JPH05137966A

JPH05137966A - レーザ光を用いた気相光化学反応装置

Info

Publication number: JPH05137966A
Application number: JP32988591A
Authority: JP
Inventors: Naoya Hamada; 直也浜田; Tatsuhiko Sakai; 辰彦坂井
Original assignee: Nippon Steel Corp; Research Development Corp of Japan; Nippon Steel Chemical Co Ltd
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Nippon Steel Corp; Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 1991-11-19
Filing date: 1991-11-19
Publication date: 1993-06-01

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ光化学反応において、レーザ媒質から
取り出し得るレーザパワーの殆ど全てを有効に利用し、
レーザパワー当りの光化学反応効率の大幅な改善並びに
低コストの反応工程を実現する。【構成】レーザ光化学反応装置において、全反射鏡Ｍ
１と共にレーザ発振器を構成する部分反射鏡Ｍ₂の外側
にテレスコープと全反射鏡Ｍ₃を設け、テレスコープの
間に反応容器２を設置し、三つの共振器Ｍ₁−Ｍ₂，Ｍ
₂−Ｍ₃，Ｍ₁−Ｍ₃での空間モードプロフィルがそれ
ぞれ一致するようテレスコープの焦点距離と間隙を制御
することで、回折損失を被ることなく、レーザビームを
多重反射させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビームを利用し
て同位体分離等の光化学反応を行うための反応装置に係
わり、特にレーザ媒質から取り出し得るレーザエネルギ
の大半を光化学反応に有効に利用できる気相光化学反応
装置に関する。

【０００２】

【従来技術】近年のレーザ技術における大出力化、発振
波長の多様化はレーザを光化学反応に利用しようという
研究を促進させてきた。レーザの光化学反応への応用の
最も典型的な例は、水素からウランに至る種々の元素の
同位体分離・濃縮技術であり、これは原料物質の光吸収
特性の同位体シフトを利用し、所望の同位体元素を含む
物質のみの化学反応を促進させることによるものであ
る。そして、従来この様なレーザビームによる同位体分
離・濃縮反応については種々の方法及び装置が提案され
ている。例えば、特開昭６０−１３２，６２９号公報の
第１図に開示されているものは、パルス炭酸ガスレーザ
光を長焦点レンズで集光して反応器内に導入し、その焦
点面近傍で光化学反応を行わせるものである。この様な
赤外多光子吸収を用いた光化学反応においては、一般に
レーザのエネルギ密度がある値まではその増加と共に指
数関数的に反応効率が向上し、それ以上では反応効率は
飽和するという所謂クリティカルフルーエンスが存在す
る。このために、レーザビームはその集光された位置で
クリティカルフルーエンスが得られるような焦点距離の
集光レンズで収束され、その焦点近傍で反応が進行す
る。従って、この様な反応器においては反応器内の一部
でのみレーザパワーが有効に使われるに過ぎず、反応器
内でクリティカルフルーエンスに満たない領域では、反
応に寄与することなくレーザエネルギが吸収され、更に
残存したエネルギは反応器出射端から散逸するため、実
際にレーザ発振器から出力されたレーザパワーの数％か
ら２０％程度しか有効に化学反応に用いられないという
問題点があった。

