷却し、かつガラス容器の任意の場所に開けた入射窓から対物鏡やレンズで集光したランプ光や太陽光などの白色光あるいは熱線を除外した光を入射させる。

前記回転軸対称２次曲面ガラス容器の壁面に塗布または焼結された蛍光体は、例えばNd³⁺をドープしたレーザー媒質の場合、励起波長が808nmであるため発光中心が808nm付近の蛍光体が望ましい。このスペクトルに近い蛍光体としては非特許文献11に開示してあるように、励起波長200〜360nmで発光中心スペクトルが628nmの(Sr,Mg)₃(PO₄)₂:Sn²⁺または発光中心スペクトルが620nmのYVO₄:Euや発光中心スペクトルが626nmのY₂O₂:Eu等を使う。またCr3+ やCe3+などをドープしたレーザー媒質の場合、励起波長が406nm付近あるいは550nm付近であるため、発光中心波長が419nmのSr₂P₂O₇:Eu²⁺ や発光中心が412nmのCaWO₄や発光中心スペクトル495.2nmで励起波長200〜320nm LaPO₄:Ce³⁺ ,Tb³⁺ 、あるいは励起波長200〜300nm Ca₅(PO₄)₃(F,Cl): Sb³⁺ ,Mn²⁺、発光中心スペクトルが513nm の(Ba,Eu)(Mg,Mn)Al₁₀O₁₇あるいは発光中心スペクトルが530nmのZnS:Cu,Alや発光中心スペクトルが535nmのZnS:Cu,Au,Alが望ましい。また発光中心スペクル480nmで励起波長200〜350nmの MgWO₄は406nm と550nmの両方に発光体を有するため励起用蛍光体として望ましい。これら蛍光体を格子、水玉、モザイクなどパターン状に塗布し、その上皮とガラス容器外壁をアルミニウム反射膜を蒸着することにより、蛍光体が存在しない部分ではガラス容器に外部から入射してきた光も、長紫外線によって励起発生した光も共に反射され、最終的にはレーザーロッドを励起する。ここで反射膜に対する蛍光体の占める割合は３０から７０％が望ましい。

集光された太陽光を分波し、選択されたスペクトルによりレーザーロッドの励起光源として使い、残りのスペクトルの内、長紫外線は蛍光体を励起し間接的にレーザーロッドを光励起し、赤外線は半導体熱電素子による温度差発電に使われる。ここで注意しなければ成らない事は、水が赤外線を吸収してお湯に成り、これがレーザーロッドを暖め、しいては熱破壊に繋がる。レーザーロッドの温度が上がれば発振効率も下がる。素子の温度を下げたいために高速冷却水を循環させるのだろうが、それを太陽光が暖めているのでは何にも成らない。そこで、先ずレーザーロッドの冷却液へ赤外線を進入させないために、回転軸対称２次曲面ガラス容器の励起光入射窓には赤外線を反射し、長紫外線と可視光線を透過すダイクロイックミラーやダイクロイックフィルターあるいは赤外線カットフィルターを蒸着する。そしてこの反射光を半導体熱電素子に導く。あるいはダイクロイックミラーやダイクロイックフィルターあるいは赤外線カットフィルターやコールドミラーを容器の励起光入射窓の前面に置き、そこで赤外線を反射し半導体熱電素子に導き、透過した長紫外線と可視光線はガラス容器の窓から冷却液を通ってレーザーロッドを励起する。あるいは赤外線を透過し長紫外線と可視光線を反射するダイクロイックミラーやダイクロイックフィルターあるいはコールドミラーなどを用いる場合には、透過した赤外線を半導体熱電素子に導き、反射した長紫外線と可視光線はガラス容器の窓から冷却液を通ってレーザーロッドを励起する。回転軸対称２次曲面ガラス容器を複数個連結した場合には更にダイクロイックミラーで可視光線と長紫外線とに分光した後、夫々別個の窓からガラス容器の入射窓に投入し、可視光線は直接、長紫外線は蛍光体を励起後間接的にレーザーロッドを励起する。例えばここでドーピングされたレーザー媒質がNd³⁺の場合には分光した830nm以上光で温度差発電を、Cr³⁺ やCe³⁺の場合には570nm以上で温度差発電を行う。

高密度太陽光の赤外線を半導体熱電素子で効率よく吸収させるために一方の半導体熱電素子表面にはグラファイットやカーボンなの吸収体が塗布され、他方表面には冷却フィンが付けられ、冷却水中あるいは宇宙空間におけるように真空中にある時などに発生する低温との温度差で発電された電力をレーザーロッド冷却用ペルチェ冷凍素子の電源として用いる。この太陽輻射熱と真空中の輻射冷却を半導体熱電素子の表裏で行う事により、高効率の温度差発電が出来るため、宇宙空間で発振させる太陽光励起レーザーの冷却に使われる。

本発明によれば、太陽光の有するスペクトルの内、レーザー媒質励起に必要とする僅かな波長域の光は勿論のこと、従来使われなかった長紫外光で蛍光体を励起し、当該レーザーロッドの励起光に変換し、さらに赤色光は太陽電池による発電に、あるいは赤外線は半導体熱電素子による温度差発電などに用い、これらから得られた電力をレーザーロッドの冷却液としてのシリコーンオイルを介してペルチェ冷凍素子の電力として用い、レーザーロッドを高効率で連続発振させることができる。

