(57)【要約】【課題】高出力のレーザーアレイを用いた構成において、高密度に集積させた発光点からの光束の広がりを抑制し、装置サイズの小型化を実現可能なレーザー装置を提供する。【解決手段】複数の発光点が２次元的に配列された光源１と、光源１の複数の発光点３２に対応する複数のカップリングレンズ７と、光源１から出射されてカップリングレンズ７を経た光束を集光する集光光学系８と、を備え、複数の発光点３２の配置間隔と複数のカップリングレンズ７の光軸の間隔が一致し、カップリングレンズ７の光軸が発光点３２の中心を通る領域と、複数の発光点３２の配置間隔と複数のカップリングレンズ７の光軸の間隔が一致せず、カップリングレンズ７の光軸が発光点３２の中心を通らない領域と、を有するレーザー装置である。【選択図】図３
2018006531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光点が２次元的に配列された光源と、
前記光源の複数の発光点に対応する複数のカップリングレンズと、
前記光源から出射されて前記カップリングレンズを経た光束を集光する集光光学系と、を備え、
複数の前記発光点の配置間隔と複数の前記カップリングレンズの光軸の間隔が一致し、前記カップリングレンズの光軸が前記発光点の中心を通る領域と、
複数の前記発光点の配置間隔と複数の前記カップリングレンズの光軸の間隔が一致せず、前記カップリングレンズの光軸が前記発光点の中心を通らない領域と、を有することを特徴とするレーザー装置。
【請求項２】
複数の前記発光点の配置間隔が所定の間隔からずれた領域を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
【請求項３】
複数の前記発光点の配置間隔と複数の前記カップリングレンズの光軸の間隔のずれの大きさは、前記発光点の直径の半分以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー装置。
【請求項４】
複数の前記発光点の配置間隔と複数の前記カップリングレンズの光軸の間隔が一致せず、前記カップリングレンズの光軸が前記発光点の中心を通らない領域が、同心形状に配設されてなることを特徴とする請求項１または３に記載のレーザー装置。
【請求項５】
前記光源は、面発光型半導体レーザー光源であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項６】
前記複数のカップリングレンズは、レンズアレイであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項７】
前記集光光学系によって集光される光が入射する光ファイバを備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のレーザー装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のレーザー装置を備えることを特徴とするレーザー点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー装置およびレーザー点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー装置として、高出力なレーザーを使用したデバイス（例えば、レーザー加工機など）が広く知られており、高出力なレーザー光源を得るために、単体のレーザーではなく、複数のレーザーを合成して使う技術が既に知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、レーザー光源としては、端面発光レーザーよりも集積化が容易であり、複数の発光点が配置された光源を構成し易い面発光型半導体レーザー光源が知られており、これを用いた高出力レーザーデバイスが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
