(57)【要約】【課題】発光領域内における光強度の均一性を向上させる。【解決手段】面発光レーザアレイは、複数の面発光レーザ素子２１が配置された発光領域１４と、電流を発光領域１４の外周部２６から面発光レーザ素子２１に供給する電流経路とを備える。複数の面発光レーザ素子２１間の間隔は、発光領域１４の中心部２５側より外周部２６側の方が大きい。発光領域１４は、中心部２５を対称点とする点対称な形状である。発光領域１４は、間隔Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が異なる３つ以上の領域４１，４２，４３を含む。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の面発光レーザ素子が配置された発光領域と、
電流を前記発光領域の外周部から前記面発光レーザ素子に供給する電流経路と、
を備え、
前記複数の面発光レーザ素子間の間隔は、前記発光領域の中心部側より前記外周部側の方が大きい、
面発光レーザアレイ。
【請求項２】
前記間隔は、前記中心部から前記外周部へ向かって徐々に大きくなる、
請求項１に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項３】
前記発光領域は、前記間隔が異なる３つ以上の領域を含む、
請求項２に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項４】
１つの前記領域内における前記間隔は、一定である、
請求項３に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項５】
１つの前記領域内における前記間隔は、幅を有し、
相対的に前記中心部側に位置する前記領域における前記間隔の最大値は、相対的に前記外周部側に位置する前記領域における前記間隔の最小値より小さい、
請求項３に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項６】
前記発光領域は、前記中心部を対称点とする点対称な形状である、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項７】
前記発光領域は、円形である、
請求項６に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項８】
前記発光領域は、多角形である、
請求項６に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項９】
前記電流経路は、前記複数の面発光レーザ素子が接続された共通の陽電極を含む、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項１０】
前記電流経路は、前記複数の面発光レーザ素子が接続された共通の陰電極を含む、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイと、
前記面発光レーザアレイから射出された光を集光する光学系と、
集光された前記光を共振させるレーザ共振器と、
を備えるレーザ装置。
【請求項１２】
前記光を伝送する部材であり、前記面発光レーザアレイと前記レーザ共振器との間に配置される伝送部材、
を更に備える請求項１１に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
前記光学系は、前記面発光レーザアレイから射出され前記伝送部材に入射される光を集光する光学素子を含む第１の光学系を含む、
請求項１２に記載のレーザ装置。
【請求項１４】
前記光学系は、前記伝送部材に伝送され前記レーザ共振器に入射される光を集光する光学素子を含む第２の光学系を含む、
請求項１２又は１３に記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザアレイ及びレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光源として、複数の面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ:Vertical  Cavity  Surface  Emitting  Laser）が平面的に配置された面発光レーザアレイが用いられている。
【０００３】
