WO2012039123A1 - レーザ点火装置 - Google Patents

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WO2012039123A1
WO2012039123A1 PCT/JP2011/005268 JP2011005268W WO2012039123A1 WO 2012039123 A1 WO2012039123 A1 WO 2012039123A1 JP 2011005268 W JP2011005268 W JP 2011005268W WO 2012039123 A1 WO2012039123 A1 WO 2012039123A1
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light
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PCT/JP2011/005268
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金原　賢治
ニコライ パベル
拓範 平等
常包　正樹
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株式会社日本自動車部品総合研究所
大学共同利用機関法人 自然科学研究機構
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    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers
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    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Definitions

  • the present application includes Japanese Patent Application 2010-210411 filed on September 21, 2010 and Japanese Patent Application 2011-12645 filed on January 25, 2011, the disclosures of which are incorporated herein by reference. Based on.
  • the present invention relates to a laser ignition device used for ignition of an internal combustion engine.
  • JP-A-2006-329186 (Corresponding to US Publication No. 2006-0243238A1) proposes a laser ignition device for condensing an air-fuel mixture by condensing a laser beam at one point in a combustion chamber.
  • JP-A-2006-329186 proposes a laser ignition device for condensing an air-fuel mixture by condensing a laser beam at one point in a combustion chamber.
  • the air-fuel mixture concentration becomes dilute, the number of molecules that can absorb the laser light decreases and the ignitability decreases.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-161612 proposes a laser ignition type device configured to irradiate a target in a combustion chamber and ignite an air-fuel mixture by generated plasma.
  • the laser ignition device combines a half mirror and a total reflection mirror, forms a plurality of laser beams, and irradiates a plurality of targets in the combustion chamber to improve ignitability.
  • a single laser beam is split by combining a plurality of total reflection mirrors and semi-reflection mirrors and condensed in the combustion chamber.
  • a high-energy laser beam is incident from the apex of a polygonal pyramid-shaped split prism having a plurality of refracting surfaces, and passes through the split prism.
  • the incident position of the laser beam is slightly deviated from the apex of the split prism, it is not uniformly dispersed, and the energy of the plurality of laser beams emitted into the engine combustion chamber varies, There is also a possibility that stable ignitability cannot be secured.
  • the number of refracting surfaces is an odd-numbered polygonal pyramid shape
  • two refracting surfaces having different angles are opposite to the light incident surface, so that the divided laser light may be further divided, so that a desired concentration can be obtained.
  • the number of light spots may not be obtained or energy may be reduced due to fragmentation of laser light.
  • the present invention improves the ignitability of an internal combustion engine by concentrating a plurality of laser beams at a desired position in an engine combustion chamber at an arbitrary timing, and is easy to reduce in size and cost. Then, it aims at providing the laser ignition apparatus of a simple structure.
  • laser ignition that is mounted on an internal combustion engine and ignites by condensing laser light oscillated from a laser oscillation device into an engine combustion chamber by a condenser lens to generate a high-energy flame nucleus.
  • a high-refractive-index optical element that refracts an optical axis of a plurality of laser beams oscillated from a plurality of semiconductor lasers through a resonator and changes a traveling direction thereof away from a central axis,
  • Condensing means for condensing the laser light refracted by the high refractive index optical element at a plurality of locations in the engine combustion chamber.
  • laser ignition that is mounted on an internal combustion engine and ignites by condensing laser light oscillated from a laser oscillation device into an engine combustion chamber by a condenser lens to generate a high-energy flame nucleus.
  • a high-refractive-index optical device that refracts the optical axes of a plurality of laser beams oscillated from a plurality of semiconductor lasers through a resonator and changes the traveling direction to a direction converged to a predetermined location.
  • the high refractive index optical element is provided with a predetermined apex angle between a plurality of surfaces on which each of the plurality of laser beams is incident and a surface on which light refracted at a predetermined refraction angle is emitted.
  • it may be constituted by a polyhedron having a high refractive index.
  • the high refractive index optical element is a reflective optical element that reflects laser light by a reflective film having high reflectivity provided on the surface thereof, and each of the plurality of laser lights is reflected.
  • You may comprise by the polyhedron which injects with a predetermined incident angle and makes it totally reflect with the reflection angle equal to the said incident angle.
  • the operating condition detecting means for detecting the operating condition of the internal combustion engine, and one cycle of the laser oscillated from the laser oscillation device into the combustion chamber according to the detection result of the detecting means.
  • Laser oscillation control means for determining the number of oscillations, the oscillation timing, and the number of lasers to oscillate during the ignition cycle may be provided.
  • the laser oscillation control means may control the number of oscillations and the oscillation timing during one cycle of the ignition cycle according to the application timing and application time of the electric energy to the semiconductor laser.
  • the resonator may be configured by a laser medium excited by the semiconductor laser and a saturable absorber, and the transmittance of the saturable absorber may be partially changed.
  • a laser having a short pulse oscillation period and a small pulse energy among the plurality of laser beams may be arranged in a region where the in-cylinder airflow is slow in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the plurality of laser beams oscillated from the laser oscillation device can be changed in their traveling directions by the high refractive index optical element, and the plurality of laser beams in the engine combustion chamber are provided by the condensing means provided at the tip thereof.
  • the traveling direction is changed in a direction in which a plurality of laser beams condensed at a place or oscillated from the laser oscillation device converge at a predetermined position in the engine combustion chamber by the high refractive index optical element, and are provided at the tip. Since the concentrated light is concentrated in one place in the engine combustion chamber by the light collecting means, high energy plasma can be generated in multiple places in the engine combustion chamber or in one place according to the combustion characteristics of the engine. The ignition probability is improved and stable combustion can be realized.
  • the desired light collection position and light collection intensity can be set arbitrarily.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an outline of the laser ignition device in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of the laser ignition device according to the first embodiment.
  • FIGS. 3A to 3E are a plan view, a cross-sectional view, and a bottom view of a beam expander capable of accommodating two to six points of condensing, and constitute the laser ignition device in the first embodiment. A modification of the beam expander is shown.
  • FIGS. 5A to 5C are a plan view, a cross-sectional view, and a bottom view of a condensing lens that can handle two-point condensing, and the condensing that constitutes the laser ignition device in the first embodiment.
  • a modification of the lens is shown.
  • FIG. 6 (a) to 6 (d) are a plan view, a cross-sectional view, and a bottom view of a condensing lens capable of accommodating three to six points of condensing, and constitutes the laser ignition device in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing an outline of a laser ignition device when six focusing points are provided in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing an outline of the laser ignition device in the second embodiment.
  • FIG. 9A and FIG. 9B are cross-sectional views of the main part and a high refractive index optical element, showing an outline of the laser ignition device in the third embodiment, FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing an outline of the laser ignition device in the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a main part of the laser ignition device in the fifth embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing an outline of the laser ignition device in the sixth embodiment,
  • FIG. 13 is a time chart showing an example of a control method of the laser ignition device in the seventh embodiment.
  • 14 (a) to 14 (d) are schematic diagrams for explaining the effect of flame propagation when the laser ignition device in the seventh embodiment is used.
  • FIGS. 15 (a) to 15 (c) are schematic views of the relevant part showing a laser ignition device and its modification in the eighth embodiment, FIGS.
  • FIGS. 19 (a) to 19 (d) are schematic diagrams showing the effect of the laser ignition device on the flame growth in the eighth embodiment
  • 20 (a) is a cross-sectional view of the main part
  • FIG. 20 (b) is a cross-sectional view around the high refractive index optical element, and shows an outline of the laser ignition device in the ninth embodiment.
  • FIG. 21B are cross-sectional views showing modifications of the beam expander and the high refractive index optical element used in the laser ignition device in the ninth embodiment.
  • 22A is a cross-sectional view of the main part
  • FIG. 22B is a cross-sectional view of the periphery of the high refractive index optical element, and shows an outline of the laser ignition device in the tenth embodiment.
  • FIG. 23A and FIG. 23B are cross-sectional views showing modifications of the beam expander and the high refractive index optical element used in the laser ignition device in the tenth embodiment.
  • the configuration and operation of the laser ignition device 1 in the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the laser ignition device 1 in the first embodiment is mounted on a cylinder head 90 of an internal combustion engine 9 (not shown), and uses a high refractive index optical element 76 to largely bend the optical axes OPX 1 and OPX 2 of a plurality of laser beams.
  • An ignition device that ignites the air-fuel mixture by condensing laser light at a plurality of condensing points FP 1 and FP 2 in the combustion chamber 900 to generate flame nuclei at a plurality of locations in the combustion chamber 900.
  • it is expected to be used for ignition of highly ignitable highly supercharged engines, high compression engines, lean air-fuel mixture engines, and the like.
  • the laser ignition device 1 includes a power source 2, a semiconductor laser drive circuit (DRV) 3, an engine ECU 4, a plurality of semiconductor lasers 5-1, 5-2, and excitation pumps generated from the semiconductor lasers 5-1 and 5-2.
  • the optical fiber 6-1 and 6-2 which transmit a laser, and the laser spark plug 7 with which the cylinder head 90 of the engine 9 is mounted
  • the laser spark plug 7 constitutes a laser oscillation device that oscillates laser light with a predetermined pulse, and collimates to adjust the excitation laser transmitted through the optical fibers 6-1 and 6-2 to parallel light.
  • the light is condensed by the lenses 71-1 and 71-2, the condensing lenses 72-1 and 72-2 for condensing the excitation laser adjusted by the collimating lens, and the condensing lenses 72-1 and 72-2.
  • the main part is a resonator 74 that oscillates the excitation laser and oscillates as a pulse laser, a beam expander 75 that expands the beam diameter of the pulse laser oscillated from the resonator 74, and a traveling direction of the pulse laser.
  • the condensing lenses 77-1, 77-2, 78-1, 78-2 and the condensing lenses 77-1, 77-2, 78-1, 78-2 are connected to the engine combustion chamber 900 with high pressure and high heat.
  • the resonator 74 includes a total reflection mirror 741, a laser medium 742, a saturable absorber 743, a partial reflection mirror 744, and the like provided in the housing 70.
  • the ECU 4 transmits an ignition signal IGt to the DRV 3 via the signal line 41 in accordance with the operation status of the engine 9.
  • drive signals D 1 and D 2 for driving the semiconductor lasers 5-1 and 5-2 are formed based on the ignition signal IGt transmitted from the ECU 4, and the semiconductor laser drive wiring 51-1 is supplied from the power source 2.
  • the application time and application time of the current applied to the semiconductor lasers 5-1 and 5-2 via the 51-2 are controlled, and the energy intensity of the excitation laser emitted from the semiconductor lasers 5-1 and 5-2 is determined. Controls the oscillation timing.
  • Excitation light emitted from the semiconductor lasers 5-1 and 5-2 is transmitted to the laser spark plug 7 mounted on the cylinder head 90 via the optical fibers 6-1 and 6-2, respectively.
  • the excitation lights emitted from the end faces 61-1 and 61-2 of the optical fibers 6-1 and 6-2 are adjusted to parallel lights by the collimating lenses 71-1 and 71-2, respectively, and further, the condensing lenses 72-1,
  • the beam diameter is narrowed down by 72-2, and about 1 / 3 ⁇ of the distance L from the end face of the resonator 74 to the laser medium 742 through the film 740 that prevents reflection of the excitation light coated on the incident surface of the resonator 74.
  • the light is condensed at the condensing points 73-1 and 73-2 located between 1/2 and enters the resonator 74 so as to be parallel light that travels straight in the laser medium 742.
  • the excitation light (for example, 808.5 nm) incident on the resonator 74 causes the laser medium 742 to fluoresce and emits light having a longer wavelength (for example, 1064 nm) than the excitation light.
  • Excitation light from the incident surface of the resonator 74 is allowed, and a total reflection mirror 741, a laser medium 742, a saturable absorber 743, and a part that totally reflect light having a wavelength longer than the excitation light generated in the laser medium.
  • Light having a longer wavelength than the excitation light generated in the laser medium in the reflecting mirror 744 resonates and is amplified until the intrinsic threshold value of the saturable absorber 743 is exceeded.
  • the saturable absorber 743 acts as a passive Q switch, and laser light with a high energy density is emitted instantaneously.
  • the laser light oscillated from the resonator 74 has the ability to oscillate parallel light having a beam diameter of 1.2 mm, a pulse width of 1 ns, and 3 mJ when energy of 23 mJ is supplied as excitation energy.
  • the beam diameter of the laser light oscillated from the resonator 74 is expanded through the beam expander 75 formed of a plano-concave lens.
  • the beam expander 75 is formed with concave portions 751-1 and 751-2 whose center axes are aligned with the optical axes OPX 1 and OPX 2 by the number of laser beams oscillated from the resonator 74.
