(57)【要約】      （修正有）【課題】蛍光導光板の表面に照射された光を吸収した導光板内部に分散された蛍光物質により放出され導光板の縁面上に集光されて射出する蛍光を縁面上に巻装された光導波路細線に取り込んで細線の端面から蛍光のエネルギーを取り出す集光装置に於いて、細線の束側から導光板へ戻る蛍光エネルギーの流れを抑制し、細線にて取り出せるエネルギーを増大すること。【解決手段】光導波路細線３ａが、導光板２の縁面に当接して画定され導光板内の蛍光物質ＦＭ１の放出する第一の蛍光ＦＬ１を吸収して、より長波長の第二の蛍光ＦＬ２を放出する第二の蛍光物質ＦＭ２が分散された媒質で少なくとも一部の領域が充填されたチャンバ８内にて巻装される。チャンバに於いて、導光板の縁面に当接する面は、第一の蛍光を透過し第二の蛍光を反射する部分反射ミラー層７で覆われ、その他の面は、第二の蛍光を反射する反射ミラー層６ａで覆われる。【選択図】図２
2020065027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光装置であって、
第一の面と、第二の面と、前記第一及び第二の面の周縁を接続する縁面とから成り、その内部又は前記第一若しくは第二の面上に、前記第一の面に照射された照射光を吸収して第一の蛍光を放出する第一の蛍光物質が分散され且つ外部よりも屈折率が高い材料から形成された板状構造を有し、前記第一の面から照射光が入射すると、前記第一の蛍光物質から放出される前記第一の蛍光が前記縁面にから射出する蛍光導光板と、
一つの面が前記蛍光導光板の前記縁面に当接し前記第一及び第二の面の周縁方向に沿って延在するよう画定されたチャンバにして、前記チャンバ内の前記第一の蛍光の進入する領域が前記第一の蛍光を吸収して前記第一の蛍光よりも長い波長帯域の第二の蛍光を放出する第二の蛍光物質が分散された媒質にて充填され、前記縁面に当接する前記一つの面が前記第一の蛍光を実質的に透過し且つ前記第二の蛍光を実質的に反射する部分反射ミラー層で覆われ、前記縁面に当接する前記一つの面以外の周面が少なくとも前記第二の蛍光を実質的に反射する反射ミラー層で覆われているチャンバと、
前記チャンバ内にて前記第一及び第二の面の周縁方向に沿って巻装された光導波路細線にして、前記光導波路細線の軸線方向に沿って延在し、第二の蛍光を吸収し、第二の蛍光よりも長い波長帯域の第三の蛍光を放出する第三の蛍光物質が分散された透明なコア部と、前記コア部の周りに軸線方向に沿って延在し、コア部より屈折率が小さい透明なクラッド部の二重構造で形成され、前記コア部およびクラッド部の表面及び内部が前記第二の蛍光を透過し、前記蛍光導光板の縁面から射出された前記第一の蛍光を吸収した前記第二の蛍光物質が放出した前記第二の蛍光が前記コア部及びクラッド部の表面を透過して前記コア部に達し、前記コア部に分散された前記第三の蛍光物質が第三の蛍光を放出して、前記光導波路細線を伝播した前記第三の蛍光のエネルギーが端面から射出する光導波路細線と、
を含む装置。
【請求項２】
請求項１の装置であって、
前記第三の蛍光物質がレーザー媒質であり、
前記第二の蛍光が前記クラッド部を透過して前記コア部まで達し、前記第二の蛍光により前記レーザー媒質が励起されて前記第三の蛍光の増幅が達成可能であり、レーザー光が前記光ファイバーの端面から射出する装置。
【請求項３】
請求項２の装置であって、
前記光導波路細線の一方の端面にて前記レーザー媒質が放出した光の実質的に全てを反射する第一の反射手段と、
前記光導波路細線の他方の端面にて前記レーザー媒質が放出した光の一部を透過させ、その残りを反射する第二の反射手段とを含む光ファイバーであり、
前記第二の蛍光が前記クラッド部を透過して前記コア部まで達し、前記第二の蛍光により前記レーザー媒質が励起されてレーザー発振が達成可能であり、レーザー光が前記光ファイバーの前記他方の端面から出射する装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかの装置であって、前記光導波路細線が前記第二の蛍光物質が分散された前記媒質に囲繞されている装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかの装置であって、前記チャンバの内側にて、前記チャンバの前記縁面に当接する面を覆う前記部分反射ミラー層が前記第二の蛍光物質が分散された前記媒質で覆われている装置。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかの装置であって、前記媒質が前記第二の蛍光物質の分散された溶液であり、該溶液にて前記チャンバ内全域が充填されている装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかの装置であって、前記蛍光導光板の前記第二の面が内向きに光を反射する反射ミラー層に覆われている装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかの装置であって、前記蛍光導光板の前記縁面が前記蛍光導光板の前記第二の面と同一平面内にて前記第二の面の周縁に沿って放射方向外方に延在し、前記蛍光導光板の前記第一の面の周縁領域が前記第二の面へ近づく方向に湾曲又は屈曲して前記縁面に接続し、前記蛍光導光板の前記第一の面の前記湾曲又は屈曲した周縁領域が前記第一の蛍光を実質的に反射する反射ミラー層にて覆われ、前記チャンバが前記縁面の前記第一の面とは反対の側の面に当接し、前記第二の面の周縁よりも放射方向外方に延在している装置。
【請求項９】
請求項１乃至７のいずれかの装置であって、前記蛍光導光板の前記縁面が前記第一及び第二の面と交差する面に延在し、前記チャンバが前記第一及び第二の面の周縁よりも放射方向外方に延在している装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかの装置であって、前記蛍光導光板の前記第一の面の全域が前記第一の蛍光の波長帯域の以外の光を実質的に透過し前記第一の蛍光を実質的に反射する反射ミラー層にて覆われている装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光などの光を集光する装置に係り、より詳細には、大掛かりなレンズ系を用いずに光を集光して光ファイバーなどの光導波可能な細線の端面にて光エネルギーを取り出すことが可能な集光装置に係る。本発明の装置は、太陽光をエネルギー源としてレーザー光を発生する太陽光励起レーザー装置にも適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
地球の温暖化問題又はその他の環境問題の対策の一つとして、太陽光エネルギーを利用するために、太陽光を集光するための構成が種々提案されている。例えば、太陽光をレーザーのエネルギー源又は励起光源として利用しようとする場合（太陽光励起レーザー）、地上での太陽光のエネルギー密度は、そのままでは、最良の条件下でも約１ｋＷ/ｍ２程度であるので、一般的なレーザー材料であるネオジムイオン(Ｎｄ３＋)を添加したＹＡＧ(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)結晶等のレーザー発振を達成するためには、地上に到達する太陽光の強度を数千から１万倍程度に集光する必要がある。そこで、特許文献１、２などに於いては、大型のレンズやフレネルレンズ等を用いて、太陽光を集光して、それらのレンズ系の焦点にレーザー材料を配置する構成が提案されている。しかしながら、上記の如き、レーザー材料へ太陽光を導くために、レンズやフレネルレンズ等を用いて太陽光を集光する構成に於いては、その筐体の複雑さと、要求精度が高く、制御が困難であることが主要な問題点である。重量のあるレンズを正確に太陽光に対して正対させ続けるには、倍率nに対して，要求される角度精度はn〜1/θ2(10000倍の場合、要求される角度制度は10mrad）となり、複雑な構成と制御技術が要求される。また、重量のあるレンズを支えるためには、筐体の剛性が必要であるが、複雑な構成と剛性を両立することは難しい。また、集光光学系の開口数(NA)を一般的な0.5とすると、レンズから焦点までの距離は概ねレンズの口径と同じ長さになり、太陽光を集光する機構の厚み方向にレンズの口径と同程度の大きさを確保する必要があることから、レーザー装置の大きさが集光光学系の口径の3乗に比例して大きくなることが理解される。
