JP2011127529A - 半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】広い温度範囲にわたり、点火に必要な光エネルギーを安定して供給できる半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、ロッキングレンジの温度幅を周囲温度の変動幅に対応する複数の温度範囲に分割し、各ロッキングレンジの温度範囲において固体レーザー装置の固体レーザー媒質５の吸収波長帯に収まるような波長をそれぞれ有する複数の半導体レーザー２１，２２，２３，２４を用い、前記複数の半導体レーザー２１，２２，２３，２４からの出射光を合成機構により合成して、前記固体レーザー媒質５に照射することによりこの固体レーザー媒質５を励起する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置に関するものである。
半導体レーザー励起固体レーザーは、複数の半導体レーザーの光エネルギーを固体レーザー媒質内で一旦吸収した後、固体レーザー共振器内で電磁波波面の揃った非常に集光性の高い１つのレーザー光に変換できるため、そのレーザー光をレンズで集光することで非常に高い光密度を得ることができる。そのため、理化学用の計測光源を始め、産業用の各種材料の切断、溶接などの加工や、身近にある様々な装置やシステムに適用されている。
特に、近年ではＣＯ2 削減など地球環境への配慮から、自動車、船舶などに搭載されている内燃機関（エンジン）において、電気火花型プラグに代わり、高ピーク強度のレーザー光によって燃料混合ガスに点火を行う研究が注目されている。レーザー点火では放電用の金属電極が必要ないため、エンジン部品の摩耗がなく高寿命化を図ることができる。また、レーザー光の集光位置を変えることでシリンダー内の最適位置に点火できるので、エンジンの燃焼効率、出力が飛躍的に改善・向上し、燃費の低減、ひいては排気ガスやＣＯ2 の削減が可能になる。下記非特許文献１，２及び３に記載されているように、近年の半導体レーザー励起固体レーザー装置の革新的な高性能化と相まって、自動車に搭載可能なサイズまでレーザー装置が小型化されるに至っている。
また、レーザー光源から光ファイバーを介して光学装置に光を導き、エンジンを点火するようにしたものが提案されている（下記特許文献１〜３参照）。
特開２００９−２２１８９５号公報 特開２００７−１０７４２４号公報 特開２００７−０８５３５０号公報
Ｈ．Ｋｏｆｌｅｒ ｅｔ ａｌ．，"Ａｎ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒ ｆｏｒ ｅｎｇｉｎｅ ｉｇｎｉｔｉｏｎ"，Ｌａｓｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．４，ｐｐ．３２２−３２７（２００７） Ｄ．Ｇ．Ｒｏｗｅ，"Ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ ｅｎｇｉｎｅ ｉｇｎｉｔｉｏｎ"，Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．９，ｐｐ．５１５−５１７（２００８） 常包正樹 他，「マイクロレーザーによるエンジン点火」，レーザー研究，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．４，ｐｐ．２８３−２８９（２００９） Ｇ．Ｊ．Ｓｔｅｃｋｍａｎ ｅｔ ａｌ．，"Ｖｏｌｕｍｅ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ"，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．３，ｐｐ．６７２−６７８（２００７） ホイカン・リュー，ケヴィン・Ｊ・ウェブ，「回折限界を突破する二層メタマテリアルレンズ」，Ｌａｓｅｒ Ｆｏｃｕｓ Ｗｏｒｌｄ Ｊａｐａｎ，２００９年１１月，ｐｐ．４０−４２
自動車のエンジンに点火する半導体レーザー励起固体レーザー装置の車両への搭載の概略としては、図１５に示すように、固体レーザー部分と励起用半導体レーザー部分に分け、固体レーザー点火モジュール４０１はエンジン４０２上に、励起用半導体レーザーモジュール４０３は、例えば助手席の下に配置し、両者を光ファイバー４０４で接続する。このように配置する理由として、固体レーザー点火モジュール４０１から出射される、点火に必要なレーザー光のピーク光強度が極めて高く、光ファイバー４０４では石英等のコアに光学損傷が生じレーザー光を伝搬できないため、固体レーザー点火モジュール４０１自体をエンジン４０２上に直接取り付ける必要があること、また、励起用半導体レーザーモジュール４０３の発振波長が環境温度によって敏感に変化するため、固体レーザー媒質の吸収波長帯を外れないように、温度変化の激しいエンジン４０２の近傍ではなく、なるべく温度変化の小さい場所に設置する方が望ましいことが挙げられる。なお、励起用半導体モジュール４０３からの励起光はピーク光強度が低いため、図１５に示すように光ファイバー４０４を用いて固体レーザーまで伝搬させることができる。励起用半導体レーザーモジュール４０３は、比較的広い範囲の温度、具体的には−４０℃から８０℃の環境温度の範囲で、励起用光源として安定に動作する必要があるが、自動車のような常に外気や日光、風雨にさらされるような環境においては、上記したようにエンジン４０２近傍に比べて温度変化の小さい場所に励起用半導体レーザーモジュール４０３を配置しても、大幅な環境温度の変化が起こると、励起用半導体レーザーモジュール４０３の波長が固体レーザー媒質の吸収波長帯から外れ、固体レーザー点火モジュール４０１におけるエネルギーの吸収量が減少し、エンジン４０２の点火に必要な固体レーザー出力が得られない可能性があった。
