JP6358531B2 - レーザ点火装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、レーザ活性な領域とレーザ不活性な領域とを特定の長さに設定したレーザ活性固体を有する受動Qスイッチを有するレーザ装置を用いて内燃機関の点火を行うレーザ点火装置が開示されている。
このため、一般的な半導体レーザ装置には、戻り光を除去する手段として光アイソレータが用いられており、入射光の偏光状態に依存する偏光依存型の光アイソレータと入射光の偏向状態に依存しない偏光無依存型の光アイソレータが知られている(例えば、特許文献2、特許文献3参照)。
レーザ点火装置においても、光アイソレータを用いることによって、戻り光による半導体レーザの破損を抑制できると考えられていた。
第1に、光アイソレータを構成する様々な光学部品を使用する必要があり、製造コストの増加を招くおそれがある。
レーザ点火装置においては、極めて大きなエネルギ密度のパルスレーザを集光させる必要があるため、複数の半導体レーザを組み合わせた半導体レーザモジュールを励起光源として用いることで、それぞれの半導体レーザの負荷を小さくすることが考えられる。
このような場合、複数の半導体レーザから発振された励起光を集光レンズによって集束させた場合には、位相の異なる複数の励起光が複数存在し、それぞれの光軸も異なっているため、光アイソレータを通過した複数の励起光の束が元の励起光の束と同じように再結合され、かつ、戻り光が光源側に出射される際には、複数の半導体レーザのいずれにも分離された常光と異常光のいずれもが半導体レーザに入光しないように調整するのは、極めて困難となるものと考えられる。
光アイソレータに限らず、光学部品を通過する際には不可避的に透過損失を生じるので、レーザ点火装置のエネルギ効率を上げるためにも、光学部品はできる限り少なくし、簡素な構成とするのが望ましい。
例えば、マイクロチップレーザの励起端面は共振器全反射鏡を兼ねており、従来、高反射コーティングの透過率として、発振光に対しては、0.1%程度透過で十分とされていた。
一方で、このようなマイクロチップレーザの励起光の光電力は100W程度であり、仮にその励起光が100%戻ったとしても、発振光の漏れ光の光電力の1/100にしかならない。
発振漏れ光が半導体レーザに照射されるのは、数ナノ秒程度の極めて短い時間であるが、長期的な信頼性を損なうことが判明した。レーザ共振器側から戻る光について、半導体レーザに照射される時間は、励起反射光の方が発振漏れ光よりも桁違いに長く、エネルギ量としては、励起反射光の方が発振漏れ光よりも多いが、電力が小さいのでレーザダイオードにダメージは起こらず、電力が極めて高い発振漏れ光は、たとえ極短い時間であっても、レーザダイオードの破損を招くことになる。
なお、半導体レーザの破壊には、熱で起きるものや光強度(電力/面積)で起こるモードがあるが、本発明は、励起光源側に戻る光の内、発振漏れ光の電力が高くなったために起きる障害を解決するものである。
前記レーザ共振器は、レーザ媒質(30)の出射側に可飽和吸収体(33)が一体化されており、前記レーザ媒質の入射側に前記励起光の反射を防止する反射防止膜(31)が設けられ、該反射防止膜と前記レーザ媒質との間に前記発振光を反射する全反射鏡(32)が設けられると共に、前記可飽和吸収体の出射側に前記発振光の部分反射膜からなる出光鏡(34)を備えて構成されており、
前記励起光源と前記レーザ共振器との間には、前記励起光源からの励起光を前記レーザ共振器への入射光に調光するコリメートレンズ(26)が設けられ、前記コリメートレンズは、前記励起光の入射側に平面状の端面を具備しており、
前記励起光源と前記レーザ共振器との間に、波長の短い前記励起光は透過し、かつ、波長の長い前記発振光の一部であって、前記レーザ共振器から前記励起光源側に漏れる発振漏れ光(LLEAK)は反射する励起光透過発振漏れ光反射膜(5、5a〜5g)を前記コリメートレンズの前記平面状の端面、及び、又は、前記レーザ共振器の入射側の平面状の端面に設けたことを特徴とする。
