DE102014201832A1

DE102014201832A1 - Laseroszilliervorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102014201832A1
Application number: DE201410201832
Authority: DE
Inventors: Akimitsu Sugiura; Kenji Kanehara
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2014-02-03
Publication date: 2014-08-07
Also published as: JP2014150222A; JP6097584B2

Abstract

Eine Laseroszilliervorrichtung (6) hat eine Erregungslichtquelle (3) zum Abgeben eines Erregungslichts (LSRPMP), ein Ausgabeteil (1) und ein Erregungslichtübertragungsteil (2), das zwischen der Erregungslichtquelle und dem Ausgabeteil angeordnet ist. Das Ausgabeteil hat ein Erregungslichtkondensermittel (10), einen Resonator (11) zum Resonanzverstärken des kondensierten Erregungslichts, um gepulstes Licht (LSRPLS) zu oszillieren, ein Expansionsmittel (13) und ein Kondensermittel (14) für gepulstes Licht. Das Erregungslichtübertragungsteil hat eine optische Faser (20), eine Schutzhülse (21), ein Befestigungselement (22) zum Befestigen der optischen Faser (20), und ein flexibles Schutzrohr (24), durch das die optische Faser (20) eingebracht wird. Das Befestigungselement (22) hat ein Abstandanpassungsmittel (221, 23, 25) zum Anpassen eines Erregungslichteindringabstands (L), der ein Abstand zwischen einer Endoberfläche (200) der optischen Faser und dem Erregungslichtkondensermittel ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseroszilliervorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Verschiedene Laserzündvorrichtungen zur Verwendung in einer schwer zu zündenden Brennkraftmaschine wie z. B. einer stark aufgeladenen Maschine, einer Maschine mit einem hohen Verdichtungsverhältnis oder einer Erdgasmaschine mit einem großen Zylinderinnendurchmesser sind bekannt, die eine Struktur aufweisen, in der ein von einer Erregungslichtquelle wie z. B. einer Blitzleuchte oder einem Halbleiter-Laser erzeugtes Erregungslicht auf einen Laserresonator mit einem Q-Schaltlasermedium angewendet wird, so dass ein gepulster Laser mit einer kurzen Pulsbreite oszilliert, in dem eine Energie konzentriert ist, und dieser gepulste Laser in ein Kraftstoff-Luft-Gemisch fokussiert wird, um einen Flammenkern mit einer hohen Energiedichte zu erzeugen.
Zum Beispiel beschreibt die ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer (Übersetzung einer PCT-Anmeldung) Nr. 2010-539530 eine derartige Laserzündvorrichtung (siehe 1a und 1b). Dieses Patentdokument offenbart ein Verfahren, eine Kopplungsvorrichtung einstückig wirkungsvoll mit einer optischen Faser auszubilden, die zum Eingangskoppeln eines von einem Diodenlaser der Laserzündvorrichtung ausgegebenen Laserstrahls zu dem optischen Laser mit einem niedrigen Verlust verwendet wird.
Da jedoch unvermeidliche individuelle Unterschiede der Charakteristiken der Laserdiode, der Form des polierten Endes der optischen Faser und des Verlusts der Eingangskopplung vorhanden sind, erscheinen unvermeidlich individuelle Unterschiede in dem Emissionswinkel und der Energiedichte des von dem Ende der optischen Faser ausgegebenen Erregungslichts. Der Emissionswinkel des Erregungslichts variiert abhängig von dem Montagewinkel der Laserdiode, dem Ausrichter eines optischen Systems mit Kondenserlinsen, Prismen usw., dem Durchmesser der optischen Faser und der Krümmung der Endoberfläche der optischen Faser.
Es wurde herausgefunden, dass, sogar falls Erregungslicht, das von einer Laserdiode ausgegeben wird, mit einer optischen Faser mit einem geringen Verlust durch Verwendung einer Eingangskopplungsvorrichtung, wie in dem voranstehend erwähnten Patentdokument beschrieben wurde, gekoppelt werden kann, während der Abstand zwischen der optischen Faser und einer Kondenserlinse konstant gehalten bleibt, um zu verursachen, dass das Erregungslicht als ein Strahl mit einem vorbestimmten Strahldurchmesser in einen Resonator eindringt, ist es schwierig, die Qualität des von dem Resonator ausgegeben Lichtimpulses aufgrund von individuellen Unterschieden in dem Strahlprofil innerhalb des Resonators aufgrund von Variationen des Emissionswinkels und Strahldurchmessers des in den Resonator eindringenden Erregungslichts konstant zu halten. Eine derartige Variation der Qualität des gepulsten Lichts kann die Zündleistungsfähigkeit einer Laserzündvorrichtung instabil machen, oder die Bearbeitungsgeschwindigkeit oder Bearbeitungsgenauigkeit eines Laserschweißers oder eines Laserschneiders instabil machen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine beispielhafte Ausführungsform stellt eine Laseroszilliervorrichtung (6, 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f) bereit, mit:
einer Erregungslichtquelle (3) zum Ausgeben eines kohärenten Erregungslichts (LSR_PMP);
einem Ausgabeteil (1, 1a, 1b, 1c, 1d); und
einem Erregungslichtübertragungsteil (2), das zwischen der Erregungslichtquelle (3) und dem Ausgabeteil (1) vorgesehen ist, um das Erregungslicht (LSR_PMP) von der Erregungslichtquelle (3) zu dem Ausgabeteil (1) zu übertragen;
wobei das Ausgabeteil (1, 1a, 1b, 1c, 1d) ein Gehäuse (16, 17, 18) hat, in dem koaxial angeordnet sind:
ein Erregungslichtkondensermittel (10) zum Verdichten des Erregungslichts (LSR_PMP);
ein Resonator (11) zum Resonanz-Verstärken des verdichteten Erregungslichts (LSR_PMP), um den Lichtimpuls (LSR_PLS) zu oszillieren;
ein Expansionsmittel (13) zum Expandieren des Lichtimpulses (LSR_PLS);
ein Lichtimpulskondensermittel (14) zum Kondensieren des expandierten Lichtimpulses (LSR_PLS); und
einer Schutzabdeckung (15) zum Schützen des Lichtimpulskondensermittels (14),
wobei das Erregungslichtübertragungsteil (2) hat:
eine optische Faser (20);
eine Schutzhülse (21), welche die optische Faser (20) bedeckt;
ein Befestigungselement (22, 22a, 22b, 22c) zum Befestigen der optischen Faser (20); und
ein flexibles Schutzrohr (24), durch das die durch die Schutzhülse (21) bedeckte optische Faser (20) von der Erregungslichtquelle (3) eingebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Befestigungselement (22, 22a, 22b, 22c) als Abstandanpassungsmittel zum Anpassen eines Erregungslichteindringabstands (L), der ein Abstand zwischen einer Endoberfläche (200) der optischen Faser (20) und dem Erregungslichtkondensermittel (10) ist, ein Befestigungselementhaltemittel (221) hat, um zu erleichtern, dass das Befestigungselement (22, 22a, 22b, 22c) sich in einer Vorlaufrichtung und einer Rückzugsrichtung bewegt, ein elastisches Element (23, 23a, 23b, 23c) zum elastischen Pressen des Befestigungselements (22, 22a, 22b, 22c) in der Rückzugsrichtung, und ein Befestigungsmittel (25, 25a, 25c) zum Befestigen des Befestigungselements (22, 22a, 22b, 22c) des Ausgabeteils (1, 1a, 1b, 1c, 1d) derart, dass der Erregungslichteindringabstand (L) mit einem vorbestimmten Wert fixiert ist.
Die beispielhafte Ausführungsform stellt ebenfalls ein Verfahren bereit, eine Laseroszilliervorrichtung herzustellen, mit:
einem ersten Schritt, ein Erregungslichtübertragungsteil (2) durch Einfügen einer durch eine Schutzhülse (21) bedeckten und durch einen flexiblen Schutzschlauch (24) eingebrachten optischen Faser (20) unter Druck in ein rohrförmiges Befestigungselement (22), das zumindest teilweise in einem ersten grob rohrförmigen Gehäuse (16) aufgenommen ist, Ziehen der optischen Faser (20) bis sich eine Endoberfläche (200) der optischen Faser (20) mit einem vorderen Ende des Befestigungselements (22) ausrichtet, und Befestigen des flexiblen Schutzrohrs (24) an einem proximalen Endabschnitt (224) des Befestigungselements (22) auszubilden;
einem zweiten Schritt, eine Resonatorbaugruppe (W) durch Aufnehmen eines elastischen Halteelements (12), eines Resonators (11) und eines Erregungslichtkondensermittels (10) in einem zweiten grob rohrförmigen Gehäuse (17) und Verschrauben des ersten grob rohrförmigen Gehäuses (17) mit dem zweiten grob rohrförmigen Gehäuse (16) durch einen elastischen Dichtring (190) auszubilden; und
einem dritten Schritt, das Erregungslichtübertragungsteil (2) und die Resonatorbaugruppe (W) miteinander zusammenzubauen.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform ist eine hochzuverlässige Laseroszilliervorrichtung mit einem geringen individuellen Unterschied bereitgestellt.
Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung mit den Zeichnungen und Ansprüchen deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den begleitenden Zeichnungen ist:
1A eine Querschnittsansicht, die Hauptteile einer Laserzündvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
1B ist eine Querschnittsansicht, die die gesamte Struktur der Laserzündvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2A eine Entwicklungsansicht zum Erläutern eines Schritts, ein Erregungslichtübertragungsmittel herzustellen, und eines Schritts, ein Zündteil herzustellen, eines Verfahrens zum Herstellen der Laserzündvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
2B eine Ansicht zum Erläutern eines Schritts, das Zündteil und das Erregungslichtübertragungsmittel des Verfahrens zum Herstellen der Laserzündvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zusammenzubauen;
3A eine Ansicht, die ein Versuchsergebnis zeigt, das eine Energiedichte eines Vergleichsbeispiels 1 zeigt, das zum Bestätigen von Wirkungen der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde;
3B eine Ansicht, die ein Versuchsergebnis zeigt, das eine Energiedichte eines praktischen Beispiels 1 zeigt, das zum Bestätigen der Wirkung der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde;
3C eine Ansicht, die ein Versuchsergebnis zeigt, das eine Energiedichte eines Vergleichsbeispiels 2 zeigt, das zum Bestätigen der Wirkungen der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde;
4A eine charakteristische Ansicht, die eine Energiedichtenverteilung in dem Vergleichsbeispiel 1 zeigt;
4B eine charakteristische Ansicht, die eine Energiedichtenverteilung in einem praktischen Beispiel 1 zeigt;
4C eine charakteristische Ansicht, die eine Energiedichtenverteilung in einem Vergleichsbeispiel 2 zeigt;
5 eine charakteristische Ansicht, die eine Energievariation eines gepulsten Lichts gemäß der Variation des Abstands zwischen einer Endoberfläche einer optischen Faser und einer Kondenserlinse in der ersten Ausführungsform zeigt;
6 eine Querschnittsansicht, die Hauptteile eines Ausgangsteils (ein Zündteil) 1a einer Laserzündvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
7 eine Querschnittsansicht, die Hauptteile eines Ausgangsteils (ein Zündteil) 1b einer Laserzündvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
8 eine Querschnittsansicht, die Hauptteile eines Ausgangsteils (ein Zündteil) 1c einer Laserzündvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
9 Querschnittsansicht, die Hauptteile eines Beispiels einer Kombination einer Erregungslichtquelle und eines Eingangskopplungsteils zeigt, das in der Laserzündvorrichtung gemäß der Ausführungsform der Erfindung verwendbar ist; und
10 und 11 sind Querschnittsansichten, die Haupteile von anderen Beispielen einer Kombination einer Erregungslichtquelle und eines Eingangskopplungsteils zeigen, die in der Laserzündvorrichtung gemäß den Ausführungsformen der Erfindung verwendbar sind.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Laseroszilliervorrichtung 6 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist mit Bezug auf 1A, 1B und 2A beschrieben. Die Laseroszilliervorrichtung 6 hat eine Erregungslichtquelle 3 zum Abgeben eines kohärenten Erregungslichts LSR_PMP, ein Ausgabeteil 1 und ein Erregungslichtübertragungsteil 2, das zwischen der Erregungslichtquelle 3 und dem Ausgabeteil 1 zum Übertragen des Erregungslichts LSR_PMP von der Erregungslichtquelle 3 zu dem Ausgabeteil 1 angeordnet ist.
Das Ausgangsteil 1 hat das Gehäuse 16, 17, 18, in dem koaxial angeordneten sind:
ein Erregungslichtkondensermittel 10 zum Verdichten des Erregungslichts LSR_PMP;
ein Resonator 11 zum Resonanz-Verstärken des verdichteten Erregungslichts LSR_PMP, um das gepulste Licht LSR_PLS zu oszillieren;
ein Expansionsmittel 13 zum Expandieren des gepulsten Lichts LSR_PLS;
ein Kondensermittel 14 des gepulsten Lichts zum Verdichten des expandierten gepulsten Lichts LSR_PLS; und
eine Schutzabdeckung 15 zum Schützen des Kondensermittels 14 des gepulsten Lichts.
Das Erregungslichtübertragungsteil 2 ist aus einer optischen Faser 20, einer Schutzhülse 21, einem Befestigungselement 22 und einem flexiblen Schutzrohr 24 bestimmt. Hier wird der Abstand zwischen der Endoberfläche 200 der optischen Faser 20 und dem Erregungslichtkondensermittel 10 als „Erregungslichteindringabstand L” bezeichnet. Das Befestigungselement 22 ist mit einem Abstandanpassmittel zum Anpassen des Erregungslichteindringabstands L bereitgestellt. Das Abstandanpassmittel hat ein Haltemittel 221 des festen Teils, ein elastisches Element 23 und ein Befestigungsmittel 25. Das Haltemittel 221 des festen Teils erleichtert es dem festen Element 22, sich sowohl in eine Schub- wie auch eine Rückkehrrichtung zu bewegen. Das elastische Element 23 drückt das Befestigungselement 22 in die Rückkehrrichtung. Das Befestigungsmittel 25 befestigt das Befestigungselement 22 und das Ausgabeelement 2 aneinander.
Als Nächstes wird eine Beschreibung eines Beispiels gegeben, in dem das Ausgabeteil 1 an einer Brennkraftmaschine 5 als Laserzündteil zum Zünden eines in eine Brennkammer 530 eingebrachten Kraftstoff-Luftgemischs montiert ist. Die Laseroszilliervorrichtung 6 hat eine ECU (Maschinensteuereinheit) 4, die Erregungslichtquelle 3, das Erregungslichtübertragungsteil 2 und das Ausgabeteil (Zündteil) 1.
Die ECU 4 gibt ein Zündsignal IGt gemäß dem Fahrzustand der Brennkraftmaschine 5 aus. Die Zufuhr einer Antriebsspannung zu der Erregungslichtquelle 3 wird gemäß dem Zündsignal IGt vorgenommen. Die Erregungslichtquelle 3, die eine Blitzleuchte oder ein Halbleiterlaser sein kann, wandelt die von einer elektrischen Leistungszufuhr zugeführte Energie in das Erregungslicht LSR_PMP einer hohen Frequenz um, welches durch den Erregungslichtübertragungsteil 2 in das Ausgabeteil (Zündteil) 1 eindringt.
Das Erregungslichtübertragungsteil 2 ist aus der optischen Faser 20, der Schutzhülse 21, dem Befestigungselement 22, dem elastischen Element 23 und dem aus Metall hergestellten flexiblen Schutzrohr 24 bestimmt. Das Befestigungselement 22 ist aus einem Metall wie z. B. Kupfer, rostfreiem Stahl, Stahl oder Nickel ausgebildet und in einer Rohrform ausgebildet.
Das Befestigungselement 22 hat eine rohrförmige Basis 220, einen Randabschnitt 221, der von dem äußeren Rand der Basis 220 radial nach außen vorragt, einen festelementseitigen Durchmesseränderungsabschnitt 222, an dem dessen Durchmesser schrittweise reduziert wird, einen Passabschnitt 223 zum Passen mit dem Ausgangsteil (Zündteil) 1, einen proximalen Endabschnitt 224 zum Passen mit dem flexiblen Schutzrohr 24 und eine Durchgangsbohrung 225 zum Einfügen der optischen Faser 20.
Die optische Faser 20 ist an dem Gehäuse 16 in einem Zustand befestigt, in dem sie durch das Befestigungselement 22 durch die Schutzhülse 21 gehalten ist. Der befestigungselementseitige Durchmesseränderungsabschnitt 222 unterteilt einen Raum zum Aufnehmen des elastischen Elements 23 mit einem später beschriebenen gehäuseseitigen Durchmesseränderungsabschnitt 162.
Der Passabschnitt 223 ist in der axialen Richtung geringfügig abgeschrägt, um in den inneren Rand des Gehäuses 16 eingepasst zu werden, wenn er mittels Druck in das Gehäuse 16 eingefügt wird. Die durch die Schutzhülse 21 bedeckte optische Faser wird in die innerhalb des Befestigungselements 22 ausgebildete Durchgangsbohrung 225 eingefügt, um dort gehalten zu werden. Der proximale Endabschnitt 224 ist mit dem flexiblen Schutzrohr 24 angebracht und durch Laserschweißen oder Ähnliches befestigt, um die optische Faser 20 zu schützen und zu verhindern, dass Wasser eindringt. Die optische Faser 20 kann eine sein, deren NA (Blendenöffnung) kleiner als 0,09 ist, und deren Kerndurchmesser 600 μm beträgt. Die Schutzhülse 21 kann aus einem Fluorharz oder Silikonharz hergestellt sein.
