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(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】2022-07-19
(45)【発行日】2022-07-27
(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 3/02 20060101AFI20220720BHJP
   H01S 5/02257 20210101ALI20220720BHJP
   H01S 3/00 20060101ALI20220720BHJP
   F02P 23/04 20060101ALI20220720BHJP
【ＦＩ】
H01S3/02
H01S5/02257
H01S3/00 A
F02P23/04 A
【請求項の数】 16
(21)【出願番号】P 2017238788
(22)【出願日】2017-12-13
(65)【公開番号】P2018152549
(43)【公開日】2018-09-27
【審査請求日】2020-09-16
(31)【優先権主張番号】P 2017051947
(32)【優先日】2017-03-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2017019616
(32)【優先日】2017-02-06
(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
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】萩田 健太郎
(72)【発明者】
【氏名】石川 陽一
(72)【発明者】
【氏名】軸谷 直人
(72)【発明者】
【氏名】池應 敏行
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 譲
(72)【発明者】
【氏名】大倉 佑介
【審査官】小澤 尚由
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１６／０９３２１４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－１４２１９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－００１１５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０６３２７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１６４０４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１０９１２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０３１７４１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ３／００ － ３／３０
Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０
Ｆ０２Ｐ ２３／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を射出する光源と、
前記光源から出射される前記レーザ光を集光する光学系と、
前記光学系を介した前記レーザ光が通過する光学窓と、
前記光学系が収容される筐体と、
前記筐体に固定され、前記光学窓を保持する光学窓保持部材と、を有し、
前記光学窓は、前記レーザ光が通過しかつ前記光学窓保持部材の端部と同一平面上にある面を有し、
前記同一平面上にある面に、前記光学窓と前記光学窓保持部材とに跨って膜が形成されていることを特徴とする、レーザ装置。
【請求項2】
レーザ光を射出する光源と、
前記光源から出射される前記レーザ光を集光する光学系と、
前記光学系を介した前記レーザ光が通過する光学窓と、
前記光学系が収容される筐体と、
前記筐体に固定され、前記光学窓を保持する光学窓保持部材と、を有し、
前記光学窓は、前記レーザ光が通過しかつ前記光学窓保持部材の端部よりも突出している面を有し、
前記突出している面に、前記光学窓と前記光学窓保持部材とに跨って膜が形成されていることを特徴とする、レーザ装置。
【請求項3】
レーザ光を射出する光源と、
前記光源から出射される前記レーザ光を集光する光学系と、
前記光学系を介した前記レーザ光が通過する光学窓と、
前記光学系が収容される筐体と、
前記筐体に固定され、前記光学窓を保持する光学窓保持部材と、を有し、
前記光学窓は、前記レーザ光が通過しかつ前記光学窓保持部材の端部に対してへこんだ位置にある面を有し、
前記光学窓保持部材は、前記へこんだ位置にある面から外側に向けて内径が拡大される拡径部を有し、
前記へこんだ位置にある面に、前記光学窓と前記光学窓保持部材とに跨って膜が形成されていることを特徴とする、レーザ装置。
【請求項4】
前記面は、前記光学窓の前記レーザ光が入射する入射面であり、
前記膜は、前記レーザ光の反射を抑制する反射防止膜である請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項5】
前記反射防止膜の表面粗さＲａが、１００ｎｍ以下である請求項４に記載のレーザ装置。
【請求項6】
前記面は、前記光学窓の前記レーザ光が出射する出射面であり、
前記膜は、酸化還元反応を促進する触媒層である請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項7】
前記触媒層の厚さが、１μｍ以下である請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項8】
前記触媒層に含まれる光触媒の平均粒子径が、１００ｎｍ以下である請求項７に記載のレーザ装置。
【請求項9】
前記光学窓と前記触媒層との間に親水性層をさらに有する請求項７または８に記載のレーザ装置。
【請求項10】
前記光学窓は、前記レーザ光が通過する面の少なくとも一面に、凸状または凹状の微細構造体を複数備えた微細構造部を有する請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項11】
前記同一平面上にある面は第１の面であり、前記膜は第１の膜であり、
前記光学窓は、前記レーザ光が通過しかつ前記光学窓保持部材の前記端部と異なる他の端部と同一平面上にある第２の面を有し、前記第２の面に第２の膜が形成されている請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項12】
前記同一平面上にある面は第１の面であり、前記膜は第１の膜であり、
前記光学窓は、前記レーザ光が通過しかつ前記光学窓保持部材の前記端部と異なる他の端部よりも突出している第２の面をさらに有し、前記第２の面に第２の膜が形成されている請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項13】
前記同一平面上にある面は第１の面であり、前記膜は第１の膜であり、
前記光学窓は、前記レーザ光が通過しかつ前記光学窓保持部材の前記端部と異なる他の端部に対してへこんだ位置にある第２の面をさらに有し、
前記光学窓保持部材は、前記第２の面から外側に向けて内径が拡大される拡径部を有し、前記第２の面に第２の膜が形成されている請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項14】
前記光学窓保持部材と前記筐体とが、同じ熱膨張係数を有する材料で形成される請求項１から１３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項15】
前記光学窓保持部材と前記筐体とが、コバールで形成される請求項１４に記載のレーザ装置。
【請求項16】
請求項１から１５のいずれか一項のレーザ装置と、
燃料を燃焼させる燃焼室と、を有し、
前記燃料が前記レーザ装置からの前記レーザ光により点火され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（例えば、特許文献１参照）。
【0004】
また、従来の点火装置では、光学窓の両端を保護ガラスホルダで挟み込み、保護ガラスホルダをハウジングに固定している。そして、光学窓の入射面側には反射防止膜を設けて、レーザ共振器から発振されたパルスレーザ光が光学窓の入射面で反射することを抑制し、燃焼室内に照射されるパルスレーザ光の光量の低下を抑えるようにしている（例えば、特許文献２参照）。
【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、光学窓の入射面または出射面に、厚さの均一な膜を形成することは検討されていない。そのため、光学窓の入射面または出射面に形成された膜の厚さが不均一な場合には、前記膜でパルスレーザ光の一部が反射され、パルスレーザ光の透過性が低下する可能性がある。その結果、燃焼室内に入射するパルスレーザ光の光量が低下し、燃焼室で安定して燃料を着火させることができなくなる可能性がある。
【0006】
本発明の一態様は、パルスレーザ光の光量の低下を抑制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、レーザ光を射出する光源と、前記光源から出射される前記レーザ光を集光する光学系と、前記光学系を介した前記レーザ光が通過する光学窓と、前記光学系が収容される筐体と、前記筐体に固定され、前記光学窓を保持する光学窓保持部材と、を有し、前記光学窓は、前記レーザ光が通過しかつ前記光学窓保持部材の端部と同一平面上にある面を有し、前記同一平面上にある面に、前記光学窓と前記光学窓保持部材とに跨って膜が形成されている。