  • a plurality of laser beams that have passed through the beam expander 75 are incident on a predetermined incident angle ⁇ 1 (for example, 45 °) on each of the light incident surfaces 761-1 and 761-2 provided in the high refractive index optical element 76 that is a main part. ).
  • the high-refractive index optical element 76 is made of a high-refractive index material selected from, for example, any one of quartz, synthetic quartz, and borosilicate glass, and is formed in a triangular prism shape.
  • apex angle theta p polyhedral prism provided between the surface 762 is formed at a predetermined angle, for example 45 ° or the like.
  • the light exit surface 762 forms a plane orthogonal to the central axis of the laser spark plug 7.
  • the plurality of laser beams that have passed through the concave surface portions 751-1 and 751-2 of the beam expander 75 are incident on the normal lines of the light incident surfaces 761-1 and 762-2 of the high refractive index optical element 76, respectively.
  • the laser light emitted from the light exit surface 762 is focused on the condensing points FP 1 and FP 2 at predetermined positions in the engine combustion chamber 900 by the condensing lenses 77-1, 77-2, 78-1, 78-2.
  • the light is condensed and high-energy plasma is generated, and the air-fuel mixture is ignited at a plurality of locations in the engine combustion chamber 900.
  • the positions of the condensing points FP 1 and FP 2 and the condensing intensity are determined by the curvature of the concave surface portions 751-1 and 751-2 of the beam expander 75, the condensing lenses 77-1, 77-2, and 78-1.
  • Condensing lenses 77-1, 77-2, 78-1, and 78-2 are combined with two or three lenses to adjust spherical aberration, coma aberration, astigmatism, and the like.
  • the condensing lenses 77-1, 77-2, 78-1, and 78-2 may be either spherical lenses or aspherical lenses.
  • the light incident surfaces 761-1 and 761-2 and the light exit surface 762 of the high refractive index optical element 76 face the air layer 80, respectively, and the light incident surface 761-1 of the high refractive index optical element 76 from the air layer 80.
  • the angle of refraction ⁇ 4 , the absolute refractive index n a of the air layer 80, the absolute refractive index n b of the high refractive index optical element 76, and the light from the air layer 80 enter the high refractive index optical element 76.
  • Relative refractive index n ab , relative refractive index n ba when light is emitted from the high refractive index optical element 76 to the air layer 80, wavelength ⁇ a of laser light when passing through the air layer, and high refractive index optical element 76 the following relationship is established between the laser beam of wavelength lambda b as it passes through .
  • the optical axes OPX 1 and OPX 2 of the laser light oscillated from the plurality of semiconductor lasers 5-1 and 5-2 and amplified by the resonator 74 are largely bent by the high refractive index optical element 76, Light is condensed in the combustion chamber 900 by condensing lenses 77-1, 77-2, 78-1, and 78-2. For this reason, the distance between the condensing points FP 1 and FP 2 can be increased, and even in the internal combustion engine 9 having a large bore diameter, the ignition success probability can be increased by simultaneously starting ignition at a plurality of locations. .
  • the engine combustion chamber 900 When a laser beam having a high energy level is condensed at a plurality of locations in the engine combustion chamber 900, plasma is generated at the respective condensing points FP 1 and FP 2 , so that the combustion speed increases, The mixture can be ignited at an early stage. Further, by energizing the semiconductor lasers 5-1 and 5-2 by the drive signals D 1 and D 2 formed by the DRV 3 in accordance with the ignition signal IGT, the engine combustion chamber 900 is oscillated from the laser spark plug 7. The pulse lasers PL 1 and PL 2 focused inside are repeatedly focused at intervals of 100 ⁇ s to 130 ⁇ s, and energy is repeatedly injected into the mixture to promote the growth of flame nuclei and further increase the combustion rate. Can be achieved.
  • the condensing timings of the respective condensing points FP 1 and FP 2 can be simultaneously performed in accordance with one ignition signal IGt oscillated from the ECU 4, and also to the respective semiconductor lasers 5-1 and 5-2. It is also possible to condense light to the plurality of condensing points FP 1 and FP 2 in order by providing a time difference in the energization timing. By carrying out the control with such a time difference, a time difference is caused in the growth of flame nuclei generated at the condensing points FP 1 and FP 2, and the reactivity is increased by causing a flow in the mixture, It is possible to further improve the combustion speed and to suppress knocking.
  • the oscillation timing of the laser light can be changed by changing the characteristics of the excitation and condensing portions of a plurality of semiconductor lasers.
  • a plurality of laser spark plugs are not placed in the engine combustion chamber, but in this aspect, a plurality of laser lights oscillated from one laser spark plug 7 are increased. Since the refractive index optical element 76 is largely bent and condensed at a plurality of locations in the engine combustion chamber 900, the apparatus can be easily downsized.
  • FIGS. 3A to 3E show configuration examples of beam expanders 75, 75a, 75b, 75c, and 75d corresponding to the number of condensing points FP of 2 to 6.
  • the beam expanders 75, 75a, 75b, 75c, and 75d are formed by forming concave surface portions 751-1 to 751-6 on a substantially cylindrical base in accordance with the number of condensing points FP 1 to FP n.
  • the outer diameter size is not different from the case of two, and the number of the condensing points FP can be increased without changing the physique.
  • the optical fibers 5-1 to 5-6 are bundled by the number of laser beams. Although it is necessary to connect to the resonator 74, each pump laser is transmitted while being totally reflected in the optical fibers 5-1 to 5-6, so that the plurality of pump lasers do not interfere with each other. Even if a plurality of excitation lasers are transmitted into the resonator 74, the laser light is highly linear, and thus is amplified without being affected by each other.
  • the oscillation timing of the laser can be controlled by the oscillation timing of the semiconductor laser for excitation and the transmittance of the Q switch. For example, when the transmittance of the Q switch is the same, the beam is parallel inside the crystal, so if it is separated by about 1 mm, it will not interfere with the adjacent laser. Further, the laser oscillation timing can be controlled by the excitation semiconductor laser oscillation timing.
  • the thickness or the Cr concentration contained therein is changed. It is better to partition.
  • the degree of freedom in controlling the laser oscillation timing can be improved by changing the oscillation timing of the pumping semiconductor laser as compared with the case where the transmittance of the Q switch is constant. More specific configuration examples will be described later with reference to FIGS. 15 (a) to 16 (c).
  • 4 (a) to 4 (e) correspond to the number of condensing points FP of 2 to 6, and examples of the configuration of the high refractive index optical elements 76, 76a, 76b, 76c, and 76d, which are essential parts. Indicates.
  • the necessary number only Light incident surfaces 761-1 to 761-6 can be formed.
  • the light exit surfaces 762 of the high refractive index optical elements 76, 76 a, 76 b, 76 c, and 76 d are orthogonal to the laser light incident direction, that is, the central axis in the longitudinal direction of the laser spark plug 7. It is formed by a plane.
  • points P IN1 to P IN6 indicate the positions of the optical axis centers where the laser beams are incident on the light incident surfaces 761-1 to 761-6
  • points P OUT1 to P OUT6 are points on the respective light exit surfaces 762. Indicates the light emission position.
  • the optical axes OPX 1 to OPX 6 indicating the refraction direction of the laser light in each example are indicated by thick broken lines.
  • FIG. 3A to 3E Laser light expanded through the concave surface portions 751-1 to 751-6 of the beam expanders 75, 75a, 75b, 75c, and 75d shown in FIGS. 3A to 3E is shown in FIG.
  • the axes OPX 1 to OPX 6 can be bent greatly to emit light.
  • the outer peripheral side surface is circular, but the high refractive index optical elements 76, 76a, 76b, and 76c.
  • the shape of the side surface of 76d may not be limited to a circle but may be a polygon, and whether the side surface shape is a circle or a polygon can be appropriately selected in consideration of workability, assembly property, and the like. Is.
  • FIGS. 5A to 5C are a plan view, a cross-sectional view, and a bottom view of condensing lenses 77-1 and 77-2 that can handle two-point condensing.
  • the two condensing lenses 77-1 and 77-2 are provided with cut surfaces CS 1 and CS 2 partially cut away at a predetermined angle, and face each other as shown in FIG. 5 (a).
  • the central axes of the condenser lenses 77-1 and 77-2 can be arranged so as to coincide with the optical axes OPX 1 and OPX 2 refracted through the high refractive index optical element 76 described above.
  • an outer periphery may be formed circularly, and as shown in FIG.5 (c), you may form in a rectangle.
  • One or two condenser lenses 78-1 and 78-2 are arranged in alignment with the optical axes of the condenser lenses 77-1 and 77-2, so that the laser beam is emitted to a desired position in the engine combustion chamber 900.
  • the curvatures of the light exit surfaces 772-1 and 772-2 are adjusted so as to collect light.
  • FIGS. 6A to 6D are a plan view, a cross-sectional view, and a bottom view of a condensing lens capable of accommodating three to six points of condensing, respectively.
  • FIG. 6A when a plurality of light incident surfaces 761-1 to 761-n are provided in the photorefractive optical element 76, and a plurality of laser beams are bent and output in an arbitrary direction, FIG. As shown in FIG.
  • the optical axis of each laser beam can be easily obtained without increasing the size of the laser spark plug 7.
  • the central axis can be aligned with OPX 1 to OPX n .
  • the DRV 3 forms the drive signals D 1 to D 6 to oscillate the laser beams condensed on the six condensing points FP 1 to FP 6 based on the ignition signal IGt transmitted from the ECU 4. To do.
  • a predetermined amount of energy is supplied to the semiconductor lasers 5-1 to 5-6 by the drive signals D 1 to D 6 , and pump lasers are oscillated from the semiconductor lasers 5-1 to 5-6. It is supplied to the laser spark plug 7 through -6.
  • the optical fibers 6-1 to 6-6 may be an integral coaxial cable. The excitation lasers transmitted while being totally reflected in the optical fibers 6-1 to 6-6 are condensed by the collimating lenses 71-1 to 71-6 and 72-1 to 72-6.
  • the saturable absorber 743 acts as a passive Q switch, and six pulse lasers with high energy density are instantaneously oscillated.
  • the pulse laser oscillated from the resonator 74 is expanded in diameter by a beam expander 75d having six concave portions 751-1 to 751-6, and then has six incident surfaces 761-1 to 761-6.
  • the light enters a polygonal pyramid-shaped high refractive index optical element 76d, and each of the optical axes OPX 1 to OPX 6 is refracted greatly to emit light from the light exit surface 762 toward six directions.
  • Six laser beams emitted from the high refractive index optical element 76d are respectively collected by a condensing lens 77d and condensing lenses 78-1 to 78-6 into a plurality of condensing points FP 1 to FP in the engine combustion chamber 900. 6, and the mixture in the engine combustion chamber 900 can be ignited by generating plasma at a plurality of locations.
  • the laser light output from the resonator 74 is expanded by the beam expander 75 and then refracted by the high refractive index optical element 76.
  • the laser beam is temporarily expanded by the beam expanders 75e-1 and 75e-2, and further condensed by the condenser lenses 77e-1, 77e-2, 78-1. , 78-2, the light may be condensed.
  • the beam expanders 75e-1 and 75e-2 are connected to the condensing lenses 77-1 and 77- shown in FIGS. 5 (a) to 5 (c) and FIGS. 6 (a) to 6 (d).
  • part of the beam expanders 75e-1 and 75e-2 may be cut out and arranged in a petal shape so as to be integrated together.
  • the condensing lenses 77e-1 and 77e-2 are not integrated as in the above embodiment, but are provided independently.
  • the light incident surfaces 761-1 to 761-n of the high refractive index optical element 76 are formed in a polygonal pyramid shape, and the laser beams incident on the respective light incident surfaces 761-1 to 761-n.
  • the light incident surface 761f-1,761f-2 optical axis OPX 1 angle of the laser beam incident at the incident angle ⁇ 1 from, OPX 2 is refracted at an angle of refraction angle theta 2, the concave portion 751f-1,751f- 2 is expanded when light is emitted. Also in this embodiment, the same effect as the above embodiment is exhibited.
  • the laser ignition device 1g in 4th Embodiment is demonstrated.
  • a corresponding number of semiconductor lasers 5-1 to 5-n are provided in order to output a plurality of laser beams.
  • a single semiconductor laser 5g is used.
  • the oscillated excitation laser is divided into a plurality of parts by the dividing means 53g and transmitted to the laser spark plug 7.
  • the dividing unit 53g may divide the pump laser output from the semiconductor laser 5g into two by a semi-reflecting mirror, and enter each into the optical fibers 6-1 and 6-2. .
  • the number of semiconductor lasers 5g can be halved with respect to the number of laser beams to be output, so that the size can be further reduced.
  • the energy of the laser beam output from the laser spark plug 7 is halved, it is necessary to double the supply energy from the DRV 3 to the semiconductor laser 5g.
