(57)【要約】【課題】高出力で高品質のレーザ光を取り出せる化学励起酸素ヨウ素レーザを含む防衛システムを提供すること。【解決手段】本発明は化学励起酸素ヨウ素レーザ（ＣＯＩＬ：Chemical Oxygen-Iodine Laser）を用いた防衛システム１００に関するものである。防衛システム１００は、化学励起酸素ヨウ素レーザ１０３と、化学励起酸素ヨウ素レーザ１０２を高度１７ｋｍより高い高度に滞在する高高度気球（ＨＡＡ:high-altitude airship）１０１とを、備えている。化学励起酸素ヨウ素レーザ１０３において、ガスが光軸方向に流れ、複数の排気管を備えていてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学励起酸素ヨウ素レーザと、
前記化学励起酸素ヨウ素レーザを高度１７ｋｍより高い高度に滞在する高高度気球とを、備えた防衛システム。
【請求項２】
前記化学励起酸素ヨウ素レーザがレーザ共振器と一重項酸素発生器を含み、
前記レーザ共振器が、前記一重項酸素発生器から繋がっている複数の注入管と、外部に繋がる複数の排気管とを備えることを特徴とした請求項１に記載の防衛システム。
【請求項３】
一重項酸素とヨウ素とが前記注入管から前記レーザ共振器内に供給され、前記一重項酸素と前記ヨウ素とがレーザ共振器内で光軸方向に流れることを特徴とする請求項２に記載の防衛システム。
【請求項４】
前記一重項酸素発生器にはバッファガスが満たされ、
塩素ガスを前記一重項酸素発生器に供給する前に、前記バッファガスによって、外部の圧力とほぼ同等に満たすことを特徴とした請求項２に記載の防衛システム。
【請求項５】
前記化学励起酸素ヨウ素レーザが一重項酸素発生器を含み、
前記高高度気球がヘリウムによって浮かび、
前記高高度気球から前記一重項酸素発生器にヘリウムガスがバッファガスとして供給されることを特徴とした請求項１に記載の防衛システム。
【請求項６】
前記化学励起酸素ヨウ素レーザが一重項酸素発生器を含み、
前記高高度気球がヘリウムによって浮かび、
バッファガスであるヘリウムガスがヘリウムガス容器から前記一重項酸素発生器に供給されている請求項１に記載の防衛システム。
【請求項７】
前記化学励起酸素ヨウ素レーザのレーザ共振器からの排出ガスがバッグに溜められることを特徴とする請求項５、又は６に記載の防衛システム。
【請求項８】
前記化学励起酸素ヨウ素レーザが回転ディスク型の一重項酸素発生器を備えることを特徴とした請求項１〜７のいずれか１項に記載の防衛システム。
【請求項９】
別の高高度気球をさらに備え、
前記別の高高度気球が集光鏡を含み、前記化学励起酸素ヨウ素レーザから取り出されたレーザ光が、前記別の高高度気球に入射することを特徴とした請求項１〜８のいずれか１項に記載の防衛システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学励起酸素ヨウ素レーザを用いた防衛システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヨウ素レーザとは、励起状ヨウ素原子（Ｉ(2Ｐ3/2)）から波長１．３１５μｍのレーザ光を発生させるレーザであり、ＣＯＩＬ（Chemical Oxygen-Iodine Laser）と呼ばれている。ＣＯＩＬは高出力の連続波で動作することで広く知られている。ＣＯＩＬでレーザ動作させるには、一重項励起状酸素分子（Ｏ２(１Δｇ)）を、塩素ガスとＢＨＰ溶液との化学反応によって発生させている。ＢＨＰ溶液とは、過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）と水酸化カリウム（ＫＯＨ）あるいは水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）との混合溶液のことである。
Ｏ２(１Δｇ)は一重項酸素と呼ばれることがある。一重項酸素を発生させる反応容器は一重項酸素発生器（ＳＯＧ：singlet oxygen generator）と呼ばれている。発生したＯ２(１Δｇ)とヨウ素分子とをミキシングすることで、ヨウ素分子はヨウ素原子に分解する。さらに、基底状態のヨウ素原子は、Ｏ２(１Δｇ)からエネルギー移乗されることで、励起状のヨウ素原子（Ｉ(2Ｐ3/2)）が発生する。これにより、ＣＯＩＬがレーザ動作する。これに関しては、非特許文献１〜４に記載されている。
【０００３】
ＣＯＩＬの動作中は、一重項酸素とヨウ素原子と、ヘリウムや窒素などのバッファガスと共に、レーザ共振器内に供給される。これと同時に、失活した酸素、ヨウ素分子及びバッファガスなどの反応生成物はレーザ共振器から真空ポンプによって排気される。その理由としては、レーザ共振器内での全圧が通常、約１０００Ｐａ（約７．５Ｔｏｒｒ）以下にする必要があるからである。 
【０００４】
化学レーザは宇宙区間で用いる場合に他のレーザに比べて有利である。この理由としては、化学レーザは電源無しに動作できるからである。さらにまた、宇宙空間で使われる場合は、真空ポンプも不要になるからである。したがって、宇宙配備型防衛システムのレーザとしては、ＨＦ化学レーザが第一に考えられている。宇宙配備用レーザに関しては、非特許文献５において説明されている。ところが、ヨウ素レーザを宇宙空間で用いるのは難しい。その理由としては、ＢＨＰ溶液をＳＯＧの容器内に納めるために重力が必要だからである。
【０００５】
ＣＯＩＬからのレーザ光は一般にビーム質が悪い。このことは、長距離伝搬が必要な防衛システムにＣＯＩＬを用いることにおいても問題であった。その理由としては、一般的なＣＯＩＬのレーザ共振器ではフレネル数が大きいからであり、その結果、高次の横モードで発振するからである。例えば、ビーム径が５ｃｍで共振器長が１ｍの場合、フレネル数は４７５になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５２２９１００号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Stephen C. Hurlick, et al., “ＣＯＩＬ technology development at Boeing,” Proceedings of SPIE Vol. 4631, 101-115 (2002).
【非特許文献２】Masamori Endo, “History of ＣＯＩＬ development in Japan: 1982-2002,” Proceedings of SPIE Vol. 4631, 116-127 (2002).
