JP2011501879A - ビーム形成装置を伴うダイオードレーザ - Google Patents

Abstract

ビーム形成装置を有するダイオードレーザ（３４）を提案する。ここでは、１つのコリメーションおよびフォーカシングレンズ（６８）内に複数の機能が集約されている。これによって、必要な構造空間、製造コストおよび取り付けコストが格段に低減される。

Description

内燃機関およびガスタービンに対するレーザ点火装置は既に公知である。このようなレーザ点火装置は、ポンピング光源、導光装置およびレーザ装置を有している。レーザ装置は、ポンピング光源によって形成され、導光装置によって伝達されるポンピング光によってレーザパルスを形成する。このレーザパルスは、いわゆる点火点にフォーカシングされる。この点火点は、内燃機関の燃焼室内に位置している。

ポンピング光源によって放射されたレーザ光をできるだけ少ない損失で、導光装置内に入力することを可能にするために、ポンピング光源と導光装置との間に、ビーム形成装置が設けられる。

ＤＥ１０２００４００６９２Ｂ２号から、ビーム形成のための装置を備えたダイオードレーザが公知である。このダイオードレーザでは、入力側で、導光ファイバーの終端部が次のように変形されている。すなわち、この終端部が、隣接する導光ファイバーと溶融され、矩形の断面を得られるように変形されている。これによって、ダイオードレーザのエミッターによって放射されたレーザ光が可能な範囲で最良に、導光ファイバー内に入力される。

今後計画されている、レーザ点火装置の大量生産においては、大量の数が製作されるべきなので、レーザ点火の全構造群を低コストで製造することは、経済的に非常に重要である。

発明の開示
本発明の課題は、ビーム形成装置を備えたプラズマ光源として適しているダイオードレーザを提供することである。ここでこのビーム形成装置はその構成部分数、必要とされる構造空間、信頼性、個々の構成部分の製造コスト、および取り付けコストに関しても、従来技術に比べて格段の利点を有している。

上述の課題は本発明では、次のようなダイオードレーザによって解決される。すなわち、少なくとも１つのエミッターアレイと、このエミッターアレイから出射するポンピング光に対するビーム形成装置とを有しており、ここでこのビーム形成装置はファースト軸コリメーション（ＦＡＣ）レンズ、スロー軸コリメーション（ＳＡＣ）レンズおよび有利には、非球面フォーカシングレンズを含んでいる形式のダイオードレーザにおいて、ＳＡＣレンズの機能とフォーカシングレンズの機能とが、１つのコリメーションおよびフォーカシングレンズにまとめられていることを特徴とするダイオードレーザによって解決される。ここで、１つまたは２つの機能を、エミッターアレイに向けられた表面上またはエミッターアレイの方を向いていない表面上で実現することができる。択一的に、これらの機能のうちの１つまたは複数、例えばＦＡＣレンズの機能を、グレーデッドインデックスレンズによって実現することが可能である。このようなレンズに対する情報は、例えばインターネットで、www.grintech.deで見つけられる。これは本願に参照として取り入れられている。本発明のコリメーションおよびフォーカシングレンズの重要な利点を以下に示す：
まずは構成部材の数が低減される。これは、製造コストおよび必要な構造空間に有利に作用する。さらに、従来技術において、別個のレンズとして構成されているＳＡＣコリメーションレンズおよび非球面フォーカシングレンズをそれぞれ、ポンピング光源に対して正確に位置付けする必要がなくなる。２つの機能を１つのレンズ内に組み込むことによって、１つのアライメント過程だけが必要となる。

最後に、光学的な構成部分の数が少ないこと、および２つのレンズを相対的に位置付けする必要がないことによって、システムの高い信頼性を保ちながら、取り付けコストを格段に低減することもできる。

