(57)【要約】【課題】  共振器内部を操作することなく、パルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ着火装置を提供すること。【解決手段】  このレーザ着火装置は、内燃機関の燃焼室内にある燃料に着火させるレーザ着火装置であって、増幅媒体に励起光を集光させる励起光学系と、増幅媒体と可飽和吸収体とを有する共振器系と、前記共振器系から出力されるレーザ光を前記燃焼室内に集光させる出力光学系と、前記励起光の前記増幅媒体への入射径を変化させる入射径調整手段とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
2009194076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内にある燃料に着火させるレーザ着火装置であって、増幅媒体に励起光を集光させる励起光学系と、増幅媒体と可飽和吸収体とを有する共振器系と、前記共振器系から出力されるレーザ光を前記燃焼室内に集光させる出力光学系と、前記励起光の前記増幅媒体への入射径を変化させる入射径調整手段とを備えることを特徴とするレーザ着火装置。
【請求項２】
前記入射径調整手段は、前記励起光学系を駆動して、前記増幅媒体に対する前記励起光学系の距離を変化させる励起光学系駆動装置を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ着火装置。
【請求項３】
前記入射径調整手段は、少なくとも１枚のレンズ及び励起光が入力される入力部を含む前記励起光学系における、前記レンズ及び前記入力部のうちの少なくとも１つを、前記増幅媒体中における集光点の位置を変えることなく、前記入力部と前記集光点とにより形成される光軸方向に駆動するレンズ入力部駆動装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ着火装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ着火装置と、前記励起光学系に前記励起光を供給する励起光源とを有することを特徴とするレーザ着火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ着火装置に関し、特に共振器内部を操作することなく、パルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ着火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のための着火装置としては一般にスパークプラグが用いられている。スパークプラグは、電極間に高電圧を印加して電極間に放電を発生させることにより混合気を着火させる装置である。スパークプラグは、比較的単純な構造で実用上十分な耐久性を有するので、古くより内燃機関における着火装置として用いられてきた。
【０００３】
近年、燃費低減や有害排出ガスの削減のために、内燃機関においてはより高い圧縮比が望まれている。一般に、圧力が低いほど放電し易いため、高い圧縮比はスパークプラグによる着火にとっては不利な条件である。高い圧縮比においても確実に放電させるためには、電極形状の変更及び印加電圧の上昇等が必要である。しかし、これらは耐久性の低下、着火性の低下、絶縁破壊、又はコスト上昇を招くおそれがある。
【０００４】
また、より短時間かつ低温で燃焼を終了させるために、着火位置制御及び複数箇所からの着火が検討されている。しかし、スパークプラグは燃焼室の内側壁面近傍で着火させるので、着火点の制御という要求に対しては不利である。
【０００５】
これらの要望に適合する着火手段として、レーザ着火装置が注目されている。レーザ着火装置は、パルスレーザをレンズにより集光し、その集光点に発生するプラズマを起点として着火させる。レーザ着火装置は、スパークプラグとは対照的に、圧縮比が高くなるほど着火性が向上する。また、集光点位置を調節することにより、燃焼室内における単一又は複数の任意の着火点からの着火が可能であるといった利点を有する。さらに、電気的ノイズの発生源にならないこと、付着した汚れによる短絡がないこと、燃焼室内に火炎の伝播の障害となる突起物を有しないことといった利点もある。
【０００６】
レーザ着火装置の概念は古くからあるが実用化するためには多くの課題が残っている。しかし、内燃機関の高度な燃焼制御への要求が以前にも増して高まってきたこと、レーザダイオードの高出力及び低価格化等によって、ダイオード励起固体レーザが以前よりも小型かつ安価に形成できるようになったこと等により、近年再び脚光を浴びてきている。
【０００７】
