受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置及びレーザ着火装置
【課題】 本発明の課題は、小型化を達成しつつ、高効率のレーザ光を発振することのできる受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置及びレーザ着火装置を提供することである。
【解決手段】 本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置は、増幅媒体を保持する第１冷却ホルダと可飽和吸収体を保持する第２冷却ホルダとが一体化された冷却ユニットを備え、前記増幅媒体と前記可飽和吸収体とは、前記増幅媒体を通過する光が前記可飽和吸収体に入射可能に空間を介して配置され、前記冷却ユニットの軸線方向に直交する投影面に前記空間を投影したときに形成される空間投影領域は、前記投影面に増幅媒体を投影したときに形成される増幅媒体投影領域と前記投影面に可飽和吸収体を投影したときに形成される可飽和吸収体投影領域とを含む面積を有することを特徴とする。
【解決手段】 本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置は、増幅媒体を保持する第１冷却ホルダと可飽和吸収体を保持する第２冷却ホルダとが一体化された冷却ユニットを備え、前記増幅媒体と前記可飽和吸収体とは、前記増幅媒体を通過する光が前記可飽和吸収体に入射可能に空間を介して配置され、前記冷却ユニットの軸線方向に直交する投影面に前記空間を投影したときに形成される空間投影領域は、前記投影面に増幅媒体を投影したときに形成される増幅媒体投影領域と前記投影面に可飽和吸収体を投影したときに形成される可飽和吸収体投影領域とを含む面積を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置及びレーザ着火装置に関し、特に増幅媒体と可飽和吸収体とを冷却する冷却ユニットを有する受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置及びこの受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を有するレーザ着火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置は、共振器を受動Ｑスイッチ発振させて高エネルギーのパルスを発生することのできるレーザ発振装置であり、多数の文献に記載されている。例えば特許文献１には、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の基本的な構造が記載されており、第１の鏡と第２の鏡との間に利得媒体と可飽和吸収器とが設置されて成る受動Ｑスイッチレーザが記載されている。
【０００３】
受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置では、利得媒体に入射された光エネルギーの一部が熱エネルギーに変わることにより利得媒体内に温度勾配が生じ、これによって利得媒体内に屈折率の分布が生じ、利得媒体がレンズと同様の挙動を示すことがある。このような現象は熱レンズ効果と呼ばれており、想定外のレンズが装置内部に挿入された場合と同様の状態となるので、この熱レンズ効果により通常はレーザ発振の効率が低下する。
【０００４】
特許文献２には、冷却機構を有するマイクロレーザ装置が記載されている。すなわち、特許文献２の請求項１には、「光学的励起利得媒体層と、過飽和吸収体層と、光軸を有する空洞共振器を形成するために利得媒体および過飽和吸収体層を囲んで配置される第１および第２の反射器と、空洞共振器外側の光軸上の光透過性材料の熱拡散器と、前記レーザ共振器の縦方向励起のために配置された利得媒体によって吸収される波長の光学的励起光と、を含む一体型ボディを備えたマイクロレーザ装置。」が記載されている。そして、請求項１４、１５及び１９には、熱拡散器がサファイア、ガーネット、フッ化物、オルトバナジウム、タングステン酸塩、またはオキソホウ酸塩（oxyborate）族の一員である単結晶材料、Co:スピネルであることが記載されている。また、段落番号００３８及び図５には、励起光が入射する位置に孔が設けられたアルミニウム板５１１が設置され、これがヒートシンクとして用いられることが記載されている。
【０００５】
特許文献２に代表されるように、冷却機構が備えられているレーザ発振装置がいくつか開示されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、なお冷却性能の優れた冷却機構を備えたレーザ発振装置の開発が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表平９−５０８７５５号公報
【特許文献２】特開２００８−２５８６２７号公報
【特許文献３】特開２００２−７６４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、小型化を達成しつつ、高効率のレーザ光を発振することのできる受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置及びレーザ着火装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段は、
（１）増幅媒体を保持する第１冷却ホルダと可飽和吸収体を保持する第２冷却ホルダとが一体化された冷却ユニットを備え、
前記増幅媒体と前記可飽和吸収体とは、前記増幅媒体を通過する光が前記可飽和吸収体に入射可能に空間を介して配置され、
前記冷却ユニットの軸線方向に直交する投影面に前記空間を投影したときに形成される空間投影領域は、前記投影面に増幅媒体を投影したときに形成される増幅媒体投影領域と前記投影面に可飽和吸収体を投影したときに形成される可飽和吸収体投影領域とを含む面積を有することを特徴とする受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置であり、
