(57)【要約】【課題】  レーザー点火においては、レーザー光のコヒーレンスにより、集光部の微小領域において自己収束に伴い、制御できないフィラメント化が発生し、多点集光構造が形成されるため、投入したエネルギーは幾つかの制御できない集光点に分散され、レーザーブレークダウン閾値に到達させるには、入射エネルギーとして多大なエネルギーを要していた。【解決手段】  内燃機関の混合気にレーザー光を絞り込んで点火させるレーザー点火において、レーザーパルスの位相変調を作り出す素子を設けることで、点火に要する投入レーザーエネルギーを低減させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のレーザー火花点火において、レーザーパルスの位相変調を作り出す素子を使用する内燃機関用のレーザー点火方法。
【請求項２】
内燃機関の混合気にレーザ光を絞り込んで点火させるレーザ点火装置において、焦点レンズの上流側にレーザーパルスの位相変調を作り出す素子を配置した  ことによりレーザーパルスの位相を制御し、フィラメント生成を制御することを特徴とする、内燃機関用のレーザー点火装置。
【請求項３】
内燃機関の混合気にレーザ光を絞り込んで点火させるレーザ点火装置において、焦点レンズの下流側にレーザーパルスの位相変調を作り出す素子を配置したことを特徴とする、内燃機関用のレーザー点火装置。
【請求項４】
前記素子が、キノホルム位相板、ランダム位相板、又は規則的位相板であることを特徴とする、請求項２、請求項３又は請求項４記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
【０００２】
本発明は、レーザー光の位相変調を作り出す素子を使用することにより、レーザーパルスのフィラメント生成を制御し、投入レーザーエネルギーを低減しようとするものである。本発明は、特に、内燃機関のレーザー点火装置において、レーザーパルスの位相変調を作り出す素子を使用することで、点火に要する投入レーザーエネルギーが低減することに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、内燃機関の混合気にレーザー光を絞り込んで点火させる内燃機関におけるレーザー点火技術には、次の方法が行われていた。
【０００４】
レーザー光を内燃機関の混合気に絞り込む位置を可変にすることによって効率的に点火する（特許文献１及び特許文献２）。
【０００５】
レーザー集光時のフィラメントによる多点構造が示されている論文（非特許文献１）があり、この論文のFigure 2に、ルビーレーザー（１ＭＷ，ガウスビーム、スポットの直径：２ｍｍ、パルス幅：４０ｎｓｅｃ）のＣＳ２  ｃｅｌｌへの照射で生じたfilamentation instabilityによる多点構造の観測結果が示されている。又、気体ガスにレーザー光を照射することに関する論文例も存在する（非特許文献２及び３）。
【０００６】
内燃機関におけるレーザー点火エネルギー低減の従来技術には、ピストン上の固体ターゲット上に集光する（特許文献３）、又燃料噴霧にレーザーを照射し吸収させることがある（特許文献４，５及び６）。
【特許文献１】特開平５−３３７５５号公報
【特許文献２】特開２００５−４２５８０号公報
【特許文献３】特開平７−２１７５２１号公報
【特許文献４】（実願昭６３−１４４８９０号）
【特許文献５】（実願昭６０−１４１１６７号
【特許文献６】特開平６−２４９１２３号公報
【非特許文献１】A.J. Campillo, S.L. Shapiro, and B.R. Suydam, Appl.Phys.Lett., 23, 628-630 (1973)
【非特許文献２】R.S. Bennink, et al., Phys.Rev.Lett., 88, 113901-1 (2002)
【非特許文献３】S. Tzortzakis, et al., Phys.Rev.Lett., 86, 5470 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
内燃機関の混合気にレーザー光を絞り込んで点火させるレーザー点火では、光を制御することで点火位置や数を比較的容易に可変でき、これにより内燃機関の熱効率を向上させることが可能となる。しかし通常行われているレーザー点火においては、レーザー光のコヒーレンスにより、集光部の微小領域において自己収束に伴い、制御できないフィラメント化が発生し、多点集光構造が形成される。
【０００８】