特許文献２には、調整の簡略化を目的として、光源として面発光レーザー光源を用い、これに対応したマイクロレンズアレイが一体に形成される構成が開示されている。具体的には、面発光型光源として共振器を半導体基板と垂直に作り込んだ垂直共振器面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ＬＡＳＥＲ：ＶＣＳＥＬ）が形成されたＶＣＳＥＬアレイ基板と、ＶＣＳＥＬアレイ基板の発光面側に一体に形成され、レーザー光を平行化するための凸型のマイクロレンズが形成されたレンズアレイ基板とを備える構成である。
【０００５】
このようにＶＣＳＥＬからの発光をマイクロレンズアレイを用いてコリメートし、レンズによって集光する構成が知られており、この構成において、一般的にマイクロレンズアレイの光軸とＶＣＳＥＬ発光領域（発光点）の中心は、それぞれ一致するように配列される。
【０００６】
しかしながら、ＶＣＳＥＬを用いたレーザーモジュールでは、発光点を高い密度で集積させると、マイクロレンズアレイ焦点距離が短くなり、光学系の倍率が上がってしまう。また、ＶＣＳＥＬはマイクロレンズに対して広がりをもって入射するため、マイクロレンズとの距離に応じて拡大した光線に応じたサイズのレンズが必要となる。
さらに、ＶＣＳＥＬからの光束は、拡大した発光領域の大きさと光学系倍率に応じてマイクロレンズアレイでコリメートした後も必ず発散光束になってしまうため、マイクロレンズアレイと集光レンズの距離が離れる分、レンズの必要有効径が大きくなってしまい、装置の大型化を招いてしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、高出力のレーザーアレイを用いた構成において、高密度に集積させた発光点からの光束の広がりを抑制し、装置サイズの小型化を実現可能なレーザー装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成するため、本発明に係るレーザー装置は、複数の発光点が２次元的に配列された光源と、前記光源の複数の発光点に対応する複数のカップリングレンズと、前記光源から出射されて前記カップリングレンズを経た光束を集光する集光光学系と、を備え、複数の前記発光点の配置間隔と複数の前記カップリングレンズの光軸の間隔が一致し、前記カップリングレンズの光軸が前記発光点の中心を通る領域と、複数の前記発光点の配置間隔と複数の前記カップリングレンズの光軸の間隔が一致せず、前記カップリングレンズの光軸が前記発光点の中心を通らない領域と、を有することを特徴とするレーザー装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高出力のレーザーアレイを用いた構成において、高密度に集積させた発光点からの光束の広がりを抑制し、装置サイズの小型化を実現可能なレーザー装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＶＣＳＥＬアレイ光源の一例を示す正面図である。
【図２】発光点の配列を模式的に示した図である。
【図３】ＶＣＳＥＬアレイ光源からの光束が対応するカップリングレンズに入射する様子を示した光路図である。
【図４】従来のＶＣＳＥＬ全系における光線図を示した図である。
【図５】本実施形態のＶＣＳＥＬ全系における光線図を示した図である。
【図６】ＶＣＳＥＬ基板とカップリングレンズを取り付けた状態のＹＺ断面図である。
【図７】ＶＣＳＥＬ基板とカップリングレンズを取り付けた状態のＸＹ断面図である。
【図８】ＶＣＳＥＬアレイ光源から出射した光束が、光ファイバに入射する様子を示す光学配置図である。
【図９】光ファイバの断面を示す斜視図である。
【図１０】本発明に係るレーザー装置の一例を示す斜視図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。
【図１１】本発明に係るレーザー点火装置の構成を模式的に示す断面構成図である。
【図１２】発光点の配置間隔とカップリングレンズの光軸の間隔との関係を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係るレーザー装置およびレーザー点火装置について、図面を参照して説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【００１２】
〔レーザー装置〕
本発明に係るレーザー装置の斜視図を図１０（Ａ）に、断面図を図１０（Ｂ）に示す。
