(57)【要約】      （修正有）【課題】点火に十分なエネルギーが得られ、レーザーの配置間隔を小さくすることができる多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置を提供する。【解決手段】多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、レーザー発振領域を有する固体レーザー媒質１と、この固体レーザー媒質１の底面に形成される全反射誘電体膜１Ｂの下部に低融点金属膜２を介して配置されるヒートシンク３と、前記固体レーザー媒質１の上面に形成される前記無反射誘電体膜１Ａの上方に配置される複数個の板状の励起用半導体レーザー素子５とを備え、前記励起用半導体レーザー素子５からの励起光６を入射して前記固体レーザー媒質１を励起することで前記レーザー発振領域でレーザー発振を行わせ、前記固体レーザー媒質１のレーザー出力側側面に形成される前記部分反射誘電体膜１Ｄからレーザー出力光８を取り出す。【選択図】図１
2011171406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）上面に励起光に対する無反射誘電体膜を、底面に励起光に対する全反射誘電体膜を、レーザー出力側側面にレーザー光に対する部分反射誘電体膜を、前記レーザー出力側側面と対向する側面にレーザー光に対する全反射誘電体膜をそれぞれ備えるレーザー発振領域を有する固体レーザー媒質と、
（ｂ）該固体レーザー媒質の底面に形成される前記全反射誘電体膜の下部に低融点金属膜を介して配置されるヒートシンクと、
（ｃ）前記固体レーザー媒質の上面に形成される前記無反射誘電体膜の上方に配置される複数個の板状の励起用半導体レーザー素子とを備え、
（ｄ）前記励起用半導体レーザー素子からの励起光を入射して前記固体レーザー媒質を励起することで前記レーザー発振領域でレーザー発振を行わせ、前記固体レーザー媒質のレーザー出力側側面に形成される前記部分反射誘電体膜からレーザー出力光を取り出すことを特徴とする多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置。
【請求項２】
請求項１記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記複数個の励起用半導体レーザー素子と前記固体レーザー媒質の上面に形成される前記無反射誘電体膜との間にマイクロレンズを配置したことを特徴とする多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置。
【請求項３】
請求項２記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記複数個の励起用半導体レーザー素子と前記マイクロレンズとの間に透過型グレーティングを配置したことを特徴とする多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置。
【請求項４】
請求項３記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記透過型グレーティングを、前記固体レーザー媒質の上面に形成される前記全反射誘電体膜の表面に貼り付けて一体化するように形成したことを特徴とする多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置。
【請求項５】
請求項１記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記ヒートシンク上に前記固体レーザー媒質の前記レーザー出力側側面に形成される部分反射誘電体膜と間隔をおいて光スイッチ素子を実装したことを特徴とする多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置。
【請求項６】
請求項１記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記ヒートシンク上に前記固体レーザー媒質の前記レーザー出力側側面と一体化した光スイッチ素子を実装したことを特徴とする多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置。
【請求項７】
請求項１記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記固体レーザー媒質のレーザー発振領域に隣接して光ガイド領域を形成することを特徴とする多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置。
【請求項８】
