JP2010014030A - Laser ignition device - Google Patents

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Masaaki Ueki
正聡 上木
Takaharu Inoue
隆治 井上
Shinji Ishikawa
真二 石川
Manabu Shiozaki
学 塩崎
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Niterra Co Ltd
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NGK Spark Plug Co Ltd
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser ignition device capable of achieving at least one of reduction of a number of lenses for collecting a leaser beam or reduction of the length in an optical axis direction in the laser ignition device compared to a laser ignition device of which surface on a side for taking out the laser beam in an output mirror is plane. <P>SOLUTION: The laser ignition device for igniting fuel in a combustion chamber of an internal combustion engine is provided with a Q switch solid laser oscillator wherein the output mirror is one of a biconcave lens, a plano-concave lens and a meniscus concave lens, and the surface on the side for taking out the laser beam is a concave surface; and an output optical system for collecting the laser beam output from the Q switch solid laser oscillator in the combustion chamber. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、レーザ着火装置に関し、特に出力鏡における、レーザ光を取り出す側の面が平面であるレーザ着火装置に比べて、レーザ光を集光するためのレンズの数が少ないか、又はレーザ着火装置における、光軸方向の長さが短いかのいずれか少なくとも一方を達成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 in particular, the number of lenses for condensing laser light is smaller than that of a laser ignition device having a flat surface on the side from which laser light is extracted in an output mirror, or laser ignition. The present invention relates to a laser ignition device that can achieve at least one of the lengths in the optical axis direction of the device being short.

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、共振器をQスイッチ発振させて高エネルギーのパルスを発生させるレーザ発生装置が広く利用されている。Qスイッチには能動Qスイッチと受動Qスイッチとがある。能動Qスイッチの代表例としては、共振器内に挿入されたミラーやプリズムの方向を機械的に制御したり、同様に共振器内に挿入された電気光学素子、音響光学素子等の発振波長に対する透過率を外部からのスイッチングにより変化させたりする手法が挙げられる。受動Qスイッチの代表例としては、Cr4+:YAG等の可飽和吸収体を共振器内に挿入する手法が挙げられる。 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 giant pulses, laser generators that generate high energy pulses by Q-switch oscillation of a resonator are widely used. The Q switch includes an active Q switch and a passive Q switch. As a typical example of an active Q switch, the direction of a mirror or a prism inserted in the resonator is mechanically controlled, and similarly, an oscillation wavelength of an electro-optic element, an acousto-optic element, or the like inserted in the resonator. There is a method of changing the transmittance by switching from the outside. A typical example of the passive Q switch is a method of inserting a saturable absorber such as Cr 4+ : YAG into the resonator.

可飽和吸収体を利用した受動Qスイッチングには、励起光源の強度の変動によるパルスエネルギーの変化が少ないこと、電気もしくは機械的要素を付加することなく、レーザ光学系に可飽和吸収体を挿入するだけでパルスが得られるという特徴があるので、受動Qスイッチは簡便なパルス発生手法として知られている。   In passive Q switching using a saturable absorber, there is little change in pulse energy due to fluctuations in the intensity of the excitation light source, and a saturable absorber is inserted into the laser optical system without adding electrical or mechanical elements. The passive Q switch is known as a simple pulse generation method because it has a feature that a pulse can be obtained only by the above method.

受動Qスイッチによるパルスレーザ発振装置の中でも、代表的な構成のパルスレーザ発振装置として、ファブリペロー型共振器の光軸に沿って励起光が導入される端面励起型のパルスレーザ発振装置が挙げられる。   Among pulse laser oscillators with a passive Q switch, a typical example of a pulse laser oscillator is an end face excitation type pulse laser oscillator in which excitation light is introduced along the optical axis of a Fabry-Perot resonator. .

特に、励起光を透過し発振光を全反射する誘電体多層膜コーティングを板状の固体増幅媒体の一方の面に形成し、この誘電体多層膜コーティング面をファブリペロー型共振器の一方の端面とし、コーティング面に対して固体増幅媒体側には、平凹レンズを配置し、この凹面に発振光の一部を反射する誘電体多層膜コーティングを形成し、この誘電体多層膜コーティング面をファブリペロー型共振器の他方の端面とすることによって構成されるファブリペロー型共振器は、構成の単純さ、個々の光学素子の作製のし易さ、調整のし易さにより、広く利用されている。   In particular, a dielectric multilayer coating that transmits excitation light and totally reflects oscillation light is formed on one surface of a plate-shaped solid amplification medium, and this dielectric multilayer coating surface is formed on one end surface of a Fabry-Perot resonator. A plano-concave lens is arranged on the solid amplification medium side with respect to the coating surface, and a dielectric multilayer coating that reflects part of the oscillation light is formed on the concave surface, and this dielectric multilayer coating surface is Fabry-Perot. The Fabry-Perot resonator configured by using the other end face of the type resonator is widely used due to the simplicity of the configuration, the ease of manufacture of individual optical elements, and the ease of adjustment.

このようなファブリペロー型共振器を利用した受動Qスイッチレーザおよびそれを応用したレーザ着火装置は、良く知られた公知技術であり、特許文献1、特許文献2等多数の文献に記載されている。   A passive Q-switched laser using such a Fabry-Perot resonator and a laser ignition device using the passive Q-switched laser are well-known technologies, and are described in many documents such as Patent Document 1 and Patent Document 2. .

ところで、このようなレーザ着火装置を内燃機関に使用する場合には、パルスレーザを着火させたい位置に集光し、さらにその集光径を十分小さくすることにより、同位置における電界強度を極端に高くする必要がある。その集光径は一般的には0.05mm、好ましくは0.02mm以下であると言われている。所望の集光径を有するパルスレーザを得るためには、少なくとも2枚のレンズを用いてパルスレーザの径を拡大した後に集光させるか、又は、パルスレーザの径が十分に拡大されるだけの距離を設けて、拡大されたパルスレーザをレンズにより集光させる方法が考えられる。しかし、前者はレンズの数を追加する必要があるので、部品点数の増加とその調整の手間と共にコストが増大するといった問題があった。後者は、レーザが出力されてから集光点までの距離が長くなってしまうので、受動Qスイッチパルスレーザ共振器の長大化を招くといった問題があった。   By the way, when such a laser ignition device is used for an internal combustion engine, the pulse laser is condensed at a position where it is desired to be ignited, and further the diameter of the condensed light is made sufficiently small so that the electric field strength at the same position is extremely reduced. Need to be high. The condensing diameter is generally said to be 0.05 mm, preferably 0.02 mm or less. In order to obtain a pulse laser having a desired condensing diameter, the diameter of the pulse laser is enlarged after being enlarged using at least two lenses, or the diameter of the pulse laser is sufficiently enlarged. A method of condensing the enlarged pulse laser with a lens at a distance is conceivable. However, since the former needs to add the number of lenses, there is a problem that the cost increases with the increase in the number of parts and the trouble of adjustment. The latter has a problem that the distance from the laser output to the condensing point becomes long, leading to an increase in the length of the passive Q-switch pulse laser resonator.

特開平01−112788号公報JP-A-01-112788 特開2006−329186号公報JP 2006-329186 A

本発明の課題は、出力鏡における、レーザ光を取り出す側の面が平面であるレーザ着火装置に比べて、レーザ光を集光するためのレンズの数が少ないか、又はレーザ着火装置における光軸方向の長さが短いかのいずれか少なくとも一方を達成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 problem of the present invention is that the number of lenses for condensing the laser light is smaller than that of a laser ignition device in which the surface on the laser beam extraction side in the output mirror is a flat surface, or the optical axis in the laser ignition device. It is an object of the present invention to provide a laser ignition device capable of achieving at least one of the short direction lengths.

