(57)【要約】【課題】複数の波長でレーザ発振して、励起エネルギーの利用効率を高めることができるようにする。【解決手段】レーザ発振装置置は、利得特性を有すると共に、光の波長に関する異なる吸収特性を有し、かつ、異なる波長でレーザ発振する第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４と、内部に複数の利得ファイバを配置した集光光学系１６であって、太陽光が励起光として利得ファイバの側面から入射されるように、広帯域光が内部に入射される集光光学系１６と、を備えている。【選択図】図１
2012119534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
利得特性を有すると共に、光の波長に関する異なる吸収特性を有し、かつ、異なる波長でレーザ発振する複数の利得ファイバと、
内部に前記複数の利得ファイバを配置した集光光学系であって、前記複数の利得ファイバの各々の吸収特性の波長帯を含む広帯域光が励起光として前記利得ファイバの側面から入射されるように、前記広帯域光が内部に入射される集光光学系と、
を含むレーザ発振装置。
【請求項２】
利得特性を有すると共に、光の波長に関する異なる吸収特性を有し、かつ、異なる波長でレーザ発振する複数の利得ファイバと、
内部に前記複数の利得ファイバを配置した導光光学系であって、前記複数の利得ファイバの各々の吸収特性の波長帯を含む広帯域光が励起光として前記利得ファイバの側面から入射されるように、前記広帯域光が内部に入射される導光光学系と、
を含むレーザ発振装置。
【請求項３】
前記複数の利得ファイバは、第１の吸収特性を有し、かつ、第１の波長でレーザ発振する第１の利得ファイバと、前記第１の吸収特性とは異なる第２の吸収特性を有し、かつ、前記第１の波長より長い第２の波長でレーザ発振する第２の利得ファイバとを含み、前記第１の吸収特性の波長帯を、前記第１の波長より短くし、前記第２の吸収特性の波長帯を、前記第１の波長より長く、かつ、前記第２の波長より短くした請求項１又は２記載のレーザ発振装置。
【請求項４】
前記第１の利得ファイバと前記第２の利得ファイバとの間に設けられ、かつ、所定の波長の範囲の光を反射し、前記所定の波長の範囲以外の波長の範囲の光を透過する波長分離手段を更に含む請求項３記載のレーザ発振装置。
【請求項５】
前記第１の波長は、前記第２の波長より短く、
前記所定の波長の範囲は、前記第１の波長より長い波長の範囲を含み、
前記広帯域光が、前記波長分離手段に対して前記第２の利得ファイバ側から入射される請求項４記載のレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、集光系とレーザ共振器とで構成された太陽光励起レーザが知られている（例えば、非特許文献１）。集光系として、フレネルレンズか反射鏡が用いられ、必要に応じてＣＰＣと呼ばれる複合放物面集光装置が併用されている。また、レーザ共振器は、全反射鏡と、主にロッドかディスク形状のレーザ媒質と、出力鏡とで構成されている。
【０００３】
１つの太陽光励起レーザでは、集光系で得られた太陽光を、一つのレーザ媒質の端面あるいは側面に照射して、レーザを発振させるため、レーザ発振波長は１つである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｌ．Ｆｏｒｋ，“Ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ  ｌａｓｅｒｓ  ｍａｙ  ｐｕｔ  ｐｏｗｅｒ  ｉｎ  ｓｐａｃｅ”，Ｌａｓｅｒ  Ｆｏｃｕｓ  ｗｏｒｌｄ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００１年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数の波長のレーザを発振させようとする場合、従来の技術では、レーザ媒質の形状がロッド状であったり、共振器を構成するための形状に制約があったりするため、一つのレーザ発振装置で、複数の波長のレ−ザ発振を実現することが困難である、という問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、複数の波長でレーザ発振して、励起エネルギーの利用効率を高めることができるレーザ発振装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明に係るレーザ発振装置は、利得特性を有すると共に、光の波長に関する異なる吸収特性を有し、かつ、異なる波長でレーザ発振する複数の利得ファイバと、内部に前記複数の利得ファイバを配置した集光光学系であって、前記複数の利得ファイバの各々の吸収特性の波長帯を含む広帯域光が励起光として前記利得ファイバの側面から入射されるように、前記広帯域光が内部に入射される集光光学系と、を含んで構成されている。