本発明のレーザー装置は、複数の発光点が２次元的に配列された光源１と、光源１の複数の発光点に対応する複数のカップリングレンズ７と、光源１から出射されてカップリングレンズ７を経た光束を集光する集光光学系としての集光レンズ８と、を備える。
さらに、集光光学系によって集光される光が入射する光ファイバ９を備える。
【００１３】
以下、本実施形態のレーザー装置において、面発光型半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ）による発光点が多数集積された基板により構成される面発光型半導体レーザー光源（以下、「ＶＣＳＥＬアレイ光源」という）を適用した例について説明する。
なお、光源１としては、ＶＣＳＥＬが複数配列されたものに限定されず、例えば、端面発光レーザー（ＥＥＬ）が複数配列されたものであってもよい。ただし、面発光型半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ）は、端面発光レーザー（ＥＥＬ）よりも集積化が容易であり、複数の発光点が配置された光源が構成しやすい。
また、カップリングレンズ７としては、レンズアレイを用いてもよい。
【００１４】
図１０（Ｂ）に示すように、光源（ＶＣＳＥＬアレイ光源）１から射出されたレーザーは、カップリングレンズ７を経て集光レンズ８に入射し、集光された光束は光ファイバ９に入射する。そして、光ファイバ９の接続先である外部のレーザー使用機器（例えば、レーザー加工機、レーザーを利用したエンジン用の点火プラグなど）へ輸送され、利用される。集光レンズ８上に光ファイバ９を設ける構成とすることで、取り回しが容易となる。
【００１５】
ＶＣＳＥＬアレイ光源１は、マウント２を介して台座として銅等の熱伝導性の高い材料で形成された熱拡散板５の一方の面上に取着されており、熱拡散板５の他方の面には、ヒートシンク１１が取り付けられている。これら熱拡散板５およびヒートシンク１１は、発熱するＶＣＳＥＬアレイ光源１を放熱し冷却するために設けられている。
ＶＣＳＥＬ電極３と熱拡散板５の間には絶縁板４が配置されている。
【００１６】
ＶＣＳＥＬアレイ光源１は、高密度のレーザー発光に伴って高い発熱を生じるので、能動的な冷却手段が必要となる。そのためＶＣＳＥＬアレイ光源１の発熱は、熱拡散板５を通してペルチェ素子１０の吸熱面によって冷却される。そしてペルチェ素子１０の放熱面に配置されたヒートシンク１１によって、ＶＣＳＥＬアレイ光源１およびペルチェ素子１０によって発生した発熱量が大気中に放熱される。このときヒートシンク１１による放熱は自然対流によって行っても良いし、送風ファンなどを用いた強制対流を用いてより強い冷却を行っても良い。また、外気が十分に低温の場合など、ペルチェ素子１０が必要ない場合は、直接ヒートシンク１１で熱拡散板５を冷却しても良い。
【００１７】
ハウジング１２は、熱拡散板５上のＶＣＳＥＬアレイ光源１からカップリングレンズ７および集光レンズ８を介して光ファイバ９に至る光学系を覆って設けられる。集光レンズ８は、ハウジング１２に取り着けられ、ハウジング１２内のカップリングレンズ７から、光ファイバ９の端面に至る光路に配置される。ハウジング１２への光ファイバ９の接続部には保持部材１３が設けられ、接続部を密封し且つ光ファイバ９を保持している。また、ＶＣＳＥＬアレイ光源１に対して外部との間で電気的に接続を行うリード線６は、ハウジング１２の側壁を貫通して配設され、この貫通部分も適宜密封されている。すなわち、熱拡散板５とハウジング１２は、密に結合されて、光ファイバ９の保持部材１３およびハウジング１２のリード線６の貫通部と共に、ＶＣＳＥＬアレイ光源１からカップリングレンズ７および集光レンズ８を介して光ファイバ９に至る光学系部分を密閉し且つ保護している。
【００１８】
本発明のレーザー装置は、ＶＣＳＥＬアレイ光源１の複数の発光点の配置間隔と複数のカップリングレンズ７の光軸の間隔が一致し、カップリングレンズ７の光軸が発光点の中心を通る領域（以下、「間隔一致領域」ともいう）と、複数の発光点の配置間隔と複数のカップリングレンズ７の光軸の間隔が一致せず、カップリングレンズ７の光軸が発光点の中心を通らない領域（以下、「間隔ずれ領域」ともいう）と、を有する。
【００１９】
