JP2016072611A - Laser apparatus, ignition apparatus and internal combustion engine - Google Patents

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雅之 沼田
Masayuki Numata
雅之 沼田
健太郎 萩田
Kentaro Hagita
健太郎 萩田
一磨 泉谷
Kazuma Izumitani
一磨 泉谷
軸谷　直人
Naoto Jikutani
直人 軸谷
東　康弘
Yasuhiro Azuma
康弘 東
鈴土　剛
Takeshi Suzudo
剛 鈴土
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser apparatus capable of achieving downsizing.SOLUTION: The laser apparatus includes: a surface emitting laser, a first light converging optical system, an optical fiber, a second light converging optical system, a laser resonator 206, and an emitting optical system 207. The emitting optical system 207 is composed of a first lens 207a, a second lens 207b and a third lens 207c. The first lens 207a increases a divergence angle of light emitted from the laser resonator 206, the second lens 207b collimates the divergent light and the third lens 207c converges the collimated light. Consequently a distance between the laser resonator 206 and the third lens 207c can be shortened and adjustment of a light convergence position can be easily performed.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、レーザ装置、点火装置及び内燃機関に係り、更に詳しくは、レーザ共振器を有するレーザ装置、該レーザ装置を有する点火装置、及び該点火装置を備える内燃機関に関する。   The present invention relates to a laser device, an ignition device, and an internal combustion engine, and more particularly to a laser device having a laser resonator, an ignition device having the laser device, and an internal combustion engine including the ignition device.

光励起によって発振するレーザ結晶を用いたレーザ装置は、点火装置、レーザ加工機、医療用機器など様々な分野への応用が期待されている。   A laser device using a laser crystal that oscillates by optical excitation is expected to be applied to various fields such as an ignition device, a laser processing machine, and a medical device.

例えば、特許文献１には、レーザ装置が少なくとも１つの屈折装置を含んでおり、該屈折装置はポンピング光の少なくとも一部を屈折し、さらにレーザ装置と一体型に形成されていることを特徴とする内燃機関用の点火装置が開示されている。   For example, in Patent Document 1, the laser device includes at least one refracting device, the refracting device refracts at least part of the pumping light, and is formed integrally with the laser device. An ignition device for an internal combustion engine is disclosed.

しかしながら、従来のレーザ装置では、小型化が困難であった。   However, it is difficult to reduce the size of the conventional laser device.

本発明は、光源と、前記光源からの光が入射されるレーザ共振器と、前記レーザ共振器からの光の発散角度を大きくする第１の光学素子と、前記第１の光学素子からの光をコリメートする第２の光学素子と、前記第２の光学素子を介した光を集光する第３の光学素子とを備えるレーザ装置である。   The present invention includes a light source, a laser resonator to which light from the light source is incident, a first optical element that increases a divergence angle of light from the laser resonator, and light from the first optical element. A second optical element that collimates the light, and a third optical element that condenses the light that has passed through the second optical element.

本発明のレーザ装置によれば、小型化を図ることができる。   According to the laser device of the present invention, the size can be reduced.

本発明の一実施形態に係るエンジン３００の概略を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline of the engine 300 which concerns on one Embodiment of this invention. 点火装置３０１を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the ignition device. レーザ共振器２０６を説明するための図である。6 is a diagram for explaining a laser resonator 206. FIG. 射出光学系２０７を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the emission optical system. 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、それぞれ第１レンズ２０７ａの効果を説明するための図（その１）である。FIGS. 5A and 5B are diagrams (part 1) for explaining the effect of the first lens 207a. 図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、それぞれ第１レンズ２０７ａの効果を説明するための図（その２）である。6A and 6B are diagrams (part 2) for explaining the effect of the first lens 207a. 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ第３レンズ２０７ｃによる集光位置の調整を説明するための図である。FIGS. 7A and 7B are diagrams for explaining the adjustment of the light collection position by the third lens 207c. 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、それぞれ第２レンズ２０７ｂの効果を説明するための図である。FIG. 8A and FIG. 8B are diagrams for explaining the effect of the second lens 207b. レーザ装置の変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modification of a laser apparatus.

