(57)【要約】【課題】レーザのパルス時間幅の最適化を行い、点火に必要なレーザパルスエネルギーの最小化と点火効率の向上を図ったレーザ点火装置を提供すること。【解決手段】波長λ[μｍ]、ビーム品質Ｍ２のビームを出力するパルスレーザ発振器１と、パルスレーザ発振器１から出力されるパルスレーザのエネルギーを制御するエネルギー制御器２と、パルスレーザ発振器１から出力されるパルスレーザを集光する焦点距離ｆ[ｍｍ]のレンズ３と、パルスレーザの時間幅を制御するパルス時間幅制御器１４を有するレーザ点火装置であって、パルス時間幅制御器１４は、パルスレーザの時間幅を０．６〜２ｎｓに制御することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λ[μｍ]、ビーム品質Ｍ２のビームを出力するパルスレーザ発振器と、
前記パルスレーザ発振器から出力されるパルスレーザのエネルギーを制御するエネルギー制御器と、
前記パルスレーザ発振器から出力される前記パルスレーザを集光する焦点距離ｆ[ｍｍ]のレンズと、
前記パルスレーザの時間幅を制御するパルス時間幅制御器と、を有するレーザ点火装置であって、
前記パルス時間幅制御器は、前記パルスレーザの時間幅を０．６〜２ｎｓに制御することを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項２】
波長λ[μｍ]、ビーム品質Ｍ２のビームを出力するパルスレーザ発振器と、
前記パルスレーザ発振器から出力されるパルスレーザのエネルギーを制御するエネルギー制御器と、
前記パルスレーザ発振器から出力される前記パルスレーザを集光する焦点距離ｆ[ｍｍ]のレンズと、
前記パルスレーザの時間幅を制御するパルス時間幅制御器と、を有するレーザ点火装置であって、
前記パルス時間幅制御器は、前記パルスレーザの時間幅を０．５７〜０．６３ｎｓに制御することを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項３】
前記Ｍ２は４未満である請求項１又は２に記載のレーザ点火装置。
【請求項４】
前記レンズに入射する前記パルスレーザのビーム径がＤ[ｍｍ]のとき、ｆλ／Ｄを１．４〜３．５μｍにする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ点火装置。
【請求項５】
前記レンズに入射する前記パルスレーザのビーム径がＤ[ｍｍ]のとき、ｆλ／Ｄを２．１〜２．８μｍにする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ発振器からのレーザ光を気体中にレンズで集光して該気体を光電離して点火するレーザ点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでも、様々なレーザ点火装置が開発されている。例えば、シリンダ内に集光照射するレーザのパルス幅を、最小着火投入エネルギーとなるパルス幅にするレーザ点火装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、パルスレーザ発振器とパルスレーザビームをシリンダ内に集光するレンズとを備えたレーザ点火システムは、正規化フルーエンス体積が０．１を上回るパルスレーザビームを生成するように構成されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４４７２６号公報
【特許文献２】特表２０１６−５０７９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来のレーザ点火装置は、レーザのパルス時間幅の最適化が行われていないため、点火に必要なレーザパルスエネルギーが大きくなり点火エネルギー効率が低かった。
【０００６】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、レーザのパルス幅の最適化を行い、点火に必要なレーザパルスエネルギーの最小化と点火効率の向上を図ったレーザ点火装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
