JP2013545280A - 内燃機関用レーザ点火装置および当該レーザ点火装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関（１０）用のレーザ点火装置（２７）に関しており、この点火装置は、レーザ活性固体（４４）および有利には受動式のＱスイッチ回路（４６）を有するレーザ装置と、レーザ装置（２６）を光ポンピングするポンプ光源（３０；１３０）とを有する。本発明では上記のポンプ光源（３０；１３０）は複数（３２；１３２）の面発光型半導体体レーザ（３２ａ，３２ｂ，…）を有する。

Description

従来の技術
本発明は、内燃機関用のレーザ点火装置に関しており、この点火装置は、レーザ活性固体および有利には受動式の、Ｑスイッチ回路を備えたレーザ装置と、備えた、このレーザ装置を光学的にポンピングするためのポンプ光源とを有する。

本発明はさらにこのようなレーザ点火装置を動作させるための方法に関する。

発明の開示
本発明の課題は、改善されたレーザ点火装置と、改善された動作方法を提供することである。

この課題は、冒頭に述べた形式のレーザ点火装置において、本発明により、上記のポンプ光源が、多数の面発光型半導体レーザを有することによって解決される。本発明にしたがって面発光型半導体レーザ（英語vertical cavity surface emitting laser, VCSEL）を使用することにより、レーザ点火回路の動作に対して多くの利点が得られる。固体レーザに比べて温度の影響を受けにくいことにより、有利にもVCSELレーザ源を内燃機関のすぐ近くにも使用できるため、ポンプ光源を内燃機関から離して配置する必要がない。VCSELコンセプトを使用すれば一般的に簡単な空冷で十分であるため、従来、内燃機関の領域で動作する半導体レーザを使用するために設けられていた水冷部を省略することができる。

VCSELレーザによって形成される約０．０６ｎｍ／Ｋ（ケルビンあたりのナノメートル）の波長が、温度の影響を受けにくいことにより、さらに半導体レーザにおける温度を簡単に制御することができる。

さらにVCSELレーザ源のロバストネスにより、殊に、ふつう内燃機関用のレーザベースの点火装置の重要なコンポーネントを収容するレーザ点火プラグを簡単に構成することができる。殊にレーザ点火プラグにおける断面変換器を省略することができ、フィードバック作用を消去するために素子を使用する必要もない。これらの素子は、固体レーザを有する従来のレーザ点火システムでは、エネルギの高いレーザ点火パルスが従来のポンプ光源に与える反作用を低減するために一般的に設けられていたものである。

VCSELアレイの線幅は一般的に端面発光型レーザまたは別の半導体レーザの線幅よりも小さい。これにより、ポンピングされる固体レーザ材料において、ポンプ光源によって形成されるポンプビームの殊に効率の高い吸収を保証することができる。

殊に有利にもVCSELアレイは、極めて多くの個別の面発光型レーザ放射器から構成されるため、直列および並列の電気接続からなる相応の組み合わせにより、公称動作電流および公称動作電圧を、内燃機関ないしはレーザ点火装置用の制御装置の種々異なる動作条件に適合させることができる。殊にこれによって内燃機械の領域における電磁両立性のための手段もサポートすることができ、これは、比較的高い周波数でオンオフされる比較的大きな電流強度に起因して発生し得るものである。多数の個別のVCSEL放射器を接続することにより、VCSELレーザ源用の電気エネルギ供給部に極めて簡単にポンプ光源を適合させることができる。

さらに放射面にわたってVCSELアレイの出力をスケーリングすることができるため、レーザ点火装置の構造において大きな構成上の変更をすることなく、レーザ点火パルスのエネルギを変化させることができ、すなわち、相応の出力を有するポンプ光源を設計することによって変化させることができるのである。

レーザ点火装置に使用する際のVCSELアレイの別の利点は、ポンプ装置が幾何学的に簡単であることにより、ポンプ光源を有するポンプモジュールに付加的なセンサを容易に配置できることである。

