JP7724128B2 - レーザ照射システム - Google Patents

Description

本開示は、レーザビームを発するレーザ照射装置を含むレーザ照射システムに関する。

特許文献１には、光源と、レーザ照射部と、光源からのレーザをレーザ照射部に導く光学系とを備えるレーザ照射装置が開示されている。レーザ照射装置は、地上の建造物や移動体等の構造物に設置される。

特許第６６５４０２８号公報

レーザ照射装置を備えるレーザ照射システムでは、目標への照射精度を高めるため、レーザビームの直進性ないしは集光性を阻害する因子を可及的に取り除くことが望ましい。例えば、レーザビームの射線上に存在する大気の温度分布は、レーザビームの直進性ないしは集光性に影響を与える。

本開示の目的は、レーザビームの直進性ないしは集光性に優れたレーザ照射システムを提供することにある。

本開示の一局面に係るレーザ照射システムは、レーザビームを発するレーザ照射部を備えたレーザ照射装置と、前記レーザ照射部が突出するように前記レーザ照射装置が取り付けられる構造物と、前記構造物の近傍の空気温度と、前記構造物上における前記レーザビームの射線に沿う領域の空気温度との温度差を小さくする温度差抑制機構と、を備える。

本開示によれば、レーザビームの直進性ないしは集光性に優れたレーザ照射システムを提供することができる。

図１は、地上構造物に設置されたレーザ照射装置を含むレーザ照射システムを簡略的に示す側面図である。 図２は、レーザ照射装置の側面図である。 図３は、レーザ照射装置の斜視図である。 図４は、レーザビームの直進性及び集光性への影響因子を説明するための模式図である。 図５は、本開示の第１実施形態に係るレーザ照射システムを示す側面図である。 図６は、第１実施形態の他の例を示す側面図である。 図７Ａは、第２実施形態に係るレーザ照射システムを側面から見た図であって、図７ＢのＶＩＩＡ－ＶＩＩＡ断面図である。 図７Ｂは、第２実施形態に係るレーザ照射システムの上面図である。 図８は、第２実施形態の他の例であって、当該レーザ照射システムを側面から見た断面図である。 図９は、第３実施形態に係るレーザ照射システムを示す側面図である。 図１０は、移動体に本開示のレーザ照射システムを搭載する例を示す側面図である。

以下、図面を参照して、本開示に係るレーザ照射システムの実施形態を詳細に説明する。本開示のレーザ照射システムは、目標に高出力レーザを照射して当該目標を無力化、又は当該目標にエネルギーを伝送するためのレーザシステムである。当該システムによる目標は、例えば、飛行或いは飛翔する有害物体である。有害物体は、例えば飛行あるいは飛翔する有害な鳥獣であってよい。また目標は、推進装置と固定翼を有する航空機、単一あるいは複数の回転翼を持つ航空機等の飛行体あるいは飛翔体であってもよい。目標である飛行体あるいは飛翔体は、無人航空機を含む航空機であってよい。

［システムの構成］
図１は、本開示の一実施形態に係るレーザ照射システムＳの構成を概略的に示す側面図である。レーザ照射システムＳは、地上の構造物４に設置されたレーザ照射装置１を含む。レーザ照射装置１は、構造物４に装備されている。構造物４は、地上Ｇに固設された建造物である。構造物４は上方に向いた表面４１を有し、レーザ照射装置１の一部が表面４１から突出するように、レーザ照射装置１が構造物４に取り付けられている。

レーザ照射装置１は、レーザ発振器１１、レーザ照射部１２及び支持機構１３を備える。レーザ発振器１１は、レーザビームＬｂを生成する光源である。レーザ照射部１２は、レーザビームＬｂを外部へ発する。レーザ照射部１２は、レーザ発振器１１にて発振されたレーザビームＬｂを、所望の方向に導光しつつ照射する。支持機構１３は、レーザ照射部１２を旋回及び傾動可能に支持する機構である。

レーザ発振器１１は、構造物４の内部に組み付けられている。一方、レーザビームＬｂを外部へ発するレーザ照射部１２は、構造物４の表面４１から突出するように、支持機構１３を介して構造物４に取り付けられている。図１では、レーザ照射部１２が紙面左方向であるＸ軸方向を指向し、レーザビームＬｂがＸ軸方向へ発射されている状態を示している。レーザ照射部１２は上述した通り旋回および傾動可能であるため、Ｘ軸方向はレーザ照射部１２の向きにより変化する。構造物４の表面４１は、レーザビームＬｂの射線を水平面に投影した線に沿って延びる面である。レーザ照射部１２は支持機構１３により旋回可能であるため、構造物４の表面４１もレーザビームＬｂの射線の方向に応じて変化する。なお本開示の実施形態では、以降の説明の便宜上、レーザビームが発射される方向をＸ軸方向、後述する支持機構１３の傾動軸３３ａの延在方向をＹ軸方向、支持機構１３の旋回軸３１ａの延在方向をＺ軸方向と定義する。また、レーザビームＬｂの射線を水平面に投影した線の方向を射線方向と定義する。

