JP5323076B2 - レーザー装置およびレーザー装置の駆動方法 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、レーザー活性のソリッドボディと有利には受動のＱ回路と備えたレーザー装置にポンピング光を印加してレーザーパルスを形成する、レーザー装置の駆動方法に関する。

また本発明は、レーザー活性のソリッドボディと有利には受動のＱ回路と備えており、ポンピング光の印加によってレーザーパルスを形成する、レーザー装置に関する。

これらの方法および装置は公知であり、例えば近い将来に内燃機関の点火装置で用いられるべきものである。レーザー装置の確実な動作を保証するために、従来の駆動方法では、形成されたレーザーパルスに相応する光信号が評価されていた。このようにすれば、レーザーパルスの発生の遅れまたはレーザーパルスの消滅を識別することができるからである。

従来の方法および装置の欠点は、レーザーパルスの評価のためにレーザー装置の光路に出力鏡その他の出力光学系を配置しないと、レーザーパルスの光強度のうち必要な成分を検出器素子へ供給して診断を行うことができないということである。この場合に要求される出力光学系は公知のレーザー装置の光路に配置されるため、システム全体の光学的品質および光学的効率を低下させるし、構造を複雑にしてしまう。

発明の開示
本発明の課題は、冒頭に言及した形式のレーザー装置およびレーザー装置の駆動方法を改善し、従来技術の欠点を回避したうえで、レーザー装置の駆動状態についての情報を簡単に得られるようにすることである。

この課題は、レーザー装置から自然に放射される自然発光を分析し、その結果からレーザー装置の駆動状態、特にレーザーパルスが形成されたか否かを結論することにより解決される。

本発明のレーザー装置の第１の実施例を示す図である。 図１のレーザー装置からの自然発光の光強度を検出して分析した時間特性図である。 本発明のレーザー装置の第２の実施例を示す図である。 図１のレーザー装置を備えたレーザーベースの内燃機関用の点火装置を示す図である。

本発明によれば、意図的に、形成されたレーザーパルスの光強度の直接の分析が回避される。これにより、有利には、従来のシステムで必要であった出力光学系その他を省略できる。本発明の方法では、ポンピング光の印加されたレーザー装置から自然に放射される光すなわち"自然発光"が分析される。本発明では、当該の自然発光がレーザー装置の駆動状態に関する情報を含み、その分析によってレーザー装置の駆動特性を結論できるという認識を基礎としている。

本発明の有利な実施形態では、レーザー装置は少なくとも縦方向でポンピング光によって励起され、横方向に放射される自然発光が分析される。これにより、有利には、レーザー装置の主光路に付加的な光学素子を設けることなく、レーザー装置の駆動状態に関する情報を取得することができる。このようにすれば、従来の出力光学系を備えたシステムで生じていたシステム効率の低下が起こらない。

本発明の別の有利な実施形態では、自然発光の強度の時間特性が検出され分析される。このようにすれば、レーザー装置の駆動特性および駆動状態に関して特に正確な記述が得られる。自然発光の時間特性の分析は、当分野の技術者に周知の方法、例えば微分プロセスその他の適切な分析プロセスを用いて行うことができる。

本発明の別の有利な実施形態では、自然発光の分析が、レーザー装置へのポンピング光の印加が開始されるポンピング開始時点に基づいて行われる。これにより、有利には、レーザー装置の駆動状態に関する多数の情報が分析のために収集されることが保証される。例えば、本発明の分析は、ポンピング開始時点の直後に開始されてもよいし、処理すべきデータ量を低減したい場合には所定の待機時間を置いてから開始されてもよい。

特に有利には、自然発光の分析とは自然発光の強度の最大値を見出すことである。本発明では、レーザー装置でレーザーパルスを形成する場合に、レーザーパルスが真に形成されたか否かということと自然発光の強度の時間特性とのあいだに時間相関が認められることに着目している。つまり、レーザーパルスの発生までは自然発光の強度が増大し、レーザーパルスの形成中または発生後には自然発光の強度が低下するという関係が存在するのである。これは、レーザー動作が開始されてレーザーパルスが形成されることに付随して、励起された光子の放出が増大して生じることに由来する。

効率的な検出を行うために、自然発光の少なくとも一部は、レーザー装置の直接近傍に配置された検出器、特にフォトダイオードによって検出される。

これに代えてまたはこれに加えて、自然発光の少なくとも一部を、レーザー装置から光導体装置を介して、離れた箇所に配置された検出器、特にフォトダイオードへ伝送してもよい。

有利な別の実施形態では、複数の光ファイバを有する光導体装置を設け、レーザー装置は、ポンピング光を、光導体装置の少なくとも１つの第１の光ファイバを介して受け取り、自然発光の少なくとも一部を同じ光導体装置の少なくとも１つの第２の光ファイバを介して、レーザー装置から離れた箇所に配置された検出器、特にフォトダイオードへ伝送する。

