(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
色素フローセルと、この色素フローセルにレーザ媒体である色素溶液を循環させる色素溶液循環装置とを備え、前記色素溶液循環装置が上記色素溶液を蓄えるタンク、色素レーザ装置に色素溶液を循環する循環ポンプ、色素溶液の温度を制御する冷却加熱装置、色素溶液内の不純物を濾過するフィルター、および色素溶液の循環流量と温度を制御する制御装置を具備する色素レーザ装置において、
上記色素溶液循環装置は、
排出及び投入色素溶液量をｖ、
ＮＤを劣化色素分子数（Ｎ０（ｔ０）＋ＮＤ（Δｔ））、
Ｎ０＝ｎ０×Ｖｔを循環装置内初期色素分子数、
ｔ０を初期時間（排出及び投入運転開始までの累積運転時間）、
ｎ０を初期濃度（Ｎ０／Ｖｔ）、
Δｔを排出及び投入インターバル、
Ｖｔを色素溶液循環装置内の色素溶液全量、
ｎｉを投入色素の濃度、
とするとき、
ｖ＝ＮＤ（Δｔ）Ｖｔ／｛（ｎｉ−ｎ０）Ｖｔ＋ＮＤ（Δｔ）｝
により、所定時間ごとに一定量の色素溶液を排出し且つ一定量の色素溶液を投入する手段を備えていることを特徴とする色素レーザ装置。
【請求項２】
一定量の色素溶液の投入及び排出を行うために、色素溶液投入用タンク、色素溶液投入装置、色素溶液排出タンクおよび色素溶液排出装置を具備したことを特徴とする請求項１に記載の色素レーザ装置。
【請求項３】
色素溶液投入装置および色素溶液排出装置は、弁とポンプからなり外部制御により、色素溶液の排出および投入を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の色素レーザ装置。
【請求項４】
色素溶液の排出量および投入量を制御して、色素溶液循環装置内の色素溶液の濃度を一定に保つことを特徴とする請求項１ないし３のいづれかに記載の色素レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、色素レーザ装置に係わり、とくにその色素溶液循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
色素をレーザ媒質とする色素レーザ装置は、例えばエタノール等の媒質に色素を溶かした色素溶液を、循環流量や溶液温度を一定に保ちながらガラス製のフローセル内に循環させている。
【０００３】
色素レーザＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）装置は、循環している色素溶液に、発振器または前段増幅器から出射された色素レーザ光を通過させると同時に、励起レーザ光である例えば銅蒸気レーザ光を照射することによって、レーザ光出力を増幅している。
【０００４】
ところで、色素レーザ装置を連続してあるいは積算により長時間運転すると、色素溶液が劣化して色素溶液中の色素濃度が低下することにより蛍光強度が低下してレーザ光出力が低下することが知られている。
【０００５】
このため、レーザ出力が所定値よりも低下した場合に、色素溶液に色素を追加投入することで色素濃度を元に戻し、これによってレーザ出力の低下を抑制している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した色素を追加する方法では、単純に色素を追加投入するだけであるため、色素溶液中に劣化色素が留まり、劣化色素による蛍光の吸収により色素全体の蛍光強度が低下して、色素濃度を元に戻しても、レーザ光出力が元に戻らないという問題がある。
【０００７】
