JP2018152539A - 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、点火装置および内燃機関に関する。 The present invention relates to a laser device, an ignition device, and an internal combustion engine.
光励起によって発振するレーザ結晶を用いた固体レーザ装置は、レーザ点火装置、レーザ加工装置、医療用機器など様々な分野への応用が期待され、また実用化されている。その中でも特に、レーザ結晶の先端部に過飽和吸収体と呼ばれる媒質を設けたQスイッチレーザは、非常に尖頭値の高いレーザ出力を有することから、レーザ点火といった高い空間的エネルギー密度を必要とする応用に関して非常に有望である。 A solid-state laser device using a laser crystal that oscillates by photoexcitation is expected to be applied to various fields such as a laser ignition device, a laser processing device, and a medical device, and has been put into practical use. Among them, in particular, a Q-switched laser in which a medium called a saturable absorber is provided at the tip of a laser crystal has a laser output with a very high peak value, and thus requires a high spatial energy density such as laser ignition. Very promising for application.
レーザ結晶を励起する為の光源としては、一般的に半導体レーザが用いられる。面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は、基板に対して垂直な方向にレーザ発振を行う半導体レーザであり、温度に対する波長の安定性が非常に高く、また、2次元アレイ化による高出力化が容易、といった特徴を持っている。それらの特徴から、固体レーザの励起用光源としては面発光レーザを用いるのが望ましい。 As a light source for exciting the laser crystal, a semiconductor laser is generally used. A VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) is a semiconductor laser that oscillates in a direction perpendicular to a substrate, has a very high wavelength stability with respect to temperature, and has a high two-dimensional array. It has the feature that output is easy. From these characteristics, it is desirable to use a surface emitting laser as a light source for exciting a solid-state laser.
ところが、面発光レーザを励起用光源として用いた場合、VCSELは各発光素子の発光面積が大きいことから、励起光の品質が悪くなりやすい傾向がある。このような場合、レーザ共振器のレーザ媒質の励起効率が低下すると共に、発熱が大きくなり、発熱による特性の劣化やばらつきが起こるという課題が生ずる。 However, when a surface emitting laser is used as a light source for excitation, the VCSEL has a large light emitting area of each light emitting element, so that the quality of the excitation light tends to be deteriorated. In such a case, the pumping efficiency of the laser medium of the laser resonator decreases, and heat generation increases, causing problems that the characteristics are deteriorated or varied due to the heat generation.
そこで、従来、冷却機構を設け、レーザ共振器で発生する熱を冷却する技術が開示されている(例えば、特許文献1)。 Therefore, conventionally, a technique for providing a cooling mechanism and cooling the heat generated in the laser resonator has been disclosed (for example, Patent Document 1).
しかし、レーザ共振器を保持するための保持部材は機械精度によって加工されるため、レーザ共振器とレーザ共振器の固定部材との間の接触面積はレーザ共振器の表面積に対して小さくなり、この箇所の熱抵抗が高くなりやすい。すなわち、冷却機構を設けても冷却効果を十分に引き出すことが出来ないと言う課題が生ずる。このため、従来の技術では、所望の冷却効果を得るために設けられる冷却機構が大型で高コストになりやすい、または冷却機構を設けたとしても所望の冷却効果を得ることが出来ない、という問題がある。 However, since the holding member for holding the laser resonator is machined with mechanical accuracy, the contact area between the laser resonator and the fixing member of the laser resonator is smaller than the surface area of the laser resonator. The thermal resistance of the part tends to be high. That is, there arises a problem that even if the cooling mechanism is provided, the cooling effect cannot be sufficiently obtained. For this reason, the conventional technology has a problem that the cooling mechanism provided to obtain a desired cooling effect is large in size and is likely to be expensive, or even if a cooling mechanism is provided, the desired cooling effect cannot be obtained. There is.
そこで、特許文献2には、レーザ共振器とレーザ共振器の固定部材との間に弾性体を設ける技術が開示されている。 Therefore, Patent Document 2 discloses a technique of providing an elastic body between a laser resonator and a fixing member of the laser resonator.
