特許 7040033 レーザ装置および内燃機関

(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】

(24)【登録日】2022-03-14

(45)【発行日】2022-03-23

(54)【発明の名称】レーザ装置および内燃機関

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/00 20060101AFI20220315BHJP

   H01S 5/02257 20210101ALI20220315BHJP

   F02P 23/04 20060101ALI20220315BHJP

   H01S 3/02 20060101ALI20220315BHJP

【ＦＩ】

H01S3/00 A

H01S5/02257

F02P23/04 A

H01S3/02

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2018005674

(22)【出願日】2018-01-17

(65)【公開番号】P2018157191

(43)【公開日】2018-10-04

【審査請求日】2020-09-16

(31)【優先権主張番号】P 2017051228

(32)【優先日】2017-03-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(72)【発明者】

【氏名】萩田 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】軸谷 直人

(72)【発明者】

【氏名】廣居 正樹

【審査官】小澤 尚由

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１４２１９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２４３７３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－１１７１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０９６３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０１５９０３２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００９－２１８０５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／００ － ３／３０

Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０

Ｆ０２Ｐ １９／００ － ２３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源と、
前記光源から出射される光を集光する光学系と、
前記光学系が収容される筐体と、
前記筐体に設けられ、前記光学系を介した光が入射される窓部材とを有するレーザ装置において、
前記窓部材は、前記光学系を介した光が通過する光学窓と、前記光学窓を保持する光学窓保持部材と、前記光学窓と前記光学窓保持部材を接合する接合部と、を有し、
前記光学窓保持部材の出射側端面に隣接する前記接合部の出射側表面に保護層が設けられることを特徴とするレーザ装置。

【請求項2】

前記保護層が、前記光学窓保持部材の表面、または、前記光学窓保持部材および前記筐体の表面に設けられる請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項3】

前記光学窓保持部材の前記出射側端面および前記接合部の前記出射側表面が同一平面上にあり、前記保護層が前記出射側端面および前記出射側表面に設けられる請求項１または２に記載のレーザ装置。

【請求項4】

前記保護層は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｉｒ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、および炭素材料のいずれか一つ以上を含む請求項１～３の何れか一項に記載のレーザ装置。

【請求項5】

前記光学窓の出射面が、前記光学窓保持部材の前記出射側端面と同一平面上であるか、前記出射側端面よりも前記光の出射方向に突出している請求項１～４の何れか一項に記載のレーザ装置。

【請求項6】

前記光学窓保持部材の前記出射側端面が、前記筐体の端面と同一平面上である請求項１～５の何れか一項に記載のレーザ装置。

【請求項7】

前記接合部が、ロウ材により形成されている請求項１～６の何れか一項に記載のレーザ装置。

【請求項8】

前記レーザ装置は、燃料を燃焼させる燃焼室内にレーザ光を照射し、
前記保護層は前記接合部の前記燃焼室側の面に形成される請求項１～７の何れか一項に記載のレーザ装置。

【請求項9】

燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関において、
請求項１～８の何れか一項に記載のレーザ装置を有し、
前記レーザ装置が、前記燃料に点火することを特徴とする内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ装置および内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体レーザを励起用光源として用いたレーザ装置は、点火装置、レーザ加工機、医療用機器など様々な分野への応用が期待されている。特に、このようなレーザ装置を自動車などの内燃機関における点火装置として用いる方法が検討されている。

【0003】

このような点火装置では、半導体レーザから発振されたレーザ光（励起光）をＱスイッチ式のレーザ共振器に照射して、エネルギー密度の高いパルスレーザ光を発振する。発振されたパルスレーザ光は、シリンダヘッド内の集光用レンズおよび入射用の透明な燃焼室窓（光学窓）を通して、燃焼室内に導入された混合気中に集光させる。これにより、燃焼室内にプラズマが発生し、燃焼室内に噴射された燃料を着火させる。

【0004】

また、光学窓は、燃焼室に晒されているので、燃焼室内が燃焼により高温、高圧になっても耐えられるように、ハウジングに設けた光学窓保持部材にロウ材を用いて固定されている（例えば、特許文献１参照）。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の点火装置では、ロウ材が燃焼室に露出している。そのため、内燃機関における燃焼の際、燃焼室内の温度が、数百℃、瞬間的には数千℃にも上昇するため、ロウ材の燃焼室側の表面が酸化し、劣化する可能性がある。ロウ材が劣化すると、ロウ材の表面に亀裂が生じたり、ロウ材が欠落し、光学窓がハウジングに安定して固定できなくなったりする可能性がある。

