WO2009128510A1 - レーザー発振装置 - Google Patents

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WO2009128510A1
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sunlight
laser medium
light guide
light
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國雄 吉田
孝 矢部
成明 内田
友雅 大久保
洌 加藤
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Electra Holdings Co Ltd
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    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094049—Guiding of the pump light
    • H01S3/094057—Guiding of the pump light by tapered duct or homogenized light pipe, e.g. for concentrating pump light

Definitions

  • the present invention relates to a laser oscillation device excited by sunlight.
  • Patent Document 1 discloses a solar direct excitation laser oscillation device including a laser rod made of a laser oscillation medium that directly oscillates with sunlight as excitation light in order to appropriately perform thermal control of the laser rod in outer space.
  • the laser oscillation apparatus provided with the cooling means which has a pipe line through which the refrigerant
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a laser oscillation device that further improves the conversion efficiency from sunlight to laser light.
  • the invention according to claim 1 is a laser medium that is excited by sunlight and outputs laser light, and an output mirror having a concave surface facing the output end of the laser medium, A light guide having a reflection surface extending outward from the laser medium from an output end of the laser medium, and reflecting the sunlight to the laser medium.
  • the invention according to claim 2 is the laser oscillation device according to claim 1, wherein the reflecting surface of the light guide is a conical surface.
  • the invention according to claim 3 is characterized in that, in the laser oscillation device according to claim 1 or 2, the laser medium has an opening extending in an optical axis direction of the laser medium.
  • the laser oscillation device according to any one of the first to third aspects, further comprising a condensing unit that condenses the sunlight and enters the light guide. It is characterized by having.
  • the invention according to claim 5 is the laser oscillation device according to claim 4, wherein the optical axis of the condensing means is arranged obliquely with respect to the optical axis of the laser medium. To do.
  • the surface of the incident window of the light guide that takes in the sunlight is arranged perpendicular to the optical axis of the light collecting means. It is characterized by that.
  • the invention according to claim 7 is the laser oscillation device according to any one of claims 4 to 6, wherein the condensing means is a Fresnel lens, and a fluorescent substance is added to the Fresnel lens. It is characterized by that.
  • the invention according to claim 8 is the laser oscillation apparatus according to claim 7, wherein the Fresnel lens is surface-modified by deep ultraviolet light.
  • the invention described in claim 9 includes a laser medium that is excited by sunlight and outputs laser light, and the laser medium has an opening that extends in an optical axis direction of the laser medium. .
  • the invention according to claim 10 is the laser oscillation device according to claim 9, wherein the opening has a slit.
  • the invention according to claim 11 is the laser oscillation device according to claim 9 or 10, wherein the laser medium is formed in a plate shape.
  • the invention according to claim 12 includes a laser medium that is excited by sunlight and outputs laser light, and a reflecting surface that extends outward from the laser medium from an output end of the laser medium, A light guide that reflects sunlight and guides it to the laser medium; and a condensing unit that condenses the sunlight and makes it incident on the light guide. It is arranged obliquely with respect to the optical axis.
  • a laser medium that is excited by sunlight to output laser light
  • an output mirror having a concave surface that faces the output end of the laser medium, and an outer side of the laser medium from the output end of the laser medium.
  • a light guide that reflects sunlight and guides it to the laser medium, thereby increasing the mode volume in the vicinity of the output end of the laser medium. Therefore, a laser oscillation device that can further improve the conversion efficiency from sunlight to laser light can be provided.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the pattern of the sunlight condensed by the Fresnel lens of FIG. It is a perspective view which shows the modification of the light guide of FIG. It is a schematic diagram which shows the manufacturing process of the modification of the light guide of FIG. It is a perspective view which shows the other modification of the light guide of FIG. It is a perspective view which shows the modification of the laser medium of FIG. It is a schematic diagram which shows the example of a schematic structure of the light guide and laser medium in a present Example. It is a diagram which shows the laser output characteristic of a present Example. It is explanatory drawing which shows the performance comparison with a present Example and a prior art.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a laser oscillation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing a Fresnel lens used in the laser oscillation device.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a state of light collection by the Fresnel lens.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a light guide and a laser cavity of the laser oscillation device.
  • a solar-excited laser oscillation device 1 includes a Fresnel lens 10 that collects sunlight S, a light guide 20 that guides the collected sunlight Sf as laser excitation light, and a light guide 20. And a laser cavity 30 that resonates the laser beam. Then, the laser oscillation device 1 irradiates the generated laser light to the magnesium oxide (MgO) target 5 to generate magnesium (Mg) vapor, thereby obtaining magnesium from the magnesium oxide.
  • MgO magnesium oxide
  • the Fresnel lens 10 is a four-split Fresnel lens configured by combining four 1-m square split lenses 11. Since the Fresnel lens condenses sunlight by a refraction method, a groove 11a as shown in FIG. 2 is formed on one surface of the plastic. The groove 11a is formed on the exit surface of the split lens 11 so as to reduce the reflection loss. The entrance / exit surface of the split lens 11 is subjected to surface treatment using an excimer lamp that emits light in the deep ultraviolet wavelength region so that the scattering loss is several percent or less. A dielectric optical thin film is vapor-deposited on the surface of the splitting lens 11 using the patented technology for forming an optical thin film (Patent No.
  • the Fresnel lens 10 is surface-modified with deep ultraviolet light.
  • the number of divisions of the Fresnel lens 10 is not limited to four, and the shape of the division lens 11 is not limited to a square, and the division lens 11 may be combined to produce the effect of the Fresnel lens 10.
  • the light guide 20 is arranged so that the vicinity of the end of the laser cavity 30 is located at the focal position of the Fresnel lens 10 having a focal length f. That is, the laser housing 25 having the light guide 20 therein is disposed.
  • the Fresnel lens 10 condenses the sunlight S at the center of the light guide 20 (the center of the laser housing 25). Further, the optical axis of the Fresnel lens 10 is parallel to the optical axis of the laser medium 31.
  • the Fresnel lens 10 functions as an example of a condensing unit that condenses the sunlight S and makes it incident on the light guide 20.
  • the light guide 20 houses a sunlight incident window 21 that transmits the concentrated sunlight Sf, a reflection surface 22 that reflects the sunlight Sf, and a laser cavity 30.
  • a laser housing 25 A laser housing 25.
  • the sunlight incident window 21 is disposed perpendicular to the vertically incident light Sf1 incident in parallel to the optical axis of the Fresnel lens 10.
  • the surface of the incident window of the light guide 20 that takes in the sunlight Sf is arranged perpendicular to the optical axis of the Fresnel lens 10.
  • the reflection surface 22 is formed on the inner surface of the laser housing 25 so as to be a conical surface, which is an example of a conical surface, and the bottom surface of the cone is the sunlight incident window 21 side.
  • a highly reflective metal film is corroded by cooling water, and a dielectric multilayer film that does not absorb sunlight is deposited in order to prevent a decrease in reflectance.
  • an Al or Ag mirror with a water-resistant thin film or a reflecting mirror in which a dielectric multilayer film is coated on an Al or Ag film is used, and the reflectance is 95% or more.
  • the light guide 20 has the reflection surface 22 extending from the output end of the laser medium 31 to the outside of the laser medium, and reflects the sunlight S and guides it to the laser medium.
  • the condensing diameter of the sunlight Sf condensed by the Fresnel lens 10 is about 50 mm ⁇ near the focal point, it is indispensable to provide the light guide 20.
  • the light guide 20 is installed near the condensing point of the Fresnel lens 10 and serves to guide the sunlight Sf collected by the Fresnel lens 10 to the laser cavity 30 with high efficiency.
  • the laser housing (housing) 25 has a space 27 formed by the sunlight incident window 21 and the reflecting surface 22, and the space 27 is filled with the cooling water W.
  • the laser housing 25 has a cooling water inlet / outlet 26 and is configured to supply and discharge the cooling water W from the outside to the space 27.
  • the cooling water inlet / outlet 26 penetrates the laser housing 25 and reaches the space 27 so as to be connected to the space 27 from the outside.
  • the material of the laser housing 25 is metal, plastic, glass, ceramic, or the like.
  • the laser cavity 30 is a laser medium 31 that is excited by sunlight and outputs laser light, an end of the laser medium 31, and the sunlight entrance window 21.
  • HR highly reflective film
  • AR antireflection film
  • an output mirror 35 installed.
  • the material of the laser medium 31 is YAG (Y 3 Al 5 O 12 ), GSGG (Gd 3 Ac 2 Al 3 O 12 ) co-doped with Nd and Cr, or YAG, GSGG, GGG (doped with high concentration Nd). Solid laser crystal (or ceramic) such as Gd 3 Ga 5 O 12 ).
  • the shape of the laser medium 31 is a rod having a circular cross section.
  • the highly reflective film 32 is formed by depositing a dielectric multilayer film that highly reflects at the oscillation wavelength of the laser medium. For example, when a YAG crystal is used, a highly reflective film (reflectance: 99% or more) for a wavelength of 1.064 ⁇ m is formed by vapor deposition. The highly reflective film 32 reflects only the light having a wavelength of 1.064 ⁇ m excited in the laser medium 31, and is incident through the other wavelength light, that is, the sunlight incident window 21. Most of the coming sunlight passes through the highly reflective film 32 and enters the laser medium 31.
