(57)【要約】【課題】太陽光からレーザー光への変換効率及びレーザー媒体の耐久性を向上させることが可能な太陽光励起レーザー発振装置を提供する。【解決手段】太陽光励起レーザー装置１は、太陽光に励起されてレーザー光を出力する棒状のレーザー媒質３１と、レーザー媒質３１の長手方向の軸Ｘに対してレーザー媒質３１の側方に位置し、軸Ｘに対してそれぞれ異なる傾斜角を有し、太陽光を反射する第１反射面２２ａ及び第２反射面２２ｂと、を備える。第１反射面２２ａは、レーザー媒質３１の出力端部側の位置から、レーザー媒質３１の出力端部と反対側の端部側の位置へ向かうにつれて、軸Ｘから離れるように、軸Ｘに対して傾斜する。【選択図】図１
2013235930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光に励起されてレーザー光を出力する棒状のレーザー媒質と、
前記レーザー媒質の長手方向の軸に対して前記レーザー媒質の側方に位置し、前記軸に対してそれぞれ異なる傾斜角を有し、前記太陽光を反射する複数の反射面と、
を備え、
前記複数の反射面は、前記レーザー媒質の出力端部側の位置から、前記レーザー媒質の出力端部と反対側の端部側の位置へ向かうにつれて、前記レーザー媒質の長手方向の軸から離れるように、前記軸に対して傾斜する外向傾斜面を含む、
ことを特徴とする太陽光励起レーザー発振装置。
【請求項２】
前記外向傾斜面は、
前記軸に対して第１の角度で傾斜する第１外向傾斜面と、
前記軸に対して第１の角度よりも小さい第２の角度で傾斜する第２外向傾斜面と、
前記第１外向傾斜面とともに前記第２外向傾斜面を挟んで前記レーザー媒質の出力端部側に位置し、前記軸に対して第２の角度よりも大きい第３の角度で傾斜する第３外向傾斜面と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽光励起レーザー発振装置。
【請求項３】
媒質を介して前記レーザー媒質の少なくとも一部を覆い、前記媒質よりも屈折率が大きいプリズムをさらに備える、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光励起レーザー発振装置。
【請求項４】
前記レーザー媒質と水とを収容するガラス管をさらに備え、
前記プリズムは、前記ガラス管の外側側面に配置される、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光励起レーザー発振装置。
【請求項５】
前記複数の反射面は、前記レーザー媒質の出力端部側の位置から、前記レーザー媒質の出力端部と反対側の端部側の位置へ向かうにつれて、前記レーザー媒質の長手方向の軸に近づくように、前記軸に対して傾斜する内向傾斜面をさらに含む、
ことを特徴とする請求項４に記載の太陽光励起レーザー発振装置。
【請求項６】
前記レーザー媒質の出力端部と反対側の端部と対向して配置されるガラス窓をさらに備え、
前記媒質及び前記レーザー媒質は、前記ガラス窓と前記複数の反射面とにより形成される空間内に収容され、
前記プリズムは、前記ガラス窓の前記空間を形成する面と反対側の面に配置される、
ことを特徴とする請求項３に記載の太陽光励起レーザー発振装置。
【請求項７】
前記反射面は、ガラス材料に前記太陽光を反射する表面処理が施されることにより形成される、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の太陽光励起レーザー発振装置。
【請求項８】
前記反射面は、樹脂材料に前記太陽光を反射する表面処理が施されることにより形成される、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の太陽光励起レーザー発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光により励起される太陽光励起レーザー発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境問題を解決するために、太陽光の有効利用が考えられている。一例として、太陽光により励起されるレーザー発振装置がある。このような太陽光励起レーザー発振装置において、レーザー媒体へ太陽光を集光する方法としては、棒状のレーザー媒体の出力端部からレーザー媒体の長手方向の軸から離れる方向に延びるテーパー状の反射面に太陽光を反射させてレーザー媒体に集光する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００９／１２８５１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載されているようなテーパー状の反射面による集光方法では、太陽光がレーザー媒体の出力端部付近に集中して集光され、レーザー媒体が吸収する太陽光のエネルギーがその部分だけ大幅に大きくなる結果、その出力端部付近でのレーザー媒体の歪みが大きくなり破損するおそれがある。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、太陽光からレーザー光への変換効率及びレーザー媒体の耐久性を向上させることが可能な太陽光励起レーザー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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明のレーザー発振装置は、
