JP2017201662A - レーザ装置、点火装置及び内燃機関 - Google Patents

レーザ装置、点火装置及び内燃機関 Download PDF

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Abstract

【課題】1パルスあたりのエネルギーを高くすることができるレーザ装置を提供する。【解決手段】 レーザ装置は、面発光レーザアレイ、第1集光光学系、光ファイバ、第2集光光学系、レーザ共振器を備えている。面発光レーザアレイから射出された光は、第1集光光学系、光ファイバ、第2集光光学系を介して、励起光としてレーザ共振器に入射される。第2集光光学系を介した光の進行方向(Z軸方向)に関して、レーザ共振器における第2集光光学系を介した光が入射する面の位置は、該光のビームウエスト位置よりも下流側(+Z側)にあるように設定されている。【選択図】図8

Description

本発明は、レーザ装置、点火装置及び内燃機関に係り、更に詳しくは、レーザ共振器を有するレーザ装置、該レーザ装置を有する点火装置、及び該点火装置を備える内燃機関に関する。
光励起によって発振するレーザ媒質を用いたレーザ装置は、点火装置、レーザ加工機、医療用機器など様々な分野への応用が期待されている。
例えば、特許文献1には、レーザ活性固体及びQスイッチ回路を有するレーザ装置と、該レーザ装置を光ポンピングするポンプ光源とを備えた内燃機関用のレーザ点火装置が開示されている。
また、特許文献2には、半導体レーザ光源と、その半導体レーザ光源が放射した半導体レーザ光で励起されて燃料点火用のパルスレーザ光を放射する固体レーザ媒質を備えている車載用点火装置が開示されている。
しかしながら、従来のレーザ装置では、1パルスあたりのエネルギーについては考慮されていなかった。
本発明は、光源装置と、前記光源装置からの光を集光する光学系と、前記光学系を介した光が照射され、レーザ光を射出するレーザ共振器とを備え、前記光学系を介した光の進行方向に関して、前記レーザ共振器における前記光学系を介した光が入射する面の位置が、該光のビームウエスト位置よりも下流側にあるレーザ装置である。
本発明のレーザ装置によれば、1パルスあたりのエネルギーを高くすることができる。
本発明の一実施形態に係るエンジン300の概略を説明するための図である。 点火装置301を説明するための図である。 レーザ共振器206を説明するための図である。 面発光レーザアレイを説明するための図である。 第2集光光学系を説明するための図である。 励起光を説明するための図である。 レイリー長を説明するための図である。 1パルスあたりのエネルギーとZ軸方向に関する第1の面の位置との関係を説明するための図である。 図9(A)及び図9(B)は、それぞれ発振に寄与しない領域を説明するための図である。 図10(A)及び図10(B)は、それぞれレーザアニール装置の概略構成を説明するための図である。 レーザ加工機の概略構成を説明するための図である。
「概要」
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図1には、一実施形態に係る内燃機関としてのエンジン300の主要部が模式図的に示されている。
このエンジン300は、点火装置301、燃料噴出機構302、排気機構303、燃焼室304、及びピストン305などを備えている。
エンジン300の動作について簡単に説明する。
(1)燃料噴出機構302が、燃料と空気の可燃性混合気を燃焼室304内に噴出させる(吸気)。
(2)ピストン305が上昇し、可燃性混合気を圧縮する(圧縮)。
(3)点火装置301が、燃焼室304内にレーザ光を射出する。これにより、燃料に点火される(着火)。
(4)燃焼ガスが発生し、ピストン305が降下する(燃焼)。
(5)排気機構303が、燃焼ガスを燃焼室304外へ排気する(排気)。
このように、吸気、圧縮、着火、燃焼、排気からなる一連の過程が繰り返される。そして、燃焼室304内の気体の体積変化に対応してピストン305が運動し、運動エネルギーを生じさせる。燃料には例えば天然ガスやガソリン等が用いられる。
なお、エンジン300は、該エンジン300の外部に設けられ、該エンジン300と電気的に接続されているエンジン制御装置の指示に基づいて、上記動作を行う。
点火装置301は、一例として図2に示されるように、レーザ装置200、射出光学系210、及び保護部材212などを有している。
射出光学系210は、レーザ装置200から射出される光を集光する。これにより、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。
保護部材212は、燃焼室304に臨んで設けられた透明の窓である。ここでは、一例として、保護部材212の材料としてサファイアガラスが用いられている。
レーザ装置200は、面発光レーザアレイ201、第1集光光学系203、光ファイバ204、第2集光光学系205、及びレーザ共振器206を備えている。なお、本明細書では、XYZ3次元直交座標系を用い、面発光レーザアレイ201からの光の射出方向を+Z方向として説明する。
