(57)【要約】  本発明は、パルスレーザビームを生成するための少なくとも１つの手段（１０）と、当該生成されたパルスレーザビームを焦点領域（２３）に集光するための少なくとも１つの手段（２０）とを備えたレーザ点火システム（１）に関し、当該レーザ点火システム（１）はたとえば、内燃機関またはバーナーにおいて可燃性混合気を点火するために使用され、前記レーザ点火システム（１）は、正規化フルエンス体積が０．１を上回るパルスレーザビームを生成するように構成されている。
2016507903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザビームを生成するための少なくとも１つの手段（１０）と、
生成した前記パルスレーザビームを焦点領域（２３）に集光するための少なくとも１つの手段（２０）と
を備えた、たとえば内燃機関またはバーナーにおいて可燃性混合気を点火するためのレーザ点火システムにおいて、
前記レーザ点火システム（１）は、０．１を上回る正規化フルエンス体積を有するパルスレーザビームを生成するように構成されており、
前記フルエンス体積は、最小フルエンスをすべての箇所において上回る体積によって定まるものであり、
前記正規化フルエンス体積（ｎＦＶ）は、フルエンス体積を、最大可能フルエンス体積を基準として正規化したものであり、
前記最小フルエンスは、１０Ｊ／ｍｍ２から２０Ｊ／ｍｍ２までの範囲内の値をとり、特に１０Ｊ／ｍｍ２、１５Ｊ／ｍｍ２または２０Ｊ／ｍｍ２である
ことを特徴とするレーザ点火システム。
【請求項２】
前記最大可能フルエンス体積は、前記最小フルエンスおよびレーザビーム特性値を固定させながら集光の開口数を変化させることにより理論的に実現可能な最大限のフルエンス体積であり、
前記レーザビーム特性値は、とりわけパルスエネルギーおよびビーム品質Ｍ２である、
請求項１記載のレーザ点火システム。
【請求項３】
前記最小フルエンスは、前記焦点領域（２３）における前記パルスレーザビームの最大フルエンスの１／１０から１／２までの範囲内の値により定められている、
請求項１または２記載のレーザ点火システム。
【請求項４】
前記焦点領域（２３）におけるパルスレーザビームの最大フルエンスは、１０Ｊ／ｍｍ２を下回らず、特に５０Ｊ／ｍｍ２を下回らない、
請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項５】
前記焦点領域（２３）におけるパルスレーザビームの最大フルエンスは、１０Ｊ／ｍｍ２から１２０Ｊ／ｍｍ２までの間である、
請求項１から４までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項６】
前記フルエンス体積の最小サイズは１×１０−５ｍｍ３であり、有利には１×１０−４ｍｍ３である、
請求項１から５までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項７】
前記フルエンス体積の長手方向寸法（Ｚ）と横方向寸法（Ｒ）との比は２０倍を下回らず、有利には４０倍を下回らない、
請求項１から６までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項８】
前記フルエンス体積の長手方向寸法（Ｚ）と横方向寸法（Ｒ）との比は２０から６０までの間である、
請求項１から７までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項９】
前記パルスレーザビームを生成するための手段（１０）は、ダイオードポンピング方式および／または受動Ｑスイッチ型の固体レーザであり、
および／または、
前記パルスレーザビームを集光するための手段（２０）はレンズ系として、とりわけテレスコープとして構成されている、
請求項１から８までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１０】
前記レンズ系は、当該レンズ系の自由開口の最大７５％で、とりわけ５０％で均一照射されることにより、とりわけ当該レンズ系のストレールレシオは０．８から１までとなる、
請求項９記載のレーザ点火システム。
【請求項１１】
前記パルスレーザビームのパルスエネルギーは、１ｍＪを下回らず、有利には３ｍＪを下回らない、
請求項１から１０までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１２】
前記パルスレーザビームのパルスエネルギーは、１０ｍＪから２５ｍＪまでの間である、
請求項１から１１までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１３】
前記パルスレーザビームのパルス幅は、０．５ｎｓを下回らず、有利には２ｎｓを下回らない、
請求項１から１２までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１４】
前記パルスレーザビームのパルス幅は、０．５ｎｓから１０ｎｓまでの間である、
請求項１から１３までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１５】