しかしながら、特許文献2に開示の技術では、弾性体をレーザ共振器に対して密着性良く押圧する必要があり、これは実用上困難である。例えば、弾性体を押圧する際に弾性体に接触面に平行な方向の力が加わってしまうと、弾性体の変形が生じレーザ共振器との間に隙間が出来てしまうことが考えられる。このような変形無く密着させられたとしても、機械誤差の範囲で製作された弾性体とレーザ共振器との間には、どうしてもある程度の隙間や不均一性が生じてしまう。 However, in the technique disclosed in Patent Document 2, it is necessary to press the elastic body with good adhesion to the laser resonator, which is practically difficult. For example, if a force in a direction parallel to the contact surface is applied to the elastic body when the elastic body is pressed, the elastic body may be deformed and a gap may be formed between the elastic body and the laser resonator. Even if the contact is made without such deformation, a certain amount of gap or non-uniformity is inevitably generated between the elastic body manufactured within the range of mechanical error and the laser resonator.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ共振器で発生した熱の放熱性を改善し、特性が極めて良好かつ安定なレーザ特性を実現することができるレーザ装置、点火装置および内燃機関を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and has improved a heat dissipation property of heat generated in a laser resonator, and can realize extremely good and stable laser characteristics. An object is to provide an internal combustion engine.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、面発光レーザを備えて励起光を出射する励起用光源と、前記励起用光源から出射される励起光によりレーザ媒質を励起させてQスイッチレーザ動作を行うレーザ共振器と、前記レーザ共振器における前記励起光の光軸に対して垂直な入射側の第1の面と前記励起光の光軸に対して垂直な出射側の第2の面とを除いた側面の少なくとも一部に成膜される金属膜と、前記金属膜が成膜された前記レーザ共振器を押圧して固定する固定部材と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention includes an excitation light source that includes a surface emitting laser and emits excitation light, and an excitation medium that is excited by the excitation light emitted from the excitation light source. A laser resonator performing Q-switched laser operation, a first surface on the incident side perpendicular to the optical axis of the excitation light in the laser resonator, and an emission side perpendicular to the optical axis of the excitation light A metal film formed on at least a part of the side surface excluding the second surface; and a fixing member that presses and fixes the laser resonator on which the metal film is formed. To do.
本発明によれば、レーザ共振器で発生した熱の放熱性を改善し、特性が極めて良好かつ安定なレーザ特性を実現することができる、という効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to improve the heat dissipation of the heat generated in the laser resonator, and to realize extremely good and stable laser characteristics.
以下に添付図面を参照して、レーザ装置、点火装置および内燃機関の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a laser device, an ignition device, and an internal combustion engine will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、実施の形態にかかるエンジン300の概略構成を示す図である。図1に示すように、内燃機関であるエンジン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。
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an
ここで、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内にレーザ光を出射する。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)。
Here, the operation of the
(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220(図2参照)の指示に基づいて、上記動作を行う。
The
次に、点火装置301について説明する。
Next, the
ここで、図2は点火装置301の構成を概略的に示す模式図である。図2に示すように、点火装置301は、レーザ装置100、駆動装置200、出射光学系210及び保護部材212などを有している。