Ｑスイッチレーザは、予め励起用光源からの光を照射することで反転分布を増加させ、Ｑスイッチ素子を解除することによりエネルギーを取り出すものであり、高いピークエネルギーを得ることができるという特徴がある。   The Q-switched laser is characterized by increasing the inversion distribution by irradiating light from the excitation light source in advance and taking out energy by releasing the Q-switch element, so that high peak energy can be obtained. .

そのような特徴から、Ｑスイッチレーザは、内燃機関における燃焼室内の可燃性混合気の点火装置への応用が期待されている。   Because of such characteristics, the Q-switched laser is expected to be applied to an ignition device for a combustible air-fuel mixture in a combustion chamber in an internal combustion engine.

現在、内燃機関における燃焼室内に導入された可燃性混合気の点火は主に点火プラグ、すなわち放電方式による火花点火により行われている。しかしながら、火花点火では、点火プラグの構成上、燃焼室内に電極が露出することとなるため、電極の消耗が不可避であった。従って、放電方式による火花点火の場合、点火プラグの寿命が短いという不都合があった。   At present, ignition of a combustible air-fuel mixture introduced into a combustion chamber in an internal combustion engine is mainly performed by an ignition plug, that is, spark ignition by a discharge method. However, in spark ignition, due to the configuration of the spark plug, the electrode is exposed in the combustion chamber, so that the electrode is inevitably consumed. Therefore, in the case of spark ignition by the discharge method, there is a disadvantage that the life of the spark plug is short.

それに対して、特許文献１に開示されている点火装置のように、レーザ光を集光することにより点火を行うレーザ点火は、電極が不要であり、内燃機関の燃焼室内に電極が露出されることはない。従って、電極の消耗を考慮する必要がなく、点火装置の長寿命化が期待できる。   On the other hand, as in the ignition device disclosed in Patent Document 1, laser ignition that performs ignition by condensing laser light does not require an electrode, and the electrode is exposed in the combustion chamber of the internal combustion engine. There is nothing. Therefore, it is not necessary to consider the consumption of the electrodes, and the life of the ignition device can be expected to be extended.

しかしながら、特許文献１に開示されている点火装置では、レーザ装置から射出されたレーザ光を集光レンズにより絞り込むために、レーザ装置と集光レンズとの距離を大きくする必要があり、点火装置の大型化を招くという不都合があった。   However, in the ignition device disclosed in Patent Document 1, it is necessary to increase the distance between the laser device and the condensing lens in order to narrow down the laser light emitted from the laser device by the condensing lens. There was the inconvenience of incurring an increase in size.

以下、本発明の一実施形態を図１〜図８（Ｂ）に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る内燃機関としてのエンジン３００の主要部が模式図的に示されている。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 schematically shows a main part of an engine 300 as an internal combustion engine according to an embodiment.

このエンジン３００は、点火装置３０１、燃料噴出機構３０２、排気機構３０３、燃焼室３０４、及びピストン３０５などを備えている。   The engine 300 includes an ignition device 301, a fuel ejection mechanism 302, an exhaust mechanism 303, a combustion chamber 304, a piston 305, and the like.

エンジン３００の動作について簡単に説明する。
（１）燃料噴出機構３０２が、燃料と空気の可燃性混合気を燃焼室３０４内に噴出させる（吸気）。
（２）ピストン３０５が上昇し、可燃性混合気を圧縮する（圧縮）。
（３）点火装置３０１が、燃焼室３０４内にレーザ光を射出する。これにより、燃料に点火される（着火）。
（４）燃焼ガスが発生し、ピストン３０５が降下する（燃焼）。
（５）排気機構３０３が、燃焼ガスを燃焼室３０４外へ排気する（排気）。 The operation of engine 300 will be briefly described.
(1) The fuel ejection mechanism 302 ejects a combustible mixture of fuel and air into the combustion chamber 304 (intake).
(2) The piston 305 rises and compresses the combustible air-fuel mixture (compression).
(3) The ignition device 301 emits laser light into the combustion chamber 304. Thereby, the fuel is ignited (ignition).
(4) Combustion gas is generated and the piston 305 descends (combustion).
(5) The exhaust mechanism 303 exhausts the combustion gas to the outside of the combustion chamber 304 (exhaust).