前記パルスレーザビームのビーム品質Ｍ２は２０未満であり、有利には１０未満である、
請求項１から１４までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１６】
前記焦点領域（２３）における前記パルスレーザビームの最大強度は、１０１１Ｗ／ｃｍ２を上回るか、または、１０１１Ｗ／ｃｍ２から１０１３Ｗ／ｃｍ２までの範囲内である、
請求項１から１５までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１７】
前記レーザ点火システムは、電線、光伝送路および／または伝熱路を備えたレーザ点火プラグとして、および／または、内燃機関に取り付けるための手段を有するように構成されており、
前記伝熱路はとりわけ、冷却液用の管路である、
請求項１から１６までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、パルスレーザビームを生成するための少なくとも１つの手段と、生成された当該パルスレーザビームを焦点領域に集光するための少なくとも１つの手段とを備えたレーザ点火システムに関し、当該レーザ点火システムはたとえば、内燃機関またはバーナーにおいて可燃性混合気を点火するために使用される。
【０００２】
レーザ点火へのレーザの現在の応用は、特に、レーザ光の集光可能なところが可能な限り小さいことに主眼を置いたものである。開口数が大きい光学系（DIN 58629-1）を用いることにより、焦点領域におけるビーム径を可能な限り小さくし、かつ、可能な限り高い強度（単位面積あたりのパワー＝パワー密度）を実現するという目的が遂行される。Koga 他により（Journal of Physics D 43 (2010), 025204）、プラズマを点弧させるためには、焦点におけるしきい強度の他に、最小エネルギーないしは最小フルエンス（単位面積あたりのエネルギー＝エネルギー密度）も必要であることを示すことができた。
【０００３】
しかし、高い強度が実現されるにもかかわらず、特に希薄化した混合気の場合には、レーザ点火時に不都合な現象が生じること、たとえば、エンジンストールにまで至る可能性があるイグニッション失火等が生じることも判明している。これに伴い、エンジンの運転時静音性の欠如も生じる。それにより、有害エミッションが増大し、この有害エミッションの増大により、従来の電気点火システムと比較したときのレーザ点火システムの競争力に悪影響が及ぼされる。
【０００４】
本発明の利点／本発明の開示
したがって本発明の課題は、上述の欠点を解消ないしは縮小できるように、冒頭に述べた形式のレーザ点火システムを改善することである。
【０００５】
前記課題は、冒頭に述べた形式の点火システムの場合、本発明では、当該点火システムが、正規化されたフルエンス体積が０．１より大きいパルスレーザビームを生成するように構成することにより解決される。
【０００６】
フルエンス体積を正規化した値が０．１を上回るパルスレーザビームを生成する本発明の構成が特に有利であるのは、このようなパルスレーザビームにより、比較的大きな体積でプラズマ形成を実現できるからである。
【０００７】
本発明の他の実施形態では、フルエンス体積を正規化した値が更に、０．３を上回るかまたは０．５を上回る。実現されるフルエンス体積が、最大可能フルエンス体積に非常に近くなり、このことにより、点火確率がほぼ最大限になるという利点が奏される。
【０００８】
ここで、フルエンス体積を定義するためには、最小エネルギー密度を用いる。この最小エネルギー密度は最小フルエンスとも称され、基本的には、適宜選択することが可能なものである。たとえば、目標とする混合状態に応じて、最小フルエンスの決定を適切に行うことができる。たとえば、最小フルエンスが２０Ｊ／ｍｍ２であると仮定することができる。これは特に、３バールの空気‐メタン混合気に適していることが判明している。室温かつ標準的な大気圧で空気中にプラズマを生成するためには（空気絶縁破壊）、たとえば１５Ｊ／ｍｍ２の最小フルエンスで十分である。システムや外部周辺条件に応じて、たとえば温度または圧力が高くなると、システムの所要最小フルエンスは、１０Ｊ／ｍｍ２または２０Ｊ／ｍｍ２または２５Ｊ／ｍｍ２または３０Ｊ／ｍｍ２となることがある。
【０００９】
本発明の基礎となる認識は、比較的大きな体積でこの最小フルエンスに達すると、レーザパルスの実際のエネルギーが比較的均一に分布した状態になっているということである。このことにより、焦点領域においてプラズマが形成された後、燃料混合気が着火する確率を高くすることができる。このことによりイグニッション失火は回避され、内燃機関の運転静音性は改善される。このことにより、非常に希薄化した燃料混合気、すなわち空気過剰率が高い燃料混合気も、比較的確実に点火させることが可能になる。このことが有利であるのは、内燃機関の効率は通常、点火対象となる混合気が希薄化しやすくなるほど増大するからである。
【００１０】
それに対し、プラズマが比較的小さい場合、これが比較的高強度であっても、混合気が点火せずに、生成されたプラズマのエネルギーがたとえば音波となって消失する確率が高くなる。
