JP6739748B2 - Laser device, ignition device and internal combustion engine - Google Patents

Laser device, ignition device and internal combustion engine Download PDF

Info

Publication number
JP6739748B2
JP6739748B2 JP2016092926A JP2016092926A JP6739748B2 JP 6739748 B2 JP6739748 B2 JP 6739748B2 JP 2016092926 A JP2016092926 A JP 2016092926A JP 2016092926 A JP2016092926 A JP 2016092926A JP 6739748 B2 JP6739748 B2 JP 6739748B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
light
optical system
resonator
laser device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016092926A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2017201662A (en
Inventor
健太郎 萩田
健太郎 萩田
敏行 池應
敏行 池應
東 康弘
康弘 東
伸幸 新井
伸幸 新井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP2016092926A priority Critical patent/JP6739748B2/en
Publication of JP2017201662A publication Critical patent/JP2017201662A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6739748B2 publication Critical patent/JP6739748B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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 provided with the ignition device.

光励起によって発振するレーザ媒質を用いたレーザ装置は、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 using a laser medium 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, Patent Document 1 discloses a laser ignition device for an internal combustion engine that includes a laser device having a laser active solid and a Q switch circuit, and a pump light source that optically pumps the laser device.

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。 Patent Document 2 discloses a vehicle-mounted ignition device that includes a semiconductor laser light source and a solid-state laser medium that is excited by the semiconductor laser light emitted from the semiconductor laser light source and emits a pulsed laser light for fuel ignition. Has been done.

しかしながら、従来のレーザ装置では、1パルスあたりのエネルギーについては考慮されていなかった。 However, in the conventional laser device, the energy per pulse has not been taken into consideration.

本発明は、複数の発光部を有する面発光レーザアレイを含む光源装置と、前記光源装置からの光を伝送する光ファイバと、該光ファイバを介した光を集光するレンズ系とを含む光学系と、前記光学系を介した光が照射され、レーザ光を射出するレーザ共振器とを備え、前記光学系を介した光の進行方向に関して、前記レーザ共振器における前記光学系を介した光が入射する面の位置が、該光のビームウエスト位置よりも下流側にあるレーザ装置である。 The present invention relates to an optical system including a light source device including a surface emitting laser array having a plurality of light emitting parts, an optical fiber for transmitting light from the light source device, and a lens system for condensing light through the optical fiber. System and a laser resonator irradiated with light through the optical system and emitting laser light, and with respect to the traveling direction of the light through the optical system, the light through the optical system in the laser resonator. Is a laser device in which the position of the incident surface is on the downstream side of the beam waist position of the light.

本発明のレーザ装置によれば、1パルスあたりのエネルギーを高くすることができる。 According to the laser device of the present invention, the energy per pulse can be increased.

本発明の一実施形態に係るエンジン300の概略を説明するための図である。It is a figure for explaining the outline of engine 300 concerning one embodiment of the present invention. 点火装置301を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the ignition device 301. レーザ共振器206を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the laser resonator 206. 面発光レーザアレイを説明するための図である。It is a figure for demonstrating a surface emitting laser array. 第2集光光学系を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a 2nd condensing optical system. 励起光を説明するための図である。It is a figure for explaining excitation light. レイリー長を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the Rayleigh length. 1パルスあたりのエネルギーとZ軸方向に関する第1の面の位置との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the energy per 1 pulse, and the position of the 1st surface regarding a Z-axis direction. 図9(A)及び図9(B)は、それぞれ発振に寄与しない領域を説明するための図である。FIGS. 9A and 9B are diagrams for explaining regions that do not contribute to oscillation. 図10(A)及び図10(B)は、それぞれレーザアニール装置の概略構成を説明するための図である。FIG. 10A and FIG. 10B are each a diagram for explaining the schematic configuration of the laser annealing apparatus. レーザ加工機の概略構成を説明するための図である。It is a figure for explaining a schematic structure of a laser beam machine.

「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"
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a main part of an engine 300 as an internal combustion engine according to an embodiment.

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 engine 300 includes an ignition device 301, a fuel injection mechanism 302, an exhaust mechanism 303, a combustion chamber 304, a piston 305, and the like.