太陽光に励起されてレーザー光を出力する棒状のレーザー媒質と、
前記レーザー媒質の長手方向の軸に対して前記レーザー媒質の側方に位置し、前記軸に対してそれぞれ異なる傾斜角を有し、前記太陽光を反射する複数の反射面と、
を備え、
前記複数の反射面は、前記レーザー媒質の出力端部側の位置から、前記レーザー媒質の出力端部と反対側の端部側の位置へ向かうにつれて、前記レーザー媒質の長手方向の軸から離れるように、前記軸に対して傾斜する外向傾斜面を含む、
ことを特徴とする。
【０００７】
前記外向傾斜面は、
前記軸に対して第１の角度で傾斜する第１外向傾斜面と、
前記軸に対して第１の角度よりも小さい第２の角度で傾斜する第２外向傾斜面と、
前記第１外向傾斜面とともに前記第２外向傾斜面を挟んで前記レーザー媒質の出力端部側に位置し、前記軸に対して第２の角度よりも大きい第３の角度で傾斜する第３外向傾斜面と、
を含んでもよい。
【０００８】
媒質を介して前記レーザー媒質の少なくとも一部を覆い、前記媒質よりも屈折率が大きいプリズムをさらに備えてもよい。
【０００９】
前記レーザー媒質と水とを収容するガラス管をさらに備え、
前記プリズムは、前記ガラス管の外側側面に配置されてもよい。
【００１０】
前記複数の反射面は、前記レーザー媒質の出力端部側の位置から、前記レーザー媒質の出力端部と反対側の端部側の位置へ向かうにつれて、前記レーザー媒質の長手方向の軸に近づくように、前記軸に対して傾斜する内向傾斜面をさらに含んでもよい。
【００１１】
前記レーザー媒質の出力端部と反対側の端部と対向して配置されるガラス窓をさらに備え、
前記媒質及び前記レーザー媒質は、前記ガラス窓と前記複数の反射面とにより形成される空間内に収容され、
前記プリズムは、前記ガラス窓の前記空間を形成する面と反対側の面に配置されてもよい。
【００１２】
前記反射面は、ガラス材料に前記太陽光を反射する表面処理が施されることにより形成されてもよい。
【００１３】
前記反射面は、樹脂材料に前記太陽光を反射する表面処理が施されることにより形成されてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、太陽光からレーザー光への変換効率及びレーザー媒体の耐久性を向上させることが可能な太陽光励起レーザー発振装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態１に係る太陽光励起レーザー発振装置の概略構成例を示す模式図である。
【図２】フレネルレンズの平面図である。
【図３】フレネルレンズによる集光の様子を示す模式図である。
【図４】実施形態１に係る光ガイド及びレーザーキャビティを示す模式図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、従来の光ガイド内における集光の様子を示す模式図である。
【図６】実施形態１の変形例に係る光ガイド及びレーザーキャビティを示す模式図である。
【図７】実施形態２に係る光ガイド及びレーザーキャビティを示す模式図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態２に係る光ガイド内における集光の様子を示す模式図である。
【図９】実施形態３に係る光ガイド及びレーザーキャビティを示す模式図である。
【図１０】実施形態３に係るプリズム片に入射する光の経路を表す図である。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態４に係る光ガイド及びレーザーキャビティを示す模式図である。
【図１２】実施形態５に係る光ガイド及びレーザーキャビティを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置１の概略構成例を示す模式図である。図２は、太陽光励起レーザー発振装置１で使用するフレネルレンズ１０の平面図である。図３は、フレネルレンズ１０による集光の様子を示す模式図である。図４は、太陽光励起レーザー発振装置１の光ガイド２０及びレーザーキャビティ３０を示す模式図である。
【００１８】
図１に示すように、太陽光励起レーザー発振装置１は、太陽光を集光するフレネルレンズ１０と、集光された太陽光をレーザーの励起光として導く光ガイド２０と、レーザー光を共振させるレーザーキャビティ３０と、を備える。そして、太陽光励起レーザー発振装置１は、発生したレーザー光を、ターゲット２の一例である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）に照射し、マグネシウム（Ｍｇ）の蒸気を発生させて、酸化マグネシウムからマグネシウムを得る。なお、ターゲット２としては、発生したレーザー光により加工するための金属やプラスチック、あるいは高温に加熱して還元することによって精製するための酸化マグネシウム等の酸化物材料を用いても良い。
