JPH0422422A

JPH0422422A - 光化学反応におけるレーザ集光方法

Info

Publication number: JPH0422422A
Application number: JP12683890A
Authority: JP
Inventors: Naoya Hamada; 直也浜田; Tatsuhiko Sakai; 辰彦坂井
Original assignee: Nippon Steel Corp; Research Development Corp of Japan; Nippon Steel Chemical Co Ltd
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Nippon Steel Corp; Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1992-01-27
Anticipated expiration: 2014-04-05
Also published as: JP2877891B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔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レーザ集光方法に係り、特にレーザ
発振器から取り出されたレーザエネルギーの大半を光化
学反応に有効に利用するためのレーザ集光方法に関する
。

〔従来の技術〕

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
反応を行うものである。

そして、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、レーザのフルーエンスがある値以上
になると急激に反応効率が向上するという所謂クリティ
力ルスルーエンスが存在し、このために、レーザビーム
は集光レンズにより収束され、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すぎず、
反応に寄与しないレーザパワーが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取り出されたレーザ
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。

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
ザの占める割合か最も高く、低コストのレーザ光化学反
応工程を実現するためには、この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、反応器の長さが莫大に長くなり、光軸の安定
性の確保が困難であること、コストが高くなること、各
段の焦点前後での原料物質（気体）の吸収による反応に
寄与しないレーザエネルギーの損失が大きい等の問題点
があった。

更に、反応器の長さが短く、かつレーザパワーを有効に
使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、ビームの反射点間では焦点を結
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ＩＪ／　ｃｒｔ程度の低い場合には非
常に有効な方法であるが、高フルーエンス、例えば５〜
６　Ｊ　／　ｃｉ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が困難である。更に、反射鏡
の表面形状が複雑になるという問題点もある。

また、更に高いフルーエンス、例えば１０Ｊ／ｃｒｌが
要求されるような場合について、特開昭５９−４２、１
２６号公報の第１図に開示されている様に、反応器内で
のレーザビームの多重集光方式が提案されている。この
方式では、反応器内にレーザビームの多重反射用球面対
を設けることで、反応器内に異なる位置で複数個の焦点
を結ばせており、高いフルーエンスが要求され、かつレ
ーザの原料気体による吸収係数が小さい場合には集光の
回数性だけ、単一集光に対して線形に近い形で反応量か
増大する。しかしながら、吸収係数がＯ，１％／ｃｍ以
上あるような場合には、ビームが絞られていない領域で
のパワーロスか大きくなり、反応量の大きな増加は期待
できない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、比較的高いフルーエンスが要求され、
かつ、原料物質によるレーザエネルギーの吸収率がある
程度高い光化学反応において廉価な反応工程を実現する
ことにあり、特にそ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により、レーザ出
力に対する光化学反応効率を向上させることができる簡
易なレーザ集光方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、レーザビームを集光して原料物質の存在する
反応器内に導入し、原料物質の光吸収特性を用いて所望
の光化学反応を行うためのレーザ集光方法において、レ
ーザビームを集光して反応器内に導入する第一の光学系
により集光されたし−サビームの焦点位置には中心部に
中心孔を有する第二の光学系をその中心孔と前記レーザ
ビームの焦点位置が一致するように配設し、この第二の
光学系の後方位置には第三の光学系を互いに対向させて
配設し、これら第二及び第三の光学系の間でレーザビー
ムを多重反射させながら集光させる光化学反応における
レーザ集光方法である。

本発明方法において、第一の光学系としてはレンズ若し
くは球面鏡や軸外し放物面鏡等の光反射体があり、好ま
しくはレンズである。

また、第二及び第三の光学系については、これら第二及
び第三の光学系の間でレーザビームを多重反射させなが
ら集光させることができるものであればよく、例えば球
面鏡、レンズと平面鏡の組合せ、その他軸外し放物面鏡
等を挙げることができるが、好ましくは球面鏡である。