有利な実施形態では、上記のポンプ光源によって形成したポンプビームを上記のレーザ装置に入射させることのできる光導波装置が設けられている。この光導波装置は有利には実質的に円錐、プリズム、直方体、円筒形またはピラミッドの形状を有しており、上記のポンプ光源によって形成したポンプビームを光導波装置に入力結合する入力結合面は、有利には出力結合面にほぼ平行に配置されており、ここでこの出力結合面は、例えば、円錐形状の構成の場合には、相応する円錐台の上面を構成する。

ポンプ光源において、またポンプ光ないしはポンプビームを放射する面のほぼ任意の形状において、VCSELアレイの開度が小さいことにより、有利にも比較的小型かつ対称な光導波装置を使用することができる。

別の有利な実施形態において上記の光導波装置は、少なくとも部分的にガラスおよび／または結晶質および／またはセラミック材料から構成される。ここでは殊に屈折率が高く、加工性が良好であると有利である。有利には上記の光導波器の幾何学形状は、上記のポンプ光源の面発光型半導体レーザの開度に適合されるため、形成されるポンプビーム全体に対し、上記の光導波装置の套面における全反射の条件が満たされる。上記の光導波装置の長さは、例えば、低減の所望の度合いにより、放射面に適合させることができる。

別の有利な実施形態では、上記の光導波装置は、上記のポンプ光源および／またはレーザ装置に直接、または接触接続剤によって、例えばインデックスマッチングジェルなどによって接触接続しており、これによって上記のレーザ装置ないしはレーザ装置のレーザ活性固体への上記のポンプビームの殊に効率的な入力結合が得られる。

直接の接触接続は、例えば、接着ないしは光学溶着によって作製することができる。本発明のこの実施形態は、コンポーネント（ポンプ光源、光導波器、レーザ装置）の位置合わせ不良に対して殊に高いロバストネスを有しており、また結合損失が小さい。

択一的または補足的には上記の光導波装置とレーザ装置との間にビーム成形光学系を挿入することができる。上記のポンプビームを直接レーザ装置に入力結合するのとは別に、本発明による光導波装置を使用してポンプビームを上記の光ファイバに入力結合することも可能である。

別の有利な実施形態では、上記のポンプ光源は、空間的に互いに別個に配置される多数の面発光型半導体レーザを、殊に半導体レーザのグループを有しており、半導体レーザのこれらのグループによって形成したポンプビームを直接または集束光学系を介して上記のレーザ装置に入射させることができる。これにより、上記のレーザ装置ないしはそのレーザ活性固体において、互いに分かれたポンプ体積体を殊に有利に実現できるため、有利にも複数のレーザパルスを同時に形成することができる。ここではポンプビームが個別に供給されるポンプ体積体は、互いに依存せずにレーザ共振器として動作する。

別の有利な実施形態では、上記のポンプ光源は複数のポンプ光ユニットを有しており、第１のポンプ光ユニットは、これが上記のレーザ装置を長手方向にポンピングできるように配置および構成されており、少なくとも１つの別のポンプユニットは、これが上記のレーザ装置を横方向にポンピングできるように配置および構成されている。

上記の横方向のポンピングにより、有利にもレーザ媒体に、すなわちレーザ活性固体にポンピングエネルギを殊に容易に入れることができ、上記の長手方向のポンピングビームにより、レーザ活性固体においてレーザモードが良好なビーム品質で形成される。

別の実施形態によれば、上記の横方向に供給されるポンピングビームが上記のレーザ装置に殊に効率的に入力結合されるのは、この横方向の光ポンピング用に設けられたポンプ光ユニットが１つずつの実質的にストライプ状の平坦な装置を有する場合であり、ここでこの装置は、レーザ装置の長手軸に対して実質的に平行に延在している。付加的には、ポンプビームを上記のレーザ装置に集束するため、上記の横方向の光ポンピング用に設けられた少なくとも１つのポンプ光ユニットにシリンダレンズを割り当てることができる。

本発明の課題の別の解決手段として、請求項１０に記載した方法が提供される。本発明による方法では、上記のポンプ光源は、上記のレーザ装置を光ポンピングする多数の面発光型半導体レーザ（VCSEL）を有する。