Das Gehäuse 16 ist aus einem Metall wie z. B. rostfreiem Stahl, Stahl oder Nickel und in einer rohrförmigen Form ausgebildet. Das Gehäuse 16 hat eine Gehäusebasis 160, einen inneren Rand 161, einen gehäuseseitigen Durchmesseränderungsabschnitt 162, einen proximalen Endabschnitt 163, einen Gewindeabschnitt 164, einen distalen Endabschnitt 165 und einen Schraubenbefestigungsabschnitt 167. Der Passabschnitt 223, der in dem vorderen Ende des Befestigungselements 22 ausgebildet ist, ist mittels Druck in den inneren Rand 161 des Gehäuses 16 eingefügt. Der innere Rand 161 des Gehäuses 16 ist abgeschrägt. Entsprechend wird, wenn der Passabschnitt 223 des Befestigungselements 22 In den inneren Rand 161 des Gehäuses 16 eingefügt wird, der äußere Rand der optischen Faser 20 mit einem Kontaktdruck von dem inneren Rand 161 durch den Passabschnitt 223 beaufschlagt, um die Faserhaltekraft zu erhöhen.
Der gehäuseseitige Durchmesseränderungsabschnitt 162 und der befestigungselementseitige Durchmesseränderungsabschnitt 222 unterteilen einen Aufnahmeraum für ein elastisches Element, der das elastische Element 23 aufnimmt, das eine Form eines Rings aufweist. In dieser Ausführungsform ist das elastische Element 23 ein aus einem Urethankautschuk, Fluorkautschuk oder Silikonkautschuk hergestellter Dichtring. Das elastische Element 23 wird in der axialen Richtung (Richtung von oben nach unten) durch den gehäuseseitigen Durchmesseränderungsabschnitt 162 und den befestigungselementseitigen Durchmesseränderungsabschnitt 222 gedrückt, und drückt das Befestigungselement 22 zu der proximalen Endseite, nämlich zu der Rückkehrrichtung durch seine Reaktionskraft.
Das Befestigungselement 22 ist an dem proximalen Endabschnitt 163 des Gehäuses 16 als ein Befestigungsmittel befestigt, in dem ein Laserschweißabschnitt 25 durch ein später beschriebenes Herstellungsverfahren in einem Zustand ausgebildet ist, in dem der Abstand von dem Endabschnitt 201 der optischen Faser 20 zu dem Erregungslichtkondensermittel 10 (dieser Abstand wird im Folgenden als „Erregungslichteindringabstand L” bezeichnet) derart angepasst ist, dass die Energiedichte PD des von dem Resonator 11 oszillierten gepulsten Lichts LSR_PLS maximal wird.
Wie aus dem später beschriebenen Herstellungsverfahren ersichtlich ist, dient der Randabschnitt 221 dazu, zu Erleichtern, das Befestigungselement 22 innerhalb des Gehäuses 16 zu der Zeit des Anpassens des Erregungslichteindringabstands L in die Rückkehrrichtung zu bewegen. Der Randabschnitt 221 muss nicht notwendigerweise in Form eines Rands ausgebildet sein. Er kann durch Vertiefen eines Teils des äußeren Rands des Befestigungselements 22 ausgebildet sein.
In dieser Ausführungsform ist der Abstand von dem Endabschnitt 201 der optischen Faser 20 zu der Oberfläche des Erregungslichtkondensermittels 10 als Erregungslichteindringabstand L definiert. Jedoch kann der Endabschnitt 20 der optischen Faser 20 durch das Bezugnehmen auf den Abstand von dem Endabschnitt 201 der optischen Faser 20 auf eine Bezugsposition wie z. B. die Mitte des Erregungslichtkondensermittels 10, den Brennpunkt einer Erregungslichtkondenserlinse 100 oder der Endoberfläche eines Linsenhalters 101 angepasst werden.
Das Ausgabeteil 1 ist aus dem Erregungslichtkondensermittel 10, dem Resonator 11, einem elastischen Halteelement 12, dem Expansionsmittel 13, dem Kondensermittel 14 für das gepulste Licht und der Schutzabdeckung 15 bestimmt, die alle koaxial innerhalb der Gehäuse 16, 17 und 18 angeordnet sind. Das Ausgabeteil 1 ist innerhalb von jeder Kerzenbohrung 501 der Brennkraftmaschine 5 befestigt, um durch die Schutzabdeckung 15 zu der Brennkammer 530 hin frei zu sein. Das Erregungslichtkondensermittel 10 ist aus der Erregungslichtkondenserlinse 100 und dem Linsenhalter 101 bestimmt.
Die Erregungslichtkondenserlinse 100 ist aus einem bekannten optischen Elementmaterial wie z. B. einem optischen Glas, einem wärmewiderstandsfähigen Glas, einem Siliziumglas oder einem Saphirglas hergestellt. Die Erregungslichtkondenserlinse 100 ist geformt, eine asphärische Oberflächenlinse auszubilden, die eine zu dem vorderen Ende hin konkave Einfallsoberfläche und eine zu dem vorderen Ende hin konvexe Abgabeoberfläche aufweist, die einen Krümmungsradius aufweist, der unterschiedlich zu dem der Einfallsoberfläche ist. Die Einfallsoberfläche und die Abgabeoberfläche der Erregungslichtkondenserlinse 100 sind z. B. mit einem AR-Beschichtungsfilm aus Magnesiumfluorid ausgebildet, um eine Reflexion des Erregungslichts LSR_PMP zu unterdrücken.
Das Erregungslichtkondensermittel 10 verdichtet das Erregungslicht LSR_PMP, das von der Endoberfläche 200 der optischen Faser 20 abgegeben wird, in einen Strahl, der einen vorbestimmten Strahlradius aufweist, und verursacht, dass dieser in den Resonator 11 eindringt. Die Bodenoberfläche des Linsenhalters 101 ist fein gearbeitet, so dass der Abstand zwischen der Erregungslichtkondenserlinse 100 und dem Resonator 11 konstant gehalten bleibt, wenn die Bodenoberfläche des Linsenhalters 101 an der obersten Oberfläche des Resonators 11 in Anlage gerät.
Der Resonator 11 ist aus einem Lasermedium 110, einem totalen Reflexionsspiegel 112, einem saturierende Absorber 113 und einem Teilreflexionsfilm 114 bestimmt. Der totale Reflexionsspiegel 112 ist an einem Ende des Resonators 11 angeordnet. Der saturierende Absorber 113 und der Teilreflexionsfilm 114 sind einstückig an dem anderen Ende des Resonators 11 ausgebildet. Der totale Reflexionsspiegel 112 ist mit einem AR-Beschichtungsfilm ausgebildet, um einem Licht, das eine Wellenlänge kürzer als λ_IN (z. B. 808 nm) aufweist, zu gestatten, durch diesen hindurchzutreten, und Licht vollständig zu reflektieren, das eine Wellenlänge länger als λ_OUT (z. B. 1064 nm) hat. Der saturierende Absorber 113 ist als passiver Q-Schalter bereitgestellt, der das Licht innerhalb des Lasermediums 110 vollständig reflektiert, falls sein Q-Faktor niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, und ansonsten dem Licht gestattet, durch ihn hindurchzutreten. Das Lasermedium 110 kann Nd: YAG (YAG Einzelkristall mit Nd dotiert) sein. Der saturierende Absorber 113 kann Cr: YAG (YAG Einzelkristall mit Cr4+ dotiert) sein.
Der Resonator 11 oszilliert und verstärkt das Erregungslicht LSR_PMP, das in diesen eingebracht wurde, und gibt es als gepulstes Licht LSR_PLS ab, das eine hohe Energiedichte aufweist. Das gepulste Licht LSR_PLS, das von dem Resonator 11 abgegeben wird, weist M² zwischen 1,2 und 1,4 auf, und einen Strahldurchmesser ☐ von annähernd 1,2 mm auf. Das Lasermedium 110 des Resonators 11 ist nicht auf Nd: YAG begrenzt. Zum Beispiel kann es Nd: YVO, ND: GVO, Nd: GGG, Nd: SUAP, Yb: YAG oder Yb: LUAG sein. Der passive Q-Schalter 112 kann Cr: GGG oder V: YAG, Co: Spinel sein.
Das Gehäuse 17 weist eine grob rohrförmige Form auf. Das Gehäuse 17 ist innerhalb mit einem Gewindeabschnitt 174, einem Lichtkondensermittelgehäuseraum 173 zum Aufnehmen des Erregungslichtkondensermittels 10, einem Resonatorgehäuseraum 172 zum Aufnehmen des Resonators 11 und des elastischen Elements 12 und einer Durchgangsbohrung 171 ausgebildet, durch die das von dem Resonator 11 abgegebene gepulste Licht LSR_PLS durchtritt. Außerdem ist das Gehäuse 17 an seinem anderen Rand mit einem Schraubenbefestigungsabschnitt 177 ausgebildet.
Ein gestufter Abschnitt 176, der zwischen dem Lichtkondensermittelgehäuseraum 173 und dem Resonatorgehäuseraum 172 bereitgestellt ist, stützt die Bodenfläche des Erregungslichtkondensermittels 10 und definiert eine erste Bezugsoberfläche S1. Ein Stufenabschnitt 175, der zwischen dem Lichtkondensermittelgehäuseraum 172 und der Durchgangsbohrung 171 bereitgestellt ist, sperrt das elastische Halteelement 12.