そして、これら第二及び第三の光学系の配置については
、例えばそれが球面鏡である場合、第二及び第三の球面
鏡を互いに概ね同軸に設置すると共に、第二及び第三の
球面鏡の３曲率半径をそれぞれＲ，、Ｒ，とし、これら
の間隙をｄとし、また、ｇｌ　−１−（ｄ／Ｒｔ）及び
ｇ　２　＝　ｌ　　（ｄ／　Ｒ１）としたとき、これら
ｇ、とＲ２の積（ｇｌ　・ｇｔ）の値がＯ＜ｇｌ・Ｒ２＜ｌ／４．１／４＜ｇｌ　　・Ｒ２＜１／２．１　／　２　＜　ｇ　＋　・ｇｚ＜３／４、若しくは３
　／　４　＜　ｇ　＋　　・Ｒ２く１のいずれかの範囲
に入るようにこれら第二及び第三の球面鏡の曲率半径及
び設置位置を設定するのがよい。

以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の詳細な説明するための模式図であり、
３つの光学系、すなわち第一の光学系である集光レンズ
２と第二及び第三の光学系である球面鏡３及び４の配置
とこれらの座標系を示したものであり、典型的条件とし
てｙ１＝ｙ１＝０の場合について示した。すなわち、第
一の光学系である集光レンズ２のレンズ主点位置の座標
が（０゜０）であって、その焦点距離がｆであり、第二
の光学系である球面鏡３の曲率半径がＲ８であって、そ
の中心座標（Ｘ２．Ｖ２）か（ｆ＋Ｒ，，０）であり、
また、第三の光学系である球面鏡４の曲率半径かＲ１で
あって、その中心座標（Ｘｙｌ）が（ｆ＋ｄ−Ｒ，，０
）である。

パルスレーザビーム１は集光レンズ２で集光され、その
焦点位置にある球面鏡３の中心孔３ａを介して球面鏡３
の後方へ通過する。通過したレーザビームは拡散しつつ
球面鏡４に到達して反射され、再度球面鏡３側へと戻る
。この後、これら球面鏡３．４間で多重反射・集光が繰
り返され、多数の集光点がＸ軸上に得られる。

この際、レーザエネルギーの損失を可及的に抑えて多重
反射・集光を実現するために要求される条件としては下
記の３項目が挙げられる。

（１）レーザビーム径が球面鏡３．４間で発散しないこ
と。

（２）球面鏡３」二でレーザビームが焦点を結ばないこ
と（中心孔３ａからレーザエネルギーの大半が入射側へ
と戻って、エネルギー損失となるため）。

（３）球面鏡４上でレーザビームが焦点を結ばないこと
（レーザエネルギー密度が高すぎると球面鏡４の表面を
損傷する恐れがあるため）。

上記条件ｍは、安定型レーサ共振器の設計と全く同一の
系で表現することができる。すなわち、第１図で表され
たパラメータＲ，、Ｒ，、ｄを用いて、ｇｌ−１（ｄ／
Ｒ１）、ｇ２＝］　　　（ｄ／Ｒ５）とした時、ビーム
が発散しない条件は０６ｇ、・ｇ２≦１で表される。そして、第２図は、ｇｌ　Ｒ２座標系で上
記の条件が満たされる範囲を斜線で示したものである。

次に、条件（２）及び（３）を実現するため、幾何光学
上の光線追跡法を用いてＤ＝２５ｍｍ、　　ｆ　＝２０
０ｍｍ、　ｄ”５０ｍｍＸＶ、　＝ｙ２　＝Ｏｍｍの条
件についてシミュレーションを行った。計算結果は、レ
ーザビームの集光・拡散状況を表示するため、ビームの
両性縁部の２本の軌跡で１本のレーザビームを表すべく
表示した。

第３図は、ｇｌ　”ｇｚ＝０の際の計算結果であリ、図
中レーザビームに付加した番号１１　（ｉは２桁の数字
）は１番目の反射パスを表している。

この条件ではレーザビームは２パス目で球面鏡３上で焦
点を結び、この球面鏡３の中心孔３ａを介して入射側へ
戻る。

第４図は、ｇ、・ｇ　２　＝　］、　／　４の際の計算
結果であり、レーザビームは３パス目で球面鏡４上で焦
点を結び、更に６パス目で球面鏡３上で焦点を結び、こ
の球面鏡３の中心孔３ａを介して入射側へ戻る。