本発明の他の態様におけるレーザ点火装置(7、7a〜7g)は、コヒーレントな励起光(L PMP )を放射する励起光源(1)と、前記該励起光源からの励起光を光ファイバ(25)に伝送する集束レンズ(22、23)と、前記光ファイバにより伝送された励起光をコリメートするコリメートレンズ(26)と、前記コリメートレンズによりコリメートされた励起光の照射によりエネルギ密度の高い発振光(L PLS )を発振するレーザ共振器(3、3a)と、該レーザ共振器から発振された発振光を集光する集光手段(6)とを具備し、内燃機関(8)の燃焼室(80)の内側に導入した混合気にエネルギ密度の高い発振光(L FCS )を集光して点火を行うレーザ点火装置であって、
前記レーザ共振器は、レーザ媒質(30)の出射側に可飽和吸収体(33)が一体化されており、前記レーザ媒質の入射側に前記励起光の反射を防止する反射防止膜(31)が設けられ、該反射防止膜と前記レーザ媒質との間に前記発振光を反射する全反射鏡(32)が設けられると共に、前記可飽和吸収体の出射側に前記発振光の部分反射膜からなる出光鏡(34)を備えて構成されており、
前記コリメートレンズは、前記励起光の入射側に平面状の端面を具備しており、
前記励起光源と前記レーザ共振器との間に、波長の短い前記励起光は透過し、かつ、波長の長い前記発振光の一部であって、前記レーザ共振器から前記励起光源側に漏れる発振漏れ光(L LEAK )は反射する励起光透過発振漏れ光反射膜(5、5a〜5g)を前記コリメートレンズの前記平面状の端面、前記光ファイバの前記レーザ共振器側の平面状の端面、及び、又は、前記レーザ共振器の入射側の平面状の端面に設けたことを特徴とする。
また、前記励起光透過発振漏れ光反射膜は、前記光学素子の端面に極薄い多層膜として設けるため、従来の光アイソレータを配設する場合のように装置の大型化を招くことがない。
さらに、既存の前記光学素子に前記励起光透過発振漏れ光反射膜を形成するため、新たな光学素子の追加を必要とすることなく、透過エネルギの損失の増加を抑制することができる。
図1A、図1B、図1Cを参照して、本発明の第1の実施形態におけるレーザ点火装置7の要部について説明する。なお、レーザ点火装置7の全体構成については図6を参照して後述する。
本実施形態においては、励起光LPMPとして、808nmのピーク波長λPMPを有する赤外線レーザを用いており、励起光LPMPの照射によりレーザ共振器3からは、1064nmのピーク波長λPLSを有する発振光LPLSが出射される例を示しているが励起光源1から放射される励起光LPMPの波長λPMP及び発振光LPLSの波長λPLSは、適宜選択可能である。
シリンドリカルレンズ20、21には、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等の公知の光学材料が用いられている。
また、複数の半導体レーザモジュール10を半導体レーザ固定台13に雛段状に並べて配設してある。
本実施形態においては、一列に8個の半導体レーザモジュール10を並べ、2列配設したものを示してあるが、半導体モジュール10の数を限定するものではない。
集束レンズ22、23は、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等の公知の光学材料が用いられている。
集束レンズ22、23の表面を、公知の反射防止膜で覆っても良い。
集束レンズ22、23の入射側の端面は平面状に加工され、出射面は、非球面レンズとなっている。
結合素子24には、結晶化ガラス等の公知の光学材料からなる光フェルールや、光ファイバ25の端部を保持する中空のスリーブ等を用いることができる。
光ファイバ25には、例えば、開口数0.22以下で、コア径がφ600μm以下に形成された公知の光ファイバを用いることができ、レーザ共振器3に照射される励起光LPMPのビーム径がφ1200μmとなっている。
コリメートレンズ26には、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等の公知の光学材料が用いられている。
本実施形態におけるコリメートレンズ26の入射側の端面は平面状に加工され、出射面は、非球面レンズに加工され、複数の励起光LPMPが集束された集束光LCNDを平行光LCMTに調光している。
本実施形態における励起光透過発振漏れ光反射膜5は、高屈折率(nH=2.16)のTa2O5からなる高屈折率膜50と、低屈折率(nL=1.41)のSiO2からなる低屈折率膜51とが交互に19層成膜されている。
