JP2014192166A - 半導体レーザー励起固体レーザー装置を利用する車載式点火装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体レーザー光源が放射した半導体レーザー光7で励起された固体レーザー媒質10が放射するパルスレーザー光14でエンジンに供給された燃料に点火する装置を実現するには、20〜80℃の全範囲においてパルスレーザ光14を放射する必要がある。現状の半導体レーザー励起固体レーザー装置では動作温度範囲が不十分である。そこで固体レーザー媒質10に、ネオジムを含有するイットリウム・アルミニウム・ガーネットを選択し、半導体レーザー光源に、活性層の両側に多層膜が形成されている垂直共振器面発光レーザー素子が2次元に配列されたアレイ素子1を備え、20℃における発振中心波長が804.0〜805.5nmであり、発振中心波長の温度依存性が0.07nm/℃以下のものを選択する。
【選択図】図1
Description
VCSELのアレイ101を調温するために、アレイ素子101をダイヤモンド製のサブマウント102にマウントし、そのサブマウント102を銅のブロックにマウントして冷却する。アレイ素子101は、アレイ素子101が放射する半導体レーザー光の波長が976nm となる温度に調温される。
特に、半導体レーザー励起固体レーザー装置が放射するパルスレーザー光でエンジンに提供された燃料に点火する点火装置を実現する技術を開示する。
本明細書では、20℃から80℃までの温度範囲で安定的に動作する半導体レーザー励起固体レーザー装置が得られれば、電子冷却装置あるいは水冷式冷却装置を併用する必要がなくなり、簡単な加熱装置あるいは簡単な空冷装置程度と併用することで車載することが可能となるという知見に基づいて創作された半導体レーザー励起固体レーザー装置あるいはそれを利用した点火装置を開示する。
(第1知見)半導体レーザー光源の発振中心波長は、一義的には半導体活性層のバンドギャップで決定されるが、それだけでは決まらず、共振器を構成するミラーの反射特性の影響も受ける。そこで、半導体活性層の両側に配置するミラーに半導体多層膜を利用し、分布ブラッグ反射を利用するVCSELが開発されている。このVCSELによると、発振中心波長の温度依存性が、0.07nm/℃まで低下する。例えば、Princeton Optronics, Inc. (1 Electronics Drive, Mercerville, New Jersey 08619, USA)社が提供するVCSELの発振中心波長の温度依存性は0.07nm/℃である。
(第2知見)従来の半導体レーザー励起固体レーザー装置は、図10に示した吸収帯Aを利用するが、実際には、それに隣接する波長帯Bでも吸収能力を備えており、吸収帯Aと吸収帯Bの全体を利用することができる。吸収帯Bでの吸収係数は吸収帯Aでの吸収係数より低いので今まで使われなかったが、固体レーザーを発振させることは可能である。
(1)固体レーザー媒質に、ネオジムを含有するイットリウム・アルミニウム・ガーネット(Nd:YAG)を用いる。
(2)半導体レーザー光源に、活性層の両側に多層膜が形成されている垂直共振器面発光レーザー素子(VCSEL)が2次元に配列されたアレイ光源を用いる。特に、20℃における発振中心波長が804.0 〜805.5nmであり、発振中心波長の温度依存性が0.07nm/℃以下である半導体レーザー光源を用いる。
図11は、20℃における発振中心波長が803.0nmである半導体レーザー光源を用いた場合と、803.5nmの半導体レーザー光源を用いた場合を示す。図11の場合、環境温度が低い場合における半導体レーザー光の波長が吸収帯Bの最短波長に比しても短すぎ、環境温度が低い場合における有効吸収係数が低下してしまう。
図13は、20℃における発振中心波長が806.0nmである半導体レーザー光源を用いた場合と、806.5nmの半導体レーザー光源を用いた場合を示している。図13の場合、環境温度が高い場合における半導体レーザー光の波長が吸収帯Aの最長波長に比しても長すぎ、環境温度が高い場合における有効吸収係数が低下してしまう。