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、出力鏡が両凹レンズ、平凹レンズ、及びメニスカス凹レンズのうちのいずれか1つであり、かつレーザ光を取り出す側の面が凹面であるQスイッチ固体レーザ発振器とこのQスイッチ固体レーザ発振器から出力されたレーザ光を前記燃焼室内に集光させる出力光学系とを有す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Qスイッチ固体レーザ発振器は、反射鏡と出力鏡との間に増幅媒体と可飽和吸収体とを有す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、
前記出力鏡が、両凹レンズにより形成され、レーザ光を取り出す側の面の曲率半径が反射鏡に対向する側の面の曲率半径よりも小さい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、
さらに、前記増幅媒体に励起光を集光させる励起光学系を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のレーザ着火装置であり、
請求項5は、
さらに、前記増幅媒体を励起させる励起光を供給する励起光源を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のレーザ着火装置である。
As means for solving the problems,
Claim 1
A laser ignition device for igniting fuel in a combustion chamber of an internal combustion engine, wherein an output mirror is any one of a biconcave lens, a planoconcave lens, and a meniscus concave lens, and a surface on the side from which laser light is extracted is concave A Q-switched solid-state laser oscillator and an output optical system for condensing the laser light output from the Q-switched solid-state laser oscillator in the combustion chamber,
Claim 2
2. The laser ignition device according to claim 1, wherein the Q-switched solid-state laser oscillator includes an amplification medium and a saturable absorber between a reflecting mirror and an output mirror.
Claim 3
3. The laser according to claim 1, wherein the output mirror is formed of a biconcave lens, and a radius of curvature of a surface on the side from which laser light is extracted is smaller than a radius of curvature of a surface on the side facing the reflecting mirror. An ignition device,
Claim 4
The laser ignition device according to any one of claims 1 to 3, further comprising an excitation optical system for condensing excitation light on the amplification medium.
Claim 5
Furthermore, it has an excitation light source which supplies the excitation light which excites the said amplification medium, It is a laser ignition apparatus as described in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.

本発明に係るレーザ着火装置によると、Qスイッチ固体レーザ発振器における出力鏡が、両凹レンズ、平凹レンズ、及びメニスカス凹レンズのうちのいずれか1つであり、レーザ光を取り出す側の面、すなわちQスイッチ固体レーザ発振器からレーザ光が出力される方向を順方向として下流側の面(以下において、出射側の面と称することもある。)が凹面であるので、出力鏡における、レーザ光を取り出す側の面が平面である出力鏡に比べて、Qスイッチ固体レーザ発振器から出力されたレーザ光の広がり角が大きくなる。したがって、出力光学系において、レーザ光の径、すなわちレーザ光の光軸方向に直交する断面の半径を大きくするためのレンズを設ける必要がない。また、出力鏡における、レーザ光を取り出す側の面が凹面であるので、Qスイッチ固体レーザ発振器から出力されたレーザ光の径が十分に大きくなり、さらに集光レンズによりレーザ光の径を小さくすることができる。その結果、出力光学系における光軸方向の長さを短くすることができる。したがって、従来の出力鏡における、レーザ光を取り出す側の面が平面であるレーザ着火装置に比べて、レーザ光を集光するためのレンズの数が少ないか、又はレーザ着火装置における光軸方向の長さが短いかのいずれか少なくとも一方を達成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。   According to the laser ignition device of the present invention, the output mirror in the Q-switch solid-state laser oscillator is any one of a biconcave lens, a plano-concave lens, and a meniscus concave lens. Since the downstream surface (hereinafter also referred to as the emission side surface) is a concave surface with the direction in which the laser beam is output from the solid-state laser oscillator as the forward direction, the laser beam in the output mirror on the side from which the laser beam is extracted. Compared to an output mirror having a flat surface, the spread angle of the laser light output from the Q-switched solid-state laser oscillator is increased. Therefore, it is not necessary to provide a lens for increasing the diameter of the laser beam, that is, the radius of the cross section perpendicular to the optical axis direction of the laser beam in the output optical system. In addition, since the surface on the laser output side of the output mirror is concave, the diameter of the laser light output from the Q-switched solid-state laser oscillator is sufficiently large, and the diameter of the laser light is further reduced by the condenser lens. be able to. As a result, the length of the output optical system in the optical axis direction can be shortened. Therefore, the number of lenses for condensing the laser light is smaller than that of the conventional output mirror in which the laser light extraction surface is a flat surface, or in the optical axis direction of the laser ignition device. A laser ignition device capable of achieving at least one of the short lengths can be provided.

前記出力鏡が両凹レンズの場合は、レーザ光を取り出す側の面の曲率半径が反射鏡に対向する側の面の曲率半径よりも小さいと、より一層Qスイッチ固体レーザ発振器から出力されたレーザ光の広がり角が大きくなるので、より一層励起光学系の光軸方向の長さを短くすることができ、その結果、全長の短いレーザ着火装置を提供することができる。   When the output mirror is a biconcave lens, if the radius of curvature of the surface from which the laser light is extracted is smaller than the radius of curvature of the surface facing the reflecting mirror, the laser light output from the Q-switched solid-state laser oscillator is further increased. Therefore, the length of the excitation optical system in the optical axis direction can be further shortened, and as a result, a laser ignition device with a short overall length can be provided.

さらに、増幅媒体に励起光を集光させる励起光学系を有すると、増幅媒体の表面に入射される励起光の入射径を所望のように設定することができる。その結果、パルスエネルギーを所望のように設定することができる。   Furthermore, when the amplification medium has an excitation optical system that condenses the excitation light, the incident diameter of the excitation light incident on the surface of the amplification medium can be set as desired. As a result, the pulse energy can be set as desired.

まず、図1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、反射鏡7と出力鏡8との間に増幅媒体5と可飽和吸収体9とを有するQスイッチ固体レーザ発振器10と、前記Qスイッチ固体レーザ発振器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. 1 is an explanatory diagram of a configuration 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 amplification medium 5. A Q-switched solid-state laser oscillator 10 having an amplifying medium 5 and a saturable absorber 9 between an excitation optical system 6 to be performed, a reflecting mirror 7 and an output mirror 8, and a laser output from the Q-switched solid-state laser oscillator 10 And an output optical system 12 for condensing the light 11 in the combustion chamber of the internal combustion engine.

励起光源の一例である半導体レーザ3は、Qスイッチ固体レーザ発振器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Qスイッチ固体レーザ発振器10から所望のエネルギーを有するパルスレーザ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, has desired energy from the Q-switched solid-state laser oscillator 10 by irradiating the amplification medium 5 in the Q-switched solid-state laser oscillator 10 with the excitation light 2 and exciting the amplification medium 5. As long as a pulse laser can be output, a known semiconductor laser can be employed.

光ファイバ4は、励起光源の一例である半導体レーザ3から出力された励起光2を伝送し、Qスイッチ固体レーザ発振器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Qスイッチ固体レーザ発振器10から所望のエネルギーを有するパルスレーザ11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2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13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 2 output from the semiconductor laser 3 which is an example of the excitation light source, and irradiates the amplification medium 5 in the Q-switch solid-state laser oscillator 10 with the excitation light 2 to excite the amplification medium 5. As long as the pulse laser 11 having desired energy can be output from the Q-switched solid-state laser oscillator 10, a known optical fiber can be used. The pumping light 2 output from the semiconductor laser 3 may be condensed by the pumping optical system 6 without being passed through the optical fiber 4 and irradiated to the amplification medium 5. It is preferable to make the excitation light 2 incident on the excitation optical system 6 because the semiconductor laser 3 can be placed away from the internal combustion engine and is less susceptible to the heat of the internal combustion engine.