このため投入したエネルギーは幾つかの制御できない集光点に分散され、レーザーブレークダウン閾値に到達させるには、入射エネルギーとして多大なエネルギーを要していた。このため、レーザー点火装置の車載を考えた場合、過大なレーザーエネルギーが必要でありレーザー装置の小型化、低消費電力化の大きな障害になっていた。
【０００９】
レーザーエネルギー増大を抑えるために
（１）固体ターゲット上に集光する
（２）燃料噴霧に照射し吸収させる
等があるが、（１）では点火位置はピストン頂面等の固体ターゲット壁面に限定される。しかし一般に最適な点火位置は燃焼室空間内に位置しており、この方法では最適点で点火させることは困難である。また壁面で点火すると、点火により生じた初期火炎核は、壁面から熱を奪われるため火炎発達が著しく遅くなる。このため燃焼速度が遅くなる希薄混合気や過濃混合気では、火炎発達そのものが困難となり易く失火状態となってしまう。
【００１０】
一方（２）の方法は、現在広く使われているポート噴射式機関には適用できず、筒内噴射式機関に適用が限定される。更に筒内噴射式機関においても、点火時期に燃料液滴が存在していることが必要であるが、本来燃料噴射時期は燃料と空気が適正な混合気を形成できる時期に設定されるべきで、点火時期に燃料液滴が存在するような時期に限定される（２）の場合、必ずしも適正な燃焼が行われるとは限らない。
【００１１】
本発明は、レーザー点火に要求される従来のレーザーエネルギー低減方法の持つ問題点を解決する、新しい方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、レーザー火花点火に必要な投入レーザーエネルギーを減少させるものであり、特に、内燃機関の混合気にレーザー光を絞り込んで点火させるレーザー点火において、内燃機関への利用についてレーザーパルスの位相変調を作り出す素子を有することで、点火に要する投入レーザーエネルギーが低減することを特徴とするエンジン点火に関するものでである。
【００１３】
その素子はキノホルム位相板、ランダム位相板、規則的位相板などであり、又その素子は焦点レンズの上流側又は、下流側に設置し、レーザーパルスの位相を制御し、フィラメント生成を制御する。
【００１４】
即ち、本発明は、レーザー火花点火の内燃機関への利用についで、レーザーパルスの位相変調を作り出す素子を使用する方法であり、そこで、レーザー火花現象の内燃機関への利用を実用化するには、レーザーのエネルギーを低くする必要がある。一般にレーザーパワーが自己収束の閾値を十分に超えるとレーザーパルスはいくつかのフィラメントに分裂する。これらのフィラメントは全パルスパワーの一部分を担うので、各フィラメントの持つエネルギーは火花点火するのに要求されるエネルギーを下回る場合がある。本発明で提案する素子を使用すれば、このフィラメントの生成の最適制御が可能となる。すなわち、フィラメント生成を最適制御することにより全投入エネルギーの低減が図られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、通常避けられないレーザー集光部近傍の微小領域における多点ブレークダウンをフィラメント生成を制御することにより、ブレークダウンと点火に要する投入レーザーエネルギーを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
通常レーザー光のコヒーレンス（干渉性）により、集光部の微小領域において自己収束を伴いフィラメント化が発生し、多点集光構造が形成される。このため投入したエネルギーは集光部近傍の微小領域において幾つかの集光点に分散されるので、多点集光の点数が多くなりすぎると各点のレーザーエネルギーのブレークダウン閾値に到達させるには、全入射エネルギーとして多大なエネルギーを要する。
【００１７】
また、１点集光を安定に行うためには位相拡散板等を用いたレーザー光のコヒーレンスの人為的低下が必要であり、集光面積が大きくなり、レーザー強度は一般に低下する。その結果、点火に必要なエネルギーは必ずしも最小値になるとは限らない。すなわち、最適なフィラメント数及びフィラメント間隔あるいはフィラメントの生じる一様集光との比較による最適照射光学系を見つけだすことが重要である。
【００１８】
レーザーパルスの位相変調を作り出す素子を用いることで、例えば、光の位相が拡散しコヒーレンスが低下し、集光部の微小領域における自己収束が起こらず１点に集光できる。他方、コヒーレンスを保って干渉パターンを素子で制御することにより意図通りの多点に集光するよう制御できる。このため、少ない投入レーザーエネルギーでレーザーブレークダウン閾値に到達できる。
