Development of Complex Solar-Cavity for Solar-Pumped Laser

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太陽光励起レーザのための集光系として，一次集光系であるフレネルレンズで集光された太陽光を更にレーザ媒質へと集光する太陽光キャビティの開発を行っている．2022年度は，新しく複合放物面型集光器を利用した太陽光キャビティの開発を行った．従来の太陽光キャビティでは，太陽光をレーザ媒質へと再集光するために内部で多重反射するように設計していたが，反射時に太陽光キャビティに吸収されてしまう反射損失が課題であった．そこで本研究では，従来型のレーザ媒質の長軸方向がフレネルレンズの光軸と一致する形ではなく，レーザ媒質の長軸方向がフレネルレンズの光軸と直行する配置とした．レーザ媒質はφ6×50 mmとし，この円形の断面が複合放物面型集光器の焦点に来るようにした．この形状にすることにより，フレネルレンズで集光した太陽光を太陽光キャビティ内での少ない反射回数でレーザ媒質に再集光することを目指した．フレネルレンズの光軸方向をzとし，それに垂直な方向をyとすると，複合放物面型集光器の断面形状はz = －d(y±l)^2/((L/2)－l)+dと表現できるため，L,l,dを変化させてレーザ媒質への太陽光の吸収効率が高くかつ反射損失が低い形状を模索した．その結果，L=30 mm, l=0 mm, d=25 mm において，反射損失を従来の15.5%から12.5%まで低減できることが分かった．ここで，l=0 mmであることから，本研究で検討した複合放物面型集光器は事実上単純な放物面が最も反射損失を低減できることがわかった．また，それ以外にも楕円を用いた太陽光キャビティや，光軸に垂直な断面に複数の放物線を持つM-CPC型と名付けた新しいキャビティの提案を行い，それぞれレーザー媒質の光軸に平行な吸収パワー密度および垂直な吸収パワー密度の分布を部分的に平滑化できる設計を実現した．