【０００３】また、レーザビームを用いた光化学反応工
程においては、初期コストやランニングコストの何れに
おいてもレーザの占める割合が最も高く、低コストのレ
ーザ光化学反応工程を実現するためには、レーザパワー
の有効利用技術が必須の要件となる。そこで、この様な
問題に対応するため、特開昭５９−１２３，５１７号公
報の第３図に示されている様な直列多段集光系が提案さ
れている。しかしながら、この方法では、集光段数が多
くなればなるほど上記の方法に比べてレーザパワーの利
用率が高くなるが、反応器が莫大な長さとなり、光軸の
安定性の確保が困難であること、各段の焦点前後での原
料物質の吸収による反応に寄与しないレーザエネルギの
損失が大きい等の問題点があった。前者の問題点の対応
として、反応器の長さが短く、かつレーザパワーを有効
に利用できる方式として、特開昭５４−１２，２９０号
公報の第１図に示される様な多重反射鏡対を設けた反応
器の例がある。この場合、ビームの多重反射においては
焦点を結ぶことなく重畳を繰り返すので、要求されるク
リティカルフルーエンスが１Ｊ／ｃｍ²程度の低い値の
場合には非常に有効な方法であるが、高フルーエンス、
例えば５〜６Ｊ／ｃｍ²が要求されるような場合には重
畳領域全域でこれを実現することは困難である。更に、
反射鏡の表面形状が複雑になり、また反射鏡の近傍でも
反応が起きるので、反応生成物によって反射鏡表面が汚
損され、長時間にわたる安定した反応が実現出来ない問
題点もある。

【０００４】本願出願人らは、簡便な光学系を用いて反
射重畳を実現する方法として、行きと帰りのビームの集
光位置を一致させ、かつ２つ以上のビームがその焦点位
置近傍で重畳するレーザ集光方法として、２パス重畳の
例を特開平２−２５１，２２７号公報に、また多重パス
反射重畳の例を特願平２−１２６，８３６号として提示
した。これらの方法においては、反射鏡の曲率を適宜選
択することにより任意の所望のフルーエンスを実現で
き、かつ反射ビーム光軸とレーザ発振光軸が最終的に一
致するように設定されるので、最低２ビーム以上の重畳
が確実に実現される。しかしながら、これらの方法にお
いてはレーザエネルギの利用効率を改善するため反射パ
ス数を増加させ、レーザ伝搬距離を長くすると、反射鏡
のアライメントの安定な保持が困難になる問題がある。
更に、多重反射系においては、レーザ発振器における回
折に起因するビーム発散ならびに反応物質によるレーザ
ビームの自己集束・拡散効果のためレーザ集光プロフィ
ルが逐次変化して行くため、反射パス数に自ずから最大
値が存在し、レーザ発振器から取り出された全てのエネ
ルギを反応に用いることは不可能であった。また反応に
寄与しなかった残存レーザエネルギはレーザ発振器側に
戻るが、一般にこの反射ビームの空間モードはレーザ発
振器のそれと一致しないことから、たとえレーザ発振器
内に反射ビームが戻っても、回折損失によって失われ
る。また甚だしい場合には、レーザ発振器に係わる光学
部品の破損につながる可能性もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
の２パス重畳、多重反射重畳において問題となっている
発振器側に戻ってくるレーザビームの残存エネルギを回
折損失などで失うことなく、再度反応物質に投入し、こ
れを繰り返すことによってレーザ媒質から取り出し得る
エネルギの殆ど全てを反応に有効に寄与させる簡便な装
置を実現することで、レーザ光化学気相反応工程におい
て最も高い価格を占めるレーザビームのエネルギの利用
効率を従来法に比べて大幅に改善し、廉価なプロセスを
実現できる反応装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザビーム
を集光して気相原料物質が存在する反応容器内の反応領
域に導入し、原料物質の光吸収特性を用いて所望の化学
反応を行うためのレーザ光を用いた気相光化学反応装置
において、全反射鏡Ｍ₁と部分反射鏡Ｍ₂によって構成
されるレーザ共振器の部分反射鏡Ｍ₂の外側に一対の集
光光学系からなるテレスコープを設置し、その間のレー
ザ集光位置に反応容器を設置し、さらにテレスコープの
後方に全反射鏡Ｍ₃を設置し、全反射鏡対Ｍ₁，Ｍ₃な
らびにそれらの間に存在する光学部品からなるファブリ
ペロ共振器において形成されるレーザビームの空間モー
ドのＭ₁，Ｍ₂間での空間プロフィルならびにＭ₂，Ｍ
₃間での空間プロフィルと、全反射鏡・部分反射鏡対Ｍ
₁，Ｍ₂ならびにＭ₃，Ｍ₂からなるそれぞれのファブ
リペロ共振器において形成されるレーザビームの空間プ
ロフィルとを一致させることを特徴とするレーザ光を用
いた気相光化学反応装置であり、これによってレーザ媒
質から取り出し得るレーザエネルギの殆ど全てを光化学
反応に有効に利用し得る装置を提供するものである。