代表的な半導体レーザー励起固体レーザーの例として、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｓなどの混晶を材料とする発振波長８０８ｎｍの半導体レーザーで、Ｎｄを発振元素として含有するＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）固体レーザー媒質（Ｎｄ：ＹＡＧと記す）を励起する場合を考える。半導体レーザーの波長の温度依存性は半導体材料や活性層の構造で多少変化するが、一般には、図１６に示すように、１℃変化あたり約０．３ｎｍ変化することが知られている。これに対し、Ｎｄ：ＹＡＧの吸収波長帯は温度に対する変化が少なく、この温度範囲では８０７ｎｍから８１０ｎｍまでの範囲である。したがって、半導体レーザーの周囲温度が１０℃以上変化すると、半導体レーザーの波長はこの吸収帯から外れてしまう。
近年、半導体レーザーの発振波長を特定の波長に固定し、かつ温度に対する変化量を小さくする新しい方式として、半導体レーザー外部にグレーティング（回折格子）を光学的に組み合わせたものや、あるいは半導体レーザー素子内部に同じく半導体によるグレーティングを形成したもの（分布帰還型レーザー：ＤＦＢ）が開発、市販されている（上記非特許文献４参照）。これらは合わせて波長安定化半導体レーザーと呼ばれているが、いずれもグレーティングで選択した特定波長の光の一部を半導体レーザー共振器にフィードバックすることで半導体レーザーの波長を固定（ロック）し、周囲温度に対する波長の変化を大幅に抑えることに成功している。この方式では、図１７に示すように、グレーティングからのフィードバックが半導体レーザーの波長固定に有効に作用するロッキングレンジと呼ばれる温度範囲が存在し、制御波長や活性層の半導体材料、構造で多少変化するが、現状での最大温度幅は３０℃程度であり、その範囲内では最大で１℃あたりの波長変化を０．０１ｎｍ以下まで小さくすることができる。しかしながら、このロッキングレンジ内の温度では波長の温度依存性は非常に小さいが、ロッキングが外れる境界温度では、逆に一度に波長が数ｎｍも変化し、固体レーザー媒質の吸収波長帯から大きく外れてしまう。
本発明は、上記状況に鑑みて、広い温度範囲にわたり、点火に必要な光エネルギーを安定して供給できる半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、固体レーザー媒質の吸収波長帯でロックされ、それぞれロッキングレンジの温度幅が異なり、かつそれらのロッキングレンジの総和が半導体レーザーの周囲温度の変動領域を漏れなく網羅する複数の半導体レーザーを用い、前記複数の半導体レーザーからの出射光を合成機構により合成して、前記固体レーザー媒質に照射することによりこの固体レーザー媒質を励起することを特徴とする。
〔２〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、前記合成機構が光ファイバーにより構成されることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、前記合成機構がミラーにより構成されることを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、前記合成機構が異方性メタマテリアルを用いたレンズにより構成されることを特徴とする。
〔５〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、前記半導体レーザーの波長はグレーティングを用いて安定化させることを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、前記各半導体レーザーのロッキングレンジに重なりを持たせたことを特徴とする。
〔７〕半導体レーザーに温度制御機構を設けた半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、ロッキングレンジ内に複数の設定温度を設け、温度制御の制御値をそのうちの周囲温度に最も近い設定温度とすることを特徴とする。
〔８〕上記〔７〕記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、運転者が車両に近づいた時、運転席側のドアが開いた時、運転席のシートに人が座った時、または車両のメインスイッチがＯＮの時に半導体レーザーの温度制御を開始することを特徴とする。
〔９〕上記〔７〕記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、断熱材により前記半導体レーザーを取り囲むことを特徴とする。
〔１０〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、半導体レーザーモジュール内に温度制御素子を配置することを特徴とする。
〔１１〕上記〔１０〕記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、前記温度制御素子がペルチェ素子であることを特徴とする。
