特許 6245629 半導体レーザー励起固体レーザー装置を利用する車載式点火装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6245629

(24)【登録日】2017年11月24日

(45)【発行日】2017年12月13日

(54)【発明の名称】半導体レーザー励起固体レーザー装置を利用する車載式点火装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/0941 20060101AFI20171204BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20171204BHJP

   H01S 3/16 20060101ALI20171204BHJP

   H01S 5/022 20060101ALI20171204BHJP

   H01S 5/183 20060101ALI20171204BHJP

   H01S 5/42 20060101ALI20171204BHJP

   F02P 23/04 20060101ALI20171204BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20171204BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/0941

   H01S3/00 A

   H01S3/16

   H01S5/022

   H01S5/183

   H01S5/42

   F02P23/04 A

   G02B6/42

【請求項の数】6

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-63230(P2013-63230)

(22)【出願日】2013年3月26日

(65)【公開番号】特開2014-192166(P2014-192166A)

(43)【公開日】2014年10月6日

【審査請求日】2016年1月20日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】504261077

【氏名又は名称】大学共同利用機関法人自然科学研究機構

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】常包 正樹

(72)【発明者】

【氏名】平等 拓範

(72)【発明者】

【氏名】金原 賢治

【審査官】 大和田 有軌

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／０４８９６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表平１０−５１１２２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１８１３７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１９８０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−３０１７７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３３２５８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０５−０４１１６７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特表２００７−５２８１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１１８６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１０９４０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１２７５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２５２９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００４７９４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１４５１０７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 Lew Goldberg, et al.，“VCSEL end-pumped passively Q-switched Nd:YAG laser with adjustable pulse energy”，Optics Express，２０１１年 ２月２８日，Vol.19，No.5，p.4261-4267

【文献】 Brian Cole, et al.，“Compact VCSEL pumped Q-switched Nd:YAG lasers”，Proceedings of SPIE，２０１２年 １月２１日，Vol.8235，p.82350O-1〜82350O-7

【文献】 Jean-Francois Seurin, et al.，“High-brightness pump sources using 2D VCSEL arrays”，Proceedings of SPIE，２０１０年 １月２３日，Vol.7615，p.76150F-1〜76150F-9

【文献】 Masaki Tsunekane, et al.，“High Peak Power, Passively Q-switched Microlaser for Ignition of Engines”，IEEE Journal of Quantum Electronics，２０１０年 ２月，Vol.46，No.2，p.277-284

【文献】 常包正樹、外２名，“エンジン同時3点点火用高輝度Nd:YAG/Cr:YAGセラミックマイクロレーザー”，レーザー研究，２０１３年 ２月１５日，第41巻，第2号，p.119-124

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ３／００ − ５／５０

Ｆ０２Ｐ ２３／０４

Ｇ０２Ｂ ６／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体レーザー光源と、その半導体レーザー光源が放射した半導体レーザー光で励起されて燃料点火用のパルスレーザー光を放射する固体レーザー媒質を備えており、
前記固体レーザー媒質は、１．１〜２．０ａｔ％のネオジムを含有する多結晶のイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）であり、エンジンルーム内に配置されており、
前記半導体レーザー光源は、活性層の両側に多層膜が形成されている垂直共振器面発光レーザー素子（ＶＣＳＥＬ）が２次元に配列されたアレイ素子を備えており、２０℃における発振中心波長が８０４．０ 〜８０５．５ｎｍであり、発振中心波長の温度依存性が０．０７ｎｍ／℃以下であり、車室内に配置されており、
環境温度が２０℃であるときに前記半導体レーザー光源から放射される半導体レーザー光のエネルギーに対する環境温度がＴ℃であるときに前記固体レーザー媒質で吸収されるエネルギーの比を有効吸収係数とし、２０〜８０℃の温度範囲内における最高有効吸収係数を最少有効吸収係数で除した値を変動比としたときに、その変動比が２．０未満であり、
前記半導体レーザー光源と前記固体レーザー媒質の間に、前記半導体レーザー光源から放射された半導体レーザー光を前記固体レーザー媒質に導く光ファイバーが配置されていることを特徴とする車載用点火装置。

【請求項2】

前記したネオジムを含有する多結晶のイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）の端面に、クロムを含有する多結晶のイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｃｒ：ＹＡＧ）が接合されていることを特徴とする請求項１に記載の点火装置。

【請求項3】

前記Ｎｄ：ＹＡＧの非接合端面と前記Ｃｒ：ＹＡＧの非接合面が平行であり、
前記Ｎｄ：ＹＡＧの非接合端面に半導体レーザー光が入射し、
前記Ｃｒ：ＹＡＧの非接合面からパルスレーザー光が放射することを特徴とする請求項２に記載の点火装置。

【請求項4】

前記Ｃｒ：ＹＡＧの非接合面に、０．５〜２ｍｍの半径の凹面が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の点火装置。

【請求項5】

前記ＶＣＳＥＬと前記光ファイバーの間に、前記ＶＣＳＥＬの各発光点から放射された半導体レーザー光を個々にコリメートするマイクロレンズが２次元に配列されたマイクロレンズアレイと、反射膜が一体に形成されているミラー兼マイクロレンズアレイが配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかの１項に記載の点火装置。

【請求項6】

前記ＶＣＳＥＬと、前記ＶＣＳＥＬの各発光点から放射された半導体レーザー光を個々にコリメートするマイクロレンズが２次元に配列されたマイクロレンズアレイが、硬化収縮率が２％以下の紫外線硬化樹脂によって固定されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかの１項に記載の点火装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書では、半導体レーザー励起固体レーザー装置の動作温度範囲を広げる技術を開示する。特に、半導体レーザー励起固体レーザー装置でエンジンに供給された燃料に点火する装置を実現するのに必要な動作温度範囲に広げる技術を開示する。本明細書では、半導体レーザー光源から放射される半導体レーザー光を固体レーザー媒質に照射し、固体レーザー媒質が半導体レーザー光で励起されてパルスレーザー光を放射する装置の全体を半導体レーザー励起固体レーザー装置という。