このように、吸気、圧縮、着火、燃焼、排気からなる一連の過程が繰り返される。そして、燃焼室３０４内の気体の体積変化に対応してピストン３０５が運動し、運動エネルギーを生じさせる。燃料には例えば天然ガスやガソリン等が用いられる。   Thus, a series of processes consisting of intake, compression, ignition, combustion, and exhaust are repeated. Then, the piston 305 moves in response to a change in the volume of the gas in the combustion chamber 304 to generate kinetic energy. For example, natural gas or gasoline is used as the fuel.

なお、エンジン３００は、外部に設けられ、該エンジン３００と電気的に接続されているエンジン制御装置の指示に基づいて、上記動作を行う。   The engine 300 performs the above operation based on an instruction of an engine control device that is provided outside and is electrically connected to the engine 300.

点火装置３０１は、一例として図２に示されるように、レーザ装置２００、及び駆動装置２１０を有している。   As shown in FIG. 2 as an example, the ignition device 301 includes a laser device 200 and a drive device 210.

レーザ装置２００は、面発光レーザ２０１、第１集光光学系２０３、光ファイバ２０４、第２集光光学系２０５、レーザ共振器２０６、及び射出光学系２０７を備えている。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、面発光レーザ２０１からの光の射出方向を＋Ｚ方向として説明する。   The laser device 200 includes a surface emitting laser 201, a first condensing optical system 203, an optical fiber 204, a second condensing optical system 205, a laser resonator 206, and an emission optical system 207. In the present specification, description will be made using the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system and assuming that the light emission direction from the surface emitting laser 201 is the + Z direction.

面発光レーザ２０１は、垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）である。ここでは、面発光レーザ２０１は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。そして、面発光レーザ２０１から光を射出する際には、複数の発光部は、同時に発光される。   The surface-emitting laser 201 is a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Here, the surface emitting laser 201 is an excitation light source and has a plurality of light emitting units. When light is emitted from the surface emitting laser 201, the plurality of light emitting units emit light simultaneously.

なお、面発光レーザは、温度による波長ずれが非常に少ないため、波長ずれによって特性が大きく変化するＱスイッチレーザを励起するのに有利な光源である。そこで、面発光レーザを励起用光源に用いると、環境の温度制御を簡易なものにできるという利点がある。   The surface emitting laser is an advantageous light source for exciting a Q-switched laser whose characteristics greatly change due to the wavelength shift because the wavelength shift due to temperature is very small. Thus, when a surface emitting laser is used as an excitation light source, there is an advantage that environmental temperature control can be simplified.

第１集光光学系２０３は、集光レンズであり、面発光レーザ２０１から射出された光を集光する。なお、第１集光光学系２０３は、複数の光学素子から構成されていても良い。   The first condensing optical system 203 is a condensing lens, and condenses light emitted from the surface emitting laser 201. The first condensing optical system 203 may be composed of a plurality of optical elements.

光ファイバ２０４は、第１集光光学系２０３によって光が集光される位置にコアの−Ｚ側端面の中心が位置するように配置されている。   The optical fiber 204 is arranged so that the center of the end face on the −Z side of the core is located at a position where the light is collected by the first condensing optical system 203.

光ファイバ２０４を設けることによって、面発光レーザ２０１をレーザ共振器２０６から離れた位置に置くことができる。これにより配置設計の自由度を増大させることができる。また、レーザ装置２００を点火装置に用いる際に、熱源から面発光レーザ２０１を遠ざけることができるため、エンジン３００を冷却する方法の幅を広げることが可能である。   By providing the optical fiber 204, the surface emitting laser 201 can be placed at a position away from the laser resonator 206. Thereby, the freedom degree of arrangement design can be increased. Further, when the laser device 200 is used in an ignition device, the surface emitting laser 201 can be moved away from the heat source, so that the range of methods for cooling the engine 300 can be widened.

光ファイバ２０４に入射した光はコア内を伝播し、コアの＋Ｚ側端面から射出される。   The light incident on the optical fiber 204 propagates through the core and is emitted from the + Z side end face of the core.