【０００３】
そこで、本発明の発明者等の一部は、特許文献３に於いて、レンズや太陽光追尾機構を必要としない集光機構を採用した新規な太陽光励起レーザー装置の構成を提案した。かかる新規な集光機構を備えた太陽光励起レーザー装置１は、図６（Ａ）に模式的に描かれている如く、外部よりも屈折率が高い材料から形成された板状部材に太陽光ＳＬを吸収してレーザー媒質の感度の高い波長帯域の蛍光ＦＬを放出する蛍光物質ＦＭが分散された蛍光導光板２と、蛍光導光板２の縁面２ｃ上にて巻装された光ファイバー３ａを含む光ファイバー部３とを含み、光ファイバー３ａは、レーザー媒質が分散されたコア部（図５（Ａ）３ｃ）と、蛍光を透過する材料にて形成されたクラッド部（図５（Ａ）３ｂ）と、一方の端面にて光の実質的に全てを反射する反射手段（図示せず）と、他方の端面にてレーザー媒質が放出した光の一部を透過させる反射手段（図示せず）とを含んでいる。そして、蛍光導光板２の一方の受光面２ａから太陽光が入射すると、蛍光物質ＦＭから蛍光ＦＬが放出される。蛍光導光板２の触媒内において蛍光ＦＬのフォトン濃度は一定であり、受光面２ａから入射したフォトン、及び蛍光ＦＬは理想的にはすべて面２ｃから射出されることになるため、実質的に蛍光ＦＬは蛍光導光板２の一方の受光面２ａと縁面２ｃの面積比（受光面２ａの面積／縁面２ｃの面積）で集光されることになる。その面積比によって集光された蛍光ＦＬが光ファイバー３ａのクラッド部を透過してコア部まで達し、その蛍光ＦＬによりレーザー媒質が励起されてレーザー発振が生ずるよう構成されている。この構成によれば、この装置と太陽光との正対がずれたとしても、角度θの傾きが生じた場合、損失がcosθのファクターとなり、太陽光との正対角度のズレによる損失を大きく低減することができる。例えば、10°の傾きが生じたとしても９８％の効率が得られる。また、太陽光追尾機構が不要となり、そのための空間を確保する必要がなくなると共に、太陽光をレーザー材料へ導くべく、集光レンズの焦点をレーザー材料に合わせる調整や焦点の位置ずれのための対策も不要となるなどの利点が得られる。なお、上記の如き蛍光導光板を利用した例として、蛍光導光板の一方の面から入射した太陽光が蛍光導光板内部の蛍光物質を励起することにより生じた蛍光を蛍光導光板の縁面に配置された太陽電池へ集光させるために、蛍光導光板の縁面の周囲に複数の反射層を設けた構成が特許文献４に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２３３７７
【特許文献２】特開２０１３−２３５９３０
【特許文献３】特開２０１７−１６８６６２
【特許文献４】特開２０１５−２０１４６４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図６に例示されている如き特許文献３に記載されている太陽光励起レーザー装置１の集光機構に於いて、蛍光導光板２の縁面２ｃ上に巻装された光ファイバー部３の周囲（及び蛍光導光板２の裏面２ｄ）は、そこを外向きに透過した蛍光ＦＬを内向きに戻し、より多くの蛍光ＦＬが光ファイバー３ａ内に取り込まれるようにするために、好適には、蛍光ＦＬを内向きに反射する反射ミラー層６で囲繞される（多重反射機構）。かかる構成の場合、図６（Ｂ）に模式的に描かれている如く、縁面２ｃに当接していない光ファイバー部３の外周（上下面と放射方向外面（図に於いて左側））に於いては、光ファイバー部３を一旦透過した蛍光ＦＬは、反射ミラー層６により反射されて光ファイバー部３へ戻されるところ、蛍光導光板２の縁面２ｃに当接した光ファイバー部３の放射方向内面（図に於いて右側）上に於いては、蛍光導光板２の縁面２ｃから射出する蛍光ＦＬを透過させる必要があるので、反射ミラー層６を配置できず、従って、光ファイバー部３の側から蛍光導光板２の方向へ進む蛍光ＦＬ’（蛍光導光板２の縁面２ｃから射出した後に光ファイバー部３を透過して反射ミラー層６で反射され、更に光ファイバー部３を透過した蛍光）は、蛍光導光板２内へ再び戻ってしまうこととなる。即ち、蛍光導光板２の縁面２ｃから射出した蛍光ＦＬのエネルギーのうち、蛍光ＦＬ’のエネルギーは、光ファイバーに取り込まれることなく、再び蛍光導光板２内へ戻ってしまうこととなっている。そこで、もし光ファイバー部３の側から蛍光導光板２の方向へ進む蛍光ＦＬ’のエネルギーの流出をできるだけ阻止又は抑制できれば、換言すれば、蛍光導光板２の縁面２ｃから射出した蛍光ＦＬのエネルギーをより効率的に光ファイバー部３の領域内に閉じ込めることが可能になれば、その分、光ファイバー３ａによって取り出すこのできるエネルギーの増大が図られ、或いは、レーザー発振に寄与するエネルギーを増大できることとなる。
【０００６】
かくして、本発明の一つの課題は、特許文献３に記載されている如き太陽光励起レーザー装置に於いて採用されている集光装置、即ち、蛍光導光板の表面に照射された太陽光などの光を蛍光導光板の内部又は表面に分散された蛍光物質が吸収することによって放出する蛍光が蛍光導光板の縁面から射出し、かかる蛍光を蛍光導光板の縁面上に巻装された光ファイバーなどの光導波可能な細線に取り込んで光エネルギーを取り出すことのできる装置に於いて、光導波可能な細線の巻装された領域の側から蛍光導光板の内部へ進む蛍光のエネルギーの流れをできるだけ抑制して光導波可能な細線にて取り出せるエネルギーの増大を図ることである。
【０００７】
また、本発明のもう一つの課題は、上記の如き集光装置を採用した太陽光励起レーザー装置にして、レーザー発振に寄与するエネルギーが増大されるよう構成された装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、上記の課題は、集光装置であって、
第一の面と、第二の面と、前記第一及び第二の面の周縁を接続する縁面とから成り、その内部又は前記第一若しくは第二の面上に、前記第一の面に照射された照射光を吸収して第一の蛍光を放出する第一の蛍光物質が分散され且つ外部よりも屈折率が高い材料から形成された板状構造を有し、前記第一の面から照射光が入射すると、前記第一の蛍光物質から放出される前記第一の蛍光が前記縁面にから射出する蛍光導光板と、
一つの面が前記蛍光導光板の前記縁面に当接し前記第一及び第二の面の周縁方向に沿って延在するよう画定されたチャンバにして、前記チャンバ内の前記第一の蛍光の進入する領域が前記第一の蛍光を吸収して前記第一の蛍光よりも長い波長帯域の第二の蛍光を放出する第二の蛍光物質が分散された媒質にて充填され、前記縁面に当接する前記一つの面が前記第一の蛍光を実質的に透過し且つ前記第二の蛍光を実質的に反射する部分反射ミラー層で覆われ、前記縁面に当接する前記一つの面以外の周面が少なくとも前記第二の蛍光を実質的に反射する反射ミラー層で覆われているチャンバと、
前記チャンバ内にて前記第一及び第二の面の周縁方向に沿って巻装された光導波路細線にして、前記光導波路細線の軸線方向に沿って延在し、第二の蛍光を吸収し、第二の蛍光よりも長い波長帯域の第三の蛍光を放出する第三の蛍光物質が分散された透明なコア部と、前記コア部の周りに軸線方向に沿って延在し、コア部より屈折率が小さい透明なクラッド部の二重構造で形成され、前記コア部およびクラッド部の表面及び内部が前記第二の蛍光を透過し、前記蛍光導光板の縁面から射出された前記第一の蛍光を吸収した前記第二の蛍光物質が放出した前記第二の蛍光が前記コア部及びクラッド部の表面を透過して前記コア部に達し、前記コア部に分散された前記第三の蛍光物質が第三の蛍光を放出して、前記光導波路細線を伝播した前記第三の蛍光のエネルギーが端面から射出する光導波路細線と、
