JP2017152677A - Light source unit, light source module, and laser ignition device - Google Patents

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Yoshiyuki Kiyozawa
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light source unit which inhibits deterioration of accuracy even in a location where an environmental temperature is high.SOLUTION: A light source unit 10 includes: a lens array 23 in which multiple lenses 25 are two-dimensionally arranged; and an element substrate part 22 supporting light emission parts 21. The lens array 23 has a lens substrate part 26 which holds the lenses 25. The lens substrate part 26 has a linear expansion coefficient that is substantially the same as that of the element substrate part 22.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、光源ユニット、光源モジュール、レーザ点火装置に関する。   The present invention relates to a light source unit, a light source module, and a laser ignition device.

光が入射もしくは出射される光学素子を用いる際に、当該光学素子への光の利用効率を向上するために、複数のレンズを光学素子に対向して配置した光源ユニットが知られている(例えば特許文献1、2等参照)。
こうした光源ユニットに用いられるレンズアレイは、光学素子と、レンズアレイを構成するレンズとの位置がずれてしまうと、光の利用効率が悪化するため、特に外部からの熱によって温度が高い場所での使用には適していなかった。
When using an optical element that receives or emits light, a light source unit in which a plurality of lenses are arranged to face the optical element is known in order to improve the efficiency of using light to the optical element (for example, (See Patent Documents 1 and 2).
In the lens array used in such a light source unit, if the position of the optical element and the lens constituting the lens array shifts, the light use efficiency deteriorates. Therefore, particularly in a place where the temperature is high due to heat from the outside. Not suitable for use.

本発明は、環境温度の高い場所においても精度の低下を抑制する光源ユニットの提供を目的とする。   An object of this invention is to provide the light source unit which suppresses a fall of precision also in the place where environmental temperature is high.

前記課題を解決するための手段として本発明の光源ユニットは、複数のレンズが2次元的に配置されたレンズアレイと、複数の発光部を支持する素子基板部とを備えた光源ユニットであって、前記レンズアレイは、前記レンズを保持するレンズ基板部を有し、前記レンズ基板部は、前記素子基板部と線膨張係数が略同一である。   As a means for solving the above problems, a light source unit of the present invention is a light source unit including a lens array in which a plurality of lenses are two-dimensionally arranged and an element substrate portion that supports the plurality of light emitting portions. The lens array includes a lens substrate portion that holds the lens, and the lens substrate portion has a linear expansion coefficient substantially the same as that of the element substrate portion.

本発明によれば、環境温度の高い場所においても精度の低下を抑制する。   According to the present invention, a decrease in accuracy is suppressed even in a place where the environmental temperature is high.

本発明の実施形態にかかるレーザ点火システムの全体構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the whole structure of the laser ignition system concerning embodiment of this invention. 本発明におけるレーザ点火装置の構成の一例を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows an example of a structure of the laser ignition device in this invention. 図1に示したマイクロレンズユニットの構成の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of a structure of the micro lens unit shown in FIG. 図1に示した光伝送路の構成の一例を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view illustrating an example of a configuration of an optical transmission line illustrated in FIG. 1. 図1に示した光増幅部の構成の一例を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view illustrating an example of a configuration of an optical amplifying unit illustrated in FIG. 1. マイクロレンズの形成過程の一例について模式的に示した図である。It is the figure which showed typically about an example of the formation process of a micro lens. マイクロレンズの製造方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of a micro lens. マイクロレンズユニットの従来例を示す平面図である。It is a top view which shows the prior art example of a micro lens unit. 図7に示す従来例の熱膨張による影響を示す平面図である。It is a top view which shows the influence by the thermal expansion of the prior art example shown in FIG. 図8に示した熱膨張時の焦点のずれを示す図である。It is a figure which shows the shift | offset | difference of the focus at the time of thermal expansion shown in FIG. マイクロレンズの構成の他の変形例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the other modification of a structure of a micro lens.

本発明にかかる第1の実施形態として、図1A、図1Bにレーザー点火装置たるレーザ点火プラグ100を用いたレーザ点火システム500を示す。
レーザ点火システム500は、燃焼室700に向けてレーザ光Lを集光して入射させることで点火するレーザ点火プラグ100と、レーザ点火プラグ100を駆動するための駆動装置400と、駆動装置400を制御するための制御装置300と、を有している。
レーザ点火システム500は、図1中の上下動によって燃焼室700の体積を周期的に変化させるピストン701と、ピストン701とピストンリング702を介して当接して燃焼室700を構成するシリンダ703と、を有している。
レーザ点火システム500は、燃焼室700に燃料を供給するための吸気弁及び吸気ポートと、燃焼室700から燃焼後の燃料を排出するための排気弁及び排気ポートと、を有している。
燃焼室700は、一例としてエンジン等の内燃機関の燃焼室である。なお、かかる構成のうち、内燃機関として既知の構成については、説明を省略する。
As a first embodiment according to the present invention, FIGS. 1A and 1B show a laser ignition system 500 using a laser ignition plug 100 as a laser ignition device.
The laser ignition system 500 includes a laser spark plug 100 that ignites the laser beam L by condensing the laser beam L toward the combustion chamber 700, a drive device 400 that drives the laser spark plug 100, and a drive device 400. And a control device 300 for controlling.
The laser ignition system 500 includes a piston 701 that periodically changes the volume of the combustion chamber 700 by vertical movement in FIG. 1, a cylinder 703 that constitutes the combustion chamber 700 in contact with the piston 701 via the piston ring 702, have.
Laser ignition system 500 includes an intake valve and an intake port for supplying fuel to combustion chamber 700, and an exhaust valve and an exhaust port for discharging fuel after combustion from combustion chamber 700.
The combustion chamber 700 is a combustion chamber of an internal combustion engine such as an engine as an example. In addition, description is abbreviate | omitted about a structure known as an internal combustion engine among this structure.

レーザ点火プラグ100は、図1Bに示すように、レーザ光Lを射出するための光源ユニットたるレーザ光源ユニット10と、レーザ光源ユニット10から出射されたレーザ光Lを集光する集光光学系20と、光伝送路30と、光増幅部40と、を有している。
レーザ点火プラグ100は、光増幅部40によって増幅されたレーザ光Lを燃焼室700内の集光位置Pに集光するための集光レンズ50と、集光レンズ50と燃焼室700との間に設けられた出射窓60と、を有している。
かかるレーザ点火プラグ100は、光源から出射されたレーザ光Lを集光位置Pに集光するための光学系とを備えた光源モジュールとしての機能を有している。
As shown in FIG. 1B, the laser spark plug 100 includes a laser light source unit 10 that is a light source unit for emitting laser light L, and a condensing optical system 20 that condenses the laser light L emitted from the laser light source unit 10. And an optical transmission line 30 and an optical amplifying unit 40.
The laser spark plug 100 includes a condensing lens 50 for condensing the laser light L amplified by the optical amplifying unit 40 at a condensing position P in the combustion chamber 700, and between the condensing lens 50 and the combustion chamber 700. And an emission window 60 provided in the window.
The laser spark plug 100 has a function as a light source module including an optical system for condensing the laser light L emitted from the light source at the condensing position P.

