JP2018074105A - Laser device, ignition device and internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a laser device, an ignition device, and an internal combustion engine, and more particularly to a laser device having a laser resonator, an ignition device having the laser device, and an internal combustion engine including the ignition device.
光励起によって発振するレーザ共振器を有するレーザ装置は、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。 A laser device having a laser resonator that oscillates by optical excitation is expected to be applied to various fields such as an ignition device, a laser processing machine, and a medical device.
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。
For example,
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。
Further,
しかしながら、従来のレーザ装置では、レーザ共振器が所定時間内に発振するパルス数(以下では、「発振パルス数」と略述する)を増加させるには、光源の光出力を増大させる必要があった。 However, in the conventional laser apparatus, in order to increase the number of pulses that the laser resonator oscillates within a predetermined time (hereinafter abbreviated as “the number of oscillation pulses”), it is necessary to increase the light output of the light source. It was.
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、前記光学系からの光によって励起されるレーザ共振器とを備え、前記光学系からの光のビームウエスト位置が、該光の進行方向に関して、前記レーザ共振器の入射端面の位置と一致するか、あるいは、前記レーザ共振器内に含まれる位置であるレーザ装置である。 The present invention includes a light source device, an optical system that condenses light from the light source device, and a laser resonator that is excited by light from the optical system, and a beam waist position of light from the optical system is In the laser device, the light traveling direction coincides with the position of the incident end face of the laser resonator or is included in the laser resonator.
本発明のレーザ装置によれば、光源装置の光出力を増大させることなく、発振パルス数を増加させることができる。 According to the laser device of the present invention, the number of oscillation pulses can be increased without increasing the light output of the light source device.
「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。
"Overview"
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a main part of an
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。
The
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)。
The operation of
(1) The
(2) The
(3) The
(4) Combustion gas is generated and the
(5) The
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。
Thus, a series of processes consisting of intake, compression, ignition, combustion, and exhaust are repeated. Then, the
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。
As shown in FIG. 2 as an example, the
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。
The emission
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。
The
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。
The
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。
The surface emitting
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。 The surface-emitting laser array is a light source that is advantageous for exciting a Q-switched laser whose characteristics change greatly due to a shift in excitation wavelength because the wavelength shift of emitted light due to temperature is very small. Therefore, when a surface emitting laser array is used as an excitation light source, there is an advantage that environmental temperature control can be simplified.
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。
The first condensing
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。
The
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。
By providing the
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。
The light incident on the
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。
The second condensing
レーザ共振器206は、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。
The
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。
The
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。 Here, the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are joined to form a so-called composite crystal. Both the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are ceramics.
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。
The light from the second condensing
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)。
The surface on the incident side (−Z side) of the
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。
The first surface and the second surface are coated with a dielectric film corresponding to the wavelength of light emitted from the surface emitting
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。 Specifically, the first surface is coated with a high transmittance for light having a wavelength of 808 nm and a high reflectance for light having a wavelength of 1064 nm. The second surface is coated with a reflectance of about 50% for light having a wavelength of 1064 nm.
これにより、レーザ共振器206内で光が共振し増幅される。
As a result, the light resonates and is amplified in the
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。
Returning to FIG. 2, the driving
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。
In the above embodiment, when it is not necessary to place the surface emitting
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。 Here, the case of an engine (piston engine) in which a piston is moved by combustion gas as an internal combustion engine has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a rotary engine, a gas turbine engine, or a jet engine may be used. In short, what is necessary is just to burn the fuel and generate the combustion gas.