レーザにより混合気を着火させるには、数ｍＪ〜数十ｍＪという非常に大きなエネルギーで、かつ、パルス幅がｎｓ程度のパルスを発生させる必要がある。このようなジャイアントパルスを発生させるいくつかの方法のうち、比較的簡単にジャイアントパルスを発生させることができ、かつ、比較的高いエネルギー効率で稼動することが可能であることから、受動Ｑスイッチダイオード励起固体レーザが期待されている。
【０００８】
ところで、内燃機関における燃料を着火するのに必要なパルスエネルギーは、内燃機関の運転状況によって異なる。内燃機関に装着されるレーザ着火装置が、運転状況に応じて所望のパルスエネルギーを有するパルスレーザを発振できると、消費電力を抑制できるので好ましい。受動Ｑスイッチングでは、パルスエネルギーは、可飽和吸収体の初期透過率等によって決まることが知られているので、パルスのエネルギーを変化させるために、当初の可飽和吸収体とは初期透過率の異なる可飽和吸収体に交換する方法が考えられる。
【０００９】
また、特許文献１の請求項１には、「レーザー媒質を配置したレーザー共振器内における光の光路上にＱスイッチとして機能する可飽和吸収体を配置し、前記レーザー共振器内に配置された前記可飽和吸収体を前記光の光路に対して相対的に移動して、前記光が前記可飽和吸収体を通過する際における前記可飽和吸収体の初期透過率を変化させることを特徴とするパルス幅可変レーザー発振方法。」が記載されており、このようなパルス幅可変レーザー発振方法によれば、「レーザー共振器内に配置された可飽和吸収体を通過する光の当該可飽和吸収体内における光路長が変化することに応じて、当該可飽和吸収体の初期透過率を変化させることができ、而して、当該可飽和吸収体における光の透過率が変化してシャッタ動作のタイミングが変わるようになる。このため、これまでレーザー共振器内にＱスイッチ素子として配置された可飽和吸収体を取り換えなければ実現することができなかった出力されるパルスレーザー光のパルス幅の連続的または段階的な変化を、レーザー共振器内にＱスイッチ素子として配置された単一の可飽和吸収体により実現することができるようになる。」（特許文献１の段落番号００１４参照）と記載されている。
【００１０】
しかし、可飽和吸収体等の光学部品の交換及び共振器内部における光学部品の駆動は、高い精密性が要求されるレーザ発振装置にとって好ましくない。また特許文献１に記載されているような特殊な形状の可飽和吸収体を作製したり、高い精度で駆動させたりする手段を設けることは、装置構成を複雑にしてコスト上昇に繋がる。
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−１７９７２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、共振器内部を操作することなく、パルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ着火装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するための手段として、
請求項１は、
内燃機関の燃焼室内にある燃料に着火させるレーザ着火装置であって、増幅媒体に励起光を集光させる励起光学系と、増幅媒体と可飽和吸収体とを有する共振器系と、前記共振器系から出力されるレーザ光を前記燃焼室内に集光させる出力光学系と、前記励起光の前記増幅媒体への入射径を変化させる入射径調整手段とを備えることを特徴とするレーザ着火装置であり、
請求項２は、
前記入射径調整手段は、前記励起光学系を駆動して、前記増幅媒体に対する前記励起光学系の距離を変化させる励起光学系駆動装置を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ着火装置であり、
請求項３は、
前記入射径調整手段は、少なくとも１枚のレンズ及び励起光が入力される入力部を含む前記励起光学系における、前記レンズ及び前記入力部のうちの少なくとも１つを、前記増幅媒体中における集光点の位置を変えることなく、前記入力部と前記集光点とにより形成される光軸方向に駆動するレンズ入力部駆動装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ着火装置であり、