集光された太陽光を分光素子であるダイクロイックミラーやダイクロイックフィルターあるいは赤外線カットフィルターやコールドミラーなどで分光し、赤外部は温度差発電、長紫外線は蛍光体を励起し、可視光線はレーザーロッドを直接励起と太陽電池に供することにより、太陽光の全てのスペクトルをレーザー発振に利用することが出来る。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図２７に基づいて説明する。

図１で本発明の白色光励起太陽レーザー装置の動作原理を説明する。積分球や円筒あるいは円錐台などの回転軸対称２次曲面あるいは多面体ガラス容器１の両端面の入射窓２の前面にコールドフィルターやコールドミラーあるいはダイクロイックミラーなどの波長選択板３を置き、太陽光や白色光の高密度光４の内波長選択板３で反射した赤外線５は集光されて半導体熱電素子６の前面の吸収板７に照射される。この半導体熱電素子６の背後にはラジエータ８が付き冷却水で冷却して温度差発電を行う。一方波長選択板３を透過した可視光線９はレーザーロッド１０の側面の酸化シリコン膜１１がコーティングしてある。この酸化シリコン膜１１は本願発明者が特許文献１２、１３、１４および非特許文献１２、１３にシリコーンオイルの光酸化方法が開示しているように、コーティングされたシリコーンオイルを酸素雰囲気で光酸化して生成した膜である。入射した可視光線9はガラス容器１の外壁に蒸着されたアルミ膜１２で反射を繰り返しながらレーザーロッド１０を励起する。同様に波長選択板３を透過した長紫外線１３はガラス容器１の内壁や外壁に蒸着されたアルミ膜１２で反射を繰り返しながらレーザーロッド１０を励起する。このときレーザーロッド１０の側面にコーティングされた光酸化シリコン膜１１にはEuやTbなどの希土類元素１４をドーピングし、またガラス容器１の外壁には蛍光体１５を塗布し、長紫外線１３により変換された可視光線によってレーザーロッド１０は再励起される。レーザーロッド１０とガラス容器１の内壁の間には水あるいはシリコーンオイルなどの冷却液１６は冷却液出入り口１７により循環し、レーザーロッド１０の端面からレーザー出力１８される。

図２は各形状の回転軸対称２次曲面および多面体ガラス容器製レーザー発振器概略図である。(a)は茄子型球、(b)は積分球、(c)はラッパ管、(d)は円錐台、(e)は円筒、(f)は多面体であり、夫々のガラス容器の対称軸には円筒型レーザーロッド１０の光軸が一致して置かれている。赤外線が除かれた高密度太陽光や白色光は、ガラス容器１の前面に付けられた入射窓２からシリコーンオイルや水などの冷却液１６を通って進み、ガラス容器１の外壁にコーティングされたアルミニウム反射膜１２で何回も反射され、殆どの光が円筒型レーザーロッド１０に入射する事を目論んで積分球形状を採用している。このままでもレーザー発振効率は向上するが、入射された長紫外線など直接レーザーロッドの励起に供しない光も存在するため、それらの光を有効利用するために、長紫外線をガラス容器の外壁または内壁あるいはレーザーロッドの外壁に塗布またはドーピングされた蛍光体でレーザー励起波長光に変換し、高効率のレーザー発振を行う。さらにガラス容器内部に満たされたシリコーンオイルは、ガラス容器の最外壁の反射膜層上部からペルチェ冷凍素子で直接冷却液を冷却することにより、−６０℃から＋２００℃まで光吸収が無く、かつ高温時の気泡発生も無い光学材料のための冷却材として使われる。

図３はペルチェ冷凍素子付き円筒ガラス容器製レーザー発振器概略図である。図１に示した円筒ガラス容器１内の冷却液１６の循環を止め、ガラス容器１の外壁にコーティングしたアルミニウム反射膜１２の上皮にペルチェ冷凍素子１９を密着させ、その反対面に冷却水２０を循環させ、二重管構造の外壁２２で覆っている。ここで冷却液１６は水でも良いが、シリコーンオイルが望ましい。シリコーンオイルは粘度が低くは成るものの２００℃以上まで流動性があり気体の発生は無く、しかもシリコーンオイルには消泡作用があるためたとえ泡が発生してもシリコーンオイル自身が吸収するため泡による光散乱は起こらない。冷媒としての水は０℃で凍る。ところがシリコーンオイルは−６５℃まで冷却する事ができるため、レーザーロッドの冷却効率は高い。しかも水は太陽光の内、紫外線や赤外線を吸収するがシリコーンオイルは殆ど吸収しない。またネオジウムドープヤグレーザーやファイバーレーザーなどの光励起は８０８ナノメーター以上の波長を用いるが、冷却水中で励起を行うには効率が悪い。しかしシリコーンオイル中では効率の良い励起ができる。