【００１９】
図２に示すように、フレネルレンズ１０は、１〜２ｍ四方の分割レンズ１１を４枚組み合わせて構成した四分割方式のフレネルレンズである。フレネルレンズ１０は、屈折方式で太陽光を集光するために、プラスチックの片面に図２で示すような溝１１ａを有する。この溝１１ａは、反射損失が小さくなるように分割レンズ１１の出射面に形成されている。分割レンズ１１の入出射面には、散乱損失が数％以下となるように深紫外波長域で発光するエキシマランプを用いて表面処理が施されている。また、分割レンズ１１の入出射面には、“光学薄膜の形成方法”の特許技術（特許第３９０５０３５号）を用いて表面に誘電体光学薄膜が蒸着され、反射率を数％以下にしてある。このように、フレネルレンズ１０は、深紫外光によって表面改質されている。なお、フレネルレンズ１０の分割数は４つに限定されず、また、分割レンズ１１の形状は正方形に限定されず、分割レンズ１１を合わせて、フレネルレンズ１０の効果を奏すればよい。
【００２０】
図３に示すように、焦点距離ｆのフレネルレンズ１０の焦点の位置に、レーザーキャビティ３０の端部付近が位置するように、光ガイド２０が配置される。そして、フレネルレンズ１０は、太陽光Ｓを光ガイド２０の中心部（レーザーハウジングの中心部）に集光させる。また、フレネルレンズ１０の光軸は、レーザー媒質３１の長手方向の軸Ｘ（レーザー媒質３１の光軸）に対して平行である。なお、レーザー媒質３１の詳細については、後述する。このように、フレネルレンズ１０は、太陽光Ｓを集光して光ガイド２０に入射させる集光手段の一例として機能する。
【００２１】
次に、図４に示すように、光ガイド２０は、集光された太陽光Ｓｆを内部に透過させる太陽光入射窓２１と、太陽光Ｓｆを反射してレーザー媒質３１に導く複数の反射面２２（２２ａ，２２ｂ）と、レーザーキャビティ３０を収納するレーザーハウジング２３と、を有する。なお、フレネルレンズ１０で集光された太陽光Ｓｆの集光径は、焦点付近で５０ｍｍ程度もあるため、光ガイド２０を設けることが必要不可欠となる。光ガイド２０は、フレネルレンズ１０で集光された太陽光Ｓｆを高効率でレーザーキャビティ３０へガイドする役目がある。
【００２２】
太陽光入射窓２１は、フレネルレンズ１０の光軸に平行に入射する垂直入射光Ｓｆ１に対して垂直に配置され、ガラス等の板状の透明材料から形成される。このように、太陽光Ｓｆを取り入れる光ガイド２０の入射窓の面が、フレネルレンズ１０の光軸と垂直に配置される。
【００２３】
反射面２２は、レーザー媒質３１の長手方向の軸Ｘに対してレーザー媒質３１の側方に位置し、レーザーハウジング２３の内面に形成される。反射面２２には、高反射金属膜が冷却水によって腐食し、反射率低下を防止するために太陽光を吸収しない誘電体多層膜を蒸着している。例えば、反射面として、耐水性薄膜付きのＡｌやＡｇ鏡、あるいは、ＡｌやＡｇ膜の上に誘電体多層膜をコーティングした反射鏡が用いられていて、反射率が９５％以上である。また、ガラス材料や樹脂材料に太陽光を反射する表面処理を施すことにより反射面２２を形成してもよい。このような廉価な材料を表面処理することにより反射面２２を形成することで、低コストを実現することができる。
【００２４】
次に、具体的な反射面２２の形状について説明する。本実施形態に係る反射面２２は、レーザー媒質の出力端部からレーザー媒質の長手方向の軸Ｘから離れる方向に延びるように、２段のテーパー形状の反射面、すなわち、第１反射面２２ａと、第２反射面２２ｂと、から構成される。
【００２５】
第１反射面２２ａは、レーザー媒質３１の出力端部側の位置から、レーザー媒質の出力端部と反対側の端部の位置へ向かうにつれて、軸Ｘから離れるように、軸Ｘに対して傾斜する面である。すなわち、第１反射面２２ａは、レーザーハウジング２３内から太陽光入射窓２１に向かう方向（外向き）に面が向くように傾斜する外向傾斜面である。第１反射面２２ａは、軸Ｘに対して、角度θ1だけ傾斜している。
【００２６】
ここで、第１反射面２２ａの軸Ｘに対する傾斜角である角度θ1は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すような１段のテーパー形状に形成された反射面２２０を有する従来の太陽光励起レーザー発振装置の反射面２２０の傾斜角よりも大きい。
【００２７】
第２反射面２２ｂは、第１反射面２２ａのレーザー媒質３１の出力端部側の端部から連続的にレーザー媒質３１の出力端部へ延びるように形成される反射面である。第２反射面２２ｂは、軸Ｘと略平行な面である。
【００２８】
