(57)【要約】【課題】レーザ媒質の冷却が的確に行え、かつ、直接冷却水で冷却しなくても良い構造のレーザ発振器を提供する。【解決手段】レーザ共振器を収容する空間２３ｄ〜２３ｆが形成された収容部２３ａを有すると共に、半導体レーザ１２が出力する励起光をレーザ媒質１に入射させるスリット６が形成され、レーザ媒質１より発せられた熱の放熱を行うヒートシンク２３を備える。そして、ヒートシンク２３の収容部２３ａに、出力鏡４から出射されるレーザ光の光軸３０と平行方向に延設された複数本の第１通路２０ｃを含む冷却通路２０を備え、複数本の第１通路２０ｃそれぞれに対して、レーザ光の出射側から光軸方向反対側に向かって冷却媒体を流動させることにより、ヒートシンク２３の冷却が行われるようにする。【選択図】図１
2009170451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流供給に伴って励起光となるレーザ光を出力する半導体レーザ（１２）と、
前記励起光が入射されるとレーザ光を出力する棒状部材で構成されたレーザ媒質（１）と、前記レーザ媒質（１）の長手方向の一端に配置された過飽和吸収体（２）と、前記長手方向の他端に配置された前記レーザ光を全反射する反射鏡（３）と、前記レーザ媒質（１）および前記過飽和吸収体（２）を挟んで前記反射鏡（３）と反対側に配置された前記レーザ光を一部反射する出力鏡（４）とを有し、前記反射鏡（３）と前記出力鏡（４）との間でレーザ光を繰り返し反射させることで共振させ、前記出力鏡（４）を通じて前記レーザ光を出力させるレーザ共振器と、を有してなるレーザ発振器において、
前記レーザ共振器を収容する空間（２３ｄ〜２３ｆ）が形成された収容部（２３ａ）を有すると共に、前記半導体レーザ（１２）が出力する前記励起光を前記レーザ媒質（１）に入射させるスリット（６）が形成され、前記レーザ媒質（１）より発せられた熱の放熱を行うヒートシンク（２３）を備え、
該ヒートシンク（２３）の前記収容部（２３ａ）には、前記出力鏡（４）から出射される前記レーザ光の光軸（３０）と平行方向に延設された複数本の第１通路（２０ｃ）を含む冷却通路（２０）が備えられており、前記複数本の第１通路（２０ｃ）それぞれに対して、前記レーザ光の出射側から前記光軸方向反対側に向かって冷却媒体を流動させることにより、前記ヒートシンク（２３）の冷却が行われるように構成されていることを特徴とするレーザ発振器。
【請求項２】
前記複数本の第１通路（２０ｃ）は、前記レーザ媒質（１）を中心として等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項３】
前記ヒートシンク（２３）には、前記収容部（２３ａ）のうちの前記出射側と反対側の端部に接続された第１フランジ部（２３ｂ）が備えられており、
前記第１フランジ部（２３ｂ）には、１つの冷媒出口（２０ｅ）が形成された集合ブロック（１９）が接続され、該集合ブロック（１９）内において前記複数の第１通路（２３ｃ）が前記冷媒出口（２０ｅ）に繋げられることで１つに集合させられていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ発振器。
【請求項４】
前記ヒートシンク（２３）には、前記収容部（２３ａ）のうちの前記出射側の端部に接続された第２フランジ部（２３ｃ）が備えられており、前記第２フランジ部（２３ｃ）の外周を一周する円形溝からなる分岐溝（２０ｂ）が形成されており、
前記ヒートシンク（２３）は、前記第２フランジ部（２３ｃ）が嵌め込まれる凹部（１０ａ）が形成されたベースプレート（１０）に固定されており、
前記ベースプレート（１０）には、前記凹部（１０ａ）に繋がる１つの冷媒入口（２０ａ）が備えられ、
前記冷媒入口（２０ａ）から供給された冷却媒体が前記分岐溝（２０ｂ）を通じて分岐し、前記複数本の第１通路（２０ｃ）に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のレーザ発振器。
【請求項５】
前記ベースプレート（１０）には、前記半導体レーザ（１２）を冷却するための半導体レーザ用ヒートシンク（１７）を含む冷却機構も備えられ、該半導体レーザ用ヒートシンク（１７）に備えられる冷却通路である第２通路（２０ｄ）も、前記分岐溝（２０ｂ）に接続されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ発振器。
【請求項６】