コリメーションおよびフォーカシングレンズの１つまたは２つの表面が、自身から出射するポンピング光を分割し、２つまたはそれより多くの焦点にフォーカシングすることによって、システムコストをさらに低減することができる。このような分割および複数の焦点へのフォーカシングは例えば次のことによって行われる。すなわち、コリメーションおよびフォーカシングレンズの光学的にアクティブな表面が、相互に隣接して配置された複数のコリメーションおよびフォーカシングレンズのように作用することによって行われる。ポンピング光を分配することによって、これは所期のように導光装置の種々のファイバーに入力される。これによって、ダイオードレーザから導光装置へのポンピング光の移行時に、非常に僅かな損失しか生じない。

変換損失を格段に低減させることは次のことによって実現される。すなわち、ビーム形成装置がファースト軸コリメーションレンズを含んでおり、ここで、ＦＡＣレンズの光学的に作用する表面が、エミッターアレイの直前に配置されることによって実現される。

これによって、ファースト軸方向における約３０°〜６０°のポンピング光の比較的大きい放出角度を比較的強くコリメーションすることができる。従って、ダイオードレーザからの導光装置内へのポンピング光の移行時の損失はさらに低減される。付加的に、ＦＡＣレンズがさらにフォーカシング機能を担うこともできる。これはエミッターアレイまでの間隔に依る。

ＦＡＣレンズの焦点距離は有利には、０．６ｍｍ〜１．２ｍｍの間の範囲にある。

本発明の特に有利な構成では、エミッターアレイの方を向いている、コリメーションおよびフォーカシングレンズの表面が、ＦＡＣレンズとして構成されている。これによってさらに、製造コスト、必要な構造空間および取り付けコストに関する上述した有利な効果とともに、光学的な構成部材を省くことができる。

本発明のコリメーションレンズおよびフォーカシングレンズのスロー軸コリメーションの機能は、隣接して配置された複数の円柱レンズによって実現される。ここでこれらの円柱レンズの長手軸は、ダイオードレーザのファースト軸に対して平行に延在している。

これと相応して、ＦＡＣレンズとして構成されている、本発明のコリメーションおよびフォーカシングレンズの表面は例えば、柱状に、殊に円柱状に構成される。この場合には、柱状の、ＦＡＣレンズとして構成された表面の長手軸は、ダイオードレーザのスロー軸に対して平行に延在している。

本発明のコリメーションおよびフォーカシングレンズは、次のような場合にも使用可能である。すなわちダイオードレーザが、ファースト軸方向において相互に重なって積層化されている複数のエミッターアレイを有し、これらが１つのマイクロスタックエミッターアレイを構成している場合にも使用可能である。ここで特に有利には、マイクロスタックの個々のエミッターの間隔が数マイクロメータであり、僅かであるので、マイクロスタックないしはマイクロスタックエミッターアレイの相互に重なって配置されている全てのエミッターに対して、１つの共通のＦＡＣレンズで充分である。殊に、要求されている使用目的、すなわちレーザ点火装置に対するポンピング光の供給に対して必要なビーム形成の精度も得られる。

本発明のコリメーションおよびフォーカシングレンズは、ホットプレスによって製造される。従って、製造コストはさらに低減され、必要な光学的な質が保証される。

本発明のさらなる利点および有利な構成は以下の図面、図面の説明および特許請求の範囲に記載されている。図面、明細書および請求項に開示されている全ての特徴は単独でも、相互の任意の組み合わせにおいても本発明の本質である。

レーザによる点火装置を有する内燃機関の概略図 図１に示された点火装置の概略図 本発明のダイオードレーザの簡略化された図 ダイオードレーザビーム形成装置の図 ダイオードレーザビーム形成装置の図 ダイオードレーザビーム形成装置の図 本発明のビーム形成装置の実施形態 本発明のビーム形成装置の実施形態 本発明のビーム形成装置の実施形態

図１ａにおいて内燃機関全体に参照番号１０が付与されている。これは、図示されていない自動車の駆動のために用いられる。内燃機関１０は複数のシリンダーを含んでおり、図１にはこのうちの１つだけが示されており、参照番号１２が付与されている。シリンダー１２の燃焼室１４はピストン１６によって制限されている。燃焼に必要な燃料は直接的に、インジェクター１８を通って、燃焼室１４内に、または図示されていない内燃機関１０の吸気管内に噴射される。インジェクターには同じように、レールと称される燃料蓄圧器２０から燃料が供給される。

