(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光をその波長に応じて吸収するため前記太陽光の通過経路に沿って連続的に漸減するエネルギーバンドギャップを持つ傾斜型太陽光励起半導体を用いており前記太陽光を吸収するときに生じた電子と正孔との再結合によってレーザ光を発振するレーザ発振装置において、前記エネルギーバンドギャップの前記通過経路に沿った傾斜を、当該エネルギーバンドギャップに応じて吸収される前記波長における前記太陽光のスペクトル強度が高いほど、緩やかにしたことから成る傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置。
【請求項２】
前記傾斜型太陽光励起半導体が有するポテンシャルの谷部に、量子井戸構造を持つ発光層が配置されていることから成る請求項１に記載の傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置。
【請求項３】
前記エネルギーバンドギャップの前記傾斜は、外部電圧の印加によって制御されることから成る請求項１又は２に記載の傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置。
【請求項４】
前記太陽光の入射面に、レーザ発振波長より長い波長の光を取り除く赤外線除去部が設けられていることから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載の傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置。
【請求項５】
前記傾斜型太陽光励起半導体に入射した前記太陽光を閉じ込めるため、閉込め層を配設したことから成る請求項１〜４のいずれか１項に記載の傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置。
【請求項６】
前記傾斜型太陽光励起半導体の冷却を行うため、周囲を覆う冷却部を配設したことから成る請求項１〜５のいずれか１項に記載の傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置。
【請求項７】
植物栽培、水素生成、又はエネルギー伝送における光源として適用されていることから成る請求項１〜６のいずれか１項に記載の傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自然エネルギーである太陽光から直接的にレーザ光を発振する傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から提案されている太陽光励起半導体は、広いスペクトルを持つ太陽光を吸収するため、図３にエネルギーバンド構造として示すように、エネルギーバンドギャップをステップ状に減少させたステップ型のエネルギーバンドギャップ構造、又は単一の傾きを持ち連続的に減少させた単純傾斜型のエネルギーバンドギャップ構造を有している。いずれの型のエネルギーバンドギャップ構造であっても、太陽光はエネルギーバンドギャップ以上のエネルギーを持つ各波長成分が吸収を受け、半導体内部で電子・正孔対が生成される。太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置においては、エネルギーバンドギャップを光の通過経路に沿って谷型の階段状又は斜面状に形成しておくことで、電子・正孔は拡散によりポテンシャルの谷に設けられた発光層部分に集中し、そこで両者が再結合を起こすことでレーザ発振がもたらされる。
【０００３】
光がエネルギーバンドギャップ以上のエネルギーを持つ場合に、そうした光がそのエネルギーバンドギャップを持つ部分で吸収を受ける。より大きなエネルギーを持つ光は、小さなエネルギーバンドギャップを持つ部分に入射すると吸収されるものの、エネルギーバンドギャップ超過分のエネルギーがポテンシャルの谷部への移動の際に熱として半導体に与えられる。従来のステップ型又は単純傾斜型のエネルギーバンドギャップは、太陽光入射側ほど大きく、奥にあるポテンシャルの谷部へ進むにつれて小さくなっている。エネルギーバンドギャップに比して吸収され得るエネルギーを持つ光がある層に入射したとしても、平均吸収長よりもその層が薄ければ、その光は十分に吸収されない。その結果、光はエネルギーバンドギャップがより小さい次の層に侵入することになり、吸収されるエネルギーのより多くがより深い層で局所的に熱に変換される状況に陥ってしまい、動作温度上限を持つ太陽光励起半導体の高効率な動作を妨げる恐れがある。
【０００４】
吸収の対象となる太陽光のスペクトルは、図４に示すように、波長によって強度が連続的に変化している。ステップ型のエネルギーバンドギャップを持つ光励起半導体は、エネルギーバンドギャップが連続的に変化していないため、光を吸収して発生した電子・正孔が拡散によりエネルギーギャップの小さい側へ落ち込む際に段差のある部分に局所的に熱を与えてしまい、動作温度上限を持つ太陽光励起半導体の高効率な動作を妨げる恐れがある。また、単純傾斜型のエネルギーバンドギャップを持つ光励起半導体は、入射スペクトルの連続変化性自体には対応しているものの、そのスペクトル強度分布に対応した各波長吸収部分の厚みが最適化されておらず、依然としてエネルギー利用効率が低い水準に留まっているという問題がある。