【０００８】
第１の発明に係るレーザ発振装置によれば、広帯域光が励起光として集光光学系の内部に入射され、複数の利得ファイバの各々の側面から広帯域光が入射される。複数の利得ファイバは、異なる吸収特性を有しており、複数の利得ファイバによって、異なる波長でレーザ発振する。
【０００９】
このように、異なる吸収特性を有し、異なる波長でレーザ発振する複数の利得ファイバを、集光光学系の内部に配置することにより、複数の波長でレーザ発振して、広帯域光の励起エネルギーの利用効率を高めることができる。
【００１０】
第２の発明に係るレーザ発振装置は、利得特性を有すると共に、光の波長に関する異なる吸収特性を有し、かつ、異なる波長でレーザ発振する複数の利得ファイバと、内部に前記複数の利得ファイバを配置した導光光学系であって、前記複数の利得ファイバの各々の吸収特性の波長帯を含む広帯域光が励起光として前記利得ファイバの側面から入射されるように、前記広帯域光が内部に入射される導光光学系と、を含んで構成されている。
【００１１】
第２の発明に係るレーザ発振装置によれば、広帯域光が励起光として導光光学系の内部に入射され、複数の利得ファイバの各々の側面から広帯域光が入射される。複数の利得ファイバは、異なる吸収特性を有しており、複数の利得ファイバによって、異なる波長でレーザ発振する。
【００１２】
このように、異なる吸収特性を有し、異なる波長でレーザ発振する複数の利得ファイバを、導光光学系の内部に配置することにより、複数の波長でレーザ発振して、広帯域光の励起エネルギーの利用効率を高めることができる。
【００１３】
上記の第１の発明及び第２の発明に係る複数の利得ファイバは、第１の吸収特性を有し、かつ、第１の波長でレーザ発振する第１の利得ファイバと、前記第１の吸収特性とは異なる第２の吸収特性を有し、かつ、前記第１の波長より長い第２の波長でレーザ発振する第２の利得ファイバとを含み、前記第１の吸収特性の波長帯を、前記第１の波長より短くし、前記第２の吸収特性の波長帯を、前記第１の波長より長く、かつ、前記第２の波長より短くするようにすることができる。これによって、広帯域光の励起エネルギーの利用効率をより高めることができる。
【００１４】
上記のレーザ発振装置は、前記第１の利得ファイバと前記第２の利得ファイバとの間に設けられ、かつ、所定の波長の範囲の光を反射し、前記所定の波長の範囲以外の波長の範囲の光を透過する波長分離手段を更に含むようにすることができる。これによって、広帯域光の励起エネルギーの利用効率をより高めることができる。
【００１５】
また、上記の第１の波長は、前記第２の波長より短く、所定の波長の範囲は、前記第１の波長より長い波長の範囲を含み、前記広帯域光が、前記波長分離手段に対して前記第２の利得ファイバ側から入射されるようにすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るレーザ発振装置によれば、異なる吸収特性を有し、異なる波長でレーザ発振する複数の利得ファイバを、集光光学系又は導光光学系の内部に配置することにより、複数の波長でレーザ発振して、広帯域光の励起エネルギーの利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ発振装置の構成を示す断面図である。
【図２】１波長のレーザ光に変換される場合の変換後の波長と効率の関係を示すグラフである。
【図３】２波長のレーザ光に変換される場合の変換後の波長と効率の関係を示すグラフである。
【図４】（Ａ）２つの利得ファイバの各々の吸収特性とレーザ光の波長を示す図、及び（Ｂ）３つの利得ファイバの各々の吸収特性とレーザ光の波長を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ発振装置の構成を示す図である。
【図６】図５におけるａ−ａ’間の断面を示す図である。
【図７】（Ａ）本発明の第２の実施の形態に係るレーザ発振装置の他の例を示す図、及び（Ｂ）本発明の第２の実施の形態に係るレーザ発振装置の他の例を示す図である。
【図８】２つの利得ファイバの各々の吸収特性とレーザ光の波長を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るレーザ発振装置の導光光学系の断面を示す図である。
【図１０】利得ファイバの他の例の断面を示す図である。
【図１１】本発明の第５の実施の形態に係る太陽光エネルギー利用システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の第１の実施の形態に係るレーザ発振装置の構成を示す断面図である。
【００２０】