を含む装置によって達成される。
【０００９】
上記の構成に於いて、まず、「蛍光導光板」とは、板状構造の広い面（第一の面）に太陽光などの光が照射されると、かかる第一の面から進入した照射光によって、内部に又は第一若しくは第二の面上に分散された蛍光物質（第一の蛍光物質）が励起されて蛍光（第一の蛍光）を発し、その第一の蛍光が板状構造の縁面へ導かれて集光されて射出するよう構成された板状部材である。かかる蛍光導光板に於いて、照射光を受けた第一の蛍光物質から放出される第一の蛍光は、放射方向に発せられるところ、板状構造を成す蛍光導光板の屈折率がその外部（通常、空気）の屈折率よりも高いため、板状構造の広い面（第一の面、第二の面）と外部との界面に於いて、蛍光の一部は全反射が成立する臨界角より深い角度であるため透過してしまうが、蛍光のほぼすべてが反射され、結果的に、板状構造の縁面から射出されることとなる。なお、第一の面に照射される光は、典型的には、太陽光であってよいが、これに限定されず、任意の光源からの光であってもよいことは理解されるべきである。
【００１０】
次に、上記の構成に於いて、「チャンバ」は、上記の蛍光導光板の周縁にて、一つの面が第一の蛍光が集光され射出する蛍光導光板の縁面に当接し、第一及び第二の面の周縁方向に沿って延在するよう画定されてよい。かかるチャンバに於いては、上記の如く、蛍光導光板の縁面から射出してくる第一の蛍光の進入する領域が、第一の蛍光を吸収して第一の蛍光よりも長い波長帯域の第二の蛍光を放出する第二の蛍光物質が分散された媒質にて充填され、蛍光導光板の縁面に当接する面（その全域であってよい。）が第一の蛍光を実質的に透過し且つ第二の蛍光を実質的に反射する「部分反射ミラー層」で覆われ、蛍光導光板の縁面に当接する面以外のチャンバを画定する周面（その全域であってよい。）が第二の蛍光を実質的に反射する「反射ミラー層」で覆われる。従って、蛍光導光板の縁面から射出した第一の蛍光は、該縁面に当接した面の部分反射ミラー層を透過してチャンバ内に進入した後に、第二の蛍光物質に吸収され、それらから放射方向に第二の蛍光として放出されるところ、チャンバの周囲が部分反射ミラー層と反射ミラー層とで覆われていることにより、第二の蛍光は、チャンバを画定する各周面にて内向きに反射され、結果的に、チャンバ内に閉じ込められることとなる。なお、蛍光導光板の縁面に当接する面以外のチャンバを画定する周面を覆う「反射ミラー層」は、第一の蛍光或いは更にその他の光を実質的に反射する反射ミラー層であってよく、その場合、チャンバ内をそのまま透過した第一の蛍光は、チャンバの周囲の反射ミラー層で反射され、第二の蛍光物質が分散された媒質へ戻されて、第二の蛍光へ変換され、結局、チャンバ内に閉じ込められることとなる。
【００１１】
そして、上記の構成に於いて、チャンバ内にて第一及び第二の面の周縁方向に沿って巻装された「光導波路細線」とは、透明なコア部と、透明でコア部より屈折率が小さいクラッド部からなる二重構造で形成され、その内部に第二の蛍光が透過すると、光導波路細線のコア部に含有される第三の蛍光物質に吸収され、出力として求める波長（第三の蛍光）で蛍光する。この求める波長の蛍光（第三の蛍光）のうち、ファイバーの軸に沿って伝播するもののみが全反射により光導波路細線の内部に閉じ込められ、これにより、光線が内部を伝播していき、その端面にて光エネルギーが取り出せる任意の細線状の部材であってよい。
【００１２】
かくして、上記の本発明の集光装置の構成によれば、まず、蛍光導光板の第一の面に太陽光などの光が照射されると、その照射光が蛍光導光板内部（又は表面）にて第一の蛍光物質を励起し第一の蛍光を放出させ、蛍光導光板の作用によって、殆どの光（第一の蛍光）が蛍光導光板の縁面へ射出されることとなる。かかる作用によれば、照射光が太陽光などの波長帯域が比較的広い範囲に及ぶ成分から成る光である場合、かかる照射光のエネルギーが蛍光導光板内の第一の蛍光物質によって、その放出する第一の蛍光の波長帯域内に圧縮されつつ変換され、更に、蛍光導光板の略全域に照射された光によって生ずる第一の蛍光（照射光を上記の如く帯域を圧縮して変換されたエネルギー）が蛍光導光板と外部との屈折率の差による作用により集光されるという原理によって、光エネルギーが濃縮される（エネルギー密度が高くなる）こととなる。
【００１３】
そして、蛍光導光板縁面上にて集光された第一の蛍光は、蛍光導光板縁面に当接して画定されたチャンバ内に進入し、既に述べた如く、チャンバ内の媒質に分散された第二の蛍光物質を励起し第二の蛍光を放出させ、これにより、第一の蛍光がそれよりも波長の長い第二の蛍光に変換され、かかる第二の蛍光がチャンバ内にて巻装された光導波路細線へ透過し、光導波路細線のコア部に含有される第三の蛍光物質に吸収され、出力として求める波長（第三の蛍光）で蛍光する。この求める波長の蛍光（第三の蛍光）のうち、その内部をその延在方向に沿って伝播する光エネルギーが端面にて取り出せることとなる。ここに於いて、既に述べた如く、チャンバを画定する周面が第二の蛍光を反射する「部分反射ミラー層」及び「反射ミラー層」に覆われ、これにより、第二の蛍光はチャンバ内に閉じ込められることとなるので、蛍光導光板にて集光されチャンバ内へ伝播した光エネルギーが、チャンバ外へ流出すること、特に、（第二の蛍光に変換されることで、）蛍光導光板へ逆流することが阻止又は抑制されることとなり、その分、より多くの光エネルギーが光導波路細線へ入射し、より多くの光エネルギーが光導波路細線の端面にて取り出せることが期待される。
【００１４】
なお、上記の構成に於いて、蛍光導光板を成す板状部材は、ガラス、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ＰＭＭＡなど、蛍光導光板に照射する光及び第一の蛍光を透過する任意の固体材料にて形成されてよい。なお、第一の面をダイクロイックミラーで封止することによって、固体材料に限らず、液体材料にて形成されてもよい。蛍光導光板に於いて分散される「第一の蛍光物質」は、励起光が照射されると、その光を吸収して、蛍光を発する蛍光色素、量子ドットなどの任意の物質であってよい。また、第一の面上又は第二の面上に蛍光物質を分散させる構成は、実施の態様に於いて、例えば、蛍光物質が分散された薄膜を第一の面上又は第二の面上に貼着又は形成することにより達成されてもよい。そして、照射光を受ける第一の面の反対側の第二の面も、そこをそのまま透過した照射光を蛍光導光板の側へ戻し、かかる照射光が第一の蛍光へ変換されるように、内向きに光（照射光、第一の蛍光）を反射する反射ミラー層にて覆われていてよい。
【００１５】
チャンバ内の第一の蛍光の進入する領域に充填される「媒質」に分散される「第二の蛍光物質」は、第一の蛍光を受けると、その光を吸収して、第二の蛍光を発する蛍光色素、量子ドットなどの任意の物質、好適には、その吸収波長帯域に第一の蛍光の波長が含まれる任意の蛍光物質であってよい。第二の蛍光物質の分散される「媒質」は、第二の蛍光物質が分散可能な液体又は固体であってよく、光導波路細線のクラッド部によって第二の蛍光を反射することを防ぐために、光導波路細線のクラッド部の屈折率が一致するものを選択されてもよい。また、光導波路細線への第二の蛍光の入射をより確実にすべく、光導波路細線が第二の蛍光物質が分散された媒質に囲繞されていることが好ましい。更に、できるだけ多くの第一の蛍光が第二の蛍光物質に吸収され第二の蛍光へ変換されるようになっていることが好ましいので、チャンバの内側にて、第二の蛍光物質が分散された媒質が、第一の蛍光が通過する蛍光導光板縁面に当接する面の全域を覆うように、或いは、当該面を覆う部分反射ミラー層を覆うようになっていてよい。特に「媒質」が液体である場合は、メタノール、エタノール、プロパノール、ヘキサン、トルエン、ベンゼン、アセトン、ベンジルアルコール、メタクリル酸メチル、水など、チャンバ内壁面やミラー層を変成又は腐食しない第一及び第二の蛍光を透過する任意の液体であってよく、かかる溶液がチャンバ内全域に充填されてよい。或いは、光導波路細線が第二の蛍光物質が分散された媒質又は第一の蛍光に対して非透過性であり第二の蛍光に対して透過性を有する層にて被覆されていてもよい。更に、蛍光導光板縁面から射出した第一の蛍光をできるだけ多くチャンバ内へ取り込むために、チャンバは、蛍光導光板縁面の全域を覆うように蛍光導光板縁面に当接していることが好ましい。