【０００７】

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。図２は本発明
に基づく光学部品の配置例を示したものである。レーザ
媒質に対するレーザ共振器はレーザ発振波長を選択する
ためにリトロウ型に配置されたグレーテイングからなる
全反射鏡Ｍ₁と部分反射鏡Ｍ₂で構成される。レーザ出
力鏡である部分反射鏡Ｍ₂から出力されたレーザビーム
１はレンズＬ₁によって集光され反応容器２を通過した
後、レンズＬ₂でビーム変換され、全反射鏡Ｍ₃に到り
反射される。反射されたレーザビーム１は、部分反射鏡
Ｍ₂から全反射鏡Ｍ₃に到る経路におけるビームプロフ
ィルと同一のプロフィルを保ったままレンズＬ₂、反応
容器２、レンズＬ₁を介して部分反射鏡Ｍ₂に戻る。部
分反射鏡Ｍ₂に到ったレーザビーム１は、部分反射鏡Ｍ
₂の反射率に従って二つのビームに分割され、一方は全
反射鏡Ｍ₁の方へ透過し、また他方はレンズＬ₁の方へ
反射される。ここで、全反射鏡Ｍ₁の方へ透過したレー
ザビームの空間モードは元々のＭ₁，Ｍ₂によって構成
されるレーザ共振器のそれと一致するように制御されて
いるので、回折損失を被ることなく全反射鏡Ｍ₁に到
り、反射された後、部分反射鏡Ｍ₂へ到る。また、レン
ズＬ₁の方へ反射されたレーザビームの空間プロフィル
は、元々の発振ビームのそれと一致していることから、
最初のビームと完全に同一の空間プロフィルで反応容器
２へ到る。全反射鏡対Ｍ₁，Ｍ₃によって構成される共
振器のＭ₁，Ｍ₂間のモード並びにＭ₂，Ｍ₃間のモー
ドは、それぞれＭ₁，Ｍ₂ならびにＭ₂，Ｍ₃によって
構成される個々の共振器の空間モードと一致しているこ
とから、以上の動作は、回折損失を被ることなく無限回
数の反射重畳を繰り返すことになる。ここで、レンズＬ
₁，Ｌ₂はレーザ発振波長に対する無反射コーテイング
がほどこされており、また反応容器２のレーザ光導入用
の窓は反射損失を防止するためにブリュースター角に設
定されていることから、原理的にはレーザ媒質から取り
出し得るエネルギの内、反射鏡における反射損失以外は
全て反応容器２内で消費され反応に寄与することにな
る。図３は以上の動作におけるレーザパワーの流れを模
式的に示したものである。図中、Ｐ₀はレーザ発振器か
ら初めに取り出されたパワー、ｒ₁，ｒ₂，ｒ₃はそれ
ぞれ反射鏡Ｍ₁，Ｍ₂，Ｍ₃の反射率（ｒ₁〜ｒ₃〜
１、ｒ₂＜１）、Ｇはレーザ媒質を一往復した際のパワ
ー利得、αは反応容器２を一往復した際に反応媒質によ
って吸収されるパワーの割合を示す。図に示されている
ようにレーザビームは部分反射鏡Ｍ₂に到達する度に二
つの成分に分割されるため複雑な挙動を示すが、反射を
繰り返す内にレーザ媒質から取り出し得るパワー（レー
ザ利得Ｇに相当）は、反応容器２内に存在する反応媒質
による吸収パワー（パワー損失αに相当）へと移行して
ゆくことになる。