本発明の有利な別の実施形態では、自然発光の少なくとも一部がレーザー装置から放射方向で出力され、光導体装置のうち、レーザー装置の放射方向の外側に配置された部分へ入力される。このときにもレーザー装置の光路には影響がない。

また、本発明は、レーザー活性のソリッドボディと有利には受動のＱ回路と備えており、ポンピング光の印加によってレーザーパルスを形成する、レーザー装置に関する。

本発明の有利な実施形態では、光導体装置の少なくとも１つの第１の光ファイバまたはその端部はレーザー装置にポンピング光を少なくとも縦方向で供給するために設けられており、これに代えてまたはこれに加えて、光導体装置の少なくとも１つの第２の光ファイバは自然発光の一部をレーザー装置から離れた箇所に配置された検出器、特にフォトダイオードへ伝送するために設けられている。

さらに、本発明は、前述したレーザー装置を少なくとも１つ備えていることを特徴とする車両の内燃機関用の点火装置に関する。ただし、本発明のレーザー装置およびレーザー装置の駆動方法は、定置形モータなど、駆動状態に関する情報を取得することの重要なレーザーベースのシステム一般に適用することができる。

本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。

本発明の適用分野は受動Ｑレーザーシステムに限定されず、能動Ｑレーザーシステムにも適用することができる。能動Ｑスイッチを駆動することによりレーザーパルスの形成時点が既知となる能動Ｑレーザーシステムにおいても、本発明の方法を診断のためあるいは検出された駆動データの妥当性検査のために適用することができる。

本発明の他の特徴および利点を図示の実施例に即して以下に詳細に説明する。本発明の全ての特徴は、明細書、特許請求の範囲および図面のいずれに示されているかに関係なく、単独でもまたは任意に組み合わせても、本発明の対象となりうる。

本発明の実施例
図１には本発明のレーザー装置２６の第１の実施例の詳細が示されている。レーザー装置２６はレーザー活性のソリッドボディ４４を有しており、光路で見てこのソリッドボディ４４の後方にＱスイッチと称される受動Ｑ回路４６が配置されている。レーザー活性のソリッドボディ４４は、ここでは、受動Ｑ回路４６，図１の左方の入力鏡４２および図１の右方の出力鏡４８と協働して、レーザー発振器を形成している。このレーザー発振器の振動特性は受動Ｑ回路４６によって定められ、公知の手法で少なくとも間接的に制御可能である。

図１に示されている構成では、本発明のレーザー装置２６、特にそのレーザー活性のソリッドボディ４４に、入力鏡４２を通してポンピング光６０が入力され、これによりレーザー活性のソリッドボディ４４内の電子が励起されてそれ自体は公知の反転分布が発生する。入力鏡４２は入力されるポンピング光６０に対して大きな透過係数を有する。ポンピング光６０は光導体装置２８を介して本発明のレーザー装置２６へ供給される。

受動Ｑ回路４６はその透過係数の小さい定常状態を有しており、この定常状態では、入力鏡４２および出力鏡４８によって画定されるレーザー活性のソリッドボディ４４，４６のレーザー動作が回避される。ポンピング時間が増大するにつれて、つまり、ポンピング光６０が連続的に印加されると、レーザー発振器４２，４４，４６，４８での光強度も増大し、受動Ｑ回路４６は最終的にはブリーチアウト（ausbleichen）する。つまり、透過係数が増大し、レーザー発振器４２，４４，４６，４８でのレーザー動作が開始されるのである。

ここで、前述したように、巨大パルスとも称される高いピーク電力を有するレーザーパルス２４が発生する。レーザーパルス２４は続いて図１の右方の出力鏡４８を介してレーザー発振器４２，４４，４６，４８から出力され、内燃機関用のレーザーベース点火装置へ供給され、内燃機関の燃焼室に存在する燃料空気混合気の点火に利用される。このためにレーザーパルス２４は、例えば相応の光導体装置を介してまたは出力鏡４８から直接に、後方の燃焼室窓を通して燃焼室へ入力される。

受動Ｑ回路４６に代えて図示されていない能動Ｑ回路を用いることもできる。ただしこの場合、コストが高くなり、駆動手段も複雑となることに注意が必要である。

レーザー装置２６の動作、特にレーザーパルスの形成を監視するために、本発明によれば、レーザー装置２６の自然発光６１が検出および分析される。ここで、自然発光６１とは、レーザー装置２６内のレーザー活性のソリッドボディ４４にポンピング光６０が印加されたときに周知の原理で自然に放射される光である。

