JP7040033B2 - Laser device and internal combustion engine - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ装置および内燃機関に関する。 The present invention relates to a laser device and an internal combustion engine.

半導体レーザを励起用光源として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。特に、このようなレーザ装置を自動車などの内燃機関における点火装置として用いる方法が検討されている。 Laser devices that use semiconductor lasers as excitation light sources are expected to be applied to various fields such as ignition devices, laser processing machines, and medical equipment. In particular, a method of using such a laser device as an ignition device in an internal combustion engine such as an automobile is being studied.

このような点火装置では、半導体レーザから発振されたレーザ光(励起光)をQスイッチ式のレーザ共振器に照射して、エネルギー密度の高いパルスレーザ光を発振する。発振されたパルスレーザ光は、シリンダヘッド内の集光用レンズおよび入射用の透明な燃焼室窓(光学窓)を通して、燃焼室内に導入された混合気中に集光させる。これにより、燃焼室内にプラズマが発生し、燃焼室内に噴射された燃料を着火させる。 In such an ignition device, a laser beam (excitation light) oscillated from a semiconductor laser is applied to a Q-switch type laser resonator to oscillate a pulsed laser beam having a high energy density. The oscillated pulsed laser light is focused in the air-fuel mixture introduced into the combustion chamber through the focusing lens in the cylinder head and the transparent combustion chamber window (optical window) for incident light. As a result, plasma is generated in the combustion chamber, and the fuel injected into the combustion chamber is ignited.

また、光学窓は、燃焼室に晒されているので、燃焼室内が燃焼により高温、高圧になっても耐えられるように、ハウジングに設けた光学窓保持部材にロウ材を用いて固定されている(例えば、特許文献1参照)。 Further, since the optical window is exposed to the combustion chamber, it is fixed to the optical window holding member provided in the housing by using a brazing material so that the combustion chamber can withstand high temperature and high pressure due to combustion. (See, for example, Patent Document 1).

しかしながら、従来の点火装置では、ロウ材が燃焼室に露出している。そのため、内燃機関における燃焼の際、燃焼室内の温度が、数百℃、瞬間的には数千℃にも上昇するため、ロウ材の燃焼室側の表面が酸化し、劣化する可能性がある。ロウ材が劣化すると、ロウ材の表面に亀裂が生じたり、ロウ材が欠落し、光学窓がハウジングに安定して固定できなくなったりする可能性がある。 However, in the conventional ignition device, the brazing material is exposed in the combustion chamber. Therefore, during combustion in an internal combustion engine, the temperature in the combustion chamber rises to several hundred degrees Celsius, and momentarily to several thousand degrees Celsius, so the surface of the brazing material on the combustion chamber side may be oxidized and deteriorated. .. When the brazing material deteriorates, the surface of the brazing material may be cracked or the brazing material may be chipped, and the optical window may not be stably fixed to the housing.

本発明の一態様は、光学窓を安定して固定することができるレーザ装置を提供することを目的とする。 One aspect of the present invention is to provide a laser device capable of stably fixing an optical window.

本発明の一態様によるレーザ装置は、光源と、前記光源から出射される光を集光する光学系と、前記光学系が収容される筐体と、前記筐体に設けられ、前記光学系を介した光が入射される窓部材とを有するレーザ装置において、前記窓部材は、前記光学系を介した光が通過する光学窓と、前記光学窓を保持する光学窓保持部材と、前記光学窓と前記光学窓保持部材を接合する接合部と、を有し、前記光学窓保持部材の出射側端面に隣接する前記接合部の出射側表面に保護層が設けられる。

The laser device according to one aspect of the present invention includes a light source, an optical system that collects light emitted from the light source, a housing in which the optical system is housed, and the optical system provided in the housing. In a laser apparatus having a window member through which light is incident, the window member includes an optical window through which light passes through the optical system, an optical window holding member that holds the optical window, and the optical window. And a joint portion for joining the optical window holding member, and a protective layer is provided on the emission side surface of the joint portion adjacent to the emission side end surface of the optical window holding member .

本発明の一態様によるレーザ装置は、光学窓を安定して固定することができる。 The laser device according to one aspect of the present invention can stably fix the optical window.

実施形態に係るレーザ装置を備える内燃機関の主要部を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the main part of the internal combustion engine which includes the laser apparatus which concerns on embodiment. レーザ装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of a laser apparatus. 窓部材の構成を具体的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows concretely the structure of a window member. 窓部材の他の構成の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of another structure of a window member.

以下、実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail.

実施形態によるレーザ装置を内燃機関に適用した場合について、図面を参照して説明する。本実施形態では、内燃機関としてエンジンを用いた場合について説明する。 A case where the laser device according to the embodiment is applied to an internal combustion engine will be described with reference to the drawings. In this embodiment, a case where an engine is used as an internal combustion engine will be described.

<内燃機関>
図1は、実施形態に係るレーザ装置を備える内燃機関の主要部を模式的に示す図である。図1に示すように、エンジン10は、レーザ装置11、燃料噴出機構12、排気機構13、燃焼室14、およびピストン15を有する。
<Internal combustion engine>
FIG. 1 is a diagram schematically showing a main part of an internal combustion engine including a laser device according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the engine 10 includes a laser device 11, a fuel ejection mechanism 12, an exhaust mechanism 13, a combustion chamber 14, and a piston 15.

エンジン10の動作について簡単に説明する。燃料噴出機構12が、燃料と空気とを含む可燃性混合気を燃焼室14内に噴出させる(吸気)。その後、ピストン15が上昇して、可燃性混合気が圧縮される(圧縮)。レーザ装置11は、燃焼室14内の圧縮された混合気中にレーザ光を集光させ、プラズマを発生させる。発生したプラズマにより、混合気中の燃料に点火させる(着火)。点火により混合気が燃焼(爆発)することで、燃焼室14内で燃焼ガスが膨張する。これにより、ピストン15が降下する(燃焼)。その後、排気機構13が、燃焼ガスを燃焼室14外へ排気する(排気)。 The operation of the engine 10 will be briefly described. The fuel ejection mechanism 12 ejects a flammable air-fuel mixture containing fuel and air into the combustion chamber 14 (intake). After that, the piston 15 rises and the flammable air-fuel mixture is compressed (compression). The laser device 11 concentrates the laser light in the compressed air-fuel mixture in the combustion chamber 14 to generate plasma. The generated plasma ignites the fuel in the air-fuel mixture (ignition). Combustion gas expands in the combustion chamber 14 due to combustion (explosion) of the air-fuel mixture due to ignition. As a result, the piston 15 descends (combustion). After that, the exhaust mechanism 13 exhausts the combustion gas to the outside of the combustion chamber 14 (exhaust).

このように、エンジン10では、吸気、圧縮、着火、燃焼、および排気からなる一連の工程が繰り返される。そして、燃焼室14内の気体の体積変化に対応してピストン15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などが用いられる。 As described above, in the engine 10, a series of steps including intake, compression, ignition, combustion, and exhaust are repeated. Then, the piston 15 moves in response to the change in the volume of the gas in the combustion chamber 14 to generate kinetic energy. As the fuel, for example, natural gas or gasoline is used.

なお、レーザ装置11は、エンジン10の外部に設けられている駆動装置16と電気的に接続されており、レーザ装置11におけるレーザ光の出射は、エンジン制御装置17の指示に基づいて駆動装置16により制御される。 The laser device 11 is electrically connected to a drive device 16 provided outside the engine 10, and the laser light emitted from the laser device 11 is emitted from the drive device 16 based on an instruction from the engine control device 17. Is controlled by.