【0006】

本発明の一態様は、光学窓を安定して固定することができるレーザ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】

【0007】

本発明の一態様によるレーザ装置は、光源と、前記光源から出射される光を集光する光学系と、前記光学系が収容される筐体と、前記筐体に設けられ、前記光学系を介した光が入射される窓部材とを有するレーザ装置において、前記窓部材は、前記光学系を介した光が通過する光学窓と、前記光学窓を保持する光学窓保持部材と、前記光学窓と前記光学窓保持部材を接合する接合部と、を有し、前記光学窓保持部材の出射側端面に隣接する前記接合部の出射側表面に保護層が設けられる。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一態様によるレーザ装置は、光学窓を安定して固定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係るレーザ装置を備える内燃機関の主要部を模式的に示す図である。

【図2】レーザ装置の構成の一例を示す図である。

【図3】窓部材の構成を具体的に示す断面図である。

【図4】窓部材の他の構成の一例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施形態について詳細に説明する。

【0011】

実施形態によるレーザ装置を内燃機関に適用した場合について、図面を参照して説明する。本実施形態では、内燃機関としてエンジンを用いた場合について説明する。

【0012】

＜内燃機関＞
図１は、実施形態に係るレーザ装置を備える内燃機関の主要部を模式的に示す図である。図１に示すように、エンジン１０は、レーザ装置１１、燃料噴出機構１２、排気機構１３、燃焼室１４、およびピストン１５を有する。

【0013】

エンジン１０の動作について簡単に説明する。燃料噴出機構１２が、燃料と空気とを含む可燃性混合気を燃焼室１４内に噴出させる（吸気）。その後、ピストン１５が上昇して、可燃性混合気が圧縮される（圧縮）。レーザ装置１１は、燃焼室１４内の圧縮された混合気中にレーザ光を集光させ、プラズマを発生させる。発生したプラズマにより、混合気中の燃料に点火させる（着火）。点火により混合気が燃焼（爆発）することで、燃焼室１４内で燃焼ガスが膨張する。これにより、ピストン１５が降下する（燃焼）。その後、排気機構１３が、燃焼ガスを燃焼室１４外へ排気する（排気）。

【0014】

このように、エンジン１０では、吸気、圧縮、着火、燃焼、および排気からなる一連の工程が繰り返される。そして、燃焼室１４内の気体の体積変化に対応してピストン１５が運動し、運動エネルギーを生じさせる。燃料には、例えば、天然ガスやガソリンなどが用いられる。

【0015】

なお、レーザ装置１１は、エンジン１０の外部に設けられている駆動装置１６と電気的に接続されており、レーザ装置１１におけるレーザ光の出射は、エンジン制御装置１７の指示に基づいて駆動装置１６により制御される。

【0016】

＜レーザ装置＞
レーザ装置１１について説明する。レーザ装置１１の構成の一例を図２に示す。図２に示すように、レーザ装置１１は、面発光レーザ（光源）２１、第１集光光学系２２、光ファイバ（伝送部材）２３、第２集光光学系２４、レーザ共振器２５、第３集光光学系２６、窓部材２７、および筐体（ハウジング）２８を有する。なお、図２中、レーザ光は、二点鎖線で示す。また、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、面発光レーザ２１からのレーザ光の出射方向を＋Ｚ方向として説明する。

【0017】

面発光レーザ２１は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。各発光部は、垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）である。面発光レーザ２１からレーザ光を出射する際には、複数の発光部が同時に発光し、面発光レーザ２１からレーザ光を出射しない場合には、複数の発光部が同時に消灯する。面発光レーザ２１から出射されるレーザ光の波長は、例えば、約８０８ｎｍである。

【0018】

面発光レーザ２１は、駆動装置１６と電気的に接続されており、エンジン制御装置１７の指示に基づいて、駆動装置１６が面発光レーザ２１を駆動して、面発光レーザ２１からレーザ光が出射される。