〔１２〕上記〔１０〕記載の半導体レーザー励起によるエンジン装置用固体レーザー装置において、前記半導体レーザーモジュール内にグレーティング内蔵型半導体レーザー素子を配置することを特徴とする。
〔１３〕上記〔１〕記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、複数の半導体レーザーを熱伝導性の高い部材に接合するようにしたことを特徴とする。
（Ａ）請求項１に係る発明によれば、固体レーザーの吸収波長を広い温度範囲で安定して出射することができるため、広い環境温度、全エンジン条件で安定した着火性と燃焼を得ることができる。
また、ロッキングレンジの狭い半導体レーザーであっても、複数個組み合わせることでロッキングレンジを広げることができる。
さらに、一個の半導体レーザーが壊れたり出力が不安定になった場合でも、安定した出力が出る半導体レーザーのロッキングレンジに温度制御することで、エンジンの駆動が可能となる。
（Ｂ）請求項２〜４に係る発明によれば、複数の半導体レーザーから出射された励起光を１本の光ファイバーに入射できるようにしている。請求項３に係る発明では、半導体レーザーからの出射光をミラーを用いて合成することで、固体レーザーのより小さい領域への励起が可能になり、固体レーザーの発振効率が改善される。
また、請求項４に係る発明の異方性メタマテリアルを用いる方式は、他の方式に比べて光学部品を大幅に低減できるとともに、光の損失を低減できる。特に、集光レンズ、グレーティングを一体化できるため複数の機能を持つ光学部品を小さいスペースに設置することができ、アライメントのズレが少ないので耐振性に優れる。異方性メタマテリアルを応用した二層レンズを用いることで、散乱が少なくなるようにすることができ、半導体レーザーから出射された光を効率良く光ファイバーに集光することができる。
（Ｃ）請求項５に係る発明によれば、グレーティングを励起光用ファイバーの入射側または出射側、あるいは集光レンズと一体化して取り付ける構成にしているため、部品点数及びアライメント調整工程を大幅に削減でき、低コスト化、小型化を図ることができる。
（Ｄ）請求項６に係る発明によれば、ロッキングレンジに重なりを持たせるようにしたので、全温度範囲にわたり励起波長を安定して出射することができる。
（Ｅ）請求項７に係る発明によれば、広い温度範囲にわたり、点火に必要な光エネルギーを安定して供給できる。
（Ｆ）請求項８に係る発明によれば、エンジンが始動する前に確実に半導体レーザーの温度を目標温度範囲内に制御することができる。
（Ｇ）請求項９に係る発明によれば、半導体レーザーの温度制御に必要なエネルギーを最小限に抑えることができる。
（Ｈ）請求項１０〜１２に係る発明によれば、半導体レーザーモジュール内に温度制御素子としてベルチェ素子を配置するようにしたので、半導体レーザーモジュールの温度制御を的確に行うことができる。
また、ペルチェ素子上の半導体レーザー素子等の熱容量を小さくすることで温度応答性を高めることができる。
さらに、請求項１２に係る発明では、半導体レーザーモジュール内にグレーティング内蔵型半導体レーザー素子を配置するようにしたので、透過型グレーティングを励起光の光路に挿入する必要がなく、コンパクトに構成することができる。
（Ｉ）請求項１３に係る発明によれば、複数の半導体レーザーを熱伝導性の高い部材に接合するようにしたので、温度制御の熱効率を向上させることができる。
本発明の第１実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。 本発明の第１実施例における４つの波長安定化半導体レーザーのそれぞれの周囲温度と波長、ロッキングレンジの関係を示す図である。 本発明の第２実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。 本発明の第３実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。 本発明の第４実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。 本発明の第５実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。 図６の固体レーザー装置の光ファイバー端部の構成図（その１）である。 図６の固体レーザー装置の光ファイバー端部の構成図（その２）である。 本発明の第６実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。 本発明の第７実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。 本発明の第８実施例を示す温度応答性の高い半導体レーザーモジュールの構成を示す図である。 本発明の第９実施例を示すグレーティング内蔵型波長安定化半導体レーザーを用いた場合の、温度応答性の高い半導体レーザーモジュールの構成を示す図である。 本発明の半導体レーザーにより励起されるエンジン点火用固体レーザー装置の具体的な制御の手順を示す図である。 本発明の半導体レーザーにより励起されるエンジン点火用固体レーザー装置の周囲温度と制御する半導体レーザーの設定温度の関係を示した図である。 自動車へのエンジン点火用固体レーザー装置の配置図である。 従来の波長安定化していない半導体レーザーの周囲温度と波長の関係を示した図である。 従来の波長安定化半導体レーザーの周囲温度と波長の関係を示した図である。