励起光学系6は、励起光2が供給される入力部13と少なくとも一枚のレンズ14,15とを有し、励起光源の一例である半導体レーザ3から出力された励起光2を集光し、所望の入射径で増幅媒体5に入射させることができる限り、任意の形状のレンズ、例えば、両凹レンズ、両凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、メニスカス凹レンズ、及びメニスカス凸レンズ等を配置することができる。本実施形態においては、励起光学系6は、入力部13と励起光2の下流側が凸部の平凸レンズ14と励起光の上流側が凸部の平凸レンズ15が、励起光が照射される側からこの順に配置され、入力部13から入力された励起光2がこの二枚のレンズ14,15を用いてコリメート後に集光され、Qスイッチ固体レーザ発振器10における反射鏡7を透過して増幅媒体5に入射されている。なお、入射径とは、入射光と直交する断面内における光強度分布を考えた場合、ピーク光強度の1/e(eは自然対数を表す。)となる領域を円で近似した場合の直径である。 The excitation optical system 6 includes an input unit 13 to which the excitation light 2 is supplied and at least one lens 14 and 15, and condenses the excitation light 2 output from the semiconductor laser 3 which is an example of the excitation light source. As long as it can enter the amplification medium 5 with a desired incident diameter, a lens having an arbitrary shape, for example, a biconcave lens, a biconvex lens, a planoconcave lens, a planoconvex lens, a meniscus concave lens, a meniscus convex lens, or the like can be disposed. . In the present embodiment, the excitation optical system 6 includes a plano-convex lens 14 having a convex portion on the downstream side of the input unit 13 and the excitation light 2 and a plano-convex lens 15 having a convex portion on the upstream side of the excitation light from the side irradiated with the excitation light. The pumping light 2 arranged in this order and input from the input unit 13 is collected after collimation using the two lenses 14 and 15, passes through the reflecting mirror 7 in the Q-switch solid-state laser oscillator 10, and is amplified. Is incident. The incident diameter is a value obtained by approximating a region that is 1 / e 2 (e represents a natural logarithm) of the peak light intensity with a circle when considering the light intensity distribution in a cross section orthogonal to the incident light. Is the diameter.

励起光2は、増幅媒体5のうち、Qスイッチ固体レーザ発振器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、Qスイッチ固体レーザ発振器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、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 Q-switched solid-state laser oscillator 10 in the amplification medium 5. In the laser ignition device 1 according to this embodiment, the Q-switching solid-state is used. An excitation optical system 6 is arranged on an extension line of the optical axis of the laser oscillator 10, and the excitation light 2 collected by the excitation optical system 6 passes through the reflecting mirror 7 and reaches the surface of the plate-like amplification medium 5. Irradiated vertically. In addition, for example, the excitation optical system 6 may be arranged at a position where the excitation light 2 is incident obliquely with respect to the surface of the amplification medium 5 on which the excitation light 2 is incident.

この実施形態のQスイッチ固体レーザ発振器10は、反射鏡7と出力鏡8とが相対向して配置されており、反射鏡7と出力鏡8との間に増幅媒体5と可飽和吸収体9が配置されて、受動Qスイッチ固体レーザ発振器を形成している。Qスイッチ固体レーザ発振器は、内燃機関おける燃焼室内の燃料に点火することのできる性能、特に所望のエネルギーを有するパルスレーザを所望のタイミングで出力することができればよく、可飽和吸収体に代えて、音響光学素子、電気光学素子、又は超音波を使用するスイッチ法又は回転鏡を使用する方法等の能動Qスイッチ固体レーザ発振器も採用することができる。可飽和吸収体を配置することによりパルスレーザを発振する方法は、励起光源から出力される励起光の強度の変動によるパルスエネルギーの変動が少ないこと、電気もしくは機械的要素を付加することなく、反射鏡と出力鏡との間に可飽和吸収体を挿入するだけでパルスレーザが得られるので、簡便であり好ましい。   In the Q-switched solid-state laser oscillator 10 of this embodiment, the reflecting mirror 7 and the output mirror 8 are arranged to face each other, and the amplification medium 5 and the saturable absorber 9 are disposed between the reflecting mirror 7 and the output mirror 8. Are arranged to form a passive Q-switched solid state laser oscillator. The Q-switched solid-state laser oscillator only needs to be able to output a pulse laser having a desired energy at a desired timing, which can ignite the fuel in the combustion chamber of the internal combustion engine, and instead of the saturable absorber, An active Q-switched solid-state laser oscillator such as an acousto-optic device, an electro-optic device, or a switch method using ultrasonic waves or a method using a rotating mirror can also be employed. The method of oscillating a pulsed laser by arranging a saturable absorber is such that there is little fluctuation in pulse energy due to fluctuations in the intensity of pumping light output from the pumping light source, and reflection without adding electrical or mechanical elements. Since a pulse laser can be obtained simply by inserting a saturable absorber between the mirror and the output mirror, it is convenient and preferable.

反射鏡7と出力鏡8と増幅媒体5と可飽和吸収体9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。Qスイッチ固体レーザ発振器10の構成としては、例えば、図1に示すように、反射鏡7と増幅媒体5と可飽和吸収体9とが密着して形成され、反射鏡7と出力鏡8との間でファブリペロー型共振器が形成される。この他にも、パルスレーザを発振することができる限り任意の共振器の構成を採用することができ、例えばリング型共振器及び複合型共振器等を採用することができる。   As the optical components such as the reflecting mirror 7, the output mirror 8, the amplification medium 5, and the saturable absorber 9, known optical components can be adopted as long as a pulse laser having desired energy can be output. For example, as shown in FIG. 1, the Q-switched solid-state laser oscillator 10 is formed such that the reflecting mirror 7, the amplification medium 5, and the saturable absorber 9 are in close contact with each other. A Fabry-Perot resonator is formed between them. In addition, any resonator configuration can be adopted as long as the pulse laser can be oscillated. For example, a ring resonator and a composite resonator can be used.

反射鏡7は、増幅媒体5から発振される発振光16を99%より大きな反射率(ほぼ100%の反射率)で反射し、励起光を透過するのが好ましい。図1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、板状の増幅媒体5における励起光2が入射される側の表面に誘電体多層膜がコーティングされることにより反射鏡7が形成されているが、反射鏡7は、独立した部品として配置されても良い。出力鏡8は、増幅媒体5から発振される発振光16を10〜98%の反射率で反射するのが好ましく、60〜90%の反射率で反射するのが特に好ましく、その残りの発振光16は透過する。図1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、両側の面の曲率半径が等しい両凹レンズにおいて、反射鏡7に対向する側の表面に誘電体多層膜がコーティングされることにより出力鏡8が形成されているが、出力鏡8は、両凹レンズに誘電体多層膜をコーティングすることにより発振光16の一部を反射させるのではなく、両凹レンズが発振光16の一部を反射する材料で形成されてもよい。反射鏡7は、反射鏡7と出力鏡8との間で増幅媒体5から誘導放出される光が往復し、レーザ光11を発振させることができる限り、任意の形状を有することができ、例えば、平面レンズ、両凹レンズ、両凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、メニスカス凹レンズ、及びメニスカス凸レンズ等の形状を採用することができる。出力鏡8は、反射鏡7と出力鏡8との間で増幅媒体5から誘導放出される光が往復し、レーザ光11を発振させることができ、かつレーザ光の拡がり角を大きくすることができる限り、任意の形状を有することができ、例えば、両凹レンズ、平凹レンズ、メニスカス凹レンズ等の形状を採用することができ、このとき常にレーザ光を取り出す側の面が凹面となる。   The reflecting mirror 7 preferably reflects the oscillation light 16 oscillated from the amplification medium 5 with a reflectance greater than 99% (a reflectance of approximately 100%) and transmits the excitation light. As shown in FIG. 1, in the laser ignition device 1 of the present embodiment, the reflecting mirror 7 is formed by coating a dielectric multilayer film on the surface of the plate-like amplification medium 5 on the side where the excitation light 2 is incident. Although formed, the reflecting mirror 7 may be arranged as an independent component. The output mirror 8 preferably reflects the oscillation light 16 oscillated from the amplification medium 5 with a reflectance of 10 to 98%, particularly preferably with a reflectance of 60 to 90%, and the remaining oscillation light 16 is transparent. As shown in FIG. 1, in the laser ignition device 1 of the present embodiment, a dielectric multilayer film is coated on the surface facing the reflecting mirror 7 in the biconcave lens having the same curvature radius on both sides. Although the output mirror 8 is formed, the output mirror 8 does not reflect a part of the oscillation light 16 by coating the biconcave lens with the dielectric multilayer film, but the biconcave lens reflects a part of the oscillation light 16. It may be made of a reflective material. The reflecting mirror 7 can have an arbitrary shape as long as the light stimulated and emitted from the amplification medium 5 reciprocates between the reflecting mirror 7 and the output mirror 8 and can oscillate the laser light 11. A shape such as a flat lens, a biconcave lens, a biconvex lens, a planoconcave lens, a planoconvex lens, a meniscus concave lens, and a meniscus convex lens can be adopted. The output mirror 8 can oscillate the laser light 11 between the reflecting mirror 7 and the output mirror 8 so that the light stimulated and emitted from the amplification medium 5 can reciprocate, and can increase the spread angle of the laser light. As long as possible, it can have an arbitrary shape. For example, a biconcave lens, a plano-concave lens, a meniscus concave lens, or the like can be employed. At this time, the surface on the side from which laser light is extracted is always a concave surface.