この発明は、上記問題点に基づきなされたもので、色素溶液循環形の色素レーザ装置において、レーザ光出力の低下を抑制可能な色素溶液循環装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、色素フローセルと、この色素フローセルにレーザ媒体である色素溶液を循環させる色素溶液循環装置とを備え、前記色素溶液循環装置が上記色素溶液を蓄えるタンク、色素レーザ装置に色素溶液を循環する循環ポンプ、色素溶液の温度を制御する冷却加熱装置、色素溶液内の不純物を濾過するフィルター、および色素溶液の循環流量と温度を制御する制御装置を具備する色素レーザ装置において、
上記色素溶液循環装置は、
排出及び投入色素溶液量をｖ、
ＮＤを劣化色素分子数（Ｎ０（ｔ０）＋ＮＤ（Δｔ））、
Ｎ０＝ｎ０×Ｖｔを循環装置内初期色素分子数、
ｔ０を初期時間（排出及び投入運転開始までの累積運転時間）、
ｎ０を初期濃度（Ｎ０／Ｖｔ）、
Δｔを排出及び投入インターバル、
Ｖｔを色素溶液循環装置内の色素溶液全量、
ｎｉを投入色素の濃度、
とするとき、
ｖ＝ＮＤ（Δｔ）Ｖｔ／｛（ｎｉ−ｎ０）Ｖｔ＋ＮＤ（Δｔ）｝
により、所定時間ごとに一定量の色素溶液を排出し且つ一定量の色素溶液を投入する手段を備えていることを特徴とする色素レーザ装置である。
【０００９】
すなわち、この発明は、色素溶液循環形の色素レーザ装置に利用される色素溶液循環装置を、色素溶液の一定量の入れ換え（投入及び排出）可能とし、新規色素を追加しながらほぼ同量の劣化色素を排出することで、色素溶液中に劣化色素が増加することを抑制し、発光されるレーザ光の出力が低下することを防止するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の実施の形態が適用される色素レーザ（ＭＯＰＡ）システムの一例を説明する概略図である。
【００１１】
図１に示されるように、色素レーザシステム（ＭＯＰＡシステム）１００は、励起レーザ光１０を発振する例えば銅のような金属蒸気レーザ装置１、この銅蒸気レーザ装置１により発振された励起レーザ光１０により励起されて色素レーザ光１２を発振する色素レーザ発振器２、この色素レーザ発振器２により発振された色素レーザ光１２を、同じく銅蒸気レーザ装置１からの励起レーザ光１０により増幅する色素レーザ増幅器３、この色素レーザ増幅器３から出射された色素レーザ光１２を、同様に増幅する色素レーザ増幅器４、およびこの色素レーザ装置４により増幅された色素レーザ光１２を、さらに増幅する色素レーザ増幅器５を有する。
【００１２】
なお、色素レーザ装置５と色素レーザ増幅器４との間には、要求される出力レーザ光１２の強度に応じて複数（任意台数）の色素レーザ増幅器が直列に挿入されてもよい。また、色素レーザ増幅器３、４、５は、実質的に同一の装置が利用されてもよい。
【００１３】
色素レーザ発振器２、色素レーザ増幅器３、４、５のそれぞれには、色素溶液を循環させる色素溶液循環装置６，７，８および９が設けられている。これら色素レーザ発振器２、および各色素レーザ増幅器３，４および５に供給される色素溶液は、色素溶液循環装置６，７，８および９によって、色素レーザ発振器２および各色素レーザ増幅器３，４および５の色素フローセル１３内を循環する。なお、色素溶液循環装置６，７，８および９は、実質的に同一の構成でよい。
【００１４】
銅蒸気レーザ装置１からの励起レーザ光１０は、励起レーザ光入射光学系１１によって、色素レーザ発振器２および各色素レーザ増幅器３，４および５に入射される。
【００１５】
色素レーザ発振器２で発振された色素レーザ光１２は、各色素レーザ増幅器３，４および５を通過するごとに、周波数精度およびレーザ光品質（波面精度等）が安定化されるとともに高出力化されて、色素（ＭＯＰＡ）システム１００からのレーザ光１２ａとして、出射される。
【００１６】