<レーザ装置>
レーザ装置11について説明する。レーザ装置11の構成の一例を図2に示す。図2に示すように、レーザ装置11は、面発光レーザ(光源)21、第1集光光学系22、光ファイバ(伝送部材)23、第2集光光学系24、レーザ共振器25、第3集光光学系26、窓部材27、および筐体(ハウジング)28を有する。なお、図2中、レーザ光は、二点鎖線で示す。また、本明細書では、XYZ3次元直交座標系を用い、面発光レーザ21からのレーザ光の出射方向を+Z方向として説明する。
<Laser device>
The laser device 11 will be described. FIG. 2 shows an example of the configuration of the laser device 11. As shown in FIG. 2, the laser apparatus 11 includes a surface emitting laser (light source) 21, a first condensing optical system 22, an optical fiber (transmission member) 23, a second condensing optical system 24, a laser resonator 25, and a second. 3 It has a condensing optical system 26, a window member 27, and a housing 28. In FIG. 2, the laser beam is indicated by a two-dot chain line. Further, in this specification, the XYZ three-dimensional Cartesian coordinate system is used, and the emission direction of the laser beam from the surface emitting laser 21 is described as the + Z direction.

面発光レーザ21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21からレーザ光を出射する際には、複数の発光部が同時に発光し、面発光レーザ21からレーザ光を出射しない場合には、複数の発光部が同時に消灯する。面発光レーザ21から出射されるレーザ光の波長は、例えば、約808nmである。 The surface emitting laser 21 is an excitation light source and has a plurality of light emitting units. Each light emitting unit is a vertical cavity type surface emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser). When the surface emitting laser 21 emits the laser light, the plurality of light emitting units emit light at the same time, and when the surface emitting laser 21 does not emit the laser light, the plurality of light emitting units are turned off at the same time. The wavelength of the laser beam emitted from the surface emitting laser 21 is, for example, about 808 nm.

面発光レーザ21は、駆動装置16と電気的に接続されており、エンジン制御装置17の指示に基づいて、駆動装置16が面発光レーザ21を駆動して、面発光レーザ21からレーザ光が出射される。 The surface emitting laser 21 is electrically connected to the driving device 16, and the driving device 16 drives the surface emitting laser 21 based on the instruction of the engine control device 17, and the laser light is emitted from the surface emitting laser 21. Will be done.

ところで、半導体レーザとして、端面発光レーザが知られている。しかし、端面発光レーザから出射されるレーザ光の波長は、温度に対して大きく変動しやすい。レーザ装置11は、エンジン10の周辺の高温環境下で使用されるため、端面発光レーザを励起用光源に使用する場合、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る。そのため、レーザ装置11の大型化や高コスト化を招く。 By the way, as a semiconductor laser, an end face emitting laser is known. However, the wavelength of the laser beam emitted from the end face emitting laser tends to fluctuate greatly with respect to the temperature. Since the laser device 11 is used in a high temperature environment around the engine 10, when the end face emitting laser is used as an excitation light source, a precise temperature control mechanism for keeping the temperature of the end face emitting laser constant is required. Become. Therefore, the size and cost of the laser device 11 are increased.

一方、面発光レーザ21から出射されるレーザ光の波長の変動は、端面発光レーザから出射されるレーザ光の波長の変動の約1/10である。レーザ装置11は、面発光レーザ21を励起用光源に使用しているので、精密な温度制御機構を必要としない。そのため、レーザ装置11は、小型かつ低コストにすることができる。また、面発光レーザ21は、発光領域が半導体内部にあるため、端面破壊の懸念がなく、安定して発光することができる。 On the other hand, the fluctuation of the wavelength of the laser light emitted from the surface emitting laser 21 is about 1/10 of the fluctuation of the wavelength of the laser light emitted from the end face emitting laser. Since the laser device 11 uses the surface emitting laser 21 as the excitation light source, the laser device 11 does not require a precise temperature control mechanism. Therefore, the laser device 11 can be made small and low in cost. Further, since the surface emitting laser 21 has a light emitting region inside the semiconductor, there is no concern about end face destruction, and the surface emitting laser 21 can emit light stably.

さらに、面発光レーザ21は、出射されるレーザ光の、温度による波長ずれが非常に小さい。そのため、面発光レーザ21は、波長ずれによって特性が大きく変化するQスイッチ式のレーザ共振器でレーザ光のエネルギー密度を高めるのに有利な光源である。そこで、面発光レーザ21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することができる。 Further, the surface emitting laser 21 has a very small wavelength shift of the emitted laser light due to temperature. Therefore, the surface emitting laser 21 is a Q-switch type laser resonator whose characteristics greatly change due to wavelength shift, and is an advantageous light source for increasing the energy density of the laser light. Therefore, if the surface emitting laser 21 is used as an excitation light source, the temperature control of the environment can be simplified.

第1集光光学系22は、面発光レーザ21から出射されたレーザ光を光ファイバ23の-Z側端面の中心部に集光する。第1集光光学系22は、少なくとも1つの集光レンズを有する。本実施形態では、第1集光光学系22は、マイクロレンズ221、および集光レンズ系222を有している。 The first condensing optical system 22 condenses the laser light emitted from the surface emitting laser 21 to the central portion of the −Z side end surface of the optical fiber 23. The first condensing optical system 22 has at least one condensing lens. In the present embodiment, the first condensing optical system 22 has a microlens 221 and a condensing lens system 222.

マイクロレンズ221は、面発光レーザ21から出射されたレーザ光の光路上に配置されている。マイクロレンズ221は、面発光レーザ21の複数の発光部に対応する複数のレンズを有する。各レンズは、対応する発光部から出射されたレーザ光を略平行光とする。すなわち、マイクロレンズ221は、面発光レーザ21から出射されたレーザ光をコリメートする。 The microlens 221 is arranged on the optical path of the laser beam emitted from the surface emitting laser 21. The microlens 221 has a plurality of lenses corresponding to a plurality of light emitting portions of the surface emitting laser 21. For each lens, the laser light emitted from the corresponding light emitting portion is regarded as substantially parallel light. That is, the microlens 221 collimates the laser beam emitted from the surface emitting laser 21.

面発光レーザ21とマイクロレンズ221とのZ軸方向に関する距離は、マイクロレンズ221の焦点距離に応じて決定される。 The distance between the surface emitting laser 21 and the microlens 221 in the Z-axis direction is determined according to the focal length of the microlens 221.

集光レンズ系222は、マイクロレンズ221を介したレーザ光を集光する。 The condenser lens system 222 concentrates the laser light through the microlens 221.

集光レンズ系222は、マイクロレンズ221を介したレーザ光の断面積、光ファイバ23のコア径および開口数(NA)に応じて適切なものが選択される。なお、集光レンズ系222は、複数の光学素子から構成されていてもよい。 An appropriate condenser lens system 222 is selected according to the cross-sectional area of the laser beam passing through the microlens 221, the core diameter of the optical fiber 23, and the numerical aperture (NA). The condenser lens system 222 may be composed of a plurality of optical elements.

なお、第1集光光学系22は、少なくとも1つの集光レンズを有していればよく、複数の光学素子で構成されていてもよい。 The first condensing optical system 22 may have at least one condensing lens, and may be composed of a plurality of optical elements.

光ファイバ23は、第1集光光学系22によってレーザ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。本実施形態では、光ファイバ23としては、例えば、コア径が1.5mmの光ファイバが用いられる。 The optical fiber 23 is arranged so that the center of the end face on the −Z side of the core is located at a position where the laser beam is focused by the first condensing optical system 22. In the present embodiment, as the optical fiber 23, for example, an optical fiber having a core diameter of 1.5 mm is used.