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 the engine 300 will be briefly described.
(1) The fuel ejection mechanism 302 ejects a combustible mixture of fuel and air into the combustion chamber 304 (intake).
(2) The piston 305 rises and compresses the combustible air-fuel mixture (compression).
(3) The ignition device 301 emits laser light into the combustion chamber 304. As a result, the fuel is ignited (ignition).
(4) Combustion gas is generated and the piston 305 descends (combustion).
(5) The exhaust mechanism 303 exhausts the combustion gas to the outside of the combustion chamber 304 (exhaust).

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。 In this way, a series of processes including intake, compression, ignition, combustion, and exhaust are repeated. Then, the piston 305 moves in response to the change in the volume of the gas in the combustion chamber 304 to generate kinetic energy. For example, natural gas or gasoline is used as the fuel.

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。 The engine 300 performs the above operation based on an instruction from an engine control device that is provided outside the engine 300 and that is electrically connected to the engine 300.

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 ignition device 301 has a laser device 200, an emission optical system 210, a protection member 212, and the like.

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 optical system 210 collects the light emitted from the laser device 200. Thereby, a high energy density can be obtained at the condensing point.

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 protection member 212 is a transparent window facing the combustion chamber 304. Here, as an example, sapphire glass is used as the material of the protective member 212.

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 laser device 200 includes a surface emitting laser array 201, a first condensing optical system 203, an optical fiber 204, a second condensing optical system 205, and a laser resonator 206. In this specification, the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is used, and the emission direction of light from the surface emitting laser array 201 is described as the +Z direction.

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 laser array 201 is a pumping light source and has a plurality of light emitting units. Each light emitting portion is a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser). The wavelength of light emitted from the surface emitting laser array 201 is 808 nm.

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 advantageous for pumping a Q-switched laser whose characteristics largely change due to the shift of the pumping wavelength, because the wavelength shift of the emitted light due to the temperature is very small. Therefore, when the surface emitting laser array is used as the excitation light source, there is an advantage that the temperature control of the environment 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 optical system 203 condenses the light emitted from the surface emitting laser array 201.

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 optical fiber 204 is arranged such that the center of the −Z side end face of the core is located at a position where the light is condensed by the first condensing optical system 203. Here, as the optical fiber 204, an optical fiber having a core diameter of 1.5 mm and an NA of 0.39 is used.

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 optical fiber 204, the surface emitting laser array 201 can be placed at a position away from the laser resonator 206. As a result, the degree of freedom in layout design can be increased. Further, when the laser device 200 is used as an ignition device, the surface emitting laser array 201 can be kept away from the heat source, so that the range of methods for cooling the engine 300 can be expanded.

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 optical fiber 204 propagates in the core and is emitted from the +Z side end surface of the core.

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 optical system 205 is arranged on the optical path of the light emitted from the optical fiber 204 and condenses the light. The light condensed by the second condensing optical system 205 enters the laser resonator 206.

レーザ共振器206は、受動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 laser resonator 206 is a passive Q-switched laser, and has a laser medium 206a and a saturable absorber 206b as shown in FIG. 3 as an example.

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 laser medium 206a is a rectangular parallelepiped Nd:YAG crystal, and is doped with 1.1% of Nd. The saturable absorber 206b is a rectangular parallelepiped Cr:YAG crystal, and the initial transmittance thereof is appropriately adjusted within a range of 0.15 (15%) to 0.70 (70%).

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。 Note that, here, the Nd:YAG crystal and the Cr:YAG crystal are joined to each other to form a so-called composite crystal. Both Nd:YAG crystal and 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 optical system 205 is incident on the laser medium 206a. That is, the laser medium 206a is excited by the light from the second condensing optical system 205. The wavelength of the light emitted from the surface emitting laser array 201 is the wavelength having the highest absorption efficiency in the YAG crystal. Then, the saturable absorber 206b operates as a Q switch.

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 of the laser medium 206a on the incident side (-Z side) and the surface of the saturable absorber 206b on the emitting side (+Z side) are optically polished and serve as mirrors. Note that, hereinafter, for convenience, the surface of the laser medium 206a on the incident side is also referred to as a "first surface", and the surface of the saturable absorber 206b on the exit side is also referred to as a "second surface" (see FIG. 3).

