JP5019931B2 - 多点出力レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のレーザを増幅して複数の大容量レーザとして射出する多点出力レーザ装置に関し、特に分布形着火点を形成して効率よく作動させる新しいレーザ点火式ガスエンジンなどに利用することができる複数のレーザを射出する多点出力レーザ装置に関する。

ガスエンジンをレーザ着火方式にして、複数の着火点を適宜分布させて同時にあるいは適宜のシーケンスにしたがってレーザ点火するようにすると、機関内のガスの燃焼速度を向上させたり未燃焼ガス成分を減少させたりして、燃焼効率を大幅に向上させることができる。

特に、ガス燃焼エンジンにおいて燃費の向上とＮＯｘの抑制のため、燃料ガスを希薄にして豊富な空気の中で燃焼させる方式が検討されている。希薄混合ガスは着火性が悪く、従来のスパークプラグでは着火・燃焼が難しい。また燃焼しても、壁に熱が逃げて熱効率が悪いため、レーザを使って壁から離れた位置で多点着火を行う方法が採用される。レーザ着火装置を利用することにより、スパークプラグより容易に、燃焼室内の壁から離れた位置を多数選択して、その点に焦点を結ばせて着火させることができるようになる。

ただし、レーザ着火装置では、目的の位置に到達する前に燃料ガスに着火するのを避けるため、レーザビームのエネルギ密度を適当な値に抑えておいて、レーザを着火位置に集光すると始めて着火エネルギに達するようにする必要がある。

特許文献１には、レーザ式多点着火装置が開示されている。開示された装置では、レーザ発生源から照射されたレーザ光をエキスパンダーレンズで拡大して、集光レンズ及びコリメートレンズで所定の径を持つ平行光線に整えた後、マイクロレンズアレイを介して燃焼室内に導入する。マイクロレンズの個数に応じた複数の光束に分割されたレーザ光は、それぞれマイクロレンズの焦点距離に従い所定の深さにエネルギを集中し混合気に着火する。
しかし、開示発明のレーザ着火装置では、焦点位置が光学窓の直下に制限されるため、燃焼室内で着火点を広範囲にわたる最適な位置に分布させて真に効率の良い燃焼を行わせることができない。

実用に耐えるレーザ式多点着火装置を得るためには、燃焼室という狭い領域内で求められた最適位置に収束する複数のレーザ光を発生する多点出力レーザ装置を提供する必要がある。このレーザ光は、収束させることにより着火エネルギに達する程度のエネルギ密度を有するもので、かつ複数のビームが同等の形状や強度を持っていて同様の光学機構を用いて燃焼室内に導入し燃焼ガスに着火させることができるものであることが好ましい。

レーザ式多点着火装置に利用できる多点出力レーザ装置として、複数の半導体レーザを並置したレーザアレイや、大きな断面を持つレーザビームを生成しこのレーザビームを分割して小さなレーザビームを複数形成するようにした装置などが考えられる。

特許文献２には、複数の半導体レーザ素子を１列に配した半導体レーザ素子アレイに対して固体レーザ媒質を用いた１個の光共振器を備え、レーザ素子から射出されたレーザ光線が個々に光共振器に入射してそれぞれ独立に共振増幅して射出されるように構成された半導体レーザ装置が開示されている。

文献開示の装置では、複数のレーザ光線は光ファイバやシリンダレンズを用いて結合させて１本のレーザ光線として利用する。固体レーザ媒質に入射するレーザ光線は半導体レーザ素子から射出したばかりのものでエネルギが小さいので、固体レーザ媒質の割れ、熱歪みが発生しない。
開示装置では、固体レーザ媒質に入射するレーザ光線のエネルギが分散され、固体レーザ媒質の割れや熱歪みの発生を防止して安定したレーザ光線の射出を可能とする。

しかし、互いに離れた位置で燃料ガスに着火させる場合には、これら多点出力レーザ装置により生成される個々のレーザビームがそれぞれ希薄混合ガスの着火エネルギを供給できる程度のエネルギを担持していなければならない。
開示装置の光共振器から射出する複数のレーザ光線をそのままレーザ式多点着火装置に供給しても、光強度が不足して直ちにはガスエンジンの着火をすることはできない。

