(57)【要約】【課題】光源装置の光出力を増大させることなく、発振パルス数を増加させることができるレーザ装置を提供する。【解決手段】  レーザ装置は、面発光レーザアレイと第１集光光学系とからなる光源装置、該光源装置からの光を伝送する光ファイバ、該光ファイバからの光を集光する第２集光光学系、及び該第２集光光学系からの光によって励起されるレーザ共振器２０６を備えている。励起光のビームウエスト位置は、該励起光の進行方向（ここでは、Ｚ軸方向）に関して、レーザ共振器２０６の入射端面の位置と一致するか、あるいは、レーザ共振器２０６内に含まれる位置である。また、励起光の進行方向に関して、レーザ共振器２０６の入射端面の位置は、励起光のレイリー長の範囲内にある。【選択図】図１４
2018074105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源装置と、
前記光源装置からの光を集光する光学系と、
前記光学系からの光によって励起されるレーザ共振器とを備え、
前記光学系からの光のビームウエスト位置が、該光の進行方向に関して、前記レーザ共振器の入射端面の位置と一致するか、あるいは、前記レーザ共振器内に含まれる位置であるレーザ装置。
【請求項２】
前記光学系からの光の進行方向に関して、前記レーザ共振器の入射端面の位置は、前記光学系からの光のレイリー長の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記レーザ共振器はレーザ媒質を含み、
前記光学系からの光の進行方向に関して、前記レーザ共振器の入射端面の位置を０とし、前記レーザ媒質の長さをＬとしたとき、前記光学系からの光のビームウエスト位置が、０〜０．４Ｌの範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記光学系に含まれる光学素子のうちで前記レーザ共振器に最も近い光学素子と前記レーザ共振器の入射端面との距離は、前記レーザ共振器に最も近い光学素子の焦点距離よりも短いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記レーザ共振器の入射端面の大きさは、前記入射端面における前記光学系からの光のビーム径よりも大きい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装置。
【請求項６】
前光源装置は、垂直共振器型の面発光レーザを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記光源装置と前記光学系との間に、前記光源装置からの光を前記光学系に伝送する光伝送部材を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記光伝送部材は、光ファイバであることを特徴とする請求項７に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記光ファイバから射出される光のＭ２値は、１５００以下であることを特徴とする請求項８に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記光学系は、少なくとも１つの光学素子から構成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの光学素子は、レンズであることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
前記レーザ装置からの光を集光する光学系とを備える点火装置。
【請求項１３】
燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関において、
前記燃料に点火するための請求項１２に記載の点火装置を備える内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置、点火装置及び内燃機関に係り、更に詳しくは、レーザ共振器を有するレーザ装置、該レーザ装置を有する点火装置、及び該点火装置を備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