【非特許文献３】Edward A. Duff and Keith A. Truesdell, “Chemical oxygen iodine laser (COIL) technology and development,” Proceedings of SPIE Vol. 5414, 52-68 (2004)
【非特許文献４】Jarmila Kodymova, “COIL-Chemical Oxygen Iodine Laser: Advances in development and applications,” Proceedings of SPIE Vol. 5958, 595818 (2005)
【非特許文献５】Jim F. Riker, et al., “An Overview of the Space-Based Laser (SBL) Program,” Proc. SPIE 4632, 181 (2002)
【非特許文献６】Lewis Jamison, Geoffrey S. Sommer, Isaac R. Porche III, “High-Altitude Airships for the Future Force Army,” Technical Report, The RAND Corporation (2005)http://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/technical_reports/2005/RAND_TR423.pdf.
【非特許文献７】Performance of a High-Efficiency 5-cm Gain Length Supersonic Chemical Oxygen-Iodine Laser” by Tilghman L. Rittenhouse, Stephen P. Phipps, and Charles A. Helms
【非特許文献８】インターネット検索：http://www.altitude.org/air_pressure.php.
【非特許文献９】“An Atmospheric Turbulence Profile Model for Use in Army Wargaming Applications I” by David H. Tofsted, Sean G. O’Brien, and Gail T. Vaucher, ARL-TR-3748
【非特許文献１０】“Propagation of High Energy Laser Beams in Various Environments” by Phillip Sprangle, Joseph Penano, Naval Research Laboratory, June 8, 2007.
【非特許文献１１】V. N. Azyazov, S. Yu. Pichugin, M. C. Heaven, “A simplified kinetics model for the COIL active medium,” Proceedings of SPIE Vol.7915, 791505 (2011)
【非特許文献１２】“Chemical Laser Modeling with Genetic Algorithms” by David L. Carroll, AIAA Journal, Vol. 34, 338-346 (1996)
【非特許文献１３】The Magic of Relay Mirrors’ by Edward A. Duff and Donald C. Washburn in Proceedings of SPIE Vol. 5453, pp. 137-144 (2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
通常のＣＯＩＬを図１２に示す。ＳＯＧ２０１から発生した一重項酸素は、供給ダクト２０２内を流れ、レーザ共振器２０３を通過し、排気ダクト２０４内を流れ、外部に排気される（矢印２０５）。酸素やヨウ素などの反応生成物は、排気ダクト２０４から真空ポンプ（不図示）によって排気される。レーザ共振器２０３はリアミラー２０６とフロントミラー２０７を備えており、レーザ光Ｌ２００ａがフロントミラー２０７から取り出される。図１２に示されているように、ガスの流れと光軸とは互いに直交している。これにより、取り出されるレーザ光Ｌ２００ａの断面が矩形になり、円形にはならない。そのため、レーザ共振器２０３が短いことから、ＴＥＭ００の単一横モードでの発振が困難になっている。
【０００９】
本発明の目的は、高出力で高品質のレーザ光を取り出せるＣＯＩＬを備えた防衛システムを提供することである。また他の目的としては、高高度飛行船で運べる軽いＣＯＩＬを備えた防衛システムを提供することである。なお高高度飛行船（high-altitude airship）に関しては、非特許文献６において説明されている。なお、高高度飛行船（high-altitude airship）のことを、ＨＡＡと略す。
【００１０】
またさらに他の目的としては、電源が不要のＣＯＩＬを備えた防衛システムを提供することである
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の防衛システムは、レーザ共振器とＳＯＧとを有するＣＯＩＬを備えている。ＣＯＩＬはＨＡＡに載せられて、高度１７ｋｍより高い高度で滞空する。レーザ共振器には、ＳＯＧと繋がった多数の入力ポートと、外部に繋がる多数の排気ポートとが設けられていてもよい。
【００１２】
以上に述べた物や本発明の特徴や長所は、下記の詳細説明と図面とによってさらに理解されるものであるが、これらは本発明を限定するものではない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本実施形態にかかる防衛システムは、化学励起酸素ヨウ素レーザと、前記化学励起酸素ヨウ素レーザを高度１７ｋｍより高い高度に滞在する高高度気球とを、備えたのである。