図12は、20℃における発振中心波長が804.0nm、804.5nm、805.0nm、805.5nmの半導体レーザー光源を用いた場合の有効吸収係数を示す。図12の場合、環境温度が低い場合にも波長が短すぎず、環境温度が高い場合にも波長が長すぎず、20℃〜80℃の全温度範囲において、40%以上の有効吸収係数を確保できることがわかる。
図14は、図11から図13に示した有効吸収係数から「20〜80℃内の最高有効吸収係数/20〜80℃内の最少有効吸収係数」の値を求めた結果を示している。20℃における発振中心波長が804.0〜805.5nmの範囲内にあると、前記した比の値が2.0未満に抑えられることがわかる。
そのために、固体レーザー媒質に、1.1〜2.0at%のネオジムを含有する多結晶のNd:YAGを用いるのが有効である。
Nd:YAGの端面にCr:YAGが接合されている光学素子を利用する場合、 Nd:YAGの一方の端面とCr:YAGの一方の端面を接合し、Nd:YAGの非接合端面とCr:YAGの非接合面を平行とする。Nd:YAGの非接合端面に半導体レーザー光が入射すると、Cr:YAGの非接合面からパルスレーザー光が放射する関係を得ることができる。
そこで、Cr:YAGの非接合面に、0.5〜2mmの半径の凹面が形成されていることが好ましい。
そこで、VCSELの各発光点から放射された半導体レーザー光を個々にコリメートするマイクロレンズが2次元に配列されたマイクロレンズアレイと、反射膜が一体に形成されているミラー兼マイクロレンズアレイを、VCSELとNd:YAGの間に配置する構造がとりえる。光ファイバーを利用する場合には、ミラー兼マイクロレンズアレイをVCSELと光ファイバーの間に配置する構造がとりえる。
(形態1)車室内に半導体レーザー光源を配置し、エンジンルーム内に固体レーザー媒質を配置し、両者を光ファイバーで接続する。
(形態2)半導体レーザー光源に加熱装置を付加し、冷温時には20℃以上に加熱する。
(形態3)半導体レーザー光源に冷却ファンによる冷却風をあて、80℃以下に抑える。
(形態4)半導体レーザー光源には、電子冷却装置も水冷式冷却装置も付け加えられていない。
参照番号1は、垂直共振器面発光レーザー( VCSEL)の複数個が、1平面上において2次元の行列に沿って配置されたアレイ素子であり、SiC 製のサブマウント2にマウントされ、サブマウント2はさらに銅製のヒートシンク3にマウントされている。ヒートシンク3は、高熱伝導製のシート21を挟んでシャーシ20 にネジ止め固定されている。VCSELのアレイ素子1には、電子冷却装置も設けられていなければ、水冷式冷却装置も設けられていない。VCSELのアレイ素子1は、シャーシ20に伝熱することで80℃以下に保たれる。必要であれば、簡単な冷却ファンを設けることによってVCSELのアレイ素子1を80℃以下に保つことができる。また簡単な加熱装置と併用することによってVCSELのアレイ素子1を20℃以上に保つことができる。
レンズ5,6 の両端面には、波長803〜810nm に対して99%以上の透過率を有するコーティング膜が形成されている。Nd :YAGロッド10の左側の端面には、集光レンズ6で集光された半導体レーザー光が入射する。その入射端面には、1064nm(後記するパルスレーザー光の波長) に対して99.7%以上の反射率であり、803〜810nm に対して95%以上の透過率を有するコーティング膜10a が形成されている。出力ミラー12の端面には、1064nmの波長に対して50%の反射率を持つコーティング膜12a が形成されている。コーティング膜10 aと12aによって1064nmに対する共振器が形成されている。Nd:YAG ロッド10 の右側の端面と、Cr : YAG11の 両端面と、出力ミラー12の右側の端面には、1064nm に対して99%以上の透過率を有するコーティング膜が形成されており、レーザー装置全体の光の損失を低くして効率を高めている。
