WO2006100941A1

WO2006100941A1 - 太陽光励起レーザおよび太陽光励起レーザの冷却方式

Info

Publication number: WO2006100941A1
Application number: PCT/JP2006/304733
Authority: WO
Inventors: Takashi Yabe; Shigeaki Uchida
Original assignee: Tokyo Institute Of Technology
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2006-09-28
Also published as: US7715455B2; CN101142724A; EP1860747A4; AU2006225808A1; US20080225912A1; AU2006225808B2; EP1860747A1

Abstract

【課題】　太陽光励起レーザおよび太陽光励起レーザの冷却方式を提供すること。【解決手段】　太陽光によりレーザ媒体を励起してレーザ発振を行う太陽光励起レーザであって、太陽光励起レーザ１０は、レーザ媒体１２と、レーザ媒体１２を内部に支持する収容装置１４であって、レーザ媒体１２と収容装置１４との間の空間に冷却液体を保持すると共にレーザ媒体１２に沿って集光した太陽光を照射する集光光学要素２２を備えた収容装置とを備え、さらに、レーザ媒体１２の互いに対向する端部に隣接して配置された対となった光学的反射要素（１６、１８）とを備えている。収容装置１４の端部は、ブリュースター角とされている。また、本発明の冷却液体は、水が光学媒体として機能して水レンズを形成し、同時に集光光学要素２２の洗浄を行っている。

Description

明細書

太陽光励起レーザおよび太陽光励起レーザの冷却方式

技術分野

[0001] 本発明は太陽光を使用してレーザ媒体を励起することによりレーザ媒体によるレーザ発振を行う太陽光励起レーザおよびその冷却方式に関する。

背景技術

[0002] 従来、レーザ装置は、主に電気工ネルギーを光 (ランプ点灯)や放電の形態に変換し、レーザ媒体を励起することによりレーザ光を発生している。この手法には、複数段のエネルギー変換過程が含まれており、エネルギー効率が低ヽ (効率数％以下)ことが知られている。この理由としては、もともと品質の良い電気エネルギーを、低効率ェネルギー変換を経て光に変換して利用することを挙げることができる。

[0003] この点、光源として太陽光を使用すれば、低効率の電気一光変換プロセスを使用することなぐレーザ発振のための光源とすることができる。これまで、太陽光励起レ一ザは、主として大学などの研究 ·実験室レベルにおける原理的研究が行われるに止まっており、その実用的な開発および実用レベルを目指した検討はほとんどないということができる。

[0004] 従来知られて!/、る太陽光励起レーザ装置は、反射鏡またはレンズを用いてレーザ媒体に太陽光を集光してレーザ媒体を励起するため、大型化ができず、工業的応用に難点があった。さらに、実験的検討は種々報告されているものの、これまでに 10% を超す高効率の太陽光励起レーザは、すべて模擬太陽光が使用されており、したがつて実際の太陽光を励起光源として用いてレーザ発振を行う検討はなされて、なヽということができる。太陽光励起レーザを実用に供するため、太陽光を励起光源として使用するためには、太陽光のエネルギー密度をレーザ発振のレベルの反転分布を生成させるまで高める必要がある。この際、太陽光のエネルギー密度を高めるための反射鏡およびレンズの構成を検討しなければならな、と、う問題がある。

[0005] 一方、これまで太陽励起レーザに関する文献が知られており、例えば特開 2003— 188441号公報 (特許文献 1)、特開 2003— 012569号公報 (特許文献 2)、特開 20 02— 255501 (特許文献 3)および特開平 7— 240553号公報 (特許文献 4)が知られている。特許文献 1には、レーザ媒体の周囲に冷媒を通す構成を有する太陽光励起レーザが開示されて、るものの、エネルギー効率の低、太陽光を使用して高！ヽ効率でレーザ発振させるためのエネルギー密度を得る点については何ら開示するものではない。

[0006] 図 9には、これまで提案されている従来の太陽光励起レーザの断面図を示す。図 9 に示された太陽光励起レーザ 100は、概ね、フレネルレンズ 102と、フレネルレンズ 1 02により集光された太陽光を反射させるための反射光学系を含む筐体 104と、レーザ媒体 106とを備えている。レーザ媒体 106の一端には全反射ミラー 108が配置され、他端には、ハーフ'ミラー 110が配置されていて、矢線 Xの方向へとレーザ光を放出させている。筐体 104の内部には、冷却媒体となる空気が存在している。図 9に示されるように、励起のための太陽光は、レーザ媒体 106の一方力も入射され、また入射側には、全反射ミラー 108が配置されているので、レーザ媒体 106をレーザ光の進行方向に対して効率的に励起することができない。またこの構成には、太陽光の入射口である筐体 104の開口部とレーザ媒質 106の断面の面積比が大きく取れな、ため太陽光力レーザ光へのパワー増倍効果カこの面積比により上限されるという本質的な限界がある。また、筐体 104内部に配置された反射要素は、ほとんど集光されることなく散乱光としてレーザ媒体に照射されるので、効率的にレーザ媒体 106を、レ一ザ発振の生成する方向に励起することができな、構成とされて、る。加えて冷却媒体として空気を用いているためレーザ媒質の冷却効果はほとんど見込めず、レーザ媒体や、集光系として機能するフレネルレンズ 102の効率的冷却と、う本質的な問題に対して対応することができる構成ではな、。

[0007] すなわち、上述した従来技術に開示されたレーザ ·システムは、巿販レーザの冷却方法を使用するか、または単に流用したものであり、また、レーザ媒体への太陽光の集光方法も、実用的なものとしての視点が欠けており、レンズや反射ミラーは、太陽光励起レーザを工業的に利用するために向、た配置と!/、うことができな、と、う問題に加え、レーザ材料の軸方向に励起光が伝播する非対称な光学的配置を用いて、るため、材料全体に宣つて均質な励起がされにくぐ効率悪いという問題点があった特許文献 1 :特開 2003— 188441号公報