【００１６】
上記のチャンバに於いて、チャンバの蛍光導光板縁面への当接面を覆う「部分反射ミラー層」は、典型的には、誘電体多層膜により調製可能であり、チャンバの蛍光導光板縁面への当接面以外の周面を覆う「反射ミラー層」は、典型的には、誘電体多層膜或いはアルミニウム膜などにより調製可能である。なお、上記の「部分反射ミラー層」及び「反射ミラー層」について、「前記第一の蛍光を実質的に透過し且つ前記第二の蛍光を実質的に反射する」、「前記第二の蛍光を実質的に反射する」、「第一の蛍光を実質的に反射する」とは、本発明の作用効果を達成するのに十分な程度にて、第一の蛍光を有意に透過し又は第二の蛍光若しくは第一の蛍光を有意に反射することを意味しており、より具体的には、「部分反射ミラー層」及び／又は「反射ミラー層」を設けない場合に比して、光導波路細線にて取り出せるエネルギーが増大できる程度にて、第一の蛍光を透過し、或いは、第二の蛍光又は第一の蛍光を反射することを意味している（以下、同様）。実施の形態に於いては、「部分反射ミラー層」としては、第一の蛍光を９９％透過し、第二の蛍光を９９％反射するミラー層が実現可能であり、「反射ミラー層」としては、第二の蛍光（又は第一及び第二の蛍光）を９９％反射するミラー層が実現可能であり、そのようなミラー層が採用されてよいが、これに限定されないことは理解されるべきである。
【００１７】
上記の「光導波路細線」は、表面及び内部がチャンバ内で放出される第二の蛍光を透過するよう構成された光ファイバーであって、コア部に含有される第三の蛍光物質が第二の蛍光を吸収し、第二の蛍光より長い波長で第三の蛍光を放出するアクティブな媒質である必要があるが、その他のガラス製細線、樹脂製細線、セラミックス製細線など、蛍光光線が内部を伝播していく材料で形成されていれば、如何なる材料の細線であってもよいことは理解されるべきである。なお、光導波路細線は、1条であってもよいし、複数の細線が直列に１条に連結されたものであってもよい。更に、このような細線を複数備えてもよい。また、チャンバ内で放出された第二の蛍光ができるだけ多く光導波路細線へ進入できるようにすべく、１条の光導波路細線がチャンバ内で蛍光導光板の周縁方向に沿って複数回巻き付けられ、これにより、光導波路細線の外周面に於いて、できるだけ広い面積にて第二の蛍光を受容できるようになっていてよい。
【００１８】
上記の本発明の装置の構成に於いて、典型的には、蛍光導光板の縁面は、特許文献３と同様に、第一及び第二の面と交差する面に延在し、チャンバは、第一及び第二の面の周縁よりも放射方向外方に延在して画定されてよい。その場合には、蛍光導光板縁面の幅（第一の面と第二の面の周縁を接続する方向の長さ）が第一の面と第二の面との間の距離となり、チャンバの幅（第一の面と第二の面の周縁を接続する方向の長さ）も第一の面と第二の面との間の距離に制約される。
【００１９】
これに対し、蛍光導光板の第一の面の周縁領域が第二の面へ近づく方向に湾曲又は屈曲し、蛍光導光板の縁面が蛍光導光板の第二の面と同一平面内にて第二の面の周縁に沿って放射方向外方に延在するように、蛍光導光板を構成すると、蛍光導光板の縁面の幅は、第一の面と第二の面との間の距離よりも長く若しくは短く設定することが可能となり、チャンバの幅の自由度を増すことが可能となる。なお、その場合、第一の面の湾曲又は屈曲した周縁領域から第一の蛍光が射出してしまうことを回避するために、第一の面の湾曲又は屈曲した周縁領域は、第一の蛍光を実質的に反射する反射ミラー層にて覆われていることが好ましい。
【００２０】
かくして、上記の本発明の装置の一つの態様に於いて、蛍光導光板の縁面が蛍光導光板の第二の面と同一平面内にて第二の面の周縁に沿って放射方向外方に延在し、蛍光導光板の第一の面の周縁領域が第二の面へ近づく方向に湾曲又は屈曲して縁面に接続し、蛍光導光板の第一の面の湾曲又は屈曲した周縁領域が第一の蛍光を実質的に反射する反射ミラー層にて覆われ、チャンバが縁面の第一の面とは反対の側の面に当接し、第二の面の周縁よりも放射方向外方に延在しているよう構成されてよい。ここで「反射ミラー層」について、「第一の蛍光を実質的に反射する」とは、かかる反射ミラー層がない場合に比して、光導波路細線にて取り出せるエネルギーが増大できる程度にて、第一の蛍光を反射することを意味する。なお、上記と同様に、蛍光導光板の縁面が蛍光導光板の第一の面と同一平面内にて第一の面の周縁に沿って放射方向外方に延在し、蛍光導光板の第二の面の周縁領域が第一の面へ近づく方向に湾曲又は屈曲して縁面に接続し、蛍光導光板の第二の面の湾曲又は屈曲した周縁領域が第一の蛍光を実質的に反射する反射ミラー層にて覆われ、チャンバが縁面の第二の面とは反対の側の面に当接し、第一の面の周縁よりも放射方向外方に延在しているように構成されていてもよい。
【００２１】
更に、上記の本発明の装置に於いて、蛍光導光板の第一の面の全域が、第一の蛍光の波長帯域以外の光を実質的に透過し、第一の蛍光を実質的に反射する反射ミラー層にて覆われていてもよい。これにより、蛍光導光板内で発生した第一の蛍光のうち、第一の面から漏出する量を低減することが可能となる。「反射ミラー層」について、「第一の蛍光の波長帯域以外の光を実質的に透過し、第一の蛍光を実質的に反射する」とは、かかる反射ミラー層がない場合に比して、光導波路細線にて取り出せるエネルギーが増大できる程度にて、第一の蛍光の波長帯域の以外の光を有意に透過し、第一の蛍光を有意に反射することを意味する。
【００２２】
ところで、上記の本発明の集光装置の構成は、特許文献３に記載されている如く、太陽光などの照射光にて励起される光励起レーザー装置に適用可能である。その場合、光導波路細線としては、第二の蛍光により励起されてレーザー発振する光ファイバーが用いられる。かくして、本発明のもう一つの態様に於いて、本発明の集光装置は、
前記第三の蛍光物質がレーザー媒質であり、
前記第二の蛍光が前記クラッド部を透過して前記コア部まで達し、前記第二の蛍光により前記レーザー媒質が励起されて前記第三の蛍光の増幅が達成可能であり、レーザー光が前記光ファイバーの端面から射出する装置であってよい。
また、前記光導波路細線の一方の端面にて前記レーザー媒質が放出した光の実質的に全てを反射する第一の反射手段と、
前記光導波路細線の他方の端面にて前記レーザー媒質が放出した光の一部を透過させ、その残りを反射する第二の反射手段とを含む光ファイバーであり、
前記第二の蛍光が前記クラッド部を透過して前記コア部まで達し、前記第二の蛍光により前記レーザー媒質が励起されてレーザー発振が達成可能であり、レーザー光が前記光ファイバーの前記他方の端面から出射する装置であってもよい。
【００２３】