【発明の効果】
【0008】
本発明の一態様によるレーザ装置は、パルスレーザ光の光量の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】第１の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4A】窓部材の他の構成を具体的に示す断面図である。
【図4B】窓部材の他の構成を具体的に示す断面図である。
【図5A】窓部材の他の構成を具体的に示す断面図である。
【図5B】窓部材の他の構成を具体的に示す断面図である。
【図5C】窓部材の他の構成を具体的に示す断面図である。
【図6】窓部材の他の構成を具体的に示す断面図である。
【図7】窓部材の他の構成を具体的に示す断面図である。
【図8】窓部材の他の構成を具体的に示す断面図である。
【図9】第２の実施形態に係るレーザ装置の窓部材の構成を示す図である。
【図10】第３の実施形態に係るレーザ装置の窓部材の構成を示す図である。
【図11】窓部材の部分拡大図である。
【図12】微細構造部の具体例を示す図である。
【図13】微細構造部の他の具体例を示す図である。
【図14】微細構造部の他の具体例を示す図である。
【図15】微細構造部の変形例を示す図である。
【図16】微細構造部の他の変形例を示す図である。
【図17】ガウス分布を説明するための図である。
【図18】微細構造部領域１を説明するための図である。
【図19】微細構造部領域２を説明するための図である。
【図20】微細構造部領域３を説明するための図である。
【図21】有効ビーム径を説明するための図である。
【図22】微細構造部領域４を説明するための図である。
【図23】微細構造部領域５を説明するための図である。
【図24】従来の窓部材のレーザ光の反射を説明するための図である。
【図25】実施形態に係る窓部材におけるレーザ光の反射を説明するための図である。
【図26】窓部材の反射光の低減効果を説明するための図である。
【図27】窓部材の変形例１を説明するための図である。
【図28】窓部材の変形例２を説明するための図である。
【図29】窓部材の変形例３を説明するための図である。
【図30】窓部材の変形例４を説明するための図である。
【図31】窓部材の変形例５を説明するための図である。
【図32】窓部材の変形例６を説明するための図である。
【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】
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係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、第１の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２７Ａ、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。本明細書では、３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の３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、レーザ光の光軸に直交する面において、互いに直交する２つの方向のうち一方をＸ軸方向とし、他方をＹ軸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】
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前に、ハウジング２８について説明する。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２７Ａの光学窓２７１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、および光学窓２７１を収容している。
【0053】
ハウジング２８には、例えば、鉄、Ｎｉ－Ｆｅ系合金、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ系合金、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ系合金、ステンレスなどの耐熱性金属が用いられる。Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ系合金として、例えば、インコネルなどが挙げられる。Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ系合金として、例えば、コバールなどが挙げられる。
【0054】
次に、窓部材２７Ａの構成について説明する。光学窓２７１の構成を具体的に図３に示す。図３に示すように、窓部材２７Ａは、光学窓（窓本体）２７１、光学窓保持部材２７２、反射防止（ＡＲ：Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜（ＡＲ膜）２７３、および触媒層２７４を有する。本実施形態では、光学窓２７１の、レーザ光が通過する入射面２７１ａおよび出射面２７１ｂに形成される膜として、反射防止膜２７３および触媒層２７４が設けられている。
【0055】
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、レーザ光が入射する入射面２７１ａおよびレーザ光が出射する出射面２７１ｂを有する。入射面２７１ａは、光学窓２７１の第３集光光学系２６側の面であり、レーザ光が通過する面である。入射面２７１ａは、光学窓保持部材２７２のレーザ光の入射側の端部である入射側端面２７２ａと同一平面上にある。出射面２７１ｂは、光学窓２７１の燃焼室１４側の面であり、レーザ光が通過する面である。出射面２７１ｂは、光学窓保持部材２７２のレーザ光の出射側の端部である出射側端面２７２ｂと同一平面上にある。なお、本実施形態では、光学窓保持部材２７２の端部である入射側端面２７２ａおよび出射側端面２７２ｂは、平面としているが、曲面、凸状などでもよい。
【0056】
光学窓２７１は、光学窓保持部材２７２の内面にロウ材（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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。そのため、第２ハウジング２８－２に光学窓保持部材２７２を安定して固定できる。
【0062】
光学窓保持部材２７２は、その内面（内壁）２７２ｃに、ロウ付け部２９で光学窓２７１を固定して保持している。なお、本実施形態では、接合材として、ロウ材を用いているが、高温での耐熱性を有する他の接合材を用いてもよい。また、接合材を用いずに、ねじ止めや焼きばめなどにより、光学窓保持部材２７２に光学窓２７１を固定してもよい。
【0063】
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系合金、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ系合金、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ系合金、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系合金として、例えば、インコネルなどが挙げられる。Ｎｉ－Ｃｏ－Ｆｅ系合金として、例えば、コバールなどが挙げられる。中でも、本実施形態では、光学窓２７１は、サファイアで形成されることが好ましいことから、光学窓保持部材２７２を形成する材料は、サファイアと熱膨張係数の近いコバールを使用することが好ましい。
【0064】
本実施形態では、光学窓保持部材２７２は、光学窓保持部材２７２を固定する第２ハウジング２８－２と同じ熱膨張係数を有する材料で形成することが好ましい。本実施形態では、光学窓保持部材２７２と第２ハウジング２８－２とを同一の材料で形成しているが、同じ熱膨張係数を有するものであれば、異なる材料を用いてもよい。光学窓保持部材２７２と第２ハウジング２８－２とを同じ熱膨張係数を有する材料で形成することで、これらの熱膨張係数の差により生じる応力がロウ材および溶接部３０に加わることを抑制できる。なお、同じ熱膨張係数とは、まったく同一の値を意味する他、応力差としてロウ材や溶接部３０に影響を与えない程度の数％の誤差を許容する意味である。
【0065】
光学窓保持部材２７２および第２ハウジング２８－２が同じ熱膨張係数を有する材料で形成されることが好ましい理由について説明する。光学窓保持部材２７２および第２ハウジング２８－２は、燃焼室１４に晒されているので、燃焼室１４の温度の影響を受けやすい。そのため、燃焼室１４内で混合気が燃焼している時は、光学窓保持部材２７２および第２ハウジング２８－２の温度は、例えば、数百℃～約１０００℃程度にまで上昇する。
【0066】
ここで、光学窓保持部材２７２と第２ハウジング２８－２とが異なる熱膨張係数を有する材料で形成されているとする。この場合、燃焼室１４内が高温となっている時には光学窓保持部材２７２と第２ハウジング２８－２との熱膨張係数の差により、応力が発生する。この応力により、ロウ付け部２９や溶接部３０が引っ張られたり、ロウ付け部２９や溶接部３０に亀裂が生じるなど、ロウ付け部２９や溶接部３０に負荷がかかり、ロウ付け部２９や溶接部３０を劣化させる可能性がある。
