JP2015167211A - レーザ点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でレーザ共振器から半導体レーザ側へ漏れる発振漏れ光の強度を抑制することにより、半導体レーザの劣化を防止して安定した着火を実現できるレーザ点火装置を提供する。【解決手段】コヒーレントな励起光ＬＰＭＰを放射する励起光源１と励起光ＬＰＭＰを伝送する光学素子２と、励起光ＬＰＭＰの照射によりエネルギ密度の高い発振光ＬＰＬＳを発振するレーザ共振器３と、発振光ＬＰＬＳを集光する集光手段６とからなるレーザ点火装置７であって、励起光源１とレーザ共振器３との間に、波長の短い励起光ＬＰＭＰは透過し、かつ、波長の長い発振漏れ光ＬＬＥＡＫは反射する励起光透過漏発振漏れ光反射膜５を具備する。【選択図】図６

Description

本発明は、複数の半導体レーザ装置を励起光源とし、光学素子を介してレーザ共振器に伝送して発生させたエネルギ密度の高いパルスレーザを内燃機関の燃焼室の内側に集光して混合気の点火を行うレーザ点火装置に関する。

近年、コジェネ発電用の気体燃料エンジンや、希薄混合気燃焼エンジン等の難着火性の内燃機関の点火装置であって、半導体レーザを励起光源として用い、半導体レーザから発振された励起光をＱスイッチ式のレーザ共振器に照射して、エネルギ密度の高いパルスレーザを発振し、さらに、集光手段を用いて、燃焼室内に導入された混合気中にパルスレーザを集光してエネルギ密度をさらに高めて点火を行うレーザ点火装置について、種々検討されている。
例えば、特許文献１には、レーザ活性な領域とレーザ不活性な領域とを特定の長さに設定したレーザ活性固体を有する受動Ｑスイッチを有するレーザ装置を用いて内燃機関の点火を行うレーザ点火装置が開示されている。

一方、半導体レーザ装置においては、半導体レーザ等の光源から出射した光が、各種の光学素子や光ファイバ等に入射されると、その一部が光学素子や光ファイバ等の入射面において、反射や散乱を起こし、その一部が光源側に戻る場合があり、この戻り光が半導体レーザの活性層に入射すると発振波長の乱れや出力変動を招き、最悪の場合には半導体レーザ素子の破壊を招くおそれがあることが知られている。
このため、一般的な半導体レーザ装置には、戻り光を除去する手段として光アイソレータが用いられており、入射光の偏光状態に依存する偏光依存型の光アイソレータと入射光の偏向状態に依存しない偏光無依存型の光アイソレータが知られている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
レーザ点火装置においても、光アイソレータを用いることによって、戻り光による半導体レーザの破損を抑制できると考えられていた。

特開２００９−１４１３６２号公報 特開平１１−２２３７９７号公報 特開２００８−２６８８４７号号公報

ところが、レーザ点火装置において、複数の半導体レーザ装置を励起光源とすることで、出力エネルギを増加して、難着火性の内燃機関気の点火を図ろうとした場合に、戻り光による半導体レーザの破損を防止すべく従来のように光アイソレータを用いたのでは、以下の問題があることが判明した。
第１に、光アイソレータを構成する様々な光学部品を使用する必要があり、製造コストの増加を招くおそれがある。

第２に、複数の半導体レーザから発振された励起光の光軸を調整して光アイソレータに導入する必要があり、光軸調整のための作業あるいは機構が必要となり、さらなるコストの増加を招くおそれがある。
レーザ点火装置においては、極めて大きなエネルギ密度のパルスレーザを集光させる必要があるため、複数の半導体レーザを組み合わせた半導体レーザモジュールを励起光源として用いることで、それぞれの半導体レーザの負荷を小さくすることが考えられる。
このような場合、複数の半導体レーザから発振された励起光を集光レンズによって集束させた場合には、位相の異なる複数の励起光が複数存在し、それぞれの光軸も異なっているため、光アイソレータを通過した複数の励起光の束が元の励起光の束と同じように再結合され、かつ、戻り光が光源側に出射される際には、複数の半導体レーザのいずれにも分離された常光と異常光のいずれもが半導体レーザに入光しないように調整するのは、極めて困難となるものと考えられる。