レーザ発振器１１で生成されるレーザビームＬｂは、高出力レーザビームならば特にその種類を問わないが、例えばヨウ素レーザやファイバーレーザが好適である。ヨウ素レーザは、励起酸素とヨウ素との化学反応により生成されるガスレーザの一種である。ヨウ素レーザを用いる場合、レーザ発振器１１は、例えば、励起酸素を発生させる励起酸素発生装置と、当該装置から生じた励起酸素と反応するヨウ素を供給するヨウ素供給装置と、励起酸素とヨウ素との化学反応によりレーザ発振を生じさせるレーザ共振器とを備えた装置となる。また、ファイバーレーザは、レーザ活性元素を添加した光ファイバーによりレーザを発振させる電気駆動型レーザの一種であり、高効率発振や高ビーム品質等の利点がある。ファイバーレーザを用いる場合、レーザ発振器１１は、例えば、励起光源となる半導体レーザと、半導体レーザの光を媒体となる活性元素を添加した光ファイバーに結合する結合器と、半導体レーザにより励起された状態の光ファイバーからレーザ光を取り出すレーザ共振器とを備えた装置となる。

図２及び図３は、レーザ照射部１２及び支持機構１３の詳細を示す側面図及び斜視図である。当該説明における側面とはレーザ照射部１２における側面を指し、Ｙ軸に垂直な面を指す。レーザ照射部１２は、筐体２１、光学モジュール２２、照射ウィンドウ２３、追尾カメラ２４及び撮影ウィンドウ２５を備える。

筐体２１は、光学モジュール２２及び追尾カメラ２４を内部に収容する略角筒状のハウジングである。光学モジュール２２は、レーザ発振器１１から出力されたレーザビームＬｂを集光しつつ所望の方向に指向させる光学部品群であり、透過光学素子や反射光学素子を含む光学素子から構成される。透過光学素子の一例としては集光レンズあるいは屈折レンズがあり、反射光学素子の一例としては凹面鏡あるいは凸面鏡がある。照射ウィンドウ２３は、光学モジュール２２から出力されたレーザビームＬｂを透過可能な、ガラス板等からなる透明部材である。照射ウィンドウ２３は、レーザビームＬｂの出口となる筐体２１の前端面２１ａに取り付けられている。追尾カメラ２４は、目標を捕捉及び追尾するために目標を撮影する撮影装置である。撮影ウィンドウ２５は、追尾カメラ２４に映像を取り込むために、筐体２１の前端面２１ａに取り付けられたガラス板等からなる透明部材である。

レーザ照射部１２は、追尾カメラ２４により捕捉された目標を指向するように姿勢制御された状態で、光学モジュール２２から照射ウィンドウ２３を通じてレーザを照射する。

照射ウィンドウ２３及び撮影ウィンドウ２５は、筐体２１の前端面２１ａに気密に取り付けられている。つまり、筐体２１の内部は密閉されている。この密閉された筐体２１の内部には、乾燥ガスが封入されている。乾燥ガスは、筐体２１の内部を満たして空気を排除することで、筐体２１内部に残存する水蒸気や不純物の量を低減する役割を果たす。これにより、筐体２１内を通過するレーザビームＬｂを水蒸気が吸収すること、ひいては前記吸収に伴う温度上昇によりレーザビームＬｂの屈折率が変化することが防止される。

支持機構１３は、いわゆる２軸のジンバル機構である。支持機構１３により支持されたレーザ照射部１２は、図２及び図３において矢印Ａ１で示す旋回と、矢印Ａ２で示す傾動とがそれぞれ可能である。矢印Ａ１の旋回は、本実施例においては構造物４の上下方向である鉛直軸と平行なＺ軸回りの回転である。矢印Ａ２の傾動は、本実施例においてはＺ軸と直交するＹ軸回りの回転である。矢印Ａ１の旋回は、支持機構１３が備えるＺ軸モータの動作により実現され、矢印Ａ２の傾動は、支持機構１３が備えるＹ軸モータの動作により実現される。

具体的に、支持機構１３は、ベース３１、旋回体３２、レーザ照射部１２をＹ軸方向両面から支持する一対の支持脚３３を備える。ベース３１は、構造物４の表面４１に固定された円板状の台である。旋回体３２は、ベース３１上に配置された円板状の回転体である。旋回体３２は、Ｚ軸方向に延びる旋回軸３１ａを介してベース３１に軸支されている。一対の支持脚３３は、旋回体３２からＺ軸方向上方に突出する部材であり、レーザ照射部１２を両側から挟むように配置されている。各支持脚３３は、Ｙ軸方向に延びる傾動軸３３ａを介してレーザ照射部１２を軸支している。