本発明による動作方法の有利な実施形態では、上記のレーザ装置ないしはレーザ活性固体の種々異なる体積体領域には、互いに別個にポンプ光が供給される。殊に有利にはこれによって複数のレーザパルスを実質的に同時に形成することができる。

別の有利な実施形態では、上記のレーザ装置は、第１のポンプ光ユニットによって長手方向にポンピングされ、このレーザ装置は、少なくとも１つの別のポンプ光ユニットによって横方向にポンピングされる。

殊に有利には第１のポンプ光ユニットにより、実質的に円形のビーム断面を有するポンプビームが形成され、これは、上記のレーザ装置の長手方向のポンピングに使用され、これによって殊に良好なビーム品質のレーザモードが得られる。

本発明の別の特徴、適用の可能性および利点は、図面の図に示した本発明の実施例の以下の説明から得られる。ここで説明または示したすべての特徴的構成は、特許請求の範囲またはそれらの参照関係におけるまとめ方、ならびに、明細書ないしは図面における定式化ないしは表現とは無関係に、それ自体でまたは任意の組み合わせで、本発明の対象となるものである。

本発明によるレーザベースの点火システムを有する内燃機関を示す図である。 図１のレーザ点火プラグの第１実施形態の詳細を模式的に示す図である。 ポンプ光源が離れて配置されたレーザベースの点火システムの実施形態を示す図である。 レーザ点火プラグに組み込まれたポンプ光源を有するレーザ点火装置の実施形態を示す図である。 ポンプビームをレーザ装置に入力結合する光導波装置を有するレーザ装置の別の実施形態を示す図である。 ポンプビームをレーザ装置に入力結合する光導波装置を有するレーザ装置のさらに別の実施形態を示す別の図である。 ポンプビームをレーザ装置に入力結合する光導波装置を有するレーザ装置のさらに別の実施形態を示す別の図である。 ポンプビームをレーザ装置に入力結合する光導波装置を有するレーザ装置のさらに別の実施形態を示す別の図である。 ポンプ光源の別の実施形態を示す図である。 図６ａのポンプ光源によってレーザ装置にポンプ光を供給する様子を略示する図である。 本発明によるポンプ光源の別の実施形態を示す図である。 別の実施形態の側面図である。 図７ａの実施形態の平面図である。

図１において内燃機関は、全体として参照符号１０を有している。この内燃機関は、図示しない自動車を駆動するために使用されるかまたは停止した動作では発電に使用される。内燃機関１０には複数のシリンダが含まれており、図１ではそのうちの１つだけに参照符号１２が付されている。シリンダ１２の燃焼室１４は、ピストン１６によって仕切られている。燃料は、レールとも称される燃料高圧蓄積器２０に接続されているインジェクタによって直接、燃焼室１４に達する。

燃焼室１４に噴射される燃料２２は、レーザビーム２４によって点火され、このレーザビームは有利には、レーザ装置２６を有するレーザ点火プラグ１００により、レーザパルス２４の形態で燃焼室１４に放射される。このためにレーザ装置２６には、ポンプ光源３０によって準備されるポンプ光が光導波装置２８を介して供給される。ポンプ光源３０は、インジェクタ１８も駆動制御する制御装置３１によって制御される。

ポンプ光源３０は、光導波装置２８と、レーザ装置２６を備えたレーザ点火プラグ１００と共に内燃機関１０のレーザベース点火システム２７を構成する。

図２からわかるように本発明において、レーザ装置２６は、レーザ活性固体４４の他に受動式のＱスイッチ回路４６も有しているため、コンポーネント４４，４６は、入力結合ミラー４２および出力結合ミラー４８と共にレーザ発振器を構成する。

レーザ装置２６の基本的に動作の仕方はつぎの通りである。

光導波装置２８を介してレーザ装置２６に供給されるポンプ光６０は、ポンプ光６０の波長に対して透過な入力結合ミラー４２を通してレーザ活性固体４４に入射する。このレーザ活性固体４４においてポンプ光６０が吸収され、これによって反転分布が発生する。はじめのうちは受動式のＱスイッチ回路４６の高い伝送損失によってレーザ装置２６におけるレーザ発振が妨げられる。しかしながらポンプ持続時間が長くなるのに伴い、レーザ活性固体４４と、受動Ｑスイッチ回路４６と、ミラー４２，４８とによって構成される共振器内でビーム密度も増大する。所定のビーム密度以上になると、受動式のＱスイッチ回路４６ないしは受動式のＱスイッチ回路４６の飽和可能な吸収器の機能が低下するため、上記の共振器におけるレーザ発振に成功することになる。

