(57)【要約】【課題】低コストで複数の照射対象に安定して照射可能なレーザ光発生装置の提供。【解決手段】レーザ光Ｌを出射する複数の発光点を有する光源部２と、レーザ光Ｌを平行光とするレンズ３と、レーザ光Ｌを照射対象５１０へ向けて導くための複数の導光路７ａ、７ｂと、レンズ３を経たレーザ光Ｌを複数の導光路７ａ、７ｂに導く光路を形成する光路形成部８０を有するレーザ光発生装置２００。【選択図】図１
2017220630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する複数の発光点を有する光源部と、
前記レーザ光を平行光とするレンズと、
前記レーザ光を照射対象へ向けて導くための複数の導光路と、
前記レンズを経た前記レーザ光を前記複数の導光路に導く光路を形成する光路形成部と、を有するレーザ光発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ光発生装置であって、
前記光源部の数は前記導光路の数よりも少ないことを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ光発生装置であって、
前記導光路の入射口へ向けて前記レーザ光を集光する集光レンズを有することを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１つに記載のレーザ光発生装置であって、
前記光路形成部は、前記複数の導光路のうち、何れの導光路に前記レーザ光を導くかを選択する光路選択部を有することを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ光発生装置であって、
前記光路選択部は、前記レーザ光が通る前記導光路を時間によって切り替えることを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載のレーザ光発生装置であって、
前記光路選択部は、前記レーザ光を反射する反射部と、前記反射部を回動させる駆動部と、を有することを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項７】
請求項４または５に記載のレーザ光発生装置であって、
前記光路選択部は、前記レーザ光を偏向する屈折部と、前記屈折部を回動させる駆動部と、を有することを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項８】
請求項３に従属する請求項７に記載のレーザ光発生装置であって、
前記駆動部は、前記集光レンズを前記屈折部と一体に回動させることを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載のレーザ光発生装置であって、
前記駆動部は、前記屈折部を前記光源部の中心軸を中心として回動させることを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項１０】
請求項１乃至３の何れか１つに記載のレーザ光発生装置であって、
前記光路形成部はハーフミラーを用いて前記光路を分岐することを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１つに記載のレーザ光発生装置であって、
前記光源部は、前記発光点が、前記レーザ光の光軸方向に対して垂直な平面に２次元配列された面発光レーザ素子であることを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか１つに記載のレーザ光発生装置であって、
前記導光路は、光ファイバであることを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか１つに記載のレーザ光発生装置を有し、
前記レーザ光発生装置は内燃機関の燃焼室に向けて前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光発生装置及びレーザ点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高効率・低ＮＯＸを達成するコジェネレーションシステムの発電機用エンジンの開発が進められている。高効率での燃焼を発生させるには、燃焼速度が速く、かつ着火性に優れた点火装置が求められ、固体レーザを用いたレーザ点火装置が注目されている。
このような点火装置において、単一の点火位置で点火するのみでは、燃料濃度の低下による火炎核の成長速度の低下や、逆に高濃度燃料の流入などによって、初期火炎核が十分に成長できず、着火の安定性が得られないという懸念がある。
こうした問題を解決するために、例えば複数のレーザ光源や光学系を用いて、多点着火を行う方法が考えられている（例えば特許文献１等参照）。
【０００３】