【背景技術】

【0002】

図１５に、非特許文献１に開示されている半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成を示す。図１５において、参照番号１０１は垂直共振器面発光レーザー素子（ ＶＣＳＥＬ）の複数個が２次元の行列に沿って配置されているアレイ素子を示し、参照番号１０５はコリメートレンズを示し、参照番号１０６は集光レンズを示し、参照番号１１０はネオジムを含有するイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）を示し、参照番号１１１ はクロムを含有するイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｃｒ：ＹＡＧ）を示し、参照番号１１５はブリュースター板を示し、参照番号１１２は出力ミラーを示している。Ｎｄ：ＹＡＧ１１０はロッド形状であり、半導体レーザー光が入射する側の端面に、８０８ｎｍに対しては高透過率であり１０６４ｎｍに対しては高反射率の誘電体コート膜１１０ａが形成されている。出力ミラー１１２は、１０６４ｎｍに対して９０％の反射率を持つ膜１１２ａを備えている。Ｎｄ：ＹＡＧ１１０は、半導体レーザー光に照射されると励起して固体レーザー光を発振する固体レーザー媒質である。誘電体コート膜１１０ａと膜１１２ａの間に位置する光学装置によって、Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザー共振器が形成されている。

【0003】

アレイ素子１０１は、波長８０８ｎｍに制御された半導体レーザー光を放射する。その半導体レーザー光は、２枚のレンズ１０５，１０６によりＮ d ： Ｙ Ａ Ｇ１１０の端面に集光される。Ｎ d ： Ｙ Ａ Ｇ１１０ の端面に集光された半導体レーザー光は、Ｎ d ： Ｙ Ａ Ｇ１１０内に入射して吸収される。Ｎ d ： Ｙ Ａ Ｇ１１０は固体レーザー媒質となる。共振器内に挿入されているＣｒ :ＹＡＧ１１１は、受動Ｑスイッチとして動作し、パルスレーザー光を放射させる。ブリュースター板１１５は、パルスレーザー光を直線偏光に制御する。

【0004】

アレイ素子１０１を調温するために、アレイ素子１０１をダイヤモンド製のヒートスプレッダーにマウントし、そのヒートスプレッダーを銅製のヒートシンクにマウントし、そのヒートシンクを電子冷却装置で冷却する構成がとられる。アレイ素子１０１は、電子冷却装置によって、アレイ素子１０１が放射する半導体レーザー光の波長が８０８ｎｍとなる温度に調温される。

【0005】

図１６は、非特許文献２に開示されている半導体レーザー光源を示している。この半導体レーザー光源は、ファイバーレーザー１４０を励起する半導体レーザー光を放射する。参照番号１０１はＶＣＳＥＬのアレイ素子を示し、参照番号１３０はＶＣＳＥＬのアレイ素子１０１の各発光点から放射される半導体レーザー光を個々にコリメートするためのマイクロレンズのアレイを示し、参照番号１０６は半導体レーザー光１０７をファイバー１４０の端面に集光するための集光レンズを示している。

【0006】

アレイ素子１０１は、波長は９７６ｎｍの半導体レーザー光を放射する。アレイ素子１０１を調温するために、アレイ素子１０１をダイヤモンド製のサブマウント１０２ にマウントし、サブマウント１０２を銅製の水冷式マイクロチャンネルヒートシンクにマウントして温度制御される。アレイ素子１０１は、放射する半導体レーザー光の波長が９７６ ｎｍ となる温度に調温される。

【0007】

図１７は、非特許文献３に開示されている半導体レーザー光源を示している。この半導体レーザー光源は、ファイバーレーザー１４０を励起する半導体レーザー光を放射する。参照番号１０１は垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の アレイ素子を示し、参照番号１３１は外部ミラーを示し、参照番号１３０はアレイ素子１０１ の各発光点からの半導体レーザー光を個々にコリメートするマイクロレンズのアレイを示し、参照番号１０６は集光レンズを示している。 アレイ素子１０１は、波長９７６ｎｍの半導体レーザー光を放射する。ＶＣＳＥＬの外部にミラー１３１を設けることで、ＶＣＳＥＬ のアレイ素子１０１の共振器長を実効的に長くすることができ、これによりアレイ素子１０１から放射される半導体レーザー光の放射角が狭くなり、輝度が上がる。ミラーをＶＣＳＥＬ内に内蔵する図１６の構成に比べ、コアの小さな光ファイバーに効率よく半導体レーザー光を入射させることができる。
ＶＣＳＥＬのアレイ１０１を調温するために、アレイ素子１０１をダイヤモンド製のサブマウント１０２にマウントし、そのサブマウント１０２を銅のブロックにマウントして冷却する。アレイ素子１０１は、アレイ素子１０１が放射する半導体レーザー光の波長が９７６ｎｍ となる温度に調温される。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】Solid State Lasers XXI, Proc. of SPIE Vol. 8235 82350M (2012)

【非特許文献2】High-Power Diode Laser Technology and Applications VI, Proc. of SPIE Vol. 6876 68760D (2008)

【非特許文献3】Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XIV, Proc. of SPIE Vol. 7615 76150F (2010)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