請求項４は、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ着火装置と、前記励起光学系に前記励起光を供給する励起光源とを有することを特徴とするレーザ着火装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るレーザ着火装置は、内燃機関の燃焼室内にある燃料に着火させるレーザ着火装置であって、増幅媒体に励起光を集光させる励起光学系と、増幅媒体と可飽和吸収体とを有する共振器系と、前記共振器系から出力されるレーザ光を前記燃焼室内に集光させる出力光学系と、前記励起光の前記増幅媒体への入射径を変化させる入射径調整手段とを備える。このレーザ着火装置は、入射径調整手段により励起光の増幅媒体への入射径を変化させることができ、この励起光の増幅媒体への入射径により、レーザ着火装置から出力されるパルスエネルギーは変化する。したがって、このレーザ着火装置から出力されるパルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ着火装置を提供することができる。
【００１５】
また、入射径調整手段は、前記励起光学系を駆動して、前記増幅媒体に対する前記励起光学系の距離を変化させる励起光学系駆動装置を備えるので、この励起光学系駆動装置により励起光の増幅媒体への入射径を変化させることができる。したがって、このレーザ着火装置から出力されるパルスエネルギーを所望のように調整することのできるレーザ着火装置を提供することができる。
【００１６】
さらに、入射径調整手段は、少なくとも１枚のレンズ及び励起光が入力される入力部を含む前記励起光学系における、前記レンズ及び前記入力部のうちの少なくとも１つを、前記増幅媒体中における集光点の位置を変えることなく、前記入力部と前記集光点とにより形成される光軸方向に駆動するレンズ入力部駆動装置を備えるので、このレンズ入力部駆動装置により励起光の増幅媒体への入射径を変化させることができる。したがって、このレーザ着火装置から出力されるパルスエネルギーを所望のように調整することができると共に、励起光のエネルギーの損失を抑えて、高い効率でパルスレーザを発振させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
まず、図１（ａ）を参照しつつ本発明に係るレーザ着火装置の一実施例であるレーザ着火装置について説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施例であるレーザ着火装置の構成説明図である。本実施形態のレーザ着火装置１は、励起光２を出力する励起光源の一例である半導体レーザ３と、前記励起光２を伝送する光ファイバ４と、増幅媒体５に前記励起光２を集光させる励起光学系６と、全反射鏡７と部分反射鏡８との間に増幅媒体５と可飽和吸収体９とを有する共振器系１０と、前記共振器系１０から出力されるレーザ光１１を内燃機関の燃焼室内に集光させる出力光学系１２と、前記励起光２の前記増幅媒体５への入射径Ｒ１を変化させる入射径調整手段１３とを備えて成る。
【００１８】
励起光源の一例である半導体レーザ３は、共振器系１０における増幅媒体５に励起光２を照射して、増幅媒体５を励起させることにより共振器系１０から所望のエネルギーを有するパルスエネルギーを出力させることができる限り、公知の半導体レーザを採用することができる。
【００１９】
光ファイバ４は、半導体レーザ３から出力された励起光を伝送し、共振器系１０における増幅媒体５に励起光２を照射して、増幅媒体５を励起させることにより共振器系１０から所望のエネルギーを有するパルスエネルギーを出力させることができる限り、公知の光ファイバを採用することができる。半導体レーザ３から出力された励起光を光ファイバ４を介さずに、励起光学系６で集光して増幅媒体５に照射させても良いが、光ファイバ４を介して入力部１４から励起光２を励起光学系６に入射させると、半導体レーザ３を内燃機関から離して設置することができるので内燃機関の熱による影響を受けにくくなるので好ましい。
【００２０】
励起光学系６は、励起光が供給される入力部１４と少なくとも一枚のレンズ１５，１６とを有し、半導体レーザ３から出力された励起光を集光し、所望の入射径Ｒ１で増幅媒体５に入射させることができる。本実施形態においては、励起光学系６は、二枚の平凸レンズ１５，１６を有し、この二枚の平凸レンズ１５，１６を用いて励起光２を集光し、共振器系１０における全反射鏡７を透過して増幅媒体５に入射させている。
【００２１】
本実施形態のレーザ着火装置における入力部１４は、例えば、筒状部２３とこの筒状部２３を保持する円盤状部２４とにより形成され、この筒状部２３がレンズ１５，１６を収容する筐体に嵌め込まれるように設置される。この筒状部２３には、光ファイバ４が嵌め込まれ、光ファイバ４を伝送する励起光が、入力部１４を介して励起光学系６に供給される。また、光ファイバ４を使用しない場合には、励起光源の一例である半導体レーザ３から入力部１４を介して励起光が励起光学系６に供給される。後述する他の実施形態である、図３及び図４に示すレーザ着火装置においては、レンズ入力部駆動装置３１３，４１３により、入力部３１４，４１４が駆動される場合がある。このとき、入力部３１４，４１４における筒状部を伸縮させたり、入力部３１４，４１４又は入力部３１４，４１４が固定された筐体端部を適宜の移動手段により駆動させたりすることにより、励起光学系３０６，４０６における入力部３１４，４１４の位置、すなわち増幅媒体３０５，４０５に対する励起光の出力位置が決められる。