第５図は、ｇｌ”ｇ２＝１／２の際の計算結果であり、
レーザビームは４パス目で球面鏡３上で焦点を結び、こ
の球面鏡３の中心孔３ａを介して入射側へ戻る。

第６図は、ｇｌ　・ｇｚ＝３／４の際の計算結果であり
、レーザビームは６パス目で球面鏡３上で焦点を結び、
この球面鏡３の中心孔３ａを介して入射側へ戻る。

また、第７図は、ｇｌ　・ｇｇ−１の際の計算結果であ
り、レーザビームは球面鏡３．４上では焦点を結ばない
か、ビーム径か単調的に発散する。

更に、第８図は、ｇｌ　・ｇ　２　＝　１　／　８の際
の計算結果であり、レーザビームは発散せず、また、球
面鏡３．４上で焦点を結ばないで、多重反射を繰り返す
。

なお、第３図から第７図の場合において、ｇとｇ２の積
ｇ１　・ｇ２については同じ値で、ｇとｇ２についてそ
れぞれ値の違うものを選択することもできる。この際に
は、２枚の球面鏡３．４間での多重反射の際のビーム形
状は変化するが、球面鏡３又は球面鏡４の上で焦点を結
ぶに至るパス数の条件は変化しない。

以上の結果から、ｇ、・ｇ２に要求される条件としては
、０〈ｇ、・ｇ２＜１／４．１／４＜ｇｌ　　・ｇ　２　＜　１．　／　２．１　／
　２　＜　ｇ　１　　・ｇ２＜３／４．３　／　４　＜
　ｇ　１　　・ｇ２〈１で与えられることがわかる。

更に、第８図のような集光条件を選択すれば、２枚の球
面鏡３．４間で多数の焦点を得ることかできると同時に
、焦点近傍においても多数の重畳が実現されるので、従
来の直列多段集光あるいは異なる点への多重反射集光に
比べてより大きなりリティカルフルーエンスを越える反
応領域を得ることが可能となる。

なお、上記第３図から第８図においては、便宜的にＤ＝
２５ｍｍ、　　ｆ　＝２００ｍｍＸｄ＝５　ｆ）ｍｍと
したが、ｆ並びにｄの値は要求されるクリティカルフル
ーエンスに対応して適宜設定すればよい。また、球面鏡
３の中心孔３ａの径は、ビームがこの中心孔３ａ内で干
渉を受けない範囲で小さくする事が望ましい。そして、
この際に、条件（２）によって球面鏡３上ではレーザビ
ームが焦点を結ばないように条件設定されるが、極一部
はこの中心孔３ａからのエネルギー損失が生じる。

そして、エネルギー損失が無視できない程度に大きくな
る場合には、第１図においてＶｌ＝Ｙ２＝　Ｏｍｍとし
たが、ｙｌ又はｙ２の値を集光ビーム直径をａとした場
合にａ≦’５１１≦ａ又は−ａ≦ｙ２≦ａの範囲で変化させてやれば、多重反射の際の光軸が発散
することなくエネルギー損失を抑えることが可能である
。

以上の例においては、２枚の球面鏡開で多重反射重畳を
実現することにより反応領域の拡大を図ったが、反応領
域を一定に保ってレーサパワーを減少さぜることも可能
である。また、一般のパルス放電型気体レーサにおいて
は、レーサ出ノアをその限界値よりも下げれば、レーザ
ガス、高電圧スイッチ、電極、電源等の寿命か出力の減
少分の逆数よりもはるかに伸ひるので、消耗品費を含め
たレーサランニンクコストを大幅に改善することかでき
、従って、本発明は反応効率の改善と共に廉価な工程の
実現に有効な構成となっている。

〔実施例〕

以下、実施例に基づいて、本発明方法を具体的に説明す
る。

第９図に本発明に係るレーサ集先方法が適用されたレー
ザ光化学反応装置の実施例が示されている。

レーザビーム１はガウス形状（Ｄ・２５ｍｍ）のパルス
Ｃ０２レーザビーム（５０ｍＪ／パルス）であり、表面
でのレーザパワーの反射損失を防止するために両面に減
反射コーティングが施された集光レンズ２（ＺｎＳｅ、
　ｆ・２００　ｍｍ）で集光が始められ、原料気体６が
流通している反応器５（長さ＋１５０ｍｍ、内径＝６０
ｍｒｎ　、石英ガラス製）の入射端側に設けられたＮａ
Ｃ！窓部材７より入射する。なお、ＮａＣ！窓部材７は
、反射によるレーザパワーの損失を防止するために、ブ
リュースター角度（５７°）に設定されている。