燃焼室１４内に噴射された燃料２２は、レーザパルス２４によって点火点ＺＰにおいて点火される。レーザパルス２４は、レーザ装置２６によって燃焼室１４内に放射される。このためにレーザ装置２６には、導光装置２８を介してポンピング光が供給される。このポンピング光は、ポンピング光源３０から供給される。ポンピング光源３０は、制御装置３２によって制御される。ここでこの制御装置は殊に、インジェクター１８も駆動制御する。上述の構造群はいわゆるレーザ点火装置２７を構成する。

図１ｂから分かるように、ポンピング光源３０は、種々のレーザ装置２６に対する複数の導光装置２８へ供給する。これらのレーザ装置はそれぞれ、内燃機関１０の各シリンダー１２に割り当てられている。このためにポンピング光源３０は複数のポンピング光源３４を有している。これらは、パルス電流供給部３６と接続されている。複数の個別ポンピング光源３４が存在することによって、いわば、種々のレーザ装置２６でのポンピング光の「静かな（ruhende）」配分が実現される。従って、ポンピング光源３０とレーザ装置２６との間で光学的な分配器等は必要ではない。

レーザ装置２６は、受動的なＱスイッチレーザ（Gueteschaltung）４６を備えた例えばレーザ活性固体４４を有している。これは、入力ミラー４２および取り出しミラー４８とともに、光学的な共振器を構成する。ポンピング光源３０によって生成されたポンピング光を加えて、レーザ装置２６は、それ自体公知の方法でレーザパルス２４を生成する。このレーザパルスは、焦点合わせ光学系５２を通って、燃焼室１４（図１ａ）内に存在する点火点ＺＰにフォーカシングされる。レーザ装置２６のハウジング３８内に設けられているコンポーネントは、燃焼室窓５８によって燃焼室１４とは別個にされている。

図２は、ポンピング光源３４の概略的な平面図を示している。図２から分かるように、ポンピング光源３４は複数のエミッター３５を有している。これらのエミッター３５から放出されたポンピング光６０は、レーザ装置２６（図１ｂ）ないしはレーザ装置内に配置されているレーザ活性固体４４を光学的にポンピングするのに使用され、導光装置２８内に入力される。

導光装置２８は多数の導光ファイバー６８を含んでいる。これらは以下で、ファイバー６８とも称される。エミッター３５から放射されたポンピング光６０をできるだけ少ない損失で、導光装置２８のファイバー６８内に入力することを可能にするために、ポンピング光源３４と導光装置２８との間に、１つまたは複数の、図２に示されていないビーム形成装置が設けられている。これを以下で詳細に説明する。

図３には、ダイオードレーザとして構成されているポンピング光源３４の例が、正面で示されている。本発明では、用語ポンピング光源３４とダイオードレーザ３４が同義語で使用されている。

図３では、全体で、９個の線形エミッター３５が示されている。これらの全てには、分かりやすくするために、参照番号が付与されていない。これらのエミッター３５は線形の光源であり、その高さは約１μｍであり、幅Bは約６０μｍ〜２００μｍである。ここで図示の例では、ファースト軸の方向においてそれぞれ３つのエミッター３５が相互に重ねて配置されており、いわゆるマイクロスタック３７を構成している。マイクロスタック３７内に集約されているエミッター３５の間隔は、僅か数マイクロメートルである。従って、マイクロスタック３７も線形の光源として見なされ得る。実際のダイオードレーザ３４では、エミッター３５およびマイクロスタック３７の数は格段に多い。分かりやすくするために、図では比較的少ないエミッター３５およびマイクロスタック３７しか示されていない。