前記レーザ媒質（１）、前記過飽和吸収体（２）、前記反射鏡（３）および前記出力鏡（４）を含む前記レーザ共振器は、一体化されて前記ヒートシンク（２３）の前記空間（２３ｄ〜２３ｆ）に固定され、前記ヒートシンク（２３）に設けられた出射口（２３ｇ）より前記レーザ光を出射させるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のレーザ発振器。
【請求項７】
前記レーザ共振器は、該レーザ共振器よりも前記出射口（２３ｇ）側に配置されたスプリング（８）にて前記出射口（２３ｇ）と反対側に押さえ付けられることにより前記ヒートシンク（２３）に固定されていることを特徴とする請求項６に記載のレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザから出射されたレーザ光をレーザ共振器にて共振させ、レーザ出射側から出力させるレーザ発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１において、冷却機構を備えたレーザ発振器が開示されている。このレーザ発振器は、励起光の入射により励起されてレーザ光を出力するレーザ媒質と、レーザ媒質を収容する筒状の透明ガラス管にて構成されたフローチューブと、フローチューブ内に冷却媒体を導入する冷却水路が形成された端板と、フローチューブ外に配置した励起光を出力する励起光源モジュールとを有した構成とされている。このような構成により、フローチューブを通じて励起光源モジュールが発する励起光をレーザ媒質に伝えることで、レーザ媒質が励起されてレーザ光を取り出すようにしている。そして、レーザ媒質の励起に伴ってレーザ媒質が発熱するため、冷却水路を通じて透明ガラス管内に冷却水を導入し、レーザ媒質を直接冷却水に触れさせることでレーザ媒質を冷却している。
【特許文献１】特許第３８９７０４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に示した構造のレーザ発振器では、レーザ媒質を冷却水にて直接冷却する構成とされている。このため、冷却水の汚れによる発光効率低下を防止するために、冷却水路から排出された冷却水をろ過するためのフィルタを設置しなければならない。また、冷却水の定期メンテナンス、例えば冷却水に含まれる薬液含有度の低下を避けるための冷却水交換などを行う必要もある。
【０００４】
さらに、透明ガラス管にて構成されたフローチューブと金属製の端板との隙間からの冷却水の漏れを防止するために、漏洩防止用のシール機構が必要となり、部品点数の増加を招き、ひいてはレーザ発振器のコストが増大するという問題がある。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、レーザ媒質の冷却が的確に行え、かつ、直接冷却水で冷却しなくても良い構造のレーザ発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、レーザ共振器を収容する空間（２３ｄ〜２３ｆ）が形成された収容部（２３ａ）を有すると共に、半導体レーザ（１２）が出力する励起光をレーザ媒質（１）に入射させるスリット（６）が形成され、レーザ媒質（１）より発せられた熱の放熱を行うヒートシンク（２３）を備え、該ヒートシンク（２３）の収容部（２３ａ）に、出力鏡（４）から出射されるレーザ光の光軸（３０）と平行方向に延設された複数本の第１通路（２０ｃ）を含む冷却通路（２０）を備え、複数本の第１通路（２０ｃ）それぞれに対して、レーザ光の出射側から光軸方向反対側に向かって冷却媒体を流動させることにより、ヒートシンク（２３）の冷却が行われるようにすることを特徴としている。
【０００７】
このように、ヒートシンク（２３）に対して複数本の第１通路（２０ｃ）を備え、各第１通路（２０ｃ）を熱負荷の高いレーザ光の出射側からレーザ媒質（１）の中心軸と平行に形成し、かつ、レーザ光の出射側から光軸方向反対側に向かって冷却媒体を流動させるようにしている。したがって、レーザ媒質の冷却が的確に行え、かつ、直接冷却水で冷却しなくても良い構造のレーザ発振器にできる。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、複数本の第１通路（２０ｃ）がレーザ媒質（１）を中心として等間隔に配置してあることを特徴としている。
【０００９】