【００２２】
励起光２は、増幅媒体５のうち、共振器系１０の光軸を含む領域に励起光２を照射することができれば良く、本実施形態に係るレーザ着火装置１においては、共振器１０の光軸の延長線上に励起光学系６が配置され、この励起光学系６により集光された励起光２が、全反射鏡７を透過して、板状の増幅媒体５の表面に垂直に照射されている。この他にも、例えば、増幅媒体５における励起光２が入射される面に対して、励起光２が斜めに入射される位置に、励起光学系６が配置されても良い。
【００２３】
共振器系１０は、全反射鏡７と増幅媒体５と可飽和吸収体９と部分反射鏡８とにより形成されて成り、全反射鏡７と増幅媒体５と可飽和吸収体９と部分反射鏡８等の光学部品は、所望のエネルギーを有するパルスレーザを出力することができる限り、公知の光学部品を採用することができる。共振器系１０の構成としては、例えば、図１（ａ）に示すように、増幅媒体５における励起光２が入射される側の表面に全反射鏡の機能を有する物質がコーティングされることにより全反射鏡７が形成され、全反射鏡７と部分反射鏡８との間に可飽和吸収体９が配置され、全反射鏡７と部分反射鏡８との間でファブリペロー共振器が形成される。可飽和吸収体９は、通常、増幅媒体５と部分反射鏡８との間に配置されるが、可飽和吸収体９が励起光２を吸収しない材料である場合には、全反射鏡７と増幅媒体５との間に配置することもできる。
【００２４】
全反射鏡７は、発振波長２１を９９％より大きな反射率（ほぼ１００％の反射率）で反射し、それ以外の波長の光を透過する特性を有する。部分反射鏡８は、発振波長２１を１０〜９８％、好ましくは６０〜９０％の反射率で反射するとともにその残りの発振波長２１を透過する特性を有する。図１（ａ）に示すように、本実施形態のレーザ着火装置１においては、増幅媒体５における励起光２が入射される側の表面に全反射鏡７の機能を有する物質がコーティングされることにより全反射鏡７が形成されているが、全反射鏡７と部分反射鏡８とを、それぞれ独立した部品として配置しても良いし、可飽和吸収体９における増幅媒体５が配置されている側とは反対側の面に部分反射鏡８の機能を有する物質がコーティングされることにより部分反射鏡８が形成されても良い。また、全反射鏡７と増幅媒体５と可飽和吸収体９と部分反射鏡８とがすべて密着するように配置されても良いし、一部の光学部品のみが密着するように配置されても良い。
【００２５】
増幅媒体５は、半導体レーザ３から出力された励起光２が照射されることにより、励起され光の誘導放出を行う材料であり、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ等の単結晶やセラミックスが好適に使用される。増幅媒体５の形状は、図１（ａ）に示す例においては板状であるが、増幅媒体５の形状は、共振器系１０の内部で往復する光が発生し、共振器系１０からレーザ光１１を出力することができる限り特に限定されず、例えば凸レンズ状、凹レンズ状等の形状を有していても良い。増幅媒体５の大きさもまた、共振器系１０の内部で往復する光が発生し、共振器系１０からレーザ光１１を出力することができる限り特に限定されず、共振器系１０の要求性能に応じて適宜調整すれば良い。
【００２６】
可飽和吸収体９は、発振波長１１に対する透過率を変化させることによりＱスイッチとしての機能を有する。可飽和吸収体９は、増幅媒体５から誘導放出された光を吸収することにより、光の透過率を変化させることのできる結晶体である限り特に限定されず、例えば、Ｃｒ４＋：ＹＡＧが好適に使用される。
【００２７】
出力光学系１２は、少なくとも一枚のレンズを有し、共振器系１０から出力されたパルスレーザ１１を内燃機関における燃焼室内の所望の位置に集光させることができる。本実施形態においては、二枚の平凸レンズ１７，１８と、光学的には何ら作用がなく燃焼室と出力光学系１２内部とを隔離する出力窓１９とを有している。
【００２８】
入射径調整手段１３は、半導体レーザ３から出力される励起光２の前記増幅媒体５への入射径Ｒ１を変化させることのできる限り、任意の入射径調整手段１３を採用することができる。例えば、本実施形態のレーザ着火装置１においては、図１（ａ）に示すように、励起光学系駆動装置１３が採用されており、この励起光学系駆動装置１３は、励起光学系６を駆動し、増幅媒体５に対する励起光学系６の距離を変化させることができる。増幅媒体５と励起光学系６との距離を可変することにより、励起光学系６により集光された励起光２の集光点２０の位置が変化するので、増幅媒体５への入射径Ｒ１が可変する。