第３に、光アイソレータを用いた場合、励起光が光アイソレータに入光する際の反射損失や、光アイソレータを構成する光学部品の透過損失により、レーザ媒質に照射される励起光強度が低下するおそれがある。
光アイソレータに限らず、光学部品を通過する際には不可避的に透過損失を生じるので、レーザ点火装置のエネルギ効率を上げるためにも、光学部品はできる限り少なくし、簡素な構成とするのが望ましい。

第４に、光アイソレータでは、永久磁石を用いてファラデー回転子に強力な磁界を作用させてファラデー効果を発揮させるものであるため、その周辺に磁気を遮断する機構を設ける必要があり、レーザ点火装置の大型化を招くことにもなり、近年のレーザ点火装置の小型化に対する要求に応えられないおそれがある。

第５に、従来、レーザ共振器の励起側端面からのレーザ発振光の漏れ光は殆ど無いとされていたが、レーザ点火に必要なメガワット以上のジャイアントパルス発生にかかるレーザとなると、励起側端面からの漏れ光が無視できない値となることが判明した。
例えば、マイクロチップレーザの励起端面は共振器全反射鏡を兼ねており、従来、高反射コーティングの透過率として、発振光に対しては、０．１％程度透過で十分とされていた。

しかし、レーザ発振の共振器内部光電力が１０ＭＷ以上になると、たとえ 高反射コーティングの透過率が０．１％としても、その端面から透過する漏れ光の光電力は１０ＫＷにも及ぶことになる。
一方で、このようなマイクロチップレーザの励起光の光電力は１００Ｗ程度であり、仮にその励起光が１００％戻ったとしても、発振光の漏れ光の光電力の１／１００にしかならない。

すなわち、従来、半導体レーザの問題とされていた励起光の反射による戻り光を何桁も上回る共振器から発振光の「漏れ光」が、励起光源に用いられている半導体レーザを直撃する虞がある。
発振漏れ光が半導体レーザに照射されるのは、数ナノ秒程度の極めて短い時間であるが、長期的な信頼性を損なうことが判明した。レーザ共振器側から戻る光について、半導体レーザに照射される時間は、励起反射光の方が発振漏れ光よりも桁違いに長く、エネルギ量としては、励起反射光の方が発振漏れ光よりも多いが、電力が小さいのでレーザダイオードにダメージは起こらず、電力が極めて高い発振漏れ光は、たとえ極短い時間であっても、レーザダイオードの破損を招くことになる。
なお、半導体レーザの破壊には、熱で起きるものや光強度（電力/面積）で起こるモードがあるが、本発明は、励起光源側に戻る光の内、発振漏れ光の電力が高くなったために起きる障害を解決するものである。

そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、簡素な構成でレーザ共振器から半導体レーザへの漏れ光の強度を抑制することにより、半導体レーザの劣化を防止して安定した着火を実現できるレーザ点火装置を提供する。

本発明のレーザ点火装置（７、７ａ〜７ｇ）は、コヒーレントな励起光（Ｌ_ＰＭＰ）を放射する励起光源（１）と、該励起光源（１）から放射された励起光を伝送する光学素子（２、２ａ〜２ｇ）と、該光学素子を介して伝送された励起光の照射によりエネルギ密度の高い発振光（Ｌ_ＰＬＳ）を発振するレーザ共振器（３、３ａ）と、該レーザ共振器から発振された前記発振光を集光する集光手段（６）とを具備し、内燃機関（８）の燃焼室（８０）の内側に導入した混合気にエネルギ密度の高い発振光（Ｌ_ＦＣＳ）を集光して点火を行うレーザ点火装置であって、前記励起光源と前記レーザ共振器との間に、波長の短い前記励起光は透過し、かつ、波長の長い前記発振光の一部であって、前記レーザ共振器から前記励起光源側に戻る発振漏れ光（Ｌ_ＬＥＡＫ）は反射する励起光透過発振漏れ光反射膜（５、５ａ〜５ｇ）を設けたことを特徴とする。