このように、複数本の第１通路（２０ｃ）を等間隔に配置すると、レーザ媒質（１）を均一に冷却することが可能となり、レーザ出力を安定させることが可能となる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、ヒートシンク（２３）には、収容部（２３ａ）のうちの出射側と反対側の端部に接続された第１フランジ部（２３ｂ）が備えられており、第１フランジ部（２３ｂ）には、１つの冷媒出口（２０ｅ）が形成された集合ブロック（１９）が接続され、該集合ブロック（１９）内において複数の第１通路（２３ｃ）が冷媒出口（２０ｅ）に繋げられることで１つに集合させられていることを特徴としている。
【００１１】
このように、第１フランジ部（２３ｂ）に接続される集合ブロック（１９）内で複数の第１通路（２０ｃ）を１つの冷却出口（２０ｅ）にまとめ、１つの冷却出口（２０ｅ）から冷却媒体が排出されるようにすることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、ヒートシンク（２３）には、収容部（２３ａ）のうちの出射側の端部に接続された第２フランジ部（２３ｃ）が備えられており、第２フランジ部（２３ｃ）の外周を一周する円形溝からなる分岐溝（２０ｂ）が形成されており、ヒートシンク（２３）は、第２フランジ部（２３ｃ）が嵌め込まれる凹部（１０ａ）が形成されたベースプレート（１０）に固定されており、ベースプレート（１０）には、凹部（１０ａ）に繋がる１つの冷媒入口（２０ａ）が備えられ、冷媒入口（２０ａ）から供給された冷却媒体が分岐溝（２０ｂ）を通じて分岐し、複数本の第１通路（２０ｃ）に供給されるように構成されていることを特徴としている。
【００１３】
このように、ヒートシンク（２３）をベースプレート（１０）に固定する場合、ヒートシンク（２３）の第２フランジ部（２３ｃ）の外周を一周するように分岐溝（２０ｂ）を形成しておけば、冷媒入口（２０ａ）から供給された冷却媒体を分岐溝（２０ｂ）にて分岐して複数の第１通路（２０ｃ）に供給することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、ベースプレート（１０）には、半導体レーザ（１２）を冷却するための半導体レーザ用ヒートシンク（１７）を含む冷却機構も備えられ、該半導体レーザ用ヒートシンク（１７）に備えられる冷却通路である第２通路（２０ｄ）も、分岐溝（２０ｂ）に接続されていることを特徴としている。
【００１５】
このように、半導体レーザ用ヒートシンク（１７）に備えられる冷却通路である第２通路（２０ｄ）も、分岐溝（２０ｂ）に接続させることができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、レーザ媒質（１）、過飽和吸収体（２）、反射鏡（３）および出力鏡（４）を含むレーザ共振器は、一体化されてヒートシンク（２３）の空間（２３ｄ〜２３ｆ）に固定され、ヒートシンク（２３）に設けられた出射口（２３ｇ）よりレーザ光を出射させるように構成されていることを特徴としている。
【００１７】
このように、レーザ共振器を一体化してヒートシンク（２３）に固定するようにすることができる。そして、請求項７に示すように、該レーザ共振器よりも出射口（２３ｇ）側に配置されたスプリング（８）にて出射口（２３ｇ）と反対側に押さえ付けられることによりレーザ共振器をヒートシンク（２３）に固定するようにすれば、放熱性と耐振動性を向上することが可能となる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、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る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態にかかるレーザ発振器は、例えば車両に搭載されるエンジンの燃焼室に配置され、燃焼室内で燃料を燃焼させる際のレーザ点火に用いられる。
【００２１】
図１は、本実施形態にかかるレーザ発振器の断面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３は、図２のＢ−Ｂ断面図である。なお、図１は、図２におけるＣ−Ｏ−Ｃ線の断面（ただし、図１中、後述する半導体レーザ用の冷却機構に関しては断面としていない）に相当する。以下、これらの図を参照して、本実施形態のレーザ発振器について説明する。
【００２２】
図１に示すように、レーザ発振器には、レーザ媒質１、過飽和吸収体２、反射鏡３、出力鏡４を有して構成されたレーザ共振器が備えられており、このレーザ共振器の共振によりレーザ光が発生させられる。
【００２３】
