固体レーザの固定方法とこれを用いたレーザ点火装置
【課題】熱的安定性、耐振性に優れた固体レーザの固定方法とそれを用いたレーザ点火装置を提供することを目的とする。
【課題を解決する手段】ＡＲコーティング２０１を施され全反射鏡からなる入射鏡２００と、励起光の波長を変換して放出するレーザ媒質２０２と、受動Ｑスイッチを構成する可飽和吸収体２０３及び部分反射鏡２０４とが一体に形成され、角柱状に切り出された固体レーザ２０の長手方向の４側面２１１〜２１４の内、少なくとも２面２１１、２１２が、固体レーザ固定用ホルダ２５を構成するホルダ基体２５０の内側に区画した固体レーザ収容空間２５５の内周側の２側面（２５１、２５２）に対して、それぞれの裏面側（２１３、２１４）から固体レーザ固定用弾性体２６１〜２６４によって弾性的に押圧して、広い接触面積で当接せしめ、固体レーザ２０の中心軸Ｃ／Ｌとホルダ２５の中心軸Ｃ／Ｌとが一致した状態で弾性的に保持する。
【課題を解決する手段】ＡＲコーティング２０１を施され全反射鏡からなる入射鏡２００と、励起光の波長を変換して放出するレーザ媒質２０２と、受動Ｑスイッチを構成する可飽和吸収体２０３及び部分反射鏡２０４とが一体に形成され、角柱状に切り出された固体レーザ２０の長手方向の４側面２１１〜２１４の内、少なくとも２面２１１、２１２が、固体レーザ固定用ホルダ２５を構成するホルダ基体２５０の内側に区画した固体レーザ収容空間２５５の内周側の２側面（２５１、２５２）に対して、それぞれの裏面側（２１３、２１４）から固体レーザ固定用弾性体２６１〜２６４によって弾性的に押圧して、広い接触面積で当接せしめ、固体レーザ２０の中心軸Ｃ／Ｌとホルダ２５の中心軸Ｃ／Ｌとが一致した状態で弾性的に保持する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動環境下に耐えられる固体レーザの固定方法と、車両等の振動環境下に晒される内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュランプ、半導体レーザ等の励起用光源をＱスイッチ式のレーザ媒質に照射し、短いパルス幅でエネルギを集中させて放出するパルスレーザを発振させ、さらにパルスレーザを集光レンズなどの光学系部品を用いて集光して、高いエネルギを集中させることにより、内燃機関の点火を行ったり、金属の加工を行ったりするレーザ装置が種々提案されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３等参照）。
【０００３】
エネルギ密度の高いパルスレーザを燃焼室の内側に集光させて、自動車エンジン等の内燃機関の混合気の点火を行うに際して、高温環境下に置かれるレーザモジュールの経済的な構造として、特許文献１には、ケーシング（１１０ａ）を備え、該ケーシング（１１０ａ）内に配設されたレーザパルス（３００）生成のためのなくとも１つのレーザ装置（１２０）を有しているレーザモジュール（１１０）において、前記レーザモジュール（１００）が少なくとも１つの第１の密封領域（１３０ａ）と、該第１の密封領域（１３０ａ）内に少なくとも部分的に設けられる第２の密封領域（１３０ｂ）とを有し、前記レーザ装置（１２０）が前記第２の密封領域（１３０ｂ）内部に配設されるように構成されていることを特徴とするレーザモジュールが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、同種のレーザ点火装置２６として、固体レーザ４４と、ハウジング３３と燃焼室に望む窓部５８とからなり、ハウジング３８を内側スリーブ６２と外側スリーブ５４との二重筒構造で構成し、内側スリーブ６２と外側スリーブ６４との間に、インサート部７０を設けて溶接等により密封した構造が示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、レーザビームを光波長変換素子によって第２高調波等に波長変換する光波長変換装置に用いられる光波長変換素子の固定方法として、ホルダを形成する金属の熱膨張係数と最もかけ離れた熱膨張係数を有する光波長変換素子の結晶軸方向の対して垂直な面のみを介して金属ホルダに接着固定する方法が開示されており、−２０〜６０℃の温度変化に対して、光波長変換素子にクラックや歪みを生じないとされている。
【０００６】
非特許文献１には、内燃機関の点火装置に用いられる、小型で高エネルギのＮｄ−ＹＡＧレーザが開示されている。
【０００７】
レーザ発振装置を自動車エンジン等の内燃機関の点火装置として利用しようとした場合、レーザ装置がエンジンヘッド等の−４０〜１３０℃というような極めて温度変化の大きい環境に晒されることになり、しかも、路面状況の変化や、車両の加速、減速等、運転状態によって様々な振動に晒され、耐振性として３０Ｇという大きな重量加速度に耐え得るものでなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、特許文献１では、具体的なＱスイッチレーザ媒質等の固定方法は必ずしも明確となっていないが、特許文献１に有るように、公知のレーザモジュールを第１の密封領域内に設けた第２の密封領域内に配設して密封構造としたのでは、レーザモジュールが高温環境下に晒されたときに、第２の密封領域を構成する第２のケーシングとその内側に設けたレーザモジュールとの熱膨張係数の差を吸収できずレーザモジュールに歪みを生じることとなる。このようなレーザモジュールに歪みが生じると、光軸のズレによって、点火に必要なエネルギを十分集光させることができなかったり、レーザ共振器の発振の変動によって、所定のタイミングでの着火が困難となったりする虞がある。
【０００９】
また、特許文献２にあるレーザ点火装置でも、外乱により、ハウジング３８と固体レーザ４４との熱膨張率の違いによって固体レーザ４４が歪み、安定した着火が実現できない虞がある。さらに、内側スリーブ６２と外側スリーブ６４との間で固体レーザ４４の全周が覆われるように挟持されているため、外部からの振動の逃げ場がなく、固体レーザ４４に直接作用し、固体レーザ４４にひび割れを生じる虞もある。
【００１０】
一方、特許文献３にあるように、レーザ媒質の一面のみを金属製ホルダに接着剤を用いて固定させたのでは、激しい振動や、高温に晒される等の過酷な使用環境に耐えられず、固体レーザ媒質の金属製ホルダからの脱離を招いたり、接着剤成分の蒸発によって集光レンズの汚染を招いたりする虞がある。
【００１１】
また、本発明者等の、鋭意試験により、固体レーザの固定方法を工夫することで、極めて簡易な構成により非特許文献１に記載されたレーザ点火装置よりも高い変換効率でパルスレーザを発振して、内燃機関の点火を行うレーザ点火装置を実現できることが判明した。
【００１２】
本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、車両用エンジン等の温度変化が大きく、振動や衝撃等も大きい、過酷な使用環境においても、安定した状態で固体レーザを保持し、安定したパルスレーザの発振を可能とする信頼性に優れた固体レーザの固定方法とそれを用いたレーザ点火装置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】
【００１３】
請求項１の発明では、全反射鏡と部分反射鏡との間に介装されたれーザ媒質の内部で励起光源から発振された励起光を共振させ、エネルギ密度の高いパルスレーザを発振するレーザ共振器に用いられる固体レーザの固定方法であって、短い波長の励起光の入射は許容し、長い波長の蛍光光を全反射する全反射鏡からなる入射鏡と、短い波長の励起光の入射により長い蛍光波長を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質から放射された光エネルギが所定のＱ値以下のときには吸収し、所定のＱ値以上のときには放出する受動Ｑスイッチを構成する可飽和吸収体及と部分反射鏡とを一体に形成して、角柱状に加工した固体レーザの長手方向の４側面の内、少なくとも２側面を、固体レーザ固定用ホルダを構成するホルダ基体の内側に区画した固体レーザ収容空間の内周側の２側面に対して、それぞれの裏面側から固体レーザ固定用弾性体によって弾性的に押圧して、広い接触面積で当接せしめ、上記固体レーザの中心軸と上記固体レーザ固定用ホルダの中心軸とが一致した状態で弾性的に保持する。
【００１４】
請求項２の発明では、上記固体レーザ固定用弾性体が、上記固体レーザ固定用ホルダと一体的に又は別体で設けられ、上記固体レーザの上端部と下端部とにおいて、上記固体レーザ収容空間の内側に向かって傾倒せしめた舌片状の板バネ部材からなり、上記固体レーザ収容空間の２つの内周面のそれぞれに直交する方向に上記固体レーザを押圧する。
【００１５】
請求項３の発明では、角柱状に形成した上記固体レーザの対角方向に分割した略半円柱状で、内側に略Ｖ字形の固体レーザ収容空間を区画した一対の固体レーザ固定用ホルダによって上記固体レーザを挟持し、それぞれの収容空間の２側面を対向する上記固体レーザの２側面のそれぞれに当接せしめると共に、上記固体レーザ固定用弾性体によって押圧する。
【００１６】
請求項４の発明では、上記固体レーザ固定用弾性体が、略Ｃ字型に形成した弾性部材からなるC形止め輪であって、上記一対の固体レーザ固定用ホルダをその外周側から中心方向に向かって押圧する。
【００１７】
請求項５の発明では、上記固体レーザ固定用弾性体が、略平板状に形成した弾性部材からなり、上記一対の固体レーザ固定用ホルダの互いに対向する２面間、又は、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの間に介挿する。
【００１８】
請求項６の発明では、上記固体レーザと上記固体レーザ収容空間との間に空隙が存在する場合に、該空隙内に熱伝導率が高く弾性を有する樹脂部材を充填する。
【００１９】
請求項７の発明では、外部に設けた励起光源から励起光集光手段を介して入射された励起光をレーザ共振器の内部で共振増幅したエネルギ密度の高いパルス光とし、該パルス光をパルス光集光手段を介して、内燃機関の燃焼室の内側に集光してエネルギ密度の極めて高いプラズマを発生させて混合気の点火を行うレーザ点火装置であって、上記レーザ共振器が、短い波長の励起光の入射は許容し、長い波長の光を全反射する全反射鏡からなる入射鏡と、短い波長の励起光の入射により長い波長の蛍光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質から放射された光エネルギが所定のＱ値以下のときには吸収し、所定のＱ値以上のときには放出する受動Ｑスイッチを構成する可飽和吸収体及び部分反射鏡とを一体に形成して、角柱状に加工した固体レーザと、これを保持する固体レーザ固定用ホルダとによって構成され、請求項１ないし６のいずれかに記載の固体レーザの固定方法によって上記固体レーザの長手方向側面の内、少なくとも２面を上記固体レーザ固定用ホルダに区画した固体レーザ収容空間の内周壁の内の２面に弾性的に押圧して固定せしめる。