【0067】
一方、光学窓保持部材２７２および第２ハウジング２８－２が、同じ熱膨張係数を有する材料で形成されていれば、光学窓保持部材２７２および第２ハウジング２８－２が、燃焼室１４の温度の影響を受けて高温（例えば、数百℃～約１０００℃程度）になっても、熱膨張係数の差により生じる応力がロウ付け部２９および溶接部３０に加わることはない。そのため、光学窓保持部材２７２と第２ハウジング２８－２との間に生じる応力に起因して、ロウ付け部２９や溶接部３０が引っ張られたり、ロウ付け部２９や溶接部３０に亀裂が生じるなど、ロウ付け部２９および溶接部３０に加わる負荷を軽減することができる。よって、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。
【0068】
また、本実施形態では、光学窓保持部材２７２および第２ハウジング２８－２を形成する材料としては、例えば、コバールなどを用いることが好ましい。コバールは、金属の中でも、常温付近での熱膨張率が低く、例えば、サファイアガラスなどのような硬質ガラスに近い。光学窓２７１が、例えば、サファイアで形成される場合、光学窓保持部材２７２および第２ハウジング２８－２を形成する材料にコバールを用いることで、光学窓２７１と光学窓保持部材２７２および第２ハウジング２８－２とは、近似した熱ひずみを生じる。そのため、光学窓２７１と光学窓保持部材２７２および第２ハウジング２８－２との間に熱膨張係数の差異により生じる応力を低減することができる。
【0069】
よって、熱膨張係数の差異に起因して生じる応力が、光学窓２７１と光学窓保持部材２７２との間に設けられるロウ付け部２９に加わることを軽減できる。また、この応力が、光学窓保持部材２７２と第２ハウジング２８－２との間に設けられる溶接部３０とに加わることも軽減できる。これにより、ロウ付け部２９および溶接部３０の負荷をさらに軽減できる。
【0070】
したがって、光学窓保持部材２７２および第２ハウジング２８－２が、同じ熱膨張係数を有する材料で形成されている場合には、レーザ装置１１は、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量が低下することをさらに安定して軽減できる。また、レーザ装置１１は、光学窓２７１を光学窓保持部材２７２に安定して固定できる。そのため、燃焼室１４内が燃焼により高温環境下となっても、長期間、安定して使用できる。これにより、信頼性の高いレーザ装置が得られる。
【0071】
なお、本実施形態では、光学窓保持部材２７２を固定する第２ハウジング２８－２を、光学窓保持部材２７２と同じ熱膨張係数を有する材料で形成しているが、これに限定されない。例えば、第１ハウジング２８－１および第２ハウジング２８－２を光学窓保持部材２７２と同じ熱膨張係数を有する材料で形成してもよい。
【0072】
反射防止膜２７３は、光学窓２７１の入射面２７１ａに設けられ、レーザ光の反射を抑制する膜である。本実施形態では、反射防止膜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。
【0073】
反射防止膜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。
【0074】
具体的には、例えば、ＭｇＦ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２などを用いることができる。また、反射防止膜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。
【0075】
反射防止膜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。
【0076】
反射防止膜２７３は、例えば、光学窓２７１が光学窓保持部材２７２にロウ付けなどにより固定された状態で光学窓２７１の入射面２７１ａに設けることが好ましい。光学窓２７１が光学窓保持部材２７２に固定される際、光学窓保持部材２７２が高温に加熱されるので、光学窓２７１も高温に加熱されてしまう。例えば、光学窓２７１が光学窓保持部材２７２にロウ材を用いて固定される場合、光学窓２７１が高温（例えば、約１０００℃）で熱処理される。このとき、反射防止膜２７３は、上記の温度までの耐熱性を有していない可能性がある。反射防止膜２７３の耐熱温度は、例えば、４００℃程度である。そのため、反射防止膜２７３は、光学窓２７１が光学窓保持部材２７２に固定された状態で、光学窓２７１の入射面２７１ａに設けられることが好ましい。
【0077】
本実施形態では、反射防止膜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ように設計されている。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、反射防止膜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。
【0078】
なお、本実施形態において、反射防止膜２７３の厚さとは、光学窓２７１との接触面に対する反射防止膜２７３の垂直方向の長さをいう。反射防止膜２７３の厚さは、例えば、反射防止膜２７３の断面において、任意の場所を測定した時の厚さである。
【0079】
本実施形態では、光学窓２７１の入射面２７１ａは、図３に示すように、光学窓保持部材２７２の入射側端面２７２ａと略同一平面上となるようにしている。これにより、光学窓２７１の入射面２７１ａは、光学窓保持部材２７２の入射側端面２７２ａよりも出射側に窪んだ状態とはならず、同じ面となる。そのため、光学窓２７１の入射面２７１ａおよび光学窓保持部材２７２の入射側端面２７２ａには、反射防止膜２７３を安定して形成できるので、面内での厚さのばらつきが小さい反射防止膜２７３が安定して形成される。
【0080】
反射防止膜２７３の厚さのばらつきが小さいと、反射防止膜２７３の入射面２７３ａに入射したレーザ光の一部が、入射面２７３ａで反射されることをより低減できるので、レーザ光の透過率の低下をより抑えることができる。この結果、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量が低下することを抑制できる。また、反射防止膜２７３に入射したレーザ光の一部が反射され、第３集光光学系２６などに集光することをより抑えられるので、第３集光光学系２６など光学部材の損傷を防ぐことができる。
【0081】
本実施形態では、反射防止膜２７３の表面粗さＲａは、１００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがより好ましく、１０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。反射防止膜２７３の表面粗さＲａが１００ｎｍ以下であれば、反射防止膜２７３の入射面２７３ａの全面において、入射面２７３ａに入射したレーザ光の一部が入射面２７３ａで反射することをさらに抑制できる。
【0082】
本実施形態では、表面粗さＲａは、反射防止膜２７３のレーザ光の入射側の表面における凹凸状態の平均値である。表面粗さＲａとは、算術平均粗さであり、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２０１３）に準拠して測定した値である。表面粗さＲａは、例えば、公知の表面粗さ測定機などにより測定することができる。
【0083】
また、本実施形態では、反射防止膜２７３は、光学窓２７１の入射面２７１ａから光学窓保持部材２７２の入射側端面２７２ａに跨がって形成されている。ここで、光学窓２７１の入射面２７１ａのみに、反射防止膜２７３を形成しようとした場合、反射防止膜２７３を形成しない箇所にマスクを設置するなどの工程が必要になる。また、マスクを設置するなどの工程により、反射防止膜２７３の形成箇所の位置ずれが生じる可能性がある。反射防止膜２７３を入射面２７１ａから入射側端面２７２ａに跨がるように形成することで、確実にレーザ光の通過する面に反射防止膜２７３が形成され、かつ反射防止膜２７３の形成に要する費用が抑えられる。
【0084】
なお、本実施形態では、反射防止膜２７３は、一層としているが、多層でもよい。
【0085】
触媒層２７４は、光学窓２７１の出射面２７１ｂに設けられ、酸化還元反応を促進する膜である。
【0086】
触媒層２７４は、粒子状の光触媒の集合体で形成することができる。光触媒の材料としては、ＴｉＯ２、ＷＯ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｏＳ２、Ｓｉ、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＩｎＳ２、ＴａＯＮ、Ｃ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＳｒＴｉＯ３、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、またはＺｎＯ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、ＴｉＯ２を用いることが好ましい。
【0087】
光触媒がＴｉＯ２である場合、ＴｉＯ２は、アナターゼ型、ルチル型、またはブルッカイト型の結晶構造を有することが好ましい。中でも、結晶構造がアナターゼ型のＴｉＯ２は、三種類の結晶構造の中でも、最も高い活性を示すため、アナターゼ型のＴｉＯ２を用いることが好ましい。
【0088】