レーザ媒質１は、レーザ出力用の固体材料であり、棒状部材にて構成され、セラミックＹＡＧ材料、例えばセラミックＮｄ：ＹＡＧ（ＮｄをドープしたＹＡＧ）などにより構成されている。レーザ媒質１は、レーザ光が入射されるとそれに基づいて発光する発光素子として機能する。本実施形態では、レーザ媒質１は円柱形状とされており、後述するように円柱形状の側面に対して１２０度ずれた３方向からレーザ光が入射されるようになっている。
【００２４】
過飽和吸収体２は、入射されたレーザ光がある程度高エネルギー準位に達すると透明になって光を放出するものであり、スイッチング素子として働く。例えば、過飽和吸収体２は、セラミックＹＡＧ材料、例えばセラミックＣｒ；ＹＡＧ（ＣｒをドープしたＹＡＧ）セラミックなどにより構成される。この過飽和吸収体２は、レーザ媒質１よりも径が大きな円筒形状とされており、その中心軸がレーザ媒質１の中心軸と同軸とされ、レーザ媒質１の軸方向両端の一方の端面において接するように配置されている。
【００２５】
反射鏡３は、レーザ媒質１内で発生した光を全反射するもので、出力鏡４とセットで機能し、レーザ媒質１内で発生したレーザ光を出力鏡４との間で連続的に反射させることで共振させることでレーザ光のエネルギーを高める。この反射鏡３は、誘電体多層膜、例えばＴｉＯ2、ＳｉＯ2を蒸着した膜にて構成されている。
【００２６】
出力鏡４は、レーザ媒質１内で発生した光を一部反射するもので、上述した反射鏡３とセットで機能し、レーザ媒質１内で発生した光を出力鏡４との間で連続的に反射させることで共振させる。また、出力鏡４は、残りの光（反射しなかった光）を透過し、レーザ媒質１と反対方向に出力する。この出力されたレーザ光の光軸３０は、図中矢印で示したようにレーザ媒質１の中心軸と一致している。このような出力鏡４も、反射鏡３と同様、誘電体多層膜、例えばＴｉＯ2、ＳｉＯ2を蒸着した膜にて構成されているが、膜厚を変えるなどにより、レーザ光が一部反射・一部透過するものとされる。
【００２７】
このように構成されたレーザ共振器は、一体化された状態でヒートシンク２３に固定されている。具体的には、ヒートシンク２３は、ＳＵＳなどの金属にて構成されており、筒状とされたレーザ共振器の収容部２３ａと、その両先端部に備えられた第１、第２フランジ部２３ｂ、２３ｃを有した構造とされている。
【００２８】
ヒートシンク２３の収容部２３ａは、図２に示すように、軸方向と垂直な方向での断面形状が略円形状とされ、円形状の周囲の等間隔となる３箇所に半円を繋げたような形状とされている。この収容部２３ａには、中央部に径の異なる円柱状の空間２３ｄ〜２３ｆが形成されており、これらの空間２３ｄ〜２３ｆに各種固定用部品を介してレーザ共振器が固定されている。図４は、各種固定用部品を介したレーザ共振器のヒートシンク２３への固定構造の詳細を示した部分拡大図である。
【００２９】
図４に示すように、ヒートシンク２３の空間２３ｄ〜２３ｆは、レーザ光が出射される出射口２３ｇを入口として、入口から順に径が縮小する構造とされている。
【００３０】
空間２３ｄ〜２３ｆのうち最も奥に位置する空間２３ｄ内に金属プレート５を介してレーザ媒質１が反射鏡３と共に円形の収容されている。金属プレート５は、反射鏡３と接触する面は鏡面仕上げされることで反射鏡３のコーティング面の傷防止が図られている。この金属プレート５は、空間２３ｄの径とほぼ同等の径とされ、例えばＳＵＳなどのように熱伝導性の高い金属で構成されている。
【００３１】
そして、収容部２３ａの側面には、空間２３ｄに繋がるスリット６が形成されている。スリット６は、収容部２３ａの側面のうち隣り合う半円部分の中間位置それぞれ、つまり３箇所に１本ずつ形成され、各スリット６は収容部２３ａの軸を中心として１２０度ずつずれた位置に配置されている。各スリット６は、収容部２３ａの軸方向（光軸３０と同方向）に沿って形成されており、このスリット６を通じてレーザ媒質１にレーザ光が入射されるようになっている。そして、スリット６内は空気層とされており、スリット６の長さ（収容部２３ａの軸方向の長さ）および幅（収容部２３ａの周方向の長さ）は、レーザ媒質１内に無駄なくレーザ光が到達し、かつ、レーザ媒質１で発光した光が外部に漏れないように調整してある。
【００３２】