【００２０】
請求項８の発明では、上記励起光集光手段と上記共振器と上記パルス光集光手段と光軸を揃えて配設して筒状のハウジングの内側に収容すると共に、上記励起光集光手段と上記共振器とを上記パルス光集光手段との間のいずれかの位置に、高い熱伝導率と伸縮性のある弾性部材を介し挿入する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明者の試験により、本発明によれば、上記レーザ共振器の温度が−４０〜１３０℃の範囲で変化した場合であっても、また、上記固体レーザが加速度３０Ｇ相当の振動場に晒されても、上記固体レーザが上記固体レーザ固定用ホルダからの位置ズレを起こすことがなく、上記固体レーザの一方の端に設けた上記入力鏡と他方の端に設けた上記出力鏡との平行度を３３秒以下に保持され、上記励起光光学系と上記レーザ共振器及び上記集光光学系との距離が変動せず、各光学部品の破損、歪み変形が抑制され、安定した出力を維持することができることが判明した。
上記固体レーザ固定用弾性体によって、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとが広い接触面積で当接し、弾性的に押圧された状態となっているので、外部からの振動や衝撃など、瞬間的に大きな力が作用しても、上記固体レーザの２つの側面と上記固体レーザ固定用ホルダの２つの内周面との間に大きな静止摩擦抵抗が働き、上記固体レーザが上記固体レーザ固定用ホルダ内で位置ズレを起こしたり、脱落したりする虞がない。
さらに、外部環境の温度変化や、上記固体レーザに励起光が入射され、共振したときの発熱等によって上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの間に生じる熱膨張差は瞬間的な変化ではなく、熱膨張過程か熱収縮過程かを問わず、微視的に見れば、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとは共に動いている状態で、両者の間には働く力は小さな動摩擦力であるため、両者の間で滑りを生じて熱膨張差が吸収され、上記固体レーザに歪みを生じることがない。
【００２２】
また、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの接触面積が大きいので上記固体レーザから上記固体レーザ固定用ホルダへの放熱が速やかに行われるため、出力を安定させることができる。
さらに、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの間の空隙内に熱伝導率の高い弾性部材を充填することにより、さらなる、耐熱性、耐振性の向上を図ることが可能となる。
【００２３】
一方、本発明によらず、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの間に空隙が介在する場合には、空隙が断熱層となってレーザ共振器の内部で発生した熱の放熱性が低下し、レーザ媒質の内部の屈折率が変化し、パルス光の発振が不安定となる。
本発明の固体レーザの固定方法をレーザ点火装置に用いれば、上記レーザ発振器から出射されるパルス光の光軸が安定し、また、出力されるエネルギも安定し、車載したエンジン自身の振動および外部からの振動や温度変化の激しい過酷な使用環境においても信頼性の高い点火を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態における固体レーザの固定方法の概要を示し、（ａ）は、上面図、（ｂ）は、縦断面図、（ｃ）は、下面図。
【図２】図１のＡ−Ａにおける要部断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態における固体レーザの固定方法を用いたレーザ点火装置の概要を示す縦断面図。
【図４】本発明の効果を確認するための試験に用いたレーザ共振器の概要を示し、（ａ−１）は、実施例の縦断面図、（ａ−２）は、その横断面図、（ｂ−１）は、比較例の縦断面図、（ｂ−２）は、その横断面図。
【図５】レーザ共振器の平行度の測定方法を示す模式図。
【図６】比較例と共に、本発明の総エネルギに対する効果を示す特性図。
【図７】比較例と共に、本発明の光―光変換効率に対する効果を示す特性図。
【図８】本発明の第２の実施形態における固体レーザの固定方法の概要を示し、（ａ）は、組み付け前の状態を示す要部横断面図、（ｂ）は、組み付け後の状態を示す要部横断面図、（ｃ）は、縦断面図。
【図９】本発明の第２の実施形態における固体レーザの固定方法を用いたレーザ点火装置の概要を示す縦断面図。（ａ）は、本図（ｂ）中Ａ−Ａに沿った断面図、（ｂ）は縦断面図、
【図１０】本発明の第３の実施形態における固体レーザの固定方法の概要を示し、（ａ）は、本図（ｂ）中Ａ−Ａに沿った断面図、（ｂ）は、本実施形態における共振器の概要を示す一部切り欠き斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、全反射鏡と部分反射鏡との間に介装されたれーザ媒質の内部で励起光源から発振された励起光を共振させ、エネルギ密度の高いパルスレーザを発振するレーザ共振器に用いられる固体レーザの固定方法、及び、その方法を用いて激しい振動や温度変化に晒される車両エンジン等の内燃機関の点火を行うレーザ点火装置に関し、過酷な環境下でも、歪みを生じさせることなく安定的に固体レーザを保持し、信頼性の高い内燃機関用のレーザ点火装置を提供するものである。
【００２６】
図１、図２を参照して、本発明の第１の実施形態における固体レーザ２０の固定方法の概要と、その固定方法により保持、固定された固体レーザ２０を含むレーザ共振器２の概要について説明する。
図１に示すように、本発明の第１の実施形態におけるレーザ共振器２はＡＲコーティング２０１が施され、入射光をレーザ媒質２０２側へ全反射する入力鏡２００と、レーザ媒質２０２とレーザ媒質２０２から放射された光エネルギが所定のＱ値以下のときには吸収し、所定のＱ値以上のときには放出する受動Ｑスイッチを構成する可飽和吸収体２０３及び部分反射鏡２０４とが一体化された固体レーザ２０を、本発明の要部である固体レーザ固定用ホルダ２５（以下、ホルダ２５と略す。）の内側に収容して構成されている。
本発明において、固体レーザの種類を特に限定するものではなく、例えば、ＮｄをドーピングしたＮｄ：ＹＡＧからなるレーザ媒質とＣｒ＋４をドーピングしたＣｒ：ＹＡＧからなる受動Ｑスイッチとを一体とした公知の個体レーザが使用されている。
【００２７】
ホルダ２５は円柱状のホルダ基体２５０の内側に、角柱状に形成した固体レーザ２０を収容するための固体レーザ収容空間２５５（以下、収容空間２５５と略す。）が区画されている。
本実施形態においては、角柱状に切り出され、精度良く加工された固体レーザ２０の長手方向の４側面２１１、２１２、２１３、２１４の内、少なくとも２面２１１、２１２が、ホルダ２５を構成するホルダ基体２５０の内側に区画した固体レーザ収容空間２５５（以下、収容空間２５５と略す。）の内周側の２側面（２５１、２５２）に対して、それぞれの裏面側（２１３、２１４）から固体レーザ固定用弾性体２６１、２６２、２６３、２６４によって弾性的に押圧され、広い接触面積で当接し、固体レーザ２０の中心軸Ｃ／Ｌとホルダ２５の中心軸Ｃ／Ｌとが一致した状態で弾性的に保持されている。
【００２８】
本実施形態においては、固体レーザ固定用弾性体２６１、２６２、２６３、２６４は、ホルダ２５とは別体に形成した舌片状の板バネ部材をホルダ２５の固定用弾性体保持部２５７、２５８に固定して固体レーザ２０の上端部と下端部とにおいて、収容空間２５５の２つの内周面２５１、２５１のそれぞれに直交する方向に固体レーザ２０を押圧している。さらに、固体レーザ２０と収容空間２５５との間の空隙内には、熱伝導率が高く、弾性を有する弾性樹脂部材が充填されている。弾性樹脂部材２７は、固体レーザ２０とホルダ２５との間に断熱性の空隙が介在することによって固体レーザ２０からの放熱性が低下するのを抑制すると共に、固体レーザ２０の２側面２１１、２１２がホルダ２５内周側の２面２５１、２５２に対して弾性的に押圧されるのを補助している。また、弾性樹脂部材２７内に高熱電導性のフィラーを分散せしめてさらなる放熱性の向上を図ることもできる。
なお、収容空間２５５の２つの内周面２５１、２５２が互いに直交する角部には、長手軸方向にコーナー溝部２５６が穿設されており、固体レーザ２０の２つの側面２１１、２１２が互いに直交する角部とホルダ２５の内周壁とが当接することがなく、固体レーザ２０をホルダ２５に押圧したときに角部に応力集中するのを防いでいる。
【００２９】
また、ホルダ２５の収容空間２５５を形成する際に、放電加工などにより、収容空間２５５の上下の２面の一部を舌片状に切り欠いて、それを内側に向けて傾倒させることにより固定用弾性体２６１、２６２、２６３、２６４をホルダ２５と一体的に形成することもできる。
【００３０】
固体レーザ２０がホルダ２５の内周壁に点で支えられるのではなく、面で保持されているので、外部からの振動や衝撃など、瞬間的に大きな力が作用しても、固体レーザ２０の２つの側面２１１、２１２とホルダ２５の２つの内周面２５１、２５２との間に大きな静止摩擦抵抗が働き、固体レーザ２０がホルダ２５内で位置ズレを起こしたり、脱落したりする虞がない。
一方、ホルダ２５には、固体レーザ２０の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料が用いられるが、完全に一致させることは困難で、従来のように、固体レーザ２０とホルダ２５とを接着固定したのでは、熱膨張差によるストレスが固体レーザ２０に作用し、固体レーザ２０に歪みが生じ、固体レーザ２０の劣化を招いたり、固体レーザ２０の両端に設けた入射鏡２００と出力鏡２０４との平行度が損なわれて光軸のズレを招いたりする虞がある。
【００３１】
しかし、本実施形態においては、固体レーザ２０の上端面と下端面とには、固体レーザ２０の長手軸方向の膨張と収縮とを妨げるものが存在せず、外部環境の温度変化や、固体レーザ２０に励起光が入射され、共振したときの発熱等によって固体レーザ２０とホルダ２５との間に生じる熱膨張差は瞬間的な変化ではなく、熱膨張過程か熱収縮過程かを問わず、微視的に見れば、固体レーザ２０とホルダ２５とは共に動いている状態であり、両者の間には働く力は熱膨張差によって生じる小さな動摩擦抵抗だけであるため、両者の間で滑りを生じて、固体レーザ２０に歪みを生じることがない。
また、固体レーザ２０とホルダ２５との接触面積が大きいので固体レーザ２０からホルダ２５への放熱が速やかに行われるため、出力を安定させることができる。
【００３２】