特許文献 2 :特開 2003— 012569号公報

特許文献 3 :特開 2002— 255501号公報

特許文献 4：特開平 7— 240553号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 本発明は再生可能エネルギーの高品質ィ匕を目的とし、より具体的には、太陽光を効率的に使用してレーザ発振を行わせ、かつ工業的により適合した太陽光励起レーザ、およびその冷却方法、および太陽光励起レーザを使用した装置を提供することを目的とする。より具体的には、究極の再生可能エネルギーである太陽光の品質を、低エントロピー化することにより、

(1)太陽光を効率よぐかつレーザ発振に適した条件でレーザ媒体に注入することにより高効率の太陽光励起レーザを提供し、

(2)レーザ媒体に太陽光を効率よぐ注入した場合に必要となる太陽光励起レーザの冷却方式を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 本発明は、太陽光の集光系として流体を使用することにより、固体の大規模構造物を構築する際の数々の問題、特に、レンズなどのガラスは巨大になれば熱のひずみにより、部分的に膨張率が異なるために容易に亀裂が入るなどの問題点を解決することができるという着想の下に検討を加え、本発明に至ったものである。すなわち、集光系として必要な大量のレンズ材料を冷却流体、より具体的には水を使用して直接的に冷却することを可能とし、高い効率のレーザ発振が可能となる。同時に、集光系の冷却設備を大きく簡略ィ匕できるので、大規模システムの構築が可能となる。また、集光系として使用される冷却流体を同時にレーザ媒体の冷却に用いることで、容易に大規模ィ匕できると共に、レーザ媒体の冷却のための構造を排除することが可能となる。

[0010] すなわち、本発明によれば、太陽光によりレーザ媒体を励起してレーザ発振を行う太陽光励起レーザであって、前記太陽光励起レーザは、

レーザ媒体と、

前記レーザ媒体を内部に支持する収容装置であって、前記レーザ媒体と前記収容装置との間の空間に冷却液体を保持すると共に前記レーザ媒体に沿って集光した太陽光を照射し、前記冷却液体により冷却される集光光学要素を備えた収容装置と前記レーザ媒体の互いに対向する端部に隣接して配置された対となった光学的反射要素と

を備える太陽光励起レーザが提供される。

[0011] 本発明では、前記収容装置は、太陽光を透過させる部分を備え、前記収容装置の前記太陽光を透過させる部分の断面形状と冷却冷媒の屈折率とが協働して前記集光光学要素を形成し、前記レーザ媒体を励起することができる。前記冷却液体は、水であり、前記集光光学要素は、水を光学媒体とした水レンズを形成し、さらに前記収容装置の端部に形成された反射防止膜とを備えることができる。前記収容装置は、前記レーザ媒体を横切る向きの断面形状が非対称であり、前記太陽光の波長領域に対応した複数のレーザ媒体を収容することができる。前記収容装置に備えられる集光光学要素とは別に、太陽光を集光する分離光学要素を備えることができる。前記レーザ媒体は、太陽光線に含まれる波長を吸収して反転分布を直接またはェネルギー移動により反転分布を形成する化学種を含有することができる。

[0012] 前記レーザ媒体は、ルビー（Cr³⁺： Al O )、 YAG (Nd³⁺： Y Al O )、ァレキサン

2 3 3 5 12

ドライト（Cr³⁺ : BeAl O )、エメラルド（Cr³⁺： Be Al (SiO ) ) )、一般式が A B C O

2 4 3 2 3 6 3 2 3 で与えられ、サイト Aには、 Gaまたは Alからなる群力選択される元素が使用され、

12

サイト Bには、 Ga、 Sc、 Luからなる群から選択される元素が使用され、サイト Cには、 Y、 Gd、 La、 Luからなる群力も選択される元素が用いられる、ガーネットに Cr³⁺、 Nd 3⁺を添カロしたレーザ媒体、サファイア (Ti³⁺ :A1 O Co²⁺ : MgF、 Cr³⁺ : ScBO、

2 3 2 3

Nd³⁺ : GGG (Gd Ga O )、 Cr, Nd: GSGG (Gd (GaSc) O )、前記レーザ媒体

3 5 12 3 5 12

に対して、 Ce、 Pr、 Pm、 Sm、 Eu、 Tb、 Dy、 Ho, Er、 Tm、 Yb、 Luを含むランタノィド元素およびそれらのイオン、または遷移金属元素または前記遷移金属イオンがド一ビングされたガラスを含むレーザ媒体を含む群力も選択することができる。前記太陽光励起レーザの前記非対称の形状は、太陽の日周運動に伴う前記太陽光の入射角度に対応して可変とすることができる。

[0013] 本発明の前記レーザ媒体は、中心部と、集光された太陽光の入射角度を増加させるスカート部とを備えることができる。前記レーザ媒体は、前記中心部がドーピングされ、前記スカート部は未ドープとすることができる。前記中心部のドーパント濃度は、 0. 1〜4. 0原子％とすることができる。

[0014] 本発明の第 2の構成によれば、太陽光を使用してレーザ媒体を励起してレーザ発振させる太陽光励起レーザの冷却方式であって、前記レーザ媒体と集光光学要素の形成された収容装置との間に形成された空間に冷却液体を保持させ、前記レーザ媒体と太陽光の集光を行う、太陽光励起レーザの冷却方式が提供される。