【００１１】
最小フルエンスを超える領域である体積を、フルエンス体積と称する。所与のレーザビーム特性値で、かつ集光の特定の開口数の場合のフルエンス体積を、最大可能フルエンス体積に基づいて正規化したものが、上述の「正規化されたフルエンス体積」である。「レーザビーム特性値」とは、ここではとりわけ、パルスエネルギーとビーム品質Ｍ２（DIN EN ISO 11146-1）とを包含した概念である。
【００１２】
最大可能フルエンス体積とは、所与のレーザ点火システムにおいて、最小フルエンスと、特にパルスエネルギー、ビーム品質Ｍ２および波長であるレーザビーム特性値との各パラメータを固定させながら、レンズの開口数を変化させることにより、たとえば集光レンズを交換するかまたはレンズの均一照射度を変化させることにより理論的に実現される最大限のフルエンス体積である。
【００１３】
フルエンス体積を特定する限界は、上記のように、最小フルエンス付近で引かれる。典型的にはこの最小フルエンスは、最大フルエンスの１／１０から１／２までの値の付近である。最大フルエンスとは、生成されたレーザビームの焦点領域において最大のフルエンスである。最大フルエンスの値は、１０Ｊ／ｍｍ２を下回ってはならない。最大フルエンスを少なくとも５０Ｊ／ｍｍ２とすると、より良い。このようにすると、プラズマ形成が確実に開始されるのを保証できるからである。
【００１４】
１つの有利な実施形態では、フルエンス体積の最小サイズは１×１０−５ｍｍ３である。少なくとも１０−４ｍｍ３の、より大きなフルエンス体積が望ましい。レーザビーム形状に応じて、フルエンス体積はとりわけ楕円状の形状を有する。レーザ点火システムに特に有利なのは、フルエンス体積の横方向寸法Ｒに対する長手方向寸法Ｚの比が少なくとも２０倍であることが判明した。ここでは、少なくとも４０倍が望ましい。
【００１５】
パルスレーザ光の生成は、たとえば固体レーザ等を有するレーザ光源を用いて行われる。オプションとして、レーザダイオードまたはこれに相当するポンプ光源を用いて、このレーザ光源をポンピング励起することができる。場合によっては、固体レーザは受動Ｑスイッチを具備している。たとえば欧州特許出願公開第１８８８９１４号明細書等に記載されているような他のレーザ光源や発振増幅系を用いることも、基本的には可能である。
【００１６】
特に有利な実施形態では、レーザ光源により生成されるレーザビームのパルスエネルギーは、少なくとも１ｍＪである。レーザビームの最小エネルギーを３ｍＪとするのが望ましい。また、レーザビームのパルス幅が０．５ｎｓを下回らないのが非常に有利であり、少なくとも２ｎｓのパルス幅であれば一層好適である。
【００１７】
全体としては、パルスレーザビームのビーム品質Ｍ２が２０より小さいと有利であることが判明している。特に有利なのは、ビーム品質が最大１０であること、つまり、たとえば５であることである。
【００１８】
他の１つの有利な実施形態では、焦点領域における強度は、１０１１Ｗ／ｃｍ２から１０１３Ｗ／ｃｍ２までの範囲内である。
【００１９】
本出願人の検証によって、更に、生成されたレーザ光の集光時の結像誤差、とりわけ回折現象および／またはケラレ現象（「口径食」とも称される）が、本発明において設けられる、生成されたパルスレーザビームの集光手段において、集光後のレーザビームが可燃性混合気を点火する適性に悪影響を及ぼす事例が多いことも判明した。
【００２０】
結像誤差を回避して光結像を改善するためには、たとえば集光レンズ等の集光手段が、有利には直径ないしは自由開口を基準として最大７５％均一照射されるように、または、せめて直径を基準として５０％は均一照射されるように、留意しなければならない。このようにすると、特にストレールレシオ（DIN EN ISO 14880-3）が０．８から１までの範囲内となる。ストレールレシオとは、ビームが回折されるときの結像誤差の自由度を表す尺度であり、特に、未回折ビームと回折ビームとの最大フルエンスまたは最大強度の比である。
【００２１】
システム的な検証により、本発明のレーザ点火システムを用いると、希薄性がλ＝１．５を上回る燃料混合気を点火できるようになること、および、正規化されたフルエンス体積が大きくなるほど希薄化限界がより大きい値にシフトすることが判明した。希薄化限界が高い混合気を用いて、レーザ点火システムも一緒に使用して、内燃機関を確実に動作させることが可能であることにより、有害物質エミッションが低下し、かつ、燃焼効率が上昇する。
【００２２】
従属請求項に本発明の有利な実施形態が記載されている。図面の各図に示された本発明の実施例についての以下の記載から、本発明の他の特徴、用途および利点を導き出すことができる。これらの他の特徴、用途および利点については、特許請求の範囲の記載および請求項の引用関係にかかわらず、また、明細書ないしは図面における各特徴の記載にかかわらず、記載または図示されたすべての特徴が、単独または任意の組み合わせで、本発明の対象となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】発散レンズと集光レンズとを備えた本発明のレーザ点火システムの一例を示す図である。