【0019】

ところで、半導体レーザとして、端面発光レーザが知られている。しかし、端面発光レーザから出射されるレーザ光の波長は、温度に対して大きく変動しやすい。レーザ装置１１は、エンジン１０の周辺の高温環境下で使用されるため、端面発光レーザを励起用光源に使用する場合、端面発光レーザの温度を一定に保つための精密な温度制御機構が必要になる。そのため、レーザ装置１１の大型化や高コスト化を招く。

【0020】

一方、面発光レーザ２１から出射されるレーザ光の波長の変動は、端面発光レーザから出射されるレーザ光の波長の変動の約１／１０である。レーザ装置１１は、面発光レーザ２１を励起用光源に使用しているので、精密な温度制御機構を必要としない。そのため、レーザ装置１１は、小型かつ低コストにすることができる。また、面発光レーザ２１は、発光領域が半導体内部にあるため、端面破壊の懸念がなく、安定して発光することができる。

【0021】

さらに、面発光レーザ２１は、出射されるレーザ光の、温度による波長ずれが非常に小さい。そのため、面発光レーザ２１は、波長ずれによって特性が大きく変化するＱスイッチ式のレーザ共振器でレーザ光のエネルギー密度を高めるのに有利な光源である。そこで、面発光レーザ２１を励起用光源に用いると、環境の温度制御を簡易なものにすることができる。

【0022】

第１集光光学系２２は、面発光レーザ２１から出射されたレーザ光を光ファイバ２３の－Ｚ側端面の中心部に集光する。第１集光光学系２２は、少なくとも１つの集光レンズを有する。本実施形態では、第１集光光学系２２は、マイクロレンズ２２１、および集光レンズ系２２２を有している。

【0023】

マイクロレンズ２２１は、面発光レーザ２１から出射されたレーザ光の光路上に配置されている。マイクロレンズ２２１は、面発光レーザ２１の複数の発光部に対応する複数のレンズを有する。各レンズは、対応する発光部から出射されたレーザ光を略平行光とする。すなわち、マイクロレンズ２２１は、面発光レーザ２１から出射されたレーザ光をコリメートする。

【0024】

面発光レーザ２１とマイクロレンズ２２１とのＺ軸方向に関する距離は、マイクロレンズ２２１の焦点距離に応じて決定される。

【0025】

集光レンズ系２２２は、マイクロレンズ２２１を介したレーザ光を集光する。

【0026】

集光レンズ系２２２は、マイクロレンズ２２１を介したレーザ光の断面積、光ファイバ２３のコア径および開口数（ＮＡ）に応じて適切なものが選択される。なお、集光レンズ系２２２は、複数の光学素子から構成されていてもよい。

【0027】

なお、第１集光光学系２２は、少なくとも１つの集光レンズを有していればよく、複数の光学素子で構成されていてもよい。

【0028】

光ファイバ２３は、第１集光光学系２２によってレーザ光が集光される位置にコアの－Ｚ側端面の中心が位置するように配置されている。本実施形態では、光ファイバ２３としては、例えば、コア径が１．５ｍｍの光ファイバが用いられる。

【0029】

光ファイバ２３に入射したレーザ光は、コア内を伝播し、コアの＋Ｚ側端面から出射する。

【0030】

光ファイバ２３を設けることによって、面発光レーザ２１をレーザ共振器２５から離れた位置に置くことができる。これにより、面発光レーザ２１や第１集光光学系２２の配置の自由度が増大する。また、エンジン１０の周辺の高温領域から面発光レーザ２１を遠ざけることができるので、エンジン１０の冷却方法の幅を広げることができる。さらに、振動源であるエンジン１０から面発光レーザ２１を遠ざけた位置に設けることができるので、面発光レーザ２１から出射されるレーザ光のぶれを防ぐことができる。

【0031】

第２集光光学系２４は、光ファイバ２３から出射されたレーザ光の光路上に配置され、光ファイバ２３から出射された光を集光する。第２集光光学系２４で集光されたレーザ光は、レーザ共振器２５に入射する。本実施形態では、第２集光光学系２４は、第１レンズ２４１、および第２レンズ２４２を有している。