【００２９】
本発明に係るレーザ着火装置のように、可飽和吸収体を備えている共振器系から発振されるパルスレーザの１パルスあたりのエネルギー、すなわちパルスエネルギーを調整する方法として、励起光の増幅媒体に対する入射径を変動させることが考えられる。入射径とは、例えば、増幅媒体が板状であり、励起光が入射される増幅媒体の表面が平面である場合に、励起光が増幅体表面に円形状に照射されたときの円の直径である。また、増幅媒体が球状又はレンズ状等の形状を有していたり、励起光が入射される表面が平らではなく起伏があったりする場合などには、入射径とは、励起光が増幅媒体に入射した面を投影した場合に形成される形状の面積を、円に換算した場合の直径である。換言すると、パルスエネルギーは、増幅媒体の表面に入射された励起光の投影面積に依存する。増幅媒体に照射される励起光には通常、入射面に対する強度分布が存在し、その強度分布は、励起光源における励起光強度の分布及び増幅媒体に対する励起光の焦点の位置等により変化するが、一般的に中央部が高く端部が低くなる。本発明においては、パルスレーザを発振するのに十分な励起光の強度が照射されていない弱励起領域は、励起光の投影面積、すなわち入射径には含まれない。
【００３０】
パルスエネルギーが、励起光の増幅媒体に対する入射径、すなわち投影面積により変化する理由について以下に説明する。増幅媒体の表面に入射された励起光の単位投影面積あたりのパルスエネルギーは、可飽和吸収体が固有に有する特性値である発振波長に対する透過率（初期透過率と称することもある。）、部分反射鏡の反射率等の内部損失によって決まる。ここで、前記内部損失は共振器系内において通常一定であるので、適宜に設計された共振器系において、増幅媒体の表面に入射された励起光の単位投影面積あたりのパルスエネルギーは一定である。したがって、増幅媒体の表面に入射された励起光の投影面積を増大させると、パルスエネルギーは増大する。したがって、励起光の増幅媒体に対する入射径を調整することにより、パルスレーザのパルスエネルギーを所望のように調整することができる。
【００３１】
図１（ａ）に示した本実施形態のレーザ着火装置１は、励起光学系６により集光された励起光２の集光点２０は増幅媒体５の厚み方向の中点に位置している。図１（ｂ）は、励起光が増幅媒体に入射される部位の拡大説明図であり、励起光のスポット径を示している。一方、図２（ａ）は、図１（ａ）におけるレーザ着火装置よりも励起光学系と増幅媒体との距離を近づけた場合の例である。図２（ｂ）は、励起光が増幅媒体に入射される部位の拡大説明図であり、励起光のスポット径を示している。図２（ａ）に示した本実施形態のレーザ着火装置２０１では、励起光学系駆動装置２１３により励起光学系２０６を光軸方向に駆動して、励起光学系２０６と増幅媒体２０５との距離を近づけている。その結果、励起光２０２の集光点２２０は、増幅媒体２０５における光軸上の全反射鏡２０７から遠ざかる方向にシフトするので、増幅媒体２０５の表面に入射される励起光２０２の入射径Ｒ２は、図１（ａ）、（ｂ）の場合に比べて大きくなる。励起光２０２の増幅媒体２０５への入射径Ｒ２が大きくなると、本実施形態のレーザ着火装置から発振されるパルスレーザのパルスエネルギーは大きくなる。  
【００３２】
図３（ａ）及び図４（ａ）は、本発明の他の実施例であるレーザ着火装置の構成説明図である。図３（ｂ）及び図４（ｂ）は、増幅媒体の励起光が入射される部位の拡大説明図であり、励起光のスポット径を示している。図３（ａ）及び図４（ａ）に示した本実施形態のレーザ着火装置３０１，４０１は、図１（ａ）及び図２（ａ）における励起光学系駆動装置１３，２１３に代えてレンズ入力部駆動装置３１３，４１３を有している。また、励起光学系３０６，４０６は、凸レンズ３２１，４２１と励起光３０２，４０２の下流側が凸である平凸レンズ３１５，４１５と励起光３０２，４０２の上流側が凸である平凸レンズ４１６，４１６とがこの順に一列に配置され、ズームレンズを形成している。レンズ入力部駆動装置３１３，４１３と励起光学系３０６，４０６以外は、図１（ａ）及び図２（ａ）と同様の構成である。図３（ａ）及び図４（ａ）に示した本実施形態のレーザ着火装置３０１，４０１は、ピニオン及びラック等の適宜の手段よりなるレンズ入力部駆動装置３１３，４１３により、励起光学系３０６，４０６に含まれる、励起光を入力する入力部３１４，４１４及びレンズ３２１，４２１，３１５，４１５，３１６，４１６のうちの少なくとも１個を駆動して、増幅媒体３０５，４０５に対する入力部３１４，４１４及びレンズ３２１，４２１，３１５，４１５，３１６，４１６のうちの少なくとも１個との距離を変化させることにより、増幅媒体３０５，４０５中における集光点３２０，４２０の位置を変えることなく、励起光３０２，４０２の増幅媒体３０５，４０５の表面への入射径Ｒ３，Ｒ４を変化させている。