  • the antireflection film 33 is formed by vapor deposition of an antireflection film for a wavelength of 1.064 ⁇ m (reflectance: 0.2% or less).
  • the antireflection film 33 prevents reflection loss in the laser cavity 30 and oscillation of other modes.
  • the output mirror 35 has a concave surface 35a that faces the output end of the laser medium 31, as shown in FIG.
  • the concave surface 35a of the output mirror 35 has an effect of correcting the thermal lens effect of the laser medium 31.
  • Laser light grown in the laser cavity 30 is output from the output mirror 35 to the outside. Since the output of the laser greatly depends on the radius of curvature and the reflectance of the concave surface 35a of the output mirror 35, the output mirror 35 is configured to be easily adjusted.
  • the laser medium 31 is optically pumped by sunlight Sf.
  • the sunlight Sf that has passed through the highly reflective film 32 enters the laser medium 31 to excite the laser medium 31 (axial excitation), and the sunlight Sf reflected by the reflecting surface 22 of the light guide 20
  • the laser medium 31 enters the laser medium 31 from the side surface to excite the laser medium 31 (side surface excitation).
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a state of light collection in the light guide 20 when (A) the light is reflected in the vicinity of the end face of the reflecting surface and (B) the light is reflected at the back of the reflecting surface.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the mode volume and the intensity distribution of incident light in the laser medium 31.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a pattern of sunlight condensed by the Fresnel lens 10.
  • the sunlight S is collected by the Fresnel lens 10 and passes through the sunlight incident window 21 and enters the light guide 20 as sunlight Sf.
  • the condensed incident light is reduced in the diameter of sunlight Sf until it is substantially equal to the diameter of the laser medium 31, and is incident from the end of the laser medium 31 where the highly reflective film 32 is formed. Is excited in the axial direction.
  • the other sunlight Sf is reflected by the reflection surface 22 of the light guide 20 and enters the laser medium 31 from the side surface of the laser medium 31 to excite the laser medium 31 on the side surface.
  • the vertically incident light Sf1 incident perpendicularly to the end face of the sunlight incident window 21 or the laser medium 31 is 1
  • Both the reflected light of the second time and the reflected light of the second time are gathered relatively toward the bottom of the light guide 20 (near the output end of the laser medium 31).
  • the oblique incident light Sf2 also has its optical path reaching the bottom of the light guide due to the first reflection.
  • the oblique incident light Sf2 shown in FIG. 5 is an example of oblique incident light having various angles.
  • the mode volume Bv increases from the end of the laser medium 31 where the high reflection film 32 is located toward the end of the laser medium 31 where the antireflection film 33 is located. This is due to the concave surface 35a of the output mirror 35 that corrects the thermal lens effect.
  • the laser medium 31 has a peak of intensity Bi at which incident light enters the laser medium 31 toward the output end.
  • the sunlight reflected by the reflecting surface 22 is likely to gather near the bottom of the light guide 20 due to the configuration of the light guide 20.
  • the Fresnel lens 10 cannot sufficiently squeeze the sunlight S, and the sunlight is on the side of the laser medium 31 and It becomes easier to gather at the output end. Therefore, since the mode volume is larger at the output end of the laser medium 31, the laser oscillation device 1 can improve the conversion efficiency from sunlight to laser light even when the intensity of sunlight is weak due to clouds or the like. It is a configuration that can be achieved.
  • the cooling water W flows from the cooling water inlet / outlet 26 toward the output end of the laser medium 31 where sunlight tends to gather,
  • the cooling water W flows out of the cooling water inlet / outlet 26 toward the light incident window 21 and takes heat.
  • the sunlight Sf incident on the light guide 20 is a component of the region a (parallel light condensing region) collected as parallel light among the components incident on the Fresnel lens 10, And it is divided roughly into two components of the area
  • the laser medium 31 that is excited by the sunlight Sf and outputs laser light the output mirror 35 having the concave surface 35 a facing the output end of the laser medium 31, and the laser medium 31
  • the output end of the laser medium 31 is provided with a light guide 20 having a reflection surface 22 extending outward from the output end and reflecting the sunlight Sf to the laser medium 31. Since the mode volume increases in the vicinity, and sunlight from the light guide 20 gathers there, the laser oscillation device 1 that can further improve the conversion efficiency from sunlight to laser light can be provided. In particular, even when the intensity of sunlight is weak due to clouds or the like, the laser oscillation device 1 can improve the conversion efficiency from sunlight to laser light. Further, since the laser oscillation device 1 converts sunlight into laser light, the metal is purified by processing metal or plastic, or by heating and reducing an oxide material such as magnesium oxide to a high temperature. Available to:
  • the Fresnel lens 10 is further provided as an example of a condensing unit that condenses sunlight and enters the light guide 20, sunlight is easily collected in the laser medium 31, and the conversion efficiency to laser light is improved. I can plan.
  • the area of the Fresnel lens 10 is 4 m 2 , 4 kW sunlight power can be used for laser excitation. Therefore, when the groove of the Fresnel lens is formed on the incident surface, the maximum incident angle is about 75 ° and the reflection loss is increased. On the other hand, when a groove is formed on the exit surface, the maximum exit angle is about 45 °, so the reflection loss is somewhat improved.
  • At least sunlight passing through the Fresnel lens has a power reduction of about 30% due to reflection loss, scattering loss, and absorption loss.
  • the Fresnel lens 10 has a square shape in consideration of lens mounting on the lens holder. Since the maximum size of the single-piece split lens 11 is about 1 m due to manufacturing difficulties and costs, the present invention forms the large-diameter Fresnel lens 10 by the split method. Moreover, since plastic is used as the material, it is lightweight, easy to install, and easy to follow the sun.
  • the reflection loss in the sunlight incident window 21 is reduced.
  • the Fresnel lens 10 is made of a plastic, such as rhodamine 6G or DOTCI, to which a fluorescent material is added, the plastic as the material of the Fresnel lens is deteriorated by light in the ultraviolet wavelength region contained in sunlight.
  • the laser oscillation efficiency can be improved by converting the ultraviolet light into effective excitation light in the visible wavelength region.
  • the scattering loss is several percent or less.
  • the total loss of sunlight transmitted through the Fresnel lens 10 can be reduced to at least 10% or less.
  • a lamp light source such as a Kr arc lamp or a Xe flash lamp, or a semiconductor laser (LD) is used as an excitation light source of the YAG laser.
  • the excitation efficiency for obtaining a high output of several hundred W or more with this YAG laser is about 5% at the maximum in the case of using a lamp light source. %. Therefore, in order to generate an output of 1 kW from the YAG laser, an electric input to the lamp of 20 kW is required, and about 3.3 kW is required for the LD.
  • the laser oscillation device 1 of the present embodiment can provide a solid-state laser oscillation device that oscillates by sunlight excitation, which is representative of natural energy.
  • the energy of sunlight is 1 kW / m2
  • the average sunshine duration in Japan is about 4 hours / day, but when looking around the world, the area of sunshine duration is 8 hours / day is wide. For this reason, practical application of a laser using sunlight as an excitation light source is very promising.
  • 4 kW of sunlight is required when the excitation efficiency is assumed to be 25%.
  • this embodiment has been solved by a split-type Fresnel lens 10 configured by combining split lenses 11 as a technique for manufacturing a large-area Fresnel lens. .
  • the spectrum of sunlight covers a wide wavelength range from 300 nm to the near-infrared wavelength range, and the absorption range of Nd ions that are the emission source of the Nd: YAG laser is 500 to 850 nm.
  • the intensity is very high, it is excellent as a light source for excitation, but there remains a problem of effectively using light in the wavelength region of 400 to 550 nm that does not contribute much to the absorption of Nd ions.
  • the lens material absorbs sunlight in the wavelength region of 400 to 550 nm that is hardly absorbed by trivalent Nd ions that are added to the laser medium and emit laser light.
  • the dye Rhodamine 6G that emits light in the Nd ion absorption wavelength range 570 to 600 nm or the dye DOTCI that absorbs sunlight in the wavelength range 400 to 700 nm and emits light in the Nd ion absorption wavelength range 790 to 820 nm is added.
  • the laser oscillation efficiency can be doubled.
  • the solar-excited laser oscillation device 1 uses a Fresnel lens made of plastic or glass material to collect sunlight.
  • the laser oscillation device 1 is configured to oscillate a solid-state laser by collecting sunlight with a Fresnel lens made of plastic or glass material.
  • an antireflection film for preventing the reflection of sunlight was deposited on both surfaces of the Fresnel lens 10 to maximize the sunlight incident on the laser medium. That is, the laser oscillation device 1 deposits an antireflection film with little reflection loss against oblique incident light on both surfaces of the sunlight condensing Fresnel lens 10 so that the sunlight incident on the laser medium is maximized. It was configured as follows.
  • the processed surface of the Fresnel lens 10 is surface-modified by deep ultraviolet light (wavelength 170 to 210 nm) such as an excimer lamp so that the scattering loss on the processed surface is minimized. That is, the processed surface of the Fresnel lens 10 is surface-treated with deep ultraviolet light to minimize the scattering loss of incident sunlight.
