JP2010014030A - レーザ着火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力鏡における、レーザ光を取り出す側の面が平面であるレーザ着火装置に比べて、レーザ光を集光するためのレンズの数が少ないか、又はレーザ着火装置における光軸方向の長さが短いかのいずれか少なくとも一方を達成することのできるレーザ着火装置を提供すること。
【解決手段】 このレーザ着火装置は、内燃機関の燃焼室内にある燃料に着火させるレーザ着火装置であって、出力鏡が両凹レンズ、平凹レンズ、及びメニスカス凹レンズのうちのいずれか１つであり、かつレーザ光を取り出す側の面が凹面であるＱスイッチ固体レーザ発振器とこのＱスイッチ固体レーザ発振器から出力されたレーザ光を前記燃焼室内に集光させる出力光学系とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ着火装置に関し、特に出力鏡における、レーザ光を取り出す側の面が平面であるレーザ着火装置に比べて、レーザ光を集光するためのレンズの数が少ないか、又はレーザ着火装置における、光軸方向の長さが短いかのいずれか少なくとも一方を達成することのできるレーザ着火装置に関する。

内燃機関のための着火装置としては一般にスパークプラグが用いられている。スパークプラグは、電極間に高電圧を印加して電極間に放電を発生させることにより混合気を着火させる装置である。スパークプラグは、比較的単純な構造で実用上十分な耐久性を有するので、古くより内燃機関における着火装置として用いられてきた。

近年、燃費低減や有害排出ガスの削減のために、内燃機関においてはより高い圧縮比が望まれている。一般に、圧力が低いほど放電し易いため、高い圧縮比はスパークプラグによる着火にとっては不利な条件である。高い圧縮比においても確実に放電させるためには、電極形状の変更及び印加電圧の上昇等が必要である。しかし、これらは耐久性の低下、着火性の低下、絶縁破壊、又はコスト上昇を招くおそれがある。

また、より短時間かつ低温で燃焼を終了させるために、着火位置制御及び複数箇所からの着火が検討されている。しかし、スパークプラグは燃焼室の内側壁面近傍で着火させるので、着火点の制御という要求に対しては不利である。

これらの要望に適合する着火手段として、レーザ着火装置が注目されている。レーザ着火装置は、パルスレーザをレンズにより集光し、その集光点に発生するプラズマを起点として着火させる。レーザ着火装置は、スパークプラグとは対照的に、圧縮比が高くなるほど着火性が向上する。また、集光点位置を調節することにより、燃焼室内における単一又は複数の任意の着火点からの着火が可能であるといった利点を有する。さらに、電気的ノイズの発生源にならないこと、付着した汚れによる短絡がないこと、燃焼室内に火炎の伝播の障害となる突起物を有しないことといった利点もある。

レーザ着火装置の概念は古くからあるが実用化するためには多くの課題が残っている。しかし、内燃機関の高度な燃焼制御への要求が以前にも増して高まってきたこと、レーザダイオードの高出力及び低価格化等によって、ダイオード励起固体レーザが以前よりも小型かつ安価に形成できるようになったこと等により、近年再び脚光を浴びてきている。

レーザにより混合気を着火させるには、数ｍＪ〜数十ｍＪという非常に大きなエネルギーで、かつ、パルス幅がｎｓ程度のパルスを発生させる必要がある。このようなジャイアントパルスを発生させるいくつかの方法のうち、共振器をＱスイッチ発振させて高エネルギーのパルスを発生させるレーザ発生装置が広く利用されている。Ｑスイッチには能動Ｑスイッチと受動Ｑスイッチとがある。能動Ｑスイッチの代表例としては、共振器内に挿入されたミラーやプリズムの方向を機械的に制御したり、同様に共振器内に挿入された電気光学素子、音響光学素子等の発振波長に対する透過率を外部からのスイッチングにより変化させたりする手法が挙げられる。受動Ｑスイッチの代表例としては、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧ等の可飽和吸収体を共振器内に挿入する手法が挙げられる。

可飽和吸収体を利用した受動Ｑスイッチングには、励起光源の強度の変動によるパルスエネルギーの変化が少ないこと、電気もしくは機械的要素を付加することなく、レーザ光学系に可飽和吸収体を挿入するだけでパルスが得られるという特徴があるので、受動Ｑスイッチは簡便なパルス発生手法として知られている。

受動Ｑスイッチによるパルスレーザ発振装置の中でも、代表的な構成のパルスレーザ発振装置として、ファブリペロー型共振器の光軸に沿って励起光が導入される端面励起型のパルスレーザ発振装置が挙げられる。