請求項７記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記固体レーザー媒質のレーザー発振領域がＮｄ：ＹＡＧからなり、前記光ガイド領域がＳｍ：ＹＡＧからなることを特徴とする多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置。
【請求項９】
（ａ）底面に外部へのエバネッセント波の滲み出しを抑える全反射誘電体膜を、レーザー出力側側面にレーザー光に対する部分反射誘電体膜を、前記レーザー出力側側面と対向する側面にレーザー光に対する全反射誘電体膜をそれぞれ備える複数個のレーザー発振領域と該レーザー発振領域に隣接して配置される光ガイド領域が形成された固体レーザー媒質と、
（ｂ）該固体レーザー媒質の底面に形成される前記全反射誘電体膜の下部に低融点金属膜を介して配置されるヒートシンクと、
（ｃ）前記固体レーザー媒質の側方に配置され、該固体レーザー媒質の両端部に形成される光ガイド領域に励起光を出射する励起用半導体レーザー素子とを備え、
（ｄ）前記励起用半導体レーザー素子からの励起光を入射して前記固体レーザー媒質を励起することで前記レーザー発振領域でレーザー発振を行わせ、前記固体レーザー媒質のレーザー出力側側面に形成される前記部分反射誘電体膜からレーザー出力光を取り出すことを特徴とする多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置。
【請求項１０】
請求項９記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記固体レーザー媒質のレーザー発振領域がＮｄ：ＹＡＧからなり、前記光ガイド領域がＳｍ：ＹＡＧからなることを特徴とする多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可燃性ガスの着火に適した小型で高出力、高効率、かつ高安定な多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザー励起固体レーザーは、複数の半導体レーザーの光エネルギーを固体レーザー媒質内で一旦吸収した後、固体レーザー共振器内で電磁波波面の揃った非常に集光性の高い１つのレーザー光に変換できるため、そのレーザー光をレンズで集光することで非常に高い光密度を得ることができる。そのため、理化学用の計測光源を始め、産業用の各種材料の切断、溶接などの加工や、身近にある様々な装置やシステムに適用されている。
【０００３】
特に、近年ではＣＯ2 削減など地球環境への配慮から、自動車・船舶などに搭載されている内燃機関（エンジン）において、電気火花型プラグに代わり、高ピーク強度のレーザー光によって燃料混合ガスに点火を行う研究が注目されている。レーザー点火では放電用の金属電極が必要ないため、エンジン部品の摩耗がなく高寿命化を図ることができる。また、レーザー光の集光位置を変えることでシリンダー内の最適位置に点火できるので、エンジンの燃焼効率、出力が飛躍的に改善・向上し、燃費の低減、ひいては排気ガスやＣＯ2 の削減が可能になる。下記非特許文献１及び２に記載されているように、近年の半導体レーザー励起固体レーザー装置の革新的な高性能化と相まって、自動車に搭載可能なサイズまでレーザー装置が小型化されるに至っている。
【０００４】
また、レーザー光源から光ファイバーを介して光学装置に光を導き、エンジンを点火するようにしたものが提案されている（下記特許文献１，２参照）。
エンジンのレーザー点火では、シリンダー内の任意の空間に点火できるだけでなく、さらに任意の複数の空間に同時に点火することも可能である。これによりシリンダー内の可燃性混合気の燃焼時間を大幅に短くすることができ、エンジンの出力を向上させることができる。そこで、複数の空間に同時に点火するためのレーザーの構成や光の分岐方法が提案、あるいは実験されている（下記特許文献３〜７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１０７４２４号公報
【特許文献２】特開２００７−０８５３５０号公報
【特許文献３】特開２００５−０４２７５９号公報
【特許文献４】特開２００５−１４７１０９号公報
【特許文献５】特開２００６−０５２７３５号公報
【特許文献６】特開２００７−３０９１２９号公報
【特許文献７】特開２００８−００２４０９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｍ．Ｈ．Ｍｏｒｓｙ，Ｓ．Ｈ．Ｃｈｕｎｇ，“Ｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｍｕｌｔｉ−ｐｏｉｎｔ  ｉｇｎｉｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ  ｌａｓｅｒ  ｕｓｉｎｇ  ｔｗｏ  ｃｏｎｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｉｅｓ  ｆｏｒ  ｈｙｄｒｏｇｅｎ／ａｉｒ  ｍｉｘｔｕｒｅ”，Ｅｘｐｅｒｉｎｔａｌ  Ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎｄ  Ｆｌｕｉｄ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．２７，ｐｐ．４９１−４９７（２００３）