旋回体３２の前記旋回に応じて、レーザ照射部１２が支持脚３３と共にＺ軸回りに回転する。また、前記傾動の動作が行われることで、支持脚３３に対しレーザ照射部１２がＹ軸回りに回転する。レーザ照射部１２は、このような旋回及び傾動が可能な状態で支持機構１３に支持されることにより、照射ウィンドウ２３及び撮影ウィンドウ２５が配置されている前端面２１ａを全方位に向けることが可能である。

レーザ照射部１２とレーザ発振器１１とは、図３に簡易的に示す導光路１８を介して接続されている。導光路１８は、レーザ発振器１１から発振されたレーザビームＬｂを、レーザ照射部１２の内部の光学モジュール２２に導入するための経路である。目標にレーザビームＬｂを照射する際には、レーザ発振器１１から導光路１８を通じて光学モジュール２２にレーザビームＬｂが導入される。光学モジュール２２に導入されたレーザビームＬｂは、照射ウィンドウ２３を通じて外部に導出される。

［レーザビームの伝搬性の阻害要因］
図４は、レーザビームＬｂの直進性及び集光性への影響因子を説明するための模式図である。レーザビームＬｂは、レーザ照射装置１の外部に導出された後の伝搬経路上の大気揺らぎに起因するワンダリング及びビーム断面内の波面歪み等によって、直進性及び集光性が悪化する。前記大気揺らぎは、主にレーザビームＬｂの伝搬経路とその周辺領域との空気温度差に基づき生成される対流によって生じる。図４に示すように、構造物４の表面４１の内、レーザビームＬｂの伝搬経路の近傍領域である構造物近傍領域ＡＲ１における空気温度をＴ１、表面４１上におけるレーザビームＬｂの射線に沿う領域であるレーザ射線領域ＡＲ２の空気温度をＴ２とする。Ｔ１＝Ｔ２、ないしはＴ１≒Ｔ２の状態であれば、有意な対流は生じない。

これに対し、Ｔ１＞Ｔ２、Ｔ１＜Ｔ２のように空気温度の温度分布が存在する場合、空気の対流が生じる。例えば、構造物４の表面４１が太陽熱で加熱されてＴ１＞Ｔ２の状態が形成された場合、表面４１からレーザビームＬｂの射線に向かう上昇気流が発生する。上昇気流のような対流が生じる初期段階には、図４に模式的に示すように、空気密度の異なる乱流の塊である大乱流Ｔｕ１、Ｔｕ２が発生し、これらが解れて小乱流Ｔｕ３、Ｔｕ４が発生する。最終的には、大乱流Ｔｕ１、Ｔｕ２と小乱流Ｔｕ３、Ｔｕ４とが入り乱れた状態となる。図４では、理解を容易とするため、大乱流Ｔｕ１、Ｔｕ２と小乱流Ｔｕ３、Ｔｕ４とを区分して記載している。

大乱流Ｔｕ１、Ｔｕ２は、レーザビームＬｂの断面よりもスケールの大きい乱流単位であり、それぞれが一つの温度分布単位と扱うことができる。小乱流Ｔｕ３、Ｔｕ４は、レーザビームＬｂの断面よりもスケールの小さい乱流単位であり、同様に各々を一つの温度分布単位と扱うことができる。ある空気密度を持つ大乱流Ｔｕ１と、異なる空気密度を持つ大乱流Ｔｕ２とは、異なる屈折率を発現する。このため、大乱流Ｔｕ１、Ｔｕ２の発生している領域をレーザビームＬｂが通過すると、当該レーザビームＬｂは大乱流Ｔｕ１、Ｔｕ２の境界で屈折する。これにより、レーザビームＬｂ全体が揺動するワンダリングが生じる。ワンダリングが生じると、レーザビームＬｂの直進性は悪化する。

一方、小乱流Ｔｕ３、Ｔｕ４の発生している領域をレーザビームＬｂが通過すると、これら小乱流Ｔｕ３、Ｔｕ４との衝突によってビーム断面でレーザ進行波の波面歪みが発生する。この波面歪みにより、色々な方向に進行するビーム成分が生じてしまい、光学レンズを介在させてもレーザビームＬｂが一点に集光し難くなる。もちろん、レーザビームＬｂの集光性は悪化することになる。以上の観点から、ワンダリング及びビーム断面内の波面歪みを惹起する大気揺らぎを抑制するため、レーザ照射システムＳには、空気温度差｜Ｔ１－Ｔ２｜を可及的に抑制する構造を具備させることが好ましい。以下、空気温度Ｔ１、Ｔ２の温度差を小さくする温度差抑制機構の各種実施形態を例示する。

［第１実施形態］
第１実施形態では、温度差抑制機構が、構造物４の表面４１への太陽光による入熱を抑制する入熱抑制層からなる例を示す。図５は、前記入熱抑制層の一例を備えたレーザ照射システムＳ１を示す側面図である。レーザ照射システムＳ１は、前記入熱抑制層として、構造物４の表面４１に塗布された赤外線反射塗料５１を備える。赤外線反射塗料５１は、太陽光に含まれる加熱成分である赤外線を反射し、表面４１が昇温することを抑止する役目を果たす。