本発明の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置は、固体レーザー媒質の吸収波長帯でロックされ、それぞれロッキングレンジの温度幅が異なり、かつそれらのロッキングレンジの総和が半導体レーザーの周囲温度の変動領域を漏れなく網羅する複数の半導体レーザーを用い、前記複数の半導体レーザーからの出射光を合成機構により合成して、前記固体レーザー媒質に照射することによりこの固体レーザー媒質を励起する。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。
この図において、励起用半導体レーザーモジュール２０３として例えば４つの波長安定化半導体レーザー２１〜２４がある時、これらの波長安定化半導体レーザー２１〜２４から出射した励起光は、それぞれコア直径２００μｍのマルチモード光ファイバー２を伝搬して固体レーザーモジュール１０内の固体レーザー媒質５に照射される。この時、固体レーザーモジュール１０の手前で各光ファイバー２のコアが束ねられたバンドル光ファイバー２５が用いられる。各波長安定化半導体レーザー２１〜２４の光を１本のバンドル光ファイバー２５に束ねることで、固体レーザーモジュール１０内において、一つの共通の励起光学系３により空間伝搬で固体レーザー媒質５に励起光を導入することができる。励起光は、固体レーザーモジュール１０内に設けられたレーザー発振器８（励起ミラー４、固体レーザー媒質５、光スイッチ素子６、出力ミラー７）により、高ピーク強度の短パルスレーザー光１２を自発的に発生する。発生したレーザー光１２は、レンズからなる集光光学系９を通して、燃焼室１０３内の所定の空間位置に集光され、燃焼室１０３内の可燃性混合気に点火する。なお、１０１はシリンダー、１０２はピストンである。
ここで、励起ミラー４はＢＫ７製の平面鏡で、その励起用半導体レーザーモジュール２０３側表面には励起光波長８０８ｎｍに対して無反射コーティング（反射率＜０．２％）が施されており、固体レーザー媒質５側表面には固体レーザー発振光波長１０６４ｎｍに対して全反射コーティング（反射率＞９９．７％）と、かつ励起光波長８０８ｎｍに対して低反射コーティング（反射率＜２％）が施されている。固体レーザー媒質５としては、レーザー発振元素がＮｄ（ネオジム）、母材がＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）のＮｄ：ＹＡＧを用いた。Ｎｄの添加濃度は１．１ａｔ％、長さは５ｍｍである。また、光スイッチ素子６としては、可飽和吸収体の４価の価数を持つＣｒ（クロム）を添加したＹＡＧ（Ｃｒ：ＹＡＧ）を用いた。Ｃｒ：ＹＡＧの固体レーザー発振波長における初期透過率は３０％とした。固体レーザー媒質５および光スイッチ素子６の両端面には固体レーザー発振光波長１０６４ｎｍに対して無反射コーティング（反射率＜０．２％）が施されている。出力ミラー７はＢＫ７製の平面鏡で、固体レーザー発振光波長１０６４ｎｍに対して反射率５０％のコーティングが施されている。
励起に用いた４つの波長安定化半導体レーザー２１〜２４は、時間幅５００μｓ、周波数５〜１００Ｈｚのパルス電流で繰り返し間欠的に駆動した。各波長安定化半導体レーザー２１〜２４からの光出力のピーク出力はそれぞれ１２０Ｗで、固体レーザーによるレーザー点火には十分な励起エネルギーである。
波長安定化半導体レーザー２１〜２４は、半導体レーザー素子と光ファイバー２の間に透過型のグレーティングが挿入され、半導体レーザー素子から出射された励起光の一部の波長の光が半導体レーザー素子にフィードバックされ波長が安定化される。波長安定化半導体レーザー２１〜２４にフィードバックされる波長は全て、Ｎｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒質５の吸収波長帯域のピークである８０９ｎｍ近傍になるように、グレーティングの周期および角度が調整されている。
図２は４つの波長安定化半導体レーザーのそれぞれの周囲温度と波長、ロッキングレンジの関係を示す図である。
この図において、半導体レーザー２１のロッキングレンジは−２０℃〜１０℃、半導体レーザー２２は５℃〜３５℃、半導体レーザー２３は３０℃〜６０℃、半導体レーザー２４は５５℃〜８５℃のものを使用した。この構成によって、励起用半導体レーザーモジュール２０３の周囲温度が−２０℃〜８０℃まで変化しても、いずれか少なくとも１つの波長安定化半導体レーザーは必ずロッキングレンジ内にあり、８０９ｎｍの波長近傍で動作しているため、固体レーザー媒質５には常に発振に必要な励起エネルギー１２０Ｗが吸収され、点火に必要な光エネルギーを出力することができる。
この半導体レーザー励起固体レーザー装置においては、波長が固体レーザー媒質５の吸収波長帯内にあれば、１つの波長安定化半導体レーザーで十分なエネルギーを供給できるため、常に全ての波長安定化半導体レーザーを同時に点灯駆動する必要はなく、半導体レーザー周辺の温度をモニターし、その温度に対応するロッキングレンジをもつ波長安定化半導体レーザー１つだけを駆動すればよい。
また、この実施例において、波長安定化半導体レーザーの波長はロッキングレンジ端近傍の温度では不安定であるため、各波長安定化半導体レーザーのロッキングレンジは５℃程度オーバーラップさせている。駆動する波長安定化半導体レーザーの切り替えに２．５℃の余裕をもたせることで、全ての温度領域で安定した動作と固体レーザー媒質へのエネルギーの吸収が可能になる。
図３は本発明の第２実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。