【0032】

第１レンズ２４１は、コリメートレンズであり、光ファイバ２３から出射されたレーザ光を略平行光とする。

【0033】

第２レンズ２４２は、集光レンズであり、第１レンズ２４１によって略平行光とされたレーザ光を集光する。

【0034】

なお、第２集光光学系２４は、集光レンズを有していれば、１つの光学素子で構成されていてもよいし、３つ以上のレンズを有していてもよい。

【0035】

レーザ共振器２５は、Ｑスイッチ式のレーザ共振器である。本実施形態では、レーザ共振器２５は、レーザ媒質２５１、および可飽和吸収体２５２を有している。レーザ共振器２５では、入射されたレーザ光のエネルギー密度が高められて、波長が例えば約１０６４ｎｍのレーザ光が短いパルス幅で出射される。

【0036】

レーザ媒質２５１は、略直方体形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、Ｎｄが１．１％ドープされている。

【0037】

可飽和吸収体２５２は、略直方体形状のＣｒ：ＹＡＧ結晶である。可飽和吸収体２５２は、レーザ光の吸収量によって透過率が変化するものであり、初期透過率は約０．５０（５０％）である。レーザ光の吸収量が小さい時は吸収体として機能し、レーザ光の吸収量が飽和すると透明になる。可飽和吸収体２５２が透明になることで、Ｑスイッチ発振が発生する。

【0038】

Ｎｄ：ＹＡＧ結晶およびＣｒ：ＹＡＧ結晶は、いずれもセラミックスであるため、単結晶に比べて生産コストが低く、安価である。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＣｒ：ＹＡＧ結晶とは接合されて、いわゆるコンポジット結晶となっている。そのため、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＣｒ：ＹＡＧ結晶との境界は分離していないため、レーザ共振器２５は、単一の結晶と同等の特性を得ることができる。

【0039】

また、レーザ媒質２５１の入射側（－Ｚ側）の面（入射面）２５１ａ、および可飽和吸収体２５２の出射側（＋Ｚ側）の面（出射面）２５２ｂは、光学研磨処理が施されている。これにより、ミラーの役割を果たすことができる。

【0040】

さらに、入射面２５１ａおよび出射面２５２ｂには、面発光レーザ２１から出射される光の波長（例えば、８０８ｎｍ）、およびレーザ共振器２５から出射されるレーザ光の波長（例えば、１０６４ｎｍ）に応じた誘電体層が形成されている。例えば、入射面２５１ａには、波長が８０８ｎｍのレーザ光に対して高い透過率を示し、波長が１０６４ｎｍのレーザ光に対して高い反射率を示す誘電体層が形成される。出射面２５２ｂには、波長が１０６４ｎｍのレーザ光に対して約５０％の反射率を示す誘電体層が形成される。

【0041】

第２集光光学系２４で集光されたレーザ光がレーザ共振器２５に入射すると、レーザ光はレーザ共振器２５内で共振し増幅される。また、レーザ媒質２５１に入射したレーザ光によってレーザ媒質２５１が励起される。なお、面発光レーザ２１から出射されるレーザ光の波長（例えば、８０８ｎｍ）は、ＹＡＧ結晶において最も吸収効率の高い波長である。また、面発光レーザ２１から出射され、第１集光光学系２２および光ファイバ２３を通って、レーザ媒質２５１に入射されるレーザ光を、「励起光」ともいう。

【0042】

レーザ共振器２５内でレーザ光が共振し増幅されることで、レーザ光のエネルギー密度が高くなる。可飽和吸収体２５２においてレーザ光の吸収量が飽和すると、可飽和吸収体２５２においてＱスイッチ発振が発生する。これにより、エネルギー密度の高いレーザ光がレーザ共振器２５から短いパルス幅でエネルギーを集中させて出射される。レーザ共振器２５から出射されるレーザ光を、パルスレーザ光ともいう。パルスレーザ光の波長は、例えば、約１０６４ｎｍである。

【0043】

レーザ共振器２５で増幅されたレーザ光は、第３集光光学系２６に入射される。

【0044】

第３集光光学系２６は、レーザ共振器２５から出射されるレーザ光の光路上に配置されている。第３集光光学系２６は、レーザ共振器２５から出射されるレーザ光を集光させ、集光点で高いエネルギー密度を得る。集光されたレーザ光は、ある一定のエネルギー密度を超えると、燃焼室１４内の可燃性混合気に含まれる気体を構成する分子が電離し、陽イオンと電子とに別れ、プラズマ化（ブレークダウン）する。