第２集光光学系２０５は、集光レンズであり、光ファイバ２０４から射出された光の光路上に配置され、該光を集光する。なお、光の品質等により、第２集光光学系２０５として、複数の光学素子を用いる場合もある。第２集光光学系２０５で集光された光は、レーザ共振器２０６に入射する。   The second condensing optical system 205 is a condensing lens, is disposed on the optical path of the light emitted from the optical fiber 204, and condenses the light. Depending on the quality of light and the like, a plurality of optical elements may be used as the second condensing optical system 205. The light condensed by the second condensing optical system 205 enters the laser resonator 206.

レーザ共振器２０６は、Ｑスイッチレーザであり、一例として図３に示されるように、レーザ媒質２０６ａ、及び可飽和吸収体２０６ｂを有している。   The laser resonator 206 is a Q-switched laser and includes a laser medium 206a and a saturable absorber 206b as shown in FIG. 3 as an example.

レーザ媒質２０６ａは、共振器長が８ｍｍの直方体形状のＮｄ：ＹＡＧセラミック結晶である。可飽和吸収体２０６ｂは、長さが２ｍｍの直方体形状のＣｒ：ＹＡＧセラミック結晶である。   The laser medium 206a is a rectangular parallelepiped Nd: YAG ceramic crystal having a resonator length of 8 mm. The saturable absorber 206b is a rectangular parallelepiped Cr: YAG ceramic crystal having a length of 2 mm.

なお、ここでは、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶及びＣｒ：ＹＡＧ結晶は、いずれもセラミックスである。そして、レーザ共振器２０６は、レーザ媒質２０６ａと可飽和吸収体２０６ｂとが接合されている、いわゆるコンポジット結晶である。   Here, the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are both ceramics. The laser resonator 206 is a so-called composite crystal in which a laser medium 206a and a saturable absorber 206b are joined.

第２集光光学系２０５からの光は、レーザ媒質２０６ａに入射される。すなわち、第２集光光学系２０５からの光によってレーザ媒質２０６ａが励起される。なお、面発光レーザ２０１から射出される光の波長は、ＹＡＧ結晶において最も吸収効率の高い８０８ｎｍであることが望ましい。そして、可飽和吸収体２０６ｂは、Ｑスイッチの動作を行う。   The light from the second condensing optical system 205 is incident on the laser medium 206a. That is, the laser medium 206a is excited by the light from the second condensing optical system 205. The wavelength of light emitted from the surface emitting laser 201 is desirably 808 nm, which has the highest absorption efficiency in the YAG crystal. The saturable absorber 206b operates as a Q switch.

レーザ媒質２０６ａの入射側（−Ｚ側）の面、及び可飽和吸収体２０６ｂの射出側（＋Ｚ側）の面は光学研磨処理がなされ、ミラーの役割を果たしている。なお、以下では、便宜上、レーザ媒質２０６ａの入射側の面を「第１の面」ともいい、可飽和吸収体２０６ｂの射出側の面を「第２の面」ともいう（図３参照）。   The surface on the incident side (−Z side) of the laser medium 206a and the surface on the exit side (+ Z side) of the saturable absorber 206b are subjected to an optical polishing process and serve as a mirror. Hereinafter, for convenience, the incident-side surface of the laser medium 206a is also referred to as a “first surface”, and the exit-side surface of the saturable absorber 206b is also referred to as a “second surface” (see FIG. 3).

そして、第１の面及び第２の面には、面発光レーザ２０１から射出される光の波長、及びレーザ共振器２０６から射出される光の波長に応じた誘電体多層膜がコーティングされている。   The first and second surfaces are coated with a dielectric multilayer film corresponding to the wavelength of light emitted from the surface emitting laser 201 and the wavelength of light emitted from the laser resonator 206. .