しかしながら、エンジンの気筒は多いものでは１６や２０に達するものもあり、複数の光源や光学系を用いる構成では、各々の光学系の調整が煩雑であり、コスト的にも複数光源を用いるのは難しいという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、低コストで複数の照射対象に安定して照射可能なレーザ光発生装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するため、本発明のレーザ光発生装置は、レーザ光を出射する複数の発光点を有する光源部と、前記レーザ光を平行光とするレンズと、前記レーザ光を照射対象へ向けて導くための複数の導光路と、前記レンズを経た前記レーザ光を前記複数の導光路に導く光路を形成する光路形成部と、を有するレーザ光発生装置。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のレーザ光発生装置によれば、低コストで複数の照射対象に安定して照射できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態にかかる内燃機関の全体構成の一例を示す平面図である。
【図２】図１に示した制御部の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図３】図１に示した光源部の構成の一例を示す図である。
【図４】図１に示したレーザ装置の動作の一例を示す平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかるレーザ装置の全体構成の一例を示す平面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態にかかるレーザ装置の全体構成の一例を示す平面図である。
【図７】内燃機関とレーザ点火装置の構成の従来例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１には、本発明の第１の実施形態に係るレーザ光発生装置としてのレーザ装置２００をレーザ点火装置として備えた内燃機関５００が示されている。
内燃機関５００は、レーザ光Ｌを照射するレーザ装置２００と、レーザ光Ｌを入射されることで励起するＱスイッチレーザであるレーザ共振器２０６と、燃料Ｐが充填され、レーザ光Ｌが照射されることで燃焼する２つの燃焼室５１０と、を有している。
内燃機関５００はまた、各燃焼室５１０に取り付けられ、燃焼によって生じた圧力を動力へと変換するピストン５２０を有している。
なお、かかる内燃機関５００の動作は、一般的なスパークプラグなどを点火装置として用いる２気筒の内燃機関の動作と同じであるため、説明を適宜省略する。
また、本実施形態では、説明を簡単にするために２気筒の内燃機関について説明するが、例えば１６気筒など、複数気筒の内燃機関に用いても良い。
【０００９】
レーザ装置２００は、レーザ光Ｌを出射する図３で後述する発光点２１がＸＹ平面上に配列された光源部２と、レーザ光Ｌを平行光とするレンズたるコリメートレンズ３と、を有している。すなわち光源部２は、複数の発光点を有する。
レーザ装置２００は、レーザ光Ｌを照射対象たる燃焼室５１０へ向けて導くための複数の導光路たる光ファイバ７ａ、７ｂと、を有している。
レーザ装置２００は、燃焼室５１０やピストン５２０の動作情報を元に、レーザ光Ｌの出力やパルス波形の制御を行う制御部９を有している。なお制御部９は、レーザ装置２００の外部に設けられて、通信によって制御を行うものでも良い。
レーザ装置２００は、コリメートレンズ３よりもレーザ光Ｌの出射方向側たる＋Ｚ方向側に設けられて、レーザ光Ｌを光ファイバ７ａ、７ｂのそれぞれへと導く光路を形成する光路形成部たる分岐部８０を有している。
レーザ装置２００はまた、分岐部８０によって分岐された光路の終端部分に取り付けられた集光レンズ８３、８４を有している。
なお、本明細書では、レーザ光Ｌの光軸に平行な出射方向を＋Ｚ方向として、ＸＹＺ３次元直交座標系を用いて説明する。
【００１０】
制御部９は、図２に示すように、光源部２から射出されるレーザ光Ｌのパルス波形、繰り返し周波数等の発振条件を制御する発振条件制御部９１と、燃焼室５１０やピストン５２０の動作を元に、レーザ光Ｌの通る光路を制御する光路制御部９２と、を有している。
【００１１】
レーザ共振器２０６は、＋Ｘ方向側に配置されたレーザ媒質と、−Ｘ方向側に配置された可飽和吸収体とを有するＱスイッチレーザである。
【００１２】
レーザ媒質は、共振器長が８ｍｍの直方体形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶である。可飽和吸収体は、長さが２ｍｍの直方体形状のＣｒ：ＹＡＧ結晶である。
【００１３】
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＣｒ：ＹＡＧ結晶は接合されており、いわゆるコンポジット結晶となっている。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶及びＣｒ：ＹＡＧ結晶は、いずれもセラミックスである。