近年、半導体レーザー励起固体レーザー装置の性能向上とともに、理化学用あるいは工業用への普及が進んでいるが、さらに産業用、民生用の広い応用分野に普及を進めるためには、半導体レーザー励起固体レーザー装置の動作温度範囲の拡大が課題となっている。例えば自動車に搭載する場合、２０℃から８０℃までの温度範囲で安定的に動作することが要求される。自動車が使用される環境温度は、上記の温度範囲より広いが、半導体レーザー励起固体レーザー装置を冷却するのに比して半導体レーザー励起固体レーザー装置を加熱するのには少ない電力で済むことと、半導体レーザー励起固体レーザー装置に通電すると装置自体が発熱することと、冷却ファンで半導体レーザー励起固体レーザー装置を空冷する程度の空冷装置を設けることが可能であるといった諸事情から、半導体レーザー励起固体レーザー装置が２０℃から８０℃までの温度範囲で安定的に動作することができれば、半導体レーザー励起固体レーザー装置を車載することが可能となる。

【0010】

半導体レーザー光源の発振中心波長には、温度依存性が存在する。半導体レーザー光源の発振中心波長は、一義的には半導体活性層のバンドギャップで決定される。ところが、そのバンドギャップが温度に依存して変化するために、半導体レーザー光源の発振中心波長は温度に依存して変化する。通常の半導体レーザー光源の場合、環境温度が１℃上昇すると発振中心波長が０．３ｎｍだけ長くなる。その一方、固体レーザー媒質の吸収帯は比較的に狭い。Ｎ d：ＹＡＧの場合、図１０に示すように、８０７．０ 〜 ８０９．５ｎｍ に強い吸収帯Ａ がある。このことは、動作温度が８℃だけ変化すると、半導体レーザー光源の発振中心波長が、固体レーザー媒質の吸収帯Ａの最短波長８０７．０ から最長波長 ８０９．５ｎｍ にまで変化してしまうことを意味する。従来の半導体レーザー励起固体レーザー装置の動作温度範囲は８℃にすぎない。

【0011】

そこで、従来の半導体レーザー励起固体レーザー装置の場合、特定の動作温度における半導体レーザー光の波長が上記吸収帯Ａなかでも最大吸収係数となる８０８ｎｍの近傍となる半導体レーザー光源を選択し、かつ半導体レーザー光源をその動作温度に維持する電子冷却装置あるいは水冷式冷却装置を併用している。

【0012】

半導体レーザー励起固体レーザー装置を車載するためには、空冷する程度では足りず、電子冷却装置あるいは水冷式冷却装置が必要とされるとすると、半導体レーザー励起固体レーザー装置を車載するのが困難となる。半導体レーザー励起固体レーザー装置がもたらすメリットを享受できる機会が大幅に減少してしまう。

【0013】

本明細書では、電子冷却装置あるいは水冷式冷却装置を必要とせず、簡単な加熱装置あるいは簡単な空冷装置程度と併用することで車載することが可能となる半導体レーザー励起固体レーザー装置を開示する。
特に、半導体レーザー励起固体レーザー装置が放射するパルスレーザー光でエンジンに提供された燃料に点火する点火装置を実現する技術を開示する。
本明細書では、２０℃から８０℃までの温度範囲で安定的に動作する半導体レーザー励起固体レーザー装置が得られれば、電子冷却装置あるいは水冷式冷却装置を併用する必要がなくなり、簡単な加熱装置あるいは簡単な空冷装置程度と併用することで車載することが可能となるという知見に基づいて創作された半導体レーザー励起固体レーザー装置あるいはそれを利用した点火装置を開示する。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本明細書に記載の技術では、次の２つの知見を組み合わせて用いる。
（第１知見）半導体レーザー光源の発振中心波長は、一義的には半導体活性層のバンドギャップで決定されるが、それだけでは決まらず、共振器を構成するミラーの反射特性の影響も受ける。そこで、半導体活性層の両側に配置するミラーに半導体多層膜を利用し、分布ブラッグ反射を利用するＶＣＳＥＬが開発されている。このＶＣＳＥＬによると、発振中心波長の温度依存性が、０．０７ｎｍ／℃まで低下する。例えば、Princeton Optronics, Inc. (1 Electronics Drive, Mercerville, New Jersey 08619, USA)社が提供するＶＣＳＥＬの発振中心波長の温度依存性は０．０７ｎｍ／℃である。
（第２知見）従来の半導体レーザー励起固体レーザー装置は、図１０に示した吸収帯Ａを利用するが、実際には、それに隣接する波長帯Ｂでも吸収能力を備えており、吸収帯Ａと吸収帯Ｂの全体を利用することができる。吸収帯Ｂでの吸収係数は吸収帯Ａでの吸収係数より低いので今まで使われなかったが、固体レーザーを発振させることは可能である。

【0015】

吸収帯Ａと吸収帯Ｂの全体を利用すると、吸収帯が８０３．０〜８０９．５ｎｍに拡大する。すなわち、６．５ｎｍの波長幅を持つ。前記した０．０７ｎｍ／℃の温度依存性を持つ半導体レーザー光源と組み合わせて用いると、９０℃以上の動作温度範囲を確保することが可能となる。

【0016】

本明細書で開示する半導体レーザー励起固体レーザー装置は、上記考察と波長決定実験によって得られたものであり、
（１）固体レーザー媒質に、ネオジムを含有するイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）を用いる。
（２）半導体レーザー光源に、活性層の両側に多層膜が形成されている垂直共振器面発光レーザー素子（ＶＣＳＥＬ）が２次元に配列されたアレイ光源を用いる。特に、２０℃における発振中心波長が８０４．０ 〜８０５．５ｎｍであり、発振中心波長の温度依存性が０．０７ｎｍ／℃以下である半導体レーザー光源を用いる。