特に、励起光を透過し発振光を全反射する誘電体多層膜コーティングを板状の固体増幅媒体の一方の面に形成し、この誘電体多層膜コーティング面をファブリペロー型共振器の一方の端面とし、コーティング面に対して固体増幅媒体側には、平凹レンズを配置し、この凹面に発振光の一部を反射する誘電体多層膜コーティングを形成し、この誘電体多層膜コーティング面をファブリペロー型共振器の他方の端面とすることによって構成されるファブリペロー型共振器は、構成の単純さ、個々の光学素子の作製のし易さ、調整のし易さにより、広く利用されている。

このようなファブリペロー型共振器を利用した受動Ｑスイッチレーザおよびそれを応用したレーザ着火装置は、良く知られた公知技術であり、特許文献１、特許文献２等多数の文献に記載されている。

ところで、このようなレーザ着火装置を内燃機関に使用する場合には、パルスレーザを着火させたい位置に集光し、さらにその集光径を十分小さくすることにより、同位置における電界強度を極端に高くする必要がある。その集光径は一般的には０．０５ｍｍ、好ましくは０．０２ｍｍ以下であると言われている。所望の集光径を有するパルスレーザを得るためには、少なくとも２枚のレンズを用いてパルスレーザの径を拡大した後に集光させるか、又は、パルスレーザの径が十分に拡大されるだけの距離を設けて、拡大されたパルスレーザをレンズにより集光させる方法が考えられる。しかし、前者はレンズの数を追加する必要があるので、部品点数の増加とその調整の手間と共にコストが増大するといった問題があった。後者は、レーザが出力されてから集光点までの距離が長くなってしまうので、受動Ｑスイッチパルスレーザ共振器の長大化を招くといった問題があった。

特開平０１−１１２７８８号公報 特開２００６−３２９１８６号公報

本発明の課題は、出力鏡における、レーザ光を取り出す側の面が平面であるレーザ着火装置に比べて、レーザ光を集光するためのレンズの数が少ないか、又はレーザ着火装置における光軸方向の長さが短いかのいずれか少なくとも一方を達成することのできるレーザ着火装置を提供することである。

前記課題を解決するための手段として、
請求項１は、
内燃機関の燃焼室内にある燃料に着火させるレーザ着火装置であって、出力鏡が両凹レンズ、平凹レンズ、及びメニスカス凹レンズのうちのいずれか１つであり、かつレーザ光を取り出す側の面が凹面であるＱスイッチ固体レーザ発振器とこのＱスイッチ固体レーザ発振器から出力されたレーザ光を前記燃焼室内に集光させる出力光学系とを有することを特徴とするレーザ着火装置であり、
請求項２は、
前記Ｑスイッチ固体レーザ発振器は、反射鏡と出力鏡との間に増幅媒体と可飽和吸収体とを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ着火装置であり、
請求項３は、
前記出力鏡が、両凹レンズにより形成され、レーザ光を取り出す側の面の曲率半径が反射鏡に対向する側の面の曲率半径よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ着火装置であり、
請求項４は、
さらに、前記増幅媒体に励起光を集光させる励起光学系を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ着火装置であり、
請求項５は、
さらに、前記増幅媒体を励起させる励起光を供給する励起光源を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ着火装置である。

本発明に係るレーザ着火装置によると、Ｑスイッチ固体レーザ発振器における出力鏡が、両凹レンズ、平凹レンズ、及びメニスカス凹レンズのうちのいずれか１つであり、レーザ光を取り出す側の面、すなわちＱスイッチ固体レーザ発振器からレーザ光が出力される方向を順方向として下流側の面（以下において、出射側の面と称することもある。）が凹面であるので、出力鏡における、レーザ光を取り出す側の面が平面である出力鏡に比べて、Ｑスイッチ固体レーザ発振器から出力されたレーザ光の広がり角が大きくなる。したがって、出力光学系において、レーザ光の径、すなわちレーザ光の光軸方向に直交する断面の半径を大きくするためのレンズを設ける必要がない。また、出力鏡における、レーザ光を取り出す側の面が凹面であるので、Ｑスイッチ固体レーザ発振器から出力されたレーザ光の径が十分に大きくなり、さらに集光レンズによりレーザ光の径を小さくすることができる。その結果、出力光学系における光軸方向の長さを短くすることができる。したがって、従来の出力鏡における、レーザ光を取り出す側の面が平面であるレーザ着火装置に比べて、レーザ光を集光するためのレンズの数が少ないか、又はレーザ着火装置における光軸方向の長さが短いかのいずれか少なくとも一方を達成することのできるレーザ着火装置を提供することができる。