【0045】

本実施形態では、第３集光光学系２６は、第３レンズ２６１、第４レンズ２６２、および第５レンズ２６３で構成されている。

【0046】

第３レンズ２６１は、レーザ共振器２５から出射されるレーザ光の発散角度を大きくするための光学素子であり、本実施形態では、凹レンズが用いられている。

【0047】

第４レンズ２６２は、第３レンズ２６１からの発散光をコリメートするための光学素子であり、本実施形態では、コリメートレンズが用いられている。

【0048】

第５レンズ２６３は、第４レンズ２６２からのレーザ光を集光するための光学素子であり、本実施形態では、集光レンズが用いられている。

【0049】

第５レンズ２６３によりレーザ光が集光され、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。集光されたレーザ光は、ある一定のエネルギー密度を超えることで、燃焼室１４内の可燃性混合気中の気体を構成する分子が電離され、プラズマが発生する。

【0050】

第３集光光学系２６は、第３集光光学系２６を構成するレンズの光軸方向の位置や第３集光光学系２６を構成するレンズの組み合わせによって、レーザ装置１１から出射される光のＺ軸方向に関する集光位置の調整を行うことができる。

【0051】

なお、第３集光光学系２６は、３つのレンズで構成されているが、少なくとも１つのレンズで構成されていればよく、一つの光学素子で構成されていてもよいし、複数の光学素子で構成されていてもよい。

【0052】

窓部材２７の構成について説明する。窓部材２７の構成を具体的に図３に示す。図３に示すように、窓部材２７は、光学窓（窓本体）２７１、光学窓保持部材２７２、誘電体層２７３、および保護層２７４を有する。

【0053】

光学窓２７１は、第３集光光学系２６から出射されるレーザ光の光路上に配置されている。光学窓２７１は、透明または半透明の材料で構成され、レーザ光の入射面２７１ａおよび出射面２７１ｂを有する。光学窓２７１は、光学窓保持部材２７２の内面に、接合部として、ロウ材（接合材）を用いて形成されたロウ付け部２９で固定される。光学窓２７１は、ハウジング２８の燃焼室１４側の面に形成された開口に位置するように配置される。第３集光光学系２６から出射されたレーザ光は、光学窓２７１を透過して、燃焼室１４内で集光される。

【0054】

光学窓２７１の平面視における形状は、特に限定されるものではなく、例えば、矩形状、円形状、楕円状、長方形状、多角形状などであってもよい。

【0055】

光学窓２７１の材料としては、例えば、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラスなどを用いることができる。特に、光学窓２７１は、燃焼室１４内に発生する燃焼圧力からハウジング２８の内部の光学部材などを保護するため、十分な耐圧強度が必要となる。そこで、光学窓２７１の厚みを厚くすることが考えられる。しかし、光学窓２７１の厚みが厚くなると、光学窓２７１の出射面で入射したレーザ光の一部が反射されて、光学窓２７１の内部で集光しやすくなる。そのため、光学窓２７１の内部での集光を抑制するためには、第３集光光学系２６の焦点距離を長くする必要がある。

【0056】

第３集光光学系２６は、その焦点距離を長くすると、レンズの開口数（ＮＡ）が小さくなるので、集光強度が低下し、着火性が低下する。そのため、光学窓２７１の厚さは、できる限り薄いことが好ましい。そこで、光学窓２７１の材料としては、高温高圧環境下での耐久性に優れたサファイアガラスを用いることが好ましい。

【0057】

光学窓保持部材２７２は、ハウジング２８の燃焼室１４側の面に形成された開口の周囲にハウジング２８を覆うように取り付けられている。光学窓保持部材２７２は、レーザ溶接などにより形成される溶接部３０により、ハウジング２８に固定される。なお、光学窓保持部材２７２のハウジング２８への固定方法は、レーザ溶接などの溶接以外に、例えば、ねじ止め、焼きばめ、接着などにより、ハウジング２８に固定されてもよい。

【0058】

光学窓保持部材２７２は、その内面に、ロウ付け部２９で光学窓２７１を固定して保持している。ロウ材としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｐｔ、Ｐ、Ｔｉ、Ｗ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃｄ、Ｌｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、もしくはＺｒ、またはステンレスを用いることができる。上記のうち一種単独で用いてもよいし、二種以上併用してもよい。また、上記のいずれかを主成分として別の添加剤を混ぜてもよい。

