JPWO2009128510A1 - レーザー発振装置 - Google Patents
レーザー発振装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2009128510A1 JPWO2009128510A1 JP2010508246A JP2010508246A JPWO2009128510A1 JP WO2009128510 A1 JPWO2009128510 A1 JP WO2009128510A1 JP 2010508246 A JP2010508246 A JP 2010508246A JP 2010508246 A JP2010508246 A JP 2010508246A JP WO2009128510 A1 JPWO2009128510 A1 JP WO2009128510A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- laser
- sunlight
- laser medium
- light guide
- oscillation device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 87
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 54
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 33
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 29
- 239000010408 film Substances 0.000 description 23
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 12
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 12
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 12
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 12
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 4
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UZLDSPSTABQEQP-UHFFFAOYSA-M C7-oxacyanine Chemical compound [I-].O1C2=CC=CC=C2[N+](CC)=C1C=CC=CC=CC=C1N(CC)C2=CC=CC=C2O1 UZLDSPSTABQEQP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- VYXSBFYARXAAKO-WTKGSRSZSA-N chembl402140 Chemical compound Cl.C1=2C=C(C)C(NCC)=CC=2OC2=C\C(=N/CC)C(C)=CC2=C1C1=CC=CC=C1C(=O)OCC VYXSBFYARXAAKO-WTKGSRSZSA-N 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
- H01S3/0915—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/04—Arrangements for thermal management
- H01S3/0407—Liquid cooling, e.g. by water
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
- H01S3/0606—Crystal lasers or glass lasers with polygonal cross-section, e.g. slab, prism
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/08072—Thermal lensing or thermally induced birefringence; Compensation thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
- H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
- H01S3/094049—Guiding of the pump light
- H01S3/094057—Guiding of the pump light by tapered duct or homogenized light pipe, e.g. for concentrating pump light
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
太陽光からレーザー光への変換効率をより向上させるレーザー発振装置を提供すること目的とする。太陽光Ｓにより励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質３１と、レーザー媒質３１の出力端部に対向する凹面３５ａを有する出力ミラー３５と、レーザー媒質３１の出力端部から、レーザー媒質３１の外方に延びる反射面２２を有し、太陽光Ｓｆを反射してレーザー媒質３１に導く光ガイド２０と、を備える。
Description
本発明は、太陽光により励起されるレーザー発振装置に関する。
地球環境問題を解決するために、太陽光の有効利用が考えられている。一例として、太陽光により励起されるレーザー発振装置がある。このレーザー発振装置の効率を上げるためには、太陽光によるレーザー媒質の加熱によって生じる熱レンズ効果や熱複屈折等を防止する必要がある。例えば、特許文献１には、宇宙空間におけるレーザーロッドの熱制御を適切に行うために、太陽光を励起光として直接発振を行うレーザー発振媒体からなるレーザーロッドを備えた太陽光直接励起レーザー発振装置であって、レーザーロッドには、レーザーロッド本体より放出される熱エネルギーを吸収するための冷媒が貫流する管路を有する冷却手段を備えるレーザー発振装置が開示されている。
しかし、宇宙空間と異なり、地上では、太陽光が雲により遮られたり、季節により太陽光の強度が異なったりする。そのため、地上における太陽光からレーザー光への変換効率の向上に関して十分に検討されていなかった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、太陽光からレーザー光への変換効率をより向上させるレーザー発振装置を提供すること目的とする。
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、太陽光により励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質と、前記レーザー媒質の出力端部に対向する凹面を有する出力ミラーと、前記レーザー媒質の出力端部から、前記レーザー媒質の外方に延びる反射面を有し、前記太陽光を反射して前記レーザー媒質に導く光ガイドと、を備えたことを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザー発振装置において、前記光ガイドの反射面が、錐面であることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のレーザー発振装置において前記レーザー媒質が、前記レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部を有することを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザー発振装置において、前記太陽光を集光して前記光ガイドに入射させる集光手段を更に備えたことを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、請求項４項に記載のレーザー発振装置において、前記集光手段の光軸が、前記レーザー媒質の光軸に対して斜めに配置されることを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のレーザー発振装置において、前記太陽光を取り入れる前記光ガイドの入射窓の面が、前記集光手段の光軸と垂直に配置されることを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のレーザー発振装置において、前記集光手段がフレネルレンズであって、前記フレネルレンズに蛍光物質が添加されたことを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のレーザー発振装置において、前記フレネルレンズが、深紫外光によって表面改質されたことを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、太陽光により励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質を備え、前記レーザー媒質が、前記レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部を有することを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のレーザー発振装置において、前記開口部が、スリットを有することを特徴とする。