レーザ発振装置１０は、太陽光を励起光として光増幅する利得特性を有する第１の利得ファイバ１２と、太陽光を励起光として光増幅する利得特性を有する第２の利得ファイバ１４と、第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４が内部に配置された集光光学系１６とを備えている。
【００２１】
集光光学系１６は、積分球の様に内壁を高反射率の反射面１６Ａとした構造を有し、入射された光を複数回内部反射させる。また、集光光学系１６は、太陽光が内部に入射するように配置される。
【００２２】
第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４は、側面から励起光としての太陽光が入射され、両端からレーザ光を出射する。
【００２３】
なお、ファイバ端に高反射率のミラー素子を付加することにより、発振波長を制御したり、一方の端から集中してレーザ光を出射させるようにしてもよい。
【００２４】
次に、第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４から出射されるレーザ光の波長について説明する。
【００２５】
まず、太陽光を励起光として１波長のレーザ光に変換される場合の変換後の波長と効率の関係を図２に示す。上記図２では、参考値として太陽光スペクトルを図示している。
【００２６】
１波長のレーザ光に変換する場合、波長が１１００〜１３００ｎｍであるレーザ光に変換するときに最も効率（４７％程度）が良くなるという結果が示されている。
【００２７】
また、一波長のレーザ光に変換する場合であって、太陽光の励起エネルギーの利用効率を最大にする場合には、下記の（１）式で表されるηが、太陽光スペクトルに対して最大化される。
【００２８】
【数１】
2012119534.tif 000003
【００２９】
但し、λ１は、変換後の波長、Ｉｓｏｌａｒ（λ）は、太陽光が有するλｓからλｅまでのスペクトルであり、励起に使われる太陽光は、発振波長λ１より短い波長である。
【００３０】
従って、一波長のレーザ光に変換する場合、レーザ媒質を限定しない、物理モデルでは、変換後のレーザ光を、λ１＝（１１００ｎｍ帯の波長）で実現することにより最大効率となる。
【００３１】
具体的な添加元素については、一波長のレーザ光に変換する場合、例えば、レーザ媒質としてＮｄ添加材料が想定される。この場合、１０６０ｎｍ（概ね１１００ｎｍである）のレーザ発振となる。
【００３２】
次に、太陽光を励起光として２波長λ１、λ２のレーザ光に変換される場合の変換後の波長と効率の関係を図３に示す。上記図３では、縦軸がλ１で、横軸がλ２を示しており、右欄に示した色分けにより、効率を表わしている。最大効率（６６％）は、上記図３中に示したとおりでλ１＝８６４ｎｍ、λ２＝１７７５ｎｍである。
【００３３】
また、二波長のレーザ光に変換する場合であって、太陽光の励起エネルギーの利用効率を最大にする場合には、下記の（２）式で表されるηが、太陽光スペクトルに対して最大化される。
【００３４】
【数２】
2012119534.tif 000004
【００３５】
ただし、λ１、λ２は、変換後のレーザ光の波長であり、λ１＜λ２である。
【００３６】
従って、太陽光スペクトル（直達光成分と散乱光成分を含む）ＡＭ１．５による励起で発振する太陽光励起レーザにおいて、レーザ媒質を限定しない、物理モデルでは、変換後のレーザ光を、λ１＝（８００ｎｍ帯の波長）、λ２＝（１７００ｎｍ帯の波長）で実現すると、最大効率（６６％）となる。
【００３７】
ここで、二波長のレーザ光に変換するために、元素Ａの利得ファイバと元素Ｂの利得ファイバとを組み合わせた場合について考える。図４（Ａ）は、利得ファイバの各々の吸収スペクトル（台形状の吸収スペクトル）と↑（矢印）に対応する発光スペクトルを示している。
【００３８】
従来技術では、帯域状の吸収特性を一つのロッド状レーザ媒質に持たせるために、レーザ媒質に二つの元素を共添加していた。この場合、二つの元素間でエネルギーの移動が発生し、最終的に１０６０ｎｍ辺りで強く発光する状況を作り出すことが一般的なアプローチである。
【００３９】
例えば、ＮｄＣｒ共添加ＹＡＧセラミックスが非特許文献において知られており、元素ＡがＣｒ、元素ＢがＮｄに対応している（Ｔ．Ｓａｉｋｉ  ｅｔ．ａｌ．，“Ｎｄ／Ｃｒ：ＹＡＧ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｒｏｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｕｍｐｅｄ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｒｃ−Ｍｅｔａｌ−Ｈａｌｉｄｅ−Ｌａｍｐ”，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．  ４６，  Ｎｏ．１，２００７，ｐｐ．１５６−１６０）。上記の非特許文献では、ＣｒからＮｄのエネルギー移動がうまくいって１０６４ｎｍでレーザ発振しているとの報告がある。