次に、レーザーハウジング２３は、太陽光入射窓２１と反射面２２とにより形成される空間２４を有し、空間が冷却水で満たされている。レーザーハウジング２３は、冷却水入口２５及び冷却水出口２６を有し、外部から空間２４に冷却水を供給し、排出できるように構成されている。冷却水入口２５及び冷却水出口２６は、外部から空間２４に連結するように、レーザーハウジング２３内部を貫通し、空間２４に達している。また、レーザーハウジング２３の材料には、金属、プラスチック、ガラス、およびセラミックなどが使用されている。
【００２９】
次に、レーザーキャビティ３０は、図１や図４に示すように、太陽光により励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質３１と、レーザー媒質３１の端部であって、太陽光入射窓２１に対向する面に形成された高反射膜３２と、レーザー媒質３１のレーザー光を出力する端部である出力端部の面に形成された反射防止膜３３と、レーザー媒質３１の出力端部に対向する位置に設置された出力ミラー３４と、を有する。
【００３０】
レーザー媒質３１の材質は、ＮｄとＣｒを共添加したＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）、ＧＳＧＧ（Ｇｄ3Ａｃ2Ａｌ3Ｏ12）、或いは高濃度のＮｄを添加したＹＡＧ、ＧＳＧＧ、ＧＧＧ（Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12）等の固体レーザー結晶（または、セラミック）である。レーザー媒質３１の形状は、断面形状が円形の棒状である。しかし、レーザー媒質３１の断面形状は円形に限られず、例えば光ガイド２０の形状に応じて適宜決定してもよい。
【００３１】
高反射膜３２は、レーザー媒質３１の発振波長で高反射する誘電体多層膜を蒸着することにより形成されている。例えば、ＹＡＧ結晶を用いた場合は、波長１．０６４μｍ用の高反射膜（反射率９９％以上）が蒸着により形成されている。そして、高反射膜３２は、レーザー媒質３１内において励起された波長１．０６４μｍの光のみを反射し、他の波長の光、すなわち、太陽光入射窓２１を通過して入射してくる太陽光のほとんどは、高反射膜３２を透過して、レーザー媒質３１に入射する。
【００３２】
反射防止膜３３は、波長１．０６４μｍの反射防止膜（反射率０．２％以下）を蒸着することにより形成されている。反射防止膜３３は、レーザーキャビティ３０内での反射損失の防止や、他のモードの発振を防止する。
【００３３】
出力ミラー３４は、図４に示すように、レーザー媒質３１の出力端部に対向する凹面３４ａを有する。そして、出力ミラー３４の凹面３４ａは、レーザー媒質３１の熱レンズ効果を補正する効果を有する。レーザーキャビティ３０において成長したレーザー光が、出力ミラー３４から外部へ出力される。レーザー光の出力は出力ミラー３４の凹面３４ａの曲率半径と反射率に大きく左右されるため、出力ミラー３４は、調整が容易な構成になっている。
【００３４】
レーザー媒質３１は、太陽光により光ポンピングされる。高反射膜３２を通過した太陽光はレーザー媒質３１内部に入射してレーザー媒質３１を励起し（軸方向励起）、光ガイド２０の反射面２２で反射された太陽光は、レーザー媒質３１内部に入射してレーザー媒質３１を励起する（側面励起）。
【００３５】
次に、太陽光励起レーザー発振装置１の動作例として、光ガイド２０における集光について、従来の太陽光励起レーザー発振装置の光ガイド２００の反射面２２０と比較して説明する。なお、従来の太陽光励起レーザー装置は、その光ガイド２００の反射面２２０が略円錐状、すなわち１段のテーパー形状となるように形成されている点において本実施形態に係る太陽光励起レーザー装置１と異なり、それ以外の構成は、同様であるものとする。
【００３６】
図５（ａ）及び（ｂ）は、光ガイド２００内における集光の様子を示す模式図である。なお、図５（ａ）は、光ガイド２００内において反射面２２０の端面付近で反射した場合、（ｂ）は、光ガイド２００内における反射面２２０の奥で反射した場合を表す。
【００３７】
図１に示すように、太陽光Ｓは、フレネルレンズ１０により集光され、太陽光Ｓｆとして太陽光入射窓２１を通過して光ガイド２０内に入射する。この集光された入射光は、レーザー媒質３１の径にほぼ等しくなるまで太陽光の径が絞られ、レーザー媒質３１の高反射膜３２が形成されている端部から入射してレーザー媒質３１を軸方向に励起させる。その他の太陽光は、光ガイド２０の反射面２２で反射され、レーザー媒質３１の側面からレーザー媒質３１の内部に入射してレーザー媒質３１を側面励起させる。
【００３８】
次に、従来の太陽光励起レーザー発振装置における光ガイド２００の反射面２２０で反射された太陽光Ｓｆについて説明する。
【００３９】
図５（ａ）に示すように、従来の太陽光励起レーザー発振装置における反射面２２０の端面付近に入射した太陽光Ｓｆのうち、太陽光入射窓２１またはレーザー媒質３１の端面に対して垂直に入射する垂直入射光Ｓｆ１は、１回目の反射光及び２回目の反射光共に、比較的、光ガイド２００の底部（レーザー媒質３１の出力端部付近）の方に集まっている。また、斜入射光Ｓｆ２も１回目の反射により、光路が光ガイド２００の底部に到達している。なお、図５（ａ）及び（ｂ）に示した斜入射光Ｓｆ２は、様々な角度がある斜入射光のうちの一例である。