上記のレーザー装置として用いられる本発明の装置に於いて、「光ファイバー」は、所謂、ファイバーレーザーに使用される光ファイバーであってよく、特に、本発明に於いて使用される光ファイバーは、クラッド部の表面及び内部が、第二の蛍光物質の発する第二の蛍光を透過する材料にて形成され、従って、第二の蛍光が、コア部を（その延在方向（軸方向）に対して垂直な）放射方向の周囲にて囲繞するクラッド部の放射方向の外表面（外周面）から入射し、コア部へ到達するよう構成される。「光ファイバー」のコア部に分散される「レーザー媒質」（第三の蛍光物質）は、この分野に於いて通常使用される、ファイバーレーザーのレーザー発振が達成可能なネオジムイオン、イッテリビウムイオン等の物質であってよく、コア部はこれらのイオンがドープされたガラス（典型的には、石英ガラス）から構成されてよい。更に、「光ファイバー」の両端に設けられる第一及び第二の反射手段は、ファイバーレーザーに於いて通常用いられるＦＢＧ（ファイバーブラッググレーティング）等の光を反射する機構であってよい。反射率は、例えば、第一の反射手段に於いては、９９．９９９％（上記の構成に於いて、「光の実質的に全てを反射する」とは、本発明の目的に於いて許容可能な範囲な量の光を反射するという意味である。）、射出端でもある第二の反射手段に於いては、９０％などに設定されていてよい。第二の蛍光物質としては、第一の蛍光を吸収して励起され、レーザー媒質の感度の高い、即ち、その吸収量の大きい（吸光係数が大きい）波長帯域のうちの一つの波長帯域の蛍光を発する物質が選択される。
【００２４】
上記の構成によれば、蛍光導光板に於いて第一の面から太陽光などの照射光が入射されると、蛍光導光板内部又は表面の第一の蛍光物質が励起され第一の蛍光を発し、ここに於いて、広範な波長帯域に亙る照射光のエネルギーが第一の蛍光の波長帯域の光に変換され、更に、蛍光導光板の作用によって、蛍光導光板の縁面へ集光され射出される。そして、縁面上にて集光された第一の蛍光が、そこに於いて画定されたチャンバ内へ進入した後に、第二の蛍光物質によって（より長波長の）第二の蛍光に変換され、チャンバ内に於いて巻装された光ファイバーの外周面から透過し、コア部へ到達して、コア部の分散されたレーザー媒質を励起し、これにより、レーザー媒質が、自然放出及び誘導放出により、光を発することとなり、また、光は、コア部の軸方向に伝播し、レーザー発振条件が成立している場合には、レーザー発振が達成されることとなる。即ち、上記の構成に於いては、まず、太陽光などの広い波長帯域に亙る光のエネルギーを蛍光導光板内の第一の蛍光物質によって或る特定の波長帯域内に圧縮しつつ変換し、更に、蛍光導光板の略全域に照射された光によって生ずる蛍光を蛍光導光板の第一の面と縁面との面積比により集光するという原理によって、レーザー発振を達成するようにエネルギー密度の濃縮が為される。そして、波長帯域が圧縮され密度の濃縮された光エネルギーがより効率的にレーザー発振する光ファイバーへ移動するように、特定の波長帯域の光エネルギーを閉じ込められるチャンバに光ファイバーを配置し、光エネルギーをかかるチャンバ内に移すと共に、チャンバ内に閉じ込められ且つレーザー媒質の感度の高い波長帯域内の光に変換するという構成が採用され、光ファイバーに取り込まれ、レーザー発振に寄与する光エネルギーの増大が図られる。なお、本発明の集光装置が光励起レーザー装置として使用される場合、特許文献３に記載されている如く、蛍光導光板は、第一の面と縁面との面積比が光ファイバーに於いてレーザー発振条件を満たすように形成される。
【発明の効果】
【００２５】
かくして、上記の本発明によれば、蛍光導光板の表面に照射された太陽光などの光を蛍光導光板の内部又は表面に分散された蛍光物質が吸収することによって放出する蛍光を蛍光導光板の縁面上から射出し、かかる蛍光のエネルギーを蛍光導光板の縁面上に巻装された光ファイバーなどの光導波路様細線に取り込んで光エネルギーを取り出すことのできる装置に於いて、光導波路細線を、或る波長帯域の光を閉じ込められるチャンバ内に配置し、蛍光導光板の縁面上から射出されチャンバ内へ進入した蛍光（第一の蛍光）をチャンバ内に閉じ込められる波長帯域の光（第二の蛍光）に変換し、これにより、蛍光導光板で射出した光のエネルギーがチャンバ内に閉じ込められる状態を実現して、光導波路細線の巻装領域の側から蛍光導光板の内部へ戻る光のエネルギーの流れを抑制し、光導波路細線へ取り込まれるエネルギーを増大して、光導波路細線にて取り出せる蛍光（第三の蛍光）エネルギーの増大が図られることとなる。かかる構成は、光導波路細線が配置されるチャンバ内に、蛍光導光板の縁面上から射出される第一の蛍光を第二の蛍光に変換する第二の蛍光物質を配置し、チャンバの周囲を第二の蛍光を反射する部分反射ミラー層及び反射ミラー層にて覆うことにより達成されるので、比較的廉価にて実現可能である。また、かかる集光装置の構成を太陽光などの照射光にて励起される光励起レーザー装置に採用することにより、より容易なレーザー発振の実現とレーザー光として取り出せるエネルギーの増大とが期待される。
【００２６】
本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１（Ａ）は、本発明による集光装置の実施形態の模式的な斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の集光装置の模式的な断面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の実施形態に於ける蛍光導光板に分散される第一の蛍光物質の発光波長（第一の蛍光の波長）ＦＬ１と、チャンバ内に分散される第二の蛍光物質の発光波長（第二の蛍光の波長）ＦＬ２と、蛍光導光板の縁面に当接するチャンバの周面に配置される部分反射ミラー層の反射・透過波長特性７との関係を表した図である。比較のため、太陽光の波長特性ＳＬも示されている。
【図２】図２は、図１（Ｂ）の集光装置のチャンバ近傍を拡大した模式的な断面図であり、装置内に於ける光の進む態様を模式的に表している。
【図３】図３（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明による集光装置の別の実施形態に於けるチャンバ近傍を拡大した模式的な断面図である。（Ａ）は、チャンバの断面形状が矩形状である例であり、（Ｂ）は、第二の蛍光物質が分散された媒質（固体）が蛍光導光板の縁面に当接するチャンバ周面に隣接して配置されている例であり、（Ｃ）は、第二の蛍光物質が分散された媒質（固体）が蛍光導光板の縁面に当接するチャンバ周面、チャンバの上下の周面に沿って配置されている例であり、（Ｄ）は、チャンバ内の光導波路細線が第二の蛍光物質が分散された媒質にて覆われている例である。
【図４】図４（Ａ）は、本発明による集光装置の更に別の実施形態に於けるチャンバ近傍を拡大した模式的な断面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の実施形態に於ける蛍光導光板に分散される第一の蛍光物質の発光波長（第一の蛍光の波長）と、チャンバ内に分散される第二の蛍光物質の発光波長（第二の蛍光の波長）と、蛍光導光板の縁面に当接するチャンバの周面に配置される部分反射ミラー層の反射・透過特性、蛍光導光板の受光面（第一の面）の周縁領域を被覆する部分反射ミラー層の反射・透過特性との関係を表した図である。図４（Ｃ）は、蛍光導光板の受光面の周縁領域が断面形状に於いて湾曲した例を示している。図４（Ｄ）は、蛍光導光板の受光面全域に部分反射ミラー層が被覆されている例を示している。
【図５】図５（Ａ）は、本発明による集光装置を光励起レーザー装置として用いた場合の光ファイバーの模式的な断面図であり、図５（Ｂ）は、その場合の模式的な平面図である。図５（Ｃ）は、本発明による集光装置を光励起レーザー装置として用いた場合に於けるエネルギーの流れを説明する図である。
【図６】図６（Ａ）は、レンズ及び太陽光追尾機構を必要としない集光機構を採用した従前の太陽光励起レーザー装置の模式的な断面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の装置に於ける蛍光導光板の周縁を拡大した模式的な断面図であり、装置内に於ける光の進む態様を模式的に表している。
【符号の説明】
【００２８】
１…集光装置（光励起レーザー装置）
２…蛍光導光板