さらに、コリメートレンズ26の出射面には透過膜4として、高屈折率(nH=2.16)のTa2O5からなる高屈折率膜50と、低屈折率(nL=1.41)のSiO2からなる低屈折率膜51とが交互に4層成膜され、励起光LPMP)99.8%が透過して、平行光LCMTとして出射するようになっている。
レーザ共振器3には、公知の受動Qスイッチ式のレーザ共振器を用いることができる。
レーザ共振器3は、レーザ媒質30と、その入射側に設けた反射防止膜31と、全反射鏡32と、出射側に設けた可飽和吸収体33と、部分反射膜からなる出光鏡34とによって構成され、筒状のハウジング35内に収容されている。
レーザ媒質30は、YAG単結晶にNdをドーピングしたNd:YAG等の公知のレーザ媒質が用いられている。
過飽和吸収体33は、YAG単結晶にCr4+をドーピングしたCr:YAG等が用いられている。
レーザ共振器3は、共振器内に導入された励起光LPMPによって、レーザ媒質30内のNdが励起され、1064nmの光を放射し、レーザ媒質30内に蓄積する。
このとき、背面側の全反射鏡32の入射面からは、不可避的に発振光LPLSの強度の約0.4%が発振漏れ光LLEAKとして、励起光源1側に伝播する。
レーザ共振器3の入射面と、本発明の要部である励起光透過発振漏れ光反射膜5との間で複数回(例えば、約3nsの間)反射と透過を繰り返す内に発振漏れ光LLEAKは消滅する。
結果的に、発振光LPLSの強度の0.4%が発振漏れ光LLEAKとしてレーザ共振器3から励起光源側に漏れても、その内の99.6%が励起光透過発振漏れ光反射膜5によってカットされ、発振漏れ光LLEAKの0.4%、即ち、発振光LPLSの強度の0.0016%まで、励起光源1側に伝送される発振漏れ光LLEAKの強度を抑制することができる。
これにより、励起光LPMPの電力に比べて桁違いに大きな電力の発振光LPLSの一部が漏れても、発振漏れ光LLEAKの電力は、励起光LPMPの反射光と同程度の電力にまで低減されるので、これが、励起光源1に到達しても半導体レーザの破損を招くことがない。
図1Cに具体例として、波長λPMPが808nmの励起光LPMPを100Wの電力でレーザ共振器3に投入し、波長λPLSが1064nmの発振光LPLSを10MWの電力で出射した場合の発振漏れ光透過率TLEAKを算出した例を示しているが、本発明に係るレーザ点火装置において、発振光LPLSの電力をこれに限るものではない。
但し、計算上では、励起光LPMPを100%透過し、発振漏れ光LLEAKを100%反射する条件を求め得るが実際には、前記実施例に示したように、励起光LPMPの透過率TPMPは99.8%程度となり、発振漏れ光LLEAKの反射率RLEAKは、99.6%程度、即ち、発振漏れ光LLEAKの透過率TLEAKは0.4%程度となる。
上述の半導体レーザモジュール100とレーザ共振器3とを接続し励起光LPMPを伝送する光ファイバ25の途中に1064nmの波長の光を全反射する膜をコーティングしたビームスプリッタ90を配置し、光ファイバ91を介してフォトディテクタ92によって発振漏れ光LLEAKの強度を検出した。
その結果、図3Aに示すように、実施例1で検出された発振漏れ光LLEAKの強度は、比較例で検出された1064nmの戻り光LLEAKの強度の0.5%以下となっており、発振漏れ光LLEAKの99.5%が励起光透過発振漏れ光反射膜5によって反射され、励起光源1への発振漏れ光LLEAKが抑制できることが検証された。
その結果を図3Cに示す。比較例においては、数時間程度で、半導体レーザモジュール100の出力が30%低下した。
一方、本発明の実施例1では、数十時間以上連続駆動しても、全く出力低下が見られなかった。
このエネルギ分布について横断面方向において特定のエネルギを超える範囲を半導体レーザモジュール100の発光エミッタの位置に投影させると、図4Dに示すように、エネルギ密度が一定以上となる範囲と、発光エミッタの損傷しやすい位置とが一致していることが判明した。
このことから、本発明の励起光透過発振漏れ光反射膜5を戻り光LLEAKのエネルギ密度の高い位置に限定的に設けても効果を発揮し得るものと考えられる。
以下の実施形態においては、前述の第1の実施形態と基本的な構成は同じで、本発明の要部である励起光透過発振漏れ光反射膜(5a〜5g)の配設位置のみを変化させたものである。