表面４１は、レーザ照射部１２の周辺に存在する大気への露出面であって、大気と異なる熱を帯びた場合に、レーザビームＬｂの射線方向に沿う領域に有意な空気の対流を生成させる範囲内に存在する面である。本実施の形態ではレーザ照射部１２はＺ軸周りに旋回可能であるため、レーザビームＬｂを発射するＸ軸方向の変化に従って表面４１の範囲も変化する。つまり、レーザビームＬｂが取りうる射線は複数存在することになる。表面４１は、レーザビームＬｂが取りうる射線方向の中の１つの射線方向を基準として設定することもできるし、複数または全ての射線方向を基準として設定することもできる。また、図５では、表面４１が単純な平面である例を示しているが、前記の条件を満たす限りにおいて、傾斜面、曲面、凹凸面等からなる面も表面４１の範疇である。ここでの表面４１の定義は、以降に説明する実施形態においても相当する。

本実施の形態における赤外線反射塗料５１は、表面４１のうち、レーザビームＬｂの射線のＺ軸方向下方に位置する領域に少なくとも塗布される。レーザ照射部１２が３６０度の旋回を行う場合は、表面４１の全面に赤外線反射塗料５１が塗布される。但し、レーザ照射部１２が３６０度以下の限られた旋回しかできない場合でも、表面４１の全面に赤外線反射塗料５１の塗布層を設けることが望ましい。これは、レーザビームＬｂの射線の直下が赤外線反射塗料５１で覆われていても、非塗布部分の表面４１が加熱されて高熱を帯び、射線の直下に至る上昇気流を発生させ得るからである。赤外線反射塗料５１としては、例えば、赤外線反射性の顔料やセラミック片をバインダー樹脂に混合した汎用の塗料を用いることができる。また、赤外線反射塗料５１は、赤外線反射機能に加えて断熱機能を備えていても良い。断熱機能を備えることで、表面４１の昇温を更に抑止することができる。

図６は、前記入熱抑制層の他の例を備えたレーザ照射システムＳ２を示す側面図である。レーザ照射システムＳ２は、前記入熱抑制層として、構造物４の表面４１に敷設された複数枚の赤外線反射プレート５２を備える。赤外線反射プレート５２は、本実施の形態では赤外線を反射する機能を備えた矩形の平板プレートであるが、表面４１の形状に応じて赤外線反射プレート５２の形状は適宜変更可能である。赤外線反射プレート５２としては、赤外線反射材料で成形されたプレートや、基材プレートの表面に赤外線反射塗料を塗布したプレート等を用いることができる。複数枚の赤外線反射プレート５２は、表面４１に密に敷き詰められ、表面４１が太陽熱の照射で昇温することを抑止する。赤外線反射塗料５１の場合と同様に、表面４１の全面に赤外線反射プレート５２を敷設することが望ましい。

なお、赤外線反射プレート５２として、太陽電池パネルを敷設する形態も本開示の範疇とする。上市されている太陽電池パネルは、本来の光電変換機能を有するだけでなく、相応の赤外線反射機能を有している。従って、構造物４の表面４１に太陽電池パネルを敷設することで、表面４１の昇温を抑制できる。また、太陽電池パネルの発電電力を、構造物４が備える各種の電気機器、例えば照明設備、空調設備、或いはレーザ照射装置１の付帯装置であるバッテリー等の電源として活用できる利点がある。

以上説明した第１実施形態によれば、赤外線反射塗料５１又は赤外線反射プレート５２等の入熱抑制層の形成により、構造物４の表面４１への太陽熱の入熱が抑制される。従って、レーザ照射部１２から発射直後のレーザビームＬｂの伝搬経路上における空気温度分布による対流の発生を抑制できる。このため、構造物４の表面４１が太陽光に曝される条件下にあっても、レーザビームＬｂの直進性ないしは集光性を維持可能なレーザ照射システムＳ１、Ｓ２を提供できる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、上記温度差抑制機構が、構造物４の冷却機構又は加熱機構からなる例を示す。図７Ａは、前記冷却機構の一例を備えたレーザ照射システムＳ３をＹ軸方向から見た時の断面図、図７Ｂはレーザ照射システムＳ３の上面図である。なお、図７Ａは、図７ＢのＶＩＩＡ－ＶＩＩＡ断面図である。レーザ照射システムＳ３は、前記冷却機構として、構造物４の表面４１付近の内部に配設された冷却配管５３を備えている。冷却配管５３は、構造物４を冷却することにより、たとえ構造物４の表面４１に太陽熱の入熱があっても当該表面４１を昇温させず、大気への熱輻射を抑制する機能を果たす。