【００１４】
上記の防衛システムは、前記化学励起酸素ヨウ素レーザがレーザ共振器と一重項酸素発生器を含み、前記レーザ共振器が、前記一重項酸素発生器から繋がっている複数の注入管と、外部に繋がる複数の排気管とを備えることが好ましい。
【００１５】
上記の防衛システムにおいて、一重項酸素とヨウ素とが前記注入管から前記レーザ共振器内に供給され、前記一重項酸素と前記ヨウ素とがレーザ共振器内で光軸方向に流れることを特徴とすることが好ましい。
【００１６】
上記の防衛システムは、前記化学励起酸素ヨウ素レーザが一重項酸素発生器を含み、前記一重項酸素発生器にはバッファガスが満たされ、塩素ガスを前記一重項酸素発生器に供給する前に、前記バッファガスによって、外部の圧力とほぼ同等に満たすことが好ましい。
【００１７】
上記の防衛システムは、前記化学励起酸素ヨウ素レーザが一重項酸素発生器を含み、前記高高度気球がヘリウムによって浮かび、前記高高度気球から前記一重項酸素発生器にヘリウムガスがバッファガスとして供給されることが好ましい。
【００１８】
上記の防衛システムは、前記化学励起酸素ヨウ素レーザが一重項酸素発生器を含み、前記高高度気球がヘリウムによって浮かび、バッファガスであるヘリウムガスがヘリウムガスシリンダから前記一重項酸素発生器に供給されていることが好ましい。
【００１９】
上記の防衛システムにおいて、前記化学励起酸素ヨウ素レーザのレーザキャビティからの排出ガスがバッグに溜められることが好ましい。
【００２０】
上記の防衛システムにおいて、前記化学励起酸素ヨウ素レーザが回転ディスク型の一重項酸素発生器を備えることが好ましい。
【００２１】
上記の防衛システムは、別の高高度気球をさらに備え、前記別の高高度気球が集光鏡を含み、前記化学励起酸素ヨウ素レーザから取り出されたレーザ光が、前記別の高高度気球に入射することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によると、高出力で高品質のレーザ光を取り出せる、防衛システム用のＣＯＩＬを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、実施形態１にかかるヨウ素レーザを用いた防衛システム１００を示した構成図である。
【図２】図２は、ＳＯＧ１０７の構成図である。
【図３】図３は、フレネル数に依るビームのパワー損失を示したグラフである。
【図４】図４は、高度に対する気圧を示したグラフである。
【図５】図５は、本シミュレーションにおけるＣＯＩＬ３００を示した説明図である。
【図６】図６は、本シミュレーションにおけるレーザ共振器の分割に関する説明図である。
【図７】図７は、ＣＯＩＬ３００におけるレーザ共振器の断面を示した説明図である。
【図８】図８は、外気圧をパラメータとしたレーザ出力のシミュレーション結果である。
【図９】図９は、励起ヨウ素密度の分布を示すシミュレーション結果である。
【図１０】図１０は、実施形態２にかかるレーザ共振器を示した説明図である。
【図１１】図１１は、実施形態３にかかるレーザ共振器を示した説明図である。
【図１２】図１２は、通常のＣＯＩＬ２００を示した構成図である。
【図１３】図１３は、ＣＯＩＬ２００においてピンホールを用いてレーザ発振させた説明図である。
【図１４】図１４は、Ｃ２ｎ値と高度との関係を示したグラフである。
【図１５】図１５は、Ｃ２ｎ値に対するスポット径を示すグラフである。
【図１６】図１６は、付加的シミュレーションにおけるＣＯＩＬの構成を示す説明図である。
【図１７】図１７は、ＣＯＩＬ５００に対する一次元シミュレーションモデルの説明図である。
【図１８】図１８は、バッファガスとしてＮ２を用いた場合のシミュレーション結果である。
【図１９】図１９は、バッファガスとしてＨｅを用いた場合のシミュレーション結果である。
【図２０】図２０は、ヨウ素レーザを用いた防衛システム６００の構成図である。
【図２１】図２１は、実施形態４にかかるヨウ素レーザを用いた防衛システム７００の概念構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。実施例は単に本発明を例示するものであり、本発明はこれらの実施例に限定するものではない。なお、同じ符号が付いた物体は同じ物体を示す。
【００２５】
実施の形態１．
以下、本開示の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。図１は、化学励起酸素ヨウ素レーザを用いた防衛システム１００（以下、防衛システム１００と略す。）のコンセプトを示した構成図である。
防衛システム１００は、アーム１０２ａと１０２ｂとで吊り下げられたＣＯＩＬ１０３を運ぶＨＡＡ１０１を備えている。ＨＡＡ１０１はヘリウムで満たされており、高度約２０ｋｍで滞空している。ＣＯＩＬ１０３はＳＯＧ１０７とレーザ共振器１０４を含んでいる。レーザ共振器１０４には注入管１０８と排気管１１４とが繋がれている。
ＣＯＩＬ１０３でレーザ発振させるために、ＳＯＧ１０７から注入管１０８を通って、一重項酸素がレーザ共振器１０４内に供給される。ＳＯＧ１０７から注入管１０８を通ってバッファガスとしてのＮ２ガスがレーザ共振器１０４に供給される。レーザ共振器１０４はフロントミラー１０５とリアミラー１０６とを含む。ここでレーザ共振器と言及するものは、単にフロントミラー１０５とリアミラー１０６とで構成されたものだけではなく、一重項酸素やヨウ素やバッファガスで満たされた空間も示すものである。
【００２６】
もしも注入管１０８と排気管１１４とが金属パイプから成ると、注入管１０８と排気管１１４とは未反応の塩素ガスによって腐食する。そこで、注入管１０８と排気管１１４は、ガラス管か塩ビパイプなどの非金属が好ましい。注入管１０８は、Ｉ２とＮ２の貯蔵容器１０９とパイプ１１０を介して繋がっている。Ｉ２とＮ２の混合ガスは貯蔵容器１０９からレーザ共振器１０４内に供給される。レーザ共振器１０４は、排気管１１４によって外部空間に繋がっている。