【0017】

図１１から図１３の縦軸は、２０℃において半導体レーザー光源から放射された励起光エネルギーと、固体レーザー媒質内で吸収されたエネルギーの比（前者を１としたときの後者の値を示す）。半導体レーザー光源に加える電力量は、環境温度によらずに一定に保った。環境温度が変化すると、半導体レーザー光源から放射される半導体レーザー光の波長が変化し（従って図１０に示した吸収係数が変化する）、さらに半導体レーザー光のエネルギーも変化する。縦軸は、２つの効果を加味した有効吸収割合を示している。以下では便宜的に、有効吸収係数という。図１１から図１３の縦軸は、長さが４ｍｍのＮｄ：ＹＡＧの有効吸収係数の温度依存性の測定結果を示している。
図１１は、２０℃における発振中心波長が８０３．０ｎｍである半導体レーザー光源を用いた場合と、８０３．５ｎｍの半導体レーザー光源を用いた場合を示す。図１１の場合、環境温度が低い場合における半導体レーザー光の波長が吸収帯Ｂの最短波長に比しても短すぎ、環境温度が低い場合における有効吸収係数が低下してしまう。
図１３は、２０℃における発振中心波長が８０６．０ｎｍである半導体レーザー光源を用いた場合と、８０６．５ｎｍの半導体レーザー光源を用いた場合を示している。図１３の場合、環境温度が高い場合における半導体レーザー光の波長が吸収帯Ａの最長波長に比しても長すぎ、環境温度が高い場合における有効吸収係数が低下してしまう。
図１２は、２０℃における発振中心波長が８０４．０ｎｍ、８０４．５ｎｍ、８０５．０ｎｍ、８０５．５ｎｍの半導体レーザー光源を用いた場合の有効吸収係数を示す。図１２の場合、環境温度が低い場合にも波長が短すぎず、環境温度が高い場合にも波長が長すぎず、２０℃〜８０℃の全温度範囲において、４０％以上の有効吸収係数を確保できることがわかる。
図１４は、図１１から図１３に示した有効吸収係数から「２０〜８０℃内の最高有効吸収係数／２０〜８０℃内の最少有効吸収係数」の値を求めた結果を示している。２０℃における発振中心波長が８０４．０〜８０５．５ｎｍの範囲内にあると、前記した比の値が２．０未満に抑えられることがわかる。

【0018】

半導体レーザー励起固体レーザー装置を車載する場合、２０〜８０℃の全温度範囲において４０％以上の有効吸収係数を確保でき、かつ、２０〜８０℃内の最高有効吸収係数／２０〜８０℃内の最少有効吸収係数の比の値が２．０以下であれば、電子冷却装置あるいは水冷式冷却装置を併用する必要がなく、簡単な加熱装置あるいは簡単な空冷式冷却装置または簡単な出力調整回路と併用する程度の対策によって、車載することが可能となることが確認されている。本明細書に開示されている半体レーザー励起固体レーザー装置によると、実用的な意味で車載することが可能となる。固体レーザー媒質が放射するパルスレーザー光で点火する点火装置を車載することが可能となる。

【0019】

本明細書に開示する技術では、吸収係数の低い吸収帯Ｂをも利用するために、Ｎｄ：ＹＡＧの吸収係数を上げる技術と併用することが好ましい。吸収係数を向上させるためにはＮｄ濃度を上げることが望ましいが、単結晶ＹＡＧ の場合にはＮｄ濃度が1 . 1 a t％を超えるとレーザー特性が著しく低下することが知られている、これに対し最近実用化された多結晶ＹＡＧの場合、Ｎｄ濃度を２．０a t％程度にまで上げても、レーザー特性の低下が少ないことが知られている。
そのために、固体レーザー媒質に、１．１〜２．０ａｔ％のネオジムを含有する多結晶のＮｄ：ＹＡＧを用いるのが有効である。

【0020】

多結晶のＮｄ：ＹＡＧや多結晶のＣｒ：ＹＡＧは、焼結して製造することができ、セラミックの製造方法を適用することができる。セラミックの製造方法を適用することで、Ｎｄ：ＹＡＧとＣｒ：ＹＡＧが一体化されているロッドを簡便に製造することができる。Ｎｄ：ＹＡＧとＣｒ：ＹＡＧが一体化されているロッドを用いると、パルスレーザー光放射装置を構成する光学素子の数を減らすことができ、パルスレーザー光放射装置を小型化することができ、振動等に強いパルスレーザー光放射装置を実現することができる。
Ｎｄ：ＹＡＧの端面にＣｒ：ＹＡＧが接合されている光学素子を利用する場合、 Ｎｄ：ＹＡＧの一方の端面とＣｒ：ＹＡＧの一方の端面を接合し、Ｎｄ：ＹＡＧの非接合端面とＣｒ：ＹＡＧの非接合面を平行とする。Ｎｄ：ＹＡＧの非接合端面に半導体レーザー光が入射すると、Ｃｒ：ＹＡＧの非接合面からパルスレーザー光が放射する関係を得ることができる。

【0021】

固体レーザー共振器の出力ミラーに凹面が形成されていると、固体レーザー光がビーム中央に集中せず、レーザー媒質や出力ミラーにダメージが発生しにくくなり、動作が安定する。
そこで、Ｃｒ：ＹＡＧの非接合面に、０．５〜２ｍｍの半径の凹面が形成されていることが好ましい。

【0022】

半導体レーザー光源と固体レーザー媒質の間を光ファイバーで接続することができる。光ファイバーを利用すると、半導体レーザー光源と固体レーザー媒質を離して配置することができる。固定レーザー媒質の特性は温度に依存して変化しづらいのに対し、半導体レーザー光源の特性は温度に依存して変化しやすい。そこで、例えば温度が大きく変化するエンジンルーム内に固体レーザー媒質を配置し、温度変化幅が比較的小さな車室内に半導体レーザー光源を配置し、両者を光ファイバーで接続するといった技術が有効である。

