(57)【要約】【課題】燃焼室への集光強度の低下を抑制することができるレーザ点火装置を提供すること。【解決手段】レーザ点火装置１は、パルスレーザＬｐを発振させるレーザ発振光学系２と、パルスレーザＬｐを燃焼室６内に集光させる集光光学素子３と、集光光学素子３を内側に収容するハウジング４と、ハウジング４における集光光学素子３よりも先端側に設けられると共にパルスレーザＬｐを透過させる光学窓５と、を有する。パルスレーザＬｐが、少なくとも光学窓５を通過する部分において、光軸を囲むリング状となるよう構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザ（Ｌｐ）を発振させるレーザ発振光学系（２）と、
上記パルスレーザを燃焼室（６）内に集光させる集光光学素子（３）と、
上記集光光学素子を内側に収容するハウジング（４）と、
上記ハウジングにおける上記集光光学素子よりも先端側に設けられると共に上記パルスレーザを透過させる光学窓（５）と、を有し、
上記パルスレーザが、少なくとも上記光学窓を通過する部分において、光軸を囲むリング状となるよう構成されている、レーザ点火装置（１）。
【請求項２】
上記レーザ発振光学系は、入射光を、光軸を囲むリング状の出射光に変換するアキシコンレンズ（２２）を有する、請求項１に記載のレーザ点火装置。
【請求項３】
上記レーザ発振光学系は、励起光（Ｌ０）を発生させる励起光源（２１）と、上記励起光を入射させて上記リング状の出射光に変換する上記アキシコンレンズと、上記出射光を上記光軸に平行な平行光に変換するコリメートレンズ（２３）と、上記平行光として入射した上記励起光によって励起されることで上記パルスレーザを出射するレーザ共振器（２４）と、を有する、請求項２に記載のレーザ点火装置。
【請求項４】
上記レーザ共振器は、光軸を含む領域に形成された不活性媒質（２４１）と、該不活性媒質の外周側に筒状に形成されると共に該不活性媒質よりも光屈折率の大きい筒状媒質（２４２）とを有し、上記筒状媒質において、上記パルスレーザが共振するよう構成されている、請求項３に記載のレーザ点火装置。
【請求項５】
上記レーザ発振光学系は、励起光（Ｌ０）を発生させる励起光源（２１）として、多数の発光素子（２１１）を平面上に配列してなる面発光レーザ（２１０）を有し、該面発光レーザは、光軸を囲むリング状の上記励起光を出射することができるよう構成されている、請求項１に記載のレーザ点火装置。
【請求項６】
上記レーザ発振光学系は、上記面発光レーザから出射した上記励起光によって励起されることで上記パルスレーザを出射するレーザ共振器（２４）を有する、請求項５に記載のレーザ点火装置。
【請求項７】
上記レーザ共振器は、光軸を含む領域に形成された不活性媒質（２４１）と、該不活性媒質の外周側に筒状に形成されると共に該不活性媒質よりも光屈折率の大きい筒状媒質（２４２）とを有し、上記筒状媒質において、上記パルスレーザが共振するよう構成されている、請求項６に記載のレーザ点火装置。
【請求項８】
上記レーザ発振光学系は、励起光（Ｌ０）を発生させる励起光源（２１）と、上記励起光を導光する筒状光ファイバ（２５０）と、該筒状光ファイバの出射端面（２５５）から出射した上記励起光によって励起されることで上記パルスレーザを出射するレーザ共振器（２４）と、を有し、上記筒状光ファイバは、長手方向に直交する断面が環状となるように形成された筒状外周部（２５１）を有し、導光される上記励起光が、上記筒状外周部の内周面と外周面とにおいて全反射しながら上記出射端面へ向かうよう構成されている、請求項１に記載のレーザ点火装置。
【請求項９】
上記筒状光ファイバに入射させる上記励起光は、光軸を囲むリング状である、請求項８に記載のレーザ点火装置。
【請求項１０】
上記レーザ発振光学系は、入射光を、光軸を囲むリング状の出射光に変換するアキシコンレンズ（２２）を有し、該アキシコンレンズから出射したリング状の上記出射光を、上記筒状光ファイバに入射させるよう構成されている、請求項９に記載のレーザ点火装置。
【請求項１１】
上記レーザ発振光学系は、多数の発光素子（２１１）を平面上に配列してなる面発光レーザ（２１０）を有し、該面発光レーザは、光軸を囲むリング状の上記励起光を出射することができるよう構成されており、該面発光レーザから出射したリング状の上記励起光を、上記筒状光ファイバに入射させるよう構成されている、請求項９に記載のレーザ点火装置。
【請求項１２】
上記レーザ発振光学系は、上記筒状光ファイバから出射した上記励起光によって励起されることで上記パルスレーザを出射するレーザ共振器（２４）を有する、請求項８〜１１のいずれか一項に記載のレーザ点火装置。
【請求項１３】