Here, FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the
レーザ装置100は、面発光レーザ光源101と、光ファイバー102と、励起光学系112と、レーザ結晶保持・固定部材113と、レーザ共振器114と、を備える。面発光レーザ光源101と、光ファイバー102と、励起光学系112と、レーザ結晶保持・固定部材113と、レーザ共振器114とは、ハウジング111に収容される。
The
面発光レーザ光源101は、面発光レーザアレイ121と、集光光学系122と、を備える。なお、本実施の形態では、XYZ3次元直交座標系を用い、面発光レーザ光源101(面発光レーザアレイ121)からの光の出射方向を+Z方向として説明する。
The surface emitting
面発光レーザアレイ121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121からレーザ光を出射する際には、複数の発光部は、同時に発光される。また、面発光レーザアレイ121から出射される光の波長は、808nmである。面発光レーザアレイ121は、駆動装置200により駆動される。
The surface emitting
面発光レーザアレイ121は、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(レーザ共振器114)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121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
集光光学系122は、集光レンズであり、面発光レーザアレイ121から出射される光を集光する。
The condensing
なお、集光光学系122は、複数の光学素子から構成されていても良い。集光光学系122は、ここでは一例として、マイクロレンズアレイ及び集光レンズを有している。マイクロレンズアレイは、面発光レーザアレイ121から出射された光の光路上に配置されている。このマイクロレンズアレイは、面発光レーザアレイ121の複数の発光部に対応する複数のレンズ部を有している。そして、各レンズ部は、対応する発光部から出射された光を略平行光とする。すなわち、マイクロレンズアレイは、面発光レーザアレイ121から出射された光をコリメートする。面発光レーザアレイ121とマイクロレンズアレイとのZ軸方向に関する距離は、マイクロレンズアレイの焦点距離に応じて決定されている。集光レンズは、マイクロレンズアレイを介した光を集光する。集光レンズは、マイクロレンズアレイを介した光の断面積、光ファイバー102のコア径及びNAに応じて適切なものが選択されている。
The condensing
光ファイバー102は、励起用光源である面発光レーザ光源101とレーザ共振器114とを接続する。光ファイバー102は、集光光学系122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、光ファイバー102として、コアの直径が1.5mmの光ファイバーを用いている。このようにコアの直径が1.0mm以上かつ2.0mm未満の光ファイバー102を用いることで、集光スポット径の大きくなりやすい面発光レーザ光源101においても、効率よく励起光を伝送することができる。すなわち、より高効率なレーザ装置100を提供することができる。
The
また、光ファイバー102を設けることによって、面発光レーザ光源101をレーザ共振器114から離れた位置に置くことができるので、面発光レーザ光源101を、レーザ共振器114で発生した熱の影響から分離することができる。これにより、配置設計の自由度を増大させることができ、より信頼性の高いレーザ装置100を提供できる。また、レーザ装置100を点火装置301に用いる際に、熱源から面発光レーザ光源101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。さらに振動源であるエンジン300から面発光レーザ光源101を遠ざけることができるため、面発光レーザ光源101の信頼性を高めることが可能である。
Further, by providing the
光ファイバー102に入射した光はコア内を伝播し、コアの+Z側端面から出射される。励起光学系112は、光ファイバー102から出射された光の光路上に配置され、該光を集光する。なお、励起光学系112として、複数の光学素子を用いる場合もある。励起光学系112で集光された光は、レーザ共振器114に入射する。
The light incident on the
なお、本実施の形態では、光ファイバー102を用いて面発光レーザ光源101から出射される励起光をレーザ共振器114へと伝送する形態を示したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ共振器114の直前に面発光レーザアレイ121を設け、面発光レーザアレイ121より出射されたレーザ光でレーザ共振器114を直接励起する方式を用いても構わない。
In the present embodiment, the form in which the excitation light emitted from the surface emitting
ここでは、励起光学系112は、第1レンズ112a、第2レンズ112bを有している。なお、励起光学系112は、3つ以上のレンズを有していても良い。第1レンズ112aは、コリメートレンズであり、光ファイバー102から出射された光を略平行光とする。第2レンズ112bは、集光レンズであり、第1レンズ112aによって略平行光とされた光を集光する。
Here, the excitation
レーザ共振器114は、Qスイッチレーザである。Qスイッチレーザは、予め励起用光源からの光を照射することで反転分布を増加させ、Qスイッチ素子を解除することによりエネルギーを取り出すものであり、高いピークエネルギーを得ることができるという特徴がある。そのような特徴から、Qスイッチレーザは、内燃機関における燃焼室内の可燃性混合気の点火装置に応用されている。
The
レーザ共振器114は、レーザ媒質114a、及び可飽和吸収体114bを有している。レーザ媒質114aは、Nd:YAGセラミック結晶であり、Ndが1.1%ドープされている。可飽和吸収体114bは、Cr:YAGセラミック結晶であり、初期透過率が約50%のものである。
The
なお、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。そして、レーザ共振器114は、レーザ媒質114aと可飽和吸収体114bとが接合されている、いわゆるコンポジット結晶である。
Here, the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are both ceramics. The
励起光学系112からの光は、レーザ媒質114aに入射される。すなわち、励起光学系112からの光によってレーザ媒質114aが励起される。なお、面発光レーザアレイ121から出射される光の波長(ここでは、808nm)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114bは、Qスイッチレーザ動作を行う。