反射鏡7と増幅媒体5と可飽和吸収体9と出力鏡8とは、通常励起光2が照射される側からこの順に配置される。しかし、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等には、増幅媒体5と可飽和吸収体9との順番を入れ替えることもできる。また、反射鏡7と増幅媒体5と可飽和吸収体9と出力鏡8とは、すべての光学部品が密着して形成されても良いし、これらの光学部品のうちの少なくとも2つが密着して形成され、残りの光学部品が独立して形成されても良いし、すべての光学部品が独立して形成されても良い。   The reflecting mirror 7, the amplifying medium 5, the saturable absorber 9, and the output mirror 8 are arranged in this order from the side irradiated with the normal excitation light 2. However, when the saturable absorber 9 is a material that does not absorb the excitation light 2, the order of the amplification medium 5 and the saturable absorber 9 can be switched. Further, the reflecting mirror 7, the amplifying medium 5, the saturable absorber 9, and the output mirror 8 may be formed so that all the optical components are in close contact, or at least two of these optical components are in close contact. The remaining optical components may be formed independently, or all the optical components may be formed independently.

増幅媒体5は、励起光源の一例である半導体レーザ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に示す例においては板状であるが、増幅媒体5の形状は、Qスイッチ固体レーザ発振器10の内部で往復する光が発生し、Qスイッチ固体レーザ発振器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、Qスイッチ固体レーザ発振器10の内部で往復する光が発生し、Qスイッチ固体レーザ発振器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、Qスイッチ固体レーザ発振器10の要求性能に応じて適宜調整すれば良い。   The amplification medium 5 is a material that is excited to emit light by being irradiated with the excitation light 2 output from the semiconductor laser 3 that is an example of the excitation light source. For example, Nd: YAG, Yb: YAG, and the like. Single crystals and ceramics are preferably used. The shape of the amplifying medium 5 is plate-like in the example shown in FIG. 1, but the shape of the amplifying medium 5 is such that light reciprocates inside the Q-switched solid-state laser oscillator 10, and the Q-switched solid-state laser oscillator 10 The laser beam 11 is not particularly limited as long as it can be output, and may have a convex lens shape, a concave lens shape, or the like. The size of the amplifying medium 5 is not particularly limited as long as the light reciprocating inside the Q-switched solid-state laser oscillator 10 is generated and the laser beam 11 can be output from the Q-switched solid-state laser oscillator 10. What is necessary is just to adjust suitably according to the performance requirement of the oscillator 10.

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ができ、Qスイッチとしての機能を有す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 saturable absorber 9 can change the light transmittance by absorbing light stimulated and emitted from the amplification medium 5, and is not particularly limited as long as it has a function as a Q switch. For example, Cr 4+ : YAG is preferably used.

出力光学系12は、少なくとも一枚のレンズを有し、Qスイッチ固体レーザ発振器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所望の集光径で集光させることができる限り、任意の形状のレンズ、例えば、両凹レンズ、両凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、メニスカス凹レンズ、及びメニスカス凸レンズ等を配置することができる。本実施形態においては、集光レンズとして両凸レンズ17が一枚配置されている。本実施形態においては、出力鏡8におけるレーザ光11を取り出す側の面が凹状に形成されているので、レーザ光11の拡がり角が大きくなり、レーザ光11の径が速やかに拡大される。したがって、出力鏡8における、レーザ光11を取り出す側の面が平面である従来のレーザ着火装置に比べて、一枚の両凸レンズ17でレーザ光を集光させるだけで、出力鏡8から集光点18までの距離を短くすることができる。   The output optical system 12 has at least one lens and can focus the pulse laser 11 output from the Q-switched solid-state laser oscillator 10 to a desired position in the combustion chamber of the internal combustion engine with a desired condensing diameter. As long as possible, a lens having an arbitrary shape, for example, a biconcave lens, a biconvex lens, a planoconcave lens, a planoconvex lens, a meniscus concave lens, and a meniscus convex lens can be arranged. In the present embodiment, one biconvex lens 17 is disposed as a condenser lens. In the present embodiment, the surface on the side from which the laser beam 11 is extracted in the output mirror 8 is formed in a concave shape, so that the divergence angle of the laser beam 11 is increased and the diameter of the laser beam 11 is rapidly expanded. Therefore, as compared with the conventional laser ignition device in which the surface on the side from which the laser beam 11 is extracted in the output mirror 8 is flat, the laser beam is condensed by only one biconvex lens 17. The distance to the point 18 can be shortened.