[0015] 前記冷却液体は、前記収容装置および前記集光光学要素の冷却を同時に行うことができる。前記収容装置は、前記太陽光を透過させる部分を備え、前記太陽光を透過させる部分の断面形状と前記冷却液体の屈折率とが協働して前記集光光学要素を形成することができる。前記レーザ媒体として、太陽光線に含まれる波長を吸収して反転分布を形成する化学種を含有する固体を用いることができる。

発明の効果

[0016] 本発明によれば、太陽光を使用してレーザ媒体を励起するための効率的で、大規模装置に適用可能な太陽光励起レーザを提供することができる。

[0017] また、本発明によれば、太陽光を集光すると同時に冷却を可能とする太陽光励起レ一ザの冷却方式を提供することができる。

発明を実施するための最良の形態

[0018] 以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。図 1は、本発明の太陽光励起レーザ 1 0の概略的構成を示した図である。本発明の太陽光励起レーザ 10は、レーザ媒体 1 2と、レーザ媒体 12を収容する収容装置 14と、レーザ媒体 12の一端に配設された全反射ミラー 16と、他端に配設されたノヽーフ'ミラー 18とを含んで構成されている。収容装置 14は、さらに太陽光 20をレーザ媒体 12へと集光する反射要素 22を含んでいて、レーザ媒体 12を光学的に励起させ、反転分布を形成させている。

[0019] 図 1に示した収容装置 14の両端は、収容装置 14の端部を形成する材料、または、レーザ媒体 12が収容装置 14の端部に直接露出している場合にはレーザ媒体 12と空気とにより規定されるブリュースター角度を与えている。なお、本発明において特にブリュースター角を設けることが必要でない場合には、他の角度の端部を使用することができる。収容装置 14は、レーザ媒体 12と一体として形成されていても良いし、収容装置 14の端面に、適切なフランジ、 O リングなどを使用して固定されていてもよい。さらに、図 1に示した実施の形態では、収容装置 14の端面には、反射防止膜 AR C(anti-reflection coating)が施されていて、発生したレーザ光線の反射を低下させている。なお、 ARCは、誘電体多層膜コーティングまたは金属蒸着膜として形成することができ、本発明において反射防止処理を施すことなく使用することができる場合には、必ずしも必要とされるものではない。収容装置 14の内部には、水などの冷却液体が満たされていて、レーザ発振に伴うレーザ媒体 12を冷却し、熱衝撃によるレーザ媒体の損傷を防止している。収容装置 14の形状は、断面が円形、楕円形、放物線形などを使用することができ、円形断面の収容装置を使用する場合には、収容装置の曲率と冷却冷媒の屈折率に応答した位置にレーザ媒体が配置される。また、収容装置が楕円形の場合には、レーザ媒体を一方の焦点に配置し、他方の焦点に太陽光を集光した配置とすることができ、これらの形状を組み合わせてレーザ媒体に集光させることがでさる。

[0020] 本発明で使用することができる冷却液体としては、水の他、例えば、ァミルアルコール、ァリルアルコール、イソアミルアルコール、イソブチルアルコール、イソプロピルァルコール、ゥンデ力ノール、エタノール、 2—ェチルブタノール、 2—ェチルへキサノール、 2—ォクタノール、 n—ォクタノール、グリシドール、シクロへキサノール、 3, 5, ジメチルー 1一へキシン 3 オール、 n—デカノール、テトラヒドロフルフリルアルコーノレ、 aーテノレピネオ一ノレ、ネオペンチノレアノレコーノレ、ノナノーノレ、フーゼノレ油、ブタノーノレ、フノレフリノレアノレコーノレ、プロパギノレアノレコーノレ、プロパノーノレ、へキサノ一ノレ、ヘプタノ一ノレ、ベンジノレアノレコーノレ、ペンタノ一ノレ、メタノーノレ、メチノレシクロへキサノール、 2—メチルー 1ーブタノール、 3—メチルー 2 ブタノール、 3—メチルー 1 ーブチン 3 オール、 4ーメチルー 2 ペンタノール、 3—メチルー 1 ペンチン 3—オールといったアルコール類も挙げることができる。

[0021] 上記溶媒としては、さらにァ-ソール、ェチルイソァミルエーテル、ェチルー tーブチルエーテル、ェチルベンジルエーテル、エポキシブタン、クラウンエーテル類、クレジルメチルエーテル、ジイソアミルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジェチルァセタール、ジェチルエーテル、ジォキサン、 1, 8 シネオール、ジフエニルエーテル、ジブチノレエーテノレ、ジプロピノレエーテノレ、ジペンジノレエーテノレ、ジメチノレエーテノレ、テトラヒドロピラン、テトラヒドロフラン、トリオキサン、ビス（2—クロロェチル）エーテル、フエネトール、ブチルフエニルエーテル、フラン、フルフラール、メチラール、メチルー t— ブチノレエーテノレ、メチルフラン、モノクロロジェチルエーテルといったエーテル'ァセタール系溶剤も挙げることができる。

[0022] さらに上記溶媒としては、ァセチルアセトン、ァセトアルデヒド、ァセトフエノン、ァセトン、イソホロン、ェチルー n—ブチルケトン、ジアセトンアルコール、ジイソプチルケトン、ジイソプロピルケトン、ジェチルケトン、シクロへキサノン、ジ n—プロピルケトン、ホロン、メシチルォキシド、メチルー n アミルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルェチルケトン、メチルシクロへキサノン、メチルー n—ブチルケトン、メチルー n プロピルケトン、メチルー n—へキシルケトン、メチルー n—へプチルケトンといったケトン 'ァルデヒド系溶剤も同様に用いることができる。