【0023】

ＶＣＳＥＬは複数の発光点を備えており、図１６と図１７に示したように、各発光点から放射された半導体レーザー光をマイクロレンズでコリメートすると、半導体レーザー光を小さな範囲に集光することができる。また、図１７に示したように、半導体レーザー光の共振器を構成するミラーをＶＣＳＥＬの外部に設けると、半導体レーザー光の放射角度範囲を狭くすることができる。上記のマイクロレンズアレイと上記のミラーを一体に形成すると、必要な部品点数を減らすことができる。
そこで、ＶＣＳＥＬの各発光点から放射された半導体レーザー光を個々にコリメートするマイクロレンズが２次元に配列されたマイクロレンズアレイと、反射膜が一体に形成されているミラー兼マイクロレンズアレイを、ＶＣＳＥＬとＮｄ：ＹＡＧの間に配置する構造がとりえる。光ファイバーを利用する場合には、ミラー兼マイクロレンズアレイをＶＣＳＥＬと光ファイバーの間に配置する構造がとりえる。

【0024】

マイクロレンズアレイを用いる場合、硬化収縮率が２％以下の紫外線硬化樹脂によってマイクロレンズアレイとＶＣＳＥＬを固定することが好ましい。硬化収縮率が２％以下の紫外線硬化樹脂を用いると、樹脂が硬化して収縮する際に、ＶＣＳＥＬ とマイクロレンズの距離が変化してしまうことによる悪影響を避けることができる。

【0025】

本明細書に記載の半導体レーザー励起固体レーザー装置によって車載式の点火装置を実現することができるが、その用途は点火装置に限られない。動作温度範囲が広いパルスレーザー光放射装置自体が有用性を備えている。

【発明の効果】

【0026】

本明細書に記載されている半導体レーザー励起固体レーザー装置によると、２０〜８０℃の全温度範囲においてパルスレーザー光を放射し、かつ、パルスレーザー光の放射エネルギーの変化幅が小さなパルスレーザー放射装置が得られる。そのために、半導体レーザー励起固体レーザー装置を車載することが可能となり、半導体レーザー励起固体レーザー装置によって燃料に点火する車載式点火装置を実現することができる。エンジン内での燃焼効率を高め、燃費を高め、排出ガスの無害化を図るといったことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】第１実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示す。

【図2】第２実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示す。

【図3】第３実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示す。

【図4】第４実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示す。

【図5】励起光学系の構成例を示す。

【図6】マイクロレンズアレイとＶＣＳＥＬの固定方法を例示する。

【図7】ミラー兼マイクロレンズアレイとＶＣＳＥＬの固定方法を例示する。

【図8】マイクロレンズアレイ固定前のＶＣＳＥＬと、マイクロレンズアレイ固定後のＶＣＳＥＬの写真を示す。

【図9】第５実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示す。

【図10】Ｎｄ：ＹＡＧの吸収帯を説明する図。

【図11】２０℃での発振中心波長が８０３．５ｍｍ以下の場合の有効吸収係数の温度依存性を示す。

【図12】２０℃での発振中心波長が８０４．０〜８０５．５ｍｍの場合の有効吸収係数の温度依存性を示す。

【図13】２０℃での発振中心波長が８０６．０ｍｍ以上の場合の有効吸収係数の温度依存性を示す。

【図14】有効吸収係数の変化比率と、２０℃での発振中心波長の関係を示す。

【図15】従来の半導体レーザー励起光学系の構成（ その１ ） を示す。

【図16】従来の半導体レーザー励起光学系の構成（ その２ ） を示す。

【図17】従来の半導体レーザー励起光学系の構成（ その３ ） を示す。

【発明を実施するための最良の形態】

【0028】

以下に説明する実施例の特徴を先に列記する。
（形態１）車室内に半導体レーザー光源を配置し、エンジンルーム内に固体レーザー媒質を配置し、両者を光ファイバーで接続する。
（形態２）半導体レーザー光源に加熱装置を付加し、冷温時には２０℃以上に加熱する。
（形態３）半導体レーザー光源に冷却ファンによる冷却風をあて、８０℃以下に抑える。
（形態４）半導体レーザー光源には、電子冷却装置も水冷式冷却装置も付け加えられていない。

【実施例】

【0029】

以下、実施例を詳細に説明する。図１は、第１実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示している。
参照番号１は、垂直共振器面発光レーザー（ ＶＣＳＥＬ）の複数個が、１平面上において２次元の行列に沿って配置されたアレイ素子であり、ＳｉＣ 製のサブマウント２にマウントされ、サブマウント２はさらに銅製のヒートシンク３にマウントされている。ヒートシンク３は、高熱伝導製のシート２１を挟んでシャーシ２０ にネジ止め固定されている。ＶＣＳＥＬのアレイ素子１には、電子冷却装置も設けられていなければ、水冷式冷却装置も設けられていない。ＶＣＳＥＬのアレイ素子１は、シャーシ２０に伝熱することで８０℃以下に保たれる。必要であれば、簡単な冷却ファンを設けることによってＶＣＳＥＬのアレイ素子１を８０℃以下に保つことができる。また簡単な加熱装置と併用することによってＶＣＳＥＬのアレイ素子１を２０℃以上に保つことができる。

【0030】

ＶＣＳＥＬのアレイ素子１は、ＧａＡｓを主材とする半導体活性層の両側に半導体多層膜が形成されており、アレイ素子１の発振中心波長はＧａＡｓのバンドギャップと半導体多層膜の反射特性によって決まる。本実施例では、発振中心波長の温度依存性が０．０７ｎｍ／℃であり、２０℃における発振中心波長が、８０４．０ 〜８０５．５ｎｍであるＶＣＳＥＬを選択した。