このように、レーザアレイや大断面レーザビームを多数のビームに分割した多点出力レーザ装置では、個々のレーザビームの光強度が足りない場合には、各レーザビーム毎に光強度を補う光増幅装置を備えて、ビーム毎に同等の増幅を行うことが好ましい。

特許文献３には、棒状のレーザ結晶を励起するポンピング光源として使用されるレーザダイオード装置が開示されている。ここでも、複数の半導体レーザ装置から得た多点出力レーザをポンピング光とするが、ポンピング光自体は増幅されない。
特開２００５−１４７１０９号公報 特開２００４−１１１５４２号公報 特表平０９−５０８２３８号公報

本発明が解決しようとする課題は、多点出力を有するレーザ装置の複数の出力ビームをそれぞれ光増幅して、光強度がより大きな複数のレーザビームとして射出させる多点出力レーザ装置を提供することである。

本発明の多点出力レーザ装置は、複数のレーザビームを互いに平行にかつ同心円状に出射するレーザ発生装置と、レーザ発生装置から射出された複数のレーザビームを集束する集束手段と、集束手段により集束されたレーザビームを光増幅して射出する光増幅器と、を備えて、レーザ発生装置から射出された複数のレーザビームを集束手段で集束してビーム軸が光増幅器の固体レーザ媒質内の１点を通過するように導き、各レーザビームをレーザ媒質中で光増幅し独立したレーザビームとして射出することを特徴とする。
固体レーザ媒質は媒体の外に置いた半導体レーザ装置を用いて励起することができる。

本発明の多点出力レーザ装置によれば、レーザ発生装置から出射された種となる複数のレーザビームをそれぞれ、外部から適度な強さに励起した固体レーザ媒質中で光増幅して、より大きい適当な光強度を持つほぼ均質の独立した複数のレーザビームを得ることができる。
本発明の多点出力レーザ装置は、ガスエンジンのレーザ多点着火装置などに適用することができる。

レーザ発生装置は、レーザアレイから射出される複数のレーザビームをビーム毎に増幅して供給するものであっても良い。全てのレーザビームについて同等の光学的作用を及ぼすためには、複数のレーザビームは円周上に配置された平行ビームであることが好ましい。
また、不安定共振器を用いたレーザ発生器から得られる均質な大断面出力レーザビームを分配して均等強度の複数のレーザビームとして供給する多点出力式レーザ発生装置であっても良い。

集束手段は、入射ビームの光軸が固体レーザ媒質の中心を通過するようにビームを屈折させるものであって、たとえば、円錐もしくは円錐台、あるいは多角錐あるいは多角錐台などに形成した透明体を使用することができる。透明体は光学ガラスや合成樹脂で形成することができる。
特に、集束手段に多角錐あるいは多角錐台を用いて、レーザビームが多角錐周縁のウェッジ部分を通過して屈折するようにすると、レーザビームの断面が集束手段で変形しないので、レーザビームが固体レーザ媒質を透過するときに、効率よくエネルギを吸収して光強度を増すことができる。
なお、上記集束手段は、レーザビームが入射する領域が透明体で形成されていれば足りることはいうまでもない。

さらに、集束手段と固体レーザ媒質を重ねて、多段増幅することができる。
固体レーザ媒質の段数は、レーザビームに求められる光強度と固体レーザ媒質で与えられる光増幅度から決めることができる。
多段増幅のために追加する集束手段は、初めの集束手段と同じものを２つ重ねて形成することにより、次の固体レーザ媒質にも１段目と同じ光増幅作用をさせることができる。

１段目の固体レーザ媒質から出射したレーザビームは、入射側の集束手段と同じ距離の位置に据えられた同じ集束手段により入射側の集束手段に入射したときと同様の平行ビームに変換される。
したがって、その後ろに１段目の集束手段と固体レーザ媒質の組合せと同じ構成の２段目の組合せを配置すれば、入射する平行ビームからまったく同様にさらに光増幅したレーザビームが得られることになる。