【００１４】
光ファイバ７ａ、７ｂからのレーザ光Ｌは、それぞれまずレーザ媒質に入射される。すなわち、レーザ光Ｌによってレーザ媒質２０６ａが励起される。なお、光源部２から射出される光の波長は、ＹＡＧ結晶において最も吸収効率の高い波長８０８ｎｍであることが望ましい。そして、可飽和吸収体は、Ｑスイッチの動作を行う。
【００１５】
レーザ媒質の入射側（＋Ｘ側）の面、及び可飽和吸収体の射出側（-Ｘ側）の面は光学研磨処理がなされ、ミラーの役割を果たしている。
【００１６】
レーザ媒質の入射側（＋Ｘ側）の面、及び可飽和吸収体の射出側（-Ｘ側）の面には、光源部２から射出されるレーザ光Ｌの波長、及びレーザ共振器２０６から射出される光の波長に応じた誘電体膜がそれぞれコーティングされている。
【００１７】
具体的には、レーザ共振器２０６の＋Ｘ側の面は、波長が８０８ｎｍの光に対して十分に高い透過率を示し、波長が１０６４ｎｍの光に対して十分に高い反射率を示すコーティングがなされている。
同様に、レーザ共振器２０６の−Ｘ側の面には、波長が１０６４ｎｍの光に対して所望のしきい値が得られるように選択された反射率を示すコーティングがなされている。
【００１８】
これにより、レーザ共振器２０６内で光が共振し増幅される。ここでは、レーザ共振器
２０６の共振器長は１０（＝８＋２）ｍｍである。なお、共振器長はかかる構成に限定されるものではない。
【００１９】
光源部２は、図３に示すように、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ＬＡＳＥＲ）素子たる発光点２１がＸＹ平面上に複数配列された面発光レーザ素子である。
光源部２は、それぞれの発光点２１から、発振条件制御部９１の指示に基づいて、＋Ｚ方向に平行にレーザ光Ｌを射出する。なお、光源部２は、複数の発光点２１を有する光源であればよく、発光点２１の個数や形状については、かかる構成に限定されるものではない。
【００２０】
コリメートレンズ３は、本実施形態では、光源部２に対向して設けられたマイクロレンズアレイであり、焦点距離がコリメートレンズ３と光源部２との間の距離ｄと等しくなるように調整されることで、レーザ光ＬをＺ軸に平行な平行光として偏向して出射する。
【００２１】
分岐部８０は、光ファイバ７ａ、７ｂの何れか一方へ向けてレーザ光Ｌを反射する反射部たるミラー８２と、ミラー８２の端部に配置されて、ミラー８２をＹ軸に平行な回転軸Ｏを中心に回動させる駆動部たる回転駆動部８１と、を有している。
また分岐部８０は、レーザ光Ｌが通過する光路の一部を形成するとともに、レーザ光Ｌを光ファイバ７ａへと導く第１光路８０ａと、レーザ光Ｌを光ファイバ７ｂへと導く第２光路８０ｂと、の２つの光路を形成する。
分岐部８０は、かかる構成により、光路制御部９２からの情報に基づいて、光ファイバ７ａ、７ｂのうち、どちらの光ファイバへ向けてレーザ光Ｌを導くかを選択する光路選択部としての機能を有している。
【００２２】
この点について詳しく説明する。
まず、光路制御部９２が、光ファイバ７ａ、７ｂのそれぞれの端部に接続された燃焼室５１０とピストン５２０との位置から、光ファイバ７ａ、７ｂのどちらにレーザ光Ｌを誘導するかを決定する。
分岐部８０は、光路制御部９２の決定に基づいて回転駆動部８１を用いてミラー８２を回動させる。
具体的には図４（ａ）に示すような光ファイバ７ａへとレーザ光Ｌを誘導する第１状態か、図４（ｂ）に示すような光ファイバ７ｂへとレーザ光Ｌを誘導する第２状態か、を切り替える。
【００２３】
かかる第１状態と第２状態について説明する。
第１状態においては、レーザ光Ｌは、ミラー８２に反射されることなく第１光路８０ａを経て集光レンズ８３を透過し、光ファイバ７ａの入射口すなわち入射側端部７１へと照射される。
レーザ光Ｌは、光ファイバ７ａを通り、入射側端部７１とは反対側の出射側端部７２からレーザ共振器２０６に入射する。レーザ共振器２０６は、レーザ光Ｌによって励起され、共振して燃焼室５１０へと出力する。
レーザ光Ｌは、燃焼室５１０へ到達すると、集光されて集光位置Ｆにおいて燃焼室５１０に充填された燃料Ｐに点火する。
【００２４】
着火された燃料Ｐは、燃焼することで圧力が上昇してピストン５２０を押し下げて、かかる圧力が動力として利用される。
また、ピストン５２０が押し下げられて下死点に到達した状態は、図３（ｂ）に示す第２状態である。
【００２５】
すなわち、図４（ａ）に示した第１状態において、レーザ装置２００によって燃料Ｐが点火されると、図４（ｂ）に示す第２状態に遷移する。
ここで、第２状態において、分岐部８０は、光路制御部９２の決定に基づいて、回転駆動部８１がミラー８２を回動させているから、レーザ光Ｌは、ミラー８２によって反射され第２光路８０ｂを経て光ファイバ７ｂへと誘導される。