また、空間２３ｄと連続する空間２３ｅには、過飽和吸収体２および出力鏡４がスプリングホルダ７と共に配置されている。スプリングホルダ７は、中空部を有する円筒状とされ、中空部内に過飽和吸収体２および出力鏡４を収容している。また、スプリングホルダ７の中空部の内壁が部分的に径方向内側に張り出すことで段付き部７ａが形成されており、その段付き部７ａにて過飽和吸収体２および出力鏡４を保持している。そして、スプリングホルダ７の段付き部７ａを挟んで過飽和吸収体２および出力鏡４の反対側にはスプリング８が備えられ、スプリング８の弾性力により段付き部７ａに加えられることで、スプリングホルダ７に保持された過飽和吸収体２および出力鏡４がレーザ媒質１側に押し付けられている。なお、スプリングホルダ７の外径は空間２３ｅの内径よりも若干小さくされており、スプリングホルダ７の熱膨張を許容できるようにサイズ設定されている。
【００３３】
また、空間２３ｄ〜２３ｆのうち最も入口側に位置し、空間２３ｅと連続する空間２３ｆには、ＳＵＳなどで構成された穴あきネジ９が締結されている。穴あきネジ９には外周部に雄ネジ溝が形成され、空間２３ｆには内周面に雌ネジ溝が形成されていることで、これらが螺合されている。穴あきネジ９を螺号することにより、穴あきネジ９の上端面がスプリング８を押し込み、スプリングホルダ７を押す力を発生させている。
【００３４】
このように、ヒートシンク２３の空間２３ｄ〜２３ｆに対して、スプリングホルダ７、スプリング８および穴あきネジ９等の固定用部品を介してレーザ共振器が固定されている。そして、このようにレーザ共振器が固定されたヒートシンク２３がアルミニウム等の金属で構成されたベースプレート１０に固定されている。具体的には、ベースプレート１０にはヒートシンク２３の第２フランジ部２３ｃの形状と対応する円形状の凹部１０ａが形成されているため、この凹部１０ａ内に第２フランジ部２３ｃが収容された状態でベースプレート１０の下面からネジ１１を締結することにより、上記固定が為されている。
【００３５】
さらに、ヒートシンク２３の第１フランジ部２３ｂの端面には、集合ブロック１９が備えられている。この集合ブロック１９は、中央部に凸部１９ａが設けられた円盤形状とされており、円盤形状の底面側が第１フランジ部２３ｂの端面に接合されている。
【００３６】
一方、ヒートシンク２３の各スリット６と対応する場所には、スリット６内にレーザ光を入射するための半導体レーザ１２が備えられている。半導体レーザ１２は、励起光となるレーザ光を出力するための励起用光源となるものであり、電流を流すと赤外線（波長８０８ｎｍ近傍）の光を発光し、レーザ媒質１を発光させる役割を果たす。半導体レーザ１２からスリット６の入口までの間は所定距離空けられている。半導体レーザ１２とスリット６の間は空気層２５とされており、空気層２５およびスリット６を通じて半導体レーザ１２の発したレーザ光がレーザ媒質１に入射されるようになっている。
【００３７】
また、各半導体レーザ１２は、半導体レーザ陽極１３に実装されており、半導体レーザ１２の陽極が半導体レーザ陽極１３とはんだ付けなどにより電気的に接続されていると共に、陰極が半導体レーザ陽極１３に対してポリイミド等の絶縁層１３ａ（図３参照）を介して固定された半導体レーザ陰極１４にはんだ付けなどにより電気的に接続されている。このため、半導体レーザ陽極１３および半導体レーザ陰極１４を通じて電流が流されることで、半導体レーザ１２からレーザ光が発せされる構造とされている。なお、半導体レーザ陽極１３への電圧印加は、図示しないエンジンＥＣＵによる配線を通じて行われる。
【００３８】
半導体レーザ陽極１３および半導体レーザ陰極１４は、銅ブロックに金メッキを施したもので構成されている。これら半導体レーザ陽極１３および半導体レーザ陰極１４を直接固定する金メッキが接触してしまうため、図３に示すように、これらの間に絶縁層１３ａを挟んである。半導体レーザ陰極１４の半導体レーザ陽極１３への固定は、外周に図示しないテフロン（登録商標）製の絶縁材を介してＳＵＳ製の固定ネジ１５にて行われ、固定ネジ１５を通じての短絡も防止されている。これら半導体レーザ陽極１３および半導体レーザ陰極１４は、半導体レーザ用ヒートシンク１７に固定され、半導体レーザ１２で発する熱を半導体レーザ用ヒートシンク１７に伝達して逃がす役割も果たす。
【００３９】