図２は、図１に示した色素レーザ（ＭＯＰＡ）システム１００の色素レーザ発振器２および色素レーザ増幅器３，４および５のそれぞれに、所定の濃度の色素溶液を供給する色素溶液循環装置６，７，８および９の一例を示す概略図である。なお、以下、１つの色素溶液循環装置を代表させて説明する。
【００１７】
図２に示されるように、色素溶液循環装置は、循環装置内を循環する色素溶液を収容するメインタンク２１、メインタンク２１に収容されている色素溶液を図１に示した色素レーザ発振器２および各色素レーザ増幅器３，４および５のそれぞれの色素フローセル１３に送出する循環ポンプ２２、循環ポンプ２２にて循環されている色素溶液の温度を調節する温度調節器すなわち冷却加熱装置２３からなる基本ループ２４を有している。
【００１８】
なお、基本ループ２４には、基本ループ２４内すなわちフローセル１３を流れる色素溶液の流量を制御する入り口弁２５および出口弁２６、同フローセル１３に流入する色素溶液の流量をモニタする流量計２７、同フローセル１３の入力側の色素溶液の圧力を監視する入り口側圧力計２８、および同フローセル１３の出口側の色素溶液の圧力を監視する出口側圧力計２９が直列に挿入されている。
【００１９】
また、基本ループ２４の入り口弁２５および出口弁２６との間であって、フローセル１３が位置する側のループには、基本ループ２４内を流れる色素溶液中の不純物を除去するフィルター３０とフィルター３０への色素溶液の流入を制御する入り口側調整弁３１および同フィルター３０からの色素溶液の流出を制御する出口側調整弁３２が、フローセル１３と並列に接続されている。
【００２０】
メインタンク２１にはまた、基本ループ２４内を流れる色素溶液に未劣化の色素溶液を補充するための色素溶液投入タンク３３、この色素溶液投入タンク３３からメインタンク２１へ未劣化の色素溶液を投入する流量を制御する色素溶液投入弁３４、基本ループ２４内を流れる色素溶液から所定時間使用後の劣化色素を含む色素溶液を排出させる色素溶液排出弁３５、およびこの色素溶液排出弁３５により基本ループ２４から排出された色素溶液が貯留される色素溶液排出タンク３６が接続されている。なお、色素溶液投入弁３４とメインタンク２１との間には、未劣化の色素溶液の流量を監視する投入側流量計３７が、メインタンク２１と色素溶液排出弁３５との間には、排出された色素溶液の流量を監視する排出側流量計３８が、それぞれ配置されている。また、色素溶液排出タンク３６の下流側には、色素溶液排出タンク３６に貯留された劣化色素溶液を蒸留し、排出した色素溶液に含まれる劣化色素と色素を溶かしている溶媒とを分離して溶媒を再利用する蒸留・分離装置３９と、色素溶液排出タンク３６から蒸留・分離装置３９へ劣化色素溶液と流入させるドレン弁４０が設けられている。
【００２１】
次に、色素溶液循環装置の制御について説明する。
【００２２】
図２に示した色素溶液循環装置において、定常時は、メインタンク２１→循環ポンプ２２→色素フローセル１３→温度調節器（冷却加熱装置）２３→メインタンク２２という基本ループ２４を色素溶液が循環される。このとき、流量計２７により計数されたフローセル１３に流入する色素溶液の流量が制御装置４１に、逐次入力され、制御装置４１の制御により循環ポンプ２２の送出量が制御されて、基本ループ２４を流れる色素溶液の流量が所定の範囲内に維持される。なお、基本ループ２４内を流れる色素溶液の温度は、制御装置４１の制御により動作する冷却加熱装置２３により加熱または冷却され、所定の温度に維持される。
【００２３】
一方、劣化色素溶液の排出及び未劣化色素溶液の投入時間に達すると、制御装置４１によって、以下に詳述する色素溶液排出及び投入制御が開始される。
【００２４】
まず、色素溶液循環装置の色素溶液排出弁３５が開放され、メインタンク２１と基本ループ２４内の劣化色素溶液が色素溶液排出タンク３６に排出される。