【０００５】
また、レーザ発振波長は最も低いエネルギーバンドギャップに相当した波長であるため、それよりも長い波長の光を素子に入射させると吸収に至らずに熱に変換され、動作温度上限を持つ太陽光励起半導体の高効率な動作を妨げる恐れがあり、従来型はこれに対して無策であった。
【０００６】
【発明が解決しようという課題】
そこで、傾斜型のエネルギーバンドギャップを持つ太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置において、エネルギーバンドギャップの傾斜について、太陽光のスペクトル強度分布に対応して最適化させて、太陽光を効率良く吸収し、レーザ光を効率よく発振させる点で解決すべき課題がある。
【０００７】
この発明の目的は、エネルギーバンドギャップの減少率について、太陽光のスペクトル強度分布に対応して最適化させることにより、太陽光の高効率利用を図ることができる傾斜型のエネルギーバンドギャップを持つ太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明による傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置は、太陽光をその波長に応じて吸収するため前記太陽光の通過経路に沿って連続的に漸減するエネルギーバンドギャップを持つ傾斜型太陽光励起半導体を用いており前記太陽光を吸収するときに生じた電子と正孔との再結合によってレーザ光を発振するレーザ発振装置において、前記エネルギーバンドギャップの前記通過経路に沿った傾斜を、当該エネルギーバンドギャップに応じて吸収される前記波長における前記太陽光のスペクトル強度が高いほど、緩やかにしたことから成っている。
【０００９】
この傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置によれば、太陽光の通過経路に従って連続的に漸減する傾斜型の吸収エネルギーバンドを持っているので、太陽光が半導体内を通過していくに従って、波長の短い青色光から緑色光を経て波長の長い赤色光が、順次、波長に対応した吸収エネルギーバンドを持つ部分で吸収されていく。光の吸収によって励起されて電子と正孔が発生し、拡散過程を経て連続的に傾斜したエネルギーバンドギャップの傾斜方向に連続的に少しずつ熱を半導体に与えながら移動し、電子と正孔との再結合によってレーザ光が発振される。エネルギーバンドギャップが通過経路に沿って漸減する減少率としての傾斜は、当該エネルギーバンドギャップに応じて吸収される波長における太陽光スペクトルの強度が高いほど緩やかになるように設定されているので、吸収すべきスペクトル強度が高いほど、当該エネルギーバンドギャップを持つ半導体の部分の厚みが十分確保される。従って、光のスペクトル強度が高い波長成分であっても、その波長成分が持つエネルギーを逃すことなく効率的に吸収して、電子と正孔との発生に高効率に転換させる動作が可能となる。更に、発生し得る熱を連続的に傾斜したエネルギーバンドギャップにより分散させることが可能となり、動作温度上限を持つ太陽光励起半導体の高効率な動作が可能になる。こうした工夫により、バンドギャップ構造における傾斜構造の最適化が図られる。具体的には、太陽光のスペクトル度が高い緑色光に対応して、光励起半導体の緑色光を吸収するエネルギーバンドギャップを持つ部分の厚みが、他の、青色光や赤色光を吸収する部分よりも十分厚く形成される。
【００１０】
この傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置において、前記傾斜型太陽光励起半導体が有するポテンシャルの谷部に量子井戸構造を持つ発光層が配置されている。ポテンシャルの谷部に量子井戸構造を配置しているので、電子と正孔とがポテンシャルの谷部に向かって集中して、発光層で再結合しやすくなり、レーザ発振を高効率で作動させることが可能になる。
【００１１】
この傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置において、前記エネルギーバンドギャップの前記傾斜を、外部電圧の印加によって制御することができる。外部電圧の印加によって、電子・正孔の発光層への集中度が増大し、高効率動作が可能になる。
【００１２】
この傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置において、前記太陽光の入射面に、レーザ発振波長より長い波長の光を取り除く赤外線除去部が設けることができる。赤外線除去部は、例えば、光学フィルタ又は回折格子で構成することができる。太陽光の入射面に赤外線除去部を設けることで、最低エネルギーバンドギャップよりも低いエネルギーを持ち且つ入射しても熱に変換されるだけに終わる長波長成分が、半導体素子に入射するのを防ぐことができる。従って、太陽光励起半導体素子のいたずらな温度上昇を抑えることができ、太陽光励起半導体素子を高効率で作動させることが可能になる。
【００１３】
この傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置において、前記傾斜型太陽光励起半導体に入射した前記太陽光を閉じ込めるため、閉込め層を配設することができる。太陽光励起半導体に入射した太陽光を反射させて閉じ込める閉込め層を設けることで、入射した太陽光が外部に漏れることがなくなり、太陽光の吸収率が向上し、太陽光励起半導体を高効率で作動させることが可能になる。
【００１４】
この傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置において、前記傾斜型太陽光励起半導体の冷却を行うため、周囲を覆う冷却部を配設することができる。傾斜型太陽光励起半導体を、その周囲を冷却部で覆うことによって冷却して適切な動作温度に維持することができ、半導体の高効率動作が可能になる。冷却部としては、外側にフィン等の凹凸を形成することで大きな放熱用の表面積を確保することが好ましい。
【００１５】
この傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置は、植物栽培、水素生成、又はエネルギー伝送における光源として適用することができる。傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置から出力されるレーザ光を植物栽培に適した波長を持つレーザ光とすることで、植物栽培を効率良く行うことができる。出力されるレーザ光を水素発生に適した波長を持つレーザ光とすることで、水と触媒から、任意の場所に設置されるプラントにおいて最もクリーンなエネルギーとして有望な水素を得ることが可能となる。また、傾斜型太陽光励起半導体から出力されるレーザ光を無線伝送したり、或いは光ファイバで導くことにより、遠隔地や屋内でも、必要な波長の光を植物に照射することが可能である。
【００１６】
この傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置においては、不要赤外光除去部を含めた太陽光の入射部分構造、光吸収層における入力光の経路、連続的に変化するエネルギーバンドギャップの傾斜プロファイル、発光層への電子・正孔の輸送を促進する外部電圧の印加法、レーザ共振器となる発光層の構造、及び十分な熱除去の構造をそれぞれ矛盾なく決定することにより、太陽光を利用したレーザ発振用の光半導体素子として、高効率動作を可能にする素子を得ることができる。また、太陽光の入射から熱の処理も含めてレーザ出力に至るまで、一体型のユニットとして構成できるため、実施形態におけるシステムにおいてシンプルで取扱いが簡単な主要素子として利用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づいて、この発明による傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置の実施例について詳細に説明する。図１は、この発明による傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置の一実施例を示す概略図であり、（ａ）はレーザ発振装置の構造を示す概略図であり、（ｂ）は（ａ）に示す傾斜型太陽光励起半導体のエネルギーバンド構造を示す概略図である。
【００１８】
この発明による傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置（以下、単に「レーザ発振装置」と称す）１は、図１（ａ）に示すように、傾斜型太陽光励起半導体から成る光吸収層２と、光吸収層２で吸収された光によって励起されて生じた電子と正孔とが再結合することによってレーザ光を発振する発光層３とから構成されており、光吸収層２は、入射した太陽光が反射する側で太陽光閉込め層４で覆われており、入射した太陽光及びその反射光と交差する側が電極５，５で挟まれていると共に、更にその外側において冷却部６によって包むように覆われている。
【００１９】
光吸収層２は、内部で複数段に反射させて確保された入力光の経路を有しており、光半導体の太陽光の経路を長くして、より効率的な吸収を可能にしている。同（ｂ）のエネルギーバンド構造に図示されているように、光吸収層２は、太陽光の入射側から発光層３側に至る通過経路に沿って、価電子帯と伝導帯との間で連続的に漸減する傾斜型の吸収エネルギーバンドギャップを持っている。従って、太陽光が光吸収層２内を通過していくに従って、波長の短い青色光から緑色光、波長の長い赤色光の順に、順次、波長に対応した吸収エネルギーバンドギャップを持つ部分で吸収されていく。吸収エネルギーバンドギャップの傾斜の程度、即ち、吸収エネルギーバンドギャップの通過経路に沿う方向の減少率は、光吸収層２のその部分で吸収する光の波長のスペクトル強度が高いほど緩やかに変化する態様に設定されている。
【００２０】
具体的には、図４に示すように太陽光の波長のスペクトル強度は緑色光が最も高いので、緑色光の吸収に相当する吸収エネルギーバンドギャップの部分でのギャップの傾斜は他の色の光（例えば青色光や赤色光）よりも緩やかに設定されている。従って、緑色光を吸収するのに相当する大きさの吸収エネルギーバンドギャップを持つ領域が厚く続いている。即ち、光吸収層２のうち、吸収すべきスペクトル強度が高い緑色光を吸収するエネルギーバンドギャップを持つ部分の厚みは、他の色の光を吸収する部分の厚みよりも、十分厚くなるように確保されている。その結果、緑色光の持つ光エネルギーの吸収の効率を高めることができ、エネルギーバンドギャップ構造における傾斜構造の最適化が図られている。