  • a plurality of dividing means may be provided so that the output from one semiconductor laser 5g is divided into a large number, and the number of condensing points may be increased.
  • a laser ignition device in the fifth embodiment will be described with reference to FIG.
  • a transmissive prism that refracts the optical axis of the laser light by transmitting the laser light through the high refractive index element as the high refractive index optical element has been described.
  • the difference is that, as a high refractive index optical element, a reflective optical element 76h is used as a polyhedral reflecting mirror that refracts the optical axis of the laser beam by totally reflecting the laser beam without passing through the element.
  • the laser light incident at the incident angle ⁇ in with respect to the light incident surfaces 761h-1 and 761h-2 is totally reflected at the reflection angle ⁇ ref equal to the incident angle ⁇ in.
  • the light is reflected, condensed by the condensing lenses 77-1, 77-2, 78-1, 78-2 at a plurality of condensing points FP 1 and FP 2 in the engine combustion chamber, and ignited at a remote position in the engine combustion chamber.
  • a reflective film made of a highly reflective material is formed on the surface of a base body in which the reflective optical element 76h is formed in a polygonal pyramid shape having a plurality of (n) light incident surfaces 761h-1 to 761h-n.
  • Condensing lenses 77-1 to 77-n and 78-1 to 78 that reflect a plurality of laser beams with reflection angles equal to the angles and collect the reflected beams on the optical axes OPX 1 to OPX n of the respective reflected beams.
  • the light can be condensed at a plurality (n) of the condensing points FP 1 to FP n .
  • the optical axes OPX 1 to OPX n can be refracted in any direction.
  • the reflective high-refractive-index optical element 76h for example, a triangular prism that is coated with a thin film such as Al or MgF 2 so that incident light is totally reflected can be used.
  • the beam expander 75 may be provided in front of the high refractive index optical element 76h, or may be provided behind.
  • the laser ignition device 1 in the sixth embodiment will be described with reference to FIG.
  • an example in which one laser spark plug 7 is disposed for one engine combustion chamber has been described.
  • laser spark plugs 7-1 to 7-4 are provided for each cylinder.
  • the provided example will be described.
  • the branch numbers of the laser plugs 7-1 to 7-4 indicate an example of the firing order of the cylinders, and do not indicate the order of the arrangement positions.
  • a drive signal for driving the semiconductor laser 5-1 to transmit the excitation laser to the laser ignition plugs 7-1 to 7-4 provided in each cylinder in the order of ignition D 1-1 , D 1-2 , D 1-3 , D 1-4 , and drive signals D 2-1 , D 2-2 , D 2-3 , D 2-4 for driving the semiconductor laser 5-2
  • the energy corresponding to the drive signal is supplied to the semiconductor lasers 5-1 and 5-2 with a predetermined time difference in the order of ignition.
  • the drive signals D 1-1, D 1-2, D 1-3 , D 1-4, D 2-1, D 2-2, D 2-3, D Pumps LSR1-1, LSR1-2, LSR1-3, LSR1-4, LSR2-1, LSR2-2, LSR2-3, and LSR2-4 generated by the current supplied according to 2-4 are provided in each cylinder.
  • the laser spark plugs 7-1 to 7-4 are sequentially transmitted.
  • a control method for the laser ignition device in the seventh embodiment a control method for oscillating with a plurality of laser oscillation timings shifted in accordance with the operation status of the internal combustion engine 9 will be described.
  • an example in which three semiconductor lasers 5-1, 5-2, and 5-3 are provided will be described.
  • operating conditions detecting means for detecting the operating condition of the internal combustion engine 9 and lasers PL 1 , PL 2 , PL 3 oscillated from the laser oscillation device 1 into the combustion chamber 900 according to the detection result of the detecting means.
  • the semiconductor laser drive circuit 3 is provided as laser oscillation control means for determining the number of oscillations of the laser oscillated with respect to the ignition signal IGt having one ignition cycle, the oscillation timing, and the number of lasers oscillated. Also, the semiconductor laser drive circuit 3 provided as the laser oscillation control means determines the number of oscillations and the oscillation timing of oscillation for one ignition signal and the electrical energy to the semiconductor lasers 5-1, 5-2, 5-3. Control is performed according to the application timing and application time.
  • the operating condition detecting means for detecting the operating condition of the internal combustion engine 9 includes an intake air temperature sensor that detects the intake air temperature, a water temperature sensor that detects the engine cooling water temperature, an oil temperature sensor that detects the engine oil temperature, and an engine speed. Rotation sensor, crank angle sensor for detecting the crank angle, A / F sensor for detecting the air-fuel mixture concentration, EGR sensor for detecting the EGR rate, swirl sensor for detecting the air-fuel mixture flow velocity, and in-cylinder pressure sensor for detecting the in-cylinder pressure Etc. can be used.
  • An ignition condition is calculated by the engine control unit ECU according to the driving condition detected by these driving condition detecting means, and an ignition signal IGt is oscillated to the semiconductor laser driving circuit 3.
  • the ECU determines how many times the semiconductor laser drive circuits 3-1, 3-2, and 3-3 are oscillated, according to the driving situation.
  • the drive signals D 1 , D 2 , D 3 are oscillated a plurality of times while shifting the timing in each of the plurality of semiconductor laser drive circuits in response to one ignition signal IGt, and the drive signal D 1 , D 2 , D 3 while the semiconductor lasers 5-1, 5-2, and 5-3 are being driven, the pumping laser is sent from the semiconductor lasers 5-1, 5-2, and 5-3 to the resonator 74
  • a plurality of pulse lasers PL 1 , PL 2 , PL 3 are oscillated from the resonator 74.
  • the number of oscillations of the excitation laser for one cycle of the ignition signal IGt is controlled by the time width for driving the semiconductor lasers 5-1, 5-2, and 5-3 and the number of times of driving for one ignition signal IGt. Can do. Furthermore, the oscillation interval of the pulse laser oscillated during the driving period of the semiconductor lasers 5-1, 5-2, and 5-3 is adjusted by adjusting the current flowing through the semiconductor lasers 5-1, 5-2, and 5-3. Since the saturation time of the fluorescence energy generated in the resonator 74 can be adjusted, it can be controlled in the range of several tens of ⁇ s.
  • a plurality of laser beams are collected while shifting the oscillation timing at a plurality of locations in the combustion chamber 900 of the internal combustion engine 9 using the laser ignition device in the seventh embodiment.
  • the effect when light is applied will be described.
  • a plurality of laser beams are condensed at the same oscillation time, if there is a spot in the mixture concentration in the combustion chamber 900, the light is ignited when the light is condensed under conditions that are difficult to ignite.
  • the first pulse laser PL 1 is first focusing point Focused on FP 1 , ignites the surrounding air-fuel mixture A / F, and forms a flame nucleus FK. Further, the flame nucleus FK grows into a growth flame FG and moves by an air current, and the second pulse laser Immediately before reaching the condensing point FP 2 of PL 2 , the second pulse laser PL 2 is oscillated, and the flame nucleus FK ignited by the second pulse laser PL 2 becomes the condensing point FP of the third luth laser PL 3.
  • the third pulse laser PL 3 is oscillated, the mixture A / F around it is ignited by the third pulse laser PL 2 , and a flame nucleus FK is formed.
  • drive signals D 1, D 2 as but is formed, 3 is controlled.
  • the plurality of pulse lasers PL 1 , PL 2 , and PL 3 are oscillated at a timing at which ignition is sequentially performed from the upstream side of the airflow, the downstream side collection is caused by the heat of the flame FG grown on the upstream side. Improves light spot ignitability. For this reason, the initial flame growth speed can be increased as compared with the case where laser beams are simultaneously condensed at a plurality of locations.
  • the laser medium 742 and the saturable absorber 743 generate heat due to the loss of the pump laser, but the plurality of semiconductor lasers LSR 1 , LSR 2 , and LSR 3 are driven simultaneously, and the plurality of pump lasers are driven.
  • the temperature in the laser medium 742 increases, the refractive index changes, the oscillation mode of each laser (beam intensity distribution on the laser beam cross section) changes, and the light collection height may decrease. Therefore, as shown in FIG.
  • the present invention is effective under conditions of low ignitability such as lean mixed combustion, high EGR combustion, high supercharging combustion, low compression combustion, low intake temperature combustion, low oil temperature, low water temperature, and low fuel temperature.
  • FIGS. 15 (a) to 15 (c) FIGS. 16 (a) to 16 (c) and FIG. 17, a laser ignition device 1a according to the eighth embodiment and a modification thereof will be described.
  • the transmittance of the saturable absorber 743 of the resonator 74 and the reflectance of the reflection film of the partial reflection mirror 744 provided as an output mirror are partially changed, and a plurality of pulse lasers PL 1 , The oscillation interval and pulse energy of PL 2 are changed.
  • the transmittance of the saturable absorbers 743-1 and 743-2 joined to the laser medium 742 is changed for each excitation laser.
  • the transmittance can be changed by changing the Cr concentration of Cr: YAG used as the saturable absorbers 743-1 and 743-2.
  • the Cr concentration is increased, the transmittance is lowered.
  • the pulse energy of the oscillated pulse laser is increased and the transmission frequency is lowered.
  • the material is constant and the transmittance can be changed by changing the thickness of the saturable absorbers 743-1 and 743-2.
  • the saturable absorber 743 is not changed, and the pulses output by changing the reflectivities of the partial reflection mirrors 744 (1) and 744 (2).
  • the pulse energy and transmission frequency of the lasers PL 1 and PL 2 are changed.
  • the reflectance of the partial reflection mirror 744 is increased, the pulse energy to be oscillated is increased, while the oscillation frequency is decreased.
  • FIG. 17 shows an outline of a laser ignition device 1a provided with saturable absorbers 743-1 and 743-2 having different transmittances for each excitation laser of the present embodiment.
  • a pulsed laser with a low oscillation frequency is inefficient due to a large loss in the resonator 74.
  • the oscillation energy per pulse is high by that amount, the mixture gas concentration is low or the velocity of the airflow is low. It is fast and effective especially under poorly ignitable conditions such as when the flame kernel tends to disappear.
  • the oscillation frequency is high, the loss in the resonator 74 is low and the efficiency is good.
  • a pulse laser having a high oscillation frequency is effective in a relatively low load region where the mixture concentration is high, the flow velocity is slow, and fuel efficiency is important.
  • a plurality of pulse energies and transmission frequencies having different specifications from one laser ignition device 1a. This makes it possible to oscillate the pulse laser, and to achieve both ignitability and improved fuel efficiency, so that the degree of freedom as an ignition device is increased.
  • the pulse lasers PL 1 and PL 2 having different pulse energies and transmission frequencies are oscillated by changing the transmittance of the resonator 74 for each excitation laser.
  • the first drive signal D 1 short oscillation interval and the drive signal D 2 Long second oscillation interval Are oscillated, and the first pulse laser PL 1 having a high transmission frequency and low pulse energy and the second pulse laser PL 2 having a low transmission frequency and high pulse energy are oscillated.
  • the swirl flow rate generated as the in-cylinder airflow is slow, the oscillation frequency is high, and the pulse energy is low in the region where the mixture concentration is high.
  • the first pulse laser PL 1 is condensed, and the second pulse laser PL 2 having a low oscillation frequency and high pulse energy is condensed in a region where the swirl flow rate is fast and the mixture concentration is low.
  • the region where the swirl flow rate is low and the mixture concentration is high is relatively good in ignitability, so that the first pulse laser PL 1 with low pulse energy is efficiently ignited, and the swirl flow rate Since the ignitability is low in the region where the gas mixture concentration is high and the gas mixture concentration is low, the flame kernel FK formed by the first pulse laser PL1 grows, and the swirl approaches the condensing point of the second pulse laser PL2.
  • the region having low ignitability can be quickly ignited by the second pulse laser PL 2 having high pulse energy while improving the ignitability.
  • the combustion of the second pulse laser PL 2 can be continued while suppressing the decrease in the temperature of the flame generated by the first pulse laser PL 1 due to the strong swirl, and the internal combustion engine having a large bore diameter.
  • a laser ignition device 1i according to the ninth embodiment will be described with reference to FIGS. 20 (a), 20 (b), and 21 (a) to 21 (d).
  • the high refractive optical element 76 in which the plurality of pulse lasers PL 1 to PL n excited by the plurality of semiconductor lasers LSR 1 to LSR n oscillated from the laser oscillation device 5 are formed in a substantially polygonal pyramid shape.
  • a plurality of pulsed lasers PL 1, PL 2 which is incident from the incident surface 761i is so away from the central axis without intersecting each other It may be refraction.
  • the pulse lasers LPL 1 and PL 2 oscillated from the resonator 74 are expanded through the beam expander 75 and the beam diameter is expanded, and the optical axes OPX 1 and OPX 2 are operated by the high refractive index optical element 76.
