JPH05137967A - 複数波長レーザ光を用いた気相光化学反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ光化学反応において、複数波長のレー
ザビームを使用し、かつ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有効に利用し、レーザエネル
ギ当りの光化学反応効率を大幅に改善し、低コストの反
応工程を実現する。 【構成】 レーザ共振器を全反射鏡で構成し、その間に
反応容器を挿入するレーザ光化学反応装置において、レ
ーザ共振器を複数の波長で共振する構成とし、さらにレ
ーザ共振器内で複数の波長が得られている部分にテレス
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任意に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、特に複数発振波長を利用することで化学反応効率
を大幅に改善し、かつ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レー
ザ光を用いた気相光化学反応装置に関する。

【０００２】

【従来技術】近年のＣＯ₂ レーザ技術の飛躍的な進歩に
伴い、その応用分野は従来の単純な材料加工に留まらず
新しい分野への展開が図られている。その代表的な例と
しては、パルスＣＯ₂ レーザ光によるレーザ同位体分離
などの光化学プロセスに用いられる光源、遠赤外レーザ
の光励起用の光源などとしての適用がある。ＣＯ₂ レー
ザのこの様な分野への適用においては、一般に赤外多光
子励起過程が用いられることから、対象となる物質は多
くの場合において分子であり、レーザの特性としては高
尖頭出力を有するパルス波形が要求される。更に、物質
の励起準位間のエネルギ間隙は高励起準位へ行くほど狭
くなるので、赤外多光子励起を行う場合、その励起効率
は単一波長で共鳴励起するよりも共鳴波長とそれよりも
長波長の成分を含んだ複数波長で励起した方が著しく励
起効率が改善されることが知られている。この様な用途
に対応するＣＯ₂ レーザとして、従来から横方向励起大
気圧動作のパルスＴＥＡ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ
Ｅｘｃｉｔｅｄ ａｔ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒ
ｅｓｓｕｒｅ）ＣＯ₂ レーザがある。単一のＴＥＡレー
ザ発振器から複数波長での発振パルスを得る方法が、Ｓ
ｏｖ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎｉｃｓ誌 Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．５，ｐ６８
９−６９１（１９８５）に提示されている。この構成
は、図１４に示されるように放電励起空間を３箇所に分
けて、それぞれの空間において回折格子によって別々の
波長で共振させ、３波長での発振パルスを得る方法であ
る。この例においては、それぞれの波長に対して別々の
放電励起空間を利用することから、複数波長発振を安定
して実現することが出来るが、発振ビームの光軸が同軸
状でないため、光化学反応は３つのビームが交差する点
の近傍でのみ効率良く進行することになる。そのため、
例え反応容器内の微少な領域で高い反応効率が得られて
も、その他の領域ではレーザエネルギは反応に有効に寄
与する事なく散逸してしまうため、レーザ媒質から取り
出し得るエネルギに対する反応効率という観点で見る
と、大きな改善が得られない問題があった。

【０００３】単一レーザ媒質から同軸状の２波長発振ビ
ームを得る方法としてＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏ
ｎＩｓｏｔｏｐｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｕｒａｎｉｕｍ
Ｅｎｒｉｃｈｉｍｅｎｔ，Ｌ−１（１９９０）にＱスイ
ッチＣＯ₂ レーザを適用した例が提示されている。図１
５はその構成を示したもので、回折格子による回折角の
波長依存性を利用して２波長の光軸を分離し、各々独立
にレーザ共振器を構成したものである。この例において
は、低圧動作型連続波レーザ発振器を用いていることか
ら同軸での複数波長レーザ発振が得られているが、その
光化学反応への適用では、図１４で示した例と同様に、
発振器の外側でレーザビームを集光してその焦点近傍で
の反応を利用しているに過ぎない。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、
この様な反応装置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、反応に有効に
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２
０％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、例え複数波長
発振ビームを適用することによって反応効率を改善した
としても、更にレーザエネルギの有効利用を図ることが
必須の要件となる。