光ファイバ23に入射したレーザ光は、コア内を伝播し、コアの+Z側端面から出射する。 The laser light incident on the optical fiber 23 propagates in the core and is emitted from the + Z side end surface of the core.

光ファイバ23を設けることによって、面発光レーザ21をレーザ共振器25から離れた位置に置くことができる。これにより、面発光レーザ21や第1集光光学系22の配置の自由度が増大する。また、エンジン10の周辺の高温領域から面発光レーザ21を遠ざけることができるので、エンジン10の冷却方法の幅を広げることができる。さらに、振動源であるエンジン10から面発光レーザ21を遠ざけた位置に設けることができるので、面発光レーザ21から出射されるレーザ光のぶれを防ぐことができる。 By providing the optical fiber 23, the surface emitting laser 21 can be placed at a position away from the laser resonator 25. This increases the degree of freedom in arranging the surface emitting laser 21 and the first condensing optical system 22. Further, since the surface emitting laser 21 can be kept away from the high temperature region around the engine 10, the range of cooling methods for the engine 10 can be widened. Further, since the surface emitting laser 21 can be provided at a position away from the engine 10 which is a vibration source, it is possible to prevent the laser light emitted from the surface emitting laser 21 from being shaken.

第2集光光学系24は、光ファイバ23から出射されたレーザ光の光路上に配置され、光ファイバ23から出射された光を集光する。第2集光光学系24で集光されたレーザ光は、レーザ共振器25に入射する。本実施形態では、第2集光光学系24は、第1レンズ241、および第2レンズ242を有している。 The second condensing optical system 24 is arranged on the optical path of the laser light emitted from the optical fiber 23, and condenses the light emitted from the optical fiber 23. The laser light focused by the second condensing optical system 24 is incident on the laser resonator 25. In the present embodiment, the second condensing optical system 24 has a first lens 241 and a second lens 242.

第1レンズ241は、コリメートレンズであり、光ファイバ23から出射されたレーザ光を略平行光とする。 The first lens 241 is a collimated lens, and the laser light emitted from the optical fiber 23 is regarded as substantially parallel light.

第2レンズ242は、集光レンズであり、第1レンズ241によって略平行光とされたレーザ光を集光する。 The second lens 242 is a condensing lens, and condenses the laser light which is substantially parallel light by the first lens 241.

なお、第2集光光学系24は、集光レンズを有していれば、1つの光学素子で構成されていてもよいし、3つ以上のレンズを有していてもよい。 The second condensing optical system 24 may be composed of one optical element or may have three or more lenses as long as it has a condensing lens.

レーザ共振器25は、Qスイッチ式のレーザ共振器である。本実施形態では、レーザ共振器25は、レーザ媒質251、および可飽和吸収体252を有している。レーザ共振器25では、入射されたレーザ光のエネルギー密度が高められて、波長が例えば約1064nmのレーザ光が短いパルス幅で出射される。 The laser cavity 25 is a Q-switch type laser cavity. In this embodiment, the laser cavity 25 has a laser medium 251 and a saturable absorber 252. In the laser resonator 25, the energy density of the incident laser light is increased, and the laser light having a wavelength of, for example, about 1064 nm is emitted with a short pulse width.

レーザ媒質251は、略直方体形状のNd:YAG結晶であり、Ndが1.1%ドープされている。 The laser medium 251 is a substantially rectangular parallelepiped Nd: YAG crystal, and Nd is doped with 1.1%.

可飽和吸収体252は、略直方体形状のCr:YAG結晶である。可飽和吸収体252は、レーザ光の吸収量によって透過率が変化するものであり、初期透過率は約0.50(50%)である。レーザ光の吸収量が小さい時は吸収体として機能し、レーザ光の吸収量が飽和すると透明になる。可飽和吸収体252が透明になることで、Qスイッチ発振が発生する。 The saturable absorber 252 is a Cr: YAG crystal having a substantially rectangular parallelepiped shape. The transmittance of the saturable absorber 252 changes depending on the amount of laser light absorbed, and the initial transmittance is about 0.50 (50%). When the amount of laser light absorbed is small, it functions as an absorber, and when the amount of laser light absorbed is saturated, it becomes transparent. When the saturable absorber 252 becomes transparent, Q-switch oscillation occurs.

Nd:YAG結晶および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コストが低く、安価である。また、Nd:YAG結晶とCr:YAG結晶とは接合されて、いわゆるコンポジット結晶となっている。そのため、Nd:YAG結晶とCr:YAG結晶との境界は分離していないため、レーザ共振器25は、単一の結晶と同等の特性を得ることができる。 Since both the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are ceramics, the production cost is lower and the cost is lower than that of the single crystal. Further, the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are joined to form a so-called composite crystal. Therefore, since the boundary between the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal is not separated, the laser resonator 25 can obtain the same characteristics as a single crystal.

また、レーザ媒質251の入射側(-Z側)の面(入射面)251a、および可飽和吸収体252の出射側(+Z側)の面(出射面)252bは、光学研磨処理が施されている。これにより、ミラーの役割を果たすことができる。 Further, the surface (incident surface) 251a on the incident side (-Z side) of the laser medium 251 and the surface (exit surface) 252b on the exit side (+ Z side) of the saturable absorber 252 are optically polished. There is. This can act as a mirror.

さらに、入射面251aおよび出射面252bには、面発光レーザ21から出射される光の波長(例えば、808nm)、およびレーザ共振器25から出射されるレーザ光の波長(例えば、1064nm)に応じた誘電体層が形成されている。例えば、入射面251aには、波長が808nmのレーザ光に対して高い透過率を示し、波長が1064nmのレーザ光に対して高い反射率を示す誘電体層が形成される。出射面252bには、波長が1064nmのレーザ光に対して約50%の反射率を示す誘電体層が形成される。 Further, the incident surface 251a and the emitting surface 252b correspond to the wavelength of the light emitted from the surface emitting laser 21 (for example, 808 nm) and the wavelength of the laser light emitted from the laser resonator 25 (for example, 1064 nm). A dielectric layer is formed. For example, a dielectric layer is formed on the incident surface 251a, which exhibits high transmittance for laser light having a wavelength of 808 nm and high reflectance for laser light having a wavelength of 1064 nm. A dielectric layer having a reflectance of about 50% with respect to a laser beam having a wavelength of 1064 nm is formed on the emission surface 252b.

第2集光光学系24で集光されたレーザ光がレーザ共振器25に入射すると、レーザ光はレーザ共振器25内で共振し増幅される。また、レーザ媒質251に入射したレーザ光によってレーザ媒質251が励起される。なお、面発光レーザ21から出射されるレーザ光の波長(例えば、808nm)は、YAG結晶において最も吸収効率の高い波長である。また、面発光レーザ21から出射され、第1集光光学系22および光ファイバ23を通って、レーザ媒質251に入射されるレーザ光を、「励起光」ともいう。 When the laser light focused by the second condensing optical system 24 is incident on the laser resonator 25, the laser beam resonates and is amplified in the laser resonator 25. Further, the laser medium 251 is excited by the laser light incident on the laser medium 251. The wavelength of the laser beam emitted from the surface emitting laser 21 (for example, 808 nm) is the wavelength having the highest absorption efficiency in the YAG crystal. Further, the laser light emitted from the surface emitting laser 21 and incident on the laser medium 251 through the first condensing optical system 22 and the optical fiber 23 is also referred to as “excitation light”.