上記レーザ共振器は、光軸を含む領域に形成された不活性媒質（２４１）と、該不活性媒質の外周側に筒状に形成されると共に該不活性媒質よりも光屈折率の大きい筒状媒質（２４２）とを有し、上記筒状媒質において、上記パルスレーザが共振するよう構成されている、請求項１２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、レーザ点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関の点火手段として、レーザ光を用いて混合気に点火するレーザ点火装置がある。かかるレーザ点火装置は、レーザ光を燃焼室内に集光させる集光光学素子を、ハウジング内に配置してなる。そして、例えば、特許文献１に開示されたレーザ点火装置においては、集光光学素子よりも先端側において、レーザ光を透過させる光学窓が、ハウジングに取り付けられている。光学窓は、例えば透明なガラスによって構成されている。この光学窓によって、燃焼室内の熱、圧力、燃料、煤等による汚染等から集光光学素子を保護している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１６４０４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、光学窓は、燃焼室に面する位置に設けられている。そのため、燃焼室内において生じた金属酸化物等のデポジットが、光学窓の外側面に付着、堆積することがある。かかる場合、光学窓におけるレーザ光の透過率が低減し、燃焼室内に集光されるレーザ光の強度が低下することが懸念される。
【０００５】
そこで、本願発明者らは、光学窓におけるデポジットの付着、堆積のメカニズムにつき研究した。光学窓は、燃焼室内の燃焼ガスに曝されることにより、高温となる。この高温となった光学窓に、デポジットの由来であるエンジンオイルが付着し、焼き付きが起こることで、デポジットが発生することが分かった。
【０００６】
ここで、光学窓は、その外周端においてハウジングの先端部に固定されている。それゆえ、光学窓の外周部分は、ハウジングを介して放熱されやすい。そのため、光学窓の外周部分は、比較的温度が高くなりにくく、中央部分が比較的高温となりやすい。それゆえ、光学窓の外周部分よりも中央部分にデポジットの付着、堆積が生じやすいといえる。
【０００７】
このようなデポジットの生成メカニズム及び傾向に着目し、デポジットの付着、堆積が生じた場合でも、光学窓におけるレーザ光を透過させる位置を適切にすることで、燃焼室への集光強度の低下を抑制する余地がある。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、燃焼室への集光強度の低下を抑制することができるレーザ点火装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、パルスレーザ（Ｌｐ）を発振させるレーザ発振光学系（２）と、
上記パルスレーザを燃焼室（６）内に集光させる集光光学素子（３）と、
上記集光光学素子を内側に収容するハウジング（４）と、
上記ハウジングにおける上記集光光学素子よりも先端側に設けられると共に上記パルスレーザを透過させる光学窓（５）と、を有し、
上記パルスレーザが、少なくとも上記光学窓を通過する部分において、光軸を囲むリング状となるよう構成されている、レーザ点火装置（１）にある。
【発明の効果】
【００１０】
上記レーザ点火装置においては、上記パルスレーザが、少なくとも上記光学窓を通過する部分において、光軸を囲むリング状となるよう構成されている。これにより、パルスレーザは、光学窓の中央部分（すなわち光軸近傍）ではなく、その外周側を透過することができる。
【００１１】
上述のように、光学窓に付着、堆積するデポジットは、光学窓の外周部分よりも中央部分に付着、堆積しやすい。逆に、光学窓の外周部分においては、デポジットが付着、堆積し難い。それゆえ、この外周部分を透過させることができるよう、パルスレーザがリング状となるよう構成してある。その結果、光学窓へのデポジットの付着が生じても、燃焼室への集光強度の低下を抑制することができる。
【００１２】
以上のごとく、上記態様によれば、燃焼室への集光強度の低下を抑制することができるレーザ点火装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１における、レーザ点火装置の説明図。
【図２】実施形態１における、図１のII−II線矢視断面相当の、光学窓におけるパルスレーザの透過位置を示す線図。
【図３】実施形態１における、レーザ点火装置の一部の、光軸を含む平面による断面説明図。
【図４】実施形態１における、レーザ共振器の断面説明図。
【図５】実施形態１における、励起光源から出射した励起光の強度分布を示す線図。