Nd :YAGロッド10の左側の端面に、集光レンズ6で集光された半導体レーザー光が入射すると、その半導体レーザー光はNd :YAGロッド10で吸収され、Nd:YAGロッド10が励起される。その結果、パルスレーザー光14が出力ミラー12から共振器外部に放射される。パルスレーザー光は高いエネルギー密度を備えており、エンジン内に供給された燃料に点火する。
図2は、第2実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示している。以下では、第1実施例との相違点のみを説明し、重複説明を省略する。参照番号1は、VCSELのアレイ素子であり、複数個の発光点が2次元の行列に沿って配置されており、20℃ における発振中心波長が804.0 〜805.5nm のものが選択されている。参照番号30は、VCSELのアレイ素子1の発光点から放射された半導体レーザー光をコリメートするマイクロレンズが2次元の行列に沿って配置されているマイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイ30は、ガラス基板上の片面に複数個のマイクロレンズが形成されたものである。発光点の配置位置とマイクロレンズの配置位置は一致しており、各々のマイクロレンズには1個の発光点から放射された半導体レーザー光が入射する。隣接する2個の発光点からの半導体レーザー光が重なり合う位置よりもアレイ素子1に近い位置にマイクロレンズアレイ30が配置されている。マイクロレンズアレイ30によると、図1に示した単一のレンズ5を使用する場合に比して、Nd:YAGロッド10内の励起光集光径を細くすることができるので、固体レーザーの発振閾値を下げたり、パルスレーザー光のエネルギー密度を上げたりすることができる。また長い距離絞れるので固体レーザー光との重なりを大きくでき、励起効率や発振光率を高めることもできる。マイクロレンズアレイ30の両端面には波長803〜810nmの半導体レーザー光に対して99 %以上の透過率を有するコーティングが形成されている。
図3は、第3実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示している。以下では、第2実施例との相違点のみを説明する。第3実施例では、半導体レーザー光源から放射された半導体レーザー光を、光ファイバー40を利用して、固体レーザー媒質51に導く。また、多結晶Nd:YAGロッド51と多結晶Cr : YAGロッド52を一体化した複合ロッド50を用いる。
第3実施例では、半導体レーザー光が集光レンズ6によって光ファイバー40の端面に集光される。光ファイバー40のコア径は 0.8mmであり、NA は0.22であり、長さは3mである。光ファイバー40の他方の端面から出射した半導体レーザー光は、レンズ41でコリメートされた後、集光レンズ42で複合ロッド50の端面に集光される。
複合ロッド50は、多結晶のNd:YAGロッド51に、多結晶のCr:YAGロッド52が一体化されたものである。多結晶のNd:YAGロッド51は、セラミックの一種であり、焼成して製造する。多結晶のCr:YAGロッド52も、セラミックの一種であり、焼成して製造する。Cr:YAGロッド52を焼成する際に、Nd:YAGロッド51とCr:YAGロッド52が一体化される。Nd:YAGロッド51のNd濃度は1.5at%であり、外形は5mmであり、長さは4mmである。Cr:YAGロッド52にはCr4+が添加されており、初期透過率は30%であり、外形は5mmであり、長さは3mmである。複合ロッド50の左側端面(Nd:YAGロッド51の非接合面)と右側端面(Cr:YAGロッド52の非接合面)は、高精度に平行平面に研磨されている。Nd:YAGロッド51の非接合面には、1064nmに対して99.7%以上の反射率をもち、803〜810nmに対して95%以上の透過率を有するコーティング膜50a が形成されている。Cr:YAGロッド52の非接合面には、1064nmに対して50%の反射率を持つコーティング膜50b が形成されている。コーティング膜50a、50bによって1064nmに対する共振器を形成し、パルスレーザー光14がコーティング膜50bから共振器外部に放射される。多結晶Nd:YAGロッド51のNd濃度を2.0at%にまで濃くすることが可能であり、濃くすると有効吸収係数を全体に(803〜810nmの波長にわたって)上げることができる。