このメカニズムにより、いわゆる巨大パルスの形態のレーザビーム２４が形成され、このレーザビームは、出力結合ミラー４８を通って出射する。このレーザビームを以下ではレーザ点火パルスと称する。

上で説明した受動式のＱスイッチ回路４６の代わりに能動式のＱスイッチ回路を使用することも考えられる。

本発明では、ポンプ光源３０は、複数の面発光型半導体レーザを有しており、これらはVCSEL（英語vertical cavity surface emitting laser）とも称される。

図３には、すでに図１によって略示したレーザ点火回路２７の概略側面図が示されている。

レーザ点火プラグ１００は、点火プラグケーシング１０２に配置されたレーザ装置２６を有しており、このレーザ装置は、例えば図２のように構成されており、レーザパルス２４を形成するために使用される。レーザ点火プラグ１００には、１つのポンプ光源３０が割り当てられており、このポンプ光源は、複数のVCSELレーザ源、したがって少なくとも１つのいわゆるVCSELアレイ３２を有しており、このVCSELアレイの個々の面発光型半導体レーザ３２ａ，３２ｂ，…は共通のヒートシンク３４に配置されている。

VCSELアレイ３２には、集束光学系３６が光学的に後置されており、この集束光学系は、図３に示していない光導波装置２８の入力結合面に、VCSELアレイによって形成したポンプビーム６０を集束する。レーザ点火プラグ１００には光導波装置２８を介してポンプビーム６０が供給される。レーザ点火プラグ１００では、光導波装置２８によって供給されるポンプビーム６０が、この実施例の集束光学系１０４によってあらためて成形される。この集束光学系は、レーザ装置２６ないしはレーザ装置２６のレーザ活性固体４４に所定の開度角で光導波装置２８から出射したポンプビーム６０を集束する。

VCSELアレイ３２は有利にはいわゆるハイパワーVCSELアレイであり、このアレイは、公知のようにヒートシンク３４に取り付けられかつ電気的に接触接続され、（図示しない）駆動制御線路を介してエネルギが供給されてポンプビーム６０の形成が制御される。

光導波装置２８にポンプビーム６０を入力結合するため、プレスされた光学系として構成された簡単な集束レンズ３６を使用することができる。

別の有利な実施形態によればVCSELアレイ３２の個々のレーザ放射器に、ポンプビーム６０の開度を大きく低減する（図示しない）マイクロレンズを割り当てることも可能である。

図４には、レーザ点火装置の別の装置が略示されており、ここでは（図３に示した実施形態とは異なり）ポンプ光源１３０は、レーザ点火プラグ１００に組み込まれている。したがって図４に示した実施例では、別個の光導波装置２８は不要であり、ポンプビーム６０は、VCSELアレイ１３２から集束光学系１０４ａを介してレーザ装置２６に直接入射し、つぎにこのレーザ装置は、すでに説明したようにレーザパルス２４を形成するのである。VCSELアレイ１３２は、ヒートシンク１３４に配置され、このヒートシンクは、有利にはレーザ点火プラグ１００のケーシング（図３）と材料結合的に接続されるかまたは一体に接続される。

光導波装置２８と、レーザ点火プラグ１００から離れて配置されるポンプ光源とを省略することにより（図３に示した実施形態と比較されたい）、図４に示した実施形態では、故障率の低い極めてコスト的に有利な構成が得られる。

図３，４を参照して上で説明した構成では、付加的に横方向の光ポンピングを行うことも可能であり、ここでは相応する付加的な（図示しない）VCSELアレイは、レーザ装置２６に対して横方向に配置される。

