(57)【要約】【課題】太陽光入射面より入射した太陽光を吸収してレーザー媒質の感度の高い波長帯域の蛍光を放出する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蛍光導光板と、蛍光物質より放出されて蛍光導光板内を伝播した蛍光によりレーザーを生成する蛍光／レーザー変換手段とを有する太陽光励起レーザー装置において、蛍光がレーザーを生成させることなく装置外へ漏出することを阻止する。【解決手段】蛍光物質が吸収する波長域の光は透過するが蛍光物質が放出する蛍光は反射するダイクロイックミラーを蛍光導光板の太陽光入射面に対向し且これより隔置して設ける。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光入射面より入射した太陽光を吸収してレーザー媒質の感度の高い波長帯域の蛍光を放出する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蛍光導光板と、前記蛍光物質より放出されて前記蛍光導光板内を伝播した蛍光によりレーザーを生成する蛍光／レーザー変換手段とを有する太陽光励起レーザー装置において、前記蛍光物質より放出された蛍光が前記蛍光導光板の前記太陽光入射面より該蛍光導光板外へ漏出することを防止する構造にして、前記蛍光物質が吸収する波長域の光は透過するが前記蛍光物質が放出する蛍光は反射するダイクロイックミラーが前記蛍光導光板の前記太陽光入射面に対向し且これより隔置されて設けられていることを特徴とする構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を蛍光材に照射することにより蛍光を放出させ、該蛍光を蛍光／レーザー変換手段に照射することによりレーザーを生成する太陽光励起レーザー装置において、蛍光がレーザー媒質に吸収されることなく装置外へ漏出することを阻止するよう、蛍光を装置内に閉じ込め構造に係る。
【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技術が種々提案されており、太陽光をエネルギー源又は励起光源としてレーザー光を発生するための太陽光励起レーザー技術も種々提案されている。一般に、太陽光励起レーザーの場合、屋外に設置された際の耐久性や利便性の観点から、レーザー媒質としてネオジウムイオン(Ｎｄ３＋)を添加したＹＡＧ(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)結晶などの固体材料が用いられる一方、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程度であり、太陽光を用いて、ＹＡＧ結晶等のレーザー材料に於いて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、例えば、特許文献１、２、非特許文献１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。かかる構成に於いては、太陽光の向き（地上への入射角）が時々刻々と変化するので、その太陽光の向きに合わせて集光レンズ系の向きを変更する構成（太陽光の追尾システム）が用いられる。また、非特許文献２に於いては、太陽光のそのままの強度の波長分布に於いては、レーザー媒質の励起に利用できる波長の光が限られていることに鑑み、吸収波長帯域が広く且つ発光波長の狭い蛍光材料により太陽光を吸収し、蛍光材料からの蛍光によりレーザー媒質をポンピングし、これにより集光倍率を３００倍程度まで低減する構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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２０１５−２０１４６４
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】アプライド・フィジックス・レター（Applied  Physics  Letters）  ９０，２６１１２０，２００７年
【非特許文献２】ネイチャー・インサイト・サイエンティフィック・レポーツ（Nature  Insight  Scientific  Reports）５，１４７５８，２０１５年
【０００５】
上記の如く、従前の太陽光励起レーザー装置の構成に於いては、太陽光を追尾するためにレンズとその向きを変更するための機構（太陽光追尾機構）が用いられているので、太陽光励起レーザー装置を設置する際には、太陽光追尾機構のための空間を確保する必要があり、従って、レーザー本体よりも大掛かりな設備と場所が要求される。また、集光用レンズの大型化には限界があり、大規模太陽光発電設備の如く、数ｋｍ２以上に及ぶ広い面積に照射される太陽光をレーザー光に変換しようとすることを考えると、数ｍ２〜数十ｍ２のサイズの集光レンズとその追尾機構を多数配備することが必要となる。そして、上記の如く、太陽光の追尾のために変位する集光用レンズの焦点が常にレーザー材料に当たるようにするべく、光学系が調整されるところ、風やその他の要因（近隣の車両の通過など）による振動が在っても、集光用レンズの焦点がレーザー材料に当たっている状態を維持するための構成が必要となる（焦点がレーザー材料から外れると、レーザー発振が停止してしまう。）。総じて、太陽光励起レーザー装置に太陽光追尾機構が用いられる場合には、太陽光追尾のために、大掛かりな設備、場所、調整のための労力、コストがかかることとなる。従って、太陽光追尾機構を必要とせずに、太陽光によるレーザー発振を達成できる構成があれば、非常に有用である。