駆動装置400は、本実施形態ではレーザ光源ユニット10を駆動するためのLDドライバであり、制御装置300からの指示に基づいてレーザ光源ユニット10を駆動してレーザ光Lを射出する。   The driving device 400 is an LD driver for driving the laser light source unit 10 in the present embodiment, and drives the laser light source unit 10 based on an instruction from the control device 300 to emit laser light L.

レーザ光源ユニット10は、図2に示すように、Z方向にレーザ光Lを出射する単素子としての発光部21と、複数の発光部21が平面上に並べて一体に配置された素子基板部たるレーザ基板部22と、を有している。レーザ基板部22と発光部21とは一体に形成され、VCSEL素子、言い換えると面発光レーザ素子を構成して、光源としての機能を有している。
レーザ光源ユニット10は、レーザ基板部22に対向して配置され、レーザ基板部22と固定部24によって結着されたレンズアレイ23を有している。
すなわちレーザ光源ユニット10は、本実施形態において面発光レーザ素子とマイクロレンズアレイとを備える光源ユニットである。
なお、以降の説明において、レーザ光Lが射出される方向をZ方向、Z方向に垂直な方向のうち、図2の紙面に垂直な方向をY方向、Z方向とY方向とに垂直な方向をX方向とする。
As shown in FIG. 2, the laser light source unit 10 is an element substrate portion in which a light emitting portion 21 as a single element that emits laser light L in the Z direction and a plurality of light emitting portions 21 are arranged integrally on a plane. And a laser substrate portion 22. The laser substrate portion 22 and the light emitting portion 21 are integrally formed to constitute a VCSEL element, in other words, a surface emitting laser element, and have a function as a light source.
The laser light source unit 10 includes a lens array 23 that is disposed so as to face the laser substrate portion 22 and that is bound by the laser substrate portion 22 and the fixing portion 24.
That is, the laser light source unit 10 is a light source unit including a surface emitting laser element and a microlens array in the present embodiment.
In the following description, the direction in which the laser beam L is emitted is the Z direction, and among the directions perpendicular to the Z direction, the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2 is the Y direction, and the direction perpendicular to the Z direction and the Y direction. Is the X direction.

レンズアレイ23は、発光部21のそれぞれに1対1で対向して設けられたレンズ25と、レンズ25を保持するために設けられたレンズ基板部26と、を有している。
レンズアレイ23は、レンズ25の最表層すなわち−Z方向側の表面に形成された第1反射防止層27と、レンズ25とレンズ基板部26との間に形成された第2反射防止層28と、レンズ基板部26の出射側の面に形成された第3反射防止層29とを有している。
なお、本実施形態では第1反射防止層27と、第2反射防止層28と第3反射防止層29とを有する構成について述べるが、かかる構成に限定されるものではない。第1反射防止層27と第2反射防止層28と第3反射防止層29とは、3つすべてを形成する必要はなく、このうちの何れか1つ、あるいは2つでも良いし、すべて無くとも良い。
The lens array 23 includes a lens 25 provided to face the light emitting unit 21 on a one-to-one basis, and a lens substrate unit 26 provided to hold the lens 25.
The lens array 23 includes a first antireflection layer 27 formed on the outermost surface of the lens 25, that is, a surface on the −Z direction side, and a second antireflection layer 28 formed between the lens 25 and the lens substrate portion 26. And a third antireflection layer 29 formed on the exit side surface of the lens substrate portion 26.
In the present embodiment, a configuration including the first antireflection layer 27, the second antireflection layer 28, and the third antireflection layer 29 will be described, but the configuration is not limited thereto. The first antireflection layer 27, the second antireflection layer 28, and the third antireflection layer 29 do not need to form all three, and any one or two of them may be formed, or none. Good.

発光部21は、φ9のGaAs製のレーザ基板部22の+Z側の面に一体に備えられ、垂直共振器型の面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)を構成する。
レーザ基板部22は、絶対温度300K(約27℃)における線膨張係数が6.86×10−6 /KのGaAs基板である。
The light emitting unit 21 is integrally provided on the surface on the + Z side of the φ9 GaAs laser substrate unit 22 and constitutes a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).
The laser substrate portion 22 is a GaAs substrate having a linear expansion coefficient of 6.86 × 10 −6 / K at an absolute temperature of 300 K (about 27 ° C.).

レンズ基板部26は、レーザ光Lを透過するガラス製のレンズ基板である。
レンズ基板部26は、レーザ光源ユニット10の使用される環境温度である−30℃〜+70℃の温度範囲の間での平均熱線膨張係数が、レーザ基板部22の線膨張係数と合うように、すなわち6.8〜6.9×10−6/Kの範囲に収まることが望ましい。
かかる線膨張係数を満たすガラス材料としては、例えば、N−BAF52(SCHOTT製)、S―BAH11、S―BAH32、S―NBH53(何れもオハラ製)、BACD18、TAFD30、TAFD33、TAFD37、LAC7、M−LAC130(何れもHOYA製)が挙げられる。
The lens substrate unit 26 is a glass lens substrate that transmits the laser light L.
The lens substrate unit 26 has an average thermal linear expansion coefficient in a temperature range of −30 ° C. to + 70 ° C., which is an environmental temperature in which the laser light source unit 10 is used, so as to match the linear expansion coefficient of the laser substrate unit 22. That is, it is desirable to be in the range of 6.8 to 6.9 × 10 −6 / K.
Examples of glass materials satisfying such a linear expansion coefficient include N-BAF52 (manufactured by SCHOTT), S-BAH11, S-BAH32, S-NBH53 (all manufactured by OHARA), BACD18, TAFD30, TAFD33, TAFD37, LAC7, M -LAC130 (all are made by HOYA).

レンズ25は、本実施形態では−Z方向に凸の、正のパワーを有する合成石英ガラス製のレンズである。かかる合成石英ガラスは、線膨張係数0.47×10−6/Kである。
なお、レンズ25の材料としては、合成石英ガラス以外にも、ネオセラムN−0(日本電子硝子製)、TEMPAX Florat(登録商標、SCHOTT製)などの硼珪酸ガラスのようなガラス材料を用いても良い。
また、互いに隣合うレンズ25は、微小間隔dだけ離れて配置されている。すなわち、複数のレンズ25は、互いに分離した態様で配置されている。
In this embodiment, the lens 25 is a lens made of synthetic quartz glass that is convex in the −Z direction and has positive power. Such synthetic quartz glass has a linear expansion coefficient of 0.47 × 10 −6 / K.
In addition to the synthetic quartz glass, the lens 25 may be made of a glass material such as borosilicate glass such as Neoceram N-0 (manufactured by JEOL Glass) or TEMPAX Florat (registered trademark, manufactured by SCHOTT). good.
Further, the lenses 25 adjacent to each other are arranged apart by a minute distance d. That is, the plurality of lenses 25 are arranged in a manner separated from each other.