さらに詳しく、出力鏡におけるレーザ光を取り出す側の面が凹状に形成されていることの利点について説明する。内燃機関における燃焼室内の燃料をレーザ光によって着火させるためには、数mJ〜数十mJという高エネルギーを有し、かつパルス幅がns程度のパルスレーザを0.05mm以下の小径のスポットに集光させることにより、高い電界強度を得る必要がある。この中でも、パルスレーザを小径のスポットに集光させる方法として、レーザ光を十分に拡げて、レーザ光の径を大きくし、さらに集光レンズにより集光することが考えられる。レーザ光の径を大きくすることなく、集光レンズにより集光させた場合には、レーザ光を絞ることができず、集光径をある値より小さくすることはできない。したがって、所定の集光径を有するようにレーザ光を集光させたい場合には、レーザ光の径を所定値まで大きくする必要がある。レーザ光を拡げて、レ−ザ光の径を所定値まで大きくする方法としては、レーザ光の径が所定値に達することのできる十分な距離をとって、集光レンズを配置する方法がある。しかし、この場合、出力鏡と集光レンズとの距離が長くなってしまう傾向がある。レーザ光の拡がり角が小さい場合には、特に出力鏡と集光レンズとの距離が長くなるので、励起光学系の光軸方向の距離が長くなり、結果としてレーザ着火装置の長大化を招くことになってしまう。レーザ光を拡げて、レーザ光の径を所定値まで大きくする他の方法としては、出力鏡と集光レンズとの間にレンズを配置することにより、レーザ光の径を大きくする法が考えられる。しかし、レーザ光を拡大するためのレンズを追加する必要があるので、レンズの数の増加とその調整の手間と共にコストの増大につながってしまう。拡大させたレーザ光を集光するための集光レンズは、燃焼室内の所望の位置にレーザ光を集光させることができる限り、任意のレンズを採用することができ、凸レンズを使用した場合には、後側焦点距離の短い凸レンズを使用する程、集光レンズとレーザ光の集光点との距離を短くすることができる。本実施形態のレーザ着火装置のように、出力鏡におけるレーザ光を取り出す側の面が凹状に形成されていれば、上記問題を生じることなく、速やかにレーザ光を拡げ、所望の集光径を有するようにレーザ光を集光させることができる。   In more detail, an advantage of the concave surface of the output mirror on the side from which laser light is extracted will be described. In order to ignite the fuel in the combustion chamber of an internal combustion engine with a laser beam, a pulse laser having a high energy of several mJ to several tens of mJ and a pulse width of about ns is collected in a spot having a small diameter of 0.05 mm or less. It is necessary to obtain a high electric field strength by making it light. Among these, as a method of condensing the pulse laser to a spot having a small diameter, it is conceivable to sufficiently expand the laser light, increase the diameter of the laser light, and further condense it with a condensing lens. When the light is condensed by the condensing lens without increasing the diameter of the laser light, the laser light cannot be narrowed down and the condensing diameter cannot be made smaller than a certain value. Therefore, when it is desired to condense laser light so as to have a predetermined condensing diameter, it is necessary to increase the diameter of the laser light to a predetermined value. As a method of expanding the laser beam and increasing the laser beam diameter to a predetermined value, there is a method of arranging a condensing lens with a sufficient distance that the laser beam diameter can reach the predetermined value. . However, in this case, the distance between the output mirror and the condenser lens tends to be long. When the divergence angle of the laser beam is small, the distance between the output mirror and the condenser lens is particularly long, so that the distance in the optical axis direction of the excitation optical system is increased, resulting in an increase in the length of the laser ignition device. Become. As another method of expanding the laser beam and increasing the laser beam diameter to a predetermined value, a method of increasing the laser beam diameter by arranging a lens between the output mirror and the condenser lens is conceivable. . However, since it is necessary to add a lens for enlarging the laser light, this leads to an increase in cost as well as an increase in the number of lenses and adjustment work. As the condensing lens for condensing the expanded laser light, any lens can be adopted as long as the laser light can be condensed at a desired position in the combustion chamber. When a convex lens is used, As the convex lens having a shorter rear focal length is used, the distance between the condensing lens and the condensing point of the laser beam can be shortened. If the surface of the output mirror on the side from which the laser beam is extracted is formed in a concave shape as in the laser ignition device of this embodiment, the laser beam can be expanded quickly without causing the above-described problem, and the desired focused diameter can be increased. The laser beam can be condensed so as to have.

図2は、本発明に係るレーザ着火装置の他の実施形態を示す構成説明図である。本実施形態のレーザ着火装置は、図1に示したレーザ着火装置において、出力鏡におけるレーザ光を取り出す側の面の曲率半径が反射鏡に対向する側の面の曲率半径よりも小さいこと以外は、図1に示したレーザ着火装置と同様の構成である。出力鏡208におけるレーザ光211を取り出す側の面の曲率半径が小さいほど、出力鏡208から出力されるレーザ光211の拡がり角は大きくなり、速やかに拡大されるので、出力鏡208と両凸レンズ217により成る集光レンズとの距離を短くすることができる。したがって、出力鏡8におけるレーザ光11を取り出す側の面の曲率半径と反射鏡7に対向する側の面の曲率半径が等しい場合を示す図1のレーザ着火装置よりも、出力光学系212の光軸方向の長さを短くすることができる。その結果、レーザ着火装置201におけるレーザ光211の出力方向の長さを短くすることができる。   FIG. 2 is a structural explanatory view showing another embodiment of the laser ignition device according to the present invention. The laser ignition device of the present embodiment is the same as the laser ignition device shown in FIG. 1 except that the radius of curvature of the surface on the side of the output mirror from which laser light is extracted is smaller than the radius of curvature of the surface on the side facing the reflecting mirror. The configuration is the same as that of the laser ignition device shown in FIG. As the radius of curvature of the output mirror 208 on the side from which the laser beam 211 is extracted is smaller, the divergence angle of the laser beam 211 output from the output mirror 208 increases and is quickly expanded. Therefore, the output mirror 208 and the biconvex lens 217 are enlarged. It is possible to shorten the distance from the condenser lens. Therefore, the light of the output optical system 212 is more than the laser ignition device of FIG. 1 showing the case where the radius of curvature of the surface from which the laser beam 11 is extracted in the output mirror 8 is equal to the radius of curvature of the surface facing the reflecting mirror 7. The axial length can be shortened. As a result, the length of the laser light 211 in the output direction of the laser ignition device 201 can be shortened.

図3は、本発明に係るレーザ着火装置の他の実施形態を示す構成説明図である。本実施形態のレーザ着火装置は、図1に示したレーザ着火装置において、出力鏡における反射鏡に対向する側の面を平面とし、反射鏡と増幅媒体と可飽和吸収体と出力鏡とを、励起光が照射される側からこの順に密着させて配置したこと以外は、図1に示したレーザ着火装置と同様の構成である。本実施形態のレーザ着火装置は、反射鏡307と増幅媒体305と可飽和吸収体309と出力鏡308とを密着させて配置しているので、レーザ着火装置301における光軸方向の長さを短くすることができる。本構成では、Qスイッチ固体レーザ発振器310の長さが短いために、比較的短時間かつ高ピークパワーのパルスが得られること、またQスイッチ固体レーザ発振器310の長さが短く個々の光学部品が接触しているため、Qスイッチ固体レーザ発振器310の内部損失が少ないばかりでなく、各部品の平行度が良好である限りにおいてはアラインメントの必要がほとんどなく、容易にレーザを発振させられる。   FIG. 3 is a structural explanatory view showing another embodiment of the laser ignition device according to the present invention. The laser ignition device of the present embodiment is the laser ignition device shown in FIG. 1, the surface of the output mirror facing the reflecting mirror is a plane, the reflecting mirror, the amplification medium, the saturable absorber, and the output mirror, The configuration is the same as that of the laser ignition device shown in FIG. 1 except that it is arranged in close contact with the excitation light in this order. In the laser ignition device of this embodiment, the reflecting mirror 307, the amplifying medium 305, the saturable absorber 309, and the output mirror 308 are arranged in close contact with each other, so that the length in the optical axis direction of the laser ignition device 301 is shortened. can do. In this configuration, since the length of the Q-switched solid-state laser oscillator 310 is short, a pulse having a relatively short time and a high peak power can be obtained, and the length of the Q-switched solid-state laser oscillator 310 is short and individual optical components can be obtained. Since they are in contact with each other, not only the internal loss of the Q-switched solid-state laser oscillator 310 is small, but there is almost no need for alignment as long as the parallelism of each component is good, and the laser can be easily oscillated.