以下、図面を用いて本発明の多点出力レーザ装置を実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の１実施例に係る多点出力レーザ装置における複数レーザ増幅装置の説明をする図面、図２は集束手段と集光状態の関係を示す図面、図３は角錐台形集束手段の平面図と側面図、図４は増幅器の直列接続を説明する図面、図５は多点着火ガス燃焼エンジンに本実施例の多点出力レーザ装置を適用する場合の構成概念図である。

本実施例の多点出力レーザ装置は、レーザ発生装置１と集束手段２と光増幅器３により構成される。多点出力レーザ装置では、レーザ発生装置１で発生する複数のレーザビームが集束手段２により１点に会合するように集束され、会合点に設けられた光増幅器３により同等に光増幅されて光強度を強化した複数のレーザビームとして射出される。

レーザ発生装置１は、複数のレーザビーム６１を同心円状に射出する。レーザビーム６１は互いに平行なビームであることが好ましい。また、レーザビームはある程度の太さを持ってレンズなどにより集光することができるものが好ましい。

レーザ発生装置１には、特許文献２に開示されたような、レーザダイオードアレイから射出される複数のレーザビームをビーム毎に光共振器で増幅して供給するものを使用することができる。ただし、半導体レーザ素子は円周上に配置され、レーザビームが円周上に配置され互いに平行に放射されるようになっていることが好ましい。
また、不安定共振器を用いたレーザ発生器から得られる均質な大断面出力レーザビームを分配して均等強度の複数のレーザビームとして供給する多点出力式レーザ発生装置であっても良い。

レーザ発生装置１から射出された複数のレーザビーム６１は、集束手段２に入射し、それぞれ内側に屈折する。集束手段２は、屈折したレーザビーム６２が共に光増幅器３の中心部分を通過するように構成される。
集束手段２は、中心に高く周縁に低い傾斜を有するウェッジ形状を備えた光学ガラスなどの透明体であることが好ましい。ウェッジ部分に入射したレーザビームは、境界で屈折して中心の方向に向かう。

レーザビームが入射する部分におけるウェッジ部分の形状がそれぞれ同形であって、集束手段２と複数のレーザビーム６１が集束手段２の光軸の周りに点対称に配置されていれば、集束手段２を透過した後のレーザビーム６２の光軸は１点に集まる。
レーザビーム６２の光軸の集束点３１に光増幅器３の中心が来るように配置する。

光増幅器３は固体レーザ媒質で、外部に設けた半導体レーザ装置から励起用レーザ４を入射させてレーザ媒質を励起し、通過するレーザビーム６２に光エネルギを与えて光増幅し、高エネルギレーザビーム６３として射出させ、各種用途に利用する。

図２は、集束手段２に使用する透明体の形状と集束点におけるレーザビームの断面と光増幅器を出謝した後のレーザビーム断面の関係を説明する図表である。集束手段２として、球面レンズと円錐と角錐台を使った場合について表示している。

球面レンズを集束手段２として使用する場合は、集束手段２の光軸に垂直な断面上、径方向と軸方向の両方に収縮力が働くので、図２の上段（ａ）に示すように、複数のレーザビームは集束点付近のＡ−Ａ断面では収束した焦点として集合し、固体レーザ媒質３を通り過ぎて少し進行した辺りのＢ−Ｂ断面では再び拡散して大きくなった円形断面が円周上に配置された状態になる。
球面レンズを使うと、平行に入射したレーザビームを集束させて一緒に固体レーザ媒質を透過させることができるが、各ビームが透過する間にレーザ媒質３と交絡する面積が小さく、高い増幅効率が得られない。また、透過中のレーザビームのエネルギ密度が高くなるので、レーザ媒質３の耐光強度が高くなければならない。