前記出力鏡が両凹レンズの場合は、レーザ光を取り出す側の面の曲率半径が反射鏡に対向する側の面の曲率半径よりも小さいと、より一層Ｑスイッチ固体レーザ発振器から出力されたレーザ光の広がり角が大きくなるので、より一層励起光学系の光軸方向の長さを短くすることができ、その結果、全長の短いレーザ着火装置を提供することができる。

さらに、増幅媒体に励起光を集光させる励起光学系を有すると、増幅媒体の表面に入射される励起光の入射径を所望のように設定することができる。その結果、パルスエネルギーを所望のように設定することができる。

まず、図１を参照しつつ本発明に係るレーザ着火装置の一実施例であるレーザ着火装置について説明する。図１は、本発明の一実施例であるレーザ着火装置の構成説明図である。本実施形態のレーザ着火装置１は、励起光２を出力する励起光源の一例である半導体レーザ３と、前記励起光２を伝送する光ファイバ４と、増幅媒体５に前記励起光２を集光させる励起光学系６と、反射鏡７と出力鏡８との間に増幅媒体５と可飽和吸収体９とを有するＱスイッチ固体レーザ発振器１０と、前記Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０から出力されるレーザ光１１を内燃機関の燃焼室内に集光させる出力光学系１２とを備えて成る。

励起光源の一例である半導体レーザ３は、Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０における増幅媒体５に励起光２を照射して、増幅媒体５を励起させることによりＱスイッチ固体レーザ発振器１０から所望のエネルギーを有するパルスレーザを出力させることができる限り、公知の半導体レーザを採用することができる。

光ファイバ４は、励起光源の一例である半導体レーザ３から出力された励起光２を伝送し、Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０における増幅媒体５に励起光２を照射して、増幅媒体５を励起させることによりＱスイッチ固体レーザ発振器１０から所望のエネルギーを有するパルスレーザ１１を出力させることができる限り、公知の光ファイバを採用することができる。半導体レーザ３から出力された励起光２を、光ファイバ４を介さずに、励起光学系６で集光して増幅媒体５に照射させても良いが、光ファイバ４を介して入力部１３から励起光２を励起光学系６に入射させると、半導体レーザ３を内燃機関から離して設置することができるので内燃機関の熱による影響を受けにくくなるので好ましい。

励起光学系６は、励起光２が供給される入力部１３と少なくとも一枚のレンズ１４，１５とを有し、励起光源の一例である半導体レーザ３から出力された励起光２を集光し、所望の入射径で増幅媒体５に入射させることができる限り、任意の形状のレンズ、例えば、両凹レンズ、両凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、メニスカス凹レンズ、及びメニスカス凸レンズ等を配置することができる。本実施形態においては、励起光学系６は、入力部１３と励起光２の下流側が凸部の平凸レンズ１４と励起光の上流側が凸部の平凸レンズ１５が、励起光が照射される側からこの順に配置され、入力部１３から入力された励起光２がこの二枚のレンズ１４，１５を用いてコリメート後に集光され、Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０における反射鏡７を透過して増幅媒体５に入射されている。なお、入射径とは、入射光と直交する断面内における光強度分布を考えた場合、ピーク光強度の１／ｅ^２（ｅは自然対数を表す。）となる領域を円で近似した場合の直径である。

励起光２は、増幅媒体５のうち、Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０の光軸を含む領域に励起光２を照射することができれば良く、本実施形態に係るレーザ着火装置１においては、Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０の光軸の延長線上に励起光学系６が配置され、この励起光学系６により集光された励起光２が、反射鏡７を透過して、板状の増幅媒体５の表面に垂直に照射されている。この他にも、例えば、増幅媒体５における励起光２が入射される面に対して、励起光２が斜めに入射される位置に、励起光学系６が配置されても良い。

この実施形態のＱスイッチ固体レーザ発振器１０は、反射鏡７と出力鏡８とが相対向して配置されており、反射鏡７と出力鏡８との間に増幅媒体５と可飽和吸収体９が配置されて、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振器を形成している。Ｑスイッチ固体レーザ発振器は、内燃機関おける燃焼室内の燃料に点火することのできる性能、特に所望のエネルギーを有するパルスレーザを所望のタイミングで出力することができればよく、可飽和吸収体に代えて、音響光学素子、電気光学素子、又は超音波を使用するスイッチ法又は回転鏡を使用する方法等の能動Ｑスイッチ固体レーザ発振器も採用することができる。可飽和吸収体を配置することによりパルスレーザを発振する方法は、励起光源から出力される励起光の強度の変動によるパルスエネルギーの変動が少ないこと、電気もしくは機械的要素を付加することなく、反射鏡と出力鏡との間に可飽和吸収体を挿入するだけでパルスレーザが得られるので、簡便であり好ましい。