【００４０】
しかし、うまくエネルギー移動が生じないときは、発光エネルギーを再吸収するのみで、エネルギーの損失となることもあり得る。
【００４１】
これに対して、本実施の形態では、第１の利得ファイバ１２としての、コアに元素Ａを添加したファイバレーザＡと、第２の利得ファイバ１４としての、コアに元素Ｂを添加したファイバレーザＢとを独立に作製し、集光光学系１６の内部において、第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４を、独立に動作させる。これによって、吸収スペクトルの重なりにより発光エネルギーの再吸収による損失の心配もない。
【００４２】
また、励起光波長及び波長変換後の波長に対するエネルギー変換効率については、励起波長と変換波長との波長差が小さいほど、エネルギー変換効率は高い（実際は、発振波長と励起波長の比が変換効率に比例する）。変換前波長と変換後波長のエネルギーの差は、発熱に消費されると考えられる。
【００４３】
このとき、二波長のレーザ光の波長λ１＜λ２において、λ１のための励起波長帯λｅｘ，１が、（λｅｘ，１の最長波長）＜λ１であり、かつ、λ２のための励起波長帯λｅｘ，２が、λ１＜（λｅｘ，２の最短波長）、（λｅｘ，２の最長波長）＜λ２を満たしている時が、最もエネルギー損失が少ない組み合わせである。
【００４４】
なお、状況に応じて、λ２の励起に、波長が短い波長帯を吸収しても良い。（λｅｘ，２の最短波長＜λ１）。この場合には、この吸収波長が発生するに従いエネルギー変換効率が低下する。
【００４５】
以上より、本実施の形態では、第１の利得ファイバ１２を、励起波長帯λｅｘ，１（λｅx，１の最長波長＜λ１）を吸収する吸収特性を有し、かつ、変換するレーザ光の波長λ１が８００ｎｍ帯の波長（例えば、８５０ｎｍ）となるように形成し、第２の利得ファイバ１４を、励起波長帯λｅｘ，２（λ１＜λｅｘ，２の最短波長、λｅｘ，２の最長波長＜λ２）を吸収する吸収特性を有し、かつ、変換するレーザ光の波長λ２が１７００ｎｍ帯の波長（例えば、１７５０ｎｍ）となるように形成する。
【００４６】
第１の利得ファイバ１２のコアに添加される具体的な元素は、例えば、Ｐｒ３＋、Ｃｒ３＋、Ｈｏ３＋、Ｔｍ３＋、Ｅｒ３＋、又はＮｄ３＋である。
【００４７】
第２の利得ファイバ１４のコアに添加される具体的な元素は、例えば、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋、Ｐｒ３＋、Ｃｏ２＋、Ｎｄ３＋である。
【００４８】
より具体的には、第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４のコアに添加される元素として、ＣｒとＮｄとの組み合わせ、または、ＮｄとＥｒとの組み合わせが考えられる。なお、λ２をもう少し長い波長にするために、他の元素を添加することも有効である。
【００４９】
更に、効率が良くなる波長帯から離れた波長でも、エネルギー利用効率は低下するが、太陽光励起レーザ、もしくは、広帯域光による励起レーザの原理を利用する上では、他の添加イオンの可能性を制限するものではない。
【００５０】
次に、第１の実施の形態に係るレーザ発振装置１０の作用について説明する。太陽光が励起光として集光光学系１６の内部に入射されると、太陽光が、集光光学系１６の内部の反射面で繰り返し反射されて、第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４の各々の側面から、太陽光が入射される。
【００５１】
このとき、第１の利得ファイバ１２では、励起波長帯λｅｘ，１を吸収し、第１の利得ファイバ１２の両端から、波長λ１のレーザ光を出射する。また、第２の利得ファイバ１４では、励起波長帯λｅｘ，２を吸収し、第２の利得ファイバ１４の両端から、波長λ２のレーザ光を出射する。
【００５２】
以上説明したように、第１の実施形態に係るレーザ発振装置によれば、異なる吸収特性を有し、異なる波長でレーザ発振する複数の利得ファイバを、集光光学系の内部に配置し、太陽光を集光光学系の内部に入射することにより、複数の波長でレーザ発振して、太陽光の励起エネルギーの利用効率を高めることができる。
【００５３】
また、複数の利得ファイバにおいて、吸収特性の波長帯とレーザ光の波長の差を小さくすることにより、太陽光の励起エネルギーの利用効率をより高めることができる。
【００５４】
また、複数の利得ファイバを独立に動作させることにより、吸収スペクトルの重なりにより発光エネルギーの再吸収による損失の心配もなく、また、量子欠損の小さなレーザシステムを実現することが出来る。