２ａ…受光面（第一の面）
２ｂ…蛍光導光板内部
２ｃ…蛍光導光板縁面
２ｄ…蛍光導光板裏面（第二の面）
３…光導波路部
３ａ…光導波路細線（光ファイバー）
３ｂ…クラッド部
３ｃ…コア部
４…射出端
５…反射端
６…反射ミラー層
６ａ…反射ミラー層
７…部分反射ミラー層
８…チャンバ
９…媒質
１０…部分反射ミラー層
ＳＬ…照射光（太陽光など）
ＦＭ１…第一の蛍光物質
ＦＬ１…第一の蛍光
ＦＭ２…第二の蛍光物質
ＦＬ２…第二の蛍光
ＬＭ…レーザー媒質（Ｎｄ３＋）
ＬＬ…レーザー光
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。
【００３０】
装置の構成
図１を参照して、本発明による一つの実施形態の太陽光などの照射光ＳＬを集光する集光装置１は、概して述べれば、略円盤形状の蛍光導光板２と、蛍光導光板２の周縁方向に画定されたチャンバ８と、チャンバ８に内包され蛍光導光板縁面２ｃに沿って内部にて光導波が可能な細線（光導波路細線）３ａが巻装された光導波路部３とを含む。（なお、説明の目的で、同図の各部の構造は、模式的に描かれており、実際の装置の構成要素の寸法の割合は大幅に異なり得る。）。
【００３１】
かかる構成に於いて、まず、蛍光導光板２は、図示の如く、照射光ＳＬを受容する受光面２ａ、その裏面２ｄ、受光面２ａと裏面２ｄとを接続する縁面２ｃとにより画定され、内部に第一の蛍光物質ＦＭ１が分散された、外部の空間よりも光の屈折率が高い材料にて形成される。蛍光導光板２の材料に於いて、典型的には、母材は、例えば、石英ガラス、ガラス、透明なポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ＰＭＭＡなどであってよく、第一の蛍光物質ＦＭ１は、蛍光色素、量子ドットなどの物質であって、太陽光などの照射光ＳＬを吸収して、第一の蛍光ＦＬを発する物質であってよい。受光面２ａと裏面２ｄとは、好適には、内部で放出される第一の蛍光ＦＬ１が全反射しやすくなるように平坦面に形成される一方、縁面２ｃは、蛍光ＦＬ１が反射せずに射出するように細かい凹凸状（擦り状）面に形成されてよい。また、蛍光導光板裏面２ｄの表面は、照射光ＳＬ、第一の蛍光ＦＬ１或いは更にその他の光を実質的に反射する反射ミラー層にて覆われ、蛍光導光板内部２ｂを透過した照射光ＳＬ及び第一の蛍光ＦＬ１が反射ミラー層にて反射されて、蛍光導光板２内へ戻されるようになっていてよい。
【００３２】
上記の蛍光導光板２の縁面２ｃの外周にて画定されたチャンバ８は、縁面２ｃに当接し分反射ミラー層７に覆われた放射方向内側周面と、反射ミラー層６ａに覆われた上下周面及び放射方向外側周面（縁面２ｃに当接していない周面）により画定され、後に説明される光導波路細線３ａが縁面２ｃに沿って巻装された光導波路部３を内包し、典型的には、チャンバ８内は、第一の蛍光ＦＬ１を吸収し、より長波長帯域の第二の蛍光ＦＬ２を放出する第二の蛍光物質ＦＭ２が分散された媒質で充填される。
【００３３】
かかる構成に於いて、放射方向内側周面を覆う部分反射ミラー層７には、図１（Ｃ）に例示されている如く、第一の蛍光ＦＬ１の波長帯域の光成分は、実質的に透過させ、第二の蛍光ＦＬ２の波長帯域の光成分は、実質的に反射する波長特性を有する部分反射ミラー層が採用される。また、上下周面及び放射方向外側周面を覆う反射ミラー層６ａには、少なくとも第二の蛍光の波長帯域の光成分を実質的に反射する反射ミラー層が採用され、好ましくは、第一及び第二の蛍光の波長帯域の光成分或いは更にその他の光を実質的に反射する反射ミラー層が採用されてよい。なお、蛍光導光板２の裏面２ｄを覆う反射ミラー層６が構成に含まれ、第二の蛍光の波長帯域の光成分を実質的に反射する場合には、反射ミラー層６ａは、反射ミラー層６と同一のミラー層であってよく、一体的に形成されてもよい（別体として形成されてもよい。）。部分反射ミラー層７は、典型的には、誘電体多層膜にて形成されてよく、第一の蛍光ＦＬ１に対する透過率が９９％以上となり、第二の蛍光ＦＬ２に対する反射率が９９％以上となるものが実現可能であり、本実施形態に於いて採用されてよい。反射ミラー層６ａ（及び反射ミラー層６）は、例えば、誘電体多層膜或いはアルミニウム膜にて形成されてよく、第二の蛍光ＦＬ２及び／又は第一の蛍光ＦＬ１に対する反射率が９９％以上となるものが実現可能であり、本実施形態に於いて採用されてよい。誘電体多層膜には、具体的には、例えば、ＴｉＯ２やＨｆＯ２など透明で屈折率の高い材料と、ＳｉＯ２やＭｇＦ２など透明で屈折率の小さい材料とを交互に積層した膜であって、各層の膜厚が可視光の波長の１／４程度の厚みとして、所望の特性が得られるように設計された膜が用いられる。
【００３４】
上記の実施形態に於いて、チャンバ８内に充填される第二の蛍光物質ＦＭ２が分散された媒質は、例えば、第二の蛍光物質ＦＭ２が分散又は溶解可能であり、部分反射ミラー層７及び反射ミラー層６ａを変成又は腐食せず、第一及び第二の蛍光を透過する任意の液体であってよく、その場合、チャンバ内に光導波路部３が巻装された状態で、第二の蛍光物質ＦＭ２が分散された媒質は、チャンバ内全域に充填されてよい（これにより、光導波路部３は、第二の蛍光物質ＦＭ２が分散された媒質に囲繞された状態となる。）。第二の蛍光物質を分散する媒質には、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ヘキサン、トルエン、ベンゼン、アセトン、ベンジルアルコール、メタクリル酸メチル、水などが用いられてよい。第二の蛍光物質ＦＭ２には、その吸収波長帯域が第一の蛍光物質ＦＭ１が放出する第一の蛍光ＦＬ１の波長帯域を含む任意の蛍光物質が選択されてよい。第一の蛍光物質及び第二の蛍光物質の利用可能な組み合わせとしては、具体的には、例えば、クマリン６（吸収波長４４３ｎｍ、発光波長５０５ｎｍ）及びローダミン６Ｇ（吸収波長５１０ｎｍ、発光波長５８０ｎｍ）、量子ドットＣｄＳｅ及びローダミン６Ｇ、量子ドットＣｄＳｅ及び量子ドットＰｂＳ、量子ドットＣｓペロブスカイト及び量子ドットＦＡペロブスカイトなどが用いることができる。
【００３５】
チャンバ８内に配置される光導波路部３に於いて、光導波路細線３ａは、図５（Ａ）に模式的に描かれている如く、その細線の周表面から光、特に第二の蛍光、の進入が可能であり、光導波路細線３aのコア部３ｃに含有される第三の蛍光物質に吸収され、出力として求める波長（第三の蛍光）で蛍光し、この求める波長の蛍光（第三の蛍光）のうち、細線の延在方向に進入した光が内部にて伝播できるように形成された光ファイバーやその他の任意のガラス製細線、樹脂製細線などであってよい。好適には、図示の如く、光導波路細線３ａが蛍光導光板２の縁面２ｃに対向して、蛍光導光板２の周方向に沿って、好適には、複数回、より好適には、密に（隣接する表面が互いに接するように）巻き付けられてよい（巻装されてよい）。そして、光導波路細線３ａの少なくとも一方の端面４が、内部を伝播してきた光が反射されずに射出できるように細かい凹凸状（擦り状）面に形成されていることが好ましい（もう一方の端面（図示せず）は、光が射出しないように、例えば、ＦＢＧ（ファイバーブラッググレーティング）を採用して、全ての光が反射されるようになっていてよい。）。
【００３６】
なお、図示していないが、蛍光導光板２の外周形は、多角形であってもよく、光導波路細線３ａは、屈曲可能な程度に於いて、蛍光導光板２の外周に沿うように巻装されてよい。蛍光導光板２の多角形の場合、複数の装置を或る面内に配列する際に、装置間の隙間を低減でき、互いに密に配置できる点で有利である。更に、蛍光導光板２に於いて、第一の蛍光物質ＦＭ１は、受光面２ａ上に或いは裏面２ｄ上に、例えば、第一の蛍光物質ＦＭ１が分散された薄膜を貼着又は形成することにより与えられてもよい。
【００３７】
装置の作動