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項９または請求項１０に記載のレーザー発振装置において、前記レーザー媒質が板状に形成されたことを特徴とする。
また、請求項１２に記載の発明は、太陽光により励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質と、前記レーザー媒質の出力端部から、前記レーザー媒質の外方に延びる反射面を有し、前記太陽光を反射して前記レーザー媒質に導く光ガイドと、前記太陽光を集光して前記光ガイドに入射させる集光手段と、を備え、前記集光手段の光軸が、前記レーザー媒質の光軸に対して斜めに配置されることを特徴とする。
本発明によれば、太陽光により励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質と、レーザー媒質の出力端部に対向する凹面を有する出力ミラーと、レーザー媒質の出力端部から、レーザー媒質の外方に延びる反射面を有し、太陽光を反射してレーザー媒質に導く光ガイドと、を備えたことにより、レーザー媒質の出力端部付近におけるモードボリュームが増大し、そこに光ガイドからの太陽光が集まるため、太陽光からレーザー光への変換効率をより向上させることができるレーザー発振装置を提供できる。
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
（第１実施形態）
まず、本発明に係る第１実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成および機能について、図１から図４を用いて説明する。
まず、本発明に係る第１実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成および機能について、図１から図４を用いて説明する。
図１は、本発明に係る第１実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成例を示す模式図である。図２は、レーザー発振装置で使用するフレネルレンズを示す平面図である。図３は、フレネルレンズによる集光の様子を示す模式図である。図４は、レーザー発振装置の光ガイドおよびレーザーキャビティを示す模式図である。
図１に示すように、太陽光励起のレーザー発振装置１は、太陽光Ｓを集光するフレネルレンズ１０と、集光された太陽光Ｓｆをレーザーの励起光として導く光ガイド２０と、光ガイド２０を内部に有するレーザーハウジング２５と、レーザー光を共振させるレーザーキャビティ３０と、を備える。そして、レーザー発振装置１は、発生したレーザー光を、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のターゲット５に照射して、マグネシウム（Ｍｇ）の蒸気を発生させて、酸化マグネシウムからマグネシウムを得る。
図２示すように、フレネルレンズ１０は、１ｍ四方の分割レンズ１１を４枚組み合わせて構成した四分割方式のフレネルレンズである。フレネルレンズは、屈折方式で太陽光を集光するので、プラスチックの片面に図２で示すような溝１１ａを形成する。この溝１１ａは、反射損失が小さくなるように分割レンズ１１の出射面に形成されている。分割レンズ１１の入出射面には、散乱損失が数％以下となるように深紫外波長域で発光するエキシマランプを用いて表面処理が施されている。また、分割レンズ１１の入出射面には、“光学薄膜の形成方法”の特許技術（特許番号：第３９０５０３５号）を用いて表面に誘電体光学薄膜が蒸着され、反射率を数％以下にしてある。このように、フレネルレンズ１０が、深紫外光によって表面改質されている。なお、フレネルレンズ１０の分割数は、４つに限定されなく、また、分割レンズ１１の形状は正方形に限定されず、分割レンズ１１を合わせて、フレネルレンズ１０の効果を奏すればよい。
図３に示すように、焦点距離ｆのフレネルレンズ１０の焦点の位置に、レーザーキャビティ３０の端部付近が位置するように、光ガイド２０が配置される。すなわち、光ガイド２０を内部に有するレーザーハウジング２５が配置される。そして、フレネルレンズ１０は、太陽光Ｓを光ガイド２０の中心部（レーザーハウジング２５の中心部）に集光させる。また、フレネルレンズ１０の光軸が、レーザー媒質３１の光軸に対して平行である。このように、フレネルレンズ１０は、太陽光Ｓを集光して光ガイド２０に入射させる集光手段の一例として機能する。
次に、図４に示すように、光ガイド２０は、集光された太陽光Ｓｆを内部に透過させる太陽光入射窓２１と、太陽光Ｓｆを反射する反射面２２と、レーザーキャビティ３０を収納するレーザーハウジング２５と、を有する。
太陽光入射窓２１は、フレネルレンズ１０の光軸に平行に入射する垂直入射光Ｓｆ１に対して垂直に配置される。このように、太陽光Ｓｆを取り入れる光ガイド２０の入射窓の面が、フレネルレンズ１０の光軸と垂直に配置される。
反射面２２は、レーザーハウジング２５の内面に錐面の一例である円錐面となるように形成され、円錐の底面が太陽光入射窓２１側となる。反射面２２には、高反射金属膜が冷却水によって腐食し、反射率低下を防止するために太陽光を吸収しない誘電体多層膜を蒸着している。例えば、反射面２２として、耐水性薄膜付きのAlやAg鏡、あるいは、AlやAg膜の上に誘電体多層膜をコーティングした反射鏡が用いられていて、反射率が９５％以上である。このように、光ガイド２０は、レーザー媒質３１の出力端部から、レーザー媒質の外方に延びる反射面２２を有し、太陽光Ｓを反射してレーザー媒質に導く。なお、フレネルレンズ１０で集光された太陽光Ｓｆの集光径は、焦点付近で５０ｍｍΦ程度もあるため、光ガイド２０を設けることが必要不可欠となる。光ガイド２０は、フレネルレンズ１０の集光点近くに設置し、フレネルレンズ１０で集光された太陽光Ｓｆを高効率でレーザーキャビティ３０へとガイドする役目がある。
次に、レーザーハウジング（ハウジング）２５は、太陽光入射窓２１と反射面２２とにより形成される空間２７を有し、空間２７が冷却水Ｗで満たされている。レーザーハウジング２５は、冷却水出入口２６を有し、外部から空間２７に冷却水Ｗを供給し、排出できるように構成されている。冷却水出入口２６は、外部から空間２７に連結するように、レーザーハウジング２５内部を貫通し、空間２７に達している。また、レーザーハウジング２５の材料には、金属、プラスチック、ガラス、およびセラミック等が使用されている。
次に、レーザーキャビティ３０は、図１や図４に示すように、太陽光により励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質３１と、レーザー媒質３１の端部であって、太陽光入射窓２１に対向する面に形成された高反射膜（ＨＲ）３２と、レーザー媒質３１の出力端部の面に形成された反射防止膜（ＡＲ）３３と、レーザー媒質３１の出力端部に対向する位置に設置された出力ミラー３５と、を有する。
レーザー媒質３１の材質は、ＮｄとＣｒを共添加したＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、ＧＳＧＧ（Ｇｄ３Ａｃ２Ａｌ３Ｏ１２）、或いは高濃度のＮｄを添加したＹＡＧ，ＧＳＧＧ，ＧＧＧ（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２）等の固体レーザー結晶（または、セラミック）である。レーザー媒質３１の形状は、断面形状が円形の棒（ロッド）である