Das elastische Halteelement 12, das aus einem elastischen Element wie z. B. einer Spiralfeder hergestellt ist, drückt den Resonator 11, der in einem Gehäuse 17 aufgenommen ist, elastisch zu dem proximalen Ende, so dass die oberste Oberfläche des Resonators 11 und die Bodenoberfläche des Linsenhalters 101 in naher Berührung miteinander gehalten sind, um den Abstand zwischen dem Erregungslichtkondensermittel 10 und dem Resonator 11 konstant zu halten.
Nachdem das elastische Halteelement 12, der Resonator 11 und das Erregungslichtkondensermittel 10 innerhalb des Gehäuses 17 an ihre Stelle gesetzt wurden, werden der Gewindeabschnitt 164 des Gehäuses 16 und der Gewindeabschnitt 174 des Gehäuses 17 miteinander verschraubt, so dass das Erregungslichtkondensermittel 10 und der Resonator 11 elastisch innerhalb des Gehäuses 17 in einem Zustand gehalten werden, in dem die Bodenoberfläche des Linsenhalters 101 in naher Berührung mit der ersten Bezugsoberfläche 51 ist.
Ein elastischer Dichtring 190 dient, um zu verhindern, dass die vordere Endoberfläche 165 des Gehäuses 16 des Lichtkondensermittels übermäßig drückt, wenn das Gehäuse 16 und das Gehäuse 17 miteinander verschraubt werden, und um das Gehäuse 16 und das Gehäuse 17 in nahe Berührung miteinander zu versetzten, um zu verhindern, dass Wassertropfen in den Resonatorgehäuseraum 172 eindringen.
Das Expansionsmittel 13 hat eine Expansionslinse 130, die aus einem bekannten optischen Elementmaterial wie z. B. optischen Glas, wärmewiderstandsfähigem Glas, Siliziumglas oder Saphirglas hergestellt ist. Die Einfallsoberfläche und die Abgabeoberfläche der Expansionslinse 130 sind mit einem AR-Beschichtungsfilm ausgebildet, um eine Reflexion des gepulsten Lichts LSRPLP zu unterdrücken. Die Expansionslinse 130 ist als asphärische Oberflächenlinse geformt, deren Einfallsoberfläche und Abgabeoberfläche unterschiedliche Krümmungen aufweist.
Das Kondensermittel 14 des gepulsten Lichts hat eine Kondenserlinse 114, die aus einem bekannten optischen Elementmaterial wie z. B. optischen Glas, wärmewiderstandsfähigem Glas, Siliziumglas oder Saphirglas hergestellt ist. Die Einfallsoberfläche und die Abgabeoberfläche der Kondenserlinse 140 sind mit einem AR-Beschichtungsfilm ausgebildet, um die Reflexion des gepulsten Lichts LSRPLP zu unterdrücken. Die Kondenserlinse 140 ist als asphärische Oberflächenlinse geformt, deren Einfallsoberfläche und Abgabeoberfläche unterschiedliche Krümmungen aufweisen.
Die Schutzabdeckung 15 hat ein Schutzglas 150, das zu der Brennkammer 530 gerichtet ist, um die Kondenserlinse 140 von der Wärme, dem Druck, dem Kraftstoff und Ruß innerhalb der Brennkammer 530 zu schützen. Das Schutzglas 150 ist aus einem bekannten optischen Elementmaterial wie z. B. optischem Glas, wärmewiderstandsfähigem Glas, Siliziumglas oder Saphirglas hergestellt. Die Einfallsoberfläche des Schutzglases 150 ist mit einem AR-Beschichtungsfilm ausgebildet, um eine Reflexion des gepulsten Lichts LSRPLP zu unterdrücken, das von der Kondenserlinse 140 abgegeben wird.
Das Gehäuse 18 ist aus einem wärmewiderstandsfähigen Metall wie z. B. SUS hergestellt. Das Gehäuse 18 weist eine grob rohrförmige Form auf und nimmt darin das Expansionsmittel (Strahlexpander) 13 des gepulsten Lichts, das Sammelmittel 14 des gepulsten Lichts und die Schutzabdeckung 15 auf.
Das Gehäuse 18 ist aus einer grob rohrförmigen Gehäusebasis 180 bestimmt, die in ihrem Inneren mit einem Kondenserlinsenaufnahmeraum 181 zum Aufnehmen der Kondenserlinse 140, einem Abstandhalter 192 und der Schutzabdeckung 15, einem Expansionslinsenaufnahmeraum 182 zum Aufnehmen der Expansionslinse 130, einem Gewindeabschnitt 183 zum Einschrauben des Gehäuses 178, Durchgangsbohrungen 184 und und 185, durch die das gepulste Licht LSR_PLS durchtritt, einem Gewindeabschnitt 187 zum Befestigen des Gehäuses 18 an einem Zylinderkopf 50 der Brennkraftmaschine 5, einem sechseckigen Abschnitt 188 zum Befestigen des Gewindeabschnitts 187 und einem Verpressungsabschnitt 186 zum einstückigen Verpressen der Kondenserlinse 140 ausgebildet ist, wobei der Abstandhalter 192 und die Schutzabdeckung 15 in dem Kondenserlinsenaufnahmeraum 181 aufgenommen sind.
Zwischen dem Expansionslinsenaufnahmeraum 182 und der Durchgangsbohrung 184 ist ein Stufenabschnitt als zweite Bezugsoberfläche S2 bereitgestellt. Die Bodenoberfläche des Linsenhalters 131 des Expansionsmittels 13 des gepulsten Lichts gerät mit dieser zweiten Bezugsoberfläche S2 in Anlage.
Wenn der Gewindeabschnitt 178 des Gehäuses 17 und der Gewindeabschnitt 183 des Gehäuses 18 miteinander mit einem dazwischen eingefügten elastischen Dichtelement 191 verschraubt werden, gerät die vordere Endoberfläche 179 des Gehäuses 17 an der obersten Oberfläche des Linsenshalters 131 in Anlage, und als Ergebnis davon wird die Bodenoberfläche des Linsenhalters 131 elastisch gegen die zweite Bezugsoberfläche S2 gedrückt. Zu dieser Zeit verhindert das elastische Dichtelement 191, dass der Linsenhalter 131 übermäßig gedrückt wird.
Zwischen der Durchgangsbohrung 185 und dem Kondenserlinsenaufnahmeraum 181 ist ein Stufenabschnitt als dritte Bezugsoberfläche S3 bereitgestellt. Die oberste Oberfläche des Linsenhalters 141 gerät mit der dritten Bezugsoberfläche S3 in Anlage, wenn die Kondenserlinse 140, der Abstandhalter 192 und die Schutzabdeckung 15 aufgenommen sind. Die zweite Bezugsoberfläche S2 und die dritte Bezugsoberfläche S3 sind fein gearbeitet, so dass der Abstand zwischen der Expansionslinse 130 und der Kondenserlinse 140 genau ist.
Das von dem Resonator 11 abgegebene gepulste Licht LSR_PLS wird annähernd kollimiert, und die Expansionslinse 130 und die Kondenserlinse 140 sind in einem vorbestimmten Abstand dazwischen angeordnet. Entsprechend konvergiert das gepulste Licht LSR_PLS, dass durch die Expansionslinse 130 expandiert und durch die Kondenserlinse 140 kondensiert wird, immer an dem Brennpunkt FP der Kondenserlinse 140. Sogar falls zu einem bestimmten Grad ein individueller Unterschied in dem Abgabewinkel des Erregungslichts LSR_PMP ist, das von der Endoberfläche 200 der optischen Faser 20 abgegeben wird, kann in dieser Ausführungsform die Zündleistungsfähigkeit stabil gehalten werden, da der Erregungslichteindringabstand L so angepasst ist, dass er die Qualität und Ausgabeleistung des gepulsten Lichts LSR_PLS maximiert, das von dem Resonator 11 abgegeben wird, und das gepulste Licht LSRPPS einer konstanten Qualität an einer konstanten Position konvergiert.
Als nächstes wird mit Bezug auf 2A und 2B ein Verfahren erläutert, die Laseroszilliervorrichtung 6 durch Zusammenbauen des Ausgabeteils 1 und des Erregungslichtübertragungsteils 2 herzustellen, während der Erregungslichteindringabstand L so angepasst wird, dass das gepulste Licht LSRPLP einer hohen Qualität ausgegeben wird. Das Herstellungsverfahren hat einen ersten Schritt, den Erregungslichtübertragungspfad 2 auszubilden, einen zweiten Schritt, eine Resonatorbaugruppe W auszubilden, und einen dritten Schritt, das Erregungslichtübertragungsteil 2 und die Resonatorbaugruppe W zusammenzubauen.