【００４０】
次に、図５（ｂ）に示すように、光ガイド２００の底部付近の反射面２２０で反射した場合、垂直入射光Ｓｆ１及び斜入射光Ｓｆ２は、光路が光ガイド２００の底部に到達している。これら図５（ａ）及び（ｂ）で示したように、反射面２２０で反射した太陽光は、光ガイド２００の底部付近に集まりやすい。そのため、反射面２２０で反射した太陽光は、レーザー媒質３１の出力端部付近を励起させやすい。
【００４１】
また、従来の太陽光励起レーザー発振装置は、出力ミラー３４の凹面３４ａに起因して、レーザー媒質３１におけるモードボリュームが、レーザー媒質３１の出力端部付近において大きい。従って、レーザー媒質３１のモードボリュームが大きい出力端部付近に、光ガイド２００の反射面２２０により反射された太陽光が集まり、太陽光からレーザー光への変換効率をより向上させることができる。しかし、このように太陽光がレーザー媒質３１の出力端部付近に集中し、レーザー媒体３１が吸収する太陽光のエネルギーがその部分だけ大幅に大きくなる結果、出力端部付近でのレーザー媒体３１の歪みが大きくなり破損するおそれがある。
【００４２】
このような従来の太陽光励起レーザー発振装置における反射面２２０に対し、本実施形態に係る反射面２２の第１反射面２２ａは、図４に示すように、反射面２２０よりも軸Ｘに対する傾斜角θ1が大きい、すなわち、軸Ｘ方向の長さＬが短い。従って、光ガイド２００の底部付近に入射する太陽光が減少し、従来の太陽光励起レーザー装置よりも、太陽光がレーザー媒質３１の出力端部付近に集中することを防ぐことができる。
【００４３】
なお、図６に示すように、第１反射面２２ａを、図４に示す第１反射面２２ａの傾斜角θ1よりも大きく、すなわち、軸Ｘ方向の長さＬをさらに短くすると、第１反射面２２ａで反射した太陽光は、レーザー媒質３１に向かわず、ほとんど光ガイド２０の外側に出ていってしまう。従って、第１反射面２２ａの傾斜角θ1、すなわち、第１反射面２２ａの軸Ｘ方向の長さＬには、レーザー媒質３１の出力端部付近への太陽光の集中する度合と、第１反射面２２ａで反射した太陽光が外側へ出ていく度合とのトレードオフを考慮して、適切な値を設定することが好ましい。
【００４４】
このように、本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置１は、太陽光により励起されてレーザー光を出力する棒状のレーザー媒質３１と、レーザー媒質３１の出力端部からレーザー媒質３１の長手方向の軸Ｘに対してレーザー媒質３１の側方に位置し、軸Ｘに対してそれぞれ異なる傾斜角を有し、太陽光を反射する第１反射面２２ａ及び第２反射面２２ｂと、を備え、第１反射面２２ａは、外向きに傾斜する反射面である。従って、レーザー媒質３１の出力端部付近において、太陽光がレーザー媒質３１の出力端部付近に集中することを防ぎつつ、太陽光からレーザー光への変換効率を向上させることができる。
【００４５】
（実施形態２）
上記の実施形態１では、複数の反射面２２が、外向きに傾斜する第１反射面２２ａと、軸Ｘと略平行な第２反射面とから構成される例について説明した。しかし、複数の反射面の構成はこれに限られない。実施形態２では、複数の反射面が３つの反射面から構成される例について説明する。なお、実施形態２において、複数の反射面以外の構成は、実施形態１と同様であるものとし、その詳細な説明を省略する。
【００４６】
図７は、本実施形態における光ガイド２０及びレーザーキャビティ３０を示す模式図である。本実施形態において、光ガイド２０は、実施形態１における反射面２２の代わりに、反射面４２を備える。反射面４２は、レーザー媒質３１の出力端部からレーザー媒質の長手方向の軸Ｘから離れる方向に延びるように、３段のテーパー形状の反射面、すなわち、第１反射面４２ａと、第２反射面４２ｂと、第３反射面４２ｃと、から構成される。第１反射面４２ａは、軸Ｘに対して角度θa1で傾斜する反射面である。第２反射面４２ｂは、軸Ｘに対して角度θa1よりも小さい角度θa2で傾斜する反射面である。第３反射面４２ｃは、第１反射面４２ａとともに第２反射面４２ｂを挟んでレーザー媒質３１の出力端部側に位置し、軸Ｘに対して角度θa2よりも大きい角度θa3で傾斜する反射面である。具体的には、レーザー媒質３１の出力端部から軸Ｘを中心として外方へ広がるように角度θa3で傾斜する第３反射面４２ｃが延び、第３反射面４２ｃからさらに外方へ広がるように角度θa2で傾斜する第２反射面４２ｂが延び、第２反射面４２ｂからさらに外方へ広がるように角度θa1で傾斜する第１反射面４２ａが延びる。このように、第１反射面４２ａ、第２反射面４２ｂ、及び第３反射面４２ｃは、レーザー媒質３１の出力端部からレーザー媒質３１を囲うように連続的に延びて反射面４２を形成している。
【００４７】