【非特許文献２】Ｍ．Ｗｅｉｎｒｏｔｔｅｒ，ｅｔ．ａｌ．，“Ｌａｓｅｒ  ｉｇｎｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｕｌｔｒａ−ｌｅａｎ  ｍｅｔｈａｎｅ／ｈｙｄｒｏｇｅｎ／ａｉｒ  ｍｉｘｔｕｒｅｓ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ”，Ｅｘｐｅｒｉｎｔａｌ  Ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎｄ  Ｆｌｕｉｄ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．２９，ｐｐ．５６９−５７７（２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のレーザー点火においては、一つのレーザー光源の光をレンズ等の光学素子で分岐させて多点に集光する方式が提案されているが、このためには１本の非常に強いレーザー光、例えばエネルギーとして２０ｍＪ以上を発生するレーザー光源が必要になる。しかしながら、このような強いレーザー光を発振器内の１つの光軸から発生させた場合、光軸中で光のピーク強度が非常に高くなるため、固体レーザー媒質やコーティングにダメージが発生する可能性がある。また、固体レーザー媒質内で発生する熱も光軸近傍に集中するため、熱によってレーザービーム形状が揺らいだり出力が不安定になることがあり、自動車に搭載することができない。
【０００８】
また、シリンダーまで光ファイバーで点火光を伝搬あるいは分岐する方式も提案されているが、任意の空間で点火させるためにはレーザー光に非常に高い光強度が必要であるため、光ファイバーで伝搬させた場合、光ファイバーのコアの主材料である石英に光学的な損傷が生じてしまい、自動車に搭載し長時間安定して運転することが困難である。
さらに、一つのレーザー共振器から複数のレーザー光を直接取り出す方法も提案されているが、固体レーザー媒質に対する励起方法に関する記述がなく、レーザー光の取り出し方法も共振器ミラーに複数個の穴を開けて光を取り出すというもので、レーザー共振の原理を無視しており実現が不可能であった。
【０００９】
また、上記非特許文献１，２では、１カ所からのレーザー光をシリンダー内で往復させて別々の点に集光させたものについて記載されているが、やはり１本の強いレーザー光が必要になる上に、シリンダー内にミラーの特殊な構造が必要となり、点火する空間に大きな制約があった。
さらに、図１４に示すような半導体レーザー端面励起固体レーザーアレイ装置の端面励起方式において、全反射膜１０２と部分反射膜１０３を有する固体レーザー媒質１０１に、複数の集光レンズ１０４を並べて励起光１０５を照射し、レーザー光１０６を得る方法も考えられる。しかし、これをアレイ状に並べて照射する場合、励起光１０５を固体レーザー媒質１０１中でレーザー発振モードに合わせて集光するための集光レンズ１０４のサイズの関係でレーザー光１０６を近づけることが難しい。また、集光レンズを用いない場合、励起光１０５が固体レーザー媒質中１０１で急激に広がるため、レーザーモードとの重なりが小さくなり、効率の良い発振が得られない。一方、レーザーの間隔を離した場合、レーザー装置の横方向のサイズが大きくなるため、自動車のエンジンに搭載することができなかったり、あるいはあまり多くの本数のレーザー光を出射させることが難しいといった問題があった。
本発明は、上記状況に鑑みて、多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーにおいて、点火に十分なエネルギーが得られ、レーザーの配置間隔を小さくすることができる、多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ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】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、上面に励起光に対する無反射誘電体膜を、底面に励起光に対する全反射誘電体膜を、レーザー出力側側面にレーザー光に対する部分反射誘電体膜を、前記レーザー出力側側面と対向する側面にレーザー光に対する全反射誘電体膜をそれぞれ備えるレーザー発振領域を有する固体レーザー媒質と、この固体レーザー媒質の底面に