反射鏡７と出力鏡８と増幅媒体５と可飽和吸収体９等の光学部品は、所望のエネルギーを有するパルスレーザを出力することができる限り、公知の光学部品を採用することができる。Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０の構成としては、例えば、図１に示すように、反射鏡７と増幅媒体５と可飽和吸収体９とが密着して形成され、反射鏡７と出力鏡８との間でファブリペロー型共振器が形成される。この他にも、パルスレーザを発振することができる限り任意の共振器の構成を採用することができ、例えばリング型共振器及び複合型共振器等を採用することができる。

反射鏡７は、増幅媒体５から発振される発振光１６を９９％より大きな反射率（ほぼ１００％の反射率）で反射し、励起光を透過するのが好ましい。図１に示すように、本実施形態のレーザ着火装置１においては、板状の増幅媒体５における励起光２が入射される側の表面に誘電体多層膜がコーティングされることにより反射鏡７が形成されているが、反射鏡７は、独立した部品として配置されても良い。出力鏡８は、増幅媒体５から発振される発振光１６を１０〜９８％の反射率で反射するのが好ましく、６０〜９０％の反射率で反射するのが特に好ましく、その残りの発振光１６は透過する。図１に示すように、本実施形態のレーザ着火装置１においては、両側の面の曲率半径が等しい両凹レンズにおいて、反射鏡７に対向する側の表面に誘電体多層膜がコーティングされることにより出力鏡８が形成されているが、出力鏡８は、両凹レンズに誘電体多層膜をコーティングすることにより発振光１６の一部を反射させるのではなく、両凹レンズが発振光１６の一部を反射する材料で形成されてもよい。反射鏡７は、反射鏡７と出力鏡８との間で増幅媒体５から誘導放出される光が往復し、レーザ光１１を発振させることができる限り、任意の形状を有することができ、例えば、平面レンズ、両凹レンズ、両凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、メニスカス凹レンズ、及びメニスカス凸レンズ等の形状を採用することができる。出力鏡８は、反射鏡７と出力鏡８との間で増幅媒体５から誘導放出される光が往復し、レーザ光１１を発振させることができ、かつレーザ光の拡がり角を大きくすることができる限り、任意の形状を有することができ、例えば、両凹レンズ、平凹レンズ、メニスカス凹レンズ等の形状を採用することができ、このとき常にレーザ光を取り出す側の面が凹面となる。

反射鏡７と増幅媒体５と可飽和吸収体９と出力鏡８とは、通常励起光２が照射される側からこの順に配置される。しかし、可飽和吸収体９が励起光２を吸収しない材料である場合等には、増幅媒体５と可飽和吸収体９との順番を入れ替えることもできる。また、反射鏡７と増幅媒体５と可飽和吸収体９と出力鏡８とは、すべての光学部品が密着して形成されても良いし、これらの光学部品のうちの少なくとも２つが密着して形成され、残りの光学部品が独立して形成されても良いし、すべての光学部品が独立して形成されても良い。

増幅媒体５は、励起光源の一例である半導体レーザ３から出力された励起光２が照射されることにより、励起され光の誘導放出を行う材料であり、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ等の単結晶やセラミックスが好適に使用される。増幅媒体５の形状は、図１に示す例においては板状であるが、増幅媒体５の形状は、Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０の内部で往復する光が発生し、Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０からレーザ光１１を出力することができる限り特に限定されず、例えば凸レンズ状、凹レンズ状等の形状を有していても良い。増幅媒体５の大きさもまた、Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０の内部で往復する光が発生し、Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０からレーザ光１１を出力することができる限り特に限定されず、Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０の要求性能に応じて適宜調整すれば良い。

可飽和吸収体９は、増幅媒体５から誘導放出された光を吸収することにより、光の透過率を変化させることができ、Ｑスイッチとしての機能を有する限り特に限定されず、例えば、Ｃｒ^４＋：ＹＡＧが好適に使用される。

出力光学系１２は、少なくとも一枚のレンズを有し、Ｑスイッチ固体レーザ発振器１０から出力されたパルスレーザ１１を内燃機関における燃焼室内の所望の位置に所望の集光径で集光させることができる限り、任意の形状のレンズ、例えば、両凹レンズ、両凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、メニスカス凹レンズ、及びメニスカス凸レンズ等を配置することができる。本実施形態においては、集光レンズとして両凸レンズ１７が一枚配置されている。本実施形態においては、出力鏡８におけるレーザ光１１を取り出す側の面が凹状に形成されているので、レーザ光１１の拡がり角が大きくなり、レーザ光１１の径が速やかに拡大される。したがって、出力鏡８における、レーザ光１１を取り出す側の面が平面である従来のレーザ着火装置に比べて、一枚の両凸レンズ１７でレーザ光を集光させるだけで、出力鏡８から集光点１８までの距離を短くすることができる。