半導体レーザ用ヒートシンク１７は、半導体レーザ１２を冷却するためのものであり、例えばアルミニウム等の金属にて構成されている。半導体レーザ用ヒートシンク１７は、固定ネジ１６を介してベースプレート１０に固定されている。これにより、半導体レーザ用ヒートシンク１７に対して固定された半導体レーザ陽極１３および半導体レーザ陰極１４も、ベースプレート１０に固定され、半導体レーザ陽極１３に実装された半導体レーザ１２も上記位置に固定されている。この半導体レーザ用ヒートシンク１７に対する半導体レーザ陽極１３および半導体レーザ陰極１４の固定は、固定ネジ１８を介して行われ、半導体レーザ陽極１３と半導体レーザ用ヒートシンク１７との間にイリジュウム箔にて構成された電熱板２６とペルチエ素子２７および電熱板２８を配置した状態で為されている。このため、電熱板２６、２８にて半導体レーザ陽極１３とペルチエ素子２７を密着させて放熱効率を向上させつつ、ペルチエ素子２７にて熱を吸収し、さらに吸収し切れなかった熱を半導体レーザ用ヒートシンク１７に伝えて放熱するという構造になっている。
【００４０】
このような半導体レーザ１２の冷却機構は、図２に示すように、各半導体レーザ１２に対して１つずつ備えられており、各冷却機構がレーザ媒質１を中心として１２０度ずつずらされて配置されている。
【００４１】
そして、このように構成された本実施形態のレーザ発振器に、冷却通路２０が備えられている。冷却通路２０は、水やエチレングリコールなどで構成される冷却媒体の流動経路となるものであり、レーザ媒質１や半導体レーザ１２が発した熱が伝わるヒートシンク２３および半導体レーザ用ヒートシンク１７を冷却するために設けられている。
【００４２】
冷却通路２０は、ベースプレート１０に形成された冷媒入口２０ａと、ヒートシンク２３の第２フランジ部２３ｃの外周に形成された分岐溝２０ｂと、ヒートシンク２３を冷却するための３本の第１通路２０ｃと、半導体レーザ用ヒートシンク１７を冷却するための３本の第２通路２０ｄと、３本の第１通路２０ｃが集合する冷媒出口２０ｅとを有して構成されている。
【００４３】
冷媒入口２０ａは、レーザ媒質１の中心軸（ヒートシンク２３の収容部２３ａの軸）を中心として、ベースプレート１０の側面から径方向内側に向けて延設されている。この冷媒入口２０ａは、ベースプレート１０の凹部１０ａの内側面に達しており、ヒートシンク２３の第２フランジ部２３ｃの外周壁において分岐溝２０ｂに接続されている。
【００４４】
分岐溝２０ｂは、第２フランジ部２３ｃの外周壁を一周する円形溝として形成されている。この分岐溝２０ｂに３本の第１通路２０ｃと３本の第２通路２０ｄが繋がっており、冷媒入口２０ａから導入される冷媒が分岐溝２０ｂを通じて各第１通路２０ｃと各第２通路２０ｄに供給される。
【００４５】
３本の第１通路２０ｃは、分岐溝２０ｂと繋がる位置、つまり第２フランジ部２３ｃの側面から収容部２３ａを通じて第１フランジ部２３ｂに至り、第１フランジ部２３ｂの端面に至って集合ブロック１９に至っている。第１通路２０ｃは、第２フランジ部２３ｃ内ではレーザ媒質１の中心軸に対して傾斜した経路となっているが、収容部２３ａ内ではレーザ媒質１の中心軸と平行な直線状通路とされ、第１フランジ部２３ｂ内においてレーザ媒質１の中心軸を中心とした径方向外側に折れ曲がったのち、再びレーザ媒質１の中心軸と平行な通路とされている。第１通路２０ｃのうち収容部２３ａ内に位置する部分は、収容部２３ａの外形を形作っている３箇所の半円それぞれの中心と同軸となるように配置されている。そして、第１通路２０ｃは、集合ブロック１９内においてレーザ媒質１の中心軸を中心とした径方向内側に折り曲げられ、冷媒出口２０ｅに繋げられている。このような構造により、第１通路２０ｃのうち収容部２３ａ内に位置する部分では、冷却媒体がレーザ光の出射側から光軸の反対側に向かうように流動させることができる。
【００４６】
冷媒出口２０ｅは、集合ブロック１９の中央部に形成された凸部１９ａに形成され、３本の第１通路２０ｃから流動してくる冷却媒体をヒートシンク２３の外部に排出する。この冷媒出口２０ｅは図示しない冷媒循環パイプを通じて冷媒入口２０ａに接続され、冷媒出口２０ｅから排出された冷却媒体は、冷媒循環パイプ内に備えられた図示しない循環ポンプ等の冷媒循環手段による冷媒循環動作により、再び冷媒入口２０ａに導かれるように構成されている。
【００４７】
一方、３本の第２通路２０ｄは、ベースプレート１０のうち分岐溝２０ｂと繋がる位置から各半導体レーザ用ヒートシンク１７側に延設されたのち、半導体レーザ用ヒートシンク１７とベースプレート１０との接合箇所から半導体レーザ用ヒートシンク１７内を通じて、半導体レーザ用ヒートシンク１７の上方（ベースプレート１０との接合箇所と反対側）まで延設されている。
【００４８】
