JP2009194076A - Laser ignition device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ着火装置に関し、特に共振器内部を操作することなく、パルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ着火装置に関する。 The present invention relates to a laser ignition device, and more particularly to a laser ignition device capable of adjusting pulse energy as desired without operating the inside of a resonator.
内燃機関のための着火装置としては一般にスパークプラグが用いられている。スパークプラグは、電極間に高電圧を印加して電極間に放電を発生させることにより混合気を着火させる装置である。スパークプラグは、比較的単純な構造で実用上十分な耐久性を有するので、古くより内燃機関における着火装置として用いられてきた。 A spark plug is generally used as an ignition device for an internal combustion engine. A spark plug is a device that ignites an air-fuel mixture by applying a high voltage between electrodes to generate a discharge between the electrodes. Since the spark plug has a relatively simple structure and has practically sufficient durability, it has long been used as an ignition device in an internal combustion engine.
近年、燃費低減や有害排出ガスの削減のために、内燃機関においてはより高い圧縮比が望まれている。一般に、圧力が低いほど放電し易いため、高い圧縮比はスパークプラグによる着火にとっては不利な条件である。高い圧縮比においても確実に放電させるためには、電極形状の変更及び印加電圧の上昇等が必要である。しかし、これらは耐久性の低下、着火性の低下、絶縁破壊、又はコスト上昇を招くおそれがある。 In recent years, higher compression ratios have been desired for internal combustion engines in order to reduce fuel consumption and harmful emissions. In general, the lower the pressure, the easier the discharge, so a high compression ratio is a disadvantageous condition for ignition by a spark plug. In order to discharge reliably even at a high compression ratio, it is necessary to change the electrode shape and increase the applied voltage. However, these may cause a decrease in durability, a decrease in ignitability, a dielectric breakdown, or an increase in cost.
また、より短時間かつ低温で燃焼を終了させるために、着火位置制御及び複数箇所からの着火が検討されている。しかし、スパークプラグは燃焼室の内側壁面近傍で着火させるので、着火点の制御という要求に対しては不利である。 Further, ignition position control and ignition from a plurality of locations are being studied in order to end combustion in a shorter time and at a lower temperature. However, since the spark plug is ignited in the vicinity of the inner wall surface of the combustion chamber, it is disadvantageous for the requirement of controlling the ignition point.
これらの要望に適合する着火手段として、レーザ着火装置が注目されている。レーザ着火装置は、パルスレーザをレンズにより集光し、その集光点に発生するプラズマを起点として着火させる。レーザ着火装置は、スパークプラグとは対照的に、圧縮比が高くなるほど着火性が向上する。また、集光点位置を調節することにより、燃焼室内における単一又は複数の任意の着火点からの着火が可能であるといった利点を有する。さらに、電気的ノイズの発生源にならないこと、付着した汚れによる短絡がないこと、燃焼室内に火炎の伝播の障害となる突起物を有しないことといった利点もある。 Laser ignition devices have attracted attention as ignition means that meet these requirements. The laser ignition device condenses a pulse laser with a lens, and ignites the plasma generated at the condensing point as a starting point. In contrast to the spark plug, the laser ignition device improves the ignitability as the compression ratio increases. Further, by adjusting the condensing point position, there is an advantage that ignition from a single or a plurality of arbitrary ignition points in the combustion chamber is possible. In addition, there are advantages such as no generation of electrical noise, no short circuit due to attached dirt, and no protrusions that obstruct flame propagation in the combustion chamber.
レーザ着火装置の概念は古くからあるが実用化するためには多くの課題が残っている。しかし、内燃機関の高度な燃焼制御への要求が以前にも増して高まってきたこと、レーザダイオードの高出力及び低価格化等によって、ダイオード励起固体レーザが以前よりも小型かつ安価に形成できるようになったこと等により、近年再び脚光を浴びてきている。 Although the concept of laser ignition devices has been around for a long time, many problems remain to be put into practical use. However, due to the ever-increasing demand for advanced combustion control of internal combustion engines and the high output and low price of laser diodes, diode-pumped solid-state lasers can be made smaller and cheaper than before. In recent years, it has been in the spotlight again.
レーザにより混合気を着火させるには、数mJ〜数十mJという非常に大きなエネルギーで、かつ、パルス幅がns程度のパルスを発生させる必要がある。このようなジャイアントパルスを発生させるいくつかの方法のうち、比較的簡単にジャイアントパルスを発生させることができ、かつ、比較的高いエネルギー効率で稼動することが可能であることから、受動Qスイッチダイオード励起固体レーザが期待されている。 In order to ignite the air-fuel mixture with a laser, it is necessary to generate a pulse having a very large energy of several mJ to several tens of mJ and a pulse width of about ns. Among several methods for generating such a giant pulse, it is possible to generate a giant pulse relatively easily and to operate with relatively high energy efficiency. A pumped solid state laser is expected.
ところで、内燃機関における燃料を着火するのに必要なパルスエネルギーは、内燃機関の運転状況によって異なる。内燃機関に装着されるレーザ着火装置が、運転状況に応じて所望のパルスエネルギーを有するパルスレーザを発振できると、消費電力を抑制できるので好ましい。受動Qスイッチングでは、パルスエネルギーは、可飽和吸収体の初期透過率等によって決まることが知られているので、パルスのエネルギーを変化させるために、当初の可飽和吸収体とは初期透過率の異なる可飽和吸収体に交換する方法が考えられる。 By the way, the pulse energy required for igniting the fuel in the internal combustion engine varies depending on the operating state of the internal combustion engine. It is preferable that the laser ignition device attached to the internal combustion engine can oscillate a pulse laser having a desired pulse energy according to the operating condition, since power consumption can be suppressed. In passive Q switching, the pulse energy is known to be determined by the initial transmittance of the saturable absorber, etc., so that the initial transmittance differs from the initial saturable absorber in order to change the pulse energy. A method of exchanging with a saturable absorber is conceivable.