  • deep ultraviolet light wavelength 170 to 210 nm
  • the laser oscillation device 1 collects sunlight by forming a single Fresnel lens by combining the divided (2 to 6) parts. That is, the laser oscillation device 1 forms a large-diameter lens by a split-type Fresnel lens, and condenses large-output sunlight. Further, the laser oscillation device 1 has a light guide 20 for guiding the sunlight collected by the condensing lens to the laser cavity 30 with high efficiency.
  • the structure of the laser cavity 30 is a structure that enables two-way excitation in the axial direction and side surface, or surface direction excitation in accordance with the output of the laser beam.
  • FIG. 8A is an example of a conical shape of the light guide 20 that guides sunlight.
  • the diameter of the entrance surface is about 50 mm ⁇ , and the size of the exit surface depends on the size and shape of the laser medium.
  • the length of the light guide is 4 to 20 cm.
  • the reflecting surface 22 is an inner surface light reflecting mirror.
  • FIG. 8B is an example of a pyramid light guide 20B.
  • the reflecting surface 22B is an inner surface light reflecting mirror.
  • FIG. 8C shows a light guide 20C when the laser medium is formed in a plate shape (slab shape).
  • the reflecting surface 22C is an inner surface light reflecting mirror.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a manufacturing process of the elliptical cone-shaped light guide 20D.
  • a cylindrical material for example, quartz glass
  • FIG. 9A a cylindrical material (for example, quartz glass) is cut at side OA and side OB. That is, cutting is performed on a plane passing through point O, point O ′, and point A, and cutting is performed on a plane passing through point O, point O ′, and point B.
  • FIG. 9 (B) parts such as the fragment OAB are removed.
  • FIG. 9C the OA surface and the OB surface are bonded and cut along the CD surface.
  • the light guide 20D is manufactured such that the entrance of the sunlight Sf is circular and the exit gradually becomes elliptical.
  • this light guide 20D Since the exit (the output end of the laser medium) of this light guide 20D has an elliptical shape, light tends to gather on the plane side of the slab-shaped laser medium, and sunlight Sf incident on the laser medium increases. That is, the light guide structure is made to be an approximate elliptical cone so as to surround the slab-shaped laser medium, thereby increasing the absorption efficiency.
  • the sunlight Sf collected by the Fresnel lens 10 has a circular shape at the incident portion. Since the light guide 20D is also substantially circular at the incident portion, the sunlight Sf can enter the light guide 20D smoothly. In the back of the light guide 20D, it becomes an approximate elliptical cone.
  • the sunlight Sf is a laser as in the conical light guide 20 even in an elliptical cone shape. Collected toward the output end of the medium 31.
  • the light guides 20B, 20C, and 20D have reflection surfaces 22B, 22C, and 22D that extend outward from the laser medium 31 from the output end of the laser medium 31, and reflect the sunlight Sf to the laser. Guide to medium 31.
  • FIG. 10 is a perspective view showing another modified example (wing-type light guide) of the light guide 20.
  • FIG. 10A is a perspective view showing a wing type light guide used when the width of the laser medium is narrow and thick, and FIG. 10B shows the case where the width of the laser medium is wide and thin. It is a perspective view which shows the wing type light guide to be used.
  • the prism-type light guide 20E uses a transparent optical material having substantially the same refractive index as that of the laser medium 31B.
  • the laser medium 31B is YAG, undoped YAG crystal, ceramic YAG, or glass to which no light emitting element is added is used.
  • the light guide 20E and the laser medium 31B are bonded by optical bonding or by an adhesive that has little absorption in the ultraviolet to near infrared wavelength region.
  • ⁇ An antireflection film is deposited on the incident surface of the light guide 20E to prevent reflection loss and at the same time prevent corrosion due to guide water.
  • excitation is performed from below the laser medium 31C using a reflecting mirror (wedge-shaped folding mirror) 27 as shown in FIG.
  • This apparatus is very advantageous for exciting a laser medium using sunlight or a semiconductor laser having poor light collecting properties.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a modification of the laser medium 31.
  • the laser medium 31 is a rod-type laser medium.
  • the laser medium 41 is a grooved rod type laser medium.
  • the laser medium 42 is a grooved slab type laser medium.
  • the laser medium 45 is a wedged slab type laser medium.
  • each laser medium has a rod-type laser medium 31, a slab-type laser medium, and a thermal effect (thermal lens, thermal birefringence, etc.) due to the excitation light of the laser medium.
  • a grooved rod type laser medium 41, a grooved slab type laser medium 42, a wedged slab type laser medium 45, or the like may be used. These excitation methods are suitable for high-power laser oscillators because they have good cooling efficiency with the cooling water W.
  • channel is a through-hole, ie, slit 41a, 42a, as shown in FIG.11 (B) and FIG.11 (C).
  • the laser medium 41 has a slit 41a as an example of an opening extending in the optical axis direction of the laser medium.
  • the width of the slit 41a of the laser medium 41 is approximately 1 mm.
  • the laser medium 42 has a slit 42a as an example of an opening that is formed in a plate shape and extends in the optical axis direction of the laser medium.
  • the laser medium 42 has a width of 25 to 30 mm, and the slit 42a has a width of about 1 mm.
  • the laser oscillation device uses a grooved rod, a grooved slab, or a wedged slab laser medium to reduce the thermal lens effect or thermal birefringence of the laser medium due to absorption of sunlight. I have.
  • the laser medium 41, 42 has an opening extending in the optical axis direction of the laser medium, and the area in contact with the cooling water increases, so that heat is easily radiated from the laser medium.
  • thermal destruction, thermal birefringence, thermal lens effect, etc. can be reduced, and parasitic (parasitic) oscillation can be prevented. Therefore, the laser media 41 and 42 are suitable for high output.
  • the slits 41a and 42a since the cooling water flows through the slits 41a and 42a, it is possible to efficiently prevent the temperature of the laser medium from rising. Further, since the laser medium 45 has a wedge portion, the surface area increases and heat is easily released.
  • the laser medium 42 is formed in a plate shape, when the light guide 20C or the approximate elliptical cone-shaped light guide 20D is installed so as to surround the laser medium 42, it is reflected by the reflection surfaces 22C and 22D once or twice. Approximately 50% or more of the emitted sunlight is incident on the laser medium 42 and contributes to laser oscillation. Therefore, uniform excitation is possible, and the laser medium 42 is suitable for high output.
  • the laser medium 42 has a slit 42a as an example of an opening extending in the optical axis direction of the laser medium, it oscillates in a straight optical path instead of zigzag. Therefore, optical axis adjustment (alignment) becomes easy.
  • the laser beam is formed in the resonator, mixing of the adjacent laser beams across the slit 42a occurs, and it is considered that coherent oscillation can be obtained. It is also possible to arrange a plurality of laser media and increase the output of the laser, but it is extremely difficult to adjust so as to obtain coherent oscillation.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of the light guide and the laser medium in the present embodiment.
  • the laser cavity including the light guide 20 shown in FIG. 12 is a laser cavity of the axial direction and side surface excitation device, and sunlight is incident from the axial direction to excite both the axial direction Sa and the side surface excitation Ss.
  • This excitation method is suitable for a low-power laser oscillator.
  • FIG. 13 is a diagram showing the laser output characteristics of this example.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram showing a performance comparison between the present embodiment and the prior art.
  • the Fresnel lens 10 a plastic lens having a size of 1400 ⁇ 1050 mm and a focal length of 1.2 m was used.
  • the laser guide and the laser medium are of a bi-directional excitation method of axial and side excitation.
  • the laser medium 31 has a size of 9 ⁇ ⁇ 100 lmm (diameter 9 mm, length 100 mm), uses a YAG rod to which Nd and Cr are added, a high-reflection film on the incident-side rod surface, and an anti-reflection film on the output surface. Vapor deposited.
  • the reflectance and the radius of curvature of the reflecting mirror (output mirror) on the output side were variable, and the reflectance and the radius of curvature of the reflecting mirror capable of obtaining the maximum output were obtained through experiments.
  • FIG. 13 is a diagram showing laser output characteristics (marked by ⁇ ) when light is condensed by a Fresnel lens of 1400 mm ⁇ 1050 mm.
  • a laser output of 24.4 W could be achieved by the sunlight input of 868 W.
  • the output side reflecting mirror had a reflectance of 95% and a curvature radius of 38 cm.
  • the excitation efficiency (laser output / sunlight input) reached 2.8%, and the best results were obtained as the data published so far.
  • the Fresnel lens 10 is made of plastic, and four fan-shaped quarter-divided dimensions 1mx1m are shown in FIG. Experiments were performed using a 2 mx 2 m lens with a focal length of 2 m.
  • FIG. 13 is a diagram showing a laser output characteristic (marked by a triangle) when focused by a Fresnel lens of 2000 ⁇ 2000 mm.
  • a 79 W laser output was achieved by 1835 W sunlight input.
  • the reflectance of the output side reflecting mirror was 95%, and the radius of curvature was 300 cm.
  • the excitation efficiency (laser output / sunlight input) reached 4.3%, and the highest efficiency and maximum output were achieved as data published so far.
  • the present invention has proven that laser oscillation using sunlight is very promising.
  • FIG. 14 shows a comparison of the laser output per solar condensing area of various solar excitation lasers reported so far.
  • the larger the laser power output for the area where sunlight is collected the higher the system utilization efficiency, and this index is important.