【００２７】
ＣＯＩＬ１０３は長いレーザ共振器１０４を有しているため、高品質のレーザ光Ｌ１を簡単に発生できる。これに関しては後述する。取り出されたレーザ光Ｌ１は折り返しミラー１２１で反射して、凹レンズ１２２を通る。凹レンズ１２２はレーザ光Ｌ２を直径約６ｍに拡大する。レーザ光Ｌ２は大きな集光鏡１２３に当たる。集光鏡１２３はレーザ光Ｌ３をターゲットのミサイル９００に向ける。集光鏡１２３は凹面鏡であり、レーザ光Ｌ３をミサイル９００で集光させている。集光鏡１２３は回転するため、レーザ光Ｌ３をどの方向にでも向かわせることができる。レーザ光Ｌ３はターゲットのミサイル９００まで長距離伝搬する。
【００２８】
ＣＯＩＬ１０３のＳＯＧ１０７の詳細を図２に示す。図示されているように、ＳＯＧ１０７は回転ディスク型ＳＯＧである。ＳＯＧ１０７には多数のディスク１１２と容器１１８を含む。容器１１８には、過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）と水酸化カリウム（ＫＯＨ）あるいは水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）との混合溶液であるＢＨＰ溶液１１１が溜められている。ディスク１１２はＢＨＰ溶液１１１中にその半分まで浸されている。ディスク１１２はモータ１１３によって回転される。
【００２９】
ＣＯＩＬ１０３はＨＡＡ１０１に搭載されており、宇宙配備型レーザではないため、ＢＨＰ溶液１１１を容器１１８内で安定して溜めることができる。容器１１８には注入管１１９が取り付けられている。Ｃｌ２ガスとＮ２ガスは、図示されてない貯蔵容器から容器１１８内に、注入管１１９を通って供給される。注入管１１９には、図示されていないバルブが備わっているため、Ｃｌ２ガスとＮ２ガスとは、容器１１８内に注入管１１９によって独立に供給される。注入管１１９は、容器１１８の右端に取り付けられているように図示されているが、実際は長い容器１１８の側面側に多数の注入管１１９を取り付けると良く、それによって全ガス流量を高められる。なお、回転ディスク型ＳＯＧに関しては、例えば、特許文献１、及び非特許文献７において説明されている。
【００３０】
回転ディスク型ＳＯＧ１０７を用いる理由に関して説明する。高度２０ｋｍ前後では、ＢＨＰ溶液１１１の温度がマイナス１０℃程度になるため、ＢＨＰ溶液１１１の粘度が高くなる。しかしながら回転ディスク型ＳＯＧでは基本的に高い粘度のＢＨＰ溶液を用いても容易に動作できる。これとは反対に、スプレー型やバブル型のＳＯＧでは、低粘度のＢＨＰ溶液が必要である。その理由としては、スプレー型やバブル型のＳＯＧにおいてＢＨＰ溶液の粘度が高くなると、微小なドロップを形成するのが困難だからである。
【００３１】
このような低温では、水蒸気トラップ無しでＣＯＩＬを動作させるのに十分な程度に、ＢＨＰ溶液の蒸気圧が低くなる。冷却装置無しでＢＨＰ溶液１１１をマイナス１０℃前後の最適温度に保つことができるので、ＣＯＩＬ１０３の全体としての重量が低減できる。
【００３２】
本発明の特徴の一つに、フレネル数を小さくできる長いレーザ共振器１０４を利用できることである。フレネル数ＮＦは下記の式（１）で表される。
ＮＦ＝ａ２/(λＬ)        ・・・（１）
ここで、ａはミラーの半径、Ｌはレーザ共振器長、λはレーザ波長を表し、ここではλ＝１．３１５μｍである。
【００３３】
図３に示されたように、小さいフレネル数では回折損失が大きい。それにより、小さいフレネル数の長いレーザ共振器では、単一横モード（ＴＥＭ００モード）でレーザ発振でき、ＴＥＭ０１などの高次モードの発振を抑制できる。さらに、供給されたガスがレーザ共振器１０４の光軸方向に沿って流れることから、レーザ光Ｌ１の断面は円形になる。長いレーザ共振器１０４から取り出される円形断面のレーザ光は、ＴＥＭ００モードを発振するために有利である。ＴＥＭ００モードのビームはガウシャンビームと呼ばれ、全てのモードの中で最も拡がり角が小さい。その結果、長距離伝搬に適している。
【００３４】
一方、図１２に示す従来のＣＯＩＬ２００では、レーザ共振器２０３から取り出されるレーザ光Ｌ２００ａは矩形断面を有している。このためフレネル数が大きいことからビーム品質が悪い。したがって、単一横モードで発振させるために、レーザ共振器２０３内にピンホール板を配置する必要がある。ところが、図１３に示されたように、発振するレーザ光Ｌ２００ｂは、活性領域２０８よりも遙かに小さな断面積を有することになる。その結果、ピンホール板２０９無しのＣＯＩＬに比べて、発振効率が大幅に低下することになる。したがって、本実施形態のＣＯＩＬ１０３では、活性領域が小さな断面積なので、発振効率を下げることなく、ＴＥＭ００モードで発振させることができる。
【００３５】
防衛システム１００は高度１７ｋｍより高い高度で滞空している。もし高度が１７ｋｍより高いと、図４に示されたように、大気圧は０．１０気圧（１０ｋＰａ）より低くなる。高度による大気圧に関しては、例えば、非特許文献８に示すような、計算サイトが様々ある。したがって、ターゲットでの照射強度を低減させるサーマルブルーミングや吸収の影響は、地表付近を伝搬させる場合に比べて、およそ１／１０になる。
【００３６】
ＨＡＡ１０１は高度約２０ｋｍで滞空しているため、大気揺らぎの構造パラメータＣ２ｎは、１０−１８程度で、図１４に示されているように、地表の場合の１／１０より小さい。これに関しては、非特許文献９において説明されている。
【００３７】
ターゲットのミサイル９００における大気揺らぎを考慮したスポット径の見積もりに関して説明する。スポット径は回折拡がりと大気揺らぎ起因の拡がりとの両方を考慮して見積もられる。回折拡がりによる拡がり角の半角θｄｉｆｆは、下記（２）式で計算される。
θｄｉｆｆ〜２Ｍ２ λ／πＤ      ・・・（２）
【００３８】