さらに、固体レーザ２０の２つの側面２１１、２１２とホルダ２５の２つの内周壁２５１、２５２との間に、インジュウム箔や黒鉛シート等の高い熱伝導性と伸縮性のある平膜部材を介装することによって、密着性と放熱性とを向上させ、さらに耐振性、出力安定性に優れた共振器２を実現することもできる。
【００３３】
図３を参照して、本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１の概要について説明する。
レーザ点火装置１は、略筒状のハウジング１０内に、光ファイバ１１、励起光集光手段１２、共振器２、パルス光集光手段１４、保護カバー１５を同軸上に配設し、基端側をキャップ１３で封止して構成され、ハウジング１０の先端に設けたネジ部１０３を内燃機関３のシリンダヘッド３０に固定し、燃焼室３００内に先端側を露出させている。
ハウジング１０は、略筒状に形成されたハウジング基体１００とその基端側に形成した励起光集光手段収容部１０１と先端側に形成したパルス光集光手段収容部１０２と先端側外周に形成したネジ部１０３によって構成されている。
光ファイバ１１は、ハウジング１０の基端側に、キャップ１３を用いて固定され、外部に設けた図略の半導体レーザＬＤ等の公知の励起光源から発振された励起光ＬＺＲＰＭＰを伝送する。
【００３４】
励起光集光手段１２は、ハウジング１０の励起光集光手段収容部１０１内に収容され、第１の励起レンズ１２１、第２の励起レンズ１２２によって構成され、光ファイバ１１から出光された励起光ＬＺＲＰＭＰを共振器２の基端側の中心に集光して入射する。
共振器２内に入射された励起光ＬＺＲＰＭＰは、全反射鏡２００と部分反射鏡２０４との間で共振器２内に入射された励起光ＬＺＲＰＭＰ（例えば、８０８．５ｎｍ）は、レーザ媒質２０２を蛍光させ励起光よりも長い波長（例えば、１０６４ｎｍ）のパルス光ＬＺＲＰＬＳを誘導放出する。
【００３５】
共振器２の入射面からの励起光の入射は許容し、レーザ媒質２０２内で発生した励起光よりも長い波長の光を全反射するＡＲコーティング２０１を施した全反射鏡２００から、レーザ媒質２０２、可飽和吸収体２０３、部分反射鏡２０４の間においてレーザ媒質２０２内で発生した励起光ＬＳＲＰＭＰよりも長い波長の光が共振し、可飽和吸収体２０３の固有の閾値を超えるまで増幅される。
共振増幅されたレーザ光が閾値を超えると可飽和吸収体２０３が受動Ｑスイッチとして作用し、瞬間的にエネルギ密度の高いパルス光ＬＺＲＰＬＳが出射される。
共振器２は、上述のごとく、固体レーザ２０の少なくとも２側面２１１、２１２をホルダ２５の内周壁２５１、２５２に弾性的に押圧して固定されている。
共振器２から出射されたパルス光ＬＳＲＰＬＳは、ビームエキスパンダ１４０によって所定のビーム径に調整され、集光レンズ１４１によって燃焼室３００内の所定位置ＦＰに集光してエネルギ密度の極めて高いプラズマを発生させ、燃焼室３００内の混合気を点火する。
保護カバー１５０は、燃焼室３００内の高い圧力と、煤などの汚れから集光レンズ１４１を保護している。
【００３６】
ビームエキスパンダ１４０と共振器２との間には、弾性体１４２が介装されており、温度変化によるホルダ２５０の伸縮を吸収し、ビームエキスパンダ１４０からパルス光集光レンズ１４１までの各光学部品に割れや歪が発生しないようにしてある。
なお、弾性体１４２は、レーザ共振器２から凹レンズ１４０、スペーサ１４２、パルス光集光レンズ１４１までのいずれかの間に設ければ良い。
また、弾性体１４２には、板バネや、耐熱性ゴム、等を用いることができる。
スペーサ１４３は、略筒状に形成され、基端側に配設したビームエキスパンダ１４０と先端側に配設したパルス光集光レンズ１４１までの距離を一定に保ち、パルス光集光レンズ１４１によって集光される集光点ＦＰの位置が変動するのを防いでいる。
【００３７】
図４、表１を参照して本発明の効果を確認するための試験について説明する。
なお、本試験において、固体レーザ２０は、３ｍｍ×３ｍｍ×１０ｍｍの角柱状に形成され、４側面と両端面とは平面研磨加工により精度良く仕上げられている。
図４（ａ−１）は、本発明の第１の実施形態における共振器の長手軸方向に沿った断面図、（ａ―２）は、横断面図、比較例として、固体レーザ２０の長手方向の４側面に対してそれぞれ２点ずつの計８点を固定ネジ２６ｚによって保持した構成を用い、（ｂ−１）はその長手軸方向に沿った断面図、（ｂ−２）は、その横断面図である。
本図（ａ―１）、（ａ―２）に示すように、本発明の実施例においては。ホルダ２５の内周面の内２面２５１、２５２が、固体レーザ２０の２側面２１１、２１２と密接し、総接触面積が６０ｍｍ２となっており、本図（ｂ−１）、（ｂ−２）に示すように、８点の総接触面積は８ｍｍ２となっている。
このように固体レーザ２０をホルダ２６、２６ｚのそれぞれに保持した共振器２、２ｚに長手軸方向に対して３０Ｇの加速度に相当する力を加えたときに固体レーザ２０がホルダ２６、２６ｚからズレない最大加重を耐震性の評価とし、そのときの長手軸に垂直な方向の固体レーザ２の単位断面積当たりの最大荷重を固定応力として評価し、共振器２、２を−４０〜１３０℃の温度環境に晒したときの固体レーザ２０の両端面（全反射鏡２００、出力鏡２０４）の平行度を耐熱性の評価とした。
【００３８】
具体的には、図５に示すような平行度測定装置（キャノン製：ＺＹＧＯ）を用い、実施例及び比較例における固定応力、耐振性、接触面積の理論値に対して設定した荷重を負荷した固定方法でレーザ共振器２を固定治具に固定し、全反射鏡２００、出力鏡２０４の平行度を計測した。
（１）先ず、レーザ共振器２（ＹＡＧ）の全反射鏡２００の平面度を平行度計測装置で計測する。
（２）平行度計測装置と角度分解能１秒の回転ステージの組合せでＹＡＧ先端の平面度が出るまで位値調整を行う。
回転ステージで図の矢印の方向に回しながら左右を調整する。
回転ステージに設けられた傾斜台を使って上下方向の角度（位値）調整する。
（３）ＹＡＧをインデックスで１８０°回転して固定する。
（４）出力鏡２０４の傾きを平行度計測装置で計測する。
（５）（４）で計測した傾きを全反射鏡２００、出力鏡２０４の平行度とした。
【００３９】
耐振性については、例えば、固体レーザ２０が０．５ｇのとき、１５ｇの荷重を光軸方向に作用させたとき、固体レーザ２０がホルダ２５、２５ｚからずれなければ、３０Ｇの加速度に対して耐久性を有することになる。
その結果を、表１に示す。表１に示すように、本発明の実施例においては、固定応力が、６７ｇ／ｍｍ２、耐振性１９１Ｇ、平行度は、３３秒であった。
一方、比較例においては、固定応力が１８６ｋｇ／ｍｍ２、耐振性が５５８Ｇ、平行度が６０秒であった。
【表１】
【００４０】
レーザ共振器２の温度が−４０〜１３０℃の範囲で変化しても、また、加速度３０Ｇの衝撃に晒されても、光ファイバ１１の出光部から第２の励起光レンズ１２１までの励起光学系とレーザ共振器２との間の距離が変化せず、ビームエキスパンダ１４０からパルス光集光レンズ１４１までの各光学部品の割れ、歪が発生することがない。
【００４１】
図６、図７を参照して本発明の効果について説明する。図６において、励起光源として用いたＬＤ駆動周波数を横軸とし、総エネルギ量を縦軸とし、上述の第１の実施形態として示した構成と上述の比較例についてＬＤ駆動周波数の変化に対する総エネルギの変化を示す。
なお、ＬＤ駆動周波数は、対応するエンジン回転数に応じて増減され、また、固体レーザ２０（レーザ媒質２０２）の温度は、ＬＤ駆動周波数に略比例しており、ＬＤ駆動周波数が高いほど発熱温度は高くなる。
比較例においては、エネルギの損失が大きいため、ＬＤ駆動周波数、即ち、固体レーザ２０の温度に拘わらず。ほぼ一定の総エネルギ量となる。これは、比較例においては、固体レーザ２０とホルダ２６との間に空隙が存在し、その空隙が断熱層として作用して、ＬＤ駆動周波数が低いときでも充分な放熱が行われないためであると思料する。
本実施例では、ＬＤ駆動周波数の増加、即ち、固体レーザ２０の温度上昇に伴い、総エネルギ量は徐々に減少するが、いずれのＬＤ駆動周波数においても比較例よりも遙かに高い総エネルギ量のパルスレーザを発振することができる。
なお、総エネルギ量とは、本発明のレーザは1回の点火サイクル中に複数回のパルスレーザが発振されるが、前記複数回のパルスエネルギの総量を示す。
【００４２】
図７に、光―光変換効率（％）を縦軸とし、ＬＤ駆動発振周波数（Ｈｚ）を横軸とし、本発明の実施例と比較例の測定結果を示す。
本図に示すように、比較例においては、光―光変換効率は、ＬＤ駆動周波数のよらず、略一定であるが、本実施例においては、ＬＤ駆動周波数の増加、即ち、固体レーザ２０の温度上昇に伴い、光―光変換効率は徐々に減少するが、いずれのＬＤ駆動周波数においても比較例よりも遙かに高い光―光変換効率でパルスレーザを発振することができる。
なお、光―光変換効率とは、励起光からパルス光に変換したときの変換効率を示し、パルス光エネルギ／励起光エネルギによって算出される値である。
【００４３】
例えば、、従来のエンジン搭載を目指して開発したレーザ点火装置の特性では、非特許文献１の第３頁、表１に示すように、可飽和吸収体を入れない場合の光―光変換効率は、４３％で、可飽和吸収体を入れた時の光−光変換効率は８％であり、レーザ共振器の電気−光変換効率は４％である。
このように、従来のレーザ共振器の変換効率が本発明のレーザ共振器に比べて低い理由は、
（１）１点火サイクル中に1パルスしか発振しないため励起光の損失が大きいこと、
（２）レーザ共振器が一体化されていないため光軸が歪んでいる可能性があること、
（３）側面励起方式であるため励起光の散乱、透過損失が大きいこと等によるものと推察される。
【００４４】
可飽和吸収体を使ったレーザにおいて、変換効率を上げるには、
（１）励起光の立ち上がりを早くして矩形状に励起光をレーザ共振器に入射すること、
（２）励起光の集光強度を高くして発振間隔を短くすること、
（３）レーザ共振器冷却することで熱レンズ効果による共振モードの変化の防止と蛍光光のバンド幅の広がりを防止することがあげられる。
また、レーザ点火装置の場合、プラズマを発生するために必要なレーザ出力は１パルス当たり、３ＭＷ／ｃｍ２であり、１パルス当たりの出力を低くすればパルスの発振間隔が短くなるのでその分効率が上がる。
一方、可飽和吸収体を使わないで、ＡＯＱswなどの別方式のＱＳＷを使うと効率は上がる、ＡＯＱＳＷを制御するのに数キロボルトを発生する電源が必要でエンジンへの搭載が困難となる上に、ＡＯＱＳＷ自体も体格が大きく小型化が困難である。
したがって、本発明によれば、極めて簡易な構成で、過剰な負荷を共振器２に与えることなく、光軸を歪ませることなく点火装置内に保持することが可能で、しかも、高いエネルギ変換効率を維持してパルスレーザを発振し、内燃機関のの点火に用いることが可能となる。
【００４５】
図８、図９を参照して、本発明の第２の実施形態におけるレーザ媒質固定方法により固定されたレーザ共振器２ａとこれを用いたレーザ点火装置１ａについて説明する。