また、特許文献1の請求項1には、「レーザー媒質を配置したレーザー共振器内における光の光路上にQスイッチとして機能する可飽和吸収体を配置し、前記レーザー共振器内に配置された前記可飽和吸収体を前記光の光路に対して相対的に移動して、前記光が前記可飽和吸収体を通過する際における前記可飽和吸収体の初期透過率を変化させることを特徴とするパルス幅可変レーザー発振方法。」が記載されており、このようなパルス幅可変レーザー発振方法によれば、「レーザー共振器内に配置された可飽和吸収体を通過する光の当該可飽和吸収体内における光路長が変化することに応じて、当該可飽和吸収体の初期透過率を変化させることができ、而して、当該可飽和吸収体における光の透過率が変化してシャッタ動作のタイミングが変わるようになる。このため、これまでレーザー共振器内にQスイッチ素子として配置された可飽和吸収体を取り換えなければ実現することができなかった出力されるパルスレーザー光のパルス幅の連続的または段階的な変化を、レーザー共振器内にQスイッチ素子として配置された単一の可飽和吸収体により実現することができるようになる。」(特許文献1の段落番号0014参照)と記載されている。 Further, in claim 1 of Patent Document 1, “a saturable absorber functioning as a Q switch is disposed on the optical path of light in a laser resonator in which a laser medium is disposed, and the laser resonator is disposed in the laser resonator. The saturable absorber is moved relative to the optical path of the light to change an initial transmittance of the saturable absorber when the light passes through the saturable absorber. According to such a pulse width variable laser oscillation method, “the light in the saturable absorber of light passing through the saturable absorber disposed in the laser resonator” is described. The initial transmittance of the saturable absorber can be changed in accordance with the change in the optical path length at the time, and thus the light transmittance in the saturable absorber is changed and the timing of the shutter operation is changed. For this reason, the pulse width of the pulsed laser beam to be output which could not be realized without replacing the saturable absorber arranged as the Q switch element in the laser resonator until now or The stepwise change can be realized by a single saturable absorber arranged as a Q-switch element in the laser resonator. ”(See paragraph number 0014 of Patent Document 1) Yes.
しかし、可飽和吸収体等の光学部品の交換及び共振器内部における光学部品の駆動は、高い精密性が要求されるレーザ発振装置にとって好ましくない。また特許文献1に記載されているような特殊な形状の可飽和吸収体を作製したり、高い精度で駆動させたりする手段を設けることは、装置構成を複雑にしてコスト上昇に繋がる。 However, replacement of an optical component such as a saturable absorber and driving of the optical component inside the resonator are not preferable for a laser oscillation device that requires high precision. Moreover, producing a saturable absorber having a special shape as described in Patent Document 1 or providing a means for driving it with high accuracy complicates the apparatus configuration and leads to an increase in cost.
本発明の課題は、共振器内部を操作することなく、パルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ着火装置を提供することである。 The subject of this invention is providing the laser ignition device which can adjust pulse energy as desired, without operating the inside of a resonator.
前記課題を解決するための手段として、
請求項1は、
内燃機関の燃焼室内にある燃料に着火させるレーザ着火装置であって、増幅媒体に励起光を集光させる励起光学系と、増幅媒体と可飽和吸収体とを有する共振器系と、前記共振器系から出力されるレーザ光を前記燃焼室内に集光させる出力光学系と、前記励起光の前記増幅媒体への入射径を変化させる入射径調整手段とを備えることを特徴とするレーザ着火装置であり、
請求項2は、
前記入射径調整手段は、前記励起光学系を駆動して、前記増幅媒体に対する前記励起光学系の距離を変化させる励起光学系駆動装置を備えることを特徴とする請求項1に記載のレーザ着火装置であり、
請求項3は、
前記入射径調整手段は、少なくとも1枚のレンズ及び励起光が入力される入力部を含む前記励起光学系における、前記レンズ及び前記入力部のうちの少なくとも1つを、前記増幅媒体中における集光点の位置を変えることなく、前記入力部と前記集光点とにより形成される光軸方向に駆動するレンズ入力部駆動装置を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ着火装置であり、
請求項4は、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のレーザ着火装置と、前記励起光学系に前記励起光を供給する励起光源とを有することを特徴とするレーザ着火装置である。
As means for solving the problems,
Claim 1
A laser ignition device for igniting fuel in a combustion chamber of an internal combustion engine, an excitation optical system for condensing excitation light on an amplification medium, a resonator system having an amplification medium and a saturable absorber, and the resonator A laser ignition device comprising: an output optical system that condenses laser light output from a system in the combustion chamber; and an incident diameter adjusting unit that changes an incident diameter of the excitation light to the amplification medium. Yes,
Claim 2
2. The laser ignition device according to claim 1, wherein the incident diameter adjusting unit includes an excitation optical system driving device that drives the excitation optical system to change a distance of the excitation optical system with respect to the amplification medium. And
Claim 3
The incident diameter adjusting means condenses at least one of the lens and the input unit in the amplification medium in the excitation optical system including at least one lens and an input unit to which excitation light is input. 3. The laser ignition device according to claim 1, further comprising a lens input unit driving device that drives in an optical axis direction formed by the input unit and the condensing point without changing a point position. 4. And
Claim 4
A laser ignition device comprising: the laser ignition device according to any one of claims 1 to 3; and an excitation light source that supplies the excitation light to the excitation optical system.
