(57)【要約】  本発明は、ポンピング光源（３０）と、共振器内に組み込まれた固体レーザ結晶（２）と、出力密度を高めるためのＱスイッチ（４）と、少なくとも１つの出力鏡（６）と、レーザ光（２６）を燃焼室内に集束させるための集束装置（７）とを有するＱスイッチ制御固体レーザユニットからなるレーザ点火装置（１）を備えた内燃機関に関する。
2007506031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンピング光源と、共振器内に組み込まれた固体レーザ結晶と、出力密度を高めるためのＱスイッチと、少なくとも１つの出力鏡と、レーザ光を燃焼室内に集束させるための集束装置とを有するＱスイッチ制御固体レーザユニットからなるレーザ点火装置を備えた内燃機関であって
前記ポンピング光源、前記固体レーザ結晶を組み込んだ共振器、前記Ｑスイッチ、出力鏡、前記集束装置、及び前記共振器を冷却するための冷却装置が内燃機関の点火プラグ孔に装着可能な一体物として構成されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記ポンピング光源はレーザダイオードによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
Ｑスイッチは受動的に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記集束装置は単一の集光レンズを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記冷却装置は少なくとも２つの、好ましくは３つの異なった冷却系を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項６】
レーザダイオードを冷却するために共振器は少なくとも１つのペルチェ冷却素子を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記レーザ結晶を冷却するために共振器は内側の第１冷媒循環路を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項８】
ペルチェ冷却素子からの熱除去のために共振器は少なくとも１つの外側の第２冷媒循環路を有することを特徴とする請求項６または７に記載の内燃機関。
【請求項９】
レーザ結晶は少なくとも１つの、好ましくは環状の第１冷却路によって包囲されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１０】
複数個のレーザダイオードはレーザ結晶を取り巻いて同軸配置されていることを特徴とする請求項２から９のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１１】
少なくとも３個、好ましくは少なくとも６個のレーザダイオードはレーザ結晶を取り巻いて均等に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１２】
コールドスタート時にレーザダイオードはペルチェ冷却素子によって使用温度にまで暖められることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１３】
レーザダイオードは直列接続されていることを特徴とする請求項２から１２のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１４】
レーザダイオードによって形成されたポンピング光源と、共振器内に組み込まれた固体レーザ結晶と、出力密度を高めるためのＱスイッチと、少なくとも１つの出力鏡と１つの集束装置とを有し、前記共振器を冷却するために少なくとも１つのペルチェ冷却素子を有する冷却装置が設けられた、特に内燃機関のレーザ点火装置用のＱスイッチ制御固体レーザユニットであって、
前記冷却装置は少なくとも２つ、好ましくは３つの異なった冷却系を有し、ペルチェ冷却素子はレーザダイオードを冷却するための第１冷却系に配されていることを特徴とするに記載の固体レーザユニット。
【請求項１５】
レーザ結晶を冷却するために共振器は第２冷却系に属ずる内側の冷媒循環路を有することを特徴とする請求項１４に記載の固体レーザユニット。
【請求項１６】
前記ペルチェ冷却素子からの熱除去のために共振器は少なくとも１つの、第三冷却系に属ずる外側の冷媒循環路を有することを特徴とする請求項１４または１５に記載の固体レーザユニット。