なお、上記実施形態と同様な構成については、同じ符号を付したので説明を省略し、相違点並びに本実施形態の効果について説明する。
【００４６】
上記実施形態においては、ホルダ２５の内周面のうち２面２５１、２５２に固体レーザ２０の２側面２１１、２１２を弾性的に押圧して固定する方法を示したが、本実施形態においては、共振器２ａとして、角柱状に形成した固体レーザ２０の対角方向に分割した略半円柱状で、内側に略Ｖ字形の固体レーザ収容空間２５５Ａ、２５０Ｂを区画した一対のホルダ２５Ａとホルダ２５Ｂとで固体レーザ２０を挟持し、それぞれの収容空間２５５Ａの２側面２５１Ａ、２５２Ａと収容空間２５５Ｂの２側面２５３Ｂ、２５４Ｂとを対向する固体レーザ２０の側面２１１、２１２、２１３、２１４のそれぞれに当接せしめると共に、ホルダ２５Ａ、ホルダ２５Ｂの基端側と先端側とにおいて外周側に設けた溝部２５７Ａ、２５７Ｂ、２５８Ａ、２５８Ｂ内に略Ｃ字型に形成した弾性部材からなるＣ形止め輪（いわゆる軸用スナップリング）２６１ａ、２６２ａを介装して中心方向に向かって押圧するようにして弾性的に保持せしめた点が相違する。
【００４７】
本実施形態によれば、固体レーザ２０の長手方向側面の４面２１１、２１２、２１３、２１４の全てが、ホルダ２５Ａ、２５Ｂの内周面２５１Ａ、２５２Ａ、２５３Ｂ、２５４Ｂに弾性的に当接しているため極めて放熱性に優れており、さらに安定した出力を得ることができる。
特に、ホルダをホルダ２５Ａ、２５Ｂの２つに分割しているので、ホルダ基体２５０Ａ、２５０Ｂのそれぞれに略Ｖ字型の収容空間を加工する際に、鏡面研磨によって固体レーザ２０の４側面２１１、２１２、２１３、２１４のそれぞれに当接する内周壁側面２５１Ａ、２５２Ａ、２５３Ｂ、２５４Ｂを精度良く加工できるため、極めて均一な力でホルダ２５Ａとホルダ２５Ｂとが固体レーザ２０を拘束、保持することができる。
【００４８】
図８に示すような、本実施形態における固体レーザ２０の固定方法を用いて一対のホルダ２５Ａ、２５Ｂに挟持せしめて構成したレーザ共振器２ａを、図９に示すように、上述の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１と同様に、光ファイバ１１、励起光集光手段１２、パルス光集光手段１４（１４０、１４１、１４２）、保護カバー１５と共に同軸上に並べて配設し、略筒状のハウジング１０内に収容して、本実施形態におけるレーザ点火装置１ａを得る。
本実施形態によれば、上記実施形態と同様の効果に加え、ホルダ２５Ａ、２５Ｂと固体レーザ２０との接触面積が倍増するので、極めて良好な放熱性が得られる。
その結果、さらに温度変化や振動に対して耐久性の高い優れたレーザ点火装置が実現できる。
【００４９】
図１０を参照して本発明の第３の実施形態における固体レーザ２０の固定方法を用いたレーザ共振器２ｂについて、説明する。
ホルダを一対のホルダ２５Ｃとホルダ２５Ｄとの２つに分けて、これらによって、固体レーザ２０を挟持して、Ｖ字形溝の内周面２５１Ｃ、２５２Ｃ、２５３Ｄ、２５４Ｄを固体レーザ２０の４側面２１１、２１２、２１３、２１４に弾性的に当接させる点は第２の実施形態と類似しているが、固定手段として、スナップリングのような弾性部材を用いるのではなく、本実施形態においては、一対のホルダ２５Ｃとホルダ２５Ｄとの対向する２面間に、略平板状に形成したインジュウム箔や黒鉛シート等の高い熱伝導性と伸縮性のある平板状弾性部材２６２ｂを介挿し、ホルダ２５Ｃとホルダ２５Ｄとを互いにボルト２８を用いて螺結している点が相違する。
本実施形態においては、一対のホルダ２５Ｃｔｏホルダ２５Ｄとの間に平板状弾性部材２６２ｂが介在することによって、Ｖ字形溝の内周面２５１Ｃ、２５２Ｃ、２５３Ｄ、２５４Ｄが、固体レーザ２０の４側面２１１、２１２、２１３、２１４を弾性的に押圧することになるので、上述の第２の実施形態と同様の効果が発揮される。
【００５０】
本実施形態における固体レーザ２０を一対のホルダ２５Ｃ、２５Ｄによって弾性的に挟持する方法を用いて構成されたレーザ共振器２ｂを上記実施形態と同様、光ファイバ１１、励起光集光手段１２、パルス光集光手段１４（１４０、１４１、１４２）、保護カバー１５と共に同軸上に並べて配設し、略筒状のハウジング１０内に収容して、温度変化や振動に対して耐久性の高い優れたレーザ点火装置が実現できる。
なお、本実施形態において、平板状弾性部材２６２ｂを一対のホルダ２４Ｃとホルダ２５Ｄとの合わせ面に介挿した例を示したが、弾性部材をホルダ２５Ｃ、２５Ｄに設けたＶ字形溝の内周面２５１Ｃ、２５２Ｃ、２５３Ｄ、２５４Ｄと固体レーザ２０の４側面２１１、２１２、２１３、２１４との間に介挿しても良い。
【符号の説明】
【００５１】
１ レーザ点火装置
１０ ハウジング（共振器収容部）
１０１ 励起光集光手段収容部
１０２ パルス光集光手段収容部
１０３ ネジ部
１１ 光ファイバ
１２ 励起光調整手段
１２０ 励起光レンズ１
１２１ 励起光レンズ２
１３ キャップ（基端側固定部材）
１４ パルス光集光手段
１４０ 凹レンズ（ビームエキスパンダ）
１４１ パルス光集光レンズ
１４２ 弾性部材
１４３ スペーサ
１５ 保護カバー
２ レーザ共振器
２０ 固体レーザ
２００ 入力鏡（全反射鏡）
２０１ ＡＲコーティング膜
２０２ レーザ媒質
２０３ 可飽和吸収体
２０４ 出力鏡（部分反射鏡）
２５ 固体レーザホルダ（固体レーザ固定手段）
２５０ ホルダ基体
２５１ 第１の支持面
２５２ 第２の支持面
２５３、２５４ 内壁面
２５５ 固体レーザ収容空間
２５６ コーナー溝部
２５７、２５８ 固定用弾性体保持部
２６１、２６２、２６３、２６４ 固体レーザ固定用弾性体（固定用リブ）
２７ 弾性樹脂部材
３ 内燃機関
３０ シリンダヘッド
３００ 燃焼室
ＬＺＲＰＭＰ 励起光
ＬＺＲＰＬＳ パルス光
ＦＰ 集光点
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５２】
【特許文献１】特表２０１１−５０１４０２号公報
【特許文献２】国際公開２０１０／０８６２８７
【特許文献３】特開平６−３０８５５３号公報
【非特許文献】
【００５３】
【非特許文献１】Ｇ．Ｋｒｏｕｐａ、 Ｇ．Ｆｒａｎｚｚ、 Ｅ．Ｗｉｎｋｅｉｈｏｆｅｒ、「Ｎｏｖｅｌ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｈｉｇｈ-ｅｎｅｒｇｙ Ｎｄ―ＹＡＧ ｌａｓｅｒ ｆｏｒ ｓｐａｒｋ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｉｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｓ」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ４８（１）、０１４２０２−１−０１４２０２−５、 （Ｊａｎｕａｒｙ ２０００９）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動環境下に耐えられる固体レーザの固定方法と、車両等の振動環境下に晒される内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュランプ、半導体レーザ等の励起用光源をＱスイッチ式のレーザ媒質に照射し、短いパルス幅でエネルギを集中させて放出するパルスレーザを発振させ、さらにパルスレーザを集光レンズなどの光学系部品を用いて集光して、高いエネルギを集中させることにより、内燃機関の点火を行ったり、金属の加工を行ったりするレーザ装置が種々提案されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３等参照）。
【０００３】
エネルギ密度の高いパルスレーザを燃焼室の内側に集光させて、自動車エンジン等の内燃機関の混合気の点火を行うに際して、高温環境下に置かれるレーザモジュールの経済的な構造として、特許文献１には、ケーシング（１１０ａ）を備え、該ケーシング（１１０ａ）内に配設されたレーザパルス（３００）生成のためのなくとも１つのレーザ装置（１２０）を有しているレーザモジュール（１１０）において、前記レーザモジュール（１００）が少なくとも１つの第１の密封領域（１３０ａ）と、該第１の密封領域（１３０ａ）内に少なくとも部分的に設けられる第２の密封領域（１３０ｂ）とを有し、前記レーザ装置（１２０）が前記第２の密封領域（１３０ｂ）内部に配設されるように構成されていることを特徴とするレーザモジュールが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、同種のレーザ点火装置２６として、固体レーザ４４と、ハウジング３３と燃焼室に望む窓部５８とからなり、ハウジング３８を内側スリーブ６２と外側スリーブ５４との二重筒構造で構成し、内側スリーブ６２と外側スリーブ６４との間に、インサート部７０を設けて溶接等により密封した構造が示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、レーザビームを光波長変換素子によって第２高調波等に波長変換する光波長変換装置に用いられる光波長変換素子の固定方法として、ホルダを形成する金属の熱膨張係数と最もかけ離れた熱膨張係数を有する光波長変換素子の結晶軸方向の対して垂直な面のみを介して金属ホルダに接着固定する方法が開示されており、−２０〜６０℃の温度変化に対して、光波長変換素子にクラックや歪みを生じないとされている。
【０００６】
非特許文献１には、内燃機関の点火装置に用いられる、小型で高エネルギのＮｄ−ＹＡＧレーザが開示されている。
【０００７】
レーザ発振装置を自動車エンジン等の内燃機関の点火装置として利用しようとした場合、レーザ装置がエンジンヘッド等の−４０〜１３０℃というような極めて温度変化の大きい環境に晒されることになり、しかも、路面状況の変化や、車両の加速、減速等、運転状態によって様々な振動に晒され、耐振性として３０Ｇという大きな重量加速度に耐え得るものでなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、特許文献１では、具体的なＱスイッチレーザ媒質等の固定方法は必ずしも明確となっていないが、特許文献１に有るように、公知のレーザモジュールを第１の密封領域内に設けた第２の密封領域内に配設して密封構造としたのでは、レーザモジュールが高温環境下に晒されたときに、第２の密封領域を構成する第２のケーシングとその内側に設けたレーザモジュールとの熱膨張係数の差を吸収できずレーザモジュールに歪みを生じることとなる。このようなレーザモジュールに歪みが生じると、光軸のズレによって、点火に必要なエネルギを十分集光させることができなかったり、レーザ共振器の発振の変動によって、所定のタイミングでの着火が困難となったりする虞がある。