【０００８】次に、テレスコープを構成する集光光学系
の焦点距離ならびにそれらの間隙によってそれぞれの共
振器における空間モードを制御する方法について説明す
る。図４は、図２の光学部品配置においてｌ₁ ＝２０００ｍｍ, ｌ₂ ＝２００ｍｍ, ｌ₃ ＝１４
２０ｍｍ, ｌ₄ ＝２００ｍｍｆ₁ ＝ｆ₂ ＝８００ｍｍＲ₁＝４０００ｍｍ（凹面）, Ｒ₂＝Ｒ₃＝∞（平面）,
Ｒ₄＝４０００ｍｍ（凹面）の条件の際の、ガウスビームの空間伝搬プロフィルをＡ
ＢＣＤ行列を用いて光線追跡法による解析を行った結果
を示したものである。図４は全反射鏡Ｍ₁，部分反射鏡
Ｍ₂で構成される共振器において発生するガウスビーム
のプロフィルと、そのガウスビームが全反射鏡Ｍ₃まで
伝搬する空間プロフィルを実線で描き、全反射鏡Ｍ₃か
ら部分反射鏡Ｍ₂まで反射して戻ってくるビームのプロ
フィルを一点鎖線で描いたものである。図に示されてい
るように、この条件下においては全反射鏡Ｍ₃からの反
射ビームは、部分反射鏡Ｍ₂からの出力ビームが初めに
集光された位置よりも全反射鏡Ｍ₃に近い位置で集光さ
れていることがわかる。図５は図４と同一の条件に対し
てＭ₁−Ｍ₂，Ｍ₂−Ｍ₃，Ｍ₁−Ｍ₃をそれぞれ独立
のファブリペロ共振器と見なして、それぞれの共振器に
対して立ち得るガウスビームのプロフィルをＭ₁−Ｍ₃
に対して実線で、Ｍ₁−Ｍ₂に対して一点鎖線で、Ｍ₂
−Ｍ₃に対して波線で示したものである。図から明らか
なように、それぞれの共振器に対する空間モードプロフ
ィルは一致していないことから、Ｍ₁−Ｍ₂共振器から
取り打されたレーザビームは全反射鏡Ｍ₃で反射した
後、大半の成分が回折損失によって失われる。それに対
してテレスコープレンズＬ₁，Ｌ₂の間隙のみをｌ₃ ＝
１３００ｍｍに変更し、全反射鏡Ｍ₃は固定した状態と
し、すなわちｌ₄ ＝３２０ｍｍとした場合の図４及び
図５と同様の計算結果を図６及び図７に示す。図６よ
り、図２において説明したように、全反射鏡Ｍ₃によっ
て反射されたレーザビームはほぼ同じ空間プロフィルを
保って、部分反射鏡Ｍ₂まで反射することがわかり、ま
た図７より三つの共振器におけるレーザビームの空間モ
ードプロフィルはほぼ一致していることがわかる。な
お、テレスコープレンズ間隙ｌ₃をさらに制御すること
で、それぞれの空間モードを完全に一致させることが出
来るが、ここではそれぞれを判別できるように若干ずれ
ている例を示した。以上の結果より、テレスコープレン
ズＬ₁，Ｌ₂の間隙を制御することによりそれぞれの共
振器における空間モードプロフィルの整合をとることが
可能であることが判明した。また、レンズＬ₁，Ｌ₂の
焦点距離ｆ₁,ｆ₂は反応容器２内で要求されるフルーエ
ンスに従って適宜選択される。