課題を解決するためになされた本発明のレーザ点火装置は、波長λ[μｍ]、ビーム品質Ｍ２のビームを出力するパルスレーザ発振器と、前記パルスレーザ発振器から出力されるパルスレーザのエネルギーを制御するエネルギー制御器と、前記パルスレーザ発振器から出力される前記パルスレーザを集光する焦点距離ｆ[ｍｍ]のレンズと、前記パルスレーザの時間幅を制御するパルス時間幅制御器と、を有するレーザ点火装置であって、前記パルス時間幅制御器は、前記パルスレーザの時間幅を０．６〜２ｎｓに制御することを特徴とする。これにより、絶縁破壊強度を一定の低い値にすることができる。
【０００８】
課題を解決するためになされた本発明の別のレーザ点火装置は、波長λ[μｍ]、ビーム品質Ｍ２のビームを出力するパルスレーザ発振器と、前記パルスレーザ発振器から出力されるパルスレーザのエネルギーを制御するエネルギー制御器と、前記パルスレーザ発振器から出力される前記パルスレーザを集光する焦点距離ｆ[ｍｍ]のレンズと、前記パルスレーザの時間幅を制御するパルス時間幅制御器と、を有するレーザ点火装置であって、前記パルス時間幅制御器は、前記パルスレーザの時間幅を０．５７〜０．６３ｎｓに制御することを特徴とする。これにより、絶縁破壊閾値フルーエンスを最小化することができる。
【０００９】
上記のレーザ点火装置において、前記Ｍ２は４未満であるとよい。これにより、集光スポット径を小さくすることができ、点火に必要なレーザパルスエネルギーの最小化を達成することができる。
【００１０】
また、上記のレーザ点火装置において、前記レンズに入射する前記パルスレーザのビーム径がＤ[ｍｍ]のとき、ｆλ／Ｄを１．４〜３．５μｍに、好ましくは２．１〜２．８μｍにするとよい。
【００１１】
レンズによる集光スポット径はｆλ／Ｄに比例する。ｆを小さくすると集光スポット径が小さくなり、絶縁破壊に必要なレーザパルスエネルギーの最小化を図ることができる。ｆを小さくし過ぎると、絶縁破壊で発生した電子が集光スポット外に拡散するので損失が増える。ｆを大きくすると集光スポットが大きくなり絶縁破壊に必要なレーザパルスエネルギーが大きくなる。すなわち、低（高）絶縁破壊エネルギーと高（低）拡散損失との間にはトレードオフの関係がある。発明者らの実験により、ｆλ／Ｄを１．４〜３．５μｍに、好ましくは２．１〜２．８μｍにすると、絶縁破壊エネルギーを最小化できることがわかった。
【発明の効果】
【００１２】
絶縁破壊強度を一定の低い値にすることができ、点火エネルギー効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態１に係るレーザ点火装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態２に係るレーザ点火装置の概略構成図である。
【図３】実施形態２に係るレーザ点火装置を備える実験セットアップの模式図である。
【図４】図３の実験セットアップで測定された絶縁破壊閾値エネルギーのパルス時間幅依存性を示すグラフである。
【図５】図３の実験セットアップで測定された絶縁破壊強度のパルス時間幅依存性を示すグラフである。
【図６】図３の実験セットアップで測定された絶縁破壊閾値フルーエンスのパルス時間幅依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施形態１）本実施形態のレーザ点火装置は、図１に示すように、波長λ[μｍ]、ビーム品質Ｍ２のビームを出力するパルスレーザ発振器１と、パルスレーザ発振器１から出力されるパルスレーザのエネルギーを制御するエネルギー制御器２と、パルスレーザ発振器１から出力されるパルスレーザを集光する焦点距離ｆ[ｍｍ]のレンズ３と、パルスレーザの時間幅を制御するパルス時間幅制御器１４と、を備えている。
【００１５】