図３（ａ）及び図４（ａ）に示した本実施形態のレーザ着火装置３０１，４０１はいずれも、励起光学系３０６，４０６により集光された励起光３０２，４０２の集光点３２０，４２０は増幅媒体３０５，４０５の厚み方向の中点に位置している。図３（ａ）、（ｂ）に示したレーザ着火装置３０１は、レンズ入力部駆動装置３１０で励起光学系３０６におけるレンズ３２１，３１５，３１６を駆動することにより、図１（ａ）、（ｂ）の場合と同じ入射径で、増幅媒体３０５の表面に励起光３０２を入射している。一方、図４（ａ）、（ｂ）に示したレーザ着火装置４０１は、増幅媒体４０５中における集光点の位置を変えることなく、図３（ａ）、（ｂ）の場合よりも集光点のスポット径を増大させた場合の例である。したがって、図４（ａ）、（ｂ）における増幅媒体４０５の表面に入射される励起光４０２の入射径Ｒ４は、図３（ａ）、（ｂ）の場合に比べて大きくなる。励起光４０２の増幅媒体４０５への入射径Ｒ４が大きくなると、図３（ａ）、（ｂ）の場合に比べてパルスエネルギーは大きくなる。なお、図３（ａ）、（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）に示したレーザ着火装置の例においては、励起光の集光点は増幅媒体の厚み方向における中点に位置しているが、励起光が入射される増幅媒体の表面あるいは表面近傍等、増幅媒体の形状や材料特性に応じて適宜設定すればよい。
【００３３】
図２（ａ）、（ｂ）に示したレーザ着火装置２０１における励起光２０２の増幅媒体２０５への入射径Ｒ２と図４（ａ）、（ｂ）に示したレーザ着火装置４０１における励起光４０２の増幅媒体４０５への入射径Ｒ４とが、同じである場合には、発振されるパルスエネルギーは同じである。しかし、図４（ａ）、（ｂ）における増幅媒体４０５の表面に入射された励起光４０２は、図２（ａ）、（ｂ）における増幅媒体２０５の表面に入射された励起光２０２よりも集光点に近いので、励起光の全エネルギーのうち発振に寄与するエネルギーの割合が高い。したがって、図２（ａ）、（ｂ）に示したレーザ着火装置２０１よりも図４（ａ）、（ｂ）に示したレーザ着火装置４０１の方が、高い効率でパルスレーザを得ることができる。
【００３４】
図５（ａ）〜（ｄ）を用いて、さらに詳しく説明する。図５（ａ）〜（ｄ）は、図１（ａ）、（ｂ）〜図４（ａ）、（ｂ）に示したレーザ着火装置それぞれに対応して、増幅媒体の表面に照射された励起光の入射径と強度との関係を模式的に表した図である。縦軸は、励起光が入射される増幅媒体の表面における、励起光の強度を示し、破線はパルスレーザを発振させるために必要な励起光の強度、すなわちレーザ発振閾値を示す。励起光が入射された増幅媒体の表面における、レーザ発振閾値を超えた面の直径が入射径である。図１（ａ）、（ｂ）と図３（ａ）、（ｂ）と図４（ａ）、（ｂ）とに示したレーザ着火装置は、増幅媒体における厚さ方向における中点に励起光の集光点が位置しており、増幅媒体の表面は集光点に近いので、増幅媒体の表面に照射された励起光の強度は、図５（ａ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、図５（ｂ）に比べて増幅媒体への照射面において鋭く立ち上がっている。したがって、励起光の全エネルギーのうち、レーザ発振閾値（破線）に満たずに、パルス発振に寄与していない励起光のエネルギーは小さい。一方、図２（ａ）、（ｂ）に示したレーザ着火装置は、励起光の集光点が光軸上における全反射鏡から離れる位置にシフトしており、増幅媒体の表面は集光点から遠ざかっているので、図５（ｂ）に示すように、増幅媒体の表面における励起光の強度は、増幅媒体への照射面において緩やかな山形を描く形をしている。したがって、励起光の全エネルギーのうち、レーザ発振閾値（破線）に満たずに、パルス発振に寄与していない励起光のエネルギーは大きい。したがって、図１（ａ）、（ｂ）及び図２（ａ）、（ｂ）に示した励起光学系駆動装置を有するレーザ着火装置よりも、図３（ａ）、（ｂ）及び図４（ａ）、（ｂ）に示したレンズ入力部駆動装置を有するレーザ着火装置の方が、励起光のエネルギーの損失を抑制して、高効率で所望のパルスエネルギーを有するパルスレーザを発振させることができるので、好ましい。
【００３５】