【００１９】
以下、本発明で使用されるレーザーパルスの位相変調を作り出す素子として、キノホルム位相板、ランダム位相板、又は規則的位相板等が使用される。前記キノホルム位相板は、位相ホログラムの原理を用いてレーザー光の位相分布を制御することにより、レーザー集光の包絡線形状を任意に制御するための素子である。前記ランダム位相板は、位相分布を乱数を用いるなりして無秩序にして干渉による強度のスパイク状の起伏をなくしたもので、以下の手法により作成される素子である。
【００２０】
（１）四角、六角などをランダムに配置したパターンを設計。
【００２１】
（２）マスクとするため、上記設計を白黒（光透過が０又は１）に印画。
【００２２】
（３）ガラス等の基板上にフォトレジスト膜を蒸着。
【００２３】
（４）（２）で作成したマスクを用いて前記フォトレジストをはがす。
【００２４】
（５）この上に、１／２波長の位相差を与える厚さにSiO2等の透明膜を蒸着。
【００２５】
（６）残ったレジスト膜をはがして完成。
【００２６】
前記規則位相板は、この位相板を等間隔にするなりして人為的に干渉による強度分布を作り出す素子である。
【００２７】
以上のとおり、本発明ではキノホルム位相板、ランダム位相板、又は規則的位相板を使用してレーザーの集光を人為的に制御する手法を採用している。
【実施例】
【００２８】
（実施例１）
図１に、本発明における、内燃機関の混合気にレーザ光を絞り込んで点火させるレーザ点火装置において、焦点レンズの上流側にレーザーパルスの位相変調を作り出す素子を有する内燃機関の点火装置が示されている。燃焼室に吸入された混合気が密閉され、ピストンの上昇により高圧に圧縮される。この高圧圧縮混合気を点火する際、エンジンコントローラーからの点火信号がレーザー光源に導入されてレーザー光を発生させる。発生したレーザー光は、光伝送装置を通して燃焼室頂部に配置された点火装置内の位相変調素子を透過し、位相制御されたレーザー光となる。この位相変調されたレーザー光は、集光レンズで集束された後、点火装置の光出射室窓を透過して燃焼室内の混合気に照射され、混合気を点火燃焼させる。
【００２９】
図２に、本発明における、内燃機関の混合気にレーザ光を絞り込んで点火させるレーザ点火装置において、焦点レンズの下流側にレーザーパルスの位相変調を作り出す素子を有する内燃機関の点火装置が示されている。高圧圧縮混合気を点火する際、エンジンコントローラーからの点火信号がレーザー光源を可動させてレーザー光を発生させる。発生したレーザー光は、光伝送装置を通して燃焼室頂部に設置された点火装置内の集光レンズで集束され、集束されたレーザー光は、位相変調素子により位相変調された後、点火装置の光出射室窓を透過して燃焼室内の混合気に照射され、混合気を点火燃焼させる。
【００３０】
図１及び図２の場合においては、光の位相が拡散しコヒーレンスが低下し、集光部の微小領域における自己収束が起こらず１点で集光できたり、意図通りの数に集光するように制御できる。このため、少ない入射投入レーザーエネルギーでレーザーブレークダウン閾値に到達でき、点火に要するレーザーエネルギーを低減できる。
【００３１】
図３にランダム位相板を集光レンズの上流側に配置した場合に発生するフィラメントを、図４にそのときの出力パターンを示す。また図５，図６には、ランダム位相板の平面及び断面の構成図を示す。図５，図６を用いてランダム位相板の機能を説明する。図５に示すように直径Ｄの入射ビームをｄのピクセルサイズの微小ビームに分割する。図中の白い部分と黒い部分では位相がπずれるようにする。これは波長λの光に対して屈折率ηの光学素子の厚さをΔｔ＝λ／２（η−１）だけ差をつけることにより実現できる（図６参照）。ランダム位相板では、この様な異なる位相差を与える位相板をランダムに敷き詰めたものである。これを集光レンズの直前に配置すると、レーザー光は図３のように空間的に位相の異なる多数の微小ビームが重なり、出力パターンは図４のように一様性の高いものになる。これをレンズで集光して混合気中に入射すると、サイズは少し大きくなるが、一様性の高い１フィラメントとなり１点で集光できる。このため、少ない入射投入エネルギーでレーザーブレークダウン閾値に到達でき、点火に要するレーザーエネルギーを低減できる。図３は、ランダム位相板を集光レンズの上流側に配置した例を示したが、ランダム位相板を集光レンズの下流側に設置しても、同様な効果が得られる。
【００３２】
