JP6739748B2 - レーザ装置、点火装置及び内燃機関 - Google Patents

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媒質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、レーザ活性固体及びＱスイッチ回路を有するレーザ装置と、該レーザ装置を光ポンピングするポンプ光源とを備えた内燃機関用のレーザ点火装置が開示されている。

また、特許文献２には、半導体レーザ光源と、その半導体レーザ光源が放射した半導体レーザ光で励起されて燃料点火用のパルスレーザ光を放射する固体レーザ媒質を備えている車載用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、１パルスあたりのエネルギーについては考慮されていなかった。

本発明は、複数の発光部を有する面発光レーザアレイを含む光源装置と、前記光源装置からの光を伝送する光ファイバと、該光ファイバを介した光を集光するレンズ系とを含む光学系と、前記光学系を介した光が照射され、レーザ光を射出するレーザ共振器とを備え、前記光学系を介した光の進行方向に関して、前記レーザ共振器における前記光学系を介した光が入射する面の位置が、該光のビームウエスト位置よりも下流側にあるレーザ装置である。

本発明のレーザ装置によれば、１パルスあたりのエネルギーを高くすることができる。

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。 面発光レーザアレイを説明するための図である。 第２集光光学系を説明するための図である。 励起光を説明するための図である。 レイリー長を説明するための図である。 １パルスあたりのエネルギーとＺ軸方向に関する第１の面の位置との関係を説明するための図である。 図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、それぞれ発振に寄与しない領域を説明するための図である。 図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、それぞれレーザアニール装置の概略構成を説明するための図である。 レーザ加工機の概略構成を説明するための図である。

「概要」
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。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、該エンジン３００の外部に設けられ、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、射出光学系２１０、及び保護部材２１２などを有している。

射出光学系２１０は、レーザ装置２００から射出される光を集光する。これにより、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。

保護部材２１２は、燃焼室３０４に臨んで設けられた透明の窓である。ここでは、一例として、保護部材２１２の材料としてサファイアガラスが用いられている。

レーザ装置２００は、面発光レーザアレイ２０１、第１集光光学系２０３、光ファイバ２０４、第２集光光学系２０５、及びレーザ共振器２０６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、面発光レーザアレイ２０１からの光の射出方向を＋Ｚ方向として説明する。

面発光レーザアレイ２０１は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。各発光部は、垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）である。面発光レーザアレイ２０１から射出される光の波長は８０８ｎｍである。

面発光レーザアレイは、射出される光の、温度による波長ずれが非常に少ないため、励起波長の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、面発光レーザアレイ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、面発光レーザアレイ２０１から射出される光を集光する。

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。ここでは、光ファイバ２０４として、コア径が１．５ｍｍ、ＮＡが０．３９の光ファイバが用いられている。

光ファイバ２０４を設けることによって、面発光レーザアレイ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アレイ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、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。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、受動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、直方体形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、Ｎｄが１．１％ドープされている。可飽和吸収体２０６ｂは、直方体形状のＣｒ：ＹＡＧ結晶であり、初期透過率が０．１５（１５％）〜０．７０（７０％）の間で適宜調整されるものである。

なお、ここでは、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＣｒ：ＹＡＧ結晶は接合されており、いわゆるコンポジット結晶となっている。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶及びＣｒ：ＹＡＧ結晶は、いずれもセラミックスである。

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、面発光レーザアレイ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波長である。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、面発光レーザアレイ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の光に対して高い透過率を示し、波長が１０６４ｎｍの光に対して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の光に対して約５０％の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。

図２に戻り、駆動装置２２０は、エンジン制御装置２２２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、駆動装置２２０は、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。なお、面発光レーザアレイ２０１における複数の発光部は、同時に点灯及び消灯される。

上記実施形態において、面発光レーザアレイ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、光ファイバ２０４が設けられなくても良い。

また、ここでは、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、総合的にエネルギー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、ここでは、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、ここでは、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。

「詳細」
レーザ装置２００から射出される光のＺ軸方向に関する集光位置の調整は、射出光学系２１０の焦点距離、及びＺ軸方向に関する射出光学系２１０の配置位置を調整することにより、行うことができる。

面発光レーザアレイ２０１は、複数の発光部を有しているため、光出力を大きくすることができる。ここでは、面発光レーザアレイ２０１の光出力は約４００Ｗである。

さらに、面発光レーザアレイ２０１における複数の発光部は、直径９ｍｍの領域内に配置されている（図４参照）。そして、面発光レーザアレイ２０１における最も離れた２つの発光部間の距離は７．０ｍｍ以上である。