図６に、本実施形態のレーザ着火装置を内燃機関の気筒に装着した場合の気筒の模式図を示す。内燃機関の気筒６００は、シリンダブロック６０１とシリンダヘッド６０２とピストン６０３とにより形成され、シリンダブロック６０１とシリンダヘッド６０２とピストン６０３とにより囲まれて形成される空間が燃焼室６０４である。シリンダヘッド６０２には燃料と空気との混合気を供給する吸入管６０５が接続され、吸入弁６０６の開閉により混合気の供給が調節されるように形成されている。また、シリンダヘッド６０２には混合気を排出する排気管６０７が接続され、排気弁６０８の開閉により混合気の排気が調節されるように形成されている。本実施形態のレーザ着火装置１は、燃焼室６０４内の混合気に着火させることができる限り任意の位置に設置することができ、例えば、図６に示すようにシリンダヘッド６０２における吸入弁６０６と排気弁６０８との間に、本実施形態のレーザ着火装置を設置することができる。レーザ着火装置から出力されたパルスレーザは燃焼室６０４内においてブレークダウンを生じ、パルスレーザの結像点を起点に燃焼室６０４内の混合気が燃焼する。なお、内燃機関における気筒の一例を説明したが、気筒の構成は上記構成に限定されるものではない。本実施形態のレーザ着火装置は、内燃機関の稼働状況に応じて混合気における燃料の割合が変化する場合に、パルスエネルギーを所望のように調整することができる。したがって、消費電力を抑制したレーザ着火装置を提供することができる。
【００３６】
図７は、本実施形態のレーザ着火装置の制御装置を説明するための構成図である。本実施形態のレーザ着火装置は、内燃機関の気筒に取り付けられた種々のセンサにより得られる信号を解析し、この解析結果に基づいて、半導体レーザの電源及びレンズ入力部駆動装置を制御する制御装置により制御されるのが好ましい。制御装置７００は、演算部７０１と制御部７０２とにより形成され、内燃機関の気筒に取り付けられた種々のセンサ７０３、例えば、燃焼室内の圧力、燃焼室内の燃料の濃度、排気管内の排気温度、排気管内の排気中の酸素濃度及び残存燃料濃度等を検知するセンサから送信された信号を演算部７０１において解析する。解析された結果は、制御部７０２へ送信され、この制御部７０２は制御信号を生成し、レンズ入力部駆動装置等の入射径調整手段７０４に制御信号を出力する。この制御信号により、増幅媒体に照射された励起光が所望の入射径を有するように、レンズ入力部駆動装置７０４が増幅媒体に対する励起光学系におけるレンズ及び入力部のうちの少なくとも１つの位置を制御する。その後、半導体レーザの稼動を開始した後、レーザ着火装置からパルスレーザが出力されるまでの時間を考慮したタイミングで、半導体レーザの電源７０５に制御信号を出力し、半導体レーザの電源をｏｎ及びｏｆｆにする。上記工程を繰り返し行うことにより、内燃機関の気筒内の混合気を適切なタイミングで、着火させることができるので、内燃機関の稼動状況に応じて、所望のように気筒を動作させることができる。なお、レンズ入力部駆動装置に代えて励起光学系駆動装置を用いて、増幅媒体に照射される励起光の入射径を調整する場合には、前記制御装置により励起光学系駆動装置が制御される。
【００３７】
次に、図１（ａ）を参照しながら、レーザ着火装置１の作用について説明する。図１（ａ）に示すように、半導体レーザ３から出力された励起光２は、光ファイバ４により伝送され入力部１４から励起光学系６に入力される。入力された励起光２は励起光学系６における２枚の平凸レンズ１５，１６により集光され、共振器系１０の全反射鏡７を透過して増幅媒体５に入射される。入射された励起光２は増幅媒体５に吸収されて時間と共に励起され反転分布密度が上昇し、誘導放出が起こる。増幅媒体５から発振された光が部分反射鏡８と全反射鏡７とにより形成される共振器内を往復する過程において、可飽和吸収体９が共振器内部を往復する光を吸収して、可飽和吸収体の透過率が上昇するので、共振器に貯蔵されたエネルギーと損失されたエネルギーとの比であるＱ値が急激に上昇し、共振器内部を往復する発振波長２１及び部分反射鏡８を透過するレーザ光１１が急激に増加する。出力の急激な増加に伴い、増幅媒体の反転分布密度は急激に減少するので、共振器内を往復する発振波長２１及び部分反射鏡８を透過するレーザ光１１は短時間のうちに減少に転じ、出力はジャイアントパルスとなる。ここで、励起光学系駆動装置１３により、励起光学系６を共振器系１０に近づけると、励起光２の集光点は、増幅媒体５における励起光２が入射される面から離れる方向にシフトする。したがって、増幅媒体５に入射される励起光２の入射径Ｒ１は大きくなるので、レーザ着火装置１から発振されるパルスレーザのパルスエネルギーは大きくなる。
【００３８】
半導体レーザ３からの励起光２が連続して照射される場合には、上記過程が繰り返されるので、本実施形態のレーザ着火装置１からパルスレーザ１１が所定間隔で出力される。一方、増幅媒体５の反転分布密度が閾値に達した後に、半導体レーザ３から出力される励起光２を速やかに止めると、単一のパルスレーザ１１となる。
【００３９】