【０００９】
また、特許文献２にあるレーザ点火装置でも、外乱により、ハウジング３８と固体レーザ４４との熱膨張率の違いによって固体レーザ４４が歪み、安定した着火が実現できない虞がある。さらに、内側スリーブ６２と外側スリーブ６４との間で固体レーザ４４の全周が覆われるように挟持されているため、外部からの振動の逃げ場がなく、固体レーザ４４に直接作用し、固体レーザ４４にひび割れを生じる虞もある。
【００１０】
一方、特許文献３にあるように、レーザ媒質の一面のみを金属製ホルダに接着剤を用いて固定させたのでは、激しい振動や、高温に晒される等の過酷な使用環境に耐えられず、固体レーザ媒質の金属製ホルダからの脱離を招いたり、接着剤成分の蒸発によって集光レンズの汚染を招いたりする虞がある。
【００１１】
また、本発明者等の、鋭意試験により、固体レーザの固定方法を工夫することで、極めて簡易な構成により非特許文献１に記載されたレーザ点火装置よりも高い変換効率でパルスレーザを発振して、内燃機関の点火を行うレーザ点火装置を実現できることが判明した。
【００１２】
本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、車両用エンジン等の温度変化が大きく、振動や衝撃等も大きい、過酷な使用環境においても、安定した状態で固体レーザを保持し、安定したパルスレーザの発振を可能とする信頼性に優れた固体レーザの固定方法とそれを用いたレーザ点火装置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】
【００１３】
請求項１の発明では、全反射鏡と部分反射鏡との間に介装されたれーザ媒質の内部で励起光源から発振された励起光を共振させ、エネルギ密度の高いパルスレーザを発振するレーザ共振器に用いられる固体レーザの固定方法であって、短い波長の励起光の入射は許容し、長い波長の蛍光光を全反射する全反射鏡からなる入射鏡と、短い波長の励起光の入射により長い蛍光波長を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質から放射された光エネルギが所定のＱ値以下のときには吸収し、所定のＱ値以上のときには放出する受動Ｑスイッチを構成する可飽和吸収体及と部分反射鏡とを一体に形成して、角柱状に加工した固体レーザの長手方向の４側面の内、少なくとも２側面を、固体レーザ固定用ホルダを構成するホルダ基体の内側に区画した固体レーザ収容空間の内周側の２側面に対して、それぞれの裏面側から固体レーザ固定用弾性体によって弾性的に押圧して、広い接触面積で当接せしめ、上記固体レーザの中心軸と上記固体レーザ固定用ホルダの中心軸とが一致した状態で弾性的に保持する。
【００１４】
請求項２の発明では、上記固体レーザ固定用弾性体が、上記固体レーザ固定用ホルダと一体的に又は別体で設けられ、上記固体レーザの上端部と下端部とにおいて、上記固体レーザ収容空間の内側に向かって傾倒せしめた舌片状の板バネ部材からなり、上記固体レーザ収容空間の２つの内周面のそれぞれに直交する方向に上記固体レーザを押圧する。
【００１５】
請求項３の発明では、角柱状に形成した上記固体レーザの対角方向に分割した略半円柱状で、内側に略Ｖ字形の固体レーザ収容空間を区画した一対の固体レーザ固定用ホルダによって上記固体レーザを挟持し、それぞれの収容空間の２側面を対向する上記固体レーザの２側面のそれぞれに当接せしめると共に、上記固体レーザ固定用弾性体によって押圧する。
【００１６】
請求項４の発明では、上記固体レーザ固定用弾性体が、略Ｃ字型に形成した弾性部材からなるC形止め輪であって、上記一対の固体レーザ固定用ホルダをその外周側から中心方向に向かって押圧する。
【００１７】
請求項５の発明では、上記固体レーザ固定用弾性体が、略平板状に形成した弾性部材からなり、上記一対の固体レーザ固定用ホルダの互いに対向する２面間、又は、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの間に介挿する。
【００１８】
請求項６の発明では、上記固体レーザと上記固体レーザ収容空間との間に空隙が存在する場合に、該空隙内に熱伝導率が高く弾性を有する樹脂部材を充填する。
【００１９】
請求項７の発明では、外部に設けた励起光源から励起光集光手段を介して入射された励起光をレーザ共振器の内部で共振増幅したエネルギ密度の高いパルス光とし、該パルス光をパルス光集光手段を介して、内燃機関の燃焼室の内側に集光してエネルギ密度の極めて高いプラズマを発生させて混合気の点火を行うレーザ点火装置であって、上記レーザ共振器が、短い波長の励起光の入射は許容し、長い波長の光を全反射する全反射鏡からなる入射鏡と、短い波長の励起光の入射により長い波長の蛍光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質から放射された光エネルギが所定のＱ値以下のときには吸収し、所定のＱ値以上のときには放出する受動Ｑスイッチを構成する可飽和吸収体及び部分反射鏡とを一体に形成して、角柱状に加工した固体レーザと、これを保持する固体レーザ固定用ホルダとによって構成され、請求項１ないし６のいずれかに記載の固体レーザの固定方法によって上記固体レーザの長手方向側面の内、少なくとも２面を上記固体レーザ固定用ホルダに区画した固体レーザ収容空間の内周壁の内の２面に弾性的に押圧して固定せしめる。
【００２０】
請求項８の発明では、上記励起光集光手段と上記共振器と上記パルス光集光手段と光軸を揃えて配設して筒状のハウジングの内側に収容すると共に、上記励起光集光手段と上記共振器とを上記パルス光集光手段との間のいずれかの位置に、高い熱伝導率と伸縮性のある弾性部材を介し挿入する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明者の試験により、本発明によれば、上記レーザ共振器の温度が−４０〜１３０℃の範囲で変化した場合であっても、また、上記固体レーザが加速度３０Ｇ相当の振動場に晒されても、上記固体レーザが上記固体レーザ固定用ホルダからの位置ズレを起こすことがなく、上記固体レーザの一方の端に設けた上記入力鏡と他方の端に設けた上記出力鏡との平行度を３３秒以下に保持され、上記励起光光学系と上記レーザ共振器及び上記集光光学系との距離が変動せず、各光学部品の破損、歪み変形が抑制され、安定した出力を維持することができることが判明した。
上記固体レーザ固定用弾性体によって、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとが広い接触面積で当接し、弾性的に押圧された状態となっているので、外部からの振動や衝撃など、瞬間的に大きな力が作用しても、上記固体レーザの２つの側面と上記固体レーザ固定用ホルダの２つの内周面との間に大きな静止摩擦抵抗が働き、上記固体レーザが上記固体レーザ固定用ホルダ内で位置ズレを起こしたり、脱落したりする虞がない。
さらに、外部環境の温度変化や、上記固体レーザに励起光が入射され、共振したときの発熱等によって上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの間に生じる熱膨張差は瞬間的な変化ではなく、熱膨張過程か熱収縮過程かを問わず、微視的に見れば、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとは共に動いている状態で、両者の間には働く力は小さな動摩擦力であるため、両者の間で滑りを生じて熱膨張差が吸収され、上記固体レーザに歪みを生じることがない。
【００２２】
また、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの接触面積が大きいので上記固体レーザから上記固体レーザ固定用ホルダへの放熱が速やかに行われるため、出力を安定させることができる。
さらに、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの間の空隙内に熱伝導率の高い弾性部材を充填することにより、さらなる、耐熱性、耐振性の向上を図ることが可能となる。
【００２３】
一方、本発明によらず、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの間に空隙が介在する場合には、空隙が断熱層となってレーザ共振器の内部で発生した熱の放熱性が低下し、レーザ媒質の内部の屈折率が変化し、パルス光の発振が不安定となる。
本発明の固体レーザの固定方法をレーザ点火装置に用いれば、上記レーザ発振器から出射されるパルス光の光軸が安定し、また、出力されるエネルギも安定し、車載したエンジン自身の振動および外部からの振動や温度変化の激しい過酷な使用環境においても信頼性の高い点火を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態における固体レーザの固定方法の概要を示し、（ａ）は、上面図、（ｂ）は、縦断面図、（ｃ）は、下面図。
【図２】図１のＡ−Ａにおける要部断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態における固体レーザの固定方法を用いたレーザ点火装置の概要を示す縦断面図。
【図４】本発明の効果を確認するための試験に用いたレーザ共振器の概要を示し、（ａ−１）は、実施例の縦断面図、（ａ−２）は、その横断面図、（ｂ−１）は、比較例の縦断面図、（ｂ−２）は、その横断面図。
【図５】レーザ共振器の平行度の測定方法を示す模式図。
【図６】比較例と共に、本発明の総エネルギに対する効果を示す特性図。
【図７】比較例と共に、本発明の光―光変換効率に対する効果を示す特性図。
【図８】本発明の第２の実施形態における固体レーザの固定方法の概要を示し、（ａ）は、組み付け前の状態を示す要部横断面図、（ｂ）は、組み付け後の状態を示す要部横断面図、（ｃ）は、縦断面図。
【図９】本発明の第２の実施形態における固体レーザの固定方法を用いたレーザ点火装置の概要を示す縦断面図。（ａ）は、本図（ｂ）中Ａ−Ａに沿った断面図、（ｂ）は縦断面図、
【図１０】本発明の第３の実施形態における固体レーザの固定方法の概要を示し、（ａ）は、本図（ｂ）中Ａ−Ａに沿った断面図、（ｂ）は、本実施形態における共振器の概要を示す一部切り欠き斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、全反射鏡と部分反射鏡との間に介装されたれーザ媒質の内部で励起光源から発振された励起光を共振させ、エネルギ密度の高いパルスレーザを発振するレーザ共振器に用いられる固体レーザの固定方法、及び、その方法を用いて激しい振動や温度変化に晒される車両エンジン等の内燃機関の点火を行うレーザ点火装置に関し、過酷な環境下でも、歪みを生じさせることなく安定的に固体レーザを保持し、信頼性の高い内燃機関用のレーザ点火装置を提供するものである。