面発光レーザアレイ201は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。各発光部は、垂直共振器型の面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)である。面発光レーザアレイ201から射出される光の波長は808nmである。
面発光レーザアレイは、射出される光の、温度による波長ずれが非常に少ないため、励起波長のずれによって特性が大きく変化するQスイッチレーザを励起するのに有利な光源である。そこで、面発光レーザアレイを励起用光源に用いると、環境の温度制御を簡易なものにできるという利点がある。
第1集光光学系203は、面発光レーザアレイ201から射出される光を集光する。
光ファイバ204は、第1集光光学系203によって光が集光される位置にコアの−Z側端面の中心が位置するように配置されている。ここでは、光ファイバ204として、コア径が1.5mm、NAが0.39の光ファイバが用いられている。
光ファイバ204を設けることによって、面発光レーザアレイ201をレーザ共振器206から離れた位置に置くことができる。これにより配置設計の自由度を増大させることができる。また、レーザ装置200を点火装置に用いる際に、熱源から面発光レーザアレイ201を遠ざけることができるため、エンジン300を冷却する方法の幅を広げることが可能である。
光ファイバ204に入射した光はコア内を伝播し、コアの+Z側端面から射出される。
第2集光光学系205は、光ファイバ204から射出された光の光路上に配置され、該光を集光する。第2集光光学系205で集光された光は、レーザ共振器206に入射する。
レーザ共振器206は、受動Qスイッチレーザであり、一例として図3に示されるように、レーザ媒質206a、及び可飽和吸収体206bを有している。
レーザ媒質206aは、直方体形状のNd:YAG結晶であり、Ndが1.1%ドープされている。可飽和吸収体206bは、直方体形状のCr:YAG結晶であり、初期透過率が0.15(15%)〜0.70(70%)の間で適宜調整されるものである。
なお、ここでは、Nd:YAG結晶とCr:YAG結晶は接合されており、いわゆるコンポジット結晶となっている。また、Nd:YAG結晶及びCr:YAG結晶は、いずれもセラミックスである。
第2集光光学系205からの光は、レーザ媒質206aに入射される。すなわち、第2集光光学系205からの光によってレーザ媒質206aが励起される。なお、面発光レーザアレイ201から射出される光の波長は、YAG結晶において最も吸収効率の高い波長である。そして、可飽和吸収体206bは、Qスイッチの動作を行う。
レーザ媒質206aの入射側(−Z側)の面、及び可飽和吸収体206bの射出側(+Z側)の面は光学研磨処理がなされ、ミラーの役割を果たしている。なお、以下では、便宜上、レーザ媒質206aの入射側の面を「第1の面」ともいい、可飽和吸収体206bの射出側の面を「第2の面」ともいう(図3参照)。
そして、第1の面及び第2の面には、面発光レーザアレイ201から射出される光の波長、及びレーザ共振器206から射出される光の波長に応じた誘電体膜がコーティングされている。
具体的には、第1の面には、波長が808nmの光に対して高い透過率を示し、波長が1064nmの光に対して高い反射率を示すコーティングがなされている。また、第2の面には、波長が1064nmの光に対して約50%の反射率を示すコーティングがなされている。
これにより、レーザ共振器206内で光が共振し増幅される。
図2に戻り、駆動装置220は、エンジン制御装置222の指示に基づいて、面発光レーザアレイ201を駆動する。すなわち、駆動装置220は、エンジン300の動作における着火のタイミングで点火装置301から光が射出されるように、面発光レーザアレイ201を駆動する。なお、面発光レーザアレイ201における複数の発光部は、同時に点灯及び消灯される。
上記実施形態において、面発光レーザアレイ201をレーザ共振器206から離れた位置に置く必要がない場合は、光ファイバ204が設けられなくても良い。
また、ここでは、内燃機関として燃焼ガスによってピストンを運動させるエンジン(ピストンエンジン)の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ロータリーエンジンや、ガスタービンエンジンや、ジェットエンジンであっても良い。要するに、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するものであれば良い。
また、排熱を利用して、動力や温熱や冷熱を取り出し、総合的にエネルギー効率を高めるシステムであるコジェネレーションに、点火装置301を用いても良い。
また、ここでは、点火装置301が内燃機関に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。
また、ここでは、レーザ装置200が点火装置に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置などに用いることができる。
「詳細」