  • the light is condensed by a plurality of condensing lenses 77 and 78, but after expanding the beam diameter via the beam expander 75 as in the present embodiment, the condensing lens (convex lens) 77i. Then, after adjusting to parallel light, the high refractive index optical element 76i may be allowed to pass through.
  • the number of beam expanders 75i and condenser lenses 77i and the high refractive index optical element 76i are changed according to the number of laser beams.
  • the number of the light incident surfaces 761i-1 to 761i-n can be arbitrarily increased or decreased for assembly.
  • a plurality of pulsed laser beams are collected in the combustion chamber without crossing each other, so that there is a possibility that they may interfere with each other or cause misignition due to pseudo collection by crossing a plurality of laser beams. Absent.
  • a laser ignition device 1j according to the tenth embodiment will be described with reference to FIGS. 22 (a), 22 (b), 23 (a), and 23 (b).
  • the plurality of pulse lasers PL 1 to PL n are condensed by the high refractive index optical elements 76 and 76a to 76i to be condensed at the plurality of condensing points FP 1 to FP n in the combustion chamber 900.
  • the configuration in which the optical characteristics are improved has been described.
  • the plurality of pulse lasers L 1 to PL n are refracted by the high refractive optical element 76j with the optical axes OPX 1 and OPX 2 being advanced.
  • the direction is changed to a direction that converges to a predetermined position, and a plurality of pulse lasers PL 1 to PL n are concentrated on one point FPi in the combustion chamber 900 by a condensing lens 78i disposed at the tip thereof.
  • a condensing lens 78i disposed at the tip thereof.
  • the number of beam expanders 75j and the number of condensing lenses 77j and the high-refractive-index optical element according to the number of laser beams can be arbitrarily increased or decreased.
  • the semiconductor laser drive circuit 3 when the semiconductor laser drive circuit 3 is controlled in accordance with the ignition signal IGt oscillated from the engine ECU 4 in accordance with the operating state of the engine and a current is passed through the semiconductor laser oscillator 5, the respective embodiments are used.
  • the laser beam is focused on the condensing point FP, and the laser beam is absorbed (multiphoton absorption) in the air-fuel mixture in the vicinity of the condensing point, causing a thermal divergence of the air-fuel mixture and starting combustion.
  • a current is continuously supplied to the semiconductor laser oscillator 5
  • the laser light repeatedly oscillates at intervals of about 100 to 300 ⁇ s, the thermal divergence is continued, and the flame propagation can be continued.
  • each condensing point is determined so as to maximize the flame propagation speed in accordance with the shape of the combustion chamber and the operating state of the internal combustion engine employing the laser ignition device.
  • a pseudo lens may be formed by the density difference of the air-fuel mixture while the laser beam travels through the air-fuel mixture, which may lead to a decrease in the light collection intensity due to laser scattering.
  • the refractive index of the high refractive index optical element 76 and the prism apex angle ⁇ p are preferably set so that the light is condensed at a position close to the inner peripheral wall of the cylinder.
  • ignition can be started simultaneously at many condensing points in the combustion chamber, multiple ignition can be started at different timings, and arbitrary adjustments can be made.
  • a delay of about 150 to 200 ⁇ s occurs after the semiconductor laser 5 is energized and before the oscillation of the pulse lasers PL 1 to PL n is started.
  • the energization start time is determined so that The oscillation interval when performing the multiple ignition can be controlled by the power applied to the semiconductor laser 5, and when the oscillation interval is shortened, it can be controlled by increasing the current value. It is also possible to independently control energization start timings and current values for the plurality of semiconductor lasers 5-1 to 5-n.
  • the high relative refractive index n ab of the refractive index optical element 76, the focal point in an arbitrary area in the cylinder by the choice of the condensing distance setting and the condensing lens 77 and 78 of the prism apex angle theta P Therefore, it is possible to control the combustion with a very high degree of freedom, and it is possible to realize a laser ignition device that exhibits extremely excellent ignitability in a non-ignitable combustion engine.

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Abstract

　内燃機関（９０）に装着され、レーザ発振装置（５、６、７）から発振されたレーザ光を集光レンズ（７７、７８）によって燃焼室（９００）内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置は、少なくとも、複数の半導体レーザ５－１～５－ｎから、共振器（７４）を経て発振された複数のレーザ光の光軸ＯＰＸ１～ＯＰＸｎを屈折させ進行方向を変化させる高屈折率光学素子（７６）と、高屈折率光学素子（７６）によって屈折された各レーザ光を燃焼室（９００）内の複数箇所ＦＰ１～ＦＰｎに集光せしめる集光手段（７７、７８）と、を有する。

Description

レーザ点火装置 関連出願の相互参照
　本出願は、当該開示内容が参照によって本出願に組み込まれた、２０１０年９月２１日に出願された日本特許出願２０１０－２１０４１１および２０１１年１月２５日に出願された日本特許出願２０１１－１２６４５を基にしている。
　本発明は、内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置に関する。
　近年、ＣＯ２低減の観点から、小型で高出力を達成する高過給、高圧縮の自動車用エンジン、および高効率、低ＮＯＸを達成するコジェネレーションシステムの発電機用エンジンの開発が進められている。高過給、高圧縮の自動車用エンジンの場合は、点火前の筒内圧力が高いため火花点火プラグで着火する場合は点火プラグに供給するエネルギを従来の数倍に増加する必要がある。また、コジェネレーションシステムの発電機用エンジンの場合は、シリンダボア径が大きく、混合気濃度が希薄である。
　このようなエンジンを高効率で燃焼するには、燃焼速度が早くしかも着火性に優れた点火装置が望まれており、優れた着火性を発揮できる点火装置として、特開２００６－３２９１８６号公報（ＵＳ公開広報２００６－０２４３２３８Ａ１に対応）には、燃焼室にレーザ光を１点に集光して混合気を着火するレーザ点火装置が提案されている。ところが、このようなレーザ点火装置であっても、混合気濃度が希薄になるとレーザ光を吸収できる分子数が減少し着火性が低下する。また、燃焼室内において着火時期近傍の混合気濃度に斑がある場合、混合気濃度が希薄な領域でレーザを発振するとレーザ光の吸収が減少するとともに、火炎伝播速度も低下し良好な燃焼を実現できない。また、ボア径の大きな機関では、着火に成功した場合でも、燃焼の伝播に時間が掛かり完爆に至らず失火することもある。