さらに詳しく、出力鏡におけるレーザ光を取り出す側の面が凹状に形成されていることの利点について説明する。内燃機関における燃焼室内の燃料をレーザ光によって着火させるためには、数ｍJ〜数十ｍJという高エネルギーを有し、かつパルス幅がｎｓ程度のパルスレーザを０．０５ｍｍ以下の小径のスポットに集光させることにより、高い電界強度を得る必要がある。この中でも、パルスレーザを小径のスポットに集光させる方法として、レーザ光を十分に拡げて、レーザ光の径を大きくし、さらに集光レンズにより集光することが考えられる。レーザ光の径を大きくすることなく、集光レンズにより集光させた場合には、レーザ光を絞ることができず、集光径をある値より小さくすることはできない。したがって、所定の集光径を有するようにレーザ光を集光させたい場合には、レーザ光の径を所定値まで大きくする必要がある。レーザ光を拡げて、レ−ザ光の径を所定値まで大きくする方法としては、レーザ光の径が所定値に達することのできる十分な距離をとって、集光レンズを配置する方法がある。しかし、この場合、出力鏡と集光レンズとの距離が長くなってしまう傾向がある。レーザ光の拡がり角が小さい場合には、特に出力鏡と集光レンズとの距離が長くなるので、励起光学系の光軸方向の距離が長くなり、結果としてレーザ着火装置の長大化を招くことになってしまう。レーザ光を拡げて、レーザ光の径を所定値まで大きくする他の方法としては、出力鏡と集光レンズとの間にレンズを配置することにより、レーザ光の径を大きくする法が考えられる。しかし、レーザ光を拡大するためのレンズを追加する必要があるので、レンズの数の増加とその調整の手間と共にコストの増大につながってしまう。拡大させたレーザ光を集光するための集光レンズは、燃焼室内の所望の位置にレーザ光を集光させることができる限り、任意のレンズを採用することができ、凸レンズを使用した場合には、後側焦点距離の短い凸レンズを使用する程、集光レンズとレーザ光の集光点との距離を短くすることができる。本実施形態のレーザ着火装置のように、出力鏡におけるレーザ光を取り出す側の面が凹状に形成されていれば、上記問題を生じることなく、速やかにレーザ光を拡げ、所望の集光径を有するようにレーザ光を集光させることができる。

図２は、本発明に係るレーザ着火装置の他の実施形態を示す構成説明図である。本実施形態のレーザ着火装置は、図１に示したレーザ着火装置において、出力鏡におけるレーザ光を取り出す側の面の曲率半径が反射鏡に対向する側の面の曲率半径よりも小さいこと以外は、図１に示したレーザ着火装置と同様の構成である。出力鏡２０８におけるレーザ光２１１を取り出す側の面の曲率半径が小さいほど、出力鏡２０８から出力されるレーザ光２１１の拡がり角は大きくなり、速やかに拡大されるので、出力鏡２０８と両凸レンズ２１７により成る集光レンズとの距離を短くすることができる。したがって、出力鏡８におけるレーザ光１１を取り出す側の面の曲率半径と反射鏡７に対向する側の面の曲率半径が等しい場合を示す図１のレーザ着火装置よりも、出力光学系２１２の光軸方向の長さを短くすることができる。その結果、レーザ着火装置２０１におけるレーザ光２１１の出力方向の長さを短くすることができる。

図３は、本発明に係るレーザ着火装置の他の実施形態を示す構成説明図である。本実施形態のレーザ着火装置は、図１に示したレーザ着火装置において、出力鏡における反射鏡に対向する側の面を平面とし、反射鏡と増幅媒体と可飽和吸収体と出力鏡とを、励起光が照射される側からこの順に密着させて配置したこと以外は、図１に示したレーザ着火装置と同様の構成である。本実施形態のレーザ着火装置は、反射鏡３０７と増幅媒体３０５と可飽和吸収体３０９と出力鏡３０８とを密着させて配置しているので、レーザ着火装置３０１における光軸方向の長さを短くすることができる。本構成では、Ｑスイッチ固体レーザ発振器３１０の長さが短いために、比較的短時間かつ高ピークパワーのパルスが得られること、またＱスイッチ固体レーザ発振器３１０の長さが短く個々の光学部品が接触しているため、Ｑスイッチ固体レーザ発振器３１０の内部損失が少ないばかりでなく、各部品の平行度が良好である限りにおいてはアラインメントの必要がほとんどなく、容易にレーザを発振させられる。