第１集光光学系２０３は、少なくとも１つの集光レンズを有している。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を用いることにより、面発光レーザアレイ２０１とレーザ共振器２０６との距離を光ファイバ２０４の長さの分だけ長くすることができる。

そこで、レーザ装置２００をエンジンの点火装置に使用する場合、エンジン周辺の高温領域や振動領域から面発光レーザアレイ２０１を遠ざけることが可能となり、点火装置の信頼性を向上させることができる。

ここでは、光ファイバ２０４から射出される光のＭ^２値は、約１２００である。なお、光ファイバ２０４から射出される光のＭ^２値は、１５００以下であれば良い。

第２集光光学系２０５の詳細について説明する。

第２集光光学系２０５は、複数の光学素子を有している。ここでは、第２集光光学系２０５は、第１レンズ２０５ａと第２レンズ２０５ｂから構成されている（図５参照）。なお、第２集光光学系２０５は、３つ以上の光学素子から構成されていても良い。

第１レンズ２０５ａは、コリメートレンズであり、光ファイバ２０４から射出された光を略平行光とする。

第２レンズ２０５ｂは、集光レンズであり、第１レンズ２０５ａによって略平行光とされた光を集光する。

第２集光光学系２０５は、倍率が１である。
なお、第２集光光学系２０５の倍率は、０．７以上であれば良い。

第２レンズ２０５ｂを介した光は、レーザ共振器２０６に入射される。なお、以下では、第２レンズ２０５ｂを介してレーザ共振器２０６に入射される光を「励起光」ともいう（図６参照）。

ここでは、励起光のビームウエスト径（直径）は、約１．５ｍｍ（１／ｅ^２）である。

ところで、ビームウエストに対してビーム径が√２倍の大きさになるまでの範囲は、レイリー長と呼ばれている（図７参照）。

レーザ共振器２０６の詳細について説明する。

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ため、単結晶に比べて生産性が良い。

また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＣｒ：ＹＡＧ結晶の境界部が分離していないため、単一の結晶と同等の特性が得られ、機械強度的及び光学的に有利である。

第２レンズ２０５ｂを介した光（励起光）は、レーザ媒質２０６ａに入射される。すなわち、第２レンズ２０５ｂを介した光（励起光）によってレーザ媒質２０６ａが励起される。

図８には、レーザ共振器２０６の第１の面の位置をＺ軸方向に変化させ、レーザ共振器２０６から射出されるレーザ光の１パルスあたりのエネルギーを測定した結果の一部が示されている。

これによると、レーザ共振器２０６の第１の面の位置をビームウェスト位置の−Ｚ側（上流側）から＋Ｚ側に移動するにつれて、レーザ共振器２０６から射出されるレーザ光の１パルスあたりのエネルギーは、増加する傾向にある。

例えば、レーザ共振器２０６の第１の面がビームウェスト位置の−Ｚ側（上流側）０．５ｍｍの位置にあるとき、レーザ共振器２０６から射出されるレーザ光の１パルスあたりのエネルギーは約３．３ｍＪである。

また、レーザ共振器２０６の第１の面がビームウェスト位置にあるとき、レーザ共振器２０６から射出されるレーザ光の１パルスあたりのエネルギーは約３．６５ｍＪである。

また、レーザ共振器２０６の第１の面がビームウェスト位置の＋Ｚ側（下流側）０．５ｍｍの位置にあるとき、レーザ共振器２０６から射出されるレーザ光の１パルスあたりのエネルギーは約３．７５ｍＪである。

そして、レーザ共振器２０６から射出されるレーザ光の１パルスあたりのエネルギーは、約３．７５ｍＪで飽和している。

また、レーザ共振器２０６の第１の面の位置が、ビームウェスト位置の＋Ｚ側（下流側）にあれば、レーザ共振器２０６から射出されるレーザ光の１パルスあたりのエネルギーは、約３．６５ｍＪよりも大きい値を維持している。

そこで、レーザ共振器２０６は、励起光の進行方向（Ｚ軸方向）に関して、第１の面の位置が、励起光のビームウエスト位置よりも下流側（＋Ｚ側）にあるように配置するのが良い。