高反射膜３２は、レーザー媒質の発振波長で高反射する誘電体多層膜を蒸着している。例えば、ＹＡＧ結晶を用いた場合は、波長１．０６４μｍ用の高反射膜（反射率：９９％以上）を蒸着により形成されている。そして、高反射膜３２は、レーザー媒質３１内において励起された波長１．０６４μｍの光のみを反射するのであって、他の波長の光、すなわち、太陽光入射窓２１を通過して入射してくる太陽光のほとんどは、高反射膜３２を透過して、レーザー媒質３１に入射する。
反射防止膜３３は、波長１．０６４μｍ用の反射防止膜（反射率：０．２％以下）を蒸着により形成されている。反射防止膜３３は、レーザーキャビティ３０内での反射損失の防止や、他のモードの発振を防止する。
出力ミラー３５は、図４に示すように、レーザー媒質３１の出力端部に対向する凹面３５ａを有する。そして、出力ミラー３５の凹面３５ａは、レーザー媒質３１の熱レンズ効果を補正する効果を有する。レーザーキャビティ３０において成長したレーザー光が、出力ミラー３５から外部へ出力される。レーザーの出力は出力ミラー３５の凹面３５ａの曲率半径と反射率に大きく左右されるため、出力ミラー３５は、調整が容易な構成になっている。
レーザー媒質３１は、太陽光Ｓｆにより光ポンピングされる。高反射膜３２を通過した太陽光Ｓｆはレーザー媒質３１内部に入射してレーザー媒質３１を励起し（軸方向励起）、光ガイド２０の反射面２２で反射された太陽光Ｓｆは、レーザー媒質３１の側面から、レーザー媒質３１内部に入射してレーザー媒質３１を励起する（側面励起）。
次に、レーザー発振装置１の動作例として、太陽光の光路や光ガイドにおける集光等について、図に基づき説明する。
図５は、光ガイド２０内において、（Ａ）反射面の端面付近で反射した場合、（Ｂ）反射面の奥で反射した場合、集光の様子を示す模式図である。図６は、レーザー媒質３１におけるモードボリュームおよび入射光の強度分布を示す模式図である。図７は、フレネルレンズ１０により集光された太陽光のパターンを示す模式図である。
図１に示すように、太陽光Ｓは、フレネルレンズ１０により集光され、太陽光Ｓｆとして、太陽光入射窓２１を通過して光ガイド２０内に入射する。この集光された入射光は、レーザー媒質３１の径にほぼ等しくなるまで太陽光Ｓｆの径が絞られ、レーザー媒質３１の高反射膜３２が形成されている端部から入射してレーザー媒質３１を軸方向励起させる。その他の太陽光Ｓｆは、光ガイド２０の反射面２２で反射され、レーザー媒質３１の側面からレーザー媒質３１内部に入射してレーザー媒質３１を側面励起させる。
次に、光ガイド２０の反射面２２で反射された太陽光Ｓｆについて説明する。
図５（Ａ）に示すように、反射面２２の端面付近に入射した太陽光Ｓｆのうち、太陽光入射窓２１またはレーザー媒質３１の端面に対して垂直に入射する垂直入射光Ｓｆ１は、１回目の反射光および２回目の反射光共に、比較的、光ガイド２０の底部（レーザー媒質３１の出力端部付近）の方に集まっている。また、斜入射光Ｓｆ２も１回目の反射により、光路が光ガイドの底部に到達している。なお、図５に示した斜入射光Ｓｆ２は、様々な角度がある斜入射光うちの一例である。
次に、図５（Ｂ）に示すように、光ガイド２０の底部付近の反射面２２で反射した場合、垂直入射光Ｓｆ１および斜入射光Ｓｆ２は、光路が光ガイドの底部に到達している。これら図５（Ａ）（Ｂ）で示したように、反射面２２で反射した太陽光は、光ガイド２０の底部付近に集まりやすい。そのため、反射面２２で反射した太陽光は、レーザー媒質３１の出力端部付近を励起させやすい。
次に、レーザー媒質３１におけるモードボリュームおよび入射光の強度分布を示す。
図６に示すように、モードボリュームＢｖが、レーザー媒質３１の高反射膜３２がある端部から、レーザー媒質３１の反射防止膜３３のある端部に近づくにつれて増大している。これは、熱レンズ効果を補正する出力ミラー３５の凹面３５ａに起因する。
また、図６に示すように、レーザー媒質３１は、出力端部の方に、入射光がレーザー媒質３１内に入射する強度Ｂｉのピークを有する。これは、図５（Ａ）（Ｂ）で示したように、光ガイド２０の構成に起因し、反射面２２で反射した太陽光は、光ガイド２０の底部付近に集まりやすいためである。特に太陽に雲がかかったときや霞が発生したとき等、太陽の像がぼやけ太陽光が弱い場合、フレネルレンズ１０により十分に太陽光Ｓを絞れず、太陽光がレーザー媒質３１の側面でかつ出力端部の方に集まりやすくなる。従って、モードボリュームがレーザー媒質３１の出力端部の方で大きいため、雲等により太陽光の光の強度が弱い場合でも、レーザー発振装置１は、太陽光からレーザー光への変換効率の向上が図れる構成である。
また、レーザー媒質３１の熱破壊や熱レンズ効果や熱複屈折を防止するため、太陽光が集まりやすいレーザー媒質３１の出力端部の方にある冷却水出入口２６から冷却水Ｗが流入し、太陽光入射窓２１の方の冷却水出入口２６から冷却水Ｗが流出して熱を奪う。
なお、図７に示すように、光ガイド２０に入射した太陽光Ｓｆは、フレネルレンズ１０へ入射した成分のうちで平行光として集光された領域ａ（平行光の集光領域）の成分、および、空気中を進行する間に散乱されて発散角が大きい成分が集光された領域ｂ（散乱光の集光領域）の２成分に大別される。そのため、領域ｂの太陽光は、最大３回程度も光ガイド２０の内面で反射されてレーザーキャビティ３０へ入射する。なお、風がなく快晴の日等は太陽光の大部分は領域aとなり、空気中の水蒸気が多い日等は、領域ｂの太陽光が増加する。
このように本実施形態によれば、太陽光Ｓｆにより励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質３１と、レーザー媒質３１の出力端部に対向する凹面３５ａを有する出力ミラー３５と、レーザー媒質３１の出力端部から、レーザー媒質３１の外方に延びる反射面２２を有し、太陽光Ｓｆを反射してレーザー媒質３１に導く光ガイド２０と、を備えたことにより、レーザー媒質３１の出力端部付近においてモードボリュームが増大し、そこに光ガイド２０からの太陽光が集まるため、太陽光からレーザー光への変換効率をより向上させることができるレーザー発振装置１を提供できる。特に、雲等により太陽光の光の強度が弱い場合でも、レーザー発振装置１により、太陽光からレーザー光への変換効率の向上が図れる。また、レーザー発振装置１は、太陽光をレーザー光に変換しているため、金属やプラスチックなどの加工、あるいは酸化マグネシウム等の酸化物材料を高温に加熱して還元することによって金属を精製するために利用できる。
また、太陽光を集光して光ガイド２０に入射させる集光手段の一例としてフレネルレンズ１０を更に備えた場合、レーザー媒質３１に太陽光が集まりやすくなり、レーザー光への変換効率の向上が図れる。例えば、このフレネルレンズ１０の面積が４ｍ２である場合は、４ｋＷの太陽光のパワーをレーザーの励起に使える。従って、このフレネルレンズの溝が入射面に形成されている場合は、最大の入射角は７５°程度となって反射損失が大きくなる。一方、出射面に溝を形成した場合は、最大出射角は４５°程度であるため、反射損失は幾分かよくなる。少なくとも、フレネルレンズを透過する太陽光は、反射損失、散乱損失、吸収損失によって３０％程度もパワーが減少する。また、フレネルレンズ１０は、レンズホルダーへのレンズ装着を考慮して四角の形状としている。１枚構成の分割レンズ１１の最大寸法は、製作上の困難性やコストが制限要因となり１ｍ程度であるため、本発明は分割方式によって大口径のフレネルレンズ１０を形成した。また、材質としてプラスチックを用いたので軽量であり、設置がしやすく、太陽に対して追随させやすい。
また、光ガイド２０の入射窓の一例である太陽光入射窓２１の面が、フレネルレンズ１０の光軸と垂直に配置される場合、太陽光入射窓２１における反射損失が減少する。
また、色素、例えばローダミン６ＧやＤＯＴＣＩ等の蛍光物質を添加したプラスチックでフレネルレンズ１０を製作した場合、フレネルレンズの材料であるプラスチックが太陽光に含まれている紫外波長域の光によって劣化していくのを防止し、かつこの紫外光を可視波長域の有効な励起光に変換してレーザー発振効率を向上させることができる。また、フレネルレンズ１０が、深紫外光によって表面改質された場合、散乱損失が数％以下になる。
さらに、フレネルレンズ１０の出射面に溝を形成し、深紫外光によって表面改質することにより、フレネルレンズ１０を透過する太陽光の全損失を少なくとも１０％以下にすることができる。
以上のように、分割方式によるフレネルレンズの製作、表面処理によるレンズ透過率の大幅な増加、フレネルレンズ材料であるプラスチックへの色素添加によるレーザー発振効率の増加、およびレンズの長寿命化、などによって従来技術によるフレネルレンズよりも格段に優れた集光レンズが実現する。