前記（１）の好ましい態様は、
（２）前記第１冷却ホルダと前記第２冷却ホルダとは、冷却媒体が流通する流路を備えることを特徴とする前記（１）に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置であり、
（３）前記第１冷却ホルダは、励起光が入射される側に配置され、
前記第１冷却ホルダにおける前記流路は、前記増幅媒体における励起光が入射される側の面である入射面を含む平面よりも入射方向側に配置されることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置であり、
（４）前記平面に前記流路を投影したときに形成される流路投影領域は、少なくともその一部が前記入射面に含まれることを特徴とする前記（３）に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置であり、
（５）前記増幅媒体は、前記第１冷却ホルダを形成する部材のみを介して、前記冷却媒体により冷却されることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置であり、
（６）前記第１冷却ホルダと前記第２冷却ホルダとは、互いの結合角度を微調整可能にする中間部材を介して一体化されることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置であり、
前記課題を解決するための他の手段は、
（７）前記（１）〜（６）のいずれか１つに記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を有するレーザ着火装置であり、
（８）励起光を出力する励起光源と、前記励起光を集光する励起光学系ユニットと、前記励起光学系ユニットで集光された励起光に基づいてレーザ光を出力する前記（１）〜（６）のいずれか１つに記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置と、前記受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置から出力されたレーザ光を集光させる出力光学系ユニットとを有するレーザ着火装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置は、増幅媒体を保持する第１冷却ホルダと可飽和吸収体を保持する第２冷却ホルダとが一体化された冷却ユニットを備え、増幅媒体と可飽和吸収体とが相対向するように空間をもって配置され、冷却ユニットの軸線方向における前記空間の空間投影領域が、前記投影面に増幅媒体を投影したときに形成される増幅媒体投影領域と前記投影面に可飽和吸収体を投影したときに形成される可飽和吸収体投影領域とを含む面積を有するように冷却ユニットが形成されて成る。したがって、増幅媒体と可飽和吸収体とを近接配置させることで小型化を達成しつつも、第１冷却ホルダと第２冷却ホルダとを一体化させるように固定する際に、増幅媒体と可飽和吸収体とに締め付け応力が生じるのを防止し、さらに固定後に外部から加えられる負荷が増幅媒体と可飽和吸収体とに影響を及ぼすのを防止することができる。また、増幅媒体と可飽和吸収体とを個別に冷却することができるので、それぞれを確実に冷却して熱レンズ効果を低く抑えることができる。したがって、小型化を達成しつつ、高効率のレーザ光を発振することのできる受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を提供することができる。
【００１０】
第１冷却ホルダが、励起光が入射される側に配置され、かつ冷却媒体が流通する流路を備え、この流路が増幅媒体における励起光が入射される側の面である入射面を含む平面よりも入射方向側に配置され、前記平面に前記流路を投影したときに形成される流路投影領域の少なくとも一部が前記入射面に含まれるように形成されていると、温度が上昇しやすい入射面を効果的に冷却することができるので、増幅媒体を確実に冷却することができる。したがって、熱レンズ効果による影響が小さくて、高効率のレーザ光を発振することのできる受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を提供することができる。
【００１１】
また、増幅媒体が、第１冷却ホルダを形成する部材のみを介して水により冷却されると、増幅媒体をより確実に冷却することができる。
【００１２】
さらに、第１冷却ホルダと第２冷却ホルダとが、互いの結合角度を微調整可能にする中間部材を介して一体化されていると、第１冷却ホルダと第２冷却ホルダとの結合角度及び増幅媒体に対する可飽和吸収体の角度を、容易に微調整することができる。
【００１３】
前記受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を有するレーザ着火装置もまた、小型化を達成しつつ、高効率のレーザ光を発振することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の一実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置における入射面Ｐ１と流路投影領域Ｑ１であり、図２（ｂ）は、図１に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置における出力面Ｒ１と流路投影領域Ｓ１である。