パルスレーザ発振器１としては、Ｑスイッチパルス発振器が好ましいが、モードロックレーザ発振器やチャープパルス発振器等でもよい。本実施形態のパルスレーザ発振器１はＱスイッチパルス発振器で、利得媒質１１、Ｑスイッチ素子１２、共振器鏡１３、１４を備えている。利得媒質１１は、炭酸ガス、ルビー、ガラス、ＹＡＧ等いずれでもよいが、エネルギー制御器２に半導体レーザを使用することができる小型・高効率のＹＡＧが好ましい。本実施形態の利得媒質１１には、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を用いた。
【００１６】
Ｑスイッチ素子１２には、音響光学変調器、カーシャッター等の光スイッチを用いることができるが、駆動電源を必要としない可飽和吸収体が好ましい。可飽和吸収体としては、利得媒質１１がＮｄ：ＹＡＧ結晶であるので、Ｃｒ４+：ＹＡＧ結晶が好適である。本実施形態では、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１１にＣｒ４+：ＹＡＧ結晶１２をモノリシック成長させた大きさが３×３×７（ｍｍ３）の角柱モノシリックＮｄ：ＹＡＧ／Ｃｒ４+：ＹＡＧセラミックを用いた。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１１の入力面には、発振波長λが１０６４ｎｍの光を高反射し後述のエネルギー制御器２からの波長８０８ｎｍのポンプ光を反射しない共振器鏡（膜）１３がコートされている。Ｃｒ４+：ＹＡＧ結晶１２には、発振波長λが１０６４ｎｍの光を５０％反射し５０％透過する共振器鏡１４が対向配置されている。共振器鏡１４は、光軸方向に移動できるように構成されており、後述するように、共振器鏡１４を光軸方向に移動させて共振器鏡１４と１５の間隔を変えることで、パルス時間幅をかけることができる。
【００１７】
エネルギー制御器２は、擬ｃｗダイオードレーザ（波長８０８ｎｍ、繰り返し１００Ｈｚ、ピークパワー１２０Ｗ、ポンプ時間５００μｓ）と駆動電源を備えている。
【００１８】
３はＱスイッチパルス発振器１から出力されるビーム径Ｄのレーザ光を集光して集光領域を絶縁破壊するための焦点距離ｆのレンズである。
【００１９】
本実施形態のレーザ点火装置は、パルスレーザの時間幅を制御するパルス時間幅制御器（光軸方向に移動可能な共振器鏡１４）でパルス時間幅を０．６〜２ｎｓに制御するので、絶縁破壊強度を一定の低い値にすることができる。
【００２０】
Ｍ２はレーザビームの伝搬状態が理想的なＴＥＭ００基本ガウシアンビームの場合に比べどれだけ悪いかを示す因子で、Ｍ２＝１はガウスビーム（シングルモード）である。Ｍ２はビーム半径と拡がり角を測定することで求められる（平等、“レーザビーム品質測定の基礎”レーザ研究  １９９８年１０月Ｐ７２３−７２９参照）。
【００２１】
Ｍ２＝１のガウスビーム（シングルモード）を集光したときの集光ボリューム（〜スポット径ｄ０）は、ビーム径Ｄ、波長λ、焦点距離ｆによって変わり、次式のように表される。
ｄ０＝１．２７λ（ｆ／Ｄ）                （１）
【００２２】
すなわち、スポット径ｄ０はλとＤが一定の場合、ｆに比例する。ｆが小さいとスポット径ｄ０が小さくなり、絶縁破壊で生じた拡散電子が集光ボリュウム外に拡散して損失が増える。ｆが大きいと集光ボリュウムが大きくなり、絶縁破壊エネルギーが大きくなる。すなわち、低（高）絶縁破壊エネルギーと高（低）拡散損失との間にはトレードオフの関係がある。後述する発明者らの実験により、Ｄ＝３ｍｍのガウスビームをｆ＝６〜８ｍｍのレンズで集光すると丁度良い集光ボリュームになり、絶縁破壊エネルギーを最小化できることがわかった。
【００２３】
ｆ＝６ｍｍのとき、ｄ０＝２．７μｍ；ｆ＝８ｍｍのとき、ｄ０＝３．６μｍであるので、以下の不等式が求まる。
（２．７／１．２７）μｍ≦（ｆλ／Ｄ）≦（３．６／１．２７）μｍ
２．１μｍ≦（ｆλ／Ｄ）≦２．８μｍ                              （２）