図4は、図1に示されるレーザ着火装置について、内燃機関に装着される場合の形態の一例を示す概略図である。図4に示されるように、本実施形態のレーザ着火装置401は、励起光学系406とQスイッチ固体レーザ発振器410と出力光学系412とが、この順に同軸上に配置され筐体419に収容されている。励起光学系406における入力部413に光ファイバ404が嵌め込まれ、光ファイバ404を介して励起光源の一例である半導体レーザ403が結合されている。筐体419におけるレーザ光411を取り出す側の面には、筐体419内部と内燃機関の燃焼室内とを隔離するための出力窓420が設けられている。出力窓420は、光学的な作用がない限り任意の材料を採用することができ、例えば、サファイヤ及び透明YAGを用いることができる。   FIG. 4 is a schematic view showing an example of a mode in which the laser ignition device shown in FIG. 1 is attached to an internal combustion engine. As shown in FIG. 4, in the laser ignition device 401 of this embodiment, an excitation optical system 406, a Q-switched solid-state laser oscillator 410, and an output optical system 412 are coaxially arranged in this order and accommodated in a casing 419. ing. An optical fiber 404 is fitted into an input unit 413 in the excitation optical system 406, and a semiconductor laser 403, which is an example of an excitation light source, is coupled via the optical fiber 404. An output window 420 for isolating the inside of the casing 419 and the combustion chamber of the internal combustion engine is provided on the surface of the casing 419 on the side from which the laser beam 411 is extracted. Any material can be used for the output window 420 as long as there is no optical action. For example, sapphire and transparent YAG can be used.

図5は、図4に示される本実施形態のレーザ着火装置401を内燃機関の気筒に装着した場合の気筒の説明図である。内燃機関の気筒500は、シリンダブロック501とシリンダヘッド502とピストン503とにより形成され、シリンダブロック501とシリンダヘッド502とピストン503とにより囲まれて形成される空間が燃焼室504である。シリンダヘッド502には燃料と空気との混合気を供給する吸入管505が接続され、吸入弁506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502には混合気を排出する排気管507が接続され、排気弁508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401は、燃焼室504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5に示すようにシリンダヘッド502における吸入弁506と排気弁508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504内においてブレークダウンを生じ、パルスレーザの集光点418を起点に燃焼室504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。   FIG. 5 is an explanatory diagram of a cylinder when the laser ignition device 401 of the present embodiment shown in FIG. 4 is mounted on a cylinder of an internal combustion engine. A cylinder 500 of the internal combustion engine is formed by a cylinder block 501, a cylinder head 502, and a piston 503. A space surrounded by the cylinder block 501, the cylinder head 502, and the piston 503 is a combustion chamber 504. A suction pipe 505 that supplies a mixture of fuel and air is connected to the cylinder head 502, and the supply of the mixture is adjusted by opening and closing the suction valve 506. Further, an exhaust pipe 507 for discharging the air-fuel mixture is connected to the cylinder head 502, and the exhaust of the air-fuel mixture is adjusted by opening and closing the exhaust valve 508. The laser ignition device 401 of the present embodiment can be installed at any position as long as the air-fuel mixture in the combustion chamber 504 can be ignited. For example, as shown in FIG. Between the exhaust valve 508, the laser ignition device of this embodiment can be installed. The pulse laser output from the laser ignition device causes breakdown in the combustion chamber 504, and the air-fuel mixture in the combustion chamber 504 is combusted starting from the condensing point 418 of the pulse laser. Although an example of a cylinder in an internal combustion engine has been described, the configuration of the cylinder is not limited to the above configuration.

次に、図4を参照しながら、レーザ着火装置401の作用について説明する。図4に示すように、半導体レーザ403から出力された励起光402は、光ファイバ404により伝送され入力部413から励起光学系406に入力される。入力された励起光402は励起光学系406における2枚の平凸レンズ414,415により集光され、Qスイッチ固体レーザ発振器410の反射鏡407を透過して増幅媒体405に入射される。入射された励起光402は増幅媒体405に吸収されることにより、増幅媒体405は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405から発振された光が出力鏡408と反射鏡407とにより形成されるQスイッチ固体レーザ発振器410内を往復する過程において、可飽和吸収体409がQスイッチ固体レーザ発振器410内部を往復する光を吸収して、可飽和吸収体409の透過率が上昇するので、Qスイッチ固体レーザ発振器410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、Qスイッチ固体レーザ発振器410内部を往復する発振光416及び出力鏡408を透過するレーザ光411が急激に増加する。出力の急激な増加に伴い、増幅媒体405の反転分布密度は急激に減少するので、Qスイッチ固体レーザ発振器410内を往復する発振光416及び出力鏡408を透過するレーザ光411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。   Next, the operation of the laser ignition device 401 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, the excitation light 402 output from the semiconductor laser 403 is transmitted through the optical fiber 404 and input to the excitation optical system 406 from the input unit 413. The input excitation light 402 is condensed by two plano-convex lenses 414 and 415 in the excitation optical system 406, passes through the reflection mirror 407 of the Q-switch solid-state laser oscillator 410, and enters the amplification medium 405. The incident excitation light 402 is absorbed by the amplifying medium 405, whereby the amplifying medium 405 is excited with time, the inversion distribution density is increased, and stimulated emission occurs. In the process in which the light oscillated from the amplification medium 405 reciprocates in the Q-switched solid-state laser oscillator 410 formed by the output mirror 408 and the reflecting mirror 407, the saturable absorber 409 reciprocates in the Q-switched solid-state laser oscillator 410. Since light is absorbed and the transmittance of the saturable absorber 409 increases, the Q value, which is the ratio between the energy stored in the Q-switched solid-state laser oscillator 410 and the lost energy, rapidly increases, and the Q switch The oscillation light 416 that reciprocates inside the solid-state laser oscillator 410 and the laser light 411 that passes through the output mirror 408 increase rapidly. As the output increases rapidly, the inversion distribution density of the amplifying medium 405 rapidly decreases. Therefore, the oscillation light 416 that reciprocates in the Q-switched solid-state laser oscillator 410 and the laser light 411 that passes through the output mirror 408 can be transmitted in a short time. The output is reduced to a giant pulse.

半導体レーザ403からの励起光402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401からパルスレーザ411が所定間隔で出力される。一方、増幅媒体405の反転分布密度が閾値に達した後に、半導体レーザ403から出力される励起光402を速やかに止めると、単一のパルスレーザ411となる。   When the excitation light 402 from the semiconductor laser 403 is continuously irradiated, the above process is repeated, so that the pulse laser 411 is output from the laser ignition device 401 of this embodiment at predetermined intervals. On the other hand, when the inversion distribution density of the amplification medium 405 reaches the threshold value, when the excitation light 402 output from the semiconductor laser 403 is quickly stopped, a single pulse laser 411 is obtained.

出力鏡408から出力されたパルスレーザ411は、出力鏡408が両凹レンズにより形成されているので、速やかに拡大され、さらに両凸レンズ417により成る集光レンズにより集光されて、出力窓420により隔離された気筒の燃焼室内に所望の集光径を有する集光点418が形成される。この集光点418において、諸条件によって決まる閾値より高い電界が生じると、この電界によりブレークダウンを生じ、この集光点418を起点に燃焼室内の混合気が燃焼する。   Since the output mirror 408 is formed by a biconcave lens, the pulse laser 411 output from the output mirror 408 is quickly enlarged, and further condensed by a condensing lens composed of a biconvex lens 417 and isolated by an output window 420. A condensing point 418 having a desired condensing diameter is formed in the combustion chamber of the cylinder. When an electric field higher than a threshold value determined by various conditions is generated at the condensing point 418, breakdown occurs due to the electric field, and the air-fuel mixture in the combustion chamber burns starting from the condensing point 418.

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、本発明の範囲内で種々の変更をすることができる。   The laser ignition device according to the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the present invention.