The light from the excitation
レーザ媒質114aの入射側(−Z側)の面、及び可飽和吸収体114bの出射側(+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114aの入射側の光軸に対して垂直な面を「第1の面」ともいい、可飽和吸収体114bの出射側の光軸に対して垂直な面を「第2の面」ともいう。
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121から出射される光の波長(ここでは808nm)、及びレーザ共振器114から出射される光の波長(ここでは1064nm)に応じた誘電体多層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114内で光が共振し増幅される。
The first surface and the second surface have a wavelength of light emitted from the surface emitting laser array 121 (here, 808 nm) and a wavelength of light emitted from the laser resonator 114 (here, 1064 nm). A corresponding dielectric multilayer film is coated. 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. Thereby, the light resonates and is amplified in the
ここで、図3(a)はレーザ共振器114の構成を概略的に示す斜視図、(b)は正面図である。図3に示すように、レーザ共振器114の第1の面および第2の面を除いた側面には、金属膜115が成膜されている。すなわち、レーザ結晶保持・固定部材113と接触する面の全ての領域に、金属膜115が成膜されている。ここでは、金属膜115は、メタライズ法により厚さ50μmの銀(Ag)を成膜したものである。なお、レーザ結晶保持・固定部材113の材料は、銅(Cu)である。
3A is a perspective view schematically showing the configuration of the
なお、本実施の形態においては、レーザ共振器114の第1の面および第2の面を除いた側面、すなわちレーザ結晶保持・固定部材113と接触する面の全ての領域に金属膜115を成膜するようにしたが、これに限るものではない。例えば、レーザ共振器114における第1の面と第2の面とを除いた側面の少なくとも一部に金属膜115を成膜するものであっても、レーザ共振器114で発生した熱の放熱性を改善することが可能である。
In the present embodiment, the
図3に示すように、金属膜115が成膜されたレーザ共振器114は、レーザ結晶保持・固定部材113に密着性良く押圧されて固定され、レーザ装置100内の所定の位置に保持される。
As shown in FIG. 3, the
金属膜115の材料は、レーザ結晶保持・固定部材113の材料よりもヤング率(縦弾性係数)の小さい材料である。これにより、金属膜115が変形し、接触面積が大きくなりやすく、放熱効果を高めることができる。
The material of the
すなわち、レーザ装置100においては、レーザ共振器114とレーザ結晶保持・固定部材113との間に設けられた金属膜115が変形することで、レーザ共振器114とレーザ結晶保持・固定部材113との接触面積を大きくすることができる。これにより、より放熱性が高くかつ均一なレーザ装置100を提供することができる。
That is, in the
なお、本実施の形態では、レーザ共振器114に金属膜115を成膜する方法として、レーザ共振器114の側面に銀をメタライズする方式について示したが、これに限定されるものではない。例えば、金属膜115をめっきや蒸着によって形成しても良い。材料も銀に限定されず、例えばニッケルや、銀銅チタン等でも構わない。ただし、YAGセラミック結晶は高温になると変質してしまう虞がある為、レーザ共振器114の側面にメタライズを設ける方法を用いる際には、約1000℃以下で金属膜115を設けることが可能な材料を用いる事が望ましい。また、本実施の形態のように金属膜115の材料にはレーザ結晶保持・固定部材113よりもヤング率の小さい材料を用いるのが望ましいが、これに限定されるものではない。
In the present embodiment, as a method for forming the
なお、本実施の形態では、レーザ結晶保持・固定部材113が独立した部材である場合について示したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ結晶保持・固定部材113とハウジング111とが一体となっているような場合でも構わない。
In the present embodiment, the case where the laser crystal holding / fixing
ところで、図3(b)に示すように、レーザ共振器114の第1の面および第2の面の形状は、矩形である。このようにレーザ共振器114の第1の面および第2の面の形状を矩形にすることにより、レーザ共振器114およびレーザ結晶保持・固定部材113の加工を簡単にすることができる。したがって、これらの加工コストが安価になり、また加工の面精度も高く出来るため、よりレーザ共振器114とレーザ結晶保持・固定部材113との接触面積を大きくしやすくなる。つまり、より高効率で安定なレーザ装置100を、低コストで実現することができる。
By the way, as shown in FIG.3 (b), the shape of the 1st surface and 2nd surface of the
出射光学系210は、レーザ装置100(レーザ共振器114)から出射される光の光路上に配置される。出射光学系210は、例えば少なくとも1つのレンズで構成されている。この場合に、レンズの光軸方向の位置やレンズの組み合わせによって、レーザ装置100(レーザ共振器114)から出射される光の集光位置の調整を行うことができる。出射光学系210は、一例としてここでは、集光レンズが用いられている。この出射光学系210により光が集光され、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、出射光学系210から出射される光の光路上に配置された、透明もしくは半透明の部材から成る。保護部材212は、燃焼室304に臨む面に形成された開口の周囲部に該開口を覆うように取り付けられている。保護部材212の材料として、高温高圧環境下での耐久性に優れたサファイアガラスが用いられている。
The