【0031】

アレイ素子１は複数個の発光点を備えており、各発光点から半導体レーザー光が放射される。第１実施例では、各発光点から放射された半導体レーザー光が共通のコリメートレンズ５でコリメートされ、集光レンズ６でＮｄ :ＹＡＧロッド１０（ Ｎｄ 濃度が1 . 1 a t％、外径が５ｍｍ、長さが４ｍｍ） の端面に集光される。Ｎｄ :ＹＡＧロッド１０の中心光軸１３上に、Ｃｒ : ＹＡＧ 可飽和吸収体1 1（ Ｃｒ^４＋ ： ＹＡＧ、外径が５ｍｍ 、長さが３ｍｍ 、１０６４ｎｍ における初期透過率が３０％）と、ＢＫ７製の平面出力ミラー１２が配列されている。
レンズ５，６ の両端面には、波長８０３〜８１０ｎｍ に対して９９％以上の透過率を有するコーティング膜が形成されている。Ｎｄ :ＹＡＧロッド１０の左側の端面には、集光レンズ６で集光された半導体レーザー光が入射する。その入射端面には、１０６４ｎｍ（後記するパルスレーザー光の波長） に対して９９．７％以上の反射率であり、８０３〜８１０ｎｍ に対して９５％以上の透過率を有するコーティング膜１０a が形成されている。出力ミラー１２の端面には、１０６４ｎｍの波長に対して５０％の反射率を持つコーティング膜１２ａ が形成されている。コーティング膜１０ aと１２ａによって１０６４ｎｍに対する共振器が形成されている。Ｎｄ：ＹＡＧ ロッド１０ の右側の端面と、Ｃｒ : ＹＡＧ１１の 両端面と、出力ミラー１２の右側の端面には、１０６４ｎｍ に対して９９％以上の透過率を有するコーティング膜が形成されており、レーザー装置全体の光の損失を低くして効率を高めている。
Ｎｄ :ＹＡＧロッド１０の左側の端面に、集光レンズ６で集光された半導体レーザー光が入射すると、その半導体レーザー光はＮｄ :ＹＡＧロッド１０で吸収され、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１０が励起される。その結果、パルスレーザー光１４が出力ミラー１２から共振器外部に放射される。パルスレーザー光は高いエネルギー密度を備えており、エンジン内に供給された燃料に点火する。

【0032】

（第２実施例）
図２は、第２実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示している。以下では、第１実施例との相違点のみを説明し、重複説明を省略する。参照番号１は、ＶＣＳＥＬのアレイ素子であり、複数個の発光点が２次元の行列に沿って配置されており、２０℃ における発振中心波長が８０４．０ 〜８０５．５ｎｍ のものが選択されている。参照番号３０は、ＶＣＳＥＬのアレイ素子１の発光点から放射された半導体レーザー光をコリメートするマイクロレンズが２次元の行列に沿って配置されているマイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイ３０は、ガラス基板上の片面に複数個のマイクロレンズが形成されたものである。発光点の配置位置とマイクロレンズの配置位置は一致しており、各々のマイクロレンズには１個の発光点から放射された半導体レーザー光が入射する。隣接する２個の発光点からの半導体レーザー光が重なり合う位置よりもアレイ素子１に近い位置にマイクロレンズアレイ３０が配置されている。マイクロレンズアレイ３０によると、図１に示した単一のレンズ５を使用する場合に比して、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１０内の励起光集光径を細くすることができるので、固体レーザーの発振閾値を下げたり、パルスレーザー光のエネルギー密度を上げたりすることができる。また長い距離絞れるので固体レーザー光との重なりを大きくでき、励起効率や発振光率を高めることもできる。マイクロレンズアレイ３０の両端面には波長８０３〜８１０ｎｍの半導体レーザー光に対して９９ %以上の透過率を有するコーティングが形成されている。

【0033】

（第３実施例）
図３は、第３実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示している。以下では、第２実施例との相違点のみを説明する。第３実施例では、半導体レーザー光源から放射された半導体レーザー光を、光ファイバー４０を利用して、固体レーザー媒質５１に導く。また、多結晶Ｎｄ：ＹＡＧロッド５１と多結晶Ｃｒ : ＹＡＧロッド５２を一体化した複合ロッド５０を用いる。
第３実施例では、半導体レーザー光が集光レンズ６によって光ファイバー４０の端面に集光される。光ファイバー４０のコア径は ０．８ｍｍであり、ＮＡ は０．２２であり、長さは３ｍである。光ファイバー４０の他方の端面から出射した半導体レーザー光は、レンズ４１でコリメートされた後、集光レンズ４２で複合ロッド５０の端面に集光される。
複合ロッド５０は、多結晶のＮｄ：ＹＡＧロッド５１に、多結晶のＣｒ：ＹＡＧロッド５２が一体化されたものである。多結晶のＮｄ：ＹＡＧロッド５１は、セラミックの一種であり、焼成して製造する。多結晶のＣｒ：ＹＡＧロッド５２も、セラミックの一種であり、焼成して製造する。Ｃｒ：ＹＡＧロッド５２を焼成する際に、Ｎｄ：ＹＡＧロッド５１とＣｒ：ＹＡＧロッド５２が一体化される。Ｎｄ：ＹＡＧロッド５１のＮｄ濃度は１．５ａｔ％であり、外形は５ｍｍであり、長さは４ｍｍである。Ｃｒ：ＹＡＧロッド５２にはＣｒ^４＋が添加されており、初期透過率は３０％であり、外形は５ｍｍであり、長さは３ｍｍである。複合ロッド５０の左側端面（Ｎｄ：ＹＡＧロッド５１の非接合面）と右側端面（Ｃｒ：ＹＡＧロッド５２の非接合面）は、高精度に平行平面に研磨されている。Ｎｄ：ＹＡＧロッド５１の非接合面には、１０６４ｎｍに対して９９．７％以上の反射率をもち、８０３〜８１０ｎｍに対して９５％以上の透過率を有するコーティング膜５０ａ が形成されている。Ｃｒ：ＹＡＧロッド５２の非接合面には、１０６４ｎｍに対して５０％の反射率を持つコーティング膜５０ｂ が形成されている。コーティング膜５０ａ、５０ｂによって１０６４ｎｍに対する共振器を形成し、パルスレーザー光１４がコーティング膜５０ｂから共振器外部に放射される。多結晶Ｎｄ：ＹＡＧロッド５１のＮｄ濃度を２．０ａｔ％にまで濃くすることが可能であり、濃くすると有効吸収係数を全体に（８０３〜８１０ｎｍの波長にわたって）上げることができる。