レーザ共振器25内でレーザ光が共振し増幅されることで、レーザ光のエネルギー密度が高くなる。可飽和吸収体252においてレーザ光の吸収量が飽和すると、可飽和吸収体252においてQスイッチ発振が発生する。これにより、エネルギー密度の高いレーザ光がレーザ共振器25から短いパルス幅でエネルギーを集中させて出射される。レーザ共振器25から出射されるレーザ光を、パルスレーザ光ともいう。パルスレーザ光の波長は、例えば、約1064nmである。 The energy density of the laser beam increases because the laser beam resonates and is amplified in the laser resonator 25. When the amount of laser light absorbed by the saturable absorber 252 is saturated, Q-switch oscillation occurs in the saturable absorber 252. As a result, the laser beam having a high energy density is emitted from the laser resonator 25 by concentrating the energy with a short pulse width. The laser light emitted from the laser resonator 25 is also referred to as a pulse laser light. The wavelength of the pulsed laser light is, for example, about 1064 nm.

レーザ共振器25で増幅されたレーザ光は、第3集光光学系26に入射される。 The laser beam amplified by the laser resonator 25 is incident on the third condensing optical system 26.

第3集光光学系26は、レーザ共振器25から出射されるレーザ光の光路上に配置されている。第3集光光学系26は、レーザ共振器25から出射されるレーザ光を集光させ、集光点で高いエネルギー密度を得る。集光されたレーザ光は、ある一定のエネルギー密度を超えると、燃焼室14内の可燃性混合気に含まれる気体を構成する分子が電離し、陽イオンと電子とに別れ、プラズマ化(ブレークダウン)する。 The third condensing optical system 26 is arranged on the optical path of the laser beam emitted from the laser resonator 25. The third condensing optical system 26 condenses the laser light emitted from the laser resonator 25 and obtains a high energy density at the condensing point. When the focused laser light exceeds a certain energy density, the molecules constituting the gas contained in the combustible air-fuel mixture in the combustion chamber 14 are ionized and separated into cations and electrons, resulting in plasma formation (break). Down).

本実施形態では、第3集光光学系26は、第3レンズ261、第4レンズ262、および第5レンズ263で構成されている。 In the present embodiment, the third condensing optical system 26 is composed of a third lens 261, a fourth lens 262, and a fifth lens 263.

第3レンズ261は、レーザ共振器25から出射されるレーザ光の発散角度を大きくするための光学素子であり、本実施形態では、凹レンズが用いられている。 The third lens 261 is an optical element for increasing the divergence angle of the laser light emitted from the laser resonator 25, and a concave lens is used in the present embodiment.

第4レンズ262は、第3レンズ261からの発散光をコリメートするための光学素子であり、本実施形態では、コリメートレンズが用いられている。 The fourth lens 262 is an optical element for collimating the divergent light from the third lens 261, and in the present embodiment, the collimating lens is used.

第5レンズ263は、第4レンズ262からのレーザ光を集光するための光学素子であり、本実施形態では、集光レンズが用いられている。 The fifth lens 263 is an optical element for condensing the laser light from the fourth lens 262, and in the present embodiment, the condensing lens is used.

第5レンズ263によりレーザ光が集光され、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。集光されたレーザ光は、ある一定のエネルギー密度を超えることで、燃焼室14内の可燃性混合気中の気体を構成する分子が電離され、プラズマが発生する。 The laser beam is focused by the fifth lens 263, and a high energy density can be obtained at the focusing point. When the focused laser light exceeds a certain energy density, the molecules constituting the gas in the combustible mixture in the combustion chamber 14 are ionized, and plasma is generated.

第3集光光学系26は、第3集光光学系26を構成するレンズの光軸方向の位置や第3集光光学系26を構成するレンズの組み合わせによって、レーザ装置11から出射される光のZ軸方向に関する集光位置の調整を行うことができる。 The third condensing optical system 26 is the light emitted from the laser apparatus 11 depending on the position of the lens constituting the third condensing optical system 26 in the optical axis direction and the combination of the lenses constituting the third condensing optical system 26. The light collection position can be adjusted in the Z-axis direction.

なお、第3集光光学系26は、3つのレンズで構成されているが、少なくとも1つのレンズで構成されていればよく、一つの光学素子で構成されていてもよいし、複数の光学素子で構成されていてもよい。 Although the third condensing optical system 26 is composed of three lenses, it may be composed of at least one lens, may be composed of one optical element, or may be composed of a plurality of optical elements. It may be composed of.

窓部材27の構成について説明する。窓部材27の構成を具体的に図3に示す。図3に示すように、窓部材27は、光学窓(窓本体)271、光学窓保持部材272、誘電体層273、および保護層274を有する。 The configuration of the window member 27 will be described. The configuration of the window member 27 is specifically shown in FIG. As shown in FIG. 3, the window member 27 has an optical window (window body) 271, an optical window holding member 272, a dielectric layer 273, and a protective layer 274.

光学窓271は、第3集光光学系26から出射されるレーザ光の光路上に配置されている。光学窓271は、透明または半透明の材料で構成され、レーザ光の入射面271aおよび出射面271bを有する。光学窓271は、光学窓保持部材272の内面に、接合部として、ロウ材(接合材)を用いて形成されたロウ付け部29で固定される。光学窓271は、ハウジング28の燃焼室14側の面に形成された開口に位置するように配置される。第3集光光学系26から出射されたレーザ光は、光学窓271を透過して、燃焼室14内で集光される。 The optical window 271 is arranged on the optical path of the laser beam emitted from the third condensing optical system 26. The optical window 271 is made of a transparent or translucent material and has an entrance surface 271a and an emission surface 271b of laser light. The optical window 271 is fixed to the inner surface of the optical window holding member 272 by a brazing portion 29 formed by using a brazing material (joining material) as a joining portion. The optical window 271 is arranged so as to be located in an opening formed on the surface of the housing 28 on the combustion chamber 14 side. The laser light emitted from the third condensing optical system 26 passes through the optical window 271 and is condensed in the combustion chamber 14.

光学窓271の平面視における形状は、特に限定されるものではなく、例えば、矩形状、円形状、楕円状、長方形状、多角形状などであってもよい。 The shape of the optical window 271 in a plan view is not particularly limited, and may be, for example, a rectangular shape, a circular shape, an elliptical shape, a rectangular shape, a polygonal shape, or the like.

光学窓271の材料としては、例えば、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラスなどを用いることができる。特に、光学窓271は、燃焼室14内に発生する燃焼圧力からハウジング28の内部の光学部材などを保護するため、十分な耐圧強度が必要となる。そこで、光学窓271の厚みを厚くすることが考えられる。しかし、光学窓271の厚みが厚くなると、光学窓271の出射面で入射したレーザ光の一部が反射されて、光学窓271の内部で集光しやすくなる。そのため、光学窓271の内部での集光を抑制するためには、第3集光光学系26の焦点距離を長くする必要がある。 As the material of the optical window 271, for example, optical glass, heat-resistant glass, quartz glass, sapphire glass and the like can be used. In particular, the optical window 271 needs to have sufficient compressive strength in order to protect the optical member inside the housing 28 from the combustion pressure generated in the combustion chamber 14. Therefore, it is conceivable to increase the thickness of the optical window 271. However, when the thickness of the optical window 271 is increased, a part of the laser beam incident on the emission surface of the optical window 271 is reflected, and it becomes easy to collect the light inside the optical window 271. Therefore, in order to suppress the focusing inside the optical window 271, it is necessary to lengthen the focal length of the third focusing optical system 26.