図４は、図１に示されるレーザ着火装置について、内燃機関に装着される場合の形態の一例を示す概略図である。図４に示されるように、本実施形態のレーザ着火装置４０１は、励起光学系４０６とＱスイッチ固体レーザ発振器４１０と出力光学系４１２とが、この順に同軸上に配置され筐体４１９に収容されている。励起光学系４０６における入力部４１３に光ファイバ４０４が嵌め込まれ、光ファイバ４０４を介して励起光源の一例である半導体レーザ４０３が結合されている。筐体４１９におけるレーザ光４１１を取り出す側の面には、筐体４１９内部と内燃機関の燃焼室内とを隔離するための出力窓４２０が設けられている。出力窓４２０は、光学的な作用がない限り任意の材料を採用することができ、例えば、サファイヤ及び透明ＹＡＧを用いることができる。

図５は、図４に示される本実施形態のレーザ着火装置４０１を内燃機関の気筒に装着した場合の気筒の説明図である。内燃機関の気筒５００は、シリンダブロック５０１とシリンダヘッド５０２とピストン５０３とにより形成され、シリンダブロック５０１とシリンダヘッド５０２とピストン５０３とにより囲まれて形成される空間が燃焼室５０４である。シリンダヘッド５０２には燃料と空気との混合気を供給する吸入管５０５が接続され、吸入弁５０６の開閉により混合気の供給が調節されるように形成されている。また、シリンダヘッド５０２には混合気を排出する排気管５０７が接続され、排気弁５０８の開閉により混合気の排気が調節されるように形成されている。本実施形態のレーザ着火装置４０１は、燃焼室５０４内の混合気に着火させることができる限り任意の位置に設置することができ、例えば、図５に示すようにシリンダヘッド５０２における吸入弁５０６と排気弁５０８との間に、本実施形態のレーザ着火装置を設置することができる。レーザ着火装置から出力されたパルスレーザは燃焼室５０４内においてブレークダウンを生じ、パルスレーザの集光点４１８を起点に燃焼室５０４内の混合気が燃焼する。なお、内燃機関における気筒の一例を説明したが、気筒の構成は上記構成に限定されるものではない。

次に、図４を参照しながら、レーザ着火装置４０１の作用について説明する。図４に示すように、半導体レーザ４０３から出力された励起光４０２は、光ファイバ４０４により伝送され入力部４１３から励起光学系４０６に入力される。入力された励起光４０２は励起光学系４０６における２枚の平凸レンズ４１４，４１５により集光され、Ｑスイッチ固体レーザ発振器４１０の反射鏡４０７を透過して増幅媒体４０５に入射される。入射された励起光４０２は増幅媒体４０５に吸収されることにより、増幅媒体４０５は時間と共に励起され反転分布密度が上昇し、誘導放出が起こる。増幅媒体４０５から発振された光が出力鏡４０８と反射鏡４０７とにより形成されるＱスイッチ固体レーザ発振器４１０内を往復する過程において、可飽和吸収体４０９がＱスイッチ固体レーザ発振器４１０内部を往復する光を吸収して、可飽和吸収体４０９の透過率が上昇するので、Ｑスイッチ固体レーザ発振器４１０に貯蔵されたエネルギーと損失されたエネルギーとの比であるＱ値が急激に上昇し、Ｑスイッチ固体レーザ発振器４１０内部を往復する発振光４１６及び出力鏡４０８を透過するレーザ光４１１が急激に増加する。出力の急激な増加に伴い、増幅媒体４０５の反転分布密度は急激に減少するので、Ｑスイッチ固体レーザ発振器４１０内を往復する発振光４１６及び出力鏡４０８を透過するレーザ光４１１は短時間のうちに減少に転じ、出力はジャイアントパルスとなる。

半導体レーザ４０３からの励起光４０２が連続して照射される場合には、上記過程が繰り返されるので、本実施形態のレーザ着火装置４０１からパルスレーザ４１１が所定間隔で出力される。一方、増幅媒体４０５の反転分布密度が閾値に達した後に、半導体レーザ４０３から出力される励起光４０２を速やかに止めると、単一のパルスレーザ４１１となる。

出力鏡４０８から出力されたパルスレーザ４１１は、出力鏡４０８が両凹レンズにより形成されているので、速やかに拡大され、さらに両凸レンズ４１７により成る集光レンズにより集光されて、出力窓４２０により隔離された気筒の燃焼室内に所望の集光径を有する集光点４１８が形成される。この集光点４１８において、諸条件によって決まる閾値より高い電界が生じると、この電界によりブレークダウンを生じ、この集光点４１８を起点に燃焼室内の混合気が燃焼する。