【図６】実施形態１における、パルスレーザの強度分布を示す線図。
【図７】実施形態１における、光学窓の温度分布を示す線図。
【図８】実施形態２における、レーザ点火装置の説明図。
【図９】実施形態２における、光軸方向から見た面発光レーザの平面説明図。
【図１０】実施形態２における、光軸方向から見た面発光レーザの一部の拡大平面説明図。
【図１１】図１０のXI−XI線矢視断面明図。
【図１２】実施形態３における、光軸方向から見た面発光レーザの平面説明図。
【図１３】実施形態３における、環状領域のみ発光させた状態を示す、面発光レーザの平面説明図。
【図１４】実施形態４における、レーザ点火装置の説明図。
【図１５】実施形態４における、筒状光ファイバの、長手方向に沿った断面説明図。
【図１６】実施形態５における、レーザ点火装置の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施形態１）
レーザ点火装置に係る実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。
本形態のレーザ点火装置１は、図１に示すごとく、レーザ発振光学系２と、集光光学素子３と、ハウジング４と、光学窓５と、を有する。
【００１５】
レーザ発振光学系２は、パルスレーザＬｐを発振させる光学系である。集光光学素子３は、パルスレーザＬｐを燃焼室６内に集光させる光学素子である。本形態において、集光光学素子３は、集光レンズである。ハウジング４は、集光光学素子３を内側に収容する。光学窓５は、ハウジング４における集光光学素子３よりも先端側に設けられると共にパルスレーザＬｐを透過させる。
【００１６】
レーザ点火装置１は、パルスレーザＬｐが、少なくとも光学窓５を通過する部分において、図２に示すごとく、光軸を囲むリング状となるよう構成されている。同図において、点Ａが光軸を示す。本形態においては、パルスレーザＬｐが、光軸を中心とする円環状となるよう構成されている。
【００１７】
本形態において、レーザ点火装置１は、車両等の内燃機関に取り付けられる。図３に示すごとく、レーザ点火装置１は、レーザ点火プラグ１０を、その先端部が燃焼室６に露出するように、内燃機関に取り付けて用いられる。そして、レーザ点火装置１は、内燃機関の燃焼室６においてパルスレーザＬｐを集光させて、混合気に点火するよう構成されている。
【００１８】
図３に示すごとく、レーザ点火プラグ１０は、外周面に取付ネジ部４１を設けたハウジング４と、ハウジング４内に配設した集光光学素子３と、ハウジング４の先端部に取り付けた光学窓５とを少なくとも有する。なお、レーザ点火プラグ１０の軸方向において、燃焼室６側を先端側、その反対側を基端側というものとする。また、レーザ点火プラグ１０の軸方向は、パルスレーザＬｐの光軸の方向と同等となっている。
【００１９】
ハウジング４は、略筒状の金属製部材である。ハウジング４は、光学窓５をその外周端において保持している。また、光学窓５の基端側において、集光光学素子３が、ハウジング４の内側に保持されている。
【００２０】
図１に示すごとく、本形態において、レーザ発振光学系２は、アキシコンレンズ２２を有する。アキシコンレンズ２２は、入射光を、光軸を囲むリング状の出射光に変換するレンズである。
なお、「リング状の出射光」など、光に関してリング状というときは、特に示さない限り、光軸に直交する断面の形状が、リング状、すなわち環状であることを示すものとする。ここで、リング状、環状は、必ずしも円環状である必要はなく、例えば、略楕円環状、略多角形環状などとすることもできる。
【００２１】
また、リング状の光は、光軸付近における光強度がゼロである必要は必ずしもなく、光軸付近における光強度よりも、その外周側の外周部分に、光強度のピークが来るような強度分布を有するものであればよい。つまり、後述する図６に示す強度分布は、光軸付近における光強度がゼロとなっているが、必ずしもこれに限らず、中央部分の光強度が、外周部分の光強度よりも充分に小さいものであれば、中央部分にも光強度が存在したものとすることもできる。
【００２２】
レーザ発振光学系２は、励起光源２１と、アキシコンレンズ２２と、コリメートレンズ２３と、レーザ共振器２４と、を有する。励起光源２１は、励起光Ｌ０を発生させる。アキシコンレンズ２２は、励起光Ｌ０を入射させてリング状の出射光に変換する。コリメートレンズ２３は、出射光を光軸に平行な平行光に変換する。レーザ共振器２４は、平行光として入射した励起光Ｌ０によって励起され、パルスレーザＬｐを出射する。
【００２３】