ここで、Ｍ２はビーム品質パラメータで、取り出されるレーザ光Ｌ１が回折限界なので、約１．０である。λはレーザ波長で１．３１５μｍである。Ｄはレーザ光Ｌ３が取り出された直後の直径であり、ここでは約６ｍである。一方、大気揺らぎ起因の拡がり角の半角θturbulenceは下記（３）式で表される。
θturbulence〜２(Ｃ２ｎ Ｌ/λ１／３)３／５      ・・・（３）
【００３９】
ここでＬはターゲットまでの距離である。上記両方の拡がりを考慮すると、距離Ｌ離れた場所でのスポット径ｄは、下記（４）式で表される。
ｄ〜２√(θｄｉｆｆ２ +θturbulence２) Ｌ        ・・・（４）
【００４０】
距離をパラメータとして、Ｃ２ｎに対するスポット径を計算した結果を図１５に示す。Ｃ２ｎ値が約１０−１８の場合、ターゲットのミサイル９００が１００ｋｍ離れた場所にあると、レーザ出力１ＭＷでは６ｋＷ／ｃｍ２の照射強度になる。これはターゲットのミサイル９００のハウジングにダメージを生じさせることができる。これとは反対に、もしもＣＯＩＬが地表付近に配置していると、約５×１０−１７もの大きなＣ２ｎの結果、ビーム径は約１ｍにもなってしまう。その結果、照射強度は約０．１ｋＷ／ｃｍ２と小さくなってしまう。これではターゲットミサイル９００を打ち落とすことはほとんど不可能である。以上が、本発明において、ＣＯＩＬ１０３をＨＡＡに搭載することで小さなＣ２ｎ値の大気中に持ち上げることの理由である。揺らぎを有する大気中を伝搬する場合のビーム径に関しては、非特許文献１０において説明されている。
【００４１】
本発明において、このような揺らぎの小さな大気中のビーム伝搬は、他の特長もある。本防衛システムでは、可変ミラーなどの補正光学系を備える必要がない。補正光学系は従来のレーザ防衛システムには必要である。したがって、ＣＯＩＬ１０３を軽くすることができる。
【００４２】
本発明のさらに他の特長として、ＣＯＩＬ１０３には真空ポンプが不要になる。ＣＯＩＬ１０３は約２０ｋｍの高度に配置されることから、外の大気圧は非常に低い。したがって、ＣＯＩＬ１０３は、レーザ動作の前と動作中において、真空ポンプによって排気しなくてもレーザ発振できる。その結果、ＣＯＩＬ１０３には真空ポンプは不要である。高速な真空ポンプは非常に重いため、ＣＯＩＬ１０３をさらに軽くできる利点がある。又、真空ポンプは電源、及び冷却水を必要とする。したがって、ＣＯＩＬ１０３はＨＡＡで容易に搭載できる。
【００４３】
真空ポンプ無しにレーザ動作できることを確かめるために、図５に示されたＣＯＩＬ３００をシミュレーションした。ＣＯＩＬ３００は約６ｍの長さのレーザ共振器を有する。シミュレーションは、非特許文献１１に示されたレート方程式に基づいたものである。その反応式は、Ｎ２分子の衝突によるヨウ素分子の乖離を含んでいるため、高い圧力のＮ２雰囲気において正確にシミュレーションできると考えられる。利得や圧力広がりの係数は、非特許文献１２を参照した。
【００４４】
ＣＯＩＬ３００はＳＯＧ３０７を含んでいる。ＳＯＧ３０７は回転ディスク３１２を含んでいる。回転ディスク３１２は、ＢＨＰ溶液３１１に半分浸されている。回転ディスク３１２はモータ３１３に繋がれている。モータ３１３はレーザ動作の前と動作中に回転ディスク３１２を回転させている。
【００４５】
Ｃｌ２ガスはレーザ動作前と動作中に、注入管３１９を通り、ＳＯＧ３０７の容器３１８内に供給される。一重項酸素とＮ２などのバッファガスは、ＳＯＧ３０７から注入管３０８a〜３０８ｄを通り、レーザ共振器３０４内に供給される。レーザ共振器３０４からの反応生成物は、排気管３１４ａ、３１４ｂ、３１４ｃを通って外部に排出される。レーザ共振器３０４におけるミラー３０５、３０６の近くにはそれぞれパージ管３１７が接続されている。これらのパージ管３１７を通り、Ｎ２ガスがレーザ共振器３０４内に供給される。したがって、ミラー３０５、３０６の表面は綺麗に保たれる。
【００４６】
ＣＯＩＬ３００のシミュレーションでは、図６に示したように、レーザ共振器３０４を光軸に沿って６３分割した。各分割部において各ガス密度が割り当てられる。シミュレーション条件は下記の通りである。
【００４７】
塩素（Ｃｌ２）ガス流量：３０ｍｏｌ／ｓ
Ｏ２生成効率（Ｃｌ２流量に対するＯ２流量の割合）：０．９０
Ｏ２(１Δｇ) 生成効率（全Ｏ２に対するＯ２(１Δｇ)の生成割合)：０．６０
ヨウ素分子流量：０．００６ｍｏｌ／ｓ
Ｎ２ ガス流量：０．０６ｍｏｌ／ｓ
レーザ共振器：長さ６ｍ、内径１０ｃｍ
注入管（３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃ、３０８ｄ）：４カ所
排気管（３１４ａ、３１４ｂ、３１４ｃ）：３カ所（内径１０ｃｍ、長さ１ｍ）
【００４８】
バッファガスはＮ２とした。バッファガスはヨウ素分子を流すために用いられ、ヨウ素分子の流量の１０倍とした。図５では、それぞれの排気管（３１４ａ、３１４ｂ、３１４ｃ）が１カ所しか示されていないが、実際には光軸と平行方向における１カ所に６本の管が配置され、反応生成物の排気流量を高めている。これに関しては断面図である図７に示してある。
例えば、排気管３１４ａには、実際には、排気ポート３１４ａ１、３１４ａ２、３１４ａ３、３１４ａ４、３１４ａ５、及び３１４ａ６の６本が付いている。これらの６本の排気ポート３１４ａ１、３１４ａ２、３１４ａ３、３１４ａ４、３１４ａ５、及び３１４ａ６は半径方向に並べられており、レーザ共振器３０４から外方向に向いている。これらの６本の排気ポート３１４ａ１、３１４ａ２、３１４ａ３、３１４ａ４、３１４ａ５、及び３１４ａ６内のガス流速は、粘性領域（平均圧力が１００Ｐａより高い領域）と中間領域（１Ｐａから１００Ｐａの間の圧力領域）とで妥当とされるＫｎｕｄｓｅｎの公式と呼ばれる、圧力依存性を有するコンダクタンスの公式から見積もられた。
【００４９】