【0059】

光学窓保持部材２７２を形成する材料としては、例えば、鉄、ニッケル、Ｎｉ－Ｆｅ合金、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ合金、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ合金、またはステンレスなどの耐熱性金属材料を用いることができる。Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ合金として、例えば、インコネルなどが挙げられる。Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ合金として、例えば、コバールなどが挙げられる。

【0060】

光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂは、第２ハウジング２８－２の端面２８ｂと略同一平面上としている。これにより、溶接部３０がレーザ溶接などを用いて形成される場合、溶接部３０にレーザ光を集光させ易くなるので、光学窓保持部材２７２と第２ハウジング２８－２との間に、溶接部３０を安定してムラなく確実に設けることができる。よって、第２ハウジング２８－２に光学窓保持部材２７２を安定して固定することができる。

【0061】

誘電体層２７３は、光学窓２７１の第３集光光学系２６側の面、すなわち窓部材２７のレーザ光の入射面２７１ａに設けられている。誘電体層２７３は、反射防止（ＡＲ：Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜（ＡＲ膜）として機能する。誘電体層２７３は、波長が１０６４ｎｍのレーザ光に対しては高い透過率を有する。

【0062】

誘電体層２７３を形成する材料としては、例えば、Ｓｉ、Ｎａ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｃ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｏｔ、Ａｕ、およびＢｉのいずれかを主成分とする材料、または前記主成分の窒化物、酸化物、炭化物、およびフッ化物のいずれかを少なくとも一つ含む材料を用いることができる。

【0063】

具体的には、例えば、ＭｇＦ、Ｓｉ_３Ｎ_４、またはＳｉＯ_２などを用いることができる。また、誘電体層２７３と光学窓２７１との屈折率差が少ないほうが、反射防止特性を向上させることができる。

【0064】

誘電体層２７３の厚さは、波長が１０６４ｎｍのレーザ光に対して高い透過率を有することができれば、特に限定されない。例えば、光学窓２７１がサファイアガラスで形成される場合、サファイアの屈折率は１．７４程度であるので、誘電体層２７３の厚さは２０２ｎｍ程度、屈折率は１．３２程度であることが好ましい。

【0065】

誘電体層２７３は、例えば、光学窓２７１を光学窓保持部材２７２とロウ付けにより固定した後、光学窓２７１の第３集光光学系２６側の面に形成することができる。誘電体層２７３を光学窓２７１に形成する方法としては、例えば、蒸着、スパッタ、溶射、塗布、またはゾルゲル法などを用いることができる。

【0066】

また、光学窓２７１で生じた反射光が、面発光レーザ２１と同軸上にある光学部材に戻り光として影響を与えることを低減できるため、レーザ光の強度が変動することを軽減することができる。

【0067】

なお、本実施形態では、誘電体層２７３は、一層としているが、これに限定されず、多層でもよい。

【0068】

保護層２７４は、ロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２の燃焼室１４側の面、すなわち窓部材２７からレーザ光が出射する側の面に設けられている。

【0069】

保護層２７４の材料としては、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、またはＩｒなどの金属；ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、またはＡｌ₂Ｏ₃などの金属酸化物；ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、またはカーボンナノチューブなどの炭素材料などを用いることができる。これら一種単独で用いてもよいし、二種以上併用してもよい。中でも、高い耐酸化性を有する点から、Ｎｉを用いることが好ましい。また、高い耐酸化性および耐腐食性を有する点から、Ａｕ、Ｐｔ、またはＴｉを用いてもよい。

【0070】

保護層２７４は、光学窓２７１を光学窓保持部材２７２とロウ付け部２９で固定した後、ロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２の燃焼室１４側の面に形成される。保護層２７４をロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２に形成する方法としては、例えば、電気めっき、ゾルゲル法、蒸着、スパッタ、溶射、または塗布などを用いることができる。中でも、保護層２７４を光学窓２７１に影響を与えずにロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２に保護層２７４を安定して形成する点から、電気めっきを用いることが好ましい。Ｎｉは、高い耐酸化性と耐腐食性を有し、かつ電解めっきが可能という点で、保護層の材料として適している。