In dem ersten Schritt wird die durch die Schutzhülse 21 bedeckte optische Faser 20 in das flexible Schutzrohr 24 eingefügt und mittels Druck in das rohrförmige Befestigungselement 22 eingefügt und dann gezogen, bis die Endoberfläche 200 der optischen Faser 20 mit dem vorderen Ende des Befestigungselements 22 ausgerichtet ist, und das flexible Schutzrohr 24 an dem proximalen Ende 224 des Befestigungselements 22 befestigt ist. In dem zweiten Schritt sind das elastische Halteelement 12, der Resonator 11 und das Erregungslichtkondensermittel 10 in dem grob rohrförmigen zweiten Gehäuse 17 aufgenommen, und das grob rohrförmige erste Gehäuse 16 und das zweite Gehäuse 17 werden miteinander verschraubt, um die Resonatorbaugruppe W auszubilden. In dem dritten Schritt wird das Erregungslichtübertragungsteil 2 und der Resonator W miteinander durch das elastische Element 23 zusammengebaut.
Im Folgenden werden jeder der ersten bis dritten Schritte und andere Schritte, die zum Vervollständigen der Laseroszilliervorrichtung 6 notwendig sind, Schritt für Schritt beschrieben. Wie aus 2A ersichtlich ist, wird die optische Faser 20, die durch die Schutzhülse 21 bedeckt ist, in das flexible Schutzrohr 24 eingefügt und in das rohrförmige Befestigungselement 22 mit Druck eingefügt, und dann gezogen, bis die Endoberfläche 200 der optischen Faser 20 mit dem vorderen Ende des Befestigungselements 22 ausgerichtet ist. Danach wird das flexible Schutzrohr 24 an dem proximalen Ende des Befestigungselements 22 angeschweißt, um das Erregungslichtübertragungsteil 2 zu vervollständigen.
Zu dieser Zeit gleitet die aus Harz hergestellte Schutzhülse 21 innerhalb des Befestigungselements 22, während sie aufgrund ihrer Elastizität elastisch verformt wird. Nachdem jedoch die Endoberfläche 200 der optischen Faser 20 an die vorgegebene Position gesetzt wurde, bewegt sich die optische Faser 20 aufgrund einer Reibungskraft wegen der Elastizitätskraft der Schutzhülse 21, die auf den inneren Rand des Befestigungselements 22 und die optische Faser 20 aufgebracht wird, nicht innerhalb des Befestigungselements 22. Zwischen der optischen Faser 20 und dem Befestigungselement 22 kann ein Klebstoff eingefüllt werden oder ein Befestigungsring kann mittels Druck eingefügt werden.
Danach werden das elastische Halteelement 1, der Resonator 11 und das Erregungslichtkondensermittel 10 in dem Gehäuse 17 aufgenommen, und dann werden das Gehäuse 16 und das Gehäuse 17 miteinander verschraubt. Außerdem werden das Erregungslichtübertragungsmittel 2, eine integrierte Kombination der Gehäuse 16 und 17, die darin das elastische Halteelement 12 und den Resonator 11 (d. h., die Resonatorbaugruppe W) und das elastische Element 23 aufnehmen, unter Verwendung einer Zusammenbaumaschine ASM zusammengebaut, wie aus 2B ersichtlich ist.
Als nächstes wird ein Schritt zusammen mit der Zusammenbaumaschine ASM erläutert, den Erregungslichteindringabstand L anzupassen. Die Zusammenbaumaschine ASM besteht aus einer Übertragungsteilhalteklemme CLP1, Arbeitsklemmen CLP2 und CLP3, einem Übertragungsteilbefestigungspositionsanpassungsmittel SVO, einem Monitor MON für das gepulste Licht, einem Laserschweißer WLD als Befestigungsvorrichtung und einer Steuereinheit CNT zum Steuern dieser Bauteile.
Die Arbeitsklemmen CLP2 und CLP3, die als ein Baugruppenhaltemittel bereitgestellt sind, werden durch die Steuereinheit CNT zum Öffnen/Schließen gesteuert, um die Resonatorbaugruppe W zu halten und zu befestigen.
Zu dieser Zeit können die Schraubenbefestigungsabschnitte 167 und 177 verwendet werden, die an dem äußeren Rand der Gehäuse 16 und 17 bereitgestellt sind.
Die Übertragungsteilhalteklemme CLP1, die als Übertragungsteilhaltemittel bereitgestellt ist, hält den Randabschnitt 221, der in dem Befestigungselement 22 des Erregungslichtübertragungsteils 2 bereitgestellt ist. Die Übertragungsteilhalteklemme CLP1 wird durch das Übertragungsteilbefestigungspositionseinstellmittel SVO derart angetrieben, dass der in dem vorderen Ende des Befestigungselements 22 bereitgestellte Befestigungsabschnitt 223 entlang des inneren Rands des Gehäuses 16 der Resonatorbaugruppe W gleitet. Das Befestigungsteilpositionseinstellmittel SVO ist in der Lage, den Erregungslichteindringabstand L in einem Bereich von 30 μm bis 300 μm anzupassen.
Der Monitor MON des gepulsten Lichts überwacht das Strahlprofil innerhalb des Resonators 11 unter Verwendung des Erregungslichtübertragungsteils 2, wenn das Erregungslicht LSR_PMP, das von der Erregungslichtquelle 3 abgegeben wird, in die Resonatorbaugruppe W eingebracht wird, und erfasst eine Position der Endoberfläche 200 der optischen Faser 20, an der die Abgabe maximal wird. Der Erregungslichtmonitor MON kann ein Strahlformer der Bildsensorart oder ein Strahlformer der Abtastart sein. Übrigens kann anstelle die Energiedichte zu messen, die Temperaturverteilung der Oberfläche an der Abgabeseite des Resonators 11 gemessen werden.
Die Steuereinheit CNT sucht die Position, an der das Strahlprofil innerhalb des Resonators 11, das durch den Erregungslichtmonitor MON überwacht wird, optimal wird, indem es das Übertragungsteilbefestigungspositionsanpassmittel SVO antreibt, den Erregungslichteindringabstand L zu variieren. Die Steuereinheit CNT hält das Übertragungsteilbefestigungspositionsanpassmittel SVO an, wenn die optimale Position, an der die Laserqualität hoch ist und die Ausgabe stabil ist, gefunden wurde, und treibt dann den Laserschweißer WLD an, um das Befestigungselement 22 und das proximale Ende 163 des Gehäuses 16 durch Laserschweißen aneinander zu befestigen, um das Zusammenbauen der Resonatorbaugruppe W und des Erregungslichtübertragungsteils 2 zu vervollständigen.
Das Übertragungsteilbefestigungspositionsanpassmittel SVO ist aus einem Antriebsmittel wie z. B. einem Servomotor, einem Solenoidstellglied oder einem Luftzylinder und einem Bewegungsrichtungsänderungsmittel wie z. B. einer Kugelspindel oder einer Linearführung bestimmt, und ist konfiguriert, das Befestigungselement 22 in dem Bereich von 30 μm bis 300 μm nach vor zu ziehen und zurückzuziehen. Der innere Rand 161 des Gehäuses 16 ist geringfügig abgeschrägt, um im Durchmesser zu dem vorderen Ende hin kleiner zu werden, so dass ein Berührungsdruck zwischen dem Gehäuse 16 und dem Befestigungselement 22 aufgebracht wird, um zu verhindern, dass sich die optische Faser 20 innerhalb des Befestigungselements 22 bewegt, wenn das Befestigungselement mittels Druck eingefügt wird.
Das elastische Element 23 spannt das Befestigungselement 22 in die Richtung gegen das Einfügen vor, während das Übertragungsteilbefestigungspositionseinstellmittel SVO bewegt wird. Dies macht es möglich zu verhindern, dass das Befestigungsmittel 22 zu schnell in das Gehäuse 16 eingefügt wird. Nachdem das Befestigungselement 22 und das Gehäuse 16 miteinander zusammengebaut wurden, dient das elastische Element 23 als Dichtelement, um eine Luftdichtigkeit zwischen dem Befestigungselement 22 und dem Gehäuse 16 sicherzustellen, um zu verhindern, dass Wassertropfen oder Ähnliches dort hinein eindringen. Die Richtung des gepulsten Lichts LSR_PLS, das von dem Resonator 11 abgegeben wird, kann so geändert werden, dass es unter Verwendung eines Totalreflexionsspiegels ML in den Monitor MON des gepulsten Lichts eindringt.
Als nächstes werden die Ergebnisse eines Versuchs mit Bezug auf 3A bis 3C, 4A bis 4C und 5 erläutert, der durchgeführt wurde, um die Wirkungen der voranstehend beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu bestätigen. Die Abgabe des Resonators 11 wurde überwacht, während der Abstand L zwischen der Endoberfläche 200 der optischen Faser 20 und der Oberfläche des Erregungslichtkondensermittels von 3,0 mm auf 3,6 mm in ähnlicher Weise wie voranstehend mit Bezug auf 2B beschrieben variiert wurde. Hier wird auf ein Beispiel des Abstands L als ausführbare Ausführungsform 1 Bezug genommen, wo die überwachste Abgabe am höchsten war (L = 3,3 mm in diesem Versuch), ein Beispiel des Abstands L (L = 3,0 mm in diesem Versuch), das kürzer als in der ausführbaren Ausführungsform 1 war, wird als Vergleichsbeispiel 1 bezeichnet, und ein Beispiel des Abstands L (L = 3,6 mm in diesem Versuch), das kürzer als die ausführbare Ausführungsform 1 war, wird als Vergleichsbeispiel 2 bezeichnet.