【００５５】
次に、第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００５６】
第２の実施の形態では、リング状の導光光学系の内部に、利得ファイバを配置している点が、第１の実施の形態と異なっている。
【００５７】
図５に示すように、レーザ発振装置２１０は、第１の利得ファイバ１２と、第２の利得ファイバ１４と、第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４が内部に配置された導光光学系２１６とを備えている。
【００５８】
導光光学系２１６は、高屈折率のリング状構造体で形成され、図６の断面図が示すように、リング状に巻きつけられた第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４を内部に包含している。なお、第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４を、なるべく隙間なく高密度で巻きつけたような形状にするのが、励起光の吸収効率を高めるために有効である。
【００５９】
また、導光光学系２１６は、外周面側から内部に太陽光が入射されるように配置される。導光光学系２１６に太陽光が入射されると、第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４の各々は、側面から太陽光が入射され、両端からレーザ光を出射する。
【００６０】
次に、第２の実施の形態に係るレーザ発振装置２１０の作用について説明する。太陽光が励起光として導光光学系２１６の内部に入射されると、太陽光が導光光学系２１６の内部を伝搬し、第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４の各々の側面から、太陽光が入射する。
【００６１】
第１の利得ファイバ１２では、励起波長帯λｅｘ，１を吸収し、第１の利得ファイバ１２の両端から、波長λ１のレーザ光を出射する。また、第２の利得ファイバ１４では、励起波長帯λｅｘ，２を吸収し、第２の利得ファイバ１４の両端から、波長λ２のレーザ光を出射する。
【００６２】
以上説明したように、第２の実施形態に係るレーザ発振装置によれば、異なる吸収特性を有し、異なる波長でレーザ発振する複数の利得ファイバを、リング状の導光光学系の内部に配置し、太陽光を導光光学系の内部に入射することにより、複数の波長でレーザ発振して、太陽光の励起エネルギーの利用効率を高めることができる。
【００６３】
なお、上記の実施の形態では、太陽光を導光光学系に照射する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、図７（Ａ）に示すように、リング状の導光光学系に対して、外周にわたって外周側から太陽光を照射するようにしてもよい。この場合には、マルチモードファイバや、導波路、導光板などを用いて、太陽光を、外周にわたって照射するように導けばよい。
【００６４】
また、図７（Ｂ）に示すように、リング状の導光光学系に対して、内周側から太陽光を照射するようにしてもよい。この場合にも、マルチモードファイバや、導波路、導光板などを用いて、太陽光を、内周側から照射するように導けばよい。
【００６５】
次に、第３の実施の形態について説明する。第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００６６】
第３の実施の形態では、導光光学系の内部において、第１の利得ファイバと第２の利得ファイバとを、波長分離部で分離している点が、第２の実施の形態と異なっている。
【００６７】
上述した第１の実施の形態のように、吸収特性の波長帯域と発振波長が完全に分離している場合は少なく、次に示すように、吸収特性の波長の帯域に重複する領域が発生することがある。
【００６８】
例えば、λ１でレーザ発振する媒質は、図８に示すように、４００〜８００ｎｍ帯を吸収して８５０ｎｍでレーザ発振をする。また、９００〜１２００ｎｍ帯にかけても吸収特性を有する。λ２でレーザ発振する媒質は、９００〜１７００ｎｍ帯を吸収して１７５０ｎｍでレーザ発振をする。
【００６９】
この場合、９００〜１２００ｎｍ帯の光を、上記図８の第１の利得ファイバ１２側の領域で吸収しては損失になる。第２の利得ファイバ１４側の領域で吸収してこそ、波長λｊ（又はλ２）のレーザを有効に励起する。そこで、高効率のレーザ発振特性を実現するためには、励起波長帯λｅｘ，１と励起波長帯λｅｘ，２を分離するような波長分離部を設けることが重要である（λｅｘ，１＜λｅｘ，２）。
【００７０】