前記レーザ共振器内で共振増幅されて発振された発振光の一部が、漏れ光として前記励起光源側に入射されても、前記励起光透過発振漏れ光反射膜によってレーザ共振器側に反射され、前記励起光源に到達するまでに極めて小さいエネルギとなるので、発振漏れ光による前記励起光源の損傷が抑制される。
また、前記励起光透過発振漏れ光反射膜は、前記光学素子の端面に極薄い多層膜として設けるため、従来の光アイソレータを配設する場合のように装置の大型化を招くことがない。
さらに、既存の前記光学素子に前記励起光透過発振漏れ光反射膜を形成するため、新たな光学素子の追加を必要とすることなく、透過エネルギの損失の増加を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置の要部の概要を示し、図１Ｂ中Ａ−Ａに沿った断面図 図１Ａ中Ｂ−Ｂに沿った一部断面図 本発明に用いられる励起光透過発振漏れ光反射膜の効果を示す模式図 本発明の効果を確認するために行った検証方法を示す断面図 比較例と共に本発明の発振漏れ光抑制に対する効果を示す特性図 耐久試験の条件を示す特性図 比較例と共に本発明の耐久性向上に対する効果を示す特性図 本発明の実施例における耐久試験後の発光エミッタの状態を示す図面代用写真 比較例における耐久試験後の発光エミッタの破損状態を示す図面代用写真 レーザ共振器内におけるエネルギ密度を示す特性図 従来のレーザ共振器における特定のエネルギ密度範囲と発光エミッタの損傷頻度の高い位置とを重ね合わせた図 本発明の第２の実施形態におけるレーザ点火装置の要部を示す断面図 本発明の第３の実施形態におけるレーザ点火装置の要部を示す断面図 本発明の第４の実施形態におけるレーザ点火装置の要部を示す断面図 本発明の第５の実施形態におけるレーザ点火装置の要部を示す断面図 本発明の第６の実施形態におけるレーザ点火装置の要部を示す断面図 本発明の第７の実施形態におけるレーザ点火装置の要部を示す断面図 本発明の第８の実施形態におけるレーザ点火装置の要部を示す断面図 本発明のレーザ点火装置全体の概要を示す構成図

本発明は、コヒーレントな励起光Ｌ_ＰＭＰを放射する励起光源１と、励起光源１から放射された励起光を伝送する光学素子２と、光学素子２を介して伝送された励起光Ｌ_ＰＭＰの照射によりエネルギ密度の高い発振光Ｌ_ＰＬＳを発振するレーザ共振器３と、レーザ共振器３から発振された発振光Ｌ_ＰＬＳを集光する集光手段６とを具備し、内燃機関８の燃焼室８０の内側に導入した混合気にエネルギ密度の高い発振光Ｌ_ＦＣＳを集光して点火を行うレーザ点火装置７に関する。
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃを参照して、本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置７の要部について説明する。なお、レーザ点火装置７の全体構成については図６を参照して後述する。

本実施形態における励起光源１は、半導体レーザからなる発光エミッタを有し、通電によりコヒーレントな励起光Ｌ_ＰＭＰを放射する。
本実施形態においては、励起光Ｌ_ＰＭＰとして、８０８ｎｍのピーク波長λ_ＰＭＰを有する赤外線レーザを用いており、励起光Ｌ_ＰＭＰの照射によりレーザ共振器３からは、１０６４ｎｍのピーク波長λ_ＰＬＳを有する発振光Ｌ_ＰＬＳが出射される例を示しているが励起光源１から放射される励起光Ｌ_ＰＭＰの波長λ_ＰＭＰ及び発振光Ｌ_ＰＬＳの波長λ_ＰＬＳは、適宜選択可能である。

励起光源１には、光学素子として、励起光Ｌ_ＰＭＰをコリメートするシリンドリカルレンズ２０、２１が設けられ、半導体レーザモジュール１０を構成している。
シリンドリカルレンズ２０、２１には、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等の公知の光学材料が用いられている。
また、複数の半導体レーザモジュール１０を半導体レーザ固定台１３に雛段状に並べて配設してある。
本実施形態においては、一列に８個の半導体レーザモジュール１０を並べ、２列配設したものを示してあるが、半導体モジュール１０の数を限定するものではない。

複数の半導体レーザモジュール１０から放射され、コリメートされた複数の励起光Ｌ_ＰＭＰは、光学素子として先端側に設けた、集束レンズ２２、２３によって集束される。
集束レンズ２２、２３は、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等の公知の光学材料が用いられている。
集束レンズ２２、２３の表面を、公知の反射防止膜で覆っても良い。
集束レンズ２２、２３の入射側の端面は平面状に加工され、出射面は、非球面レンズとなっている。