【請求項１７】
前記レーザ結晶は内側の冷媒循環路の少なくとも１つの、好ましくは環状の第１内側冷却路によって包囲されていることを特徴とする請求項１５または１６に記載の固体レーザユニット。
【請求項１８】
複数個のレーザダイオードはレーザ結晶を取り巻いて同軸配置されていることを特徴とする請求項１４から１８のいずれか一項に記載の固体レーザユニット。
【請求項１９】
少なくとも３個、好ましくは少なくとも６個のレーザダイオードはレーザ結晶を取り巻いて均等に配置されていることを特徴とする請求項１８に記載の固体レーザユニット。
【請求項２０】
前記レーザダイオードは直列接続されていることを特徴とする請求項１４から１９のいずれか一項に記載の固体レーザユニット。
【請求項２１】
前記レーザダイオードは好ましくはレーザ結晶と同心に配置されたヒートシンクによって包囲され、ヒートシンクは好ましくは銅製であることを特徴とする請求項１４から２０のいずれか一項に記載の固体レーザユニット。
【請求項２２】
前記レーザダイオードは固体レーザの軸方向に配置された、第１冷媒循環路の少なくとも一列の第１外側の冷却路によって包囲され、第１外側の冷却路は好ましくはヒートシンク内に配置されていることを特徴とする請求項１４から２１のいずれか一項に記載の固体レーザユニット。
【請求項２３】
ペルチェ冷却素子は好ましくは同軸でレーザダイオードの外周を周回包囲して配置され、好ましくは、ヒートシンクはレーザダイオードとペルチェ冷却素子との間に配置されていることを特徴とする請求項１４から２２のいずれか一項に記載の固体レーザユニット。
【請求項２４】
前記ペルチェ冷却素子は好ましくは固体レーザの同軸で配置された第三冷却系の熱交換器によって包囲されていることを特徴とする請求項１４から２３のいずれか一項に記載の固体レーザユニット。
【請求項２５】
前記熱交換器は少なくとも一列の、基本的に固体レーザと同軸かつ固体レーザの軸方向に配置された第２冷却路を有することを特徴とする請求項２４に記載の固体レーザユニット。
【請求項２６】
少なくとも内側の冷媒循環路はレーザ波長が光学的に透過し得る媒質を貫流させていることを特徴とする請求項１４から２５のいずれか一項に記載の固体レーザユニット。
【請求項２７】
外側の冷媒循環路は内燃機関の冷媒循環路と連結されていることを特徴とする請求項１４から２６のいずれか一項に記載の固体レーザユニット。
【請求項２８】
コールドスタート時に前記レーザダイオードはペルチェ冷却素子によって使用温度にまで暖められることを特徴とする請求項１４から２７のいずれか一項に記載の固体レーザユニット。
【請求項２９】
前記Ｑスイッチは受動的に形成されていることを特徴とする請求項１４から２８のいずれか一項に記載の固体レーザユニット。
【請求項３０】
前記集束装置は単一の集光レンズを有することを特徴とする請求項１４から２９のいずれか一項に記載の固体レーザユニット。
【請求項３１】
前記ポンピング光源、レーザ結晶を内蔵した共振器、Ｑスイッチ、出力鏡、集束装置、及び共振器を冷却するための冷却装置は内燃機関の点火プラグ孔に装着可能な一体物として構成されていることを特徴とする請求項１４から３０のいずれか一項に記載の固体レーザユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンピング光源と、共振器内に組み込まれた固体レーザ結晶と、出力密度を高めるためのＱスイッチと、少なくとも１つの出力鏡と、レーザ光を燃焼室内に集束させるための集束装置とを有するＱスイッチ制御固体レーザユニットからなるレーザ点火装置を備えた内燃機関に関する。
さらに本発明は、レーザダイオードによって形成されたポンピング光源と、共振器内に組み込まれた固体レーザ結晶と、出力密度を高めるためのＱスイッチと、少なくとも１つの出力鏡と１つの集束装置とを有し、前記共振器を冷却するために少なくとも１つのペルチェ冷却素子を有する冷却装置が設けられた、特に内燃機関のレーザ点火装置用のＱスイッチ制御固体レーザユニットに関する。Ｑスイッチ制御固体レーザユニットは内燃機関のレーザ点火装置として特に適している。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第４，４１６，２２６号明細書から内燃機関用のレーザ点火装置が知られており、この点火装置において、レーザの共振器は光学式集束装置ともどもシリンダヘッド孔に螺挿され、点火装置は燃焼室に直接開口している。