なお、ＹＡＧレーザーの励起光源には、一般的に、ＫｒアークランプやＸｅフラッシュランプなどのランプ光源、あるいは半導体レーザー（ＬＤ）が使用されている。このＹＡＧレーザーで数百Ｗ以上の高出力を得るための励起効率は、ランプ光源による場合は最大で５％程度、ＬＤでは共鳴吸収を利用しているために高効率ではあるが、最大で３０％程度である。従って、ＹＡＧレーザーから出力１ｋＷを発生させるためにはランプへの電気入力は２０ｋＷ、ＬＤにたいしては３．３ｋＷ程度が必要となる。
一般的な励起法によってＹＡＧレーザーを発振させるには、大入力の電気エネルギーを必要とする。地球環境問題を解決するためには、電気を使わない自然エネルギーによってレーザー発振を達成するのが理想的である。
本実施形態のレーザー発振装置１は、自然エネルギーの代表である太陽光励起によって発振する固体レーザーの発振装置を提供できる。また、太陽光のエネルギーは１ｋＷ/ｍ２であり、国内における平均日照時間は約４時間/日であるが、世界を見渡すと日照時間８時間/日の地域は広範囲にわたっている。このため、太陽光を励起光源とするレーザーの実用化は非常に有望視されている。レーザー出力１ｋＷを発生させるには、励起効率を２５％と仮定した場合には４ｋＷの太陽光が必要となる。そこで集光用のフレネルレンズの面積は４ｍ２を必要とするので、大面積のフレネルレンズの製作技術として、本実施形態は、分割レンズ１１を組み合わせて構成した分割方式のフレネルレンズ１０により解決した。
また、太陽光のスペクトルは３００ｎｍ〜近赤外の波長域までと広範囲な波長域にわたっており、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの発光源であるＮｄイオンの吸収域は５００〜８５０ｎｍであり、この波長域のスペクトル強度は非常に大きいので励起用光源としては優れているが、Ｎｄイオンの吸収に余り寄与しない波長域４００〜５５０ｎｍの光を有効に活用する課題が残されていた。しかし、本実施形態のレーザー発振装置１のように、レンズ材料には、レーザー媒質に添加されてレーザー光を放出する３価のＮｄイオンにほとんど吸収されない波長域４００〜５５０ｎｍの太陽光を吸収して、Ｎｄイオンの吸収波長域５７０〜６００ｎｍで発光する色素ローダミン６Ｇ、あるいは４００〜７００ｎｍの波長域の太陽光を吸収して、Ｎｄイオンの吸収波長域７９０〜８２０ｎｍで発光する色素ＤＯＴＣＩを添加することによってレーザーの発振効率を約２倍にすることができる。
さらに、フレネルレンズで集光した太陽光を高効率でレーザーキャビティへガイドする課題も解決した。
また、太陽光励起のレーザー発振装置１は、プラスチック、またはガラス材料で製作されたフレネルレンズを太陽光の集光に使用した。すなわち、レーザー発振装置１は、プラスチック、またはガラス材料で製作されたフレネルレンズで太陽光を集光して、固体レーザーを発振させる構成である。
また、レーザー発振装置１は、フレネルレンズ１０の両面には太陽光の反射を防止する反射防止膜を蒸着し、レーザー媒質へ入射する太陽光を最大とした。すなわち、レーザー発振装置１は、太陽光集光用のフレネルレンズ１０の両面に、斜入射光に対しても反射損失の少ない反射防止膜を蒸着し、レーザー媒質へ入射する太陽光が最大となるように構成された。
また、フレネルレンズ１０の加工面は、エキシマランプなどの深紫外光（波長１７０から２１０ｎｍ）によって表面改質され、加工表面での散乱損失を最小となるように構成されている。すなわち、フレネルレンズ１０の加工面を深紫外光によって表面処理し、入射する太陽光の散乱損失を最小とする。
また、レーザー発振装置１は、分割（２〜６分割）したものを組み合わせて１枚のフレネルレンズを形成して太陽光を集光する。すなわち、レーザー発振装置１は、分割方式のフレネルレンズによって大口径のレンズを形成し、大出力の太陽光を集光する。また、レーザー発振装置１は、レーザーキャビティへは、集光用レンズで集光された太陽光を高効率でレーザーキャビティ３０へ導くための光ガイド２０を有する。また、レーザーキャビティ３０の構造は、レーザー光の出力に応じて軸方向と側面の２方向励起、または面方向励起を可能とする構造である。
次に、太陽光をガイドする光ガイドの変形例について説明する。
図８（Ａ）は、太陽光をガイドする光ガイド２０の円錐型の例であり、入射面の口径は約５０ｍｍΦで、出射面の寸法はレーザー媒質の寸法・形状に依存する。光ガイドの長さは４〜２０ｃｍである。反射面２２は内面光反射鏡である。図８（Ｂ）は、角錐型の光ガイド２０Ｂの例である。反射面２２Ｂは内面光反射鏡である。また、図８（Ｃ）は、レーザー媒質が板状（スラブ形状）に形成された場合の光ガイド２０Ｃを示している。反射面２２Ｃは内面光反射鏡である。
これ以外には、楕円錐型の光ガイドも使用する。この光ガイドは、スラブ形状のレーザー媒質用である。図９は、楕円錐型の光ガイド２０Ｄの製作工程を示す模式図である。図９（Ａ）に示すように、円筒形の材料（例えば、石英ガラス）を、辺ＯＡ、辺ＯＢで切断をする。すなわち、点Ｏ、点Ｏ’、点Ａを通る平面で切断し、点Ｏ、点Ｏ’、点Ｂを通る平面で切断する。
次に、図９（Ｂ）に示すように、断片ＯＡＢ等の部分を取り除く。そして、図９（Ｃ）に示すように、ＯＡ面、ＯＢ面を接着し、ＣＤ面で切断する。太陽光Ｓｆの入口は円形で、次第に出口が楕円形になる光ガイド２０Ｄを作製する。
この光ガイド２０Ｄは、出口（レーザー媒質の出力端部）が楕円形であるので、スラブ形状のレーザー媒質の平面側に、光が集まりやすく、レーザー媒質に入射する太陽光Ｓｆが増加する。すなわち、光ガイドの構造を近似楕円錐にしてスラブ形状のレーザー媒質を取り囲むようにし、吸収効率を増加させる。また、フレネルレンズ１０で集光された太陽光Ｓｆは、入射部では円形状になっている。そして、光ガイド２０Ｄも入射部ではほぼ円であるため、太陽光Ｓｆは、スムーズに光ガイド２０Ｄ内部に入射できる。光ガイド２０Ｄの奥の方では近似楕円錐となっていく。フレネルレンズ１０の光軸に対して、レーザー媒質３１の光軸が水平になるように、光ガイド２０Ｄを設置した状態では、楕円錐形状でも円錐形状の光ガイド２０と同様に太陽光Ｓｆはレーザー媒質３１の出力端部の方に集められる。これらのように、光ガイド２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、レーザー媒質３１の出力端部から、レーザー媒質３１の外方に延びる反射面２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄを有し、太陽光Ｓｆを反射してレーザー媒質３１に導く。
次に光ガイドの他の変形例について説明する。
図１０は、光ガイド２０の他の変形例（ウイング型光ガイド）を示す斜視図である。図１０（Ａ）は、レーザー媒質の幅が狭く、厚さが厚い場合に用いるウイング型光ガイドを示す斜視図で図１０（Ｂ）は、レーザー媒質の幅が広く、厚さが薄い場合に用いるウイング型光ガイドを示す斜視図である。
図１０は、光ガイド２０の他の変形例（ウイング型光ガイド）を示す斜視図である。図１０（Ａ）は、レーザー媒質の幅が狭く、厚さが厚い場合に用いるウイング型光ガイドを示す斜視図で図１０（Ｂ）は、レーザー媒質の幅が広く、厚さが薄い場合に用いるウイング型光ガイドを示す斜視図である。
プリズム型の光ガイド２０Ｅは、レーザー媒質３１Ｂとほぼ同じ屈折率の透明な光学材料を用いる。レーザー媒質３１ＢがＹＡＧの場合は、発光元素を添加していないアンドープＹＡＧ結晶、セラミックＹＡＧ、ガラスを使用する。光ガイド２０Ｅとレーザー媒質３１Ｂは、光学的接合、または紫外〜近赤外波長域で吸収の少ない接着剤によって接合する。
光ガイド２０Ｅの入射面には、反射防止膜を蒸着し、反射損失を防ぐと同時に、ガイド水による腐食も防止する。また、レーザー媒質の幅が広い場合は、図１０（Ｂ）のように反射鏡（楔形折返し鏡）２７を用いてレーザー媒質３１Ｃの下部から励起する。本装置は、集光性の悪い太陽光や半導体レーザーを用いてレーザー媒質を励起するのに非常に有利である。
次に、レーザー媒質３１の変形例について説明する。
図１１は、レーザー媒質３１の変形例を示す斜視図である。図１１（Ａ）に示すように、レーザー媒質３１は、ロッド型のレーザー媒質である。図１１（Ｂ）に示すように、レーザー媒質４１は、溝付きロッド型のレーザー媒質である。図１１（Ｃ）に示すように、レーザー媒質４２は、溝付きスラブ型のレーザー媒質である。図１１（Ｄ）に示すように、レーザー媒質４５は、楔付きスラブ型のレーザー媒質である。
図１１は、レーザー媒質３１の変形例を示す斜視図である。図１１（Ａ）に示すように、レーザー媒質３１は、ロッド型のレーザー媒質である。図１１（Ｂ）に示すように、レーザー媒質４１は、溝付きロッド型のレーザー媒質である。図１１（Ｃ）に示すように、レーザー媒質４２は、溝付きスラブ型のレーザー媒質である。図１１（Ｄ）に示すように、レーザー媒質４５は、楔付きスラブ型のレーザー媒質である。