【0034】

(第４実施例)
図４は、第４実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示している。以下では、第３実施例との相違点のみを説明する。
第４実施例では、ＶＣＳＥＬのアレイ素子１の外側に外部ミラー３１を設ける。外部ミラー３１にはマイクロレンズアレイが一体化されている。外部ミラー３１ は合成石英製であり、ＶＣＳＥＬのアレイ素子１の側の面に、波長８０３〜８１０ｎｍに対して９０％の反射率を持つ誘電体反射膜が形成され、反対側の面にはマイクロレンズアレイが形成されている。
図５は、発光点１ａと外部ミラー３１とマイクロレンズ３１ｂの位置関係と機能を説明したものである。外部ミラー３１のアレイ素子１の側の面に反射膜３１ａが形成されている。反射膜３１ａは、ＶＣＳＥＬの中に形成されている反射膜と平行であり、反射膜３１ａとＶＣＳＥＬに内蔵されている反射膜で共振器を構成する。ＶＣＳＥＬ外の反射膜３１ａとＶＣＳＥＬ内の反射膜で共振器を構成すると、ＶＣＳＥＬ内の２枚の反射膜で共振器を構成する場合に比して、共振器の長さが格段に長くなるため、半導体レーザー光源から放射される半導体レーザー光の放射角が小さくなり、ビームの集光性が向上する。放射された半導体レーザー光は、外部ミラー３１ 内を伝搬してマイクロレンズ３１ｂに至り、マイクロレンズ３１ｂによってコリメートされる。発光点１ａとマイクロレンズ３１ｂの数と位置は、１：１に対応している。図４、図５の場合、発光点ごとにコリメ−トする点では図３と同じであるが、図３にくらべて共振器が長くて各ビームの集光性が高いために、集光レンズ６によって集光した後のビーム径は小さくなり、よりコアの細いファイバーへ半導体レーザー光を導入することができる。
図５の場合、ＶＣＳＥＬ内の半導体活性層の両側に反射膜を形成し、ＶＣＳＥＬ内の２枚の反射膜で共振器を形成するとともに、ＶＣＳＥＬ外の反射膜３１ａとＶＣＳＥＬ内の反射膜（活性層から見て反射膜３１ａと反対側に位置する反射膜）で共振器を形成することができる。前者の共振器で半導体レーザー光の発振波長を規制し、後者の共振器で半導体レーザー光の放射角を規制することができる。外部ミラーと利用しながら、発振中心波長の温度依存性を０．０７ｎｍ／℃以下に抑制することができる。

【0035】

（マイクロレンズアレイの固定構造）
図６は、図２に示したマイクロレンズアレイ３０をＶＣＳＥＬのアレイ素子１に固定する構造を示している。アレイ素子１の各発光点位置に相対するようにマイクロレンズアレイ３０を位置合わせし（すなわち、ＶＣＳＥＬの発光点とマイクロレンズの光軸位置をアライメントする）、それらの間隔をマイクロレンズ通過後の半導体レーザー光がコリメートされるように調整した後、アレイ素子１とマイクロレンズアレイ３０の間の３か所の隅部に微量の紫外線（ＵＶ） 硬化樹脂接着剤６０を挿入し、ＵＶ光を照射して硬化させ、マイクロレンズアレイ３０をＶＣＳＥＬのアレイ素子１に対して固定する。例えば、焦点距離が０．１ｍｍのマイクロレンズが形成されたマイクロレンズアレイを、アレイ素子１から約０．１ｍｍ離れた位置に固定する。ＵＶ 照射による収縮率が２％以下の紫外線硬化樹脂接着剤を用いると、硬化時に樹脂が収縮してＶＣＳＥＬのアレイ素子１とマイクロレンズアレイ３０の距離が変化してしまうことを避けることができる。収縮率２％以下の紫外線硬化接着剤には、例えば、ＥＭＩ社の３５５５、日東電工（ 株） のＮＴ−０１ＵＶ、ＮＯＲＬＡＮＤ 社のＮＯＡ６１、あるいはＮＴＴアドバンステクノロジ（ 株） のＡＴ４２９１Ｆ やＡＴ９２９０Ｆを使用することができる。この実施例のようにアレイ素子１の半導体基板に直接マイクロレンズアレイ３０を紫外線硬化樹脂で固定すると、温度変化に対する位置ずれが接着剤６０の温度膨張収縮による影響だけになり、サブマウント２やその他の部品の膨張収縮の影響を受けないため、広い温度範囲にわたり安定した動作を得ることができる。またマイクロレンズアレイ３０を固定するための特別な土台やホルダー、固定用のスペースが必要ないため、部品点数が減りコストの低減や小型化が可能になる。

【0036】

（マイクロレンズアレイ付きの外部ミラーの固定構造）
図７は、図４と図５に示したマイクロレンズアレイ付きの外部ミラー３１をアレイ素子１に固定する構造を示している。図７の実施例でも、外部ミラー３１とアレイ素子１を、紫外線硬化樹脂接着剤６０によって固定する。

【0037】

図８の左側は、マイクロレンズアレイ３０を固定する前のアレイ素子１の写真を示し、右側はマイクロレンズアレイ３０を固定した後の写真を示す。図８では、５ｍｍ角のマイクロレンズアレイ３０の４隅に接着剤を挿入してマイクロレンズアレイ３０をアレイ素子１を構成している半導体基板上に固定している。