このため、前記実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、各実施形態における特徴的な部分にアルファベットa〜gの枝番を付したので、共通する部分についての説明を省略し、特徴的な部分のみを説明する。
また、第1の実施形態から第8の実施形態までのいずれか2つを適宜組み合わせて実施しても良い。
このような構成においても、レーザ共振器3aから漏れる発振光LPLSの強度の0.4%の発振漏れ光LLEAKのさらに0.4%、即ち、発振光LPLSの強度の0.0016%のみが励起光源側に伝播することになり、前記実施形態と同様の効果を発揮し得る。
但し、励起光透過発振漏れ光反射膜5と励起光透過発振漏れ光反射膜5aとを重ねて設ければ、励起光源1に到達する発振漏れ光LLEAKの強度はほとんど0に等しくなり、それ以上に重ねて励起光透過発振漏れ光反射膜5を設けても、却って励起光LPMPの透過率TPMPを低下させることになるので必要はない。
本実施形態においては、励起光透過発振漏れ光反射膜5bとレーザ共振器3との間で発振漏れ光LLEAKが往復し、前記実施形態と同様の効果を発揮する。
本実施形態においては、励起光透過発振漏れ戻り光反射膜5cとレーザ共振器3との間で漏れ戻り光LLEAKが往復し、前記実施形態と同様の効果を発揮する。
さらに、本実施形態及び以下に示す実施形態においては、光ファイバ25、25cには、共振器3から漏れた発振漏れ光LLEAKが伝送されるので、図2に示した発振漏れ光検出装置9を設けることによって、発振漏れ光LLEAKの強度を検出し、その結果を、内燃機関における燃焼異常の検出等に利用することも可能となる。
本実施形態においては、励起光透過発振漏れ光反射膜5dとレーザ共振器3との間で発振漏れ光LLEAKが往復し、前記実施形態と同様の効果を発揮する。
本実施形態においては、励起光透過発振漏れ光反射膜5eとレーザ共振器3との間で発振漏れ光LLEAKが往復し、前記実施形態と同様の効果を発揮する。
本実施形態においては、励起光透過発振漏れ光反射膜5fとレーザ共振器3との間で発振漏れ光LLEAKが往復し、前記実施形態と同様の効果を発揮する。
本実施形態においては、励起光透過発振漏れ光光反射膜5gとレーザ共振器3との間で発振漏れ光LLEAKが往復し、前記実施形態と同様の効果を発揮する。
レーザ共振器3、3aから発振された発振光LPLSは集光手段4によって一旦、拡張された後、再度所定の集光点FPに集光されることで、エネルギ密度を極めて高くすることができ、燃焼室80内に導入された混合気の点火を行うことができる。
10 半導体レーザモジュール
11 半導体レーザ固定部材
100 半導体レーザアレイ
2 光学素子
20、21 シリンドリカルレンズ
22、23 励起光集束レンズ
24 励起光結合素子
25 光ファイバ
26 励起光コリメートレンズ
3 レーザ共振器
30 レーザ媒質
31 反射防止膜
32 全反射鏡
33 可飽和吸収体
34 部分反射膜
35 共振器収容ハウジング
5 励起光透過発振漏れ光反射膜
50 高屈折率膜
51 低屈折率膜
6 発振光集光手段
60 発振光拡張素子(ビームエキスパンダ)
61 集光レンズ
62 保護ガラス
7 レーザ点火装置
8 内燃機関
80 燃焼室
81 エンジンヘッド
9 発振漏れ光検出装置
90 発振漏れ光サンプリング用ビームスプリッタ
91 光ファイバ
92 光検出装置(フォトディテクタ)
LPMP 励起光
LCND 集束光
LCLM 平行光
LPLS 発振光
LLEAK 発振漏れ光
LEXP 拡張光
LFCS 集光光
FP 集光点
λPMP 励起光波長
λPLS 発振光波長
RPMP 励起光反射率
TPMP 励起光透過率
RLEAK 発振漏れ光反射率
TLEAK 発振漏れ光透過率
IPLS 発振光強度
ILEAK 発振漏れ光強度
nH 高屈折率膜の屈折率
nL 低屈折率膜の屈折率
n0 空気の屈折率
nM 光学素子の屈折率
Claims (7)
- コヒーレントな励起光(LPMP)を放射する励起光源(1)と、前記励起光の照射によりエネルギ密度の高い発振光(LPLS)を発振するレーザ共振器(3、3a)と、該レーザ共振器から発振された発振光を集光する集光手段(6)とを具備し、内燃機関(8)の燃焼室(80)の内側に導入した混合気にエネルギ密度の高い発振光(LFCS)を集光して点火を行うレーザ点火装置であって、