すなわち、第２状態においても、第１状態とは異なる燃焼室５１０において同様に燃料Ｐが着火されて、ピストン５２０が押し下げられて動力として利用される。
【００２６】
内燃機関５００は、かかる第１状態と第２状態とを、所定の周波数で繰り返すことで、継続的に動力を得ることができる。
【００２７】
このような内燃機関５００において、従来例として図７に示すようなレーザ点火装置３００を用いた場合について考える。
レーザ点火装置３００は、図７に示すように、レーザ光Ｌ’を出射する光源部３０１と、レーザ光Ｌ’を平行光へと偏向するコリメートレンズ３０２と、導光光学系３０３と、レーザ光Ｌ’を燃焼室５１０まで導く導光路３０４と、レーザ共振器３０６とを有している。
このとき、例えば複数の燃焼室５１０へとレーザ光Ｌ’を導いて、レーザ共振器３０６によって共振して点火に用いるためには、図７に示すように、燃焼室５１０の個数と同じだけの光源部３０１が必要であった。
しかしながら、光源部３０１を複数用意することは、特に気筒数の多いコジェネレーションシステムのような内燃機関においては、コストが著しく増大してしまうという問題があった。
【００２８】
本実施形態では、分岐部８０が、レーザ光Ｌの光路を選択する光路選択部としての機能を有している。すなわち、点火時にはレーザ光Ｌの光路は決定されており、出力した全てのレーザ光Ｌが照射対象に入射するから、高出力、短パルスを維持した状態で、複数の照射対象にレーザ光Ｌを照射することができる。
【００２９】
また、レーザ装置２００は、回転駆動部８１がミラー８２を内燃機関５００と同一の周期で回動させることで、第１状態と第２状態とを繰り返しながら、燃焼室５１０の燃料Ｐに持続的に点火させている。
言い換えると、分岐部８０は、レーザ光Ｌが通る光ファイバ７ａ、７ｂを時間的に切り替えて変化させる。
かかる構成により、本実施形態におけるレーザ装置２００は、１つの光源部２を用いて、低コストで複数の照射対象に安定して点火することが可能である。
さらに、回転駆動部８１がミラー８２を内燃機関５００の動作と同期して回動させるから、燃焼室５１０を点火する必要がないとき、例えば第１状態における光ファイバ７ｂ側の燃焼室５１０にはレーザ光Ｌが照射されることがない。
かかる構成によれば、レーザ装置２００の出力するレーザ光Ｌを的確に必要な照射対象へ向けて照射するから、レーザ光Ｌの利用効率が良くコスト低下に寄与する。
【００３０】
本実施形態におけるレーザ装置２００は、コリメートレンズ３を経たレーザ光Ｌを２つの光ファイバ７ａ、７ｂにそれぞれ導く第１光路８０ａと第２光路８０ｂとを形成する分岐部８０を有している。
かかる構成により、光源部２からのレーザ光Ｌを分岐して、複数の照射対象に照射することが可能である。
【００３１】
また、レーザ装置２００は、光ファイバ７ａ、７ｂの入射側端部へ向けてレーザ光Ｌを集光する集光レンズ８３、８４を有している。
かかる構成により、光ファイバ７ａ、７ｂの芯部分にレーザ光Ｌを入射させることができて、光ファイバ７ａ、７ｂの入射側端部におけるレーザ光Ｌの損失を抑制して、伝送効率が向上する。
【００３２】
また、本実施形態において、光源部２の数は光ファイバ７ａ、７ｂの数よりも少ない。  かかる構成により、光源部２からのレーザ光Ｌを分岐して、複数の照射対象に照射することが可能である。
【００３３】
また、光源部２は、発光点２１が、レーザ光Ｌの光軸方向たるＺ方向に対して垂直な平面に２次元配列された面発光レーザ素子である。
かかる構成により、単一の光源部２を用いる場合にも、複数の照射対象に照射することが可能である。
【００３４】
また、本実施形態における導光路７ａ、７ｂは、光ファイバである。
かかる構成により、光ファイバ７ａ、７ｂを透過中のレーザ光Ｌの損失を抑制して、伝送効率が向上する。
【００３５】
本実施形態において、分岐部８０は、複数の光ファイバ７ａ、７ｂのうち、何れの光ファイバ７ａ、７ｂにレーザ光Ｌを導くかを選択する光路選択部としての機能を有している。
また、分岐部８０は、レーザ光Ｌが通る光ファイバ７ａ、７ｂを時間的に切り替えて、光ファイバ７ａ、７ｂのどちらを通過するのかを変化させる。
かかる構成により、交互に複数の照射対象にレーザ光Ｌを照射することができる。
【００３６】
また、分岐部８０は、レーザ光Ｌを反射するミラー８２と、ミラー８２を回動させる回転駆動部８１と、を有している。
かかる構成により、分岐部８０はミラー８２を回動させることでレーザ光Ｌの光路が切り替えられる。
【００３７】
本発明の第２の実施形態として、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すような構成の分岐部９０を備えたレーザ装置４００について示す。
なお、第２の実施形態において、第１の実施形態と共通する構成については、同一の番号を付して説明は適宜省略する。
【００３８】