第２通路２０ｄのうち分岐溝２０ｂと繋がる部分は、ベースプレート１０のうち冷媒入口２０ａとは異なる場所において、ベースプレート１０の内壁面からレーザ媒質１の中心軸を中心とした径方向外側に向かって延設されている。この部分は、例えばベースプレート１０の外周面からの穴空けにより形成され、外周面において開口部を塞ぐことにより形成される。また、第２通路２０ｄのうち半導体レーザ用ヒートシンク１７内に形成された通路は、蛇行状に形成されており、半導体レーザ用ヒートシンク１７内においてできる限り経路長を稼げる構造とされている。そして、第２通路２０ｄの出口は第１フランジ部２３ｂよりも外側に備えられており、その出口に図示しない冷媒循環パイプが接続されることにより、上記第１通路２０ｃ内の冷却媒体と同様、再び冷媒入口２０ａに導かれるように構成されている。
【００４９】
なお、第１通路２０ｃのうちベースプレート１０とヒートシンク２３との接合場所やヒートシンク２３と集合ブロック１９との接合場所に位置する部分、および、第２通路２０ｄのうちベースプレート１０とヒートシンク２３との接合場所やベースプレート１０と半導体レーザ用ヒートシンク１７との接合場所には、第１通路２０ｃや第２通路２０ｄを１周囲うようにＯリング２１、２２が配置されている。これらＯリング２１、２２により、第１通路２０ｃや第２通路２０ｄからの冷却媒体漏れが防止されている。
【００５０】
次に、上記のように構成された本実施形態のレーザ発振器の作動について説明する。
【００５１】
まず、点火タイミングに合わせた周期でレーザ照射が行われるように、エンジンＥＣＵ等から半導体レーザ陽極１３に対して所望の周期の電圧を一定期間（約２８０μｓ）印加する。これにより、半導体レーザ陽極１３と半導体レーザ陰極１４との間に電圧差が発生し、それに基づいて半導体レーザ１２が励起されてレーザ光が発生する。このレーザ光が空気層２５やスリット６を通じてレーザ媒質１に入射される。
【００５２】
続いて、レーザ媒質１にレーザ光が入射されると、レーザ媒質１内で光が誘導放出される。この光が反射鏡３および過飽和吸収体２間に閉じ込められているためレーザ媒質１内部のエネルギーが高められる。レーザ光がある程度高エネルギー準位に達すると、過飽和吸収体２が透明になり、レーザ光は反射鏡３と出力鏡４間で共振し位相方向の揃ったレーザ光となる。前記レーザ光は半透過性の膜をコーティングした出力鏡４を透過し、スプリングホルダ７やスプリング８および穴あきネジ９の開口部などを通じて光軸３０に沿ってレーザ光が出射される。出射したレーザ光は燃焼室の壁面に取り付けられた図示しない集光レンズにより集光されプラズマを形成する。そのプラズマの熱により混合気が着火し、これにより、エンジンの燃焼室内の燃料が燃焼させられる。そして、レーザ光が出射されると、過飽和吸収体２が透明ではなくなるためレーザ光の発振が停止する。再びレーザ光のエネルギーが高められたのち、ある程度高エネルギー準位になるとまた出射されるという動作が繰り返される。これにより、点火タイミングに合せたレーザ照射が１燃焼中に単発または複数回可能となる。
【００５３】
このような作動を行うに際し、レーザ媒質１や半導体レーザ１２が発熱するため、循環ポンプなどの冷媒循環手段が駆動され、冷却通路２０内において冷却媒体が流動させられる。これにより、レーザ媒質１が発した熱がヒートシンク２３に伝達され、ヒートシンク２３にて放熱が行われる際に、ヒートシンク２３を冷却媒体にて冷却することが可能となり、放熱効率を高めることが可能となる。
【００５４】
図５は、このときの放熱経路および放熱量を模式的に示した拡大断面である。図中矢印の太さが放熱量の大きさと対応している。この図に示すように、レーザ媒質１で発した熱は、反射鏡３および金属プレート５を通じてヒートシンク２３に伝わる経路Ｒ１、過飽和吸収体２からスプリングホルダ７を通じてヒートシンク２３に伝わる経路Ｒ２、および、レーザ媒質１とヒートシンク２３との間の隙間（空気）を通じて伝わる経路Ｒ３の３つの経路を通じてヒートシンク２３に伝わる。これら各経路Ｒ１〜Ｒ３のうち、経路Ｒ３に関しては空気を介しているため熱伝導率は高くないが、空気を介さない又は空気を介してもその厚みが非常に薄くなっている経路Ｒ１、Ｒ２に関しては高い熱伝導率を得ることができる。すなわち、経路Ｒ１に関してはレーザ媒質１からヒートシンク２３の間が反射鏡３や金属プレート５という熱伝達率の高い材質が配置されているため高い熱伝達率が得られ、経路Ｒ２に関してはレーザ媒質１からヒートシンク２３の間に過飽和吸収体２およびスプリングホルダ７の他に薄い空気層があるが、空気層の厚みがスプリングホルダ７の熱膨張を吸収できる程度しかないため、経路Ｒ１と同様に高い熱伝達率が得られる。
【００５５】
したがって、レーザ媒質１の発した熱を効率良くヒートシンク２３に伝えることが可能となる。