冷却配管５３は、冷媒を流通させるための配管である。冷媒は熱交換が可能な任意の液体または気体であり、例えば水である。冷却配管５３は、表面４１の下部近傍に、当該表面４１の略全面を冷却可能なように配管される。冷却配管５３は、一端側に冷媒の入口となる入口管５３１を、他端側に冷媒の出口となる出口管５３２を備える。入口管５３１から導入された冷媒は、冷却配管５３内を流れながら構造物４と熱交換して当該構造物４を冷却し、出口管５３２から導出される。本実施の形態では、冷却配管５３は蛇行状、すなわち右上を入口管５３１として左方向に構造部４の略左端まで配管し、構造物４の略左端まで到達した際は配管の向きを１８０度変えて右方向に略右端まで配管される。以降、冷却配管５３は、構造物４の略右端または略左端またはレーザ照射装置１の周辺に到達するごとに配管の向きを１８０度変えて構造物４の表面４１の略全面に配置され、最後は入口管５３１周辺に配置される右上の出口管５３２に戻るよう配管される。ただし、入口管５３１、出口管５３２の位置や、冷却配管５３の経路配置は任意であり、構造物４の表面４１の略全面を冷却可能なように配管されていれば良い。また、表面４１を複数のエリアに分け、複数のエリアを個々に冷却できるように冷却配管５３を配管しても良い。この場合、レーザビームＬｂの射線方向の下方にあるエリアを選択して冷却することができる。

入口管５３１と出口管５３２とは、循環配管５３３で接続されている。循環配管５３３には、ポンプ５３４及びチラー５３５が組み入れられている。ポンプ５３４は冷媒を圧送し、循環経路を形成している冷却配管５３及び循環配管５３３内に冷媒を循環させる。チラー５３５は、構造物４との熱交換を終え熱を帯びて出口管５３２から導出される冷媒を、所要の温度に冷却する。チラー５３５で適温に復帰された冷媒は、再び入口管５３１へ導入される。このように、太陽熱などで加熱され得る状態にある構造物４を、冷却配管５３内への冷媒の流通によって冷却することができる。本実施形態においては、レーザ照射装置１を冷却するためのチラー５３５を利用して冷却機構の冷媒も冷却しているが、前記冷却機構の冷媒を冷却するためのチラーを別途設けても良い。

前記冷却機構は、構造物４の表面４１に太陽熱が入熱され、Ｔ１＞Ｔ２となる場合の温度差抑制機構の例であるが、構造物４の表面４１が、例えば放射冷却によって大気よりも低温化し、Ｔ１＜Ｔ２となる空気温度差が発生して対流が生じる場合がある。この場合は、冷却配管５３を加熱配管として扱い、当該加熱配管に温水等の加熱媒体を流通させれば良い。或いは、冷媒の流通系と加熱媒体の流通系とを、冷却配管５３に切り換え接続できる構成としても良い。また、Ｔ１とＴ２の温度を計測する温度計測装置を構造物４の表面４１およびレーザビームＬｂの射線上に設置しても良い。Ｔ１とＴ２の温度を計測し、Ｔ１＞Ｔ２である場合は冷却、Ｔ１＜Ｔ２である場合は加熱というように、計測したＴ１とＴ２を基に構造物４の表面４１の冷却および加熱を切り替えても良い。

図８は、第２実施形態の他の例に係るレーザ照射システムＳ４をＹ軸方向から見た時の断面図である。レーザ照射システムＳ４は、前記冷却機構として、構造物４の表面４１と冷却液Ｗとを直接的に熱交換させる機構を備える。具体的にはレーザ照射システムＳ４は、前記熱交換の機構として、冷却液Ｗを放出する散布ノズル５４を備えている。なお、冷却液Ｗは構造物４の表面４１と熱交換が可能な任意の液体であり、例えば水である。散布ノズル５４から放出された冷却液Ｗが、表面４１と熱交換して直接的に冷却する。これにより、表面４１に太陽熱の入熱があっても当該表面４１は冷却され、大気への熱輻射を抑制できる。散布ノズル５４は、噴水状に冷却液Ｗを散布するタイプ、ミスト状の冷却液Ｗを噴出するタイプなどを用いることができる。また、散布ノズル５４に代えて、多数の散布孔を備えた多孔管を用いても良い。前記散布ノズル５４または多孔管は、表面４１のうち、レーザビームＬｂの射線方向の下方に位置する領域に少なくとも配置される。レーザ照射部１２が３６０度の旋回を行う場合は、表面４１の全面に配置される。

複数個の散布ノズル５４が、表面４１から僅かに突出するように、所定のピッチで構造物４に取り付けられている。レーザ照射システムＳ４は、さらに散布配管５４１及びマニフォールド部５４２を備える。散布配管５４１は、冷却液Ｗの供給源から散布ノズル５４へ冷却液Ｗを供給する配管である。マニフォールド部５４２は、複数個の散布ノズル５４に対し、散布配管５４１から供給される冷却液Ｗを均等な圧力で分配する。散布配管５４１には、冷却液Ｗを圧送するポンプ５４３と、冷却液Ｗの温度を所要の温度に調整する液温調整器５４４とが組み入れられている。液温調整器５４４は、必要に応じて、冷却液Ｗが熱媒となるように加熱可能な構成としても良い。また、冷却液Ｗの放出と停止を切替え可能な構成とし、レーザビームＬｂの射線方向の下方にある散布ノズル５４のみから冷却液Ｗを放出するようにしても良い。