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。 Then, the first surface and the second surface are coated with a dielectric film according to the wavelength of light emitted from the surface-emission laser array 201 and the wavelength of light emitted from the laser resonator 206. ..

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 with a wavelength of 808 nm and a high reflectance for light with a wavelength of 1064 nm. The second surface is provided with a coating having a reflectance of about 50% with respect to 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, light resonates in the laser resonator 206 and is amplified.

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 drive device 220 drives the surface emitting laser array 201 based on an instruction from the engine control device 222. That is, the drive device 220 drives the surface emitting laser array 201 so that light is emitted from the ignition device 301 at the timing of ignition in the operation of the engine 300. Note that the plurality of light emitting units in the surface emitting laser array 201 are turned on and off at the same time.

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, if it is not necessary to place the surface emitting laser array 201 at a position away from the laser resonator 206, the optical fiber 204 may not be provided.

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。 Further, here, the case of an engine (piston engine) in which a piston is moved by combustion gas is described as the internal combustion engine, but the invention is not limited to this. For example, it may be a rotary engine, a gas turbine engine, or a jet engine. In short, any material can be used as long as it burns fuel to generate 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 ignition device 301 may be used for cogeneration, which is a system that takes out power, warm heat, and cold heat by utilizing exhaust heat and enhances energy efficiency comprehensively.

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。 Further, although the case where the ignition device 301 is used in the internal combustion engine has been described here, the present invention is not limited to this.

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 laser device 200 is used for the ignition device has been described here, the present invention is not limited to this. For example, it can be used for a laser processing machine, a laser peening device, a terahertz generating device, and the like.

「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 focus position of the light emitted from the laser device 200 in the Z-axis direction can be adjusted by adjusting the focal length of the emission optical system 210 and the arrangement position of the emission optical system 210 in the Z-axis direction. ..

面発光レーザアレイ201は、複数の発光部を有しているため、光出力を大きくすることができる。ここでは、面発光レーザアレイ201の光出力は約400Wである。 Since the surface-emission laser array 201 has a plurality of light-emitting portions, it is possible to increase the light output. Here, the light output of the surface emitting laser array 201 is about 400 W.

さらに、面発光レーザアレイ201における複数の発光部は、直径9mmの領域内に配置されている(図4参照)。そして、面発光レーザアレイ201における最も離れた2つの発光部間の距離は7.0mm以上である。 Further, the plurality of light emitting portions in the surface emitting laser array 201 are arranged in a region having a diameter of 9 mm (see FIG. 4). The distance between the two most distant light emitting portions in the surface emitting laser array 201 is 7.0 mm or more.

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。なお、第1集光光学系203は、複数の光学素子から構成されていても良い。 The first condensing optical system 203 has at least one condensing lens. The first condensing optical system 203 may be composed of a plurality of optical elements.

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。 By using the optical fiber 204, the distance between the surface emitting laser array 201 and the laser resonator 206 can be increased by the length of the optical fiber 204.

そこで、レーザ装置200をエンジンの点火装置に使用する場合、エンジン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 laser device 200 is used for the ignition device of the engine, the surface emitting laser array 201 can be kept away from the high temperature region and the vibration region around the engine, and the reliability of the ignition device can be improved.

ここでは、光ファイバ204から射出される光のM値は、約1200である。なお、光ファイバ204から射出される光のM値は、1500以下であれば良い。 Here, the M 2 value of the light emitted from the optical fiber 204 is about 1200. The M 2 value of the light emitted from the optical fiber 204 may be 1500 or less.

第2集光光学系205の詳細について説明する。 Details of the second condensing optical system 205 will be described.

第2集光光学系205は、複数の光学素子を有している。ここでは、第2集光光学系205は、第1レンズ205aと第2レンズ205bから構成されている(図5参照)。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。 The second condensing optical system 205 has a plurality of optical elements. Here, the second condensing optical system 205 is composed of a first lens 205a and a second lens 205b (see FIG. 5). The second condensing optical system 205 may be composed of three or more optical elements.