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。
In addition, the
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。
Although the case where the
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。
Although the case where the
「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。
"Details"
The adjustment of the condensing position of the light emitted from the
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。ここでは、第1集光光学系203における光学素子の構成については限定されない。要するに、面発光レーザアレイ201から射出される光が、光ファイバ204の−Z側端面の中心部に集光されれば良い。
The first condensing
本実施形態では、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。
In the present embodiment, by using the
そこで、レーザ装置200を内燃機関の点火装置に使用する場合、該内燃機関の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。
Therefore, when the
第2集光光学系205は、ここでは、一例として図4に示されるように、第1レンズ205aと第2レンズ205bとから構成されている。
Here, as shown in FIG. 4 as an example, the second condensing
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。
The
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(図5参照)。
The
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。また、第2集光光学系205は、1つの光学素子から構成されていても良い。この場合、該1つの光学素子は集光レンズである。
The second condensing
レーザ共振器206は、本実施形態では、Nd:YAG結晶及びCr:YAG結晶が、いずれもセラミックスであるため、単結晶に比べて生産コストが低く、安価である。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。
In the present embodiment, since the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are both ceramics, the
第2レンズ205bで集光された光は、レーザ媒質206aに入射される。すなわち、第2レンズ205bで集光された光によってレーザ媒質206aが励起される。なお、以下では、レーザ媒質206aに入射される光を「励起光」ともいう(図5参照)。
The light condensed by the
ところで、半導体レーザとして、端面発光レーザが広く知られている。しかしながら、この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に使用する場合、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、点火装置の大型化や高コスト化を招く。 By the way, an edge emitting laser is widely known as a semiconductor laser. However, the light emitted from the edge emitting laser has a large variation in wavelength with respect to temperature. Therefore, in an ignition device that is assumed to be used in a high temperature environment, when an edge emitting laser is used as an excitation light source, a precise temperature control mechanism is required to keep the temperature of the edge emitting laser constant. This increases the size and cost of the device.
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に使用する点火装置では、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。 On the other hand, the light emitted from the surface emitting laser array has a wavelength variation with respect to temperature of about 1/10 that of the edge emitting laser. Therefore, an ignition device that uses a surface emitting laser array as an excitation light source does not require a precise temperature control mechanism. Therefore, a small and low-cost ignition device can be realized.
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。 In addition, since the surface emitting laser array has a light emitting region inside the semiconductor, there is no fear of end face destruction, and the reliability of the ignition device can be improved.
ところで、内燃機関での着火過程において、所定時間内に複数パルスのレーザ光を燃焼室に照射することができると、単パルスのレーザ光を燃焼室に照射する場合に比べて、燃焼速度の向上や燃焼安定性の向上などの効果が見込まれる。そこで、点火装置は、所定時間内に複数パルスのレーザ光を射出することができるレーザ装置を有することが好ましい。 By the way, in the ignition process in the internal combustion engine, if a plurality of pulses of laser light can be irradiated to the combustion chamber within a predetermined time, the combustion speed is improved as compared with the case of irradiating the combustion chamber with a single pulse of laser light. And improvements in combustion stability are expected. Therefore, the ignition device preferably has a laser device that can emit a plurality of pulses of laser light within a predetermined time.
本実施形態のレーザ共振器のようなQスイッチレーザでは、レーザ共振器のレーザ媒質に励起光を一定量吸収させると、パルス光を発振する。そこで、複数発のパルス光を発振させるには、励起光を効率的にレーザ共振器に吸収させる必要がある。 In a Q-switched laser such as the laser resonator of this embodiment, pulse light is oscillated when a certain amount of excitation light is absorbed by the laser medium of the laser resonator. Therefore, in order to oscillate a plurality of pulse lights, it is necessary to efficiently absorb the excitation light in the laser resonator.
レーザ媒質における励起光の吸収は、「発振に寄与する吸収」と「発振に寄与しない吸収」とに分けることができる。なお、以下では、レーザ媒質において、発振に寄与する吸収が行われる領域を「発振領域」ともいい、発振に寄与しない吸収が行われる領域を「発振に寄与しない領域」ともいう。 The absorption of the excitation light in the laser medium can be divided into “absorption that contributes to oscillation” and “absorption that does not contribute to oscillation”. Hereinafter, in the laser medium, a region where absorption that contributes to oscillation is performed is also referred to as an “oscillation region”, and a region where absorption that does not contribute to oscillation is performed is also referred to as a “region that does not contribute to oscillation”.