【０００９】次に、従来技術と本発明の差異について説
明する。図８は、従来技術との対比を行うために、評価
の対象とした光学部品の配置を示したものであり、図２
に比べてレーザ発振器を構成する全反射鏡Ｍ₁の表面形
状が平面であり、部分透過鏡Ｍ₂の全反射鏡Ｍ₁側の表
面形状が凹面であり、さらに光学部品数を減らすために
テレスコープ用レンズＬ₂と全反射鏡Ｍ₃を同一のもの
にした構成となっている。以上の構成は従来技術である
特開平２−２５１，２２７号公報の第１図と反応容器の
形状を除いて同一の構成となっている。図９は図８の光
学部品配置においてｌ₁ ＝２８００ｍｍ, ｌ₂ ＝５００ｍｍ, ｌ₃ ＝３３
６０ｍｍｆ₁ ＝２０００ｍｍＲ₁＝∞（平面）, Ｒ₂＝１５０００ｍｍ（凹面）,
Ｒ₃＝∞（平面）,Ｒ₄＝１５００ｍｍ（凹面）の条件の際の、ガウスビームの空間伝搬プロフィルを光
線追跡した結果を示したものであり、同図９及び図１０
は図４及び図５と同一の様式で描かれている。図９に示
されているように部分反射鏡Ｍ₂からのレーザ発振器の
出力ビームの集光位置と全反射鏡Ｍ₃からの反射ビーム
の集光位置は一致しているが二つのビームの空間モード
は一致しない条件となっている。その結果、図１０に示
されているように三つの共振器に対するガウスモードの
空間プロフィルはそれぞれ一致しなくなり回折損失によ
って大きなエネルギ損失を被ることになる。これに対し
て、図８の光学部品配置においてｌ₁ ＝２８００ｍｍ, ｌ₂ ＝５００ｍｍ, ｌ₃ ＝４０
１０ｍｍｆ₁ ＝２０００ｍｍＲ₁＝∞（平面）, Ｒ₂＝15000 ｍｍ（凹面）, Ｒ₃
＝∞（平面）, Ｒ₄＝２０００ｍｍ（凹面）とした場合の、図９及び図１０と同様の光線追跡計算結
果を図１１及び図１２に示す。この例においては図１
１、図１２共、それぞれの空間モードプロフィルが完全
に一致しているので、一本の線によって表されている。
以上のごとく、本発明においてはテレスコープに相当す
る球面鏡の焦点距離（曲率半径Ｒ₄）とテレスコープ間
隙（ｌ₃)を制御することにより、それぞれの共振器に対
する空間モードの整合をとることができるので、回折損
失によるエネルギ損失を防止することができる。

【００１０】図１３は本発明のさらに別の形態の光学部
品の配置例を示したものである。この例においては、図
８の配置に比べて光学部品の点数をさらに減らすため、
部分反射鏡Ｍ₂の形状をメニスカス凸レンズとして、部
分反射鏡Ｍ₂とレンズＬ₁を同一のものとした例であ
る。この配置における空間モード挙動として、空間モー
ド整合がとれていない条件として、ｌ₁ ＝２０００ｍｍ, ｌ₂ ＝３１００ｍｍＲ₁＝∞（平面）, Ｒ₂＝４０００ｍｍ（凹面）, Ｒ₃
＝１１６７ｍｍ（凸面）, Ｒ₄＝１５００ｍｍ（凹面）の場合の計算結果を図４及び図５と同様な様式で描いた
ものを図１４及び図１５に、また空間モード整合がとれ
ている条件としてｌ₁ ＝２０００ｍｍ, ｌ₂ ＝２６３０ｍｍＲ₁＝∞（平面）, Ｒ₂＝４０００ｍｍ（凹面）, Ｒ₃
＝１１６７ｍｍ（凸面）, Ｒ₄＝１５００ｍｍ（凹面）の場合の計算結果を図４及び図５と同様な様式で描いた
ものを図１６及び図１７に示す。前出の例と同様に全反
射鏡Ｍ₃の位置を制御することで、空間モードの整合を
実現できることが明かである。