形成される前記全反射誘電体膜の下部に低融点金属膜を介して配置されるヒートシンクと、前記固体レーザー媒質の上面に形成される前記無反射誘電体膜の上方に配置される複数個の板状の励起用半導体レーザー素子とを備え、前記励起用半導体レーザー素子からの励起光を入射して前記固体レーザー媒質を励起することで前記レーザー発振領域でレーザー発振を行わせ、前記固体レーザー媒質のレーザー出力側側面に形成される前記部分反射誘電体膜からレーザー出力光を取り出すことを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記複数個の励起用半導体レーザー素子と前記固体レーザー媒質の上面に形成される前記無反射誘電体膜との間にマイクロレンズを配置したことを特徴とする。
〔３〕上記〔２〕記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記複数個の励起用半導体レーザー素子と前記マイクロレンズとの間に透過型グレーティングを配置したことを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔３〕記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記透過型グレーティングを、前記固体レーザー媒質の上面に形成される前記無反射誘電体膜の表面に貼り付けて一体化するように形成したことを特徴とする。
〔５〕上記〔１〕記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記ヒートシンク上に前記固体レーザー媒質の前記レーザー出力側側面に形成される部分反射誘電体膜と間隔をおいて光スイッチ素子を実装したことを特徴とする。
【００１３】
〔６〕上記〔１〕記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記ヒートシンク上に前記固体レーザー媒質の前記レーザー出力側側面と一体化した光スイッチ素子を実装したことを特徴とする。
〔７〕上記〔１〕記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記固体レーザー媒質のレーザー発振領域に隣接して光ガイド領域を形成することを特徴とする。
【００１４】
〔８〕上記〔７〕記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記固体レーザー媒質のレーザー発振領域がＮｄ：ＹＡＧからなり、前記光ガイド領域がＳｍ：ＹＡＧからなることを特徴とする。
〔９〕多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、底面に外部へのエバネッセント波の滲み出しを抑える全反射誘電体膜を、レーザー出力側側面にレーザー光に対する部分反射誘電体膜を、前記レーザー出力側側面と対向する側面にレーザー光に対する全反射誘電体膜をそれぞれ備える複数個のレーザー発振領域とこのレーザー発振領域に隣接して配置される光ガイド領域が形成された固体レーザー媒質と、この固体レーザー媒質の底面に形成される前記全反射誘電体膜の下部に低融点金属膜を介して配置されるヒートシンクと、前記固体レーザー媒質の側方に配置され、この固体レーザー媒質の両端部に形成される光ガイド領域に励起光を出射する励起用半導体レーザー素子とを備え、前記励起用半導体レーザー素子からの励起光を入射して前記固体レーザー媒質を励起することで前記レーザー発振領域でレーザー発振を行わせ、前記固体レーザー媒質のレーザー出力側側面に形成される前記部分反射誘電体膜からレーザー出力光を取り出すことを特徴とする。
【００１５】
〔１０〕上記〔９〕記載の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、前記固体レーザー媒質のレーザー発振領域がＮｄ：ＹＡＧからなり、前記光ガイド領域がＳｍ：ＹＡＧからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
（Ａ）請求項１に係る発明によれば、多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置において、点火に必要な高出力レーザービームを近接して複数アレイ状に出射することができる。
（Ｂ）請求項２に係る発明によれば、上記（Ａ）に加えて、マイクロレンズにより半導体レーザー素子からの励起光の広がり角を小さくできるため、半導体レーザー素子と固体レーザー媒質との間隔を広げても、適切なレーザー発振領域を形成することができる。
【００１７】
（Ｃ）請求項３に係る発明によれば、上記（Ｂ）に加えて、透過型グレーティングにより、半導体レーザー素子の励起波長をＮｄ：ＹＡＧの吸収波長に制御することができるため、励起光の固体レーザー媒質への吸収率が高まり、効率よくレーザー発振させることができる。