本発明に係るレーザ着火装置は、内燃機関の燃焼室内にある燃料に着火させるレーザ着火装置であって、増幅媒体に励起光を集光させる励起光学系と、増幅媒体と可飽和吸収体とを有する共振器系と、前記共振器系から出力されるレーザ光を前記燃焼室内に集光させる出力光学系と、前記励起光の前記増幅媒体への入射径を変化させる入射径調整手段とを備える。このレーザ着火装置は、入射径調整手段により励起光の増幅媒体への入射径を変化させることができ、この励起光の増幅媒体への入射径により、レーザ着火装置から出力されるパルスエネルギーは変化する。したがって、このレーザ着火装置から出力されるパルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ着火装置を提供することができる。 A laser ignition device according to the present invention is a laser ignition device that ignites fuel in a combustion chamber of an internal combustion engine, and includes an excitation optical system that condenses excitation light on an amplification medium, an amplification medium, and a saturable absorber. A resonator system, an output optical system for condensing laser light output from the resonator system in the combustion chamber, and an incident diameter adjusting means for changing an incident diameter of the excitation light to the amplification medium. . In this laser ignition device, the incident diameter of the excitation light to the amplification medium can be changed by the incident diameter adjusting means, and the pulse energy output from the laser ignition device varies depending on the incident diameter of the excitation light to the amplification medium. To do. Therefore, it is possible to provide a laser ignition device capable of adjusting the pulse energy output from the laser ignition device as desired.
また、入射径調整手段は、前記励起光学系を駆動して、前記増幅媒体に対する前記励起光学系の距離を変化させる励起光学系駆動装置を備えるので、この励起光学系駆動装置により励起光の増幅媒体への入射径を変化させることができる。したがって、このレーザ着火装置から出力されるパルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ着火装置を提供することができる。 Further, the incident diameter adjusting means includes an excitation optical system driving device that drives the excitation optical system to change the distance of the excitation optical system with respect to the amplification medium, so that the excitation optical system driving device amplifies the excitation light. The incident diameter to the medium can be changed. Therefore, it is possible to provide a laser ignition device capable of adjusting the pulse energy output from the laser ignition device as desired.
さらに、入射径調整手段は、少なくとも1枚のレンズ及び励起光が入力される入力部を含む前記励起光学系における、前記レンズ及び前記入力部のうちの少なくとも1つを、前記増幅媒体中における集光点の位置を変えることなく、前記入力部と前記集光点とにより形成される光軸方向に駆動するレンズ入力部駆動装置を備えるので、このレンズ入力部駆動装置により励起光の増幅媒体への入射径を変化させることができる。したがって、このレーザ着火装置から出力されるパルスエネルギーを所望のように調整することができると共に、励起光のエネルギーの損失を抑えて、高い効率でパルスレーザを発振させることができる。 Further, the incident diameter adjusting means is configured to collect at least one of the lens and the input unit in the amplification medium in the excitation optical system including at least one lens and an input unit to which excitation light is input. A lens input unit driving device that drives in the direction of the optical axis formed by the input unit and the condensing point without changing the position of the light spot is provided. The incident diameter can be changed. Therefore, the pulse energy output from the laser ignition device can be adjusted as desired, and the loss of excitation light energy can be suppressed and the pulse laser can be oscillated with high efficiency.
まず、図1(a)を参照しつつ本発明に係るレーザ着火装置の一実施例であるレーザ着火装置について説明する。図1(a)は、本発明の一実施例であるレーザ着火装置の構成説明図である。本実施形態のレーザ着火装置1は、励起光2を出力する励起光源の一例である半導体レーザ3と、前記励起光2を伝送する光ファイバ4と、増幅媒体5に前記励起光2を集光させる励起光学系6と、全反射鏡7と部分反射鏡8との間に増幅媒体5と可飽和吸収体9とを有する共振器系10と、前記共振器系10から出力されるレーザ光11を内燃機関の燃焼室内に集光させる出力光学系12と、前記励起光2の前記増幅媒体5への入射径R1を変化させる入射径調整手段13とを備えて成る。
First, a laser ignition device which is an embodiment of a laser ignition device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a configuration explanatory diagram of a laser ignition device according to an embodiment of the present invention. The laser ignition device 1 of the present embodiment condenses the excitation light 2 on a semiconductor laser 3 that is an example of an excitation light source that outputs the excitation light 2, an optical fiber 4 that transmits the excitation light 2, and an