この場合、レーザ点火装置はポンピング光源による固体レーザ方式を使用している。これは比較的僅かなエネルギ消費で高いパルスエネルギを達成することができるという利点を有している。この場合、ポンピング光源としてフラッシュランプが使用される。出力密度を高めるために能動Ｑスイッチが使用される。いわゆる“Ｑスイッチング”においては、エネルギは活媒質のポンピングプロセス中にレーザ空洞に蓄えられて、非常に短い放射時間で放射される。これによって極めて高エネルギのレーザパルスが生ずる。ただし、能動Ｑスイッチは、制御のために多大な回路コストを必要とすると共に敏速な連続パルスにはあまり適していないという短所を有している。この公知のレーザ点火装置の光学装置は３個のレンズを有している。能動Ｑスイッチならびにフラッシュランプによって形成されるポンピング光源に関連して最も重大な短所、つまり、装置は点火プラグ孔に螺挿可能な一つの構造部品に完全に組み付けることは不可能であるという短所が生ずる。ポンピング固体レーザの場合に必要とされる、レーザ結晶と光源との冷却については、前記文献からいかなる情報も読み取れない。
【０００３】
米国特許第６，４１３，０７７号明細書は、複数のレーザしかも１つの励起レーザと１つの点火レーザとが使用されるレーザ点火装置を記載している。Ｑスイッチにより励起レーザのパルスと点火レーザのパルスとは組み合わされ、点火に必要なエネルギ密度が供される。この公知の点火装置は製作コストが非常に高いという短所を有し、しかも、点火プラグに代えて内燃機関に使用するには過大なスペースが必要となる。
【０００４】
コンパクトなレーザ点火装置に対するニーズはすでにずっと以前から存在しているが、これまでのところ、コンパクトな構造の内燃機関用レーザ点火装置に関する具体的な構造上の提案は行われていない。米国特許第４，４３４，７５３号およびドイツ出願公開第３７ ３６ ４４２号の各明細書も、この点に関して極めて概略的な点火装置の説明を行っているにすぎない。ほとんどの場合に大きな構造スペースを必要とする重要な構造部品、たとえば冷却装置は欠落しており、そのためこれらのシステムは内燃機関への実際の使用には未だ適していない。
【０００５】
火花点火に代えてレーザ点火を使用することは数々の利点が得られる。一つには、比較的自由に選択し得る点火プラズマの場所には燃焼プロセスを妨げるような物的構造を必要としない。さらに、点火場所の選択によって燃焼プロセスを最適化することが可能であり、場合により多重点火も可能である。ガス機関の場合に生ずるような高い点火圧力は、圧力が高ければ所要のパルスエネルギは減少することからして、レーザ点火にとって有利である。レーザ点火によって希薄混合気にも点火することができ、これによって非常に低いＮＯｘ排出値を達成することが可能である。
【０００６】
文献から、十分な強度で十分小さな焦点直径に集束されたレーザはプラズマ形成と局所温度上昇とをもたらし、したがって爆発性混合気に点火することができることが知られている。実際の混合ガスにとっては、主として、自由電子のアバランシェ効果がプラズマ形成であると解される。この場合、この効果は、実際のところ、使用される波長とは無関係である。
【０００７】
米国特許第５，６７３，５５０号明細書には、コヒーレントな光源を経てパルス化されたレーザによる燃料・空気混合霧中におけるプラズマ形成下での微小燃料滴の点火が記載されている。
【０００８】
ポンピング固体レーザにおいてレーザダイオードを使用することは公知である。レーザダイオードはフラッシュランプに比較して効率が高いという利点を有する。ただし、レーザダイオードによるポンピング固体レーザの場合には、レーザダイオードは非常に狭い温度範囲内でしか動作し得ないという問題が生ずる。温度が高すぎる場合にはレーザダイオードの寿命は劇的に減少する。
【０００９】
米国特許第５，１８７，７１４号明細書は、冷却用にペルチェ装置が設けられた、レーザダイオードポンピング固体レーザを記載している。そのほかに、ペルチェ素子で冷却されるダイオードポンピング固体レーザは以下の文献、日本国特開平１１−００２８４９号、日本国特開平１０−２００１７７号、日本国特開平０９−２３２６６５号、日本国特開平０４−１５７７７８号および日本国特開平０３−０４１７８７号の各明細書からも公知である。
【００１０】