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 first lens 205a is a collimator lens, and makes the light emitted from the optical fiber 204 into substantially parallel light.

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。 The second lens 205b is a condensing lens and condenses the light made into the substantially parallel light by the first lens 205a.

第2集光光学系205は、倍率が1である。
なお、第2集光光学系205の倍率は、0.7以上であれば良い。
The second condensing optical system 205 has a magnification of 1.
The magnification of the second condensing optical system 205 may be 0.7 or more.

第2レンズ205bを介した光は、レーザ共振器206に入射される。なお、以下では、第2レンズ205bを介してレーザ共振器206に入射される光を「励起光」ともいう(図6参照)。 The light that has passed through the second lens 205b is incident on the laser resonator 206. In the following, the light incident on the laser resonator 206 via the second lens 205b is also referred to as “excitation light” (see FIG. 6).

ここでは、励起光のビームウエスト径(直径)は、約1.5mm(1/e)である。 Here, the beam waist diameter (diameter) of the excitation light is about 1.5 mm (1/e 2 ).

ところで、ビームウエストに対してビーム径が√2倍の大きさになるまでの範囲は、レイリー長と呼ばれている(図7参照)。 By the way, the range until the beam diameter becomes √2 times the beam waist is called Rayleigh length (see FIG. 7).

レーザ共振器206の詳細について説明する。 Details of the laser resonator 206 will be described.

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ため、単結晶に比べて生産性が良い。 Here, since the Nd:YAG crystal and the Cr:YAG crystal are both ceramics, the productivity is better than that of the single crystal.

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。 Further, since the boundary between the Nd:YAG crystal and the Cr:YAG crystal is not separated, the same characteristics as a single crystal can be obtained, which is mechanically and optically advantageous.

第2レンズ205bを介した光(励起光)は、レーザ媒質206aに入射される。すなわち、第2レンズ205bを介した光(励起光)によってレーザ媒質206aが励起される。 The light (excitation light) that has passed through the second lens 205b is incident on the laser medium 206a. That is, the laser medium 206a is excited by the light (excitation light) that has passed through the second lens 205b.

図8には、レーザ共振器206の第1の面の位置をZ軸方向に変化させ、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーを測定した結果の一部が示されている。 FIG. 8 shows a part of the result of measuring the energy per pulse of the laser light emitted from the laser resonator 206 by changing the position of the first surface of the laser resonator 206 in the Z-axis direction. ing.

これによると、レーザ共振器206の第1の面の位置をビームウェスト位置の−Z側(上流側)から+Z側に移動するにつれて、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーは、増加する傾向にある。 According to this, as the position of the first surface of the laser resonator 206 is moved from the −Z side (upstream side) of the beam waist position to the +Z side, one pulse of the laser light emitted from the laser resonator 206 Energy tends to increase.

例えば、レーザ共振器206の第1の面がビームウェスト位置の−Z側(上流側)0.5mmの位置にあるとき、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーは約3.3mJである。 For example, when the first surface of the laser resonator 206 is located on the -Z side (upstream side) of the beam waist position at 0.5 mm, the energy per pulse of the laser light emitted from the laser resonator 206 is about. It is 3.3 mJ.

また、レーザ共振器206の第1の面がビームウェスト位置にあるとき、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーは約3.65mJである。 Further, when the first surface of the laser resonator 206 is at the beam waist position, the energy per pulse of the laser light emitted from the laser resonator 206 is about 3.65 mJ.

また、レーザ共振器206の第1の面がビームウェスト位置の+Z側(下流側)0.5mmの位置にあるとき、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーは約3.75mJである。 Further, when the first surface of the laser resonator 206 is at a position of 0.5 mm on the +Z side (downstream side) of the beam waist position, the energy per pulse of the laser light emitted from the laser resonator 206 is about 3. It is 0.75 mJ.

そして、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーは、約3.75mJで飽和している。 The energy per pulse of the laser light emitted from the laser resonator 206 is saturated at about 3.75 mJ.

また、レーザ共振器206の第1の面の位置が、ビームウェスト位置の+Z側(下流側)にあれば、レーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーは、約3.65mJよりも大きい値を維持している。 If the position of the first surface of the laser resonator 206 is on the +Z side (downstream side) of the beam waist position, the energy per pulse of the laser light emitted from the laser resonator 206 is about 3. A value larger than 65 mJ is maintained.