[0023] さらに、上述の溶媒としては、エチレングリコール、エチレングリコールジブチルエーテル、エチレングリコールジァセタート、エチレングリコールジブチノレエ一テル、ェチレングリコールジメチノレエーテル、エチレングリコーノレモノァセタート、エチレングリコ一ノレモノイソプロピノレエータノレ、エチレングリコーノレモノェチノレエーテノレ、エチレングリコーノレモノェチノレエーテノレァセタート、エチレングリコーノレモノフエニノレエーテノレ、エチレングリコーノレモノブチノレエーテノレ、エチレングリコーノレモノブチノレエーテノレァセタート、エチレングリコーノレモノへキシノレエーテノレ、エチレングリコーノレモノメチノレエーテル、エチレングリコーノレモノメチノレエーテノレァセタート、エチレングリコーノレモノメトキシメチルエーテル、エチレンクロロヒドリン、 1, 3—オタチレンダリコール、グリセリン、グリセリン 1, 3 ジァセタート、グリセリンジアルキルエーテル、グリセリン脂肪酸エステル、グリセリントリァセタート、グリセリントリラウラート、グリセリンモノァセタート、 2—クロロ 1, 3 プロパンジォーノレ、 3 クロロー 1, 2 プロパンジォーノレ、ジエチレングリコーノレ、ジエチレングリコーノレェチノレメチノレエーテノレ、ポリプロピレングリコーノレといつた多価アルコール及びそれらの誘導体を挙げることができる。

[0024] さらに上述の溶媒としては、適宜、イソ吉草酸、イソ酪酸、ィタコン酸、 2 ェチルへキサン酸、 2—ェチル酢酸、ォレイン酸、力プリル酸、カプロン酸、ギ酸、吉草酸、酢酸、乳酸、ビバリン酸、プロピオン酸、といったカルボン酸誘導体や、ェチルフエノール、ォクチルフエノール、カテコール、グアヤコール、キシレノール、 p タミルフエノール、クレゾール、ドデシルフエノール、ナフトール、ノ-ルフエノール、フエノール、ベンジルフエノール、 p—メトキシェチルフエノールといったフエノール類、ァセトニトリル、アセトンシァノヒドリン、ァニリン、ァリノレアミン、アミノレアミン、イソキノリン、イソブチノレアミン、イソプロパノールアミン類、イソプロピルァミン、イミダゾール、 N ェチルェタノールァミン、 2—ェチルへキシルァミン、 N ェチルモルホリン、エチレンジァミン、力プロラタタム、キノリン、クロロア-リン、シァノ酢酸ェチル、ジアミルァミン、イソブチルァミン、ジイソプロピルァミン、ジイソプロピルェチルァミン、ジァエタノールァミン、 N, N ジェチルァニリン、ジェチルァミン、ジェチルベンジルァミン、ジエチレントリアミン、ジォクチルァミン、シクロへキシルァミン、トリエチルァミン、トリアミルァミン、トリオクチルァミン、トリエタノールァミン、トリェチルァミン、トリオクチルァミン、トリ一 n—ブチルァミン、トリプロピルァミン、トリメチルァミン、トルイジン、二トロア二ノール、ピコリン、ピぺラジン、ピラジン、ピリジン、ピロリジン、 N—フエニルモルホリン、モルホリン、ブチルァミン、ヘプチルァミン、ルチジンといった含窒素化合物、トリクロ口酢酸などのハロゲン化カルボン酸といった酸ノヽロゲン化物、含ィォゥ化合物系溶剤、テトラフルォロプロピオン酸などのフッ素系溶剤、シリコーンオイル等の高分子化合物、液体アンモ二了、液体炭酸、ォキシ塩化リンも挙げることができ、これらの溶剤は、いかなる種類および添カ卩量で混合して用いることができる。

[0025] 本発明では、収容装置 14は、レーザ媒体 12へと太陽光を集光させる機能を有しており、また内部に冷却液体を保持して、るのでレーザ媒体の冷却と共に冷却液体による冷却を受けることができる。冷却液体としては水を使用することが、コストおよび操作性の点力好ましぐまた、冷却冷媒は、太陽光線を透過させ、同時にレーザ媒体に太陽光を集光させることが可能な形状の収容装置内に密閉または流通させることちでさる。

[0026] また、本発明ではレーザを適切にトリガすることができるように、レーザ波長に対応する波長のレーザ光を発生させる発光ダイオードや半導体レーザを使用することができる。さらに、レーザ発振をトリガする目的で、外部からの電気的なトリガで偏光角度を偏光する光力一効果を使用する材料と偏光板とを使用することができるし、また過飽和色素を使用してレーザ発振を Qスィッチ ·モードでトリガすることもできる。

[0027] レーザ媒体は、太陽光が含む波長の波長範囲を効率的に吸収してレーザ活性種を励起して反転分布を生成することができる限り、本発明では、レーザ媒体はその形状、固体または液体などの状態、および化学組成には特に限定されることなく使用することができ、本発明の好適な実施の形態では、数 mm〜数 cmの径を有する光学的に透明なロッドとして形成することができる。本発明で使用することができるレーザ媒体としては、例えば、ルビー（Cr³⁺： Al O )、 YAG (Nd³⁺： Y Al O )、ァレキサンド

2 3 3 5 12

ライト（Cr³⁺ : BeAl O )、エメラルド（Cr³⁺： Be Al (SiO ) ) )、一般式が A B C O

2 4 3 2 3 6 3 2 3 12 で与えられ、サイト Aには、 Gaまたは Al力なる群力選択される元素が使用され、サイト Bには、 Ga、 Sc、 Luからなる群から選択される元素が使用され、サイト Cには、 Y、 Gd、 La、 Luからなる群力も選択される元素が用いられる、所謂ガーネットに Cr³⁺ 、 Nd³⁺を添カ卩したレーザ媒体、サファイア（Ti³⁺ :A1 O Co²⁺ : MgF、 Cr³⁺ : ScB