前記レーザ共振器は、レーザ媒質(30)の出射側に可飽和吸収体(33)が一体化されており、前記レーザ媒質の入射側に前記励起光の反射を防止する反射防止膜(31)が設けられ、該反射防止膜と前記レーザ媒質との間に前記発振光を反射する全反射鏡(32)が設けられると共に、前記可飽和吸収体の出射側に前記発振光の部分反射膜からなる出光鏡(34)を備えて構成されており、
前記励起光源と前記レーザ共振器との間には、前記励起光源からの励起光を前記レーザ共振器への入射光に調光するコリメートレンズ(26)が設けられ、前記コリメートレンズは、前記励起光の入射側に平面状の端面を具備しており、
前記励起光源と前記レーザ共振器との間に、波長の短い前記励起光は透過し、かつ、波長の長い前記発振光の一部であって、前記レーザ共振器から前記励起光源側に漏れる発振漏れ光(LLEAK)は反射する励起光透過発振漏れ光反射膜(5、5a〜5g)を前記コリメートレンズの前記平面状の端面、及び、又は、前記レーザ共振器の入射側の平面状の端面に設けたことを特徴とするレーザ点火装置(7、7a〜7g) - 前記励起光透過発振漏れ光反射膜は、前記発振漏れ光の透過率(T LEAK )が0.5%以下である請求項1に記載のレーザ点火装置(7、7a〜7g)
- 前記励起光透過発振漏れ光反射膜は、前記コリメートレンズ又は前記レーザ共振器を構成する光学材料の屈折率より屈折率の小さい低屈折率膜と、屈折率の大きい高屈折率膜とを交互に重ねた多層膜であり、前記低屈折率膜はSiO 2 、MgF 2 から選択した誘電体からなり、前記高屈折率膜はTiO 2 、Ta 2 O 5 から選択した誘電体からなる請求項2に記載のレーザ点火装置(7、7a〜7g)
- コヒーレントな励起光(LPMP)を放射する励起光源(1)と、前記該励起光源からの励起光を光ファイバ(25)に伝送する集束レンズ(22、23)と、前記光ファイバにより伝送された励起光をコリメートするコリメートレンズ(26)と、前記コリメートレンズによりコリメートされた励起光の照射によりエネルギ密度の高い発振光(LPLS)を発振するレーザ共振器(3、3a)と、該レーザ共振器から発振された発振光を集光する集光手段(6)とを具備し、内燃機関(8)の燃焼室(80)の内側に導入した混合気にエネルギ密度の高い発振光(LFCS)を集光して点火を行うレーザ点火装置であって、
前記レーザ共振器は、レーザ媒質(30)の出射側に可飽和吸収体(33)が一体化されており、前記レーザ媒質の入射側に前記励起光の反射を防止する反射防止膜(31)が設けられ、該反射防止膜と前記レーザ媒質との間に前記発振光を反射する全反射膜(32)が設けられると共に、前記可飽和吸収体の出射側に前記発振光の部分反射膜からなる出光鏡(34)を備えて構成されており、
前記コリメートレンズは、前記励起光の入射側に平面状の端面を具備しており、
前記励起光源と前記レーザ共振器との間に、波長の短い前記励起光は透過し、かつ、波長の長い前記発振光の一部であって、前記レーザ共振器から前記励起光源側に漏れる発振漏れ光(LLEAK)は反射する励起光透過発振漏れ光反射膜(5、5a〜5g)を前記コリメートレンズの前記平面状の端面、前記光ファイバの前記レーザ共振器側の平面状の端面、及び、又は、前記レーザ共振器の入射側の平面状の端面に設けたことを特徴とするレーザ点火装置(7、7a〜7g) - 前記励起光源を複数具備し、前記複数の励起光源から放射された励起光を集束して出力するレーザアレイを有し、前記光ファイバは、前記レーザアレイから出力された励起光を前記コリメートレンズに伝送するものであることを特徴とする請求項4に記載のレーザ点火装置(7、7a〜7g)
- 前記励起光源を複数具備し、前記複数の励起光源から放射された励起光を集束し、集束光を出力するレーザアレイを更に有し、前記コリメートレンズは、前記レーザアレイから出力された集束光を前記レーザ共振器への入射光に調光するものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のレーザ点火装置(7、7a〜7g)
- 前記光ファイバの光路中に、前記レーザ共振器から漏れた前記発振漏れ光を検出する発振漏れ光検出装置(9)を設けた、請求項4又は5に記載のレーザ点火装置(7、7a〜7g)
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