集束レンズ２２、２３によって束ねられた集束光Ｌ_ＣＮＤは、結合素子２４を介して、光ファイバ２５に結合される。
結合素子２４には、結晶化ガラス等の公知の光学材料からなる光フェルールや、光ファイバ２５の端部を保持する中空のスリーブ等を用いることができる。
光ファイバ２５には、例えば、開口数０．２２以下で、コア径がφ６００μｍ以下に形成された公知の光ファイバを用いることができ、レーザ共振器３に照射される励起光Ｌ_ＰＭＰのビーム径がφ１２００μｍとなっている。

光ファイバ２５を介して伝送された集束光Ｌ_ＣＮＤは、コリメートレンズ２６によって、平行光Ｌ_ＣＭＴとされレーザ共振器３に入射される。
コリメートレンズ２６には、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等の公知の光学材料が用いられている。
本実施形態におけるコリメートレンズ２６の入射側の端面は平面状に加工され、出射面は、非球面レンズに加工され、複数の励起光Ｌ_ＰＭＰが集束された集束光Ｌ_ＣＮＤを平行光Ｌ_ＣＭＴに調光している。

コリメートレンズ２６の表面には、反射防止膜４が形成され、さらに、少なくとも、平面状に形成した入射側の端面に、本発明の要部である励起光透過発振漏れ光反射膜５が形成されている。
本実施形態における励起光透過発振漏れ光反射膜５は、高屈折率（ｎ_Ｈ＝２．１６）のＴａ_２Ｏ_５からなる高屈折率膜５０と、低屈折率（ｎ_Ｌ＝１．４１）のＳｉＯ_２からなる低屈折率膜５１とが交互に１９層成膜されている。

励起光透過発振漏れ光反射膜５は、波長の短い（例えば、λ_ＰＭＰ＝８０８ｎｍ）励起光Ｌ_ＰＭＰの９９．８％を透過し、かつ、波長の長い（例えば、λ_ＬＥＡＫ＝λ_ＰＬＳ＝１０６４ｎｍ）発振光Ｌ_ＰＬＳの漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの９９．６％を反射する。
さらに、コリメートレンズ２６の出射面には透過膜４として、高屈折率（ｎ_Ｈ＝２．１６）のＴａ_２Ｏ_５からなる高屈折率膜５０と、低屈折率（ｎ_Ｌ＝１．４１）のＳｉＯ_２からなる低屈折率膜５１とが交互に４層成膜され、励起光Ｌ_ＰＭＰ）９９．８％が透過して、平行光Ｌ_ＣＭＴとして出射するようになっている。

低屈折率膜５１にはＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２から選択した誘電体、屈折率膜５０にはＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_３から選択した誘電体を用いることができ、蒸着、イオンプレーティング等の公知の薄膜形成方法により多層膜を形成できる。

コリメートレンズ２６の先端側には、レーザ共振器３が配設されている。
レーザ共振器３には、公知の受動Ｑスイッチ式のレーザ共振器を用いることができる。
レーザ共振器３は、レーザ媒質３０と、その入射側に設けた反射防止膜３１と、全反射鏡３２と、出射側に設けた可飽和吸収体３３と、部分反射膜からなる出光鏡３４とによって構成され、筒状のハウジング３５内に収容されている。
レーザ媒質３０は、ＹＡＧ単結晶にＮｄをドーピングしたＮｄ：ＹＡＧ等の公知のレーザ媒質が用いられている。

全反射鏡３２は、波長の短い励起光Ｌ_ＰＭＰは透過し、波長の長い発振光Ｌ_ＰＬＳは全反射するように形成されている。
過飽和吸収体３３は、ＹＡＧ単結晶にＣｒ^４＋をドーピングしたＣｒ：ＹＡＧ等が用いられている。
レーザ共振器３は、共振器内に導入された励起光Ｌ_ＰＭＰによって、レーザ媒質３０内のＮｄが励起され、１０６４ｎｍの光を放射し、レーザ媒質３０内に蓄積する。

レーザ媒質３０内のエネルギレベルが一定レベルに達すると出力鏡３４から、発振光Ｌ_ＰＬＳが発振する。
このとき、背面側の全反射鏡３２の入射面からは、不可避的に発振光Ｌ_ＰＬＳの強度の約０．４％が発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫとして、励起光源１側に伝播する。