【図２】集光レンズの複数の異なる均一照射度におけるビーム火線をシミュレートした各結果を並べて示した図である。最小フルエンスが１０Ｊ／ｍｍ２から１５Ｊ／ｍｍ２までである場合のフルエンス体積の限界を示しており、半径方向の寸法（Ｒ、単位ｍｍ）は、焦点領域からの距離（Ｚ、単位ｍｍ）に依存して示されている。
【図３】複数の異なる最小フルエンスの場合のフルエンス体積を計算した各結果を並べて示した図である。
【図４】パルスエネルギーが異なる場合（３ｍＪ，５ｍＪ，７ｍＪ，９ｍＪ）の各フルエンス体積ＦＶと、集光レンズの均一照射度とに依存する希薄化限界（λ）を示す図である。
【図５】レーザ結晶長および最小フルエンスが異なる場合の、各ビーム品質Ｍ２と、パルスエネルギーＱと、フルエンス体積ＦＶとの関係を示す図である。
【００２４】
実施例の説明
図１は、レーザ点火システム１を示す概略図であり、当該レーザ点火システム１は、パルスレーザビーム生成手段１０と集光手段２０とから構成される。同図中、パルスレーザビーム生成手段１０への給電電力と、レーザ点火プラグとしての前記レーザ点火システム１の構造上の具体的構成は示していない。これらについては、たとえば欧州特許出願公開第１５１９０３８号明細書から、当業者に公知となっている。オプションとして、パルスレーザビームの光伝送を行うための手段が設けられている。さらに、パルスレーザビーム生成手段１０および／または他の構成要素を冷却するための伝熱路も設けることができ、この伝熱路は特に、冷却液用の管路である。また、レーザ点火システム１を内燃機関に取り付けるために用いることができる手段も図示していない。
【００２５】
本実施例では、パルスレーザビームを生成するために、受動Ｑスイッチ１２を具備する固体レーザ１１を使用する。これはたとえば、１０６４ｎｍの波長の光を生成するレーザである。固体レーザ１１に用いられるポンプ光源としては、半導体ダイオードレーザが使用される。集光手段２０としては、たとえばテレスコープ等のレンズ系が用いられる。これは、パルスレーザビームを発散させるための発散レンズ２１と、当該パルスレーザビームを焦点領域２３に集光するための集光レンズ２２とから構成される。集光レンズ２２は、レンズ径の最大７５％まで均一照射される。集光レンズ２２の均一照射度は、レンズ径の６０％未満とすることが推奨される。
【００２６】
集光レンズ２２の均一照射度が異なると、パルスレーザビームの集光強度が異なってくる。図２に、均一照射度がレンズ径の７５％（図２ａ，ｄ）、６０％（図２ｂ，ｅ）、５０％（図２ｃ，ｆ）、４０％（図２ｇ）、パルスレーザビーム３５％（図２ｈ）および３０％（図２ｉ）である場合の各ビーム火線を示す。レーザパルスエネルギーが９ｍＪである場合のビーム火線をシミュレートした。図２ａ，ｂおよびｃは、ビーム品質Ｍ２が異なる複数のレーザビームにそれぞれ対応するビーム火線を示しており、以下（図３）では、これらのレーザビームを点火実験にて用いた。図２ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈおよびｉのビーム火線のシミュレーション計算では、図２ｃにおけるビーム火線と同じレーザパラメータを使用し、集光レンズ２２の均一照射度のみを変化させた。このようにすると、焦点領域２３にて生じる最大フルエンスが変化した。
【００２７】
ビーム火線のシミュレーション計算を行うためには、ガウスビームの数学的記述により、レーザビームのビーム伝播を近似することができる。ガウスビームは、ガウス曲線状の横断面形状と、ローレンツ曲線状の縦断面形状とを有する。
【００２８】
しきいフルエンスまたは最小フルエンスを仮定すると、パワー密度分布が
【数１】
2016507903.tif 000003
であることに基づき、フルエンス体積Ｖが求められる。
【００２９】
ビーム半径ω（ｚ）は、ｚ軸から、強度が１／ｅ２にまで低下するまでの半径方向距離として定義した：
【数２】
2016507903.tif 000004
ビームのウエストにおける（ｚ＝０付近）最小ビーム半径を、ω０とする。
【００３０】
レイリー長ｚＲは、上記のビームウエストからビームの横断面Ａの大きさが２倍になるまでの、光軸上における距離である：
【数３】
2016507903.tif 000005
【００３１】
レーザビームのビーム半径ω０と発散Θ０という２つの特性パラメータを用いて、レーザ光の集光性をビーム品質値Ｍ２によって記述する：
M2 = (π/λ)・θ0・ω0
ここで、λは波長である。
【００３２】
平均パワー密度ｌは、パワーＰと横断面積Ａとの比から求められる：
Ｉ＝Ｐ／Ａ
【００３３】
パルスエネルギーＱは、パワーＰにパルス幅τを乗算したものである：
Ｑ＝Ｐ・τ
フルエンスとも称される平均エネルギー密度Ｈは、パルスエネルギーと横断面積Ａとの比である：
H = Q/A
ｚ＝０において最大フルエンスＨｍａｘになる。つまり、横断面積Ａ（ｚ＝０）＝πω０２となる焦点領域において、最大フルエンスＨｍａｘになり、以下の通りとなる：
Hmax = H(z=0) = (2・Q)/(π・ω02)
【００３４】