排気管を多く設ける別の理由がある。排気管の数を増やすことで、全流量を落とさずに、径の小さい排気管を用いることができる。小径ではコンダクタンスが小さくなる。その結果、ヨウ素分子が排気管３１４ａ、３１４ｂ、３１４ｃ内を流れる間に容易にトラップされやすくなる。その理由としては、高度約２０ｋｍでは外気がマイナス５０℃前後であるため、ヨウ素分子が冷却されるからである。
【００５０】
外気圧をパラメータとしたシミュレーション結果を図８に示す。シミュレーションでは、レーザ共振器内には最初に外気圧と同じ圧力の空気、すなわち２１％の酸素と７９％の窒素、で満たされるとした。シミュレーション結果、ＣＯＩＬ３００は、外気圧が２５０００Ｐａ（約０．２５気圧）より低い場合、連続的にレーザ発振できることが示された。これは、ＣＯＩＬ３００が高度１２ｋｍより高い高度に配置すれば、真空ポンプ無しに動作できることを意味している。したがって、真空ポンプを有しないＣＯＩＬ３００は軽くなる。それにより、このＣＯＩＬをＨＡＡに搭載するのが有利になる。好ましくは、ＨＡＡは高度１７ｋｍより高い高度に滞空する。これは図４に示されているように、外気圧は約１００００Ｐａより低い。この場合、取り出されるレーザ出力は、外部が完全に真空の場合の出力に比べて、その８０％以上が得られる。ＨＡＡは高度１７ｋｍより高い高度に滞空するため、成層圏を飛ぶことになる。成層圏では対流圏に比べて大気揺らぎが小さい。したがって、ＣＯＩＬは安定的に動作できる。
【００５１】
本実施形態のＣＯＩＬの他の特徴として、長いレーザ共振器３０４内に一重項酸素を速やかに満たすため、及び反応生成物を速やかに排出するために、ＣＯＩＬは多くの注入管と排気管を備えている。従来のＣＯＩＬが、光軸とガス流が直交する横方向流を有する一つの理由としては、利得長が短いことである。これは、単に長いレーザ共振器を用いても、利得長を長くすることはできないことを意味している。したがって、本発明では、ＣＯＩＬには多くの注入管と排気管が備えられ、多数の高利得領域を形成している。
【００５２】
これを確認するために、前記条件下で、レーザ共振器３０４内における励起ヨウ素原子の密度を図９にプロットした。そのプロットが示すように、励起ヨウ素原子密度は、注入管３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃ及び３０８ｄの場所において極大になる。位置（ｚ）が注入管から離れると、密度は減少していき、排気管３１４ａ、３１４ｂ、及び３１４ｃが取り付けられた場所において極小になる。したがって、本発明では、レーザ共振器３０４では、多くの注入管３１４と排気管を多数有することが好ましい。
【００５３】
しかしながら、もしも従来のＣＯＩＬにおいて、長いレーザ共振器に多くの排気管を設けるのであれば、多数の真空ポンプが必要になる。これに対して、本実施形態では真空ポンプが不要であるため、ＣＯＩＬを軽くすることができる。このように、本実施形態のＣＯＩＬはＨＡＡに搭載することが有利である。本実施形態のＣＯＩＬは真空ポンプが不要なので、真空ポンプを動作させるための電源も不要である。
【００５４】
実施の形態２．
次に実施の形態２について、図１０を用いて説明する。図１０はレーザ共振器１０４ｂを示した図であり、これは図１に示されたＣＯＩＬ１０３に対応する第一実施例とは異なる。レーザ共振器１０４ｂ以外の防衛システムの構造は実施形態１の防衛システム１００と同等である。したがって、その説明は省略する。
【００５５】
レーザ共振器１０４ｂはフロントミラー１０５とリアミラー１０６ｂを備えている。レーザ共振器１０４ｂ内には、凸レンズ１３１、１３２が配置されている。凸レンズ１３１と凸レンズ１３２との間には、ピンホール板１３３が配置されている。これら凸レンズ１３１と凸レンズ１３２とによって、ビームがピンホール板１３３において集光するようになっている。ピンホール板１３３は、高次の横モードを抑制することができる。その結果、ＴＥＭ００のみがレーザ発振できるようになる。したがって、高品質のビームを発振できる。なお凸レンズ１３１、１３２にはそれらの表面に反射防止膜が施されている。
【００５６】
実施の形態３．
実施形態３にかかる防衛システムを、図１１を用いて説明する。図１１は、レーザ共振器１０４ｃを用いた構成の図であり、これは図１に示されたＣＯＩＬ１０３に適用できる実施形態１、２とは異なる。レーザ共振器１０４ｃ以外の防衛システムの構造は防衛システム１００と同等である。したがって、その説明は省略する。
【００５７】
レーザ共振器１０４ｃはフロントミラー１０５ｃとリアミラー１０６ｃとを備えている。フロントミラー１０５ｃとリアミラー１０６ｃの両方とも内面が凹面形状になっている。レーザ共振器１０４ｃの内部には、フロントミラー１０５ｃとリアミラー１０６ｃとの間に凸レンズ１３１ｂが設けられている。レーザ共振器１０４ｃの内部には、フロントミラー１０５ｃとリアミラー１０６ｃとの間にピンホール板１３３ｂが設けられている。凸レンズ１３１ｂとリアミラー１０６ｃとが、ピンホール板１３３ｂにビームをフォーカスしている。ピンホール板１３３ｂは高次の横モードを抑制している。その結果、ＴＥＭ００モードのみでレーザ発振できる。図１１に示されているように、フロントミラー１０５ｃから取り出されるレーザ光Ｌ１は広がっている。したがって、折り返しミラー１２１で反射した後、レーザ光Ｌ２は集光鏡１２３において大きな直径を有するようになる。これにより、レーザ光Ｌ３は強く集光できるようになる。
【００５８】
レーザ共振器１０４ｃの特長としては、フロントミラー１０５ｃとリアミラー１０６ｃとにおけるビーム強度を低くできる。したがって、フロントミラー１０５ｃとリアミラー１０６ｃに施された反射コーティングにダメージが生じる確率を低減できるようになっている。さらにまた、凸レンズ１３１ｂと凹レンズ１３１ｃとは反射防止コーティングが備えられているが、一般的にそれらは反射コーティングに比べて、ダメージ閾値は高い。
【００５９】
シミュレーションの補足