ただし、内燃機関の点火装置としての使用には、ペルチェ素子による冷却のみでは十分ではない。またさらに、レーザ点火装置はできるだけコンパクトな構造を有し、かつ内燃機関のシリンダヘッドの点火プラグ孔に収容されなければならないという要求によって、冷却はいっそう困難となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、わずかな構造スペースしか必要とせずしかもわずかな製作コストで内燃機関に使用することのできる、内燃機関のレーザ点火装置として実際の使用に適した、温度安定性を有する固体レーザを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題は、本発明では、ポンピング光源、レーザ結晶を内蔵した共振器、Ｑスイッチ、出力鏡、集束装置ならびに、共振器を冷却するための冷却装置が点火プラグ孔に装着可能な一体部材として構成されることによって解決される。
Ｑスイッチ制御固体レーザユニットの使用によって、高いパルスエネルギの達成が可能である。装置の重要な要素は、内燃機関の点火プラグ孔に螺挿可能な、点火プラグに代わる単一の構造部材にコンパクトにまとめられている。
【００１３】
好ましくは、ポンピング光源はレーザダイオードによって形成される。レーザダイオードは、フラッシュランプに比較して、効率が高いという利点を有する。
【００１４】
熱的安定化を実現するために、本発明の好ましい実施形態において、冷却装置は少なくとも２つ、好ましくは３つの冷却系を有し、レーザダイオードを冷却するための第１冷却系にペルチェ冷却素子が配されている。
【００１５】
レーザダイオードの波長はレーザ物質の温度と共に変化し、しかもレーザ結晶は非常に狭小な吸収帯しか有していないため、レーザダイオードは熱的に安定化されなければならない。研究結果が示したところによれば、共振器の熱的安定化には少なくとも２つ、好ましくは３つの異なった冷却系を設けるのが有利である。ただし、レーザダイオードは冷却水温度よりも遥かに低い温度レベルで使用されなければならないため、この場合には熱電冷却素子（ペルチェ冷却素子）を使用することが必要である。したがって、少なくとも第１冷却系は、少なくとも１つのペルチェ冷却素子を有している。この場合、レーザ結晶および／またはレーザダイオードを冷却するために、共振器は内側の冷媒循環路から成る第２冷却系を有している。好ましいのは、レーザダイオードが好ましくはレーザ結晶と同軸に配置されたヒートシンクによって包囲されることであり、ヒートシンクは好ましくは銅製である。内側の循環路の熱はヒートシンクを経て少なくとも１つのペルチェ冷却素子に伝達される。この場合、レーザダイオードは固体レーザの軸方向に配置された、第１冷媒循環路の少なくとも一列の第１外側冷却路によって包囲され、第１外側冷却路は好ましくはヒートシンク内に配置されている。良好な冷却を達成するには、ペルチェ冷却素子は好ましくは固体レーザの同軸でレーザダイオードの外周を周回包囲して配置されているのが特に好適であり、その際、ヒートシンクはレーザダイオードとペルチェ冷却素子との間に配置されているのが好ましい。特に好都合なのは、ペルチェ冷却素子からの熱除去のために共振器は外側の冷媒循環路を形成する少なくとも１つの第三冷却系を有することである。この場合、ペルチェ冷却素子は固体レーザの軸方向に配置された第２冷却路を有する第三冷却系の熱交換器によって包囲されている。少なくとも１つの冷却系、しかも外側の冷媒循環路を有する第三冷却系については、温度制御された内燃機関の冷却水の利用が適当である。ただし、内側の冷却循環路については、ポンピング光の波長にて吸収が生じてはならず、また昇温中に相転移が生じてはならないことから、内燃機関の冷却水は不適である。
この場合、冷却系のうちの少なくとも１つはレーザダイオードを暖めるように設計されていてもよい。コールドスタート時にレーザダイオードをペルチェ冷却素子によって使用温度にまで暖めることができれば、特に有利である。
【００１６】
レーザ結晶は基本的にＮＤ：ＹＡＧ（ネオジム：ＹＡＧ）またはＮＤ：ＹＶＯ４（ネオジム：バナジン酸塩）から成っていてよい。ＮＤ：ＹＡＧは広く普及しており、安価かつ機械的に優れた耐力を有しているが、その吸収帯はＮＤ：ＹＶＯ４よりも遥かに狭小である。したがって、ＮＤ：ＹＡＧの使用には特に優れた冷却装置が不可欠である。
【００１７】
レーザ結晶からの非常に効果的な排熱は、レーザ結晶が内側の冷媒循環路の少なくとも１つの、好ましくは環状の第１内側冷却路によって包囲されている場合に実現される。