【００２１】
太陽光閉込め層４で光吸収層２の入射した太陽光が反射する部分を覆うことにより、光吸収層２に入射した太陽光が外部に漏れることが防止されるので、太陽光の吸収率が向上し、半導体の高効率動作が可能になる。太陽光閉込め層４は、図で光吸収層２において、入射した太陽光を反射させる位置に設けられており、太陽光を反射させる材料、即ち、太陽光スペクトルを高効率で反射するアルミニウム等の金属又は誘電体多層膜をコーティングしたもので構成されている。光吸収層２と発光層３とを挟む位置に配設されている電極５，５への印加電圧を調節することにより、エネルギーバンドギャップが最適化される。光吸収層２、太陽光閉込め層４及び電極５，５を含むレーザ発振装置１の周囲は、冷却部６で覆われている。冷却部６は、銅等の高熱伝導率の金属により構成されており、その外側表面において、フィン７等の凹凸部を形成することによって大きな表面積を確保した構造となっている。冷却部６は、レーザ発振装置１、特に発熱し易い光吸収層２を冷却して適切な動作温度を維持することができ、レーザ発振装置１の高効率動作を可能にしている。
【００２２】
光吸収層２の太陽光取り入れ部８には、不要赤外線除去部９が設けられている。赤外線除去部９は、例えば、太陽光の入射面に光学フィルタ又は回折格子を用いて形成されている。赤外線除去部９を設けることで、最低エネルギーバンドギャップよりも低い長波長成分（不要赤外光）が光吸収層２に入射するのを防ぐことができる。従って、レーザ発振に寄与しない不要赤外光が光吸収層２内において熱に変換されることに起因して、光吸収層２がいたずらに温度上昇するのを抑えることができ、太陽光の吸収を高効率に行うことが可能になる。
【００２３】
図１（ｂ）に示すエネルギーバンドギャップの構造は、ポテンシャルの谷部に量子井戸構造を持つ発光層３が配置されている。ポテンシャルの谷部に量子井戸構造を配置しているので、電子と正孔とがポテンシャルの谷部に向かって集中して流れて、発光層３で再結合しやすくなり、レーザ発振を高効率で作動させることが可能になる。また、エネルギーバンドギャップの傾斜については、電極５，５への外部電圧の印加によって制御することができる。外部電圧の印加によって、電子・正孔の発光層への集中度が増大し、高効率動作が可能になる。
【００２４】
この太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置１は、連続スペクトルである太陽光を非常に高効率に単色のレーザ光に変換する波長変換素子と捉えることができる。このような特徴を活かして、この発明による太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置１は、植物の高速育成に必要な単色の光源として利用すること、触媒を用いて燃料電池の燃料となる水素生成を行うこと、生成された指向性のよいレーザ光により遠隔地までエネルギーを無線伝送すること等に適用可能であり、深刻化するエネルギー問題、ＣＯ２  排出などの環境問題、食料問題の解決に役立たせることができる。
【００２５】
図２は、この発明による太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置の適用例を示す概略図である。レーザ発振装置１の適用例の一つとして、植物工場における植物栽培等への応用がある。この発明によるレーザ発振装置１は、植物栽培における単色光源として適用することができ、そうすることで、植物栽培において太陽光のスペクトル利用効率の向上を図ることができる。植物工場における植物栽培においては、光形態形成の強光反応が重要である。これは照射される光のスペクトル強度によって植物の成長が質的に変化するためである。特に強光下では６４０〜６９０ｎｍの赤色光と４２０〜４７０ｎｍ青色光があれば植物は成長する。また７００〜８００ｎｍの赤外光には成長促進効果が確認されている。赤色と青色の比率（Ｒ／Ｂ比）はレタスなどで１０程度といわれており、赤色光の供給が圧倒的に必要となる。光源として従来の電流注入型赤色ＬＤと青色ＬＥＤを用いることによって、サラダ菜などの栽培が可能であることが確認されている。
【００２６】
光源に赤色光レーザ発振するように設計されたこの発明によるレーザ発振装置１を用いることで、電力を必要とせず、エネルギー源を太陽光のみとする高効率な植物工場を実現することができる。単純に太陽光を集光するのに比較して、利用する赤色光よりも波長が短い（エネルギーの高い）スペクトル成分はすべて赤色光に変換されるため、光形態形成の赤色光効果の効率は向上する。同様にＩｎＧａＮなどの青色ＬＤやＬＥＤを構成することも可能である。この場合は利用される太陽光はほぼ紫外線である。光形態形成に対する青色の必要強度は赤色光の１／１０程度であるので、太陽光スペクトルに含まれる高エネルギー成分比率は低いが、あまり問題にならない。また直接太陽光での励起が困難であっても、太陽電池などによる電力供給を利用しても全体のエネルギー効率はさほど影響を受けない。植物を高速に育成することにより、食料を増産したり、バイオマスとして、エネルギー源の備蓄に利用することもできる。
【００２７】