図７に規則的位相板を集光レンズの上流側に配置した場合に発生するフィラメントを、図７にそのときの出力パターンを示す。ランダム位相板では、異なる位相をランダムに配置したのに対して規則位相板では１／２波長位相差を持つ２種類の微少位相板を規則的に配置している。これを集光レンズの直前に配置すると、レーザー光の出力パターンは図８に示したように規則的な形となる。これをレンズで集光して混合気中に入射すると、図７に示したフィラメントは規則的に生成する。このフィラメントの数は入射ビームを分割するサイズ（ｄ×ｎ、ｄ：ピクセルサイズ、ｎ：整数）を変えることで調整できる。このように意図通りの数に集光を制御できるため、少ない入射投入エネルギーでレーザーブレークダウン閾値に到達でき、点火に要するレーザーエネルギーを低減できる。図７は規則的位相板を集光レンズの上流側に配置した例を示したが、規則的位相板を集光レンズの下流側に設置しても、同様な効果が得られる。
【００３３】
図９にキノホルム位相板を集光レンズの上流側に配置した場合に発生するフィラメントを、図１０にそのときの出力パターンを示す。キノホルム位相板は図９に示すようにフィラメントの形状、出力パターンはランダム位相板の場合と同様な蛍光を示す。キノホルム位相板を用いると、希望する集光形状を得られるという長所がある。キノホルム位相板では、遠視野（ｘ、ｙ）点での複素振幅Ａ（ｘ、ｙ）ｅｘｐ（ｉψ（ｘ、ｙ））と位相板上（ｘ’、ｙ’）での複素振幅Ｂ（ｘ’、ｙ’）ｅｓｐ（ｉφ（ｘ’、ｙ’））とはフーリエ変換で結ばれており、反復フーリエ変換法により、遠視野（ｘ、ｙ）での希望する強度Ａ（ｘ、ｙ）を与える位相φ（ｘ’、ｙ’）が決まる。φは、ランダム位相板で述べたように位相板の厚さΔｔの値で調整できる。このために、任意の希望する集光形状を得ることができる。反復フーリエ変換法のアルゴリズム及び簡単な手順を図１１に示す。
（比較例）（位相板のない従来技術）
位相板を使用しない場合、レーザー光の出力パターンは図１２のように強度、間隔ともに不規則な形となっている。これをレンズで集光すると図１３のように制御できないフィラメント化が発生し、多点集光構造が形成される。このため投入したエナルギーは幾つかの制御できない集光点に分散され、レーザーブレークダウン閾値に到達させるには、入射エネルギーとして多大なエナルギーを要する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明における、内燃機関の混合気にレーザ光を絞り込んで点火させるレーザ点火装置において、焦点レンズの上流側にレーザーパルスの位相変調を作り出す素子を配置した図が示されている。
【図２】本発明における、内燃機関の混合気にレーザ光を絞り込んで点火させるレーザ点火装置において、焦点レンズの下流側にレーザーパルスの位相変調を作り出す素子を有する内燃機関の点火装置が示されている。
【図３】本発明における、ランダム位相板を用いた１フィラメントの例を示す図である。
【図４】本発明における、ランダム位相板を用いたときの出力パターンの例を示す図である。
【図５】本発明における、ランダム位相板平面構成の例を示す図である。
【図６】本発明における、ランダム位相板断面構成の例を示す図である。
【図７】本発明における、規則位相板を用いた多フィラメントパターンの例を示す図である。
【図８】本発明における、規則位相板を用いたときの出力パターンの例を示す図である。
【図９】本発明における、キノホルム位相板を用いた１フィラメントの例を示す図である。
【図１０】本発明における、キノホルム位相板を用いたときの出力パターンの例を示す図である。
【図１１】本発明における、反復フーリエ変換法のアルゴリズムの例を示す図である。
【図１２】位相板を使用しない場合の多フィラメントの例を示す図である。
【図１３】位相板を使用しない場合の出力パターンの例を示す図である。
【図５】
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【図１１】
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【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１２】
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【図１３】
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