図４は固体レーザー励起用２連積分球型白色光励起レーザー装置動作原理図である。ガラス容器２３を可視光線直接励起部とし、他方のガラス容器２４を紫外線による蛍光体１５励起可視光変換部とする。夫々のガラス容器２３および２４の任意の場所に入射窓２５および２６を備え、これら連結したガラス容器の対称軸に、冷却液１６を介して円筒型レーザーロッド１０の光軸が一致して置かれ、２連結型白色光励起レーザー装置が構成されている。このレーザー装置へ入射する高密度太陽光４は、カットオフ波長900nmのダイクロイックミラー３に斜入射で入射し、その反射赤外線５をカーボン製集熱板７に照射し、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（東芝熱電モジュールギガトパーズ）６を介して、ラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差により発生した電力をレーザーロッドの冷却水循環用冷凍器の電力として用いた。一方ダイクロイックミラー３を透過した250〜900nmの光はダイクロイックミラー２７により反射された250〜400nmの長紫外線１３は入射窓２６から紫外線励起蛍光体可視光線変換部２４のガラス容器1の外壁に塗布した蛍光体１５の励起およびレーザーロッド１０の外周にドーピングした希土類元素の励起用に使われる。紫外線による蛍光体励起可視光変換部２４のガラス容器1の外壁には水玉模様に蛍光体１５を塗布し、その上皮および蛍光体が塗布されていない部分すなわちガラス容器１の最外壁にアルミニウム反射膜を蒸着し、この反射膜により入射光は何回も反射を繰り返しながら冷却液１６を介してレーザーロッド１０を励起する。他方ダイクロイックミラー２７を透過した可視光線９は反射ミラー２８で反射され、入射窓２５を通過して冷却液１６中を進み、ガラス容器１の最外壁に蒸着したアルミニウム反射膜１２により何回も反射を繰り返しながら冷却液１６を介して、外周に蛍光体（希土類Eu）１５がドーピングされたレーザーロッド１０を励起する。これら分離された波長域毎の励起部２３，２４により太陽光の全スペクトルを有効利用したレーザー光１８が出力される。ここで固体レーザー励起用２連積分球型白色光励起太陽レーザー装置（図4）を傾け、入射窓を共に側面に付ければ、反射ミラー２８を省略することが出来る。この側面入射窓付き固体レーザー励起用２連積分球型白色光励起太陽レーザー装置動作原理図を図5に示す。

図６は各形状の２連結型回転軸対称２次曲面および多面体ガラス容器製レーザー発振器概略図である。２連のガラス容器はレーザーロッド１０を直接光励起する可視光線励起部２４と長紫外線によって蛍光体を励起して可視光線に変換する長紫外線励起部２３から構成されている。(g)は前面入射窓付き２連円筒型、(h)は側面入射窓付き２連円筒型、(i)は前面入射窓付き２連積分球、(j)は側面入射窓付き２連積分球、(k)は前面入射窓付き２連茄子型球、(l)は前・側面入射窓付き２連32面体であり、夫々のガラス容器の対称軸には円筒型レーザーロッド１０の光軸が一致して置かれている。円筒型レーザーロッドの共振器前方からレーザーの光軸に沿って高密度太陽光を入射するタイプを前・側面入射窓付きガラス容器と命名し、円筒型レーザーロッドの光軸に対し斜め方向から入射するタイプを側面入射窓付きと命名する。

図７はNd:YAGレーザー励起用円筒型白色光励起レーザー装置である。ミラーやレンズで集光された太陽光４をカットオフ波長900nmの赤外透過フィルター３に斜入射で入射し、その透過赤外線５をカーボン製集熱板７に照射し、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差による発生電力をレーザーロッドの冷却水循環用冷凍器の電力として用いた。一方赤外線透過フィルター３で反射した250〜900nmの長紫外線１３および可視光線９および900nm以下の赤外線は入射窓２を通過して水などの冷却液１６中を進み、ガラス容器１の最外壁に蒸着したアルミニウム反射膜１２により何回も反射を繰り返しながら冷却液１６を介してレーザーロッド１０に到達するが、ここではレーザーロッド１０に励起波長808nmのNd:YAGを用いるため、波長750〜900nmは直接レーザー媒質励起に使われ、250〜400nmの光はガラス容器1の外壁に塗布した蛍光体１５を励起するためと、レーザーロッド１０の外周に希土類をドーピングした蛍光体１５に使われる。ガラス容器1の外壁に塗布した蛍光体１５は628nmが発光中心の(Sr,Mg)₃(PO₄)₂:Sn²⁺または発光中心スペクトルが620nmのYVO₄:Euや発光中心スペクトルが626nmのY₂O₂:Eu等を使う。他方レーザーロッド１０の外周には希土類元素Euをドーピングした蛍光体１４を用いたレーザー装置を試作した。ガラス容器１の入射窓２か入射した集光された高密度太陽光４は、ガラス容器１の最外壁に蒸着されたアルミニウム反射膜１２により何回も反射されながらレーザーロッド１０を励起してレーザー光１８が出力される。