レンズ25は、当該レンズ25のレンズ光軸Oが、対向する発光部21の出射するレーザ光(図2では特にレーザ光Lと表記)の光軸中心と一致するように配置されている。また、レンズ25の焦点は、面発光レーザ21の発光点に合うように、基板間距離zを調整して配置されている。
すなわち、レンズ25は、光源の光軸に一致するように対向して配置されている。
レンズアレイ23は、かかる構成により、対向する発光部21から出射されるレーザ光Lを平行光として出射する。
Lens 25, the lens optical axis O of the lens 25 is disposed so as to coincide with the optical axis of the emitted laser beam of the opposing light emitting portion 21 (particularly in Figure 2 denoted as laser beam L 1). Further, the focal point of the lens 25 is arranged by adjusting the inter-substrate distance z 1 so as to match the light emitting point of the surface emitting laser 21.
That is, the lens 25 is disposed so as to face the optical axis of the light source.
Lens array 23, by such a configuration, emits a laser beam L 1 emitted from the opposite light emitting section 21 as parallel light.

固定部24は、レンズ基板部26とレーザ基板部22とを結着するための紫外線硬化樹脂である。   The fixing portion 24 is an ultraviolet curable resin for binding the lens substrate portion 26 and the laser substrate portion 22.

第1反射防止層27は、レーザ光Lがレンズ25に入射する際の表面反射光を抑制するための反射防止膜である。なお、第1反射防止層27は、複数の層が重なり合って形成された多層膜であっても良い。かかる反射防止膜としては、例えば誘電体多層膜や、MgF薄膜が挙げられる。 The first antireflection layer 27 is an antireflection film for suppressing surface reflection light when the laser light L enters the lens 25. The first antireflection layer 27 may be a multilayer film formed by overlapping a plurality of layers. Examples of such an antireflection film include a dielectric multilayer film and an MgF 2 thin film.

かかる反射防止膜の効果についてさらに詳しく述べる。
屈折率の異なる2つの物質の界面では、透過する光の一部が反射する。また一般には、2つの物質の間の屈折率の差が大きい程、反射する光の量は多くなる傾向が知られている。
ここで、レンズ25へと入射するレーザ光Lが反射されると、レンズアレイ23を透過する光量は、反射量に応じて当然少なくなり、消費電力の増加や発光部21の寿命低下が生じる。
また、反射光が発光部21へと再度入射してしまうと、レーザ発振が不安定になって、レーザ光源ユニット10からの出力が安定しないという問題も考えられる。
The effect of such an antireflection film will be described in more detail.
At the interface between two materials having different refractive indexes, a part of the transmitted light is reflected. In general, it is known that the amount of reflected light tends to increase as the difference in refractive index between two substances increases.
Here, when the laser light L incident on the lens 25 is reflected, the amount of light transmitted through the lens array 23 naturally decreases according to the amount of reflection, resulting in an increase in power consumption and a decrease in the life of the light emitting unit 21.
Further, if the reflected light is incident on the light emitting unit 21 again, there is a problem that the laser oscillation becomes unstable and the output from the laser light source unit 10 is not stable.

そこで、本実施形態では、レンズ25の−Z側の表面に、空気の屈折率(約1.0)とレンズ25を構成する合成石英ガラスの屈折率(波長にも拠るが約1.5)との中間程度の屈折率を有する第1反射防止層27が形成されている。
レンズアレイ23は、かかる構成により、入射したレーザ光Lが発光部21へと反射してしまうことを抑制して、光の利用効率を向上する。なお、ここでは第1反射防止層27の屈折率を調整することで反射光を抑制するとしたが、反射光を抑制する目的において、第1反射防止層27の材質などは特に限定されるものではない。
Therefore, in this embodiment, the refractive index of air (about 1.0) and the refractive index of the synthetic quartz glass constituting the lens 25 (about 1.5 depending on the wavelength) are formed on the surface of the lens 25 on the −Z side. The first antireflection layer 27 having an intermediate refractive index is formed.
With this configuration, the lens array 23 suppresses the incident laser light L from being reflected to the light emitting unit 21 and improves the light utilization efficiency. Here, the reflected light is suppressed by adjusting the refractive index of the first antireflection layer 27. However, for the purpose of suppressing the reflected light, the material of the first antireflection layer 27 is not particularly limited. Absent.

第2反射防止層28は、レンズ25とレンズアレイ23との界面における反射光を抑制するための反射防止膜である。第2反射防止層28は、レンズ25を構成する材料とレンズ基板部26を構成する材料との中間程度の屈折率をもつ酸化アルミニウム(Al)を用いることが望ましいが、第1反射防止層27において挙げた材料を用いても良い。
また、第1反射防止層27と、第2反射防止層28との成膜方法については、特に限定されるものではないが、電子ビーム蒸着などが用いられる。
レンズアレイ23は、かかる構成により、入射したレーザ光Lが発光部21へと反射してしまうことをさらに抑制する。
なお、第3反射防止層29の構成は第1反射防止層27、第2反射防止層28と同様であるため説明を省略する。
The second antireflection layer 28 is an antireflection film for suppressing reflected light at the interface between the lens 25 and the lens array 23. For the second antireflection layer 28, it is desirable to use aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having a refractive index intermediate between the material constituting the lens 25 and the material constituting the lens substrate portion 26. The materials mentioned in the prevention layer 27 may be used.
Further, the film formation method of the first antireflection layer 27 and the second antireflection layer 28 is not particularly limited, but electron beam evaporation or the like is used.
With this configuration, the lens array 23 further suppresses the incident laser light L from being reflected to the light emitting unit 21.
Note that the configuration of the third antireflection layer 29 is the same as that of the first antireflection layer 27 and the second antireflection layer 28, and thus description thereof is omitted.

集光光学系20は、レーザ光源ユニット10から出射された光を集光して、光伝送路30へ向けて出射する集光レンズである。集光光学系20は、少なくとも1つのレンズを用いて形成された集光光学系であれば良く、その構成は特に限定されない。   The condensing optical system 20 is a condensing lens that condenses the light emitted from the laser light source unit 10 and emits it toward the optical transmission path 30. The condensing optical system 20 may be a condensing optical system formed using at least one lens, and its configuration is not particularly limited.

光伝送路30は、図3に示すように、入射口30aに入射した光を出射口30bへと伝送する光ファイバ31と、出射口30bからの光を平行光へと変化させるコリメートレンズ32と、を有している。光伝送路30は、コリメートレンズ32によって平行光となったレーザ光Lを集光して光増幅部40へと入射させる集光レンズ33を有している。
なお、本実施形態では、光伝送路30が光ファイバ、コリメートレンズ、集光レンズを組み合わせることで構成される光学系であるとしたが、集光光学系20からのレーザ光Lを光増幅部40へと入射させる構成であれば良い。
As shown in FIG. 3, the optical transmission path 30 includes an optical fiber 31 that transmits light incident on the incident port 30a to the output port 30b, and a collimator lens 32 that changes the light from the output port 30b into parallel light. ,have. The optical transmission line 30 includes a condensing lens 33 that condenses the laser light L that has been converted into parallel light by the collimator lens 32 and enters the light amplification unit 40.
In the present embodiment, the optical transmission path 30 is an optical system configured by combining an optical fiber, a collimating lens, and a condensing lens. However, the laser light L from the condensing optical system 20 is converted into an optical amplifying unit. What is necessary is just to make it enter into 40.