中心から中心までの、スロー軸方向における隣接する２つのマイクロスタック３７の間隔は、しばしばピッチ３９とも称され、例えば４５０μｍである。

スロー軸方向において隣接して配置されたエミッター３５の各列は、エミッターアレイ４０と称される。図示の例ではスロー軸方向において全部で３つのマイクロスタック３７が、１つのアレイになるように配置されているので、本発明では、マイクロスタックアレイ４１についても言及される。ファースト軸方向において、マイクロスタック３７の延長は僅かであるので、エミッターアレイ４０の光学的な特徴およびマイクロスタックアレイ４１の光学的な特徴は実質的には同じである。これによって、ビーム形成装置の構成に関して格別の効果が奏される。

図４は、ダイオードレーザ３４の側面図および本発明のいわゆるファースト軸コリメーションレンズ６２の実施例を示している。ファースト軸コリメーションレンズを以下で、ＦＡＣレンズ６２とも称する。マイクロスタック３７から放射されたポンピング光６０は、ファースト軸の方向において、約３０°〜６０°の非常に大きい放射角度を有しているので、ポンピング光６０は、ＦＡＣレンズ６２を通ってコリメートされなければならない。このＦＡＣレンズは通常は、マイクロスタック３７のすぐ近くに配置されている短焦点距離の円柱レンズである。これは、スロー軸に対して平行に延在している。

ダイオードレーザ３４とＦＡＣレンズ６２との間の間隔Ａは例えば、強制的にではなく、９０μｍである。ＦＡＣレンズ６２の焦点距離は典型的に、０．６ｍｍ〜１．２ｍｍの領域にある。この場合には、ＦＡＣレンズは、マイクロスタックエミッター３７から出射したポンピング光６０をコリメートするためだけではなく、同時に、このポンピング光６０をフォーカシングする。

図３から分かるように、マイクロスタックエミッター３７は、この実施例において相互に重なって位置している３つのエミッター３５を有しているので、マイクロスタックエミッター３７の焦点Ｆ_１、Ｆ_２およびＦ_３は、ファースト軸方向において相互に間隔をあけて位置している。これら３つの焦点Ｆ_１、Ｆ_２およびＦ_３のこの間隔は、レーザ点火装置内での使用時には問題とならない。

図５には、従来技術に即したポンピング光源３４と、前置接続されたビーム形成装置の平面図が示されている。図４に基づいて既に説明したように、ポンピング光源３４の直前に、ＦＡＣレンズ６２が配置されている。さらに、スロー軸コリメーションを実現するためにＳＡＣアレイ６４が設けられており、これは、相互に隣あって配置された複数の円柱レンズから成る。ここで、マイクロスタック３７の数は、ＳＡＣアレイ６４の円柱レンズの数に相応する。

ＳＡＣアレイ６４によって、ビームクオリティ、殊に、スロー軸方向における、マイクロスタック３７から放出されたポンピング光６０の焦点合わせ性が改善される。ポンピング光源３４のスロー軸ダイバージェンスを低減させる能力は、エミッター３５ないしはマイクロスタック３７の幅によって、およびマイクロスタック３７間のピッチ３９によって定められる。このピッチ３９は、熱導出を改善するために、最低値を下回ってはいけないので、ポンピング光源３４から放射されるポンピング光６０のビームクオリティが設定され、コリメートされなければならない。１５０μｍのエミッター幅と５００μｍのピッチ３９とを備えた通常の構造では、スロー軸方向におけるポンピング光のダイバージェンスは最大でファクター２．３だけ低減される。

ポンピング光６０を導光装置のファイバー６８（図２）内に入力することを可能にするために、ポンピング光はＳＡＣアレイから出射した後、さらにフォーカシングされなければならない。大きい角度（高い開口数）が必要なので、このために例えば非球面のレンズ６６が使用される。