（Ｄ）請求項４に係る発明によれば、上記（Ｂ）に加えて、部品点数が少なくなり組み立て調整が容易になると同時に、固体レーザー媒質と一体化することで透過型グレーティングの振動による励起用半導体レーザーとのアライメントの変動を小さくすることができるので、車載時に振動が発生しても励起光の波長が常に安定し、安定した点火エネルギーを発生させることができる。
【００１８】
（Ｅ）請求項５に係る発明によれば、上記（Ａ）に加えて、ヒートシンク上にレーザー媒質の他方の側面端面の部分反射誘電体膜と間隔をおいて可飽和吸収体であるＣｒ：ＹＡＧからなる光スイッチ素子を実装するようにしたので、その光スイッチ素子によって、レーザーによる多点点火に適した、パルス時間の短い（１〜２ｎｓ程度）、先頭値の高い光パルスアレイ（半導体レーザー励起固体レーザーアレイ）を得ることができる。
【００１９】
（Ｆ）請求項６に係る発明によれば、上記（Ａ）に加えて、Ｎｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒質とＣｒ：ＹＡＧからなる光スイッチ素子を一体化するようにしたので、誘電体を形成する端面が減り、また、材料の一体加工プロセスにおいて、Ｓ−Ｓ′面の高い平行度を得ることができ、レーザー共振器の安定性を高めることができる。
（Ｇ）請求項７又は８に係る発明によれば、上記（Ａ）に加えて、固体レーザー媒質のレーザー発振領域に隣接して光ガイド領域を形成するようにしたので、不要な寄生発振を防止することができる。また、レーザーのモードを単に励起光の領域だけでなく、固体レーザー媒質の材料領域でも規定することができるため、レーザーの発振モードを正確に配列して出力することができる。
【００２０】
（Ｈ）請求項９又は１０に係る発明によれば、上記（Ａ）に加えて、横方向に配置された半導体レーザー素子からの励起光は、Ｓｍ：ＹＡＧからなる光ガイド領域に導入されて、減衰することなくアレイ状に形成されたＮｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒質に吸収されるので、半導体レーザー素子をアレイ状に並べる必要がなく、１つないしは複数の半導体レーザー素子からの励起で、効率良くアレイ状の固体レーザー発振光を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ′線断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ′線断面図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の断面図である。
【図５】本発明の第３実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の断面図である。
【図６】本発明の第３実施例の変形例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の断面図である。
【図７】本発明の第４実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の模式図である。
【図８】図７のＣ−Ｃ′線断面図である。
【図９】本発明の第５実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の模式図である。
【図１０】図９のＤ−Ｄ′線断面図である。
【図１１】本発明の第６実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の断面図である。
【図１２】本発明の第７実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の断面図である。
【図１３】本発明の第８実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の断面図である。
【図１４】従来技術の問題点を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置は、上面に励起光に対する無反射誘電体膜を、底面に励起光に対する全反射誘電体膜を、レーザー出力側側面にレーザー光に対する部分反射誘電体膜を、前記レーザー出力側側面と対向する側面にレーザー光に対する全反射誘電体膜をそれぞれ備えるレーザー発振領域を有する固体レーザー媒質と、この固体レーザー媒質の底面に形成される前記全反射誘電体膜の下部に低融点金属膜を介して配置されるヒートシンクと、前記固体レーザー媒質の上面に形成される前記無反射誘電体膜の上方に配置される複数個の板状の励起用半導体レーザー素子とを備え、前記励起用半導体レーザー素子からの励起光を入射して前記固体レーザー媒質を励起することで前記レーザー発振領域でレーザー発振を行わせ、前記固体レーザー媒質のレーザー出力側側面に形成される前記部分反射誘電体膜からレーザー出力光を取り出す。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の模式図、図２は図１のＡ−Ａ′線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ′線断面図である。