光励起によって発振するレーザ共振器を有するレーザ装置は、点火装置、レーザ加工機、医療用機器など様々な分野への応用が期待されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、レーザ活性固体及びＱスイッチ回路を有するレーザ装置と、該レーザ装置を光ポンピングするポンプ光源とを備えた内燃機関用のレーザ点火装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、半導体レーザ光源と、その半導体レーザ光源が放射した半導体レーザ光で励起されて燃料点火用のパルスレーザ光を放射する固体レーザ媒質を備えている車載用点火装置が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のレーザ装置では、レーザ共振器が所定時間内に発振するパルス数（以下では、「発振パルス数」と略述する）を増加させるには、光源の光出力を増大させる必要があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、光源装置と、前記光源装置からの光を集光する光学系と、前記光学系からの光によって励起されるレーザ共振器とを備え、前記光学系からの光のビームウエスト位置が、該光の進行方向に関して、前記レーザ共振器の入射端面の位置と一致するか、あるいは、前記レーザ共振器内に含まれる位置であるレーザ装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のレーザ装置によれば、光源装置の光出力を増大させることなく、発振パルス数を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの概略を説明するための図である。
【図２】点火装置を説明するための図である。
【図３】レーザ共振器を説明するための図である。
【図４】第２集光光学系を説明するための図である。
【図５】励起光を説明するための図である。
【図６】図６（Ａ）は第1の位置関係を説明するための図であり、図６（Ｂ）は第２の位置関係を説明するための図であり、図６（Ｃ）は第３の位置関係を説明するための図である。
【図７】第１の位置関係における発振に寄与しない領域を説明するための図である。
【図８】第２の位置関係における発振に寄与しない領域を説明するための図である。
【図９】第３の位置関係における発振に寄与しない領域を説明するための図である。
【図１０】図７と図８と図９とを重ね合わせた図である。
【図１１】「第２レンズ２０５ｂの焦点距離ｆ」と「第２レンズ２０５ｂの射出端面とレーザ共振器２０６の入射端面とのＺ軸方向に関する距離Ｄ」との関係を説明するための図である。
【図１２】レーザ共振器の入射端面の大きさが、励起光のビーム径よりも小さい場合を説明するための図である。
【図１３】空気の屈折率とレーザ媒質の屈折率との差に起因した、レーザ共振器内での励起光の集光角及び発散角の変化を説明するための図（その１）である。
【図１４】空気の屈折率とレーザ媒質の屈折率との差に起因した、レーザ共振器内での励起光の集光角及び発散角の変化を説明するための図（その２）である。
【図１５】「レーザ共振器に入射した後の励起光の透過率」と「Ｚ軸方向に関するレーザ共振器内での入射端面からの距離」との関係を説明するための図である。
【図１６】「ビームウエスト位置を０としたときのＺ軸方向に関するレーザ共振器の入射端面の位置」と「発振パルス数」との関係を説明するための図である。
【図１７】図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）は、それぞれレーザアニール装置の概略構成を説明するための図である。
【図１８】レーザ加工機の概略構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
「概要」
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１には、一実施形態に係る内燃機関としてのエンジン３００の主要部が模式図的に示されている。
【００１０】
このエンジン３００は、点火装置３０１、燃料噴出機構３０２、排気機構３０３、燃焼室３０４、及びピストン３０５などを備えている。
【００１１】
エンジン３００の動作について簡単に説明する。
（１）燃料噴出機構３０２が、燃料と空気の可燃性混合気を燃焼室３０４内に噴出させる（吸気）。
（２）ピストン３０５が上昇し、可燃性混合気を圧縮する（圧縮）。
（３）点火装置３０１が、燃焼室３０４内にレーザ光を射出する。これにより、燃料に点火される（着火）。
（４）燃焼ガスが発生し、ピストン３０５が降下する（燃焼）。
（５）排気機構３０３が、燃焼ガスを燃焼室３０４外へ排気する（排気）。
【００１２】
このように、吸気、圧縮、着火、燃焼、排気からなる一連の過程が繰り返される。そして、燃焼室３０４内の気体の体積変化に対応してピストン３０５が運動し、運動エネルギーを生じさせる。燃料には例えば天然ガスやガソリン等が用いられる。
【００１３】
なお、エンジン３００は、該エンジン３００の外部に設けられ、該エンジン３００と電気的に接続されているエンジン制御装置の指示に基づいて、上記動作を行う。
【００１４】
点火装置３０１は、一例として図２に示されるように、レーザ装置２００、射出光学系２１０、及び保護部材２１２などを有している。
【００１５】