例えば、高密度に配置された発光素子（面発光レーザ素子）が発生させる熱の悪影響を軽減することを目的として、複数の発光素子間の間隔が発光領域の外周部より中心部の方が大きい面発光レーザアレイが開示されている（特許文献１）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
面発光レーザアレイの電流経路として、電流を発光領域の外周部から各発光素子に供給する経路が考えられる。このような電流経路を採用した面発光レーザアレイにおいては、複数の発光素子が発光領域全体にわたって均一に配置されていると、発光領域の外周部の電流密度が中心部の電流密度より大きくなる。このような電流密度の偏りが生ずると、外周部近傍に配置された発光素子の光強度が中心部近傍に配置された発光素子の光強度より大きくなるため、発光領域内における光強度の均一性が損なわれる。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発光領域内における光強度の均一性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の面発光レーザ素子が配置された発光領域と、電流を前記発光領域の外周部から前記面発光レーザ素子に供給する電流経路とを備え、前記複数の面発光レーザ素子間の間隔は、前記発光領域の中心部側より前記外周部側の方が大きい面発光レーザアレイである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、発光領域内における光強度の均一性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態にかかる面発光レーザアレイの構成を示す側面断面図である。
【図２】図２は、実施の形態にかかる発光素子の構成を示す側面断面図である。
【図３】図３は、実施の形態にかかる面発光レーザアレイがサブマウント上にボンディングされた状態を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態にかかる面発光レーザアレイの構成を示す上面図である。
【図５】図５は、実施の形態にかかる発光素子の配列及び間隔の第１の例を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態にかかる発光素子の配列及び間隔の第２の例を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態の第１の例にかかる発光領域を示す図である。
【図８】図８は、図７に示す発光領域における発光素子の間隔を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態にかかる面発光レーザアレイの電流量と光強度との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態にかかる発光領域と光強度との対応関係を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態の第２の例にかかる発光領域を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態の第３の例にかかる発光領域を示す図である。
【図１３】図１３は、実施の形態の第４の例にかかる発光領域を示す図である。
【図１４】図１４は、実施の形態の第５の例にかかる発光領域を示す図である。
【図１５】図１５は、実施の形態の第６の例にかかる発光領域を示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態の第７の例にかかる発光領域を示す図である。
【図１７】図１７は、実施の形態の第８の例にかかる発光領域を示す図である。
【図１８】図１８は、実施の形態の第８の例にかかる発光領域内の各領域における発光素子の間隔を示す図である。
【図１９】図１９は、実施の形態にかかるエンジンの主要部の構成を模式的に示す図である。
【図２０】図２０は、実施の形態にかかる点火装置の構成を示す図である。
【図２１】図２１は、実施の形態にかかるレーザ共振器の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、実施の形態にかかる面発光レーザアレイ１の構成を示す側面断面図である。面発光レーザアレイ１は、半導体基板１１、上部電極１２（陽電極）、下部電極１３（陰電極）、及び発光領域１４を含む。
【００１０】