【０００４】以上に述べたような背景の下に、本願出願
人らは、２波長発振ＱスイッチＣＯ₂ レーザ装置の構成
を特願平３−３６，５７４号ならびに特願平３−１６
３，４６０号として提示するとともに、レーザエネルギ
の有効利用を図るために、簡便な光学系を用いてレーザ
ビームを反射重畳させる方法として、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。

【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、複数波長発振の構成
ではないが、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 程度であり、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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、複数
波長で共振するレーザ光のレーザ媒質からのエネルギ抽
出効率を劣化させる事なく、かつそのエネルギの殆ど全
てを反応に有効に寄与させるために、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。

【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、レーザ共振器を複数の波長
で共振する構成とし、さらにレーザ共振器内で複数の波
長が得られている部分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
とする複数波長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。

【０００８】

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。本発明を適用
するにあたっては、複数波長発振器の共振器形態は、従
来から知られている何れのものであっても良いが、ここ
では本願出願人らが特願平３−１６３，４６０号に提示
した２波長発振ＱスイッチＣＯ₂ レーザ装置の共振器形
態を例にとって説明する。

【０００９】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
第一の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 並びに第
二の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Ｍ₂ とこれらと
対向した位置に設置される全反射鏡Ｍ₃で構成される。
薄膜偏光子５は、ｐ偏光を全透過させｓ偏光を全反射さ
せる偏光ビームスプリッタであり、第一の波長のレーザ
ビーム１０１はｐ偏光としてＭ₁ −Ｍ₃ 間で共振し、第
二の波長のレーザビーム１０２はｓ偏光としてＭ₂ −Ｍ
₃ 間で共振する。この結果、薄膜偏光子５の右側では双
方の波長が同軸状に重畳したレーザビームが得られる。
グレーテイングＭ₁ ，Ｍ₂ の回折効率は、一般に偏光方
向によって大きく変化するので、波長を選択するための
これらの回転軸は互いに直交している。また、薄膜偏光
子５からＭ₁ ならびにＭ₂ までの距離は、互いに等しく
なるように設定されている。レーザ管３には、放電励起
を受けたレーザ媒質が存在する。レンズＬ₁ ，Ｌ₂ は共
焦点配置のテレスコープを構成し、回転チョッパによっ
てＱスイッチ動作を行わせるための集光ビームを形成す
る。レンズＬ₃ ，Ｌ₄ は第二の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。

【００１０】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第一の波長に対して全反射鏡対Ｍ
₁ −Ｍ₃ 間で、また第二の波長に対してＭ₂ −Ｍ₃ 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パスでの損失はた
かだか数％程度である。一方、一般的なＣＯ₂ レーザ発
振器の出力鏡の透過率が３０〜６０％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１／０．７〜１
／０．４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
るか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テレスコープ用レンズＬ₁ ，Ｌ
₂ ，Ｌ₃ ，Ｌ₄ はレーザ発振波長双方に対して無反射コ
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 ，Ｍ₃ 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Ｌ₃ ，Ｌ₄
を全反射凹面鏡Ｍ₄ ，Ｍ₄ ’に変更したものであり、動
作は図２と全く同じである。

【００１１】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。な
お、以下で図２の様な複数波長共振器形態について解析
する場合、前述のごとく薄膜偏光子５からＭ₁ ならびに
Ｍ₂ までの距離は、互いに等しくなるように設定されて
いることから、Ｍ₁ −Ｍ₃ 共振器とＭ₂ −Ｍ₃ 共振器は
互いに等価であるのでＭ₁ −Ｍ₃共振器についての解析
結果のみを示すこととする。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Ｏ
Ｃ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 ’＝２０００ｍｍ Ｒ₁ ＝∞（平面）, Ｒ₄=５０００ｍｍ（凹面）, Ｒ₅ ＝
∞（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。

【００１２】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。

【００１３】図６は、図２の光学部品配置において ｌ₁ ＝２２００ｍｍ, ｌ₂ ＝２５２ｍｍ, ｌ₃ ＝１００
ｍｍ, ｌ₄ ＝４９７ｍｍ, ｌ₅ ＝２００ｍｍ ｆ₁ ＝１２５ｍｍ, ｆ₂ ＝１２５ｍｍ, ｆ₃ ＝２５０ｍ
ｍ, ｆ₄ ＝２５０ｍｍＲ₁ ＝Ｒ₂ ＝∞（平面）, Ｒ₃ ＝
１００００ｍｍ（凹面） の条件において、全反射鏡対Ｍ₁ ，Ｍ₃ 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 から２０００ｍｍの領域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Ｌ₃ ，Ｌ₄ 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。