これらの図において、１は固体レーザー媒質、１Ａは固体レーザー媒質１の上面に形成される励起光に対する無反射誘電体膜、１Ｂは固体レーザー媒質１の底面に形成される励起光に対する全反射誘電体膜、１Ｃは固体レーザー媒質１のレーザー出力側とは反対側の端面表面に形成されるレーザー光に対する全反射誘電体膜、１Ｄは固体レーザー媒質１のレーザー出力側の端面表面に形成されるレーザー光に対する部分反射誘電体膜、２は固体レーザー媒質１の底面に形成される全反射誘電体膜１Ｂの下部に接合される低融点金属膜、３は低融点金属膜２の下部に配置されるヒートシンク、４は半導体レーザー素子が搭載されるヒートシンク基板、５は板状の半導体レーザー素子（半導体レーザーバー）、６は半導体レーザー素子５からの励起光、７は固体レーザー媒質１のレーザー発振領域である。
【００２４】
固体レーザー媒質１は、レーザー発振元素としてＮｄ（ネオジム）を１．４ａｔ％含むＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）（以下、Ｎｄ：ＹＡＧという）からなり、板状の形状に加工されており、その下面に励起光波長８０８ｎｍに対する全反射誘電体膜１Ｂが形成されている。この固体レーザー媒質１の全反射誘電体膜１Ｂを有する面がＩｎを材料とする低融点金属膜２を介してＣｕＷ（Ｃｕ組成２０％）を材料とするヒートシンク３に接着されている。一方、固体レーザー媒質１のヒートシンク３に接着していない対向した面には、励起光６を固体レーザー媒質１内に導入するため、励起光波長８０８ｎｍに対する無反射誘電体膜（反射率０．２％以下）１Ａが形成されている。固体レーザー媒質１の対向する端面Ｓ面とＳ′面は平行平面で、Ｓ面にはＮｄ：ＹＡＧのレーザー発振波長１０６４ｎｍの光に対する全反射誘電体膜１Ｃ（反射率９９．７％以上）が、Ｓ′面には同じくレーザー発振波長１０６４ｎｍの光に対する部分反射誘電体膜１Ｄ（反射率５０％）がそれぞれ形成されており、このＳ面とＳ′面でレーザー共振器が構成され、レーザー出力光８は主にＳ′面から出射される。
【００２５】
励起光６は、図１に示すように、固体レーザー媒質１のヒートシンク３に接着された面に対向する面から、Ｓ面及びＳ′面に垂直で、かつそれぞれが平行に配置された３本の板状の半導体レーザー素子５（長さ１０ｍｍ）によりそれぞれ線状に供給される。線状に照射された励起光６は固体レーザー媒質１内に吸収され、各レーザー発振領域７に沿ってＮｄ：ＹＡＧを励起し、半導体レーザー素子５の数だけの複数の平行なレーザー出力光８が得られる。各半導体レーザー素子５の間隔を変えることで、Ｎｄ：ＹＡＧから発生するレーザー出力光８の間隔を自由に変えることもできる。
【００２６】
固体レーザー媒質１内に吸収されなかった励起光６は、固体レーザー媒質１の底面に形成された全反射誘電体膜１Ｂで反射され、固体レーザー媒質１内を再び通過するため、固体レーザー媒質１内への吸収効率を高めることができる。また、この全反射誘電体膜１Ｂによって励起光６がヒートシンク３側に吸収されて発熱するのを防ぐことができる。半導体レーザー素子５からの励起光６は、通常半導体レーザー素子５に垂直な方向（図面方向）に対して３０〜６０度程度の広がり角を有する。そのため、半導体レーザー素子５と固体レーザー媒質１との距離は、適切なレーザー発振領域７が形成されるように最適化される。このような構成により、半導体レーザー素子５の間隔を狭めることが可能となり、レーザー出力光の出射間隔を狭めた半導体レーザーアレイ装置を容易に形成することができる。
【００２７】
図４は本発明の第２実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の断面図である。
本実施例は、第１実施例に示した半導体レーザーアレイ装置の半導体レーザー素子５と固体レーザー媒質１の間にマイクロレンズ９を挿入した例である。このマイクロレンズ９により、半導体レーザー素子５からの励起光６の広がり角を小さくできるため、半導体レーザー素子５と固体レーザー媒質１との間隔を広げても、適切なレーザー発振領域７を形成することができる。
【００２８】
図５は本発明の第３実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の断面図である。