上述のパラメータを用いて、エネルギー密度ないしはフルエンスが等しくなる場所Ｒ（ｚ）を計算することができる。このようにエネルギー密度ないしはフルエンスが等しい複数の場所は、ｚ軸までの距離に依存するフルエンスが等しい線として求められる。これは等フルエンスとも称される：
【数４】
2016507903.tif 000006
または
【数５】
2016507903.tif 000007
【００３５】
最小フルエンス以上の等フルエンスを積分していくと、フルエンス体積ＦＶが、距離ｚにわたって積分した体積として求められる：
【数６】
2016507903.tif 000008
【００３６】
したがってフルエンス体積ＦＶ＝ｆ（Ｍ２，Ｑ，ＨSchwelle）は、ビーム品質Ｍ２、パルスエネルギーＱ、ないしは、最大フルエンスおよび最小フルエンスに依存する。レーザ結晶のビーム品質Ｍ２およびパルスエネルギーＱが既知である場合には、上述の数式を用いてビーム火線をシミュレート計算して、フルエンス体積ＦＶを計算することができる。
【００３７】
図３に、ビームウエスト半径（図３ａ）および最大フルエンス（図３ｂおよび３ｃ）を横軸として、１０Ｊ／ｍｍ２（破線）、１５Ｊ／ｍｍ２（点線）および２０Ｊ／ｍｍ２（実線）という異なる最小フルエンスで得られたフルエンス体積をプロットしたグラフを並べて示す。
【００３８】
図３ａでは、パルスエネルギーＱ＝１２ｍＪおよびビーム品質Ｍ２＝６．１を一定に維持しながら、焦点径を変化させたり、ないしはビームウエストの半径を変化させることにより、レーザビームの像が変化し、これがフルエンス体積の大きさに影響を及ぼすことが分かる。ここで、特定の焦点径ないしはビームウエスト半径になったとき、フルエンス体積は最大値をとる。最小フルエンスが低下するほど、フルエンス体積は大きくなる。最小フルエンスが小さくなると、フルエンス体積の最大値（各グラフ中にてそれぞれ点により示している）は、ビーム半径がより大きい側にシフトする。
【００３９】
図３ｂおよび３ｃに、最大フルエンスＨｍａｘを横軸としてフルエンス体積を示す。最小フルエンスが低下するほど、１０Ｊ／ｍｍ２（破線）、１５Ｊ／ｍｍ２（点線）、２０Ｊ／ｍｍ２（実線）と、フルエンス体積が大きくなる。最小フルエンスが増加するほど、フルエンス体積の最大値は、最大フルエンスが小さくなる方向にシフトする。
【００４０】
図３ｂでは、パルスエネルギーが１２ｍＪかつビーム品質が６．１である場合のフルエンス体積と、パルスエネルギーが９ｍＪかつビーム品質が３．４である場合のフルエンス体積とを計算した。パルスエネルギーとビーム品質との上記いずれの組み合わせでも、最大フルエンスに依存するフルエンス体積は等しくなる。
【００４１】
比較対照のため、図３ｃに最大フルエンスを横軸として、パルスエネルギーが１２ｍＪかつビーム品質が３である場合のフルエンス体積を示す。パルスエネルギーとビーム品質との組み合わせを変えると、実現されるフルエンス体積が変わってくる。
【００４２】
図２のビーム火線により、ビーム半径は、焦点領域２３における位置に依存することが分かる。ここでＺ［ｍｍ］は、光軸上における焦点領域２３までの相対距離を表す。半径Ｒ［ｍｍ］は、強度またはフルエンスが最大強度ないしは最大フルエンスの１／ｅ２となるガウス形状のレーザビームの寸法に相当する。最大強度および最大フルエンスは、使用目的に応じて調整することができる。ビーム火線には、最大フルエンスの１／ｅ２（斜線領域）、１０Ｊ／ｍｍ２（明るい領域）および１５Ｊ／ｍｍ２（ドット領域）という３つの各閾値を上回る３つの各領域を示している。選択された最小フルエンスを超える領域であるフルエンス体積の形状および寸法により、集光レンズの特定の均一照射度の場合のフルエンス体積と、それにより生じる集光度とを計算することができる。
【００４３】
集光レンズの均一照射度が７５％の場合（図２ａ）、半径Ｒが０．０１ｍｍであり、長さＺが０．１１ｍｍであり、最小フルエンスが１０Ｊ／ｍｍ２である場合、横方向寸法に対する長手方向寸法の比が１１で、フルエンス体積は６．４×１０−５ｍｍ３となる。同じ最小フルエンスおよび半径において、集光レンズの均一照射度が６０％である場合（図２ｂ）、横方向寸法に対する長手方向寸法の比が１４で、フルエンス体積は８．６×１０−５ｍｍ３となる。集光レンズの均一照射度が５０％である場合（図２ｃ）、横方向寸法に対する長手方向寸法の比が２０で、１０．６×１０−５ｍｍ３のフルエンス体積となる。
【００４４】
最小フルエンスの値を一定に維持しながら、レンズの均一照射度を変化させることにより、これに伴ってパルスレーザビームの集光度が変化すると、最大可能フルエンス体積を求めることができる。
【００４５】
図２ａから２ｃのフルエンス体積の上述の実施例の計算と同様、図２ｄから２ｉについてフルエンス体積を計算した。最小フルエンスを１０Ｊ／ｍｍ２とすると、フルエンス体積および正規化フルエンス体積は以下のようになった：
均一照射度が７５％である場合、
フルエンス体積ＦＶ（７５％）＝６．４２１×１０−５ｍｍ３、正規化フルエンス体積ｎＦＶ（７５％）＝０．５１７
ＦＶ（６０％）＝８．５７９×１０−５ｍｍ３、ｎＦＶ（６０％）＝０．６９１
ＦＶ（５０％）＝１０．６４×１０−５ｍｍ３、ｎＦＶ（５０％）＝０．８５７