図８はNd:YAGレーザー励起用２連積分球型白色光励起レーザー装置図である。ガラス容器２３を可視光線直接励起部とし、他方のガラス容器２４を紫外線による蛍光体１５励起可視光変換部とする。夫々のガラス容器２３および２４の任意の場所に入射窓２５および２６を備え、これら連結したガラス容器の対称軸に、冷却液１６を介して円筒型レーザーロッド１０の光軸が一致して置かれ連結型白色光励起レーザー装置が構成されている。このレーザー装置へ入射する高密度太陽光４は、カットオフ波長900nmのダイクロイックミラー３に斜入射で入射し、その反射赤外線５をカーボン製集熱板７に照射し、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（東芝熱電モジュールギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差による発生電力をレーザーロッドの冷却水循環用冷凍器の電力として用いた。一方ダイクロイックミラー３を透過した250〜900nmの光はダイクロイックミラー２７により反射された250〜400nmの長紫外線１３は入射窓２６から紫外線励起部２４のガラス容器1の外壁に塗布した蛍光体１５を励起するためとレーザーロッド１０の外周にドーピングした希土類元素励起のために使われる。ガラス容器1の外壁に水玉模様に塗布した蛍光体（YVO₄:Eu）１５の上皮および蛍光体が塗布されていない部分すなわちガラス容器１の最外壁に蒸着されたアルミニウム反射膜１２により何回も反射されながら水などの冷却液１６を介してレーザーロッド（Nd:YAG）１０を励起する。他方ダイクロイックミラー２７を透過した可視光線９および900nm以下の赤外線は入射窓２５を通過して水などの冷却液１６中を進み、ガラス容器１の最外壁に蒸着したアルミニウム反射膜１２により何回も反射を繰り返しながら冷却液１６を介して、外周にドーピングした希土類元素Euによりレーザーロッド１０（Nd:YAG）を励起する。これら分離された波長域毎の励起部２３，２４により太陽光の全スペクトルを有効利用してレーザー光１８が出力される。

図９はCr:YAGレーザー励起用２連積分球型白色光励起レーザー装置図である。この図は実施例２（図8）のダイクロイックミラー２７の反射波長と透過波長を逆にしたためにガラス容器の可視光線直接励起部２３と紫外線による蛍光体励起可視光変換部２４を入れ替えたもので、レーザー媒質による違いは皆無である。このレーザー装置へ入射する高密度太陽光４は、先ずカットオフ波長600nmのダイクロイックミラー３に斜入射で入射し、その600nm以上の反射赤外線はカーボン製集熱板７に照射され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（東芝熱電モジュールギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差による発生電力をレーザーロッドの冷却水循環用ペルチェ冷凍素子の電力として用いた。一方ダイクロイックミラー３を透過した200〜600nmの光はダイクロイックミラー２７を透過した200〜350nmの長紫外線１３は入射窓２６から紫外線励起部２４のガラス容器1の外壁に塗布した蛍光体１５を励起するために使われる。さらに２連積分球２３，２４にまたがるレーザーロッド１０の外周には希土類元素をドーピングした。ガラス容器1の外壁に水玉模様に塗布した蛍光体（LaPO₄:Ce,Tb）１５の上皮および蛍光体が塗布されていない部分すなわちガラス容器１の最外壁に蒸着されたアルミニウム反射膜により何回も反射されながら水などの冷却液１６を介してレーザーロッド（Cr:YAG）１０を励起する。他方ダイクロイックミラー２７を透過した350〜600nmの可視光線９は入射窓２５を通過して水などの冷却液１６中を進み、ガラス容器１の最外壁に蒸着したアルミニウム反射膜１２により何回も反射を繰り返しながら冷却液１６を介して、レーザーロッド１０（Cr:YAG）を励起する。さらにレーザーロッド１０の外周の酸化シリコン膜にドーピングした希土類元素（Tb）の励起により太陽光の全スペクトルを有効利用したレーザー光１８が出力される。

図１０はペルチェ冷凍器付き円筒型白色光励起レーザー装置詳細断面図である。この図は円筒型であるが、積分球や茄子型球あるいは円錐台やラッパ管など回転軸対称２次曲面あるいは多面体を１個あるいは複数個連結したガラス容器全てを代表する白色光励起レーザー装置２１として、実施例５から２７まで同じ装置２１の詳細図を用いる。回転軸対称２次曲面や多面体ガラス容器１の対称軸に円筒型レーザーロッド１０の光軸を合わせ、ガラス容器１の外壁に蛍光体１５を水玉状に塗布あるいは焼結し、あるいはレーザーロッド１０の外壁に形成した酸化シリコン膜１４に希土類元素１１をドーピングし、ガラス容器の最外壁にアルミニウム反射膜１２を蒸着し、かつガラス容器内部は冷却液１６としてシリコーンオイル２９を満たし、ガラス容器の最外壁の反射膜１２にペルチェ冷凍素子１９を密着し、その背面を電気的絶縁層を介して冷却水１９を循環する。冷却部は曲面であるため、ガラス容器１の最外層に蒸着されたアルミニウム反射膜１２の上に電気的絶縁膜を形成しその上から5mm×5mm内外のＰ型素子とＮ型素子とが夫々を直列になるように半田で電極を結び、多面体型曲面を形成する。そしてＰ型素子とＮ型素子が直列に成る様に半田で電極付けを行った後、熱伝導性があり電気絶縁性があり、かつ耐水性がある物質で固定した。このペルチェ冷凍素子加工は煩雑であった。一般にペルチェ冷凍素子は平面状の物が市販されている。そこで円筒ガラス容器１の内壁は円筒とし、外壁は多面体柱として加工し、市販のペルチェ冷凍素子を直接密着させた。その上部からカバー２２をして、その間隙に冷却水２０を水出入り口１７で循環する。この２次冷却水２０はシリコーンオイルにこだわらず、冷媒であればオイルでもガスでも液体でも良い。この図１０ではシリコーンオイルは封じ込めと成っているが、シリコーンオイルの熱伝達率が水の３分の１と低いため、図１記載の様にシリコーンオイルを循環させることも必要である。ここで使用する蛍光体１５はレーザー媒質によって異なるが、NdをドープしたNd:YAGレーザーの場合は(Sr,Mg)₃(PO₄)₂:Sn²⁺やYVO₄:EuあるいはY₂O₂:Eu等を使う。またCr3+ やCe3+などをドープしたCr:YAGレーザーの場合はSr₂P₂O₇:Eu²⁺ やCaWO₄あるいはLaPO₄:Ce³⁺ ,Tb³⁺ やCa₅(PO₄)₃(F,Cl): Sb³⁺ ,Mn²⁺ または(Ba,Eu)(Mg,Mn)Al₁₀OやZnS:Cu,AlあるいはZnS:Cu,Au,Alや MgWO₄が望ましい。さらに直接レーザーロッドを励起する波長の光や蛍光体からの発光を満遍なくレーザーロッドに照射するためにガラス容器1の最外層にはアルミ反射膜１２を蒸着する。この反射膜１２での反射光を多くし、かつ蛍光体１５と反射面の面積比を一定に保つために、蛍光体15は水玉模様や碁盤の目のように間隔を置いて塗布している。さらに励起効率を向上するためにレーザーロッド１０の外壁に形成したSiO₂膜１１にEuやTbあるいはTmなどの希土類元素１４をドーピングしている。ペルチェ冷凍素子付白色光励起レーザー装置２１の入射窓２から入射した赤外線を除外した可視光線や長紫外線により励起されたレーザーロッド１０からレーザー出力１８が得られる。