以上説明した第２実施形態によれば、構造物４がレーザビームＬｂの伝搬経路の温度よりも高い温度若しくは低い温度になっても、上掲の冷却配管５３や散布ノズル５４等の前記冷却機構、或いは加熱機構によって、構造物４を冷却若しくは加熱できる。従って、発射直後のレーザビームＬｂの伝搬経路上における空気温度分布による対流の発生を抑制でき、レーザビームＬｂの直進性ないしは集光性を維持させることが可能となる。

［第３実施形態］
第３実施形態では、上記温度差抑制機構が、構造物４からレーザビームＬｂの射線上へ向かう気流の発生を抑制する対流抑制機構からなる例を示す。図９は、前記対流抑制機構の一例を備えたレーザ照射システムＳ５を示す側面図である。レーザ照射システムＳ５は、前記対流抑制機構として、構造物４の表面４１とレーザビームＬｂの射線との間に空気流ＦＬを発生させるエアーブロー装置５５を備えている。エアーブロー装置５５は、表面４１からレーザビームの射線上へ向かう上昇気流Ｕｄを、空気流ＦＬで吹き飛ばし、空気温度分布の発生を抑制する機能を果たす。

エアーブロー装置５５は、送風用のファンと、このファンを回転させる駆動モータとを備える。エアーブロー装置５５は、レーザ照射部１２の前端面２１ａが指向する方向、つまりレーザビームＬｂの射線と同じ方向の空気流ＦＬを発生する。レーザ照射部１２が旋回しても射線に沿う空気流ＦＬを発生できるよう、エアーブロー装置５５はレーザ照射部１２と同期旋回する。同期旋回を可能とするため、エアーブロー装置５５は、支持機構１３の旋回体３２に搭載されている。

構造物４の表面４１が太陽熱などで加熱され、表面４１付近の空気温度がレーザビームＬｂの射線上の空気温度よりも高くなると、図９に示すような上昇気流Ｕｄが発生する。この上昇気流Ｕｄは、レーザビームＬｂの射線上に大気揺らぎを作る。この大気揺らぎの発生を抑制するため、エアーブロー装置５５に空気流ＦＬを発生させ、表面４１上の空気を入れ換える。これにより、表面４１付近の空気温度と射線上の空気温度との温度差を解消ないしは小さくできる。なお、空気流ＦＬは、微風程度ではなく、上昇気流Ｕｄを払拭できる程度の強風、例えば５ｍ／ｓ程度以上の風速とすることが望ましい。

エアーブロー装置５５は、自身が発生した空気流ＦＬや、当該空気流ＦＬによって吹き飛ばされた上昇気流Ｕｄを、レーザビームＬｂの射線に影響させないようにする機能を有していても良い。例えば、エアーブロー装置５５の吹出し口に、空気流ＦＬの風向を調整可能なルーバを取付ける。前記ルーバを操作することで、空気流ＦＬや吹き飛ばされた上昇気流Ｕｄの風向きを、レーザビームＬｂの射線に影響しない向きに調整できる。

図９の態様に代えて、複数のエアーブロー装置５５を、表面４１の適所に固定的に設置する態様としても良い。また、エアーブロー装置５５に代えて、表面４１付近のエアーを吸引するエアー吸引装置を用いても良い。さらに、エアーブロー装置５５に加えて、第１実施形態の赤外線反射塗料５１又は赤外線反射プレート５２、若しくは第２実施形態の冷却配管５３を、構造物４の表面４１へ複合的に装備させても良い。

以上説明した第４実施形態によれば、上掲のエアーブロー装置５５またはエアー吸引装置によって構造物４の表面４１上の空気を入れ換え、表面４１付近の空気温度とレーザビームＬｂの射線上の空気温度との温度差を解消ないしは小さくできる。従って、発射直後のレーザビームＬｂの伝搬経路上における空気温度分布による対流の発生を抑制でき、レーザビームＬｂの直進性ないしは集光性を維持させることが可能となる。

［構造物が移動体である例］
上掲の実施形態では、構造物４が地上Ｇに固設された建造物である例を示した。本開示のレーザ照射システムは、移動体にも搭載が可能である。図１０は、前記移動体としての車両４０にレーザ照射システムを搭載する例を示す側面図である。車両４０は、車体の荷台に積載されたコンテナ４２と、ドライバーが搭乗するキャビン４３とを含む。