第3集光光学系26は、その焦点距離を長くすると、レンズの開口数(NA)が小さくなるので、集光強度が低下し、着火性が低下する。そのため、光学窓271の厚さは、できる限り薄いことが好ましい。そこで、光学窓271の材料としては、高温高圧環境下での耐久性に優れたサファイアガラスを用いることが好ましい。 When the focal length of the third focusing optical system 26 is lengthened, the numerical aperture (NA) of the lens is reduced, so that the focusing intensity is lowered and the ignitability is lowered. Therefore, the thickness of the optical window 271 is preferably as thin as possible. Therefore, as the material of the optical window 271, it is preferable to use sapphire glass having excellent durability in a high temperature and high pressure environment.

光学窓保持部材272は、ハウジング28の燃焼室14側の面に形成された開口の周囲にハウジング28を覆うように取り付けられている。光学窓保持部材272は、レーザ溶接などにより形成される溶接部30により、ハウジング28に固定される。なお、光学窓保持部材272のハウジング28への固定方法は、レーザ溶接などの溶接以外に、例えば、ねじ止め、焼きばめ、接着などにより、ハウジング28に固定されてもよい。 The optical window holding member 272 is attached so as to cover the housing 28 around an opening formed on the surface of the housing 28 on the combustion chamber 14 side. The optical window holding member 272 is fixed to the housing 28 by a welded portion 30 formed by laser welding or the like. The optical window holding member 272 may be fixed to the housing 28 by, for example, screwing, shrink fitting, or bonding, in addition to welding such as laser welding.

光学窓保持部材272は、その内面に、ロウ付け部29で光学窓271を固定して保持している。ロウ材としては、例えば、Au、Ag、Cu、Pd、Al、Mg、Pt、P、Ti、W、Sn、Ni、Zn、Si、B、Cd、Li、Mn、Cr、もしくはZr、またはステンレスを用いることができる。上記のうち一種単独で用いてもよいし、二種以上併用してもよい。また、上記のいずれかを主成分として別の添加剤を混ぜてもよい。 The optical window holding member 272 fixes and holds the optical window 271 on the inner surface thereof by a brazing portion 29. Examples of the brazing material include Au, Ag, Cu, Pd, Al, Mg, Pt, P, Ti, W, Sn, Ni, Zn, Si, B, Cd, Li, Mn, Cr, or Zr, or stainless steel. Can be used. One of the above may be used alone, or two or more thereof may be used in combination. Further, another additive may be mixed with any of the above as a main component.

光学窓保持部材272を形成する材料としては、例えば、鉄、ニッケル、Ni-Fe合金、Ni-Cr-Fe合金、Ni-Co-Fe合金、またはステンレスなどの耐熱性金属材料を用いることができる。Ni-Cr-Fe合金として、例えば、インコネルなどが挙げられる。Ni-Co-Fe合金として、例えば、コバールなどが挙げられる。 As the material for forming the optical window holding member 272, for example, a heat-resistant metal material such as iron, nickel, Ni—Fe alloy, Ni—Cr—Fe alloy, Ni—Co—Fe alloy, or stainless steel can be used. .. Examples of the Ni—Cr—Fe alloy include Inconel and the like. Examples of the Ni—Co—Fe alloy include Kovar and the like.

光学窓保持部材272の出射側端面272bは、第2ハウジング28-2の端面28bと略同一平面上としている。これにより、溶接部30がレーザ溶接などを用いて形成される場合、溶接部30にレーザ光を集光させ易くなるので、光学窓保持部材272と第2ハウジング28-2との間に、溶接部30を安定してムラなく確実に設けることができる。よって、第2ハウジング28-2に光学窓保持部材272を安定して固定することができる。 The exit side end surface 272b of the optical window holding member 272 is substantially flush with the end surface 28b of the second housing 28-2. As a result, when the welded portion 30 is formed by laser welding or the like, the laser beam can be easily collected on the welded portion 30, so that welding is performed between the optical window holding member 272 and the second housing 28-2. The portion 30 can be stably and reliably provided. Therefore, the optical window holding member 272 can be stably fixed to the second housing 28-2.

誘電体層273は、光学窓271の第3集光光学系26側の面、すなわち窓部材27のレーザ光の入射面271aに設けられている。誘電体層273は、反射防止(AR:Anti Reflection)膜(AR膜)として機能する。誘電体層273は、波長が1064nmのレーザ光に対しては高い透過率を有する。 The dielectric layer 273 is provided on the surface of the optical window 271 on the third condensing optical system 26 side, that is, on the incident surface 271a of the laser beam of the window member 27. The dielectric layer 273 functions as an antireflection (AR) film (AR film). The dielectric layer 273 has a high transmittance for a laser beam having a wavelength of 1064 nm.

誘電体層273を形成する材料としては、例えば、Si、Na、Al、Ca、Mg、B、C、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Sr、Zr、Nb、Ru、Pd、Ag、In、Sn、Hf、Ta、W、Ot、Au、およびBiのいずれかを主成分とする材料、または前記主成分の窒化物、酸化物、炭化物、およびフッ化物のいずれかを少なくとも一つ含む材料を用いることができる。 Examples of the material forming the dielectric layer 273 include Si, Na, Al, Ca, Mg, B, C, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, and Sr. , Zr, Nb, Ru, Pd, Ag, In, Sn, Hf, Ta, W, Ot, Au, and Bi as a main component, or a nitride, oxide, or carbide of the main component. And materials containing at least one of fluorides can be used.

具体的には、例えば、MgF、Si、またはSiOなどを用いることができる。また、誘電体層273と光学窓271との屈折率差が少ないほうが、反射防止特性を向上させることができる。 Specifically, for example, MgF, Si 3N 4, or SiO 2 can be used. Further, when the difference in refractive index between the dielectric layer 273 and the optical window 271 is small, the antireflection characteristics can be improved.

誘電体層273の厚さは、波長が1064nmのレーザ光に対して高い透過率を有することができれば、特に限定されない。例えば、光学窓271がサファイアガラスで形成される場合、サファイアの屈折率は1.74程度であるので、誘電体層273の厚さは202nm程度、屈折率は1.32程度であることが好ましい。 The thickness of the dielectric layer 273 is not particularly limited as long as it can have a high transmittance for a laser beam having a wavelength of 1064 nm. For example, when the optical window 271 is made of sapphire glass, the refractive index of sapphire is about 1.74, so that the thickness of the dielectric layer 273 is preferably about 202 nm and the refractive index is preferably about 1.32. ..

誘電体層273は、例えば、光学窓271を光学窓保持部材272とロウ付けにより固定した後、光学窓271の第3集光光学系26側の面に形成することができる。誘電体層273を光学窓271に形成する方法としては、例えば、蒸着、スパッタ、溶射、塗布、またはゾルゲル法などを用いることができる。 The dielectric layer 273 can be formed, for example, on the surface of the optical window 271 on the third condensing optical system 26 side after the optical window 271 is fixed to the optical window holding member 272 by brazing. As a method for forming the dielectric layer 273 on the optical window 271, for example, thin-film deposition, sputtering, thermal spraying, coating, or a sol-gel method can be used.

また、光学窓271で生じた反射光が、面発光レーザ21と同軸上にある光学部材に戻り光として影響を与えることを低減できるため、レーザ光の強度が変動することを軽減することができる。 Further, since it is possible to reduce the influence of the reflected light generated by the optical window 271 on the optical member coaxial with the surface emitting laser 21 as return light, it is possible to reduce fluctuations in the intensity of the laser light. ..

なお、本実施形態では、誘電体層273は、一層としているが、これに限定されず、多層でもよい。 In the present embodiment, the dielectric layer 273 is a single layer, but the dielectric layer 273 is not limited to this, and may be a multilayer layer.

保護層274は、ロウ付け部29および光学窓保持部材272の燃焼室14側の面、すなわち窓部材27からレーザ光が出射する側の面に設けられている。 The protective layer 274 is provided on the surface of the brazing portion 29 and the optical window holding member 272 on the combustion chamber 14 side, that is, the surface on the side where the laser beam is emitted from the window member 27.