本発明に係るレーザ着火装置は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更をすることができる。

（実施例１）
図６に示す光学系について、光線行列法を用いて、ビーム伝搬の様子を検討した。なお、レーザの波長は1030nmで、ビーム品質はM2=1すなわち理想的なガウシアンビームを想定して計算した。この光学系は、出力鏡６０８が両凹レンズの場合である。出力鏡６０８におけるパルスレーザ６１１を取り出す側の面から両凸レンズ６１７までの距離Ｌ２を変化させたときの、両凸レンズ６１７へ入射する直前のビーム径（直径）２ｗ２と、集光点６１８の集光径（直径）２ｗ３とを計算した。結果を図７〜９に示す。

なお、反射鏡は増幅媒体の励起光入射面にＴａ_２Ｏ₅／ＳｉＯ_２の誘電体多層膜コーティングを形成することによって成り、増幅媒体６０５はＹｂ：ＹＡＧ、可飽和吸収体６０９は、Ｃｒ：ＹＡＧ、出力鏡６０８及び両凸レンズ６１７は屈折率１．５１のＢＫ７、出力窓は屈折率１．７６のサファイヤである。これら各光学部材の寸法及び配置は、下記の通りである。
増幅媒体６０５と可飽和吸収体６０９との合計の光軸方向の厚みは、２．０ｍｍ、
可飽和吸収体６０９における出力鏡６０８に対向する側の面と出力鏡６０８における反射鏡６０５に対向する側の面との距離Ｌ１は、２３．５ｍｍ、
出力鏡６０８における光軸方向の厚みの最大値は、９．５ｍｍ、
出力鏡６０８における中心軸での厚みは、８．７ｍｍ、
出力鏡６０８における光軸方向に直交する方向の長さは、１２．７ｍｍ、
出力鏡６０８における反射鏡６０７に対向する面の曲率半径Ｒｃ１及び出射側の曲率半径Ｒｃ２は、５０ｍｍ、
両凸レンズ６１７における中心軸での厚みは、３．４ｍｍ、
両凸レンズ６１７の焦点距離は、４０ｍｍ、
出力窓６２０の光軸方向の厚みは、２．０ｍｍ。
励起光の反射鏡６０７への入射径２ｗ１は０．４ｍｍである。

（実施例２）
図６に示す光学系において、出力鏡６０８における出射側の面の曲率半径Ｒｃ２を２５ｍｍ、出力鏡６０８における中心軸での厚みを８．３ｍｍとしたこと以外は、実施例１と同様にしてビーム伝搬の様子を検討した。結果を図７〜９に示す。

（比較例１）
図６に示す光学系において、出力鏡６０８における出射側の面の曲率半径Ｒｃ２を∞、すなわち出力鏡６０８における出射側の面を平面とし、出力鏡６０８における中心軸での厚みを９．１ｍｍとしたこと以外は、実施例１と同様にしてビーム伝搬の様子を検討した。結果を図７〜９に示す。

図７は、実施例１、２及び比較例における、出力鏡６０８におけるパルスレーザ６１１を取り出す側の面から両凸レンズ６１７までの距離Ｌ２と両凸レンズ６１７へ入射する直前のビーム径（直径）２ｗ２との関係を示す。
図７に示されるように、実施例１及び２、比較例１のいずれにおいても、Ｌ２の長さに比例して、ビーム径２ｗ２は大きくなる。これらの中でも、実施例２は傾きが大きく、Ｌ２の長さが短くても大きなビーム径２ｗ２が得られることが分かる。

図８は、実施例１、２及び比較例における、出力鏡６０８におけるパルスレーザ６１１を取り出す側の面から両凸レンズ６１７までの距離Ｌ２と、集光点６１８の集光径（直径）２ｗ３との関係を示す。
図８に示されるように、実施例１及び２、比較例１のいずれにおいても、Ｌ２が長くなる程、集光径２ｗ３は小さくなる。集光径を０．０２ｍｍにするためには、実施例１ではＬ２を２６７ｍｍ、実施例２ではＬ２を１９７ｍｍ、比較例１ではＬ２を４３４ｍｍにする必要がある。実施例２、実施例１、比較例の順に、同じ集光径を得るためのＬ２の長さは短くなる。

図９は、実施例１、２及び比較例における、集光点６１８の集光径（直径）２ｗ３と反射鏡６０７における出力鏡６０８に対向する側の面から集光点６１８までの距離Ｌ４との関係を示す。
図９に示されるように、実施例１及び２、比較例１のいずれにおいても、集光径２ｗ３が小さくなる程、Ｌ４の長さは大きくなる。集光径を０．０２ｍｍにするためには、実施例１ではＬ４を３５２ｍｍ、実施例２ではＬ４を２８４ｍｍ、比較例１ではＬ４を５１６ｍｍにする必要がある。実施例２、実施例１、比較例の順に、同じ集光径を得るためのＬ４の長さは短くなる。したがって、出力鏡における入射側の曲率半径よりも出射側の曲率半径の方が小さい実施例２の光学系が、同じ集光径を得るための光軸方向の長さを最も短くすることができた。