そこで、第３の実施の形態では、図９の断面図に示すように、導光光学系２１６の内部に、励起波長帯λｅｘ，１（４００〜８００ｎｍ帯）の光を含む所定波長帯（例えば、８００ｎｍ帯以下）を透過し、所定波長帯より長い波長を反射する波長分離部３１８を設ける。また、波長分離部３１８は、導光光学系２１６に沿ってリング状に形成され、第１の利得ファイバ１２と第２の利得ファイバ１４とを物理的に分離する。また、第２の利得ファイバ１４より吸収特性の波長帯が短い第１の利得ファイバ１２を、導光光学系２１６の内側（太陽光の入射側と反対側）の領域に配置し、第２の利得ファイバ１４を、導光光学系２１６の外側（太陽光の入射側）の領域に配置する。波長分離部３１８は、例えば、波長フィルタによって形成されている。
【００７１】
励起波長帯λｅｘ，１（４００〜８００ｎｍ帯）でない８００ｎｍ帯より長い波長の光が波長分離部３１８で反射されるため、励起波長帯λｅｘ，１でない９００〜１２００ｎｍ帯の光が図９の左側の領域（第１の利得ファイバ１２側の領域）に侵入しない。励起波長帯λｅｘ，２（９００〜１７００ｎｍ帯）の光は図９の右側の領域（第２の利得ファイバ１４の領域）のみで反射を繰り返すうちに、第２の利得ファイバ１４に吸収される。励起波長帯λｅｘ，１（４００〜８００ｎｍ帯）は波長分離部３１８には影響を受けず、左右を含む全領域を伝搬する。ただし、励起波長帯λｅｘ，１の光は、図９の左側の領域のみで、第１の利得ファイバ１２に吸収される。
【００７２】
言い換えると、図９の左側（太陽光の入射側と反対側）の領域が、短い波長帯の吸収領域に対応しており、波長分離部３１８は、８００ｎｍより長い帯域を反射するため、９００〜１２００ｎｍ帯の波長は、図９の右側に閉じ込められる。８００ｎｍ以下の波長は右側の領域を通過しつつ、図９の左側（太陽光の入射側と反対側）の領域で効率よくレーザ光に変換されるように、λ１で発振する第１の利得ファイバ１２に吸収される。
【００７３】
次に、第３の実施の形態に係るレーザ発振装置の作用について説明する。太陽光が励起光として導光光学系２１６の内部に入射されると、励起波長帯λｅｘ，２の光は、波長分離部３１８で反射され、導光光学系２１６の内部の第２の利得ファイバ１４側の領域を伝搬し、第２の利得ファイバ１４の側面から、太陽光が入射する。また、励起波長帯λｅｘ，１の光は、波長分離部３１８を透過し、導光光学系２１６の内部を伝搬し、第１の利得ファイバ１２の側面から、太陽光が入射する。
【００７４】
第１の利得ファイバ１２では、励起波長帯λｅｘ，１を吸収し、第１の利得ファイバ１２の両端から、波長λ１のレーザ光を出射する。また、第２の利得ファイバ１４では、励起波長帯λｅｘ，２を吸収し、第２の利得ファイバ１４の両端から、波長λ２のレーザ光を出射する。
【００７５】
以上説明したように、第３の実施の形態に係るレーザ発振装置によれば、励起ファイバ間に波長フィルタで形成された波長分離部を配置することで、励起ファイバの吸収特性を制御して、太陽光の励起エネルギーの利用効率を高めることができる。
【００７６】
また、複数の励起ファイバに対して、励起光の波長帯を分離することにより、分離された波長帯が、各励起ファイバで有効に吸収されるため、波長変換後のエネルギー変換効率を高めることができる。
【００７７】
なお、上記の実施の形態では、導光光学系の外周側から太陽光を入射する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、導光光学系の内周側から太陽光を入射するようにしてもよい。この場合には、第１の利得ファイバを、波長分離部に対して導光光学系の外周側（太陽光の入射側と反対側）に配置し、第２の利得ファイバを、波長分離部に対して導光光学系の内周側に配置するようにすればよい。
【００７８】
また、図１０に示すように、第１の励起ファイバ又は第２の励起ファイバのクラッド外周に波長分離部を付加するようにしてもよい。この場合にも、吸収波長帯を制御することができる。
【００７９】
次に、第４の実施の形態について説明する。第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００８０】
第４の実施の形態では、集光光学系の内部に、３つの利得ファイバを配置している点が、第１の実施の形態と異なっている。
【００８１】
第４の実施の形態では、集光光学系１６の内部に、第１の利得ファイバ１２、第２の利得ファイバ１４、及び第３の利得ファイバが配置されている。
【００８２】
第１の利得ファイバ１２及び第２の利得ファイバ１４と同様に、第３の利得ファイバは、側面から励起光が入射され、両端からレーザ光を出射する。
【００８３】
また、太陽光スペクトル（直達光成分と散乱光成分を含む）ＡＭ１．５による励起で発振する太陽光励起レーザにおいて、レーザ媒質を限定しない、物理モデルでは、第１の利得ファイバ１２、第２の利得ファイバ１４、及び第３の利得ファイバで変換された後のレーザ光の波長λ１〜λ３を、λ１＝（８００ｎｍ帯の波長）、λ２＝（１３００ｎｍ帯の波長）、λ３＝（２５００ｎｍ帯の波長）で実現すると、最大効率（７４％）となる。