発光領域１４には、複数の面発光レーザ素子（以下、発光素子と略記する）２１が平面的に配置されている。各発光素子２１は、発光領域１４の面に垂直な方向（Ｚ方向）にレーザ光２２を射出する。なお、図１に示す発光素子２１の数は単なる例示であり、実際の面発光レーザアレイ１における発光素子２１の数を示唆するものではない。
【００１１】
面発光レーザアレイ１は、各発光素子２１に電流を供給する電流経路を含む。電流経路は、上部電極１２及び下部電極１３を含む。
【００１２】
上部電極１２は、半導体基板１１の上面（Ｚ方向側の面）に配置されている。下部電極１３は、半導体基板１１の下面（Ｚ方向とは反対側の面）に配置されている。上部電極１２及び下部電極１３の主要構成材料は、Ａｕであることが好ましいが、Ｃｕ等であってもよい。上部電極１２は陽極として機能し、下部電極１３は陰極として機能する。上部電極１２及び下部電極１３の両方又はどちらか一方は、全ての発光素子２１と接続する共通電極であってもよい。上部電極１２及び下部電極１３が共通電極である場合には、複雑な電流経路を構築することなく、複数の発光素子２１を同時に駆動させることができる。
【００１３】
図２は、実施の形態にかかる発光素子２１の構成を示す側面断面図である。発光素子２１は、半導体基板１１、上部電極１２、下部電極１３、反射層３１，３２、活性層３３、選択酸化層３４、コンタクト層３５、及び射出口３７を含む。電流が上部電極１２から下部電極１３へ流通することにより、Ｚ方向と平行な方向に共振したレーザ光２２が射出口３７からＺ方向に射出される。なお、図２に示す構成は単なる例示であり、発光素子２１の構成としては、ＶＣＳＥＬに関する公知又は新規な構成を適宜採用することができる。
【００１４】
図３は、実施の形態にかかる面発光レーザアレイ１がサブマウント５１上にボンディングされた状態を示す図である。サブマウント５１は、基板６１、陽極膜６２、陰極膜６３、陽極ロッド６４、及び陰極ロッド６５を含む。陽極膜６２及び陰極膜６３は、Ａｕ、Ｃｕ等の導電性の材料からなる部材であり、セラミックス等からなる基板６１上に蒸着等により固定されている。陽極膜６２は、上面視凹形状を有する。陰極膜６３は、上面視凸形状を有する。陽極膜６２及び陰極膜６３は、陽極膜６２の凹部と陰極膜６３の凸部とが嵌合するように、且つ陽極膜６２と陰極膜６３との間に所定の隙間が形成されるように、配置されている。陽極ロッド６４及び陰極ロッド６５は、Ａｕ、Ｃｕ等の導電性の材料からなる部材である。陽極ロッド６４の一端側は電源の陽電極に接続し、他端側は陽極膜６２に接続している。陰極ロッド６５の一端側は電源の陰電極に接続し、他端側は陰極膜６３に接続している。
【００１５】
本実施の形態にかかる面発光レーザアレイ１は、陰極膜６３上にダイボンディングされており、面発光レーザアレイ１の下部電極１３は、陰極膜６３と接続している。面発光レーザアレイ１の上部電極１２は、複数のボンディングワイヤ７１を介して陽極膜６２と接続している。ボンディングワイヤ７１は、面発光レーザアレイ１の４辺のうち陽極膜６２と対峙する３辺に沿って設置されている。
【００１６】
上記のように面発光レーザアレイ１とサブマウント５１とが接続されることにより、電流は、上部電極１２を介して発光領域１４の外周部から各発光素子２１に供給される。なお、電流経路（発光領域１４の外周部から各発光素子２１に電流を供給する経路）は、上記に限られるものではなく、公知又は新規な構成を適宜利用して構築され得るものである。
【００１７】
図４は、実施の形態にかかる面発光レーザアレイ１の構成を示す上面図である。本例では、正方形の上部電極１２（半導体基板１１）の中央に円形の発光領域１４が形成されている。発光領域１４は、中心部２５を対称点とする点対称な形状であることが好ましい。
【００１８】
本例にかかる発光領域１４は、第１の領域４１、第２の領域４２、及び第３の領域４３を含む。第１の領域４１、第２の領域４２、及び第３の領域４３は、それぞれ内部に配置された複数の発光素子２１間の間隔が異なっている。第１の領域４１における発光素子２１の間隔は、第２の領域４２及び第３の領域４３における発光素子２１の間隔より小さい。第２の領域４２における発光素子２１の間隔は、第１の領域４１における発光素子２１の間隔より大きく、第３の領域４３における発光素子２１の間隔より小さい。第３の領域４３における発光素子２１の間隔は、第１の領域４１及び第２の領域４２における発光素子２１の間隔より大きい。発光素子２１の間隔が異なる領域の数は多い程好ましく、３水準以上であることが好ましい。また、発光素子２１の間隔の変化はシームレスであってもよい。