励起光が理想的な平行光であれば、発振領域は平行光のビーム径と等しく、発振に寄与しない領域は存在しない。しかしながら、実際の励起光は、収束、発散が含まれるビームプロファイルを有する(図5参照)ことから、発振に寄与しない領域が必ず存在する。そして、発振に寄与しない領域で吸収された励起光は、熱に変換され、パルス光の発振を妨げる要因の一つになる。 If the excitation light is ideal parallel light, the oscillation region is equal to the beam diameter of the parallel light, and there is no region that does not contribute to oscillation. However, since the actual excitation light has a beam profile including convergence and divergence (see FIG. 5), there is always a region that does not contribute to oscillation. And the excitation light absorbed in the area | region which does not contribute to an oscillation is converted into a heat | fever, and becomes one of the factors which interrupt the oscillation of pulsed light.
そこで、先ず、励起光のビームウエスト位置とレーザ共振器との位置関係について考える。 First, consider the positional relationship between the beam waist position of the excitation light and the laser resonator.
図6(A)には、第1の位置関係として、レーザ共振器206が励起光のビームウエスト位置よりも−Z側に位置する場合が示されている。図6(B)には、第2の位置関係として、レーザ共振器206内にビームウエスト位置が含まれる場合が示されている。図6(C)には、第3の位置関係として、レーザ共振器206が励起光のビームウエスト位置よりも+Z側に位置する場合が示されている。
FIG. 6A shows a case where the
図7には、第1の位置関係における、発振領域と発振に寄与しない領域とが示されている。図8には、第2の位置関係における、発振領域と発振に寄与しない領域とが示されている。図9には、第3の位置関係における、発振領域と発振に寄与しない領域とが示されている。 FIG. 7 shows an oscillation region and a region that does not contribute to oscillation in the first positional relationship. FIG. 8 shows an oscillation region and a region that does not contribute to oscillation in the second positional relationship. FIG. 9 shows an oscillation region and a region that does not contribute to oscillation in the third positional relationship.
図10は、図7と図8と図9とを重ね合わせた図である。第2の位置関係の場合は、第1の位置関係及び第3の位置関係の場合よりも発振に寄与しない領域が少ない。そして、第2の位置関係において、Z軸方向に関して、レーザ共振器の中心とビームウエスト位置とが一致するときに、発振に寄与しない領域が最も少なくなる。 FIG. 10 is a diagram in which FIGS. 7, 8, and 9 are superimposed. In the case of the second positional relationship, fewer regions do not contribute to oscillation than in the case of the first positional relationship and the third positional relationship. In the second positional relationship, when the center of the laser resonator coincides with the beam waist position in the Z-axis direction, the region that does not contribute to oscillation is minimized.
以下では、便宜上、各光学素子において、光が入射する側の光学面を「入射端面」ともいい、光が射出される側の光学面を「射出端面」ともいう。 Hereinafter, for the sake of convenience, in each optical element, the optical surface on the light incident side is also referred to as “incident end surface”, and the optical surface on which light is emitted is also referred to as “exit end surface”.
一般的に、励起用光源からの光は、レンズなどの集光手段によってレーザ共振器に集光される。そこで、ビームウエスト位置をレーザ共振器内に含むということは、レーザ共振器の入射端面と、集光手段に含まれるレーザ共振器に最も近い光学素子の射出端面との距離が、集光手段に含まれるレーザ共振器に最も近い光学素子の焦点距離よりも短いことを意味する。 In general, light from an excitation light source is condensed on a laser resonator by a condensing unit such as a lens. Therefore, including the beam waist position in the laser resonator means that the distance between the incident end face of the laser resonator and the exit end face of the optical element closest to the laser resonator included in the condensing means is in the condensing means. It means that it is shorter than the focal length of the optical element closest to the included laser resonator.