励起光源の一例である半導体レーザ3は、共振器系10における増幅媒体5に励起光2を照射して、増幅媒体5を励起させることにより共振器系10から所望のエネルギーを有するパルスエネルギーを出力させることができる限り、公知の半導体レーザを採用することができる。
The semiconductor laser 3, which is an example of an excitation light source, outputs pulse energy having desired energy from the
光ファイバ4は、半導体レーザ3から出力された励起光を伝送し、共振器系10における増幅媒体5に励起光2を照射して、増幅媒体5を励起させることにより共振器系10から所望のエネルギーを有するパルスエネルギーを出力させることができる限り、公知の光ファイバを採用することができる。半導体レーザ3から出力された励起光を光ファイバ4を介さずに、励起光学系6で集光して増幅媒体5に照射させても良いが、光ファイバ4を介して入力部14から励起光2を励起光学系6に入射させると、半導体レーザ3を内燃機関から離して設置することができるので内燃機関の熱による影響を受けにくくなるので好ましい。
The optical fiber 4 transmits the excitation light output from the semiconductor laser 3, irradiates the
励起光学系6は、励起光が供給される入力部14と少なくとも一枚のレンズ15,16とを有し、半導体レーザ3から出力された励起光を集光し、所望の入射径R1で増幅媒体5に入射させることができる。本実施形態においては、励起光学系6は、二枚の平凸レンズ15,16を有し、この二枚の平凸レンズ15,16を用いて励起光2を集光し、共振器系10における全反射鏡7を透過して増幅媒体5に入射させている。
The excitation
本実施形態のレーザ着火装置における入力部14は、例えば、筒状部23とこの筒状部23を保持する円盤状部24とにより形成され、この筒状部23がレンズ15,16を収容する筐体に嵌め込まれるように設置される。この筒状部23には、光ファイバ4が嵌め込まれ、光ファイバ4を伝送する励起光が、入力部14を介して励起光学系6に供給される。また、光ファイバ4を使用しない場合には、励起光源の一例である半導体レーザ3から入力部14を介して励起光が励起光学系6に供給される。後述する他の実施形態である、図3及び図4に示すレーザ着火装置においては、レンズ入力部駆動装置313,413により、入力部314,414が駆動される場合がある。このとき、入力部314,414における筒状部を伸縮させたり、入力部314,414又は入力部314,414が固定された筐体端部を適宜の移動手段により駆動させたりすることにより、励起光学系306,406における入力部314,414の位置、すなわち増幅媒体305,405に対する励起光の出力位置が決められる。
The
励起光2は、増幅媒体5のうち、共振器系10の光軸を含む領域に励起光2を照射することができれば良く、本実施形態に係るレーザ着火装置1においては、共振器10の光軸の延長線上に励起光学系6が配置され、この励起光学系6により集光された励起光2が、全反射鏡7を透過して、板状の増幅媒体5の表面に垂直に照射されている。この他にも、例えば、増幅媒体5における励起光2が入射される面に対して、励起光2が斜めに入射される位置に、励起光学系6が配置されても良い。
The pumping light 2 only needs to be able to irradiate the pumping light 2 to a region including the optical axis of the
共振器系10は、全反射鏡7と増幅媒体5と可飽和吸収体9と部分反射鏡8とにより形成されて成り、全反射鏡7と増幅媒体5と可飽和吸収体9と部分反射鏡8等の光学部品は、所望のエネルギーを有するパルスレーザを出力することができる限り、公知の光学部品を採用することができる。共振器系10の構成としては、例えば、図1(a)に示すように、増幅媒体5における励起光2が入射される側の表面に全反射鏡の機能を有する物質がコーティングされることにより全反射鏡7が形成され、全反射鏡7と部分反射鏡8との間に可飽和吸収体9が配置され、全反射鏡7と部分反射鏡8との間でファブリペロー共振器が形成される。可飽和吸収体9は、通常、増幅媒体5と部分反射鏡8との間に配置されるが、可飽和吸収体9が励起光2を吸収しない材料である場合には、全反射鏡7と増幅媒体5との間に配置することもできる。
The
全反射鏡7は、発振波長21を99%より大きな反射率(ほぼ100%の反射率)で反射し、それ以外の波長の光を透過する特性を有する。部分反射鏡8は、発振波長21を10〜98%、好ましくは60〜90%の反射率で反射するとともにその残りの発振波長21を透過する特性を有する。図1(a)に示すように、本実施形態のレーザ着火装置1においては、増幅媒体5における励起光2が入射される側の表面に全反射鏡7の機能を有する物質がコーティングされることにより全反射鏡7が形成されているが、全反射鏡7と部分反射鏡8とを、それぞれ独立した部品として配置しても良いし、可飽和吸収体9における増幅媒体5が配置されている側とは反対側の面に部分反射鏡8の機能を有する物質がコーティングされることにより部分反射鏡8が形成されても良い。また、全反射鏡7と増幅媒体5と可飽和吸収体9と部分反射鏡8とがすべて密着するように配置されても良いし、一部の光学部品のみが密着するように配置されても良い。
The
増幅媒体5は、半導体レーザ3から出力された励起光2が照射されることにより、励起され光の誘導放出を行う材料であり、例えば、Nd:YAG、Yb:YAG等の単結晶やセラミックスが好適に使用される。増幅媒体5の形状は、図1(a)に示す例においては板状であるが、増幅媒体5の形状は、共振器系10の内部で往復する光が発生し、共振器系10からレーザ光11を出力することができる限り特に限定されず、例えば凸レンズ状、凹レンズ状等の形状を有していても良い。増幅媒体5の大きさもまた、共振器系10の内部で往復する光が発生し、共振器系10からレーザ光11を出力することができる限り特に限定されず、共振器系10の要求性能に応じて適宜調整すれば良い。
The
可飽和吸収体9は、発振波長11に対する透過率を変化させることによりQスイッチとしての機能を有する。可飽和吸収体9は、増幅媒体5から誘導放出された光を吸収することにより、光の透過率を変化させることのできる結晶体である限り特に限定されず、例えば、Cr4+:YAGが好適に使用される。
The
出力光学系12は、少なくとも一枚のレンズを有し、共振器系10から出力されたパルスレーザ11を内燃機関における燃焼室内の所望の位置に集光させることができる。本実施形態においては、二枚の平凸レンズ17,18と、光学的には何ら作用がなく燃焼室と出力光学系12内部とを隔離する出力窓19とを有している。
The output
入射径調整手段13は、半導体レーザ3から出力される励起光2の前記増幅媒体5への入射径R1を変化させることのできる限り、任意の入射径調整手段13を採用することができる。例えば、本実施形態のレーザ着火装置1においては、図1(a)に示すように、励起光学系駆動装置13が採用されており、この励起光学系駆動装置13は、励起光学系6を駆動し、増幅媒体5に対する励起光学系6の距離を変化させることができる。増幅媒体5と励起光学系6との距離を可変することにより、励起光学系6により集光された励起光2の集光点20の位置が変化するので、増幅媒体5への入射径R1が可変する。
The incident diameter adjusting means 13 can employ any incident diameter adjusting means 13 as long as the incident diameter R1 of the excitation light 2 output from the semiconductor laser 3 to the