この実施例では、波長安定化半導体レーザー２１〜２４からの励起光１１を収束する仕方として、励起用半導体レーザーモジュール２０３内の２つの波長安定化半導体レーザー２２，２４の光を半波長板３４により偏光を９０度回転し、波長安定化半導体レーザー２１，２３の光とそれぞれ合波してから光ファイバー２に導入するようにした。なお、３０はレーザー光空間合成室、３１は４５度全反射ミラー、３２は偏光ミラー、３３はコリメート光学系、３５は集光レンズである。
このように構成することで、バンドル光ファイバー２５内の光ファイバーコアの本数が半分に減るので、バンドル後のファイバーコア径を小さくでき、固体レーザーのより小さな領域への励起が容易になり、固体レーザーの発振効率が改善される。
図４は本発明の第３実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。
この実施例では、波長安定化半導体レーザー２１〜２４からの励起光１１を収束する仕方として、励起用半導体レーザーモジュール２０３内の２つの波長安定化半導体レーザー２２，２４の光を半波長板３４により偏光を９０度回転し、波長安定化半導体レーザー２２，２４の光を合波し、さらに、可倒ミラー３１ｂで光学系を電気的にスイッチし、環境温度に応じてロッキングレンジ内にある波長安定化半導体レーザーの光のみを選択し、コアが１本の光ファイバー２で固体レーザーモジュール１０まで励起光を導入する構成である。可倒ミラー３１ｂの制御が新たに必要になるものの、バンドル光ファイバーを使わないため光ファイバー構造を簡略化でき、ファイバーコア径もさらに小さくできるので、固体レーザーへのより小さな領域への励起が容易になり、固体レーザーの発振効率が改善される。なお、３１ａは４５度全反射ミラーである。
図５は本発明の第４実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。
この実施例では、励起用半導体レーザーモジュール２０３内の半導体レーザー５１〜５４はグレーティング等による波長安定化の構造を有していないものである。各半導体レーザー５１〜５４から出射した各励起光は空間中を伝搬し、光ファイバー２の各先端に取り付けられた光ファイバーグレーティング５６に入射する。光ファイバーグレーティング５６は８０９ｎｍの波長の光を選択的に部分反射するように格子間隔が決められており、反射した光は半導体レーザー５１〜５４に戻り、各半導体レーザー５１〜５４の発振波長を制御（ロック）することができる。なお、５５は集光レンズである。
なお、本実施例の固体レーザーモジュール９０では、励起ミラー及び出力ミラーがなく、上記第１〜第３実施例と同じＮｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒質９５の励起側端面には固体レーザー発振光波長１０６４ｎｍに対して全反射コーティング（反射率＞９９．７％）と、かつ励起光波長８０８ｎｍに対して低反射コーティング（反射率＜２％）が施されており、光スイッチ素子９６に対する側の端面には固体レーザー発振光波長１０６４ｎｍに対して無反射コーティング（反射率＜０．２％）が施されている。また同じくＣｒ：ＹＡＧよりなる光スイッチ素子９６の固体レーザー媒質９５に対する端面には固体レーザー発振光波長１０６４ｎｍに対して無反射コーティング（反射率＜０．２％）が施されており、シリンダー１０１側端面には固体レーザー発振光波長１０６４ｎｍに対して反射率５０％のコーティングが施されている。共振器ミラーを固体レーザー媒質９５と光スイッチ素子９６の端面にコーティングで形成することで、励起ミラー及び出力ミラーを省略することができ、部品点数が減ると共に共振器を小型化することができ、振動などに対する信頼性も向上することができる。
これらの半導体レーザー５１〜５４は、同じ温度における発振波長の中心が７．５ｎｍずつ異なっており、２０℃での中心波長が半導体レーザー５２では８０９ｎｍであるのに対し、半導体レーザー５１では８１６．５ｎｍ、半導体レーザー５３では８０１．５ｎｍ、半導体レーザー５４では７９４ｎｍである。各半導体レーザー素子のピーク出力は１２０Ｗである。このように中心波長が異なる半導体レーザー５１〜５４を用いることで、各半導体レーザー５１〜５４に上記第１実施例の構成と同じ波長安定化効果とその温度依存性をもたらすことができる。各半導体レーザーの波長安定化の方法として、光ファイバーグレーティング５６を入力光ファイバー端に用いることで、構成部品が減り製造やアライメントも容易になる。
図６は本発明の第５実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。
この実施例では、上記第４実施例と類似した半導体レーザーの構成において、光ファイバーグレーティング５６を半導体レーザー側ではなく、バンドル光ファイバー２５の固体レーザー媒質側の端面近傍に設けたものである。
図７は図６の光ファイバー端部の構成図（その１）である。この図に示すように、バンドル光ファイバー２５の端面にまとめてグレーティングを形成することができれば、製造が容易になりコストが低減できる。なお、６０は光ファイバー被覆である。