【００２６】
図１、図２を参照して、本発明の第１の実施形態における固体レーザ２０の固定方法の概要と、その固定方法により保持、固定された固体レーザ２０を含むレーザ共振器２の概要について説明する。
図１に示すように、本発明の第１の実施形態におけるレーザ共振器２はＡＲコーティング２０１が施され、入射光をレーザ媒質２０２側へ全反射する入力鏡２００と、レーザ媒質２０２とレーザ媒質２０２から放射された光エネルギが所定のＱ値以下のときには吸収し、所定のＱ値以上のときには放出する受動Ｑスイッチを構成する可飽和吸収体２０３及び部分反射鏡２０４とが一体化された固体レーザ２０を、本発明の要部である固体レーザ固定用ホルダ２５（以下、ホルダ２５と略す。）の内側に収容して構成されている。
本発明において、固体レーザの種類を特に限定するものではなく、例えば、ＮｄをドーピングしたＮｄ：ＹＡＧからなるレーザ媒質とＣｒ＋４をドーピングしたＣｒ：ＹＡＧからなる受動Ｑスイッチとを一体とした公知の個体レーザが使用されている。
【００２７】
ホルダ２５は円柱状のホルダ基体２５０の内側に、角柱状に形成した固体レーザ２０を収容するための固体レーザ収容空間２５５（以下、収容空間２５５と略す。）が区画されている。
本実施形態においては、角柱状に切り出され、精度良く加工された固体レーザ２０の長手方向の４側面２１１、２１２、２１３、２１４の内、少なくとも２面２１１、２１２が、ホルダ２５を構成するホルダ基体２５０の内側に区画した固体レーザ収容空間２５５（以下、収容空間２５５と略す。）の内周側の２側面（２５１、２５２）に対して、それぞれの裏面側（２１３、２１４）から固体レーザ固定用弾性体２６１、２６２、２６３、２６４によって弾性的に押圧され、広い接触面積で当接し、固体レーザ２０の中心軸Ｃ／Ｌとホルダ２５の中心軸Ｃ／Ｌとが一致した状態で弾性的に保持されている。
【００２８】
本実施形態においては、固体レーザ固定用弾性体２６１、２６２、２６３、２６４は、ホルダ２５とは別体に形成した舌片状の板バネ部材をホルダ２５の固定用弾性体保持部２５７、２５８に固定して固体レーザ２０の上端部と下端部とにおいて、収容空間２５５の２つの内周面２５１、２５１のそれぞれに直交する方向に固体レーザ２０を押圧している。さらに、固体レーザ２０と収容空間２５５との間の空隙内には、熱伝導率が高く、弾性を有する弾性樹脂部材が充填されている。弾性樹脂部材２７は、固体レーザ２０とホルダ２５との間に断熱性の空隙が介在することによって固体レーザ２０からの放熱性が低下するのを抑制すると共に、固体レーザ２０の２側面２１１、２１２がホルダ２５内周側の２面２５１、２５２に対して弾性的に押圧されるのを補助している。また、弾性樹脂部材２７内に高熱電導性のフィラーを分散せしめてさらなる放熱性の向上を図ることもできる。
なお、収容空間２５５の２つの内周面２５１、２５２が互いに直交する角部には、長手軸方向にコーナー溝部２５６が穿設されており、固体レーザ２０の２つの側面２１１、２１２が互いに直交する角部とホルダ２５の内周壁とが当接することがなく、固体レーザ２０をホルダ２５に押圧したときに角部に応力集中するのを防いでいる。
【００２９】
また、ホルダ２５の収容空間２５５を形成する際に、放電加工などにより、収容空間２５５の上下の２面の一部を舌片状に切り欠いて、それを内側に向けて傾倒させることにより固定用弾性体２６１、２６２、２６３、２６４をホルダ２５と一体的に形成することもできる。
【００３０】
固体レーザ２０がホルダ２５の内周壁に点で支えられるのではなく、面で保持されているので、外部からの振動や衝撃など、瞬間的に大きな力が作用しても、固体レーザ２０の２つの側面２１１、２１２とホルダ２５の２つの内周面２５１、２５２との間に大きな静止摩擦抵抗が働き、固体レーザ２０がホルダ２５内で位置ズレを起こしたり、脱落したりする虞がない。
一方、ホルダ２５には、固体レーザ２０の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料が用いられるが、完全に一致させることは困難で、従来のように、固体レーザ２０とホルダ２５とを接着固定したのでは、熱膨張差によるストレスが固体レーザ２０に作用し、固体レーザ２０に歪みが生じ、固体レーザ２０の劣化を招いたり、固体レーザ２０の両端に設けた入射鏡２００と出力鏡２０４との平行度が損なわれて光軸のズレを招いたりする虞がある。
【００３１】
しかし、本実施形態においては、固体レーザ２０の上端面と下端面とには、固体レーザ２０の長手軸方向の膨張と収縮とを妨げるものが存在せず、外部環境の温度変化や、固体レーザ２０に励起光が入射され、共振したときの発熱等によって固体レーザ２０とホルダ２５との間に生じる熱膨張差は瞬間的な変化ではなく、熱膨張過程か熱収縮過程かを問わず、微視的に見れば、固体レーザ２０とホルダ２５とは共に動いている状態であり、両者の間には働く力は熱膨張差によって生じる小さな動摩擦抵抗だけであるため、両者の間で滑りを生じて、固体レーザ２０に歪みを生じることがない。
また、固体レーザ２０とホルダ２５との接触面積が大きいので固体レーザ２０からホルダ２５への放熱が速やかに行われるため、出力を安定させることができる。
【００３２】
さらに、固体レーザ２０の２つの側面２１１、２１２とホルダ２５の２つの内周壁２５１、２５２との間に、インジュウム箔や黒鉛シート等の高い熱伝導性と伸縮性のある平膜部材を介装することによって、密着性と放熱性とを向上させ、さらに耐振性、出力安定性に優れた共振器２を実現することもできる。
【００３３】
図３を参照して、本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１の概要について説明する。
レーザ点火装置１は、略筒状のハウジング１０内に、光ファイバ１１、励起光集光手段１２、共振器２、パルス光集光手段１４、保護カバー１５を同軸上に配設し、基端側をキャップ１３で封止して構成され、ハウジング１０の先端に設けたネジ部１０３を内燃機関３のシリンダヘッド３０に固定し、燃焼室３００内に先端側を露出させている。
ハウジング１０は、略筒状に形成されたハウジング基体１００とその基端側に形成した励起光集光手段収容部１０１と先端側に形成したパルス光集光手段収容部１０２と先端側外周に形成したネジ部１０３によって構成されている。
光ファイバ１１は、ハウジング１０の基端側に、キャップ１３を用いて固定され、外部に設けた図略の半導体レーザＬＤ等の公知の励起光源から発振された励起光ＬＺＲＰＭＰを伝送する。
【００３４】
励起光集光手段１２は、ハウジング１０の励起光集光手段収容部１０１内に収容され、第１の励起レンズ１２１、第２の励起レンズ１２２によって構成され、光ファイバ１１から出光された励起光ＬＺＲＰＭＰを共振器２の基端側の中心に集光して入射する。
共振器２内に入射された励起光ＬＺＲＰＭＰは、全反射鏡２００と部分反射鏡２０４との間で共振器２内に入射された励起光ＬＺＲＰＭＰ（例えば、８０８．５ｎｍ）は、レーザ媒質２０２を蛍光させ励起光よりも長い波長（例えば、１０６４ｎｍ）のパルス光ＬＺＲＰＬＳを誘導放出する。
【００３５】
共振器２の入射面からの励起光の入射は許容し、レーザ媒質２０２内で発生した励起光よりも長い波長の光を全反射するＡＲコーティング２０１を施した全反射鏡２００から、レーザ媒質２０２、可飽和吸収体２０３、部分反射鏡２０４の間においてレーザ媒質２０２内で発生した励起光ＬＳＲＰＭＰよりも長い波長の光が共振し、可飽和吸収体２０３の固有の閾値を超えるまで増幅される。
共振増幅されたレーザ光が閾値を超えると可飽和吸収体２０３が受動Ｑスイッチとして作用し、瞬間的にエネルギ密度の高いパルス光ＬＺＲＰＬＳが出射される。
共振器２は、上述のごとく、固体レーザ２０の少なくとも２側面２１１、２１２をホルダ２５の内周壁２５１、２５２に弾性的に押圧して固定されている。
共振器２から出射されたパルス光ＬＳＲＰＬＳは、ビームエキスパンダ１４０によって所定のビーム径に調整され、集光レンズ１４１によって燃焼室３００内の所定位置ＦＰに集光してエネルギ密度の極めて高いプラズマを発生させ、燃焼室３００内の混合気を点火する。
保護カバー１５０は、燃焼室３００内の高い圧力と、煤などの汚れから集光レンズ１４１を保護している。
【００３６】
ビームエキスパンダ１４０と共振器２との間には、弾性体１４２が介装されており、温度変化によるホルダ２５０の伸縮を吸収し、ビームエキスパンダ１４０からパルス光集光レンズ１４１までの各光学部品に割れや歪が発生しないようにしてある。
なお、弾性体１４２は、レーザ共振器２から凹レンズ１４０、スペーサ１４２、パルス光集光レンズ１４１までのいずれかの間に設ければ良い。
また、弾性体１４２には、板バネや、耐熱性ゴム、等を用いることができる。
スペーサ１４３は、略筒状に形成され、基端側に配設したビームエキスパンダ１４０と先端側に配設したパルス光集光レンズ１４１までの距離を一定に保ち、パルス光集光レンズ１４１によって集光される集光点ＦＰの位置が変動するのを防いでいる。
【００３７】
図４、表１を参照して本発明の効果を確認するための試験について説明する。
なお、本試験において、固体レーザ２０は、３ｍｍ×３ｍｍ×１０ｍｍの角柱状に形成され、４側面と両端面とは平面研磨加工により精度良く仕上げられている。
図４（ａ−１）は、本発明の第１の実施形態における共振器の長手軸方向に沿った断面図、（ａ―２）は、横断面図、比較例として、固体レーザ２０の長手方向の４側面に対してそれぞれ２点ずつの計８点を固定ネジ２６ｚによって保持した構成を用い、（ｂ−１）はその長手軸方向に沿った断面図、（ｂ−２）は、その横断面図である。
本図（ａ―１）、（ａ―２）に示すように、本発明の実施例においては。ホルダ２５の内周面の内２面２５１、２５２が、固体レーザ２０の２側面２１１、２１２と密接し、総接触面積が６０ｍｍ２となっており、本図（ｂ−１）、（ｂ−２）に示すように、８点の総接触面積は８ｍｍ２となっている。
このように固体レーザ２０をホルダ２６、２６ｚのそれぞれに保持した共振器２、２ｚに長手軸方向に対して３０Ｇの加速度に相当する力を加えたときに固体レーザ２０がホルダ２６、２６ｚからズレない最大加重を耐震性の評価とし、そのときの長手軸に垂直な方向の固体レーザ２の単位断面積当たりの最大荷重を固定応力として評価し、共振器２、２を−４０〜１３０℃の温度環境に晒したときの固体レーザ２０の両端面（全反射鏡２００、出力鏡２０４）の平行度を耐熱性の評価とした。
【００３８】
具体的には、図５に示すような平行度測定装置（キャノン製：ＺＹＧＯ）を用い、実施例及び比較例における固定応力、耐振性、接触面積の理論値に対して設定した荷重を負荷した固定方法でレーザ共振器２を固定治具に固定し、全反射鏡２００、出力鏡２０４の平行度を計測した。
（１）先ず、レーザ共振器２（ＹＡＧ）の全反射鏡２００の平面度を平行度計測装置で計測する。