Wie aus 3A und 4A ersichtlich ist, ist in dem Vergleichsbeispiel 1 der Ausgabestrahldurchmesser klein und die Energiedichte ist niedrig. Wie aus 3C und 4C ersichtlich ist, ist in dem Vergleichsbeispiel 2 der Ausgabestrahldurchmesser groß, da jedoch die Energiedichte an dem Mittelabschnitt verdurchschnittlicht ist, ist die Ausgabeintensität niedrig. Wie aus 3B, 4B und 5 ersichtlich ist, weist der Erregungslichteindringabstand L einen optimalen Wert auf, an dem die Ausgabeintensität maximal wird. Insbesondere da die Energieverteilung innerhalb des Lasermediums 110 näher an der Gaußschen Verteilung liegt, wird die Ausgabequalität höher.
Indes hängt der Optimalwert des Erregungslichteindringabstands L von der Qualität eines Halbleiterlasers ab, der in der Erregungslichtquelle 3 verwendet wird, den Verlust einer Eingangskopplung mit der optischen Faser 20, der Form der Endoberfläche 200 der optischen Faser 20, die den Abgabewinkel des Erregungslichts LSR_PMP beeinträchtigt. Da in dieser Ausführungsform das Erregungslicht LSR_PMP in die Resonatorbaugruppe W eindringt, und der Erregungslichteindringabstand L angepasst wird, während die Abgabe des gepulsten Lichts LSR_PLS überwacht wird, ist es möglich, die Abgabe zu optimieren.
Da außerdem der Erregungslichteindringabstand L auf einen derartigen Wert eingestellt ist, dass die Qualität und Leistung des von dem Resonator abgegebenen gepulsten Lichts LSR_PLS maximal sind, ist es möglich, den Leistungsverbrauch der Erregungslichtquelle (3) zu reduzieren und die Größe und Kosten eines Einstellsystems zu reduzieren, das für eine Stabilisierung der Wellenlänge verwendet wird.
Als nächstes wird mit Bezug auf 6 eine Laseroszilliervorrichtung 6a gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die das Ausgabeteil 1a und das Erregungslichtübertragungsteil 2a hat. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich in dem Mittel zum Anpassen des Erregungslichteindringabstands L und dem Mittel zum Befestigen des Befestigungselements 22a und des Gehäuses 16a aneinander. Entsprechend sind die Bauteile oder Teile der zweiten Ausführungsform, die die gleichen oder Äquivalente zu denen der ersten Ausführungsform sind, durch die gleichen Bezugszeichen oder Buchstaben bezeichnet, und es werden lediglich Besonderheiten der Bauteile oder Teile der zweiten Ausführungsform erläutert, indem alphabetische Buchstaben hinzugefügt werden. Andere Ausführungsformen sind ebenfalls gleich.
In der voranstehend beschriebenen Ausführungsform wird, um den Erregungslichteindringabstand L anzupassen, der Randabschnitt 221 durch die Klemme CLP1 gehalten, das Befestigungselement 22 durch das Übertragungsteilbefestigungspositionsanpassmittel SVO vorgezogen und zurückgezogen, und das Befestigungselement 22 und das Gehäuse 16 werden durch das Ausbilden des Laserschweißabschnitts 25 direkt miteinander verbunden.
In der zweiten Ausführungsform sind ein Schraubenabschnitt 250a, der in einem in dem vorderen Endabschnitt 163a des Gehäuses 16a ausgebildeten Gewindeabschnitt eingeschraubt ist, und ein Sperrelement 251a zum Sperren des Schraubenabschnitts 250a bereitgestellt, um den Erregungslichteindringabstand L anzupassen, und das elastische Element 23a ist abgeschrägt, um in seinem Durchmesser zu dem vorderen Ende hin geringer zu werden, und der gehäuseseitige Durchmesseränderungsabschnitt 162a des Gehäuses 16a ist ebenfalls teilweise abgeschrägt.
In dieser Ausführungsform verursacht das Befestigen des Schraubenabschnitts 250a, dass der Randabschnitt 221 nach innen gedrückt wird, was den Erregungslichteindringabstand L kürzer macht, und ein Lockern des Schraubenabschnitts 250a verursacht, dass der befestigungsseitige Durchmesseränderungsabschnitt 222 durch das elastische Element 23a zurückgeschoben wird, was den Erregungslichteindringabstand L länger macht.
In der ersten Ausführungsform ist der Randabschnitt 221 durch die Übertragungsteilhalteklemme CLP1 gehalten, und das Befestigungselement 22 wird unter Verwendung der Zusammenbaumaschine ASM zurückgeschoben. In der zweiten Ausführungsform ist jedoch die Übertragungsteilbefestigungspositionanpassvorrichtung SVO derart konfiguriert, dass der Erregungslichteindringabstand L durch Befestigen und Lösen des Schraubenabschnitts 250a angepasst werden kann.
Diese Ausführungsform stellt zusätzlich zu den in der ersten Ausführungsform bereitgestellten Vorteile einen Vorteil bereit, dass der Schraubenabschnitt 250a gegen die abgeschrägte Oberfläche des gehäuseseitigen Durchmesseränderungsabschnitts 162a gedrückt wird, wenn das elastische Element 23a durch den Schraubenabschnitt 250a an seiner abgeschrägten Oberfläche und deren vorderen Ende gedrückt wird, und als Ergebnis davon ist das Befestigungselement 22a aufgrund einer elastischen Kraft in der radialen Richtung fest gehalten. Das Sperrelement 251a befestigt den Schraubenabschnitt 250a an einer Position, an der das Strahlprofil innerhalb des Resonators 11 optimal wird, wie es in der ersten Ausführungsform der Fall ist.
In dieser Ausführungsform ist die Weise, das Sperrelement 251a zu befestigen, nicht auf die voranstehend beschriebene begrenzt. Zum Beispiel kann ein ringförmiges Element mittels Druck von der Seite des proximalen Endes der rohrförmigen 220 des Befestigungselements 22 eingefügt sein, oder ein Gewindeabschnitt kann an dem proximalen Ende des Befestigungselements 22 ausgebildet sein, um den Schraubenabschnitt 250a durch eine Sperrschraube zu befestigen, oder der Schraubenabschnitt 250a und die rohrförmige Basis 220 können aneinander durch Schweißen befestigt werden.
Als Nächstes wird mit Bezug auf 7 eine Laseroszilliervorrichtung 6b gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die das Ausgabeteil 1b und das Erregungslichtübertragungsteil 2b hat. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform darin, dass anstelle das elastische Element 23a zu verwenden, ein spiralförmiges Federelement als das elastische Element 23b verwendet wird.
In der dritten Ausführungsform kann das Befestigungselement 22b an einer vorbestimmten Position relativ zu dem Gehäuse 16b gehalten werden, nachdem der Erregungslichteindringabstand L auf die gleiche Weise wie in der zweiten Ausführungsform optimiert wurde. In der dritten Ausführungsform ist es nicht möglich, den Druck des elastischen Elements 23a als eine radiale Haltekraft zu verwenden, was ungleich zu der zweiten Ausführungsform ist. Jedoch stellt diese Ausführungsform zumindest Vorteile ähnlich zu den Vorteilen bereit, die durch die erste Ausführungsform erlangt wurden.
Als Nächstes wird eine Laseroszilliervorrichtung 6c gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 8 beschrieben, die das Ausgabeteil 1c und das Erregungslichtübertragungsteil 2c hat.
In den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen ist das elastische Element 23, 23a oder 23b in dem Raum aufgenommen, der durch den befestigungselementseitigen Durchmesseränderungsabschnitt 22, 22a oder 22b und den gehäuseseitigen Durchmesseränderungsabschnitt 162 oder 162a unterteilt ist.
Währenddessen wird in der vierten Ausführungsform ein solcher Raum nicht zum Aufnehmen eines elastischen Elements 23c verwendet, sondern zum Aufnehmen eines Sperrelements 251c wie z. B. eines Epoxidharzes oder von als Befestigungsmittel verwendeten Klebstoffen verwendet, und das elastische Element 23c ist in einem Raum aufgenommen, der zwischen der obersten Oberfläche des proximalen Endes 163c des Gehäuses 16c und jedem aus Randabschnitt 221 und Schraubenabschnitt 250a ausgebildet ist.
Eine Durchgangsbohrung 162c kann in dem proximalen Endabschnitt 163c ausgebildet sein, um mit dem zwischen dem Befestigungselement 22c und dem proximalen Endabschnitt 163c ausgebildeten Raum in Verbindung zu sein. In diesem Fall kann das Befestigungselement 22c an einer gegebenen Position durch Durchführen des Sperrelements 251c durch die Durchgangsbohrung 162c und Aushärten des Sperrelements 251 befestigt werden. Die vierte Ausführungsform stellt Vorteile ähnlich zu den durch die erste und dritte Ausführungsform bereitgestellten Vorteilen bereit.