【０００６】
そこで、上記の認識の下に、本件発明者と同一人は、先の特願２０１６−５３０７３において、太陽光追尾機構を必要としない太陽光励起レーザー装置として、太陽光励起レーザー装置であって、
第一の面と、第二の面と、第一及び第二の面の周縁を接続する縁面とから成り、その内部又は第一若しくは第二の面上に太陽光を吸収してレーザー媒質の感度の高い波長帯域の蛍光を放出する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、第一の面から太陽光が入射すると、蛍光物質から放出される蛍光が実質的に縁面に集光されて出射する蛍光導光板と、
蛍光導光板の縁面上にて第一及び第二の面の周縁方向に沿って巻装された１条の光ファイバーにして、レーザー媒質が分散されたコア部と、表面及び内部が蛍光を透過する材料にて形成されコア部の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド部と、光ファイバーの一方の端面にて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、光ファイバーの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、その残りを反射する第二の反射手段とを含み、蛍光導光板の縁面から出射された蛍光がクラッド部の表面を透過してコア部まで達し、蛍光により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、レーザー光が光ファイバーの他方の端面から出射する光ファイバーとを含む装置を提案した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の先の提案になる太陽光励起レーザー装置は、添付の図１に示す如く、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を放出する蛍光物質ＦＭ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の蛍光導光板２を備えており、それに入射した太陽光ＳＬが蛍光物質ＦＭに照射されて蛍光ＦＬが放出され、かかる蛍光ＦＬが円盤状の蛍光導光板２の周りに捲装されたレーザー媒質のコアを有する光ファイバー３aに照射されることにより、光ファイバー３aに沿って伝播するレーザーが生成されるようになっているが、かかる構造では、蛍光が、ＦＬ（１）の如く光ファイバー３aに直接照射される場合、ＦＬ（２）の如く蛍光導光板２の太陽光入射面２aに対し比較的大きい偏向角をもって入射し、全反射されて光ファイバー３aに照射される場合、ＦＬ（３）の如く反射ミラー６にて反射されて光ファイバー３aに照射される場合には、蛍光はレーザーの生成に有効に作用するが、太陽光入射面２aに対する蛍光の入射角に対する面２aでの反射率は図２に示す如く変化するので、蛍光がＦＬ（４）の如く蛍光導光板２の太陽光入射面２aに対し比較的小さい偏向角をもって入射する場合には、その多くの割合が面２aにて反射されずに蛍光導光板２外へ漏出してしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は、太陽光入射面より入射した太陽光を吸収してレーザー媒質の感度の高い波長帯域の蛍光を放出する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蛍光導光板と、例えば上記の例におけるレーザー媒質が分散されたコア部を有し前記蛍光物質より放出されて前記蛍光導光板内を伝播した蛍光によりレーザーを生成する光ファイバーの如く蛍光を吸収してレーザーを生成する蛍光／レーザー変換手段とを有する太陽光励起レーザー装置における上記の問題に着目し、蛍光物質より放出された蛍光がレーザーを生成させることなく装置外へ漏出することを阻止するよう、蛍光を装置内に閉じ込める構造を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決すべく、本発明は、太陽光入射面より入射した太陽光を吸収してレーザー媒質の感度の高い波長帯域の蛍光を放出する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蛍光導光板と、前記蛍光物質より放出されて前記蛍光導光板内を伝播した蛍光によりレーザーを生成する蛍光／レーザー変換手段とを有する太陽光励起レーザー装置において、前記蛍光物質より放出された蛍光が前記蛍光導光板の前記太陽光入射面より該蛍光導光板外へ漏出することを防止する構造にして、前記蛍光物質が吸収する波長域の光は透過するが前記蛍光物質が放出する蛍光は反射するダイクロイックミラーが前記蛍光導光板の前記太陽光入射面に対向し且これより隔置されて設けられていることを特徴とする構造を提案するものである。
【００１０】
上記の構造に於いて、前記蛍光導光板の前記太陽光入射面とこれより隔置された前記ダイクロイックミラーの間には、低屈折率の層が設けられてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