【００２５】
続いて、流量計３８によって排出溶液量が監視され、排出量が設定値に達したところで色素溶液排出弁３５が閉じられる。
【００２６】
次に、色素溶液投入弁３４が開放され色素溶液投入用タンク３３内の未劣化色素溶液がメインタンク２１に投入される。
【００２７】
続いて、流量計３４により投入溶液量が監視され、投入量が設定値に達したところで色素溶液投入弁３４が閉じられる。
【００２８】
なお、色素溶液投入弁３４および色素溶液排出弁３５が閉じられるタイミングは、色素溶液の排出及び投入インターバル、排出及び投入量、および投入色素溶液の濃度から予め計算により求められ、制御装置４１に入力される。また、色素溶液投入用タンク３３には、計算から求めた濃度の投入用色素溶液が予め投入されている。
【００２９】
以上の動作を繰り返し行うことにより、劣化色素が所定割合で排出され、同時に未劣化色素が所定量の投入され、色素濃度が一定に維持される。これにより、レーザ出力が低下することが防止される。すなわち、色素レーザＭＯＰＡ装置において、累積または連続で長時間運転を実施するときに、色素溶液の劣化による色素濃度の低下が抑制され、レーザ出力が安定に制御される。
【００３０】
以下、上述した劣化色素溶液の排出と未劣化色素溶液の投入ルーチンについて、詳細に説明する。
【００３１】
まず、色素溶液の劣化と各物理定数の関係を以下に述べる。
【００３２】
励起レーザ光が入射する毎に励起領域内の色素分子がある確率（劣化量子収率：Ｑｍ）で失われるとしたとき、劣化量子収率Ｑｍは、
Ｑｍ
＝色素分子の劣化比率  ／色素１分子が吸収した励起レーザ光光子数  ・・・１
と定義される。
【００３３】
これより、励起領域内における励起レーザ光１パルス毎での劣化を考えると、
0003607506.tif 000002
が得られる。
【００３４】
ここで、
0003607506.tif 000003
から
0003607506.tif 000004
であり、
0003607506.tif 000005
である。
【００３５】
以上により、
Ｑｍ＝ＮＤ′／（ｉＰ０  ×ｔｐ×Ｕ）    ・・・６
を得る。
【００３６】
次に、運転時間（励起レーザ光照射時間）ｔにおける劣化色素分子数ＮＤ（ｔ）を導出する。
【００３７】
ＮＤ′を定義することにより、ＮＤ（ｔ）は、
0003607506.tif 000006
と書き表せる。
【００３８】
また、（６）式より、
ＮＤ（ｔ）＝Ｑｍ×ｉＰ０  ×ｔｐ×ｆ×Ｕ×ｔ  ・・・８
が導かれる。
【００３９】
ここで、励起レーザ光パルスエネルギーをｊＰ０  とすると、
0003607506.tif 000007
である。
【００４０】
よって、
ＮＤ（ｔ）  ＝Ｑｍ×Ｕ×ｊＰ０  ×ｆ×ｔ×λｐ／（ｈ×ｃ）  ・・・１０
が得られる。
【００４１】
さらに、時刻ｔにおける累積照射エネルギーをＪとすると、
Ｊ＝ｊＰ０  ×ｆ×ｔ                  ・・・１１
であるから、
ＮＤ（ｔ）＝Ｑｍ×Ｕ×Ｊ×λｐ／（ｈ×ｃ）  ・・・１２
が得られる。
【００４２】
以上により、劣化色素分子数ＮＤ（ｔ）は、劣化量子収率Ｑｍ、励起レーザ光吸収率Ｕおよび累積照射エネルギ−Ｊに比例することが認められる。
【００４３】
次に、色素濃度変化率を計算する。
【００４４】
色素溶液循環装置内の全溶液量をＶｔとすると、初期色素分子数Ｎ０  は、
0003607506.tif 000008
により与えられる。
【００４５】
（１２）式、（１３）式より、運転時間ｔにおける色素濃度ｎ（ｔ）および初期色素濃度からの変化率ε（ｔ）は、
0003607506.tif 000009