レーザ装置200から射出される光のZ軸方向に関する集光位置の調整は、射出光学系210の焦点距離、及びZ軸方向に関する射出光学系210の配置位置を調整することにより、行うことができる。
面発光レーザアレイ201は、複数の発光部を有しているため、光出力を大きくすることができる。ここでは、面発光レーザアレイ201の光出力は約400Wである。
さらに、面発光レーザアレイ201における複数の発光部は、直径9mmの領域内に配置されている(図4参照)。そして、面発光レーザアレイ201における最も離れた2つの発光部間の距離は7.0mm以上である。
第1集光光学系203は、少なくとも1つの集光レンズを有している。なお、第1集光光学系203は、複数の光学素子から構成されていても良い。
光ファイバ204を用いることにより、面発光レーザアレイ201とレーザ共振器206との距離を光ファイバ204の長さの分だけ長くすることができる。
そこで、レーザ装置200をエンジンの点火装置に使用する場合、エンジン周辺の高温領域や振動領域から面発光レーザアレイ201を遠ざけることが可能となり、点火装置の信頼性を向上させることができる。
ここでは、光ファイバ204から射出される光のM値は、約1200である。なお、光ファイバ204から射出される光のM値は、1500以下であれば良い。
第2集光光学系205の詳細について説明する。
第2集光光学系205は、複数の光学素子を有している。ここでは、第2集光光学系205は、第1レンズ205aと第2レンズ205bから構成されている(図5参照)。なお、第2集光光学系205は、3つ以上の光学素子から構成されていても良い。
第1レンズ205aは、コリメートレンズであり、光ファイバ204から射出された光を略平行光とする。
第2レンズ205bは、集光レンズであり、第1レンズ205aによって略平行光とされた光を集光する。
第2集光光学系205は、倍率が1である。
なお、第2集光光学系205の倍率は、0.7以上であれば良い。
第2レンズ205bを介した光は、レーザ共振器206に入射される。なお、以下では、第2レンズ205bを介してレーザ共振器206に入射される光を「励起光」ともいう(図6参照)。
ここでは、励起光のビームウエスト径(直径)は、約1.5mm(1/e)である。
ところで、ビームウエストに対してビーム径が√2倍の大きさになるまでの範囲は、レイリー長と呼ばれている(図7参照)。
レーザ共振器206の詳細について説明する。
ここでは、Nd:YAG結晶及びCr:YAG結晶は、いずれもセラミックスであるため、単結晶に比べて生産性が良い。
また、Nd:YAG結晶とCr:YAG結晶の境界部が分離していないため、単一の結晶と同等の特性が得られ、機械強度的及び光学的に有利である。
第2レンズ205bを介した光(励起光)は、レーザ媒質206aに入射される。すなわち、第2レンズ205bを介した光(励起光)によってレーザ媒質206aが励起される。
図8には、レーザ共振器206の第1の面の位置をZ軸方向に変化させ、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーを測定した結果の一部が示されている。
これによると、レーザ共振器206の第1の面の位置をビームウェスト位置の−Z側(上流側)から+Z側に移動するにつれて、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーは、増加する傾向にある。
例えば、レーザ共振器206の第1の面がビームウェスト位置の−Z側(上流側)0.5mmの位置にあるとき、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーは約3.3mJである。
また、レーザ共振器206の第1の面がビームウェスト位置にあるとき、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーは約3.65mJである。
また、レーザ共振器206の第1の面がビームウェスト位置の+Z側(下流側)0.5mmの位置にあるとき、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーは約3.75mJである。
そして、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーは、約3.75mJで飽和している。
また、レーザ共振器206の第1の面の位置が、ビームウェスト位置の+Z側(下流側)にあれば、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーは、約3.65mJよりも大きい値を維持している。
そこで、レーザ共振器206は、励起光の進行方向(Z軸方向)に関して、第1の面の位置が、励起光のビームウエスト位置よりも下流側(+Z側)にあるように配置するのが良い。
本実施形態では、レーザ共振器206は、励起光の進行方向(Z軸方向)に関して、第1の面の位置が、励起光のビームウエスト位置よりも下流側(+Z側)0.5mmの位置にあるように配置されている。
なお、従来のレーザ装置では、1パルスあたりのエネルギーについては考慮されてなく、レーザ共振器は、第1の面がビームウェスト位置にくるように配置されていた。