光増幅部40は、レーザ光Lを励起光として入射されることで内部のレーザ媒質41と可飽和吸収体42とがQスイッチレーザ発振器として働いて利得の大きいパルスレーザL’を射出するQスイッチレーザ共振器である。
光増幅部40は、図4に示すように、レーザ媒質41と、可飽和吸収体42と、−Z方向端部に形成された第1誘電体多層膜43と、+Z方向端部に形成された第2誘電体多層膜44と、を有している。
光増幅部40は、レーザ媒質41と可飽和吸収体42とが接合され、一体に形成されたコンポジット結晶であり、入射側にレーザ媒質41が、出射側に可飽和吸収体42が、それぞれ配置されている。
レーザ媒質41の入射側、すなわち図4における−Z方向側の端部と、可飽和吸収体42の+Z方向側の端部と、は光学研磨され、さらに第1誘電体多層膜43と第2誘電体多層膜44とがそれぞれ成膜されている。
かかる構成により、光増幅部40の±Z方向の両端部は、内部で励起されたパルスレーザL’を対向して反射するミラー面としての機能を有している。
The optical amplifying unit 40 receives the laser light L as excitation light, so that the internal laser medium 41 and the saturable absorber 42 act as a Q-switch laser oscillator and emit a pulse laser L ′ having a large gain. It is a laser resonator.
As shown in FIG. 4, the optical amplifying unit 40 is formed at the laser medium 41, the saturable absorber 42, the first dielectric multilayer film 43 formed at the −Z direction end, and the + Z direction end. And a second dielectric multilayer film 44.
The optical amplifying unit 40 is a composite crystal integrally formed by joining a laser medium 41 and a saturable absorber 42, and the laser medium 41 is arranged on the incident side and the saturable absorber 42 is arranged on the outgoing side. Has been.
The incident side of the laser medium 41, that is, the end on the −Z direction side in FIG. 4 and the end on the + Z direction side of the saturable absorber 42 are optically polished, and further, the first dielectric multilayer film 43 and the second A dielectric multilayer film 44 is formed.
With this configuration, both end portions in the ± Z direction of the optical amplifying unit 40 have a function as mirror surfaces that reflect the pulse laser L ′ that is pumped inside in an opposing manner.

レーザ媒質41は、Ndが1.1%ドープされたNd:YAG結晶である。
可飽和吸収体42は、Cr:YAG結晶であり、初期透過率は30%程度である。
第1誘電体多層膜43は、レーザ光Lの波長に対して高い透過性を示し、レーザ媒質41の射出するパルスレーザL’の波長1064nmに対しては高い反射率を示すコーティングである。
また、第2誘電体多層膜44は、波長1064nmのパルスレーザL’に対して30〜80%の反射率を示すコーティングである。
このように±Z方向の両端に異なる誘電体多層膜を成膜する構成により、光増幅部40は、より効率よく内部で励起されたパルスレーザL’を対向して反射する。
The laser medium 41 is an Nd: YAG crystal doped with 1.1% Nd.
The saturable absorber 42 is a Cr: YAG crystal, and the initial transmittance is about 30%.
The first dielectric multilayer film 43 is a coating that exhibits high transparency with respect to the wavelength of the laser beam L and exhibits high reflectance with respect to the wavelength 1064 nm of the pulse laser L ′ emitted from the laser medium 41.
The second dielectric multilayer film 44 is a coating that exhibits a reflectance of 30 to 80% with respect to a pulse laser L ′ having a wavelength of 1064 nm.
As described above, the configuration in which different dielectric multilayer films are formed at both ends in the ± Z directions causes the optical amplifying unit 40 to more efficiently oppose and reflect the pulse laser L ′ excited inside.

レーザ光Lは、レーザ媒質41に入射するとともに励起して、反転状態を作り出す。
可飽和吸収体42は、受動的Qスイッチとしての機能を有している。すなわち、パルスレーザL’の光量が所定値未満の時には吸収体としてはたらき、所定値以上になったときにパルスレーザL’を出射光として透過する。
かかる構成により、光増幅部40内に入射したレーザ光Lは、共振して増幅されたパルスレーザL’として出射される。
The laser light L enters the laser medium 41 and is excited to create an inverted state.
The saturable absorber 42 has a function as a passive Q switch. That is, when the light amount of the pulse laser L ′ is less than a predetermined value, it acts as an absorber, and when it exceeds the predetermined value, the pulse laser L ′ is transmitted as emitted light.
With this configuration, the laser beam L incident into the optical amplifier 40 is emitted as a pulsed laser L ′ amplified by resonance.

光増幅部40から出射されたパルスレーザL’は、集光レンズ50によって照射位置Pへ向けて集光されて燃焼室700の内部で混合気に点火する。   The pulse laser L ′ emitted from the optical amplification unit 40 is condensed toward the irradiation position P by the condenser lens 50 and ignites the air-fuel mixture inside the combustion chamber 700.

ところで、かかるレーザ点火プラグ100において、混合気への点火を効率よく行うために、発光部21あたりの出力の向上が求められている。
しかしながら、発光部21の出力の向上は、レーザ光源ユニット10から発生する熱の増大を招いてしまうという問題があった。
また、本実施形態のようにレーザ点火プラグ100は内燃機関の燃焼室700近傍に配置されることが多く、外部からの熱による環境温度の変化も大きい。
Incidentally, in such a laser spark plug 100, in order to efficiently ignite the air-fuel mixture, an improvement in output per light emitting portion 21 is required.
However, the improvement in the output of the light emitting unit 21 has a problem that the heat generated from the laser light source unit 10 is increased.
Further, as in the present embodiment, the laser spark plug 100 is often disposed in the vicinity of the combustion chamber 700 of the internal combustion engine, and the environmental temperature changes greatly due to heat from the outside.

従来例として図7に示すレーザ光源70のように、レンズアレイ73とレンズ75とが一体形成された構成を考える。
かかる構成のレーザ光源70を環境温度の高い状態で使用すると、図8に示すように、レンズアレイ73と、レーザ基板72との間の線膨張係数の差によって、レンズ75のレンズ光軸Oと、レーザ光Lの光軸中心との間にずれが生じるおそれがある。
具体的に、GaAs基板であるレーザ基板72の大きさ、形状をφ9mmの円形とし、環境温度が20℃から50℃まで変化したとして、レーザ基板72の+X方向外周部での変位量ΔL72を求める。なお、以下の説明においては、簡単のため特に部材の変位量ΔLを示すときには、かかる部材の番号を下付文字で付番することとする。
As a conventional example, a configuration in which a lens array 73 and a lens 75 are integrally formed as in a laser light source 70 shown in FIG. 7 is considered.
When the laser light source 70 having such a configuration is used in a state where the ambient temperature is high, the lens optical axis O of the lens 75 and the lens array 73 and the laser substrate 72 are different from each other by the difference in linear expansion coefficient between the lens array 73 and the laser substrate 72 as shown in FIG. , there is a possibility that deviation occurs between the optical axis of the laser beam L 1.
Specifically, assuming that the size and shape of the laser substrate 72, which is a GaAs substrate, is a circle having a diameter of 9 mm and the environmental temperature has changed from 20 ° C. to 50 ° C., the displacement amount ΔL 72 at the outer peripheral portion in the + X direction of the laser substrate 72 is Ask. In the following description, for the sake of simplicity, particularly when the displacement amount ΔL of a member is indicated, the number of the member is numbered with a subscript.