前記間隔ずれ領域は、所定の間隔に対して複数の発光点の配置間隔をずらすことにより生じた領域であっても、複数のカップリングレンズ７の光軸の間隔をずらすことにより生じた領域であってもよいが、製造上の誤差を少なくする観点から、カップリングレンズ７の光軸は等間隔とし、発光点の配置間隔を所定の間隔からずらすことが好ましい。
例えば、カップリングレンズ７の光軸を等間隔とし、発光点の配置間隔を部分的に拡大することにより、発光点の中心とカップリングレンズ７の光軸とが一致しない領域が生じることとなる。
【００２０】
以下、ＶＣＳＥＬアレイ光源１の発光点の配置間隔とカップリングレンズ７の光軸の間隔の関係について説明する。
図１（Ａ）に示すように、ＶＣＳＥＬアレイ光源１は、四角形のＶＣＳＥＬ基板３０の上に発光領域３１と非発光領域３４が形成されてなる。
本実施形態のＶＣＳＥＬアレイ光源１の発光領域３１は、図中「Ａ３」で示す直径８．９ｍｍの円形状である。発光領域３１には、約３３，６００個の発光点３２が配置されている。
【００２１】
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、発光領域３１には、ピッチ変更部３３が同心円状に２箇所設けられている。
ピッチ変更部３３とは、発光点３２の中心とカップリングレンズ７の光軸とが一致しない領域を形成するための領域である。
【００２２】
発光点３２の配置間隔とは、図２において「Ａ２」で示す発光点の中心間の距離である。本実施形態において「Ａ１」で示す発光点３２の直径は１０μｍである。
【００２３】
図１（Ｂ）に示すように、発光領域３１には、ピッチ変更部３３ａとピッチ変更部３３ｂとが設けられることにより、領域（Ｉ）、領域（II）、領域（III）が形成されている。
領域（Ｉ）は間隔一致領域であり、領域（II）及び領域（III）は間隔ずれ領域である。
領域（Ｉ）、領域（II）及び領域（III）とも、発光点３２が４８μｍの間隔で多数配置されている。領域（II）では発光点３２の中心とカップリングレンズ７の光軸とは一致せず、２．５μｍのズレが発生している。また、領域（III）では発光点３２の中心とカップリングレンズ７の光軸とは一致せず、５μｍのズレが発生している。
ピッチ変更部３３ａの外周は直径６ｍｍ、ピッチ変更部３３ｂの外周は８ｍｍである。また、ピッチ変更部３３ａの幅及びピッチ変更部３３ｂの幅は、発光点３２の間隔４８μｍに発光点３２の中心とカップリングレンズ７の光軸とのズレ２．５μｍを加えた５０．５μｍである。
【００２４】
図１２に発光点３２とカップリングレンズ７の光軸の間隔のずれを模式的に示す。
図１２に示すように、中心に対して同心形状（同心円状）の位置に、発光点３２の配置間隔と対応するカップリングレンズ７の光軸の間隔とが一致しておらず、カップリングレンズの光軸が前記発光点の中心を通らない間隔ずれ領域が形成されている。
間隔ずれ領域では、発光点３２の配置位置が中心から外側に向かってシフトしている。そのため、カップリングレンズ７を経た光束は光軸のずれ量に対応して中心側へ向かうこととなり、カップリングレンズの光軸が前記発光点の中心を通る場合と比較して、光線の広がりが抑えられることとなる。
すなわち、光線を内側へ屈折させることで、本来発散光束となる面発光型光源において、見かけ上集光光束とすることができる。
【００２５】
図３は、ＶＣＳＥＬアレイ光源１からの光束が対応するカップリングレンズ７に入射する様子を示した光路図である。
発光点３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）から出射された光は、対応するレンズ面を有する複数のカップリングレンズ７（本実施形態ではマイクロレンズアレイ）によってコリメートされる。カップリングレンズ７は合成石英製（焦点距離ｆ＝０．１ｍｍ）である。発光点３２（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）はそれぞれ１０μｍの酸化狭窄径（図中Ａ１で示す）をもつため、コリメート後の光線は完全には平行光束とはならず、必ず発散光束となる。
図中Ｒは放射角を示す。
【００２６】