射出光学系２１０は、レーザ装置２００から射出される光を集光する。これにより、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。
【００１６】
保護部材２１２は、燃焼室３０４に臨んで設けられた透明の窓である。ここでは、一例として、保護部材２１２の材料としてサファイアガラスが用いられている。
【００１７】
レーザ装置２００は、面発光レーザアレイ２０１、第１集光光学系２０３、光ファイバ２０４、第２集光光学系２０５、及びレーザ共振器２０６を備えている。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、面発光レーザアレイ２０１からの光の射出方向を＋Ｚ方向として説明する。
【００１８】
面発光レーザアレイ２０１は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。各発光部は、垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）である。面発光レーザアレイ２０１から射出される光の波長は８０８ｎｍである。
【００１９】
面発光レーザアレイは、射出される光の、温度による波長ずれが非常に少ないため、励起波長のずれによって特性が大きく変化するＱスイッチレーザを励起するのに有利な光源である。そこで、面発光レーザアレイを励起用光源に用いると、環境の温度制御を簡易なものにできるという利点がある。
【００２０】
第１集光光学系２０３は、面発光レーザアレイ２０１から射出される光を集光する。
【００２１】
光ファイバ２０４は、第１集光光学系２０３によって光が集光される位置にコアの−Ｚ側端面の中心が位置するように配置されている。ここでは、光ファイバ２０４として、コア径が１．５ｍｍ、ＮＡが０．３９の光ファイバが用いられている。
【００２２】
光ファイバ２０４を設けることによって、面発光レーザアレイ２０１をレーザ共振器２０６から離れた位置に置くことができる。これにより配置設計の自由度を増大させることができる。また、レーザ装置２００を点火装置に用いる際に、熱源から面発光レーザアレイ２０１を遠ざけることができるため、エンジン３００を冷却する方法の幅を広げることが可能である。
【００２３】
光ファイバ２０４に入射した光はコア内を伝播し、コアの＋Ｚ側端面から射出される。
【００２４】
第２集光光学系２０５は、光ファイバ２０４から射出された光の光路上に配置され、該光を集光する。第２集光光学系２０５で集光された光は、レーザ共振器２０６に入射する。
【００２５】
レーザ共振器２０６は、Ｑスイッチレーザであり、一例として図３に示されるように、レーザ媒質２０６ａ、及び可飽和吸収体２０６ｂを有している。
【００２６】
レーザ媒質２０６ａは、直方体形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、Ｎｄが１．１％ドープされている。可飽和吸収体２０６ｂは、直方体形状のＣｒ：ＹＡＧ結晶であり、初期透過率が０．１５（１５％）〜０．７０（７０％）の間で適宜調整されるものである。
【００２７】
なお、ここでは、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＣｒ：ＹＡＧ結晶は接合されており、いわゆるコンポジット結晶となっている。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶及びＣｒ：ＹＡＧ結晶は、いずれもセラミックスである。
【００２８】
第２集光光学系２０５からの光は、レーザ媒質２０６ａに入射される。すなわち、第２集光光学系２０５からの光によってレーザ媒質２０６ａが励起される。なお、面発光レーザアレイ２０１から射出される光の波長は、ＹＡＧ結晶において最も吸収効率の高い波長である。そして、可飽和吸収体２０６ｂは、Ｑスイッチの動作を行う。
【００２９】
レーザ媒質２０６ａの入射側（−Ｚ側）の面、及び可飽和吸収体２０６ｂの射出側（＋Ｚ側）の面は光学研磨処理がなされ、ミラーの役割を果たしている。なお、以下では、便宜上、レーザ媒質２０６ａの入射側の面を「第１の面」ともいい、可飽和吸収体２０６ｂの射出側の面を「第２の面」ともいう（図３参照）。
【００３０】
そして、第１の面及び第２の面には、面発光レーザアレイ２０１から射出される光の波長、及びレーザ共振器２０６から射出される光の波長に応じた誘電体膜がコーティングされている。
【００３１】
具体的には、第１の面には、波長が８０８ｎｍの光に対して高い透過率を示し、波長が１０６４ｎｍの光に対して高い反射率を示すコーティングがなされている。また、第２の面には、波長が１０６４ｎｍの光に対して約５０％の反射率を示すコーティングがなされている。
【００３２】
これにより、レーザ共振器２０６内で光が共振し増幅される。