図2に戻り、駆動装置200は、エンジン制御装置220の指示に基づいて、面発光レーザアレイ121を駆動する。すなわち、駆動装置200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から光が出射されるように、面発光レーザアレイ121を駆動する。なお、面発光レーザアレイ121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 device 200 drives the surface emitting
このように本実施の形態によれば、レーザ共振器114のレーザ結晶保持・固定部材113と接触する面の全ての領域に金属膜115を直接成膜することで、レーザ共振器114と金属膜115との間は原子レベルでの密着性を確保することができ、非常に高い熱伝導効果を提供することができる。これにより、レーザ共振器114で発生した熱の放熱性を改善し、特性が極めて良好かつ安定なレーザ特性を実現することができる。また、高効率で安定なレーザ装置100、および従来と同等の大きさ・コストで従来よりも高効率で動作が安定な内燃機関であるエンジン300、または従来と同等の特性で従来よりも小型で低コストの内燃機関であるエンジン300を提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, the
また、従来のように点火装置301にレーザ共振器114で発生する熱を冷却する冷却機構を設けた場合であっても、その冷却効果を高効率に得られるため、冷却機構を小型で低コストにすることができる。
Further, even when the cooling mechanism for cooling the heat generated by the
さらに、レーザ共振器114のレーザ結晶保持・固定部材113と接触する面の全ての領域に金属膜115を直接成膜することで、レーザ共振器114の外側へ抜けようとする励起光が側面の金属膜115によって反射され、レーザ共振器114内に戻され、励起光として利用することができる。そのため、放熱効果を高めるのと同時に、励起光の利用効率を高めることができる。すなわち、高効率で安定なレーザ装置100を、小型かつ低コストで実現することができる。
Further, by directly forming the
なお、本実施の形態においては、レーザ共振器114の第1の面および第2の面の形状を矩形としたが、これに限るものではない。ここで、図4は、レーザ共振器114の構成の変形例を概略的に示す正面図である。図4に示すように、レーザ共振器114の第1の面および第2の面の形状を円形としてもよい。この場合、光軸方向から見たとき、レーザ共振器114における発熱は同心円状に発生する。これにより、レーザ共振器114で発生した熱を効率よく放熱することができる。
In the present embodiment, the shape of the first surface and the second surface of the
なお、本実施の形態においては、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)300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。 In the present embodiment, the case of an engine (piston engine) 300 that moves a piston with 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100が点火装置301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
100 レーザ装置
101 励起用光源
102 光ファイバー
113 固定部材
114 レーザ共振器
115 金属膜
121 面発光レーザ
200 駆動装置
210 出射光学系
300 内燃機関
301 点火装置
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記励起用光源から出射される励起光によりレーザ媒質を励起させてQスイッチレーザ動作を行うレーザ共振器と、
前記レーザ共振器における前記励起光の光軸に対して垂直な入射側の第1の面と前記励起光の光軸に対して垂直な出射側の第2の面とを除いた側面の少なくとも一部に成膜される金属膜と、
前記金属膜が成膜された前記レーザ共振器を押圧して固定する固定部材と、
を備えることを特徴とするレーザ装置。 An excitation light source that emits excitation light with a surface emitting laser; and
A laser resonator that performs Q-switched laser operation by exciting a laser medium with excitation light emitted from the excitation light source;
At least one of the side surfaces of the laser resonator except for the first surface on the incident side perpendicular to the optical axis of the excitation light and the second surface on the emission side perpendicular to the optical axis of the excitation light. A metal film formed on the part,
A fixing member that presses and fixes the laser resonator on which the metal film is formed;
A laser device comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。 The shapes of the first surface and the second surface of the laser resonator are rectangular.
The laser apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。 The shapes of the first surface and the second surface of the laser resonator are circular,
The laser apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載のレーザ装置。 The metal film is formed on all sides of the side surface that is in contact with the fixing member except for the first surface and the second surface of the laser resonator.