図１１はレンズで集光した白色光励起レーザー模式図である。水銀ランプ光や太陽光などの白色光をレンズ３０で集光した高密度光４をカットオフ波長900nmの赤外透過フィルター３に斜入射で入射し、その透過赤外線５をカーボン製集熱板７に照射し、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方赤外線透過フィルター３で反射した250〜900nmの長紫外線１３および可視光線９および900nm以下の赤外線は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子19により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してNd:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図１２はレンズで集光した白色光励起Cr:YAGレーザー模式図である。水銀ランプ光や太陽光などの白色光をレンズ３０で集光した高密度光４をカットオフ波長600nmのダイクロイックミラー３に斜入射で入射し、その600nm以上の反射赤外線はカーボン製集熱板７に照射され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（東芝熱電モジュールギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。
一方ダイクロイックミラー３を透過した200〜600nmの光は入射窓２から白色光励起レーザー発振装置２１に投入する、ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子19により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してCr:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図１２はフレネルレンズで集光した白色光励起レーザー装置外略図である。水銀ランプ光や太陽光などの白色光をフレネルレンズレンズ３１で集光した高密度光４をカットオフ波長600nmのダイクロイックミラー３に斜入射で入射し、その600nm以上の反射赤外線はカーボン製集熱板７に照射され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（東芝熱電モジュールギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方ダイクロイックミラー３で反射した250〜900nmの長紫外線１３および可視光線９および900nm以下の赤外線は入射窓２から白色光励起レーザー発振装置２１に投入する、ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子19により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してNd:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図１４はメニスカスレンズで集光した白色光励起Nd:YAGレーザー模式図である。大口径メニスカスレンズ３２の凹面部に波長900nmの赤外線を反射し、250〜900nmを透過するダイクロイックフィルター膜３３を蒸着し、このダイクロイックフィルター膜で反射した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方透過した250〜900nmの長紫外線１３および可視光線９および900nm以下の赤外線は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子19により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してNd:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図１５はメニスカスレンズで集光した白色光励起Cr:YAGレーザー模式図である。大口径メニスカスレンズ３２の凹面部に波長600nmの赤外線を透過し、200〜600nmを反射するダイクロイックフィルター膜３４を蒸着し、このダイクロイックフィルター膜で透過した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方反射した200〜600nmの長紫外線１３および可視光線９は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子19により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してCr:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図１６は凹面型台座に並べた正方形セグメントミラーで集光した白色光励起Nd:YAGレーザー模式図である。凹面型台座３６に並べた正方形セグメントミラー３７で反射した高密度太陽光4はメニスカス凸レンズ３５の凸面部に波長900nmの赤外線を反射し、250〜900nmを透過するダイクロイックフィルター膜３３を蒸着し、このダイクロイックフィルター膜で反射した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方透過した250〜900nmの長紫外線１３および可視光線９および900nm以下の赤外線は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子19により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してNd:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図１７は凹面型台座に並べた正方形セグメントミラーで集光した白色光励起Cr:YAGレーザー模式図である。凹面型台座３６に並べた正方形セグメントミラー３７で反射した高密度太陽光4はメニスカス凸レンズ３５の凸面部に波長600nmの赤外線を透過し、200〜600nmを反射するダイクロイックフィルター膜３４を蒸着し、このダイクロイックフィルター膜で透過した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方反射した200〜600nmの長紫外線１３および可視光線９は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子19により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してCr:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図１８は凹面型台座に並べた正方形セグメントミラーで集光した白色光を太陽電池と熱電素子および励起Nd:YAGレーザーに供給する装置模式図である。凹面型台座３６に並べた正方形セグメントミラー３７で反射した高密度太陽光4はメニスカス凸レンズ３５の凸面部に波長900nmの赤外線を反射し、250〜900nmを透過するダイクロイックフィルター膜３３を蒸着し、このダイクロイックフィルター膜で反射した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方透過した250〜900nmの長紫外線１３および可視光線９および900nm以下の赤外線はバンドパスフィルター３９で600〜790nmの赤色波長４０を反射させラジエータ８付き太陽電池３８に入射する。ここで生成した起電力はペルチェ冷凍素子１９の電力に供する。他方250〜600nmおよび800〜900nmの波長の光９，１３は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６および太陽電池３８で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子１９により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してNd:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図１９は凹面型台座に並べた正方形セグメントミラーで集光した白色光を太陽電池と熱電素子および励起Cr:YAGレーザーに供給する装置模式図である。凹面型台座３６に並べた正方形セグメントミラー３７で反射した高密度太陽光4はメニスカス凸レンズ３５の凸面部に波長600nm以上の波長を透過し、250〜600nmを反射するダイクロイックフィルター膜３４を蒸着し、このダイクロイックフィルター膜34を透過した光はバンドパスフィルターミラー３９で600〜790nmの赤色波長４０を透過し、ラジエータ８付き太陽電池３８に入射する。ここのミラー３９で反射した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方ダイクロイックフィルター膜３４で反射した250〜600nmの長紫外線１３および可視光線９は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６および太陽電池３８で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子１９により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してCr:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図２０は凹面型台座に並べた太陽電池の反射光を熱電素子および励起Cr:YAGレーザーに供給する装置模式図である。凹面型台座３６に並べた太陽電池セグメント３８の上部には600〜790nmの光は透過して、それ以外の波長を反射するバンドパスフィルター膜３９を蒸着する。このバンドパスフィルター膜で反射した太陽光は集光されて高密度光4と成り、ダイクロイックミラー３で透過した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方ダイクロイックミラー３で反射した250〜600nmの長紫外線１３および可視光線９は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６および太陽電池３８で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子１９により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してCr:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図２１は凹面型台座に並べた太陽電池の反射光を熱電素子および励起Nd:YAGレーザーに供給する装置模式図である。凹面型台座３６に並べた太陽電池セグメント３８の上部には600〜790nmの光は透過して、それ以外の波長を反射するバンドパスフィルター膜３９を蒸着する。このバンドパスフィルター膜で反射した太陽光は集光されて高密度光4と成り、メニスカス凸レンズ３５の凸面部に波長900nmの赤外線を反射し、250〜900nmを透過するダイクロイックフィルター膜３３を蒸着し、このダイクロイックフィルター膜で反射した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方ダイクロイックフィルター膜３３を透過した250〜600nmおよび790〜900nmの光9、13は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６および太陽電池３９で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子１９により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してNd:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図２２は凹面型台座に並べた太陽電池の反射光を熱電素子および凹面型台座の下に並べたNd:YAGレーザーに供給する装置模式図である。凹面型台座３６に並べた太陽電池セグメント３８の上部には600〜790nmの光は透過して、それ以外の波長を反射するバンドパスフィルター膜３９を蒸着する。このバンドパスフィルター膜で反射した太陽光は集光されて高密度光4と成り、メニスカス凸レンズ３５の凸面部に波長900nmの赤外線を透過し、250〜900nmを反射するダイクロイックフィルター膜３４を蒸着し、このダイクロイックフィルター膜３４を透過した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方ダイクロイックフィルター膜３４で反射した250〜600nmおよび790〜900nmの光9、13は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６および太陽電池３８で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子１９により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してNd:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図２３は平面台座に並べた太陽電池の反射光を熱電素子および励起Nd:YAGレーザーに供給する装置模式図である。平面台座４１に並べた太陽電池セグメント３８の上部には600〜790nmの光は透過して、それ以外の波長を反射するバンドパスフィルター膜３９を蒸着する。このバンドパスフィルター膜で反射した太陽光は集光されて高密度光4と成り、メニスカス凸レンズ３５の凸面部に波長900nmの赤外線を反射し、250〜900nmを透過するダイクロイックフィルター膜３３を蒸着し、このダイクロイックフィルター膜で反射した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方ダイクロイックフィルター膜３３を透過した250〜600nmおよび790〜900nmの光9、13は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６および太陽電池３８で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子１９により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してNd:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図２４は平面台座に並べた平面鏡の反射光を熱電素子および平面台座の下に並べたNd:YAGレーザーに供給する装置模式図である。平面台座４１に並べた正方形セグメントミラー３７で反射した高密度太陽光4はメニスカス凸レンズ３５の凸面部に波長900nmの赤外線を透過し、250〜900nmを透過するダイクロイックフィルター膜３４を蒸着し、このダイクロイックフィルター膜を透過した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方ダイクロイックフィルター膜３４で反射した250〜900nmの長紫外線１３および可視光線９は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子19により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してNd:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。この実施例のように平面台座上にセグメントミラーを並べると、セグメントミラーの平面台座となす傾き角を大きくすることによって、上部に置く光学系までの距離（高さ）を極端に短くすることが出来る。