【図３】図３は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図４】図４は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図５】図５は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図６】図６は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図７】図７は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図８】図８は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図９】図９（ａ）は、図８に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置における入射面Ｐ７と流路投影領域Ｑ７であり、図９（ｂ）は、図８に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置における出力面Ｒ７と流路投影領域Ｓ７である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を有するレーザ着火装置を示す説明図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施例であるレーザ着火装置を内燃機関の気筒に装着した場合の気筒の模式図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施例であるレーザ着火装置に備えられた制御装置を説明するための構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
まず、図１を参照しつつ本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の一実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置について説明する。図１は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の一実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。この実施形態の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１は、増幅媒体２を保持する第１冷却ホルダ３と可飽和吸収体４を保持する第２冷却ホルダ５とが一体化された冷却ユニット10を備えている。この実施形態において、第１冷却ホルダ３が軸線Ｃの後方側に第２冷却ホルダ５が軸線Ｃの先端側に配置されており、この受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１における軸線Ｃの後方側に配置されている励起光源（図示なし。）から出力された励起光が入射孔11を通過して増幅媒体２に入射される。増幅媒体２における励起光が入射される側の入射面Ｐ１には反射鏡６を形成する多層膜誘電体がコーティングされており、可飽和吸収体４における増幅媒体２が配置されている側の面とは反対側の面である出力面Ｒ１には出力鏡７を形成する多層膜誘電体がコーティングされており、端面励起型の共振器を形成している。
ここで、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とが一体化されるとは、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とが強固に結合されていることである。
また、軸線Ｃは、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とを通る直線であり、両者が結合される方向に直交する平面で切断したときに現れる、複数の断面の重心を結んだ線である。
【００１６】
第１冷却ホルダ３は、円盤状であり、第２冷却ホルダ５に対向する側の面にその軸線Ｃと同軸である円盤状の凹部８を有し、この凹部８に増幅媒体２が保持されている。第１冷却ホルダ３における軸線Ｃの先端方向側の端面には、この凹部８より大きい直径を有する円盤状の段部９が形成されており、この段部９の内周面に螺子が切られている。第１冷却ホルダ３は、励起光が増幅媒体２に入射できるように、軸線Ｃと同軸である円柱状の入射孔11を有し、この入射孔11は第１冷却ホルダ３を貫通するように形成されている。
【００１７】
第２冷却ホルダ５は、円盤状であり、第１冷却ホルダ３に対向する側の面にその軸線Ｃと同軸であり、かつ第１冷却ホルダ３における凹部８の外径と同一の内径を有する円環状の凸部12を有し、この凸部12の内周面13に当接するように可飽和吸収体４が保持されている。この円環状の凸部12の外周面14には螺子が切られている。この凸部12の外周面14に切られている螺子と第１冷却ホルダ３の段部９の内周面に切られている螺子とが螺合されることにより、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とが一体化され、強固に固定される。第２冷却ホルダ５は、レーザ光が出力できるように、軸線Ｃと同軸である円柱状の出力孔15を有し、この出力孔15は第２冷却ホルダ５を貫通するように形成されている。
【００１８】
増幅媒体２と可飽和吸収体４とは、相対向するように空間16をもって配置されている。増幅媒体２に入射された励起光の一部は増幅媒体２で吸収されずに可飽和吸収体４に入射される。軸線Ｃ方向に直交する投影面にこの空間16を投影したときに形成される空間投影領域Ｇ１は、前記投影面に増幅媒体２を投影したときに形成される増幅媒体投影領域Ｅ１と前記投影面に可飽和吸収体４を投影したときに形成される可飽和吸収体投影領域Ｆ１とを含む面積を有する。換言すると、増幅媒体２と可飽和吸収体４とが相対向する面である増幅媒体端面28及び可飽和吸収体端面29同士は接触することなく、所定距離だけ離して配置され、かつ、増幅媒体２と可飽和吸収体４とにおける軸線Ｃに直交する方向の最大断面積よりも大きい断面積を有する空間が増幅媒体２と可飽和吸収体４との間に存在している。以下において、増幅媒体投影領域Ｅ１と可飽和吸収体投影領域Ｆ１との両方を含む最小面積を固体投影領域ＥＦ１と称することがある。この実施形態においては、増幅媒体投影領域Ｅ１と可飽和吸収体投影領域Ｆ１とが一致しているので、増幅媒体投影領域Ｅ１と可飽和吸収体投影領域Ｆ１と固体投影領域ＥＦ１とは一致している。増幅媒体投影領域Ｅ１と可飽和吸収体投影領域Ｆ１とが一致しない場合であっても、空間投影領域Ｇ１が、固体投影領域ＥＦ１を含むことのできる大きさを有していれば良い。なお、図１においては、これらの投影領域が断面ではなく模式的に示されている。