円錐あるいは円錐台を集束手段２として使用する場合は、集束手段２の光軸に垂直な断面の径方向に収縮力が働くので、図２の中段（ｂ）に示すように、複数のレーザビームはＡ−Ａ断面では長楕円形になって放射状に重なった状態となり、Ｂ−Ｂ断面では再び拡幅して大きくなった長楕円断面が円周上に配置された状態になる。
レーザ媒質の利用率は球面レンズの場合より向上するが、レーザビームの重なった場所では個々のレーザビームが受け取るエネルギが小さくなるので、レーザビーム中のエネルギ分布が不均質になる。

角錐あるいは角錐台を集束手段２として使用する場合は、集束手段２は光軸を屈折させるがビーム断面に対する収縮力が働かないので、図２の下段（ｃ）に示すように、Ａ−Ａ断面では全てのレーザビームが断面を重ねた状態で通過し、Ｂ−Ｂ断面では増幅後のレーザビームが同じビーム断面を維持しながら相互に分離していく状態が分かる。
図３は、集束手段２として使用する６角錐台ウィンドーの例を示す平面図および側面図である。６角錐台の周縁にある裾部のウェッジ部分にレーザビーム６１が入射すると、レーザビームはそれぞれ光学軸に集まる方向に屈折するが、出射ビーム６２の垂直断面は変形しない。

この場合は、レーザ媒質３に入射するレーザビーム６１の断面積が縮小せずエネルギ密度が比較的小さいのでレーザ媒質３は破損しにくく、またレーザ媒質３中のレーザビーム径が大きいためレーザ媒質のエネルギ交換体積が大きいので、増幅器の利用効率も高くなる。
以上から、集束手段２には、ウェッジ部分が平面で形成される多角錐あるいは多角錐台の形状を持った透明体を利用することが好ましい。

なお、集束手段２は、レーザビーム６１が透過する部分だけが透明であればよいので、たとえば、円盤の周辺部に同心円状に透過孔を設けて、これら透過孔に透明ウェッジを仕込むことにより形成したものなどであってもよい。
また、レーザビームが透過するウェッジ面の数はレーザビームの数と同じかこれより大きければ良いことはいうまでもない。

図４は、集束手段を介して光増幅器を複数段直列接続し、多段増幅により各レーザビームのエネルギを適宜の要求水準に高めるようにした多点出力レーザ装置の構成を示す。
レーザ発生装置１から平行に射出された複数のレーザビーム６１は第１の集束手段２−１で光軸方向に屈折して集束ビーム６２となり、第１の光増幅器３−１に入射して光増幅され射出して１段増幅ビーム６３となる。

第１集束手段２−１は、多角錐台など、レーザビーム６１の入射位置に平面で形成されたウェッジ形ウィンドーを有するものであることが好ましい。
第１光増幅器３−１の下流、第１集束手段２−１と同じ距離だけ離れたところに、第１集束手段２−１と同じ構成の平行化手段５が配置されている。１段増幅ビーム６３が平行化手段５に入射するとここで屈折して元のレーザビーム６１と点対称の位置に互いに平行なレーザビームが生成される。

そこで、さらに第１集束手段２−１と第１光増幅器３−１の組合せと同じ構成の第２集束手段２−２と第２光増幅器３−２を直列配置すると、平行化手段５で平行化された１段増幅ビーム６３は、第２集束手段２−２で光軸方向に屈折して集束ビーム６４となり、第２光増幅器３−２に入射して光増幅され、１段増幅レーザビーム６３より光強度の大きい２段増幅ビーム６５となって射出される。

さらに強度の大きなレーザビームが必要であれば、平行化手段と集束手段と光増幅器の同じ構成を必要数だけ直列に接続して追加し、レーザビームの光強度を増強すればよい。
このようにして、多段増幅チェーンを必要なだけ重ねることにより、任意の強さのレーザビームを取り出すことができる。

図５により、本実施例の多点出力レーザ装置を多点着火ガス燃焼エンジンに適用する例を説明する。なお、図において上記実施例と同じ機能を有する構成には同じ参照番号を付して説明の簡約を図る。
多点出力レーザ装置は、レーザ発生装置１と集束手段２と光増幅器３からなり、適度な光強度を持った複数のレーザビーム６３を射出する。