ここで、第３反射面４２ｃの軸Ｘに対する傾斜角である角度θa3は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すような１段のテーパー形状に形成された反射面２２０を有する従来の太陽光励起レーザー装置の反射面２２０の傾斜角よりも大きい。すなわち、光ガイド２０の底部付近に入射する太陽光は、第３反射面４２ｃにより光ガイド２０の上方向（太陽光入射窓２１の方向）に反射される。
【００４８】
次に、本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置１における光ガイド２０の反射面４２で反射された太陽光Ｓｆの光路、及び光ガイド２０における集光について説明する。
【００４９】
図８（ａ）及び（ｂ）は、光ガイド２０内における集光の様子を示す模式図である。なお、図８（ａ）は、光ガイド２０内において反射面４２端面付近で反射した場合、（ｂ）は、光ガイド２０内における反射面４２の奥で反射した場合を表す。
【００５０】
図８（ａ）に示すように、反射面４２の端面付近（具体的には第１反射面４２ａ）に入射した太陽光Ｓｆのうち、太陽光入射窓２１またはレーザー媒質３１の端面に対して垂直に入射する垂直入射光Ｓｆ１及び斜入射光Ｓｆ２は、１回目の反射光及び２回目の反射光共に、比較的、光ガイド２０の中央部から上部付近（レーザー媒質３１の中央部から上部付近）に集まっている。
【００５１】
次に、図８（ｂ）に示すように、光ガイド２０の底部付近の反射面４２（具体的には第３反射面４２ｃ）で反射した場合、垂直入射光Ｓｆ１及び斜入射光Ｓｆ２は、光路が光ガイド２０の底部に到達せずに、上方向に反射される。従って、図５（ａ）及び（ｂ）で示したように、反射面２２で反射した太陽光は、光ガイド２０の底部付近に集中せず、レーザー媒質３１をその長手方向において略均一に励起させやすい。
【００５２】
このように本実施形態によれば、太陽光により励起されてレーザー光を出力する棒状のレーザー媒質３１と、レーザー媒質３１の出力端部からレーザー媒質３１の長手方向の軸Ｘから離れる方向に延び、太陽光を反射する反射面４２と、を備え、反射面４２は、軸Ｘに対して角度θa1で傾斜する第１反射面４２ａと、軸Ｘに対して角度θa1よりも小さい角度θa2で傾斜する第２反射面と４２ｂと、第１反射面４２ａとともに第２反射面４２ｂを挟んでレーザー媒質３１の出力端部側に位置し、軸Ｘに対して角度θa2よりも大きい角度θa3で傾斜する第３反射面４２ｃと、を含むことにより、レーザー媒質３１の出力端部付近において、太陽光が集中せず、レーザー媒質３１をその長手方向において略均一に励起されるとともに、太陽光からレーザー光への変換効率を向上させることができる。
【００５３】
（実施形態３）
上記の実施形態１及び２では、レーザー媒質３１の出力端部付近に太陽光を集中させず、全体に分散させる効果が期待できる。しかし、太陽光を全体に分散させることにより、光ガイド２０の外部へ逃げる太陽光の量が増えてしまうおそれがある。本実施形態では、実施形態１及び２の構成に、光ガイド２０内に入射した太陽光を光ガイド２０の外部へ逃げないように閉じこめるための構成をさらに付加する例について説明する。
【００５４】
図９に、本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置１の光ガイド２０及びレーザーキャビティ３０を示す模式図を示す。本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置１は、実施形態１に係る太陽光励起レーザー発振装置１に、さらに、ガラス管５０と、プリズム６０と、を備える。
【００５５】
ガラス管５０は、レーザーキャビティ３０と、水とを収容する。水は、レーザーキャビティ３０を冷却するものであり、ガラス管５０は、図示しない冷却水入口及び冷却水出口を有し、外部からガラス管５０内に冷却水を供給し、排出できるように構成されている。なお、実施形態１において、冷却水は空間２４内に供給されているが、本実施形態において、冷却水はガラス管５０内に供給され、空間２４内は空気で満たされている。
【００５６】
プリズム６０は、ガラス管５０の屈折率より大きい屈折率を有し、例えば石英ガラスから形成される。プリズム６０は、三角錐状の複数のプリズム片６１から構成され、ガラス管５０の外側側面を覆うように配置される。本実施形態において、プリズム６０は、全反射の性質により、空間２４からプリズム６０へ入射した太陽光が再度空間２４中へ出て行くことを防止するものとして機能する。
【００５７】
ここで、プリズム６０における太陽光の全反射について説明する。
【００５８】
一般的に、屈折率ＮA,ＮBを持つ２つの媒質Ａ，Ｂを通過する光の入射角θA、屈折角θBは、スネルの法則により以下の関係が成り立つ。
【数１】
2013235930.tif 000003
【００５９】
今、ＮA＞１であり、かつＮB＝１であるとすると、以下の数２式より、θB＝９０度（sinθB＝１）となることができるθAが存在する。