【００１９】
図５は、実施の形態にかかる発光素子２１の配列及び間隔の第１の例を示す図である。本例にかかる複数の発光素子２１は、Ｘ方向の間隔が均等になるように、且つＹ方向に隣接する２つの発光素子２１の位置が互いにずれるように配置されている。同図中Ｄｘは、Ｘ方向に隣接する２つの発光素子２１間の間隔である。同図中Ｄｙは、Ｙ方向に隣接する２つの素子列（Ｘ方向に均等に配置された複数の発光素子２１からなる素子列）間の間隔である。
【００２０】
図６は、実施の形態にかかる発光素子２１の配列及び間隔の第２の例を示す図である。本例にかかる複数の発光素子２１は、Ｘ方向の間隔及びＹ方向の間隔がそれぞれ均等になるように配置されている。同図中Ｄｘは、Ｘ方向に隣接する２つの発光素子２１間の間隔である。同図中Ｄｙは、Ｙ方向に隣接する２つの発光素子２１間の間隔である。
【００２１】
上記Ｄｘ，Ｄｙに例示されるような発光素子２１の間隔を変化させることにより、上記第１の領域４１、第２の領域４２、及び第３の領域４３を形成することができる。例えば、第１の領域４１におけるＤｘ，Ｄｙを第２の領域４２及び第３の領域４３におけるＤｘ，Ｄｙより小さくし、第２の領域４２におけるＤｘ，Ｄｙを第１の領域４１におけるＤｘ，Ｄｙより大きくすると共に第３の領域４３におけるＤｘ，Ｄｙより小さくし、第３の領域４３におけるＤｘ，Ｄｙを第１の領域４１及び第２の領域４２におけるＤｘ，Ｄｙより大きくすればよい。なお、発光素子２１の配列、間隔、形状等は、上記に限られるものではなく、公知又は新規な構成を適宜適用し得るものである。
【００２２】
図７は、実施の形態の第１の例にかかる発光領域１４を示す図である。図８は、図７に示す発光領域１４における発光素子２１の間隔Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３（上記Ｄｘに相当）を示す図である。第１の領域４１における発光素子２１の間隔Ｄ１、第２の領域４２における発光素子２１の間隔Ｄ２、及び第３の領域４３における発光素子２１の間隔Ｄ３は、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係を有する。
【００２３】
なお、上記Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３のような発光素子２１の間隔に関する関係は、必ずしも全ての発光素子２１について成り立たなければならない訳ではない。例えば、第１の領域４１における発光素子２１の密度をＤｅ１、第２の領域４２における発光素子２１の密度をＤｅ２、及び第３の領域４３における発光素子２１の密度をＤｅ３とするとき、Ｄｅ１＞Ｄｅ２＞Ｄｅ３の関係が成り立つことにより、上記Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係が成り立つことによる効果と同様の効果を得ることができる。図８に示す例では、第１の領域４１における単位面積Ｓ１あたりの発光素子２１の数が１４個であり、第２の領域４２における単位面積Ｓ１あたりの発光素子２１の数が４個であり、第３の領域４３における単位面積Ｓ１あたりの発光素子２１の数が３個である。このような密度の大小関係が、各領域４１，４２，４３全体として保たれていれば、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係が部分的に保たれていなくてもよい場合がある。
【００２４】
なお、図７及び図８に示す形状、発光素子２１の数等は、説明のための単なる例示であり、実際の面発光レーザアレイ１の形状、発光素子２１の数等を示唆するものではない。例えば、実際の面発光レーザアレイ１における発光素子２１の数は、数万以上であり得る。例えば、発光領域１４の直径が９ｍｍ、上部電極１２（半導体基板１１）の大きさ・形状が１２ｍｍ×１２ｍｍの正方形、各発光素子２１の大きさ・形状が３０μｍ×３０μｍの正方形、第１の領域４１の半径が２．２ｍｍ、第２の領域４２の半径が３．４ｍｍ、第３の領域４３の半径が４．５ｍｍ、Ｄ１が１０μｍ、Ｄ２が１５μｍ、Ｄ３が２０μｍ、発光素子２１の個数が３６０５４個である面発光レーザアレイ１を製造し得る。
【００２５】
図９は、実施の形態にかかる面発光レーザアレイ１の電流量と光強度との関係を示す図である。実線で示す線４５は、本実施の形態にかかる面発光レーザアレイ１における電流量と光強度との関係を示している。破線で示す線４６は、従来の面発光レーザアレイにおける電流量と光強度との関係を示している。