ポンプ光源３０，１３０のVCSELアレイに殊に有利な波長は、８０６ナノメートル（ｎｍ），８８５ｎｍ，９１４ｎｍ，９４６ｎｍ，９７５ｎｍおよび９８０ｎｍである。VCSELアレイ３２，１３２の線幅が狭いことにより、幅の狭いレーザ活性固体４４の吸収線も使用することができる。したがって、例えば端面発光型半導体レーザを有する従来のポンプ光源によるよりも、例えば８８５ｎｍにおけるNd:YAGのポンピングを一層容易に実現することができるのである。

例えば、後置されるかまたは共振器に組み込まれる光学増幅器を備えた発振器を使用するなどの別の公知のレーザコンセプトを、上記のVCSELアレイ３２，１３２によるポンピングに転用可能である。

図５ａにはレーザ点火装置の別の実施形態が略示されており、ここでもVCSELアレイ１３２はヒートシンク１３４に配置されており、レーザ装置２６に入射させるためのポンプビーム６０が形成される。図５ａに示した構成において有利には、VCSELアレイ１３２からレーザ装置２６へのポンプビーム６０の効率的な入射ないしはガイドを可能にする光導波装置１２０が設けられている。図５ａからわかるように光導波装置１２０は有利には円錐ないしは円錐台の形状を有する。他の形状（プリズム、直方体、ピラミッド、円筒形）も同様に考えられる。

殊に有利には光導波装置１２０は、可能な限りにポンプビーム６０全体を集光するため、可能な限りに接近してVCSELアレイ１３２の前に配置される。図５ａにおいて水平方向に延在する光導波装置１２０の長さにわたり、ポンプビーム６０は集光されて固体レーザ２６に入力結合することができる。固体レーザないしはレーザ装置２６に入力結合する代わりに構成部１３２，１２０を使用して、図３に示した実施形態で使用されているように、ポンプビーム６０を効率的に光導波装置２８に入力結合することもできる。

このことが意味するのは、図５ａに示した実施形態において、ポンプビーム６０をレーザ装置２６に直列入力結合する代わりに、光導波装置２８（図３）に入力結合することもできることである。同じことは、以下に図５ｂないし５ｄを参照して説明する、光導波装置を備えた別の実施形態にも当てはまる。

図５ｂにはレーザ点火装置の別の実施形態が略示されており、ここでは図５ａに示した実施形態の光導波装置１２０に相応して構成することができる光導波装置１２０ａが、VCSELアレイ１３２とレーザ装置２６との間に設けられている。図５ｂに示した実施形態では、光導波装置１２０ａの入力結合面１２０ａ''は、VCSELアレイ１３２の光学的な表面に直に接触接続しており、これによって光導波装置１２０ａへの殊に効率的なポンプビームの入力結合が行われる。これに類似して光導波装置１２０ａの出力結合面１２０ａ'もレーザ装置２６の端面に直に接触接続している。 関連する面１２０ａ'，１２０ａ''の接触接続は、例えば、接着、オプティカルコンタクト、ボンディングまたは例えばインデックスマッチングジェルなどの接触媒質を使用することによって行うことができる。この構成の殊に大きな利点は、位置合わせ不良に対してロバストネスが高くまた結合損失が殊に小さいことである。

図５ｃにはレーザ点火装置の別の実施形態が示されており、ここではポンプビーム６０をガイドするために光導波装置１２０ｂが設けられている。光導波装置１２０ｂに加えて集束光学系１０４ｂが設けられており、この集束光学系は、光導波装置１２０ｂとレーザ装置２６との間に配置されており、光導波装置１２０ｂから出射した（図示しない）ポンプビームをレーザ装置２６に集束して、これを長手方向ポンピングする。集束光学系１０４ｂにより、ポンプビーム６０を最適に成形することができる。

図５ｄにはレーザ点火装置の別の実施形態が示されており、ここでは光導波装置１２０ｃの入力結合面は平らに構成されてはおらず、むしろ湾曲しており、これによってVCSELアレイ１３２から光導波装置１２０ｃへのポンプビームの入力結合効率が高められる。同時に湾曲した入力結合面により、光導波装置１２０ｃの長さを格段に低減することができる。この入力結合面の湾曲は、例えば、研磨によって得ることができ、またはレンズ素子を取り付けることによって得ることもでき、このレンズ素子は、例えば、光導波素子１２０ｃの最初は平坦な入力結合面にボンディングすることができる。