そこで、レーザ共振器206は、励起光の進行方向(Z軸方向)に関して、第1の面の位置が、励起光のビームウエスト位置よりも下流側(+Z側)にあるように配置するのが良い。 Therefore, the laser resonator 206 is arranged so that the position of the first surface is on the downstream side (+Z side) of the beam waist position of the excitation light in the traveling direction of the excitation light (Z-axis direction). good.

本実施形態では、レーザ共振器206は、励起光の進行方向(Z軸方向)に関して、第1の面の位置が、励起光のビームウエスト位置よりも下流側(+Z側)0.5mmの位置にあるように配置されている。 In the present embodiment, in the laser resonator 206, the position of the first surface is 0.5 mm downstream (+Z side) from the beam waist position of the excitation light in the traveling direction of the excitation light (Z-axis direction). It is arranged as in.

なお、従来のレーザ装置では、1パルスあたりのエネルギーについては考慮されてなく、レーザ共振器は、第1の面がビームウェスト位置にくるように配置されていた。 In the conventional laser device, the energy per pulse is not taken into consideration, and the laser resonator is arranged so that the first surface is located at the beam waist position.

ところで、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とする場合、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、装置の大型化や高コスト化を招く。 By the way, the wavelength of the light emitted from the edge-emitting laser varies greatly with temperature. Therefore, in the ignition device which is supposed to be used in a high temperature environment, when the edge-emitting laser is used as the excitation light source, a precise temperature control mechanism for keeping the temperature of the edge-emitting laser constant is required. This leads to larger size and higher cost.

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とする点火装置では、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 temperature of about 1/10 of that of the edge emitting laser. Therefore, the ignition device using the surface emitting laser array as the excitation light source does not require a precise temperature control mechanism. Therefore, a small-sized 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 the light emitting region inside the semiconductor, there is no fear of end face destruction, and the reliability of the ignition device can be improved.

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、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。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「レーザ装置から射出されるレーザ光を集光する光学系」が構成されている。 As is clear from the above description, in the laser device 200 according to the present embodiment, the optical fiber 204 constitutes the “transmission member” in the laser device of the present invention. Then, in the ignition device 301 according to the present embodiment, the emission optical system 210 constitutes the “optical system for condensing the laser light emitted from the laser device” in the ignition device of the present invention.

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を備えている。 As described above, the laser device 200 according to the present embodiment includes the surface emitting laser array 201, the first condensing optical system 203, the optical fiber 204, the second condensing optical system 205, and the laser resonator 206. There is.

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-emission laser array 201 is an excitation light source, and the light emitted from the surface-emission laser array 201 is excited through the first condensing optical system 203, the optical fiber 204, and the second condensing optical system 205. It is incident on the laser resonator 206 as light.

そして、第2集光光学系205を介した光の進行方向(Z軸方向)に関して、レーザ共振器206における第2集光光学系205を介した光が入射する面の位置が、該光のビームウエスト位置よりも下流側(+Z側)にあるように設定されている。 Then, with respect to the traveling direction (Z-axis direction) of the light passing through the second condensing optical system 205, the position of the surface of the laser resonator 206 on which the light passing through the second condensing optical system 205 is incident is It is set to be on the downstream side (+Z side) of the beam waist position.

この場合は、レーザ装置200は、従来よりも1パルスあたりのエネルギーを高くすることができる。 In this case, the laser device 200 can increase the energy per pulse as compared with the conventional case.

ところで、発振効率が考慮される場合は、レーザ共振器206の第1の面は、レイリー長の範囲内に置くことが好ましい。レーザ共振器206の第1の面が、レイリー長の範囲から外れた位置にあると、励起光の集光角及び発散角(図6参照)がレイリー長の範囲内に比べて大きくなり、レーザ共振器内における発振に寄与しない領域が増加することがある(図9(A)及び図9(B)参照)。 When the oscillation efficiency is taken into consideration, the first surface of the laser resonator 206 is preferably placed within the Rayleigh length range. When the first surface of the laser resonator 206 is located outside the Rayleigh length range, the converging angle and divergence angle of the excitation light (see FIG. 6) are larger than those within the Rayleigh length range, and the laser A region that does not contribute to oscillation may increase in the resonator (see FIGS. 9A and 9B).