本実施例は、第２実施例で示した半導体レーザーアレイ装置のマイクロレンズ９と固体レーザー媒質１の間に透過型グレーティング１０を挿入した例である。この透過型グレーティング１０は、Ｎｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒質１の吸収波長である８０８ｎｍの光の一部を選択的に反射するように回折格子が形成されており、これにより、半導体レーザー素子５の励起波長がＮｄ：ＹＡＧの吸収波長に制御される。そのため、励起光６の固体レーザー媒質１への吸収率が高まり、効率良くレーザー発振させることができる。
【００２９】
図６は本発明の第３実施例の変形例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の断面図である。
この変形例では、励起用半導体レーザーの波長安定化用の透過型グレーティング１Ｆを、固体レーザー媒質１の上面に形成された無反射誘電体膜１Ａの上面に貼り付けて一体化するように形成した。
【００３０】
このように構成することにより、部品点数が少なくなり組み立て調整が容易になると同時に、固体レーザー媒質と一体化することで透過型グレーティング１Ｆの振動による励起用半導体レーザーとのアライメントの変動を小さくすることができるので、車載時に振動が発生しても励起光６の波長が常に安定し、安定した点火エネルギーを発生させることができる。
【００３１】
図７は本発明の第４実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の模式図、図８は図７のＣ−Ｃ′線断面図である。
この実施例では、レーザー光路上に光スイッチ素子１１を配置している。この光スイッチ素子１１は、Ｎｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒質１と同じく板状で、ヒートシンク３上にＩｎを材料とする低融点金属膜１２を介して形成されており、可飽和吸収体のＣｒ：ＹＡＧ（初期透過率３０％）からなる。固体レーザー媒質１の端面Ｓ面と光スイッチ素子１１のレーザー出力側の端面Ｓ′面でレーザー共振器が構成されるように、光スイッチ素子１１の外側の端面にはレーザー発振波長１０６４ｎｍに対する部分反射誘電体膜（反射率５０％）１１Ｄが形成されている。また、その共振器内端面となる固体レーザー媒質１の光スイッチ素子１１側端面にはレーザー発振波長１０６４ｎｍに対する無反射誘電体膜１Ｅが、同じく光スイッチ素子１１の固体レーザー媒質１側端面にはレーザー発振波長１０６４ｎｍに対する無反射誘電体膜１１Ｃが形成されている。なお、１３はレーザー出力光である。
【００３２】
このように構成したので、可飽和吸収体のＣｒ：ＹＡＧからなる光スイッチ素子１１によって、レーザーによる多点点火に適した、パルス時間が短く（１〜２ｎｓ程度）、先頭値の高い半導体レーザー励起固体レーザーアレイを得ることができる。
図９は本発明の第５実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の模式図、図１０は図９のＤ−Ｄ′線断面図である。
【００３３】
この実施例では、固体レーザー媒質１と光スイッチ素子２１とを一体化している。このように構成することで、誘電体を形成する端面が減り、また、材料の一体加工プロセスによって、Ｓ−Ｓ′面の高い平行度を得ることができるので、レーザー共振器の安定性を高めることができる。なお、２１Ｄは光スイッチ素子２１のレーザー出力側の端面表面に形成されるレーザー光に対する部分反射誘電体膜、２２は固体レーザー媒質１と光スイッチ素子２１の上面に一体に形成される励起光に対する無反射誘電体膜、２３は固体レーザー媒質１と光スイッチ素子２１の底面に一体に形成される励起光に対する全反射誘電体膜、２４は全反射誘電体膜２３とヒートシンク３の間に形成されるＩｎを材料とする低融点金属膜、２５はレーザー出力光である。
【００３４】
図１１は本発明の第６実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の断面図である。
この実施例では、隣り合うレーザー発振領域７を含むＮｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒質３１の間に、Ｓｍ：ＹＡＧからなる光ガイド領域３２を形成するようにしている。光ガイド領域３２は、固体レーザー媒質３１のレーザー発振光を吸収するため、図面で横方向の不要な寄生発振を防止することができる。さらに、レーザーのモードを単に励起光６の領域だけでなく、固体レーザー媒質３１の材料領域でも規定することができるため、レーザーの発振モードを正確に配列して出力することができる。なお、３３は励起光に対する無反射誘電体膜、３４は励起光に対する全反射誘電体膜、３５は低融点金属膜、３６は半導体レーザー素子を搭載するヒートシンク基板、３７は半導体レーザー素子である。
【００３５】
図１２は本発明の第７実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の断面図である。