　このような問題に対して特開２００６－１６１６１２号公報では、レーザを燃焼室内のターゲットに照射し、発生したプラズマにより混合気に着火するように構成されたレーザ着火式装置が提案されている。前記レーザ着火装置は、ハーフミラーと全反射ミラーとを組合せ、複数本のレーザ光を形成し、燃焼室内の複数のターゲットに照射することで、着火性の向上を図っている。しかし、特開２００６－１６１６１２号公報に示すレーザ着火装置では、一つのレーザ光を全反射ミラーと半反射ミラーを複数組み合わせて分光し、これを燃焼室内に集光しているため、複数の集光点において、同時、又は、光路長の差による極短い時間差でほぼ同時に集光され、全ての集光点においてほぼ同時に着火燃焼が開始されるため、燃焼室内の複数の集光点おける着火開始の時間調整、エンジンの混合気状態に応じた点火制御を行うことはできない。また、特開２００６－１６１６１２号公報の図２にあるようにエネルギの高いレーザ光を複数の屈折面を有する多角錐状の分割プリズムの頂点から入光して該分割プリズム内を通して複数の屈折面から出光させたのでは、レーザ光の入光位置が分割プリズムの頂点から極僅かにずれた場合、均一に分光されず、機関燃焼室内に出射される複数のレーザ光のエネルギにバラツキが生じ、安定した着火性を確保できないおそれもある。
　特開２００６－１６１６１２号公報にあるような構成のままで、このような課題を回避するためには、分割プリズムの頂点に正確に入光させるための極めて高い加工精度が要求され、製造コストの増大を招くおそれもある。加えて、角錐状の分割プリズムの頂点から入光して該分割プリズム内を通して複数の屈折面から出光させた場合には、プリズムの稜線近傍でレーザ光が散乱し投入したエネルギの４０％程度が損失となる場合もあり、点火に必要なエネルギを集光させることができなくなるおそれもある。そのため、着火に必要なエネルギを得るため、レーザのエネルギを増加させる必要があり、装置の大型化、高コスト化及び燃費の悪化を招く。さらに、屈折面の数が奇数面の多角錘状である場合、角度の異なる２つの屈折面が入光面に対向するので、分割されたレーザ光がさらに分割されることもあり、所望の集光点数が得られなかったり、レーザ光の細分化によるエネルギの低下を招いたりするおそれもある。
特開２００６－３２９１８６号公報 特開２００６－１６１６１２号公報
　本発明は、上記課題を鑑みて、機関燃焼室内の所望の位置に複数のレーザ光を任意のタイミングで集光させることにより内燃機関の着火性を向上するとともに、小型化、低コスト化が容易で、簡易な構成のレーザ点火装置を提供することを目的とする。
　第１の態様では、内燃機関に装着され、レーザ発振装置から発振されたレーザ光を集光レンズによって機関燃焼室の内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、少なくとも、複数の半導体レーザから、共振器を経て発振された複数のレーザ光の光軸を屈折させその進行方向を中心軸から遠ざかる方向へ変化させる高屈折率光学素子と、該高屈折率光学素子によって屈折された上記レーザ光を上記機関燃焼室の内の複数箇所に集光せしめる集光手段と、を有する。
　第２の態様では、内燃機関に装着され、レーザ発振装置から発振されたレーザ光を集光レンズによって機関燃焼室の内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、少なくとも、複数の半導体レーザから、共振器を経て発振された複数のレーザ光の光軸を屈折させ、その進行方向を所定の一カ所に収束する方向へ変化させる高屈折率光学素子と、該高屈折率光学素子によって屈折された上記複数のレーザ光を上記機関燃焼室の内の一カ所に集光せしめる集光手段と、を有する。
　第３の態様では、上記高屈折率光学素子を上記複数のレーザ光のそれぞれが入射する複数の面と、所定の屈折角で屈折した光が出射する面との間に所定の頂角を設けた高屈折率の多面体によって構成してもよい。
　また、第４の態様のように、上記高屈折率光学素子はレーザ光をその表面に設けた高反射率の反射膜によって反射する反射型光学素子であって、上記複数のレーザ光のそれぞれを所定の入射角で入射せしめ、上記入射角に等しい反射角で全反射せしめる多面体によって構成してもよい。
　さらに、第５の態様のように、上記内燃機関の運転状況を検出する運転状況検出手段と該検出手段の検出結果に応じて、上記レーザ発振装置から上記燃焼室内に発振するレーザの１サイクルの点火周期中に発振する発振回数と発振時期と発振するレーザの本数決定するレーザ発振制御手段とを設けても良い。
　また、第６の態様では、上記レーザ発振制御手段が、１サイクルの点火周期中の発振回数と発振時期とを上記半導体レーザへの電気エネルギの印加時期と印加時間とによって制御してもよい。
　加えて、第７の態様では、上記共振器を、上記半導体レーザによって励起されるレーザ媒質と可飽和吸収体とによって構成し、該可飽和吸収体の透過率を部分的に変化させてもよい。
　さらに、第８の態様では、上記複数のレーザ光の内、パルスの発振周期が短く、パルスエネルギが小さいレーザを上記内燃機関の燃焼室内において筒内気流が遅い領域に配置させてもよい。
　上記態様によれば、上記レーザ発振装置から発振された複数のレーザ光が上記高屈折率光学素子によって、それぞれの進行方向を変えられ、その先に設けられた集光手段によって機関燃焼室内の複数箇所に集光され、若しくは、上記レーザ発振装置から発振された複数のレーザ光が上記高屈折率光学素子によって機関燃焼室内の所定位置に収束する方向に進行方向を変えられ、その先に設けられた集光手段によって機関燃焼室内の一カ所に集中的に集光され、高エネルギのプラズマを機関の燃焼特性に応じて機関燃焼室内の複数箇所、又は、一カ所に発生させることができるので、着火確率が向上し、安定した燃焼を実現することができる。　　
　また、上記高屈折率光学素子の屈折率、頂角と上記レーザ発振装置から発振されたレーザ光のビーム径、広がり角、波長と集光手段と集光点までの距離等を調整することによって、所望の集光位置及び集光強度を任意に設定することができる。
　さらに、複数の半導体レーザから発振されたレーザ光を集光する集光時期に時間差を設けて制御することも可能となる。
　本発明における上記あるいは他の目的、構成、利点は、下記の図面を参照しながら、以下の詳細説明から、より明白となる。図面において、
図１は、第１実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図であり、 図２は、第１実施形態におけるレーザ点火装置の原理説明図であり、 図３（ａ）～図３（ｅ）は、２～６点の集光に対応可能なビームエキスパンダの平面図、断面図及び下面図であり、第１実施形態におけるレーザ点火装置を構成するビームエキスパンダの変形例を示し、 図４（ａ）～図４（ｅ）は、２～６点の集光に対応可能な高屈折率光学素子の平面図、断面図及び下面図であり、第１実施形態におけるレーザ点火装置を構成する高屈折率光学素子の変形例を示し、 図５（ａ）～図５（ｃ）は、２点の集光に対応可能な集光レンズの平面図、断面図及び下面図であり、第１実施形態におけるレーザ点火装置を構成する集光レンズの変形例を示し、 図６（ａ）～図６（ｄ）は、３～６点の集光に対応可能な集光レンズの平面図、断面図及び下面図であり、第１実施形態におけるレーザ点火装置を構成する集光レンズの他の変形例を示し、 図７は、第１実施形態において集光点を６点設けた場合のレーザ点火装置の概要を示す断面図であり、 図８は、第２実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図であり、 図９（ａ）、図９（ｂ）は、要部断面図、高屈折率光学素子の断面図であり、第３実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示し、 図１０は、第４実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図であり、 図１１は、第５実施形態におけるレーザ点火装置の要部を示す断面図であり、 図１２は、第６実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図であり、 図１３は、第７実施形態におけるレーザ点火装置の制御方法の一例を示すタイムチャートであり、 図１４（ａ）～図１４（ｄ）は、第７実施形態におけるレーザ点火装置を用いた場合の火炎伝播の効果を説明するための模式図であり、 図１５（ａ）～図１５（ｃ）は、第８実施形態におけるレーザ点火装置とその変形例を示す要部模式図であり、 図１６（ａ）～図１６（ｃ）は、第８実施形態におけるレーザ点火装置の他の変形例を示す要部模式図であり、 図１７は、第８実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図であり、 図１８は、第８実施形態におけるレーザ点火装置に用いられる制御方法を示すタイムチャートであり、 図１９（ａ）～図１９（ｄ）は、第８実施形態におけるレーザ点火装置の火炎成長に対する効果を示す模式図であり、 図２０（ａ）は要部断面図、図２０（ｂ）は、高屈折率光学素子周辺の断面図であり、第９実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示し、 図２１（ａ），図２１（ｂ）は断面図であり、第９実施形態におけるレーザ点火装置に用いられるビームエキスパンダ及び高屈折率光学素子の変形例を示し、 図２２（ａ）は要部断面図、図２２（ｂ）は高屈折率光学素子周辺の断面図であり、第１０実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示し、そして 図２３（ａ），図２３（ｂ）は断面図であり、第１０実施形態におけるレーザ点火装置に用いられるビームエキスパンダ及び高屈折率光学素子の変形例を示す。
第１実施形態
　図１、図２を用いて、第１実施形態におけるレーザ点火装置１の構成および作動を説明する。第１実施形態におけるレーザ点火装置１は、図略の内燃機関９のシリンダヘッド９０に装着され、高屈折率光学素子７６を用いて、複数のレーザ光の光軸ＯＰＸ１、ＯＰＸ２を大きく屈曲させ、燃焼室９００内において複数箇所の集光点ＦＰ１、ＦＰ２にレーザ光を集光させて、燃焼室９００内の複数箇所に火炎核を発生させて混合気の点火を行う点火装置であって、特に難着火性の高過給エンジン、高圧縮エンジン、希薄混合気エンジン等の点火に使用が想定される。
　レーザ点火装置１は、電源２と、半導体レーザ駆動回路（ＤＲＶ）３とエンジンＥＣＵ４と複数の半導体レーザ５－１、５－２と、半導体レーザ５－１、５－２から発振された励起用レーザを伝送する光ファイバ６－１、６－２と、機関９のシリンダヘッド９０に装着されるレーザ点火プラグ７とによって構成されている。さらに、レーザ点火プラグ７は、所定のパルスでレーザ光を発振するレーザ発振装置を構成し、光ファイバ６－１、６－２を介して伝送された励起用のレーザを平行光に調整するコリメートレンズ７１－１、７１－２と、コリメートレンズによって調整された励起用のレーザを集光する集光レンズ７２－１、７２－２と、集光レンズ７２－１、７２－２によって集光された励起用レーザを共振させ、パルスレーザとして発振する共振器７４と、共振器７４から発振されたパルスレーザのビーム径を拡大するビームエキスパンダ７５と、要部であり、パルスレーザの進行方向を屈折させる高屈折率光学素子７６と、高屈折率光学素子７６によって屈折されたレーザ光を機関燃焼室９００内の集光点ＦＰ１、ＦＰ２に集光する集光手段として設けられた集光レンズ７７－１、７７－２、７８－１、７８－２と、集光レンズ７７－１、７７－２、７８－１、７８－２を機関燃焼室９００内の圧力、高熱、燃料等の付着から保護する保護カバー７９－１、７９－２と、によって構成されている。共振器７４は、筐体７０内に設けられた全反射鏡７４１、レーザ媒質７４２、可飽和吸収体７４３、部分反射鏡７４４等によって構成されている。
　ＥＣＵ４は、機関９の運転状況に応じて、信号線４１を介してＤＲＶ３に点火信号ＩＧｔを発信する。ＤＲＶ３では、ＥＣＵ４から発信された点火信号ＩＧｔに基づいて、半導体レーザ５－１、５－２を駆動する駆動信号Ｄ１、Ｄ２を形成し、電源２から半導体レーザ駆動用配線５１－１、５１－２を介して半導体レーザ５－１、５－２へ印加される電流の印加時間、印加時期を制御し、半導体レーザ５－１、５－２から放射される励起用レーザのエネルギ強度と発振時期とを制御している。
　半導体レーザ５－１、５－２から放射される励起光は、それぞれ光ファイバ６－１、６－２を介して、シリンダヘッド９０に装着されたレーザ点火プラグ７へ伝送される。光ファイバ６－１、６－２の端面６１－１、６１－２から出射した励起光はそれぞれ、コリメートレンズ７１－１、７１－２によって平行光に調整され、さらに集光レンズ７２－１、７２－２によってビーム径を絞り込み、共振器７４の入射面にコーティングした励起光の反射を防止する膜７４０を介して、共振器７４の端面からレーザ媒質７４２に至る距離Ｌの約１／３～１／２の間に位置する集光点７３－１、７３－２に集光され、レーザ媒質７４２内を直進する平行光となるように共振器７４に入射する。
　共振器７４内に入射された励起光（例えば、８０８．５ｎｍ）は、レーザ媒質７４２を蛍光させ励起光よりも長い波長（例えば、１０６４ｎｍ）の光を誘導放出する。共振器７４の入射面からの励起光の入射は許容し、レーザ媒質内で発生した励起光よりも長い波長の光を全反射する全反射鏡７４１、レーザ媒質７４２、可飽和吸収体７４３、部分反射鏡７４４内でレーザ媒質内で発生した励起光よりも長い波長の光が共振し、可飽和吸収体７４３の固有の閾値を超えるまで増幅される。共振増幅されたレーザ光が閾値を超えると可飽和吸収体７４３が受動Ｑスイッチとして作用し、瞬間的にエネルギ密度の高いレーザ光が出射される。なお、本実施形態においては、共振器７４から発振したレーザ光は、励起エネルギとして２３ｍＪのエネルギが供給された場合、ビーム径１．２ｍｍ、パルス幅１ｎｓ、３ｍＪの平行光発振する能力がある。燃焼室９００内の集光点ＦＰ１、ＦＰ２におけるエネルギ密度を高くすべく、平凹レンズからなるビームエキスパンダ７５を介して共振器７４から発振されたレーザ光のビーム径を拡大する。