光触媒は、光触媒の材料によって異なるが、光触媒が光触媒の機能を発揮するためには、光触媒のバンドギャップに相当する光子エネルギー（波長）を有する光、またはそれより大きい光子エネルギー（波長）を有する光を照射する必要がある。光触媒に、所定の波長以下の光を照射すると、光触媒は光を吸収して電子と正孔が生成される。生成された正孔が、直接、酸化反応に関与して、有機物を分解する。また、正孔が結晶表面の水分や水酸基（ＯＨ基）と反応してヒドロキシラジカル（・ＯＨ）を生じる。・ＯＨが酸化反応に関わり、強い酸化力を生じることで、有機物を酸化、分解する。生成された電子は、光触媒の表面に存在する酸素を還元して、スーパーオキシドイオン（Ｏ2-）を生成する。Ｏ2-は、結晶表面の水分と反応して過酸化水素や、・ＯＨが生じる。過酸化水素や・ＯＨが酸化反応に関わり、強い酸化力を生じることで、有機物を酸化、分解する。
【0089】
触媒層２７４で光触媒が光触媒効果を発現させる際、燃焼室１４内でレーザ光が集光してプラズマ化することで発生した光、燃焼室１４内に供給される空気、および燃焼室１４内に存在する水分子が利用される。これにより、触媒層２７４で光触媒が光触媒効果を発現し、有機物などが分解される。
【0090】
エンジン１０では、一般的に、ピストン１５の摩擦低減などのため、エンジンオイルが用いられており、燃焼室１４内には霧状となったオイルミストが浮遊している。そのため、従来の窓部材では、窓部材の燃焼室側の面にオイルミストなどが付着する。そして、煤などが堆積して、デポジットを形成すると、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量が低下し、着火安定性が損なわれる可能性がある。
【0091】
本実施形態では、触媒層２７４が光学窓２７１の出射面２７１ｂに設けられることで、燃焼室１４内に生じる有機物や煤などが触媒層２７４の表面に付着しても、これらを分解することができる。そのため、触媒層２７４の表面に汚れなどが付着することを抑制できる。これにより、触媒層２７４は、第３集光光学系２６から出射されるレーザ光の透過性を維持できるので、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量を維持できる。
【0092】
光学窓２７１の出射面２７１ｂは、光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂと略同一平面上となるように設けられている。また、出射面２７１ｂは、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（図５Ａ参照）。後述するように、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すると、光学窓２７１への触媒層２７４の形成時に、触媒層２７４を形成する材料が光学窓保持部材２７２やロウ付け部２９に接触する可能性がある。その結果、触媒層２７４の厚さのばらつきや触媒層２７４の厚さを増大させるだけでなく、透過率を低下させる可能性がある。
【0093】
本実施形態では、光学窓２７１の出射面２７１ｂは、光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂと略同じ平面上としている。これにより、光学窓２７１の出射面２７１ｂに、光学窓保持部材２７２およびロウ付け部２９の影響を受けることなく、触媒層２７４を形成することができる。また、厚さのばらつきが少なく、厚さの小さい触媒層２７４を容易に形成できる。
【0094】
本実施形態では、触媒層２７４の厚さは、１μｍ以下であることが好ましい。触媒層２７４の厚さが１μｍを超えると、触媒層２７４の透過率が低下して、レーザ光の高い透過率を維持できない可能性がある。透過率の劣化は、レーザ共振器２５から出射したレーザ光の強度を低下させるため、プラズマ化して発生する光の強度が低下してしまう可能性がある。そのため、エンジン１０の燃焼性能が低下するか、場合によっては失火してしまう可能性がある。
【0095】
なお、触媒層２７４の厚さの下限値は、触媒層２７４が高い透過率を有し、かつ光学窓２７１に安定して形成できれば、特に限定されない。触媒層２７４の透過率の点から、触媒層２７４の厚さは薄いほうが好ましい。しかし、触媒層２７４が光学窓２７１に直接形成される場合、触媒層２７４が薄すぎると、光学窓２７１の表面は撥水性が高い傾向にあるため、光学窓２７１上に触媒層２７４が安定して形成されない可能性がある。特に、光学窓２７１がサファイアで形成される場合、サファイアは高い撥水性を有するため、触媒層２７４は光学窓２７１に形成されにくい傾向にある。そのため、触媒層２７４の厚さの下限値は、光学窓２７１の材料に応じて適宜調整される。
【0096】
また、触媒層２７４は、レーザ光の反射を防止するため、入射光と触媒層２７４の屈折率を考慮して、さらに適正な厚さに調整することが好ましい。例えば、触媒層２７４が単層である時、反射率が最も小さくなるように算出される触媒層２７４の屈折率ｎＡＲ１は次の式（１）で表され、触媒層２７４の厚さｄＡＲ１は次の式（２）で表される。式中、ｎ０は空気の屈折率（ｎ０＝１）であり、ｎｍは光学窓２７１の屈折率であり、λはレーザ光の波長（１０６４ｎｍ）である。
ｎＡＲ１＝√（ｎ０×ｎｍ） ・・・（１）
ｄＡＲ１＝λ／（４×ｎＡＲ１） ・・・（２）
【0097】
例えば、光学窓２７１の材質がサファイアである場合、屈折率は１．７４である。この場合、ｎＡＲ１は１．３２となり、触媒層２７４の厚さｄＡＲ１を２０１．５ｎｍにすることで、単層の触媒層２７４は、高い反射防止機能を有することができる。よって、触媒層２７４が単層である場合には、上記式（１）および式（２）から算出した数値に近くなるように調整することが望ましい。
【0098】
なお、本実施形態において、触媒層２７４の厚さとは、反射防止膜２７３の厚さと同様に定義でき、触媒層２７４の厚さは、反射防止膜２７３と同様に測定できる。
【0099】
触媒層２７４を形成する光触媒の粒子の平均粒子径は、１００ｎｍ以下であることが好ましい。光触媒が光触媒機能を発揮するためには、光触媒の表面に電子および正孔が多く生成されていることが好ましいといえる。電子や正孔は光触媒の表面に現れやすくするため、光触媒の粒子は小さい方が望ましい。一方、光触媒の粒子が大きいと、触媒層２７４の透明度が低下する可能性がある。そのため、触媒層２７４が光触媒機能を発揮しつつ、レーザ光の透過性を維持するためには、光触媒の粒子の平均粒子径は、１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【0100】
なお、光触媒の平均粒子径は、光触媒を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて任意の数（例えば、１００個）観察し、その投影面積を求め、得られた面積の円相当径を計算して粒径を求め、その平均値を平均粒子径とする。
【0101】
触媒層２７４を光学窓２７１に形成する方法としては、従来より公知の方法を用いることができ、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。
【0102】
触媒層２７４は、光学窓２７１が光学窓保持部材２７２に固定され、光学窓２７１の入射面２７１ａに反射防止膜２７３が形成された状態で、光学窓２７１の出射面２７１ｂに設けられることが好ましい。光学窓２７１が光学窓保持部材２７２に固定される際、または反射防止膜２７３が光学窓２７１に固定される際、高温（例えば、１０００℃程度）で熱処理されるので、光学窓２７１も高温に加熱されてしまう。例えば、光学窓２７１が光学窓保持部材２７２にロウ材を用いて固定される場合、光学窓２７１が高温（例えば、約１０００℃）に加熱される。このとき、触媒層２７４は、反射防止膜２７３と同様、上記の温度までの耐熱性を有していない可能性がある。また、触媒層２７４を形成する材料によっては、加熱温度によって結晶構造が変化する可能性がある。そのため、触媒層２７４は、光学窓２７１が光学窓保持部材２７２に固定され、光学窓２７１の入射面２７１ａに反射防止膜２７３が形成された状態で、光学窓２７１の出射面２７１ｂに設けられることが好ましい。触媒層２７４が、例えばＴｉＯ2で形成される場合、触媒層２７４は、例えば、６５０℃以下で加熱されることが好ましい。加熱温度が６５０℃を超えると、ＴｉＯ2の結晶状態がアナターゼ型から、アナターゼ型よりも活性の低いルチル型に転移してしまう。
【0103】
また、触媒層２７４は、光学窓２７１の出射面２７１ｂから光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂに跨がって形成されている。ここで、光学窓２７１の出射面２７１ｂのみに触媒層２７４を形成しようとした場合、触媒層２７４を形成しない箇所にマスクを設置するなどの工程が必要になる。また、マスクを設置するなどの工程により、触媒層２７４の形成箇所の位置ずれが生じる可能性がある。触媒層２７４を出射面２７１ｂから出射側端面２７２ｂに跨がるように形成することで、確実にレーザ光の通過する面に触媒層２７４が形成され、かつ触媒層２７４の形成に要する費用が抑えることができる。
【0104】
なお、本実施形態では、触媒層２７４は一層としているが、多層でもよい。
【0105】