レーザ照射装置１は、コンテナ４２に組み付けられている。レーザ照射装置１のレーザ発振器１１は、コンテナ４２の内部に配置される一方、レーザ照射部１２はコンテナ４２の上面４２１から上方へ突出するように取り付けられている。レーザ照射部１２は、前述したように支持機構１３により旋回が可能であり、例えば図１０に例示する通り、車両４０の前方に向けてレーザビームＬｂを発射する。

図１０の実施形態の場合、コンテナ４２の上面４２１の近傍領域ＡＲ３、並びに、キャビン４３の上面４３１の近傍領域ＡＲ４の空気温度と、レーザビームＬｂの射線に沿った領域の空気温度との間の温度差が問題となる。前記温度差が大きくなると、大気揺らぎが発生し、レーザビームＬｂの伝搬性に悪影響を与える。従って、上面４２１、４３１に、上掲の第１、第２、第３実施形態の施策を適用し、大気揺らぎの発生を抑制する。

具体的には、上面４２１、４３１の上に赤外線反射塗料５１の塗布（図５）又は赤外線反射プレート５２の敷設（図６）を行う、上面４２１、４３１の直下に冷却配管５３を配設する（図７Ａ、図７Ｂ）、散布ノズル５４を配置する（図８）、或いは、上面４２１、４３１に沿う空気流ＦＬを発生させるエアーブロー装置５５を設置する（図９）などの温度差抑制機構が設置される。これらの温度差抑制機構により、車両４０のような移動体に搭載されたレーザ照射装置１が発するレーザビームＬｂの直進性ないしは集光性を、良好に維持することができる。なお、本開示における課題解決のため、以上に述べた温度差抑制機構の各々を単独で用いてもよいし、任意の温度差抑制機構を組み合わせて適用してもよい。

［本開示のまとめ］
以上説明した具体的実施形態には、以下の構成を有する開示が含まれている。

本開示の一局面に係るレーザ照射システムは、レーザビームを発するレーザ照射部を備えたレーザ照射装置と、前記レーザ照射部が突出するように前記レーザ照射装置が取り付けられる構造物と、前記構造物の近傍の空気温度と、前記構造物上における前記レーザビームの射線に沿う領域の空気温度との温度差を小さくする温度差抑制機構と、を備える。

大気の状態は、当該レーザビームの伝搬性に影響を与える。例えば太陽熱の構造物への入射に伴って、その周辺の大気に形成される複雑な温度分布は屈折率の乱れに繋がり、レーザビームの直進性ないしは集光性に悪影響を与える。とりわけ、レーザビームの出射点に近い位置で直進性の悪化要因が存在すると、その影響は伝搬距離に比例して拡大する。上記のレーザ照射システムによれば、温度差抑制機構により、構造物の近傍の空気温度と構造物上におけるレーザビームの射線上の空気温度との温度差が抑制される。つまり、レーザ照射部から発射された直後にレーザビームが伝搬することになる領域の大気を、温度分布が生じ難い状態に維持することができる。従って、気象状況に拘わらず、レーザビームの直進性や集光性を高レベルで維持可能なレーザ照射システムを提供できる。

上記のレーザ照射システムにおいて、前記構造物が、前記レーザビームの射線方向に延びる表面を有し、前記温度差抑制機構が、前記表面への入熱を抑制する入熱抑制層からなる構成とすることができる。

このレーザ照射システムによれば、入熱抑制層の形成により、構造物の表面への太陽熱の入熱が抑制される。従って、発射直後のレーザビームの伝搬経路上における空気温度分布の発生を抑制でき、レーザビームの直進性や集光性が維持可能となる。

上記のレーザ照射システムにおいて、前記入熱抑制層が、前記表面に塗布された赤外線反射塗料からなる構成、或いは、前記表面に敷設された赤外線反射プレートからなる構成とすることができる。

これらのレーザ照射システムによれば、赤外線反射塗料の塗布、赤外線反射プレートの敷設といった簡易な手法で、構造物の表面への太陽光による入熱を抑制できる。

さらに、前記赤外線反射プレートが、太陽電池パネルであることが望ましい。この態様では、構造物の表面への入熱を抑制できるだけでなく、太陽電池パネルの発電電力を前記構造物が備える電気機器またはレーザ照射システムに付帯したバッテリーの電源として活用できる利点がある。

上記のレーザ照射システムにおいて、前記温度差抑制機構が、前記構造物の冷却機構又は加熱機構からなる構成とすることができる。

このレーザ照射システムによれば、構造物が周辺大気よりも高い熱若しくは低い熱を帯びる状態に至っても、前記冷却機構又は前記加熱機構によって前記構造物を冷却若しくは加熱できる。従って、発射直後のレーザビームの伝搬経路上における空気温度分布の発生を抑制でき、レーザビームの直進性や集光性が維持可能となる。

上記のレーザ照射システムにおいて、前記冷却機構又は前記加熱機構が、前記構造物の内部に配設された配管と、当該配管内を流通される冷媒又は加熱媒体とからなることが望ましい。この態様であれば、加熱され得る状態にある構造物を、冷却配管内への冷媒の流通によって冷却することができる。