と示される。
【００４６】
よって、劣化量子収率、励起レーザ光のエネルギー、初期色素濃度などを定数とすると、運転時間と劣化時の濃度または運転時間と濃度変化率の関係がわかり、色素レーザＭＯＰＡ装置運転時における色素劣化による色素濃度低下を算出することができる。
【００４７】
このことから、色素レーザＭＯＰＡ装置を運転しながら色素溶液の一定量排出および投入を所定時間ごとに繰り返すことで色素の補充と劣化色素の排出が可能となり、色素溶液内の劣化色素の割合を抑えてレーザ出力の低下を抑えることができる。
【００４８】
この方式の計算モデルを図３に示す。
ここでは、色素溶液の排出量と投入量を等しくした方式について述べる。
【００４９】
初期状態（未劣化とする）を、▲１▼とする。
【００５０】
所定時間経過時の色素溶液状態は、▲２▼に示すように、劣化色素分子と未劣化色素分子の２つとなる。
【００５１】
溶液一部の排出時▲３▼においては、▲２▼の劣化色素分子と未劣化色素分子から同じ割合でその一部が排出色素として失われる。
【００５２】
溶液投入時▲４▼において、▲３▼で排出した量と同じ量の色素溶液が投入される（よって、▲２▼の状態より未劣化分子が増加するため色素濃度は濃くなる）。
【００５３】
このとき、排出量＝投入量であるため色素の全量は常に一定となる。
【００５４】
以上の動作を一定時間間隔（インターバル）で繰り返し行い色素の劣化を抑える。
【００５５】
このときの色素濃度と色素投入溶液および投入時間間隔、劣化色素と未劣化色素の割合などの関係について、以下に説明する。
【００５６】
１）排出及び投入を１回実施した際の色素濃度、劣化色素分子数等の関係
運転時間ｔ＝ｔ０  ＋Δｔにおける未劣化色素分子数ＮＲ（ｔ０  ＋Δｔ）および劣化色素分子数ＮＤ（ｔ０  ＋Δｔ）は、
0003607506.tif 000010
により示される。
【００５７】
以下、排出量をｖ、色素溶液循環装置内の色素溶液全量をＶｔとすると、排出後の未劣化色素分子数ＮＲ（ｔ０  ＋Δｔ）′および劣化色素分子数ＮＤ（ｔ０＋Δｔ）′は、
ＮＲ（ｔ０  ＋Δｔ）′
＝ＮＲ（ｔ０  ＋Δｔ）（１−ｖ／Ｖｔ）・・・１９
ＮＤ（ｔ０  ＋Δｔ）′
＝ＮＤ（ｔ０  ＋Δｔ）（１−ｖ／Ｖｔ）・・・２０
と書き表される。
【００５８】
また、投入量をｖ、投入色素の濃度をｎｉ  とすると、投入後の未劣化色素分子数ＮＲ（ｔ０  ＋Δｔ）″および劣化色素分子数ＮＤ（ｔ０＋Δｔ）″は、
ＮＲ（ｔ０  ＋Δｔ）″
＝ＮＲ（ｔ０  ＋Δｔ）′＋ｎｉ  ｖ      ・・・２１
ＮＤ（ｔ０  ＋Δｔ）″
＝ＮＤ（ｔ０  ＋Δｔ）′              ・・・２２
により示される。
【００５９】
よって、排出及び投入後の色素溶液の濃度ｎＲ（ｔ０  ＋Δｔ）″は、
0003607506.tif 000011
と示される。
【００６０】
このときの劣化色素分子数と未劣化色素分子数の比をαとしてこれを劣化分子数割合とすると、
0003607506.tif 000012
と表される。
【００６１】
２）排出及び投入をｎ回繰り返した際の任意時刻における色素濃度、劣化色素分子数等の関係式
循環装置内の色素溶液濃度を一定に保ちながら色素の排出と投入を行うには、インターバルΔｔにおいて、排出および投入が完了した時、未劣化色素分子数ＮＲ（ｔ０  ＋Δｔ）″が常に初期色素分子数Ｎ０  と一致するように投入色素溶液の濃度ｎｉ  、投入量ｖを定める必要がある。
【００６２】
この条件では、（２３）式において、  ｎ０  （ｔ０  ）−ｎ０  であり、
ｎＲ（ｔ０  ＋Δｔ）″＝ｎ０  
＝｛（Ｎ０  −ＮＤ（Δｔ））  ×（１−ｖ／Ｖｔ）＋ｎｉ  ・ｖ｝／Ｖｔ  ・・・２５