　ビームエキスパンダ７５には、共振器７４から発振されるレーザ光の数だけ光軸ＯＰＸ１、ＯＰＸ２に中心軸を合わせた凹面部７５１－１、７５１－２が形成されている。ビームエキスパンダ７５を通過した複数のレーザ光は要部である高屈折率光学素子７６に複数設けられたそれぞれの入光面７６１－１、７６１－２に所定の入射角θ１（例えば４５°）で入光する。
　本実施形態において、高屈折率光学素子７６は、例えば石英、合成石英又は硼珪ガラスのいずれかから選択される高屈折率材料からなり、三角プリズム状に形成されており、複数のレーザ光がそれぞれ入光する２つの入光面７６１－１、７６１－２と、高屈折率光学素子７６と空気層８０との界面で屈折し進行方向を変化させて所定の屈折角θ４で出光する出光面７６２との間に設けた多面体プリズムの頂角θｐが、例えば４５°等の所定の角度で形成されている。出光面７６２は、レーザ点火プラグ７の中心軸に直交する平面を形成している。ビームエキスパンダ７５の凹面部７５１－１、７５１－２を通過した、複数のレーザ光は、高屈折率光学素子７６のそれぞれの入光面７６１－１、７６２－２の法線に対して入射角θ１（＝θＰ、例えば４５°）の角度で入光し、高屈折率光学素子７６の出光面７６２から、屈折角θ４の角度（例えば４５°）で屈折光が出光する。
　さらに、出光面７６２から出射したレーザ光は、集光レンズ７７－１、７７－２、７８－１、７８－２によって、機関燃焼室９００内の所定位置の集光点ＦＰ１、ＦＰ２に集光され、高エネルギのプラズマを発生させ、機関燃焼室９００内の複数箇所で混合気の点火がなされる。このとき、集光点ＦＰ１、ＦＰ２の位置及び集光強度は、ビームエキスパンダ７５の凹面部７５１－１、７５１－２の曲率、集光レンズズ７７－１、７７－２、７８－１、７８－２の曲率、ビームエキスパンダ７５と集光レンズズ７７－１、７７－２、７８－１、７８－２との距離、レーザ品質（Ｍ２）、高屈折率光学素子７６の頂角θｐ、空気の絶対屈折率ｎａ、高屈折率光学素子７６の絶対屈折率ｎｂ、空気層を通過する際のレーザ光の波長λａ、高屈折率光学素子７６を通過する際のレーザ光の波長λｂによって算出され、所望の位置及び集光強度を任意に設定することができる。集光レンズ７７－１、７７－２、７８－１、７８－２は、２枚又は３枚のレンズを組み合わせて球面収差、コマ収差、非点収差等を調整してある。なお、集光レンズ７７－１、７７－２、７８－１、７８－２は球面レンズ、非球面レンズのいずれでも良い。
　高屈折率光学素子７６の入光面７６１－１、７６１－２、出光面７６２はそれぞれ、空気層８０に対向しており、空気層８０から高屈折率光学素子７６の入光面７６１－１、７６１－２への入射角θ１、高屈折率光学素子７６内を進行するときの屈折角θ２、高屈折率光学素子７６の出光面７６２への入射角θ３、高屈折率光学素子７６の外へ出光するときの屈折角θ４、空気層８０の絶対屈折率ｎａ、高屈折率光学素子７６の絶対屈折率ｎｂ、空気層８０から高屈折率光学素子７６へ入光するときの相対屈折率ｎａｂ、高屈折率光学素子７６から空気層８０へ出光するときの相対屈折率ｎｂａ、空気層を通過する際のレーザ光の波長λａ、高屈折率光学素子７６を通過する際のレーザ光の波長λｂとの間には以下の関係が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　本実施形態においては、複数の半導体レーザ５－１、５－２から発振され、共振器７４によって増幅されたレーザ光の光軸ＯＰＸ１、ＯＰＸ２を高屈折率光学素子７６によって大きく屈曲させ、集光レンズ７７－１、７７－２、７８－１、７８－２によって燃焼室９００内に集光させている。このため、集光点ＦＰ１、ＦＰ２間の距離を拡大することができ、大きなボア径の内燃機関９においても同時に複数箇所で点火を開始することにより点火の成功確率を高くすることができる。
　高いエネルギレベルのレーザ光が機関燃焼室９００内に複数箇所に集光されるとそれぞれの集光点ＦＰ１、ＦＰ２にプラズマが発生するため、燃焼速度が増加し、機関燃焼室９００内の混合気の点火を早期に行うことができる。さらに、点火信号ＩＧＴにしたがってＤＲＶ３で形成される駆動信号Ｄ１、Ｄ２によって半導体レーザ５－１、５－２への通電を維持することで、レーザ点火プラグ７から発振され、機関燃焼室９００内に集光されるパルスレーザＰＬ１、ＰＬ２を１００μｓ～１３０μｓの間隔で複数回繰り返して集光させ、混合気にエネルギを繰り返し投入することにより火炎核の成長を促し、さらに燃焼速度の向上を図ることができる。
　また、それぞれの集光点ＦＰ１、ＦＰ２の集光タイミングをＥＣＵ４から発振された１つの点火信号ＩＧｔにしたがって、同時に行うことができるだけでなく、それぞれの半導体レーザ５－１、５－２への通電時期に時間差を設けて、複数の集光点ＦＰ１、ＦＰ２に順を追って集光させることもできる。このような時間差を設けた制御を実施することにより、集光点ＦＰ１、ＦＰ２に発生する火炎核の成長に時間差を生じさせ、混合気に流れを生じさせることにより反応性を高くし、燃焼速度のさらなる向上を図ったり、ノッキングの抑制を図ったりすることもできる。
　さらに、通電時期の調整のみならず、複数の半導体レーザの励起集光部の特性を変えることにより、レーザ光の発振時期を変えることもできる。加えて、複数の集光点を形成するに当たり、複数のレーザ点火プラグを機関燃焼室に載置するのではなく、本態様では、１つのレーザ点火プラグ７から発振される複数のレーザ光を高屈折率光学素子７６により大きく屈曲させて機関燃焼室９００内の複数箇所に集光させるため、装置の小型化が容易である。
　上記実施形態においては、２箇所の集光点ＦＰ１、ＦＰ２を形成する場合を示したが、本態様によれば、容易に集光点の多点化を図ることができ、以下に幾つかの変形例について説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については、同じ符号を付したので説明を省略し、相違点を中心に説明する。図３（ａ）～図６（ｄ）を参照して、簡易な構成で、機関燃焼室９００内の複数箇所に集光点ＦＰ１～ＦＰｎを形成する場合の各構成部品の変形例について説明する。
　図３（ａ）～図３（ｅ）は、集光点ＦＰの数が２点～６点に対応するビームエキスパンダ７５、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄの構成例を示す。本実施形態において、ビームエキスパンダ７５、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄは略円柱状の基体に凹面部７５１－１～７５１－６を集光点ＦＰ１～ＦＰｎの数に応じて形成してあるがが、外径寸法は、２個の場合と全く変わらず、体格を変えることなく、集光点ＦＰの数を増やすことができる。
　ビームエキスパンダ７５、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄの各凹面部７５１－１～７５１－６へ入射させるレーザ光を増やすために、光ファイバ５－１～５－６をレーザ光の数だけ束ねて共振器７４へ接続する必要があるが、光ファイバ５－１～５－６内でそれぞれの励起レーザが全反射をしながら伝送されるので、複数の励起用レーザが互いに干渉することはない。また、複数の励起用レーザが共振器７４内に伝送されても、レーザ光は直進性が高いので、互いに影響を受けることなく増幅される。
　レーザの発振タイミングは、励起用半導体レーザの発振タイミングとＱスイッチの透過率によって制御できる。例えば、Ｑスイッチの透過率が同じ場合、結晶内部ではビームは平行なので、１ｍｍ程度離しておけば隣のレーザと干渉することはない。また、レーザの発振タイミングは励起用半導体レーザの発振タイミングで制御可能となる。
　さらに、各レーザに対応するＱスイッチの透過率を変える場合には、可飽和吸収体７４２の透過率を変えるために、厚さ、または含有するＣｒ濃度を変えることになるので、共振器７４を区画した方が良い。この場合、励起用半導体レーザの発振タイミングを変えることでＱスイッチの透過率を一定とした場合よりレーザの発振タイミングの制御自由度を向上することができる。より具体的な構成例については、図１５（ａ）～図１６（ｃ）を参照して後述する。
　図４（ａ）～図４（ｅ）は、集光点ＦＰの数が２点～６点に対応し、要部である高屈折率光学素子７６、７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの構成例を示す。入光面７６１－１～７６１－６と出光面７６２との成す頂点角θｐを一定の条件とし正多角錘によって入光面７６１－１～７６２－２を形成することにより、必要な数だけ入光面７６１－１～７６１－６を形成することができる。また、本実施形態において、高屈折率光学素子７６、７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの出光面７６２は、レーザ光の入射方向、即ち、レーザ点火プラグ７の長手方向の中心軸に対して直交する平面によって形成してある。本図において点ＰＩＮ１～ＰＩＮ６は、各入光面７６１－１～７６１－６においてレーザ光が入光する光軸中心の位置を示し、点ＰＯＵＴ１～ＰＯＵＴ６は、各出光面７６２における出光位置を示す。各実施例におけるレーザ光の屈折方向を示す光軸ＯＰＸ１～ＯＰＸ６を太い破線で示した。
　図３（ａ）～図３（ｅ）に示したビームエキスパンダ７５、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄの各凹面部７５１－１～７５１－６を通過して拡大されたレーザ光を図４（ａ）～図４（ｅ）に示した対応する高屈折率光学素子７６、７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの各入光面７６１－１～７６１－６に入光させると、出光面７６２から光軸ＯＰＸ１～ＯＰＸ６を大きく屈曲させて出光させることができる。なお、図４（ａ）～図４（ｅ）の平面図に示すように、本実施形態においては、外周側面が円形に形成されているが、高屈折率光学素子７６、７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの側面の形状を円形に限定するものではなく多角形であっても良く、側面形状を円形とするか多角形とするかは、加工性、組み付け性等を考慮して適宜選択し得るものである。
　図５（ａ）～図５（ｃ）を参照して、第１実施形態におけるレーザ点火装置を構成する集光レンズの変形例について説明する。図５（ａ）～図５（ｃ）は、いずれも２点の集光に対応可能な集光レンズ７７－１、７７－２、の平面図、断面図及び下面図である。２枚の集光レンズ７７－１、７７－２に一部を所定の角度で切り欠いたカット面ＣＳ１、ＣＳ２を設けて、図５（ａ）に示すように、それぞれを対向させることにより集光レンズ７７－１、７７－２の中心軸を、上述の高屈折率光学素子７６を通って屈折された光軸ＯＰＸ１、ＯＰＸ２に一致させて配設することができる。また、図５（ｂ）に示すように、筐体７０の形状に合わせて、外周を円形に形成しても良いし、図５（ｃ）に示すように、矩形に形成しても良い。集光レンズ７７－１、７７－２に光軸を合わせて１枚又は２枚の集光レンズ７８－１、７８－２が配設され、機関燃焼室９００内の所望の位置にレーザ光が集光するように出光面７７２－１、７７２－２の曲率が調整されている。
　図６（ａ）～図６（ｄ）を参照して、第１実施形態におけるレーザ点火装置を構成する集光レンズの他の変形例について説明する。図６（ａ）～図６（ｄ）はそれぞれ３～６点の集光に対応可能な集光レンズの平面図、断面図及び下面図である。上述の如く、光屈折光学素子７６に複数の入光面７６１－１～７６１－ｎを設けて、複数のレーザ光を任意の方向に屈曲させて出力させたときに、図６（ａ）～図６（ｄ）に示すように集光レンズ７７１－１～７７１－ｎを花弁状に並べて配設することにより、レーザ点火プラグ７の体格を大きくすることなく容易にそれぞれのレーザ光の光軸ＯＰＸ１～ＯＰＸｎに中心軸を合わせることができる。
　図７を参照して、本態様に第１実施形態において６点の集光点ＦＰ１～ＦＰ６を形成し得るレーザ点火装置１ｄの全体構成及び作動について説明する。本実施形態において、ＤＲＶ３は、ＥＣＵ４から発信された点火信号ＩＧｔに基づいて、６点の集光点ＦＰ１～ＦＰ６に集光するレーザ光を発振すべく駆動信号Ｄ１～Ｄ６を形成する。
　駆動信号Ｄ１～Ｄ６によって、半導体レーザ５－１～５－６に所定量のエネルギが供給され、半導体レーザ５－１～５－６から励起レーザが発振され、光ファイバ６－１～６－６を介してレーザ点火プラグ７に供給される。なお、光ファイバ６－１～６－６を一体の同軸ケーブルとしても良い。各光ファイバ６－１～６－６内を全反射しながら伝送された励起レーザは、コリメートレンズ７１－１～７１－６、７２－１～７２－６によって集光点７３－１～７３－６に集光され、全反射鏡７４１、レーザ媒質７４２、過飽和吸収体７４３、部分反射鏡７４４からなる共振器７４内を共振し、励起レーザによってレーザ媒質７４２が励起され、過飽和吸収体７４３の固有の閾値を超えるまで増幅され、この閾値を超えると過飽和吸収体７４３が受動Ｑスイッチとして作用し、瞬間的にエネルギ密度の高い６本のパルスレーザが発振される。
　共振器７４から発振されたパルスレーザは、６個の凹面部７５１－１～７５１－６を有するビームエキスパンダ７５ｄによって拡径された後、６面の入光面７６１－１～７６１－６を有する多角錘状の高屈折率光学素子７６ｄに入光し、それぞれの光軸ＯＰＸ１～ＯＰＸ６が大きく屈折されて出光面７６２から６方向に向かって出光する。高屈折率光学素子７６ｄから出光した６本のレーザ光は、それぞれ集光レンズ７７ｄと集光レンズ７８－１～７８－６とによって、機関燃焼室９００内の複数の集光点ＦＰ１～ＦＰ６に集光され、複数箇所でプラズマを発生させて機関燃焼室９００内の混合気の点火を行うことができる。
第２実施形態