本実施形態では、レーザ共振器２０６は、励起光の進行方向（Ｚ軸方向）に関して、第１の面の位置が、励起光のビームウエスト位置よりも下流側（＋Ｚ側）０．５ｍｍの位置にあるように配置されている。

なお、従来のレーザ装置では、１パルスあたりのエネルギーについては考慮されてなく、レーザ共振器は、第１の面がビームウェスト位置にくるように配置されていた。

ところで、端面発光レーザから射出される光は、温度に対する波長の変動が大きい。そこで、高温環境下での使用が想定される点火装置では、端面発光レーザを励起用光源とする場合、端面発光レーザの温度を一定に保つための精密な温度制御機構が必要になり、装置の大型化や高コスト化を招く。

一方、面発光レーザアレイから射出される光は、温度に対する波長の変動が端面発光レーザの約１／１０である。そこで、面発光レーザアレイを励起用光源とする点火装置では、精密な温度制御機構を必要としない。そのため、小型かつ低コストな点火装置を実現することができる。

加えて、面発光レーザアレイは、発光領域が半導体内部にあることから端面破壊の懸念がなく、点火装置の信頼性を向上させることができる。

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、光ファイバ２０４によって、本発明のレーザ装置における「伝送部材」が構成されている。そして、本実施形態に係る点火装置３０１では、射出光学系２１０によって、本発明の点火装置における「レーザ装置から射出されるレーザ光を集光する光学系」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、面発光レーザアレイ２０１、第１集光光学系２０３、光ファイバ２０４、第２集光光学系２０５、及びレーザ共振器２０６を備えている。

面発光レーザアレイ２０１は、励起用光源であり、面発光レーザアレイ２０１から射出された光は、第１集光光学系２０３、光ファイバ２０４、及び第２集光光学系２０５を介して、励起光としてレーザ共振器２０６に入射される。

そして、第２集光光学系２０５を介した光の進行方向（Ｚ軸方向）に関して、レーザ共振器２０６における第２集光光学系２０５を介した光が入射する面の位置が、該光のビームウエスト位置よりも下流側（＋Ｚ側）にあるように設定されている。

この場合は、レーザ装置２００は、従来よりも１パルスあたりのエネルギーを高くすることができる。

ところで、発振効率が考慮される場合は、レーザ共振器２０６の第１の面は、レイリー長の範囲内に置くことが好ましい。レーザ共振器２０６の第１の面が、レイリー長の範囲から外れた位置にあると、励起光の集光角及び発散角（図６参照)がレイリー長の範囲内に比べて大きくなり、レーザ共振器内における発振に寄与しない領域が増加することがある（図９（Ａ）及び図９（Ｂ）参照）。

また、光ファイバ２０４から射出される光のＭ^２値は、１５００以下である。仮に、光ファイバ２０４から射出される光のＭ^２値が、１５００よりも大きいと、第２集光光学系及びレーザ共振器が同じであっても、レーザ共振器２０６に入射する光の発散角が大きくなる。この場合、レイリー長が短くなり、ビームウェスト位置とレーザ共振器２０６から射出されるレーザ光の１パルスあたりのエネルギーが飽和する位置との間の距離が短くなる。

また、第２集光光学系２０５は、倍率が０．７以上である。仮に、第２集光光学系２０５の倍率が０．７よりも小さいと、レーザ共振器２０６に入射する光の発散角が大きくなる。この場合、レイリー長が短くなり、ビームウェスト位置とレーザ共振器２０６から射出されるレーザ光の１パルスあたりのエネルギーが飽和する位置との間の距離が短くなる。

そして、点火装置３０１は、レーザ装置２００を備えているため、安定した点火を行うことができる。

また、エンジン３００は、点火装置３０１を備えているため、結果として、安定性を向上させることができる。

なお、上記実施形態において、第１集光光学系２０３及び射出光学系２１０は、いずれも単一の光学素子からなっていても良いし、複数の光学素子からなっていても良い。

また、レーザ装置２００は、レーザアニール装置やレーザ加工機に用いることができる。

《レーザアニール装置》
一例として図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に、上述したレーザ装置２００を有するレーザアニール装置１０００の概略構成が示されている。このレーザアニール装置１０００は、光源１０１０、光学系１０２０、テーブル装置１０３０、及び不図示の制御装置などを備えている。