レーザ共振器２４は、レーザ媒質２４０と、その出射端側に設けたＱスイッチ素子２４３とが接合されており、さらに、光が通過する両端面には、レーザ光を反射する反射鏡２４４、２４５として、ダイクロイックミラーがコーティングされている。そのため、共振器２４の内側でパルスレーザＬｐが共振する。また、レーザ媒質２４０の入射側に設けたダイクロイックミラー（すなわち、反射鏡２４４）は、励起光Ｌ０は透過し、レーザ媒質内で蛍光した光は反射するよう構成されている。また、Ｑスイッチ素子２４３側の端面に設けたダイクロイックミラー（すなわち、反射鏡２４５）は、レーザ媒質２４０内で蛍光したレーザ光を部分的に反射するよう構成されている。そのため、Ｑスイッチ素子２４３側からパルスレーザＬｐが出射される。
【００２４】
レーザ発振光学系２のうち、励起光源２１は、レーザ点火プラグ１０の外部に配置されている。励起光源２１は、例えば、固体レーザ、半導体レーザ等を用いることができる。励起光源２１とレーザ点火プラグ１０とは、光ファイバ２５にて光学的に接続されている。すなわち、光ファイバ２５の一端が、励起光源２１に接続され、光ファイバ２５の他端が、レーザ点火プラグ１０の基端部に接続されている。
【００２５】
レーザ発振光学系２のうち、アキシコンレンズ２２と、コリメートレンズ２３と、レーザ共振器２４とは、レーザ点火プラグ１０に配設されている。すなわち、これらは、ハウジング４内に固定されており、集光光学素子３よりも基端側に配置されている。
また、本形態においては、光軸方向におけるレーザ共振器２４と集光光学素子３との間に、拡張レンズ１１が配置されている。拡張レンズ１１は、レーザ共振器２４から出射したリング状のパルスレーザＬｐの直径を拡張させながら、集光光学素子３へ向かわせる。
【００２６】
図４に示すごとく、レーザ共振器２４は、不活性媒質２４１と、不活性媒質２４１の外周側に筒状に形成された筒状媒質２４２とを有する。不活性媒質２４１は、光軸を含む領域に形成されている。筒状媒質２４２は、不活性媒質２４１よりも光屈折率の大きいレーザ媒質である。そして、筒状媒質２４２において、パルスレーザＬｐが共振するよう構成されている。
【００２７】
例えば、不活性媒質２４１を円柱状に形成し、筒状媒質２４２を円筒状に形成することができる。ただし、必ずしもこれに限らず、不活性媒質２４１の外周を筒状に覆うように筒状媒質２４２が形成されていれば、他の形状とすることもできる。
【００２８】
不活性媒質２４１は、例えば、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、ＹＶＯ4（イットリウム・バナデート）、Ａｌ2Ｏ3（サファイア）、ＳｉＯ2（石英）ＣａＦ2（フッ化カルシウム）等によって形成することができる。また、不活性媒質２４１は、空気等であってもよい。
筒状媒質２４２は、例えば、Ｎｄ（ネオジム）、Ｙｂ（イッテルビウム）等を添加したＹＡＧ、ＹＶＯ4等によって形成することができる。
【００２９】
そして、不活性媒質２４１と筒状媒質２４２とは、互いの境界面において、筒状媒質２４２を通るレーザ光が全反射する条件を満たすように、レーザ共振器２４に、励起光Ｌ０を導入する。例えば、筒状媒質２４２がＮｄからなり、不活性媒質２４１が空気であり、励起光Ｌ０がＹＡＧレーザによるものである場合、境界面に対する入射角が３３．１°以上となるように、励起光Ｌ０を導入する。
【００３０】
本形態のレーザ点火装置１においては、図１に示すごとく、励起光源２１にて発生させた励起光Ｌ０が、光ファイバ２５を介してレーザ点火プラグ１０の基端側に導入される。励起光Ｌ０は、光ファイバ２５の出射端面から出射すると共に拡散する。この段階で、励起光Ｌ０の強度分布は、図５に示すごとく、光軸を中心とするガウス状分布となっている。同図において、縦軸が光学窓５の光軸からの径方向距離Ｄを示し、横軸が強度Ｉを示す。
【００３１】
このガウス状分布の励起光Ｌ０は、アキシコンレンズ２２に入射して、リング状に変換されて出射する。すなわち、この出射光は、リング状の励起光Ｌ０である。特に、本形態においては、このリング状の励起光Ｌ０は、光軸に直交する断面形状が円環状である。
【００３２】
アキシコンレンズ２２から出射したリング状の励起光Ｌ０は、直径が広がるように拡張して進む。この拡張するリング状の励起光Ｌ０は、コリメートレンズ２３によって、光軸に平行な平行光に変換される。そして、平行光となったリング状の励起光Ｌ０は、レーザ共振器２４に入射する。
【００３３】
レーザ共振器２４は、Ｑスイッチ素子を備えている。このＱスイッチ式のレーザ共振器２４に、平行光であるリング状の励起光Ｌ０を導入し、レーザ共振器２４から、短いパルス幅でエネルギを集中させてパルスレーザＬｐを放出させる。レーザ共振器２４は、上述のように、不活性媒質２４１とその外側に形成した筒状媒質２４２とを有する（図４参照）。励起光Ｌ０は、筒状媒質２４２の内周面と外周面とにおいて全反射しながら、往復する。これにより、励起光Ｌ０のエネルギ損失を抑制することができる。また、これにより、励起光Ｌ０は、リング状を保ったままレーザ共振器２４内を伝搬し、リング状のパルスレーザＬｐがレーザ共振器２４から出射する。