保護層274の材料としては、例えば、Ni、Au、Pt、Ti、Ag、Cu、Al、Pd、Rh、W、Mo、Zr、Ta、Nb、またはIrなどの金属;SiO2、Si34、またはAl23などの金属酸化物;ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、またはカーボンナノチューブなどの炭素材料などを用いることができる。これら一種単独で用いてもよいし、二種以上併用してもよい。中でも、高い耐酸化性を有する点から、Niを用いることが好ましい。また、高い耐酸化性および耐腐食性を有する点から、Au、Pt、またはTiを用いてもよい。 The material of the protective layer 274 may be, for example, a metal such as Ni, Au, Pt, Ti, Ag, Cu, Al, Pd, Rh, W, Mo, Zr, Ta, Nb , or Ir; 4 , or metal oxides such as Al 2 O 3 ; carbon materials such as Ketjen black, acetylene black, carbon black, graphite, or carbon nanotubes can be used. These types may be used alone or in combination of two or more. Above all, it is preferable to use Ni because it has high oxidation resistance. Further, Au, Pt, or Ti may be used because it has high oxidation resistance and corrosion resistance.

保護層274は、光学窓271を光学窓保持部材272とロウ付け部29で固定した後、ロウ付け部29および光学窓保持部材272の燃焼室14側の面に形成される。保護層274をロウ付け部29および光学窓保持部材272に形成する方法としては、例えば、電気めっき、ゾルゲル法、蒸着、スパッタ、溶射、または塗布などを用いることができる。中でも、保護層274を光学窓271に影響を与えずにロウ付け部29および光学窓保持部材272に保護層274を安定して形成する点から、電気めっきを用いることが好ましい。Niは、高い耐酸化性と耐腐食性を有し、かつ電解めっきが可能という点で、保護層の材料として適している。 The protective layer 274 is formed on the surface of the brazing portion 29 and the optical window holding member 272 on the combustion chamber 14 side after the optical window 271 is fixed to the optical window holding member 272 and the brazing portion 29. As a method for forming the protective layer 274 on the brazing portion 29 and the optical window holding member 272, for example, electroplating, sol-gel method, thin film deposition, sputtering, thermal spraying, coating, or the like can be used. Above all, it is preferable to use electroplating from the viewpoint that the protective layer 274 is stably formed on the brazed portion 29 and the optical window holding member 272 without affecting the optical window 271. Ni has high oxidation resistance and corrosion resistance, and is suitable as a material for a protective layer in that it can be electrolytically plated.

ロウ付け部29および光学窓保持部材272に保護層274を設けることで、ロウ付け部29の酸化を抑制することができる。そのため、内燃機関における燃焼時に、燃焼室14内の温度が、数百℃、瞬間的には数千℃にまで上昇しても、ロウ付け部29の表面が酸化し、劣化することを抑制することができる。これにより、ロウ付け部29の表面に亀裂が生じたり、ロウ付け部29が欠落することを防ぐことができる。よって、光学窓271を光学窓保持部材272で、長期間安定して固定することができる。 By providing the protective layer 274 on the brazing portion 29 and the optical window holding member 272, oxidation of the brazing portion 29 can be suppressed. Therefore, even if the temperature inside the combustion chamber 14 rises to several hundred degrees Celsius, or momentarily several thousand degrees Celsius, during combustion in the internal combustion engine, the surface of the brazed portion 29 is prevented from being oxidized and deteriorated. be able to. This makes it possible to prevent cracks from occurring on the surface of the brazed portion 29 and the brazing portion 29 from being missing. Therefore, the optical window 271 can be stably fixed by the optical window holding member 272 for a long period of time.

保護層274の平均厚さは、保護層274がロウ付け部29を安定して被覆することができると共に、光学窓271から出射されたレーザ光の通過を妨げなければ、特に限定されない。保護層274がロウ付け部29を安定して被覆する点から、保護層274の平均厚さは、例えば、少なくとも数μm程度は形成されていることが好ましい。 The average thickness of the protective layer 274 is not particularly limited as long as the protective layer 274 can stably cover the brazed portion 29 and does not obstruct the passage of the laser beam emitted from the optical window 271. From the viewpoint that the protective layer 274 stably covers the brazed portion 29, it is preferable that the average thickness of the protective layer 274 is formed to be, for example, at least several μm.

本実施形態では、光学窓271の出射側の出射面271bは、図3に示すように、光学窓保持部材272の出射側の端面(出射側端面)272bと略同一平面上となるようにしている。これにより、ロウ付け部29および光学窓保持部材272に厚さのばらつきが小さい保護層274を安定して形成することができる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the exit surface 271b on the exit side of the optical window 271 is substantially on the same plane as the exit side end surface (emission side end surface) 272b of the optical window holding member 272. There is. As a result, the protective layer 274 with a small variation in thickness can be stably formed on the brazed portion 29 and the optical window holding member 272.

光学窓271の出射面271bと光学窓保持部材272の出射側端面272bとの位置について、例えば、光学窓271の出射面271bが光学窓保持部材272の出射側端面272bよりも入射側に位置している場合がある。この場合、ロウ付け部29および光学窓保持部材272に保護層274を例えば電解めっきなどで形成する際、ロウ付け部29の端部近傍は電流が集中し易く、異常析出の起点になり易い。そのため、ロウ付け部29の端部近傍に保護層274が突出した状態で形成される可能性がある。また、保護層274の形成時に、異常析出し易い箇所があると、保護層274の緻密性が低下する可能性がある。さらに、保護層274の突出部分にレーザ光が照射されると、レーザ光が反射されるため、レーザ光の出力低下を招く可能性がある。 Regarding the positions of the emission surface 271b of the optical window 271 and the emission side end surface 272b of the optical window holding member 272, for example, the emission surface 271b of the optical window 271 is located on the incident side of the emission side end surface 272b of the optical window holding member 272. May be. In this case, when the protective layer 274 is formed on the brazing portion 29 and the optical window holding member 272 by, for example, electrolytic plating, current tends to concentrate in the vicinity of the end portion of the brazing portion 29, which tends to be a starting point of abnormal precipitation. Therefore, there is a possibility that the protective layer 274 is formed in a state of protruding near the end of the brazed portion 29. Further, when the protective layer 274 is formed, if there is a portion where abnormal precipitation is likely to occur, the denseness of the protective layer 274 may decrease. Further, when the protruding portion of the protective layer 274 is irradiated with the laser beam, the laser beam is reflected, which may cause a decrease in the output of the laser beam.

そこで、本実施形態では、光学窓271の出射側の出射面271bは、光学窓保持部材272の出射側端面272bと略同一平面上として、ロウ付け部29および光学窓保持部材272に厚さのばらつきが小さい保護層274を形成している。また、ロウ付け部29および光学窓保持部材272に保護層274を例えば電解めっきなどで形成する際、保護層274は高い緻密性を有することができる。また、光学窓271から出射したレーザ光が保護層274に照射されて反射されることを防ぐことができる。そのため、第3集光光学系26から出射されたレーザ光の出力が低下することを抑制することができる。 Therefore, in the present embodiment, the exit surface 271b on the exit side of the optical window 271 is substantially flush with the exit side end surface 272b of the optical window holding member 272, and the thickness of the brazing portion 29 and the optical window holding member 272 is increased. A protective layer 274 with small variation is formed. Further, when the protective layer 274 is formed on the brazed portion 29 and the optical window holding member 272 by, for example, electrolytic plating, the protective layer 274 can have high density. Further, it is possible to prevent the laser beam emitted from the optical window 271 from being irradiated to the protective layer 274 and reflected. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the output of the laser beam emitted from the third condensing optical system 26.