図１（Ｂ）或いは図２を参照して、本実施形態による集光装置１の作動に於いては、まず、照射光ＳＬが蛍光導光板２内へ入射し、第一の蛍光物質ＦＭ１が励起され、これにより、第一の蛍光物質ＦＭから第一の蛍光ＦＬ１が放出されることとなる。ここで、照射光ＳＬは、典型的には、太陽光であってよいが、これに限定されず、任意の光源の放出する光であってもよいことは理解されるべきである。かかる機構によれば、例えば、太陽光など、照射光の波長帯域が広範囲に亘る場合、吸収可能な波長帯域が広く、蛍光の波長帯域が狭い蛍光物質を第一の蛍光物質ＦＭ１として用いると、照射光エネルギーの波長帯域の圧縮が為されることとなる（スペクトル圧縮）。即ち、太陽光などの照射光を一旦、第一の蛍光物質へ吸収させることにより、光エネルギーの波長帯域が圧縮され、これにより、特定の波長帯域に於けるエネルギー密度の増大が図られることとなる。
【００３８】
更に、蛍光導光板２内に於いて、照射光ＳＬにより励起された第一の蛍光物質ＦＭ１から放出される第一の蛍光ＦＬ１は、個々の蛍光物質に於いて等方的に放出されるところ、蛍光導光板２と外部との界面に於いては、蛍光導光板２の屈折率が外界（通常、空気）の屈折率よりも高いため、界面への入射角が臨界角よりも大きい光は、全反射されることとなる。そうすると、蛍光導光板２内全体に於いては、図１（Ｂ）に描かれている如く、第一の蛍光物質ＦＭ１から発せられた第一の蛍光ＦＬ１は、一部は、蛍光導光板２の受光面２ａから透過し得るが、殆どは、蛍光導光板２内で反射を繰り返し、最終的に、蛍光導光板２の縁面２ｃから射出することとなる。即ち、蛍光導光板２の縁面２ｃに第一の蛍光ＦＬ１が集光されることにより、照射光由来のエネルギーの濃縮が達成されることとなる。
【００３９】
かくして、蛍光導光板２に照射され、波長帯域が圧縮され、密度が濃縮された光のエネルギーは、蛍光導光板２の縁面２ｃから射出した後、その周囲に巻装された光導波路細線３ａへ入射させられ、光導波路細線３aのコア部３ｃに含有される第三の蛍光物質に吸収され、出力として求める波長で蛍光し、この求める波長の蛍光（第三の蛍光）のうち、細線の延在方向に進入した光が内部にて伝播させられることとなる。この点に関し、図６に例示されている如き、特許文献３に記載の太陽光励起レーザー装置に採用されている構成の場合には、蛍光導光板２の縁面２ｃを射出した蛍光ＦＬがそのまま光導波路用細線３ａへ入射するよう構成されていた。その際、光導波路細線３ａに入射する際の入射角によって、蛍光光線の一部は、そのまま、細線３ａ内に閉じ込められることとなるが、一部は、細線３ａを透過して光導波路細線３ａの外側へ透過してしまうこととなるので、光導波路部３を反射ミラー体６で囲み、外側へ透過した蛍光光線を光導波路細線３ａ内へ戻すよう構成されていた。しかしながら、「発明の概要」の欄にて説明されている如く、蛍光導光板２の縁面２ｃ上には、蛍光導光板２側から光導波路部３へ射出する蛍光ＦＬを通すために、（蛍光ＦＬを反射する）反射ミラー体又は反射ミラー層を配置することができないので、光導波路部３側から蛍光導光板２の縁面２ｃへ進む蛍光光線ＦＬ’を光導波路細線３ａ内へ戻すことができず、従って、蛍光光線ＦＬ’のエネルギーを、光導波路細線３ａ内に閉じ込めて取り出すことができなかった。
【００４０】
そこで、本実施形態に於いては、上記の如く、蛍光導光板２の縁面２ｃ上に蛍光導光板２の周縁に沿って画定されたチャンバ８を設け、チャンバ８内に光導波路細線３ａが巻装されてなる光導波路部３を配置し、第一の蛍光を吸収して第二の蛍光を放出する第二の蛍光物質ＦＭ２が分散された媒質にてチャンバ８内を充填し、蛍光導光板２の縁面２ｃに当接する周面が第一の蛍光ＦＬ１を透過し第二の蛍光ＦＬ２を反射する部分反射ミラー層７で覆われ、それ以外の周面が第二の蛍光ＦＬ２を反射する反射ミラー層６ａで覆われた構成が採用される。かかる構成により、図１（Ｂ）及び図２に描かれている如く、蛍光導光板２の縁面２ｃから射出した第一の蛍光ＦＬ１は、部分反射ミラー層７は通過可能なので、そこを通過してチャンバ８内へ入射し、チャンバ８内の第二の蛍光物質ＦＭ２に吸収され、第二の蛍光ＦＬ２が放出することとなる。即ち、チャンバ内に於いて、第一の蛍光ＦＬ１が第二の蛍光ＦＬ２へ変換されることとなる。ここで、上記から理解される如く、チャンバ８内の周面は、第二の蛍光ＦＬ２を反射する部分反射ミラー層７及び反射ミラー層６ａにて覆われていることから、第二の蛍光ＦＬ２はチャンバ８内にて多重に反射を繰り返すが、実質的に、チャンバ８へは流出せず、結局、光のエネルギーは、第二の蛍光ＦＬ２に変換されることで、チャンバ８内に閉じ込められることとなる。かくして、第二の蛍光ＦＬ２は、第二の蛍光物質ＦＭ２から放出された後、或いは、その後に部分反射ミラー層７及び／又は反射ミラー層６ａにて反射されるうちに、チャンバ８内にて巻装された光導波路細線３ａに入射し、内部に閉じ込められて伝播していくこととなる。特に、上記の構成に於いては、光のエネルギーが第二の蛍光ＦＬ２に変換され、これにより、チャンバ８の側から縁面２ｃを通って蛍光導光板２へ戻る光のエネルギーの流れが実質的に遮断されるので、その分、光導波路細線３ａ内に取り込まれるエネルギーが増大することが期待される。
【００４１】
上記の構成に於いて、チャンバの上下周面及び放射方向外側周面を覆う反射ミラー層６ａは、既に述べた如く、第二の蛍光だけでなく、好ましくは、第一の蛍光も反射するミラー層であってよい。その場合、蛍光導光板縁面２ｃからチャンバ８に進入した第一の蛍光ＦＬ１が、第二の蛍光物質ＦＭ２に吸収されずに、チャンバ８の上下周面又は放射方向外側周面に到達しても、反射ミラー層６ａにて反射されてチャンバ８内へ戻されることとなり、これにより、より多くの第一の蛍光ＦＬ１が第二の蛍光物質ＦＭ２に吸収され、第二の蛍光ＦＬ２へ変換されることとなる。
【００４２】
かくして、第二の蛍光ＦＬ２として光導波路細線３ａ内へ取り込まれた照射光由来の光エネルギーは、光導波路部３のコア部３ｃに含有される第三の蛍光物質に吸収され、出力として求める波長（第三の蛍光）で蛍光し、このうち、細線３ａ内の延在方向に進入した光が内部を伝播し、射出端４にて取り出させることとなる。
【００４３】
チャンバ構造の種々の実施形態
上記の本実施形態に於ける蛍光導光板２の周縁に沿って画定されるチャンバ８は、光導波路部３を内包し、周面が部分反射ミラー層７及び反射ミラー層６ａに覆われていれば、その断面形状は、図２の如きＵ字型に限らず、図３（Ａ）に例示されている如く、矩形状若しくはコの字型又はその他の任意の形状であってよい。また、蛍光導光板縁面２ｃからチャンバ８に進入した第一の蛍光ＦＬ１のエネルギーをより確実にチャンバ８内に閉じ込めるためには、第一の蛍光ＦＬ１がより確実に第二の蛍光ＦＬ２に変換されるようになっていればよく、そのためには、チャンバ８内の第一の蛍光ＦＬ１の進入する領域が第二の蛍光物質ＦＭ２が分散された媒質にて充填されればよい（チャンバ全域が第二の蛍光物質ＦＭ２の分散された媒質で充填されていなくてもよい。）。従って、例えば、第二の蛍光物質ＦＭ２の分散された媒質は、図３（Ｂ）の如く、蛍光導光板２の縁面２ｃに当接するチャンバ８の放射方向内側周面或いは第一の蛍光ＦＬ１が透過してくる部分反射ミラー層７を覆うように配置された固体媒質９であってもよく、或いは、図３（Ｃ）の如く、更にチャンバ８の上下周面も覆うように配置された固体媒質９であってもよい。かかる固体媒質９は、第一及び第二の蛍光を透過する任意の樹脂、ガラス等の材料にて調製されてよい。更にまた、図３（Ｄ）に模式的に描かれている如く、光導波路細線３ａが第二の蛍光物質ＦＭ２の分散された第一及び第二の蛍光を透過する媒質９にて被覆され、これにより、光導波路細線３ａが媒質に囲繞されるようになっていてよい。なお、光導波路細線３ａへの第一の蛍光ＦＬ１の取り込みを回避したい場合には、図３（Ｄ）に描かれている状態と同様の態様にて、光導波路細線３ａが第二の蛍光ＦＬ２を透過し第一の蛍光ＦＬ１を反射する物質で被覆されていてもよい。
【００４４】