【００３４】
図１に示すごとく、レーザ共振器２４から出射したパルスレーザＬｐは、拡張レンズ１１によって直径を拡張された後、集光光学素子３によって集光される。集光光学素子３から出射したパルスレーザＬｐは、光学窓５を透過して、燃焼室６内へ向かう。ここで、パルスレーザＬｐは、拡張レンズ１１、集光レンズ３、及び光学窓５において、その光軸から離れた外周部分を透過する。そして、パルスレーザＬｐは、燃焼室６内にて焦点ＦＰを結ぶ。
【００３５】
図２には、光学窓５におけるパルスレーザＬｐの透過する位置を示す。また、この光学窓５におけるパルスレーザＬｐの強度分布は、図６のように表される。同図において、縦軸が光学窓５の光軸からの径方向距離Ｄを示し、横軸が強度Ｉを示す。つまり、光軸付近から外周側に離れた位置に、パルスレーザＬｐの強度分布が生じることが分かる。
【００３６】
燃焼室６内において焦点ＦＰを結んだパルスレーザＬｐは、焦点ＦＰにおいて高いエネルギを集中させることとなる。これにより、燃焼室６内においてプラズマが発生する。この発生したプラズマにより、燃焼室６内の混合気が着火する。
【００３７】
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記レーザ点火装置１においては、パルスレーザＬｐが、少なくとも光学窓５を通過する部分において、光軸を囲むリング状となるよう構成されている（図２参照）。これにより、パルスレーザＬｐは、光学窓５の中央部分（すなわち光軸近傍）ではなく、その外周側を透過することができる。
【００３８】
上述のように、光学窓５に付着、堆積するデポジットは、光学窓５の外周部分よりも中央部分に付着、堆積しやすい。逆に、光学窓５の外周部分付近においては、デポジットが付着、堆積し難い。すなわち、光学窓５は、その外周端部においてハウジング４の先端部に固定されている。それゆえ、図７に示すごとく、光学窓５の外周部分は、比較的温度が高くなりにくく、中央部分が比較的高温となりやすい。同図において、縦軸が光学窓５の中心（光軸）からの距離Ｄを示し、横軸が温度Ｔを示す。
【００３９】
それゆえ、この外周部分を透過させることができるよう、パルスレーザＬｐがリング状となるよう構成してある。その結果、光学窓５へのデポジットの付着が生じても、燃焼室６への集光強度の低下を抑制することができる。
【００４０】
本形態において、レーザ発振光学系２は、アキシコンレンズ２２を有する。これにより、容易かつ効果的に、リング状の励起光Ｌ０を形成することができる。
【００４１】
レーザ発振光学系２は、励起光源２１と、アキシコンレンズ２２と、コリメートレンズ２３と、レーザ共振器２４と、を有する。これにより、レーザ共振器２４によって増幅される前の励起光Ｌ０をアキシコンレンズ２２によってリング状にすることができる。それゆえ、レーザ発振光学系２の途中において、一旦、励起光Ｌ０がアキシコンレンズ２２の先端側において焦点を結んだとしてもプラズマが発生せず、そこでエネルギ損失が発生することを防ぐことができる。したがって、レーザ発振光学系２から出射した後、燃焼室６内において集光されたときの集光強度が低下することを防ぐことができる。つまり、燃焼室６内において、高い集光強度を得ることができ、着火性を向上させることができる。
【００４２】
レーザ共振器２４は、不活性媒質２４１と筒状媒質２４２とを有し、筒状媒質２４２において、パルスレーザＬｐが共振するよう構成されている。これにより、リング状の励起光Ｌ０が、レーザ共振器２４の活性媒質（すなわち筒状媒質２４２）を励起し、リング状のパルスレーザＬｐをレーザ共振器２４から出射させることができる。そして、不活性媒質２４１と筒状媒質２４２との境界面において励起光Ｌ０を効率的に反射させながら、筒状媒質２４２を励起させることができる。これにより、レーザ共振器２４内においてエネルギ損失が生じることを抑制しつつ、高い強度のパルスレーザＬｐを得ることができる。
【００４３】
以上のごとく、本実施形態によれば、燃焼室への集光強度の低下を抑制することができるレーザ点火装置を提供することができる。
【００４４】
（実施形態２）
本実施形態のレーザ点火装置１においては、図８〜図１２に示すごとく、レーザ発振光学系２が、励起光源２１として、面発光レーザ２１０を有する。
面発光レーザ２１０は、図９〜図１１に示すごとく、多数の発光素子２１１を平面上に配列してなる。面発光レーザ２１０は、光軸を囲むリング状の励起光Ｌ０を出射することができるよう構成されている。
【００４５】