(実施例1)
図6に示す光学系について、光線行列法を用いて、ビーム伝搬の様子を検討した。なお、レーザの波長は1030nmで、ビーム品質はM2=1すなわち理想的なガウシアンビームを想定して計算した。この光学系は、出力鏡608が両凹レンズの場合である。出力鏡608におけるパルスレーザ611を取り出す側の面から両凸レンズ617までの距離L2を変化させたときの、両凸レンズ617へ入射する直前のビーム径(直径)2w2と、集光点618の集光径(直径)2w3とを計算した。結果を図7〜9に示す。
Example 1
With respect to the optical system shown in FIG. 6, the state of beam propagation was examined using the ray matrix method. The laser wavelength was 1030 nm and the beam quality was calculated assuming M2 = 1, that is, an ideal Gaussian beam. In this optical system, the output mirror 608 is a biconcave lens. The beam diameter (diameter) 2w2 immediately before entering the biconvex lens 617 and the condensing point 618 when the distance L2 from the surface of the output mirror 608 from which the pulse laser 611 is extracted to the biconvex lens 617 are changed. The diameter (diameter) 2w3 was calculated. The results are shown in FIGS.

なお、反射鏡は増幅媒体の励起光入射面にTa5/SiOの誘電体多層膜コーティングを形成することによって成り、増幅媒体605はYb:YAG、可飽和吸収体609は、Cr:YAG、出力鏡608及び両凸レンズ617は屈折率1.51のBK7、出力窓は屈折率1.76のサファイヤである。これら各光学部材の寸法及び配置は、下記の通りである。
増幅媒体605と可飽和吸収体609との合計の光軸方向の厚みは、2.0mm、
可飽和吸収体609における出力鏡608に対向する側の面と出力鏡608における反射鏡605に対向する側の面との距離L1は、23.5mm、
出力鏡608における光軸方向の厚みの最大値は、9.5mm、
出力鏡608における中心軸での厚みは、8.7mm、
出力鏡608における光軸方向に直交する方向の長さは、12.7mm、
出力鏡608における反射鏡607に対向する面の曲率半径Rc1及び出射側の曲率半径Rc2は、50mm、
両凸レンズ617における中心軸での厚みは、3.4mm、
両凸レンズ617の焦点距離は、40mm、
出力窓620の光軸方向の厚みは、2.0mm。
励起光の反射鏡607への入射径2w1は0.4mmである。
The reflecting mirror is formed by forming a Ta 2 O 5 / SiO 2 dielectric multilayer coating on the excitation light incident surface of the amplification medium. The amplification medium 605 is Yb: YAG, and the saturable absorber 609 is Cr: YAG, output mirror 608 and biconvex lens 617 are BK7 having a refractive index of 1.51, and the output window is sapphire having a refractive index of 1.76. The dimensions and arrangement of these optical members are as follows.
The total thickness in the optical axis direction of the amplification medium 605 and the saturable absorber 609 is 2.0 mm,
The distance L1 between the surface of the saturable absorber 609 facing the output mirror 608 and the surface of the output mirror 608 facing the reflecting mirror 605 is 23.5 mm,
The maximum thickness in the optical axis direction of the output mirror 608 is 9.5 mm,
The thickness at the central axis of the output mirror 608 is 8.7 mm,
The length of the output mirror 608 in the direction orthogonal to the optical axis direction is 12.7 mm,
The curvature radius Rc1 of the surface of the output mirror 608 facing the reflecting mirror 607 and the curvature radius Rc2 on the exit side are 50 mm,
The thickness at the central axis of the biconvex lens 617 is 3.4 mm,
The focal length of the biconvex lens 617 is 40 mm,
The thickness of the output window 620 in the optical axis direction is 2.0 mm.
The incident diameter 2w1 of the excitation light to the reflecting mirror 607 is 0.4 mm.

(実施例2)
図6に示す光学系において、出力鏡608における出射側の面の曲率半径Rc2を25mm、出力鏡608における中心軸での厚みを8.3mmとしたこと以外は、実施例1と同様にしてビーム伝搬の様子を検討した。結果を図7〜9に示す。
(Example 2)
In the optical system shown in FIG. 6, the beam is the same as in Example 1 except that the radius of curvature Rc2 of the output side surface of the output mirror 608 is 25 mm and the thickness at the central axis of the output mirror 608 is 8.3 mm. The state of propagation was examined. The results are shown in FIGS.

(比較例1)
図6に示す光学系において、出力鏡608における出射側の面の曲率半径Rc2を∞、すなわち出力鏡608における出射側の面を平面とし、出力鏡608における中心軸での厚みを9.1mmとしたこと以外は、実施例1と同様にしてビーム伝搬の様子を検討した。結果を図7〜9に示す。
(Comparative Example 1)
In the optical system shown in FIG. 6, the curvature radius Rc2 of the output side surface of the output mirror 608 is ∞, that is, the output side surface of the output mirror 608 is a flat surface, and the thickness at the central axis of the output mirror 608 is 9.1 mm. Except for this, the state of beam propagation was examined in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIGS.

図7は、実施例1、2及び比較例における、出力鏡608におけるパルスレーザ611を取り出す側の面から両凸レンズ617までの距離L2と両凸レンズ617へ入射する直前のビーム径(直径)2w2との関係を示す。
図7に示されるように、実施例1及び2、比較例1のいずれにおいても、L2の長さに比例して、ビーム径2w2は大きくなる。これらの中でも、実施例2は傾きが大きく、L2の長さが短くても大きなビーム径2w2が得られることが分かる。
FIG. 7 shows the distance L2 from the surface on the side of taking out the pulse laser 611 in the output mirror 608 to the biconvex lens 617 and the beam diameter (diameter) 2w2 immediately before entering the biconvex lens 617 in Examples 1 and 2 and the comparative example. The relationship is shown.
As shown in FIG. 7, in any of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the beam diameter 2w2 increases in proportion to the length of L2. Among these, Example 2 has a large inclination, and it can be seen that a large beam diameter 2w2 can be obtained even if the length of L2 is short.

図8は、実施例1、2及び比較例における、出力鏡608におけるパルスレーザ611を取り出す側の面から両凸レンズ617までの距離L2と、集光点618の集光径(直径)2w3との関係を示す。
図8に示されるように、実施例1及び2、比較例1のいずれにおいても、L2が長くなる程、集光径2w3は小さくなる。集光径を0.02mmにするためには、実施例1ではL2を267mm、実施例2ではL2を197mm、比較例1ではL2を434mmにする必要がある。実施例2、実施例1、比較例の順に、同じ集光径を得るためのL2の長さは短くなる。
FIG. 8 shows the distance L2 from the surface on the side from which the pulse laser 611 is extracted in the output mirror 608 to the biconvex lens 617 and the condensing diameter (diameter) 2w3 of the condensing point 618 in Examples 1 and 2 and the comparative example. Show the relationship.
As shown in FIG. 8, in any of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the light collection diameter 2w3 becomes smaller as L2 becomes longer. In order to make the condensing diameter 0.02 mm, it is necessary to set L2 to 267 mm in Example 1, L2 to 197 mm in Example 2, and L2 to 434 mm in Comparative Example 1. In order of Example 2, Example 1, and Comparative Example, the length of L2 for obtaining the same light collection diameter becomes shorter.

図9は、実施例1、2及び比較例における、集光点618の集光径(直径)2w3と反射鏡607における出力鏡608に対向する側の面から集光点618までの距離L4との関係を示す。
図9に示されるように、実施例1及び2、比較例1のいずれにおいても、集光径2w3が小さくなる程、L4の長さは大きくなる。集光径を0.02mmにするためには、実施例1ではL4を352mm、実施例2ではL4を284mm、比較例1ではL4を516mmにする必要がある。実施例2、実施例1、比較例の順に、同じ集光径を得るためのL4の長さは短くなる。したがって、出力鏡における入射側の曲率半径よりも出射側の曲率半径の方が小さい実施例2の光学系が、同じ集光径を得るための光軸方向の長さを最も短くすることができた。
FIG. 9 shows the condensing diameter (diameter) 2w3 of the condensing point 618 and the distance L4 from the surface of the reflecting mirror 607 facing the output mirror 608 to the condensing point 618 in Examples 1 and 2 and the comparative example. The relationship is shown.
As shown in FIG. 9, in any of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the length of L4 increases as the light collection diameter 2w3 decreases. In order to make the condensing diameter 0.02 mm, it is necessary to set L4 to 352 mm in Example 1, L4 to 284 mm in Example 2, and L4 to 516 mm in Comparative Example 1. In order of Example 2, Example 1, and Comparative Example, the length of L4 for obtaining the same light collection diameter becomes shorter. Therefore, the optical system of Example 2 having a smaller radius of curvature on the exit side than the radius of curvature on the output side of the output mirror can minimize the length in the optical axis direction to obtain the same light collection diameter. It was.