図２には、レーザー装置２６にポンピング光６０が印加されて自然に放射された図１の自然発光６１について、検出された光強度Ｉｓの時間特性が示されている。時点ｔ０で図１のレーザー装置２６へのポンピング光６０の印加が開始され、自然発光６１の光強度Ｉｓはほぼ線形に上昇する。時点ｔ１から、受動Ｑ回路４６のブリーチアウトが始まり、つまり受動Ｑ回路４６の透過係数が小さくなっていき、相応してレーザー発振器４２，４４，４６，４８におけるレーザー動作が開始される。ここで、励起によって光子が放出され、時点ｔ１から自然発光６１の光強度Ｉｓの時間特性は負の傾きを有するようになる。時点ｔ２でレーザー装置２６からレーザーパルス２４が放出され、自然発光の光強度Ｉｓは図２に示されているように時点ｔ３までに低下する。

本発明によれば、こうした自然発光６１の光強度Ｉｓが検出され、特に、時点ｔ１で局所最大値Ｉｓ＿ｍａｘが発生するか否かが監視される。

局所最大値Ｉｓ＿ｍａｘはレーザー装置２６におけるレーザー動作を表す特徴量であり、真にレーザーパルス２４が形成されたことを示す。そうでなく、レーザーパルス２４が形成されない場合、自然発光６１の光強度Ｉｓは図２に示されているようには時点ｔ３へ向かって低下しない。つまり、時点ｔ１での局所最大値Ｉｓ＿ｍａｘの発生とその後の光強度Ｉｓの傾きとから、レーザーパルス２４が真に形成されたか否かを確実に結論することができるのである。

自然発光６１は、励起によって放出されるレーザー光（レーザーパルス２４）とは異なり、全ての空間方向へ放射されることから、本発明によれば、有利に、自然発光６１を特にレーザー装置２６の主光路の外部で検出する手段を設けることができる。このようにすれば、従来のシステムで必要であったレーザーパルス２４の一部を出力するための付加的な光学素子を主光路内に設けなくて済む。

なお、図１には、レーザー装置２６の放射方向の外部に配置され、自然発光６１を検出する検出器７０、特にフォトダイオードが示されている。

図３には、本発明のレーザー装置２６の別の有利な実施例が示されている。

図３のレーザー装置２６には、個々の光ファイバ２８ａ，２８ｂを備えた光導体装置２８’が設けられている。光導体装置２８’は、有利には、レーザー装置２６にポンピング光６０を供給するため、および、検出および分析すべき自然発光６１をレーザー装置２６から離れた箇所に配置された検出器７０へ伝送するために用いられる。第１の光ファイバ２８ａまたはその端部はレーザー装置２６の端面に対向して配置されており、これによりポンピング光６０を図３では詳細には示されていない入力鏡を介してレーザー装置２６へ入力することができる。

これに対して、第２の光ファイバ２８ｂは、レーザー装置２６から自然発光６１を出力させ、かつ、当該の出力光を離れた箇所に配置された検出器７０へ伝送するために設けられている。

図３には、レーザー装置２６の近傍に光導体装置２８’の端部などの部品が配置されることに加えて、レーザー装置２６から離れた箇所に、ポンピング光６０を光導体装置２８’の第１の光ファイバ２８ａへ供給するポンピング光源３０が配置されることが示されている。また、図３からは、レーザー装置２６から離れた箇所に配置される検出器７０に対して、光導体装置２８’の第２の光ファイバ２８ｂを介して自然発光６１が供給されることが見て取れる。

本発明の光導体装置２８’の構成によれば、特に構造を複雑にすることなく、レーザー装置２６へのポンピング光６０の供給と検出器７０への自然発光６１の伝送とを同時に行うことができ、有利である。前述した機能は、有利には、光導体装置２８’の個別の光ファイバ２８ａ，２８ｂをレーザー装置２６の各領域に対応させるのみで達成可能である。

図４には、本発明のレーザー装置２６が車両の内燃機関１０の点火装置２７において用いられる様子が示されている。

図４には内燃機関１０が示されている。この内燃機関１０は図示されていない車両を駆動するための機関である。内燃機関１０は複数のシリンダを有しているが、図４ではそのうち１つのシリンダ１２しか示されていない。シリンダ１２の燃焼室１４はピストン１６によって画定される。燃料は、レールと称される燃料蓄圧器２０に接続されたインジェクタ１８を介して直接に燃焼室１４内へ噴射される。

燃焼室１４内へ噴射された燃料２２は、点火装置２７のレーザー装置２６から燃焼室１４内へ放出され、点火ポイントＺＰへフォーカシングされるレーザーパルス２４の形態のレーザー光によって点火される。このために、レーザー装置２６には、ポンピング光源３０で形成されたポンピング光が光導体装置２８（図１の光導体装置２８も参照）を介して印加される。ポンピング光源３０およびインジェクタ１８は制御装置３２によって制御される。