さらに、図８は図６の光ファイバー端部の構成図（その２）であり、図７の光ファイバーグレーティング５６の代わりに、透過型グレーティング６１をバンドル光ファイバー２５の端面に近接させたものである。１個の透過型グレーティング６１で光ファイバー２を通して全ての半導体レーザー５１〜５４に８０９ｎｍの光をフィードバックし、波長をロックすることができるため、個々に光ファイバーグレーティングを形成するより構造が簡単になり、コストも下げることができる。また、バンドル光ファイバー２５の端面に近接させることで、途中に光学系を入れずに光をフィードバックすることが可能である。透過型グレーティング６１は光ファイバー端に接着、あるいは接合しても良い。
図９は本発明の第６実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図である。 複数の半導体レーザーからの励起光の合成機構は、上記実施例で示したように光ファイバーやミラーを用いることができるが、この実施例では、異方性メタマテリアルを用いた二層レンズ３６を用いるようにしている（上記非特許文献５参照）。伝統的な全てのレンズは、どのような開口数であってもアッベの回折限界に支配されるが、最近になって負の屈折率の概念に基づき、アッベの回折限界を越えて結像する「スーパーレンズ」が提案された。そのスーパーレンズのとして、低い損失と広域幅をもつサブ波長イメージング用の光学異方性メタマテリアルがある。この異方性メタマテリアルは、大きな横波長をもつエバネセント波が入射して媒質中の伝搬波に変換されると、サブ波長イメージングが可能になる。かかる異方性メタマテリアルを複数の半導体レーザーの励起光合成機構として用いることで、集光レンズ及びグレーディングを一体化することができ、光学部品のコストを低減することができる。
以上の実施例において、固体レーザー媒質の母材としては、ＹＡＧ以外にＹＶＯ4 ，ＹＬＦ，ＧｄＶＯ4 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＫＧＷ，ＫＹＷ，ガラスでも良い。また、レーザー発振元素としてはＮｄ以外にＹｂ，Ｈｏ，Ｔｍ，Ｔｉ，Ｅｒでも良い。また、励起用半導体レーザーの材質及び発振波長は、使用する固体レーザー媒質の吸収波長帯に対応したものを使用する。光スイッチ素子の材質や仕様も固体レーザー媒質に合わせて適切に選択される。さらに上記第１〜第６実施例では４個の波長安定化半導体レーザーを用いたが、使用する固体レーザー媒質の吸収波長幅、周囲温度の変化量、使用する半導体レーザーのロッキングレンジなどにより、必要な半導体レーザーの数と波長幅の仕様が決定される。
以上の実施例においては、想定した、いかなる環境温度においても直ちに所望の波長の励起光エネルギーを固体レーザーに供給することが可能であり、半導体レーザーの温度制御が不要または簡単なものでよいという大きな利点はあるが、使用する半導体レーザーのロッキングレンジが狭く、かつ使用する固体レーザー媒質の吸収波長幅が狭い場合、ロッキングレンジの異なる複数の半導体レーザーを選別して用意しなければならないためコストが高くなる。また、多くの半導体レーザーを使用するので、サイズも大きくなってしまう欠点がある。
そこで、以下の第７実施例では、温度調節機能を設けた１つの波長安定化半導体レーザーを用い、それを車載用として効率よく稼働させるための制御方法や、周囲温度の変化による影響の少ない半導体レーザーの構造を提供する。
図１０は本発明の第７実施例を示すエンジン点火用固体レーザー装置の構成図を示したものである。
この図において、波長安定化半導体レーザー１は温度制御装置２００により温度制御され、励起光は光ファイバー２を通って固体レーザーモジュール９０に導入される。
光ファイバー２から出た励起光１１は励起光学系３により整形され、固体レーザー媒質９５に照射され吸収される。励起光は、固体レーザーモジュール９０内に設けられたレーザー発振器９８により、高ピーク強度の短パルスレーザー光を自発的に発生する。発生したレーザー光１２は、レンズからなる集光光学系９を通して、燃焼室１０３内の所定の空間位置に集光され、燃焼室１０３内の可燃性混合気に点火する。なお、固体レーザーモジュール９０の構成は第４実施例と同じである。
図１１は本発明の第８実施例を示す温度応答性の高い半導体レーザーモジュールの構成を示す図である。
この図において、温度を制御する温度制御素子〔ＴＥ（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ：熱電冷却素子〕としてのペルチェ素子２２８の上にはベース金属２２６が配置され、その上にヒートシンク（金属）２２５が配置され、ヒートシンク２２５の上には、半導体レーザー素子２２１とサブマウント２２２、絶縁体２２４を介して半導体レーザー素子２２１に接続される電極２２３が設けられている。さらに、コリメート用マイクロレンズ２１０、波長制御用の透過型グレーティング２１１が配置されて、半導体レーザー素子２２１から出射される励起光２１５の光軸を調整するようにしている。これ以外の光学部品はペルチェ素子２２８上には配置されない。
図１２は本発明の第９実施例を示すグレーティング内蔵型の波長安定化半導体レーザーを用いた場合の温度応答性の高い半導体レーザーモジュールの構成を示す図である。
グレーティング内蔵型の半導体レーザー素子２３１を用いたことにより、上記第８実施例のように透過型グレーティング２１１を励起光２１５の光路に挿入する必要がない点を除いて、図１１における構成と同様である。
これらの第８，９実施例においては、ペルチェ素子２２８上の半導体レーザー素子等の熱容量を小さくすることで温度応答性が良くなる。また、半導体レーザー素子を取り囲むようにモジュールの外壁に断熱材３００を配置することで、周囲温度の変化に対する半導体レーザー素子２２１，２３１の波長安定性を高めている。この断熱材３００としては非晶質シリカ、硬質ウレタン、真空断熱材などが用いられる。なお、２１２はコリメート用マイクロレンズ、２１３は集光レンズ、２１４は光ファイバー、２２７は温度センサーに接続されるリード線、２２８Ａは温度制御装置（図示なし）に接続されるリード線、２２９は金属ベースである。