以上のように、レーザ装置１１は、光学窓保持部材２７２の入射側端面２７２ａと同一平面上にある、光学窓２７１の入射面２７１ａに厚さのばらつきが小さい反射防止膜２７３を有する。これにより、レーザ共振器２５から出射されるレーザ光が反射防止膜２７３で反射されることをさらに抑えることができるので、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量が低下することを一層軽減することができる。そのため、レーザ装置１１は、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量を維持することができる。
【0106】
また、レーザ装置１１は、光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂと同一平面上にある、光学窓２７１の出射面２７１ｂに触媒層２７４を有する。これにより、燃焼室内のオイルミスト、または煤などの汚れが出射面２７１ｂに付着することを抑制することができる。この結果、触媒層２７４でパルスレーザ光の透過性を維持できるため、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量を維持することができる。
【0107】
よって、レーザ装置１１は、光学窓２７１の入射面２７１ａに反射防止膜２７３を有し、出射面２７１ｂに触媒層２７４を有することで、燃焼室１４内でプラズマを安定して発生させることができる。これにより、燃焼室１４内で安定して点火させることができる。
【0108】
また、本実施形態では、反射防止膜２７３は、光学窓２７１の入射面２７１ａから光学窓保持部材２７２の入射側端面２７２ａに跨がって形成され、触媒層２７４は、出射面２７１ｂから出射側端面２７２ｂに跨がって形成されている。これにより、反射防止膜２７３および触媒層２７４をレーザ光の通過する面に対して確実に形成することができると共に、反射防止膜２７３および触媒層２７４の形成に要する費用を抑えることができる。
【0109】
さらに、本実施形態では、反射防止膜２７３の表面粗さＲａを１００ｎｍ以下とすることで、反射防止膜２７３の入射面に入射したレーザ光の一部が反射することをさらに抑制することができる。これにより、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量が低下することを軽減することができるので、燃焼室１４内でプラズマをさらに安定して発生させることができる。
【0110】
また、本実施形態では、触媒層２７４の厚さを１μｍ以下としている。これにより、触媒層２７４におけるレーザ光の透過率の低下を抑制できるので、レーザ光の高い透過率を維持できる。
【0111】
また、本実施形態では、触媒層２７４を形成する光触媒の粒子の平均粒子径を１００ｎｍ以下とすることで、触媒層２７４が光触媒機能を発揮しつつ、触媒層２７４におけるレーザ光の透過性を維持することができる。
【0112】
エンジン１０（図１参照）は、レーザ装置１１を備えているので、燃焼効率を安定して維持することができる。これにより、エンジン１０（図１参照）の性能を安定させることができる。
【0113】
（変形例）
なお、本実施形態では、光学窓２７１は、反射防止膜２７３および触媒層２７４の両方を備えているが、どちらか一方のみを備えてもよい。例えば、本実施形態では、反射防止膜２７３が光学窓２７１の入射面２７１ａ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。
【0114】
本実施形態では、光学窓２７１の入射面２７１ａは、図３に示すように、光学窓保持部材２７２の入射側端面２７２ａと略同一平面上となるように設計されているが、これに限定されない。例えば、入射面２７１ａは、図４Ａに示すように、光学窓保持部材２７２の入射側端面２７２ａよりも入射方向（－Ｚ軸方向）である第３集光光学系２６側に突出していてもよい。この場合でも、光学窓２７１の入射面２７１ａには、表面粗さＲａが小さい反射防止膜２７３を形成することができる。これにより、反射防止膜２７３の入射面２７３ａの全面において、反射防止膜２７３に入射したレーザ光の透過率が低下することを抑制できる。そのため、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量が低下することをさらに安定して軽減できる。また、光学窓２７１に入射したレーザ光の一部が反射され、第３集光光学系２６などに集光することを抑制できるので、第３集光光学系２６など光学部材が損傷することを防ぐことができる。
【0115】
また、入射面２７１ａは、図４Ｂに示すように、入射側端面２７２ａに対してへこんだ位置に設けられていてもよい。へこんだ位置とは、光学窓２７１の入射面２７１ａまたは出射面２７１ｂが光学窓保持部材２７２の端部（入射側端面２７２ａまたは出射側端面２７２ｂ）よりも光学窓保持部材２７２の内側に窪んだ状態となるように、光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃに設けられることを意味する。図４Ｂでは、入射面２７１ａは、光学窓保持部材２７２の入射側端面２７２ａよりも出射方向（＋Ｚ軸方向）側となるように光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃに設けられ、光学窓保持部材２７２の内側に窪んだ状態で設けられている。この場合、光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃが、光学窓２７１の入射面２７１ａの位置から外側、つまり入射方向（－Ｚ軸方向）にかけて拡径するように（一例として、テーパ状）に形成されている必要がある。光学窓２７１の入射面２７１ａと、光学窓保持部材２７２の、入射面２７１ａの位置から入射方向にかけて形成された拡径部とのなす角は９０°より大きい。例えば、拡径部が図４Ｂに示すようなテーパ状に形成されている場合、光学窓２７１の入射面２７１ａと、光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃのうち入射面２７１ａの位置から入射方向にかけて形成された拡径部２７２ｃ１との間の角度θ１が９０°よりも大きいことが必要であり、１００°以上であることが好ましい。角度θ１は１８０°以上であってもよい。角度θ１が９０°よりも大きければ、入射面２７１ａに形成される反射防止膜２７３の全面において、反射防止膜２７３の厚さのばらつきを小さくできる。拡径部２７２ｃ１は、光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃのうち、光学窓２７１の入射面２７１ａの位置から外側に向けて内径が拡大される面である。拡径部２７２ｃ１は、光学窓保持部材２７２をレーザ光の出射方向（＋Ｚ軸方向）に向かって見た時、拡径部２７２ｃ１の形状は、円形でもよいし四角形などでもよい。
【0116】
ここで、例えば、入射面２７１ａが入射側端面２７２ａよりも出射方向（＋Ｚ軸方向）側に位置するように光学窓２７１が光学窓保持部材２７２に固定されている状態で、入射面２７１ａに反射防止膜２７３を形成するとする。この場合、入射面２７１ａの光学窓保持部材２７２と近い位置は、光学窓保持部材２７２の入射側端面２７２ａの端部の陰になり易い。そのため、入射面２７１ａに、厚さのばらつきが小さい反射防止膜２７３の形成は難しい。よって、反射防止膜２７３の入射面２７３ａに入射したレーザ光の一部は反射され易く、反射防止膜として十分機能しない場合がある。この結果、レーザ光の透過率は低下し、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量が低下する可能性がある。
【0117】
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。光学窓２７１の出射面２７１ｂは、図５Ａに示すように、光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂよりもレーザ光の出射方向（＋Ｚ軸方向）である燃焼室１４側に突出していてもよい。この場合でも、触媒層２７４は、光学窓２７１の出射面２７１ｂに、光学窓保持部材２７２およびロウ付け部２９の影響を受けることなく形成される。また、厚さのばらつきが少なく、厚さの小さい触媒層２７４が容易に形成される。
【0118】
また、出射面２７１ｂは、上記の入射面２７１ａの場合と同様、図５Ｂに示すように、出射側端面２７２ｂに対してへこんだ位置に設けられてもよい。すなわち、出射面２７１ｂは、光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂよりも入射方向（－Ｚ軸方向）側となるように光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃに設けられ、光学窓保持部材２７２の内側に窪んだ状態で設けられてもよい。この場合、光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃが、光学窓２７１の出射面２７１ｂの位置から外側、つまり出射方向（＋Ｚ軸方向）にかけて拡径するように形成されている必要がある。そして、光学窓２７１の出射面２７１ｂと、光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃのうち出射面２７１ｂの位置から出射方向にかけて形成された拡径部２７２ｃ２との間の角度θ２は、角度θ１と同様、９０°よりも大きいことが必要であり、１００°以上であることが好ましい。角度θ２は、１８０°以上であってもよい。角度θ２が９０°よりも大きければ、出射面２７１ｂに形成される触媒層２７４の厚さのばらつきを小さくできる。拡径部２７２ｃ２は、拡径部２７２ｃ１と同様、光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃのうち、光学窓２７１の出射面２７１ｂの位置から外側に向けて内径が拡大される面である。拡径部２７２ｃ２は、拡径部２７２ｃ１と同様、光学窓保持部材２７２をレーザ光の入射方向（－Ｚ軸方向）に向かって見た時、拡径部２７２ｃ１の形状は、円形でもよいし四角形などでもよい。