2 3 2

O、 Nd³⁺ : GGG (Gd Ga O )、 Cr、 Nd: GSGG (Gd (GaSc) O )などを挙げるこ

3 3 5 12 3 5 12

とができる力太陽光の範囲に適切な結晶場による吸収バンドを形成することができる限り、いかなるレーザ媒体でも用いることができる。また、本発明では、レーザ媒体 1 2には、さらに他の希土類元素、例えば、 Ce、 Pr、 Pm、 Sm、 Eu、 Tb、 Dy、 Ho, Er、 Tm、 Yb、 Luなどのランタノイド元素、またはそれらのイオンや、遷移金属元素または遷移金属イオンがドーピングされた異なる特性の、例えば、ガラスなどのレーザ媒体を使用することができる。

[0028] 全反射ミラー 16は、 A1蒸着などの金属コーティングを使用したミラー、誘電体多層膜コーティングによりレーザ発振波長を選択的に反射するコーティングを含むミラー、または全反射を使用したプリズム系などを使用して構成することができ、ハーフ'ミラ一 18は、好ましくは、誘電体多層膜コーティングを含む、透過率が 10%〜90%程度のミラーとすることができる。また、本発明に使用することができる反射要素 22についても、誘電体多層膜コーティング、または金属コーティングなど、これまで知られたいかなるコーティングでも使用することができる。

[0029] 図 2は、本発明の収容装置 14が備える集光光学系を構成する機能を示した図である。図 2に示すように、本発明の集光光学系は、レーザ媒体 12を外部環境 OCカもシエル SHにより分離している。外部環境 OCは、通常、空気または真空とされ、 nの屈折率を有している。シェル SHは、本発明では、収容装置 14の壁、収容装置 14の壁とは別に形成された凸レンズ、または凹レンズとして形成され、使用する材質に応じて nの屈折率を有し、界面 Cl、 C2を与えている。また、レーザ媒体 12とシェル SHと s

の間には、冷却液体 CTが充填されていて、冷却液体 CTは、 nの屈折率を与える。光線は、屈折率の異なる境界面で光路を変化させる。本発明では、外部環境 OCから入射する太陽光を、レーザ媒体 12に集光するために、シェル SHの屈折率と、冷却液体 CTの屈折率とを協働して使用することで、レーザ媒体 12に対する太陽光の集光を柔軟に可能とする。例えば、シェル SHを凹レンズとして形成することもできるし、シェル SHを凸レンズとして形成することもできるし、シェル SHを平坦ガラスと、曲面ガラスとの組合せで閉鎖空間を形成させ内部に異なる屈折率 nの光学的媒体を充填 z

することちでさる。

[0030] 図 3は、本発明の太陽光励起レーザ 10を、図 1の切断線 A— Aに沿って断面として示した図である。本発明では、図 3 (a)に示すように、本発明の収容装置 14は、太陽光 20を受け取って太陽光は入射される側と反対側に放物線の形状の反射要素 22 が形成された、レーザ媒体 12に関連して非対称の形状を有して、収容装置 14が、集光光学要素を提供している。また、レーザ媒体 12は、放物面の焦点位置に配置されていて、入射窓 24から、例えば別に設けられた反射鏡などにより高密度化された平行光線として入射された太陽光 20をレーザ媒体 12に集光させている。太陽光 20を吸収して反転分布が形成されたレーザ媒体は、紙面垂直な方向にレーザ光を発振する。図 3 (b)は、本発明の収容装置 14の別の実施の形態を示した図である。図 3 (b )に示した実施の形態では、入射窓 24は、シリンドリカル凹レンズとして形成されていて、入射窓 24の内側面が冷媒により冷却されており、本発明では、石英ガラス、ホウケィ酸ガラス、耐熱ガラス、強化ガラスなどを使用することができる。図 3 (b)に示した実施の形態では、太陽光 20は、図示しない大面積の一次集光系などにより集光されて入射窓 24へと入射される。入射された太陽光 20は、入射窓 24で平行光線とされた後、反射要素 22により集光され、図 3 (a)よりもさらに高いエネルギー密度でレーザ媒体 12を励起している。

[0031] また、図 3 (c)は、入射窓 24をシリンドリカル凸レンズで形成した実施の形態であり、この場合には、まず直接レーザ媒体 12に集光され、レーザ媒体 12を通過した光線が再度レーザ媒体 12に集光される構造とされている。さらに、図 3 (d)は、入射窓 24 を非球面レンズとして形成した実施の形態を示す。図 3 (d)に示した実施の形態では、レーザ媒体 12に対して直接集光される光線と、反射要素 22に反射されて集光される光線の光路差に見合った複数の曲率が入射窓 24に与えられて、る。

[0032] 図 4は、本発明の太陽光励起レーザ 10のさらに別の実施の形態を示した図である。図 4では、収容装置 14は、収容装置 14の太陽光が入射する部分と冷却液体の屈折率とが協働して集光レンズを構成している。図 4 (a)に示した実施の形態では、収容装置 14は、円筒形状に形成され、平行光線とされた太陽光が入射面 26から入射されている。入射面 26は、曲面として形成されていて、光学媒体として機能する液体と共に集光レンズとして機能して、太陽光 20をレーザ媒体 12へと集光させている。また、図 4 (b)に示した実施の形態では、収容装置 14のレーザ媒体 12を挟んで入射面 26に対向する位置には反射要素 28が配置されていて、透過した太陽光を再度レーザ媒体 12に向けて反射させている。図 4に示した実施の形態でも、収容装置 14の内部は、冷却液体を保持しており、レーザ媒体 12の冷却を行うと同時に、集光機能を有する光学要素の冷却を可能として、る。