ところで、端面発光レーザから射出される光は、温度に対する波長の変動が大きい。そこで、高温環境下での使用が想定される点火装置では、端面発光レーザを励起用光源とする場合、端面発光レーザの温度を一定に保つための精密な温度制御機構が必要になり、装置の大型化や高コスト化を招く。
一方、面発光レーザアレイから射出される光は、温度に対する波長の変動が端面発光レーザの約1/10である。そこで、面発光レーザアレイを励起用光源とする点火装置では、精密な温度制御機構を必要としない。そのため、小型かつ低コストな点火装置を実現することができる。
加えて、面発光レーザアレイは、発光領域が半導体内部にあることから端面破壊の懸念がなく、点火装置の信頼性を向上させることができる。
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係るレーザ装置200では、光ファイバ204によって、本発明のレーザ装置における「伝送部材」が構成されている。そして、本実施形態に係る点火装置301では、射出光学系210によって、本発明の点火装置における「レーザ装置から射出されるレーザ光を集光する光学系」が構成されている。
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ装置200は、面発光レーザアレイ201、第1集光光学系203、光ファイバ204、第2集光光学系205、及びレーザ共振器206を備えている。
面発光レーザアレイ201は、励起用光源であり、面発光レーザアレイ201から射出された光は、第1集光光学系203、光ファイバ204、及び第2集光光学系205を介して、励起光としてレーザ共振器206に入射される。
そして、第2集光光学系205を介した光の進行方向(Z軸方向)に関して、レーザ共振器206における第2集光光学系205を介した光が入射する面の位置が、該光のビームウエスト位置よりも下流側(+Z側)にあるように設定されている。
この場合は、レーザ装置200は、従来よりも1パルスあたりのエネルギーを高くすることができる。
ところで、発振効率が考慮される場合は、レーザ共振器206の第1の面は、レイリー長の範囲内に置くことが好ましい。レーザ共振器206の第1の面が、レイリー長の範囲から外れた位置にあると、励起光の集光角及び発散角(図6参照)がレイリー長の範囲内に比べて大きくなり、レーザ共振器内における発振に寄与しない領域が増加することがある(図9(A)及び図9(B)参照)。
また、光ファイバ204から射出される光のM値は、1500以下である。仮に、光ファイバ204から射出される光のM値が、1500よりも大きいと、第2集光光学系及びレーザ共振器が同じであっても、レーザ共振器206に入射する光の発散角が大きくなる。この場合、レイリー長が短くなり、ビームウェスト位置とレーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーが飽和する位置との間の距離が短くなる。
また、第2集光光学系205は、倍率が0.7以上である。仮に、第2集光光学系205の倍率が0.7よりも小さいと、レーザ共振器206に入射する光の発散角が大きくなる。この場合、レイリー長が短くなり、ビームウェスト位置とレーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーが飽和する位置との間の距離が短くなる。
そして、点火装置301は、レーザ装置200を備えているため、安定した点火を行うことができる。
また、エンジン300は、点火装置301を備えているため、結果として、安定性を向上させることができる。
なお、上記実施形態において、第1集光光学系203及び射出光学系210は、いずれも単一の光学素子からなっていても良いし、複数の光学素子からなっていても良い。
また、レーザ装置200は、レーザアニール装置やレーザ加工機に用いることができる。
《レーザアニール装置》
一例として図10(A)及び図10(B)に、上述したレーザ装置200を有するレーザアニール装置1000の概略構成が示されている。このレーザアニール装置1000は、光源1010、光学系1020、テーブル装置1030、及び不図示の制御装置などを備えている。
光源1010は、レーザ装置200を有し、レーザ光を射出することができる。光学系1020は、光源1010から射出されたレーザ光を対象物Pの表面に導光する。テーブル装置1030は、対象物Pが載置されるテーブルを有している。該テーブルは、少なくともY軸方向に沿って移動することができる。
例えば、対象物Pがアモルファスシリコン(a−Si)の場合、レーザ光が照射されると、アモルファスシリコン(a−Si)は、温度が上昇し、その後、徐々に冷却されることによって結晶化し、ポリシリコン(p−Si)になる。
そして、レーザアニール装置1000は、光源1010がレーザ装置200を有しているため、処理効率を向上させることができる。
《レーザ加工機》
一例として図11に、上述したレーザ装置200を有するレーザ加工機3000の概略構成が示されている。このレーザ加工機3000は、光源3010、光学系3100、対象物Pが載置されるテーブル3150、テーブル駆動装置3160、操作パネル3180及び制御装置3200などを備えている。