【0119】
角度θ２が１８０°である場合の一例を、図５Ｃに示す。すなわち、出射面２７１ｂと、光学窓保持部材２７２の拡径部２７２ｃ３との間の角度θ３が１８０°である。この場合も、出射面２７１ｂに形成される触媒層２７４の厚さのばらつきを小さくできる。
【0120】
本実施形態では、光学窓２７１は、図６に示すように、光学窓２７１の入射面２７１ａおよび出射面２７１ｂの外周にテーパ部２７１ｃを設けてもよい。これにより、光学窓２７１と光学窓保持部材２７２とを接合する際に、ロウ材が入り込みやすくなる。なお、テーパ部２７１ｃは、レーザ光が通過しない領域に形成される。また、テーパ部２７１ｃは、入射面２７１ａまたは出射面２７１ｂにのみ形成されていてもよい。
【0121】
光学窓２７１が入射面２７１ａおよび出射面２７１ｂの外周にテーパ部２７１ｃを有する場合、光学窓２７１の出射面２７１ｂは、図７に示すように、光学窓保持部材２７２の出射側端面２７２ｂよりも入射方向（－Ｚ軸方向）に位置してもよい。この場合、光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃに拡径部２７２ｃ２が形成されている必要がある。そして、光学窓２７１の出射面２７１ｂと、出射面２７１ｂと接する光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃのうちレーザ光の光軸に対して最大角度となる面である拡径部２７２ｃ２との間の角度θ２が、９０°よりも大きいことが必要であり、１００°以上であることが好ましい。角度θ２が９０°よりも大きければ、出射面２７１ｂに形成される触媒層２７４の厚さのばらつきを小さくできる。角度θ２が１００°以上であれば、触媒層２７４を出射面２７１ｂにより均一に形成することができる。
【0122】
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よりも入射方向（－Ｚ軸方向）に位置している場合に、光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃに拡径部２７２ｃ２が形成されていないと、図８に示すように、角度θ２が９０°となる。角度θ２が９０°以下であると、触媒層２７４の形成時に光学窓保持部材２７２が邪魔してしまい、触媒層２７４を均一に形成することができない。光学窓２７１の周縁にテーパ部２７１ｃを設けても、出射面２７１ｂが出射側端面２７２ｂよりも入射方向（－Ｚ軸方向）に位置していると、光学窓保持部材２７２の内面２７２ｃに近い場所に形成される触媒層２７４が盛り上がってしまう。そのため、出射面２７１ｂ上に形成される触媒層２７４の均一性が低下する。
【0123】
なお、図６～図８では、テーパ部２７１ｃは、光学窓２７１のレーザ光の入射面２７１ａおよび出射面２７１ｂの両方の外周に設けているが、いずれか一方のみに設けてもよい。
【0124】
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。
【0125】
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。
【0126】
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。
【0127】
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。
【0128】
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おける窓部材として用いることができる。
【0129】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るレーザ装置について、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態は、第１の実施形態に係るレーザ装置は、上記図２および図３に示す第１の実施形態のレーザ装置１１の窓部材２７Ａの構成以外は同様であるため、窓部材の構成についてのみ説明する。
【0130】
図９は、第２の実施形態に係るレーザ装置の窓部材の構成を示す図である。図９に示すように、窓部材２７Ｂは、光学窓２７１と触媒層２７４との間に親水性層２７５を有する。
【0131】
親水性層２７５は、親水性を有する材料で形成されている。親水性を有する材料としては、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｂｉなどの酸化物、窒化物、炭化物、またはフッ化物などを用いることができる。これらの中でも、Ｓｉの酸化物であるシリカ（ＳｉＯ２）を用いることが好ましい。親水性層２７５の材料は、これら一種を単独で用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。
【0132】
光学窓２７１の出射面２７１ｂに親水性層２７５が形成されている場合、触媒層２７４の厚さの最大値は、１μｍよりもさらに小さくすることができる。触媒層２７４の厚さが小さい場合には、上述の通り、触媒層２７４を光学窓２７１の表面に直接形成しても、触媒層２７４は光学窓２７１から剥離し易い傾向にある。本実施形態では、親水性層２７５を予め光学窓２７１の出射面２７１ｂに形成することで、触媒層２７４は親水性の高い面に形成することができる。そのため、触媒層２７４の厚さをより小さくしても触媒層２７４を触媒層２７４の出射側の面に安定して形成することができる。
【0133】
また、親水性層２７５の厚さは、特に限定されるものではなく、波長が１０６４ｎｍのレーザ光に対して高い透過率を有しつつ、光学窓２７１との付着力を維持することができる大きさであればよい。
【0134】
よって、光学窓２７１の出射面２７１ｂに親水性層２７５を形成することにより、触媒層２７４の厚さをさらに小さくすることができるので、触媒層２７４の透明度をさらに高めることができる。これにより、レーザ光の透過率をさらに高くしつつ、光学窓２７１に汚れが付着することを抑制することができる。
【0135】
また、触媒層２７４および親水性層２７５からなる二つの層が、レーザ光の反射を防止するため、触媒層２７４および親水性層２７５の屈折率を考慮して、それぞれ、適正な厚さに調整することが好ましい。光学窓２７１の出射側に触媒層２７４および親水性層２７５からなる二つの層が形成される時、触媒層２７４および親水性層２７５の二つの層の反射率Ｒは、式（３）で表される。また、親水性層２７５の厚さｄＡＲ１は次の式（４）で表され、触媒層２７４の厚さｄＡＲ２は次の式（５）で表される。式中、ｎ０は空気の屈折率（ｎ０＝１）であり、ｎｍは光学窓２７１の屈折率であり、ｎＡＲ１は親水性層２７５の屈折率であり、ｎＡＲ２は触媒層２７４の屈折率であり、λはレーザ光の波長（１０６４ｎｍ）である。
Ｒ＝［（ｎ０×（ｎＡＲ２）２－ｎｍ×（ｎＡＲ１）２／（ｎ０×（ｎＡＲ２)２＋ｎｍ
×（ｎＡＲ１）２］２ ・・・（３）
ｄＡＲ１＝λ／（４×ｎＡＲ１） ・・・（４）
ｄＡＲ２＝λ／（４×ｎＡＲ２） ・・・（５）
【0136】
上記式（３）式から分かるように、触媒層２７４および親水性層２７５からなる二つの層の反射率Ｒを小さくし、良好な反射防止機能を得るためには、触媒層２７４および親水性層２７５の屈折率差を大きくする必要がある。そのため、触媒層２７４および親水性層２７５は、高い屈折率差を有するように、それぞれの材料を用いることが好ましい。本実施形態では、触媒層２７４および親水性層２７５は、それぞれ、上記式から算出した厚さに調整することで、触媒層２７４および親水性層２７５の二層は、高い反射防止機能を有することができる。
【0137】
親水性層２７５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、光学窓２７１の入射側の面に反射防止膜２７３を形成した後、光学窓２７１の出射面２７１ｂに形成することができる。親水性層２７５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。
【0138】
なお、本実施形態では、親水性層２７５は一層としているが、これに限定されるものではなく、多層でもよい。
【0139】
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態に係るレーザ装置について、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態は、第１の実施形態に係るレーザ装置は、上記図２および図３に示す第１の実施形態のレーザ装置１１の窓部材２７Ａの構成以外は同様であるため、窓部材の構成についてのみ説明する。
【0140】
図１０は、第３の実施形態に係るレーザ装置の窓部材の構成を示す図であり、図１１は、図１０の部分拡大図である。図１０および図１１に示すように、窓部材２７Ｃは、光学窓２７１の出射面２７１ｂに微細構造部３１を有し、微細構造部３１の表面に触媒層２７４が形成されている。微細構造部３１は、複数の凸状の微細構造体（以下、「微細凸構造体」と称する）３１ａを有する。
【0141】