図１３は、本発明の半導体レーザーにより励起されるエンジン点火用固体レーザー装置の具体的な制御の手順を示す図である。ここでは、近年普及が著しいハイブリッドカーにおける動作について説明する。
図１３に示すように、ハイブリッドカーにおいては、スマートキーを持つ運転者が近づいたことを検知する近接センサー、運転席側のドアか開いたことを検知するドア開放センサー、運転者が運転席に着座したことを検知する着座センサーの信号を用いて補機類を始動する構成になっている。上記センサーを用いてエンジン用補機類を始動するハイブリッドカー以外の車両もある。本発明では、上記センサー類の信号を用いて、励起用半導体レーザーの温度制御の作動を制御するようにしている。
近接センサー、ドア開放センサー、着座センサーのいずれかの信号がＨＩになった時、励起用半導体レーザーの温度制御を開始する。前記信号がＨＩになってからの時間が５秒以内ならば温度制御を継続する。５秒以上経過した場合は、メインスイッチはＯＮされないと判断し温度制御を停止する。ハイブリッドカーにおいては、走行開始時、電動モーターによって車両を駆動する場合と、バッテリーが少ない時にエンジンにより車両を駆動する場合とがある。車両の電源のメインスイッチがＯＮになった場合、電動モーターによる駆動かエンジンによる駆動かをアクセル開度、ブレーキ、車速、バッテリー残量等の情報に基づき判断する。エンジンによる駆動である場合、励起用半導体レーザーの温度が目標温度（ロッキングレンジ内の波長を出射できる温度範囲）になっているかを否かを判断する。目標温度から外れている場合は、モーター走行に変更すると同時に温度制御を継続する。目標温度範囲内にある場合は、エンジン走行モードに設定して、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）から出力される点火信号に基づき、励起用半導体レーザーを作動する。メインスイッチがＯＦＦになった場合は、励起用半導体レーザーの温度制御を停止する。
この時、温度応答性の高い半導体レーザーを用いることで、車両の電源のメインスイッチをＯＮにすると同時に励起用半導体レーザーの温度制御装置をＯＮにし、半導体レーザーの温度制御を開始する。半導体レーザー素子の温度は２秒後、遅くとも５秒後には所定のロッキングレンジ内の温度に制御されるため、半導体レーザーの発振波長は固体レーザーの吸収波長と合致し、固体レーザーモジュールにエネルギーを供給することができる。
ここで、温度制御装置をメインスイッチに無関係に常時ＯＮにした場合には、メインスイッチＯＮからの時間に関わりなく、半導体レーザーの波長はロッキングレンジ内にあるため、固体レーザーの励起が可能であるが、温度制御装置による電力の消費が常時あるため、停止中の車においてもバッテリーに負担がかかる。なお、図１１，１２に示す断熱性の高い断熱材３００、半導体レーザーを固定する高熱伝導性のヒートシンク２２５を用いることで温度制御に必要なエネルギーを低減することができる。
図１４は、本発明の半導体レーザーにより励起されるエンジン点火用固体レーザー装置の周囲温度と制御する半導体レーザーの設定温度の関係を示した図である。
半導体レーザーの制御温度は、常に特定の１つの温度、例えば２０℃に制御する必要はなく、半導体レーザーモジュールが取り付けられている部位の周囲温度に応じてそれに近いロッキングレンジ内の温度に設定してやることが望ましい。これによって、半導体レーザーの制御温度を一律の温度に設定するよりも早く温度を制御することができ、しかもその後の周囲温度との温度差が小さいので制御電力が少なくてすむ。図１４においては、波長安定化半導体レーザーのロッキングレンジが５〜３５℃であり周囲温度が１５℃未満の場合、車両のメインスイッチがＯＮになった瞬間に、半導体レーザーの制御温度を１０℃に設定し、周囲温度が１５℃〜２５℃の場合、半導体レーザーの制御温度は２０℃に、さらに周囲温度が２５℃より高温の場合、半導体レーザーの制御温度は３０℃に設定する。このように周囲温度に応じて半導体レーザーの制御温度を設定することで、半導体レーザーの温度をより早くロッキングレンジ内に固定することができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置は、広い温度範囲にわたり、点火に必要な光エネルギーを安定して供給できるエンジン点火用固体レーザー装置として利用することができる。
１，２１，２２，２３，２４ 波長安定化半導体レーザー
２，２１４ 光ファイバー
３ 励起光学系
４ 励起ミラー
５，９５ 固体レーザー媒質（Ｎｄ：ＹＡＧ）
６，９６ 光スイッチ素子（Ｃｒ：ＹＡＧ）
７ 出力ミラー
８，９８ レーザー発振器
９ 集光光学系
１０，９０ 固体レーザーモジュール
１１，２１５ 励起光
１２ レーザー光（点火光）
２５ バンドル光ファイバー
３０ レーザー光空間合成室
３１，３１ａ ４５度全反射ミラー
３１ｂ 可倒ミラー
３２ 偏光ミラー
３３ コリメート光学系
３４ 半波長板
３５，５５，２１３ 集光レンズ
３６ 異方性メタマテリアルを用いた二層レンズ
５１，５２，５３，５４ 半導体レーザー（波長非安定化）
５６ 光ファイバーグレーティング
６０ 光ファイバー被覆
６１，２１１ 透過型グレーティング