　図８を参照して第２実施形態におけるレーザ点火装置１ｅの概要について説明する。上記実施形態においては、共振器７４から出力されたレーザ光をビームエキスパンダ７５によって拡張した後、高屈折率光学素子７６によって屈折させる構成を示したが、図８に示すように、共振器７４から出力されたレーザ光を高屈折率光学素子７６ｅで屈折させた後、ビームエキスパンダ７５ｅ－１、７５ｅ－２によって一旦拡張して、さらに集光レンズ７７ｅ－１、７７ｅ－２、７８－１、７８－２によって集光させる構成としても良い。この際、ビームエキスパンダ７５ｅ－１、７５ｅ－２を、図５（ａ）～図５（ｃ）、図６（ａ）～図６（ｄ）に示した集光レンズ７７－１、７７－２のように、ビームエキスパンダ７５ｅ－１、７５ｅ－２の一部を切り欠いて花弁状に配設して集約的に一体化しても良い。
　また、本実施形態において集光レンズ７７ｅ－１、７７ｅ－２は、上記実施形態のように一体化されておらず、それぞれ独立に設けられている。さらに、本実施形態においても、高屈折率光学素子７６の入光面７６１－１～７６１－ｎを多角錘状に形成し、各入光面７６１－１～７６１－ｎに入光されたレーザ光の数に合わせて、ビームエキスパンダ７５ｅ－１～７５ｅ－ｎの凹面部７５１－１～７５－ｎと集光レンズ７７－１～７７－ｎ、７８－１～７８－ｎを設けることにより、集光点ＦＰ１～ＦＰｎの数を任意に設定できる。
第３実施形態
　図９（ａ），図９（ｂ）を参照して第３実施形態におけるレーザ点火装置の概要をについて説明する。上記実施形態においては、ビームエキスパンダ７５と、高屈折率光学素子７６とをそれぞれ分離して形成した例を示したが、本実施形態においては、高屈折率光学素子７６ｆとして、図９（ｂ）に示すように、高屈折率光学素子７６ｆの出光面側に凹面部７５１ｆ－１７５１ｆ－２を形成し、高屈折率光学素子７６ｆの一部がビームエキスパンダ７５としての機能を兼用している点が相違する。入光面７６１ｆ－１、７６１ｆ－２から入射角θ１の角度で入光したレーザ光の光軸ＯＰＸ１、ＯＰＸ２は、屈折角θ２の角度で屈折され、凹面部７５１ｆ－１、７５１ｆ－２から出光する際に拡張される。本実施形態においても上記実施形態と同様の効果が発揮される。
第４実施形態
　図１０を参照して、第４実施形態におけるレーザ点火装置１ｇについて説明する。上記実施形態においては、複数のレーザ光を出力するために、対応する数の半導体レーザ５－１～５－ｎを設けた例を示したが、本実施形態においては、１つの半導体レーザ５ｇから発振された励起レーザを分割手段５３ｇによって複数に分割して、レーザ点火プラグ７に伝送する点が相違する。分割手段５３ｇは、具体的には、例えば、半導体レーザ５ｇから出力された励起レーザを半反射鏡によって２分割し、それぞれを光ファイバ６－１、６－２に入光させるようにしても良い。
　このような構成とすることにより、出力するレーザ光の数に対して、半導体レーザ５ｇの数を半減させることができるので体格をさらに小型化できる。但し、レーザ点火プラグ７から出力されるレーザ光のエネルギが半減するため、ＤＲＶ３から半導体レーザ５ｇに供給エネルギを倍増する必要がある。また、複数の分割手段を設けて、１つの半導体レーザ５ｇからの出力を多数に分割する構成とし、集光点の数を増やしても良い。
第５実施形態
　図１１を参照して第５実施形態におけるレーザ点火装置について説明する。上記実施形態においては、高屈折率光学素子として屈折率の高い素子内をレーザ光が透過ことによってレーザ光の光軸を屈折させる透過型のプリズムを用いた場合について説明したが、本実施形態においては、高屈折率光学素子として、素子内をレーザ光が透過することなく全反射することによりレーザ光の光軸を屈折させる多面体反射鏡として反射型光学素子７６ｈを用いた点が相違する。本図に示すような反射型光学素子７６ｈでは、入光面７６１ｈ－１、７６１ｈ－２に対して入射角θｉｎの角度で入射されたレーザ光が入射角θｉｎに等しい反射角θｒｅｆの角度で全反射され、集光レンズ７７－１、７７－２、７８－１、７８－２によって機関燃焼室内の複数の集光点ＦＰ１、ＦＰ２に集光され、機関燃焼室内の離れた位置に点火をすることができる。
　反射型光学素子７６ｈを複数（ｎ）面の入光面７６１ｈ－１～７６１ｈ－ｎを設けた多角錘状に形成した基体の表面に高反射率材料からなる反射膜を形成してあり、入射角に等しい反射角で複数のレーザ光を反射させ、それぞれの反射光の光軸ＯＰＸ１～ＯＰＸｎ上に反射光を集光する集光レンズ７７－１～７７－ｎ、７８－１～７８－ｎを配設することにより、複数（ｎ）個の集光点ＦＰ１～ＦＰｎに集光させることができる。入光面７６１ｈ－１～７６１ｈ－ｎの傾斜角度を調整することにより、任意の方向に光軸ＯＰＸ１～ＯＰＸｎを屈折させることができる。反射型の高屈折率光学素子７６ｈとして、例えば、Ａｌ、ＭｇＦ２等の薄膜コーティングを施して、入射光が全反射するようにした三角プリズムを用いることができる。なお、本実施形態においても、上記実施形態と同様、ビームエキスパンダ７５を高屈折率光学素子７６ｈの前に設けても良いし、後ろに設けても良い。　　　
第６実施形態
　図１２を参照して第６実施形態におけるレーザ点火装置１について説明する。上記実施形態においては、１の機関燃焼室に対して１のレーザ点火プラグ７を配設した例について説明したが、多気筒エンジンに対して気筒毎にレーザ点火プラグ７－１～７－４を設けた例について説明する。なお、本実施形態において、レーザプラグ７－１～７－４の枝番は、気筒の点火順の一例を示し、配置位置の順を示すものではない。
　ＤＲＶ３では、ＥＣＵ４からの点火信号ＩＧｔにしたがって、各気筒に設けられたレーザ点火プラグ７－１～７－４への励起レーザの伝送を点火順に行うべく、半導体レーザ５－１を駆動する駆動信号Ｄ１－１、Ｄ１－２、Ｄ１－３、Ｄ１－４、及び半導体レーザ５－２を駆動する駆動信号Ｄ２－１、Ｄ２－２、Ｄ２－３、Ｄ２－４が形成され、半導体レーザ５－１、５－２に点火順を追って所定の時間差で駆動信号に応じたエネルギが供給される。半導体レーザ５－１、５－２では、各駆動信号Ｄ１－１、Ｄ１－２、Ｄ１－３、Ｄ１－４、Ｄ２－１、Ｄ２－２、Ｄ２－３、Ｄ２－４にしたがって供給された電流によって発生した励起レーザＬＳＲ１－１、ＬＳＲ１－２、ＬＳＲ１－３、ＬＳＲ１－４、ＬＳＲ２－１、ＬＳＲ２－２、ＬＳＲ２－３、ＬＳＲ２－４を各気筒に設けられたレーザ点火プラグ７－１～７－４に順に伝送する。　
第７実施形態
　図１３を参照して、第７実施形態におけるレーザ点火装置の制御方法の一例として、内燃機関９の運転状況に応じて、複数のレーザの発振タイミングをずらして発振する制御方法について説明する。なお、本実施形態においては、３基の半導体レーザ５－１、５－２、５－３を備えた場合を例に説明する。本実施形態では、内燃機関９の運転状況を検出する運転状況検出手段と該検出手段の検出結果に応じて、レーザ発振装置１から燃焼室９００内に発振するレーザＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３の１の点火周期の点火信号ＩＧｔに対して発振するレーザの発振回数と発振時期と発振するレーザの本数とを決定するレーザ発振制御手段として半導体レーザ駆動回路３を有する。また、レーザ発振制御手段として設けられた半導体レーザ駆動回路３は、１の点火信号に対して発振する発振回数と発振時期とを半導体レーザ５－１、５－２、５－３への電気エネルギの印加時期と印加時間とによって制御する。
　内燃機関９の運転状況を検出する運転状況検出手段としては、吸気温度を検出する吸気温度センサ、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ、エンジンオイル温度を検出する油温センサ、エンジン回転数を検出する回転センサ、クランク角を検出するクランク角センサ、混合気濃度を検出するＡ／Ｆセンサ、ＥＧＲ率を検出するＥＧＲセンサ、混合気流速を検出するスワールセンサ、筒内圧力を検出する筒内圧センサ等が用いることができる。これらの運転状況検出手段によって検出された運転状況に応じて、エンジン制御装置ＥＣＵによって点火条件が算出され、点火信号ＩＧｔが半導体レーザ駆動回路３に発振される。
　複数の半導体レーザ駆動回路３－１、３－２、３－３を如何なるタイミングで、何回発振させるかは、運転状況に応じてＥＣＵによって決定される。図１３に示すように、１の点火信号ＩＧｔに対して、複数の半導体レーザ駆動回路のそれぞれに、駆動信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３がタイミングをずらしながら複数回発振され、駆動信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３によって半導体レーザ５－１、５－２、５－３が駆動されている間は、半導体レーザ５－１、５－２、５－３から励起用レーザが共振器７４に発振され、所定の閾値を超えると共振器７４からは、複数回のパルスレーザＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３が発振される。１サイクルの点火信号ＩＧｔに対する、励起用レーザの発振回数は、半導体レーザ５－１、５－２、５－３を駆動させる時間幅と１の点火信号ＩＧｔに対しての駆動回数によって制御することができる。さらに、半導体レーザ５－１、５－２、５－３の駆動期間中に発振されるパルスレーザの発振間隔は、半導体レーザ５－１、５－２、５－３に流す電流の調整により、共振器７４内で発生した蛍光エネルギの飽和時間を調整できるので、数１０μｓの範囲で制御できる。
　図１４（ａ）～図１４（ｄ）を参照して、第７実施形態におけるレーザ点火装置を用いて複数のレーザ光を内燃機関９の燃焼室９００内における複数箇所で発振時期をずらしながら集光させた場合の効果について説明する。本態様によらず、同じ発振時期で複数のレーザ光を集光させた場合、燃焼室９００内の混合気濃度に斑があると、着火し難い条件下に集光された場合と、着火し易い条件下に集光された場合とで、燃焼状態に差が生じ、点火数を増やした効果が少なくなる。例えば、図１４（ａ）～図１４（ｄ）に順を追って示すように、燃焼室内に時計回りの流動が生じている条件下で、第１のパルスレーザＰＬ１が第１の集光点ＦＰ１に集光され、その周囲の混合気Ａ／Ｆに着火し、火炎核ＦＫが形成され、さらにその火炎核ＦＫが成長火炎ＦＧに成長しつつ、気流によって移動し、第２のパルスレーザＰＬ２の集光点ＦＰ２に到達する直前に、第２のパルスレーザＰＬ２が発振され、第２のパルスレーザＰＬ２によって着火した火炎核ＦＫが第３のルスレーザＰＬ３の集光点ＦＰ３に到達する直前に、第３のパルスレーザＰＬ３が発振され、第３のパルスレーザＰＬ２によってその周囲の混合気Ａ／Ｆに着火し、火炎核ＦＫが形成され、次々と火炎核ＦＫが形成されるように駆動信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３が制御される。このように、気流の上流側から順を追って着火するようなタイミングで複数のパルスレーザＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３が発振されると、上流側で成長した火炎ＦＧの熱によって下流側の集光点の着火性を向上させる。このため、複数箇所で同時にレーザ光を集光させた場合に比べて初期の火炎成長の速度を早くすることができる。
　一般に、レーザ共振器７４内では、レーザ媒質７４２及び可飽和吸収体７４３において、励起レーザの損失によって発熱するが、複数の半導体レーザＬＳＲ１、ＬＳＲ２、ＬＳＲ３を同時に駆動し、複数の励起レーザを同時に発振すると、レーザ媒質７４２内の温度が上昇し、屈折率が変化し、各レーザの発振モード（レーザ光断面のビーム強度分布）が変化し、集光高度が低下することがある。そこで、図１３に示したように、複数の半導体レーザＬＳＲ１、ＬＳＲ２、ＬＳＲ３を間欠的に駆動させることにより、レーザ媒質７４２の内部温度の上昇が抑制され、発振モードの変化が少なくなり、安定した着火を実現することができる。また、１のレーザの発振により発生した火炎核が成長している段階で、次のレーザを発振すると、集光点で発生したエネルギを火炎に供給することができ、火炎から混合気に放熱されるエネルギの損失分を補うこともできる。
　複数のレーザを同時に、又は、連続的に発振すれば、火炎に供給するエネルギを増加させることができるが、上述の如く、レーザ媒質７４２の温度上昇による集光高度の低下を招く虞がある。一方、１の点火信号ＩＧｔに対して、複数のパルスレーザＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３を間欠的に発振すれば、レーザ媒質７４２の温度上昇による集光高度の低下を抑制することができ、エネルギロスを少なくし、燃費の上昇を抑制することができる。特に、希薄混合燃焼、高ＥＧＲ燃焼、高過給燃焼、低圧縮燃焼、低吸気温度燃焼、低油温、低水温、低燃料温度等の着火性の低い条件において効果を発揮するものである。
第８実施形態
　図１５（ａ）～図１５（ｃ）、図１６（ａ）～図１６（ｃ）、図１７を参照して、第８実施形態におけるレーザ点火装置１ａとその変形例について説明する。本実施形態においては、共振器７４の可飽和吸収体７４３の透過率及び出力鏡として設けられた部分反射鏡７４４の反射膜の反射率を部分的に変化させて、複数のパルスレーザＰＬ１、ＰＬ２の発振間隔及びパルスエネルギを変える。共振器７４ａでは、図１５（ａ）に示すように、レーザ媒質７４２に接合した可飽和吸収体７４３－１、７４３－２の透過率を励起レーザ毎に変化させてある。具体的には、可飽和吸収体７４３－１、７４３－２として用いられるＣｒ：ＹＡＧのＣｒ濃度を変化させることによって透過率を変えることができる。Ｃｒ濃度を高くすると透過率は低くなり、透過率が低くなると、発振されるパルスレーザのパルスエネルギが高くなり、発信周波数は低くなる。