Figure 2017152677
Figure 2017152677

同様に、合成石英ガラスの線膨張係数は4×10−7(/K)であるから、レンズアレイ73の熱膨張の変位量ΔL73は数式2で表される。 Similarly, since the linear expansion coefficient of synthetic quartz glass is 4 × 10 −7 (/ K), the amount of thermal expansion displacement ΔL 73 of the lens array 73 is expressed by Equation 2.

Figure 2017152677
Figure 2017152677

このように、環境温度が30℃上昇すると、外周部において面発光レーザ素子71とレンズアレイ73との間で約0.9μm程のずれが生じてしまう。
このようなずれによってレンズ75のレンズ光軸とレーザ光Lの光軸中心とが一致しなくなると、図8に一点鎖線で模式的に示すように、レンズ75によるコリメート状態を維持できずに、集光光学系20の焦点に集まるレーザ光Lの一部が発散する。
かかる集光点のずれの一例を、わかりやすくなるように誇張して示したのが図9の実線と破線とで示した図である。このように、レンズ光軸と発光点とのずれによって、レーザ光Lが集光光学系20の焦点において集光されづらくなる。
言い換えると、レーザ光源70から出射されるレーザ光Lの利用効率が低下してしまう。かかる利用効率の低下は、言い換えると光増幅部40における励起光の光量低下につながり、パルスレーザL’を安定して放射することが困難になってしまう。
Thus, when the environmental temperature rises by 30 ° C., a deviation of about 0.9 μm occurs between the surface emitting laser element 71 and the lens array 73 in the outer peripheral portion.
When the center of the optical axis of the lens optical axis and the laser beam L 1 in the lens 75 by such deviation will not match, as shown schematically by the dashed line in FIG. 8, not to maintain the collimation by the lens 75 A part of the laser light L collected at the focal point of the condensing optical system 20 diverges.
An example of such a deviation of the condensing point is shown exaggerated so as to be easily understood by the solid line and the broken line in FIG. As described above, the laser light L is not easily condensed at the focal point of the condensing optical system 20 due to the deviation between the lens optical axis and the light emitting point.
In other words, the utilization efficiency of the laser light L emitted from the laser light source 70 is reduced. In other words, such a decrease in utilization efficiency leads to a decrease in the amount of excitation light in the optical amplifying unit 40, making it difficult to stably emit the pulse laser L ′.

また、単にレンズアレイ73をレーザ基板72の線膨張係数に合うような材質とするだけでは、選択可能なレンズアレイ73の屈折率に制限がかかることとなり、レーザ光源70を設計する上での大きな制約となってしまう問題がある。さらに、屈折率の良い光学用途に用いられるガラス材料の多くは、ドライエッチングによる加工性が悪く、精度のよいマイクロレンズの作成が難しい。   Further, if the lens array 73 is simply made of a material that matches the linear expansion coefficient of the laser substrate 72, the refractive index of the lens array 73 that can be selected is limited. There is a problem that becomes a restriction. Furthermore, many glass materials used for optical applications with a good refractive index have poor processability by dry etching, and it is difficult to produce microlenses with high accuracy.

そこで、本実施形態では、レンズアレイ23は、レンズ25を保持し、レーザ基板部22と線膨張係数が略同一のレンズ基板部26を有している。
なお、ここで線膨張係数が「略同一」とは、レンズアレイ23の用いられる環境温度の範囲内において、熱膨張によって生じうる変位量ΔL23と変位量ΔL22との差が、レンズ25の有効径と比べて十分に小さいといえる程度に同一であることをいう。 かかる構成により、レンズ25のレンズ光軸Oと発光部21の光軸中心とのずれを抑制して、レーザ光Lのコリメート状態が維持される。
かかる構成により、レーザ光源ユニット10は、環境温度の高い場所においても光の利用効率の低下を抑制するから、精度の低下が抑制される。
Therefore, in the present embodiment, the lens array 23 has a lens substrate 26 that holds the lens 25 and has substantially the same linear expansion coefficient as the laser substrate portion 22.
Here, the “linear expansion coefficient” is “substantially the same” means that the difference between the displacement amount ΔL 23 and the displacement amount ΔL 22 that can be caused by thermal expansion is within the range of the environmental temperature in which the lens array 23 is used. It is said that it is the same as it can be said that it is small enough compared with an effective diameter. With such a configuration, a deviation between the lens optical axis O of the lens 25 and the optical axis center of the light emitting unit 21 is suppressed, and the collimated state of the laser light L is maintained.
With this configuration, the laser light source unit 10 suppresses a decrease in light use efficiency even in a place where the environmental temperature is high, so that a decrease in accuracy is suppressed.

具体的には、レンズ基板部26の線膨張係数をαlens、レーザ基板部22の線膨張係数αbase、レンズ基板部26の中心Cと中心Cから最も離れたレンズ25との距離L、環境温度の温度差ΔT、レンズ25の光軸ズレの公差Δdとしたとき、式(1)を満たしている。
例えばL=4.5[mm]、ΔT=30[K]、Δd=0.1[μm]の設計をした場合、レーザ基板部22がGaAs基板であるなら、αbase=6.86×10−6[/K]であるから、6.12≦αlens≦7.60[×10−6/K]の範囲内に収めることが望ましい。
線膨張係数αlensは、光軸ズレの公差Δdが大きくなるほど取れる値の範囲が広がり、Δd=0.5μmのとき3.16≦αlens≦10.56[×10−6/K]、Δd=0.8μmのとき0.93≦αlens≦12.78[×10−6/K]である。
Specifically, the linear expansion coefficient of the lens substrate unit 26 is α lens , the linear expansion coefficient α base of the laser substrate unit 22, the distance L between the center C of the lens substrate unit 26 and the lens 25 farthest from the center C, and the environment When the temperature difference ΔT of the temperature and the tolerance Δd of the optical axis deviation of the lens 25 are set, Expression (1) is satisfied.
For example, when designing L = 4.5 [mm], ΔT = 30 [K], and Δd = 0.1 [μm], if the laser substrate 22 is a GaAs substrate, α base = 6.86 × 10 Since it is −6 [/ K], it is desirable that it falls within the range of 6.12 ≦ α lens ≦ 7.60 [× 10 −6 / K].
The range of values that the linear expansion coefficient α lens can take increases as the tolerance Δd of the optical axis deviation increases. When Δd = 0.5 μm, 3.16 ≦ α lens ≦ 10.56 [× 10 −6 / K], Δd = 0.93 ≦ α lens ≦ 12.78 [× 10 −6 / K] when = 0.8 μm.