【００２６】
線４５に対応する本実施の形態にかかる面発光レーザアレイ１と線４６に対応する従来の面発光レーザアレイとは、発光素子２１の配置及び個数が異なっている。本実施の形態にかかる面発光レーザアレイ１の発光素子２１は、上述したように、その間隔が発光領域１４の中心部２５側より外周部２６側の方が大きくなるように配置されている。これに対し、従来の面発光レーザアレイの発光素子は、その間隔が発光領域全体にわたって均一になるように配置されている。その結果、本実施の形態における発光素子２１の数は、従来の面発光レーザアレイにおける発光素子の数より少なくなっている。例えば図９は、本実施の形態における発光素子２１が３６０５４個であり、従来における発光素子が４５９１１個である場合の結果を示している。
【００２７】
図９に示すように、本実施の形態にかかる面発光レーザアレイ１における電流量と光強度との関係は、従来の面発光レーザアレイにおける電流量と光強度との関係と略一致する。すなわち、本実施の形態によれば、従来よりも少ない発光素子２１を用い、電流量を増加させることなく、従来と同等の光強度を得ることが可能となる。
【００２８】
図１０は、実施の形態にかかる発光領域１４と光強度との対応関係を示す図である。実線で示す線４７は、本実施の形態にかかる発光領域１４に対応する光強度を示している。破線で示す線４８は、従来の発光領域に対応する光強度を示している。
【００２９】
線４７及び線４８が示すように、本実施の形態及び従来構造共に、発光領域１４の中心部２５における光強度が外周部２６における光強度より弱くなる。これは、各発光素子２１を駆動させる電流が外周部２６から供給されることにより、中心部２５における電流密度が外周部２６における電流密度より小さくなるためである。
【００３０】
線４７が示す本実施の形態における外周部２６の光強度と中心部２５の光強度との差Δ１は、線４８が示す従来構造における外周部２６の光強度と中心部２５の光強度との差Δ２よりも小さい。これは、本実施の形態においては、上述したように外周部２６に近い領域ほど発光素子２１間の間隔が大きくなっているため、外周部２６に近い領域における電流消費が抑えられ、中心部２５に十分な量の電流が供給されるからである。これにより、中心部２５における光強度の低下が抑えられ、発光領域１４全体における光強度の均一性が向上される。
【００３１】
上記実施の形態においては、図７に示す円形の発光領域１４を例として説明したが、発光領域はこれに限られるものではない。以下に、発光領域のバリエーションを示す。
【００３２】
図１１は、実施の形態の第２の例にかかる発光領域５０を示す図である。本例の発光領域５０は、中心部２５を点対称点とする正方形である。このような形状であっても、上記第１の例にかかる発光領域１４と同様の作用効果を得ることができる。
【００３３】
図１２は、実施の形態の第３の例にかかる発光領域６０を示す図である。本例の発光領域６０は、中心部２５を点対称点とする長方形である。このような形状であっても、上記第１の例にかかる発光領域１４と同様の作用効果を得ることができる。
【００３４】
図１３は、実施の形態の第４の例にかかる発光領域７０を示す図である。本例の発光領域７０は、中心部２５を点対称点とする正六角形である。このような形状であっても、上記第１の例にかかる発光領域１４と同様の作用効果を得ることができる。
【００３５】
図１４は、実施の形態の第５の例にかかる発光領域８０を示す図である。本例の発光領域８０は、中心部２５を点対称点とする正八角形である。このような形状であっても、上記第１の例にかかる発光領域１４と同様の作用効果を得ることができる。
【００３６】
上記のように、発光領域５０，６０，７０，８０は多角形であってもよく、一般的に円に近い形状であること、すなわち頂点の数が比較的多い多角形であることが好ましい。
【００３７】
図１５は、実施の形態の第６の例にかかる発光領域９０を示す図である。本例の発光領域９０は、図７に示す第１の例にかかる発光領域１４と同様に円形であるが、その内部に配置された複数の発光素子２１が中心部２５から放射状に配置されている。このような形状であっても、上記第１の例にかかる発光領域１４と同様の作用効果を得ることができる。
【００３８】