【００３３】
図２に戻り、駆動装置２２０は、エンジン制御装置２２２の指示に基づいて、面発光レーザアレイ２０１を駆動する。すなわち、駆動装置２２０は、エンジン３００の動作における着火のタイミングで点火装置３０１から光が射出されるように、面発光レーザアレイ２０１を駆動する。なお、面発光レーザアレイ２０１における複数の発光部は、同時に点灯及び消灯される。
【００３４】
上記実施形態において、面発光レーザアレイ２０１をレーザ共振器２０６から離れた位置に置く必要がない場合は、光ファイバ２０４が設けられなくても良い。
【００３５】
また、ここでは、内燃機関として燃焼ガスによってピストンを運動させるエンジン（ピストンエンジン）の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ロータリーエンジンや、ガスタービンエンジンや、ジェットエンジンであっても良い。要するに、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するものであれば良い。
【００３６】
また、排熱を利用して、動力や温熱や冷熱を取り出し、総合的にエネルギー効率を高めるシステムであるコジェネレーションに、点火装置３０１を用いても良い。
【００３７】
また、ここでは、点火装置３０１が内燃機関に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【００３８】
また、ここでは、レーザ装置２００が点火装置に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置などに用いることができる。
【００３９】
「詳細」
レーザ装置２００から射出される光のＺ軸方向に関する集光位置の調整は、射出光学系２１０の焦点距離、及びＺ軸方向に関する射出光学系２１０の配置位置を調整することにより、行うことができる。
【００４０】
第１集光光学系２０３は、少なくとも１つの集光レンズを有している。ここでは、第１集光光学系２０３における光学素子の構成については限定されない。要するに、面発光レーザアレイ２０１から射出される光が、光ファイバ２０４の−Ｚ側端面の中心部に集光されれば良い。
【００４１】
本実施形態では、光ファイバ２０４を用いることにより、面発光レーザアレイ２０１とレーザ共振器２０６との距離を光ファイバ２０４の長さの分だけ長くすることができる。
【００４２】
そこで、レーザ装置２００を内燃機関の点火装置に使用する場合、該内燃機関の周辺の高温領域や振動領域から面発光レーザアレイ２０１を遠ざけることが可能となり、点火装置の信頼性を向上させることができる。
【００４３】
第２集光光学系２０５は、ここでは、一例として図４に示されるように、第１レンズ２０５ａと第２レンズ２０５ｂとから構成されている。
【００４４】
第１レンズ２０５ａは、コリメートレンズであり、光ファイバ２０４から射出された光を略平行光とする。
【００４５】
第２レンズ２０５ｂは、集光レンズであり、第１レンズ２０５ａによって略平行光とされた光を集光する（図５参照）。
【００４６】
なお、第２集光光学系２０５は、３つ以上の光学素子から構成されていても良い。また、第２集光光学系２０５は、１つの光学素子から構成されていても良い。この場合、該１つの光学素子は集光レンズである。
【００４７】
レーザ共振器２０６は、本実施形態では、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶及びＣｒ：ＹＡＧ結晶が、いずれもセラミックスであるため、単結晶に比べて生産コストが低く、安価である。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＣｒ：ＹＡＧ結晶の境界部が分離していないため、単一の結晶と同等の特性が得られ、機械強度的及び光学的に有利である。
【００４８】
第２レンズ２０５ｂで集光された光は、レーザ媒質２０６ａに入射される。すなわち、第２レンズ２０５ｂで集光された光によってレーザ媒質２０６ａが励起される。なお、以下では、レーザ媒質２０６ａに入射される光を「励起光」ともいう（図５参照）。
【００４９】
ところで、半導体レーザとして、端面発光レーザが広く知られている。しかしながら、この端面発光レーザから射出される光は、温度に対する波長の変動が大きい。そこで、高温環境下での使用が想定される点火装置では、端面発光レーザを励起用光源に使用する場合、端面発光レーザの温度を一定に保つための精密な温度制御機構が必要になり、点火装置の大型化や高コスト化を招く。
【００５０】
一方、面発光レーザアレイから射出される光は、温度に対する波長の変動が端面発光レーザの約１／１０である。そこで、面発光レーザアレイを励起用光源に使用する点火装置では、精密な温度制御機構を必要としない。そのため、小型かつ低コストな点火装置を実現することができる。