図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、第２の実施形態におけるレーザ装置４００は、レーザ光Ｌを出射する光源部２と、光源部２に対向して配置され、レーザ光ＬをＺ方向に平行な平行光とするレンズたるコリメートレンズ３と、を有している。
レーザ装置４００はまた、レーザ光Ｌを照射対象たる燃焼室５１０に充填された燃料Ｐへ向けて導くための光ファイバ７ａ、７ｂと、を有している。
分岐部９０は、レーザ光Ｌを偏向する屈折部たるプリズム９４と、プリズム９４の出射側に一体に取り付けられた集光レンズ８５と、プリズム９４と集光レンズ８５とを回動させる駆動部たる回転駆動部８１と、を有している。
集光レンズ８５は、図５（ａ）に示す第１状態及び図５（ｂ）に示す第２状態においてレーザ光Ｌを光ファイバ７ａ、７ｂの入射口たる入射側端部７１にそれぞれ導くための凸レンズである。
【００３９】
かかる第２の実施形態において、プリズム９４と、集光レンズ８５と、は光源部２の仮想的な中心軸Ｏを回転中心として回動可能に支持されている。
かかる構成により、第１の実施形態のように切り替える必要がなく、常に回転させることで、複数の照射対象にレーザ光Ｌを持続的に照射することができる。
【００４０】
ところで、例えばプリズム９４と集光レンズ８５とをＹ軸を回転中心として回動させた場合には、図５（ｃ）に例として示すように、光源部２に向かってレーザ光Ｌの戻り光が入射してしまう懸念がある。
そこで、第２の実施形態ではプリズム９４と集光レンズ８５とは光源部２の仮想的な中心軸Ｏを回転中心として回動可能に支持されていることが望ましい。
言い換えると、回転駆動部８１は、プリズム９４を光源部２の中心軸Ｏを中心として回動させる。
かかる構成により、プリズム９４によるレーザ光Ｌの戻り光が光源部２へと入射することを抑制しながらも、常に回転させることで、複数の照射対象にレーザ光Ｌが持続的に照射される。
【００４１】
さらに、中心軸Ｏを中心として回動させることで、第１の実施形態で述べた構成よりもより早い光路の切替が可能である。
【００４２】
かかる構成においてさらに、光ファイバ７ａ、７ｂの集光位置Ｆが、光ファイバ７ａと、光ファイバ７ｂとで異なるように配置して、数μｓ〜数百μｓの遅延時間を設定して、任意のタイミングで燃焼室５１０の燃料Ｐを燃焼させて動力を取り出すとしても良い。
【００４３】
また、本発明の第３の実施形態として、レーザ点火装置たるレーザ装置２００の分岐部８０にハーフミラー８６を用いた例を図６に示す。
【００４４】
このように、分岐部８０にハーフミラー８６を用いた場合には、光源部２から出射されたレーザ光Ｌを同時に、同じ燃焼室５１０の違う場所に集光させ、多点点火させることができる。
かかる構成により、レーザ装置２００は燃焼室５１０の燃料Ｐを同時多点点火させることで、燃焼効率を向上させる。
あるいは、他の実施形態のように、異なる燃焼室５１０に照射するとしても良い。
【００４５】
以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００４６】
例えば、上記実施形態において、レーザ装置は、点火装置のほかにも、金属を加工するパルスレーザー加工機に用いても良いし、レーザーメスなどの医療用機器に用いても良い。また、本実施形態では分岐部において光路を２つに分岐するとしたが、３以上に分岐しても良い。
【００４７】
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４８】
２      光源部（面発光レーザ素子）
３      レンズ（コリメータレンズ）
７ａ、７ｂ  導光路（光ファイバ）
９      制御部
２１    発光点
７１    入射口（入射側端部）
７２    出射側端部
８０    光路形成部（分岐部）（光路選択部）
８１    駆動部（回転駆動部）
８２    反射部（ミラー）
８３、８４、８５  集光レンズ
８６    ハーフミラー
９０    光路形成部（分岐部）（光路選択部）
９１    発振条件制御部
９２    光路制御部
９４    屈折部（プリズム）
２０６  レーザ共振器
Ｏ      中心軸
Ｌ      レーザ光
２００、３００、４００  レーザ光発生装置（レーザ装置）
５００      内燃機関
５１０      燃焼室
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４９】
【特許文献１】特開２０１４−１９２１６６号公報
【図１】
2017220630.tif 000003
【図２】
2017220630.tif 000004
【図３】
2017220630.tif 000005
【図４】
2017220630.tif 000006
【図５】
2017220630.tif 000007
【図６】
2017220630.tif 000008
【図７】
2017220630.tif 000009