図６ａにはポンプ光源１３０の別の実施形態が略示されており、このポンプ光源は、有利にはレーザ点火プラグ１００（図２）に組み込むことができる。ポンプ光源１３０は、複数のVCSELアレイからなる複数のグループ１３８ａ，１３８ｂ，１３８ｃを有しており、これらのグループは、共通の１つの支持体装置１３６に配置されている。支持体装置１３６はここでもヒートシンク１３４に配置されている。種々異なるVCSELアレイ１３８ａ，１３８ｂ，１３８ｃ，…のグルーピングは有利には、これらが空間的に十分に互いに離され、これらの種々異なるポンプビームが重ならないように行われる。これにより、レーザ装置２６ないしはレーザ活性固体４４の種々異なる体積領域Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が互いに別個に光ポンピングされる。これについては図６ｂの側面図を参照されたい。

オプションでは集束光学系１０４ａを設けることができ、この集束光学系は、ポンプ光部分ビーム６０ａ，６０ｂ，６０ｃを有利には所望の体積要素Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に集束する。

VCSELアレイの各グループ１３８ａ，１３８ｂ，１３８ｃは有利には、個別の多数の面発光型放射器を有しており、これらはほぼ円形に配置されており、これによって可能な限り丸いないしは円形のポンプモードが可能になる。個々のグループ１３８ａ，１３８ｂ，１３８ｃは、固体レーザ４４においてレーザパルス２４ａ，２４ｂ，２４ｃ（図６ｂ）を形成できるようにするために十分に大きな出力を有するようにする。

VCSELアレイ１３２の最適なマッピングに有利であるのは、放射されるビーム６０ａ，６０ｂ，６０ｃを（図示しない）マイクロレンズによってコリメートする場合であり、ここでこれらのマイクロレンズも有利には個々のVCSELエミッタに直接配置される。

図６ｂから個々のレーザパルス２４ａ，２４ｂ，２４ｃが互いに空間的に離れて発生する様子がわかるが、これは、互いに空間的にわかれかつ個別にポンピングされる体積領域Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３によって得られる。すべてのレーザパルス２４ａ，２４ｂ，２４ｃが可能な限りに同時に放射されるようにするため、ポンプ光源１３０の電気的な駆動制御を例えばつぎのように行うことができる。すなわち、レーザパルスの実際のトリガ（受動式のＱスイッチ回路４６の飽和可能な吸収器が機能低下する）前の数マイクロ秒間、VCSELアレイの駆動電流を大きく増大させるように行うことができるのである。これによってすべてのレーザパルス２４ａ，２４ｂ，２４ｃのトリガが加速され、レーザパルスは時間的にも接近して詰まって並ぶのである。

図６ｃには、複数のVCSELアレイ１３２を有するポンプ光源の別の実施形態の側面図が示されている。この実施形態では、個々のVCSELアレイは、これらのVCSELアレイの２次元の広がりが、固体レーザ４４においてポンピングすべきモードの直径に相応するように十分に大きく構成されている。VCSELアレイ１３２の放射をコリメートすると、ポンプモードと固体モードとの良好なオーバーラップを実現することができる。図６ｃからもわかるように固体レーザ４４は有利にはVCSELアレイに接触接続することができる。この実施例ではポンプ光源に全部で５つの離散的なVCSELアレイ１３２が設けられているため、相応にポンプ光を供給した際にはレーザ装置２６により、離散的な５つのレーザパルス２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅが形成されるため、空間的な多重点火を実現することができる。