図1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。FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration of a laser ignition device according to an embodiment of the present invention. 図2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。FIG. 2 is a configuration explanatory view of a laser ignition device according to another embodiment of the present invention. 図3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。FIG. 3 is a diagram illustrating the construction of a laser ignition device according to another embodiment of the present invention. 図4は、図1に示されるレーザ着火装置について、内燃機関に装着される場合の形態の一例を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic view showing an example of a mode in which the laser ignition device shown in FIG. 1 is attached to an internal combustion engine. 図5は、本発明の一実施例である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説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a cylinder when a laser ignition device according to an embodiment of the present invention is mounted on a cylinder of an internal combustion engine. 図6は、実施例1における光学系の構成説明図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the configuration of the optical system according to the first embodiment. 図7は、実施例1、2及び比較例における、出力鏡608におけるパルスレーザ611を取り出す側の面から両凸レンズ617までの距離L2と両凸レンズ617へ入射する直前のビーム径(直径)2w2との関係を示す図である。FIG. 7 shows the distance L2 from the surface on the side of taking out the pulse laser 611 in the output mirror 608 to the biconvex lens 617 and the beam diameter (diameter) 2w2 immediately before entering the biconvex lens 617 in Examples 1 and 2 and the comparative example. It is a figure which shows the relationship. 図8は、実施例1、2及び比較例における、出力鏡608におけるパルスレーザ611を取り出す側の面から集光レンズ617までの距離L2と、集光点618の集光径(直径)2w3との関係を示す図である。FIG. 8 shows the distance L2 from the surface on the side from which the pulse laser 611 is extracted in the output mirror 608 to the condensing lens 617 and the condensing diameter (diameter) 2w3 of the condensing point 618 in Examples 1 and 2 and the comparative example. It is a figure which shows the relationship. 図9は、実施例1、2及び比較例における、集光点618の集光径(直径)2w3と反射鏡607における出力鏡608に対向する側の面から集光点618までの距離L4との関係を示す図である。FIG. 9 shows the condensing diameter (diameter) 2w3 of the condensing point 618 and the distance L4 from the surface of the reflecting mirror 607 facing the output mirror 608 to the condensing point 618 in Examples 1 and 2 and the comparative example. It is a figure which shows the relationship.

符号の説明Explanation of symbols

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、605、 増幅媒体
6、206、306、406 励起光学系
7、207、307、407、607、 反射鏡
8、208、308、408、608、 出力鏡
9、209、309、409、609 可飽和吸収体
10、210、310、410 Qスイッチ固体レーザ発振器
11、211、311、411、611 パルスレーザ
12、212、312、412 出力光学系
13、213、313、413 入力部
14、214、314、414、15、215、315、415 平凸レンズ
16、216、316、416、616 発振光
17、217、317、417、617 両凸レンズ
18、218、318、418、618、 集光点
419 筐体
420、620、 出力窓
500 気筒
501 シリンダブロック
502 シリンダヘッド
503 ピストン
504 燃焼室
505 吸入管
506 吸入弁
507 排気管
508 排気弁
L1 可飽和吸収体における出力鏡に対向する側の面と出力鏡における反射鏡に対向する側の面との距離
L2 出力鏡におけるレーザ光を取り出す側の面から集光レンズまでの距離
L3 集光レンズから集光点までの距離
L4 反射鏡における出力鏡に対向する側の面から集光点までの距離
2w1 励起光の反射鏡への入射径
2w2 集光レンズへ入射する直前のビーム径
2w3 集光点の集光径
Rc1、Rc2 出力鏡の曲率半径
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, 605, Amplifying medium 6 , 206, 306, 406 Excitation optical system 7, 207, 307, 407, 607, reflector 8, 208, 308, 408, 608, output mirror 9, 209, 309, 409, 609 saturable absorber 10, 210, 310, 410 Q-switched solid state laser oscillator 11, 211, 311, 411, 611 Pulse laser 12, 212, 312, 412 Output optical system 13, 213, 313, 413 Input unit 14, 214, 314, 414, 15, 215, 315, 415 Plano-convex lens 16, 216, 316, 416, 616 Oscillating light 17, 17, 317, 417, 617 Biconvex lens 18, 218, 318, 418, 618, condensing point 419 Case 420, 620, output window 500 cylinder 501 cylinder block 502 cylinder head 503 piston 504 combustion chamber 505 suction pipe 506 suction valve 507 Exhaust pipe 508 Exhaust valve L1 Distance between the surface of the saturable absorber facing the output mirror and the surface of the output mirror facing the reflecting mirror L2 The condensing lens from the surface of the output mirror from which the laser light is extracted L3 Distance from the condensing lens to the condensing point L4 Distance from the surface of the reflecting mirror facing the output mirror to the condensing point 2w1 Incident diameter of the excitation light to the reflecting mirror 2w2 Incident into the condensing lens Previous beam diameter 2w3 Condensing diameter at condensing point Rc1, Rc2 Curvature radius of output mirror

Claims (5)

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、出力鏡が両凹レンズ、平凹レンズ、及びメニスカス凹レンズのうちのいずれか1つであり、かつレーザ光を取り出す側の面が凹面であるQスイッチ固体レーザ発振器とこのQスイッチ固体レーザ発振器から出力されたレーザ光を前記燃焼室内に集光させる出力光学系とを有することを特徴とするレーザ着火装置。   A laser ignition device for igniting fuel in a combustion chamber of an internal combustion engine, wherein an output mirror is any one of a biconcave lens, a planoconcave lens, and a meniscus concave lens, and a surface on the side from which laser light is extracted is a concave surface A laser ignition device comprising: a Q-switched solid-state laser oscillator, and an output optical system for condensing laser light output from the Q-switched solid-state laser oscillator in the combustion chamber. 前記Qスイッチ固体レーザ発振器は、反射鏡と出力鏡との間に増幅媒体と可飽和吸収体とを有することを特徴とする請求項1に記載のレーザ着火装置。   2. The laser ignition device according to claim 1, wherein the Q-switched solid-state laser oscillator includes an amplification medium and a saturable absorber between a reflecting mirror and an output mirror. 前記出力鏡が、両凹レンズにより形成され、レーザ光を取り出す側の面の曲率半径が反射鏡に対向する側の面の曲率半径よりも小さい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。   3. The laser according to claim 1, wherein the output mirror is formed of a biconcave lens, and a radius of curvature of a surface from which laser light is extracted is smaller than a radius of curvature of a surface opposite to the reflecting mirror. Ignition device. さらに、前記増幅媒体に励起光を集光させる励起光学系を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のレーザ着火装置。   The laser ignition device according to any one of claims 1 to 3, further comprising an excitation optical system for condensing excitation light on the amplification medium. さらに、前記増幅媒体を励起させる励起光を供給する励起光源を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のレーザ着火装置。   The laser ignition device according to claim 1, further comprising an excitation light source that supplies excitation light for exciting the amplification medium.
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