図２５は平面台座に並べた太陽電池の反射光を熱電素子および平面台座の下に並べたCr:YAGレーザーに供給する装置模式図である。平面台座４１に並べた太陽電池セグメント３８の上部には600〜790nmの光は透過して、それ以外の波長を反射するバンドパスフィルター膜３９を蒸着する。このバンドパスフィルター膜で反射した太陽光は集光されて高密度光4と成り、メニスカス凸レンズ３５の凸面部に波長790nm以上の赤外線を透過し、250〜600nmを反射するダイクロイックフィルター膜３４を蒸着し、このダイクロイックフィルター膜３４を透過した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方ダイクロイックフィルター膜３４で反射した250〜600nmの光9、13は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６および太陽電池３８で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子１９により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してCr:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図２６は平面台座に並べた太陽電池の反射光を熱電素子および励起Cr:YAGレーザーに供給する装置模式図である。平面台座４１に並べた太陽電池セグメント３８の上部には600〜790nmの光は透過して、それ以外の波長を反射するバンドパスフィルター膜３９を蒸着する。このバンドパスフィルター膜で反射した太陽光は集光されて高密度光4と成り、600nm以上の波長を透過するダイクロイックミラー３を置き、このダイクロイックミラー３で透過した赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方ダイクロイックミラー３で反射した250〜600nmの長紫外線１３および可視光線９は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６および太陽電池３８で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子１９により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してCr:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