Figure 2017152677
Figure 2017152677

他方、線膨張係数αlensは、使用する環境温度の温度差ΔTが増加するほど取れる値の範囲が狭くなり、ΔT=50[K]のとき6.42≦αlens≦7.30[×10−6/K]である。同様に、ΔT=100[K]のとき、6.64≦αlens≦7.08[×10−6/K]である。また、距離LはVCSEL素子のサイズに依存して決まるが、L=9mmのときは6.49≦αlens≦7.23[×10−6/K]、L=18mmのときは6.67≦αlens≦7.05[×10−6/K]、となるように、レーザ基板部22のサイズが大きいほど選択可能な線膨張係数の幅は狭くなる。 On the other hand, the linear expansion coefficient α lens has a narrower range of values as the temperature difference ΔT of the ambient temperature used increases, and when ΔT = 50 [K], 6.42 ≦ α lens ≦ 7.30 [× 10]. −6 / K]. Similarly, when ΔT = 100 [K], 6.64 ≦ α lens ≦ 7.08 [× 10 −6 / K]. The distance L is determined depending on the size of the VCSEL element. When L = 9 mm, 6.49 ≦ α lens ≦ 7.23 [× 10 −6 / K], and when L = 18 mm, 6.67. ≦ α lens ≦ 7.05 [× 10 −6 / K] The width of the selectable linear expansion coefficient becomes narrower as the size of the laser substrate portion 22 becomes larger.

またレーザ基板からGaAs基板を除去し、熱伝導率の良い金属やセラミックス製の基板上に張り付けてレーザ基板部22とする構成では、かかる金属やセラミックスの線膨張係数をαbaseとして用いてレンズ基板部26の線膨張係数を決定すれば良い。
例えば、窒化アルミニウム基板に張り合わせた場合には、αbase=4.6[×10−6/K]とし、銅の基板に張り合わせた場合にはαbase=16.8[×10−6/K]とする。
この場合には、上述したL=4.5[mm]、ΔT=30[K]、Δd=0.1[μm]の構成において、αbase=4.6[×10−6/K]のとき3.86≦αlens≦5.34[×10−6/K]の範囲であることが望ましい。同様に、αbase=16.8[×10−6/K]のとき16.1≦αlens≦17.5[×10−6/K]の範囲であることが望ましい。
Further, in the configuration in which the GaAs substrate is removed from the laser substrate and is pasted on a metal or ceramic substrate having a good thermal conductivity to form the laser substrate portion 22, the linear expansion coefficient of the metal or ceramic is used as α base to form a lens substrate. What is necessary is just to determine the linear expansion coefficient of the part 26. FIG.
For example, when bonded to an aluminum nitride substrate, α base = 4.6 [× 10 −6 / K], and when bonded to a copper substrate, α base = 16.8 [× 10 −6 / K]. ]
In this case, in the configuration of L = 4.5 [mm], ΔT = 30 [K], and Δd = 0.1 [μm] described above, α base = 4.6 [× 10 −6 / K]. In some cases, it is desirable that the range is 3.86 ≦ α lens ≦ 5.34 [× 10 −6 / K]. Similarly, when α base = 16.8 [× 10 −6 / K], the range of 16.1 ≦ α lens ≦ 17.5 [× 10 −6 / K] is desirable.

ところで、図10に示すように、かりにレンズアレイ73がレンズ75とガラス基板部76とを有するとしても、レンズ75を互いに隣接して設けた場合には、レンズ75とガラス基板部76との線膨張係数の差が大きいときには、反りやクラックが生じる虞がある。
このような不具合を防ぐために、線膨張係数の差によって環境温度の変化で生じる変形量z2の差がレンズ基板部の厚さに対して十分大きいときには、互いに隣り合うレンズ同士を微小間隔dだけ離れて配置させることが望ましい。
この微小間隔dだけ離間した部分は、レンズ基板部26において複数のレンズ25が微小間隔dだけ離間した境界領域である。
言い換えると、境界領域とは、互いに隣り合うレンズ25の変曲点Rの間の領域を示し、レンズアレイ23のうち曲率を有しない領域を示している。
かかる境界領域を設けることにより、レンズアレイ23の変位がレンズ25の材質によらず、環境温度の高い場所における光の利用効率の低下を抑制する。
By the way, as shown in FIG. 10, even if the lens array 73 includes the lens 75 and the glass substrate portion 76, when the lens 75 is provided adjacent to each other, the line between the lens 75 and the glass substrate portion 76 is obtained. When the difference in expansion coefficient is large, there is a risk of warping or cracking.
In order to prevent such a problem, when the difference in deformation amount z2 caused by the change in the environmental temperature due to the difference in linear expansion coefficient is sufficiently large with respect to the thickness of the lens substrate portion, the adjacent lenses are separated from each other by a minute distance d. It is desirable to arrange them.
The portion separated by the minute interval d is a boundary region where the plurality of lenses 25 are separated by the minute interval d in the lens substrate portion 26.
In other words, the boundary region indicates a region between the inflection points R of the lenses 25 adjacent to each other, and indicates a region having no curvature in the lens array 23.
By providing such a boundary region, the displacement of the lens array 23 does not depend on the material of the lens 25, and a decrease in light use efficiency in a place where the environmental temperature is high is suppressed.

本実施形態では、レンズ25は、互いに離間した態様でレンズアレイ23に保持されている。
かかる構成により、レンズアレイ23の熱膨張によって生じる変位量が、レンズ25の材質によらないので、レンズ25に用いる材質を自由に選択しながらも、環境温度の高い場所における光の利用効率の低下を抑制して、精度の低下が抑制される。
In the present embodiment, the lenses 25 are held by the lens array 23 in a manner spaced from each other.
With this configuration, the amount of displacement caused by the thermal expansion of the lens array 23 does not depend on the material of the lens 25, so that the light use efficiency in a place with a high environmental temperature is reduced while the material used for the lens 25 is freely selected. And the deterioration of accuracy is suppressed.

また、本実施形態では、レンズアレイ23は、レンズ25の線膨張係数とは異なる線膨張係数のレンズ基板部26を有する。
かかる構成により、レンズ25に用いる材質を自由に選択しながらも、環境温度の高い場所における光の利用効率の低下を抑制する。
In the present embodiment, the lens array 23 includes the lens substrate portion 26 having a linear expansion coefficient different from that of the lens 25.
With this configuration, the material used for the lens 25 can be freely selected, and the decrease in light use efficiency in a place with a high environmental temperature is suppressed.

また、本実施形態では、レンズアレイ23は、レンズ25の−Z方向側の最表面に形成された第1反射防止層27を有している。
かかる構成により、入射したレーザ光Lが発光部21へと反射してしまうことを抑制して、光の利用効率を向上する。
また、本実施形態では、レンズ25とレンズ基板部26との間に形成された第2反射防止層28を有している。
かかる構成により、入射したレーザ光Lが発光部21へと反射してしまうことをさらに抑制して、光の利用効率を向上する。
In this embodiment, the lens array 23 includes the first antireflection layer 27 formed on the outermost surface of the lens 25 on the −Z direction side.
With this configuration, the incident laser light L is prevented from being reflected to the light emitting unit 21, and the light utilization efficiency is improved.
In the present embodiment, the second antireflection layer 28 is formed between the lens 25 and the lens substrate portion 26.
With this configuration, the incident laser light L is further prevented from being reflected to the light emitting unit 21, and the light use efficiency is improved.