【数２】
2013235930.tif 000004
例えば、媒質Ａが石英ガラスであるとすると、屈折率ＮA＝１．５４であるから、θA≧４０度となる。すなわち、θA＝４０度よりも大きい角度で入射した光は、媒質Ｂへ入射できずに反射（すなわち、全反射）する。
【００６０】
同じ条件で、θA＝９０度（sinθA＝１）とすると、数２式は
【数３】
2013235930.tif 000005
となる。しかし、この数３式を満たすθBは存在しない。すなわち、媒質Ｂが空気の場合、媒質Ａから入射する光には全反射する角度が存在するが、媒質Ｂ（空気）からの光は必ず透過する。この性質を利用したのがプリズムである。
【００６１】
図１０にプリズム片６１に入射する光の経路を示す。図１０に示すように、ガラス管５０の内側から屈折率が１よりも大きなプリズム片６１に入射した光Ｌ１は、図１０の実線で示す経路を通って、再度ガラス管５０内に入射する。また、空気中からプリズム片６１に入射した光Ｌ２は、図１０の鎖線で示す経路を通るが、ガラス管５０とプリズム片６１との境界で全反射する可能性がある。これを防ぐには、プリズム片６１の底面が同じような屈折率を持つ媒質と接していることが必要である。本実施形態において、レーザー媒質３１は、周囲を水で取り囲まれた状態でガラス管５０内に収容されており、そのガラス管５０の外側側面にプリズム片６１が配置されている。従って、空気中からプリズム片６１に入射した光Ｌ２は、プリズム片６１、ガラス管５０、水を通ってレーザー媒質３１に入射する。レーザー媒質３１に吸収されなかった光は、入射したプリズム片６１と反対側のプリズム片６１に入射し、プリズム片６１と空気との境界で全反射する。従って、全反射した光は、空気中に逃げず、再びレーザー媒質３１に向かって進む。
【００６２】
具体的には、プリズム片６１の材質が石英ガラスである場合、屈折率ＮA＝１．５４であるから、数２式より臨界角度θmは、sinθm＝１／１．５４より、θm＝４０度である。すなわち、プリズム片６１から空気中へ向かう光は、その入射角が４０度以上である場合に全反射する。従って、プリズム片６１から空気中へ向かう光は、空気中へ透過する確率よりも、境界で全反射する確率の方が大きいと考えられる。
【００６３】
一方、水の屈折率はＮ＝１．３３であるから、数２式において、ＮA＝１．５４、ＮB＝１．３３とすると、臨界角度θmは、sinθm＝１．３３／１．５４より、θm＝６０度である。すなわち、プリズム片６１から水へ向かう光は、その入射角が６０度以上である場合に全反射する。従って、プリズム片６１から水へ向かう光は、境界で全反射する確率よりも、水中に透過する確率の方が大きいと考えられる。
【００６４】
さらに、本実施形態において、プリズム片６１と水との間にはガラス管５０が介在する。ガラス管５０の屈折率がＮ＝１．４６であるとすると、プリズム片６１とガラス管５０との境界では、数２式において、ＮA＝１．５４、ＮB＝１．４６とすると、臨界角度θmは、sinθm＝１．４６／１．５４より、θm＝７１度である。すなわち、プリズム片６１からガラス管へ向かう光は、その入射角が７１度以上である場合に全反射する。また、ガラス管５０と水との境界では、数２式において、ＮA＝１．４６、ＮB＝１．３３とすると、臨界角度θmは、sinθm＝１．３３／１．４６より、θm＝６６度である。すなわち、ガラス管５０をプリズム片６１と水との間に介在させることにより、空気中からプリズム片６１に入射した光が反射せずに水中まで到達する確率を増加させることができる。
【００６５】
このように、プリズム６０からレーザー媒質３１までの光の経路中に少しずつ屈折率の異なる媒質を介在させることにより、一度プリズム６０に入射した光を空気中に逃がさないように閉じこめる効果を増加させることができる。これにより、レーザー媒質３１への光の吸収効率を上げることができる。
【００６６】
（実施形態４）
実施形態３において、プリズム６０は、レーザー媒質３１が収容されたガラス管５０の外側側面に配置されているものとして説明したが、プリズム６０の配置はこれに限られない。例えば、プリズム６０は、レーザーハウジング２３の外側に配置されてもよい。
【００６７】
図１１（ａ）及び（ｂ）に本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置１の光ガイド２０及びレーザーキャビティ３０を示す模式図を示す。本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置１は、実施形態１に係る太陽光励起レーザー発振装置１に、さらにプリズム７０、を備える。
【００６８】
図１１（ａ）に示す例では、プリズム７０は、太陽光入射窓２１上に配置される１つのプリズム片から構成される。この構成により、図１１（ａ）の上方から入射した太陽光は、プリズム７０と空気との境界で反射されることなく、プリズム７０、太陽光入射窓２１、空間２４の水へと入射する。また、レーザーハウジング２３内部から外に向かって出て行く光は、プリズム７０と空気との境界において全反射されるため、再度内側に向かう。