【００１４】図７は、図２の光学部品配置において、 ｌ₁ ＝２２００ｍｍ, ｌ₂ ＝２５２ｍｍ, ｌ₃ ＝１００
ｍｍ, ｌ₄ ＝９８２ｍｍ, ｌ₅ ＝２００ｍｍ ｆ₁ ＝１２５ｍｍ, ｆ₂ ＝１２５ｍｍ, ｆ₃ ＝５００ｍ
ｍ, ｆ₄ ＝５００ｍｍＲ₁ ＝Ｒ₂ ＝∞（平面）, Ｒ₃ ＝
１００００ｍｍ（凹面） の条件、すなわち図６に比べてテレスコープレンズ
Ｌ₃ ，Ｌ₄ の焦点距離をそれぞれ２倍にし、それに伴い
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 から２０００ｍｍの領域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Ｌ₃ ，
Ｌ₄ 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。

【００１５】以上に示した例は、反応容器用テレスコー
プレンズＬ₃ ，Ｌ₄ 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 ，Ｍ₃ 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基づいて適宜選
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。

【００１６】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、ここでは便宜的に図２中に設けた回転チョ
ッパＱスイッチ用のテレスコープも割愛した。以上の配
置において ｌ₁ ’＝４０００ｍｍ Ｒ₁ ＝６０００ｍｍ（凹面）, Ｒ₃ ＝∞（平面） の条件で、全反射鏡対Ｍ₁ ，Ｍ₃ 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 から２
０００ｍｍの領域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、もしこの領域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。

【００１７】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Ｍ₃ 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 ’＝３０００0 ｍｍ Ｒ₁ ＝３５００ｍｍ（凹面）, Ｒ₃ ＝４０００（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の近傍でのビーム
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 から２０００ｍｍの領域に
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、またそこから２０００ｍｍの位置で
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。

【００１８】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、Ｑスイ
ッチ用テレスコープを構成するレンズＬ₂ と反応容器用
テレスコープレンズＬ₃ を同一のものとし、更に反応容
器用テレスコープを構成するレンズＬ₄ と全反射鏡Ｍ₃
とを同一の全反射鏡Ｍ₃ によって構成している。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 ＝２２００ｍｍ, ｌ₂ ＝２５２ｍｍ, ｌ₃ ＝５０２
ｍｍ ｆ₁ １２５ｍｍ, ｆ₂ ＝８３．３ｍｍ Ｒ₁ ＝Ｒ₂ ＝∞（平面）, Ｒ₃ ＝２５０ｍｍ（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 ＝２２００ｍｍ, ｌ₂ ＝２５２ｍｍ, ｌ₃ ＝１００
１ｍｍ ｆ₁ ＝１２５ｍｍ, ｆ₂ ＝１００ｍｍ Ｒ₁ ＝Ｒ₂ ＝∞（平面）, Ｒ₃ ＝５００ｍｍ（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、図７で得られた結果と同様に、全反射鏡Ｍ₁ から２
０００ｍｍの領域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。

