JP2016072611A - レーザ装置、点火装置及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図ることができるレーザ装置を提供する。【解決手段】 レーザ装置は、面発光レーザ、第１集光光学系、光ファイバ、第２集光光学系、レーザ共振器２０６、及び射出光学系２０７を備えている。射出光学系２０７は、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。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と第３レンズ２０７ｃとの距離を短くすることができるとともに、集光位置の調整を容易に行うことができる。【選択図】図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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 点火装置３０１を説明するための図である。 レーザ共振器２０６を説明するための図である。 射出光学系２０７を説明するための図である。 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。 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。 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。 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。 レーザ装置の変形例を説明するための図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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、Ｍ^２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。

すなわち、ここでは、レーザ共振器２０６から射出される光は、Ｍ^２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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

特表２００９−５３８４０２号公報

Claims (10)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。

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