9 zeigt eine Kombination einer Erregungslichtquelle 3d als Variante der Erregungslichtquelle 3 und ein Eingangskopplungsmittel für das Erregungslichtübertragungsteil 2. Diese Kombination, die für die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann, wird als erste Modifikation im Folgenden beschrieben.
In den voranstehenden Ausführungsformen wird das Erregungslicht LSR_PMP, das von dem einzelnen Halbleiterlaser oszilliert wird, der in der Erregungslichtquelle 3 vorhanden ist, in das Ausgabeteil 1 eingegeben. Diese Modifikation unterscheidet sich von den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen darin, dass die Erregungslichtquelle 3d eine Vielzahl Halbleiterlaser 30 hat, eine Vielzahl Kondenserlinsen 31, um die von den Halbleiterlasern 30 abgegebenen Erregungslichtbündel (excitation lights) LSR_PMP zu verdichten, ein Lichtkondensermittel 32, um die Erregungslichtbündel LSR_PMP kollektiv zu kondensieren, und einen Reflexionsspiegel 33, um den Einfallswinkel in die optische Faser 20 der kondensierten Erregungslichtbündel LSR_PMP zu ändern, die durch das Lichtkondensermittel 32 durchtreten.
In dieser Modifikation wird der Einfallswinkel jedes Erregungslichts LSR_PMP variiert, dessen Eingang in die Eingangsendoberfläche 203 der optischen Faser 20 zu koppeln ist, um den Emissionswinkel θ von jedem Erregungslicht LSR_PMP an der Ausgabeendoberfläche 200 der optischen Faser 20 stabil zu machen.
Die Mehrzahl der Halbleiterlaser 30 der Erregungslichtquelle 3d sind an einer kugeligen Oberfläche oder einer gekrümmten Oberfläche innerhalb eines Gehäuses 34 angeordnet. Die Kondenserlinse 31 ist eine zylindrische Linse, die einen vorbestimmten Brechungsindex in dessen Lichtabgaberichtung aufweist. Die Erregungslichtbündel LSR_PMP, die durch die Kondenserlinsen 31 kondensiert werden, werden kollektiv durch das Lichtkondensermittel 32 mit einer Kondenserlinse 320 und einem Linsenhalter 321 kondensiert und in den Reflexionsspiegel 33 eingebracht, der eine Spiegeloberfläche einer konischen Form aufweist, und in die optische Faser 20 von der Eingabeendoberfläche 203 der optischen Faser 20 her eingebracht.
Die optische Faser 20 ist aus einem Kern 201, der einen ersten Brechungsindex aufweist, und einem Mantel 202, der einen zweiten Brechungsindex niedriger als der erste Brechungsindex aufweist, bestimmt. Das Erregungslicht LSR_PMP tritt durch die optische Faser 20, die eine Reflektion an der Grenze zwischen dem Kern 201 und dem Mantel 202 wiederholt. Da in dieser Modifikation die Erregungslichtbündel LSR_PMP, die von den entsprechenden Halbleiterlasern 30 abgegeben werden, in unterschiedlichen Einfallswinkeln in die optische Faser 20 eingebracht werden, sind eine Vielzahl von Übertragungsarten in dem Kern 201 vorhanden und in dem Kern 201 ist eine Doppelbrechung aktiviert. Da entsprechend eine synthetische Welle ausgebildet wird, wird der Emissionswinkel θ an der Ausgabeendoberfläche 200 der optischen Faser 20 konstant.
10 zeigt eine andere Kombination einer Erregungslichtquelle 3e als Variante der Erregungslichtquelle 3 und ein Eingabekopplungsmittel für das Erregungslichtübertragungsteil 2. 11 zeigt eine andere Kombination einer Erregungslichtquelle 3f als Variante der Erregungslichtquelle 3 und ein Eingabekopplungsmittel für das Erregungslichtübertragungsteil 2. Diese Kombination, die in 10 und 11 gezeigt ist, die für die voranstehenden Ausführungsformen verwendbar sind, ist im Folgenden als zweite und dritte Modifikationen erläutert.
In der in 10 gezeigten zweiten Modifikation ist die Erregungslichtquelle 3e aus einem Laserdiodenfeld (einer Laserstange) 30e mit einer Vielzahl von an einer flachen Tafel angeordneten Halbleiterlasern und einem Linsenfeld mit einer Vielzahl von Kondenserlinsen an den optischen Achsen der entsprechenden Halbleiterlaser angeordnet und dem Eingabekopplungsmittel mit einem eine gekrümmte Oberfläche aufweisenden Reflexionsspiegel 33e, deren Krümmungsradius allmählich zu der Kopplungsseite mit der optischen Faser 20 hin ansteigt, und dessen Reflektionsoberfläche zu der Lichtquelle hin konvex ist, bestimmt.
In der dritten, in 11 gezeigten Modifikation ist die Erregungslichtquelle 3f aus einem Oberflächenabgabelaser 30f mit einer Mehrzahl von Halbleiterlasern, die an einer ebenen Oberfläche angeordnet sind, und einem Linsenfeld 31f mit einer Mehrzahl Kondenserlinsen, die an den optischen Achsen der entsprechenden Halbleiterlaser angeordnet sind, und dem Eingabekopplungsmittel mit einem Reflexionsspiegel 33f, der eine gekrümmte Oberfläche aufweist, dessen Krümmungsradius allmählich zu der Kopplungsseite mit der optischen Faser 20 hin ansteigt, und dessen Reflektionsoberfläche zu der Lichtquelle hin konvex ist, bestimmt.
Gemäß der zweiten und dritten Modifikationen kann die Leistungsfähigkeit des Kondensierens der Erregungslichtbündel LSR_PMP, die mit der optischen Faser 20 gekoppelt sind, weiter erhöht werden, da der Reflexionsspiegel 33e oder 33f verhindert, dass die Erregungslichtbündel LSR_PMP, die von der Erregungslichtquelle abgegeben werden, zu der Erregungslichtquelle zurückkehren.
In den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die Laseremissionsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform als Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine verwendet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Zündvorrichtung begrenzt. Zum Beispiel kann die Laseremissionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung für einen Laserschweißer, einen Laserschneider und eine Laserstrahlmaschine verwendet werden. Da ein gepulster Laser mit hoher Leistungsfähigkeit oszilliert werden kann, ist es in diesen Fällen ebenfalls möglich, eine Wärmeerzeugung eines Resonators zu unterdrücken, und dabei eine Bearbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen, und ebenfalls die Größe und die Herstellungskosten des Resonators zu reduzieren.
Die voranstehend erläuteten bevorzugten Ausführungsformen sind beispielhaft für die Erfindung der vorliegenden Anmeldung, die lediglich durch die im Folgenden anhängenden Ansprüche beschrieben ist. Es sollte verstanden werden, dass Modifikationen der bevorzugten Ausführungsformen vorgenommen werden können, die auch dem Fachmann deutlich werden.