  • the area utilization efficiency of the apparatus is improved by about 3 to 10 times, which shows the effectiveness of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a laser oscillation apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a schematic view showing the laser housing of FIG.
  • a solar-excited laser oscillation device (laser oscillator) 2 includes a Fresnel lens 10 that collects sunlight S, a light guide 20B that guides the collected sunlight to a laser cavity with high efficiency, and It is constituted by a laser cavity 30B.
  • the laser cavity 30 ⁇ / b> B includes a high-reflection mirror 32 ⁇ / b> B, an output mirror 35 ⁇ / b> B, and a laser medium 42 housed in the laser housing 25.
  • FIG. 16 is a schematic view showing a laser housing constituting the laser cavity.
  • Sunlight from the light guide 20B is guided to the laser housing 25B through the sunlight incident window 21B, and excites the laser medium in the laser housing 25B.
  • the laser medium is cooled with cooled pure water (temperature: 18 to 26 ° C.).
  • a high reflector such as an aluminum metal or a metal reflector
  • a scatterer with low absorption is used on the inner surface of the laser housing 25B.
  • the laser medium attached to the laser housing 25B is excited from the side.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing a schematic configuration example of a laser oscillation apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing an optical path in the light guide.
  • FIG. 18A shows an optical path of sunlight reflected near the end face of the reflecting surface 22G.
  • FIG. 18B shows an optical path of sunlight reflected inside the reflecting surface 22G.
  • the laser oscillation device 3 is different from the first embodiment in that the light guide 20G and the optical axis 16 of the Fresnel lens 10 are arranged obliquely with respect to the optical axis 36 of the laser medium 31. .
  • the light guide 20G has a sunlight incident window 21G perpendicular to the optical axis 16 of the Fresnel lens 10 and a reflection surface 22G, as shown in FIGS.
  • the light guide 20G has a shape obtained by cutting the light guide 20 along the plane of the sunlight incident window 21G.
  • the reflection surface 22G has a reflection surface 22G with the optical axis 36 of the laser medium 31 at an angle ⁇ , that is, the light guide 20G tilted with respect to the optical axis 16 of the Fresnel lens 10.
  • the inclination angle ⁇ is 15 ° to 25 °, and is 19.6 °, for example, in FIG.
  • the normal incident light Sf1 incident on the vicinity of the end of the reflecting surface 22G of the light guide 20G is reflected several times on the upper part of the light guide 20G and then returns to the incident direction.
  • the obliquely incident light Sf2 incident near the end of the reflecting surface 22G of the light guide 20G once reaches the back of the light guide 20G is reflected several times, and then returns to the incident direction.
  • the sunlight Sf1 and Sf2 incident near the center of the entrance of the light guide 20G are reflected by the wall surface (reflection surface 22G) of the light guide 20G and gather in the back of the light guide 20G.
  • the light guide By tilting the light guide in this way, sunlight is incident obliquely with respect to the optical axis of the laser medium, so that it is difficult for sunlight to concentrate on the output end of the laser medium, and the laser medium can be excited uniformly.
  • the conversion efficiency from sunlight to laser light can be further improved.
  • the laser output can be enhanced (increased efficiency) by increasing the number of reflections. Therefore, it is possible to prevent thermal destruction of the laser medium, thermal birefringence, thermal lens, parasitic oscillation, and the like, so that it is possible to generate a high-quality laser beam with good condensing performance.
  • the light guide 20D shown in FIG. 19 is a light guide for the laser medium 42 having a slab shape. Also in this case, when the optical axis of the laser medium 42 is tilted by the angle ⁇ with respect to the optical axis of the Fresnel lens, a result similar to FIG. 18 was obtained.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing the relationship between the optical path of FIG. 19 and the laser medium. As shown in FIG. 20, the laser medium 42 can be uniformly excited as the sunlight hardly concentrates at the output end of the laser medium 42. It turns out that it is.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing an optical path in a modification of the light guide of FIG.
  • the light guide 20H is installed in a state where the optical axis 36 of the laser medium 31 is inclined at an angle ⁇ (eg, 19.6 °) with respect to the optical axis 16 of the Fresnel lens 10.
  • the angle of the reflecting surface 24a and the reflecting surface 24b is different from 25H. That is, the angle between the outer wall of the laser housing 25H and the reflecting surfaces 24a and 24b is different from the angle ⁇ and angle ⁇ ( ⁇ ⁇ ), respectively, and is asymmetric.
  • the sunlight that has entered the vicinity of the center of the entrance of the light guide 20H is reflected by the wall surfaces (reflection surfaces 24a and 24b) of the light guide 20H and gathers in the back of the light guide 20H. .
  • the light incident near the end of the reflection surface of the light guide 20H is reflected several times on the light guide 20H and then returns to the incident direction. That is, the laser medium can be uniformly excited by tilting the light guide.
