JPS60172347A - レ−ザ光誘起化学反応装置 - Google Patents

レ−ザ光誘起化学反応装置

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JPS60172347A
JPS60172347A JP2839084A JP2839084A JPS60172347A JP S60172347 A JPS60172347 A JP S60172347A JP 2839084 A JP2839084 A JP 2839084A JP 2839084 A JP2839084 A JP 2839084A JP S60172347 A JPS60172347 A JP S60172347A
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laser
chemical reaction
laser light
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resonator
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英明 斉藤
Yuko Kanazawa
金沢 祐孝
Shigeru Yamaguchi
滋 山口
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/12Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
    • B01J19/121Coherent waves, e.g. laser beams

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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】 この発明は、レーザ光を利用して化学反応を制御し、ま
たは特定の反応系だけ全促進、抑制するためのレーザ光
誘起化学反応装置に関する。
従来技術 石油精製や石油化学工業などで、従来高温、高圧で行な
わ九ていた熱化学プロセス(例えば塩ピモノマーの製造
等)ヲ、レーザ光誘起化学反応で代行することが行なわ
九ている。従来におけるレーザ光誘起化学反応装置は、
第1図に示すように、レーザ共振器1の外部に媒質全収
容した化学反応部2’f−配置して、レーザ発生部3で
発生さ几たレーザの一部をレーザ出力鏡4全通して出力
し、化学反応部2に入力して光化学反応を発生させてい
た。5はレーザ用反射鏡、7はレーザ励起源、8は化学
反応部2の圧力、流量等を制御するコントローラ、9は
化学反応部2に媒質全量し入几する配管である。
上記のレーザ光誘起化学反応装置では、レーザ出力鏡4
の透過率を最適化することで最大のレーザ出力を得るよ
うにしているが、レーザ共振器1の外部に取シ出される
レーザ強度は、その内部に存在しているレーザ強度の数
分の1程度であるため、内部に存在するエネルギーを化
学反応に有効に利用することができず、エネルギーの利
用率が悪かった。このため、元来レーザ発生部3でのレ
ーザ発生効率が低いとと(通常数%〜20%程度)およ
び化学反応部2でのレーザ光吸収係数が低く反応収率(
入力レーザ光のエネルギーに対する反応収fa: (化
学反応により得ら九る目的物質の量))が低いことと相
俟って、反応収量ヲ高くしようとすると、大ノ々ワーの
レーザ装置が必要となり、あるいは、反応収率を高める
ために化学反応部2の反応有効長を長くとらなければな
らず、コスト的に非常に高いものになっていた。
発明の目的 この発明は、前記従来装置における欠点を解決する目的
でなさ九たもので、レーザ発振器で発生するレーザ光エ
ネルギーの利用率を高めて、小型で高い反応収量が得ら
几るレーザ光誘起化学反応装置を提供しようとするもの
である。
発明の構成 この出願の第1の発明奴、化学反応部を、レーザ強度の
高いレーザ共振器内に入nることにより、レーザ光エネ
ルギーの利用率ヲ高めるようにしたものである。
また、この出願の第2の発明は、第1の発明において、
レーザ共振器からレーザ出力を取り出し、そnに応じて
化学反応部2に供給する流体の圧力、流量等あるいはレ
ーザ励起源等を制御することにより、化学反応を制御す
るようにしたものである。
実施例 本発明の一実施例を第2図に示す。第2図において、レ
ーザ共振器14は、一対の鏡15.16が対向して設け
られ、その内部の光軸り上にレーザ発生部17と化学反
応部18を具えている。レーザ発生部17には、レーザ
励起源(例えば、電子ビーム励起源や放電励起源など)
19が接続さ九、パルス的にあるいは連続的にエネルギ
ーを供給して、レーザ発振に必要な反転分布全形成させ
る。化学反応部18には、目的とする化学反応を起こす
媒質が入nらn、流量、圧力制御装置2゜により反応条
件が制御される。化学反応部18で作らnた反応物は捕
収器30で捕集さnる。
レーザ共振器14には外部レーザ発生器21から厳密に
波長選択さnlかり出力が安定化さf′したレーザ光2
2がビーム注入器C半透過鏡)23を介して注入される
。この結果、いわゆる「外部注入同期現象」により、レ
ーザ共振器14内で安定に立つレーザの波長が決定さn