上記の如く、太陽光入射面より入射した太陽光を吸収してレーザー媒質の感度の高い波長帯域の蛍光を放出する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蛍光導光板と、前記蛍光物質より放出されて前記蛍光導光板内を伝播した蛍光によりレーザーを生成する蛍光／レーザー変換手段とを有する太陽光励起レーザー装置において、前記蛍光物質より放出された蛍光が前記蛍光導光板の前記太陽光入射面より該蛍光導光板外へ漏出することを防止する構造として、前記蛍光物質が吸収する波長域の光は透過するが前記蛍光物質が放出する蛍光は反射するダイクロイックミラーが前記蛍光導光板の前記太陽光入射面に対向し且これより隔置されて設けられていれば、図１においてＦＬ（４）にて示す如く蛍光導光板の太陽光入射面に対し比較的小さい偏向角をもって入射することにより蛍光導光板外へ漏出した蛍光を、ダイクロイックミラーにより反射させて蛍光導光板内へ戻すことかできる。この場合に、ダイクロイックミラーが蛍光導光板の太陽光入射面に対向し且これより隔置されて設けられていることにより、ダイクロイックミラーの蛍光に対する反射特性が蛍光導光板との接触によって乱されることが回避される。
【００１２】
或いは、上記の構造に於いて、前記蛍光導光板の前記太陽光入射面とこれより隔置された前記ダイクロイックミラーの間に低屈折率物質の層が設けられれば、前記蛍光物質が放出する蛍光に対する前記ダイクロイックミラーの反射特性を乱すことなく、ダイクロイックミラーを蛍光導光板に安定して固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】上記の先の提案である特願２０１６−５３０７３による太陽光励起レーザー装置における蛍光の挙動を例示する断面図である。
【図２】蛍光導光板内を伝播する蛍光が蛍光導光板の表面に内側から入射するときの入射角に対する反射率を示すグラフである。
【図３】本発明による蛍光導光板外への蛍光の漏出を防止する構造を図１に示す太陽光励起レーザー装置に組み付けた実施例を示す断面図である。
【図４】ダイクロイックミラーの波長対透過率の特性を本発明による蛍光導光板外への蛍光の漏出を防止する構造に適合させた状態を示すグラフである。
【図５】本発明による蛍光導光板外への蛍光の漏出を防止する構造を図１に示す太陽光励起レーザー装置に組み付けた他の実施例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図３に示す本発明の実施例は、上記の通り、本発明による蛍光導光板外への蛍光の漏出を防止する構造を図１に示す太陽光励起レーザー装置に組み付けたものである。図３において、１０として示す板状体がダイクロイックミラーである。ここでのダイクロイックミラーとは、屈折率の異なる複数の誘電体の薄膜を積層することにより、図４に示す如く或る臨界波長以下の光は１００％近くまで透過させるが、臨界波長以上の光は殆ど遮断し或いは反射する特性を呈する膜体であり、ダイクロイックミラー１０は、太陽光ＳＬ中の蛍光物質ＦＭが吸収する波長域の光は透過するが蛍光物質ＦＭが放出する蛍光ＦＬは反射するよう設計されたそのような膜体を蛍光導光板に組み込んだものである。
【００１５】
蛍光導光板２は、石英ガラス或いは透明なポリカーボネイト樹脂、アルカリ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂よりなっていてよいが、このような材料よりなる蛍光導光板２にダイクロイックミラー１０が直に接して組みつけられると、蛍光導光板の屈折率によってダイクロイックミラー１０の光透過特性が乱れる虞れがある。そこでダイクロイックミラー１０は、蛍光導光板２の太陽光入射面２aに対向し且これより隔置されて設けられており、こうすることによってダイクロイックミラー１０の図４に示されている如く設計された光透過特性を安定して維持することができる。こうして、太陽光入射面２aに対し比較的小さい偏向角にて入射した蛍光ＦＬ（４）の如き蛍光も、一端は蛍光導光板２外へ漏出するが、ダイクロイックミラー１０により反射されて蛍光導光板２内へ戻される。
【００１６】
図５は、図３に示す太陽光励起レーザー装置における蛍光導光板２の太陽光入射面２aとダイクロイックミラー１０の間の空間を低屈折率シリコーン樹脂のような低屈折率物質の層１２で充たした本発明の他の実施例を示している。このように蛍光導光板２の太陽光入射面２aとダイクロイックミラー１０の間の空間が低屈折率物質の層で充たされれば、ダイクロイックミラー１０の光透過／反射特性、即ち図４に示す如く蛍光物質ＦＭが吸収する波長域の光に対しては略１００％の透過率を呈するが蛍光材が放出する蛍光は略１００％反射するダイクロイックミラー１０の光透過／反射特性を乱すことなく、ダイクロイックミラー１０を蛍光導光板に安定して固定することができる。
【００１７】
以上に於いては本発明を実施例について詳細に説明したが、かかる実施例について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【符号の説明】
【００１８】
２…蛍光導光板、２a…蛍光導光板２の太陽光入射面、３a…光ファイバー、１０…ダイクロイックミラー、１２…低屈折率物質の層、ＦＭ…蛍光物質、ＳＬ…太陽光、ＦＬ…蛍光
【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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