  • the number of reflections of the vertical incident light Sf1 and the oblique incident light Sf2 perpendicular to the sunlight incident window 21H is also increased in the light guide 20H. . That is, the absorption of sunlight in the laser medium can be increased.
  • the condensing means may be a glass lens or a concave reflecting mirror, and it is sufficient that sunlight is collected on the incident window of the light guide.
  • the fluorescent substance added to the Fresnel lens 10 prevents deterioration of the plastic, which is the material of the Fresnel lens, by light in the ultraviolet wavelength region, and makes this ultraviolet light effective in the visible wavelength region. Any substance that can be converted into excitation light may be used.
  • the material of the laser medium 31 is not limited to YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) or GSGG (Gd 3 Ac 2 Al 3 O 12 ) or the like in which Nd and Cr are added together as an example. Any material that can be absorbed widely can be used.
  • the present invention is not limited to the above embodiments.
  • Each of the embodiments described above is an exemplification, and any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and has the same operational effects can be used. It is included in the technical scope of the present invention.
  • Laser oscillator 10 Fresnel lens 16: Fresnel lens optical axes 20, 20B, 20C, 20D, 20E: Light guide 21, 21B: Sunlight incident window (incident window) 22, 22B, 22C, 22D: reflecting surface 30: laser cavity 31, 41, 42, 45: laser medium 35: output mirror 36: optical axis 41a, 42a of laser medium: slit (opening) S, Sf: Sunlight

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Abstract

　太陽光からレーザー光への変換効率をより向上させるレーザー発振装置を提供すること目的とする。 　太陽光Ｓ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の出力端部に対向する凹面３５ａを有する出力ミラー３５と、レーザー媒質３１の出力端部から、レーザー媒質３１の外方に延びる反射面２２を有し、太陽光Ｓｆを反射してレーザー媒質３１に導く光ガイド２０と、を備える。

Description

レーザー発振装置
　本発明は、太陽光により励起されるレーザー発振装置に関する。
　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。このレーザー発振装置の効率を上げるためには、太陽光によるレーザー媒質の加熱によって生じる熱レンズ効果や熱複屈折等を防止する必要がある。例えば、特許文献１には、宇宙空間におけるレーザーロッドの熱制御を適切に行うために、太陽光を励起光として直接発振を行うレーザー発振媒体からなるレーザーロッドを備えた太陽光直接励起レーザー発振装置であって、レーザーロッドには、レーザーロッド本体より放出される熱エネルギーを吸収するための冷媒が貫流する管路を有する冷却手段を備えるレーザー発振装置が開示されている。
特開２００３－１８８４４１号公報
　しかし、宇宙空間と異なり、地上では、太陽光が雲により遮られたり、季節により太陽光の強度が異なったりする。そのため、地上における太陽光からレーザー光への変換効率の向上に関して十分に検討されていなかった。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、太陽光からレーザー光への変換効率をより向上させるレーザー発振装置を提供すること目的とする。
　上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、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と、前記レーザー媒質の出力端部に対向する凹面を有する出力ミラーと、前記レーザー媒質の出力端部から、前記レーザー媒質の外方に延びる反射面を有し、前記太陽光を反射して前記レーザー媒質に導く光ガイドと、を備えたことを特徴とする。
　また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザー発振装置において、前記光ガイドの反射面が、錐面であることを特徴とする。
　また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のレーザー発振装置において前記レーザー媒質が、前記レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部を有することを特徴とする。
　また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザー発振装置において、前記太陽光を集光して前記光ガイドに入射させる集光手段を更に備えたことを特徴とする。
　また、請求項５に記載の発明は、請求項４項に記載のレーザー発振装置において、前記集光手段の光軸が、前記レーザー媒質の光軸に対して斜めに配置されることを特徴とする。
　また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のレーザー発振装置において、前記太陽光を取り入れる前記光ガイドの入射窓の面が、前記集光手段の光軸と垂直に配置されることを特徴とする。
　また、請求項７に記載の発明は、請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のレーザー発振装置において、前記集光手段がフレネルレンズであって、前記フレネルレンズに蛍光物質が添加されたことを特徴とする。
　また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のレーザー発振装置において、前記フレネルレンズが、深紫外光によって表面改質されたことを特徴とする。
　また、請求項９に記載の発明は、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を備え、前記レーザー媒質が、前記レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部を有することを特徴とする。
　また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のレーザー発振装置において、前記開口部が、スリットを有することを特徴とする。
　また、請求項１１に記載の発明は、請求項９または請求項１０に記載のレーザー発振装置において、前記レーザー媒質が板状に形成されたことを特徴とする。
　また、請求項１２に記載の発明は、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と、前記レーザー媒質の出力端部から、前記レーザー媒質の外方に延びる反射面を有し、前記太陽光を反射して前記レーザー媒質に導く光ガイドと、前記太陽光を集光して前記光ガイドに入射させる集光手段と、を備え、前記集光手段の光軸が、前記レーザー媒質の光軸に対して斜めに配置されることを特徴とする。
　本発明によれば、太陽光により励起されてレーザー光を出力するレーザー媒質と、レーザー媒質の出力端部に対向する凹面を有する出力ミラーと、レーザー媒質の出力端部から、レーザー媒質の外方に延びる反射面を有し、太陽光を反射してレーザー媒質に導く光ガイドと、を備えたことにより、レーザー媒質の出力端部付近におけるモードボリュームが増大し、そこに光ガイドからの太陽光が集まるため、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レーザー発振装置を提供できる。
本発明に係る第１実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成例を示す模式図である。 図１のフレネルレンズを示す平面図である。 図１の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１の光ガイドおよびレーザーキャビティを示す模式図である。 図１の光ガイド内におけて、（Ａ）反射面の端面付近で反射した場合、（Ｂ）反射面の奥で反射した場合、集光の様子を示す模式図である。 図１のレーザー媒質におけるモードボリュームおよび入射光の強度分布を示す模式図である。 図１のフレネルレンズにより集光された太陽光のパターンを示す模式図である。 図１の光ガイドの変形例を示す斜視図である。 図１の光ガイドの変形例の製作工程を示す模式図である。 図１の光ガイドの他の変形例を示す斜視図である。 図１のレーザー媒質の変形例を示す斜視図である。 本実施例における光ガイドおよびレーザー媒質の概要構成例を示す模式図である。 本実施例のレーザー出力特性を示す線図である。 本実施例と従来技術との性能比較を示す説明図である。 本発明に係る第２実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成例を示す模式図である。 図１５のレーザーハウジングを示す模式図である。 本発明に係る第３実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成例を示す模式図である。 図１の光ガイドにおける光路を示す模式図である。 図９の光ガイドを傾けた場合の光路を示す模式図である。 図１９の光路とレーザー媒質との関連を示す模式図である。 図１７の光ガイドの変形例における光路を示す模式図である。
　以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
　（第１実施形態）
　まず、本発明に係る第１実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成および機能について、図１から図４を用いて説明する。
　図１は、本発明に係る第１実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成例を示す模式図である。図２は、レーザー発振装置で使用するフレネルレンズを示す平面図である。図３は、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は、レーザー発振装置の光ガイドおよびレーザーキャビティを示す模式図である。