各レーザー媒質は図１１に示したように、ロッド型のレーザー媒質３１やスラブ型のレーザー媒質、さらにはレーザー媒質の励起光による熱的影響（熱レンズや熱複屈折等）を減少させるために、溝付きのロッド型のレーザー媒質４１、溝付きスラブ型のレーザー媒質４２を用いたり、楔付きスラブ型のレーザー媒質４５等が使用されたりする。これらの励起方式は、冷却水Ｗによる冷却効率がよいので、大出力のレーザー発振器に向いている。なお、この溝付きのレーザー媒質の溝は、図１１（Ｂ）や図１１（Ｃ）に示したように、貫通孔、すなわち、スリット４１ａ、４２ａである。
レーザー媒質４１は、レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部の一例としてスリット４１ａを有する。そして、レーザー媒質４１のスリット４１ａの幅がほぼ１ｍｍである。
また、レーザー媒質４２は、レーザー媒質が板状に形成され、レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部の一例としてスリット４２ａを有する。そして、レーザー媒質４２は、幅が２５〜３０ｍｍであり、スリット４２ａの幅がほぼ１ｍｍである。 これらのように、レーザー発振装置は、太陽光の吸収によるレーザー媒質の熱レンズ効果や熱複屈折等を軽減するために溝付きのロッド、溝付きのスラブ、あるいは、楔付きスラブのレーザー媒質を備えている。
これらレーザー発振装置の変形例によれば、レーザー媒質４１、４２が、レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部を有し、冷却水と接する面積が増加するので、レーザー媒質から熱が発散しやすくなり、熱破壊、熱複屈折、熱レンズ効果等を減少でき、パラスチック（寄生）発振を防止できる。そのため、レーザー媒質４１、４２は、高出力化に向いている。特に、スリット４１ａ、４２ａの場合、冷却水がスリット４１ａ、４２ａを流れるので、レーザー媒質の温度の上昇を効率よく防止できる。また、レーザー媒質４５は、楔部を有するので、表面積が増加し、熱が放出されやすい。
また、レーザー媒質４２が板状に形成されているので、レーザー媒質４２を取り囲むように光ガイド２０Ｃや近似楕円錐形状の光ガイド２０Ｄを設置すると、１〜２回、反射面２２Ｃ、２２Ｄで反射された太陽光のほぼ５０％以上がレーザー媒質４２に入射し、レーザー発振に寄与する。そのため、均一な励起が可能となるため、レーザー媒質４２は高出力化に向いている。
さらに、レーザー媒質４２は、レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部の一例としてスリット４２ａを有するため、ジグザグではなく、ストレート光路で発振する。従って、光軸調整（アライメント）が容易となる。なお、共振器中でレーザービームが形成される際、スリット４２ａを隔てた隣同士のレーザービームのミキシングが生じ、コヒーレントな発振が得られると考えられる。また、レーザー媒質を複数並べ、レーザーの出力を増加させることも考えられるが、コヒーレントな発振を得るように、調整することは極めて難しい。
次に、本発明の実施例について具体的に説明する。
図１２は、本実施例における光ガイドおよびレーザー媒質の概要構成例を示す模式図である。 なお、図１２に示す光ガイド２０を含むレーザーキャビティは、軸方向および側面励起装置のレーザーキャビティであり、太陽光を軸方向から入射させ、軸方向Ｓａおよび側面励起Ｓｓの両方の励起をする。この励起方式は、小出力のレーザー発振器に向いている。図１３は、本実施例のレーザー出力特性を示す線図である。図１４は、本実施例と従来技術との性能比較を示す説明図である。
図１２の太陽光励起のレーザー発振装置（光ガイド２０とレーザー媒質３１のみ図示）で発振実験を行った。フレネルレンズ１０は、寸法１４００×１０５０ｍｍ、焦点距離１．２ｍのプラスチックレンズを使用した。レーザーガイドおよびレーザー媒質は、軸方向および側面励起の両方向励起方式にした。レーザー媒質３１の寸法は９Φ×１００ｌｍｍ（径９ｍｍ、長さ１００ｍｍ）で、ＮｄとＣｒを添加したＹＡＧロッドを使い、入射側のロッド面には高反射膜を、出射面には反射防止膜を蒸着した。出射側の反射鏡（出力ミラー）の反射率と曲率半径は可変とし、最大の出力が得られる反射鏡の反射率と曲率半径を実験で求めた。
図１３の一例は、１４００ｍｍ×１０５０ｍｍのフレネルレンズで集光した場合のレーザー出力特性（◆印）を示す線図である。この実験では、図１３において四角（◆印）で示したように、８６８Ｗの太陽光入力によって、２４．４Ｗのレーザー出力を達成できた。このときの出力側反射鏡の反射率は９５％、曲率半径は３８ｃｍであった。励起効率（レーザー出力/太陽光入力）は２．８％に達し、今まで発表されているデータとしては、最もよい結果を得た。
次に、レーザーガイド（光ガイド２０）とレーザー媒質３１の配置は、図１２の通りで、フレネルレンズ１０は、プラスチック製で、扇形の四分の１分割寸法１ｍｘ１ｍのレンズ４枚を図２のように組み合わせた２ｍｘ２ｍ、焦点距離２ｍのレンズを用いて実験を行った。
図１３の一例は、２０００×２０００ｍｍのフレネルレンズで集光した場合のレーザー出力特性（▲印）を示す線図である。この実験では、図１３において三角（▲印）で示したように、１８３５Ｗの太陽光入力によって、７９Ｗのレーザー出力を達成できた。このときの出力側反射鏡の反射率は９５％、曲率半径は３００ｃｍであった。励起効率（レーザー出力 / 太陽光入力）は４．３％に達し、今まで発表されているデータとしては、最も高い効率と最大出力を達成できた。本発明は、太陽光を利用したレーザー発振が非常に有望であることを証明した。
次に、図１４は、これまでに報告されている各種太陽励起レーザーの太陽光集光面積当たりのレーザー出力の比較を示している。太陽励起レーザー装置の性能のうち、太陽光を集める面積に対して出力したレーザーパワーが大きいほどシステム利用効率が高く、この指標は重要である。１〜３の従来の太陽励起レーザー技術に比べて装置の面積利用効率は三倍から十倍程度向上しており、本発明の有効性を示している。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るレーザー発振装置について説明する。
まず、第２実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成について、図に基づき説明する。なお、前記第１実施形態と同一または対応する部分には、同一の符号を用いて異なる構成および作用のみを説明する。その他の実施形態および変形例も同様とする。
次に、本発明の第２実施形態に係るレーザー発振装置について説明する。
まず、第２実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成について、図に基づき説明する。なお、前記第１実施形態と同一または対応する部分には、同一の符号を用いて異なる構成および作用のみを説明する。その他の実施形態および変形例も同様とする。
図１５は、本発明に係る第２実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成例を示す模式図である。図１６は、図１５のレーザーハウジングを示す模式図である。
図１５に示すように、太陽光励起のレーザー発振装置（レーザー発振器）２は、太陽光Ｓを集光するフレネルレンズ１０、集光された太陽光を高効率でレーザーキャビティへガイドする光ガイド２０Ｂおよびレーザーキャビティ３０Ｂによって構成されている。
レーザーキャビティ３０Ｂは、高反射ミラー３２Ｂと、出力ミラー３５Ｂと、レーザーハウジング２５に収納されたレーザー媒質４２とから構成される。
次に、図１６はレーザーキャビティを構成するレーザーハウジングを示す模式図である。光ガイド２０Ｂからの太陽光は太陽光入射窓２１Ｂを通ってレーザーハウジング２５Ｂへと導かれ、レーザーハウジング２５Ｂ内のレーザー媒質を励起する。レーザー媒質は、冷却した純水（温度：１８〜２６℃）で冷却する。レーザーハウジング２５Ｂの内面には高反射体（アルミニュウム金属や金属反射鏡など）、または吸収の少ない散乱体を使用する。レーザーハウジング２５Ｂに取り付けたレーザー媒質は、側面から励起される。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係るレーザー発振装置について図に説明する。
次に、本発明の第３実施形態に係るレーザー発振装置について図に説明する。