【００５６】
そして、本実施形態では、ヒートシンク２３に対して複数本の第１通路２０ｃを備えているが、各第１通路２０ｃを熱負荷の高いレーザ光の出射側からレーザ媒質１の中心軸と平行に形成し、かつ、レーザ光の出射側から光軸方向反対側に向かって冷却媒体を流動させるようにしている。したがって、レーザ媒質の冷却を的確に行うことでレーザ出力を安定させることを可能し、かつ、直接冷却水で冷却しなくても良い構造のレーザ発振器にできる。また、複数本の第１通路２０ｃを等間隔に配置している。したがって、レーザ媒質１を均一に冷却することが可能となる。
【００５７】
さらに、各第１通路２０ｃをレーザ光の出射側からレーザ媒質１の中心軸と平行に延ばしたのち、再び出射側に折り返す構造としていないため、冷却媒体が冷媒出口２０ｅから直ぐに排出され、再び冷えた状態になってからヒートシンク２３に戻ってくる。このため、第１通路２０ｃを何度も折り返した形状とする場合のように、第１通路２０ｃの経路長が長くなり過ぎて経路の最後の方で冷却媒体が既に熱されて冷却に使用できなくなってしまうような状態を防ぐことが可能となる。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態のレーザ発振器によれば、レーザ媒質の冷却が的確に行え、かつ、直接冷却水で冷却しなくても良い構造にできる。そして、レーザ媒質１を均一に冷却することが可能となる。また、第１通路２０ｃを何度も折り返した形状とする場合のように、第１通路２０ｃの経路長が長くなり過ぎて経路の最後の方で冷却媒体が既に熱されて冷却に使用できなくなってしまうような状態を防ぐことが可能となる。
【００５９】
さらに、本実施形態のレーザ発振器では、レーザ共振器を構成するレーザ媒質１、過飽和吸収体２、反射鏡３および出力鏡４を一体化してヒートシンク２３の空間２３ｄ〜２３ｆにスプリング８の弾性力によって固定しているため、放熱性と耐振動性を向上することが可能となる。
【００６０】
（他の実施形態）
上記実施形態では、レーザ媒質１の中心軸を中心として３つのスリット６を配置し、各スリット６に対応して半導体レーザ用の冷却機構を１つずつ配置する場合について説明したが、スリット６および半導体レーザ用の冷却機構の数は単なる一例を示したものであり、２つもしくは４つ以上としても構わない。同様に、第１通路２０ｃおよび第２通路２０ｄの数に関しても２つもしくは４つ以上としても構わない。
【００６１】
また、上記実施形態で説明したヒートシンク２３やベースプレート１０等の形状等に関しても単なる一例を示したものであり、適宜変更可能である。
【００６２】
さらに、上記実施形態では、第２通路２０ｄの出口を第１フランジ部２３ｂの外側に備えるようにしたが、第１フランジ部２３ｂの内側に備えることも可能である。この場合、第１フランジ部２３ｂ内に第２通路２０ｄと冷媒出口２０ｅとを繋ぐ通路を備えるようにすれば、冷媒出口２０ｅを第１通路２０ｃの冷却媒体の排出用だけでなく、第２通路２０ｄの冷却媒体の排出用にも利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるレーザ発振器の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】各種固定用部品を介したレーザ共振器のヒートシンクへの固定構造の詳細を示した部分拡大図である。
【図５】図１に示すレーザ発振器によるレーザ発振を行ったときの放熱経路および放熱量を模式的に示した拡大断面である。
【符号の説明】
【００６４】
１      レーザ媒質
２      過飽和吸収体
３      反射鏡
４      出力鏡
６      スリット
７      スプリングホルダ
８      スプリング
１０    ベースプレート
１２    半導体レーザ
１７    半導体レーザ用ヒートシンク
１９    集合ブロック
２０    冷却通路
２０ａ  冷媒入口
２０ｂ  分岐溝
２０ｃ  第１通路
２０ｄ  第２通路
２０ｅ  冷媒出口
２３    ヒートシンク
２３ａ  収容部
２３ｂ  第１フランジ部
２３ｃ  第２フランジ部
２３ｄ〜２３ｆ  空間
２３ｇ  出射口
３０    光軸
【図１】
2009170451.tif 000003
【図２】
2009170451.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009170451.tif 000006
【図５】
2009170451.tif 000007