図１６は、実施の形態の第７の例にかかる発光領域９３を示す図である。本例の発光領域９３は、第１の領域４１、第２の領域４２、第３の領域４３、及び第４の領域４４を含む。第１の領域４１における発光素子２１の間隔をＤ１（図８参照）、第２の領域４２における発光素子２１の間隔をＤ２（図８参照）、第３の領域における発光素子２１の間隔を間隔Ｄ３（図８参照）、第４の領域４４における発光素子２１の間隔をＤ４（図１６参照）とするとき、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４の関係が成り立つ。このように、発光素子２１の間隔が異なる領域の数を４つにすることにより、図７に示す第１の例のように領域の数が３つである場合よりも、発光領域９３内における光強度の均一性を向上させる効果をより大きくすることができる。なお、領域の数は５つ以上であってもよい。
【００３９】
図１７は、実施の形態の第８の例にかかる発光領域９５を示す図である。本例の発光領域９５は、第１の領域４１、第２の領域４２、及び第３の領域４３を含む。本例の発光領域９５内に配置された複数の発光素子２１は、図７に示す第１の例のように整然と配列された発光素子２１とは異なり、ある程度ランダムに配列されている。
【００４０】
図１８は、実施の形態の第８の例にかかる発光領域９５内の各領域４１，４２，４３における発光素子２１の間隔Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を示す図である。上記のように、本例においては発光素子２１がある程度ランダムに配列されているため、本例にかかる間隔Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、それぞれある程度の幅（誤差）を有している。最も中心部２５側に位置する領域４１（相対的に中心部２５側に位置する領域）における間隔Ｄ１の最大値は、２番目に中心部２５側に位置する領域４２（相対的に外周部２６側に位置する領域）における間隔Ｄ２の最小値より小さく、２番目に中心部２５側に位置する領域４２（相対的に中心部２５側に位置する領域）における間隔Ｄ２の最大値は、最も外周部２６側に位置する領域４３（相対的に外周部２６側に位置する領域）における間隔Ｄ３の最小値より小さいことが好ましい。例えば、定数ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４がｄ１＜ｄ２＜ｄ３＜ｄ４の関係を有するとき、間隔Ｄ１はｄ１≦Ｄ１＜ｄ２を満たし、間隔Ｄ２はｄ２≦Ｄ２＜ｄ３を満たし、間隔Ｄ３はｄ３≦Ｄ３＜ｄ４を満たすことが好ましい。このような関係を満たすことにより、各領域４１，４２，４３における各間隔Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３がそれぞれある程度の幅を有する場合であっても、発光領域９５全体として間隔Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が中心部２５から外周部２６へ向かって徐々に大きくなるという関係を保つことができ、発光領域９５内における光強度の均一性を向上させることができる。
【００４１】
以下に、上記面発光レーザアレイ１の利用例を示す。図１９は、実施の形態にかかるエンジン１０１の主要部の構成を模式的に示す図である。
【００４２】
エンジン１０１は、点火装置１１１、燃料噴出機構１１２、排気機構１１３、燃焼室１１４、及びピストン１１５を含む。
【００４３】
エンジン１０１の動作の概略は以下のとおりである。
（１）燃料噴出機構１１２が燃料及び空気の可燃性混合気を燃焼室１１４内に噴出する（吸気）。
（２）ピストン１１５が上昇し、可燃性混合気を圧縮する（圧縮）。
（３）点火装置１１１が燃焼室１１４内にレーザ光を射出する。これにより、燃料に点火される（着火）。
（４）燃焼ガスが発生し、ピストン１１５が降下する（燃焼）。
（５）排気機構１１３が燃焼ガスを燃焼室１１４外へ排気する（排気）。
【００４４】
このように、吸気、圧縮、着火、燃焼、及び排気からなる一連の過程が繰り返される。そして、燃焼室１１４内の気体の体積変化に対応してピストン１１５が運動し、運動エネルギーを生じさせる。燃料には例えば天然ガス、ガソリン等が用いられる。
【００４５】
エンジン１０１は、制御装置から出力される制御信号に基づいて上記動作を行う。制御装置は、例えばＣＰＵ（Central  Processing  Unit）等を含んで構成されるユニットであり、エンジン１０１の外部に設けられ、エンジン１０１と電気的に接続されている。