【００８４】
また、図４（Ｂ）は、第１の利得ファイバ１２、第２の利得ファイバ１４、及び第３の利得ファイバの各々の吸収スペクトル（台形状の吸収スペクトル）と↑（矢印）に対応する発光スペクトルを示している。
【００８５】
本実施の形態では、第１の利得ファイバ１２として、コアに元素Ａを添加したファイバレーザＡと、第２の利得ファイバ１４として、コアに元素Ｂを添加したファイバレーザＢと、第３の利得ファイバとして、コアに元素Ｃを添加したファイバレーザＣと、を独立に作製し、集光光学系１６の内部において、第１の利得ファイバ１２、第２の利得ファイバ１４、及び第３の利得ファイバを、独立に動作させる。
【００８６】
また、３波長のレーザ光の波長λ１＜λ２＜λ３において、λ１のための励起波長帯λｅｘ，１が、（λｅx，１の最長波長）＜λ１であり、かつ、λ２のための励起波長帯λｅｘ，２が、λ１＜（λｅｘ，２の最短波長）、（λｅｘ，２の最長波長）＜λ２であり、かつ、λ３のための励起波長帯λｅｘ，３が、λ２＜（λｅｘ，３の最短波長）、（λｅｘ，３の最長波長）＜λ３を満たしている時が、最もエネルギー損失が少ない組み合わせである。
【００８７】
以上より、本実施の形態では、第１の利得ファイバ１２を、励起波長帯λｅｘ，１（λｅx，１の最長波長＜λ１）を吸収する吸収特性を有し、かつ、変換するレーザ光の波長λ１が８００ｎｍ帯の波長（例えば、８５０ｎｍ）となるように形成し、第２の利得ファイバ１４を、励起波長帯λｅｘ，２（λ１＜λｅｘ，２の最短波長、λｅｘ，２の最長波長＜λ２）を吸収する吸収特性を有し、かつ、変換するレーザ光の波長λ２が１３００ｎｍ帯の波長（例えば、１３００ｎｍ）となるように形成し、第３の利得ファイバを、励起波長帯λｅｘ，３（λ２＜λｅｘ，３の最短波長、λｅｘ，３の最長波長＜λ３）を吸収する吸収特性を有し、かつ、変換するレーザ光の波長λ３が２５００ｎｍ帯の波長（例えば、２５００ｎｍ）となるように形成する。
【００８８】
第１の利得ファイバ１２のコアに添加される具体的な元素は、例えば、Ｐｒ３＋、Ｃｒ３＋、Ｈｏ３＋、Ｔｍ３＋、Ｅｒ３＋、又はＮｄ３＋である。
【００８９】
第２の利得ファイバ１４のコアに添加される具体的な元素は、例えば、Ｈｏ３＋、Ｎｄ３＋、Ｐｒ３＋、Ｃｒ４＋、Ｍｎ５＋、Ｅｒ３＋、又はＹｂ３＋である。
【００９０】
第３の利得ファイバのコアに添加される具体的な元素は、例えば、Ｈｏ３＋、Ｕ３＋、Ｔｍ３＋、Ｅｒ３＋、又はＤｙ３＋である。
【００９１】
より具体的には、第１の利得ファイバ１２、第２の利得ファイバ１４、及び第３の利得ファイバのコアに添加される元素として、ＥｒとＮｄ（１３００ｎｍ帯の材料としても働く）とＨｏの組み合わせ、又はＥｒとＮｄとＴｍの組み合わせが考えられる。
【００９２】
次に、第４の実施の形態に係るレーザ発振装置の作用について説明する。太陽光が励起光として集光光学系１６の内部に入射されると、太陽光が集光光学系１６の内部を繰り返し反射されて、第１の利得ファイバ１２、第２の利得ファイバ１４、及び第３の利得ファイバの各々の側面から、太陽光が入射する。
【００９３】
第１の利得ファイバ１２では、励起波長帯λｅｘ，１を吸収し、第１の利得ファイバ１２の両端から、波長λ１のレーザ光を出射する。また、第２の利得ファイバ１４では、励起波長帯λｅｘ，２を吸収し、第２の利得ファイバ１４の両端から、波長λ２のレーザ光を出射する。また、第３の利得ファイバでは、励起波長帯λｅｘ，３を吸収し、第３の利得ファイバの両端から、波長λ３のレーザ光を出射する。
【００９４】
以上のように、第４の実施形態に係るレーザ発振装置によれば、異なる吸収特性を有し、異なる波長でレーザ発振する３本の利得ファイバを、リング状の集光光学系の内部に配置し、太陽光を集光光学系の内部に入射することにより、複数の波長でレーザ発振して、太陽光の励起エネルギーの利用効率を高めることができる。
【００９５】
なお、上記の実施の形態では、３本の利得ファイバを、集光光学系の内部に配置した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、４本以上の利得ファイバを、集光光学系の内部に配置してもよい。
【００９６】
また、上述した第２の実施の形態の技術を適用して、導光光学系の内部に、３本以上の利得ファイバを配置してもよい。また、上述した第３の実施の形態の技術を適用して、３本以上の利得ファイバの間に、波長分離部をそれぞれ設けてもよい。例えば、太陽光の入射側から、励起光の波長が長い順に、第３、第２、第１の利得ファイバの領域を配置し、第３と第２の利得ファイバの領域の間に、第１波長分離部を設け、第２と第１の利得ファイバの領域の間に、第２波長分離部を設ける。第１波長分離部は、第２の利得ファイバから出射されるレーザ光の波長λ２より少し短い所定波長以下の光を透過し、所定波長より長い光を反射する。第２波長分離部は、第１の利得ファイバから出射されるレーザ光の波長λ１より少し短い所定波長以下の光を透過し、所定波長より長い光を反射する。