光源１０１０は、レーザ装置２００を有し、レーザ光を射出することができる。光学系１０２０は、光源１０１０から射出されたレーザ光を対象物Ｐの表面に導光する。テーブル装置１０３０は、対象物Ｐが載置されるテーブルを有している。該テーブルは、少なくともＹ軸方向に沿って移動することができる。

例えば、対象物Ｐがアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）の場合、レーザ光が照射されると、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）は、温度が上昇し、その後、徐々に冷却されることによって結晶化し、ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）になる。

そして、レーザアニール装置１０００は、光源１０１０がレーザ装置２００を有しているため、処理効率を向上させることができる。

《レーザ加工機》
一例として図１１に、上述したレーザ装置２００を有するレーザ加工機３０００の概略構成が示されている。このレーザ加工機３０００は、光源３０１０、光学系３１００、対象物Ｐが載置されるテーブル３１５０、テーブル駆動装置３１６０、操作パネル３１８０及び制御装置３２００などを備えている。

光源３０１０は、レーザ装置２００を有し、制御装置３２００の指示に基づいてレーザ光を射出する。光学系３１００は、光源３０１０から射出されたレーザ光を対象物Ｐの表面近傍で集光させる。テーブル駆動装置３１６０は、制御装置３２００の指示に基づいて、テーブル３１５０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動させる。

操作パネル３１８０は、作業者が各種設定を行うための複数のキー、及び各種情報を表示するための表示器を有している。制御装置３２００は、操作パネル３１８０からの各種設定情報に基づいて、光源３０１０及びテーブル駆動装置３１６０を制御する。

そして、レーザ加工機３０００は、光源３０１０がレーザ装置２００を有しているため、加工（例えば、切断や溶接）の処理効率を向上させることができる。

なお、レーザ加工機３０００は、複数の光源３０１０を有しても良い。

また、レーザ装置２００は、レーザアニール装置及びレーザ加工機以外のレーザ光を利用する装置にも好適である。例えば、レーザ装置２００を表示装置の光源に用いても良い。

２００…レーザ装置、２０１…面発光レーザアレイ、２０３…第１集光光学系（光学系の一部）、２０４…光ファイバ（光学系の一部、伝送部材）、２０５…第２集光光学系（光学系の一部、レンズ系）、２０５ａ…第１レンズ、２０５ｂ…第２レンズ、２０６…レーザ共振器、２０６ａ…レーザ媒質、２０６ｂ…可飽和吸収体、２１０…射出光学系（レーザ装置からの光を集光する光学系）、２１２…保護部材、２２０…駆動装置、２２２…エンジン制御装置、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、１０００…レーザアニール装置、１０１０…光源、１０２０…光学系、１０３０…テーブル装置、３０００…レーザ加工機、３０１０…光源、３１００…光学系、３１５０…テーブル、３１６０…テーブル駆動装置、３１８０…操作パネル、３２００…制御装置、Ｐ…対象物。

特表２０１３−５４５２８０号公報 特開２０１４−１９２１６６号公報

Claims (13)

1. 複数の発光部を有する面発光レーザアレイを含む光源装置と、
   前記光源装置からの光を伝送する光ファイバと、該光ファイバを介した光を集光するレンズ系とを含む光学系と、
   前記光学系を介した光が照射され、レーザ光を射出するレーザ共振器とを備え、
   前記光学系を介した光の進行方向に関して、前記レーザ共振器における前記光学系を介した光が入射する面の位置が、該光のビームウエスト位置よりも下流側にあるレーザ装置。
2. 前記レーザ共振器における前記光学系を介した光が入射する面の位置は、該光のレイリー長の範囲内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. 前記光ファイバは、コア径が１．５ｍｍ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. 前記光学系は、前記光源装置と前記光ファイバとの間の光路上に配置された少なくとも１つの光学素子を含む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. 前記光学系を介した光のＭ^２値は、１５００以下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. 前記光学系は、倍率が０．７倍以上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、Ｑスイッチレーザ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. 前記レーザ共振器は、レーザ媒質及び可飽和吸収体を含むことを特徴とする請求項７に記載のレーザ装置。
9. 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８に記載のレーザ装置。
10. 前記レーザ共振器は、コンポジット結晶であることを特徴とする請求項８又は９に記載のレーザ装置。
11. 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１〜１０のいずれか一項に記載のレーザ装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
    前記レーザ装置からの光を集光する光学系とを備える点火装置。
13. 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１２に記載の点火装置を備える内燃機関。
    

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