図１６に示されたＣＯＩＬ５００という別のモデルに対してもシミュレーションを追加で行った。ＣＯＩＬ５００はレーザ共振器５０４を備えている。シミュレーションを追加した目的としては、ＳＯＧ内でのＯ２(１Δｇ)の失活を考慮した場合でもＣＯＩＬ５００が発振するかを確かめることである。つまり、ＣＯＩＬの外部よりも高い圧力にするために、ＳＯＧ内に高気圧のバッファガスを満たす必要があるかもしれないからである。
【００６０】
レーザ共振器５０４は長さ２ｍで、内径０．１ｍである。レーザ共振器５０４は反射率９９．９％のリアミラー５０５と反射率９９．０％のフロントミラー５０６が備えられている。フロントミラー５０６からレーザ光Ｌ５が取り出される。ＣＯＩＬ５００は２つのＳＯＧ５０７ａ、５０７ｂを有している。ＳＯＧ５０７ａには複数の回転ディスク５１２ａがある。ＳＯＧ５０７ｂにも複数の回転ディスク５１２ｂがある。回転ディスク５１２ａ、５１２ｂは直径３０ｃｍである。回転ディスク５１２ａ、５１２ｂは、それぞれＢＨＰ溶液５１１ａ、５１１ｂ中に半分浸されている。
【００６１】
また回転ディスク５１２ａは３ｍｍピッチで並んでおり、長さは１ｍである。回転ディスク５１２ｂも３ｍｍピッチで並んでおり、長さは１ｍである。したがって、回転ディスク５１２ａ及び５１２ｂの合計は６６６枚である。回転ディスク５１２ａ、５１２ｂとは、それぞれモータ５１３ａ、５１３ｂに繋がれており、レーザ動作の前と動作中に回転するようになっている。反応表面からのＯ２(１Δｇ)の発生率としては、一般的なＳＯＧでの値である０．１ｍｏｌ／ｓ／ｍ２とした。Ｏ２(１Δｇ)の初期発生効率は９０％、Ｃｌ２利用効率は９０％とした。
【００６２】
注入管５０８と排気管５１４がレーザ共振器５０４に接続されている。パージ管５１７は２枚のミラー５０５、５０６の近くのレーザ共振器５０４にそれぞれ繋がれている。注入管５１９ａ、５１９ｂはＳＯＧ５０７ａ、５０７ｂの容器５１８ａ、５１８ｂにそれぞれ接続されている。注入管５１９ａ、５１９ｂはＳＯＧ５０７の左側、及びＳＯＧ５０７ｂの右側に接続されているように描かれているが、実際はＳＯＧ５０７ａ、５０７ｂの側面に多くの注入管が接続されている。これにより、回転ディスク５１２ａ、５１２ｂとの表面で生じるＣｌ２とＢＨＰ溶液との反応を促進している。
【００６３】
ＣＯＩＬ５００のシミュレーションモデルを図１７に示す。図１７は、レーザ共振器５０４内部とＳＯＧ５０７ａ、５０７ｂの内部を対象とした１次元モデルを示している。レーザ共振器５０４の内部断面積は、ＳＯＧ５０７ａ、５０７ｂの内部断面積と異なるため、レーザ共振器５０４、及びＳＯＧ５０７ａ、５０７ｂにおけるそれぞれの分割長は、同じ流量のガスに対して同じ滞在時間となるように調整されている。
【００６４】
Ｏ２(１Δｇ)を発生させるために、注入管５１９ａ、５１９ｂからＣｌ２とＮ２とをＳＯＧ５０７ａ、５０７ｂに注入する前に、ＳＯＧ５０７ａ、５０７ｂにはＮ２のみを注入する。それにより内部全体の圧力を外部の圧力と等しくする。Ｏ２(１Δｇ)を発生させる前に、ＳＯＧ５０７ａ、５０７ｂ、及びレーザ共振器５０４にはＮ２かＨｅのバッファガスが、外部の圧力と等しくなるまで満たされる。この工程により、ＳＯＧ５０７ａ、５０７ｂとレーザ共振器５０４からの酸素を排気管５１４から外部に排出できるようになる。したがって、Ｃｌ２をＳＯＧ５０７ａ、５０７ｂ内への供給を開始すると直ぐに高効率の一重項酸素を得ることが容易になる。
【００６５】
外部の圧力をパラメータとしたシミュレーション結果を図１８に示す。これによると、ＣＯＩＬ５００は外圧が約１００００Ｐａより低い場合に連続的にレーザ発振することが判る。一方、外部圧力が約２００００Ｐａより高い場合、レーザ出力は少しずつ低下していき、最終的にはレーザ発振が止まる。
【００６６】
さらに別のシミュレーションがＣＯＩＬ５００を対象として行われた。これはバッファガスとしてＮ２の代わりにＨｅを用いた場合である。シミュレーション結果を図１９に示す。図１９によると、ＣＯＩＬ５００は、外部圧力が１００００Ｐａより低いと連続的にレーザ発振することが判る。Ｈｅをバッファガスとして用いる特長としては、ＨｅはＮ２より軽いことである。
【００６７】
さらにまた、Ｈｅのバッファガスは、ＣＯＩＬ５００を搭載したＨＡＡ（ただし図１６には示されていない）を浮かすための気球から供給することができる。例えば、ＨＡＡはヘリウムガスによって浮かび、そのヘリウムガスがバッファガスとして、ＨＡＡからＳＯＧに供給される。つまり、ＨＡＡは浮かばせるガスとしてヘリウムで満たされた気球を含むからであり、ＨＡＡの気球からのヘリウムがバッファガスとしてＣＯＩＬに供給される。したがって、バッファガスとしての余計なガス容器が不要になる。ＨＡＡを浮かすためには大量のＨｅが必要であるため、バッファガスとしてのＨｅの消費量は、もしもレーザ動作時間が１分程度であれば、無視できる程度に小さい。
【００６８】
例えば、もしもＨＡＡがＨｅにより全浮力が１００００ｋｇあるならば、４０００００モル前後のＨｅが必要になる。一方、バッファガスとして１００ｍｏｌ／ｓの流量で供給する場合、もしも浮力が１／１０失うまで許すのであれば、400秒間バッファガスを注入することができる。なお、ミサイル１発を撃墜するには、数秒のレーザ動作で十分である。さらに、ＣＯＩＬ動作中では、酸素分子がＣＯＩＬの外部に放出される。そのため、実際の浮力の損失は無視できる。発生する酸素分子を外部に放出することで、ＣＯＩＬの全重量は軽くなる。ヘリウムがＨＡＡからＳＯＧに供給される時は、ＨＡＡは十分高い高度を飛ぶことができる。
【００６９】
これらの追加シミュレーションによると、ＣＯＩＬ５００は、気圧が１００００Ｐａより低くなる高度１７ｋｍより高い高度に留まることで、真空ポンプ無しにレーザ動作できる。
【００７０】
変形例
次に図２０を用いて防衛システム６００を説明する。図２０は、変形例としてのヨウ素レーザを用いた防衛システム６００の構成図である。この変形例では、防衛システム６００は第一ＨＡＡ６０１と第二ＨＡＡ６５６とを含むものである。