具体的には、第１の面には、波長が８０８ｎｍの光に対して十分に高い透過率を示し、波長が１０６４ｎｍの光に対して十分に高い反射率を示すコーティングがなされている。また、第２の面には、波長が１０６４ｎｍの光に対して所望のしきい値が得られるように選択された反射率を示すコーティングがなされている。   Specifically, the first surface is coated with a sufficiently high transmittance for light having a wavelength of 808 nm and a sufficiently high reflectance for light having a wavelength of 1064 nm. In addition, the second surface is coated with a reflectance that is selected so that a desired threshold is obtained for light having a wavelength of 1064 nm.

これにより、レーザ共振器２０６内で光が共振し増幅される。ここでは、レーザ共振器２０６の共振器長は１０（＝８＋２）ｍｍである。   As a result, the light resonates and is amplified in the laser resonator 206. Here, the resonator length of the laser resonator 206 is 10 (= 8 + 2) mm.

射出光学系２０７は、一例として図４に示されるように、第１レンズ２０７ａと第２レンズ２０７ｂと第３レンズ２０７ｃとから構成されている。   As shown in FIG. 4 as an example, the emission optical system 207 includes a first lens 207a, a second lens 207b, and a third lens 207c.

第１レンズ２０７ａは、レーザ共振器２０６から射出される光の発散角度を大きくするための光学素子であり、ここでは、一例として凹レンズが用いられている。   The first lens 207a is an optical element for increasing the divergence angle of light emitted from the laser resonator 206, and here, a concave lens is used as an example.

第２レンズ２０７ｂは、第１レンズ２０７ａからの発散光をコリメートするための光学素子であり、ここでは、一例としてコリメートレンズが用いられている。   The second lens 207b is an optical element for collimating the diverging light from the first lens 207a, and here, as an example, a collimating lens is used.

第３レンズ２０７ｃは、第２レンズ２０７ｂからの光を集光するための光学素子であり、ここでは、一例として両面非球面の集光レンズが用いられている。この第３レンズ２０７ｃにより光が集光され、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。   The third lens 207c is an optical element for condensing the light from the second lens 207b. Here, a double-sided aspherical condensing lens is used as an example. Light is condensed by the third lens 207c, and a high energy density can be obtained at the focal point.

第１レンズ２０７ａは、レーザ共振器２０６と第３レンズ２０７ｃとの距離を短くする効果がある（図５（Ａ）及び図５（Ｂ）参照）。   The first lens 207a has an effect of shortening the distance between the laser resonator 206 and the third lens 207c (see FIGS. 5A and 5B).

仮に、第１レンズ２０７ａがなくても、レーザ共振器２０６から射出された光を第３レンズ２０７ｃで集光することは可能である。しかしながら、レーザ共振器２０６から射出される光は放射角が小さいため、第１レンズ２０７ａがないと、レーザ共振器２０６と第３レンズ２０７ｃとの距離が長くなる。この場合は、レーザ共振器２０６と射出光学系とが収容される筐体（プラグ）が大きくなる。これは、筐体の製造コストの増大、レーザ装置及び点火装置の大型化を招く。また、筐体が大きくなることで筐体を取り付けるための空間的余裕を大きくする必要があり、レーザ共振器２０６を使用する装置の部品配置の自由度が低下する。   Even if the first lens 207a is not provided, the light emitted from the laser resonator 206 can be collected by the third lens 207c. However, since the light emitted from the laser resonator 206 has a small emission angle, the distance between the laser resonator 206 and the third lens 207c becomes long without the first lens 207a. In this case, a housing (plug) in which the laser resonator 206 and the emission optical system are accommodated becomes large. This increases the manufacturing cost of the housing and increases the size of the laser device and the ignition device. Further, since the case becomes large, it is necessary to increase a space margin for attaching the case, and the degree of freedom of component arrangement of the apparatus using the laser resonator 206 is lowered.

本実施形態では、第１レンズ２０７ａを設けることで、レーザ共振器２０６から射出された光の発散角度が大きくなり、レーザ共振器２０６と第３レンズ２０７ｃとの距離を短くすることができる。その結果、筐体を小型化することが可能となる。すなわち、筐体の製造コストを下げることが可能となる。また、レーザ共振器２０６を使用する装置の部品配置の自由度が高くなる利点もある。   In the present embodiment, by providing the first lens 207a, the divergence angle of the light emitted from the laser resonator 206 is increased, and the distance between the laser resonator 206 and the third lens 207c can be shortened. As a result, the housing can be reduced in size. That is, the manufacturing cost of the housing can be reduced. Further, there is an advantage that the degree of freedom of component arrangement of the apparatus using the laser resonator 206 is increased.