1反応に必要な波長に同調できる。レーザ発生部エフで
得らnるレーザの利得が、化学反応部18での吸収や散
乱損失および鏡15.16での損失等を含む全損失量を
越えると、レーザ共振器14内に安定なレーザ光のフィ
ールドが形成され、発振状態になる。
レーザ共振器14内で発生したレーザの一部はわずかに
透過率を有する鏡16’を透過して外部に出力さnる。
この出力レーザ光の強度は、化学反応部18での反応状
態により変化する。したがって、この出力レーザ光の強
度?検出して、フィートノクック信号として用いること
により、化学反応を制御することができる。鏡16を透
過して出力さfl、たレーザ光は、ビーム反射鏡24を
経てレーザ検出器(パワーメータ等)25に入力される
レーザ検出器25では、入力さnるレーザビームに応じ
てレーザ励起源19、流量、圧力制御装置20 を制御
する。このようにすることで、レーザ共振器14の内部
のレーザ光のフィールドパワー(エネルギー)が常に一
定となるようにでき、同時に化学反応部18でのべ応量
も一定量に制御できる。また、レーザ共振器14内での
レーザ光のフィールドパワーは、通常出力するパワーの
数倍から数十倍の強さになる。このため、従来の方法(
化学反応部をレーザ発振器の外部に設けるもの)に比べ
、レーザ発生と反応に必要な全入力エネルギーに対する
反応収量が格段に亮くなり、反応収率全高めら九ると同
時に全体効率が向上する利点がある。
ところで、レーザ共振器14の出力ビームの強度Iou
t (kw/cl ) と、レーザ共振器14の内部の
レーザ光のフィールトノぞワー1int rkw/c+
4)は、そnぞれ次式で表わされる。
Iout=Is* t(t−go−4′・Qo)(t+
am+2(fo−6’)’−〔2(go−L−Qo−1
’l )−’ (1)但し、 ■s:飽和パラメータ(kw/ct&)go:レーザ発
生部17の小信号利得(i’)t :出力@C部分反射
鏡)16の透過率酋 am : @ 15 * 16における吸収、散乱、回
析損失 ao:化学反応部17での吸収係数(crn−’)t 
:レーザ発生部17の有効長(cm )t′:化学反応
部18の有効長(tm )第(1)式、第(2)式は、
連続動作レーザに関するものであるが、ノソルスレーザ
の場合でもレーザ共振器14によるレーザ光のフィール
ドが安定にできる条件下では成立することが知らt’し
ている。この式を用いて、レーザ共振器14の出力ビー
ムの強度Iout と、レーザ共振器14内のレーザ光
のフィールトノぞツーl1ntヲ、出力@16の反射率
R(=1−1)を様々に変えて算出した一例金第3図に
示す。ここでは放電励起00!レーザをレーザ発生部1
7として使用した場合について示している。代表的な値
として、go = l m−’、I s = 1 kw
/al、(Im = 0.02 、 ao= 1.OX
 10−”個−1%t=0.8m。
1’−0,3mとしている。第3図で点線で示したもの
がレーザ共振器14の外部に取シ出さ几るレーザ出力の
強度Ioutであシ、実線が共振器14の内部で安定に
立っているレーザ光のフィールドパワー11ntである
第3図では、レーザ共振器14内に化学反応部18があ
る場合とない場合についてレーザ出力Iout と内部
レーザ光フィールドパワーl1nt をそれぞ几示して
いる。こ几によnば、今考えている程度の化学反応Ta
 18の吸収係数α0および有効長t′では、化学反応
部18Wrレーザ共振器14内に具えても、レーザが十
分発振可能であることがわかる。
第3図によ几ば、出力鏡160反射率R”IHIに近づ
けていく(透過率をOに近づけていく)と、レーザ出力
Ioutはある点で最大値を取り、その後減少している
ことがわかる。一方、この時レーザ共振器14の内部に
立つレーザ光のフィールドパワーl1ntは単調に増加
していることがわかる。
また、その強度l1ntは、外部に出力さ几たレーザ出
力強度routの数倍から10倍程度になることがわか
る。例えば、反射率を几=0.95とした場合、外部へ
出力さnるレーザ光の強度Ioutは約100 W/’
cr18であるが、内部での強度l1ntは約2kw%
−となり、非常に高いレーザ光の強度で化学反応部18
t1さらされることになる。通常、光誘起化学反応の反
応量は、媒質の密度NR,とレーザ光の強度■との積に
比例しあるいはその積を指数とした指数関数に比例する
ことが知ら几ており、レーザ共振器14内に化学反応部
18を具えたことにより、高いレーザ光強度が利用でき
、反応量の増大を期すことが可能となる。
ここで、前記レーザ検出器25で検出さnるレーザ光の
強度により化学反応を制御する一例について説明する。
第2図において、化学反応部18に供給さ九る反応媒質
は、もともとレーザ光を吸収する量が大きいものである
。もし、反応媒質がJヒ学反応部18に封入さ几、外部
への流入、流出が行なわれない状態でレーザ光を照射し
続けると、レーザ光による解離反応や他物質への変化な
どによりレーザ光吸収量が徐々に減少していくことにな
る。すなわち、第4図に示すように、レーザ光吸収量(
またはレーザ光吸収係数)が小さくなっていくことにな
り、場合によっては、全くなくなってしまうこともある
ここでレーザ光吸収係数aと、レーザ光吸収量は次式の
ように定義さ九る。