【００７１】
第一ＨＡＡ６０１は高度１７ｋｍより高い高度を滞空している。第一ＨＡＡ６０１はＣＯＩＬ６０３、折り返し鏡６２１、凹レンズ６２２、及びミラー６２３を搭載している。ＣＯＩＬ６０３は前述した実施例と同等の構造を有するため、ＣＯＩＬ６０３の説明は省略する。第二ＨＡＡ６５６は矩形の折り返し鏡６５７と矩形の集光鏡６５８を備えている。
【００７２】
取り出されたレーザ光Ｌ１は折り返し鏡６２１で反射して、凹レンズ６２２を通る。これによりレーザ光Ｌ２は広がり、ミラー６２３に当たる。ミラー６２３はレーザ光Ｌ３をほぼ平行かあるいは僅かに集光するビームにする。ミラー６２３は回転できるようになっており、レーザ光Ｌ３をあらゆる角度に進ませることができる。レーザ光Ｌ３は、折り返し鏡６５７までの長距離を伝搬する。ミラー６２３からのレーザ光Ｌ３は折り返し鏡６５７に当たる。折り返し鏡６５７はレーザ光Ｌ３を反射させて集光鏡６５８に向かわせる。集光鏡６５８は凹面鏡から成る。集光鏡６５８はレーザ光Ｌ４を反射させてターゲットのミサイル９００に集光する。第一ＨＡＡ６０１は高度１７ｋｍより高い高度で滞空している。したがって、本変形例における防衛システム６００もまた前述した実施形態の特長を有している。
【００７３】
第二ＨＡＡ６５６はミサイル９００から２０〜３０ｋｍのより近い場所で滞空することができるため、集光鏡６５８は、防衛システム１００で使われる集光鏡１２３よりも小さくできる。また、第一ＨＡＡ６０１におけるミラー６２３は、ＨＡＡ６５６の折り返し鏡６５７におけるビームを小さくする必要がないため、第一ＨＡＡ６０１は、第二ＨＡＡ６５６よりもミサイル９００から遙かに遠くに離れて滞空することができる。さらに、もし、第二ＨＡＡ６５６が別のミサイルによって撃墜されたとしても、ＣＯＩＬ６０３を搭載している第一ＨＡＡ６０１は撃墜されることはない。第二ＨＡＡ６５６、折り返し鏡６５７、及び集光鏡６５８の開発コストは、ＣＯＩＬ６０３の開発コストに比べると遙かに安いため、経済的なメリットがある。第二ＨＡＡ６５６を用いる防衛システムは、リレーミラーと呼ばれ、非特許文献１３において説明されている。
【００７４】
実施の形態４．
次にヘリウムをバッファガスに用いた他の実施形態を、図２１を用いて説明する。図２１はヨウ素レーザを用いた防衛システム７００の概念構成図である。本防衛システムでは、ヘリウムで満たされたＨＡＡ７０１がＣＯＩＬ７０３を搭載している。ＣＯＩＬ７０３はＳＯＧ７０７とレーザ共振器７０４とを含む。ＳＯＧ７０７には回転ディスク７１２が含まれ、これはＢＨＰ溶液７１１内で半分浸されている。回転ディスク７１２にはモータ７１３が取り付けられている。レーザ共振器７０４には、注入管７０８ａ、７０８ｂ、及び７０８ｃが取り付けられている。さらに、レーザ共振器７０４には、排気管７１４ａ、７１４ｂが取り付けられている。排気管７１４ａ、７１４ｂには、リサイクルバッグ７２１が繋がれている。
【００７５】
レーザ共振器７０４はフロントミラー７０５とリアミラー７０６とを備えている。ＣＯＩＬ７０３を発振させるために、注入管７０８ａ、７０８ｂ、及び７０８ｃを介して、ＳＯＧ７０７からレーザ共振器７０４内に一重項酸素が供給される。それによりレーザ共振器７０４内で、励起ヨウ素原子が生成してレーザ発振し、フロントミラー７０５からレーザ光Ｌ７が取り出される。
【００７６】
ＳＯＧ７０７において一重項酸素を発生させるために、Ｃｌ２ガスがＣｌ２ガス容器７２２から供給される。またバッファガスとしてのヘリウムがヘリウムガス容器７３３から供給される。それにより、Ｃｌ２とＨｅの混合ガスが、注入管７２４ａ、７２４ｂからＳＯＧ７０７内に供給される。図中の矢印はガスの流れる方向を示している。
【００７７】
コンプレッサ７２６がヘリウムガス容器７３３とＨＡＡ７０１との間に設けられている。ヘリウムガス容器７３３には、最初に高圧のヘリウムが満たされている。しかしもしも内部のヘリウム圧が、外部の圧力より下がると、ヘリウムはコンプレッサ７２６を経由してＨＡＡ７０１から供給される。したがって、ヘリウムガス容器７３３には、常時、高圧のヘリウムガスが満たされるようになっている。
【００７８】
一方、レーザ共振器７０４からの反応生成物はリサイクルバッグ７２１に溜められる。レーザ共振器７０４からの排出ガスはリサイクルバッグ７２１に溜められる。したがって、ヘリウムは外部に捨てられることはない。ヘリウムは高価なので、経済的なシステムになっている。
【００７９】
本発明は以上の実施例に示したが、本発明の目的と効果に反しない他の様々な形態も含むものとし、これらの実施例に限定されるものではない。
【００８０】
本発明は以上のように説明されたが、実施形態は多くの変更を伴うこともある。そのような変更は、本発明の目的は分野から逸脱しないものであり、そのような全ての変更点は、以下の請求項の範囲に含まれることを想定したものであり、同分野の者には、明らかに逸脱しないと考えられるものである。
【符号の説明】
【００８１】
１００、６００、７００  防衛システム
１０３、２００、３００、５００  ＣＯＩＬ（化学励起酸素ヨウ素レーザ）
１０１、７０１  ＨＡＡ（高高度気球）
１０４、２０３、３０４  レーザ共振器
１０５  フロントミラー
１０６  リアミラー
１０８  注入管
１０９  貯蔵容器
１１０  パイプ
１１１  ＢＨＰ溶液
１１２  ディスク
１１３  モータ
１１４  排気管
１１８  容器
１１９  注入管
【図１】
2019100692.tif 000003
【図２】
2019100692.tif 000004
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2019100692.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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