従来技術から公知のビーム形成装置を概略的に示している図５の平面図から容易に分かるように、このようなビーム形成装置に対するコストは非常に高い。まずは３つのレンズ、すなわちＦＡＣレンズ６２、ＳＡＣアレイ６４および非球面フォーカシングレンズ６６が必要である。これによって当然ながら非常に高い製造コストがかかる。さらに全てのレンズ６２、６４および６６が、ポンピング光源３４に対して正確に位置付けされなければならない。ここから非常に高い取り付けコストおよびアライメントコストが生じる。

図６には、本発明のビーム形成装置の実施例が等尺で示されている。ここではＳＡＣアレイの機能およびフォーカシングレンズの機能が、本発明のコリメーションおよびフォーカシングレンズ６８内にまとめられている。従って図６に示された実施例ではポンピング光源３４の方を向いていない、コリメーションおよびフォーカシングレンズ６８の表面が、非球面フォーカシングレンズと、ＳＡＣアレイの機能を有する複数の相互に平行に延在する円柱レンズとの重畳から構成されている。コリメーションおよびフォーカシングレンズ６８の非球面状湾曲によって、ポンピング光源３４までの円柱レンズの間隔は異なる。円柱レンズの焦点（図６において参照番号が付与されていない）は、ほぼマイクロスタック３７の光出射部に位置しなければならないので、個々の円柱レンズの焦点距離も位置に依存して、相互に異なる。

図５と図６の比較から既に分かるように、ＳＡＣアレイ６４とフォーカシングレンズ６６を、１つの共通のコリメーションおよびフォーカシングレンズ６８にまとめることによって、構成部分の数が減るだけでなく、構造空間も大幅に削減される。

ここで、図７に示された第２の実施例に示されているように、ポンピング光源３４から放射されたポンピング光が全体で４つの焦点上で、導光部の例えば４つのファイバー６８に入力されるべき場合には、次のことが可能かつ有利である。すなわち、相互に間隔があけられた４つの焦点へのポンピング光のこのような分割およびフォーカシングを、例えば、ポンピング光源３４の方を向いていない、コリメーションおよびフォーカシングレンズの６８の表面内に組み込むことも可能かつ有利である。このような実施例では、コリメーションおよびフォーカシングレンズ６８は１つの焦点上にだけフォーカシングするのではなく、ポンピング光源３４から放出された光を４つの焦点上にフォーカシングする。これらの焦点は図７においてＦ_４〜Ｆ_７で示されている。これによってポンピング光源３４から放射されたポンピング光を複数の部分ビーム６０．１〜６０．４に分け、個々のファイバー６８を１つの導光装置２８に割り当てることが可能になる。このために、ファイバー６８の終端部を焦点Ｆ_１〜Ｆ_７内に配置することが必要である。

４つの部分ビームに分けられたポンピング光には図７において参照番号６０．１、６０．２、６０．３および６０．４が付されている。このような実施例では、ポンピング光源３４において、図３〜図５の簡略的な図に示されているように、３つのマイクロスタック３７が存在しているだけでなく、格段に多くのマイクロスタックが設けられている。従って、例えば１９個のマイクロスタック３７（図６および７には図示されていない）が設けられていてもよい。図７に示されたこの実施例に応じて球面レンズを４つの別個の非球面レンズに分けることによって、さらなる機能、すなわち、４つの異なる焦点Ｆ_４〜Ｆ_７での、ポンピング光の分割およびポンピング光６０のフォーカシングを、付加的な製造コスト無く、かつ付加的に構造空間を必要とすること無く、本発明のコリメーションおよびフォーカシングレンズ６８内に組み込むことができる。これによって、当然ながら、取り付けコストも低減する。

図８に示されているように、ＦＡＣレンズ６２の機能もコリメーションおよびフォーカシングレンズ６８内に組み込むことによって、構成部分の数および取り付けコスト並びに必要な構造空間をさらに低減させることができる。このような、低コストにもかかわらずかつ、特に省スペースな実施形態では、本発明のコリメーションおよびフォーカシングレンズ６８を、ダイオードレーザに対して位置付けするだけで、ＦＡＣコリメーションもＳＡＣコリメーションも、これに続くポンピング光のフォーカシングおよび分割も必要な精度および正確さで行うことができる。これによって、必要な構造空間および製造コストに関してさらなる利点が得られる。本発明のコリメーションおよびフォーカシングレンズ６８は約１ｍｍ×３ｍｍ×１０ｍｍの寸法を有しているので、相応する成形工具内へのホットプレスによって、充分な正確さで、許容可能なコストで製造することもできる。