ここでは、図11に示されるように、第2レンズ205bの焦点距離をf、第2レンズ205bの射出端面とレーザ共振器206の入射端面とのZ軸方向に関する距離をDとすると、f>Dの関係が満たされることを意味する。この関係は、第2集光光学系205の前段に光ファイバなどの光伝送部材があってもなくても同じである。
Here, as shown in FIG. 11, if the focal length of the
なお、一例として図12に示されるように、レーザ共振器206の入射端面の大きさが、励起光のビーム径よりも小さいと、励起光の一部がレーザ共振器206の側面で反射されるため、光の損失が生じる。そこで、レーザ共振器206の入射端面の大きさは、入射端面における励起光のビーム径よりも大きいことが好ましい。
As an example, as shown in FIG. 12, when the size of the incident end face of the
本実施形態では、f>Dの関係が満たされ、且つレーザ共振器206の入射端面の大きさが、該入射端面における励起光のビーム径よりも大きくなるように設定されている。
In the present embodiment, the relationship of f> D is satisfied, and the size of the incident end face of the
ところで、一例として図13に示されるように、空気の屈折率とレーザ媒質の屈折率との差に起因して、レーザ共振器内での励起光の収束角及び発散角は空気中に比べて小さくなる。 By the way, as shown in FIG. 13 as an example, due to the difference between the refractive index of air and the refractive index of the laser medium, the convergence angle and divergence angle of the excitation light in the laser resonator are compared with those in the air. Get smaller.
そこで、一例として図14に示されるように、Z軸方向に関して、レーザ共振器206の入射端面がレイリー長の範囲内に位置するようにレーザ共振器206を配置することがさらに好ましい。なお、レイリー長とは、励起光のビーム径がビームウエスト径の√2倍の大きさになる位置までの距離である。この場合は、レーザ共振器内での励起光が平行光に近くなり、発振に寄与しない領域をさらに少なくすることができる。
Therefore, as shown in FIG. 14 as an example, it is more preferable to dispose the
なお、レイリー長の範囲内では、励起光はビームウエスト位置を中心に発振方向(ここでは、Z軸方向)に関して対称に広がるため、ビームウエウスト位置を含まずレイリー長の範囲内にレーザ共振器を設置することも考えられるが、この場合は、発振に寄与しない領域が増加する。 Note that, within the Rayleigh length range, the excitation light spreads symmetrically with respect to the oscillation direction (here, the Z-axis direction) around the beam waist position, so the laser resonator does not include the beam waist position within the Rayleigh length range. However, in this case, the area not contributing to oscillation increases.
本実施形態では、Z軸方向に関して、レーザ共振器内にビームウエスト位置を含み、且つ、レイリー長の範囲内にレーザ共振器の入射端面が位置するように、レーザ共振器を設置している。 In the present embodiment, with respect to the Z-axis direction, the laser resonator is installed so that the beam waist position is included in the laser resonator and the incident end face of the laser resonator is positioned within the Rayleigh length range.
レーザ共振器に入射した励起光は、光強度を減少させながらレーザ共振器内を伝播する。レーザ共振器に入射する励起光の光強度をIとすると、レーザ共振器内での励起光の光強度I’は、次の(1)式で示される。ここで、αはレーザ媒質の吸収係数である。また、dは、Z軸方向に関するレーザ共振器内での入射端面からの距離である。
I’=I×exp(−αd) ……(1)
The excitation light incident on the laser resonator propagates through the laser resonator while reducing the light intensity. Assuming that the light intensity of the excitation light incident on the laser resonator is I, the light intensity I ′ of the excitation light in the laser resonator is expressed by the following equation (1). Here, α is an absorption coefficient of the laser medium. D is a distance from the incident end face in the laser resonator in the Z-axis direction.
I ′ = I × exp (−αd) (1)
そして、レーザ媒質に吸収される励起光の吸収量Iαは、レーザ媒質の長さをLとすると、次の(2)式で示される
Iα=I×[1−exp(−αL)] ……(2)
The absorption amount I α of the excitation light absorbed by the laser medium is expressed by the following equation (2): I α = I × [1-exp (−αL)] where L is the length of the laser medium. (2)
図15には、一例として、Z軸方向に関する長さが5mm、吸収係数が6/cmのレーザ媒質について、「レーザ共振器に入射した後の励起光の透過率」と「Z軸方向に関するレーザ共振器内での入射端面からの距離」との関係が示されている。 In FIG. 15, as an example, for a laser medium having a length in the Z-axis direction of 5 mm and an absorption coefficient of 6 / cm, “transmittance of excitation light after entering the laser resonator” and “laser in the Z-axis direction”. The relationship with the “distance from the incident end face in the resonator” is shown.