図4は、第4実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示している。以下では、第3実施例との相違点のみを説明する。
第4実施例では、VCSELのアレイ素子1の外側に外部ミラー31を設ける。外部ミラー31にはマイクロレンズアレイが一体化されている。外部ミラー31 は合成石英製であり、VCSELのアレイ素子1の側の面に、波長803〜810nmに対して90%の反射率を持つ誘電体反射膜が形成され、反対側の面にはマイクロレンズアレイが形成されている。
図5は、発光点1aと外部ミラー31とマイクロレンズ31bの位置関係と機能を説明したものである。外部ミラー31のアレイ素子1の側の面に反射膜31aが形成されている。反射膜31aは、VCSELの中に形成されている反射膜と平行であり、反射膜31aとVCSELに内蔵されている反射膜で共振器を構成する。VCSEL外の反射膜31aとVCSEL内の反射膜で共振器を構成すると、VCSEL内の2枚の反射膜で共振器を構成する場合に比して、共振器の長さが格段に長くなるため、半導体レーザー光源から放射される半導体レーザー光の放射角が小さくなり、ビームの集光性が向上する。放射された半導体レーザー光は、外部ミラー31 内を伝搬してマイクロレンズ31bに至り、マイクロレンズ31bによってコリメートされる。発光点1aとマイクロレンズ31bの数と位置は、1:1に対応している。図4、図5の場合、発光点ごとにコリメ−トする点では図3と同じであるが、図3にくらべて共振器が長くて各ビームの集光性が高いために、集光レンズ6によって集光した後のビーム径は小さくなり、よりコアの細いファイバーへ半導体レーザー光を導入することができる。
図5の場合、VCSEL内の半導体活性層の両側に反射膜を形成し、VCSEL内の2枚の反射膜で共振器を形成するとともに、VCSEL外の反射膜31aとVCSEL内の反射膜(活性層から見て反射膜31aと反対側に位置する反射膜)で共振器を形成することができる。前者の共振器で半導体レーザー光の発振波長を規制し、後者の共振器で半導体レーザー光の放射角を規制することができる。外部ミラーと利用しながら、発振中心波長の温度依存性を0.07nm/℃以下に抑制することができる。
図6は、図2に示したマイクロレンズアレイ30をVCSELのアレイ素子1に固定する構造を示している。アレイ素子1の各発光点位置に相対するようにマイクロレンズアレイ30を位置合わせし(すなわち、VCSELの発光点とマイクロレンズの光軸位置をアライメントする)、それらの間隔をマイクロレンズ通過後の半導体レーザー光がコリメートされるように調整した後、アレイ素子1とマイクロレンズアレイ30の間の3か所の隅部に微量の紫外線(UV) 硬化樹脂接着剤60を挿入し、UV光を照射して硬化させ、マイクロレンズアレイ30をVCSELのアレイ素子1に対して固定する。例えば、焦点距離が0.1mmのマイクロレンズが形成されたマイクロレンズアレイを、アレイ素子1から約0.1mm離れた位置に固定する。UV 照射による収縮率が2%以下の紫外線硬化樹脂接着剤を用いると、硬化時に樹脂が収縮してVCSELのアレイ素子1とマイクロレンズアレイ30の距離が変化してしまうことを避けることができる。収縮率2%以下の紫外線硬化接着剤には、例えば、EMI社の3555、日東電工( 株) のNT−01UV、NORLAND 社のNOA61、あるいはNTTアドバンステクノロジ( 株) のAT4291F やAT9290Fを使用することができる。この実施例のようにアレイ素子1の半導体基板に直接マイクロレンズアレイ30を紫外線硬化樹脂で固定すると、温度変化に対する位置ずれが接着剤60の温度膨張収縮による影響だけになり、サブマウント2やその他の部品の膨張収縮の影響を受けないため、広い温度範囲にわたり安定した動作を得ることができる。またマイクロレンズアレイ30を固定するための特別な土台やホルダー、固定用のスペースが必要ないため、部品点数が減りコストの低減や小型化が可能になる。