図２７は平面台座に並べた帯状平面鏡の反射光を太陽電池および平面台座の下に並べた熱電素子とCr:YAGレーザーに供給する装置模式図である。平面台座４１に並べた帯状平面鏡４２を、水冷管８を有する帯状凹面台座４３上に取り付けた太陽電池セグメント３８の上部には600〜790nmの光は透過して、それ以外の波長を反射するバンドパスフィルター膜３９を蒸着する。このバンドパスフィルター膜３９で反射した太陽光は集光されて高密度光4と成り、平面台座４１の中央部に取り付けたダイクロイックミラー３に集光される。このダイクロイックミラー３で反射された790nm以上の赤外線５はカーボン製集熱板７に吸収され、その約500℃の発熱を半導体熱電素子（ギガトパーズ）６を介してラジエータ８を２５℃内外の冷却水で冷却し、この450度の温度差発電を行う。一方ダイクロイックミラー３を透過した250〜600nmの光9、13は入射窓２からペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置２１に投入する。ここでレーザーロッド１０は半導体熱電素子６および太陽電池３８で得られた電力を用い、ペルチェ冷凍素子１９により冷却液としてのシリコーンオイル２９を介してCr:YAGレーザーロッドを冷却し、高効率でレーザー出力１８を得る装置を試作した。

本発明によれば、太陽光の有するスペクトルの全てを有効利用したレーザー装置を提供することができる。

本発明によれば、太陽光の有する波長の内、レーザー媒質励起に必要とする僅かな波長域の光は勿論のこと、従来使われなかった長紫外光で蛍光体を励起し、当該レーザーロッドの励起光に変換し、さらに赤色光は太陽電池による発電に、あるいは赤外線は半導体熱電素子による温度差発電などに用い、これらから得られた電力をレーザーロッドの冷却液としての水やシリコーンオイルを介してペルチェ冷凍素子の電力として用い、レーザーロッドを高効率で連続発振させることができるレーザー装置を提供することができる。

白色光励起レーザー装置の動作原理図各形状の回転軸対称２次曲面および多面体ガラス容器製レーザー発振器概略図ペルチェ冷凍素子付き円筒ガラス容器製レーザー発振器概略図固体レーザー励起用２連積分球型白色光励起レーザー装置動作原理図側面入射窓付き固体レーザー励起用２連積分球型白色光励起レーザー装置動作原理図各形状の２連結型回転軸対称２次曲面および多面体ガラス容器製レーザー発振器概略図 Nd:YAGレーザー励起用円筒型白色光励起レーザー装置（実施例１） Nd:YAGレーザー励起用２連積分球型白色光励起レーザー装置（実施例２） Cr:YAGレーザー励起用２連積分球型白色光励起レーザー装置（実施例３）ペルチェ冷凍素子付き円筒型白色レーザー装置詳細断面図（実施例４）レンズで集光した白色光励起Nd:YAGレーザー模式図（実施例５）レンズで集光した白色光励起Cr:YAGレーザー模式図（実施例６）フレネルレンズで集光した白色光励起Cr:YAGレーザー模式図（実施例７）メニスカスレンズで集光した白色光励起Nd:YAGレーザー模式図（実施例８）メニスカスレンズで集光した白色光励起Cr;YAGレーザー模式図（実施例９）凹面型台座に並べたセグメントミラーで集光した白色光励起Nd:YAGレーザー模式図（実施例１０）凹面型台座に並べたセグメントミラーで集光した白色光励起Cr:YAGレーザー模式図（実施例１１）凹面型台座に並べたセグメントミラーで集光した白色光を太陽電池と熱電素子および励起Nd:YAGレーザーに供給する装置模式図（実施例１２）凹面型台座に並べたセグメントミラーで集光した白色光を太陽電池と熱電素子および励起Cr:YAGレーザーに供給する装置模式図（実施例１３）凹面型台座に並べた太陽電池の反射光を熱電素子および励起Cr:YAGレーザーに供給する装置模式図（実施例１４）凹面型台座に並べた太陽電池の反射光を熱電素子および励起Nd:YAGレーザーに供給する装置模式図（実施例１５）凹面型台座に並べた太陽電池の反射光を熱電素子および凹面型台座の下に並べたNd:YAGレーザーに供給する装置模式図（実施例１６）平面台座に並べた太陽電池の反射光を熱電素子および励起Nd:YAGレーザーに供給する装置模式図（実施例１７）平面台座に並べた平面鏡の反射光を熱電素子および平面台座の下に並べたNd:YAGレーザーに供給する装置模式図（実施例１８）平面台座に並べた太陽電池の反射光を熱電素子および平面台座の下に並べたCr:YAGレーザーに供給する装置模式図（実施例１９）平面台座に並べた太陽電池の反射光を熱電素子および励起Cr:YAGレーザーに供給する装置模式図（実施例２０）平面台座に並べた帯状平面鏡の反射光を太陽電池および平面台座の下に並べた熱電素子および励起Cr:YAGレーザーに供給する装置模式図（実施例２１）