ここで、レーザ媒質における入射端面側での励起光の吸収量と射出端面側での励起光の吸収量を比較すると、励起光の伝播距離が同じ(図15では、1mm)であっても吸収量(図中の斜線部分の面積)は、入射端面側のほうが多い。 Here, when the absorption amount of the excitation light on the incident end face side and the absorption amount of the excitation light on the emission end face side in the laser medium are compared, even if the propagation distance of the excitation light is the same (1 mm in FIG. 15), the absorption is performed. The amount (area of the hatched portion in the figure) is larger on the incident end face side.
さらに、実際の励起光は、レーザ共振器内での位置によってビーム径が異なっていることから、レーザ共振器内での位置によってパワー密度(=光強度÷励起光の面積)も異なっている。 Further, since the actual pumping light has a beam diameter that varies depending on the position in the laser resonator, the power density (= light intensity / area of the pumping light) also varies depending on the position in the laser resonator.
パワー密度は、ビームウエスト位置でピークとなり、ビームウエウスト位置から離れるにつれて減少する。そこで、レーザ媒質の入射端面側にビームウエスト位置があるように設定することで、より多くの光を吸収させることが可能である。 The power density peaks at the beam waist position and decreases as the distance from the beam waist position increases. Therefore, by setting the beam waist position on the incident end face side of the laser medium, more light can be absorbed.
図16には、本実施形態における、「ビームウエスト位置を0としたときのレーザ共振器の入射端面の位置」と発振パルス数との関係が示されている。ここでは、光ファイバ204は、コア径=φ1.5mm、NA=0.39(M2=1200)の光ファイバである。また、第1レンズ205a及び第2レンズ205bの焦点距離は3mmである。また、レーザ媒質206aのZ軸方向に関する長さは5mmである。また、励起時間は500μs、繰り返し周波数は20Hz、励起光のピークパワーは200Wである。
FIG. 16 shows a relationship between “the position of the incident end face of the laser resonator when the beam waist position is 0” and the number of oscillation pulses in the present embodiment. Here, the
なお、図16では、「ビームウエスト位置を0としたときのレーザ共振器の入射端面の位置」は、レーザ共振器の入射端面がビームウエスト位置の−Z側にあるときをマイナスとしている。そこで、図16における横軸がマイナスのところは、ビームウエスト位置がレーザ共振器内に含まれていることを意味している。 In FIG. 16, “the position of the incident end face of the laser resonator when the beam waist position is 0” is negative when the incident end face of the laser resonator is on the −Z side of the beam waist position. Therefore, a negative position on the horizontal axis in FIG. 16 means that the beam waist position is included in the laser resonator.
図16からわかるように、横軸が−2.0[mm]から−1.8[mm]のときは、発振パルス数が2であり、横軸が−1.7[mm]から−1.4[mm]のときは、発振パルス数が3である。そして、横軸が−1.3[mm]から−1.0[mm]のときは、発振パルス数が4であり、横軸が−0.9[mm]から−0.5[mm]のときは、発振パルス数が5である。そして、横軸が−0.4[mm]から0.0[mm]のときは、発振パルス数が6である。 As can be seen from FIG. 16, when the horizontal axis is −2.0 [mm] to −1.8 [mm], the number of oscillation pulses is 2, and the horizontal axis is −1.7 [mm] to −1. When it is 4 mm, the number of oscillation pulses is 3. When the horizontal axis is -1.3 [mm] to -1.0 [mm], the number of oscillation pulses is 4, and the horizontal axis is -0.9 [mm] to -0.5 [mm]. In this case, the number of oscillation pulses is 5. When the horizontal axis is −0.4 [mm] to 0.0 [mm], the number of oscillation pulses is 6.