が満足される。ただし、ｎ０  は、初期色素濃度（＝Ｎ０  ／Ｖｔ）である。
【００６３】
またこれより、排出及び投入色素溶液量ｖは、
ｖ
＝ＮＤ（Δｔ）Ｖｔ  ／｛（ｎｉ  −ｎ０  ）Ｖｔ＋ＮＤ（Δｔ）｝  ・・・２６
により表される。
【００６４】
このとき、（２４）式の分母は、Ｎ０  であるから、劣化分子数割合αは、
α（ｔ０  ＋Δｔ）
＝ＮＤ（ｔ０  ＋Δｔ）″／Ｎ０  
＝（Ｎ０  ＋ＮＤ（Δｔ））（１−ｖ／Ｖｔ）／Ｎ０    ・・・２７
で示される。
【００６５】
次に、任意時刻ｎΔｔにおける排出及び投入後の劣化分子数ＮＤ（ｎΔｔ）″を導出する。
【００６６】
まず、ｔ＝２Δｔ（排出及び投入を２回実施後）で考えると、
ＮＤ（２Δｔ）
＝ＮＤ（Δｔ）＋ＮＤ（Δｔ）″
＝ＮＤ（Δｔ）  ×｛１＋（１−ｖ／Ｖｔ）｝        ・・・２８
より
ＮＤ（２Δｔ）″
＝ＮＤ（２Δｔ）′
＝ＮＤ（２Δｔ）（１−ｖ／Ｖｔ）
＝ＮＤ（Δｔ）  ×｛（１−ｖ／Ｖｔ）＋（１−ｖ／Ｖｔ）２  ｝  ・・・２９
が導き出される。
【００６７】
同様に、ｔ＝３Δｔ（排出及び投入を３回実施後）では、
ＮＤ（３Δｔ）″
＝ＮＤ（Δｔ）
×｛（１−ｖ／Ｖｔ）  ＋（１−ｖ／Ｖｔ）２  ＋（１−ｖ／Ｖｔ）３  ｝  ・・・３０
となる。
【００６８】
以上より、任意時刻ｎΔｔにおける排出及び投入後の劣化分子数ＮＤ（ｎΔｔ）″は、
【数１】
0003607506.tif 000013
【００６９】
により示される。
【００７０】
また、任意時刻ｎΔｔにおける劣化分子数割合α（ｎΔｔ）は、
α（ｎΔｔ）
＝（ＮＤ（Δｔ）／Ｎ０  ）  ×（Ｖｔ／ｖ）｛１−（１−ｖ／Ｖｔ）ｎ  ｝  ・・・３２
より、
ｎ  →  ∞  ならば、αは一定値に収束し、
α（ｎ→∞）
＝（ＮＤ（Δｔ）／Ｎ０  ）（Ｖｔ／ｖ）  ・・・３３
となる。
【００７１】
これより、排出及び投入方式の色素溶液循環装置では、劣化分子の比率を一定値内に制御したまま、色素濃度の維持が可能である。
【００７２】
このときの溶液排出量（＝投入量）Ｖｃは、
Ｖｃ＝ｎｖ                        ・・・３４
となる。
【００７３】
３）実用時の計算式
投入する色素溶液の濃度ｎｉ  を、
ｎｉ  ＝βｎ０  
β：濃縮係数                    ・・・３５
とすると、（２６）式は、
ｖ
＝ＮＤ（Δｔ）Ｖｔ  ／｛（β−１）Ｎ０  ＋ＮＤ（Δｔ）｝  ・・・３６
に変形される。
【００７４】
ここで、分母に着目するとβ＝１でなければ、制御のインターバルが数十〜数百時間の範囲においては、初期分子数に対して劣化分子数はその数としては十分少ないことから、
（β−１）Ｎ０    ＞＞  ＮＤ（Δｔ）  ・・・３７
が満足される。
【００７５】
これより、
ｖ  ＮＤ（Δｔ）Ｖｔ／｛（β−１）Ｎ０  ｝  ・・・３８
であり、（３７）式より
ｖ  ＜＜  Ｖｔ                      ・・・３９
が導かれる。
【００７６】
（３８）式を（３３）式に代入すると、
α（ｎ→∞）＝β−１                ・・・４０
が得られる。
【００７７】
一方、（３９）式により、（３２）式は、
α（ｎΔｔ）
＝ｎ・ＮＤ（Δｔ）／Ｎ０    （    （１−Ｃ）ｎ    １−ｎＣ）    ・・・４１
に近似される。
【００７８】
ｎ・ＮＤ（Δｔ）は、溶液を入れ換えない条件としたときのｔ＝ｎΔｔにおける劣化分子数に、ほぼ等しい。
【００７９】
よって、α（ｎΔｔ）を与えた時の所要インベントリＶｔは、
Ｖｔ＝ｎ−ＮＤ（Δｔ）／（α・ｎ０  ）  ・・・４２
により示される。
【００８０】