本実施形態においては、発振光Ｌ_ＰＬＳの０．４％の強度を有する発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫが、コリメートレンズ２６の入射側の端面に到達したとき、その表面に形成された励起光透過発振漏れ光反射膜５によって、その９９．８％が反射され、レーザ共振器３側に戻り、０．２％が励起光源側に透過し、出射側の端面でも発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの０．２％が励起光源側に反射される。
レーザ共振器３の入射面と、本発明の要部である励起光透過発振漏れ光反射膜５との間で複数回（例えば、約３ｎｓの間）反射と透過を繰り返す内に発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫは消滅する。
結果的に、発振光Ｌ_ＰＬＳの強度の０．４％が発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫとしてレーザ共振器３から励起光源側に漏れても、その内の９９．６％が励起光透過発振漏れ光反射膜５によってカットされ、発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの０．４％、即ち、発振光Ｌ_ＰＬＳの強度の０．００１６％まで、励起光源１側に伝送される発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの強度を抑制することができる。
これにより、励起光Ｌ_ＰＭＰの電力に比べて桁違いに大きな電力の発振光Ｌ_ＰＬＳの一部が漏れても、発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの電力は、励起光Ｌ_ＰＭＰの反射光と同程度の電力にまで低減されるので、これが、励起光源１に到達しても半導体レーザの破損を招くことがない。
図１Ｃに具体例として、波長λ_ＰＭＰが８０８ｎｍの励起光Ｌ_ＰＭＰを１００Ｗの電力でレーザ共振器３に投入し、波長λ_ＰＬＳが１０６４ｎｍの発振光Ｌ_ＰＬＳを１０ＭＷの電力で出射した場合の発振漏れ光透過率Ｔ_ＬＥＡＫを算出した例を示しているが、本発明に係るレーザ点火装置において、発振光Ｌ_ＰＬＳの電力をこれに限るものではない。

励起光透過発振漏れ光反射膜５について、スネルの法則、フレネルの公式、マックスウェル方程式を利用したシミュレーションによって、励起光Ｌ_ＰＭＰの透過率Ｔ_ＰＭＰを高くし、かつ、漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの反射率Ｒ_ＬＥＡＫを高くする高屈折率膜５０の屈折率ｎ_Ｈとその膜厚ｄ_Ｈ及び低屈折率膜５１の屈折率ｎ_Ｌとその膜厚ｄ_Ｌ並びに、励起光Ｌ_ＰＭＰの波長λ_ＰＭＰ、発振光Ｌ_ＰＬＳの波長λ_ＰＬＳ即ち発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの波長λ_ＬＥＡＫとの組み合わせを適宜算出することができる。
但し、計算上では、励起光Ｌ_ＰＭＰを１００％透過し、発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫを１００％反射する条件を求め得るが実際には、前記実施例に示したように、励起光Ｌ_ＰＭＰの透過率Ｔ_ＰＭＰは９９．８％程度となり、発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの反射率Ｒ_ＬＥＡＫは、９９．６％程度、即ち、発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの透過率Ｔ_ＬＥＡＫは０．４％程度となる。

したがって、本発明のように、励起光透過発振漏れ光反射膜５をレーザ共振器３の全反射膜３２と重畳的に設けることにより、レーザ共振器３から、発振光Ｌ_ＰＬＳの一部であって、発振光Ｌ_ＰＬＳの強度の０．４％程度漏れる発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫをレーザ共振器３側との間で往復させ、部分反射膜３１から励起光源１側へ伝播する漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの９９．５％程度をカットし、発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫを発振光Ｌ_ＰＬＳの０．００１６％程度とすることができるのである。

ここで、図２を参照して、本発明の発振漏れ光抑制効果についての行った検証方法について説明する。
上述の半導体レーザモジュール１００とレーザ共振器３とを接続し励起光Ｌ_ＰＭＰを伝送する光ファイバ２５の途中に１０６４ｎｍの波長の光を全反射する膜をコーティングしたビームスプリッタ９０を配置し、光ファイバ９１を介してフォトディテクタ９２によって発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの強度を検出した。

本発明に係る励起光透過発振漏れ光反射膜５を形成していない場合を比較例とし、コリメートレンズ２６の平面部に励起光透過発振漏れ光反射膜５を形成した実施例１との比較によって、本発明の効果を検証した。
その結果、図３Ａに示すように、実施例１で検出された発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの強度は、比較例で検出された１０６４ｎｍの戻り光Ｌ_ＬＥＡＫの強度の０．５％以下となっており、発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの９９．５％が励起光透過発振漏れ光反射膜５によって反射され、励起光源１への発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫが抑制できることが検証された。