図３において、発光点３２ａと発光点３２ｂとは領域（Ｉ）に位置し、発光点３２ｂは領域（Ｉ）の最外周に位置する発光点であり、発光点３２ｃは領域（II）の最内周に位置する。すなわち、発光点３２ｂと発光点３２ｃとの間に、ピッチ変更部３３ａが設けられている。この場合、発光点３２ａと発光点３２ｂとの間隔Ａ２は所定の間隔（４８μｍ）であるのに対し、発光点３２ｂと発光点３２ｃとの間隔Ａ３は、ピッチ変更部３３ａにより所定の間隔（４８μｍ）よりも広がった間隔（５０．５μｍ）となっている。
カップリングレンズ７の光軸の間隔は、すべての領域で所定の間隔（４８μｍ）であるため、発光点３２ａと発光点３２ｂの中心はカップリングレンズ７の光軸と一致しているが、発光点３２ｃの中心は一致しない。そのため、発光点３２ｃから出射した光は、カップリングレンズ７の入射面により図の下方へ屈折することとなる。
【００２７】
図４は、従来のＶＣＳＥＬ全系における光線図を示したものである。
図４の例では、ＶＣＳＥＬアレイ光源１（ＶＣＳＥＬ基板３０）の発光点の中心と、対応するカップリングレンズ７の光軸は一致しているため、カップリングレンズ７からは、ゆるい発散光束が出射される。
【００２８】
これに対し、図５は本実施形態の光線図である。
図５の例では、ＶＣＳＥＬアレイ光源１（ＶＣＳＥＬ基板３０）の発光領域３１の中心部において、発光点と対応するカップリングレンズ７との光軸は一致しているが、ピッチ変更部を介した外側領域では、発光点と対応するカップリングレンズ７の光軸は一致せず、図１２に示したように光線が内側に屈折することとなる。
すなわち、光線を内側へ屈折させ、本来発散光束となる面発光型光源において、見かけ上集光光束とすることができる。
このように、カップリングレンズ７から射出される光線の広がりを抑えることにより、集光レンズ８を小型化することができ、同じ焦点距離のレンズを用いた場合でも、バックフォーカスを短くすることができ、装置を小型化することができる。
【００２９】
本実施形態のレーザー装置の定量的な効果を下記表１に示す。
表１は、本実施形態に係る実施例として、ピッチ変更部３３を設けることにより、発光領域３１の外周側領域における発光点３２の中心と対応するカップリングレンズ７の光軸とのずれ量（最周辺軸ずれ量）を５μｍとした態様を示している。一方、比較例（従来技術）として、発光点３２の中心と対応するカップリングレンズ７の光軸がすべての領域で一致している態様を示している。
【００３０】
【表１】
2018006531.tif 000003
【００３１】
表１に示すように、最周辺の軸ずれ量を５μｍとすることで、本来発散光束となる面発光型光源からの光束を、見かけ上ほぼ平行光束とすることができることがわかる。
本実施形態では、比較例と同一の集光レンズ８を使用しながら、バックフォーカス（レンズ出射端面から集光点位置）の短縮と、集光レンズ８の有効範囲の縮小が可能である。バックフォーカスの短縮は、装置本体のサイズの小型化に直結し、集光レンズ８の小径化は、装置本体の小型化のみならず、レンズ面形状の設計自由度向上や、低コスト化を実現することができる。
【００３２】
表１に示した最周辺の軸ずれ量、すなわち発光点３２の間隔の最大のずれ量は、発光点３２の直径の半分（５μｍ）としている。
ずれ量が大きくなりすぎると、カップリングレンズ７との偏心収差等の影響によりスポット径が大きくなり集光系の小型化が困難となったり、隣のレンズに入射する成分によりカップリング効率が低下を招いたりすることがある。ずれ量を適切に設定し、光学特性の劣化を最小限に抑えつつ、装置の小型化を実現することが求められる。
そこで、複数の発光点３２の配置間隔と複数のカップリングレンズ７の光軸の間隔のずれの大きさは、発光点３２の直径の半分以下とすることが好ましい。
【００３３】
上述のように、ピッチ変更部３３は、同心形状（例えば、同心円状、同心矩形状）に配設されることが好ましい。これにより、ピッチ変更部３３を介した外周側領域における光を、中心側へ屈折させることができる。
【００３４】
次に、ＶＣＳＥＬ基板３０とカップリングレンズ７の接着について図６及び図７に基づき説明する。
図６は、ＶＣＳＥＬ基板３０と複数のカップリングレンズ７としてのマイクロレンズアレイ７ａを取り付けた状態のＹＺ断面図である。ＶＣＳＥＬ基板３０と複数のカップリングレンズ７は、各発光点３２のＸＹ座標と対応するように取り付けられ、有効範囲（図中Ｓで示す）の外側で接着剤４０により接着される。