ところで、複数の発光部を有する面発光レーザでは、発光領域の面積が大きいため、レーザ共振器２０６に入射する光のビーム径は大きい。そして、Ｍ２値が同じであれば、レーザ共振器２０６に入射する光のビーム径が大きいほうが、レーザ共振器２０６から射出される光は発散しにくくなり（図６（Ａ）及び図６（Ｂ）参照）、レーザ共振器２０６と第３レンズ２０７ｃの距離が長くなってしまう。そのような理由から、特に、複数の発光部を有する面発光レーザを励起用光源として用いる場合は、射出光学系２０７に第１レンズ２０７ａを設ける効果は極めて大きい。 By the way, in the surface emitting laser having a plurality of light emitting portions, the beam diameter of light incident on the laser resonator 206 is large because the area of the light emitting region is large. If the M 2 value is the same, the light emitted from the laser resonator 206 is less likely to diverge when the beam diameter of the light incident on the laser resonator 206 is larger (FIG. 6A and FIG. 6). B)), the distance between the laser resonator 206 and the third lens 207c becomes long. For this reason, particularly when a surface emitting laser having a plurality of light emitting portions is used as an excitation light source, the effect of providing the first lens 207a in the emission optical system 207 is extremely large.

すなわち、ここでは、レーザ共振器２０６から射出される光は、Ｍ２値が小さく、ビーム品質が良い。そこで、第１レンズ２０７ａの存在が重要となってくる。 That is, here, the light emitted from the laser resonator 206 has a small M 2 value and good beam quality. Therefore, the presence of the first lens 207a is important.

また、射出光学系２０７に第２レンズ２０７ｂを設けることで、第３レンズ２０７ｃの位置調整のみで光の集光位置を調整することが可能となる（図７（Ａ）及び図７（Ｂ）参照）。   Further, by providing the second lens 207b in the emission optical system 207, it is possible to adjust the light condensing position only by adjusting the position of the third lens 207c (FIGS. 7A and 7B). reference).

さらに、収差が少ないため、第３レンズ２０７ｃの外側部分を通過した光であっても所定位置に集光させることができ（図８（Ａ）及び図８（Ｂ）参照）、点火装置に使用したとき、効率の良い点火が可能である。   Furthermore, since there is little aberration, even the light that has passed through the outer portion of the third lens 207c can be condensed at a predetermined position (see FIGS. 8A and 8B) and used for the ignition device. In this case, efficient ignition is possible.

図２に戻り、駆動装置２１０は、エンジン制御装置の指示に基づいて、面発光レーザアレイ２０１を駆動する。すなわち、エンジン３００の動作における着火のタイミングで点火装置３０１から光が射出されるように、面発光レーザアレイ２０１を駆動する。   Returning to FIG. 2, the driving device 210 drives the surface emitting laser array 201 based on an instruction from the engine control device. That is, the surface emitting laser array 201 is driven so that light is emitted from the ignition device 301 at the ignition timing in the operation of the engine 300.

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係るレーザ装置２００では、面発光レーザ２０１によって本発明のレーザ装置における光源が構成されている。また、第１レンズ２０７ａによって第１の光学素子が構成され、第２レンズ２０７ｂによって第２の光学素子が構成され、第３レンズ２０７ｃによって第３の光学素子が構成されている。   As is clear from the above description, in the laser apparatus 200 according to the present embodiment, the surface emitting laser 201 constitutes the light source in the laser apparatus of the present invention. The first lens 207a constitutes a first optical element, the second lens 207b constitutes a second optical element, and the third lens 207c constitutes a third optical element.

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ装置２００は、面発光レーザ２０１、第１集光光学系２０３、光ファイバ２０４、第２集光光学系２０５、レーザ共振器２０６、及び射出光学系２０７を備えている。   As described above, the laser apparatus 200 according to the present embodiment includes the surface emitting laser 201, the first condensing optical system 203, the optical fiber 204, the second condensing optical system 205, the laser resonator 206, and the emission optical system. 207.