本発明では、放射方向に出力される自然発光６１を検出し評価することにより、システムの光学的効率を低下させることなく、レーザー装置２６の駆動状態に関する情報が確実かつフレキシブルに取得される。

有利には、レーザー発振器を備えたモノリシックなレーザー装置２６を構成することもできるし、また、各素子４２，４４，４６，４８をそれぞれ別個に構成することもできる。

Claims (7)

1. レーザー活性のソリッドボディ（４４）と受動または能動のＱ回路（４６）とを備えたレーザー装置（２６）にポンピング光（６０）を印加してレーザーパルス（２４）を形成する、
   レーザー装置（２６）の駆動方法であって、
   前記レーザー装置（２６）を少なくとも縦方向でポンピング光（６０）によって励起し、前記レーザー装置（２６）への前記ポンピング光の印加が開始されるポンピング開始時点（ｔ０）に基づき、横方向に自然に放射される自然発光（６１）の強度の時間特性（Ｉｓ）を検出して、該自然発光の強度の最大値（Ｉｓ＿ｍａｘ）を見出す分析を行い、
   その結果からレーザーパルス（２４）の形成が行われたか否かを結論する、
   レーザー装置（２６）の駆動方法において、
   複数の個別の光ファイバ（２８ａ，２８ｂ）を有する光導体装置（２８’）を設け、
   前記レーザー装置（２６）により、前記ポンピング光（６０）を前記光導体装置（２８’）の少なくとも１つの第１の光ファイバ（２８ａ）を介して受け取り、かつ、前記自然発光（６１）の少なくとも一部を前記光導体装置（２８’）の少なくとも１つの第２の光ファイバ（２８ｂ）を介して前記レーザー装置（２６）から離れた箇所に配置されたフォトダイオードへ伝送する
   ことを特徴とするレーザー装置の駆動方法。
2. 前記自然発光（６１）の少なくとも一部を前記レーザー装置（２６）から放射方向で出力し、前記レーザー装置（２６）の放射方向の外側に配置された前記第２の光ファイバ（２８ｂ）へ入力する、請求項１記載のレーザー装置の駆動方法。
3. ポンピング光（６０）の印加によってレーザーパルス（２４）を形成する、レーザー装置（２６）であって、
   レーザー活性のソリッドボディ（４４）と、
   受動または能動のＱ回路（４６）と、
   少なくとも縦方向でレーザー装置（２６）をポンピング光（６０）によって励起する手段と、
   前記レーザー装置（２６）から自然に放射される自然発光（６１）を検出する検出手段（７０）と
   を有しており、
   前記検出手段（７０）は、前記レーザー装置（２６）への前記ポンピング光（６０）の印加が開始されるポンピング開始時点（ｔ０）に基づき、横方向に自然に放射される自然発光（６１）の強度の時間特性（Ｉｓ）を検出して、該自然発光の強度の最大値（Ｉｓ＿ｍａｘ）を見出す分析を行い、その結果からレーザーパルス（２４）の形成が行われたか否かを結論する、
   レーザー装置（２６）において、
   前記レーザー装置（２６）はさらに複数の個別の光ファイバ（２８ａ，２８ｂ）を有する光導体装置（２８’）を有しており、該光導体装置の少なくとも１つの第１の光ファイバ（２８ａ）は前記レーザー装置（２６）に前記ポンピング光（６０）を供給するために設けられており、該光導体装置の少なくとも１つの第２の光ファイバ（２８ｂ）は前記自然発光（６１）の少なくとも一部を前記レーザー装置（２６）から離れた箇所に配置されたフォトダイオードへ伝送するために設けられている
   ことを特徴とするレーザー装置。
4. 前記検出手段（７０）は前記レーザー装置（２６）の放射方向の外側に配置されている、請求項３記載のレーザー装置。
5. 前記第２の光ファイバ（２８ｂ）の入力端部は前記レーザー装置（２６）からの前記自然発光（６１）の少なくとも一部の入力のために前記レーザー装置（２６）の放射方向の外側に配置されている、請求項３または４記載のレーザー装置。
6. 前記第１の光ファイバ（２８ａ）の端部は、前記ポンピング光（６０）を前記レーザー装置（２６）へ供給するために、前記ポンピング光（６０）を少なくとも縦方向で前記レーザー装置（２６）へ入力可能であるように配置されている、請求項３から５までのいずれか１項記載のレーザー装置。
7. 請求項３から６までのいずれか１項記載のレーザー装置（２６）を少なくとも１つ備えていることを特徴とする車両の内燃機関（１０）用の点火装置（２７）。

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