【００１１】以上ここまでは、三つのファブリペロ共振
器における空間モード整合の実現の仕方について説明し
てきた。ここで、全反射鏡Ｍ₁と部分反射鏡Ｍ₂によっ
て構成されるレーザ共振器から考えると、空間モードが
整合するように全反射鏡Ｍ₃を設置することは外部共振
器を設けることと等しい。これは、レーザ共振器内で共
振している光波に対して外部共振器からのレーザ光がフ
ィードバックされることを意味し、共振光とフィードバ
ック光との間で位相干渉を引き起こすことになる。この
位相干渉は、一般に短パルス発振動作に対しては大きな
問題とならないが、連続波発振動作の場合は発振の不安
定性の要因となり得る。このような位相干渉はＭ₁−Ｍ
₂共振器と、Ｍ₂−Ｍ₃共振器の長さの差が発振波長の
整数倍となるように制御することによって解決すること
が出来る。このような制御は、例えば全反射鏡Ｍ₁もし
くは全反射鏡Ｍ₃をピエゾ素子で駆動する構成とし、複
合共振器中のレーザ出力を基準としてその出力が最大と
なるようにピエゾ素子の駆動電圧を制御することによっ
て実現される。

【００１２】

【実施例】以下、実施例に基づいて、本発明に係わるレ
ーザ光を用いた気相光化学反応装置を具体的に説明す
る。図１に、本発明による気相光化学反応装置の一例を
示す。同図において、レーザ発振器３は大気圧動作横方
向励起（ＴＥＡ）ＣＯ₂レーザである。レーザ用全反射
鏡Ｍ₁は多数存在するＣＯ₂レーザの発振線の内の一本
を選択するためにリトロウ型に配置された平面グレーテ
イングであり、その角度は発振波長が９．５７μｍにな
るように設定されている。出力ミラーである部分反射鏡
Ｍ₂はレーザ共振器側が曲率半径１５ｍの凹面、大気側
が平面のＺｎＳｅ部分透過鏡であり、レーザ共振器側に
反射率３０％のコーテイングが、大気側に無反射コーテ
イングが施されている。レーザ共振器長は２．８ｍであ
る。以上のレーザ発振器から、パルス半値幅約８０ｎｓ
ｅｃ．、パルスエネルギ８Ｊ／パルスのレーザパルスが
出力される。焦点距離２ｍの無反射コーテイングが施さ
れたＺｎＳｅ集光レンズＬ₁は部分透過鏡Ｍ₂から５０
ｃｍの位置に設置され、そこから４．０１ｍの位置に曲
率半径２ｍの凹面全反射鏡Ｍ₃が設置されている。以上
の条件は図１１及び図１２の計算条件と一致するもので
ある。全反射鏡Ｍ₃はGe基板に高反射コーテイング（反
射率９９．６％）が施されたものであり、その後方にエ
ネルギメーター４が設置され、わずかに透過するエネル
ギから複合共振器内のレーザエネルギを推定する。さら
に全反射鏡Ｍ₃の裏面にはピエゾ素子５が装着され、そ
の駆動電圧は前記エネルギメーターの指示値が最大にな
るようにコントローラ６によってフィードバック制御さ
れている。反応容器２は、円筒形のガラス製容器であ
り、その両端には、入射角がブリュースター角度に設定
されたＮａＣｌ基板がレーザビーム導入用の窓として設
置されている。反応物質７は、反応容器２の一端から導
入され、レーザ照射を受けた後、他端から排出される構
成となっている。

【００１３】以上に示した系を用いて炭素１３の同位体
濃縮をＣＨＣｌＦ₂を原料気体として用いて行った。そ
の結果、炭素１３が天然濃度の５０倍に濃縮されたＣ₂
Ｆ₄が生成物として得られ、レーザパルス当りの１３Ｃ
分離効率として７×１０^-7ｍｏｌ／パルスの効率が得ら
れた。比較のために、従来法に相当する図９及び図１０
の条件に系を変更して同様な濃縮実験を行った結果、レ
ーザパルス当りの１３Ｃ分離効率として３×１０^-7ｍｏ
ｌ／パルスの効率が得られた。従って、本発明により、
単位レーザパルスエネルギ当りの光化学反応効率は従来
技術に比べて２倍以上に改善された。