【0071】

ロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２に保護層２７４を設けることで、ロウ付け部２９の酸化を抑制することができる。そのため、内燃機関における燃焼時に、燃焼室１４内の温度が、数百℃、瞬間的には数千℃にまで上昇しても、ロウ付け部２９の表面が酸化し、劣化することを抑制することができる。これにより、ロウ付け部２９の表面に亀裂が生じたり、ロウ付け部２９が欠落することを防ぐことができる。よって、光学窓２７１を光学窓保持部材２７２で、長期間安定して固定することができる。

【0072】

保護層２７４の平均厚さは、保護層２７４がロウ付け部２９を安定して被覆することができると共に、光学窓２７１から出射されたレーザ光の通過を妨げなければ、特に限定されない。保護層２７４がロウ付け部２９を安定して被覆する点から、保護層２７４の平均厚さは、例えば、少なくとも数μｍ程度は形成されていることが好ましい。

【0073】

本実施形態では、光学窓２７１の出射側の出射面２７１ｂは、図３に示すように、光学窓保持部材２７２の出射側の端面（出射側端面）２７２ｂと略同一平面上となるようにしている。これにより、ロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２に厚さのばらつきが小さい保護層２７４を安定して形成することができる。

【0074】

光学窓２７１の出射面２７１ｂと光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂとの位置について、例えば、光学窓２７１の出射面２７１ｂが光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂよりも入射側に位置している場合がある。この場合、ロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２に保護層２７４を例えば電解めっきなどで形成する際、ロウ付け部２９の端部近傍は電流が集中し易く、異常析出の起点になり易い。そのため、ロウ付け部２９の端部近傍に保護層２７４が突出した状態で形成される可能性がある。また、保護層２７４の形成時に、異常析出し易い箇所があると、保護層２７４の緻密性が低下する可能性がある。さらに、保護層２７４の突出部分にレーザ光が照射されると、レーザ光が反射されるため、レーザ光の出力低下を招く可能性がある。

【0075】

そこで、本実施形態では、光学窓２７１の出射側の出射面２７１ｂは、光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂと略同一平面上として、ロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２に厚さのばらつきが小さい保護層２７４を形成している。また、ロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２に保護層２７４を例えば電解めっきなどで形成する際、保護層２７４は高い緻密性を有することができる。また、光学窓２７１から出射したレーザ光が保護層２７４に照射されて反射されることを防ぐことができる。そのため、第３集光光学系２６から出射されたレーザ光の出力が低下することを抑制することができる。

【0076】

図２に示すように、ハウジング２８は、第２集光光学系２４、レーザ共振器２５、第３集光光学系２６、および窓部材２７を収容している。本実施形態では、ハウジング２８は、第１ハウジング２８－１と第２ハウジング２８－２とで構成されている。第１ハウジング２８－１は、第２集光光学系２４、およびレーザ共振器２５を収容している。第２ハウジング２８－２は、第３集光光学系２６、および窓部材２７を収容している。

【0077】

ハウジング２８には、例えば、鉄、Ｎｉ－Ｆｅ合金、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ合金、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ系合金、またはステンレスなどの耐熱性金属が用いられる。Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ合金として、例えば、インコネルなどが挙げられる。Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ合金として、例えば、コバールなどが挙げられる。

【0078】

以上のように、本実施形態に係るレーザ装置１１は、ロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２の燃焼室１４側の面に保護層２７４を有している。これにより、ロウ付け部２９の劣化を防ぐことができるので、光学窓２７１を光学窓保持部材２７２に安定して固定することができる。よって、本実施形態に係るレーザ装置１１は、光学窓２７１の脱落を防ぐことができ、安定して使用することができるので、信頼性の高いレーザ装置を提供することができる。なお、本実施形態では、レーザ装置の一例としてレーザ装置を用いて説明したが、これには限定されない。他のレーザ装置においても、保護層の存在により、レーザ装置の使用される環境による影響から接合部を保護することができ、信頼性の高いレーザ装置を提供することができる。

【0079】

エンジン１０は、本実施形態に係るレーザ装置１１を備えているので、安定して燃焼させることができる。これにより、エンジン１０を安定して継続して使用することができる。

【0080】

なお、本実施形態では、保護層２７４は、ロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２の燃焼室１４側の表面に設けられているが、ロウ付け部２９の燃焼室１４側の表面のみに設けられてもよいし、ロウ付け部２９、光学窓保持部材２７２、およびハウジング２８の燃焼室１４側の表面に設けられていてもよい。