【００５１】
加えて、面発光レーザアレイは、発光領域が半導体内部にあることから端面破壊の懸念がなく、点火装置の信頼性を向上させることができる。
【００５２】
ところで、内燃機関での着火過程において、所定時間内に複数パルスのレーザ光を燃焼室に照射することができると、単パルスのレーザ光を燃焼室に照射する場合に比べて、燃焼速度の向上や燃焼安定性の向上などの効果が見込まれる。そこで、点火装置は、所定時間内に複数パルスのレーザ光を射出することができるレーザ装置を有することが好ましい。
【００５３】
本実施形態のレーザ共振器のようなＱスイッチレーザでは、レーザ共振器のレーザ媒質に励起光を一定量吸収させると、パルス光を発振する。そこで、複数発のパルス光を発振させるには、励起光を効率的にレーザ共振器に吸収させる必要がある。
【００５４】
レーザ媒質における励起光の吸収は、「発振に寄与する吸収」と「発振に寄与しない吸収」とに分けることができる。なお、以下では、レーザ媒質において、発振に寄与する吸収が行われる領域を「発振領域」ともいい、発振に寄与しない吸収が行われる領域を「発振に寄与しない領域」ともいう。
【００５５】
励起光が理想的な平行光であれば、発振領域は平行光のビーム径と等しく、発振に寄与しない領域は存在しない。しかしながら、実際の励起光は、収束、発散が含まれるビームプロファイルを有する（図５参照）ことから、発振に寄与しない領域が必ず存在する。そして、発振に寄与しない領域で吸収された励起光は、熱に変換され、パルス光の発振を妨げる要因の一つになる。
【００５６】
そこで、先ず、励起光のビームウエスト位置とレーザ共振器との位置関係について考える。
【００５７】
図６（Ａ）には、第１の位置関係として、レーザ共振器２０６が励起光のビームウエスト位置よりも−Ｚ側に位置する場合が示されている。図６（Ｂ）には、第２の位置関係として、レーザ共振器２０６内にビームウエスト位置が含まれる場合が示されている。図６（Ｃ）には、第３の位置関係として、レーザ共振器２０６が励起光のビームウエスト位置よりも＋Ｚ側に位置する場合が示されている。
【００５８】
図７には、第１の位置関係における、発振領域と発振に寄与しない領域とが示されている。図８には、第２の位置関係における、発振領域と発振に寄与しない領域とが示されている。図９には、第３の位置関係における、発振領域と発振に寄与しない領域とが示されている。
【００５９】
図１０は、図７と図８と図９とを重ね合わせた図である。第２の位置関係の場合は、第１の位置関係及び第３の位置関係の場合よりも発振に寄与しない領域が少ない。そして、第２の位置関係において、Ｚ軸方向に関して、レーザ共振器の中心とビームウエスト位置とが一致するときに、発振に寄与しない領域が最も少なくなる。
【００６０】
以下では、便宜上、各光学素子において、光が入射する側の光学面を「入射端面」ともいい、光が射出される側の光学面を「射出端面」ともいう。
【００６１】
一般的に、励起用光源からの光は、レンズなどの集光手段によってレーザ共振器に集光される。そこで、ビームウエスト位置をレーザ共振器内に含むということは、レーザ共振器の入射端面と、集光手段に含まれるレーザ共振器に最も近い光学素子の射出端面との距離が、集光手段に含まれるレーザ共振器に最も近い光学素子の焦点距離よりも短いことを意味する。
【００６２】
ここでは、図１１に示されるように、第２レンズ２０５ｂの焦点距離をｆ、第２レンズ２０５ｂの射出端面とレーザ共振器２０６の入射端面とのＺ軸方向に関する距離をＤとすると、ｆ＞Ｄの関係が満たされることを意味する。この関係は、第２集光光学系２０５の前段に光ファイバなどの光伝送部材があってもなくても同じである。
【００６３】
なお、一例として図１２に示されるように、レーザ共振器２０６の入射端面の大きさが、励起光のビーム径よりも小さいと、励起光の一部がレーザ共振器２０６の側面で反射されるため、光の損失が生じる。そこで、レーザ共振器２０６の入射端面の大きさは、入射端面における励起光のビーム径よりも大きいことが好ましい。
【００６４】
本実施形態では、ｆ＞Ｄの関係が満たされ、且つレーザ共振器２０６の入射端面の大きさが、該入射端面における励起光のビーム径よりも大きくなるように設定されている。
【００６５】
ところで、一例として図１３に示されるように、空気の屈折率とレーザ媒質の屈折率との差に起因して、レーザ共振器内での励起光の収束角及び発散角は空気中に比べて小さくなる。
【００６６】
そこで、一例として図１４に示されるように、Ｚ軸方向に関して、レーザ共振器２０６の入射端面がレイリー長の範囲内に位置するようにレーザ共振器２０６を配置することがさらに好ましい。なお、レイリー長とは、励起光のビーム径がビームウエスト径の√２倍の大きさになる位置までの距離である。この場合は、レーザ共振器内での励起光が平行光に近くなり、発振に寄与しない領域をさらに少なくすることができる。