本実施例は、上記第６実施例の半導体レーザーアレイ装置において、励起光６を横方向から導入した例である。Ｓｍ：ＹＡＧからなる光ガイド領域４２が励起光波長８０８ｎｍに対しては透明であるため、横方向に配置されたヒートシンク基板４５上の半導体レーザー素子４６から導入された励起光６は減衰することなくアレイ状に形成された固体レーザー媒質４１に吸収され、レーザー出力光はこれまでの実施例と同様に部分反射誘電体膜を設けた端面より出射される。なお、４３は励起光やレーザー発振光のエバネッセント波がヒートシンク３側に滲み出すことを防ぐための全反射誘電体膜、４４は低融点金属膜である。
【００３６】
図１３は本発明の第８実施例を示す多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置の断面図である。
本実施例は、上記第６実施例の半導体レーザーアレイ装置において、励起光６を横方向から導入した例である。ヒートシンク基板５１に配置される半導体レーザー素子５２とコリメート用のマイクロレンズ５３が縦方向に複数個（ここでは６個）積層されており、各半導体レーザー素子５２から出射された励起光６は、ロッドレンズ５４と集光レンズ５５を透過して、Ｓｍ：ＹＡＧからなる光ガイド領域４２に入射する。そして、固体レーザー媒質４１に吸収され、これまでの実施例と同様に部分反射誘電体膜を設けた端面より出力される。
【００３７】
上記実施例において、Ｎｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒質（コア）や光ガイド領域の母材は、ＹＡＧ以外にＹＶＯ4 （イットリウム・バナデート）、ＧｄＶＯ4 （ガドリウムバナデート）、ＹＬＦ（イットリウム・リチウム・フロライド）、ＧＧＧ（ガドリウム・ガリウム・ガーネット）などでもよい。また、材料としては結晶構造であっても良く、透光性セラミックであっても良い。励起光はレーザー発振元素Ｎｄが吸収する波長で、かつ光ガイド領域のＳｍに吸収されない波長であればよく、７５０から９００ｎｍの間が適している。
【００３８】
固体レーザー媒質あるいは光スイッチ素子とヒートシンクを密着させる方法としては、間に有機あるいは無機系の接着剤を挟んでもよいし、Ａｕ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｉｎ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｃｕなどを含む金属はんだ材料で挟んでも構わない。
ヒートシンクはＣｕ，ＣｕＷなどの金属材料をはじめ、ダイアモンド、ＳｉＣ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＣＢＮ，ＤＬＣなどの非金属、複合材料でもよい。
【００３９】
光スイッチ素子（光変調素子）は上記実施例のようにＣｒ：ＹＡＧでもよいし、他の可飽和吸収材料、例えばＶ：ＹＡＧや半導体、あるいは半導体の積層構造体でも良い。吸収体の透過率は、半導体レーザーの励起エネルギーや、必要とするパルスエネルギーなどにより最適化される。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の多点点火用半導体レーザー励起固体レーザーアレイ装置は、小型で高出力が必要とされる、各種材料の熱・光加工やディスプレイ、分析用光源、レーザー点火装置などに利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１，３１，４１    固体レーザー媒質（Ｎｄ：ＹＡＧ）
１Ａ，１Ｅ，１１Ｃ，２２，３３    無反射誘電体膜
１Ｂ，１Ｃ，２３，３４，４３    全反射誘電体膜
１Ｄ，１１Ｄ，２１Ｄ    部分反射誘電体膜
１Ｆ，１０    透過型グレーティング
２，１２，２４，３５，４４    低融点金属膜
３    ヒートシンク
４，３６，４５，５１    ヒートシンク基板
５，３７，４６，５２    半導体レーザー素子（半導体レーザーバー）
６    励起光
７    レーザー発振領域
８，１３，２５    レーザー出力光
９，５３    マイクロレンズ
１１，２１    光スイッチ素子（Ｃｒ：ＹＡＧ）
３２，４２    光ガイド領域（Ｓｍ：ＹＡＧ）
５４    ロッドレンズ
５５    集光レンズ
【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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【図１３】
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【図１４】
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