　図１に示すように、太陽光励起のレーザー発振装置１は、太陽光Ｓを集光するフレネルレンズ１０と、集光された太陽光Ｓｆをレーザーの励起光として導く光ガイド２０と、光ガイド２０を内部に有するレーザーハウジング２５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、レーザー発振装置１は、発生したレーザー光を、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のターゲット５に照射して、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。
　図２示すように、フレネルレンズ１０は、１ｍ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。フレネルレンズは、屈折方式で太陽光を集光するので、プラスチックの片面に図２で示すような溝１１ａを形成する。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（特許番号：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が、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つに限定されなく、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。
　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。すなわち、光ガイド２０を内部に有するレーザーハウジング２５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２５の中心部）に集光させる。また、フレネルレンズ１０の光軸が、レーザー媒質３１の光軸に対して平行である。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。
　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を反射する反射面２２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２５と、を有する。
　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。
　反射面２２は、レーザーハウジング２５の内面に錐面の一例である円錐面となるように形成され、円錐の底面が太陽光入射窓２１側となる。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２２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。このように、光ガイド２０は、レーザー媒質３１の出力端部から、レーザー媒質の外方に延びる反射面２２を有し、太陽光Ｓを反射してレーザー媒質に導く。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５０ｍｍΦ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の集光点近くに設置し、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へとガイドする役目がある。
　次に、レーザーハウジング（ハウジング）２５は、太陽光入射窓２１と反射面２２とにより形成される空間２７を有し、空間２７が冷却水Ｗで満たされている。レーザーハウジング２５は、冷却水出入口２６を有し、外部から空間２７に冷却水Ｗを供給し、排出できるように構成されている。冷却水出入口２６は、外部から空間２７に連結するように、レーザーハウジング２５内部を貫通し、空間２７に達している。また、レーザーハウジング２５の材料には、金属、プラスチック、ガラス、およびセラミック等が使用されている。
　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（ＨＲ）３２と、レーザー媒質３１の出力端部の面に形成された反射防止膜（ＡＲ）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３５と、を有する。
　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（ロッド）である
　高反射膜３２は、レーザー媒質の発振波長で高反射する誘電体多層膜を蒸着している。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）を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の光のみを反射するのであって、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。
　反射防止膜３３は、波長１．０６４μｍ用の反射防止膜（反射率：０．２％以下）を蒸着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。
　出力ミラー３５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３５ａを有する。そして、出力ミラー３５の凹面３５ａ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３５から外部へ出力される。レーザーの出力は出力ミラー３５の凹面３５ａ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３５は、調整が容易な構成になっている。
　レーザー媒質３１は、太陽光Ｓｆ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Ｓｆ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Ｓｆは、レーザー媒質３１の側面から、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）。
　次に、レーザー発振装置１の動作例として、太陽光の光路や光ガイドにおける集光等について、図に基づき説明する。
　図５は、光ガイド２０内において、（Ａ）反射面の端面付近で反射した場合、（Ｂ）反射面の奥で反射した場合、集光の様子を示す模式図である。図６は、レーザー媒質３１におけるモードボリュームおよび入射光の強度分布を示す模式図である。図７は、フレネルレンズ１０により集光された太陽光のパターンを示す模式図である。
　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Ｓｆ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を軸方向励起させる。その他の太陽光Ｓｆ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内部に入射してレーザー媒質３１を側面励起させる。
　次に、光ガイド２０の反射面２２で反射された太陽光Ｓｆについて説明する。
　図５（Ａ）に示すように、反射面２２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回目の反射光および２回目の反射光共に、比較的、光ガイド２０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、光路が光ガイドの底部に到達している。なお、図５に示した斜入射光Ｓｆ２は、様々な角度がある斜入射光うちの一例である。
　次に、図５（Ｂ）に示すように、光ガイド２０の底部付近の反射面２２で反射した場合、垂直入射光Ｓｆ１および斜入射光Ｓｆ２は、光路が光ガイドの底部に到達している。これら図５（Ａ）（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の底部付近に集まりやすい。そのため、反射面２２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。
　次に、レーザー媒質３１におけるモードボリュームおよび入射光の強度分布を示す。
　図６に示すように、モードボリュームＢｖが、レーザー媒質３１の高反射膜３２がある端部から、レーザー媒質３１の反射防止膜３３のある端部に近づくにつれて増大している。これは、熱レンズ効果を補正する出力ミラー３５の凹面３５ａに起因する。
　また、図６に示すように、レーザー媒質３１は、出力端部の方に、入射光がレーザー媒質３１内に入射する強度Ｂｉのピークを有する。これは、図５（Ａ）（Ｂ）で示したように、光ガイド２０の構成に起因し、反射面２２で反射した太陽光は、光ガイド２０の底部付近に集まりやすいためである。特に太陽に雲がかかったときや霞が発生したとき等、太陽の像がぼやけ太陽光が弱い場合、フレネルレンズ１０により十分に太陽光Ｓを絞れず、太陽光がレーザー媒質３１の側面でかつ出力端部の方に集まりやすくなる。従って、モードボリュームがレーザー媒質３１の出力端部の方で大きいため、雲等により太陽光の光の強度が弱い場合でも、レーザー発振装置１は、太陽光からレーザー光への変換効率の向上が図れる構成である。
　また、レーザー媒質３１の熱破壊や熱レンズ効果や熱複屈折を防止するため、太陽光が集まりやすいレーザー媒質３１の出力端部の方にある冷却水出入口２６から冷却水Ｗが流入し、太陽光入射窓２１の方の冷却水出入口２６から冷却水Ｗが流出して熱を奪う。
　なお、図７に示すように、光ガイド２０に入射した太陽光Ｓｆは、フレネルレンズ１０へ入射した成分のうちで平行光として集光された領域ａ（平行光の集光領域）の成分、および、空気中を進行する間に散乱されて発散角が大きい成分が集光された領域ｂ（散乱光の集光領域）の２成分に大別される。そのため、領域ｂの太陽光は、最大３回程度も光ガイド２０の内面で反射されてレーザーキャビティ３０へ入射する。なお、風がなく快晴の日等は太陽光の大部分は領域aとなり、空気中の水蒸気が多い日等は、領域ｂの太陽光が増加する。
　このように本実施形態によれば、太陽光Ｓｆ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の出力端部に対向する凹面３５ａを有する出力ミラー３５と、レーザー媒質３１の出力端部から、レーザー媒質３１の外方に延びる反射面２２を有し、太陽光Ｓｆを反射してレーザー媒質３１に導く光ガイド２０と、を備えたことにより、レーザー媒質３１の出力端部付近においてモードボリュームが増大し、そこに光ガイド２０からの太陽光が集まるため、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レーザー発振装置１を提供できる。特に、雲等により太陽光の光の強度が弱い場合でも、レーザー発振装置１により、太陽光からレーザー光への変換効率の向上が図れる。また、レーザー発振装置１は、太陽光をレーザー光に変換しているため、金属やプラスチックなどの加工、あるいは酸化マグネシウム等の酸化物材料を高温に加熱して還元することによって金属を精製するために利用できる。
　また、太陽光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フレネルレンズ１０を更に備えた場合、レーザー媒質３１に太陽光が集まりやすくなり、レーザー光への変換効率の向上が図れる。例えば、このフレネルレンズ１０の面積が４ｍ２である場合は、４ｋＷの太陽光のパワーをレーザーの励起に使える。従って、このフレネルレンズの溝が入射面に形成されている場合は、最大の入射角は７５°程度となって反射損失が大きくなる。一方、出射面に溝を形成した場合は、最大出射角は４５°程度であるため、反射損失は幾分かよくなる。少なくとも、フレネルレンズを透過する太陽光は、反射損失、散乱損失、吸収損失によって３０％程度もパワーが減少する。また、フレネルレンズ１０は、レンズホルダーへのレンズ装着を考慮して四角の形状としている。１枚構成の分割レンズ１１の最大寸法は、製作上の困難性やコストが制限要因となり１ｍ程度であるため、本発明は分割方式によって大口径のフレネルレンズ１０を形成した。また、材質としてプラスチックを用いたので軽量であり、設置がしやすく、太陽に対して追随させやすい。
　また、光ガイド２０の入射窓の一例である太陽光入射窓２１の面が、フレネルレンズ１０の光軸と垂直に配置される場合、太陽光入射窓２１における反射損失が減少する。
　また、色素、例えばローダミン６ＧやＤＯＴＣＩ等の蛍光物質を添加したプラスチックでフレネルレンズ１０を製作した場合、フレネルレンズの材料であるプラスチックが太陽光に含まれている紫外波長域の光によって劣化していくのを防止し、かつこの紫外光を可視波長域の有効な励起光に変換してレーザー発振効率を向上させることができる。また、フレネルレンズ１０が、深紫外光によって表面改質された場合、散乱損失が数％以下になる。
　さらに、フレネルレンズ１０の出射面に溝を形成し、深紫外光によって表面改質することにより、フレネルレンズ１０を透過する太陽光の全損失を少なくとも１０％以下にすることができる。