図１７は、本発明に係る第３実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成例を示す模式図である。図１８は、光ガイドにおける光路を示す模式図である。図１８（Ａ）は、反射面２２Ｇの端面近くで反射する太陽光の光路を示している。図１８（Ｂ）は、反射面２２Ｇの内部で反射する太陽光の光路を示している。
まず、第３実施形態に係るレーザー発振装置３の概要構成について、図に基づき説明する。
図１７に示すように、レーザー発振装置３は、光ガイド２０Ｇと、フレネルレンズ１０の光軸１６が、レーザー媒質３１の光軸３６に対して斜めに配置される点が第１実施形態と異なる。
図１７に示すように、レーザー発振装置３は、光ガイド２０Ｇと、フレネルレンズ１０の光軸１６が、レーザー媒質３１の光軸３６に対して斜めに配置される点が第１実施形態と異なる。
光ガイド２０Ｇは、図１７や図１８に示すように、フレネルレンズ１０の光軸１６に垂直の太陽光入射窓２１Ｇと、反射面２２Ｇと、を有する。光ガイド２０Ｇは、図１８に示すように、光ガイド２０を太陽光入射窓２１Ｇの平面に沿って切断したような形状である。反射面２２Ｇは、フレネルレンズ１０の光軸１６に対して、レーザー媒質３１の光軸３６を角度θ、すなわち、光ガイド２０Ｇを傾かせた状態での反射面２２Ｇを有する。なお、傾き角θは１５°〜２５°であり、図１８では、例えば、１９．６°である。
図１８（Ａ）に示すように、光ガイド２０Ｇの反射面２２Ｇの端部付近に入射した垂直入射光Ｓｆ１は光ガイド２０Ｇ上部で数回反射された後、入射方向へ戻っていく。また、光ガイド２０Ｇの反射面２２Ｇの端部付近に入射した斜入射光Ｓｆ２は、一旦、光ガイド２０Ｇの奥に達し、数回反射された後、入射方向へ戻っていく。さらに、光ガイド２０Ｇの入射口の中心部付近に入射した太陽光Ｓｆ１、Ｓｆ２は光ガイド２０Ｇの壁面（反射面２２Ｇ）で反射されて光ガイド２０Ｇの奥に集まっていく。
このように、光ガイドを傾けることによって太陽光がレーザー媒質の光軸に対して斜めに入射するため、レーザー媒質の出力端部に太陽光が集中しにくくレーザー媒質を均一に励起することが可能となり、太陽光からレーザー光への変換効率をより向上を図ることができる。また、反射回数の増加によるレーザー出力の増強（高効率化）を図ることができる。従って、レーザー媒質の熱破壊、熱複屈折、熱レンズ、パラスチック発振等々を防止できるので、集光性の良い高品質のレーザービームを発生できる。
次に、図９で示した光ガイド２０Ｄを傾けた場合の光路を説明する。
図１９に示した光ガイド２０Ｄは、スラブ形状のレーザー媒質４２用の光ガイドである。この場合も、フレネルレンズの光軸に対して、レーザー媒質４２の光軸を角度θ傾けると、図１８と似たような結果を得られた。図２０は、図１９の光路とレーザー媒質との関連を示す模式図であり、図２０に示すように、レーザー媒質４２の出力端部に太陽光が集中しにくくレーザー媒質４２を均一に励起可能であることが分かる。
図１９に示した光ガイド２０Ｄは、スラブ形状のレーザー媒質４２用の光ガイドである。この場合も、フレネルレンズの光軸に対して、レーザー媒質４２の光軸を角度θ傾けると、図１８と似たような結果を得られた。図２０は、図１９の光路とレーザー媒質との関連を示す模式図であり、図２０に示すように、レーザー媒質４２の出力端部に太陽光が集中しにくくレーザー媒質４２を均一に励起可能であることが分かる。
次に、光ガイドのその他の変形例として、非対称の反射面を有する光ガイドについて説明する。図２１は、図１９の光ガイドの変形例における光路を示す模式図である。
図２１に示すように、光ガイド２０Ｈは、フレネルレンズ１０の光軸１６に対して、レーザー媒質３１の光軸３６が角度θ（例えば、19.6°）傾いた状態で設置されていて、レーザーハウジング２５Ｈに対して、反射面２４ａと反射面２４ｂの角度が異なっている。すなわち、レーザーハウジング２５Ｈの外側の壁と反射面２４ａ、２４ｂとの角度がおのおの角度α、角度β（α＜β）とが異なり、非対称になっている。
また、図２１に示すように、光ガイド２０Ｈの入射口の中心部付近に入射した太陽光は光ガイド２０Ｈの壁面（反射面２４ａ、２４ｂ）で反射されて光ガイド２０Ｈの奥に集まっていく。光ガイド２０Ｈの反射面の端部付近に入射した光は光ガイド２０Ｈ上部で数回反射された後、入射方向へ戻っていく。すなわち、光ガイドを傾けることによってレーザー媒質を均一に励起することが可能になる。また、図２１に示すように、非対称にすることによって、太陽光入射窓２１Ｈに対して垂直の垂直入射光Ｓｆ１や、斜入射光Ｓｆ２も、光ガイド２０Ｈ内で反射の回数が増加している。すなわち、レーザー媒質における太陽光の吸収を増大させることが可能となる。
なお、集光手段として、フレネルレンズ１０以外に、ガラスレンズや凹面の反射鏡でもよく、太陽光を光ガイドの入射窓に集められればよい。また、フレネルレンズ１０に添加する蛍光物質は、ローダミン６ＧやＤＯＴＣＩ以外にも、フレネルレンズの材料であるプラスチックの紫外波長域の光による劣化を防止し、かつこの紫外光を可視波長域の有効な励起光に変換できる物質であればよい。
また、レーザー媒質３１の材質は、例示したＮｄとＣｒを共添加したＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）やＧＳＧＧ（Ｇｄ３Ａｃ２Ａｌ３Ｏ１２）等に限らず、太陽光のスペクトル成分を幅広く吸収できる材質であればよい。
また、レーザー媒質３１の材質は、例示したＮｄとＣｒを共添加したＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）やＧＳＧＧ（Ｇｄ３Ａｃ２Ａｌ３Ｏ１２）等に限らず、太陽光のスペクトル成分を幅広く吸収できる材質であればよい。
さらに、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。上記各実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１、２、３：レーザー発振装置
１０：フレネルレンズ
１６：フレネルレンズの光軸
２０、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ：光ガイド
２１、２１Ｂ：太陽光入射窓（入射窓）
２２、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ：反射面
３０：レーザーキャビティ
３１、４１、４２，４５：レーザー媒質
３５：出力ミラー
３６：レーザー媒質の光軸
４１ａ、４２ａ：スリット（開口部）
Ｓ、Ｓｆ：太陽光
１０：フレネルレンズ
１６：フレネルレンズの光軸
２０、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ：光ガイド
２１、２１Ｂ：太陽光入射窓（入射窓）
２２、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ：反射面
３０：レーザーキャビティ
３１、４１、４２，４５：レーザー媒質
３５：出力ミラー
３６：レーザー媒質の光軸
４１ａ、４２ａ：スリット（開口部）
Ｓ、Ｓｆ：太陽光
Claims (12)
- 太陽光により励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質と、
前記レーザー媒質の出力端部に対向する凹面を有する出力ミラーと、
前記レーザー媒質の出力端部から、前記レーザー媒質の外方に延びる反射面を有し、前記太陽光を反射して前記レーザー媒質に導く光ガイドと、
を備えたことを特徴とするレーザー発振装置。 - 請求項１に記載のレーザー発振装置において、
前記光ガイドの反射面が、錐面であることを特徴とするレーザー発振装置。 - 請求項１または請求項２に記載のレーザー発振装置において、
前記レーザー媒質が、前記レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部を有することを特徴とするレーザー発振装置。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザー発振装置において、
前記太陽光を集光して前記光ガイドに入射させる集光手段を更に備えたことを特徴とするレーザー発振装置。 - 請求項４項に記載のレーザー発振装置において、
前記集光手段の光軸が、前記レーザー媒質の光軸に対して斜めに配置されることを特徴とするレーザー発振装置。 - 請求項５に記載のレーザー発振装置において、
前記太陽光を取り入れる前記光ガイドの入射窓の面が、前記集光手段の光軸と垂直に配置されることを特徴とするレーザー発振装置。 - 請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のレーザー発振装置において、