The laser apparatus according to claim 1, wherein the laser apparatus is characterized in that
前記光ファイバーは、前記励起用光源から出射される励起光を前記レーザ共振器へと伝送する、
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載のレーザ装置。 Comprising an optical fiber connecting the excitation light source and the laser resonator;
The optical fiber transmits excitation light emitted from the excitation light source to the laser resonator.
The laser apparatus according to claim 1, wherein
ことを特徴とする請求項5に記載のレーザ装置。 The diameter of the core of the optical fiber is 1.0 mm or more and less than 2.0 mm,
The laser device according to claim 5, wherein:
ことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一項に記載のレーザ装置。 The material of the metal film is a material having a Young's modulus smaller than the material of the fixing member.
The laser apparatus according to claim 1, wherein
前記レーザ装置が備える面発光レーザを駆動する駆動装置と、
前記駆動装置の駆動により前記レーザ装置から出射される光の光路上に配置され、前記光を集光する出射光学系と、
を備えることを特徴とする点火装置。 A laser device according to any one of claims 1 to 7,
A driving device for driving a surface emitting laser included in the laser device;
An emission optical system arranged on an optical path of light emitted from the laser device by driving the drive device, and condensing the light;
An ignition device comprising:
ことを特徴とする請求項8に記載の点火装置。 A cooling mechanism for cooling the heat generated in the laser resonator;
The ignition device according to claim 8.
前記燃料に点火するための請求項8または9に記載の点火装置を備える、
ことを特徴とする内燃機関。 In an internal combustion engine that generates combustion gas by burning fuel,
The igniter according to claim 8 or 9 for igniting the fuel,
An internal combustion engine characterized by that.
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Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0537052A (en) * | 1991-07-30 | 1993-02-12 | Hoya Corp | Semiconductor laser-excited solid state laser |
JPH0697544A (en) * | 1992-09-14 | 1994-04-08 | Nippon Steel Corp | Solid laser osillator |
JPH07307507A (en) * | 1994-05-13 | 1995-11-21 | Oyo Koden Kenkiyuushitsu:Kk | Solid laser |
JPH114029A (en) * | 1997-06-12 | 1999-01-06 | Nec Corp | Excitation-type solid-state laser device |
JP2002543597A (en) * | 1999-04-23 | 2002-12-17 | コボルト・アクチエボラーグ | Optical device |
JP2006310604A (en) * | 2005-04-28 | 2006-11-09 | Nippon Soken Inc | Laser light source |
JP2010199288A (en) * | 2009-02-25 | 2010-09-09 | Hamamatsu Photonics Kk | Pulse laser apparatus |
JP2013016678A (en) * | 2011-07-05 | 2013-01-24 | Nippon Soken Inc | Fixing method of solid state laser and laser ignition device using the same |
JP2016072617A (en) * | 2014-09-30 | 2016-05-09 | 株式会社リコー | Laser apparatus, ignition apparatus and internal combustion engine |
-
2017
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Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0537052A (en) * | 1991-07-30 | 1993-02-12 | Hoya Corp | Semiconductor laser-excited solid state laser |
JPH0697544A (en) * | 1992-09-14 | 1994-04-08 | Nippon Steel Corp | Solid laser osillator |
JPH07307507A (en) * | 1994-05-13 | 1995-11-21 | Oyo Koden Kenkiyuushitsu:Kk | Solid laser |
JPH114029A (en) * | 1997-06-12 | 1999-01-06 | Nec Corp | Excitation-type solid-state laser device |
JP2002543597A (en) * | 1999-04-23 | 2002-12-17 | コボルト・アクチエボラーグ | Optical device |
JP2006310604A (en) * | 2005-04-28 | 2006-11-09 | Nippon Soken Inc | Laser light source |
JP2010199288A (en) * | 2009-02-25 | 2010-09-09 | Hamamatsu Photonics Kk | Pulse laser apparatus |
JP2013016678A (en) * | 2011-07-05 | 2013-01-24 | Nippon Soken Inc | Fixing method of solid state laser and laser ignition device using the same |
JP2016072617A (en) * | 2014-09-30 | 2016-05-09 | 株式会社リコー | Laser apparatus, ignition apparatus and internal combustion engine |
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