本発明に係るレーザ着火装置のように、可飽和吸収体を備えている共振器系から発振されるパルスレーザの1パルスあたりのエネルギー、すなわちパルスエネルギーを調整する方法として、励起光の増幅媒体に対する入射径を変動させることが考えられる。入射径とは、例えば、増幅媒体が板状であり、励起光が入射される増幅媒体の表面が平面である場合に、励起光が増幅体表面に円形状に照射されたときの円の直径である。また、増幅媒体が球状又はレンズ状等の形状を有していたり、励起光が入射される表面が平らではなく起伏があったりする場合などには、入射径とは、励起光が増幅媒体に入射した面を投影した場合に形成される形状の面積を、円に換算した場合の直径である。換言すると、パルスエネルギーは、増幅媒体の表面に入射された励起光の投影面積に依存する。増幅媒体に照射される励起光には通常、入射面に対する強度分布が存在し、その強度分布は、励起光源における励起光強度の分布及び増幅媒体に対する励起光の焦点の位置等により変化するが、一般的に中央部が高く端部が低くなる。本発明においては、パルスレーザを発振するのに十分な励起光の強度が照射されていない弱励起領域は、励起光の投影面積、すなわち入射径には含まれない。 As a method of adjusting the energy per pulse of a pulse laser oscillated from a resonator system including a saturable absorber, that is, a pulse energy as in the laser ignition device according to the present invention, It is conceivable to change the incident diameter. The incident diameter is, for example, the diameter of a circle when the amplification light is irradiated on the surface of the amplification body in a circular shape when the amplification medium is plate-shaped and the surface of the amplification medium on which the excitation light is incident is flat. It is. In addition, when the amplification medium has a shape such as a spherical shape or a lens shape, or when the surface on which the excitation light is incident is not flat but has a undulation, the incident diameter is the excitation light on the amplification medium. This is the diameter when the area of the shape formed when the incident surface is projected is converted into a circle. In other words, the pulse energy depends on the projected area of the excitation light incident on the surface of the amplification medium. The excitation light irradiated to the amplification medium usually has an intensity distribution with respect to the incident surface, and the intensity distribution varies depending on the distribution of the excitation light intensity in the excitation light source and the position of the focal point of the excitation light with respect to the amplification medium. Generally, the central part is high and the end part is low. In the present invention, the weak excitation region where the intensity of excitation light sufficient to oscillate the pulse laser is not irradiated is not included in the projected area of the excitation light, that is, the incident diameter.
パルスエネルギーが、励起光の増幅媒体に対する入射径、すなわち投影面積により変化する理由について以下に説明する。増幅媒体の表面に入射された励起光の単位投影面積あたりのパルスエネルギーは、可飽和吸収体が固有に有する特性値である発振波長に対する透過率(初期透過率と称することもある。)、部分反射鏡の反射率等の内部損失によって決まる。ここで、前記内部損失は共振器系内において通常一定であるので、適宜に設計された共振器系において、増幅媒体の表面に入射された励起光の単位投影面積あたりのパルスエネルギーは一定である。したがって、増幅媒体の表面に入射された励起光の投影面積を増大させると、パルスエネルギーは増大する。したがって、励起光の増幅媒体に対する入射径を調整することにより、パルスレーザのパルスエネルギーを所望のように調整することができる。 The reason why the pulse energy changes depending on the incident diameter of the excitation light with respect to the amplification medium, that is, the projected area will be described below. The pulse energy per unit projected area of the excitation light incident on the surface of the amplifying medium has a transmittance (sometimes referred to as initial transmittance) with respect to an oscillation wavelength which is a characteristic value inherent to the saturable absorber. It depends on internal loss such as reflectivity of the reflector. Here, since the internal loss is usually constant in the resonator system, the pulse energy per unit projected area of the excitation light incident on the surface of the amplifying medium is constant in the appropriately designed resonator system. . Therefore, when the projected area of the excitation light incident on the surface of the amplification medium is increased, the pulse energy increases. Therefore, the pulse energy of the pulse laser can be adjusted as desired by adjusting the incident diameter of the excitation light to the amplification medium.