【００９７】
次に、第５の実施の形態について説明する。第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００９８】
第５の実施の形態では、太陽光エネルギー利用システムに、本発明を適用している点が第１の実施の形態と異なっている。
【００９９】
図１１に示すように、第５の実施の形態に係る太陽光エネルギー利用システム５１０は、レーザ発振装置１０と、レーザ発振装置１０から出射される波長λ１のレーザ光と光触媒とを組み合わせて化学反応を発生させる化学反応発生装置５１２と、レーザ発振装置１０から出射される波長λ２のレーザ光と光電変換素子とを組み合わせて電気エネルギーを発生させる光電変換装置５１４とを備えている。
【０１００】
化学反応発生装置５１２は、レーザ発振装置１０の第１の励起ファイバ１２から出射される波長λ１のレーザ光と光触媒とを組み合わせて化学反応を選択的に励起する人工光合成や植物工場等のアプリケーションである。
【０１０１】
光電変換装置５１４は、レーザ発振装置１０の第２の励起ファイバ１４から出射される波長λ２のレーザ光と光電変換素子とを組み合わせて電気エネルギーを発生させる。光電変換装置５１４は、例えば、太陽電池に適用され、光電変換装置５１４で発生させた電気エネルギーを用いて蓄電池を充電する。
【０１０２】
このように、レーザ発振装置から出射される複数波長のレーザ光を用いて、化学反応と太陽電池とを同時に実現することができる。
【０１０３】
また、太陽光は地球上に１８０ＰＷのエネルギーを供給している。太陽光は無尽蔵に思われ、有望なエネルギー源であるが、エネルギー密度が低く、かつ、広い波長帯に及んでいる。そのままの状態では扱い難いが、コヒーレント光に変換（単色化、高密度化）することで、扱い易いエネルギー源になるため、本実施の形態のように、種々の方法で、太陽光エネルギーを利用することができる。
【０１０４】
なお、上記の実施の形態では、レーザ発振装置から出射される波長λ２を、光電変換装置に利用する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、レーザ発振装置から出射される波長λ２から、非線形光学結晶などにより第二高調波（波長１／２化）を発生させて、光化学反応装置に用いてもよい。
【０１０５】
また、レーザ光が、可干渉性を有し、高エネルギー密度であることを利用し、光ファイバを用いて、エネルギーを低損失で長距離伝送するようにしてもよい。例えば、宇宙で発電して地上へ伝送するようにしてもよい。光ファイバは伝送損失０．１ｄＢ／ｋｍ以下を実現することが可能で、熱破壊限界（２ＧＷ／ｃｍ２程度）から推定するとφ１ｍｍコアで２０ＭＷ伝送可能である。バンドル化したケーブルにより都市一つ分のエネルギーを長距離伝送するようにしてもよい。
【０１０６】
また、レーザ光の集光性を高め、高温の熱源として用いることで、ＭｇＯのレーザ還元を用いたマグネシウムサイクルに利用するようにしてもよい。
【０１０７】
また、上記の第１の実施の形態〜第５の実施の形態において、励起ファイバの端面積中でコアの比率が高まるように、但しコアからのしみ出し光が影響を受けない範囲で、クラッド部分の直径を小さくするようにしてもよい。これによって、励起光の吸収効率を高めることができる。
【０１０８】
また、励起光として太陽光を用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、複数の励起ファイバの吸収特性の帯域を含む広帯域光であれば、他の種類の光を、励起光として用いてもよい。
【０１０９】
また、励起ファイバの断面形状が円形となっている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、光ファイバ型レーザとして効率よく光が伝搬すれば、励起ファイバが他の断面形状であってもよい。
【０１１０】
また、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で設計上の変更をされたものにも適用可能であるのは勿論である。
【符号の説明】
【０１１１】
１０、２１０  レーザ発振装置
１２   第１の利得ファイバ
１４   第２の利得ファイバ
１６   集光光学系
２１６ 導光光学系
３１８ 波長分離部
５１０ 太陽光エネルギー利用システム
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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