微細凸構造体３１ａは、窓部材２７Ｃの入射側から出射側に向かう方向（＋Ｚ方向）に、断面積が徐々に小さくなる錐形状（テーパ形状）に形成されている。これにより、窓部材２７Ｃと燃焼室１４との界面での屈折率の変化を小さくできるので、該界面でのレーザ光の反射を抑えることができる。
【0142】
微細凸構造体３１ａは、入射するレーザ光（入射光）の波長（例えば、１０６４ｎｍ）よりも短いピッチＰ（頂点間隔）で複数設けられている。なお、本実施形態では、微細凸構造体３１ａ同士の間隔は、隣り合う２つの微細凸構造体３１ａの頂点同士の間隔としているが、隣り合う２つの微細凸構造体３１ａの底面の中心間の距離としてもよい。
【0143】
微細凸構造体３１ａの直径、および微細凸構造体３１ａ同士のピッチＰは、レーザ光の反射率を低下させるため、レーザ光の波長よりも短ければよい。微細凸構造体３１ａの直径は、レーザ光の波長の１／２以下であることが好ましく、５ｎｍ～１０００ｎｍの範囲内であることがより好ましい。微細凸構造体３１ａの直径が、５ｎｍ～１０００ｎｍの範囲内であれば、レーザ光の反射率を十分に低下させることができる。
【0144】
複数の微細凸構造体３１ａのピッチＰは、レーザ光の波長の１／２以下であることが好ましく、１０ｎｍ～２０００ｎｍの範囲内であることがより好ましい。複数の微細凸構造体３１ａの間隔が、１０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲内であれば、レーザ光の反射率を十分に低下させることができる。
【0145】
また、隣接する２つの微細凸構造体３１ａ同士の間には平坦部３３が形成されていることが好ましい。具体的には、平坦部３３の面積は、例えば、微細構造部３１の面積の３０～６０％とする。
【0146】
テーパ形状の微細凸構造体３１ａの具体例を図１２～図１４に示す。図１２に示すように、微細構造部３１Ａでは、高さが約３００ｎｍ、底面の直径が約３００ｎｍの円錐形状の微細凸構造体３１ａ－１が約３００ｎｍの間隔(頂点間隔、底面の中心間距離)で千鳥状に配列されている。
【0147】
図１３に示すように、微細構造部３１Ｂは、高さが約５００ｎｍ、底面の直径が約３００ｎｍの円錐形状の微細凸構造体３１ａ－２が約３００ｎｍの間隔で千鳥状に配列されている。この微細凸構造体３１ａ－２は、微細凸構造体３１ａ－１に比べ、最大径に対する高さの比率が高い高アスペクト比を有する。そのため、微細凸構造体３１ａ－２は、レーザ光に対してより緩やかな屈折率の変化を与えることができるので、反射率をより低くすることができる。
【0148】
図１４に示すように、微細構造部３１Ｃでは、高さ５００ｎｍ、底面が一辺３００ｎｍの正方形の四角雛形状の微細凸構造体３１ａ－３が格子状に配列されている。微細構造部３１Ｃでは、微細凸構造体３１ａ－３同士の間に隙間がなく、屈折率ｎの変化（ｎ2→ｎｋ（＞ｎ1））を確実に小さくできるため、上記微細構造部３１Ａ、３１Ｂよりも、入射光の界面での反射率を低くすることができる。
【0149】
また、微細凸構造体３１ａの形状は、図１５に示すように、釣り鐘形状であっても良いし、図１６に示すように、隣接する２つの微細凸構造体の間隔が等間隔でなくてもよい。なお、便宜上、図１５に示す微細構造部を「微細構造部３１Ｄ」とし、微細凸構造体を「微細凸構造体３１ａ－４」とする。また、図１６に示される微細構造部を「微細構造部３１Ｅ」とし、微細凸構造体を「微細凸構造体３１ａ－５」とする。
【0150】
なお、隣接する２つの微細凸構造体３１ａの間隔が等間隔でない場合でも、微細構造部３１における隣接する２つの微細凸構造体３１ａの平均間隔は、入射光の波長の１／２以下であることが好ましい。微細構造部３１における隣接する２つの微細凸構造体３１ａの間隔は、ガウス分布に従った間隔であることが好ましい。なお、ガウス分布に従った間隔とは、図１７に示すように、ガウス分布の２σ値が波長の１／√２倍以下となる間隔である。
【0151】
微細構造部３１Ａ～３１Ｃは、主に、電子ビームリソグラフィーとエッチングを用いて作製され、微細構造部３１Ｄおよび微細構造部３１Ｅは、主に金属ナノ粒子をマスクとしたエッチング加工により作製される。なお、この他にも、Ｘ線リソグラフィー、フオトリソグラフィーなどを用いて作製することもできる。
【0152】
次に、窓部材２７Ｃの出射面２７１ｂに設けられる微細構造部３１の領域（微細構造部領域）について説明する。
【0153】
微細構造部領域１は、図１８に示すように、出射面２７１ｂにおけるハウジング２８に接合される矩形枠状の平坦領域の内側の領域であって、出射面２７１ｂのビーム通過領域を含む領域である。この場合、出射面２７１ｂを通過する全てのレーザ光（ビーム）が微細構造部領域１に入射し、全てのレーザ光の反射率が低下する。また、出射面２７１ｂに対するレーザ光の通過位置が少しずれても、全てのレーザ光の反射率が低下する。
【0154】
微細構造部領域２は、図１９に示すように、出射面２７１ｂのビーム通過領域と一致する領域である。この場合、出射面２７１ｂを通過する全てのレーザ光が微細構造部領域２に入射し、全てのレーザ光の反射率が低下する。また、出射面２７１ｂのレーザ光が通過する範囲にのみ微細構造部３１を形成すればよいため、加工範囲を狭くすることができる。
【0155】
微細構造部領域３は、図２０に示すように、出射面２７１ｂのビーム通過領域に含まれ、かつ出射面２７１ｂにおける有効ビーム径を最大径とする領域を含む領域である。なお、「有効ビーム径」とは、図２１に示すように、光強度のガウス分布において最大強度（１００％）に対する相対強度が１／ｅ2（１３．５％）の部分のビーム径を意味する。
【0156】
この場合、出射面２７１ｂを通過するレーザ光のうち面発光レーザ２１から出射されるレーザ光の強度変動に実質的に影響する有効ビーム径を最大径とする領域内の全てのレーザ光が微細構造部領域３に入射し、全てのレーザ光の反射率が低下される。また、出射面２７１ｂに対するレーザ光の通過位置が少しずれても、有効ビーム径を最大径とする領域内の全てのレーザ光の反射率が低下される。また、強度変動に実質的に影響するレーザ光が通過する領域にのみ微細構造部３１を形成すればよいため、加工範囲をより狭くできる。
【0157】
微細構造部領域４は、図２２に示すように、出射面２７１ｂ上の有効ビーム径を最大径とする領域に一致する領域である。この場合、出射面２７１ｂを通過するレーザ光のうち、面発光レーザ２１から出射されるレーザ光の強度変動に実質的に影響する有効ビーム径内の全てのレーザ光は微細構造部領域４に入射する。そして、該全てのレーザ光の反射率は低下する。また、有効ビーム径を最大径とする領域内にのみ微細凸構造体３１ａ－４を形成すれば良いため、加工範囲を更により狭くできる。
【0158】
微細構造部領域５は、図２３に示すように、出射面２７１ｂ上の有効ビーム径を最大径とする領域の中心を含む該領域に含まれる領域である。この場合、出射面２７１ｂを通過するレーザ光のうち、有効ビーム径を最大径とする領域内を通過する一部のレーザ光が存在する。該一部のレーザ光は、最大強度のレーザ光を含む強度が大きいレーザ光であり、面発光レーザ２１により強度は大きく変動しやすい。該一部のレーザ光は、微細構造部領域５に入射し、該一部のレーザ光の反射率は低下する。また、有効ビーム径を最大径とする領域よりも小さい範囲にのみ微細凸構造体３１ａ－５を形成すればよいため、加工範囲を更により一層狭くできる。
【0159】
本実施形態では、微細構造部領域は、上記微細構造部領域１～微細構造部領域５のいずれかとなるように設定されている。
【0160】
このように、本実施形態の窓部材２７Ｃは、出射面２７１ｂに微細構造部３１を備えることにより、窓部材２７Ｃの出射面２７１ｂでのレーザ光の反射を抑制することができると共に、汚れの付着抑制を図ることができる。
【0161】
微細構造部３１の効果について詳細に説明する。
【0162】
光学窓２７１に微細構造部３１が形成されていない窓部材（従来の窓部材）では、図２４に示すように、光学窓２７１と燃焼室１４内の雰囲気の界面では屈折率変化（ｎ2→ｎ1）が急激である。なお、図２４中、光学窓２７１の屈折率はｎ２とし、燃焼室１４の雰囲気の屈折率はｎ１とする。そのため、入射するレーザ光の該界面での反射率が高くなる。
【0163】
そのため、従来の窓部材では、上記界面で入射したレーザ光の一部が反射され、窓部材内で集光する場合がある。これにより、光学窓２７１が変質したり、燃焼室１４内で発生する煤などが窓部材に付着する可能性がある。また、光学窓２７１に入射したレーザ光の一部が反射され、レーザ媒質２５１や面発光レーザ２１に戻ることにより、レーザ装置１１から出射されるレーザ光の強度が変動する可能性がある。また、燃焼室１４内で発生した煤などが光学窓２７１に付着し、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量が減少する可能性がある。
【0164】
また、従来の窓部材では、窓部材に入射したレーザ光の一部が反射することを低減するため、窓部材に反射防止膜を形成する方法が用いられる。しかし、点火装置では、窓部材が燃焼室に臨んで設けられているため、高温（例えば、約６００℃）に晒されることで、反射防止膜が変質してしまう場合がある。そのため、出射面２７１ｂを反射防止膜が有効に機能しない可能性がある。
【0165】
これに対し、本実施形態の窓部材２７Ｃは、窓部材２７Ｃの出射面２７１ｂに、レーザ光（入射光）の波長よりも短い間隔で微細凸構造体３１ａを複数備えた微細構造部３１を有する。そして、微細凸構造体３１ａは、入射側から出射側へ向かう方向に、断面（横断面）が徐々に小さくなるテーパ形状に形成されている。そのため、図２５および図２６に示すように、窓部材２７Ｃと燃焼室１４との界面での屈折率ｎの変化（ｎ2→ｎｋ（＞ｎ1））が緩やかになるように屈折率を連続的に変化させることができる。これにより、該界面でのレーザ光の反射率を低下させることができるので、該界面でのレーザ光の反射率を低くすることができる。また、微細凸構造体３１ａの凸方向の長さが、最大径よりも長い場合には、屈折率変化をより緩やかにでき、反射率をより低下させることができる。