【００６９】
また、図１１（ｂ）に示す例では、プリズム７０は、太陽光入射窓２１上に配置される複数のプリズム片７１から構成される。図１１（ａ）に示す例では、プリズム７０を構成する１つのプリズム片の体積が大きいため、プリズム７０内のわずかな不純物が吸収した太陽光によって熱破壊が起こるおそれがある。従って、図１１（ｂ）に示すように、複数の小さなプリズム片７１を太陽光入射窓２１上に配置することにより、熱破壊の可能性を低減することができる。
【００７０】
（実施形態５）
図１２に、本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置１の光ガイド２０及びレーザーキャビティ３０を示す模式図を示す。本実施形態に係る太陽光励起レーザー発振装置１は、実施形態３に係る太陽光励起レーザー発振装置１の光ガイド２０において、反射面２２の代わりに、反射面８２を備える。なお、実施形態５において、反射面以外の構成は、実施形態３と同様であるものとし、その詳細な説明を省略する。
【００７１】
反射面８２は、複数の反射面８２ａ〜８２ｇから構成される。反射面８２ａは、レーザー媒質の長手方向の軸Ｘと略平行な面である。
【００７２】
反射面８２ｂ，８２ｄ，８２ｆ，８２ｇは、レーザー媒質３１の出力端部側の位置から、レーザー媒質の出力端部と反対側の端部の位置へ向かうにつれて、軸Ｘから離れるように、軸Ｘに対して傾斜する面である。すなわち、反射面８２ｂ，８２ｄ，８２ｆ，８２ｇは、レーザーハウジング２３内から太陽光入射窓２１に向かう方向（外向き）に面が向くように傾斜する外向傾斜面である。
【００７３】
反射面８２ｃ，８２ｅは、レーザー媒質３１の出力端部側の位置から、レーザー媒質の出力端部と反対側の端部の位置へ向かうにつれて、軸Ｘに近づくように、軸Ｘに対して傾斜する面である。すなわち、反射面８２ｃ，８２ｅは、レーザーハウジング２３内からレーザー媒質３１の出力端部に向かう方向（内向き）に面が向くように傾斜する内向傾斜面である。
【００７４】
次に、本実施形態における光ガイド２０内における集光について説明する。
【００７５】
図１２に示すように、反射面８２ｂ，８２ｄ，８２ｆ，８２ｇに入射した太陽光Ｓｆ３（図１２では反射面８２ｂに入射した太陽光のみ図示）は、反射により、比較的レーザー媒質３１の中央部から上部付近に集光する。従って、太陽光がレーザー媒質３１の出力端部付近に集光することが防止される。また、反射面８２ｂ，８２ｄ，８２ｆは、その軸Ｘと垂直方向の長さが、図６に示すような第１反射面２２ａよりも短い。従って、反射面８２ｂ，８２ｄ，８２ｆは、図６に示すような第１反射面２２ａよりも、光ガイド２０の奥に向かう太陽光を遮る量が少ない。
【００７６】
また、図１２に示すように、反射面８２ｃ，８２ｅは、光ガイド２０の奥から反射して外に向かう太陽光Ｓｆ４（図１２では反射面８２ｃに入射した太陽光のみ図示）をレーザー媒質３１に向かう方向に反射する。光ガイド２０内に入射した光の損失を低減することができる。
【００７７】
なお、本実施形態では、反射面８２ｂ，８２ｄ，８２ｆ，８２ｇの４つの外向傾斜面と、反射面８２ｃ，８２ｅの２つの内向傾斜面とを含む反射面８２について説明したが、反射面８２に含まれる外向傾斜面及び内向傾斜面の数はこれに限られない。
【符号の説明】
【００７８】
１      太陽光励起レーザー装置
１０    フレネルレンズ
１１    分割レンズ
１１ａ  溝
２０    光ガイド
２１    太陽光入射窓
２２    反射面
２２ａ  第１反射面
２２ｂ  第２反射面
２３    レーザーハウジング
２４    空間
２５    冷却水入口
２６    冷却水出口
３０    レーザーキャビティ
３１    レーザー媒質
３２    高反射膜
３３    反射防止膜
３４    出力ミラー
４２    反射面
４２ａ  第１反射面
４２ｂ  第２反射面
４２ｃ  第３反射面
５０    ガラス管
６０    プリズム
６１    プリズム片
７０    プリズム
７１    プリズム片
８２（８２ａ〜８２ｇ）  反射面
２００  従来の光ガイド
２２０  従来の反射面
２      ターゲット
【図１】
2013235930.tif 000006
【図２】
2013235930.tif 000007
【図３】
2013235930.tif 000008
【図４】
2013235930.tif 000009
【図５】
2013235930.tif 000010
【図６】
2013235930.tif 000011
【図７】
2013235930.tif 000012
【図８】
2013235930.tif 000013
【図９】
2013235930.tif 000014
【図１０】
2013235930.tif 000015
【図１１】
2013235930.tif 000016
【図１２】
2013235930.tif 000017