原料気体６は、反応器５内に導入され、レーザビームの
光軸と直角に流通し、光化学反応を受けた後、反応器５
の反対側から反応生成物と共に排出される。また、レー
ザビーム１は、球面鏡３（銅製、金コート、水冷機能付
き）の中心孔３ａで焦点を結んだ後、拡散しながら球面
鏡４（銅製、金コート、水冷機能付き）に到達して反射
され、その後、球面鏡３．４間で多重反射を繰り返し、
反応器５内で重畳が実現される。

以上に示した系において、ｄ＝５０．０ｍｍ、Ｒ１＝４
０．　０ｍｍ、　Ｘ１＝２１０゜Ｏｉｍ、ｙ、＝Ｏｍｍ
、ｇ、＝−１／４、Ｒ，＝３３．　３ｍｍ、　Ｘ２＝２
３３．　３ｍｍ、　ｙ２　＝Ｏｍｍ、　ｇｔ　＝　　１
／　２、ｇ＋　　’　ｇ２　”　１．／８とし、ＣＨＣ
ｌＦ、：　　６７　ｔｏｒｒとＢｒ、・３３　ｔｏｒｒ
とで構成された原料気体を用いて炭素１３の同位体濃縮
を行った。この際の炭酸ガスレーザの発振ラインを９Ｐ
（２２）（１０４５，０２ｃｍ−’　）に設定して反応
を行った結果、レーザエネルギーの約８０％が有効に消
費され、１パルス当りの反応効率として”ＣＢｒ、Ｆ２
が１．　２　Ｘ　１０′−１０ｍｏｌ生成した。　また
、比較のために異なる点への多段集光を行って反応効率
を調べた結果、２　Ｘ　１０’−”　ｍ。

１／パルスという値が得られた。

従って、上記実施例においては、従来法に比べて単位レ
ーザパルスエネルギー当りの反応効率が６倍と大幅に改
善された。

〔発明の効果〕

本発明のレーザ集光方法によれば、レーザビームによる
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
ギーに対する光化学反応効率の改善、並びにレーザの各
種の費用の低減か達成され、低コストのレーザ光化学反
応工程を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ集光方法の原理を説明するだめ
の模式図、第２図はパラメータｇｇ２の設定に対してレ
ーザビームが２枚の球面鏡開で発散しないためのｇ＋　
　ｇ２の領域を示すグラフ図、第３図から第８図は本発
明によるレーザビームの集光方法を実現するために要求
される２枚の球面鏡の条件を求めるために条件を変えて
計算した結果を示すグラフ図、第９図は本発明のレーザ
集光方法を適用したレーザ光化学反応装置の実施例を示
す説明図である。符号の説明

Claims

【特許請求の範囲】

（１）レーザビームを集光して原料物質の存在する反応
器内に導入し、原料物質の光吸収特性を用いて所望の光
化学反応を行うためのレーザ集光方法において、レーザ
ビームを集光して反応器内に導入する第一の光学系によ
り集光されたレーザビームの焦点位置には中心部に中心
孔を有する第二の光学系をその中心孔と前記レーザビー
ムの焦点位置が一致するように配設し、この第二の光学
系の後方位置には第三の光学系を互いに対向させて配設
し、これら第二及び第三の光学系の間でレーザビームを
多重反射させながら集光させることを特徴とする光化学
反応におけるレーザ集光方法。
（２）第二及び第三の光学系が球面鏡であり、これら第
二及び第三の球面鏡が互いに概ね同軸に設置されている
と共に、第二及び第三の球面鏡の曲率半径をそれぞれＲ
＿ｓ、Ｒ＿ｔとし、これらの間隙をｄとし、また、ｇ＿
１＝１−（ｄ／Ｒ＿ｔ）及びｇ＿２＝１−（ｄ／Ｒ＿ｓ
）としたとき、これらｇ＿１とｇ＿２の積（ｇ＿１・ｇ
＿２）の値が０＜ｇ＿１・ｇ＿２＜１／４、１／４＜ｇ＿１・ｇ＿２＜１／２、１／２＜ｇ＿１・ｇ＿２＜３／４、若しくは３／４＜ｇ
＿１・ｇ＿２＜１のいずれかの範囲に入るようにこれら第二及び第三の球
面鏡の曲率半径及び設置位置が設定されている請求項１
記載の光化学反応におけるレーザ集光方法。