【００３５】
接着剤４０は、一般的に用いられる紫外線硬化樹脂であってもよい。接着剤４０に樹脂を用いることで、ＶＣＳＥＬ基板３０の熱をカップリングレンズ７に伝えにくくすることができる。接着剤４０は、ハンダであってもよい。ハンダは樹脂よりも線膨張係数が小さいため、発光点３２が発光により発熱してもＶＣＳＥＬ基板３０対応するカップリングレンズ７との間隔が変わりにくくなる。
【００３６】
図７は、ＶＣＳＥＬ基板３０と複数のカップリングレンズ７としてのマイクロレンズアレイ７ａを取り付けた状態のＸＹ断面図である。
図７の例では、接着剤４０による接着位置は、発光領域３１の中心に対して垂直方向および水平方向に対称な位置に４箇所配置されている。これにより、温度の変動による接着剤４０の膨張または収縮の影響を低減することができる。接着剤４０による接着位置はこれに限定されず、全周にわたって接着することによりＶＣＳＥＬ基板３０を封止してもよい。
なお、本実施形態では、ＶＣＳＥＬ基板３０とカップリングレンズが接着剤４０によって直接実装されているが、別途中間部材を配設し、これを介して接着しても良い。
【００３７】
次に、本実施形態のレーザー装置の光学的構成を図８に基づき説明する。
図８は、ＶＣＳＥＬアレイ光源１から出射した光束が、光ファイバ９に入射する様子を示す光学配置図である。なお、実際にはＶＣＳＥＬ基板３０から多数の光線が出射されるが、図８では発光領域３１の中心に配置された発光点３２と、最も外周側に配置された２点の発光点３２から出射された光線を示している。
【００３８】
カップリングレンズ７によりコリメートされて出射される緩い発散光束は、ガラスモールド非球面レンズである集光レンズ８によって集光され、光ファイバ９のコア上に集光される。図中Ａ４で示す光ファイバ９のコアの径は１．５ｍｍである。
レーザー装置においては、より高出力な光量をより小さいコア径の光ファイバに集光することが求められるため、光学系としては光源からの光束をできるだけ小さく集光することが求められる。
【００３９】
図９は、光ファイバ９の断面を示す斜視図である。
光ファイバ９は、コア９１とクラッド９２を備え、コア９１とクラッド９２の間の屈折率の差による全反射によって光束を伝送する。したがって、光ファイバ９には、全反射が起こるような入射角（以下、「ファイバＮＡ」ともいう）で光束が入射する必要がある。
【００４０】
ファイバＮＡが決まっているため、光ファイバ９に入る光線入射角の中で最も大きな角度をファイバＮＡで決められた角度よりも小さい角度で入射させる必要がある。本実施形態における光ファイバ９のファイバＮＡは０．３９であり、取り込める角度は±２２．９度である。したがって、各光学素子は、光ファイバ９への入射角が±２２．９度以下になるように配置されている。
【００４１】
本実施の形態における各光学素子、すなわち光学系の位置は、それぞれ表２に示すようになっている。Ａ１は各発光点３２の直径、Ａ２は各発光点３２の配置間隔、Ａ３は発光領域３１の直径、Ａ４は光ファイバ９のコア９１の直径を示す。
ｄ１は、ＶＣＳＥＬアレイ光源１からカップリングレンズ７までの距離、ｄ２はカップリングレンズ７の肉厚を示す。ｄ３はカップリングレンズ７から集光レンズ８の入射面までの距離、ｄ４は集光レンズ８の厚さ、ｄ５は集光レンズ８の出射面から光ファイバ９までの距離を示す。
【００４２】
【表２】
2018006531.tif 000004
【００４３】
集光レンズ８の非球面形状を表３に示す。
表３に示す非球面形状は、下記式１で定義される。Ｚ（ｈ）を光軸方向における非球面量とし、近軸曲率半径Ｒ、円錐定数Ｋ、及び非球面係数Ｂｉを与えて形状を特定する。
右辺の和（Σ）は、ｉについて１から１０までとる。
【００４４】
【数１】
2018006531.tif 000005
【００４５】
【表３】
2018006531.tif 000006
【００４６】
〔レーザー点火装置〕
本発明に係るレーザー点火装置の構成を図１２に示す。本発明のレーザー点火装置は、上述の本発明のレーザー装置を備える。