ＦＶ（４０％）＝１２．４２×１０−５ｍｍ３、ｎＦＶ（４０％）＝１
ＦＶ（３５％）＝１１．５×１０−５ｍｍ３、ｎＦＶ（３５％）＝０．９２６
ＦＶ（３０％）＝５．３５×１０−５ｍｍ３、ｎＦＶ（３０％）＝０．４３１
本実施例では、均一照射度が４０％である場合に、１２．４２×１０−５ｍｍ３の最大可能フルエンス体積が実現される。フルエンス体積の正規化はこの値に基づいて行われる。
【００４６】
図２では、集光鮮鋭度が低下するほどフルエンス体積が増大するのが明らかに認識できる。図２ａ−２ｃ、および図２ｄ−２ｉという２つの群から、フルエンス体積はまず第一に、レンズ系２０の均一照射度に依存し、第二に、焦点領域２３におけるビーム品質Ｍ２に依存するか、または、焦点領域２３における設定された最大フルエンスに依存することが分かる。
【００４７】
以下のように関係を記述することができる：
焦点径すなわちビームウエストの半径ω０が変化するように、パルスエネルギーＱおよびビーム品質Ｍ２を一定に維持しながらレーザビームの像を変化させると、これによりフルエンス体積ＦＶの大きさに影響を及ぼすことができる。その際には、特定の焦点径になったときに、フルエンス体積ＦＶは最大値をとる。
【００４８】
フルエンス閾値ないしは最小フルエンスが低下するほど、フルエンス体積ＦＶは大きくなり、フルエンス閾値ないしは最小フルエンスが小さくなると、フルエンス体積の最大値は、ビーム半径ω（ｚ）がより大きくなる方へシフトする。
【００４９】
希薄化した可燃性燃料混合気をレーザ点火システム１が確実に点火できる希薄化限界が、内燃機関における当該レーザ点火システム１の品質特性値となる。図４に、フルエンス体積（ＦＶ）に依存するメタン‐空気混合気の希薄化限界λを示す。集光レンズ２２の、図２ａ−２ｃに示したビーム火線にそれぞれ対応する３つの各均一照射度について、３ｍＪ、５ｍＪ、７ｍＪおよび９ｍＪのパルスエネルギーの場合の各希薄化限界λを求めた。これを求めるために、フローチャンバにおける発火試験時に、メタン‐空気混合気の点火確率を、希薄化段階λに依存して測定した。各希薄化段階λごとにそれぞれ、圧力３バールかつ流速５ｍ／ｓであるメタン‐空気混合気において３０回の点火プロセスを行い、成功した点火を記録した。希薄化限界は、点火確率が９５％まで低下したときのλである。
【００５０】
集光レンズ２２の均一照射度ごとに、かつパルスエネルギーごとに、ビーム火線をシミュレート計算し、その結果から、最小フルエンスが１５Ｊ／ｍｍ２である場合のフルエンス体積を計算した。この試験では、集光レンズ均一照射度が５０％かつパルスエネルギーが９ｍＪである場合に、５．７×１０−５ｍｍ３の最大可能フルエンス体積に達した。
【００５１】
図４では、希薄化限界λはフルエンス体積（ＦＶ）の増大とともに上昇することが分かる。したがって、パルスエネルギーおよびビーム品質Ｍ２といったレーザビーム特性値を固定した状態で、正規化フルエンス体積（ｎＦＶ）のパラメータだけで、つまり、集光度を最適に選択することにより、希薄性を改善することができる。図２ａ，２ｂおよび２ｃに示したビーム火線について求められた希薄化限界については、グラフ中にて印を付している。
【００５２】
図５は、ビーム品質Ｍ２およびパルスエネルギーＱに依存してフルエンス体積ＦＶを示す。一例として、長さ１０ｍｍであるレーザ結晶（黒塗り三角形）と、長さ３０ｍｍであるレーザ結晶（白抜き三角形）との２つの各レーザ結晶の動作点を示す。可飽和吸収体の初期透過率は、両レーザ結晶ともＴ０＝３０％であった。破線は、フルエンス体積の等積変化の計算値であり、左側から右側に向かってフルエンス体積ＦＶが増大していく。左から右へ順番に、各破線は、ＦＶ＝２×１０−５ｍｍ３、ＦＶ＝４×１０−５ｍｍ３、ＦＶ＝６×１０−５ｍｍ３、ＦＶ＝８×１０−５ｍｍ３のフルエンス体積にそれぞれ相当する。ここでは、いずれの場合にも最小フルエンスを１５Ｊ／ｍｍ２とした。
【００５３】
図５では、ビーム品質Ｍ２が一定である場合、パルスエネルギーＱが上昇するほどフルエンス体積ＦＶが増大することが明らかである。パルスエネルギーＱを一定とする場合、フルエンス体積ＦＶを拡大するためには、ビーム品質Ｍ２を改善すること、つまりビーム品質Ｍ２がとる値を小さくする必要がある。パルスエネルギーＱとビーム品質Ｍ２との組み合わせを変えることにより、同じフルエンス体積ＦＶを生成することができる。
【図１】
2016507903.tif 000009
【図２ａ）】
2016507903.tif 000010
【図２ｂ）】
2016507903.tif 000011
【図２ｃ）】
2016507903.tif 000012
【図２ｄ）】
2016507903.tif 000013
【図２ｅ）】
2016507903.tif 000014
【図２ｆ）】
2016507903.tif 000015
【図２ｇ）】
2016507903.tif 000016
【図２ｈ）】
2016507903.tif 000017
【図２ｉ）】
2016507903.tif 000018
【図３ａ）】
2016507903.tif 000019
【図３ｂ）】
2016507903.tif 000020