さらに、半導体レーザモジュール１００に電流１０．５Ａ（光エネルギ８１ｍＪに相当）を図３Ｂに示す条件で駆動し、実施例１と比較例とについて、耐久試験を行った。
その結果を図３Ｃに示す。比較例においては、数時間程度で、半導体レーザモジュール１００の出力が３０％低下した。
一方、本発明の実施例１では、数十時間以上連続駆動しても、全く出力低下が見られなかった。

耐久試験後の実施例１と比較例とに用いた半導体レーザモジュール１００を確認したところ、図４Ａに示すように、本発明の実施例１では、いずれの発光エミッタも正常に作動したが、図４Ｂに示すように、比較例では、特定位置の発光エミッタで損傷が確認された。

図４Ｃに示すように、レーザ共振器３のエネルギ分布は、ガウス関数的な分布を示しつつ、二山のピークがあり、特定の範囲で高いエネルギ分布を示していることが判明した。
このエネルギ分布について横断面方向において特定のエネルギを超える範囲を半導体レーザモジュール１００の発光エミッタの位置に投影させると、図４Ｄに示すように、エネルギ密度が一定以上となる範囲と、発光エミッタの損傷しやすい位置とが一致していることが判明した。
このことから、本発明の励起光透過発振漏れ光反射膜５を戻り光Ｌ_ＬＥＡＫのエネルギ密度の高い位置に限定的に設けても効果を発揮し得るものと考えられる。

図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、図５Ｅ、図５Ｆ、図５Ｇを参照して、本発明の他の実施形態について説明する。
以下の実施形態においては、前述の第１の実施形態と基本的な構成は同じで、本発明の要部である励起光透過発振漏れ光反射膜（５ａ〜５ｇ）の配設位置のみを変化させたものである。
このため、前記実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、各実施形態における特徴的な部分にアルファベットａ〜ｇの枝番を付したので、共通する部分についての説明を省略し、特徴的な部分のみを説明する。
また、第１の実施形態から第８の実施形態までのいずれか２つを適宜組み合わせて実施しても良い。

第２の実施形態におけるレーザ点火装置７ａでは、コリメートレンズ２６ａには励起光透過発振漏れ光反射膜５を設けず、レーザ共振器３ａの入射側の端面に励起光透過発振漏れ光反射膜５ａを設けてある。
このような構成においても、レーザ共振器３ａから漏れる発振光Ｌ_ＰＬＳの強度の０．４％の発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫのさらに０．４％、即ち、発振光Ｌ_ＰＬＳの強度の０．００１６％のみが励起光源側に伝播することになり、前記実施形態と同様の効果を発揮し得る。

なお、前記第１の実施形態のようにコリメートレンズ２６に励起光透過発振漏れ光反射膜５を設け、さらに、レーザ共振器３ａの入射側の端面に重畳的に励起光透過発振漏れ光反射膜５ａを設けても良い。
但し、励起光透過発振漏れ光反射膜５と励起光透過発振漏れ光反射膜５ａとを重ねて設ければ、励起光源１に到達する発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの強度はほとんど０に等しくなり、それ以上に重ねて励起光透過発振漏れ光反射膜５を設けても、却って励起光Ｌ_ＰＭＰの透過率Ｔ_ＰＭＰを低下させることになるので必要はない。

第３の実施形態におけるレーザ点火装置７ｂでは、光ファイバ２５ｂの出射面に励起光透過発振漏れ光反射膜５ｂを形成してある。
本実施形態においては、励起光透過発振漏れ光反射膜５ｂとレーザ共振器３との間で発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫが往復し、前記実施形態と同様の効果を発揮する。

第４の実施形態におけるレーザ点火装置７ｃでは、光ファイバ２５ｃの入射側の端面に励起光透過発振漏れ光反射膜５ｃを形成してある。
本実施形態においては、励起光透過発振漏れ戻り光反射膜５ｃとレーザ共振器３との間で漏れ戻り光Ｌ_ＬＥＡＫが往復し、前記実施形態と同様の効果を発揮する。
さらに、本実施形態及び以下に示す実施形態においては、光ファイバ２５、２５ｃには、共振器３から漏れた発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫが伝送されるので、図２に示した発振漏れ光検出装置９を設けることによって、発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの強度を検出し、その結果を、内燃機関における燃焼異常の検出等に利用することも可能となる。