前記集光手段がフレネルレンズであって、
前記フレネルレンズに蛍光物質が添加されたことを特徴とするレーザー発振装置。 - 請求項７に記載のレーザー発振装置において、
前記フレネルレンズが、深紫外光によって表面改質されたことを特徴とするレーザー発振装置。 - 太陽光により励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質を備え、
前記レーザー媒質が、前記レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部を有することを特徴とするレーザー発振装置。 - 請求項９に記載のレーザー発振装置において、
前記開口部が、スリットを有することを特徴とするレーザー発振装置。 - 請求項９または請求項１０に記載のレーザー発振装置において、
前記レーザー媒質が板状に形成されたことを特徴とするレーザー発振装置。 - 太陽光により励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質と、
前記レーザー媒質の出力端部から、前記レーザー媒質の外方に延びる反射面を有し、前記太陽光を反射して前記レーザー媒質に導く光ガイドと、
前記太陽光を集光して前記光ガイドに入射させる集光手段と、
を備え、
前記集光手段の光軸が、前記レーザー媒質の光軸に対して斜めに配置されることを特徴とするレーザー発振装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008107782A JP2011023377A (ja) | 2008-04-17 | 2008-04-17 | 太陽光励起のレーザー発振装置 |
| PCT/JP2009/057671 WO2009128510A1 (ja) | 2008-04-17 | 2009-04-16 | レーザー発振装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2009128510A1 true JPWO2009128510A1 (ja) | 2011-08-04 |
Family
ID=41199197
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008107782A Pending JP2011023377A (ja) | 2008-04-17 | 2008-04-17 | 太陽光励起のレーザー発振装置 |
| JP2010508246A Pending JPWO2009128510A1 (ja) | 2008-04-17 | 2009-04-16 | レーザー発振装置 |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008107782A Pending JP2011023377A (ja) | 2008-04-17 | 2008-04-17 | 太陽光励起のレーザー発振装置 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20110110389A1 (ja) |
| EP (1) | EP2273629A1 (ja) |
| JP (2) | JP2011023377A (ja) |
| KR (1) | KR101188897B1 (ja) |
| CN (1) | CN102067394A (ja) |
| AU (1) | AU2009236901A1 (ja) |
| TR (1) | TR201008488T1 (ja) |
| WO (1) | WO2009128510A1 (ja) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101142848B1 (ko) | 2010-07-27 | 2012-05-08 | 제주대학교 산학협력단 | 소형 반사경과 광화이버를 이용한 열음향 레이져 장치 |
| JP5620212B2 (ja) * | 2010-09-27 | 2014-11-05 | 株式会社デンソー | 集光器及び集光装置 |
| FR2969401B1 (fr) * | 2010-12-17 | 2013-01-18 | Thales Sa | Dispositif d'emission d'un faisceau laser anti lasage transverse et a refroidissement longitudinal |
| ES2396103B1 (es) * | 2011-07-05 | 2014-01-30 | Abengoa Solar New Technologies, S.A. | Planta solar. |
| ES2396109B1 (es) * | 2011-07-05 | 2013-12-27 | Abengoa Solar New Technologies, S.A. | Dispositivo para la transformación de energía solar concentrada. |
| KR101207380B1 (ko) | 2011-07-27 | 2012-12-04 | 제주대학교 산학협력단 | 태양광을 이용한 고주파 열음향파 발생장치 |
| JPWO2013051354A1 (ja) * | 2011-10-07 | 2015-03-30 | 旭硝子株式会社 | 太陽光励起レーザー装置、太陽光励起増幅装置および光増幅ガラス |
| JP2013235930A (ja) * | 2012-05-08 | 2013-11-21 | Yabe Science Promotion Llc | 太陽光励起レーザー発振装置 |
| CN103633536B (zh) * | 2012-08-20 | 2017-04-19 | 福州高意通讯有限公司 | 一种被动调q激光器 |
| CN103500914A (zh) * | 2013-09-02 | 2014-01-08 | 长春理工大学 | 一种太阳光泵浦激光器 |
| JP6497344B2 (ja) | 2016-03-16 | 2019-04-10 | トヨタ自動車株式会社 | 太陽光励起レーザー装置 |
| JP6610513B2 (ja) | 2016-11-21 | 2019-11-27 | トヨタ自動車株式会社 | 太陽光励起ファイバーレーザー装置 |
| CN108613412A (zh) * | 2017-02-05 | 2018-10-02 | 鞍钢股份有限公司 | 一种太阳能诱发激光装置及方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62234386A (ja) * | 1985-12-28 | 1987-10-14 | カ−ル・ツワイス・ステイフツング | 固体レ−ザ発振器 |
| JPH0563263A (ja) * | 1991-08-30 | 1993-03-12 | Hoya Corp | 半導体レーザ励起固体レーザ装置 |
| JP2008066368A (ja) * | 2006-09-05 | 2008-03-21 | Okamoto Kogaku Kakosho:Kk | 太陽光励起レーザー装置 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3297958A (en) * | 1963-01-23 | 1967-01-10 | Weiner Melvin | Solar pumped laser |
| US3784929A (en) * | 1972-10-30 | 1974-01-08 | Rca Corp | Thermally-controlled crystalline lasers |
| US4424592A (en) * | 1981-12-04 | 1984-01-03 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Solar pumped laser |
| JPH02303082A (ja) * | 1989-05-17 | 1990-12-17 | Takashi Mori | 光発振器 |
| DE69618793T2 (de) * | 1995-08-28 | 2002-08-29 | Minnesota Mining And Mfg. Co., Saint Paul | Dauerhafte fluoreszente sonnenkollektoren |