図2に示すように、ハウジング28は、第2集光光学系24、レーザ共振器25、第3集光光学系26、および窓部材27を収容している。本実施形態では、ハウジング28は、第1ハウジング28-1と第2ハウジング28-2とで構成されている。第1ハウジング28-1は、第2集光光学系24、およびレーザ共振器25を収容している。第2ハウジング28-2は、第3集光光学系26、および窓部材27を収容している。 As shown in FIG. 2, the housing 28 houses the second condensing optical system 24, the laser resonator 25, the third condensing optical system 26, and the window member 27. In the present embodiment, the housing 28 is composed of a first housing 28-1 and a second housing 28-2. The first housing 28-1 houses the second condensing optical system 24 and the laser resonator 25. The second housing 28-2 houses the third condensing optical system 26 and the window member 27.

ハウジング28には、例えば、鉄、Ni-Fe合金、Ni-Cr-Fe合金、Ni-Co-Fe系合金、またはステンレスなどの耐熱性金属が用いられる。Ni-Cr-Fe合金として、例えば、インコネルなどが挙げられる。Ni-Co-Fe合金として、例えば、コバールなどが挙げられる。 For the housing 28, for example, a heat-resistant metal such as iron, Ni—Fe alloy, Ni—Cr—Fe alloy, Ni—Co—Fe based alloy, or stainless steel is used. Examples of the Ni—Cr—Fe alloy include Inconel and the like. Examples of the Ni—Co—Fe alloy include Kovar and the like.

以上のように、本実施形態に係るレーザ装置11は、ロウ付け部29および光学窓保持部材272の燃焼室14側の面に保護層274を有している。これにより、ロウ付け部29の劣化を防ぐことができるので、光学窓271を光学窓保持部材272に安定して固定することができる。よって、本実施形態に係るレーザ装置11は、光学窓271の脱落を防ぐことができ、安定して使用することができるので、信頼性の高いレーザ装置を提供することができる。なお、本実施形態では、レーザ装置の一例としてレーザ装置を用いて説明したが、これには限定されない。他のレーザ装置においても、保護層の存在により、レーザ装置の使用される環境による影響から接合部を保護することができ、信頼性の高いレーザ装置を提供することができる。 As described above, the laser device 11 according to the present embodiment has the protective layer 274 on the surface of the brazing portion 29 and the optical window holding member 272 on the combustion chamber 14 side. As a result, deterioration of the brazed portion 29 can be prevented, so that the optical window 271 can be stably fixed to the optical window holding member 272. Therefore, the laser device 11 according to the present embodiment can prevent the optical window 271 from falling off and can be used stably, so that a highly reliable laser device can be provided. In the present embodiment, the laser device has been described as an example of the laser device, but the present invention is not limited to this. In other laser devices as well, the presence of the protective layer can protect the joint from the influence of the environment in which the laser device is used, and can provide a highly reliable laser device.

エンジン10は、本実施形態に係るレーザ装置11を備えているので、安定して燃焼させることができる。これにより、エンジン10を安定して継続して使用することができる。 Since the engine 10 includes the laser device 11 according to the present embodiment, it can be stably burned. As a result, the engine 10 can be used stably and continuously.

なお、本実施形態では、保護層274は、ロウ付け部29および光学窓保持部材272の燃焼室14側の表面に設けられているが、ロウ付け部29の燃焼室14側の表面のみに設けられてもよいし、ロウ付け部29、光学窓保持部材272、およびハウジング28の燃焼室14側の表面に設けられていてもよい。 In the present embodiment, the protective layer 274 is provided on the surface of the brazing portion 29 and the optical window holding member 272 on the combustion chamber 14 side, but is provided only on the surface of the brazing portion 29 on the combustion chamber 14 side. It may be provided on the surface of the brazing portion 29, the optical window holding member 272, and the housing 28 on the combustion chamber 14 side.

本実施形態では、接合部として、接合材であるロウ材を用いて形成されたロウ付け部29を用いているが、これに限定されるものではない。接合部は、レーザ装置の使用される環境において光学窓271と光学窓保持部材272とを接合できる材料で形成されたものであればよい。 In the present embodiment, the brazed portion 29 formed by using the brazing material which is the joining material is used as the joining portion, but the present invention is not limited to this. The joining portion may be made of a material capable of joining the optical window 271 and the optical window holding member 272 in the environment in which the laser device is used.

本実施形態では、光学窓271の出射面271bは、図3に示すように、光学窓保持部材272の出射側端面272bと略同一平面上となるようにしているが、これに限定されない。例えば、出射面271bは、図4に示すように、光学窓保持部材272の出射側端面272bよりも出射方向である燃焼室14側に突出させてもよい。この場合でも、ロウ付け部29および光学窓保持部材272には、保護層274を例えば電解めっきなどで形成する際に電流が集中し易い端部がない。そのため、ロウ付け部29および光学窓保持部材272には、厚さのばらつきが小さい保護層274を安定して形成することができる。また、ロウ付け部29および光学窓保持部材272には、保護層274を例えば電解めっきなどで形成する際に、保護層274が異常析出し易い箇所はないので、保護層274は高い緻密性を有することができる。さらに、光学窓271から出射したレーザ光が保護層274に照射され、レーザ光が反射されることを防ぐことができるので、レーザ光の出力が低下することを抑制することができる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the exit surface 271b of the optical window 271 is set to be substantially on the same plane as the exit side end surface 272b of the optical window holding member 272, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 4, the exit surface 271b may be projected toward the combustion chamber 14 in the emission direction from the emission side end surface 272b of the optical window holding member 272. Even in this case, the brazed portion 29 and the optical window holding member 272 do not have an end portion on which the current tends to concentrate when the protective layer 274 is formed by, for example, electrolytic plating. Therefore, the brazing portion 29 and the optical window holding member 272 can be stably formed with the protective layer 274 having a small variation in thickness. Further, in the brazing portion 29 and the optical window holding member 272, when the protective layer 274 is formed by, for example, electrolytic plating, there is no place where the protective layer 274 is likely to abnormally precipitate, so that the protective layer 274 has high density. Can have. Further, since the laser light emitted from the optical window 271 is irradiated to the protective layer 274 and the laser light can be prevented from being reflected, it is possible to suppress a decrease in the output of the laser light.

本実施形態では、ハウジング28は、第2集光光学系24、レーザ共振器25、第3集光光学系26、および光学窓271を収容しているが、さらに、第1集光光学系22、および光ファイバ23を収容してもよい。 In the present embodiment, the housing 28 houses the second condensing optical system 24, the laser resonator 25, the third condensing optical system 26, and the optical window 271, but further, the first condensing optical system 22. , And the optical fiber 23 may be accommodated.

本実施形態では、第1ハウジング28-1は、第2集光光学系24、およびレーザ共振器25を、第2ハウジング28-2は、第3集光光学系26、および窓部材27を、それぞれ収容しているが、これに限定されない。例えば、第1ハウジング28-1は、第2集光光学系24だけ収容し、第2ハウジング28-2は、レーザ共振器25をさらに収容していてもよい。また、第1ハウジング28-1は、第2集光光学系24、およびレーザ共振器25の他に、第3集光光学系26をさらに収容し、第2ハウジング28-2は、窓部材27だけを収容していてもよい。 In the present embodiment, the first housing 28-1 has a second condensing optical system 24 and a laser cavity 25, and the second housing 28-2 has a third condensing optical system 26 and a window member 27. Each is housed, but not limited to this. For example, the first housing 28-1 may accommodate only the second condensing optical system 24, and the second housing 28-2 may further accommodate the laser cavity 25. Further, the first housing 28-1 further houses the third condensing optical system 26 in addition to the second condensing optical system 24 and the laser resonator 25, and the second housing 28-2 further houses the window member 27. May contain only.