すなわち、最終的な劣化分子数の比率は、色素レーザの運転条件（出力規模、劣化量子収率など）と総溶液量Ｖによって決まり、入れ換え条件（インターバルΔｔ、投入及び排出量ｖ、投入色素濃度ｎｉ  ）に依存しない。
【００８１】
よって、劣化分子数割合は、所要インベントリＶに依存するため、元の溶液量を多くして入れ換え量を少なくする方法と、元の溶液量を少なくして入れ換え量を多くする方法の２通りの選択が可能となる。
【００８２】
また、入れ換え条件としては、濃度の高い溶液を使用すれば、溶媒の消費量を削減できる（    Ｖｃ＝ｎ・ｖ）。
【００８３】
一方、色素濃度を一定に保ったまま劣化分子数の比率を抑える楊合には、投入色素濃度と投入及び排出量が劣化分子数割合に関係し、例えば元の色素溶液量が少ない条件で投入色素濃度を濃くして一回の投入及び排出量を少なくすると、総溶液量としては少なくなるため色素濃度は一定に保てるが劣化分子数割合を低く抑えることができない。従って、投入色素溶液の濃度を高くして、投入及び排出量を少なくする場合には、元の溶液量を多くする必要がある（ケース１）。
【００８４】
逆に、元の溶液量を少なくする場合には、投入溶液の濃度を低めにして、投入及び排出量を多くする必要がある（ケース２）。
【００８５】
なお、ケース１、ケース２のいずれにおいても、劣化分子数割合が同じ場合には、必要となる溶液の総量は同じである。
【００８６】
ここで、以下に示す色素レーザ運転時の各定数例と、（１２）式、（３８）式、（３２）式を用いて、連続２００時間運転時におけるこの発明方式での劣化分子数割合を算出する。なお、劣化量子収率Ｑｍは、実験的に求めた値を用いている。
【００８７】
図４は、上述した方法により求められる劣化分子数の割合を示すグラフである。
【００８８】
比較のため、下記定数を用いて色素濃度を一定に保つように色素の投入のみを行った従来例の場合における劣化分子数割合αｉを（１２）式と以下に示す（４３）式を用いて算出し、後段に説明する図８に示す。
【００８９】
0003607506.tif 000014
図４および図８に示した計算結果から、従来例（色素の投入のみ実施方式）の劣化分子数割合は９．０％まで低下するに対し、この発明の排出及び投入方式では、劣化分子数割合を４．６％と従来例より低く抑えることが可能となる。
【００９０】
図５は、図２に示した色素溶液循環装置の別の実施の形態を示す概略図である。なお、図２に示した構成と同一の構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００９１】
図５に示した色素溶液循環装置は、色素溶液の連続した排出及び投入を行うために、メインタンク２１から色素溶液排出タンク３６へ排出する溶液量を制御する排出流量制御弁５２、排出溶液量を測定する排出流量センサー５３、色素溶液投入タンク３３からメインタンク２１へ投入する色素溶液量を制御する投入流量制御弁５４、投入溶液量を測定する投入流量センサー５５、およびその制御機構５１を有する。
【００９２】
以下、色素溶液の交換（排出および投入）に際しては、予め計算によって色素溶液の排出及び投入インターバル、排出及び投入量、投入色素溶液の濃度を求め、排出及び投入量をインターバルで割り算し、単位時間当たりの排出及び投入量を算出する。
【００９３】
続いて、流量センサー５３および５５により排出及び投入溶液の流量を測定し、それぞれのセンサーの出力と予め計算で求めた制御値と比較し、排出及び投入量が目標の流量になるように流量制御弁５２と５４に、制御装置５１によりフィードバック制御を行うことで、連続的に色素溶液の排出及び投入を行う。これにより、メインタンク２１を通じて基本ループ２４を流れる色素溶液中の色素濃度は、常に一定の濃度に維持される。従って、安定したレーザ出力が維持される。