図1(a)に示した本実施形態のレーザ着火装置1は、励起光学系6により集光された励起光2の集光点20は増幅媒体5の厚み方向の中点に位置している。図1(b)は、励起光が増幅媒体に入射される部位の拡大説明図であり、励起光のスポット径を示している。一方、図2(a)は、図1(a)におけるレーザ着火装置よりも励起光学系と増幅媒体との距離を近づけた場合の例である。図2(b)は、励起光が増幅媒体に入射される部位の拡大説明図であり、励起光のスポット径を示している。図2(a)に示した本実施形態のレーザ着火装置201では、励起光学系駆動装置213により励起光学系206を光軸方向に駆動して、励起光学系206と増幅媒体205との距離を近づけている。その結果、励起光202の集光点220は、増幅媒体205における光軸上の全反射鏡207から遠ざかる方向にシフトするので、増幅媒体205の表面に入射される励起光202の入射径R2は、図1(a)、(b)の場合に比べて大きくなる。励起光202の増幅媒体205への入射径R2が大きくなると、本実施形態のレーザ着火装置から発振されるパルスレーザのパルスエネルギーは大きくなる。
In the laser ignition device 1 of the present embodiment shown in FIG. 1A, the condensing point 20 of the excitation light 2 condensed by the excitation
図3(a)及び図4(a)は、本発明の他の実施例であるレーザ着火装置の構成説明図である。図3(b)及び図4(b)は、増幅媒体の励起光が入射される部位の拡大説明図であり、励起光のスポット径を示している。図3(a)及び図4(a)に示した本実施形態のレーザ着火装置301,401は、図1(a)及び図2(a)における励起光学系駆動装置13,213に代えてレンズ入力部駆動装置313,413を有している。また、励起光学系306,406は、凸レンズ321,421と励起光302,402の下流側が凸である平凸レンズ315,415と励起光302,402の上流側が凸である平凸レンズ416,416とがこの順に一列に配置され、ズームレンズを形成している。レンズ入力部駆動装置313,413と励起光学系306,406以外は、図1(a)及び図2(a)と同様の構成である。図3(a)及び図4(a)に示した本実施形態のレーザ着火装置301,401は、ピニオン及びラック等の適宜の手段よりなるレンズ入力部駆動装置313,413により、励起光学系306,406に含まれる、励起光を入力する入力部314,414及びレンズ321,421,315,415,316,416のうちの少なくとも1個を駆動して、増幅媒体305,405に対する入力部314,414及びレンズ321,421,315,415,316,416のうちの少なくとも1個との距離を変化させることにより、増幅媒体305,405中における集光点320,420の位置を変えることなく、励起光302,402の増幅媒体305,405の表面への入射径R3,R4を変化させている。図3(a)及び図4(a)に示した本実施形態のレーザ着火装置301,401はいずれも、励起光学系306,406により集光された励起光302,402の集光点320,420は増幅媒体305,405の厚み方向の中点に位置している。図3(a)、(b)に示したレーザ着火装置301は、レンズ入力部駆動装置310で励起光学系306におけるレンズ321,315,316を駆動することにより、図1(a)、(b)の場合と同じ入射径で、増幅媒体305の表面に励起光302を入射している。一方、図4(a)、(b)に示したレーザ着火装置401は、増幅媒体405中における集光点の位置を変えることなく、図3(a)、(b)の場合よりも集光点のスポット径を増大させた場合の例である。したがって、図4(a)、(b)における増幅媒体405の表面に入射される励起光402の入射径R4は、図3(a)、(b)の場合に比べて大きくなる。励起光402の増幅媒体405への入射径R4が大きくなると、図3(a)、(b)の場合に比べてパルスエネルギーは大きくなる。なお、図3(a)、(b)、図4(a)、(b)に示したレーザ着火装置の例においては、励起光の集光点は増幅媒体の厚み方向における中点に位置しているが、励起光が入射される増幅媒体の表面あるいは表面近傍等、増幅媒体の形状や材料特性に応じて適宜設定すればよい。
3 (a) and 4 (a) are explanatory views of the configuration of a laser ignition device according to another embodiment of the present invention. FIG. 3B and FIG. 4B are enlarged explanatory views of a portion where the excitation light of the amplification medium is incident, and show the spot diameter of the excitation light. The
図2(a)、(b)に示したレーザ着火装置201における励起光202の増幅媒体205への入射径R2と図4(a)、(b)に示したレーザ着火装置401における励起光402の増幅媒体405への入射径R4とが、同じである場合には、発振されるパルスエネルギーは同じである。しかし、図4(a)、(b)における増幅媒体405の表面に入射された励起光402は、図2(a)、(b)における増幅媒体205の表面に入射された励起光202よりも集光点に近いので、励起光の全エネルギーのうち発振に寄与するエネルギーの割合が高い。したがって、図2(a)、(b)に示したレーザ着火装置201よりも図4(a)、(b)に示したレーザ着火装置401の方が、高い効率でパルスレーザを得ることができる。
The incident diameter R2 of the
図5(a)〜(d)を用いて、さらに詳しく説明する。図5(a)〜(d)は、図1(a)、(b)〜図4(a)、(b)に示したレーザ着火装置それぞれに対応して、増幅媒体の表面に照射された励起光の入射径と強度との関係を模式的に表した図である。縦軸は、励起光が入射される増幅媒体の表面における、励起光の強度を示し、破線はパルスレーザを発振させるために必要な励起光の強度、すなわちレーザ発振閾値を示す。励起光が入射された増幅媒体の表面における、レーザ発振閾値を超えた面の直径が入射径である。図1(a)、(b)と図3(a)、(b)と図4(a)、(b)とに示したレーザ着火装置は、増幅媒体における厚さ方向における中点に励起光の集光点が位置しており、増幅媒体の表面は集光点に近いので、増幅媒体の表面に照射された励起光の強度は、図5(a)、(c)、(d)に示すように、図5(b)に比べて増幅媒体への照射面において鋭く立ち上がっている。したがって、励起光の全エネルギーのうち、レーザ発振閾値(破線)に満たずに、パルス発振に寄与していない励起光のエネルギーは小さい。一方、図2(a)、(b)に示したレーザ着火装置は、励起光の集光点が光軸上における全反射鏡から離れる位置にシフトしており、増幅媒体の表面は集光点から遠ざかっているので、図5(b)に示すように、増幅媒体の表面における励起光の強度は、増幅媒体への照射面において緩やかな山形を描く形をしている。したがって、励起光の全エネルギーのうち、レーザ発振閾値(破線)に満たずに、パルス発振に寄与していない励起光のエネルギーは大きい。したがって、図1(a)、(b)及び図2(a)、(b)に示した励起光学系駆動装置を有するレーザ着火装置よりも、図3(a)、(b)及び図4(a)、(b)に示したレンズ入力部駆動装置を有するレーザ着火装置の方が、励起光のエネルギーの損失を抑制して、高効率で所望のパルスエネルギーを有するパルスレーザを発振させることができるので、好ましい。 This will be described in more detail with reference to FIGS. FIGS. 5A to 5D are irradiated on the surface of the amplification medium corresponding to each of the laser ignition devices shown in FIGS. 1A and 1B and FIGS. 4A and 4B. It is the figure which represented typically the relationship between the incident diameter of excitation light, and intensity | strength. The vertical axis indicates the intensity of the excitation light on the surface of the amplification medium on which the excitation light is incident, and the broken line indicates the intensity of the excitation light necessary for oscillating the pulse laser, that is, the laser oscillation threshold. The diameter of the surface exceeding the laser oscillation threshold on the surface of the amplification medium on which the excitation light is incident is the incident diameter. The laser ignition device shown in FIGS. 1A, 1B, 3A, 3B, 4A, and 4B has excitation light at a midpoint in the thickness direction of the amplification medium. 