【００１９】

【実施例】以下、実施例に基づいて、本発明に係わる複
数波長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、レーザ管３は連続波励起Ｃ
Ｏ₂ レーザ放電管であり、放電電極４からレーザ用混合
ガスにエネルギが投入される。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９．５２μｍになるように
設定されている。レーザ用全反射鏡Ｍ₂ はＭ₁ と同様に
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９．６２μｍになるように
設定されており、グレーテイングＭ₁ ，Ｍ₂ の回転軸は
互いに直交するように設定されている。薄膜偏光子５は
ＺｎＳｅ基板上に多層膜コーテイングが施された薄膜偏
光子であり、ブリュースター角に設定されており、ｐ偏
光に対する透過率ならびにｓ偏光に対する反射率は上記
の波長に対してそれぞれ９８％以上である。損失体７は
双方の波長の発振タイミングを制御するために共振器内
損失として挿入されたものであり、ここではフレオン２
１による可飽和吸収媒質を封入したセルを用いた。レン
ズＬ₁ ，Ｌ₂ は回転チョッパによるＱスイッチを行うた
めのテレスコープであり、それぞれの焦点距離は１２５
ｍｍ、８３．３ｍｍ であり、その間隙は２５２ｍｍで
ある。このテレスコープの中央部のレーザビームの共焦
点位置に回転チョッパ６が設置され、レーザビームの透
過状態をスイッチすることによってパルス繰り返し周波
数が１０ｋＨｚのＱスイッチ動作が実現される。なお、
上記レーザ励起部３を通常の連続波レーザ発振器として
用いる場合には、図４のごとく、レーザ管３の右端の位
置に部分透過鏡からなる出力ミラーが設置される。レー
ザ管３の能力は、連続波レーザ発振器として動作させた
場合、３００Ｗの連続波を出力する能力を有する。全反
射鏡Ｍ₁ とレンズＬ₁ との距離は２．２ｍである。レン
ズＬ₂ の右側５０２ｍｍの位置には、曲率半径２５ｃｍ
の銅製で金コーテイングが施された凹面全反射鏡Ｍ₃ が
設置されている。以上の条件は図１２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８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。

【００２０】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
Ｆ₄ 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１×１０^-12 ｍｏｌ／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、かつ上記と同様なＱスイッチ発振を実
現し、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^-14 ｍｏｌ／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。

【００２１】以上の作用欄ならびに実施例における説明
では、パルスＣＯ₂レーザの中で同軸で複数波長発振を
得ることが出来るＱスイッチＣＯ₂レーザを例にとって
示したが、図１４に示したような空間分割型複数波長発
振共振器形態でも、本発明を適用すれば、テレスコープ
の集光位置にそれぞれのビームが概略重畳し、かつ共振
ビームは共振器内に閉じ込められていることから、反射
重畳を繰り返すことによって、レーザ媒質から取り出し
得るエネルギの殆ど全てを反応に有効に寄与させること
が出来る。さらには固体レーザや色素レーザなどの他の
複数波長発振レーザに対しても本発明の適用が可能であ
ることは言うまでもない。

【００２２】

【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として複数波長のレーザ
光を利用し、またそのパワーを有効に利用することがで
きるので、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複数波長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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図６】図２の光学部品配置において、全反射鏡対
Ｍ₁ ，Ｍ₃ 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。

【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。

【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。

【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 ，Ｍ₃ 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。

【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。

【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Ｌ₃
が同一のものとなり、さらにテレスコープレンズＬ₄ 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。

【図１２】図１１の光学部品配置において、全反射鏡対
Ｍ₁ ，Ｍ₃ 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。

【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。

【図１４】従来例における複数波長発振器の共振器形態
とその出力の光化学反応への適用形態の構成図である。

【図１５】複数波長発振器の共振器形態の別の公知例で
ある。

【符号の説明】

１：レーザビーム １０１：第一波長レーザビーム １０２：第二波長レーザビーム ２：反応容器 ３：レーザ管 ４：放電電極 ５：薄膜偏光子 ６：回転チョッパＱスイッチ ７：損失体 ８：原料気体 Ｍ₁ ，Ｍ₂ ：全反射鏡（グレーテイング） Ｍ₃ ：全反射鏡 Ｍ₄ ，Ｍ₄ ’：全反射凹面鏡 Ｌ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃ ，Ｌ₄ ：レンズ

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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、レーザ共振器を複数の波長で共振する構成とし、さ
   らにレーザ共振器内で複数の波長が得られている部分に
   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複数波長レーザ光
   を用いた気相光化学反応装置。
2. 【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
   載の複数波長レーザ光を用いた気相光化学反応装置。
3. 【請求項３】 テレスコープを構成する一対の集光光学
   系の内の１個がレーザ共振器用全反射鏡と同一である請
   求項１記載の複数波長レーザ光を用いた気相光化学反応
   装置。