また、光ファイバ204から射出される光のM値は、1500以下である。仮に、光ファイバ204から射出される光のM値が、1500よりも大きいと、第2集光光学系及びレーザ共振器が同じであっても、レーザ共振器206に入射する光の発散角が大きくなる。この場合、レイリー長が短くなり、ビームウェスト位置とレーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーが飽和する位置との間の距離が短くなる。 The M 2 value of the light emitted from the optical fiber 204 is 1500 or less. If the M 2 value of the light emitted from the optical fiber 204 is larger than 1500, the divergence angle of the light incident on the laser resonator 206 is the same even if the second focusing optical system and the laser resonator are the same. Will grow. In this case, the Rayleigh length becomes short, and the distance between the beam waist position and the position where the energy per pulse of the laser light emitted from the laser resonator 206 is saturated becomes short.

また、第2集光光学系205は、倍率が0.7以上である。仮に、第2集光光学系205の倍率が0.7よりも小さいと、レーザ共振器206に入射する光の発散角が大きくなる。この場合、レイリー長が短くなり、ビームウェスト位置とレーザ共振器206から射出されるレーザ光の1パルスあたりのエネルギーが飽和する位置との間の距離が短くなる。 The second condensing optical system 205 has a magnification of 0.7 or more. If the magnification of the second condensing optical system 205 is smaller than 0.7, the divergence angle of the light incident on the laser resonator 206 becomes large. In this case, the Rayleigh length becomes short, and the distance between the beam waist position and the position where the energy per pulse of the laser light emitted from the laser resonator 206 is saturated becomes short.

そして、点火装置301は、レーザ装置200を備えているため、安定した点火を行うことができる。 Since the ignition device 301 includes the laser device 200, stable ignition can be performed.

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、安定性を向上させることができる。 Further, since the engine 300 includes the ignition device 301, the stability can be improved as a result.

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。 It should be noted that in the above embodiment, both the first condensing optical system 203 and the emission optical system 210 may be composed of a single optical element, or may be composed of a plurality of optical elements.

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。 Further, the laser device 200 can be used in a laser annealing device or a laser processing machine.

《レーザアニール装置》
一例として図10(A)及び図10(B)に、上述したレーザ装置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、及び不図示の制御装置などを備えている。
<Laser annealing device>
As an example, FIGS. 10A and 10B show a schematic configuration of a laser annealing apparatus 1000 having the laser apparatus 200 described above. The laser annealing apparatus 1000 includes a light source 1010, an optical system 1020, a table device 1030, and a control device (not shown).

光源1010は、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 light source 1010 has a laser device 200 and can emit laser light. The optical system 1020 guides the laser light emitted from the light source 1010 to the surface of the object P. The table device 1030 has a table on which the object P is placed. The table can move at least along the Y-axis direction.

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, when the object P is amorphous silicon (a-Si), when the laser light is irradiated, the temperature of the amorphous silicon (a-Si) rises, and then the amorphous silicon (a-Si) is crystallized by being gradually cooled, It becomes polysilicon (p-Si).

そして、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 the laser annealing apparatus 1000, since the light source 1010 has the laser device 200, the processing efficiency can be improved.

《レーザ加工機》
一例として図11に、上述したレーザ装置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. 11 shows a schematic configuration of a laser processing machine 3000 having the laser device 200 described above. The laser beam machine 3000 includes a light source 3010, an optical system 3100, a table 3150 on which an object P is placed, a table drive device 3160, an operation panel 3180, a control device 3200, and the like.

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 light source 3010 has a laser device 200 and emits laser light based on an instruction from the control device 3200. The optical system 3100 focuses the laser light emitted from the light source 3010 near the surface of the object P. The table drive device 3160 moves the table 3150 in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction based on an instruction from the control device 3200.