符号の説明

（ａ）茄子型球
（ｂ）積分球
（ｃ）ラッパ管
（ｄ）円錐台
（ｅ）円筒
（ｆ）多面体（３２面体）
（ｇ）前・側面入射窓付き２連円筒
（ｈ）側面入射窓付き２連円筒
（ｉ）前・側面入射窓付き２連積分球
（ｊ）側面入射窓付き２連積分球
（ｋ）前・側面入射窓付き２連茄子球
（ｌ）前・側面入射窓付き２連多面体（３２面体）
１ガラス容器
２入射窓
３コールドフィルターやコールドミラーなどの波長板
４高密度白色光（太陽光）
５赤外線
６半導体熱電素子
７集熱板
８ラジエータ
９可視光線
１０レーザーロッド
１１光酸化膜（シリコーンオイルの光酸化）
１２アルミニウム反射膜
１３長紫外線
１４希土類元素
１５蛍光体
１６冷却液（水・シリコーンオイル）
１７冷却液出入口
１８レーザー出力
１９ペルチェ冷凍素子
２０冷却水
２１ペルチェ冷凍素子付き白色光励起レーザー発振装置
２２二重管（冷却水外壁）
２３可視光線励起部
２４紫外線励起蛍光体可視光線変換部
２５可視光線入射窓
２６長紫外線入射窓
２７ダイクロイックミラー
２８反射ミラー
２９シリコーンオイル
３０球面レンズ
３１フレネルレンズ
３２大口径メニスカス凹レンズ
３３赤外線反射膜（ダイクロイックフィルター）
３４赤外線透過膜（ダイクロイックフィルター）
３５メニスカス凸レンズ
３６大口径凹面鏡台座
３７セグメントミラー
３８太陽電池
３９バンドパスフィルター
４０赤色波長（太陽電池励起用）
４１平面台座
４２帯状平面鏡
４３帯状凹面台座（冷却水循環パイプ含む）

Claims

冷却可能とされた冷却液を内部に満たし、かつ１つ以上の回転軸対称２次曲面あるいは多面体の容器からなるガラス容器と、
このガラス容器の対称軸に光軸を合わせてガラス容器内に配置されるレーザーロッドと、
白色光の内の長紫外線と可視光線が入射されるガラス容器の入射窓と、
白色光の内の赤外線が入射されて温度差を用いて発電する太陽熱発電をする半導体熱電素子と、
を備えた白色光励起レーザー装置であって、
前記ガラス容器の壁面あるいは前記レーザーロッドの外壁に蛍光体が付され、前記ガラス容器の最外壁に反射膜が蒸着され、
前記蛍光体によって長紫外線が可視光線に変換されるとともに、前記反射膜によって可視光線の反射が繰り返されることを特徴とする白色光励起レーザー装置。
前記蛍光体は、
前記回転軸対称２次曲面あるいは多面体ガラス容器の外壁に１種類あるいは多種類の蛍光物質がパターン状に塗布または焼結されたもの、
あるいは、前記レーザーロッドの外壁に形成された酸化シリコン膜内に蛍光物質が微量混入させたもの、
あるいは、前記レーザーロッドの外壁の酸化シリコン膜に希土類元素イオン打ち込みされたもの、
のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の白色光励起レーザー装置。
前記ガラス容器は、一つあるいは複数の連結された、積分球、茄子型球、円筒、円錐台あるいはラッパ管からなる回転軸対称２次曲面、または、多面体からなり、
前記ガラス容器の入射窓の前面に、前記白色光のうち長紫外線及び可視光線を選択的に前記ガラス容器内に透過させて、赤外光を半導体熱電素子に投入する分光素子をさらに備え、
前記分光素子は、
前記ガラス容器が一つの回転軸対称２次曲面、または、多面体からなる場合には、一つの入射窓から長紫外線及び可視光線を前記ガラス容器内に投入し、
前記ガラス容器が複数の連結された回転軸対称２次曲面、または、多面体からなる場合には、可視光線と長紫外線とに分光した後、夫々別個の入射窓から長紫外線及び可視光線を前記ガラス容器内に投入するものであって、
可視光線は直接、長紫外線は蛍光体を励起後、間接的にレーザーロッドを励起することを特徴とする請求項１に記載の白色光励起レーザー装置。
前記冷却液は、水またはシリコーンオイルからなり、
前記冷却液は、前記ガラス容器の最外壁の反射膜上に密着させられたペルチェ冷凍素子により冷却されるか、あるいは、前記冷却液の循環により冷却されるものであり、
前記ペルチェ冷凍素子は、前記半導体熱電素子により太陽熱発電された電力を供給されるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の白色光励起レーザー装置。
前記半導体熱電素子の一面側がグラファイットやカーボンの吸収体が塗布されて形成され、前記半導体熱電素子の他面側がラジエータ（冷却フィン）が付けられて形成され、
一面側が照射された太陽光の赤外線による高温側とされ、他面側が低温側とされ、
高温側と低温側との温度差で発電された電力を前記ペルチェ冷凍素子の電源として用いることを特徴とする請求項４に記載の白色光励起レーザー装置。