【図３ｃ）】
2016507903.tif 000021
【図４】
2016507903.tif 000022
【図５】
2016507903.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月11日(2015.8.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザビームを生成するための少なくとも１つの手段（１０）と、
生成した前記パルスレーザビームを焦点領域（２３）に集光するための少なくとも１つの手段（２０）と
を備えたレーザ点火システムにおいて、
前記レーザ点火システム（１）は、０．１を上回る正規化フルエンス体積（ｎＦＶ）を有するパルスレーザビームを生成するように構成されており、
フルエンス体積は、最小のエネルギー密度である最小フルエンスをすべての箇所において上回る体積によって定まるものであり、
前記正規化フルエンス体積（ｎＦＶ）は、前記フルエンス体積を、最大可能フルエンス体積を基準として正規化したものであり、
前記最大可能フルエンス体積は、前記最小フルエンスおよびレーザビーム特性値を固定させながら集光の開口数を変化させることにより理論的に実現可能な最大限のフルエンス体積であり、
前記最小フルエンスは、１０Ｊ／ｍｍ２から２０Ｊ／ｍｍ２までの範囲内の値をとる
ことを特徴とするレーザ点火システム。
【請求項２】
前記レーザビーム特性値は、パルスエネルギーおよびビーム品質Ｍ２である、
請求項１記載のレーザ点火システム。
【請求項３】
前記最小フルエンスは、前記焦点領域（２３）における前記パルスレーザビームの最大のフルエンスである最大フルエンスの１／１０から１／２までの範囲内の値により定められている、
請求項１または２記載のレーザ点火システム。
【請求項４】
前記焦点領域（２３）におけるパルスレーザビームの前記最大フルエンスは、１０Ｊ／ｍｍ２を下回らない、
請求項３記載のレーザ点火システム。
【請求項５】
前記焦点領域（２３）におけるパルスレーザビームの前記最大フルエンスは、１０Ｊ／ｍｍ２から１２０Ｊ／ｍｍ２までの間である、
請求項３または４記載のレーザ点火システム。
【請求項６】
前記焦点領域（２３）におけるパルスレーザビームの前記最大フルエンスは、５０Ｊ／ｍｍ２を下回らない、
請求項４または５記載のレーザ点火システム。
【請求項７】
前記フルエンス体積の最小サイズは１×１０−５ｍｍ３である、
請求項１から６までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項８】
前記フルエンス体積の最小サイズは１×１０−４ｍｍ３である、
請求項１から７までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項９】
前記フルエンス体積の長手方向寸法（Ｚ）と横方向寸法（Ｒ）との比は２０倍を下回らない、
請求項１から８までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１０】
前記フルエンス体積の長手方向寸法（Ｚ）と横方向寸法（Ｒ）との比は２０から６０までの間である、
請求項１から９までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１１】
前記フルエンス体積の長手方向寸法（Ｚ）と横方向寸法（Ｒ）との比は４０倍を下回らない、
請求項９または１０記載のレーザ点火システム。
【請求項１２】
前記パルスレーザビームを生成するための手段（１０）は、ダイオードポンピング方式および／または受動Ｑスイッチ型の固体レーザである、
請求項１から１１までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１３】
前記パルスレーザビームを集光するための手段（２０）は、レンズ系として構成されている、
請求項１から１２までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１４】
前記パルスレーザビームを集光するための手段（２０）は、テレスコープとして構成されている、
請求項１３記載のレーザ点火システム。
【請求項１５】
前記レンズ系は、当該レンズ系の自由開口の最大７５％で均一照射されることにより、当該レンズ系のストレールレシオは０．８から１までとなる、
請求項１３または１４記載のレーザ点火システム。
【請求項１６】
前記レンズ系は、当該レンズ系の自由開口の最大５０％で均一照射されることにより、当該レンズ系のストレールレシオは０．８から１までとなる、
請求項１３または１４記載のレーザ点火システム。
【請求項１７】
前記パルスレーザビームのパルスエネルギーは、１ｍＪを下回らない、
請求項１から１６までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１８】
前記パルスレーザビームのパルスエネルギーは、３ｍＪを下回らない、
請求項１から１７までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項１９】