Eine Laseroszilliervorrichtung (6) hat eine Erregungslichtquelle (3) zum Abgeben eines Erregungslichts (LSR_PMP), ein Ausgabeteil (1) und ein Erregungslichtübertragungsteil (2), das zwischen der Erregungslichtquelle und dem Ausgabeteil angeordnet ist. Das Ausgabeteil hat ein Erregungslichtkondensermittel (10), einen Resonator (11) zum Resonanzverstärken des kondensierten Erregungslichts, um gepulstes Licht (LSR_PLS) zu oszillieren, ein Expansionsmittel (13) und ein Kondensermittel (14) für gepulstes Licht. Das Erregungslichtübertragungsteil hat eine optische Faser (20), eine Schutzhülse (21), ein Befestigungselement (22) zum Befestigen der optischen Faser (20), und ein flexibles Schutzrohr (24), durch das die optische Faser (20) eingebracht wird. Das Befestigungselement (22) hat ein Abstandanpassungsmittel (221, 23, 25) zum Anpassen eines Erregungslichteindringabstands (L), der ein Abstand zwischen einer Endoberfläche (200) der optischen Faser und dem Erregungslichtkondensermittel ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010-539530 [0003]

Claims

Laseroszilliervorrichtung (6, 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f) mit: einer Erregungslichtquelle (3) zum Abgeben eines kohärenten Erregungslichts (LSR_PMP); einem Ausgabeteil (1, 1a, 1b, 1c, 1d); und einem Erregungslichtübertragungsteil (2), das zwischen der Erregungslichtquelle (3) und dem Ausgabeteil (1) angeordnet ist, um das Erregungslicht (LSR_PMP) von der Erregungslichtquelle (3) zu dem Ausgabeteil (1) zu übertragen; wobei das Ausgabeteil (1, 1a, 1b, 1c, 1d) ein Gehäuse (16, 17, 18) hat, in dem koaxial angeordnet sind: ein Erregungslichtkondensermittel (10) zum Verdichten des Erregungslichts (LSR_PMP); ein Resonator (11) zum Resonanzverstärken des verdichteten Erregungslichts ₍ _LSRPMP₎ _, um gepulstes Licht (LSR_PLS) zu oszillieren; ein Expansionsmittel (13) zum Expandieren des gepulsten Lichts (LSR_PLS); ein Kondensermittel (14) für gepulstes Licht, um das expandierte gepulste Licht (LSR_PLS) zu verdichten; und eine Schutzabdeckung (15) zum Schützen des Kondensermittels (14) für gepulstes Licht, wobei das Erregungslichtübertragungsteil (2) hat: eine optische Faser (20); eine Schutzhülse (21), die die optische Faser (20) bedeckt; ein Befestigungselement (22, 22a, 22b, 22c) zum Befestigen der optischen Faser (20); und ein flexibles Schutzrohr (24), durch das die durch die Schutzhülse (21) bedeckte optische Faser von der Erregungslichtquelle (3) her eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (22, 22a, 22b, 22c) als Abstandanpassungsmittel zum Anpassen eines Erregungslichteindringabstands (L), der ein Abstand zwischen einer Endoberfläche (200) der optischen Faser (20) und dem Erregungslichtkondensermittel (10) ist, hat: ein Befestigungselementhaltemittel (221), um zu erleichtern, dass sich das Befestigungselement (22, 22a, 22b, 22c) in eine Vorlaufrichtung und eine Rückzugsrichtung bewegt, ein elastisches Element (23, 23a, 23b, 23c) zum elastischen Drücken des Befestigungselements (22, 22a, 22b, 22c) in die Rückzugsrichtung, und ein Befestigungsmittel (25, 25a, 25c) zum Befestigen des Befestigungselements (22, 22a, 22b, 22c) und des Ausgabeteils (1, 1a, 1b, 1c, 1d) derart, dass der Erregungslichteindringabstand (L) an einem vorbestimmten Wert fixiert ist.
Laseroszilliervorrichtung (6, 6a, 6b, 6c, 6d) nach Anspruch 1, wobei das elastische Element (23, 23a, 23b, 23c) in einem Raum aufgenommen ist, der zwischen dem Gehäuse (16, 16a, 16b, 16c) und dem Befestigungselement (22, 22a, 22b, 22c) unterteilt ist.
Laseroszilliervorrichtung (6, 6d, 6e, 6f) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Befestigungsmittel (25) ein Schweißabschnitt (25) ist, an den das Befestigungselement (22) an einem proximalen Endabschnitt (163) des Gehäuses (16) geschweißt ist.
Laseroszilliervorrichtung (6a, 6b, 6d, 6e, 6f) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Befestigungsmittel (25a) einen Schraubenabschnitt (25a), der an einen in einem proximalen Endabschnitt (163a) des Gehäuses (16a) ausgebildeten Gewindeabschnitt geschraubt ist, um das Befestigungselement (22a, 22b) zu befestigen, und ein Sperrelement (251a) zum Sperren des Schraubenabschnitts (25a) hat.
Laseroszilliervorrichtung (6c, 6d, 6e, 6f) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Befestigungsmittel (25c) einen Schraubenabschnitt (25c), der in einen in einem proximalen Endabschnitt (163c) des Gehäuses (16c) ausgebildeten Gewindeabschnitt geschraubt ist, um das Befestigungselement (22c) zu befestigen, und einem Sperrelement (251c), das in einen Raum eingefüllt und verfestigt ist, der zwischen dem Gehäuse (16c) und dem Befestigungselement (22c) unterteilt ist, hat.
Laseroszilliervorrichtung (6d) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Erregungslichtquelle (3d) hat: eine Mehrzahl Halbleiterlaser (30); eine Mehrzahl Kondenserlinsen (31) zum Verdichten der Erregungslichtbündel (LSR_PMP), die von der Mehrzahl der Halbleiterlaser (30) abgegeben werden; ein Lichtkondensermittel (32) zum kollektiven Kondensieren der Erregungslichtbündel (LSR_PMP), die durch die Mehrzahl der Kondenserlinsen (31) verdichtet sind; und einen Reflexionsspiegel (33) zum Ändern eines Einfallwinkels der durch das Lichtkondensermittel (32) durchtretenden Erregungslichtbündel (LSR_PMP) in die optische Faser.
Laseroszilliervorrichtung (6e, 6f) nach Anspruch 6, wobei der Reflexionsspiegel (33) eine gekrümmte Oberfläche aufweist, deren Krümmungsradius sich zu einer Kopplungsseite mit der optischen Faser 20 hin allmählich erhöht.
Laseroszilliervorrichtung (6, 6a, 6b; 6c, 6d, 6e, 6f) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ausgabeteil (1, 1a, 1b, 1c, 1d) an einer Brennkraftmaschine (5) als Laserzündteil montiert ist, das zum Zünden eines in eine Brennkammer (530) eingebrachten Kraftstoff-Luftgemischs verwendet wird.
Verfahren zum Herstellen einer Laseroszilliervorrichtung mit: einem ersten Schritt, ein Erregungslichtübertragungsteil (2) durch Einfügen einer durch eine Schutzhülse (21) bedeckten optischen Faser (20), die durch ein flexibles Schutzrohr (24) eingebracht ist, unter Druck in ein rohrförmiges Befestigungselement (22), das zumindest teilweise in einem ersten grob rohrförmigen Gehäuse (16) aufgenommen ist, Ziehen der optischen Faser (20) bis eine Endoberfläche (200) der optischen Faser (20) mit einem vorderen Ende des Befestigungselements (22) ausgerichtet ist, und Befestigen des flexiblen Schutzrohrs (24) an einem proximalen Endabschnitt (224) des Befestigungselements (22); einem zweiten Schritt, eine Resonatorbaugruppe (W) durch Aufnehmen eines elastischen Halteelements (12), eines Resonators (11) und eines Erregungslichtkondensermittels (10) in einem zweiten grob rohrförmigen Gehäuse (17) und Verschrauben des ersten grob rohrförmigen Gehäuses (17) mit dem zweiten grob rohrförmigen Gehäuse (16) durch einen elastischen Dichtring (190) auszubilden; und einem dritten Schritt, das Erregungslichtübertragungsteil (2) und die Resonatorbaugruppe (W) miteinander zu verschrauben.
Verfahren, eine Laseroszilliervorrichtung herzustellen nach Anspruch 9, wobei, in dem dritten Schritt, das Erregungslichtübertragungsteil (2) und die Resonatorbaugruppe (W) so aneinander befestigt werden, dass eine Ausgabe des Resonators (11) maximal wird.
Verfahren, eine Laseroszilliervorrichtung herzustellen nach Anspruch 10 oder 11, wobei der dritte Schritt unter Verwendung einer Zusammenbaumaschine (ASM) durchgeführt wird, die hat: ein Resonatorbaugruppenhaltemittel (CLP2, CLP3) zum Halten der Resonatorbaugruppe (W); ein Übertragungsteilhaltemittel (CLP1) zum Halten des Erregungslichtübertragungsteils (2); ein Übertragungsteilbefestigungspositionsanpassmittel (SVO), das konfiguriert ist, das Erregungslichtübertragungsteil (2) durch Antreiben des Übertragungsteilhaltemittels (CLP1) vorzuziehen und zurückzuziehen; einen Erregungslichtmonitor (MON) zum Überwachen eines Strahlprofils innerhalb des Resonators (11), wenn das Erregungslicht (LSR_PMP) durch das Erregungslichtübertragungsteil (2) in den Resonator (11) eingebracht wird; eine Befestigungsvorrichtung (WLD) zum Befestigen des Erregungslichtübertragungsteils (2) und der Resonatorbaugruppe (W) aneinander; und eine Steuereinheit (CNT) zum Steuern des Antreibens des Übertragungsteilbefestigungspositionsanpassmittels (SVO), des Erregungslichtmonitors (MON) und der Befestigungsvorrichtung (WLD), wobei die Zusammenbaumaschine (ASM) derart arbeitet, dass der Erregungslichtmonitor (MON) ein Strahlprofil innerhalb des Oszillators (11) überwacht, während ein Erregungslichteindringabstand (L) variiert wird, der ein Abstand zwischen einer Endoberfläche (200) der optischen Faser (20) und dem Erregungslichtkondensermittel (10) ist, indem das Übertragungsteilbefestigungspositionsanpassmittel (SVO) angetrieben wird, und wenn ausgehend von dem überwachten Strahlprofil erfasst wurde, dass die Ausgabe des Resonators (11) maximal geworden ist, das Übertragungsteilbefestigungspositionsanpassmittel (SVO) angehalten wird, und das Erregungslichtübertragungsteil (2) und die Resonatorbaugruppe (W) aneinander durch Antreiben der Befestigungsvorrichtung (WLD) befestigt werden.
Verfahren, eine Laseroszilliervorrichtung herzustellen nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Erregungslichteindringabstand (L) innerhalb eines Bereichs von 30 bis 300 μm angepasst wird.