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 operation panel 3180 has a plurality of keys for an operator to perform various settings and a display for displaying various information. The control device 3200 controls the light source 3010 and the table drive device 3160 based on various setting information from the operation panel 3180.

そして、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。 Further, in the laser processing machine 3000, since the light source 3010 has the laser device 200, the processing efficiency of processing (for example, cutting or welding) can be improved.

なお、レーザ加工機3000は、複数の光源3010を有しても良い。 The laser beam machine 3000 may include a plurality of light sources 3010.

また、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 laser device 200 is also suitable for a device that uses laser light other than the laser annealing device and the laser processing machine. For example, the laser device 200 may be used as the light source of the display device.

200…レーザ装置、201…面発光レーザアレイ、203…第1集光光学系(光学系の一部)、204…光ファイバ(光学系の一部、伝送部材)、205…第2集光光学系(光学系の一部、レンズ系)、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。 Reference numeral 200... Laser device, 201... Surface emitting laser array, 203... First condensing optical system (part of optical system), 204... Optical fiber (part of optical system, transmission member), 205... Second condensing optics System (part of optical system, lens system), 205a... First lens, 205b... Second lens, 206... Laser resonator, 206a... Laser medium, 206b... Saturable absorber, 210... Ejection optical system (laser device) Optical system for condensing light from the), 212... Protective member, 220... Drive device, 222... Engine control device, 300... Engine (internal combustion engine), 301... Ignition device, 302... Fuel injection mechanism, 303... Exhaust mechanism , 304... Combustion chamber, 305... Piston, 1000... Laser annealing device, 1010... Light source, 1020... Optical system, 1030... Table device, 3000... Laser processing machine, 3010... Light source, 3100... Optical system, 3150... Table, 3160 ... table drive device, 3180... operation panel, 3200... control device, P... object.

特表2013−545280号公報Japanese Patent Publication No. 2013-545280 特開2014−192166号公報JP, 2014-192166, A

Claims (13)

複数の発光部を有する面発光レーザアレイを含む光源装置と、
前記光源装置からの光を伝送する光ファイバと、該光ファイバを介した光を集光するレンズ系とを含む光学系と、
前記光学系を介した光が照射され、レーザ光を射出するレーザ共振器とを備え、
前記光学系を介した光の進行方向に関して、前記レーザ共振器における前記光学系を介した光が入射する面の位置が、該光のビームウエスト位置よりも下流側にあるレーザ装置。
A light source device including a surface emitting laser array having a plurality of light emitting parts ;
An optical system that includes an optical fiber that transmits the light from the light source device and a lens system that collects the light through the optical fiber ;
It is provided with a laser resonator that is irradiated with light through the optical system and emits laser light,
A laser device in which a position of a surface of the laser resonator on which light through the optical system is incident is downstream of a beam waist position of the light in a traveling direction of the light through the optical system.
前記レーザ共振器における前記光学系を介した光が入射する面の位置は、該光のレイリー長の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。 The laser device according to claim 1, wherein a position of a surface of the laser resonator on which light is incident through the optical system is within a Rayleigh length of the light. 前記光ファイバは、コア径が1.5mmで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 device according to claim 1, wherein the optical fiber has a core diameter of 1.5 mm . 前記光学系は、前記光源装置と前記光ファイバとの間の光路上に配置された少なくとも1つの光学素子を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のレーザ装置。 Wherein the optical system, the laser apparatus according to claim 1, characterized in that it comprises at least one optical element disposed on an optical path between the optical fiber and the light source device. 前記光学系を介した光のM値は、1500以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載のレーザ装置。 Wherein M 2 value of the light through the optical system, the laser apparatus according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is 1500 or less. 前記光学系は、倍率が0.7倍以上であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載のレーザ装置。 Wherein the optical system, the magnification laser device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that at least 0.7 times. 前記レーザ共振器は、Qスイッチレーザであることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載のレーザ装置。 The laser resonator, the laser device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a Q-switched laser. 前記レーザ共振器は、レーザ媒質及び可飽和吸収体を含むことを特徴とする請求項に記載のレーザ装置。 The laser device according to claim 7 , wherein the laser resonator includes a laser medium and a saturable absorber. 前記レーザ媒質はNdがドープされたYAG結晶であり、前記可飽和吸収体はCrがドープされたYAG結晶であることを特徴とする請求項に記載のレーザ装置。 9. The laser device according to claim 8 , wherein the laser medium is a Nd-doped YAG crystal, and the saturable absorber is a Cr-doped YAG crystal. 前記レーザ共振器は、コンポジット結晶であることを特徴とする請求項又はに記載のレーザ装置。 The laser device according to claim 8 or 9 , wherein the laser resonator is a composite crystal. 前記レーザ共振器は、セラミックスであることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のレーザ装置。 The laser resonator, the laser device according to any one of claims 1 to 10, characterized in that a ceramic. 請求項1〜11のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
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。
A laser device according to any one of claims 1 to 11
An ignition system comprising: an optical system that collects light from the laser device.
燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関において、
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 burns fuel to produce combustion gas,
An internal combustion engine comprising the ignition device according to claim 12 for igniting the fuel.
JP2016092926A 2016-05-06 2016-05-06 Laser device, ignition device and internal combustion engine Active JP6739748B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016092926A JP6739748B2 (en) 2016-05-06 2016-05-06 Laser device, ignition device and internal combustion engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016092926A JP6739748B2 (en) 2016-05-06 2016-05-06 Laser device, ignition device and internal combustion engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017201662A JP2017201662A (en) 2017-11-09
JP6739748B2 true JP6739748B2 (en) 2020-08-12