【００６７】
なお、レイリー長の範囲内では、励起光はビームウエスト位置を中心に発振方向（ここでは、Ｚ軸方向）に関して対称に広がるため、ビームウエウスト位置を含まずレイリー長の範囲内にレーザ共振器を設置することも考えられるが、この場合は、発振に寄与しない領域が増加する。
【００６８】
本実施形態では、Ｚ軸方向に関して、レーザ共振器内にビームウエスト位置を含み、且つ、レイリー長の範囲内にレーザ共振器の入射端面が位置するように、レーザ共振器を設置している。
【００６９】
レーザ共振器に入射した励起光は、光強度を減少させながらレーザ共振器内を伝播する。レーザ共振器に入射する励起光の光強度をＩとすると、レーザ共振器内での励起光の光強度Ｉ’は、次の（１）式で示される。ここで、αはレーザ媒質の吸収係数である。また、ｄは、Ｚ軸方向に関するレーザ共振器内での入射端面からの距離である。
Ｉ’＝Ｉ×ｅｘｐ（−αｄ）  ……（１）
【００７０】
そして、レーザ媒質に吸収される励起光の吸収量Ｉαは、レーザ媒質の長さをＬとすると、次の（２）式で示される
Ｉα＝Ｉ×［１−ｅｘｐ（−αＬ）］  ……（２）
【００７１】
図１５には、一例として、Ｚ軸方向に関する長さが５ｍｍ、吸収係数が６／ｃｍのレーザ媒質について、「レーザ共振器に入射した後の励起光の透過率」と「Ｚ軸方向に関するレーザ共振器内での入射端面からの距離」との関係が示されている。
【００７２】
ここで、レーザ媒質における入射端面側での励起光の吸収量と射出端面側での励起光の吸収量を比較すると、励起光の伝播距離が同じ（図１５では、１ｍｍ）であっても吸収量（図中の斜線部分の面積）は、入射端面側のほうが多い。
【００７３】
さらに、実際の励起光は、レーザ共振器内での位置によってビーム径が異なっていることから、レーザ共振器内での位置によってパワー密度（＝光強度÷励起光の面積）も異なっている。
【００７４】
パワー密度は、ビームウエスト位置でピークとなり、ビームウエウスト位置から離れるにつれて減少する。そこで、レーザ媒質の入射端面側にビームウエスト位置があるように設定することで、より多くの光を吸収させることが可能である。
【００７５】
図１６には、本実施形態における、「ビームウエスト位置を０としたときのレーザ共振器の入射端面の位置」と発振パルス数との関係が示されている。ここでは、光ファイバ２０４は、コア径＝φ１．５ｍｍ、ＮＡ＝０．３９（Ｍ２＝１２００）の光ファイバである。また、第１レンズ２０５ａ及び第２レンズ２０５ｂの焦点距離は３ｍｍである。また、レーザ媒質２０６ａのＺ軸方向に関する長さは５ｍｍである。また、励起時間は５００μｓ、繰り返し周波数は２０Ｈｚ、励起光のピークパワーは２００Ｗである。
【００７６】
なお、図１６では、「ビームウエスト位置を０としたときのレーザ共振器の入射端面の位置」は、レーザ共振器の入射端面がビームウエスト位置の−Ｚ側にあるときをマイナスとしている。そこで、図１６における横軸がマイナスのところは、ビームウエスト位置がレーザ共振器内に含まれていることを意味している。
【００７７】
図１６からわかるように、横軸が−２．０［ｍｍ］から−１．８［ｍｍ］のときは、発振パルス数が２であり、横軸が−１．７［ｍｍ］から−１．４［ｍｍ］のときは、発振パルス数が３である。そして、横軸が−１．３［ｍｍ］から−１．０［ｍｍ］のときは、発振パルス数が４であり、横軸が−０．９［ｍｍ］から−０．５［ｍｍ］のときは、発振パルス数が５である。そして、横軸が−０．４［ｍｍ］から０．０［ｍｍ］のときは、発振パルス数が６である。
【００７８】
また、横軸が０．１［ｍｍ］から０．３［ｍｍ］のときは、発振パルス数が５であり、横軸が０．４［ｍｍ］から０．５［ｍｍ］のときは、発振パルス数が４である。そして、横軸が０．６［ｍｍ］から０．７［ｍｍ］のときは、発振パルス数が３であり、横軸が０．８［ｍｍ］から０．９［ｍｍ］のときは、発振パルス数が２である。そして、横軸が１．０［ｍｍ］から１．１［ｍｍ］のときは、発振パルス数が１である。
【００７９】
そこで、本実施形態では、Ｚ軸方向に関して、レーザ共振器内にビームウエスト位置を含み、レーザ共振器の入射端面とビームウエスト位置との距離が０［ｍｍ］〜０．４［ｍｍ］の間となるように設定されている。なお、この場合は、レーザ共振器の入射端面は、レイリー長の範囲内に位置している。
【００８０】
ところで、図１６からわかるように、「ビームウエスト位置を０としたときのレーザ共振器の入射端面の位置」が、０［ｍｍ］〜−２．０［ｍｍ］の間では、レーザ共振器は複数発のパルス光を発振することができる。
【００８１】