前記パルスレーザビームのパルスエネルギーは、１０ｍＪから２５ｍＪまでの間である、
請求項１７または１８記載のレーザ点火システム。
【請求項２０】
前記パルスレーザビームのパルス幅は、０．５ｎｓを下回らない、
請求項１から１９までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項２１】
前記パルスレーザビームのパルス幅は、０．５ｎｓから１０ｎｓまでの間である、
請求項１から２０までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項２２】
前記パルスレーザビームのパルス幅は、２ｎｓを下回らない、
請求項２０または２１記載のレーザ点火システム。
【請求項２３】
前記パルスレーザビームのビーム品質Ｍ２は２０未満である、
請求項１から２２までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項２４】
前記パルスレーザビームのビーム品質Ｍ２は１０未満である、
請求項１から２３までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項２５】
前記焦点領域（２３）における前記パルスレーザビームの最大強度は、１０１１Ｗ／ｃｍ２を上回る、
請求項１から２４までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項２６】
前記焦点領域（２３）における前記パルスレーザビームの最大強度は、１０１１Ｗ／ｃｍ２から１０１３Ｗ／ｃｍ２までの範囲内である、
請求項１から２５までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項２７】
前記レーザ点火システムは、電線、光伝送路および／または伝熱路を備えたレーザ点火プラグとして、および／または、内燃機関に取り付けるための手段を有するように構成されている、
請求項１から２６までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項２８】
前記伝熱路は、冷却液用の管路である、
請求項２７記載のレーザ点火システム。
【請求項２９】
前記最小フルエンスは、１０Ｊ／ｍｍ２、１５Ｊ／ｍｍ２または２０Ｊ／ｍｍ２である、
請求項１から２８までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【請求項３０】
前記レーザ点火システムは、内燃機関またはバーナーにおいて可燃性混合気を点火するためのレーザ点火システムである、
請求項１から２９までのいずれか１項記載のレーザ点火システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
フルエンス体積を特定する限界は、上記のように、最小フルエンス付近で引かれる。典型的にはこの最小フルエンスは、最大フルエンスの１／１０から１／２までの値の付近である。最大フルエンスとは、生成されたレーザビームの焦点領域において最大のフルエンスである。最大フルエンスの値は、１０Ｊ／ｍｍ２を下回ってはならない。最大フルエンスの値は、１０Ｊ／ｍｍ２から１２０Ｊ／ｍｍ２までの間とするとよい。最大フルエンスを少なくとも５０Ｊ／ｍｍ２とすると、より良い。このようにすると、プラズマ形成が確実に開始されるのを保証できるからである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
１つの有利な実施形態では、フルエンス体積の最小サイズは１×１０−５ｍｍ３である。少なくとも１０−４ｍｍ３の、より大きなフルエンス体積が望ましい。レーザビーム形状に応じて、フルエンス体積はとりわけ楕円状の形状を有する。レーザ点火システムに特に有利なのは、フルエンス体積の横方向寸法Ｒに対する長手方向寸法Ｚの比が少なくとも２０倍であることが判明した。フルエンス体積の長手方向寸法Ｚと横方向寸法Ｒとの比は２０から６０までの間とするとよい。ここでは、少なくとも４０倍が望ましい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
特に有利な実施形態では、レーザ光源により生成されるレーザビームのパルスエネルギーは、少なくとも１ｍＪである。レーザビームの最小エネルギーを３ｍＪとするのが望ましい。パルスレーザビームのパルスエネルギーは、１０ｍＪから２５ｍＪまでの間とするとよい。また、パルスレーザビームのパルス幅が０．５ｎｓを下回らないのが非常に有利であり、０．５ｎｓから１０ｎｓまでの間とするとさらに有利であり、少なくとも２ｎｓのパルス幅であれば一層好適である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
他の１つの有利な実施形態では、焦点領域におけるパルスレーザビームの最大強度は、１０１１Ｗ／ｃｍ２を上回るか、または、１０１１Ｗ／ｃｍ２から１０１３Ｗ／ｃｍ２までの範囲内である。
【国際調査報告】
2016507903.tif 000024
2016507903.tif 000025
2016507903.tif 000026
2016507903.tif 000027