【００１８】
ポンピング光源、レーザ結晶を内蔵した共振器、Ｑスイッチ、出力鏡、集束装置ならびに、共振器を冷却するための冷却装置は、点火プラグ孔に装着可能な一体物として構成されているのが好ましい。
Ｑスイッチ制御固体レーザユニットの使用によって高いパルスエネルギの達成が可能である。装置の重要な要素は、内燃機関の点火プラグ孔に螺挿可能な、点火プラグに代わる単一の構造部品にコンパクトにまとめられている。この場合、レーザダイオードは数ｍＪのパルスエネルギと、約１００〜２００μｓのパルス幅で使用され、これによってダイオードあたりの出力は数１０ Wに限定されている。
【００１９】
高出力レーザダイオードは多数の単体ダイオードのアレイから成り、これによって非常に高いパルスエネルギを実現する。ただし、大きな放射面積と不連続的分布（低いＱ値）とにより、レーザ光の集束はかなり困難である。縦長の共振器と固体レーザの使用とによって、遥かに高い光品質と共に小さな焦点直径を達成することができる。
【００２０】
パルス固体レーザは４つの主たる要素、つまり、レーザダイオードと、結晶棒と、出力鏡ならびにＱスイッチを有する共振器と、集束装置とで構成されている。レーザダイオードの照射を経てレーザ結晶に準安定エネルギ準位が励起され、これによってエネルギが蓄積される。わずかな自発放射によって、レーザ結晶はレーザ波長（１０６４ｎｍ）で光を放射し始める。
【００２１】
光の増幅とコヒーレンスのためにレーザ結晶は光共振器内に埋設されており、そのＱ値はＱスイッチにより、所望の出力密度に到達する際に、急激に高められる。これにより、出力鏡に短い高いレーザパルスが得られる。この場合、コスト高な制御システムを要することなく、一方で高増幅を可能とし、他方で短エネルギパルスを可能とする、受動Ｑスイッチが使用される。
【００２２】
共振器幾何学的構造は、レーザダイオードは、レーザ点火装置としての使用のために、点火プラグ孔の上端に配置されていなければならないという条件を受ける。高品質を達成するために、レーザ結晶と出力鏡との間にはできるだけ大きな間隔が必要である。こうした理由から、レーザ結晶を内蔵した頭部が鏡胴の一端に配置され、出力鏡が鏡胴の他端に配置された、縦長の構造形態となる。出力鏡に直結して、単一の集光レンズから成る集束装置が配置されており、これにより、非常に小型の構造が実現される。
【００２３】
非常にコンパクトな構造の点火装置を可能とするために、本発明の範囲内において、複数個のレーザダイオードはレーザ結晶の周囲に同軸配置され、好ましくは少なくとも３個、特に好ましくは少なくとも６個のレーザダイオードがレーザ結晶を周回して均等に配置されている。この場合、レーザダイオードは直列接続されているのが有利である。したがって、レーザ結晶はレーザダイオードによって側方から、つまり半径方向からポンピングされる。パルスエネルギを高めるために、複数本のリングを形成するレーザダイオードが、レーザ結晶を周回して互いに同軸配置されてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
レーザ点火装置１用の固体レーザユニットＬは、主たる要素として、レーザ結晶２、ポンピング光源３０、受動Ｑスイッチ４、鏡胴５、出力鏡６、集光レンズ８を有する集束装置７ならびに冷却装置１１から成っている。
【００２５】
ポンピング光源３０がレーザダイオード３によって形成されることで高い効率が達成される。レーザダイオード３の照射（８０８ｎｍ）を経てレーザ結晶２に準安定エネルギ準位が励起され、これによってエネルギが蓄えられる。わずかな自発放射によってレーザ結晶２はレーザ波長（１０６４ｎｍ）で光を放射し始める。
【００２６】
光の増幅とコヒーレンスのためにレーザ結晶２は光共振器９内に組み込まれており、そのＱ値は受動Ｑスイッチ４により、所望の出力密度に到達する際に、急激に高められる。これにより、出力鏡６において短い強力なレーザパルス２６が得られる。
【００２７】
個々のレーザダイオード３は直列接続され、レーザ結晶２の外周を包囲してリング状に配置されている。レーザダイオード３は、使用温度が相対的に高いと寿命が大幅に制限されるため、約３０℃の比較的低温で使用されなければならない。加えて、レーザダイオード３の波長は温度と共に変化する。ネオジム：ＹＡＧ（ＮＤ：ＹＡＧ）から成る棒状のレーザ結晶２は非常に狭小な吸収帯しか有していないため、レーザダイオード３は熱的に安定させなければならない。そのため、レーザ点火装置１の頭部１０には冷却装置１１が設けられている。