レーザ共振器２０６は、レーザ媒質２０６ａと可飽和吸収体２０６ｂのコンポジット結晶である。   The laser resonator 206 is a composite crystal of a laser medium 206a and a saturable absorber 206b.

射出光学系２０７は、レーザ共振器２０６から射出される光の光路上に配置され、第１レンズ２０７ａと第２レンズ２０７ｂと第３レンズ２０７ｃとから構成されている。   The emission optical system 207 is disposed on the optical path of the light emitted from the laser resonator 206, and includes a first lens 207a, a second lens 207b, and a third lens 207c.

第１レンズ２０７ａは、レーザ共振器２０６から射出された光の発散角度を大きくし、第２レンズ２０７ｂは該発散光をコリメートし、第３レンズ２０７ｃは、コリメートされた光を集光する。この場合は、レーザ共振器２０６から放射角が小さい光が射出されても、レーザ共振器２０６と第３レンズ２０７ｃとの距離を短くすることができる。また、点火装置３０１から射出される光の集光位置の調整を容易に行うことができる。   The first lens 207a increases the divergence angle of the light emitted from the laser resonator 206, the second lens 207b collimates the divergent light, and the third lens 207c condenses the collimated light. In this case, even if light having a small emission angle is emitted from the laser resonator 206, the distance between the laser resonator 206 and the third lens 207c can be shortened. In addition, the condensing position of the light emitted from the ignition device 301 can be easily adjusted.

そこで、集光位置精度を低下させることなく、レーザ装置の小型化を図ることができる。   Therefore, it is possible to reduce the size of the laser device without lowering the light collection position accuracy.

そして、本実施形態に係る点火装置３０１は、レーザ装置２００を有しているため、結果として、小型化を図ることができる。また、火花点火方式の点火プラグのように電極を燃焼室に露出させる必要はなく、長寿命化が可能である。   And since the ignition device 301 which concerns on this embodiment has the laser apparatus 200, size reduction can be achieved as a result. Further, it is not necessary to expose the electrode to the combustion chamber unlike a spark ignition type spark plug, and the life can be extended.

さらに、本実施形態に係るエンジン３００は、点火装置３０１を備えているため、結果として、小型化を図ることができる。   Furthermore, since the engine 300 according to the present embodiment includes the ignition device 301, the size can be reduced as a result.

なお、上記実施形態では、励起用光源として面発光レーザが用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、端面発光レーザが用いられても良い。   In the above-described embodiment, the case where the surface emitting laser is used as the excitation light source has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, an edge emitting laser may be used.

また、上記実施形態において、面発光レーザ２０１をレーザ共振器２０６から離れた位置に置く必要がない場合は、前記光ファイバ２０４が設けられなくても良い（図９参照）。   In the above embodiment, when the surface emitting laser 201 does not need to be placed at a position away from the laser resonator 206, the optical fiber 204 may not be provided (see FIG. 9).

なお、上記実施形態では、内燃機関として燃焼ガスによってピストンを運動させるエンジン（ピストンエンジン）の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ロータリーエンジンや、ガスタービンエンジンや、ジェットエンジンであっても良い。要するに、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するものであれば良い。   In addition, although the said embodiment demonstrated the case of the engine (piston engine) which moves a piston with combustion gas as an internal combustion engine, it is not limited to this. For example, a rotary engine, a gas turbine engine, or a jet engine may be used. In short, what is necessary is just to burn the fuel and generate the combustion gas.

また、排熱を利用して動力や、温熱や、冷熱を取り出し、総合的にエネルギ効率を高めるシステムであるコジェネレーションに、点火装置３０１を用いても良い。   Further, the igniter 301 may be used for cogeneration, which is a system that uses exhaust heat to extract power, warmth, and cold to improve overall energy efficiency.

また、上記実施形態では、点火装置３０１が内燃機関に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the ignition device 301 was used for an internal combustion engine, it is not limited to this.