【００４６】
図２０は、実施の形態にかかる点火装置１１１の構成を示す図である。点火装置１１１は、レーザ装置２０１、射出光学系２０２、及び保護部材２０３を含む。点火装置１１１は、駆動装置３０１から供給される電流により駆動される。駆動装置３０１は、制御装置３０２から出力される制御信号により制御される。
【００４７】
射出光学系２０２は、レーザ装置２０１から射出されたレーザ光を集光する。これにより、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。
【００４８】
保護部材２０３は、燃焼室１１４に臨んで設けられた透明の窓である。保護部材２０３の材料としてサファイアガラス等を用いることができる。
【００４９】
レーザ装置２０１は、面発光レーザアレイ１、第１の光学系２１１、光ファイバ２１２（伝送部材）、第２の光学系２１３、及びレーザ共振器２１４を含む。ここでは、ＸＹＺ−３次元直交座標系を用い、面発光レーザアレイ１から射出された光の射出方向を＋Ｚ方向として説明する。
【００５０】
面発光レーザアレイ１は、励起用光源として用いられる。面発光レーザアレイ１から射出された光の波長は、例えば８０８ｎｍである。
【００５１】
面発光レーザアレイ１は、温度による光の波長ずれが非常に少ないため、励起波長のずれにより特性が大きく変化するＱスイッチレーザを励起するのに有利な光源である。面発光レーザアレイ１を励起用光源に用いることにより、環境温度を制御する機構を簡易なものにすることができるという利点が得られる。
【００５２】
第１の光学系２１１は、面発光レーザアレイ１から射出された光を集光する光学素子を含む。第１の光学系２１１で集光された光は光ファイバ２１２に入射する。
【００５３】
光ファイバ２１２は、そのコアの−Ｚ側端面の中心が第１の光学系２１１により光が集光される位置に位置するように配置されている。光ファイバ２１２として、例えばコア径が１．５ｍｍ、ＮＡ（Numerical  Aperture）が０．３９の光ファイバを用いることができる。
【００５４】
光ファイバ２１２を設けることにより、面発光レーザアレイ１をレーザ共振器２１４から離れた位置に設置することができる。これにより、設計の自由度が向上する。また、レーザ装置２０１を点火装置１１１の一部として用いる際に、熱源（例えば燃焼室１１４）から面発光レーザアレイ１を遠ざけることができる。そのため、採用し得るエンジン１０１の冷却機構の種類が多くなる。
【００５５】
光ファイバ２１２に入射した光はコア内を伝播し、コアの＋Ｚ側端面から射出される。
【００５６】
第２の光学系２１３は、光ファイバ２１２から射出された光を集光する光学素子を含む。第２の光学系２１３で集光された光はレーザ共振器２１４に入射する。
【００５７】
レーザ共振器２１４は、第２の光学系２１３から射出された光を共振させ増幅させるＱスイッチレーザである。図２１は、実施の形態にかかるレーザ共振器２１４の構成を示す図である。レーザ共振器２１４は、レーザ媒質２２１及び可飽和吸収体２２２を含む。
【００５８】
レーザ媒質２２１は、例えば３ｍｍ×３ｍｍ×８ｍｍの直方体形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、Ｎｄが１．１％ドープされたものであり得る。可飽和吸収体２２２は、例えば３ｍｍ×３ｍｍ×２ｍｍの直方体形状のＣｒ：ＹＡＧ結晶であり、初期透過率が３０％のものであり得る。
【００５９】
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＣｒ：ＹＡＧ結晶とは接合されており、いわゆるコンポジット結晶を構成するものであってもよい。Ｎｄ：ＹＡＧ結晶及びＣｒ：ＹＡＧ結晶はいずれもセラミックスである。
【００６０】
第２の光学系２１３から射出された光はレーザ媒質２２１に入射する。すなわち、第２の光学系２１３から射出された光によりレーザ媒質２２１が励起される。面発光レーザアレイ１から射出された光の波長はＹＡＧ結晶において最も吸収効率が高い波長である。可飽和吸収体２２２はＱスイッチの動作を行う。
【００６１】
レーザ媒質２２１の入射側（−Ｚ側）の面（第１の面２２５）及び可飽和吸収体２２２の射出側（＋Ｚ側）の面（第２の面２２６）は、光学研磨処理がなされ、ミラーの役割を果たす。
【００６２】
第１の面２２５及び第２の面２２６には、面発光レーザアレイ１から射出される光の波長及びレーザ共振器２１４から射出される光の波長に応じた誘電体膜がコーティングされている。