【００２４】
すなわち、（２）式を満たすようにすれば、絶縁破壊に必要なレーザパルスエネルギーの最小化を図ることができる。
【００２５】
（２）式が、ベストであるが、（２Ａ）式を満たすようにしてもよい。
１．４μｍ≦（ｆλ／Ｄ）≦３．５μｍ                              （２Ａ）
【００２６】
変形態様のレーザ点火装置は、パルス時間幅制御器（光軸方向に移動可能な共振器鏡１４）でパルス時間幅を０．６〜２ｎｓに制御し、（２）式或いは（２Ａ）式を満たすようにしたものである。その結果、絶縁破壊エネルギーを最小化することができ、点火エネルギー効率を高くすることができる。
【００２７】
本実施形態又は変形態様では、パルスレーザ発振器１から出力されるレーザビーム径をＤとしたが、パルスレーザ発振器１から出力されるレーザビーム径がＤ１（≠Ｄ）でもよい。その場合は、レンズ３の前に望遠レンズを入れればよい。
【００２８】
本実施形態又は変形態様のパルスレーザ発振器１は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶１１にＣｒ４+：ＹＡＧ結晶１２をモノリシック成長させた大きさが３×３×７（ｍｍ３）の角柱モノシリックＮｄ：ＹＡＧ／Ｃｒ４+：ＹＡＧセラミックを用いているので、所謂マイクロチップＱスイッチレーザ発振器である。レーザ点火装置はエンジン等に組み込まれるため、小型、堅牢でなければならない。本実施形態又は変形態様に係るレーザ点火装置のパルスレーザ発振器１はマイクロチップＱスイッチレーザ発振器であるので、小型、堅牢である。
【００２９】
（実施形態２）本実施形態のレーザ点火装置は、図２に示すように、実施形態１のパルス時間幅制御器１４をパルス時間幅制御器１４Ａにしたものである。実施形態１のレーザ点火装置と同じ構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３０】
１４Ａは、Ｑスイッチ素子１２から分離させた共振器鏡で、発振波長λが１０６４ｎｍの光を５０％反射し５０％透過する膜を石英ガラス板にコートしてなる。この共振器鏡１４Ａは、矢印Ａ方向（光軸方向）に移動できるように構成されている。
【００３１】
Ｑスイッチレーザのパルス幅τは、τ〜[ｒη（ｒ）／｛ｒ−１−ｌｎｒ｝]τｃで与えられる。ここで、τｃはキャビティ寿命（＝キャビテイラウンドトリップ時間／キャビテイラウンドトリップ損失）、ｒは初期反転分布比、η（ｒ）はエネルギー引き抜き効率である。したがって、媒質と反射損失が同じ場合、短いキャビティ程短いパルスを発生するので、駆動ステージにセットされた共振器鏡１４Ａを、矢印Ａ方向（光軸方向）に移動させることで、パルス時間幅τを変えることができる。
【００３２】
パルス時間幅制御器として、本実施形態のような共振器間隔を変えるもののほかに、パルス圧縮器やパルス伸張器を用いてもよい。
【００３３】
エネルギー制御器２Ａは、ファイバー（コア径０．６ｍｍ）結合擬ｃｗダイオードレーザ２Ａ１（波長８０８ｎｍ、繰り返し１００Ｈｚ、ピークパワー１２０Ｗ、ポンプ時間５００μｓ）、擬ｃｗダイオードレーザ２Ａ１を駆動する駆動電源２Ａ２及び擬ｃｗダイオードレーザ２Ａ１からのポンプ光をＮｄ：ＹＡＧ結晶１１に結合する光学系２Ａ３、を備えている。ファイバーからのポンプビームは光学系２Ａ３で直径１．２ｍｍ（半値全幅）にコリメートされる。
【００３４】
本実施形態のＱスイッチパルス発振器１の特性は以下の通り。
・パルス幅可変範囲：０．５〜９ｎｓ
・パルスエネルギー＞２ｍＪ
・ピークパワー：０．５〜６ＭＷ
・繰り返し周波数：１００Ｈｚ
・Ｍ２＝１〜４
【００３５】
本実施形態のレーザ点火装置は、Ｑスイッチパルスの時間幅を制御するパルス時間幅制御器１４Ａを有し、パルス時間幅制御器１４Ａでパルスレーザの時間幅を０．５７〜０．６３ｎｓに制御するので、絶縁破壊閾値フルーエンスを最小化することができる。
【００３６】
次に、実施形態２のレーザ点火装置を使って行った空気絶縁破壊実験を説明する。