| JP2002033537A (ja) * | 2000-07-17 | 2002-01-31 | Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho | 太陽光励起固体レーザ発生装置及びこれを用いた太陽光エネルギの輸送システム |
| JP2002088178A (ja) * | 2000-09-18 | 2002-03-27 | Seiko Epson Corp | 透明プラスチック部材の表面改質方法および表面改質装置、透明プラスチック部材の製造方法 |
| JP2003012569A (ja) * | 2001-06-28 | 2003-01-15 | Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho | メタン又はメタノール生成システム |
| JP2003188441A (ja) | 2001-12-13 | 2003-07-04 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 太陽光直接励起レーザー発振装置 |
| JP2009066368A (ja) | 2007-09-11 | 2009-04-02 | Ritsuko Shimoda | 簡単に編めて失敗しないための手作り布草履の芯 |
-
2008
- 2008-04-17 JP JP2008107782A patent/JP2011023377A/ja active Pending
-
2009
- 2009-04-16 KR KR1020107025462A patent/KR101188897B1/ko not_active IP Right Cessation
- 2009-04-16 EP EP09733460A patent/EP2273629A1/en not_active Withdrawn
- 2009-04-16 JP JP2010508246A patent/JPWO2009128510A1/ja active Pending
- 2009-04-16 US US12/988,495 patent/US20110110389A1/en not_active Abandoned
- 2009-04-16 AU AU2009236901A patent/AU2009236901A1/en not_active Abandoned
- 2009-04-16 WO PCT/JP2009/057671 patent/WO2009128510A1/ja active Application Filing
- 2009-04-16 CN CN2009801234121A patent/CN102067394A/zh active Pending
- 2009-04-16 TR TR2010/08488T patent/TR201008488T1/xx unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62234386A (ja) * | 1985-12-28 | 1987-10-14 | カ−ル・ツワイス・ステイフツング | 固体レ−ザ発振器 |
| JPH0563263A (ja) * | 1991-08-30 | 1993-03-12 | Hoya Corp | 半導体レーザ励起固体レーザ装置 |
| JP2008066368A (ja) * | 2006-09-05 | 2008-03-21 | Okamoto Kogaku Kakosho:Kk | 太陽光励起レーザー装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2009128510A1 (ja) | 2009-10-22 |
| JP2011023377A (ja) | 2011-02-03 |
| TR201008488T1 (tr) | 2011-03-21 |
| KR20110009147A (ko) | 2011-01-27 |
| EP2273629A1 (en) | 2011-01-12 |
| CN102067394A (zh) | 2011-05-18 |
| KR101188897B1 (ko) | 2012-10-08 |
| US20110110389A1 (en) | 2011-05-12 |
| AU2009236901A1 (en) | 2009-10-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2009128510A1 (ja) | レーザー発振装置 | |
| JP7037731B2 (ja) | フォノンバンド端発光に基づく全固体大出力スラブレーザ | |
| CN103182604B (zh) | 激光复合焊接方法与系统 | |
| Vistas et al. | TEM00 mode Nd: YAG solar laser by side-pumping a grooved rod | |
| EP1961084A1 (en) | Optically pumped waveguide laser with a tapered waveguide section | |
| JP4792279B2 (ja) | 太陽光励起レーザー装置 | |
| US20070036195A1 (en) | Active element for a laser source and laser source comprising such an active element | |
| CN102545027A (zh) | 掺镱钇铝石榴石与双掺铬镱钇铝石榴石自调q激光器 | |
| RU2013146435A (ru) | Дисковый лазер | |
| Almeida et al. | Design of a high brightness solar-pumped laser by light-guides | |
| JP3820250B2 (ja) | レーザ発振器および光増幅器 | |
| JPH06350171A (ja) | 固体レーザ装置および積分球 | |
| CN115084982A (zh) | 一种面向高峰值功率激光的板条激光放大增益模块 | |
| CN114784606A (zh) | 拉盖尔高斯光束产生装置及方法 | |
| JP2013235930A (ja) | 太陽光励起レーザー発振装置 | |
| CN108832472B (zh) | 腔内泵浦的低内热固体激光器系统 | |
| JP4867032B2 (ja) | 太陽光励起レーザー装置 | |
| CN101442177A (zh) | 一种实现低泵浦功率密度及连续光泵浦激光器的方法 | |
| CN112397984A (zh) | 一种基于自和频效应的全固态可调谐蓝绿激光器 | |
| JP5347127B2 (ja) | 異方性レーザー結晶を利用したダイオードポンピングされたレーザー装置 | |
| CN210430412U (zh) | 一种激光器 | |
| Vatnik et al. | High-efficiency lasing and spectroscopy of domestic 1% Nd: YAG and 1% Ho: YAG ceramics | |
| JP2004281595A (ja) | 固体レーザ装置 | |
| JP2676920B2 (ja) | 半導体レーザ励起固体レーザ装置 | |
| Ji et al. | Comparison of laser performance of electro-optic Q-switched Nd: YAG ceramic/single crystal laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130207 |
|
| RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20130311 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130408 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20130408 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20130408 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130419 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20131029 |