[0033] すなわち、本発明では、レーザ媒体の冷却と集光系光学要素の冷却とを同時に行うことができるので、太陽光励起レーザ 10の大きさに依存する特有の問題、すなわち大面積ィ匕に伴うレンズ系の精度 ·強度や、冷却機構を検討するなどを生じさせることなぐ大規模化を可能とする。また、本発明では、入射面 26を凸面と有する収容装置 14の壁と一体として構成するのではなく。収容装置 14に一体としてまたは別に取り付けられるシリンドリカル凹レンズとすることができる。この場合でも、シリンドリカル凹レンズは、冷却液体により直接冷却される。また、水を冷却液体として使用する場合には、入射面 26といった集光光学要素の洗浄する効果を有し、砂漠などの過酷な環境下でメンテナンス 'フリーの長期間使用を可能とする。

[0034] 図 5は、本発明の太陽光励起レーザ 10に使用されるレーザ媒体であるルビーおよびアレキサンドライトの結晶場のエネルギー順位を示した図である。なお、本発明では、太陽光線が含む約 400nm〜約 700nmまでの光線を吸収して反転分布を生成することができる限り、図 5に示したレーザ媒体に限定されるものではない。図 5を使用して説明すると、ルビーおよびァレキサンドライ、ずれも結晶場のエネルギーレべルは類似しており、エネルギー的に下から、 ¾レベル、 ²Tレベル、 ⁴Τバンド、 ²Τレ

1 2 2 ベル、バンドといったエネルギー順位を有している。これらのバンドのうち、基底状態の⁴ Αレベルカゝら光学的に許容なレベルである⁴ Tバンドおよび⁴ Tバンドは、それ

2 2 1 ぞれ約 550nmおよび 410nm付近に吸収極大を与える、 Uバンドおよび Yバンドを形成する。

[0035] 励起された順位力も無輻射遷移を経て、それぞれ、基底状態力も光学的に禁制な² E準位、またはアレキサンドライトでは、 ¾準位および⁴ T準位へと遷移して反転分布

2

が生成される。 ¾→⁴A遷移は、光学的に禁制である力フオノンとカップリングするこ

2

とにより対称性が変化して、 Vibronic- allowedとなりレーザ発振が可能となる。一方、ァレキサンドライトでは、 ¾→⁴A遷移と⁴ T2→⁴A遷移とがレーザ発振可能な反転分布

2 2

を与え、これらのうち、 ²E→⁴A遷移は、 Vibronic-allowedなものの、 ⁴T→⁴Α遷移は

2 2 2

、光学的に許容されるので、高い強度のレーザ発振が可能となる。本発明では、ルビ一やアレキサンドライト以外のも類似の結晶場およびエネルギー準位を有するレーザ媒体であれば、特に限定されることなぐレーザ発振効率などを考慮して適宜選択することができる。また、本発明では、収容装置 14内に異なる複数のレーザ媒体を配置し、複数のレーザ媒体に対応する最も適切な波長を、対応するレーザ媒体に集光させる波長選択手段を設け、複数のレーザ媒体を励起させることもできる。さらに、本発明の太陽光励起レーザを地球大気圏以外の宇宙などにおいて用いる場合には、レ一ザ媒体は、地上にぉ、て含まれる 400ηπ！〜 700nmの可視光領域で励起される必要はなぐ本発明では、 X線領域力赤外領域までの範囲の波長を吸収し、反転分布を生成することができるレーザ媒体を使用することができる。

[0036] 図 6には、本発明の太陽光励起レーザのさらに他の実施の形態を示す。図 6に示した実施の形態では、異なる吸収に対応して異なる波長のレーザ発振を生じさせる複数のレーザ媒体 12aと、 12bとが用いられている。また、入射窓 24の下側で冷却液体の収容される側には、レーザ媒体 12a、 12bに相対的に傾斜した光学要素 30が配置されていて、冷却液体により冷却されている。太陽光 20に含まれる波長のうち、冷却液体の屈折率は、短波長の成分に対して屈折率が大きぐまた長波長の成分に対して屈折率が小さくなる。このため、図 6に示すように光学要素 30に傾斜を与えることにより、所謂色収差を大きくして、それぞれの波長成分に対応するレーザ媒体 12a、 12 bにそれぞれ太陽光線を集光することができる。図 6に示した実施の形態では、レーザ媒体 12aには、 Cr³⁺ :A1 O (ルビー）の Yバンドに対応する吸収波長（約 406nm)

2 3

が集光され、レーザ媒体 12bには、 Co²⁺ : MgFの吸収極大に対応する約 1300nm

2

の光線が集光されている。図 6に示した実施の形態であっても、光学要素 30は、冷却液体中に保持されるので冷却は同時に行うことができる。また、太陽光をより効率的に使用すると共に変換効率をさらに高めることが可能となる。さらに、本発明では、収容装置 14または集光光学要素は、図示しない集光光学要素により駆動することもでき、例えば図 6に示した実施の形態では、光学要素 30の両端に、太陽電池駆動のステッピング 'モータを配置して、紙面左右方向に回動させるなど、太陽の日周運動と共に回動させるための機構を備えて、てもよ!/、。