図7は、図4と図5に示したマイクロレンズアレイ付きの外部ミラー31をアレイ素子1に固定する構造を示している。図7の実施例でも、外部ミラー31とアレイ素子1を、紫外線硬化樹脂接着剤60によって固定する。
図9は、第5実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示している。以下では、図4に示した第4実施例との相違点のみを説明する。
Cr:YAGの非接合端面(パルスレーザー光の放射面)には、半径1mmの凹面が加工され、1064nmの波長の光に対して50%の反射率を持つコーティング膜55bが形成され、コーティング膜55aと55bで1064nmに対する共振器55を形成している。コーティング膜55bが形成されている端面からパルスレーザー光14が共振器外部に放射される。
Cr:YAGの非接合端面(パルスレーザー光の放射面)に凹面が形成されていると、レーザー光がビーム中央に集中せず、固体レーザー媒質や出力ミラーにダメージが発生しにくい。凹面の半径は、0.5 〜2mmの範囲であることが好ましい。
本発明の実施例ではレーザー共振器内に光スイッチ素子としてCr:YAGを用いたが、これ以外にCo:Spinal 、V:YAGや半導体材料であるSAMを用いてもよい。また能動Q スイッチ素子や偏光制御素子、レンズなどを挿入しても良い。もちろん固体レーザー媒質Nd :YAG のみでもよい。必要な機能に合わせ適当な光学素子を共振器内に必要な枚数、必要な順番で挿入することができる。
またサブマウント2の材質は、SiCに限定されず、CuW、ダイヤモンド、BeO、AlN など、VCSEL のアレイ素子1と線熱膨張係数の近くて熱伝導率の高い金属、セラミックが適用できる。ヒートシンク3の材質は、銅に限定されず、CuW、アルミニウム、AlNなど熱伝導率の高い金属、セラミックが使用できる。高熱伝導性のシート21には、例えば、パナソニックデバイス社のグラファイトシートや竹内工業( 株) のサーモスター、信越化学工業製の熱伝導性フェイズチェンジシート、信越シリコーンの放熱シリコーンゴム等を利用することができる。シャーシ20 は、例えば自動車の金属ボディや、レーザー装置の筐体や、建造物の壁でもよい。あるいは金属ブロックだけでもよいし、そこに放熱用のフィンや冷却のファンが取り付けられていてもよい。半導体レーザー素子を特定の温度に制御、固定する必要がないため、半導体レーザー素子で発生した熱が排熱できるだけの熱容量を持つシャーシであれば何でもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
2: サブマウント
3 :ヒートシンク
5 :レンズ( コリメート用)
6 :レンズ( 集光用)
7 :半導体レーザー光(励起光)
1 0:Nd:YAGロッド
1 0 a: コーティング膜
1 1 :Cr:YAG
1 2 :出力ミラー
1 2 a :コーティング膜
1 3 :固体レーザーの光軸
1 4 :パルスレーザー光:固体レーザー出力光
2 0: シャーシ
2 1 :高熱伝導性シート
3 0 :マイクロレンズアレイ
3 1 :外部ミラー( マイクロレンズアレイ付き)
3 1 a :コーティング膜
3 1 b :マイクロレンズ
4 0 ,4 5: 光ファイバー
4 1 :レンズ( コリメート用)
4 2 :レンズ( 集光用)
5 0 :複合ロッド
5 0 a,5 0 b: コーティング膜
5 1:多結晶Nd :YAG(セラミック)
5 2:多結晶Cr:YAG( セラミック)
5 5 :複合ロッド
5 5 a,5 5 b :コーティング膜
5 6:多結晶Nd :YAG(セラミック)
5 7:多結晶Cr:YAG( セラミック)