△工(t )=Io −I(t)==Io、aここで ■O:反応媒質に入力さ几る前のレーザ光強度(w/l
ri ) I(t) :反応媒質から出力さ几るレーザ光強度(w
Aj) aH= σ ・ N σ:反応媒質の吸収断面$ (Ca )N:反応媒質の
密度 L:レーザ光が通過する反応媒質長(cm )このよう
な反応媒質全封入した化学反応部18全レーザ共振器1
4内に人乳ると、部分反射鏡16から出力さnるレーザ
出力は、第5図に示すような時間変化を示すと考えら几
る。
そこで、今度は化学反応部2に反応媒質全流入、流出さ
せるようにすると、化学反応部2内に存在する未反応物
の量が一定となり、レーザ光吸収量、レーザ光吸収係数
が時間的に一定となる。したがって部分反射@16から
出力さ几るレーザ光出力も第6図に示すように一定とな
る。
化学反応部2′ft人nたレーザ共振器14では、1/
−ザ励起エネルギー等他の条件が同一であれば、外部へ
取り出されるレーザ出力の大きさは、化学反応部2内の
レーザ吸収量またはレーザ吸収係数のみによって、第7
図のように示される。
以上のことから、第2図においてレーザ出力をレーザ検
出器25で検出し、所定出力が得ら几る↓うに、流量、
圧力制御装置20.化学反応部18への反応媒質の流入
量を制御すれば(バルブ、圧力制御弁あるいは流量制御
弁等で制御する。)、反応物の全収量や時間ごとの収量
変化を制御することができる。例えば、時間的に反応量
を制御したい場合は、反応媒質の流入量を減少させると
、レーザ出力が増加し、流入量に応じた出力レベルに安
定する。この出力レベルの絶対値(例えば)ぞワーやエ
ネルギー)全読み取ることにより、反応収量と対応させ
ることができる。
発明の詳細 な説明したように、この出願の第1の発明によれば、レ
ーザ共振器内に化学反応部を入れるようにしたので、レ
ーザ共振器内の高いレーザ光のエネルギーを化学反応に
利用することができ、化学反応の効率を高めることがで
きる。したがって、レーザ装置を小型化し、あるいは化
学反応部の有効反応長の短縮化全図ることができ、コス
トの低減を図ることができる。
また、この出願の第2の発明によれば、第1の発明にお
いてレーザ共振器からレーザ出力を取り出して、それに
応じて化学反応部内の圧力、流量等あるいはレーザ励起
源の制御等に利用するようにしたので、化学反応全所望
の状態に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来におけるレーザ光誘起化学反応装置を示す
模式図、第2図はこの発明の一実施例を示す模式図、第
3図は第2図のレーザ光誘起化学反応装置によるレーザ
光の出力強度Iout と内部強1lintの違いを示
す線図、第4図は化学反応部に反応媒質全封入した場合
のレーザ光吸収量またはレーザ光吸収係数の時間的変化
を示す線図、第5図は化学反応部に反応媒質を封入した
場合のレーザ出力の時間的変化を示す線図、第6図は、
化学反応部に反応媒質を流入、流出させた場合のレーザ
出力の時間的変化を示す線図、第7図は化学反応部での
レーザ吸収量またはレーザ吸収係数に対するレーザ出力
の変化を示す線図である。 1.14・・・レーザ共振器、2.18・・・化学反応
部、3.17・・・レーザ発生部、4.16・・・部分
反射鏡、5.15・・・全反射鏡、7.19・・・レー
ザ励起源、8.20・・・流量、圧力制御装置、23・
・・ビーム注入器、24・・・ビーム反射鏡、30・・
・捕集器。 第4図 時間 第6図 B*M 第5図 第7図 77%+−大 レーク)【ジレ■量 まkば@41裸錠

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) レーザ共振器内に化学反応部を具えたことを特
    徴とするレーザ光活起イヒ学反応装置。
  2. (2) レーザ共振器内に化学反応部を具えるとともに
    、前記レーザ共振器からレーザ出力を取り出し、そのレ
    ーザ出力に応じて前記化学反応部における&質の流量、
    圧力等あるいはレーザ励起源等を制御することにより、
    化学反応を制御する制御装置を具えたことを特徴とする
    レーザ光誘起化学反応装置。
JP2839084A 1984-02-17 1984-02-17 レ−ザ光誘起化学反応装置 Granted JPS60172347A (ja)

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JPH057065B2 JPH057065B2 (ja) 1993-01-28

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6178436A (ja) * 1984-09-25 1986-04-22 Ulvac Corp 光励起プロセス装置
WO2018038130A1 (ja) * 2016-08-26 2018-03-01 日本電気株式会社 化学反応装置、及びその製造方法

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JPS4923776A (ja) * 1972-06-30 1974-03-02

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