基本的には全ての機能を、ダイオードレーザ３４の方を向いているまたは向いていない、本発明によるコリメーションおよびフォーカシングレンズ６８の表面で実現することができる。

Claims (13)

1. 少なくとも１つのエミッターアレイ（４０）と、当該エミッターアレイ（４０）から出射するレーザ光（６０）に対するビーム形成装置とを有するダイオードレーザであって、
   前記ビーム形成装置は、ＳＡＣレンズ（６４）と、有利には非球面のフォーカシングレンズ（６６）とを含んでおり、
   前記ＳＡＣレンズの機能と前記フォーカシングレンズの機能とが、１つのコリメーションおよびフォーカシングレンズ（６８）内にまとめられている、
   ことを特徴とするダイオードレーザ。
2. 前記ＳＡＣレンズの機能および／または前記フォーカシングレンズの機能は、前記エミッターアレイ（４０）の方を向いていない、前記コリメーションおよびフォーカシングレンズ（６８）の表面上で実現される、請求項１記載のダイオードレーザ。
3. 前記ＳＡＣレンズの機能および／または前記フォーカシングレンズの機能は、前記エミッターアレイ（４０）の方を向いている、前記コリメーションおよびフォーカシングレンズ（６８）の表面上で実現される、請求項１記載のダイオードレーザ。
4. 前記コリメーションおよびフォーカシングレンズ（６８）は、当該前記コリメーションおよびフォーカシングレンズから出射するポンピング光（６０．１〜６０．４）を分配する、請求項１から３までのいずれか１項記載のダイオードレーザ。
5. 前記コリメーションおよびフォーカシングレンズ（６８）は複数の焦点（Ｆ_４〜Ｆ_７）にフォーカシングする、請求項５記載のダイオードレーザ。
6. 前記ビーム形成装置はファースト軸コリメーション（ＦＡＣ）レンズ（６２）を有しており、当該ＦＡＣレンズ（６２）は前記エミッターアレイ（４０）の直前に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のダイオードレーザ。
7. 前記エミッターアレイ（４０）の方を向いている、前記コリメーションおよびフォーカシングレンズ（６８）の表面をＦＡＣレンズとして構成する、請求項８記載のダイオードレーザ。
8. 前記ＦＡＣレンズの機能および／または前記コリメーションおよびフォーカシングレンズ（６８）をグレーデッドインデックスレンズとして構成する、請求項１から７までのいずれか１項記載のダイオードレーザ。
9. 前記エミッターアレイ（４０）の方を向いていない、前記コリメーションおよびフォーカシングレンズ（６８）の表面上に、相互に隣接して配置され、かつ前記ダイオードレーザ（３４）のファースト軸方向に対して平行に延在する複数の円柱レンズが構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のダイオードレーザ。
10. 前記円柱レンズの焦点距離は、前記コリメーションおよびフォーカシングレンズ（６８）と前記エミッターアレイ（４０）との間の間隔に依存する、請求項６記載のダイオードレーザ。
11. 前記ＦＡＣレンズとして構成された、前記コリメーションおよびフォーカシングレンズ（６８）の表面は、柱状、殊に円柱状である、請求項８から１１までのいずれか１項記載のダイオードレーザ。
12. 複数のエミッターアレイ（４０）が前記ファースト軸の方向において相互に重なって積層されており、少なくとも１つのマイクロスタックエミッターアレイ（４１）を構成している、請求項１から１１までのいずれか１項記載のダイオードレーザ。
13. 前記コリメーションおよびフォーカシングレンズ（６８）はホットプレスによって製造されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のダイオードレーザ。

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