また、図２には、この発明による太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置１を、触媒を用いた水の分解による水素の生成に適用した応用例が示されている。水素は、近年、燃料電池の燃料として利用することが注目されている。水素は、一般的には、水の電気分解で得られる。従って、エネルギー源を太陽光とした場合、従来、太陽電池を用いて得た電力を電気分解に用いることで、水素生成が行われている。しかしながら、太陽電池は太陽光スペクトルの一部しか利用しておらず、エネルギーの利用効率が低い。この発明による太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置１によって太陽光の大部分を利用することで、光触媒を有効に利用した水素生成を極めて高い効率で行うことができる。
【００２８】
光触媒を有効に利用した水素生成は、光触媒に酸化チタン等から成る電極を用い、その光化学反応が利用される。半導体の電子は光のエネルギーによってエネルギーバンドギャップを超えて伝導帯に励起され、同時に正孔が価電子帯に生成される。酸化チタンの場合、３ｅＶ以上のエネルギーの光子が必要であり、これは４１０ｎｍの光に相当する。このような光を電極に照射した時、光により生成され電極表面に集まった正孔が水を分解して酸素を生成する。光により生成された電子は反対側の電極に集まり、水を分解して水素を生成する。同時に、両電極間に起電力が生じるため、電気エネルギーを取り出すことができる。このように、光照射により水素エネルギーと電気エネルギーが発生し、光が持つ３ｅＶのエネルギーがこの水素生成と電気エネルギーに変換されることになる。
【００２９】
太陽光のスペクトルには、４００ｎｍ以下の波長成分は極めて少ない。酸化チタンは安価であるが、太陽光のこの特性のため、この波長領域を直接利用する「太陽電池」としては極めて効率が悪く実用性が低かった。この発明による太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置１により得た光を調整し、４００ｎｍ以下にすることは可能である。レーザの発振波長は８００ｎｍ近傍であるのでこの２倍高調波を取れば４００ｎｍの光が、効率良く太陽光から直接的に発生させることができる。こうして得られた光を酸化チタン等から成る電極に照射することで、効率的な水素−電力発生が可能となる。生成された水素は、タンク等に貯蔵して、ニーズのあるところで利用可能である。
【００３０】
更に、図２には、この発明による太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置１を、生成された指向性のよいレーザ光により遠隔地までのエネルギーの無線伝送に適用した応用例が示されている。レーザ発振装置１を用いて砂漠地帯や海上に設置したメガフロート等、日照率の高い地域において太陽光を高効率でレーザ光に変え、送光装置によって発射し、地上又は宇宙空間に設置したミラーによる中継基地を介して、人口密集地域に伝送することができる。伝送されたレーザ光は、電力に変換して利用することは勿論のこと、伝送されたり電力として供給されたエネルギーを海岸沿岸に伝送して、既に説明したような、植物栽培や水素生成に利用することも考えられる。
【００３１】
【発明の効果】
この発明による傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置は、エネルギーバンドギャップの傾斜を、当該エネルギーバンドギャップに応じて吸収される波長における太陽光のスペクトル強度が高いほど緩やかにしているので、吸収すべきスペクトル強度が高いほど、当該エネルギーバンドギャップを持つ半導体の部分の厚みが十分確保される。従って、スペクトル強度が高い波長の光が持つエネルギーは効率的に吸収され、電子と正孔との発生に高効率に転換させることができる。このように、この発明による傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置によれば、エネルギーバンドギャップの傾斜、即ち、バンドギャップ構造における各波長吸収部分の厚みについて、太陽光のスペクトル強度分布に対応して最適化を行うことができる。その結果、動作温度上限を持つ太陽光励起半導体の高効率な動作が可能となり、太陽光を高効率に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による傾斜型太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置の一実施例を示す概略図である。
【図２】この発明による太陽光励起半導体を用いたレーザ発振装置の適用例を示す概略図である。
【図３】従来の太陽光励起半導体が持つエネルギーバンド構造を示す概略図である。
【図４】太陽光のスペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
１  傾斜型太陽光励起半導体
２  光吸収層
３  発光層
４  太陽光閉込め層
５  電極
６  冷却部
７  フィン（凹凸）
８  太陽光取り入れ部
９  不要赤外線除去部
【図１】
0003596771.tif 000002
【図２】
0003596771.tif 000003
【図３】
0003596771.tif 000004
【図４】
0003596771.tif 000005