すなわち、図９に示すごとく、面発光レーザ２１０は、多数の発光素子２１１を、半導体基板２１３における環状領域２１４に、並べて配置してある。環状領域２１４内において、図１０に示すごとく、発光素子２１１は、半導体基板２１３の主面の広がり方向に多数配列されている。各発光素子２１１からの励起光Ｌ０の出射方向は、半導体基板２１３の主面の法線方向である。
【００４６】
ただし、各発光素子２１１から直接出射する励起光Ｌ０は、径方向に拡張する。この励起光Ｌ０を平行光とすべく、図１１に示すように、マイクロレンズ２１２が、各発光素子２１１の出射面に配置されている。これにより、多数の発光素子２１１から、半導体基板２１３の法線方向に、励起光Ｌ０が出射する。そして、多数の発光素子２１１がリング状に配置されているため、面発光レーザ２１０からは、リング状の励起光Ｌ０が出射する。
面発光レーザ２１０は、垂直共振器型面発光レーザ（すなわち、ＶＣＳＥＬ）にて構成される。
【００４７】
図８に示すごとく、面発光レーザ２１０と光ファイバ２５との間には、集光レンズ２６が配置されている。面発光レーザ２１０から出射したリング状の励起光Ｌ０は、集光レンズ２６によって光ファイバ２５の入射端面に集光される。そして、励起光Ｌ０は、光ファイバ２５内を伝搬して、レーザ点火プラグ１０に導かれる。光ファイバ２５から出射した励起光Ｌ０は、リング状を保ったまま、径方向に拡張する。
【００４８】
レーザ点火プラグ１０に導入された励起光Ｌ０は、コリメートレンズ２３によって平行光に変換される。
本形態においても、レーザ発振光学系２は、レーザ共振器２４を有する。レーザ共振器２４は、面発光レーザ２１０から出射した励起光Ｌ０によって励起されることで上記パルスレーザＬｐを出射する。実施形態１と同様に、レーザ共振器２４は、不活性媒質２４１と筒状媒質２４２とを有し、筒状媒質２４２において、パルスレーザＬｐが共振するよう構成されている（図４参照）。
【００４９】
コリメートレンズ２３によって平行光となった励起光Ｌ０が、レーザ共振器２４を励起して、リング状のパルスレーザＬｐが、レーザ共振器２４から出射する。パルスレーザＬｐは、実施形態１と同様に、拡張レンズ１１、集光光学素子３、光学窓５を透過して、燃焼室６内において焦点ＦＰを結ぶ。これにより、燃焼室６内の混合気に点火する。
【００５０】
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
【００５１】
本形態においても、リング状のパルスレーザＬｐが、光学窓５を透過するよう構成されている。それゆえ、光学窓５におけるデポジットの付着、堆積を抑制し、燃焼室６への集光強度の低下を抑制することができる。
【００５２】
また、本形態においては、励起光Ｌ０をレーザ点火プラグ１０の外部でリング状に整形している。そのため、光ファイバ２５の出射端からレーザ点火プラグ１０の光学窓５までの距離を短くすることができ、エンジンから受ける圧力・振動により生じうる光軸ずれの影響を抑制することができる。それとともに、エンジンに搭載するレーザ点火プラグ１０を短小化できる。また、レーザ点火プラグ１０における光学素子数を削減できるため、組付け時の光軸ずれを抑制しやすくなる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
【００５３】
（実施形態３）
本実施形態は、図１２、図１３に示すごとく、面発光レーザ２１０における多数の発光素子２１１を、環状領域２１４のみならず、その内側にも配置した形態である。
つまり、図１２に示すごとく、発光素子２１１を、半導体基板２１３上における円形領域２１５全域に配置している。
【００５４】
図１３のように配置した多数の発光素子２１１のうち、円形領域２１５の外周部分の一部である環状領域２１４の発光素子２１１のみを、発光させることができるよう構成されている。この環状領域２１４の発光素子２１１のみを発光させることで、面発光レーザ２１０は、実施形態２と同様に、リング状の励起光Ｌ０を、出射させることができる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００５５】
本形態においては、環状領域２１４以外にも、発光素子２１１が配置されている。これにより、環状領域２１４以外の領域の発光素子２１１を、適宜発光させることも可能となる。すなわち、円形領域２１５に配された多数の発光素子２１１のうちの所望の発光素子２１１を、適宜発光させることができるように構成することで、レーザ点火装置１によるパルスレーザＬｐの照射パターンを適宜変更することも可能となる。
【００５６】
例えば、内燃機関の始動時等においては、環状領域２１４よりも内側の中央領域２１６の発光素子２１１のみ、若しくは、環状領域２１４を含めた円形領域２１５全体の発光素子２１１を発光させる。その後、環状領域２１４の発光素子２１１のみを発光させる。このような照射パターンとすることもできる。