Family

ID=60264962

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016092926A Active JP6739748B2 (en) 2016-05-06 2016-05-06 Laser device, ignition device and internal combustion engine

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6739748B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3722271A4 (en) 2019-02-12 2021-06-16 JX Nippon Mining & Metals Corporation Cr:yag sintered body
KR102472976B1 (en) * 2020-09-08 2022-11-30 트라이아이 엘티디. Novel manual Q-switch laser

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003158325A (en) * 2001-09-10 2003-05-30 Hamamatsu Photonics Kk Passive q switch laser
DE102007041531A1 (en) * 2007-08-31 2009-03-05 Robert Bosch Gmbh Laser device and operating method for this
JP2009194076A (en) * 2008-02-13 2009-08-27 Ngk Spark Plug Co Ltd Laser ignition device
JP6245629B2 (en) * 2013-03-26 2017-12-13 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 In-vehicle ignition system using semiconductor laser pumped solid-state laser device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017201662A (en) 2017-11-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3002834B1 (en) Laser device, ignition system, and internal combustion engine
JP2020127051A (en) Laser device, ignition device, and internal combustion engine
JP6741207B2 (en) Laser device, ignition device and internal combustion engine
JP5630765B2 (en) Laser ignition device
EP3002835A1 (en) Laser device, ignition system, and internal combustion engine
CN101989048A (en) Light source device
US8746196B2 (en) Laser spark plug for an internal combustion engine
JP6358531B2 (en) Laser ignition device
US20100238680A1 (en) Laser energy source device and method
JP6848302B2 (en) Surface emitting laser array and laser equipment
JP6739748B2 (en) Laser device, ignition device and internal combustion engine
JP2016072610A (en) Laser apparatus, ignition apparatus and internal combustion engine
EP3023631A1 (en) Laser device, ignition system, and internal combustion engine
JP2010014030A (en) Laser ignition device
JP2017111278A (en) Optical window member, laser device, ignition device, and internal combustion engine
JP2017106406A (en) Laser ignition device and internal combustion engine
JP2018085469A (en) Laser device, ignition device and internal combustion engine
JP2018074105A (en) Laser device, ignition device and internal combustion engine
JP2016072611A (en) Laser apparatus, ignition apparatus and internal combustion engine
JP4772600B2 (en) Multi-point output laser ignition system
JP6848337B2 (en) Laser device, ignition device, and internal combustion engine
JP7040033B2 (en) Laser device and internal combustion engine
JP2018152539A (en) Laser device, ignition device and internal combustion engine
RO129307B1 (en) Laser system with two laser beams for ignition of internal combustion engines
JP2017220630A (en) Laser beam generating device and laser ignition device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190220

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200129

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200302

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200428

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200622

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200705

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6739748

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151