5 and the surface of the amplifying medium is close to the condensing point, the intensity of the excitation light irradiated on the surface of the amplifying medium is shown in FIGS. 5 (a), (c), and (d). As shown in FIG. 5B, the surface of the amplifying medium irradiated sharply rises compared to FIG. Therefore, out of the total energy of the pumping light, the energy of the pumping light that does not contribute to the pulse oscillation and is less than the laser oscillation threshold (broken line) is small. On the other hand, in the laser ignition device shown in FIGS. 2A and 2B, the condensing point of the excitation light is shifted to a position away from the total reflection mirror on the optical axis, and the surface of the amplification medium is the condensing point. As shown in FIG. 5B, the intensity of the excitation light on the surface of the amplifying medium has a shape of a gentle mountain shape on the surface irradiated to the amplifying medium. Therefore, out of the total energy of the excitation light, the energy of the excitation light that does not contribute to the pulse oscillation is less than the laser oscillation threshold (broken line). Therefore, rather than the laser ignition device having the excitation optical system driving device shown in FIGS. 1A, 1B and 2A, 2B, FIGS. The laser ignition device having the lens input unit driving device shown in a) and (b) can oscillate a pulse laser having desired pulse energy with high efficiency by suppressing the loss of excitation light energy. This is preferable because it is possible.
図6に、本実施形態のレーザ着火装置を内燃機関の気筒に装着した場合の気筒の模式図を示す。内燃機関の気筒600は、シリンダブロック601とシリンダヘッド602とピストン603とにより形成され、シリンダブロック601とシリンダヘッド602とピストン603とにより囲まれて形成される空間が燃焼室604である。シリンダヘッド602には燃料と空気との混合気を供給する吸入管605が接続され、吸入弁606の開閉により混合気の供給が調節されるように形成されている。また、シリンダヘッド602には混合気を排出する排気管607が接続され、排気弁608の開閉により混合気の排気が調節されるように形成されている。本実施形態のレーザ着火装置1は、燃焼室604内の混合気に着火させることができる限り任意の位置に設置することができ、例えば、図6に示すようにシリンダヘッド602における吸入弁606と排気弁608との間に、本実施形態のレーザ着火装置を設置することができる。レーザ着火装置から出力されたパルスレーザは燃焼室604内においてブレークダウンを生じ、パルスレーザの結像点を起点に燃焼室604内の混合気が燃焼する。なお、内燃機関における気筒の一例を説明したが、気筒の構成は上記構成に限定されるものではない。本実施形態のレーザ着火装置は、内燃機関の稼働状況に応じて混合気における燃料の割合が変化する場合に、パルスエネルギーを所望のように調整することができる。したがって、消費電力を抑制したレーザ着火装置を提供することができる。
FIG. 6 shows a schematic diagram of a cylinder when the laser ignition device of this embodiment is mounted on a cylinder of an internal combustion engine. A
図7は、本実施形態のレーザ着火装置の制御装置を説明するための構成図である。本実施形態のレーザ着火装置は、内燃機関の気筒に取り付けられた種々のセンサにより得られる信号を解析し、この解析結果に基づいて、半導体レーザの電源及びレンズ入力部駆動装置を制御する制御装置により制御されるのが好ましい。制御装置700は、演算部701と制御部702とにより形成され、内燃機関の気筒に取り付けられた種々のセンサ703、例えば、燃焼室内の圧力、燃焼室内の燃料の濃度、排気管内の排気温度、排気管内の排気中の酸素濃度及び残存燃料濃度等を検知するセンサから送信された信号を演算部701において解析する。解析された結果は、制御部702へ送信され、この制御部702は制御信号を生成し、レンズ入力部駆動装置等の入射径調整手段704に制御信号を出力する。この制御信号により、増幅媒体に照射された励起光が所望の入射径を有するように、レンズ入力部駆動装置704が増幅媒体に対する励起光学系におけるレンズ及び入力部のうちの少なくとも1つの位置を制御する。その後、半導体レーザの稼動を開始した後、レーザ着火装置からパルスレーザが出力されるまでの時間を考慮したタイミングで、半導体レーザの電源705に制御信号を出力し、半導体レーザの電源をon及びoffにする。上記工程を繰り返し行うことにより、内燃機関の気筒内の混合気を適切なタイミングで、着火させることができるので、内燃機関の稼動状況に応じて、所望のように気筒を動作させることができる。なお、レンズ入力部駆動装置に代えて励起光学系駆動装置を用いて、増幅媒体に照射される励起光の入射径を調整する場合には、前記制御装置により励起光学系駆動装置が制御される。
FIG. 7 is a configuration diagram for explaining the control device of the laser ignition device of the present embodiment. The laser ignition device of the present embodiment analyzes signals obtained by various sensors attached to the cylinders of the internal combustion engine, and controls the power source of the semiconductor laser and the lens input unit driving device based on the analysis result Is preferably controlled by. The