レーザ発生装置１は半導体レーザアレイ１１から放出されるレーザ光をそれぞれ光共振器１２で増幅して元のレーザビーム６１として射出する。
集束手段２は複数のレーザビーム６１をその断面形状を保持したままそれぞれ屈折させて光増幅器３の中心位置に集束する。光増幅器３の固体レーザ媒質は媒体の外に設けられた半導体レーザ装置４により励起され、媒体中を透過するレーザビーム６２にエネルギを与えて光増幅する。

光増幅器３から射出する増幅ビーム６３は、希薄燃料を使用するガス燃焼エンジン９のエンジンヘッドの周りに設けられた反射鏡７により偏向して集光レンズ８を通り、シリンダ壁に設けられた透明窓を通して燃焼室９１内に集光する収束ビーム６６となる。
燃焼室９１に入射した収束ビーム６６は、集光レンズ８によってそれぞれ収束するビームとなっているが、焦点から十分離れている間はエネルギ密度が不足するので希薄ガスに着火しない。焦点付近など、ビームの集光によりエネルギ密度が増大し所定の値に達すると、燃料ガスに着火して爆発が起こる。

燃焼室９１には、複数のレーザビーム６６が入射し、それぞれ決められた位置に集光してガスに着火するようになっている。
上記構成により、壁から離れた複数の着火位置を適当に配置して、希薄混合ガスを効率よく燃焼させて、ガス燃焼エンジンにおける燃費の向上とＮＯｘの抑制を図ることができる。

本発明の第１実施例に係る多点出力レーザ装置における複数レーザ増幅装置の説明をする図面である。 第１実施例における集束手段と集光状態の関係を示す図面である。 第１実施例に使用する角錐台形集束手段の平面図と側面図である。 第１実施例における光増幅器の直列接続を説明する図面である。 多点着火ガス燃焼エンジンに第１実施例の多点出力レーザ装置を適用する場合の構成概念図である。

符号の説明

１ レーザ発生装置
１１ 半導体レーザアレイ
１２ 光共振器
２ 集束手段
２−１ 第１集束手段
２−２ 第２集束手段
３ 光増幅器、レーザ媒質
３１ 集束点
３−１ 第１光増幅器
３−２ 第２光増幅器
４ 励起用半導体レーザ装置
５ 平行化手段
６１，６２，６３，６４，６５ レーザビーム
６６ 収束レーザビーム
７ 反射鏡
８ 集光レンズ
９ ガス燃焼エンジン
９１ 燃焼室

Claims (7)

1. 複数のレーザビームを互いに平行にかつ同心円状に出射するレーザ発生装置と、
   前記レーザ発生装置から射出された複数のレーザビームを集束する集束手段と、
   前記集束手段により集束されたレーザビームを光増幅して射出する光増幅器と、
   を備えることを特徴とする多点出力レーザ装置。
2. 前記集束手段は、錐形あるいは錐台形に形成した透明体であって、前記複数のレーザビームが該集束手段のウェッジ部分に入射して屈折し集束することを特徴とする請求項１記載の多点出力レーザ装置。
3. 前記錐形あるいは錐台形の透明体は、多角錐形あるいは多角錐台形であることを特徴とする請求項２記載の多点出力レーザ装置。
4. 前記光増幅器は、前記集束手段により集束されたレーザビームに対して、外部から励起用レーザを入射させて前記レーザビームを増幅して出射することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の多点出力レーザ装置。
5. 複数の集束手段および光増幅器を、前記レーザビームの光路に沿って直列に配置して多段増幅することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の多点出力レーザ装置。
6. 前記レーザ発生装置は、レーザアレイから射出される複数のレーザビームをビーム毎に増幅して平行ビームとして供給するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の多点出力レーザ装置。
7. 前記レーザ発生装置は、不安定共振器を用いたレーザ発生器から得られる均質な出力レーザビームを分配して均等強度の複数の平行レーザビームとして供給するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の多点出力レーザ装置。

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