ここでは、レーザ媒質２０６ａのＺ軸方向に関する長さが５ｍｍであることから、換言すると、Ｚ軸方向に関して、レーザ共振器の入射端面の位置を０、レーザ媒質の長さをＬとすると、レーザ共振器内にビームウエスト位置を含み、励起光のビームウエスト位置が、０〜０．４Ｌの範囲内にあれば、レーザ共振器は複数発のパルス光を発振することができる。
【００８２】
本実施形態では、ビームウエスト径が１．６０ｍｍ（１／ｅ２）、レイリー長が約３．６ｍｍ、第２レンズ２０５ｂの射出端面とレーザ共振器２０６の入射端面との距離Ｄが２ｍｍ、レーザ共振器２０６の入射端面の大きさが５ｍｍ角となるように設定されている。
【００８３】
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係るレーザ装置２００では、面発光レーザアレイ２０１と第１集光光学系２０３とによって、本発明のレーザ装置における光源装置が構成されている。また、本実施形態に係るレーザ装置２００では、第２集光光学系２０５によって、本発明のレーザ装置における光学系が構成され、光ファイバ２０４によって、本発明のレーザ装置における伝送部材が構成されている。
【００８４】
そして、本実施形態に係る点火装置３０１では、射出光学系２１０によって、本発明の点火装置における「レーザ装置からの光を集光する光学系」が構成されている。
【００８５】
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ装置２００は、面発光レーザアレイ２０１、第１集光光学系２０３、光ファイバ２０４、第２集光光学系２０５、及びレーザ共振器２０６などを備えている。
【００８６】
面発光レーザアレイ２０１は、励起用光源であり、面発光レーザアレイ２０１から射出された光は、第１集光光学系２０３、光ファイバ２０４、及び第２集光光学系２０５を介して、励起光としてレーザ共振器２０６に入射される。
【００８７】
レーザ共振器２０６は、Ｑスイッチレーザであり、レーザ媒質２０６ａ、及び可飽和吸収体２０６ｂを有している。
【００８８】
励起光のビームウエスト位置は、該励起光の進行方向（ここでは、Ｚ軸方向）に関して、レーザ共振器２０６の入射端面の位置と一致するか、あるいは、レーザ共振器２０６内に含まれる位置である。
【００８９】
そして、励起光の進行方向（ここでは、Ｚ軸方向）に関して、レーザ共振器２０６の入射端面の位置は、励起光のレイリー長の範囲内にある。
【００９０】
また、励起光の進行方向（ここでは、Ｚ軸方向）に関して、レーザ共振器２０６の入射端面の位置を０とし、レーザ媒質２０６ａの長さをＬとしたとき、励起光のビームウエスト位置は、０〜０．４Ｌの範囲内にある。
【００９１】
さらに、レーザ共振器２０６の入射端面の大きさは、入射端面における励起光のビーム径よりも大きい。
【００９２】
また、第２集光光学系２０５に含まれる光学素子のうちでレーザ共振器２０６に最も近い光学素子である第２レンズ２０５ｂの射出端面とレーザ共振器２０６の入射端面との距離は、第２レンズ２０５ｂの焦点距離よりも短い。
【００９３】
また、光ファイバ２０４から射出される光のＭ２値は、１５００以下である。
【００９４】
この場合、レーザ装置２００は、レーザ共振器２０６における発振に寄与しない領域を小さくするとともに、レーザ媒質２０６ａでの光の吸収量を大きくすることが可能となり、面発光レーザアレイの光出力を増大させることなく、発振パルス数を増加させることができる。すなわち、光源装置の光出力を増大させることなく、発振パルス数を増加させることができる。
【００９５】
なお、必要とされる発振パルス数が同じであれば、光源装置の光出力を低くすることが可能となり、レーザ装置の低価格化を図ることができる。
【００９６】
そして、点火装置３０１は、レーザ装置２００を備えているため、安定した点火を効率良く行うことができる。
【００９７】
また、エンジン３００は、点火装置３０１を備えているため、結果として、効率化を図ることができる。
【００９８】
なお、上記実施形態において、第１集光光学系２０３及び射出光学系２１０は、いずれも単一の光学素子からなっていても良いし、複数の光学素子からなっていても良い。
【００９９】
また、上記実施形態において、励起用光源として面発光レーザアレイが用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【０１００】
また、レーザ装置２００は、レーザアニール装置やレーザ加工機に用いることができる。
【０１０１】
《レーザアニール装置》
一例として図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）に、レーザ装置２００を有するレーザアニール装置１０００の概略構成が示されている。このレーザアニール装置１０００は、光源１０１０、光学系１０２０、テーブル装置１０３０、及び制御装置などを備えている。
【０１０２】