【００３７】
＜実験セットアップ＞パルス幅可変Ｑスイッチパルス発振器１、エネルギー制御器２Ａ、レンズ３を備える実施形態２に係るレーザ点火装置を用いて図３に示すような実験セットアップを構築した。
【００３８】
本実験では、エネルギー制御器２Ａの駆動電源２Ａ２及び擬ｃｗダイオードレーザ２Ａ１をフル稼働させ、パルス幅可変Ｑスイッチパルス発振器１からのＱスイッチパルスのエネルギーは半波長板と偏光子を使って変えられた。直線偏光レーザ光が焦点距離６．２４ｍｍ、８ｍｍ、１１ｍｍの非球面レンズ３で実験室空気中に集光された。
【００３９】
レンズ３上のビームサイズＤは、パルス幅可変Ｑスイッチパルス発振器１から同距離の位置に配置されたＣＭＯＳカメラで測定された。Ｍ２値は、Ｃｉｎｏｇｙという測定系を使ってビーム半径と拡がり角を測定することで測定された。パルス形状、パルス時間幅は高速ＧａＨｓ光検出器（立ち上がり時間＜２５ｐｓ）と結合した１３ＧＨｚオッシロスコープ（オッシロスコープ１）を使って測定された。絶縁破壊は、集光レンズと高速ＧａＨｓ光検出器（立ち上がり時間＜３０ｐｓ）と結合した１３ＧＨｚオッシロスコープ（オッシロスコープ２）を使用して可視絶縁破壊スパークが観測された。
【００４０】
＜実験結果＞図４は、焦点距離の異なる３個のレンズで絶縁破壊閾値エネルギーを比較した結果を示す。図４からパルス時間幅τが０．５〜０．６７ｎｓでは、０．５〜１ｍＪレベルの絶縁破壊閾値エネルギーが必要であることがわかる。
【００４１】
また、図４からｆ＝１１ｍｍのとき（△）絶縁破壊閾値エネルギーが高く、ｆ＝８ｍｍのとき（○）絶縁破壊閾値エネルギーが低く、ｆ＝６．２４ｍｍのとき（□）絶縁破壊閾値エネルギーが少し高くなることがわかる。すなわち、絶縁破壊閾値エネルギーは、パルス時間幅τと集光条件（集光ボリューム）に依存する。これは、集光ボリューム外への拡散電子ロスの性である（例えば、C. H. Chan C .D .Moody, and W .B. McKnight, ”Significant loss mechanisms in gas breakdown at 10.6 μ”J Appl.Phys.44(3),1179-1188(1973)参照。）。
【００４２】
図４より、Ｄ＝３ｍｍのガウスビームをｆ＝６〜８ｍｍのレンズで集光すると丁度良い集光ボリュームになり、絶縁破壊エネルギーを最小化できることがわかる。このことは、（１）式を使って（２）式のようにすれば、絶縁破壊エネルギーを最小化できることを示している。
【００４３】
図５は、絶縁破壊強度とパルス時間幅の関係を示す。図５からパルス時間幅τを０．６〜２ｎｓにすると、絶縁破壊強度を一定の低い値にすることができることがわかる。
【００４４】
図６は、レンズ３として焦点距離が６．２４ｍｍ（ｆ＝６．２４ｍｍ）のレンズを使って、パルス時間幅が０．５〜０．６７ｎｓ（ＦＷＨＭ）の範囲でのパルス時間幅を関数とする測定された空気絶縁破壊閾値フルーエンスを示す。閾値フルーエンスＦｔｈ[ｋＪ／ｃｍ２]は、測定された閾値エネルギーとレンズ３による集光スポットサイズから計算によって求められた。集光スポットサイズは、レンズ３に入射するレーザビームサイズ（測定値〜３ｍｍ）でガウスビーム伝播し、Ｍ２〜３であることから計算で求められた。
【００４５】
図６から絶縁破壊閾値フルーエンスは、パルス時間幅が０．５７〜０．６３ｎｓのとき約１．０ｋＪ／ｃｍ２の最小フルーエンスになることがわかる。また、絶縁破壊閾値フルーエンスは、長パルス域でパルス時間幅τに比例し、短パルス域でτ−１に比例することがわかる。
【符号の説明】
【００４６】
１・・・・・・・Ｑスイッチパルス発振器
２、２Ａ・・・・エネルギー制御器
３・・・・・・・レンズ
１４、１４Ａ・・パルス時間幅制御器
【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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