　以上のように、分割方式によるフレネルレンズの製作、表面処理によるレンズ透過率の大幅な増加、フレネルレンズ材料であるプラスチックへの色素添加によるレーザー発振効率の増加、およびレンズの長寿命化、などによって従来技術によるフレネルレンズよりも格段に優れた集光レンズが実現する。
　なお、ＹＡＧレーザーの励起光源には、一般的に、ＫｒアークランプやＸｅフラッシュランプなどのランプ光源、あるいは半導体レーザー（ＬＤ）が使用されている。このＹＡＧレーザーで数百Ｗ以上の高出力を得るための励起効率は、ランプ光源による場合は最大で５％程度、ＬＤでは共鳴吸収を利用しているために高効率ではあるが、最大で３０％程度である。従って、ＹＡＧレーザーから出力１ｋＷを発生させるためにはランプへの電気入力は２０ｋＷ、ＬＤにたいしては３．３ｋＷ程度が必要となる。
　一般的な励起法によってＹＡＧレーザーを発振させるには、大入力の電気エネルギーを必要とする。地球環境問題を解決するためには、電気を使わない自然エネルギーによってレーザー発振を達成するのが理想的である。
　本実施形態のレーザー発振装置１は、自然エネルギーの代表である太陽光励起によって発振する固体レーザーの発振装置を提供できる。また、太陽光のエネルギーは１ｋＷ/ｍ２であり、国内における平均日照時間は約４時間/日であるが、世界を見渡すと日照時間８時間/日の地域は広範囲にわたっている。このため、太陽光を励起光源とするレーザーの実用化は非常に有望視されている。レーザー出力１ｋＷを発生させるには、励起効率を２５％と仮定した場合には４ｋＷの太陽光が必要となる。そこで集光用のフレネルレンズの面積は４ｍ２を必要とするので、大面積のフレネルレンズの製作技術として、本実施形態は、分割レンズ１１を組み合わせて構成した分割方式のフレネルレンズ１０により解決した。
　また、太陽光のスペクトルは３００ｎｍ～近赤外の波長域までと広範囲な波長域にわたっており、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの発光源であるＮｄイオンの吸収域は５００～８５０ｎｍであり、この波長域のスペクトル強度は非常に大きいので励起用光源としては優れているが、Ｎｄイオンの吸収に余り寄与しない波長域４００～５５０ｎｍの光を有効に活用する課題が残されていた。しかし、本実施形態のレーザー発振装置１のように、レンズ材料には、レーザー媒質に添加されてレーザー光を放出する３価のＮｄイオンにほとんど吸収されない波長域４００～５５０ｎｍの太陽光を吸収して、Ｎｄイオンの吸収波長域５７０～６００ｎｍで発光する色素ローダミン６Ｇ、あるいは４００～７００ｎｍの波長域の太陽光を吸収して、Ｎｄイオンの吸収波長域７９０～８２０ｎｍで発光する色素ＤＯＴＣＩを添加することによってレーザーの発振効率を約２倍にすることができる。
　さらに、フレネルレンズで集光した太陽光を高効率でレーザーキャビティへガイドする課題も解決した。
　また、太陽光励起のレーザー発振装置１は、プラスチック、またはガラス材料で製作されたフレネルレンズを太陽光の集光に使用した。すなわち、レーザー発振装置１は、プラスチック、またはガラス材料で製作されたフレネルレンズで太陽光を集光して、固体レーザーを発振させる構成である。
　また、レーザー発振装置１は、フレネルレンズ１０の両面には太陽光の反射を防止する反射防止膜を蒸着し、レーザー媒質へ入射する太陽光を最大とした。すなわち、レーザー発振装置１は、太陽光集光用のフレネルレンズ１０の両面に、斜入射光に対しても反射損失の少ない反射防止膜を蒸着し、レーザー媒質へ入射する太陽光が最大となるように構成された。
　また、フレネルレンズ１０の加工面は、エキシマランプなどの深紫外光（波長１７０から２１０ｎｍ）によって表面改質され、加工表面での散乱損失を最小となるように構成されている。すなわち、フレネルレンズ１０の加工面を深紫外光によって表面処理し、入射する太陽光の散乱損失を最小とする。
　また、レーザー発振装置１は、分割（２～６分割）したものを組み合わせて１枚のフレネルレンズを形成して太陽光を集光する。すなわち、レーザー発振装置１は、分割方式のフレネルレンズによって大口径のレンズを形成し、大出力の太陽光を集光する。また、レーザー発振装置１は、レーザーキャビティへは、集光用レンズで集光された太陽光を高効率でレーザーキャビティ３０へ導くための光ガイド２０を有する。また、レーザーキャビティ３０の構造は、レーザー光の出力に応じて軸方向と側面の２方向励起、または面方向励起を可能とする構造である。
　次に、太陽光をガイドする光ガイドの変形例について説明する。
　図８（Ａ）は、太陽光をガイドする光ガイド２０の円錐型の例であり、入射面の口径は約５０ｍｍΦで、出射面の寸法はレーザー媒質の寸法・形状に依存する。光ガイドの長さは４～２０ｃｍである。反射面２２は内面光反射鏡である。図８（Ｂ）は、角錐型の光ガイド２０Ｂの例である。反射面２２Ｂは内面光反射鏡である。また、図８（Ｃ）は、レーザー媒質が板状（スラブ形状）に形成された場合の光ガイド２０Ｃを示している。反射面２２Ｃは内面光反射鏡である。
　これ以外には、楕円錐型の光ガイドも使用する。この光ガイドは、スラブ形状のレーザー媒質用である。図９は、楕円錐型の光ガイド２０Ｄの製作工程を示す模式図である。図９（Ａ）に示すように、円筒形の材料（例えば、石英ガラス）を、辺ＯＡ、辺ＯＢで切断をする。すなわち、点Ｏ、点Ｏ’、点Ａを通る平面で切断し、点Ｏ、点Ｏ’、点Ｂを通る平面で切断する。
　次に、図９（Ｂ）に示すように、断片ＯＡＢ等の部分を取り除く。そして、図９（Ｃ）に示すように、ＯＡ面、ＯＢ面を接着し、ＣＤ面で切断する。太陽光Ｓｆの入口は円形で、次第に出口が楕円形になる光ガイド２０Ｄを作製する。
　この光ガイド２０Ｄは、出口（レーザー媒質の出力端部）が楕円形であるので、スラブ形状のレーザー媒質の平面側に、光が集まりやすく、レーザー媒質に入射する太陽光Ｓｆが増加する。すなわち、光ガイドの構造を近似楕円錐にしてスラブ形状のレーザー媒質を取り囲むようにし、吸収効率を増加させる。また、フレネルレンズ１０で集光された太陽光Ｓｆは、入射部では円形状になっている。そして、光ガイド２０Ｄも入射部ではほぼ円であるため、太陽光Ｓｆは、スムーズに光ガイド２０Ｄ内部に入射できる。光ガイド２０Ｄの奥の方では近似楕円錐となっていく。フレネルレンズ１０の光軸に対して、レーザー媒質３１の光軸が水平になるように、光ガイド２０Ｄを設置した状態では、楕円錐形状でも円錐形状の光ガイド２０と同様に太陽光Ｓｆはレーザー媒質３１の出力端部の方に集められる。これらのように、光ガイド２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、レーザー媒質３１の出力端部から、レーザー媒質３１の外方に延びる反射面２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄを有し、太陽光Ｓｆを反射してレーザー媒質３１に導く。
　次に光ガイドの他の変形例について説明する。
　図１０は、光ガイド２０の他の変形例（ウイング型光ガイド）を示す斜視図である。図１０（Ａ）は、レーザー媒質の幅が狭く、厚さが厚い場合に用いるウイング型光ガイドを示す斜視図で図１０（Ｂ）は、レーザー媒質の幅が広く、厚さが薄い場合に用いるウイング型光ガイドを示す斜視図である。
　プリズム型の光ガイド２０Ｅは、レーザー媒質３１Ｂとほぼ同じ屈折率の透明な光学材料を用いる。レーザー媒質３１ＢがＹＡＧの場合は、発光元素を添加していないアンドープＹＡＧ結晶、セラミックＹＡＧ、ガラスを使用する。光ガイド２０Ｅとレーザー媒質３１Ｂは、光学的接合、または紫外～近赤外波長域で吸収の少ない接着剤によって接合する。
　光ガイド２０Ｅの入射面には、反射防止膜を蒸着し、反射損失を防ぐと同時に、ガイド水による腐食も防止する。また、レーザー媒質の幅が広い場合は、図１０（Ｂ）のように反射鏡（楔形折返し鏡）２７を用いてレーザー媒質３１Ｃの下部から励起する。本装置は、集光性の悪い太陽光や半導体レーザーを用いてレーザー媒質を励起するのに非常に有利である。
　次に、レーザー媒質３１の変形例について説明する。
　図１１は、レーザー媒質３１の変形例を示す斜視図である。図１１（Ａ）に示すように、レーザー媒質３１は、ロッド型のレーザー媒質である。図１１（Ｂ）に示すように、レーザー媒質４１は、溝付きロッド型のレーザー媒質である。図１１（Ｃ）に示すように、レーザー媒質４２は、溝付きスラブ型のレーザー媒質である。図１１（Ｄ）に示すように、レーザー媒質４５は、楔付きスラブ型のレーザー媒質である。
　各レーザー媒質は図１１に示したように、ロッド型のレーザー媒質３１やスラブ型のレーザー媒質、さらにはレーザー媒質の励起光による熱的影響（熱レンズや熱複屈折等）を減少させるために、溝付きのロッド型のレーザー媒質４１、溝付きスラブ型のレーザー媒質４２を用いたり、楔付きスラブ型のレーザー媒質４５等が使用されたりする。これらの励起方式は、冷却水Ｗによる冷却効率がよいので、大出力のレーザー発振器に向いている。なお、この溝付きのレーザー媒質の溝は、図１１（Ｂ）や図１１（Ｃ）に示したように、貫通孔、すなわち、スリット４１ａ、４２ａである。
　レーザー媒質４１は、レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部の一例としてスリット４１ａを有する。そして、レーザー媒質４１のスリット４１ａの幅がほぼ１ｍｍである。
　また、レーザー媒質４２は、レーザー媒質が板状に形成され、レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部の一例としてスリット４２ａを有する。そして、レーザー媒質４２は、幅が２５～３０ｍｍであり、スリット４２ａの幅がほぼ１ｍｍである。　これらのように、レーザー発振装置は、太陽光の吸収によるレーザー媒質の熱レンズ効果や熱複屈折等を軽減するために溝付きのロッド、溝付きのスラブ、あるいは、楔付きスラブのレーザー媒質を備えている。
　これらレーザー発振装置の変形例によれば、レーザー媒質４１、４２が、レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部を有し、冷却水と接する面積が増加するので、レーザー媒質から熱が発散しやすくなり、熱破壊、熱複屈折、熱レンズ効果等を減少でき、パラスチック（寄生）発振を防止できる。そのため、レーザー媒質４１、４２は、高出力化に向いている。特に、スリット４１ａ、４２ａの場合、冷却水がスリット４１ａ、４２ａを流れるので、レーザー媒質の温度の上昇を効率よく防止できる。また、レーザー媒質４５は、楔部を有するので、表面積が増加し、熱が放出されやすい。
　また、レーザー媒質４２が板状に形成されているので、レーザー媒質４２を取り囲むように光ガイド２０Ｃや近似楕円錐形状の光ガイド２０Ｄを設置すると、１～２回、反射面２２Ｃ、２２Ｄで反射された太陽光のほぼ５０％以上がレーザー媒質４２に入射し、レーザー発振に寄与する。そのため、均一な励起が可能となるため、レーザー媒質４２は高出力化に向いている。
　さらに、レーザー媒質４２は、レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部の一例としてスリット４２ａを有するため、ジグザグではなく、ストレート光路で発振する。従って、光軸調整（アライメント）が容易となる。なお、共振器中でレーザービームが形成される際、スリット４２ａを隔てた隣同士のレーザービームのミキシングが生じ、コヒーレントな発振が得られると考えられる。また、レーザー媒質を複数並べ、レーザーの出力を増加させることも考えられるが、コヒーレントな発振を得るように、調整することは極めて難しい。
　次に、本発明の実施例について具体的に説明する。
　図１２は、本実施例における光ガイドおよびレーザー媒質の概要構成例を示す模式図である。　なお、図１２に示す光ガイド２０を含むレーザーキャビティは、軸方向および側面励起装置のレーザーキャビティであり、太陽光を軸方向から入射させ、軸方向Ｓａおよび側面励起Ｓｓの両方の励起をする。この励起方式は、小出力のレーザー発振器に向いている。図１３は、本実施例のレーザー出力特性を示す線図である。図１４は、本実施例と従来技術との性能比較を示す説明図である。
　図１２の太陽光励起のレーザー発振装置（光ガイド２０とレーザー媒質３１のみ図示）で発振実験を行った。フレネルレンズ１０は、寸法１４００×１０５０ｍｍ、焦点距離１．２ｍのプラスチックレンズを使用した。レーザーガイドおよびレーザー媒質は、軸方向および側面励起の両方向励起方式にした。レーザー媒質３１の寸法は９Φ×１００ｌｍｍ（径９ｍｍ、長さ１００ｍｍ）で、ＮｄとＣｒを添加したＹＡＧロッドを使い、入射側のロッド面には高反射膜を、出射面には反射防止膜を蒸着した。出射側の反射鏡（出力ミラー）の反射率と曲率半径は可変とし、最大の出力が得られる反射鏡の反射率と曲率半径を実験で求めた。