　また、共振器７４ｂでは、図１５（ｂ）に示すように、材質は一定で可飽和吸収体７４３－１、７４３－２の厚さを変えることによって透過率を変えることもできる。さらに、共振器７４ｃでは、図１５（ｃ）に示すように、可飽和吸収体７４３は変えず、部分反射鏡７４４（１）、７４４（２）の反射率を変化させることにより出力されるパルスレーザＰＬ１、ＰＬ２のパルスエネルギと発信周波数を変化させている。部分反射鏡７４４の反射率を高くすると、発振されるパルスエネルギが高くなる一方、発振周波数は遅くなる。図１６（ａ）～図１６（ｃ）は、励起レーザ毎に共振器７４ｄ、７４ｅ、７４ｆを分離区画したものである。このような構成とすることにより、上述の如く励起レーザ毎の発振エネルギや発信周波数を変化させることが可能となると共に、複数の励起レーザ間の影響を廃除し、レーザ媒質７４２の温度上昇を抑制し、より安定したパルスレーザを発振させることができる。図１７は、本実施形態の励起レーザ毎に異なる透過率を有する可飽和吸収体７４３－１、７４３－２を設けたレーザ点火装置１ａの概要を示す。このような構成とすることにより、パルスエネルギと発信周波数との異なる複数のパルスレーザＰＬ１、ＰＬ２を発振させることができる。
　本実施形態におけるレーザ点火装置１ａのように、複数の励起レーザに対して励起レーザ毎に異なる透過率を変化させた場合の効果について説明する。発振周波数の低いパルスレーザは、共振器７４内の損失が大きくなるので効率が悪い面もあるが、その分パルス毎の発振エネルギは高いので、混合気の濃度が低い場合や、気流の速度が速く、火炎核が消え易い場合等の特に着火性の悪い条件において効果を発揮する。一方、発振周波数が高い場合には、共振器７４内の損失が低く、効率が良い。パルス毎のエネルギは小さいが、発振回数が多くなるので総エネルギとしては高く、発振周波数の低い場合と同様のエネルギを供給できる。発振周波数の高いパルスレーザは、混合気濃度が高く、流速が遅く、しかも燃費効率を重視する、比較的低負荷の領域に効果を発揮する。このように、複数のパルスレーザを燃焼室内の複数箇所に発振するに際して、共振器の透過率等を変化させることにより、１のレーザ点火装置１ａから異なる諸元のパルスエネルギと発信周波数を有する複数のパルスレーザを発振させることが可能となり、着火性と燃費向上との両立を図ることができるので、点火装置としての自由度が高くなる。
　図１８、図１９（ａ）～図１９（ｄ）を参照して、第８実施形態におけるレーザ点火装置１ａの制御方法の一例とその効果について説明する。本実施形態においては、上述の如く、励起レーザ毎に共振器７４の透過率等を変化させることにより、異なるパルスエネルギと発信周波数のパルスレーザＰＬ１、ＰＬ２を発振する。この時、図１８に示すように、１の点火周期中に発振される点火信号ＩＧｔに対して、発振間隔の短い第１の駆動信号Ｄ１と発振間隔の長い第２の駆動信号Ｄ２とが発振され、それぞれ、発信周波数が高く、パルスエネルギの低い第１のパルスレーザＰＬ１と、発信周波数が低く、パルスエネルギの高い第２のパルスレーザＰＬ２とを発振する。
　本実施形態においては、図１９（ａ）～図１９（ｄ）に示すように、筒内気流として発生するスワール流速が遅く、混合気濃度の高い領域に、発振周波数が高く、パルスエネルギの低い第１のパルスレーザＰＬ１を集光させ、スワール流速が早く、混合気濃度の低い領域に、発振周波数が低く、パルスエネルギの高い第２のパルスレーザＰＬ２を集光させている。このような構成とすることによって、スワール流速が低く、混合気濃度の高い領域は、比較的着火性が良いので、パルスエネルギの低い第１のパルスレーザＰＬ１で効率的に着火させ、スワール流速が高く、混合気濃度が低い領域は、着火性が低いので、第１のパルスレーザＰＬ１によって形成された火炎核ＦＫが成長しつつ、スワールによって第２のパルスレーザＰＬ２の集光点に近づけ、着火性の向上を図りつつ、高いパルスエネルギの第２のパルスレーザＰＬ２によって、着火性の低い領域も速やかに着火させることができる。したがって、強いスワールによって第１のパルスレーザＰＬ１によって発生した火炎の温度が低下するのを抑制しつつ、第２のパルスレーザＰＬ２によって燃焼の持続を図ることができ、ボア径の大きな内燃機関や、高過給、高圧縮エンジン等の難着火性の内燃機関においても安定した着火が実現できる。
第９実施形態
　図２０（ａ）、図２０（ｂ）、図２１（ａ）～図２１（ｄ）を参照して、第９実施形態におけるレーザ点火装置１ｉについて説明する。上記実施形態においては、レーザ発振装置５から発振された複数の半導体レーザＬＳＲ１～ＬＳＲｎによって励起された複数のパルスレーザＰＬ１～ＰＬｎを略多角錐状に形成した高屈折光学素子７６を用いて、光軸ＯＰＸ１～ＯＰＸｎの方向を変える際に、一旦、点火プラグ７の中心軸方向に向かった後、中心軸から遠ざかるように屈折され、その先に設けた集光レンズ７７－１～７７－ｎ、７８－１～７８－ｎによって機関燃焼室９００内の複数箇所に集光点ＦＰ―１～ＦＰ―ｎを形成する例を示したが、本実施形態におけるレーザ点火装置１ｉのように、高屈折率光学７６ｉの中心を略多角錐状に窪ませて、入射面７６１ｉから入光した複数のパルスレーザＰＬ１、ＰＬ２が、互いに交差することなく中心軸から遠ざかるように屈折させても良い。また、上記実施形態においては、共振器７４から発振されたパルスレーザＬＰＬ１、ＰＬ２をビームエキスパンダ７５を介してビーム径を拡張して高屈折率光学素子７６によって光軸ＯＰＸ１、ＯＰＸ２を屈折させ、複数の集光レンズ７７、７８によって集光する例を示したが、本実施形態のように、ビームエキスパンダ７５を介してビーム径を拡張した後、集光レンズ（凸レンズ）７７ｉによって平行光に調整した後、高屈折率光学素子７６ｉを通過させるようにしても良い。
　本実施形態においても、図２１（ａ）、図２１（ｂ）に示すように、レーザ光の数に応じて、ビームエキスパンダ７５ｉ、集光レンズ７７ｉの数及び、高屈折率光学素子７６ｉの入光面７６１ｉ―１～７６１ｉ―ｎの数を任意に増減して組み付けることができる。本実施形態によれば、複数のパルスレーザ光が互いに交わることなく燃焼室内で集光されるので、互いに干渉されたり、複数のレーザ光が交差して擬似的集光による誤着火を招く虞がない。
第１０実施形態
　図２２（ａ）、図２２（ｂ）、図２３（ａ），図２３（ｂ）を参照して第１０実施形態におけるレーザ点火装置１ｊについて説明する。上記実施形態においては、複数のパルスレーザＰＬ１～ＰＬｎを高屈折率光学素子７６、７６ａ～７６ｉによって、燃焼室９００内の複数の集光点ＦＰ１～ＦＰｎで集光させることによって着火性の向上を図った構成について説明したが、本実施形態に示すように、複数のパルスレーザＬ１～ＰＬｎを高屈折光学素子７６ｊによって、光軸ＯＰＸ１、ＯＰＸ２を屈折させ、その進行方向を所定の一カ所に収束する方向へ変化させ、その先端に配設した集光レンズ７８ｉによって複数のパルスレーザＰＬ１～ＰＬｎが燃焼室９００内の一点ＦＰｉに集中的に集光するようにしても良い。このような構成とすることによって、燃焼室９００内の混合気流流速が早く、混合気の濃度の変動が大きいような場合においても、燃焼を維持するための高いエネルギを効果的に供給することができる。
　さらに、本実施形態においても、図２３（ａ）、図２３（ｂ）に示すように、レーザ光の数に応じて、ビームエキスパンダ７５ｊ、集光レンズ７７ｊの数及び、高屈折率光学素子７６ｊの入光面７６１ｊ－１～７６１ｊ－ｎの数を任意に増減して組み付けることができる。
　また、上記実施形態において、機関の運転状況に応じてエンジンＥＣＵ４から発振される点火信号ＩＧｔにしたがって、半導体レーザ駆動回路３を制御して半導体レーザ発振器５に電流を流すと、各実施形態に応じた集光点ＦＰにレーザ光が集光し、集光点近傍の混合気にレーザ光が吸収（多光子吸収）され、混合気の熱乖離が起こり燃焼を開始する。半導体レーザ発振器５に電流を流し続けるとレーザ光は、約１００～３００μｓの間隔で発振を繰り返し、熱乖離が継続され、火炎伝播を持続できる。レーザ点火装置を採用する内燃機関の燃焼室の形状及び運転状態に応じて、火炎伝播速度が最大となるように各集光点の位置を決定する。例えば、ボア径の大きなエンジンの場合には、混合気内をレーザ光が進行する間に混合気の密度差によって擬似レンズを構成し、レーザの散乱による集光強度の低下を招く虞があるので、シリンダの内周壁に近い位置に集光するよう高屈折率光学素子７６の屈折率及びプリズム頂角θｐを設定するのが良い。一方、比較的ボア径が小さく、筒内に強い気流が発生しているようなエンジンの場合には、燃焼室の中心に近い位置に複数の集光点を集中させるようにするのが望ましい。本態様によれば、燃焼室内の多くの集光点に同時に点火を開始させたり、タイミングをずらして多重的に点火を開始させたり、任意に調整することができる。
　なお、一般にレーザ点火装置においては、半導体レーザ５に通電後、パルスレーザＰＬ１～ＰＬｎの発振を開始するまでに、約１５０～２００μｓの遅れを生じるため、これを見越して、点火時期が最適となるように、通電開始時期を決定する。多重点火を実施する場合の発振間隔は、半導体レーザ５に印加する電力により制御でき、発振間隔を短くする場合は、電流値を上げることで制御できる。また、複数の半導体レーザ５－１～５－ｎへの通電開始時期、電流値をそれぞれ独立して制御することも可能である。さらに、複数のレーザ光ＰＬ１～ＰＬｎの内、パルスの発振周期が短く、パルスエネルギが小さいレーザを内燃機関の燃焼室９００内において筒内気流が遅い領域に配置せしめるのが望ましい。本態様によれば、高屈折率光学素子７６の相対屈折率ｎａｂ、プリズム頂角θＰの設定並びに集光レンズ７７、７８の集光距離の選定によって筒内の任意の領域に集光点を配置することができるので、極めて自由度の高い燃焼制御が可能となり、難着火性の燃焼機関において極めて優れた着火性を示すレーザ点火装置を実現できる。
　以上、本発明は特定の実施例を参照しながら説明されてきたが、各実施例は単なる例示に過ぎず、当業者は様々な変形例、修正例、代替例、置換例等を理解するであろう。説明の便宜上、実施例に従った装置は機能的なブロック図を用いて説明されたが、そのような装置はハードウエアで、ソフトウエアで又はそれらの組み合わせで実現されてもよい。本発明は上記実施例に限定されず、本発明の精神から逸脱することなく、様々な変形例、修正例、代替例、置換例等が包含される。
　本発明は、好適な実施例を参照して開示されたが、本発明が当該好適な実施例やその構造に限られるわけではないと理解される。本発明は、種々の変形例や等価な配列を包含することを意図している。加えて、単に一要素を多くあるいは少なく含むような、好適な、あるいは、他の種々の組み合わせや形態もまた、本発明の範疇と射程内に入る。

Claims (8)

  1. 　内燃機関（９０）に装着され、レーザ発振装置（５、６、７）から発振されたレーザ光を集光レンズ（７７、７８）によって機関燃焼室（９００）の内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置は、
    　少なくとも、複数の半導体レーザから、共振器（７４）を経て発振された複数のレーザ光の光軸を屈折させその進行方向を中心軸から遠ざかる方向へ変化させる高屈折率光学素子（７６）と、
    　該高屈折率光学素子（７６）によって屈折された上記レーザ光を上記機関燃焼室（９００）の内の複数箇所に集光せしめる集光手段（７７、７８）とを有する。
  2. 　内燃機関（９０）に装着され、レーザ発振装置（５、６、７）から発振されたレーザ光を集光レンズ（７７、７８）によって機関燃焼室（９００）の内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置は、
    　少なくとも、複数の半導体レーザから、共振器（７４）を経て発振された複数のレーザ光の光軸を屈折させ、その進行方向を所定の一カ所に収束する方向へ変化させる高屈折率光学素子（７６）と、
    　該高屈折率光学素子（７６）によって屈折された上記複数のレーザ光を上記機関燃焼室（９００）の内の一カ所に集光せしめる集光手段（７７、７８）とを有する。
  3. 　請求項１又は２に記載のレーザ点火装置において、
    　上記高屈折率光学素子（７６）は上記複数のレーザ光のそれぞれが入射する複数の面と、所定の屈折角で屈折した光が出射する面との間に所定の頂角を設けた高屈折率の多面体（７６ｈ）によって構成される。
  4. 　請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ点火装置において、
    　上記高屈折率光学素子（７６）はレーザ光をその表面に設けた高反射率の反射膜によって反射する反射型光学素子であって、上記複数のレーザ光のそれぞれを所定の入射角で入射せしめ、上記入射角に等しい反射角で全反射せしめる多面体（７６ｈ）によって構成される。
  5. 　請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ点火装置は、さらに
    　上記内燃機関（９０）の運転状況を検出する運転状況検出手段と該検出手段の検出結果に応じて、上記レーザ発振装置（５、６、７）から上記燃焼室（９００）内に発振するレーザの１サイクルの点火周期中に発振する発振回数と発振時期と発振するレーザの本数を決定するレーザ発振制御手段（３）を有する。
  6. 　請求項５に記載のレーザ点火装置において、
    　上記レーザ発振制御手段（３）は、１サイクルの点火周期中の発振回数と発振時期とを上記半導体レーザへの電気エネルギの印加時期と印加時間とによって制御する。
  7. 　請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ点火装置において、
    　上記共振器（７４）は、上記半導体レーザによって励起されるレーザ媒質と可飽和吸収体とによって構成され、該可飽和吸収体の透過率を部分的に変化させる。
  8. 　請求項１ないし７のいずれかに記載のレーザ点火装置において、
    　上記複数のレーザ光の内、パルスの発振周期が短く、パルスエネルギが小さいレーザを上記内燃機関（９０）の燃焼室（９００）内において筒内気流が遅い領域に配置させる。
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