図７ａには、レーザ点火装置の別の実施形態が示されており、ここでは第１のポンプ光ユニット１３０ａが、レーザ装置２６ないしはレーザ活性固体４４の長手方向のポンピングのために設けられている。第１のポンプ光ユニット１３０ａはこのために、すでに上で説明したようにVCSELレーザの１つまたは複数のアレイを有する。第１のポンプ光ユニット１３０ａには集束光学系が光学的に後置されており、この集束光学系はポンプビーム６０’をレーザ装置２６ないしはそのレーザ活性固体４４に集束し、これによってこのレーザ活性固体２６を長手方向にポンピングする。第１のポンプ光ユニット１３０ａに加えて別のポンプ光ユニット１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ（図７ｂを参照されたい）が設けられており、これらのポンプ光ユニットは、ポンプビーム６０’による長手方向の光学的ポンピングに加えて、横方向にも、すなわち、上記のポンプ光ユニットによって形成されるポンピングビーム６０''によってもポンピングを行う。横方向の光ポンピング用に設けられる別のポンプ光ユニット１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄにはそれぞれシリンダレンズ１３０ｂ’，１３０ｃ’，１３０ｄ’（図７ｂ）が割り当てられている。

ポンプ光ユニット１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄは有利にはストライプ状ないしは矩形状に構成されたVCSELアレイを有しており、これらのアレイは、長手方向軸が、レーザ装置２６の長手方向軸２６ａにほぼ平行に延在しており、また、例えば、レーザ点火プラグ１００（図１）のケーシング１０２の内側に直に配置することができる。

図７ａ，７ｂに示したポンプ構成では、横方向のポンピングに対しては比較的わずかなビーム密度しか必要としない。それは、このポンプ出力は、吸収性の材料４４の全長にわたって供給することができ、弱く集束すればよいからである。出力密度の小さいVCSELアレイは、マイクロ光学系を必要としないため、殊に簡単に作製可能である。レーザ装置２６における励振モードの形状は、第１のポンプ光ユニット１３０ａによる長手方向のポンピングによってプラスの影響を受けるかまたはこれによって決定される。したがって第１のポンプ光ユニット１３０ａに対して有利には円形のVCSELアレイを使用するかまたは円形に構成される複数のVCSELアレイの配置構成を使用し、これらを直接、固体レーザ４４にマッピングする。これによって固体レーザ４４における励振モードの形状を、純粋に横方向のポンピング配置構成の場合よりも格段に良好に構成することできる。

上記の長手方向のポンピングは、局所的に設けられる第１のポンプユニット１３０ａの代わりに光ファイバまたはビーム形成光学系によっても行うことも可能である。

この実施例では図７ａ，７ｂに関連して全部で３つの別のポンプ光ユニット１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄが、横方向の光ポンピング用に記載されているが、任意の個数の横方向ポンピングを行うポンプ光ユニットを設けることができる。２つから６つまでの横方向ポンピングVCSELアレイが殊に有利である。

上記のポンピング過程中にレーザ装置２６によって吸収されなかった出力は、付加的に（図示しない）ミラーによって固体レーザ４４に反射して戻すことができる。

上記の横方向のポンプユニット１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ用のVCSELアレイを使用するのとは択一的に、このために別の半導体レーザ、例えば端面発光型半導体レーザを使用することも可能である。このような構成においても、VCSELアレイによる付加的な長手方向のポンピングにより、レーザ４４のモードにプラスに影響を及ぼすことができる。

レーザベースの点火システム２７の上で説明した実施形態は互いに組み合わせることも可能である。

Claims (14)