【００５７】
内燃機関の始動時等においては、光学窓５に凝縮水が付着している場合があり、凝縮水は光学窓５の外周部分に付着しやすい。そこで、始動時等においては、パルスレーザＬｐが光学窓５の中央部分を透過させるようにすべく、環状領域２１４よりも内側の発光素子２１１を発光させることが考えられる。これにより、内燃機関の始動時においては、ガウス状のパルスレーザＬｐが、光学窓５の中央部分、すなわち凝縮水が付着し難い部分を通過するようにして、集光強度の低下を防ぐことができる。
【００５８】
そして、その後、凝縮水が蒸発してからは、図１３に示すごとく、環状領域２１４の発光素子２１１のみを発光させて、リング状のパルスレーザＬｐが光学窓５を透過するようにする。これにより、デポジットの付着、堆積の少ない、光学窓５における外周部分にパルスレーザＬｐを通過させることで、集光強度の低下を抑制することができる。
その他、実施形態２と同様の作用効果を有する。
【００５９】
（実施形態４）
本実施形態は、図１４、図１５に示すごとく、励起光Ｌ０をレーザ点火プラグ１０に導く光ファイバとして、筒状光ファイバ２５０を設けた形態である。
本形態において、レーザ発振光学系２は、少なくとも、励起光Ｌ０を発生させる励起光源２１と、励起光Ｌ０を導光する筒状光ファイバ２５０と、筒状光ファイバ２５０の出射端面２５５から出射した励起光Ｌ０によって励起されることでパルスレーザＬｐを出射するレーザ共振器２４と、を有する。
【００６０】
筒状光ファイバ２５０は、長手方向に直交する断面が環状となるように形成された筒状外周部２５１を有する。そして、筒状光ファイバ２５０によって導光される励起光Ｌ０が、筒状外周部２５１の内周面２５２と外周面２５３とにおいて全反射しながら出射端面２５５へ向かうよう構成されている。
なお、本形態においては、筒状光ファイバ２５０の筒状外周部２５１は、長手方向に直交する断面が、円環状となる円筒形状を有する。
【００６１】
本形態においては、筒状光ファイバ２５０は、筒状外周部２５１の内周側が中空となった中空形状を有している。ただし、筒状光ファイバ２５０の形状は、中空形状に限らず、筒状外周部２５１の内周側に、所定の光学的条件を満たす内側部材が配置されていてもよい。ここで、所定の光学的条件としては、筒状外周部２５１との間で、以下の光屈折率の関係を満たす部材であるという条件がある。
【００６２】
すなわち、筒状外周部２５１の光屈折率をｎ１、内側部材の光屈折率をｎ２としたとき、まず、ｎ１＞ｎ２≧１を満たすことが最低限必要となる。さらに、筒状光ファイバ２５０への励起光Ｌ０の入射角度にもよるが、筒状光ファイバ２５０を伝搬する励起光Ｌ０が、筒状外周部２５１の内部を、全反射を繰り返しながら伝搬するような条件を満たす必要もある。すなわち、筒状外周部２５１を進む励起光Ｌ０の、筒状外周部２５１の内周面２５２に対する入射角度をθ２とすると、ｓｉｎθ２＞ｎ２／ｎ１、を満たすことが求められる。逆に、筒状光ファイバ２５０の入射端面２５４に導入される励起光Ｌ０の角度を、上記の全反射条件を満たすように、設計することにもなる。
【００６３】
また、筒状外周部２５１の外周面における全反射条件として、ｓｉｎθ１＞１／ｎ１、が要求される。ここで、筒状外周部２５１の外側は空気であるという前提で、上記不等式の右辺が（１／ｎ１）となっている。
なお、筒状光ファイバ２５０が中空形状である場合には、ｓｉｎθ２＞１／ｎ１、かつ、ｓｉｎθ１＞１／ｎ１、である。
【００６４】
図１４に示すごとく、本形態において、レーザ発振光学系２は、励起光源２１と筒状光ファイバ２５０との間に配置された集光レンズ２６を有する。また、筒状光ファイバ２５０の出射側における光学系、すなわち、レーザ点火プラグ１０における光学系は、実施形態２と略同様である。すなわち、筒状光ファイバ２５０の出射側には、コリメートレンズ２３、レーザ共振器２４、拡張レンズ１１、集光光学素子３、光学窓５が、順次並んでいる。なお、筒状光ファイバ２５０の入射端面２５４及び出射端面２５５には、反射防止膜をコーティングしてあってもよい。
【００６５】
本形態においては、励起光源２１から出射した励起光Ｌ０は、集光レンズ２６によって集光されて、入射端面２５４から筒状光ファイバ２５０に導入される。図１５に示すごとく、入射端面２５４から筒状光ファイバ２５０に導入された励起光Ｌ０のうち、筒状外周部２５１の内周側（例えば、中空部）に導入された励起光Ｌ０は、筒状外周部２５１との境界面、すなわち筒状外周部２５１の内周面２５２から、筒状外周部２５１内に屈折しながら導入される。筒状外周部２５１に導入された励起光Ｌ０は、全反射を繰り返しながら、出射端面２５５へ向かう。