かかるレンズアレイ23の製造方法について述べる。
図5(a)に示すように、まずレンズ基板部26を構成する材料となるN−BAF52製の基板86上に第2反射防止層28と合成石英ガラス88とを層状に形成する(図6のステップS101)。
合成石英ガラス88上には、フォトリソグラフィー法によって円形または多角形の感光性樹脂89のパターンが形成される(ステップS102)。
表面に形成された感光性樹脂89を加熱すると、感光性樹脂89は、図5(b)に示すように、熱による変形が進み、表面張力にしたがって半球状あるいは−Z方向側に凸の曲面が形成される(ステップS103)。
かかるステップS103は、感光性樹脂89によってマスクパターンを形成するマスク形成工程である。マスク形成工程において、合成石英ガラス88の表面には、感光性樹脂89によって製造されるレンズ25の形状を模してマイクロレンズパターンが形成される。
なお、かかるマスク形成工程において、感光性樹脂89によって形成されたレンズ形状の下端から上端までの高さ、言い換えると感光性樹脂89の層厚は、合成石英ガラス88の層の厚みと同程度であることが望ましい。
A method for manufacturing the lens array 23 will be described.
As shown in FIG. 5A, first, the second antireflection layer 28 and the synthetic quartz glass 88 are formed in layers on a substrate 86 made of N-BAF52, which is a material constituting the lens substrate portion 26 (FIG. 6). Step S101).
On the synthetic quartz glass 88, a pattern of a circular or polygonal photosensitive resin 89 is formed by photolithography (step S102).
When the photosensitive resin 89 formed on the surface is heated, the photosensitive resin 89 is deformed by heat as shown in FIG. 5B, and is a hemispherical surface or a curved surface convex toward the −Z direction side according to the surface tension. Is formed (step S103).
Step S103 is a mask forming process for forming a mask pattern with the photosensitive resin 89. In the mask formation step, a microlens pattern is formed on the surface of the synthetic quartz glass 88 simulating the shape of the lens 25 manufactured by the photosensitive resin 89.
In this mask formation step, the height from the lower end to the upper end of the lens shape formed by the photosensitive resin 89, in other words, the layer thickness of the photosensitive resin 89 is approximately the same as the thickness of the layer of the synthetic quartz glass 88. It is desirable to be.

次に、感光性樹脂をエッチングするための酸素ガスと、合成石英ガラスをエッチングするためのフロン系ガスとを混合したエッチングガスを用いて、ECRプラズマエッチングやRIEエッチング等のエッチング処理を行う(ステップS104)。
ステップS104のエッチング工程において、図5(c)に示すように、感光性樹脂89と合成石英ガラス88とは、合成石英ガラス88上に感光性樹脂89の形状が転写された状態でエッチングされる。
Next, an etching process such as ECR plasma etching or RIE etching is performed using an etching gas obtained by mixing an oxygen gas for etching the photosensitive resin and a chlorofluorocarbon-based gas for etching the synthetic quartz glass (step S104).
In the etching process of step S104, as shown in FIG. 5C, the photosensitive resin 89 and the synthetic quartz glass 88 are etched in a state where the shape of the photosensitive resin 89 is transferred onto the synthetic quartz glass 88. .

感光性樹脂89がなくなるまでエッチング工程を進めると、合成石英ガラス88に感光性樹脂89の形状が転写されて、図5(d)に示すようにレンズ25が形成される。
本実施形態では、感光性樹脂89の層厚と合成石英ガラス88の層厚とが同程度であり、またそのエッチング速度も同程度であるから、感光性樹脂89が無くなったとき、合成石英ガラス88は互いに離間した態様のレンズ25を形成する。また、第2反射防止層28は、各レンズ25の間を埋めるように形成されていても良い。
なお、このとき、エッチングガスによってエッチングされない、またはされ難いような基板86の材料を選択すれば、感光性樹脂89の層厚が、合成石英ガラス88の層厚と異なっていた場合にも、レンズ25が互いに離間した態様で形成される。
また同様に、エッチングガスの混合比を変えるなどの方法によって、層厚に合わせてエッチング速度を制御しても良い。
When the etching process is advanced until the photosensitive resin 89 runs out, the shape of the photosensitive resin 89 is transferred to the synthetic quartz glass 88, and the lens 25 is formed as shown in FIG.
In this embodiment, the layer thickness of the photosensitive resin 89 and the layer thickness of the synthetic quartz glass 88 are approximately the same, and the etching rate is also approximately the same. Therefore, when the photosensitive resin 89 is used up, the synthetic quartz glass is removed. 88 forms the lens 25 of the aspect spaced apart from each other. Further, the second antireflection layer 28 may be formed so as to fill between the lenses 25.
At this time, if the material of the substrate 86 that is not etched or hardly etched by the etching gas is selected, even if the layer thickness of the photosensitive resin 89 is different from the layer thickness of the synthetic quartz glass 88, the lens 25 are formed in a manner spaced from each other.
Similarly, the etching rate may be controlled in accordance with the layer thickness by a method such as changing the mixing ratio of the etching gas.

エッチングが終了し、合成石英ガラス88によって形成されたレンズ25と、基板86によって形成されたレンズ基板部26とを有するレンズアレイ23が形成された後、必要に応じて真空成膜などの方法で第1反射防止層27が形成される(ステップS105)。   After the etching is completed and the lens array 23 having the lens 25 formed of the synthetic quartz glass 88 and the lens substrate portion 26 formed of the substrate 86 is formed, a method such as vacuum film formation is used as necessary. The first antireflection layer 27 is formed (step S105).

レンズアレイ23は、レンズ25が発光部21と対向するように、レーザ基板部22に対して固定部24によって取り付けられる(ステップS106)。
かかるステップS106は、レンズアレイ23とレーザ基板部22とを結着して固定する結合工程である。
なお、本実施形態では、固定部24は紫外線硬化樹脂であり、固定後にも多少の可撓性を有している。
本実施形態では固定部24を紫外線硬化樹脂としたが、ステップS106における固定部24をハンダとして、300℃まで加熱溶融したあと冷却して固定するとしても良い。
結合工程において、既に図8で述べた従来例のような構成では、加熱及び冷却によってレンズアレイ23の熱膨張あるいは、熱応力による破損等が生じるおそれもある。
しかしながら、本実施形態では、レンズアレイ23は、レンズ25を保持し、レーザ基板部22と線膨張係数が略同一のレンズ基板部26を有しているため、熱変形量の差が小さく結合工程において加熱処理を含む場合にも、熱応力による破損が防止される。
The lens array 23 is attached to the laser substrate unit 22 by the fixing unit 24 so that the lens 25 faces the light emitting unit 21 (step S106).
Step S106 is a coupling step for coupling and fixing the lens array 23 and the laser substrate unit 22.
In the present embodiment, the fixing portion 24 is an ultraviolet curable resin and has some flexibility even after fixing.
In the present embodiment, the fixing portion 24 is made of an ultraviolet curable resin. However, the fixing portion 24 in step S106 may be soldered and heated to 300 ° C. and then cooled and fixed.
In the joining process, in the configuration as in the conventional example already described in FIG. 8, there is a possibility that the lens array 23 may be thermally expanded or damaged by thermal stress due to heating and cooling.
However, in the present embodiment, the lens array 23 holds the lens 25 and has the lens substrate portion 26 having substantially the same linear expansion coefficient as that of the laser substrate portion 22, so that the difference in thermal deformation is small and the coupling step. In the case where the heat treatment is included, the damage due to the thermal stress is prevented.

