Development of Complex Solar-Cavity for Solar-Pumped Laser
| Project/Area Number |
22K04973
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
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| Research Institution | Tokyo University of Technology |
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Principal Investigator |
大久保 友雅 東京工科大学, 工学部, 准教授 (50431995)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2026: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | 太陽光キャビティ / コーン型キャビティ / MCPC型キャビティ / レーザ出力 / サステイナブル工学 / エネルギー変換 / 再生可能資源・エネルギー / エネルギー生成・変換 / 自然エネルギーの利用 / レーザー |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は「太陽光の新しい集光方法の提案・確立」を目指し，太陽光を地上でも宇宙でも利用性の高いレーザー光へと変換する太陽光励起レーザーの研究開発を行う．特に本研究では，高効率な集光を実現する集光系としての太陽光キャビティの開発を行う．具体的には，従来のコーン型反射鏡の内部や窓に，屈折材料やミラー，波長や入射角度に応じて透過・反射を制御した光学物質を用いることにより，レーザー媒質内での吸収パワー密度を均一化しつつ，吸収効率を向上させる太陽光キャビティを設計する．これにより，高出力と高効率を両立し，太陽光励起レーザーシステム全体での面積効率の向上を目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
2023年度に本研究で用いた太陽光励起レーザ装置は，太陽追尾装置内に設置されたアクリルミラーを用いてフレネルレンズによって集光される太陽光を90°に反射させて光軸を水平にしている．これによって安定的な実験を可能としたが，メートル級のサイズのフレネルレンズとアクリルミラーとを調整しなければ焦点に適切な太陽の像が出来ない．従来はフレネルレンズの焦点にできる像の位置を目視で確認しながらアクリルミラーの角度の調整を行っていたが，一次集光系の損失が48.8 %と大きいことが問題点であった．そこで，一次集光系の損失の減少を目指し，ガイドレーザを用いることにより，フレネルレンズに合わせてより合理的なアクリルミラーの角度の調整を行う手法を開発した．この調整手法によって，一次集光系の損失を7.4 pt減少させることに成功した．
また，本研究では太陽光励起レーザの二次集光系として，太陽光キャビティを用いている．そこで，75 mmコーン型太陽光キャビティと50 mm MCPC型太陽光キャビティを実際に製作し，レーザ発振させる実験を行うことによって先行研究で用いた50 mmコーン型太陽光キャビティとの比較を行った．その結果，75 mmコーン型太陽光キャビティを用いた際の最大レーザ出力は15.2 Wであり，50 mm MCPC型太陽光キャビティの最大レーザ出力は9.8 Wであった．これらの結果から，先行研究で用いた50 mmコーン型太陽光キャビティと比較してレーザ出力を最大で1.4倍に向上させることに成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
予定通り設計から実験のフェーズに移行することが出来ており，かつレーザ出力の向上が確認出来ていることから，概ね順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
更なる集光系の最適化と作製，実験を行うことにより，出力の向上を目指す．具体的には，これまで媒質やキャビティのコストを削減するために，それらの長さを50mmと75mmに制限していたが，これを100mmまで延ばした検討を行う．これにより，レーザー媒質による太陽光の吸収パワー密度を低下させずに，総吸収パワーを向上させることを目指す．
また，ここまでは集光系のみに注目して設計・最適化を行ってきたが，今後はレーザ媒質にも着目して最適化の検討を行う．具体的には，これまでは従来のNd:YAG結晶のみをレーザー媒質として検討していたが，今後はCr3やCe3+ををコドープしたCr/Nd:YAGやCe/Nd:YAGの結晶やセラミクスをレーザー媒質として検討を行う．これにより，より高い太陽光の吸収効率の実現を目指す．
これらの取り組みにより，最終的には従来の世界記録である31.5W/m2を超える40W/m2以上の効率が得られる出力40W級の太陽励起レーザーシステムの開発を目指す．
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Report
(2 results)
Research Products
(12 results)