或いは、前記構造物が、前記レーザビームの射線方向に延びる表面を有し、前記冷却機構が、前記表面と冷却液とを熱交換させる機構からなる構成とすることができる。この態様であれば、例えば前記表面に直接冷却水を流す等して、前記表面を冷却できる。

上記のレーザ照射システムにおいて、前記温度差抑制機構が、前記構造物から前記レーザビームの射線上へ向かう気流の発生を抑制する対流抑制機構であっても良い。

例えば構造物の表面付近の空気温度がレーザビームの射線上の空気温度よりも高いことで発生する上昇気流は、空気の熱揺らぎを引き起こし、レーザビームの直進性に悪影響を及ぼす。上記のレーザ照射システムによれば、対流抑制機構により前記構造物から前記レーザビームの射線上へ向かう気流が抑制されるので、レーザビームの直進性や集光性が維持可能となる。

前記構造物が、前記レーザビームの射線方向に延びる表面を有し、前記対流抑制機構は、前記表面と前記レーザビームの射線との間に沿った空気流を発生させるエアーブロー装置であることが望ましい。この態様であれば、構造物の表面からレーザビームの射線上へ向かう気流を、エアーブロー装置の空気流で吹き飛ばすことができ、空気温度分布の発生を未然に抑止可能となる。

上記のレーザ照射システムにおいて、前記構造物は、地上に固設された建造物であっても良いし、レーザ照射装置を搭載した移動体であっても良い。本開示によれば、構造物が建造物又は移動体のいずれであっても、レーザビームの直進性ないしは集光性に優れたレーザ照射システムを提供できる。

１ レーザ照射装置
１２ レーザ照射部
４ 構造物
４０ 車両（移動体の構造物）
４１ 表面
４２ コンテナ
４２１ 上面（表面）
４３ キャビン
４３１ 上面（表面）
５１ 赤外線反射塗料（入熱抑制層）
５２ 赤外線反射プレート（入熱抑制層）
５３ 冷却配管（冷却機構）
５４ 散布ノズル（熱交換させる機構）
５５ エアーブロー装置（対流抑制機構）
Ｓ１～Ｓ５ レーザ照射システム
Ｌｂ レーザビーム
Ｔ１、Ｔ２ 空気温度
Ｗ 冷却液
ＦＬ 空気流
Ｕｄ 上昇気流（射線上に向かう気流）

Claims (12)

1. レーザビームを発するレーザ照射部を備えたレーザ照射装置と、
   前記レーザビームの射線方向に延びる表面を有し、かつ、前記レーザ照射部が前記表面から突出するように前記レーザ照射装置が取り付けられる構造物と、
   前記構造物の近傍の空気温度と、前記構造物上における前記レーザビームの射線に沿う領域の空気温度との温度差を小さくする温度差抑制機構と、
   を備えるレーザ照射システム。
2. 請求項１に記載のレーザ照射システムにおいて、
   前記温度差抑制機構が、前記表面への入熱を抑制する入熱抑制層からなる、レーザ照射システム。
3. 請求項２に記載のレーザ照射システムにおいて、
   前記入熱抑制層が、前記表面に塗布された赤外線反射塗料からなる、レーザ照射システム。
4. 請求項２に記載のレーザ照射システムにおいて、
   前記入熱抑制層が、前記表面に敷設された赤外線反射プレートからなる、レーザ照射システム。
5. 請求項４に記載のレーザ照射システムにおいて、
   前記赤外線反射プレートが、太陽電池パネルからなる、レーザ照射システム。
6. 請求項１に記載のレーザ照射システムにおいて、
   前記温度差抑制機構が、前記構造物の冷却機構又は加熱機構からなる、レーザ照射システム。
7. 請求項６に記載のレーザ照射システムにおいて、
   前記冷却機構又は前記加熱機構が、前記構造物の内部に配設された配管と、当該配管内を流通される冷媒又は加熱媒体とからなる、レーザ照射システム。
8. 請求項６に記載のレーザ照射システムにおいて、
   前記冷却機構又は前記加熱機構が、前記表面と冷却液とを熱交換させる機構からなる、レーザ照射システム。
9. 請求項１に記載のレーザ照射システムにおいて、
   前記温度差抑制機構が、前記構造物から前記レーザビームの射線上へ向かう気流の発生を抑制する対流抑制機構からなる、レーザ照射システム。
10. 請求項９に記載のレーザ照射システムにおいて、
    前記対流抑制機構は、前記表面と前記レーザビームの射線との間に空気流を発生させるエアーブロー装置からなる、レーザ照射システム。
11. 請求項１～１０のいずれか１項に記載のレーザ照射システムにおいて、
    前記構造物が、地上に固設された建造物である、レーザ照射システム。
12. 請求項１～１０のいずれか１項に記載のレーザ照射システムにおいて、
    前記構造物が、レーザ照射装置を搭載した移動体である、レーザ照射システム。