　図１３の一例は、１４００ｍｍ×１０５０ｍｍのフレネルレンズで集光した場合のレーザー出力特性（◆印）を示す線図である。この実験では、図１３において四角（◆印）で示したように、８６８Ｗの太陽光入力によって、２４．４Ｗのレーザー出力を達成できた。このときの出力側反射鏡の反射率は９５％、曲率半径は３８ｃｍであった。励起効率（レーザー出力/太陽光入力）は２．８％に達し、今まで発表されているデータとしては、最もよい結果を得た。
　次に、レーザーガイド（光ガイド２０）とレーザー媒質３１の配置は、図１２の通りで、フレネルレンズ１０は、プラスチック製で、扇形の四分の１分割寸法１ｍｘ１ｍのレンズ４枚を図２のように組み合わせた２ｍｘ２ｍ、焦点距離２ｍのレンズを用いて実験を行った。
　図１３の一例は、２０００×２０００ｍｍのフレネルレンズで集光した場合のレーザー出力特性（▲印）を示す線図である。この実験では、図１３において三角（▲印）で示したように、１８３５Ｗの太陽光入力によって、７９Ｗのレーザー出力を達成できた。このときの出力側反射鏡の反射率は９５％、曲率半径は３００ｃｍであった。励起効率（レーザー出力　/　太陽光入力）は４．３％に達し、今まで発表されているデータとしては、最も高い効率と最大出力を達成できた。本発明は、太陽光を利用したレーザー発振が非常に有望であることを証明した。
　次に、図１４は、これまでに報告されている各種太陽励起レーザーの太陽光集光面積当たりのレーザー出力の比較を示している。太陽励起レーザー装置の性能のうち、太陽光を集める面積に対して出力したレーザーパワーが大きいほどシステム利用効率が高く、この指標は重要である。１～３の従来の太陽励起レーザー技術に比べて装置の面積利用効率は三倍から十倍程度向上しており、本発明の有効性を示している。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態に係るレーザー発振装置について説明する。
　まず、第２実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成について、図に基づき説明する。なお、前記第１実施形態と同一または対応する部分には、同一の符号を用いて異なる構成および作用のみを説明する。その他の実施形態および変形例も同様とする。
　図１５は、本発明に係る第２実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成例を示す模式図である。図１６は、図１５のレーザーハウジングを示す模式図である。
　図１５に示すように、太陽光励起のレーザー発振装置（レーザー発振器）２は、太陽光Ｓを集光するフレネルレンズ１０、集光された太陽光を高効率でレーザーキャビティへガイドする光ガイド２０Ｂおよびレーザーキャビティ３０Ｂによって構成されている。
　レーザーキャビティ３０Ｂは、高反射ミラー３２Ｂと、出力ミラー３５Ｂと、レーザーハウジング２５に収納されたレーザー媒質４２とから構成される。
　次に、図１６はレーザーキャビティを構成するレーザーハウジングを示す模式図である。光ガイド２０Ｂからの太陽光は太陽光入射窓２１Ｂを通ってレーザーハウジング２５Ｂへと導かれ、レーザーハウジング２５Ｂ内のレーザー媒質を励起する。レーザー媒質は、冷却した純水（温度：１８～２６℃）で冷却する。レーザーハウジング２５Ｂの内面には高反射体（アルミニュウム金属や金属反射鏡など）、または吸収の少ない散乱体を使用する。レーザーハウジング２５Ｂに取り付けたレーザー媒質は、側面から励起される。
　（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態に係るレーザー発振装置について図に説明する。
　図１７は、本発明に係る第３実施形態に係るレーザー発振装置の概要構成例を示す模式図である。図１８は、光ガイドにおける光路を示す模式図である。図１８（Ａ）は、反射面２２Ｇの端面近くで反射する太陽光の光路を示している。図１８（Ｂ）は、反射面２２Ｇの内部で反射する太陽光の光路を示している。
　まず、第３実施形態に係るレーザー発振装置３の概要構成について、図に基づき説明する。
　図１７に示すように、レーザー発振装置３は、光ガイド２０Ｇと、フレネルレンズ１０の光軸１６が、レーザー媒質３１の光軸３６に対して斜めに配置される点が第１実施形態と異なる。
　光ガイド２０Ｇは、図１７や図１８に示すように、フレネルレンズ１０の光軸１６に垂直の太陽光入射窓２１Ｇと、反射面２２Ｇと、を有する。光ガイド２０Ｇは、図１８に示すように、光ガイド２０を太陽光入射窓２１Ｇの平面に沿って切断したような形状である。反射面２２Ｇは、フレネルレンズ１０の光軸１６に対して、レーザー媒質３１の光軸３６を角度θ、すなわち、光ガイド２０Ｇを傾かせた状態での反射面２２Ｇを有する。なお、傾き角θは１５°～２５°であり、図１８では、例えば、１９．６°である。
　図１８（Ａ）に示すように、光ガイド２０Ｇの反射面２２Ｇの端部付近に入射した垂直入射光Ｓｆ１は光ガイド２０Ｇ上部で数回反射された後、入射方向へ戻っていく。また、光ガイド２０Ｇの反射面２２Ｇの端部付近に入射した斜入射光Ｓｆ２は、一旦、光ガイド２０Ｇの奥に達し、数回反射された後、入射方向へ戻っていく。さらに、光ガイド２０Ｇの入射口の中心部付近に入射した太陽光Ｓｆ１、Ｓｆ２は光ガイド２０Ｇの壁面（反射面２２Ｇ）で反射されて光ガイド２０Ｇの奥に集まっていく。
　このように、光ガイドを傾けることによって太陽光がレーザー媒質の光軸に対して斜めに入射するため、レーザー媒質の出力端部に太陽光が集中しにくくレーザー媒質を均一に励起することが可能となり、太陽光からレーザー光への変換効率をより向上を図ることができる。また、反射回数の増加によるレーザー出力の増強（高効率化）を図ることができる。従って、レーザー媒質の熱破壊、熱複屈折、熱レンズ、パラスチック発振等々を防止できるので、集光性の良い高品質のレーザービームを発生できる。
　次に、図９で示した光ガイド２０Ｄを傾けた場合の光路を説明する。
　図１９に示した光ガイド２０Ｄは、スラブ形状のレーザー媒質４２用の光ガイドである。この場合も、フレネルレンズの光軸に対して、レーザー媒質４２の光軸を角度θ傾けると、図１８と似たような結果を得られた。図２０は、図１９の光路とレーザー媒質との関連を示す模式図であり、図２０に示すように、レーザー媒質４２の出力端部に太陽光が集中しにくくレーザー媒質４２を均一に励起可能であることが分かる。
　次に、光ガイドのその他の変形例として、非対称の反射面を有する光ガイドについて説明する。図２１は、図１９の光ガイドの変形例における光路を示す模式図である。
　図２１に示すように、光ガイド２０Ｈは、フレネルレンズ１０の光軸１６に対して、レーザー媒質３１の光軸３６が角度θ（例えば、19.6°）傾いた状態で設置されていて、レーザーハウジング２５Ｈに対して、反射面２４ａと反射面２４ｂの角度が異なっている。すなわち、レーザーハウジング２５Ｈの外側の壁と反射面２４ａ、２４ｂとの角度がおのおの角度α、角度β（α＜β）とが異なり、非対称になっている。
　また、図２１に示すように、光ガイド２０Ｈの入射口の中心部付近に入射した太陽光は光ガイド２０Ｈの壁面（反射面２４ａ、２４ｂ）で反射されて光ガイド２０Ｈの奥に集まっていく。光ガイド２０Ｈの反射面の端部付近に入射した光は光ガイド２０Ｈ上部で数回反射された後、入射方向へ戻っていく。すなわち、光ガイドを傾けることによってレーザー媒質を均一に励起することが可能になる。また、図２１に示すように、非対称にすることによって、太陽光入射窓２１Ｈに対して垂直の垂直入射光Ｓｆ１や、斜入射光Ｓｆ２も、光ガイド２０Ｈ内で反射の回数が増加している。すなわち、レーザー媒質における太陽光の吸収を増大させることが可能となる。
　なお、集光手段として、フレネルレンズ１０以外に、ガラスレンズや凹面の反射鏡でもよく、太陽光を光ガイドの入射窓に集められればよい。また、フレネルレンズ１０に添加する蛍光物質は、ローダミン６ＧやＤＯＴＣＩ以外にも、フレネルレンズの材料であるプラスチックの紫外波長域の光による劣化を防止し、かつこの紫外光を可視波長域の有効な励起光に変換できる物質であればよい。
　また、レーザー媒質３１の材質は、例示したＮｄとＣｒを共添加したＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）やＧＳＧＧ（Ｇｄ３Ａｃ２Ａｌ３Ｏ１２）等に限らず、太陽光のスペクトル成分を幅広く吸収できる材質であればよい。
　さらに、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。上記各実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１、２、３：レーザー発振装置
１０：フレネルレンズ
１６：フレネルレンズの光軸
２０、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ：光ガイド
２１、２１Ｂ：太陽光入射窓（入射窓）
２２、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ：反射面
３０：レーザーキャビティ
３１、４１、４２，４５：レーザー媒質
３５：出力ミラー
３６：レーザー媒質の光軸
４１ａ、４２ａ：スリット（開口部）
Ｓ、Ｓｆ：太陽光

Claims (12)

  1. 　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と、
    　前記レーザー媒質の出力端部に対向する凹面を有する出力ミラーと、
    　前記レーザー媒質の出力端部から、前記レーザー媒質の外方に延びる反射面を有し、前記太陽光を反射して前記レーザー媒質に導く光ガイドと、
    　を備えたことを特徴とするレーザー発振装置。
  2. 　請求項１に記載のレーザー発振装置において、
    　前記光ガイドの反射面が、錐面であることを特徴とするレーザー発振装置。
  3. 　請求項１または請求項２に記載のレーザー発振装置において、
    　前記レーザー媒質が、前記レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部を有することを特徴とするレーザー発振装置。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザー発振装置において、
    　前記太陽光を集光して前記光ガイドに入射させる集光手段を更に備えたことを特徴とするレーザー発振装置。
  5. 　請求項４項に記載のレーザー発振装置において、
    　前記集光手段の光軸が、前記レーザー媒質の光軸に対して斜めに配置されることを特徴とするレーザー発振装置。
  6. 　請求項５に記載のレーザー発振装置において、
    　前記太陽光を取り入れる前記光ガイドの入射窓の面が、前記集光手段の光軸と垂直に配置されることを特徴とするレーザー発振装置。
  7. 　請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のレーザー発振装置において、
    　前記集光手段がフレネルレンズであって、
    　前記フレネルレンズに蛍光物質が添加されたことを特徴とするレーザー発振装置。
  8. 　請求項７に記載のレーザー発振装置において、
    　前記フレネルレンズが、深紫外光によって表面改質されたことを特徴とするレーザー発振装置。
  9. 　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を備え、
    　前記レーザー媒質が、前記レーザー媒質の光軸方向に延びる開口部を有することを特徴とするレーザー発振装置。
  10. 　請求項９に記載のレーザー発振装置において、
    　前記開口部が、スリットを有することを特徴とするレーザー発振装置。
  11. 　請求項９または請求項１０に記載のレーザー発振装置において、
    　前記レーザー媒質が板状に形成されたことを特徴とするレーザー発振装置。
  12. 　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と、
    　前記レーザー媒質の出力端部から、前記レーザー媒質の外方に延びる反射面を有し、前記太陽光を反射して前記レーザー媒質に導く光ガイドと、
    　前記太陽光を集光して前記光ガイドに入射させる集光手段と、
    　を備え、
    　前記集光手段の光軸が、前記レーザー媒質の光軸に対して斜めに配置されることを特徴とするレーザー発振装置。
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