【００２８】
冷却装置１１は３つの異なった冷却系Ａ、Ｂ、Ｃから成っている。第１冷却系Ａはヒートシンク２８の周囲にリング状に配置されたペルチェ冷却素子１２から成っている。排熱向上のため、さらに２つの液体冷却循環路１３、１４から成る冷却系Ｂ、Ｃが設けられている。内側の冷却循環路１３の冷媒は、頭部１０を基本的に固体レーザユニットＬの軸１ａの方向に貫流する。
【００２９】
内側の冷却循環路１３の役割は、レーザ結晶２を熱的に安定化し、その損失熱をヒートシンク２８に伝達することである。この場合、レーザ結晶２は少なくとも１本の第１内側冷却路１６によって包囲されており、この冷却路は図７から判明するように環状路として形成されていてよい。１本の環状路に代えて、複数本の第１内側冷却路１６がレーザ結晶２の周囲に配置されていてもよい。冷媒は少なくとも１つの入口孔１９ａと分配環状チャンバ１９とを経て第１内側冷却路１６に供給され、収集環状チャンバ２０と出口孔２０ａとを経て再び排出される。レーザ結晶２の損失熱は、環状チャンバ１９、２０を冷媒が貫流する時に少なくとも部分的にフランジ板１７と接続板２３とに伝達され、これらは再び熱伝導によってヒートシンク２８に熱を伝達する。
【００３０】
場合により、ヒートシンク２８も、図４と図６に破線で示しているように、第２の内側軸方向冷却路１５を有していてよい。この場合、冷媒は流入孔１９ａを通って分配環状チャンバ１９に流入し、ヒートシンク２８の第２の内側冷却路１５を貫流し、移行路１８を経て第１内側の環状冷却路１６に導かれる。その後、冷媒は収集環状チャンバ２０と出口孔２０ａとを通って外部ポンプに還流する。
【００３１】
外側の冷却循環路１４は外側の熱交換器２９に流入孔２１を有しており、この流入孔は外側の冷却路２４とさらに出口孔２２とに通じている。たとえば水によって形成される冷媒は流入孔２１を経て外側の冷却路２４に達し、外側の熱交換器２９を貫流して、再び出口孔２２の領域でレーザ点火装置１から流出する。したがって、外側の冷却路２４を経て特にペルチェ冷却素子１２からの熱が外側の熱交換器２９のところで排熱される。
【００３２】
３つの冷却系Ａ、Ｂ、Ｃ、つまり、ペルチェ冷却素子１２、内側の冷却循環路１３および外側の冷却循環路１４から成る冷却装置１１により、広く普及した、安価で機械的に優れた耐力を有するネオジム：ＹＡＧをレーザ結晶２の材料として使用可能となると共に、レーザダイオード３をポンピング光源として使用することが可能である。冷却装置１１によりレーザダイオード３を約３０℃の温度に安定化させることができ、これはレーザダイオードの寿命にとって有利な結果をもたらすだけでなく、この熱的安定化によって、レーザダイオード３の波長は常にレーザ結晶２の吸収帯の狭小な範囲内に維持される。
【００３３】
レーザ結晶２は端面側の接続板２３の領域でレーザ波長（１０６４ｎｍ）用に鏡面化され、他端において反射防止コーティングされている。
【００３４】
レーザ点火装置１の形状は、これが点火プラグに代わってシリンダヘッド３２の点火プラグ孔３１に取り付け可能でなければならないという要求と、レーザダイオード３はレーザ点火装置１の頭部１０に配置されていなければならないという周辺条件によって規定されている。高品質の光を得るために、レーザ結晶２と出力鏡６との間にはできるだけ大きな間隔が必要である。したがって、出力鏡６は燃焼室に近接した、レーザ点火装置１の脚部領域２５に配置されている。出力鏡６の直後には、同時に燃焼室に対する窓を形成すると共に平球レンズとして形成された単一の集光レンズ８を有した集束装置７が位置している。集光レンズ８の材料としてはたとえばサファイアが適している。
【００３５】
外側の冷却循環路１４は既存のエンジン水冷系と接続してもよい。内側の冷却循環路については、より高度の光学的、質的かつ熱的条件が満たされなければならないために、この循環路に専用化された冷媒が必要である。
【００３６】
レーザダイオード３は、使用温度が相対的に高いと寿命が大幅に制限されるため、約３０℃にて使用されなければならない。損失熱流は、銅から成るヒートシンク２８を経て、ペルチェ冷却素子１２に伝達され、この冷却素子は熱流をエンジン冷却水の温度レベルに変換し、外側の熱交換器２９を経てエンジン冷却水に伝達する。
【００３７】