[0037] 上述の構成に基づき、太陽光励起レーザの出力についてシミュレーションによる検討をカ卩えた。レーザ媒体として直径 lmmの Nd³⁺ :YAGロッドを使用し、図 4に示した構成で太陽光励起レーザがレーザ発振するための反転分布を生成させるためのパヮー密度を与える太陽光の集光系の幅は、約 10cmであった。太陽光励起レーザに対して約 10cmのシリンドリカル凸レンズを使用して集光させるものとし、太陽光励起レーザのレーザ媒体長さを約 lmとしたとき、 Nd³⁺： YAGのレーザ発振効率を使用してその効率をシミュレーションした。この結果、太陽光励起レーザの光一光変換効率は、約 30%程度と見積もられた。この値を使用して、入力した太陽光のパワーから換算すると、約数 10Wに相当するレーザ出力を生成することができることが理論的に示された。

[0038] 図 7は、本発明で使用されるレーザ媒体の形状の他の実施の形態を示した図である。図 7に示したレーザ媒体 40は、円錐台の形状を有しており、中心の円柱部 42とスカート部 44との間でドーパント濃度が異なる組成を有している。図 7に示した実施の形態では、 F = 0. 5を仮定し、 r= 1000mmの集光レンズ（図示せず)から太陽光 20 が集光されている。円柱部 42は、ドーピングされた Nd:YAGで構成されており、ドーパント濃度は、 Crおよび Ndについて、 0. 1〜4. 0原子％とされている。本発明の上述した非円筒形のレーザ媒体は、ドーパント濃度の異なる部分をそれぞれ水熱合成などにより形成させた後、熱硬化性シリコーン榭脂などで接着する方法、ドーピング濃度を変えて複数回の水熱合成を行って形成する方法、熱ディフュージョンボンディング法、またはレーザ媒体のサイズに応じてイオン注入後のァニール処理など、これまで知られたいかなる方法を組み合わせて製造することができる。一方、スカート部 4 4は、ドーピングされていない純粋の YAG力も構成されていて、レーザ媒体 40の高さ方向 Hに対して角度 Θで、傾斜している。図 7に示した実施の形態では、角度 Θは、約 15° 〜60° の範囲とすることができ、より好ましくは、約 20° 〜約 40° 程度の範囲で、太陽光 20の吸収率およびパワー体積密度を約 6倍程度向上させることができることがわ力つた。また、図 7に示したレーザ媒体の実施の形態では、集光のための光学要素（図示せず)から集光された太陽光 20の入射角度をできるだけ垂直に近い角度とすることができ、またレーザ発振を、レーザ媒体 40の中心付近で発生させることができ、より効率的に太陽光レーザを発振させることができる。

[0039] 図 8は、本発明において使用できるレーザ媒体 50のさらに他の実施の形態を示す。図 8に示したレーザ媒体 50は、図 7で説明したと同様に、中心スラブ 52と、スカート部 54と力も構成されている。中心スラブ 52は、ドーピングされた Nd:YAGで構成され、スカート部 54は、未ドープの YAGで構成されている。図 8 (a)および図 8 (b)は、中心スラブ 52の両端部に突起部 56が形成されており、レーザ発振の特性をジグザグスラブ型とし、図 8 (c)および図 8 (d)では、レーザ媒体 50の端部形状を変更することで、ストレートスラブ型として制御している。なお、図 8に示した 4つの実施の形態のレーザ媒体 50について、中心スラブ 52の Nd:YAGにおける Nd³⁺ドーピングの濃度を、 0. 4原子⁰ /₀、 1. 0原子⁰ /₀、および 2. 0原子％と変化させて、合計 12種類のレーザ媒体 50につ!/ヽて、 F= l. 0、 φ = 1000mmの球面レンズ力ら長さ 11. 2mm、全幅 9mm、高さ 2. Ommのレーザ媒体 50に太陽光 20を照射したものとして光線追跡シミュレーションを行った結果、図 7で示したと同様に、スカート部 54の角度力 20° 〜60° の範囲、より好ましくは、 20° 〜50° の範囲、さらに好ましくは、 20° 〜40 ° の範囲で、太陽光の吸収効率が約 6倍程度になることが示され、より効率的な太陽光励起レーザ用のレーザ媒体が提供できることがわ力つた。なお、図 9に示したレーザ媒体 50は、狭い部分から太陽光を入射させた場合と、広い部分力も太陽光を入射させた場合のいずれも、吸収特性は異なるものの、同等の吸収効率が向上することがわかった。

[0040] 本発明の太陽光励起レーザは、光分解を使用した水素ガス発生装置、レーザパヮ一伝送装置、レーザ推進を使用した車両、宇宙航空機、船舶、環境に対して有害な物質を光分解などにより除去するための除去装置、レーザ加工装置、軽量に形成でき、かつ再生利用可能なエネルギーを用いてレーザ発振を可能とすることから、そのためのエネルギーを別に用いる必要がなぐ例えば、宇宙航空機に搭載して、衛星間、惑星間における高密度光通信装置、推進装置などに対して適用することができる。

産業上の利用可能性

[0041] 本発明の太陽光励起レーザは、レーザ媒体の冷却と太陽光集光装置の冷却とを同時に行うことを可能とするので、装置の大規模ィ匕に容易に適応でき、さらにレーザ媒体の保守、集光光学系の作成などのコスト、集光効率向上に伴う大出力化、並びに軽量ィ匕を行うことができ、再生可能エネルギーを効率的に低エントロピー化することを可能とする。このため、レーザを使用した各種装置に適用することで、環境負荷を低減した工業的装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0042] [図 1]本発明の太陽光励起レーザの側面図。 [図 2]本発明の集光光学要素の機能を説明した図。