光源3010は、レーザ装置200を有し、制御装置3200の指示に基づいてレーザ光を射出する。光学系3100は、光源3010から射出されたレーザ光を対象物Pの表面近傍で集光させる。テーブル駆動装置3160は、制御装置3200の指示に基づいて、テーブル3150をX軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向に移動させる。
操作パネル3180は、作業者が各種設定を行うための複数のキー、及び各種情報を表示するための表示器を有している。制御装置3200は、操作パネル3180からの各種設定情報に基づいて、光源3010及びテーブル駆動装置3160を制御する。
そして、レーザ加工機3000は、光源3010がレーザ装置200を有しているため、加工(例えば、切断や溶接)の処理効率を向上させることができる。
なお、レーザ加工機3000は、複数の光源3010を有しても良い。
また、レーザ装置200は、レーザアニール装置及びレーザ加工機以外のレーザ光を利用する装置にも好適である。例えば、レーザ装置200を表示装置の光源に用いても良い。
200…レーザ装置、201…面発光レーザアレイ、203…第1集光光学系(光学系の一部)、204…光ファイバ(光学系の一部、伝送部材)、205…第2集光光学系(光学系の一部、レンズ系)、205a…第1レンズ、205b…第2レンズ、206…レーザ共振器、206a…レーザ媒質、206b…可飽和吸収体、210…射出光学系(レーザ装置からの光を集光する光学系)、212…保護部材、220…駆動装置、222…エンジン制御装置、300…エンジン(内燃機関)、301…点火装置、302…燃料噴出機構、303…排気機構、304…燃焼室、305…ピストン、1000…レーザアニール装置、1010…光源、1020…光学系、1030…テーブル装置、3000…レーザ加工機、3010…光源、3100…光学系、3150…テーブル、3160…テーブル駆動装置、3180…操作パネル、3200…制御装置、P…対象物。
特表2013−545280号公報 特開2014−192166号公報

Claims (14)

  1. 光源装置と、
    前記光源装置からの光を集光する光学系と、
    前記光学系を介した光が照射され、レーザ光を射出するレーザ共振器とを備え、
    前記光学系を介した光の進行方向に関して、前記レーザ共振器における前記光学系を介した光が入射する面の位置が、該光のビームウエスト位置よりも下流側にあるレーザ装置。
  2. 前記レーザ共振器における前記光学系を介した光が入射する面の位置は、該光のレイリー長の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
  3. 前記光学系は、前記光源装置からの光を伝送する光伝送部材と、該光伝送部材を介した光を集光するレンズ系とを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ装置。
  4. 前記光伝送部材は、光ファイバであることを特徴とする請求項3に記載のレーザ装置。
  5. 前記光学系は、前記光源装置と前記伝送部材との間の光路上に配置された少なくとも1つの光学素子を含むことを特徴とする請求項3又は4に記載のレーザ装置。
  6. 前記光学系を介した光のM値は、1500以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  7. 前記光学系は、倍率が0.7倍以上であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  8. 前記レーザ共振器は、Qスイッチレーザであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  9. 前記レーザ共振器は、レーザ媒質及び可飽和吸収体を含むことを特徴とする請求項8に記載のレーザ装置。
  10. 前記レーザ媒質はNdがドープされたYAG結晶であり、前記可飽和吸収体はCrがドープされたYAG結晶であることを特徴とする請求項9に記載のレーザ装置。
  11. 前記レーザ共振器は、コンポジット結晶であることを特徴とする請求項9又は10に記載のレーザ装置。
  12. 前記レーザ共振器は、セラミックスであることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  13. 請求項1〜12のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
    前記レーザ装置からの光を集光する光学系とを備える点火装置。
  14. 燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関において、
    前記燃料に点火するための請求項13に記載の点火装置を備える内燃機関。
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