図１は、本発明の一実施例であるレーザ着火装置の構成説明図である。 図２は、本発明の他の実施例であるレーザ着火装置の構成説明図である。 図３は、本発明の他の実施例であるレーザ着火装置の構成説明図である。 図４は、図１に示されるレーザ着火装置について、内燃機関に装着される場合の形態の一例を示す概略図である。 図５は、本発明の一実施例であるレーザ着火装置を内燃機関の気筒に装着した場合の気筒の説明図である。 図６は、実施例１における光学系の構成説明図である。 図７は、実施例１、２及び比較例における、出力鏡６０８におけるパルスレーザ６１１を取り出す側の面から両凸レンズ６１７までの距離Ｌ２と両凸レンズ６１７へ入射する直前のビーム径（直径）２ｗ２との関係を示す図である。 図８は、実施例１、２及び比較例における、出力鏡６０８におけるパルスレーザ６１１を取り出す側の面から集光レンズ６１７までの距離Ｌ２と、集光点６１８の集光径（直径）２ｗ３との関係を示す図である。 図９は、実施例１、２及び比較例における、集光点６１８の集光径（直径）２ｗ３と反射鏡６０７における出力鏡６０８に対向する側の面から集光点６１８までの距離Ｌ４との関係を示す図である。

符号の説明

１、２０１、３０１、４０１ レーザ着火装置
２、２０２、３０２、４０２ 励起光
３、２０３、３０３、４０３ 半導体レーザ
４、２０４、３０４、４０４ 光ファイバ
５、２０５、３０５、４０５、６０５、 増幅媒体
６、２０６、３０６、４０６ 励起光学系
７、２０７、３０７、４０７、６０７、 反射鏡
８、２０８、３０８、４０８、６０８、 出力鏡
９、２０９、３０９、４０９、６０９ 可飽和吸収体
１０、２１０、３１０、４１０ Ｑスイッチ固体レーザ発振器
１１、２１１、３１１、４１１、６１１ パルスレーザ
１２、２１２、３１２、４１２ 出力光学系
１３、２１３、３１３、４１３ 入力部
１４、２１４、３１４、４１４、１５、２１５、３１５、４１５ 平凸レンズ
１６、２１６、３１６、４１６、６１６ 発振光
１７、２１７、３１７、４１７、６１７ 両凸レンズ
１８、２１８、３１８、４１８、６１８、 集光点
４１９ 筐体
４２０、６２０、 出力窓
５００ 気筒
５０１ シリンダブロック
５０２ シリンダヘッド
５０３ ピストン
５０４ 燃焼室
５０５ 吸入管
５０６ 吸入弁
５０７ 排気管
５０８ 排気弁
Ｌ１ 可飽和吸収体における出力鏡に対向する側の面と出力鏡における反射鏡に対向する側の面との距離
Ｌ２ 出力鏡におけるレーザ光を取り出す側の面から集光レンズまでの距離
Ｌ３ 集光レンズから集光点までの距離
Ｌ４ 反射鏡における出力鏡に対向する側の面から集光点までの距離
２ｗ１ 励起光の反射鏡への入射径
２ｗ２ 集光レンズへ入射する直前のビーム径
２ｗ３ 集光点の集光径
Ｒｃ１、Ｒｃ２ 出力鏡の曲率半径

Claims (5)

1. 内燃機関の燃焼室内にある燃料に着火させるレーザ着火装置であって、出力鏡が両凹レンズ、平凹レンズ、及びメニスカス凹レンズのうちのいずれか１つであり、かつレーザ光を取り出す側の面が凹面であるＱスイッチ固体レーザ発振器とこのＱスイッチ固体レーザ発振器から出力されたレーザ光を前記燃焼室内に集光させる出力光学系とを有することを特徴とするレーザ着火装置。
2. 前記Ｑスイッチ固体レーザ発振器は、反射鏡と出力鏡との間に増幅媒体と可飽和吸収体とを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ着火装置。
3. 前記出力鏡が、両凹レンズにより形成され、レーザ光を取り出す側の面の曲率半径が反射鏡に対向する側の面の曲率半径よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ着火装置。
4. さらに、前記増幅媒体に励起光を集光させる励起光学系を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ着火装置。
5. さらに、前記増幅媒体を励起させる励起光を供給する励起光源を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ着火装置。

Images