また、上記実施形態では、レーザ装置２００が点火装置に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置などに用いることができる。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the laser apparatus 200 was used for an ignition device, it is not limited to this. For example, it can be used for a laser processing machine, a laser peening apparatus, a terahertz generator, and the like.

２００…レーザ装置、２０１…面発光レーザ（光源）、２０３…第１集光光学系、２０４…光ファイバ（伝送部材）、２０５…第２集光光学系、２０６…レーザ共振器、２０６ａ…レーザ媒質、２０６ｂ…可飽和吸収体、２０７…射出光学系、２０７ａ…第１レンズ（第１の光学素子）、２０７ｂ…第２レンズ（第２の光学素子）、２０７ｃ…第３レンズ（第３の光学素子）、２１０…駆動装置（駆動部）、３００…エンジン（内燃機関）、３０１…点火装置、３０２…燃料噴出機構、３０３…排気機構、３０４…燃焼室、３０５…ピストン。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 200 ... Laser apparatus, 201 ... Surface emitting laser (light source), 203 ... 1st condensing optical system, 204 ... Optical fiber (transmission member), 205 ... 2nd condensing optical system, 206 ... Laser resonator, 206a ... Laser Medium, 206b, saturable absorber, 207, emission optical system, 207a, first lens (first optical element), 207b, second lens (second optical element), 207c, third lens (third Optical elements), 210 ... Drive device (drive unit), 300 ... Engine (internal combustion engine), 301 ... Ignition device, 302 ... Fuel injection mechanism, 303 ... Exhaust mechanism, 304 ... Combustion chamber, 305 ... Piston.

特表２００９−５３８４０２号公報Special table 2009-538402

Claims (10)

光源と、
前記光源からの光が入射されるレーザ共振器と、
前記レーザ共振器からの光の発散角度を大きくする第１の光学素子と、
前記第１の光学素子からの光をコリメートする第２の光学素子と、
前記第２の光学素子を介した光を集光する第３の光学素子とを備えるレーザ装置。 A light source;
A laser resonator into which light from the light source is incident;
A first optical element for increasing a divergence angle of light from the laser resonator;
A second optical element that collimates light from the first optical element;
And a third optical element that condenses the light that has passed through the second optical element. 前記第３の光学素子は、光の射出方向に関して移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。   The laser device according to claim 1, wherein the third optical element is movable with respect to a light emission direction. 前記レーザ共振器は、Ｑスイッチレーザであることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。   The laser device according to claim 1, wherein the laser resonator is a Q-switched laser. 前記光源と前記レーザ共振器との間に、前記光源からの光を前記レーザ共振器に伝送する伝送部材を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。   The laser apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising a transmission member that transmits light from the light source to the laser resonator between the light source and the laser resonator. . 前記光源は、面発光レーザであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。   The laser device according to claim 1, wherein the light source is a surface emitting laser. 前記レーザ共振器は、セラミックスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。   The laser device according to claim 1, wherein the laser resonator is ceramic. 前記レーザ共振器は、レーザ媒質と可飽和吸収体とが接合されたコンポジット結晶であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置。   The laser device according to claim 1, wherein the laser resonator is a composite crystal in which a laser medium and a saturable absorber are joined. 前記レーザ媒質はＮｄがドープされたＹＡＧ結晶であり、前記可飽和吸収体はＣｒがドープされたＹＡＧ結晶であることを特徴とする請求項７に記載のレーザ装置。   8. The laser device according to claim 7, wherein the laser medium is a YAG crystal doped with Nd, and the saturable absorber is a YAG crystal doped with Cr. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
前記レーザ装置の光源を駆動する駆動部とを備える点火装置。 A laser device according to any one of claims 1 to 8,
An ignition device comprising: a drive unit that drives a light source of the laser device. 燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関において、
前記燃料に点火するための請求項９に記載の点火装置を備えていることを特徴とする内燃機関。 In an internal combustion engine that generates combustion gas by burning fuel,
An internal combustion engine comprising the ignition device according to claim 9 for igniting the fuel.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018073882A (en) * 2016-10-25 2018-05-10 株式会社リコー Laser device, ignition device, and internal combustion engine
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