【００１４】以上の実施例においては、パルスＣＯ₂レ
ーザの代表であるＴＥＡレーザを例にとって示したが、
本発明がＱスイッチ技術等によるその他のパルスＣＯ₂
レーザや連続波レーザ、さらには固体レーザや色素レー
ザなどの他のレーザに対しても適用が可能であることは
言うまでもない。

【００１５】

【発明の効果】以上に説明したごとく、本発明によれ
ば、レーザビームによる気相光化学反応工程の中で最も
高い価格を占めるレーザビームのパワーを有効に利用す
ることができ、レーザエネルギに対する光化学反応効率
の改善、並びにレーザの各種の費用の低減が可能であ
り、低コストのレーザ気相光化学反応工程を実現できる
利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ光を用いた気相光化学反応装置
の一実施例を示す構成図である。

【図２】本発明における光学部品の配置例を示した模式
図である。

【図３】図２の配置におけるレーザパワーの流れを説明
するための模式図である。

【図４】図２の光学部品配置において三つの共振器の空
間モード整合がとれない条件に対して、Ｍ₁−Ｍ₂共振
器から発振したガウスビームが全反射鏡Ｍ₃に到り、更
に反射され部分透過鏡Ｍ₂に到るまでの挙動を光線追跡
した結果を示す図である。

【図５】図４と同条件について、Ｍ₁−Ｍ₂，Ｍ₂−Ｍ
₃，Ｍ₁−Ｍ₃それぞれの共振器に対して立ち得るガウ
スビームの空間モードを光線追跡によって解析した結果
を示す図である。

【図６】図２の光学部品配置において、本発明に相当す
る三つの共振器の空間モード整合がほぼとれている条件
に対して、Ｍ₁−Ｍ₂共振器から発振したガウスビーム
が全反射鏡Ｍ₃に到り、更に反射され部分透過鏡Ｍ₂に
到るまでの挙動を光線追跡した結果を示す図である。

【図７】図６と同条件について、Ｍ₁−Ｍ₂，Ｍ₂−Ｍ
₃，Ｍ₁−Ｍ₃それぞれの共振器に対して立ち得るガウ
スビームの空間モードを光線追跡によって解析した結果
を示す図である。

【図８】本発明における他の光学部品の配置例を示した
模式図である。

【図９】図８の光学部品配置において従来法に相当し三
つの共振器の空間モード整合がとれない条件に対して、
Ｍ₁−Ｍ₂共振器から発振したガウスビームが全反射鏡
Ｍ₃に到り、更に反射され部分透過鏡Ｍ₂に到るまでの
挙動を光線追跡した結果を示す図である。

【図１０】図９と同条件について、Ｍ₁−Ｍ₂，Ｍ₂−
Ｍ₃，Ｍ₁−Ｍ₃それぞれの共振器に対して立ち得るガ
ウスビームの空間モードを光線追跡によって解析した結
果を示す図である。

【図１１】図８の光学部品配置において本発明に相当す
る三つの共振器の空間モード整合がとれている条件に対
して、Ｍ₁−Ｍ₂共振器から発振したガウスビームが全
反射鏡Ｍ₃に到り、更に反射され部分透過鏡Ｍ₂に到る
までの挙動を光線追跡した結果を示す図である。

【図１２】図１１と同条件について、Ｍ₁−Ｍ₂，Ｍ₂
−Ｍ₃，Ｍ₁−Ｍ₃それぞれの共振器に対して立ち得る
ガウスビームの空間モードを光線追跡によって解析した
結果を示す図である。

【図１３】本発明における他の光学部品の配置例を示し
た模式図である。

【図１４】図１３の光学部品配置において三つの共振器
の空間モード整合がとれない条件に対して、Ｍ₁−Ｍ₂
共振器から発振したガウスビームが全反射鏡Ｍ₃に到
り、更に反射され部分透過鏡Ｍ₂に到るまでの挙動を光
線追跡した結果を示す図である。