【００６３】
例えば、第１の面２２５には、波長が８０８ｎｍの光に対して９９．５％の高い透過率を示し、波長が１０６４ｎｍの光に対して９９．５％の高い反射率を示すコーティングがなされる。第２の面２２６には、波長が１０６４ｎｍの光に対して５０％の反射率を示すコーティングがなされる。
【００６４】
これにより、レーザ共振器２１４内で光が共振し増幅される。レーザ共振器２１４の共振器長は、例えば１０（＝８＋２）ｍｍである。
【００６５】
図２０に示すように、駆動装置３０１は、制御装置３０２からの制御信号に基づいて面発光レーザアレイ１を駆動する。すなわち、駆動装置３０１は、エンジン１０１の動作における着火のタイミングで点火装置１１１から光が射出されるように面発光レーザアレイ１を駆動する。面発光レーザアレイ１における複数の発光素子は、同時に点灯及び消灯されてもよい。
【００６６】
なお、面発光レーザアレイ１をレーザ共振器２１４から離れた位置に置く必要がない場合には、光ファイバ２１２が設けられていなくてもよい。
【００６７】
また、第１の光学系２１１、第２の光学系２１３、及び射出光学系２０２は、いずれも単一の光学素子（レンズ等）から構成されてもよいし、複数の光学素子から構成されてもよい。
【００６８】
なお、上記においては燃焼ガスによりピストン１１５を運動させるエンジン１０１（ピストンエンジン）について説明したが、レーザ装置２０１（点火装置１１１）を利用した内燃機関の構成はこれに限定されるものではない。レーザ装置２０１は、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成させるあらゆる構成の内燃機関に採用され得るものであり、例えばロータリーエンジン、ガスタービンエンジン、ジェットエンジン等にも適用され得る。また、レーザ装置２０１は、排熱を利用して動力、温熱、冷熱等を取り出し、総合的にエネルギー効率を高めるシステムであるコジェネレーションに用いられてもよい。
【００６９】
また、レーザ装置２０１は、内燃機関以外にも適用され得るものであり、例えばレーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置等に利用されてもよい。
【００７０】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記実施の形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図するものではない。この新規な実施の形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施の形態及びその変形は発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１  面発光レーザアレイ
１１  半導体基板
１２  上部電極
１３  下部電極
１４，５０，６０，７０，８０，９０，９３，９５  発光領域
２１  発光素子
２２  レーザ光
２５  中心部
２６  外周部
３１，３２  反射層
３３  活性層
３４  選択酸化層
３５  コンタクト層
３７  射出口
４１  第１の領域
４２  第２の領域
４３  第３の領域
４４  第４の領域
５１  サブマウント
６１  基板
６２  陽極膜
６３  陰極膜
６４  陽極ロッド
６５  陰極ロッド
７１  ボンディングワイヤ
１０１  エンジン
１１１  点火装置
１１２  燃料噴出機構
１１３  排気機構
１１４  燃焼室
１１５  ピストン
２０１  レーザ装置
２１１  第１の光学系
２１２  光ファイバ
２１３  第２の光学系
２１４  レーザ共振器
２２１  レーザ媒質
２２２  可飽和吸収体
２２５  第１の面
２２６  第２の面
３０１  駆動装置
３０２  制御装置
Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４  （発光素子２１の）間隔
Ｓ１  単位面積
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７２】
【特許文献１】特許第５２２４１５９号公報
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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