（２）平行度計測装置と角度分解能１秒の回転ステージの組合せでＹＡＧ先端の平面度が出るまで位値調整を行う。
回転ステージで図の矢印の方向に回しながら左右を調整する。
回転ステージに設けられた傾斜台を使って上下方向の角度（位値）調整する。
（３）ＹＡＧをインデックスで１８０°回転して固定する。
（４）出力鏡２０４の傾きを平行度計測装置で計測する。
（５）（４）で計測した傾きを全反射鏡２００、出力鏡２０４の平行度とした。
【００３９】
耐振性については、例えば、固体レーザ２０が０．５ｇのとき、１５ｇの荷重を光軸方向に作用させたとき、固体レーザ２０がホルダ２５、２５ｚからずれなければ、３０Ｇの加速度に対して耐久性を有することになる。
その結果を、表１に示す。表１に示すように、本発明の実施例においては、固定応力が、６７ｇ／ｍｍ２、耐振性１９１Ｇ、平行度は、３３秒であった。
一方、比較例においては、固定応力が１８６ｋｇ／ｍｍ２、耐振性が５５８Ｇ、平行度が６０秒であった。
【表１】
【００４０】
レーザ共振器２の温度が−４０〜１３０℃の範囲で変化しても、また、加速度３０Ｇの衝撃に晒されても、光ファイバ１１の出光部から第２の励起光レンズ１２１までの励起光学系とレーザ共振器２との間の距離が変化せず、ビームエキスパンダ１４０からパルス光集光レンズ１４１までの各光学部品の割れ、歪が発生することがない。
【００４１】
図６、図７を参照して本発明の効果について説明する。図６において、励起光源として用いたＬＤ駆動周波数を横軸とし、総エネルギ量を縦軸とし、上述の第１の実施形態として示した構成と上述の比較例についてＬＤ駆動周波数の変化に対する総エネルギの変化を示す。
なお、ＬＤ駆動周波数は、対応するエンジン回転数に応じて増減され、また、固体レーザ２０（レーザ媒質２０２）の温度は、ＬＤ駆動周波数に略比例しており、ＬＤ駆動周波数が高いほど発熱温度は高くなる。
比較例においては、エネルギの損失が大きいため、ＬＤ駆動周波数、即ち、固体レーザ２０の温度に拘わらず。ほぼ一定の総エネルギ量となる。これは、比較例においては、固体レーザ２０とホルダ２６との間に空隙が存在し、その空隙が断熱層として作用して、ＬＤ駆動周波数が低いときでも充分な放熱が行われないためであると思料する。
本実施例では、ＬＤ駆動周波数の増加、即ち、固体レーザ２０の温度上昇に伴い、総エネルギ量は徐々に減少するが、いずれのＬＤ駆動周波数においても比較例よりも遙かに高い総エネルギ量のパルスレーザを発振することができる。
なお、総エネルギ量とは、本発明のレーザは1回の点火サイクル中に複数回のパルスレーザが発振されるが、前記複数回のパルスエネルギの総量を示す。
【００４２】
図７に、光―光変換効率（％）を縦軸とし、ＬＤ駆動発振周波数（Ｈｚ）を横軸とし、本発明の実施例と比較例の測定結果を示す。
本図に示すように、比較例においては、光―光変換効率は、ＬＤ駆動周波数のよらず、略一定であるが、本実施例においては、ＬＤ駆動周波数の増加、即ち、固体レーザ２０の温度上昇に伴い、光―光変換効率は徐々に減少するが、いずれのＬＤ駆動周波数においても比較例よりも遙かに高い光―光変換効率でパルスレーザを発振することができる。
なお、光―光変換効率とは、励起光からパルス光に変換したときの変換効率を示し、パルス光エネルギ／励起光エネルギによって算出される値である。
【００４３】
例えば、、従来のエンジン搭載を目指して開発したレーザ点火装置の特性では、非特許文献１の第３頁、表１に示すように、可飽和吸収体を入れない場合の光―光変換効率は、４３％で、可飽和吸収体を入れた時の光−光変換効率は８％であり、レーザ共振器の電気−光変換効率は４％である。
このように、従来のレーザ共振器の変換効率が本発明のレーザ共振器に比べて低い理由は、
（１）１点火サイクル中に1パルスしか発振しないため励起光の損失が大きいこと、
（２）レーザ共振器が一体化されていないため光軸が歪んでいる可能性があること、
（３）側面励起方式であるため励起光の散乱、透過損失が大きいこと等によるものと推察される。
【００４４】
可飽和吸収体を使ったレーザにおいて、変換効率を上げるには、
（１）励起光の立ち上がりを早くして矩形状に励起光をレーザ共振器に入射すること、
（２）励起光の集光強度を高くして発振間隔を短くすること、
（３）レーザ共振器冷却することで熱レンズ効果による共振モードの変化の防止と蛍光光のバンド幅の広がりを防止することがあげられる。
また、レーザ点火装置の場合、プラズマを発生するために必要なレーザ出力は１パルス当たり、３ＭＷ／ｃｍ２であり、１パルス当たりの出力を低くすればパルスの発振間隔が短くなるのでその分効率が上がる。
一方、可飽和吸収体を使わないで、ＡＯＱswなどの別方式のＱＳＷを使うと効率は上がる、ＡＯＱＳＷを制御するのに数キロボルトを発生する電源が必要でエンジンへの搭載が困難となる上に、ＡＯＱＳＷ自体も体格が大きく小型化が困難である。
したがって、本発明によれば、極めて簡易な構成で、過剰な負荷を共振器２に与えることなく、光軸を歪ませることなく点火装置内に保持することが可能で、しかも、高いエネルギ変換効率を維持してパルスレーザを発振し、内燃機関のの点火に用いることが可能となる。
【００４５】
図８、図９を参照して、本発明の第２の実施形態におけるレーザ媒質固定方法により固定されたレーザ共振器２ａとこれを用いたレーザ点火装置１ａについて説明する。
なお、上記実施形態と同様な構成については、同じ符号を付したので説明を省略し、相違点並びに本実施形態の効果について説明する。
【００４６】
上記実施形態においては、ホルダ２５の内周面のうち２面２５１、２５２に固体レーザ２０の２側面２１１、２１２を弾性的に押圧して固定する方法を示したが、本実施形態においては、共振器２ａとして、角柱状に形成した固体レーザ２０の対角方向に分割した略半円柱状で、内側に略Ｖ字形の固体レーザ収容空間２５５Ａ、２５０Ｂを区画した一対のホルダ２５Ａとホルダ２５Ｂとで固体レーザ２０を挟持し、それぞれの収容空間２５５Ａの２側面２５１Ａ、２５２Ａと収容空間２５５Ｂの２側面２５３Ｂ、２５４Ｂとを対向する固体レーザ２０の側面２１１、２１２、２１３、２１４のそれぞれに当接せしめると共に、ホルダ２５Ａ、ホルダ２５Ｂの基端側と先端側とにおいて外周側に設けた溝部２５７Ａ、２５７Ｂ、２５８Ａ、２５８Ｂ内に略Ｃ字型に形成した弾性部材からなるＣ形止め輪（いわゆる軸用スナップリング）２６１ａ、２６２ａを介装して中心方向に向かって押圧するようにして弾性的に保持せしめた点が相違する。
【００４７】
本実施形態によれば、固体レーザ２０の長手方向側面の４面２１１、２１２、２１３、２１４の全てが、ホルダ２５Ａ、２５Ｂの内周面２５１Ａ、２５２Ａ、２５３Ｂ、２５４Ｂに弾性的に当接しているため極めて放熱性に優れており、さらに安定した出力を得ることができる。
特に、ホルダをホルダ２５Ａ、２５Ｂの２つに分割しているので、ホルダ基体２５０Ａ、２５０Ｂのそれぞれに略Ｖ字型の収容空間を加工する際に、鏡面研磨によって固体レーザ２０の４側面２１１、２１２、２１３、２１４のそれぞれに当接する内周壁側面２５１Ａ、２５２Ａ、２５３Ｂ、２５４Ｂを精度良く加工できるため、極めて均一な力でホルダ２５Ａとホルダ２５Ｂとが固体レーザ２０を拘束、保持することができる。
【００４８】
図８に示すような、本実施形態における固体レーザ２０の固定方法を用いて一対のホルダ２５Ａ、２５Ｂに挟持せしめて構成したレーザ共振器２ａを、図９に示すように、上述の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１と同様に、光ファイバ１１、励起光集光手段１２、パルス光集光手段１４（１４０、１４１、１４２）、保護カバー１５と共に同軸上に並べて配設し、略筒状のハウジング１０内に収容して、本実施形態におけるレーザ点火装置１ａを得る。
本実施形態によれば、上記実施形態と同様の効果に加え、ホルダ２５Ａ、２５Ｂと固体レーザ２０との接触面積が倍増するので、極めて良好な放熱性が得られる。
その結果、さらに温度変化や振動に対して耐久性の高い優れたレーザ点火装置が実現できる。
【００４９】
図１０を参照して本発明の第３の実施形態における固体レーザ２０の固定方法を用いたレーザ共振器２ｂについて、説明する。
ホルダを一対のホルダ２５Ｃとホルダ２５Ｄとの２つに分けて、これらによって、固体レーザ２０を挟持して、Ｖ字形溝の内周面２５１Ｃ、２５２Ｃ、２５３Ｄ、２５４Ｄを固体レーザ２０の４側面２１１、２１２、２１３、２１４に弾性的に当接させる点は第２の実施形態と類似しているが、固定手段として、スナップリングのような弾性部材を用いるのではなく、本実施形態においては、一対のホルダ２５Ｃとホルダ２５Ｄとの対向する２面間に、略平板状に形成したインジュウム箔や黒鉛シート等の高い熱伝導性と伸縮性のある平板状弾性部材２６２ｂを介挿し、ホルダ２５Ｃとホルダ２５Ｄとを互いにボルト２８を用いて螺結している点が相違する。
本実施形態においては、一対のホルダ２５Ｃｔｏホルダ２５Ｄとの間に平板状弾性部材２６２ｂが介在することによって、Ｖ字形溝の内周面２５１Ｃ、２５２Ｃ、２５３Ｄ、２５４Ｄが、固体レーザ２０の４側面２１１、２１２、２１３、２１４を弾性的に押圧することになるので、上述の第２の実施形態と同様の効果が発揮される。
【００５０】
本実施形態における固体レーザ２０を一対のホルダ２５Ｃ、２５Ｄによって弾性的に挟持する方法を用いて構成されたレーザ共振器２ｂを上記実施形態と同様、光ファイバ１１、励起光集光手段１２、パルス光集光手段１４（１４０、１４１、１４２）、保護カバー１５と共に同軸上に並べて配設し、略筒状のハウジング１０内に収容して、温度変化や振動に対して耐久性の高い優れたレーザ点火装置が実現できる。
なお、本実施形態において、平板状弾性部材２６２ｂを一対のホルダ２４Ｃとホルダ２５Ｄとの合わせ面に介挿した例を示したが、弾性部材をホルダ２５Ｃ、２５Ｄに設けたＶ字形溝の内周面２５１Ｃ、２５２Ｃ、２５３Ｄ、２５４Ｄと固体レーザ２０の４側面２１１、２１２、２１３、２１４との間に介挿しても良い。
【符号の説明】
【００５１】
１ レーザ点火装置
１０ ハウジング（共振器収容部）
１０１ 励起光集光手段収容部
１０２ パルス光集光手段収容部
１０３ ネジ部
１１ 光ファイバ
１２ 励起光調整手段
１２０ 励起光レンズ１
１２１ 励起光レンズ２
１３ キャップ（基端側固定部材）
１４ パルス光集光手段
１４０ 凹レンズ（ビームエキスパンダ）
１４１ パルス光集光レンズ
１４２ 弾性部材
１４３ スペーサ
１５ 保護カバー
２ レーザ共振器
２０ 固体レーザ
２００ 入力鏡（全反射鏡）
２０１ ＡＲコーティング膜
２０２ レーザ媒質
２０３ 可飽和吸収体
２０４ 出力鏡（部分反射鏡）
２５ 固体レーザホルダ（固体レーザ固定手段）
２５０ ホルダ基体
２５１ 第１の支持面
２５２ 第２の支持面
２５３、２５４ 内壁面
２５５ 固体レーザ収容空間
２５６ コーナー溝部
２５７、２５８ 固定用弾性体保持部