本実施形態では、励起用光源として面発光レーザ21が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く、他の光源を用いてもよい。 In the present embodiment, the case where the surface emitting laser 21 is used as the excitation light source has been described, but the present invention is not limited to this, and other light sources may be used.

本実施形態では、面発光レーザ21をレーザ共振器25から離れた位置に置く必要がない場合は、光ファイバ23が設けられなくてもよい。 In the present embodiment, if it is not necessary to place the surface emitting laser 21 at a position away from the laser resonator 25, the optical fiber 23 may not be provided.

本実施形態では、誘電体層273が、光学窓271の第3集光光学系26側の面、すなわち窓部材27にレーザ光が入射する入射面に設けられているが、反射光の影響などがない場合には、特に設けなくてもよい。 In the present embodiment, the dielectric layer 273 is provided on the surface of the optical window 271 on the third condensing optical system 26 side, that is, the incident surface on which the laser beam is incident on the window member 27. If there is no such thing, it is not necessary to provide it.

本実施形態では、本実施形態に係るレーザ装置11が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10の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。レーザ装置11は、例えば、ロータリーエンジン、ガスタービンエンジン、またはジェットエンジンなど燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するものに用いることができる。また、レーザ装置11は、排熱を利用して動力、温熱、または冷熱を取り出し、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用いてもよい。さらに、レーザ装置11は、画像形成装置(例えば、レーザ複写機、レーザプリンタなど)、画像投影装置(例えば、プロジェクタ)、レーザ加工機、レーザピーニング装置、またはテラヘルツ発生装置などに用いてもよい。 In the present embodiment, the case where the laser device 11 according to the present embodiment is used as an internal combustion engine for the ignition device of the engine 10 in which the piston is moved by the combustion gas has been described, but the present invention is not limited thereto. The laser device 11 can be used, for example, for a rotary engine, a gas turbine engine, a jet engine, or the like, which burns fuel to generate combustion gas. Further, the laser device 11 may be used for cogeneration, which is a system that extracts power, heat, or cold heat by utilizing waste heat and enhances energy efficiency comprehensively. Further, the laser device 11 may be used for an image forming device (for example, a laser copier, a laser printer, etc.), an image projection device (for example, a projector), a laser processing machine, a laser peening device, a terahertz generator, or the like.

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As described above, the embodiments have been described, but the above embodiments are presented as examples, and the present invention is not limited to the above embodiments. The above embodiment can be implemented in various other embodiments, and various combinations, omissions, replacements, changes, and the like can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

10 エンジン(内燃機関)
11 レーザ装置
21 面発光レーザ
22 第1集光光学系
23 光ファイバ
24 第2集光光学系
25 レーザ共振器
26 第3集光光学系
27 窓部材
271 光学窓(窓本体)
271a 入射面
271b 出射面
272 光学窓保持部材
272b 出射側の端面(出射側端面)
273 誘電体層
274 保護層
28 ハウジング
29 ロウ付け部
10 Engine (internal combustion engine)
11 Laser device 21 Surface emitting laser 22 1st condensing optical system 23 Optical fiber 24 2nd condensing optical system 25 Laser resonator 26 3rd condensing optical system 27 Window member 271 Optical window (window body)
271a Incident surface 271b Emission surface 272 Optical window holding member 272b Emission side end surface (emission side end surface)
273 Dielectric layer 274 Protective layer 28 Housing 29 Brazed part

特許第5873689号公報Japanese Patent No. 5873689

Claims (9)

光源と、
前記光源から出射される光を集光する光学系と、
前記光学系が収容される筐体と、
前記筐体に設けられ、前記光学系を介した光が入射される窓部材とを有するレーザ装置において、
前記窓部材は、前記光学系を介した光が通過する光学窓と、前記光学窓を保持する光学窓保持部材と、前記光学窓と前記光学窓保持部材を接合する接合部と、を有し、
前記光学窓保持部材の出射側端面に隣接する前記接合部の出射側表面に保護層が設けられることを特徴とするレーザ装置。
Light source and
An optical system that collects the light emitted from the light source and
The housing in which the optical system is housed and
In a laser device provided in the housing and having a window member to which light is incident through the optical system.
The window member has an optical window through which light passes through the optical system, an optical window holding member that holds the optical window, and a joint portion that joins the optical window and the optical window holding member. ,
A laser device characterized in that a protective layer is provided on the emission side surface of the joint portion adjacent to the emission side end surface of the optical window holding member .
前記保護層が、前記光学窓保持部材の表面、または、前記光学窓保持部材および前記筐体の表面に設けられる請求項1に記載のレーザ装置。 The laser device according to claim 1, wherein the protective layer is provided on the surface of the optical window holding member, or on the surface of the optical window holding member and the housing. 前記光学窓保持部材の前記出射側端面および前記接合部の前記出射側表面が同一平面上にあり、前記保護層が前記出射側端面および前記出射側表面に設けられる請求項1または2に記載のレーザ装置。The first or second aspect of the present invention, wherein the emission side end surface of the optical window holding member and the emission side surface of the joint portion are coplanar, and the protective layer is provided on the emission side end surface and the emission side surface. Laser device. 前記保護層は、Ni、Au、Pt、Ti、Ag、Cu、Al、Pd、Rh、W、Mo、Zr、Ta、Nb、Ir、SiO2、Si34、Al23、および炭素材料のいずれか一つ以上を含む請求項1~3の何れか一項に記載のレーザ装置。 The protective layer includes Ni, Au, Pt, Ti, Ag, Cu, Al, Pd, Rh, W, Mo, Zr, Ta, Nb, Ir, SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , and carbon. The laser apparatus according to any one of claims 1 to 3, which comprises any one or more of the materials. 前記光学窓の出射面が、前記光学窓保持部材の前記出射側端面と同一平面上であるか、前記出射側端面よりも前記光の出射方向に突出している請求項1~の何れか一項に記載のレーザ装置。 One of claims 1 to 4 , wherein the emission surface of the optical window is on the same plane as the emission side end surface of the optical window holding member, or the light is projected from the emission side end surface in the emission direction. The laser device according to the section. 前記光学窓保持部材の前記出射側端面が、前記筐体の端面と同一平面上である請求項1~の何れか一項に記載のレーザ装置。 The laser device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the emission side end surface of the optical window holding member is flush with the end surface of the housing. 前記接合部が、ロウ材により形成されている請求項1~の何れか一項に記載のレーザ装置。 The laser device according to any one of claims 1 to 6 , wherein the joint portion is formed of a brazing material. 前記レーザ装置は、燃料を燃焼させる燃焼室内にレーザ光を照射し、The laser device irradiates a laser beam into a combustion chamber that burns fuel, and the laser device irradiates the combustion chamber.
前記保護層は前記接合部の前記燃焼室側の面に形成される請求項1~7の何れか一項に記載のレーザ装置。The laser device according to any one of claims 1 to 7, wherein the protective layer is formed on the surface of the joint portion on the combustion chamber side.
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、
請求項1~の何れか一項に記載のレーザ装置を有し、
前記レーザ装置が、前記燃料に点火することを特徴とする内燃機関。
In an internal combustion engine that burns fuel to generate combustion gas
The laser apparatus according to any one of claims 1 to 8 is provided.
An internal combustion engine, characterized in that the laser device ignites the fuel.
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