レーザー装置２０は、図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示したレーザー装置とほぼ同様の、ＶＣＳＥＬアレイ光源１、複数のカップリングレンズ７（マイクロレンズアレイ）、集光レンズ８、光ファイバ９、熱拡散板５、ヒートシンク１１、ハウジング１２、及びペルチェ素子１０を備えている。
【００４７】
図１１に示すレーザー点火装置はさらに、送風ファン１４、電源装置２４、点火プラグ２１及びエンジン２２を備えている。
このように構成したレーザー点火装置において、ハウジング１２で覆われたレーザー装置２０内のＶＣＳＥＬアレイ光源１から発振射出されたレーザー光は、カップリングレンズ７を経て集光レンズ８で集光され、光ファイバ９の入力端面に入射する。このレーザー光は、光ファイバ９によりレーザー装置２０の外部に導かれて点火プラグ２１に入射する。
【００４８】
点火プラグ２１は、Ｑスイッチ式のレーザー媒質を含むレーザー共振器を備えており、このレーザー共振器にレーザー光を照射してレーザー発振を生じさせてジャイアントパルスレーザーを発生させ、さらにこのパルスレーザー光を集光レンズ８等の光学素子を用いてエンジン２２の燃焼室内に集光する。点火プラグ２１により集光されたジャイアントパルスのパルスレーザー光によってエンジン２２の燃焼室内にエアブレイクダウンを発生させて、混合気に着火させることによってエンジン２２を動作させる。
【００４９】
このような動作過程において、ＶＣＳＥＬアレイ光源１を動作させることにより発熱が生じる。加えて、エンジン２２の周囲環境は、例えば８０℃程度の高温となる。ＶＣＳＥＬアレイ光源１は、高温下では寿命が短くなり、また、出力も低下してしまうため、冷却・排熱手段により周囲環境温度よりも低い状態で維持しながら駆動する必要がある。そこでＶＣＳＥＬアレイ光源１部分には、例えば銅等の熱伝導性の良い部材で構成される熱拡散板５により充分な吸熱面積を形成させ、ペルチェ素子１０および空冷用のヒートシンク１１によってＶＣＳＥＬアレイ光源１を周囲環境温度以下に維持するように冷却するようにする。さらに、ヒートシンク１１に対して、送風ファン１４によって送風し、気流を当てることによって、強制対流熱伝達を発生させて、ヒートシンク１１の放熱性を高めることができる。
なお、レーザー点火装置の周囲環境温度が高くなければ、ペルチェ素子１０を用いず、熱拡散板５にヒートシンク１１を直結した形態のレーザー装置を用いてもよい。
【００５０】
図１１に示す本実施形態のレーザー点火装置は、内燃機関として燃焼ガスによってピストンを運動させるエンジン２２、すなわちピストンエンジンを用い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、例えば、ロータリーエンジン、ガスタービンエンジン、あるいはジェットエンジンを用いる場合にも本発明を適用することができる。要するに、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するものであれば、どのような内燃機関にも本発明のレーザー装置を適用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１      光源（ＶＣＳＥＬアレイ光源）
２      マウント
５      熱拡散板
６      リード線
７      カップリングレンズ
８      集光レンズ
９      光ファイバ
１０    ペルチェ素子
１１    ヒートシンク
１２    ハウジング
１３    保持部材
２０    レーザー装置
２１    点火プラグ
２２    エンジン
２３    リード線
２４    電源装置
３０    ＶＣＳＥＬ基板
３１    発光領域
３２    発光点
３３    ピッチ変更部
３４    非発光領域
４０    接着剤
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５２】
【特許文献１】特開２００３−１５８３３２号公報
【特許文献２】特開２００２−０２６４５２号公報
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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