1. レーザ活性固体（４４）および有利には受動式であるＱスイッチ回路（４６）を有するレーザ装置（２６）と、該レーザ装置（２６）を光ポンピングするポンプ光源（３０；１３０）と備えた、内燃機関（１０）用のレーザ点火装置（２７）において、
   前記ポンプ光源（３０；１３０）は複数（３２；１３２）の面発光型半導体レーザ（３２ａ，３２ｂ，…）を有する、
   ことを特徴とするレーザ点火装置（２７）。
2. 請求項１に記載のレーザ点火装置（２７）において、
   光導波装置（１２０，１２０ａ，１２０ｂ，…）が設けられており、該光導波装置を介し、前記ポンプ光源（１３０）によって形成したポンプビーム（６０）を前記レーザ装置（２６）に入射可能である、
   ことを特徴とするレーザ点火装置（２７）。
3. 請求項２に記載のレーザ点火装置（２７）において、
   前記光導波装置（１２０，１２０ａ，１２０ｂ，…）は、実質的に円錐、プリズム、直方体、ピラミッド、円柱のうちの１つの形状を有する、
   ことを特徴とするレーザ点火装置（２７）。
4. 請求項２または３に記載のレーザ点火装置（２７）において、
   前記光導波装置（１２０，１２０ａ，１２０ｂ，…）は少なくとも部分的にガラスおよび／または結晶質材料および／またはセラミック材料から構成される、
   ことを特徴とするレーザ点火装置（２７）。
5. 請求項２から４までのいずれか１項に記載のレーザ点火装置（２７）において、
   前記光導波装置（１２０，１２０ａ，１２０ｂ，…）は、前記ポンプ光源（１３０）および／または前記レーザ装置（２６）に直接または接触接続剤によって接触接続している、
   ことを特徴とするレーザ点火装置（２７）。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載のレーザ点火装置（２７）において、
   前記ポンプ光源（１３０）は、空間的に互いに離れて配置された複数の面発光型半導体レーザ、殊に半導体レーザのグループ（１３８ａ，１３８ｂ，１３８ｃ）を有しており、
   半導体レーザからなる当該グループ（１３８ａ，１３８ｂ，１３８ｃ）によって形成したポンプビーム（６０ａ，６０ｂ，６０ｃ）が、直接または集束光学系（１０４ａ）を介して前記レーザ装置（２６）に入射可能である、
   ことを特徴とするレーザ点火装置（２７）。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載のレーザ点火装置（２７）において、
   前記ポンプ光源（１３０）は、複数のポンプ光ユニット（１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ）を有しており、
   前記第１のポンプ光ユニット（１３０ａ）は、当該第１のポンプ光ユニットが前記レーザ装置（２６）を長手方向にポンピングできるように配置および構成されており、
   少なくとも１つの別のポンプ光ユニット（１３０ｂ）は、当該少なくとも１つの別のポンプ光ユニットが、前記レーザ装置（２６）を横方向にポンピングできるように配置および構成されている、
   ことを特徴とするレーザ点火装置（２７）。
8. 請求項７に記載のレーザ点火装置（２７）において、横方向の光ポンピング用に設けられた前記ポンプ光ユニット（１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ）は１つずつの実質的にストライプ形状の、平坦な装置を有しており、該装置は、前記レーザ装置（２６）の長手方向軸（２６ａ）に対して実質的に平行に延在している、
   ことを特徴とするレーザ点火装置（２７）。
9. 請求項７に記載のレーザ点火装置（２７）において、横方向の光ポンピング用に設けられた前記少なくとも１つのポンプ光ユニット（１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄ）には、前記ポンプビームを前記レーザ装置（２６）に集束するためのシリンダレンズ（１３０ｂ’，１３０ｃ’，１３０ｄ’）が割り当てられている、
   ことを特徴とするレーザ点火装置（２７）。
10. レーザ活性固体（４４）および有利には受動式であるＱスイッチ回路（４６）を有するレーザ装置（２６）と、該レーザ装置（２６）を光ポンピングするポンプ光源（３０；１３０）と備えた、内燃機関（１０）用のレーザ点火装置（２７）を動作させる方法において、
    前記ポンプ光源（３０；１３０）は、前記レーザ装置（２６）を光ポンピングする複数（３２；１３２）の面発光型半導体レーザ（３２ａ，３２ｂ，…）を有する、
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、
    前記レーザ装置（２６）ないしは前記レーザ活性固体（４４）の種々異なる体積領域（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）に互いに別個にポンプ光（６０ａ，６０ｂ，６０ｃ）が供給される、
    ことを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、
    複数のレーザパルス（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ）を実質的に同時に形成する、
    ことを特徴とする方法。
13. 請求項１０から１２までのいずれか１項に記載の方法において、
    前記レーザ装置（２６）を第１のポンプ光ユニット（１３０ａ）によって長手方向にポンピングし、
    前記レーザ装置（２６）を少なくとも１つの別のポンプ光ユニット（１３０ｂ）によって横方向にポンピングする、
    ことを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、
    前記第１のポンプ光ユニット（１３０ａ）により、実質的に円形のビーム断面を有するポンプビーム（６０）を形成する、ことを特徴とする方法。

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