また、横軸が0.1[mm]から0.3[mm]のときは、発振パルス数が5であり、横軸が0.4[mm]から0.5[mm]のときは、発振パルス数が4である。そして、横軸が0.6[mm]から0.7[mm]のときは、発振パルス数が3であり、横軸が0.8[mm]から0.9[mm]のときは、発振パルス数が2である。そして、横軸が1.0[mm]から1.1[mm]のときは、発振パルス数が1である。 When the horizontal axis is 0.1 [mm] to 0.3 [mm], the number of oscillation pulses is 5, and when the horizontal axis is 0.4 [mm] to 0.5 [mm] The number of oscillation pulses is 4. When the horizontal axis is 0.6 [mm] to 0.7 [mm], the number of oscillation pulses is 3, and when the horizontal axis is 0.8 [mm] to 0.9 [mm] The number of oscillation pulses is 2. When the horizontal axis is 1.0 [mm] to 1.1 [mm], the number of oscillation pulses is 1.
そこで、本実施形態では、Z軸方向に関して、レーザ共振器内にビームウエスト位置を含み、レーザ共振器の入射端面とビームウエスト位置との距離が0[mm]〜0.4[mm]の間となるように設定されている。なお、この場合は、レーザ共振器の入射端面は、レイリー長の範囲内に位置している。 Therefore, in the present embodiment, the beam waist position is included in the laser resonator with respect to the Z-axis direction, and the distance between the incident end face of the laser resonator and the beam waist position is between 0 [mm] and 0.4 [mm]. It is set to become. In this case, the incident end face of the laser resonator is located within the range of the Rayleigh length.
ところで、図16からわかるように、「ビームウエスト位置を0としたときのレーザ共振器の入射端面の位置」が、0[mm]〜−2.0[mm]の間では、レーザ共振器は複数発のパルス光を発振することができる。 By the way, as can be seen from FIG. 16, when the “position of the incident end face of the laser resonator when the beam waist position is 0” is between 0 [mm] and −2.0 [mm], the laser resonator is Multiple pulsed light can be oscillated.
ここでは、レーザ媒質206aのZ軸方向に関する長さが5mmであることから、換言すると、Z軸方向に関して、レーザ共振器の入射端面の位置を0、レーザ媒質の長さをLとすると、レーザ共振器内にビームウエスト位置を含み、励起光のビームウエスト位置が、0〜0.4Lの範囲内にあれば、レーザ共振器は複数発のパルス光を発振することができる。
Here, since the length of the
本実施形態では、ビームウエスト径が1.60mm(1/e2)、レイリー長が約3.6mm、第2レンズ205bの射出端面とレーザ共振器206の入射端面との距離Dが2mm、レーザ共振器206の入射端面の大きさが5mm角となるように設定されている。
In this embodiment, the beam waist diameter is 1.60 mm (1 / e 2 ), the Rayleigh length is about 3.6 mm, the distance D between the exit end face of the
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、面発光レーザアレイ201と第1集光光学系203とによって、本発明のレーザ装置における光源装置が構成されている。また、本実施形態に係るレーザ装置200では、第2集光光学系205によって、本発明のレーザ装置における光学系が構成され、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。
As is apparent from the above description, in the
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「レーザ装置からの光を集光する光学系」が構成されている。
In the
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などを備えている。
As described above, the
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。
The surface emitting
レーザ共振器206は、Qスイッチレーザであり、レーザ媒質206a、及び可飽和吸収体206bを有している。
The
励起光のビームウエスト位置は、該励起光の進行方向(ここでは、Z軸方向)に関して、レーザ共振器206の入射端面の位置と一致するか、あるいは、レーザ共振器206内に含まれる位置である。
The beam waist position of the excitation light coincides with the position of the incident end face of the
そして、励起光の進行方向(ここでは、Z軸方向)に関して、レーザ共振器206の入射端面の位置は、励起光のレイリー長の範囲内にある。
The position of the incident end face of the
また、励起光の進行方向(ここでは、Z軸方向)に関して、レーザ共振器206の入射端面の位置を0とし、レーザ媒質206aの長さをLとしたとき、励起光のビームウエスト位置は、0〜0.4Lの範囲内にある。
Further, when the position of the incident end face of the
さらに、レーザ共振器206の入射端面の大きさは、入射端面における励起光のビーム径よりも大きい。
Furthermore, the size of the incident end face of the
また、第2集光光学系205に含まれる光学素子のうちでレーザ共振器206に最も近い光学素子である第2レンズ205bの射出端面とレーザ共振器206の入射端面との距離は、第2レンズ205bの焦点距離よりも短い。
The distance between the exit end face of the
また、光ファイバ204から射出される光のM2値は、1500以下である。
Further, the M 2 value of light emitted from the
この場合、レーザ装置200は、レーザ共振器206における発振に寄与しない領域を小さくするとともに、レーザ媒質206aでの光の吸収量を大きくすることが可能となり、面発光レーザアレイの光出力を増大させることなく、発振パルス数を増加させることができる。すなわち、光源装置の光出力を増大させることなく、発振パルス数を増加させることができる。
In this case, the
なお、必要とされる発振パルス数が同じであれば、光源装置の光出力を低くすることが可能となり、レーザ装置の低価格化を図ることができる。 If the required number of oscillation pulses is the same, the light output of the light source device can be lowered, and the price of the laser device can be reduced.