ところで、図１（Ｂ）及び図２に例示の実施形態の如く、蛍光導光板２に於いて、受光面２ａと裏面２ｄとの間を接続する縁面２ｃが受光面２ａと裏面２ｄとの双方に交差する方向に延在している場合には、縁面２ｃ及びチャンバ８の幅（受光面２ａと裏面２ｄとを接続する方向の長さ）は、受光面２ａと裏面２ｄとの間の距離に制約されることとなり、縁面２ｃが受光面２ａと裏面２ｄとに対して垂直に延在している場合には、縁面２ｃ及びチャンバ８の幅は、受光面２ａと裏面２ｄとの間の距離に一致せざるをえなくなる。その場合、チャンバ８内にて光導波路細線３ａを巻装する領域も制限されることがある。
【００４５】
そこで、本実施形態のもう一つの態様に於いては、図４（Ａ）又は（Ｃ）に模式的に描かれている如く、蛍光導光板２に於いて、縁面２ｃが裏面２ｄと同一面内に延在し、受光面２ａの周縁領域が裏面２ｄに近づく方向に屈曲又は湾曲して縁面２ｃに接続し、縁面２ｃに当接するチャンバ８が裏面２ｄに対して垂直の方向に（受光面２から離れる方向に）突出して画定される構成が採用される。かかる構成によれば、縁面２ｃの幅は、受光面２ａと裏面２ｄとの間の距離に制約されず、受光面２ａと裏面２ｄとの間の距離よりも長く又は短く設定することが可能となる。ただし、図４（Ａ）又は（Ｃ）に描かれている如く、受光面２ａの周縁領域がその中央領域に対して屈曲又は湾曲している場合には、その屈曲又は湾曲した周縁領域から射出してしまう第一の蛍光の量が多くなり得る。そこで、図示の如く、受光面２ａの屈曲又は湾曲した周縁領域の表面は、少なくとも第一の蛍光ＦＬ１を実質的に反射する反射ミラー層１０にて覆われていることが好ましい。反射ミラー層１０は、例えば、図４（Ｂ）に示されている如く、第一の蛍光ＦＬ１及びそれよりも長い波長帯域の光を実質的に反射し、第一の蛍光ＦＬ１よりも短い波長帯域の光を実質的に透過するものであってよく、その場合、照射光のうち、第一の蛍光ＦＬ１よりも短い波長帯域の光成分は、受光面２ａの周縁領域からも進入することとなる。反射ミラー層１０も部分反射ミラー層７と同様に典型的には、誘電体多層膜にて形成されてよく、第一の蛍光ＦＬ１に対する反射率が９９％以上となるものが実現可能であり、本実施形態に於いて採用されてよい。なお、反射ミラー層１０は、受光面２ａの周縁領域にのみ適用される場合には、第一の蛍光ＦＬ１以外の光も反射するミラー層であってもよい。
【００４６】
また、図４（Ｄ）に例示されている如く、反射ミラー層１０は、受光面２ａの全域を覆う形状になっていてもよい。その場合、受光面２ａから流出する第一の蛍光ＦＬ１の量が低減され、その分、縁面２ｃから射出する第一の蛍光ＦＬ１の量の増大が期待される。受光面２ａの全域を反射ミラー層１０で覆う構成は、図１〜図３の如く、蛍光導光板２に於いて、受光面２ａと裏面２ｄとの間を接続する縁面２ｃが受光面２ａと裏面２ｄとの双方に交差する方向に延在している構成に適用されてもよく、その場合も本発明の範囲に属することは理解されるべきである。
【００４７】
光励起レーザー装置への適用
上記の本実施形態の集光装置に於いて、光導波路細線３ａとして、ファイバーレーザーに利用可能な光ファイバーを採用し、蛍光導光板２の受光面２ａと縁面２ｃとの面積比を、特許文献３に記載されている如くレーザー発振の条件が充足されるように設計することにより、太陽光などの照射光をエネルギー源とした光励起レーザー装置が提供される。
【００４８】
光導波路細線３ａに採用される光ファイバー３ａは、図５（Ａ）に模式的に描かれている断面図にて示されている如く、レーザー媒質ＬＭがドープされた透明材料にて形成されコア部３ｃがその外周にてコア部３ｃよりも屈折率の低い透明材料にて形成されたクラッド部により囲繞された構成を有し、図５（Ｂ）に描かれている如く（簡単のためチャンバが省略して描かれている。）、光ファイバー３ａの両端４、５に於いて、光ファイバー内を伝播する光（少なくともレーザー媒質が放出する光の波長帯域の成分）を反射する反射手段が設けられるようになっていてよい。反射手段には、ファイバーレーザーに於いて、通常使用されている方式、例えば、ＦＢＧ（ファイバーブラッググレーティング）が採用されてよい。また、これらの反射手段の反射率について、レーザー光の射出端となる端部４に於いては、光ファイバー内を伝播する光の一部が透過するように調整される。具体的には、反射率は、全ての光を反射させるための端部５に於いては、９９．９９９％（端部から励起光を入射させる必要がないので、励起光が透過するようになっている必要はない。）などとなり、レーザー光を取り出す側の端部４に於いては、９０％などとなるように調整されてよい。更に、本実施形態の集光装置１に於いては、チャンバ８内で放出された第二の蛍光ＦＬ２を巻装された光ファイバー３ａの外周の表面から進入させることとなるので、クラッド部の表面は、被覆がない状態とするか、被覆がされたとしても、その材料として第二の蛍光の波長の光を透過させるものが採用される。クラッド部は、複数の層にて構成されていてもよい。光ファイバー３ａとしては、具体的には、１００ｍ以上の連続した１本のファイバーであって、石英ガラスにて形成された直径Ｄｃｏ：１０−２０μｍのコア部３ｃと直径Ｄｃｌ：１２５μｍのクラッド部から成り、コア部の材料が、レーザー媒質として、Ｎｄ３＋が０．５％にてドープされたもの透明な物質であり、コア／クラッド屈折率差が１％程度、レーザー光波長（レーザー媒質の放出光波長）付近に於ける内部損失が３０ｄＢ／ｋｍ（１×１０−６ｃｍ−１）未満のものが採用されてよい。
【００４９】
本実施形態による光励起レーザー装置１でのエネルギーの流れに於いては、まず、太陽光などの照射光ＳＬが蛍光導光板２内へ入射し、第一の蛍光物質ＦＭ１が励起され、第一の蛍光物質ＦＭ１から第一の蛍光ＦＬ１が放出される。第一の蛍光ＦＬ１は、部分反射ミラー層７を通過してチャンバ８内へ進入すると、第二の蛍光物質ＦＭ２に吸収され、第二の蛍光物質ＦＭ２から第二の蛍光ＦＬ２が放出される。第二の蛍光ＦＬ２は、チャンバ８内に閉じ込められるので、第二の蛍光物質ＦＭ２からの放出後又はその後ミラー層で多重に反射された後、光ファイバー３ａに進入してコア部３ｃにドープされたレーザー媒質ＬＭを励起し（ポンピングし）、これにより、レーザー媒質ＬＭからの放出光ＬＬがレーザー発振に利用されることとなる。かかる構成に於いては、既に述べた如く、本実施形態の集光装置に於いては、太陽光などの照射光ＳＬのエネルギーは、第一の蛍光物質による波長の変換及びスペクトル圧縮の作用と、蛍光導光板２内に於ける縁面２ｃへの集光作用との二つの段階で、エネルギー密度が濃縮されて、チャンバ８内へ移動し、そこで、第二の蛍光物質による波長の変換とチャンバ８内での光エネルギーの閉じ込めと多重反射により、より効率的に光エネルギーがファイバーレーザーとして機能する光ファイバー３ａへ与えられることとなる。この構成に於いては、蛍光導光板２の縁面２ｃから射出した光のエネルギーの蛍光導光板２への逆流が阻止又は抑制されるので、その分、より多くの光エネルギーが光ファイバー３ａへ取り込まれ、レーザー発振がより容易に実現でき、端面にて取り出せるレーザー光の出力の増大が期待される。蛍光導光板の具体的な寸法、光ファイバー３ａの巻数等の条件は、特許文献３に記載されている如く、ファイバーレーザーの小信号利得が光ファイバー３ａのレーザー発振波長に於ける内部損失より大きくなり、レーザー発振を達成するように選択される。
【００５０】
以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。
【図１】
2020065027.tif 000003
【図２】
2020065027.tif 000004
【図３】
2020065027.tif 000005
【図４】
2020065027.tif 000006
【図５】
2020065027.tif 000007
【図６】
2020065027.tif 000008