部分反射鏡８から出力されたパルスレーザ１１は、出力光学系１２における２枚の平凸レンズ１７，１８により集光されて、出力窓１９により隔離された気筒の燃焼室内に結像点２２が形成される。この結像点２２においては、高い電界が生じる。この電界密度が諸条件によって決まる閾値より高い場合には、ブレークダウンを生じ、この結像点２２を起点に燃焼室内の混合気が燃焼する。
【００４０】
本発明に係るレーザ着火装置は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更をすることができる。例えば、励起光学系におけるレンズの種類及び個数は特に限定されず、励起光の増幅媒体に対する入射径を所望のように調整することができれば良い。また、出力光学系におけるレンズの種類及び個数も特に限定されず、内燃機関の燃焼室内における所望の位置にパルスレーザの結像点を有するように調整することができれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１（ａ）は、本発明の一実施例であるレーザ着火装置の構成説明図である。図１（ｂ）は、励起光が増幅媒体に入射される部位の拡大説明図である。
【図２】図２（ａ）は、図１（ａ）におけるレーザ着火装置よりも励起光学系と増幅媒体との距離を近づけた場合の例である。図２（ｂ）は、励起光が増幅媒体に入射される部位の拡大説明図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の他の実施例であるレーザ着火装置の構成説明図である。図３（ｂ）は、励起光が増幅媒体に入射される部位の拡大説明図である。
【図４】図４（ａ）は、増幅媒体中における集光点の位置を変えることなく、図３（ａ）の場合よりも集光点のスポット径を増大させた場合の例である。図４（ｂ）は、励起光が増幅媒体に入射される部位の拡大説明図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｄ）は、図１（ａ）、（ｂ）〜図４（ａ）、（ｂ）に示したレーザ着火装置それぞれに対応して、増幅媒体の表面に照射された励起光の入射径と強度との関係を模式的に表した図である。
【図６】図６は、本発明の一実施例であるレーザ着火装置の制御装置を説明するための構成図である。
【図７】図７は、本発明の一実施例であるレーザ着火装置を内燃機関の気筒に装着した場合の気筒の模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
１、２０１、３０１、４０１      レーザ着火装置
２、２０２、３０２、４０２        励起光
３、２０３、３０３、４０３    半導体レーザ
４、２０４、３０４、４０４    光ファイバ
５、２０５、３０５、４０５        増幅媒体
６、２０６、３０６、４０６        励起光学系
７、２０７、３０７、４０７        全反射鏡
８、２０８、３０８、４０８        部分反射鏡
９、２０９、３０９、４０９        可飽和吸収体
１０、２１０、３１０、４１０        共振器系
１１、２１１、３１１、４１１        レーザ光
１２、２１２、３１２、４１２        出力光学系
１３、２１３、３１３、４１３        入射径調整手段、励起光学系駆動装置、レンズ入力部駆動装置
１４、２１４、３１４、４１４        入力部
１５、１６、１７、１８、２１５、２１６、２１７、２１８、３１５、３１６、３１７、３１８、４１５、４１６、４１７、４１８        平凸レンズ
１９、２１９、３１９、４１９        出力窓
２０、２２０、３２０、４２０        集光点
２１、２２１、３２１、４２１        発振波長
２２、２２２、３２２、４２２        結像点
３２１、４２１        凸レンズ
６００      気筒
６０１      シリンダブロック
６０２      シリンダヘッド
６０３      ピストン
６０４      燃焼室
６０５      吸入管
６０６      吸入弁
６０７      排気管
６０８      排気弁
７００      制御装置
７０１      演算部
７０２      制御部
７０３      センサ
７０４      入射径調整手段
７０５      電源
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４      入射径
【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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