6 0: 紫外線( UV) 硬化樹脂接着剤
1 0 1:VCSELのアレイ素子。波長808nmの半導体レーザー光を放射する温度に調温される。
1 0 2: サブマウント( ヒートスプレッダー)
1 0 5 :レンズ( コリメート用)
1 0 6 :レンズ( 集光用)
1 0 7 :半導体レーザー光:励起光
1 1 0 :Nd:YAGロッド
1 1 0 a: コーティング膜
1 1 1 :Cr:YAG
1 1 2 :出力ミラー
1 1 2 a :コーティング膜
1 1 3 :固体レーザー光軸
1 1 5 :ブリュースター板
1 3 0 :マイクロレンズアレイ
1 3 1 :外部ミラー
1 4 0 :光ファイバー
Claims (8)
- 半導体レーザー光源と、その半導体レーザー光源が放射した半導体レーザー光で励起されて燃料点火用のパルスレーザー光を放射する固体レーザー媒質を備えており、
前記固体レーザー媒質は、ネオジムを含有するイットリウム・アルミニウム・ガーネット(Nd:YAG)であり、
前記半導体レーザー光源は、活性層の両側に多層膜が形成されている垂直共振器面発光レーザー素子(VCSEL)が2次元に配列されたアレイ素子を備えており、20℃における発振中心波長が804.0 〜805.5nmであり、発振中心波長の温度依存性が0.07nm/℃以下であることを特徴とする車載用点火装置。 - 前記固体レーザー媒質が、1.1〜2.0 at%のネオジムを含有する多結晶のNd:YAGであることを特徴とする請求項1に記載の点火装置。
- 前記固体レーザー媒質の端面に、クロムを含有する多結晶のイットリウム・アルミニウム・ガーネット(Cr:YAG)が接合されており、
Nd:YAGの非接合端面とCr:YAGの非接合面が平行であり、
Nd:YAGの非接合端面に半導体レーザー光が入射し、
Cr:YAGの非接合面からパルスレーザー光が放射することを特徴とする請求項1または2に記載の点火装置。 - Cr:YAGの非接合面に、0.5〜2mmの半径の凹面が形成されていることを特徴とする請求項3に記載の点火装置。
- 前記半導体レーザー光源と前記固体レーザー媒質の間に、半導体レーザー光源から放射された半導体レーザー光を固体レーザー媒質に導く光ファイバーが配置されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかの1項に記載の点火装置。
- 前記VCSELと前記Nd:YAGの間、または前記VCSELと前記光ファイバーの間に、VCSELの各発光点から放射された半導体レーザー光を個々にコリメートするマイクロレンズが2次元に配列されたマイクロレンズアレイと、反射膜が一体に形成されているミラー兼マイクロレンズアレイが配置されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかの1項に記載の点火装置。
- 前記VCSELと、前記VCSELの各発光点から放射された半導体レーザー光を個々にコリメートするマイクロレンズが2次元に配列されたマイクロレンズアレイが、硬化収縮率が2%以下の紫外線硬化樹脂によって固定されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかの1項に記載の点火装置。
- 半導体レーザー光源と、その半導体レーザー光源が放射した半導体レーザー光で励起されてパルスレーザ光を放射する固体レーザー媒質を備えており、
前記固体レーザー媒質は、ネオジムを含有するイットリウム・アルミニウム・ガーネット(Nd:YAG)であり、
前記半導体レーザー光源は、活性層の両側に多層膜が形成されている垂直共振器面発光レーザー素子(VCSEL)が2次元に配列されたアレイ素子を備えており、20℃における発振中心波長が804.0 〜805.5nmであり、発振中心波長の温度依存性が0.07nm/℃以下であることを特徴とするパルスレーザー光放射装置。
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