本実施形態では、レーザ点火プラグ100は、レーザ素子21から出射されたレーザ光Lを増幅する光増幅部40と、光増幅部40の入射口へとレーザ光Lを集光するための集光光学系20と、を有している。
かかる構成により、環境温度の高い場所においても、光の利用効率の低下が抑制される。
In the present embodiment, the laser spark plug 100 has an optical amplifying unit 40 that amplifies the laser light L emitted from the laser element 21 and a condensing light for condensing the laser light L to the entrance of the optical amplifying unit 40. And an optical system 20.
With this configuration, it is possible to suppress a decrease in light use efficiency even in a place where the environmental temperature is high.

以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms.

例えば、本実施形態においては、3つの反射防止層を設けたが、かかる反射防止層を用いなくとも良いし、あるいは任意の数の反射防止層を設けても良い。   For example, in the present embodiment, three antireflection layers are provided, but such an antireflection layer may not be used, or an arbitrary number of antireflection layers may be provided.

10 光源ユニット(レーザ光源ユニット)
21 単素子(発光部)
22 素子基板部(レーザ基板部)
23 レンズアレイ
25 レンズ
26 レンズ基板部
30 光伝送路
40 光増幅部
100 レーザ点火装置(レーザ点火プラグ)
203 光学素子(TFT素子)
205 光学素子基板部(ガラス基板)
500 レーザ点火システム
700 燃焼室
L レーザ光
O レンズ光軸
基板間距離
10 Light source unit (laser light source unit)
21 Single element (light emitting part)
22 Element substrate (laser substrate)
23 Lens array 25 Lens 26 Lens substrate unit 30 Optical transmission path 40 Optical amplification unit 100 Laser ignition device (laser ignition plug)
203 Optical element (TFT element)
205 Optical element substrate (glass substrate)
500 Laser ignition system 700 Combustion chamber L Laser light O Lens optical axis Z 1 Distance between substrates

特開2014−192166号公報JP 2014-192166 A 特許第3617846号公報Japanese Patent No. 3617846

Claims (14)

複数のレンズが2次元的に配置されたレンズアレイと、複数の発光部を支持する素子基板部とを備えた光源ユニットであって、
前記レンズアレイは、前記レンズを保持するレンズ基板部を有し、
前記レンズ基板部は、前記素子基板部と線膨張係数が略同一である光源ユニット。
A light source unit including a lens array in which a plurality of lenses are two-dimensionally arranged and an element substrate portion that supports a plurality of light emitting portions,
The lens array has a lens substrate portion that holds the lens,
The lens substrate unit is a light source unit having a linear expansion coefficient substantially the same as the element substrate unit.
請求項1に記載の光源ユニットであって、
前記レンズの線膨張係数と前記レンズ基板部の線膨張係数とが異なることを特徴とする光源ユニット。
The light source unit according to claim 1,
The light source unit, wherein a linear expansion coefficient of the lens and a linear expansion coefficient of the lens substrate portion are different.
請求項1または2に記載のレンズアレイであって、
前記複数のレンズは、互いに微小間隔だけ離間した境界領域を有し、前記レンズ基板に保持されることを特徴とする光源ユニット。
The lens array according to claim 1 or 2,
The light source unit, wherein the plurality of lenses have boundary regions separated from each other by a minute interval and are held on the lens substrate.
請求項1乃至3の何れか1つに記載の光源ユニットであって、
前記光源の発光部と前記複数のレンズとが1対1で対向して配置されることを特徴とする光源ユニット。
The light source unit according to any one of claims 1 to 3,
The light source unit, wherein the light emitting unit of the light source and the plurality of lenses are arranged to face each other on a one-to-one basis.
請求項1乃至4の何れか1つに記載の光源ユニットであって、
前記複数の発光部の光軸と一致するように前記複数のレンズを備えたことを特徴とする光源ユニット。
The light source unit according to any one of claims 1 to 4,
A light source unit comprising the plurality of lenses so as to coincide with optical axes of the plurality of light emitting units.
請求項1乃至5の何れか1つに記載の光源ユニットであって、
前記素子基板部の線膨張係数とレンズ基板部の線膨張係数との差と、前記レンズアレイ中心と当該中心から最も離れたレンズの中心までの距離と、環境温度の温度差と、の積がレンズの光軸ずれ公差以下であることを特徴とする光源ユニット。
The light source unit according to any one of claims 1 to 5,
The product of the difference between the linear expansion coefficient of the element substrate portion and the linear expansion coefficient of the lens substrate portion, the distance from the center of the lens array to the center of the lens farthest from the center, and the temperature difference of the ambient temperature. A light source unit characterized by being less than or equal to a lens optical axis deviation tolerance.
請求項1乃至6の何れか1つに記載の光源ユニットであって、
前記レンズの最表面に形成された第1反射防止膜を有することを特徴とする光源ユニット。
The light source unit according to any one of claims 1 to 6,
A light source unit comprising a first antireflection film formed on the outermost surface of the lens.
請求項1乃至7の何れか1つに記載の光源ユニットであって、
前記レンズと前記レンズ基板との間に形成された第2反射防止膜を有することを特徴とする光源ユニット。
The light source unit according to any one of claims 1 to 7,
A light source unit comprising a second antireflection film formed between the lens and the lens substrate.
請求項1乃至8の何れか1つに記載の光源ユニットであって、
前記レンズに互いに対向して配置された単素子と、前記単素子を一体に備えた素子基板部とを備える光源と、
前記レンズ基板部と前記素子基板部とを互いに固定するための固定部と、を有することを特徴とする光源ユニット。
The light source unit according to any one of claims 1 to 8,
A light source comprising a single element disposed opposite to the lens and an element substrate unit integrally including the single element;
A light source unit comprising: a fixing portion for fixing the lens substrate portion and the element substrate portion to each other.
請求項1乃至9の何れか1つに記載の光源ユニットであって、
前記レンズは、前記複数の光源に対向して凸状に配置されることを特徴とする光源ユニット。
The light source unit according to any one of claims 1 to 9,
The light source unit, wherein the lens is arranged in a convex shape so as to face the plurality of light sources.
請求項9または10に記載の光源ユニットと、
前記光源ユニットからの励起光を集光する集光レンズと、を有することを特徴とする光源モジュール。
The light source unit according to claim 9 or 10,
And a condensing lens that condenses the excitation light from the light source unit.
請求項8乃至10の何れか1つに記載の光源モジュールと、
前記光源ユニットから出射した励起光を吸収するレーザ共振器を有することを特徴とするレーザ点火装置。
A light source module according to any one of claims 8 to 10,
A laser ignition device comprising a laser resonator that absorbs excitation light emitted from the light source unit.
請求項12に記載のレーザ点火装置であって、
前記光源モジュールと前記レーザ共振器との間に配置され、前記励起光を伝送する光伝送路を有することを特徴とするレーザ点火装置。
The laser ignition device according to claim 12,
A laser ignition device, comprising: an optical transmission path that is disposed between the light source module and the laser resonator and transmits the excitation light.
請求項12または13に記載のレーザー点火装置であって、
前記レーザー共振器の入射口へと前記励起光を集光するための集光光学系を有することを特徴とするレーザ点火装置。
The laser ignition device according to claim 12 or 13,
A laser ignition device having a condensing optical system for condensing the excitation light to an entrance of the laser resonator.
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