次に、図1(a)を参照しながら、レーザ着火装置1の作用について説明する。図1(a)に示すように、半導体レーザ3から出力された励起光2は、光ファイバ4により伝送され入力部14から励起光学系6に入力される。入力された励起光2は励起光学系6における2枚の平凸レンズ15,16により集光され、共振器系10の全反射鏡7を透過して増幅媒体5に入射される。入射された励起光2は増幅媒体5に吸収されて時間と共に励起され反転分布密度が上昇し、誘導放出が起こる。増幅媒体5から発振された光が部分反射鏡8と全反射鏡7とにより形成される共振器内を往復する過程において、可飽和吸収体9が共振器内部を往復する光を吸収して、可飽和吸収体の透過率が上昇するので、共振器に貯蔵されたエネルギーと損失されたエネルギーとの比であるQ値が急激に上昇し、共振器内部を往復する発振波長21及び部分反射鏡8を透過するレーザ光11が急激に増加する。出力の急激な増加に伴い、増幅媒体の反転分布密度は急激に減少するので、共振器内を往復する発振波長21及び部分反射鏡8を透過するレーザ光11は短時間のうちに減少に転じ、出力はジャイアントパルスとなる。ここで、励起光学系駆動装置13により、励起光学系6を共振器系10に近づけると、励起光2の集光点は、増幅媒体5における励起光2が入射される面から離れる方向にシフトする。したがって、増幅媒体5に入射される励起光2の入射径R1は大きくなるので、レーザ着火装置1から発振されるパルスレーザのパルスエネルギーは大きくなる。
Next, the operation of the laser ignition device 1 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1A, the pumping light 2 output from the semiconductor laser 3 is transmitted through the optical fiber 4 and input from the
半導体レーザ3からの励起光2が連続して照射される場合には、上記過程が繰り返されるので、本実施形態のレーザ着火装置1からパルスレーザ11が所定間隔で出力される。一方、増幅媒体5の反転分布密度が閾値に達した後に、半導体レーザ3から出力される励起光2を速やかに止めると、単一のパルスレーザ11となる。
When the excitation light 2 from the semiconductor laser 3 is continuously irradiated, the above process is repeated, so that the pulse laser 11 is output at a predetermined interval from the laser ignition device 1 of the present embodiment. On the other hand, when the inversion distribution density of the
部分反射鏡8から出力されたパルスレーザ11は、出力光学系12における2枚の平凸レンズ17,18により集光されて、出力窓19により隔離された気筒の燃焼室内に結像点22が形成される。この結像点22においては、高い電界が生じる。この電界密度が諸条件によって決まる閾値より高い場合には、ブレークダウンを生じ、この結像点22を起点に燃焼室内の混合気が燃焼する。
The pulse laser 11 output from the partial reflection mirror 8 is condensed by two plano-
本発明に係るレーザ着火装置は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更をすることができる。例えば、励起光学系におけるレンズの種類及び個数は特に限定されず、励起光の増幅媒体に対する入射径を所望のように調整することができれば良い。また、出力光学系におけるレンズの種類及び個数も特に限定されず、内燃機関の燃焼室内における所望の位置にパルスレーザの結像点を有するように調整することができれば良い。 The laser ignition device according to the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, the type and number of lenses in the excitation optical system are not particularly limited as long as the incident diameter of the excitation light with respect to the amplification medium can be adjusted as desired. Further, the type and number of lenses in the output optical system are not particularly limited as long as they can be adjusted so that the imaging point of the pulse laser is provided at a desired position in the combustion chamber of the internal combustion engine.
1、201、301、401 レーザ着火装置
2、202、302、402 励起光
3、203、303、403 半導体レーザ
4、204、304、404 光ファイバ
5、205、305、405 増幅媒体
6、206、306、406 励起光学系
7、207、307、407 全反射鏡
8、208、308、408 部分反射鏡
9、209、309、409 可飽和吸収体
10、210、310、410 共振器系
11、211、311、411 レーザ光
12、212、312、412 出力光学系
13、213、313、413 入射径調整手段、励起光学系駆動装置、レンズ入力部駆動装置
14、214、314、414 入力部
15、16、17、18、215、216、217、218、315、316、317、318、415、416、417、418 平凸レンズ
19、219、319、419 出力窓
20、220、320、420 集光点
21、221、321、421 発振波長
22、222、322、422 結像点
321、421 凸レンズ
600 気筒
601 シリンダブロック
602 シリンダヘッド
603 ピストン
604 燃焼室
605 吸入管
606 吸入弁
607 排気管
608 排気弁
700 制御装置
701 演算部
702 制御部
703 センサ
704 入射径調整手段
705 電源
R1、R2、R3、R4 入射径
1, 201, 301, 401 Laser ignition device 2, 202, 302, 402 Excitation light 3, 203, 303, 403 Semiconductor laser 4, 204, 304, 404 Optical fiber 5, 205, 305, 405 Amplifying medium 6, 206, 306, 406 Excitation optical system 7, 207, 307, 407 Total reflection mirror 8, 208, 308, 408 Partial reflection mirror 9, 209, 309, 409 Saturable absorber 10, 210, 310, 410 Resonator system 11, 211 311, 411 Laser light 12, 212, 312, 412 Output optical system 13, 213, 313, 413 Incident diameter adjusting means, excitation optical system drive device, lens input unit drive device 14, 214, 314, 414 input unit 15, 16, 17, 18, 215, 216, 217, 218, 315, 316, 317, 318, 415, 416, 417, 418 Plano-convex lens 19, 219, 319, 419 Output window 20, 220, 320, 420 Condensing point 21, 221, 321, 421 Oscillation wavelength 22, 222, 322, 422 Imaging point 321, 421 Convex lens 600 Cylinder 601 Cylinder block 602 Cylinder head 603 Piston 604 Combustion chamber 605 Suction pipe 606 Suction valve 607 Exhaust pipe 608 Exhaust valve 700 Controller 701 Calculation section 702 Control section 703 Sensor 704 Incident diameter adjusting means 705 Power supply R1, R2, R3, R4 Incident Diameter
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Legal Events
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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