１０１ シリンダー
１０２ ピストン
１０３ 燃焼室
２００ 温度制御装置
２０３ 励起用半導体レーザーモジュール
２１０，２１２ コリメート用マイクロレンズ
２２１，２３１ 半導体レーザー素子
２２２ サブマウント
２２３ 電極
２２４ 絶縁体
２２５ ヒートシンク
２２６ ベース金属
２２７ 温度センサーに接続されるリード線
２２８ ペルチェ素子
２２８Ａ 温度制御装置に接続されるリード線
２２９ 金属ベース
３００ 断熱材

Claims (13)

  1. 固体レーザー媒質の吸収波長帯でロックされ、それぞれロッキングレンジの温度幅が異なり、かつそれらのロッキングレンジの総和が半導体レーザーの周囲温度の変動領域を漏れなく網羅する複数の半導体レーザーを用い、前記複数の半導体レーザーからの出射光を合成機構により合成して、前記固体レーザー媒質に照射することにより該固体レーザー媒質を励起することを特徴とする半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
  2. 請求項１記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、前記合成機構が光ファイバーにより構成されることを特徴とする半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
  3. 請求項１記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、前記合成機構がミラーにより構成されることを特徴とする半導体レーザ励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
  4. 請求項１記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、前記合成機構が異方性メタマテリアルを用いたレンズにより構成されることを特徴とする半導体レーザ励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
  5. 請求項１記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、前記半導体レーザーの波長はグレーティングを用いて安定化させることを特徴とする半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
  6. 請求項１記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、前記各半導体レーザーのロッキングレンジに重なりを持たせたことを特徴とする半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
  7. 半導体レーザーに温度制御機構を設けた半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、ロッキングレンジ内に複数の設定温度を設け、温度制御の制御値をそのうちの周囲温度に最も近い設定温度とすることを特徴とする半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
  8. 請求項７記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、運転者が車両に近づいた時、運転席側のドアが開いた時、運転席のシートに人が座った時、または車両のメインスイッチがＯＮの時に半導体レーザーの温度制御を開始することを特徴とする半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
  9. 請求項７記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、断熱材により前記半導体レーザーを取り囲むことを特徴とする半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
  10. 請求項１記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、半導体レーザーモジュール内に温度制御素子を配置することを特徴とする半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
  11. 請求項１０記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、前記温度制御素子がペルチェ素子であることを特徴とする半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
  12. 請求項１０記載の半導体レーザー励起によるエンジン装置用固体レーザー装置において、前記半導体レーザーモジュール内にグレーティング内蔵型半導体レーザー素子を配置することを特徴とする半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
  13. 請求項１記載の半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置において、複数の半導体レーザーを熱伝導性の高い部材に接合したことを特徴とする半導体レーザー励起によるエンジン点火用固体レーザー装置。
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