【００９４】
図６は、図２に示した色素溶液循環装置のさらに別の実施の形態を示す概略図である。なお、図２に示した構成と同一の構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００９５】
図６に示した色素溶液循環装置は、色素溶液の連続した排出及び投入を行うために、メインタンク２１から色素溶液排出タンク３６へ排出する溶液量を自動的に設定するオーバーフロータンク６１を有している。
【００９６】
オーバーフロータンク６１は、図７を用いて以下に説明するように、メインタンク２１から排出された色素溶液が投入される投入口６１ａ、タンク６１内の色素溶液の量が所定量に達した時点でタンク６１内に収容されている色素溶液を所定量排出する排出管６１ｂを有し、タンク６１に投入された色素溶液の量が所定量に達する毎に、排出管６１ｂにより設定される量まで、タンク６１内の色素溶液を自動的に排出する。
【００９７】
この構成によれば、排出側の能動的な排出機構を必要としないため、構造が簡単になる他、投入量と排出量が完全に一致し、色素溶液の投入量と排出量の誤差がなくなる。また、排出管６１ｂの出口部は、所定の排出高さで折り曲げられていることから、この排出管６１ｂから色素溶液が蒸発することが防止される。
【００９８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の色素溶液循環装置は、色素溶液の排出と投入の両方を行うことから、色素溶液の色素濃度を一定に維持できる。これにより、レーザ出力を長時間に亘って安定に維持できる。
【００９９】
従って、レーザ出力が低下しない色素レーザ装置を提供できる。
【０１００】
また、劣化した色素溶液は、外部の蒸留・分離装置により、溶媒の回収が可能であるから、色素溶液に必要となるコストも低減される。
【０１０１】
なお、色素溶液の排出量をオーバーフロー機構により管理することで、投入量と排出量とが正確に一致される。
【図面の簡単な説明】
【図１】色素レーザ（ＭＯＰＡ）システムの一例を説明する概略図。
【図２】図１の色素レーザシステムの色素溶液循環装置の概略図。
【図３】図２に示した循環装置による色素溶液の排出及び投入による色素濃度の変化を示す概略図。
【図４】図２に示した循環装置により提供される色素溶液中の劣化色素の濃度の変化を示すグラフ。
【図５】図２に示した循環装置の別の実施の形態を示す概略図。
【図６】図２に示した循環装置のさらに別の実施の形態を示す概略図。
【図７】図６に示した循環装置のオーバーフロー機構の一例を示す概略図。
【図８】従来の循環装置による色素溶液中の劣化色素の濃度の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１３  ・・・フローセル、
２１  ・・・メインタンク、
２２  ・・・循環ポンプ、
３３  ・・・色素溶液投入タンク、
３４  ・・・色素溶液投入弁、
３５  ・・・色素溶液排出弁、
３６  ・・・色素溶液排出タンク、
３７  ・・・投入側流量計、
３８  ・・・排出側流量計、
３９  ・・・蒸留・分離装置、
４０  ・・・ドレン弁、
４１  ・・・制御装置、
５１  ・・・制御装置、
５２  ・・・排出流量制御弁、
５３  ・・・排出流量センサー、
５４  ・・・投入流量制御弁、
５５  ・・・投入流量センサー、
６１  ・・・オーバーフロータンク、
１００  ・・・色素レーザシステム（ＭＯＰＡシステム）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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