【００６６】
一方、入射端面２５４から筒状光ファイバ２５０に導入された励起光Ｌ０のうち、入射端面２５４から筒状外周部２５１に直接導入された励起光Ｌ０（図示略）は、そのまま筒状外周部２５１内を、全反射を繰り返しながら、出射端面２５５へ向かう。
【００６７】
出射端面２５５から出射した励起光Ｌ０は、筒状外周部２５１の内周面２５２及び外周面２５３における反射角度（すなわちθ１、θ２）と同程度の角度を、光軸に対して形成して、径方向に広がって進む。これにより、リング状の励起光Ｌ０が、出射端面２５５から出射することとなる。
【００６８】
このリング状の励起光Ｌ０は、図１４に示すごとく、実施形態２と同様に、レーザ点火プラグ１０における光学系においてリング状のパルスレーザＬｐとなって、光学窓５を透過し、燃焼室６内に集光される。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００６９】
本形態においても、リング状のパルスレーザＬｐが、光学窓５を透過するよう構成されている。それゆえ、光学窓５におけるデポジットの付着、堆積を抑制し、燃焼室６への集光強度の低下を抑制することができる。
【００７０】
また、本形態においては、実施形態２と同様に、励起光Ｌ０をレーザ点火プラグ１０の外部でリング状に整形している。そのため、実施形態２と同様に、光軸ずれの影響を抑制することができるとともに、レーザ点火プラグ１０を短小化できる。また、レーザ点火プラグ１０における光学素子数を削減できるため、組付け時の光軸ずれを抑制しやすくなる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
【００７１】
（実施形態５）
本実施形態は、図１６に示すごとく、筒状光ファイバ２５０に入射させる励起光Ｌ０を、光軸を囲むリング状とした形態である。
すなわち、実施形態４においては、筒状光ファイバ２５０に入射させる励起光Ｌ０が、ガウス状分布の励起光Ｌ０となる形態を示したが、本形態においては、筒状光ファイバ２５０に入射する段階で、すでに励起光Ｌ０がリング状となっている。
【００７２】
具体的手段として、レーザ発振光学系２は、面発光レーザ２１０を励起光源２１として有する。面発光レーザ２１０から出射したリング状の励起光Ｌ０を、筒状光ファイバ２５０に入射させるよう構成されている。
【００７３】
実施形態２又は実施形態３に示したものと同様に、面発光レーザ２１０は、多数の発光素子２１１を平面上に配列してなる。そして、面発光レーザ２１０は、光軸を囲むリング状の励起光Ｌ０を出射することができるよう構成されている。
そして、リング状の励起光Ｌ０が、筒状光ファイバ２５０における入射端面２５４において、筒状外周部２５１に直接入射するよう構成されている。
ここで、筒状光ファイバ２５０の入射端面２５４には、反射防止膜（図示略）が設けてある。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００７４】
本形態においては、筒状光ファイバ２５０に入射する段階で、励起光Ｌ０をリング状にすることができる。そのため、励起光Ｌ０の略全体を、筒状光ファイバ２５０の入射端面２５４から直接筒状外周部２５１に導入することができる。それゆえ、筒状光ファイバ２５０への入射時における励起光Ｌ０のエネルギ損失を低減することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
【００７５】
なお、上記実施形態５の変形形態として、レーザ発振光学系２が、励起光源２１と筒状光ファイバ２５０との間に、アキシコンレンズ２２を有する形態も、考えられる。
そして、この変形形態においては、アキシコンレンズ２２から出射したリング状の出射光（励起光Ｌ０）を、筒状光ファイバ２５０に入射させるよう構成することができる。その他は、実施形態５と同様である。
上記以外にも、上記各実施形態を適宜組み合わせた実施形態とすることもできる。
【００７６】
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１  レーザ点火装置
２  レーザ発振光学系
３  集光光学素子
４  ハウジング
５  光学窓
６  燃焼室
Ｌｐ  パルスレーザ
【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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【図１５】
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【図１６】
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