【図１５】図１４と同条件について、Ｍ₁−Ｍ₂，Ｍ₂
−Ｍ₃，Ｍ₁−Ｍ₃それぞれの共振器に対して立ち得る
ガウスビームの空間モードを光線追跡によって解析した
結果を示す図である。

【図１６】図１３の光学部品配置において本発明に相当
する三つの共振器の空間モード整合がとれている条件に
対して、Ｍ₁−Ｍ₂共振器から発振したガウスビームが
全反射鏡Ｍ₃に到り、更に反射され部分透過鏡Ｍ₂に到
るまでの挙動を光線追跡した結果を示す図である。

【図１７】図１６と同条件について、Ｍ₁−Ｍ₂，Ｍ₂
−Ｍ₃，Ｍ₁−Ｍ₃それぞれの共振器に対して立ち得る
ガウスビームの空間モードを光線追跡によって解析した
結果を示す図である。

【符号の説明】

１：レーザビーム２：反応容器３：レーザ発振器４：エネルギメーター５：ピエゾ素子６：コントローラ７：原料気体Ｍ₁，Ｍ₃：全反射鏡Ｍ₂：部分反射鏡Ｌ₁，Ｌ₂：レンズ

フロントページの続き (72)発明者坂井辰彦神奈川県相模原市淵野辺５−10−１、新日本製鐵株式会社エレクトロニクス研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザビームを集光して気相原料物質が
存在する反応容器内の反応領域に導入し、原料物質の光
吸収特性を用いて所望の化学反応を行うためのレーザ光
を用いた気相光化学反応装置において、全反射鏡Ｍ₁と
部分反射鏡Ｍ₂によって構成されるレーザ共振器の部分
反射鏡Ｍ₂の外側に一対の集光光学系からなるテレスコ
ープを設置し、その間のレーザ集光位置に反応容器を設
置し、さらにテレスコープの後方に全反射鏡Ｍ₃を設置
し、全反射鏡対Ｍ₁，Ｍ₃ならびにそれらの間に存在す
る光学部品からなるファブリペロ共振器において形成さ
れるレーザビームの空間モードのＭ₁，Ｍ₂間での空間
プロフィルならびにＭ₂，Ｍ₃間での空間プロフィル
が、全反射鏡・部分反射鏡対Ｍ₁，Ｍ₂ならびにＭ₃，
Ｍ₂からなるそれぞれのファブリペロ共振器において形
成されるレーザビームの空間プロフィルと一致すること
を特徴とするレーザ光を用いた気相光化学反応装置。
【請求項２】全反射鏡対Ｍ₁，Ｍ₃ならびにそれらの
間に存在する光学部品からなるファブリペロ共振器にお
いて形成されるレーザビームの空間モードをテレスコー
プを構成する集光光学系の焦点距離ならびにそれらの間
隙によって制御することを特徴とする請求項１記載のレ
ーザ光を用いた気相光化学反応装置。
【請求項３】反射鏡群Ｍ₁，Ｍ₂，Ｍ₃で構成される
複合共振器中のＭ₁，Ｍ₂間のレーザビームと、全反射
鏡Ｍ₁，部分透過鏡Ｍ₂で構成されるレーザ共振器中の
レーザビームが位相的に同期するよう、複合共振器中の
レーザ出力を基準として全反射鏡Ｍ₁ないしＭ₃の光軸
方向位置を制御する手段を備えたことを特徴とする請求
項１記載のレーザ光を用いた気相光化学反応装置。
【請求項４】テレスコープを構成する一対の集光光学
系のうちの一つもしくは双方が全反射鏡Ｍ₃ないし部分
透過鏡Ｍ₂と一致する請求項１記載のレーザ光を用いた
気相光化学反応装置。