【0081】

本実施形態では、接合部として、接合材であるロウ材を用いて形成されたロウ付け部２９を用いているが、これに限定されるものではない。接合部は、レーザ装置の使用される環境において光学窓２７１と光学窓保持部材２７２とを接合できる材料で形成されたものであればよい。

【0082】

本実施形態では、光学窓２７１の出射面２７１ｂは、図３に示すように、光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂと略同一平面上となるようにしているが、これに限定されない。例えば、出射面２７１ｂは、図４に示すように、光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂよりも出射方向である燃焼室１４側に突出させてもよい。この場合でも、ロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２には、保護層２７４を例えば電解めっきなどで形成する際に電流が集中し易い端部がない。そのため、ロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２には、厚さのばらつきが小さい保護層２７４を安定して形成することができる。また、ロウ付け部２９および光学窓保持部材２７２には、保護層２７４を例えば電解めっきなどで形成する際に、保護層２７４が異常析出し易い箇所はないので、保護層２７４は高い緻密性を有することができる。さらに、光学窓２７１から出射したレーザ光が保護層２７４に照射され、レーザ光が反射されることを防ぐことができるので、レーザ光の出力が低下することを抑制することができる。

【0083】

本実施形態では、ハウジング２８は、第２集光光学系２４、レーザ共振器２５、第３集光光学系２６、および光学窓２７１を収容しているが、さらに、第１集光光学系２２、および光ファイバ２３を収容してもよい。

【0084】

本実施形態では、第１ハウジング２８－１は、第２集光光学系２４、およびレーザ共振器２５を、第２ハウジング２８－２は、第３集光光学系２６、および窓部材２７を、それぞれ収容しているが、これに限定されない。例えば、第１ハウジング２８－１は、第２集光光学系２４だけ収容し、第２ハウジング２８－２は、レーザ共振器２５をさらに収容していてもよい。また、第１ハウジング２８－１は、第２集光光学系２４、およびレーザ共振器２５の他に、第３集光光学系２６をさらに収容し、第２ハウジング２８－２は、窓部材２７だけを収容していてもよい。

【0085】

本実施形態では、励起用光源として面発光レーザ２１が用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、他の光源を用いてもよい。

【0086】

本実施形態では、面発光レーザ２１をレーザ共振器２５から離れた位置に置く必要がない場合は、光ファイバ２３が設けられなくてもよい。

【0087】

本実施形態では、誘電体層２７３が、光学窓２７１の第３集光光学系２６側の面、すなわち窓部材２７にレーザ光が入射する入射面に設けられているが、反射光の影響などがない場合には、特に設けなくてもよい。

【0088】

本実施形態では、本実施形態に係るレーザ装置１１が内燃機関として燃焼ガスによってピストンを運動させるエンジン１０の点火装置に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。レーザ装置１１は、例えば、ロータリーエンジン、ガスタービンエンジン、またはジェットエンジンなど燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するものに用いることができる。また、レーザ装置１１は、排熱を利用して動力、温熱、または冷熱を取り出し、総合的にエネルギー効率を高めるシステムであるコジェネレーションに用いてもよい。さらに、レーザ装置１１は、画像形成装置（例えば、レーザ複写機、レーザプリンタなど）、画像投影装置（例えば、プロジェクタ）、レーザ加工機、レーザピーニング装置、またはテラヘルツ発生装置などに用いてもよい。

【0089】

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0090】

１０ エンジン（内燃機関）
１１ レーザ装置
２１ 面発光レーザ
２２ 第１集光光学系
２３ 光ファイバ
２４ 第２集光光学系
２５ レーザ共振器
２６ 第３集光光学系
２７ 窓部材
２７１ 光学窓（窓本体）
２７１ａ 入射面
２７１ｂ 出射面
２７２ 光学窓保持部材
２７２ｂ 出射側の端面（出射側端面）
２７３ 誘電体層
２７４ 保護層
２８ ハウジング
２９ ロウ付け部

【先行技術文献】

【特許文献】

【0091】

【文献】特許第５８７３６８９号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】