第５の実施形態におけるレーザ点火装置７ｄでは、コリメートレンズ２３ｄの入射側の端面に励起光透過発振漏れ光反射膜５ｄを形成してある。
本実施形態においては、励起光透過発振漏れ光反射膜５ｄとレーザ共振器３との間で発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫが往復し、前記実施形態と同様の効果を発揮する。

第６の実施形態におけるレーザ点火装置７ｅでは、集束レンズ２２ｅの入射側の端面に励起光透過発振漏れ光反射膜５ｅを形成してある。
本実施形態においては、励起光透過発振漏れ光反射膜５ｅとレーザ共振器３との間で発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫが往復し、前記実施形態と同様の効果を発揮する。

第７の実施形態におけるレーザ点火装置７ｆでは、コリメートレンズ２１ｆの入射側の端面に励起光透過発振漏れ光反射膜５ｆを形成してある。
本実施形態においては、励起光透過発振漏れ光反射膜５ｆとレーザ共振器３との間で発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫが往復し、前記実施形態と同様の効果を発揮する。

第８の実施形態におけるレーザ点火装置７ｇでは、コリメートレンズ２０ｇの入射側の端面に励起光透過発振漏れ光反射膜５ｇを形成してある。
本実施形態においては、励起光透過発振漏れ光光反射膜５ｇとレーザ共振器３との間で発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫが往復し、前記実施形態と同様の効果を発揮する。

図６を参照して、本発明のレーザ点火装置７、７ａ〜７ｇの全体概要について説明する 。レーザ点火装置７、７ａ〜７ｇは、内燃機関８の気筒毎に設けられ、エンジンヘッド８１に固定した集光手段４と、上述の第１〜８の実施形態に示した、励起光源１、光学素子２（２０〜２６）、２ａ（２０〜２６ａ）〜２ｇ（２０ｇ〜２６）、レーザ共振器３、３ａによって構成されている。

集光手段４は、レーザ共振器３、３ａから発振された発振光Ｌ_ＰＬＳを拡張して拡張光Ｌ_ＥＸＰを出光する発振光拡張レンズ４０と、拡張光Ｌ_ＥＸＰを燃焼室８０内の所定の集光点ＦＰに集光する集光光Ｌ_ＦＣＳを出光する集光レンズ４１と、集光レンズ４１を燃焼室８０の圧力、温度等から保護する保護ガラス４２と、発振光拡張レンズ４０、集光レンズ４１、保護ガラス４２をエンジンヘッド８１に固定するためのハウジング４３とによって構成されている。
レーザ共振器３、３ａから発振された発振光Ｌ_ＰＬＳは集光手段４によって一旦、拡張された後、再度所定の集光点ＦＰに集光されることで、エネルギ密度を極めて高くすることができ、燃焼室８０内に導入された混合気の点火を行うことができる。

本発明によれば、レーザ共振器３、３ａと励起光透過発振漏れ戻り光反射膜５、５ａ〜５ｇとの間で、励起光源１への発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫの強度を極めて小さくできるので、励起光源１の発振漏れ光Ｌ_ＬＥＡＫによる損傷を防止し、安定した着火を維持するレーザ点火装置７、７ａ〜７ｇを実現できる。