２６１、２６２、２６３、２６４ 固体レーザ固定用弾性体（固定用リブ）
２７ 弾性樹脂部材
３ 内燃機関
３０ シリンダヘッド
３００ 燃焼室
ＬＺＲＰＭＰ 励起光
ＬＺＲＰＬＳ パルス光
ＦＰ 集光点
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５２】
【特許文献１】特表２０１１−５０１４０２号公報
【特許文献２】国際公開２０１０／０８６２８７
【特許文献３】特開平６−３０８５５３号公報
【非特許文献】
【００５３】
【非特許文献１】Ｇ．Ｋｒｏｕｐａ、 Ｇ．Ｆｒａｎｚｚ、 Ｅ．Ｗｉｎｋｅｉｈｏｆｅｒ、「Ｎｏｖｅｌ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｈｉｇｈ-ｅｎｅｒｇｙ Ｎｄ―ＹＡＧ ｌａｓｅｒ ｆｏｒ ｓｐａｒｋ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｉｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｓ」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ４８（１）、０１４２０２−１−０１４２０２−５、 （Ｊａｎｕａｒｙ ２０００９）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全反射鏡と部分反射鏡との間に介装されたれーザ媒質の内部で励起光源から発振された励起光を共振させ、エネルギ密度の高いパルスレーザを発振するレーザ共振器に用いられる固体レーザの固定方法であって、
短い波長の励起光の入射は許容し、長い波長の光を全反射する全反射鏡からなる入射鏡と、短い波長の励起光の入射により長い波長の蛍光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質から放射された光エネルギが所定のＱ値以下のときには吸収し、所定のＱ値以上のときには放出する受動Ｑスイッチを構成する可飽和吸収体及び部分反射鏡とを一体に形成して、角柱状に加工した固体レーザの長手方向の４側面の内、少なくとも２側面を、固体レーザ固定用ホルダを構成するホルダ基体の内側に区画した固体レーザ収容空間の内周側の２側面に対して、それぞれの裏面側から固体レーザ固定用弾性体によって弾性的に押圧して、広い接触面積で当接せしめ、上記固体レーザの中心軸と上記固体レーザ固定用ホルダの中心軸とが一致した状態で弾性的に保持することを特徴とする固体レーザの固定方法。
【請求項２】
上記固体レーザ固定用弾性体が、上記固体レーザ固定用ホルダと一体的に又は別体で設けられ、上記固体レーザの上端部と下端部とにおいて、上記固体レーザ収容空間の内側に向かって傾倒せしめた舌片状の板バネ部材からなり、上記固体レーザ収容空間の２つの内周面のそれぞれに直交する方向に上記固体レーザを押圧する請求項１に記載の固体レーザの固定方法。
【請求項３】
角柱状に形成した上記固体レーザの対角方向に分割した略半円柱状で、内側に略Ｖ字形の固体レーザ収容空間を区画した一対の固体レーザ固定用ホルダによって上記固体レーザを挟持し、それぞれの収容空間の２側面を対向する上記固体レーザの２側面のそれぞれに当接せしめると共に、上記固体レーザ固定用弾性体によって押圧する請求項１に記載の固体レーザの固定方法。
【請求項４】
上記固体レーザ固定用弾性体が、略Ｃ字型に形成した弾性部材からなるＣ形止め輪であって、上記一対の固体レーザ固定用ホルダをその外周側から中心方向に向かって押圧する請求項３に記載の固体レーザの固定方法。
【請求項５】
上記固体レーザ固定用弾性体が、略平板状に形成した弾性部材からなり、上記一対の固体レーザ固定用ホルダの互いに対向する２面間、又は、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの間に介挿する請求項３又は４に記載の固体レーザの固定方法。
【請求項６】
上記固体レーザと上記固体レーザ収容空間との間に空隙が存在する場合に、該空隙内に熱伝導率が高く弾性を有する樹脂部材を充填したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の固体レーザの固定方法。
【請求項７】
外部に設けた励起光源から励起光集光手段を介して入射された励起光をレーザ共振器の内部で共振増幅したエネルギ密度の高いパルス光とし、該パルス光をパルス光集光手段を介して、内燃機関の燃焼室の内側に集光してエネルギ密度の極めて高いプラズマを発生させて混合気の点火を行うレーザ点火装置であって、
上記レーザ共振器が、短い波長の励起光の入射は許容し、長い波長の光を全反射する全反射鏡からなる入射鏡と、短い波長の励起光の入射により長い波長の蛍光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質から放射された光エネルギが所定のＱ値以下のときには吸収し、所定のＱ値以上のときには放出する受動Ｑスイッチを構成する可飽和吸収体及び部分反射鏡とを一体に形成して、角柱状に加工した固体レーザと、これを保持する固体レーザ固定用ホルダとによって構成され、請求項１ないし５のいずれかに記載の固体レーザの固定方法によって上記固体レーザの長手方向側面の内、少なくとも２面を上記固体レーザ固定用ホルダに区画した固体レーザ収容空間の内周壁の内の２面に弾性的に押圧して固定せしめたことを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項８】
上記励起光集光手段と上記共振器と上記パルス光集光手段とを光軸を揃えて配設して筒状のハウジングの内側に収容する共に、の上記励起光集光手段と上記共振器と上記パルス光集光手段との間のいずれかの位置に、高い熱伝導率と伸縮性のある弾性部材を介挿した請求項７に記載のレーザ点火装置。
【請求項１】
全反射鏡と部分反射鏡との間に介装されたれーザ媒質の内部で励起光源から発振された励起光を共振させ、エネルギ密度の高いパルスレーザを発振するレーザ共振器に用いられる固体レーザの固定方法であって、
短い波長の励起光の入射は許容し、長い波長の光を全反射する全反射鏡からなる入射鏡と、短い波長の励起光の入射により長い波長の蛍光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質から放射された光エネルギが所定のＱ値以下のときには吸収し、所定のＱ値以上のときには放出する受動Ｑスイッチを構成する可飽和吸収体及び部分反射鏡とを一体に形成して、角柱状に加工した固体レーザの長手方向の４側面の内、少なくとも２側面を、固体レーザ固定用ホルダを構成するホルダ基体の内側に区画した固体レーザ収容空間の内周側の２側面に対して、それぞれの裏面側から固体レーザ固定用弾性体によって弾性的に押圧して、広い接触面積で当接せしめ、上記固体レーザの中心軸と上記固体レーザ固定用ホルダの中心軸とが一致した状態で弾性的に保持することを特徴とする固体レーザの固定方法。
【請求項２】
上記固体レーザ固定用弾性体が、上記固体レーザ固定用ホルダと一体的に又は別体で設けられ、上記固体レーザの上端部と下端部とにおいて、上記固体レーザ収容空間の内側に向かって傾倒せしめた舌片状の板バネ部材からなり、上記固体レーザ収容空間の２つの内周面のそれぞれに直交する方向に上記固体レーザを押圧する請求項１に記載の固体レーザの固定方法。
【請求項３】
角柱状に形成した上記固体レーザの対角方向に分割した略半円柱状で、内側に略Ｖ字形の固体レーザ収容空間を区画した一対の固体レーザ固定用ホルダによって上記固体レーザを挟持し、それぞれの収容空間の２側面を対向する上記固体レーザの２側面のそれぞれに当接せしめると共に、上記固体レーザ固定用弾性体によって押圧する請求項１に記載の固体レーザの固定方法。
【請求項４】
上記固体レーザ固定用弾性体が、略Ｃ字型に形成した弾性部材からなるＣ形止め輪であって、上記一対の固体レーザ固定用ホルダをその外周側から中心方向に向かって押圧する請求項３に記載の固体レーザの固定方法。
【請求項５】
上記固体レーザ固定用弾性体が、略平板状に形成した弾性部材からなり、上記一対の固体レーザ固定用ホルダの互いに対向する２面間、又は、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの間に介挿する請求項３又は４に記載の固体レーザの固定方法。
【請求項６】
上記固体レーザと上記固体レーザ収容空間との間に空隙が存在する場合に、該空隙内に熱伝導率が高く弾性を有する樹脂部材を充填したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の固体レーザの固定方法。
【請求項７】
外部に設けた励起光源から励起光集光手段を介して入射された励起光をレーザ共振器の内部で共振増幅したエネルギ密度の高いパルス光とし、該パルス光をパルス光集光手段を介して、内燃機関の燃焼室の内側に集光してエネルギ密度の極めて高いプラズマを発生させて混合気の点火を行うレーザ点火装置であって、
上記レーザ共振器が、短い波長の励起光の入射は許容し、長い波長の光を全反射する全反射鏡からなる入射鏡と、短い波長の励起光の入射により長い波長の蛍光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質から放射された光エネルギが所定のＱ値以下のときには吸収し、所定のＱ値以上のときには放出する受動Ｑスイッチを構成する可飽和吸収体及び部分反射鏡とを一体に形成して、角柱状に加工した固体レーザと、これを保持する固体レーザ固定用ホルダとによって構成され、請求項１ないし５のいずれかに記載の固体レーザの固定方法によって上記固体レーザの長手方向側面の内、少なくとも２面を上記固体レーザ固定用ホルダに区画した固体レーザ収容空間の内周壁の内の２面に弾性的に押圧して固定せしめたことを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項８】
上記励起光集光手段と上記共振器と上記パルス光集光手段とを光軸を揃えて配設して筒状のハウジングの内側に収容する共に、の上記励起光集光手段と上記共振器と上記パルス光集光手段との間のいずれかの位置に、高い熱伝導率と伸縮性のある弾性部材を介挿した請求項７に記載のレーザ点火装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１６６７８（Ｐ２０１３−１６６７８Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４８９３８（Ｐ２０１１−１４８９３８）
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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