【0166】
よって、本実施形態では、レーザ光が窓部材２７Ｃの内部に集光して窓部材２７Ｃが変質して透過率が低下することや、レーザ光がレーザ媒質２５１や面発光レーザ２１に戻ることを抑制することができる。これにより、レーザ光の強度が変動するのを抑制できる。
【0167】
また、微細構造部３１により、燃焼室１４内で発生する煤などが微細凸構造体３１ａ同士の間に入り込み難くなるので、微細凸構造体３１ａへの煤などの付着力を弱めることができる。これにより、微細構造部３１への煤などの付着を仰えることができる。よって、窓部材２７Ｃは、微細構造部３１により煤などの付着を仰えつつ、微細構造部３１の出射側に設けられている触媒層２７４の表面に付着した煤などを分解することができる。そのため、窓部材２７Ｃの汚染をより効率良く防止することができる。この結果、第３集光光学系２６から出射されるレーザ光の透過性をより安定して維持し、レーザ光の強度の変動をより抑制することができるので、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量をさらに安定して維持することができる。
【0168】
また、本実施形態では、光学窓２７１は、耐熱性および耐圧性が高い材料で形成されているので、微細構造部３１が燃焼室１４に晒される位置に配置されていても、微細構造部３１の変形は生じない。そのため、本実施形態の窓部材２７Ｃは、微細構造部３１が形成されていない場合に比べ、出射面２７１ｂにおけるレーザ光の反射をより安定して抑制することができる。
【0169】
また、窓部材２７Ｃは、複数の微細凸構造体３１ａの中心間隔が略一定であることが好ましい。これにより、窓部材２７Ｃは、微細凸構造体３１ａが形成された全域で略均一な反射率低減効果を得ることができる。
【0170】
このように、本実施形態に係るレーザ点火装置は、窓部材２７Ｃを備えているので、反射防止膜２７３および光学窓２７１でのレーザ光の反射を抑制することができる。よって、本実施形態に係るレーザ点火装置によれば、燃焼室１４内に入射するレーザ光の光量が低下することをさらに安定して抑制することができる。
【0171】
なお、窓部材２７Ｃに形成される微細凸構造体３１ａは、入射光の波長よりも短い間隔（例えば、頂点間隔）で並ぶ凸状の構造であれば、形状、大きさ、配列は、特に限定されるものではない。
【0172】
本実施形態では、微細凸構造体３１ａの形状が錐形状であ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。例えば、微細凸構造体３１ａの形状は、楕円錐形状、正四角錐形状以外の多角錐形状、円錐台形状、楕円錐台形状、多角錐台形状などのテーパ形状であってもよい。また、微細凸構造体３１ａの形状は、例えば、円柱形状、楕円柱形状、多角柱形状などであってもよい。
【0173】
また、微細凸構造体３１ａは、縦断面（出射方向に平行な断面）の側面は、湾曲していてもよい。
【0174】
本実施形態では、微細凸構造体３１ａは、テーパ形状のように、出射方向に断面が徐々に小さくなるものとしているが、これに限定されず、出射方向に断面積が段階的に小さくなる形状であってもよい。
【0175】
本実施形態では、複数の微細凸構造体３１ａは、それぞれ、同じ形状および大きさとしているが、これに限定されず、複数の微細凸構造体３１ａは、互いに形状や大きさが異なっていてもよい。
【0176】
本実施形態では、微細構造部３１は、複数の微細凸構造体３１ａを規則的に配列しているが、複数の微細凸構造体３１ａの間隔が入射光の波長よりも短い構造であれば、複数の微細凸構造体３１ａの間隔は規則的に配列していなくてもよい。
【0177】
次に、微細構造部３１の変形例について説明する。
【0178】
変形例１を図２７に示す。図２７に示す変形例１の窓部材２７Ｃ－１のように、出射面２７１ｂに、凹状の微細構造体（以下、「微細凹構造体」と称する）３１ｂを形成してもよい。このとき、微細凹構造体３１ｂと触媒層２７４の合わせた深さｈ、ピッチＰとなるようにする。微細凹構造体３１ｂは、窓部材２７Ｃ－１の一面の複数箇所をエッチングして、複数の微細凹構造体３１ｂを形成することで得られる。変形例１でも、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0179】
変形例２を図２８に示す。図２８に示す変形例２の窓部材２７Ｃ－２のように、微細構造部３１を、入射端面（入射側の面）に深さｈ、ピッチＰとなるように形成してもよい。変形例２では、ハウジング２８内の雰囲気と窓部材２７Ｃ－２の入射端面との界面での屈折率変化をｎ3→ｎ2よりも緩やかに（ｎ3→ｎi（＞ｎ2））できる。そのため、入射端面での反射を抑えることができ、レーザ媒質２５１や面発光レーザ２１へレーザ光が戻ることを抑制でき、結果としてレーザ光の強度変動を抑制できる。
【0180】
変形例３を図２９に示す。図２９に示す変形例３の窓部材２７Ｃ－３のように、微細凹構造体３１ｂを、入射端面に深さｈ、ピッチＰで形成してもよい。具体的には、光学窓２７１の一面の複数箇所をエッチングして、複数の微細凹構造体３１ｂを形成してもよい。変形例３でも、ハウジング２８内の雰囲気と光学窓２７１の入射端面との界面での屈折率変化をｎ3→ｎ2よりも緩やかに（ｎ3→ｎi（＞ｎ2））できる。これにより、入射端面での反射を抑えることができる。そのため、レーザ媒質２５１や面発光レーザ２１へレーザ光が戻ることを抑制でき、結果としてレーザ光の強度変動を抑制できる。
【0181】
変形例４を図３０に示す。図３０に示す変形例４の窓部材２７Ｃ－４のように、微細凸構造体３１ａを、出射面２７１ｂおよび入射端面に形成してもよい。このとき、出射面２７１ｂ側では、微細凹構造体３１ｂと触媒層２７４の合わせた状態で深さｈ、ピッチＰとなるようにする。入射端面側では、微細凹構造体３１ｂを深さｈ、ピッチＰで形成してもよい。変形例４では、出射面２７１ｂおよび入射端面での反射を抑えることができるので、窓部材の変質およびレーザ媒質２５１や面発光レーザ２１へレーザ光が戻ることを抑制できる。これにより、レーザ光の強度変動をさらに抑制することができる。
【0182】
変形例５を図３１に示す。図３１に示す変形例５の窓部材２７Ｃ－５のように、微細凸構造体３１ａの形状が、柱形状であってもよい。この場合であっても、従来よりも、反射光を低減させることができる。そのため、耐熱性の向上と反射光の低減とを両立させることができる。なお、柱形状として、円柱形状、楕円柱形状、四角柱形状、多角柱形状などがある。
【0183】
変形例６を図３２に示す。図３２に示す変形例６の窓部材２７Ｃ－６のように、隣接する２つの微細凸構造体３１ａの間隔がほぼ０であってもよい。すなわち、上記実施形態における平坦部３３が設けられていなくてもよい。この場合であっても、従来よりも、反射光を低減させることができる。そこで、耐熱性の向上と反射光の低減とを両立させることができる。
【0184】
なお、上記変形例１～６において、出射面２７１ｂにおける微細凸構造や微細凹構造が形成される領域は、上述した微細構造部領域１～６と同様の領域とすることが可能である。
【0185】
また、上記変形例４では、微細凸構造同土や微細凹構造同土の位置が揃っているが、ずれていてもよい。
【0186】
また、微細構造部領域は、円形に限らず、楕円形、多角形などの他の形状であってもよい。
【0187】
なお、本実施形態においては、微細凸構造および微細凹構造を窓部材２７Ｃに形成しているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、触媒層２７４に微細凸構造および微細凹構造を形成するようにしてもよい。
【0188】
また、本実施形態においては、微細構造部３１の表面に触媒層２７４を形成しているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、微細構造部３１と触媒層２７４との間に、上記の図９に示す第２の実施形態において説明した親水性層２７５を設けてもよい。
【0189】
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】
【0190】
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
２７Ａ～２７Ｃ 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
２７２ｃ１、２７２ｃ２ 拡径部
２７２ａ 入射側の端部（入射側端面）
２７２ｂ 出射側の端部（出射側端面）
２７３ 反射防止膜
２７４ 触媒層
２７５ 親水性層
２８ ハウジング
２９ ロウ付け部
３０ 溶接部
３１、３１Ａ～３１Ｅ 微細構造部
３１ａ、３１ａ－１～３１ａ－５ 凸状の微細構造体（微細凸構造体）
３１ｂ 凹状の微細構造体（微細凹構造体）
θ１～θ３ 角度
【先行技術文献】
【特許文献】
【0191】
【文献】特開２０１６－１０９１２８号公報
【文献】特開２０１５－１１５８号公報
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
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