１ 励起光源
１０ 半導体レーザモジュール
１１ 半導体レーザ固定部材
１００ 半導体レーザアレイ
２ 光学素子
２０、２１ シリンドリカルレンズ
２２、２３ 励起光集束レンズ
２４ 励起光結合素子
２５ 光ファイバ
２６ 励起光コリメートレンズ
３ レーザ共振器
３０ レーザ媒質
３１ 反射防止膜
３２ 全反射鏡
３３ 可飽和吸収体
３４ 部分反射膜
３５ 共振器収容ハウジング
５ 励起光透過発振漏れ光反射膜
５０ 高屈折率膜
５１ 低屈折率膜
６ 発振光集光手段
６０ 発振光拡張素子（ビームエキスパンダ）
６１ 集光レンズ
６２ 保護ガラス
７ レーザ点火装置
８ 内燃機関
８０ 燃焼室
８１ エンジンヘッド
９ 発振漏れ光検出装置
９０ 発振漏れ光サンプリング用ビームスプリッタ
９１ 光ファイバ
９２ 光検出装置（フォトディテクタ）
Ｌ_ＰＭＰ 励起光
Ｌ_ＣＮＤ 集束光
Ｌ_ＣＬＭ 平行光
Ｌ_ＰＬＳ 発振光
Ｌ_ＬＥＡＫ 発振漏れ光
Ｌ_ＥＸＰ 拡張光
Ｌ_ＦＣＳ 集光光
ＦＰ 集光点
λ_ＰＭＰ 励起光波長
λ_ＰＬＳ 発振光波長
Ｒ_ＰＭＰ 励起光反射率
Ｔ_ＰＭＰ 励起光透過率
Ｒ_ＬＥＡＫ 発振漏れ光反射率
Ｔ_ＬＥＡＫ 発振漏れ光透過率
Ｉ_ＰＬＳ 発振光強度
Ｉ_ＬＥＡＫ 発振漏れ光強度
ｎ_Ｈ 高屈折率膜の屈折率
ｎ_Ｌ 低屈折率膜の屈折率
ｎ_０ 空気の屈折率
ｎ_Ｍ 光学素子の屈折率

Claims (5)

1. コヒーレントな励起光（Ｌ_ＰＭＰ）を放射する励起光源（１）と、該励起光源（１）から放射された励起光を伝送する光学素子（２、２ａ〜２ｇ）と、該光学素子を介して伝送された励起光の照射によりエネルギ密度の高い発振光（Ｌ_ＰＬＳ）を発振するレーザ共振器（３、３ａ）と、該レーザ共振器から発振された発振光を集光する集光手段（６）とを具備し、内燃機関（８）の燃焼室（８０）の内側に導入した混合気にエネルギ密度の高い発振光（Ｌ_ＦＣＳ）を集光して点火を行うレーザ点火装置であって、
   前記励起光源と前記レーザ共振器との間に、波長の短い前記励起光は透過し、かつ、波長の長い前記発振光の一部であって、前記レーザ共振器から前記励起光源側に漏れる発振漏れ光（Ｌ_ＬＥＡＫ）は反射する励起光透過発振漏れ光反射膜（５、５ａ〜５ｇ）を設けたことを特徴とするレーザ点火装置（７、７ａ〜７ｇ）
2. 前記光学素子が前記励起光の入射側又は出射側の少なくともいずれかに平面状の端面を具備し、前記励起光透過発振漏れ光反射膜を該平面状の端面、及び、又は、前記レーザ共振器の入射側の端面に形成せしめた請求項１に記載のレーザ点火装置（７、７ａ〜７ｇ）
3. 前記励起光源を複数設けると共に、前記光学素子が、それぞれの励起光源から発振された励起光をコリメートするシリンドリカルレンズ（２０、２０ｇ、２１、２１ｆ）と、複数の励起光源から発振され、コリメートされた複数の励起光を集束する集束レンズ（２２、２２ｅ、２３、２３ｄ）と、該集束レンズによって集束された励起光（Ｌ_ＣＮＤ）をコリメートするコリメートレンズ（２６、２６ａ）と、該集束された励起光（Ｌ_ＣＮＤ）を前記コリメートレンズに伝送する光ファイバ（２５、２５ｂ、２５ｄ）とを含み、前記励起光透過発振漏れ光反射膜を、前記シリンドリカルレンズ、前記集束レンズ、前記コリメートレンズ、前記光ファイバのいずれかの少なくとも一の端面、及び、又は、前記レーザ共振器の入射側の端面に形成せしめた請求項１又は２に記載のレーザ点火装置（７、７ａ〜７ｇ）
4. 前記励起光透過発振漏れ光光反射膜は、前記光学素子又は前記レーザ共振器を構成する光学材料の屈折率より屈折率の小さい低屈折率膜と屈折率の大きい高屈折率膜とを交互に重ねた多層膜である請求項１ないし３に記載のレーザ点火装置（７、７ａ〜７ｇ）
5. 前記低屈折率膜はＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２から選択した誘電体からなり、前記高屈折率膜はＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_３から選択した誘電体からなる請求項３に記載のレーザ点火装置（７、７ａ〜７ｇ）

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