[図 3]本発明の太陽光励起レーザの実施の形態の断面図。

[図 4]本発明の太陽光励起レーザの他の実施の形態の断面図。

[図 5]本発明に使用することができるレーザ媒体のエネルギー準位のコリレーションを示した図。

[図 6]本発明の太陽光励起レーザのさらに他の実施の形態を示した図。

[図 7]本発明の太陽光励起レーザに使用できるレーザ媒体の実施の形態を示した図

[図 8]本発明の太陽光励起レーザに使用できるレーザ媒体の他の実施の形態を示した図。

[図 9]従来の太陽光励起レーザの構成を示した図。

符号の説明

10· ··太陽光励起レーザ、 12、 40、 50· ··レーザ媒体、 14· ··収容装置、 16· ··全反射ミラー、 18…ハーフ'ミラー、 20…太陽光、 22…反射要素、 24…入射窓、 26…入射面、 28…反射要素、 30· ··光学要素、 100…太陽光励起レーザ、 102· ··フレネルレンズ、 104· ··筐体、 106· ··レーザ媒体、 108· ··全反射ミラー、 110· ··ノヽーフ'ミラー、 A RC…反射防止膜、 SH…シェル、 CT…冷却液体

Claims

請求の範囲

[1] 太陽光によりレーザ媒体を励起してレーザ発振を行う太陽光励起レーザであって、前記太陽光励起レーザは、

レーザ媒体と、

前記レーザ媒体を内部に支持する収容装置であって、前記レーザ媒体と前記収容装置との間の空間に冷却液体を保持すると共に前記レーザ媒体に沿って集光した太陽光を照射し前記冷却液体により冷却される集光光学要素を備えた収容装置と、前記レーザ媒体の互いに対向する端部に隣接して配置された対となった光学的反射要素と

を備える太陽光励起レーザ。

[2] 前記収容装置は、太陽光を透過させる部分を備え、前記収容装置の前記太陽光を透過させる部分の断面形状と前記冷却液体の屈折率とが協働して前記集光光学要素を形成し、前記レーザ媒体を励起する、請求項 1に記載の太陽光励起レーザ。

[3] 前記冷却液体は、水であり、前記集光光学要素は、水を光学媒体とした水レンズを形成し、さらに前記収容装置の端部に形成された反射防止膜とを備える、請求項 1または 2に記載の太陽光励起レーザ。

[4] 前記収容装置は、前記レーザ媒体を横切る向きの断面形状が非対称であり、前記太陽光の波長領域に対応した複数のレーザ媒体を収容する、請求項 1〜3のいずれ力 1項に記載の太陽光励起レーザ。

[5] 前記収容装置に備えられる集光光学要素とは別に、太陽光を集光する分離光学要素を備える、請求項 1〜4のいずれか 1項に記載の太陽光励起レーザ。

[6] 前記レーザ媒体は、太陽光線に含まれる波長を吸収して反転分布を直接またはェネルギー移動により反転分布を形成する化学種を含有する、請求項 1〜5のいずれ力 1項に記載の太陽光励起レーザ。

[7] 前記レーザ媒体は、ルビー（Cr³⁺： Al O )、 YAG (Nd³⁺ :Y Al O )、ァレキサン

2 3 3 5 12

12

サイト Bには、 Ga、 Sc、 Luからなる群から選択される元素が使用され、サイト Cには、 Y、 Gd、 La、 Luからなる群力も選択される元素が用いられる、ガーネットに Cr^d+、 Nd 3⁺を添カロしたレーザ媒体、サファイア (Ti³⁺ :A1 O Co²⁺ : MgF

2 3 2、 Cr³⁺ : ScBO

3、

Nd³⁺ : GGG (Gd Ga O )、 Cr、 Nd: GSGG (Gd (GaSc) O )、前記レーザ媒体

3 5 12 3 5 12

に対して、 Ce、 Pr、 Pm、 Sm、 Eu、 Tb、 Dy、 Ho, Er、 Tm、 Yb、 Luを含むランタノィド元素およびそれらのイオン、または遷移金属元素または前記遷移金属イオンがド一ビングされたガラスを含むレーザ媒体を含む群力選択される、請求項 1〜6のいずれ力 1項に記載の太陽光励起レーザ。

[8] 前記太陽光励起レーザの前記非対称の形状は、太陽の日周運動に伴う前記太陽光の入射角度に対応して可変とされる、請求項 4に記載の太陽光励起レーザ。

[9] 前記レーザ媒体は、中心部と、集光された太陽光の入射角度を増カロさせるスカート部とを備える、請求項 1〜8のいずれ力 1項に記載の太陽光励起レーザ。

[10] 前記レーザ媒体は、前記中心部がドーピングされ、前記スカート部は未ドープである、請求項 1〜9のいずれか 1項に記載の太陽光励起レーザ。

[11] 前記中心部のドーパント濃度が、 0. 1〜4. 0原子％である、請求項 9または 10のいずれ力 1項に記載の太陽光励起レーザ。

[12] 太陽光を使用してレーザ媒体を励起してレーザ発振させる太陽光励起レーザの冷却方式であって、前記レーザ媒体と集光光学要素の形成された収容装置との間に形成された空間に冷却液体を保持させ、前記レーザ媒体と太陽光の集光を行う、太陽光励起レーザの冷却方式。

[13] 前記冷却液体は、前記収容装置および前記集光光学要素の冷却を同時に行う、請求項 12に記載の冷却方式。

[14] 前記収容装置は、前記太陽光を透過させる部分を備え、前記太陽光を透過させる部分の断面形状と前記冷却液体の屈折率とが協働して前記集光光学要素を形成する、請求項 12または 13のいずれか 1項に記載の太陽光励起レーザの冷却方式。

[15] 前記レーザ媒体として、太陽光線に含まれる波長を吸収して反転分布を形成する化学種を含有する固体を用いる、請求項 12〜14のいずれ力 1項に記載の太陽光励起レーザの冷却方式。