【0038】

（第５実施例）
図９は、第５実施例の半導体レーザー励起固体レーザー装置の構成例を示している。以下では、図４に示した第４実施例との相違点のみを説明する。
Ｃｒ：ＹＡＧの非接合端面（パルスレーザー光の放射面）には、半径１ｍｍの凹面が加工され、１０６４ｎｍの波長の光に対して５０％の反射率を持つコーティング膜５５ｂが形成され、コーティング膜５５ａと５５ｂで１０６４ｎｍに対する共振器５５を形成している。コーティング膜５５ｂが形成されている端面からパルスレーザー光１４が共振器外部に放射される。
Ｃｒ：ＹＡＧの非接合端面（パルスレーザー光の放射面）に凹面が形成されていると、レーザー光がビーム中央に集中せず、固体レーザー媒質や出力ミラーにダメージが発生しにくい。凹面の半径は、０．５ 〜２ｍｍの範囲であることが好ましい。

【0039】

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、固体レーザーモジュールとして一体化して動作する最終的な形態として、図１〜図９に例示する構成に対して種々に変形することができる。例えば、個々の部品形状、種類、コーティング膜の反射率には種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。励起光学系としての集光レンズについては励起用半導体レーザー素子や光ファイバーのコア径と必要とされる集光ビーム径から適切に選択される。また、この集光レンズは１個でも良いし複数直列に並べても良い。
本発明の実施例ではレーザー共振器内に光スイッチ素子としてＣｒ：ＹＡＧを用いたが、これ以外にＣｏ：Ｓｐｉｎａｌ 、Ｖ：ＹＡＧや半導体材料であるＳＡＭを用いてもよい。また能動Ｑ スイッチ素子や偏光制御素子、レンズなどを挿入しても良い。もちろん固体レーザー媒質Ｎｄ :ＹＡＧ のみでもよい。必要な機能に合わせ適当な光学素子を共振器内に必要な枚数、必要な順番で挿入することができる。
またサブマウント２の材質は、ＳｉＣに限定されず、ＣｕＷ、ダイヤモンド、ＢｅＯ、ＡｌＮ など、ＶＣＳＥＬ のアレイ素子１と線熱膨張係数の近くて熱伝導率の高い金属、セラミックが適用できる。ヒートシンク３の材質は、銅に限定されず、ＣｕＷ、アルミニウム、ＡｌＮなど熱伝導率の高い金属、セラミックが使用できる。高熱伝導性のシート２１には、例えば、パナソニックデバイス社のグラファイトシートや竹内工業（ 株） のサーモスター、信越化学工業製の熱伝導性フェイズチェンジシート、信越シリコーンの放熱シリコーンゴム等を利用することができる。シャーシ２０ は、例えば自動車の金属ボディや、レーザー装置の筐体や、建造物の壁でもよい。あるいは金属ブロックだけでもよいし、そこに放熱用のフィンや冷却のファンが取り付けられていてもよい。半導体レーザー素子を特定の温度に制御、固定する必要がないため、半導体レーザー素子で発生した熱が排熱できるだけの熱容量を持つシャーシであれば何でもよい。

【0040】

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0041】

１：垂直共振器面発光レーザー（ ＶＣＳＥＬ）の アレイ素子。２０℃における発振中心波長が８０４．０ 〜 ８０５．５ｎｍのものが選択されている。
２： サブマウント
３ ：ヒートシンク
５ ：レンズ（ コリメート用）
６ ：レンズ（ 集光用）
７ ：半導体レーザー光（励起光）
１ ０：Ｎｄ：ＹＡＧロッド
１ ０ a： コーティング膜
１ １ ：Ｃｒ：ＹＡＧ
１ ２ ：出力ミラー
１ ２ a ：コーティング膜
１ ３ ：固体レーザーの光軸
１ ４ ：パルスレーザー光：固体レーザー出力光
２ ０： シャーシ
２ １ ：高熱伝導性シート
３ ０ ：マイクロレンズアレイ
３ １ ：外部ミラー（ マイクロレンズアレイ付き）
３ １ a ：コーティング膜
３ １ ｂ ：マイクロレンズ
４ ０ ,４ ５： 光ファイバー
４ １ ：レンズ（ コリメート用）
４ ２ ：レンズ（ 集光用）
５ ０ ：複合ロッド
５ ０ a，５ ０ ｂ： コーティング膜
５ １：多結晶Ｎｄ :ＹＡＧ（セラミック）
５ ２：多結晶Ｃｒ：ＹＡＧ（ セラミック）
５ ５ ：複合ロッド
５ ５ a,５ ５ ｂ ：コーティング膜
５ ６：多結晶Ｎｄ :ＹＡＧ（セラミック）
５ ７：多結晶Ｃｒ：ＹＡＧ（ セラミック）
６ ０： 紫外線（ UV） 硬化樹脂接着剤
１ ０ １：ＶＣＳＥＬのアレイ素子。波長８０８ｎｍの半導体レーザー光を放射する温度に調温される。
１ ０ ２： サブマウント（ ヒートスプレッダー）
１ ０ ５ ：レンズ（ コリメート用）
１ ０ ６ ：レンズ（ 集光用）
１ ０ ７ ：半導体レーザー光：励起光
１ １ ０ ：Ｎｄ：ＹＡＧロッド
１ １ ０ ａ： コーティング膜
１ １ １ ：Ｃｒ：ＹＡＧ
１ １ ２ ：出力ミラー
１ １ ２ a ：コーティング膜
１ １ ３ ：固体レーザー光軸
１ １ ５ ：ブリュースター板
１ ３ ０ ：マイクロレンズアレイ
１ ３ １ ：外部ミラー
１ ４ ０ ：光ファイバー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】