レーザダイオード３の波長は温度と共に変化し、かつレーザ結晶２の吸収帯は極端に狭小であることから、敏速かつ正確な温度制御系が設けられていなければならない。この場合、冷却側の温度は目標値から最大で約＋−１．５℃の変動範囲内になければならない。これを実現するため、少なくとも１つの温度センサと電流源とを有したペルチェ冷却素子１２は、閉ループ制御回路で駆動制御される。
【００３８】
レーザ結晶２を周回するように配置された好ましくは６個のレーザダイオード３を経て、光パルスがレーザ結晶２に供給される。レーザダイオード３の照射（８０８ｎｍ）を経てレーザ結晶２に準安定エネルギ準位が励起され、これによってエネルギが蓄積される。わずかな自発放射によってレーザ結晶２はレーザ波長（１０６４ｎｍ）で光を放射し始める。光の増幅とコヒーレンスのためにレーザ結晶２は光共振器９内に組み込まれており、そのＱ値は受動Ｑスイッチ４により、所望の出力密度に到達する際に、急激に高められる。これにより、出力鏡６に高い短レーザパルス２６が得られて、これが集光レンズ８を経て焦点２７に集束される。
【００３９】
図８からわかるように、本発明による固体レーザユニットＬを有したレーザ点火装置１は、内燃機関のシリンダヘッド３２に設けられた点火プラグ孔３１内に完全に挿着することができる。したがって、レーザ点火装置１は火花点火内燃機関のための既存の従来のシリンダヘッド構造への使用に適している。集束装置の汚れをできるだけ低く抑えるために、集光レンズ８は燃焼室３３に対してフラットに、シリンダヘッド天井面３４と面一に取付けられている。
【００４０】
本出願によって提出された特許請求項は、さらにその他の特許保護を得るための利益を損なうことなく発明を画定するための提案である。本出願人は上記の説明および／または図面によってのみ開示された、その他の特徴の保護を請求する権利を留保している。
従属請求項で使用された先行請求項からの引用は、それぞれの従属請求項の特徴による引用元請求項の対象の別途な態様を示すものである。これらは、引用している従属請求項の特徴をそのまま独立した発明の対象として保護することを放棄することを意味していない。
つまり、これらの従属請求項の対象は、先行従属請求項の対象とは独立した態様を有する独立した発明も形成するものである。
本発明はまた、明細書に開示した実施例（単数または複数例）に制限されるものではない。むしろ本発明の範囲内で数多くの変更および修正が可能であり、特に、たとえば実施形態の一般的な説明中ならびに請求項中に記載され、かつ図面に含まれた特徴ないし要素または方法ステップと結びついた個々の特徴ないし要素、または方法ステップの組み合わせまたは変更を通じて発明的主題を備えたり、組み合わせ可能な特徴によって新たな対象または新たな方法ステップないし方法ステップ群をもたらすような変形実施例、要素および組み合わせおよび／または材料が、製造方法、検査方法および作業方法に関する発明的主題を作り出すことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による固体レーザユニットを有するレーザ点火装置の斜視図
【図２】レーザ点火装置の頭部の詳細を示す斜視図
【図３】レーザ点火装置の縦断面図
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ線で切断したレーザ点火装置の頭部の斜視図
【図５】レーザ点火装置の脚部の斜視断面図
【図６】図７のＶＩ−ＶＩ線で切断したレーザ点火装置の縦断面図
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線で切断したレーザ点火装置の断面図
【図８】レーザ点火装置が取り付けられたシリンダヘッドを示す図
【図１】
2007506031.tif 000003
【図２】
2007506031.tif 000004
【図３】
2007506031.tif 000005
【図４】
2007506031.tif 000006
【図５】
2007506031.tif 000007
【図６】
2007506031.tif 000008
【図７】
2007506031.tif 000009
【図８】
2007506031.tif 000010
【国際調査報告】
2007506031.tif 000011
2007506031.tif 000012
2007506031.tif 000013
2007506031.tif 000014
2007506031.tif 000015
2007506031.tif 000016