そして、点火装置301は、レーザ装置200を備えているため、安定した点火を効率良く行うことができる。
Since the
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、効率化を図ることができる。
Further, since
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。
In the above embodiment, each of the first condensing
また、上記実施形態において、励起用光源として面発光レーザアレイが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。 Moreover, in the said embodiment, although the case where a surface emitting laser array was used as a light source for excitation was demonstrated, it is not limited to this.
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。
The
《レーザアニール装置》
一例として図17(A)及び図17(B)に、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、及び制御装置などを備えている。
<Laser annealing equipment>
As an example, FIG. 17A and FIG. 17B show a schematic configuration of a
光源1010は、前述したレーザ装置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。
The
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。 For example, in the case where the object P is amorphous silicon (a-Si), when irradiated with laser light, the amorphous silicon (a-Si) is crystallized by increasing the temperature and then gradually cooling, It becomes polysilicon (p-Si).
この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。
In this
《レーザ加工機》
一例として図18に、前述したレーザ装置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。
<Laser processing machine>
As an example, FIG. 18 shows a schematic configuration of a
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。
The
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。
The
このレーザ加工機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。
In the
なお、レーザ加工機3000は、複数の光源3010を有しても良い。
Note that the
また、前述したレーザ装置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。
Further, the
200…レーザ装置、201…面発光レーザアレイ(光源装置の一部)、203…第1集光光学系(光源装置の一部)、204…光ファイバ(伝送部材)、205…第2集光光学系(光源装置からの光を集光する光学系)、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。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記光源装置からの光を集光する光学系と、
前記光学系からの光によって励起されるレーザ共振器とを備え、
前記光学系からの光のビームウエスト位置が、該光の進行方向に関して、前記レーザ共振器の入射端面の位置と一致するか、あるいは、前記レーザ共振器内に含まれる位置であるレーザ装置。 A light source device;
An optical system for collecting light from the light source device;
A laser resonator excited by light from the optical system,
A laser device in which a beam waist position of light from the optical system coincides with a position of an incident end face of the laser resonator with respect to a traveling direction of the light, or is a position included in the laser resonator.
前記光学系からの光の進行方向に関して、前記レーザ共振器の入射端面の位置を0とし、前記レーザ媒質の長さをLとしたとき、前記光学系からの光のビームウエスト位置が、0〜0.4Lの範囲内にあることを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ装置。 The laser resonator includes a laser medium;
Regarding the traveling direction of light from the optical system, when the position of the incident end face of the laser resonator is 0 and the length of the laser medium is L, the beam waist position of the light from the optical system is 0 to 0. The laser device according to claim 1, wherein the laser device is within a range of 0.4 L.
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。 The laser device according to any one of claims 1 to 11,
And an optical system that collects light from the laser device.
前記燃料に点火するための請求項12に記載の点火装置を備える内燃機関。 In an internal combustion engine that generates combustion gas by burning fuel,
An internal combustion engine comprising the ignition device according to claim 12 for igniting the fuel.
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