光源１０１０は、前述したレーザ装置２００を有し、レーザ光を射出することができる。光学系１０２０は、光源１０１０から射出されたレーザ光を対象物Ｐの表面に導光する。テーブル装置１０３０は、対象物Ｐが載置されるテーブルを有している。該テーブルは、少なくともＹ軸方向に沿って移動することができる。
【０１０３】
例えば、対象物Ｐがアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）の場合、レーザ光が照射されると、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）は、温度が上昇し、その後、徐々に冷却されることによって結晶化し、ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）になる。
【０１０４】
このレーザアニール装置１０００は、光源１０１０がレーザ装置２００を有しているため、処理効率を向上させることができる。
【０１０５】
《レーザ加工機》
一例として図１８に、前述したレーザ装置２００を有するレーザ加工機３０００の概略構成が示されている。このレーザ加工機３０００は、光源３０１０、光学系３１００、対象物Ｐが載置されるテーブル３１５０、テーブル駆動装置３１６０、操作パネル３１８０及び制御装置３２００などを備えている。
【０１０６】
光源３０１０は、レーザ装置２００を有し、制御装置３２００の指示に基づいてレーザ光を射出する。光学系３１００は、光源３０１０から射出されたレーザ光を対象物Ｐの表面近傍で集光させる。テーブル駆動装置３１６０は、制御装置３２００の指示に基づいて、テーブル３１５０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動させる。
【０１０７】
操作パネル３１８０は、作業者が各種設定を行うための複数のキー、及び各種情報を表示するための表示器を有している。制御装置３２００は、操作パネル３１８０からの各種設定情報に基づいて、光源３０１０及びテーブル駆動装置３１６０を制御する。
【０１０８】
このレーザ加工機３０００は、光源３０１０がレーザ装置２００を有しているため、加工（例えば、切断や溶接）の処理効率を向上させることができる。
【０１０９】
なお、レーザ加工機３０００は、複数の光源３０１０を有しても良い。
【０１１０】
また、前述したレーザ装置２００は、レーザアニール装置及びレーザ加工機以外のレーザ光を利用する装置にも好適である。例えば、レーザ装置２００を表示装置の光源に用いても良い。
【符号の説明】
【０１１１】
２００…レーザ装置、２０１…面発光レーザアレイ（光源装置の一部）、２０３…第１集光光学系（光源装置の一部）、２０４…光ファイバ（伝送部材）、２０５…第２集光光学系（光源装置からの光を集光する光学系）、２０５ａ…第１レンズ、２０５ｂ…第２レンズ、２０６…レーザ共振器、２０６ａ…レーザ媒質、２０６ｂ…可飽和吸収体、２１０…射出光学系（レーザ装置からの光を集光する光学系）、２１２…保護部材、２２０…駆動装置、２２２…エンジン制御装置、３００…エンジン（内燃機関）、３０１…点火装置、３０２…燃料噴出機構、３０３…排気機構、３０４…燃焼室、３０５…ピストン、１０００…レーザアニール装置、１０１０…光源、１０２０…光学系、１０３０…テーブル装置、３０００…レーザ加工機、３０１０…光源、３１００…光学系、３１５０…テーブル、３１６０…テーブル駆動装置、３１８０…操作パネル、３２００…制御装置、Ｐ…対象物。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１２】
【特許文献１】特表２０１３−５４５２８０号公報
【特許文献２】特開２０１４−１９２１６６号公報
【図１】
2018074105.tif 000003
【図２】
2018074105.tif 000004
【図３】
2018074105.tif 000005
【図４】
2018074105.tif 000006
【図５】
2018074105.tif 000007
【図６】
2018074105.tif 000008
【図７】
2018074105.tif 000009
【図８】
2018074105.tif 000010
【図９】
2018074105.tif 000011
【図１０】
2018074105.tif 000012
【図１１】
2018074105.tif 000013
【図１２】
2018074105.tif 000014
【図１３】
2018074105.tif 000015
【図１４】
2018074105.tif 000016
【図１５】
2018074105.tif 000017
【図１６】
2018074105.tif 000018
【図１７】
2018074105.tif 000019
【図１８】
2018074105.tif 000020