【００１９】
このような空間16が存在することによって、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とを一体化させるように固定する際に、増幅媒体２と可飽和吸収体４とに締め付け応力が生じるのを防止し、さらに固定後に外部から加えられる負荷が増幅媒体２と可飽和吸収体４とに影響を及ぼすのを防止することができる。したがって、増幅媒体２と可飽和吸収体４とにかけられる応力を低減することができるので、高品質のレーザ光を発振することができる。
【００２０】
本実施形態においては、増幅媒体２と可飽和吸収体４とは所定距離離して配置されているが、その距離は少なくとも互いに応力を及ぼさない程度で良い。したがって、光軸方向の長さを短くすることができるので、小型化した受動Ｑスイッチ固定レーザ発振装置を提供することができる。増幅媒体２と可飽和吸収体４とを本実施形態のように近接配置した場合には、増幅媒体２だけでなく可飽和吸収体４にも温度勾配が生じて熱レンズ効果が発生するおそれがある。しかし、本発明に係る受動Ｑスイッチ固定レーザ発振装置は、増幅媒体２と可飽和吸収体４とを個別に冷却することができるので、増幅媒体２と可飽和吸収体４とを確実に冷却することができる。その結果、熱レンズ効果の発生を防止することができるので、高効率のレーザ光を発振することのできる受動Ｑスイッチ固定レーザ発振装置を提供することができる。
【００２１】
第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とは、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とを冷却するための冷却媒体が流通する第１流路17と第２流路18とをそれぞれ有する。第１流路17と第２流路18とは、増幅媒体２と可飽和吸収体４とを冷却することができる限り、流路の形状、太さ及び配置等は特に限定されず、冷却媒体が速やかに流通することのできる形状、太さ及び配置等であることが好ましい。
【００２２】
図２（ａ）は、図１に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の増幅媒体の入射面Ｐ１と、平面Ａ１に第１冷却ホルダに配される流路を投影したときに形成される流路投影領域Ｑ１である。図１及び図２（ａ）に示されるように、この実施形態において、第１冷却ホルダ３における第１流路17は平面Ａ１よりも入射方向側に配置されており、かつ、この平面Ａ１に第１流路17を投影したときに形成される第１流路投影領域Ｑ１は、その面積の一部が入射面Ｐ１に含まれている。増幅媒体２は、その入射面Ｐ１が最も励起光を吸収しやすいので、入射面Ｐ１が最も温度が上昇しやすい。したがって、第１流路17がこのように配置されていると、温度が上昇しやすく、さらに第１冷却ホルダ３に接触されている面積の大きい入射面Ｐ１を効果的に冷却することができるので、増幅媒体２を確実に冷却することができる。
【００２３】
図２（ｂ）は、図１に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の可飽和吸収体の出力面Ｒ１と、平面Ｂ１に第２冷却ホルダに配される流路を投影したときに形成される流路投影領域Ｓ１である。図１及び図２（ｂ）に示されるように、第２冷却ホルダ５における第２流路18は平面Ｂ１よりもレーザ光出力方向側に配置されており、かつこの平面Ｂ１に第２流路18を投影したときに形成される第２流路投影領域Ｓ１は、その面積の一部が出力面Ｒ１に含まれている。可飽和吸収体４は、増幅媒体２において吸収しきれなかった励起光、発振に寄与しない励起光の一部、及び発振光の一部を吸収する残留吸収等により温度が上昇する。したがって、第２流路18がこのように配置されていると、第２冷却ホルダ５に接触されている面積の大きい出力面Ｒ１を効果的に冷却することができるので、可飽和吸収体４を確実に冷却することができる。
【００２４】
第１流路17と第２流路18とを流通する冷却媒体は、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とを冷却することができる限り特に限定されず、例えば、水、空気及びオイル等を挙げることができる。これらの中でも水は、熱容量が大きく取り扱いが容易なので、特に好ましい。
【００２５】
図１に示されるように、増幅媒体２と可飽和吸収体４とは、固定リング19，20により第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とにそれぞれ固定されている。固定リング19，20の形状は、円環状であり、その中心部には発振光が通過できる大きさの孔を有している。また、その外周面にはそれぞれ螺子が切られており、この螺子と第１冷却ホルダ３の凹部８内周面に切られた螺子及び第２冷却ホルダ５の凸部12内周面13に切られた螺子とそれぞれ螺合されている。増幅媒体２は、固定リング19で押圧されて、第１冷却ホルダ３の第１底面21に反射鏡６を介して密着されている。したがって、増幅媒体２から第１冷却ホルダ３へと効果的に放熱することができる。可飽和吸収体４もまた、固定リング20で押圧されて、第２冷却ホルダ５の第２底面22に出力鏡７を介して密着されている。したがって、可飽和吸収体４から第２冷却ホルダ５へと効果的に放熱することができる。
なお、増幅媒体２と第１冷却ホルダ３との間には反射鏡６が存在しているが、反射鏡６は、その厚さが十分に薄いので、増幅媒体２から第１冷却ホルダ３への熱伝達性に影響を与えることはほとんどない。出力鏡７についても同様である。
【００２６】
増幅媒体２は、所望のレーザ光を出力することができる限り、公知の光学部品を採用することができる。増幅媒体２は、励起光源（図示せず。）から出力された励起光が照射されることにより、励起され、光の誘導放出を行う材料であり、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ等の希土類元素を添加して成るＹＡＧの単結晶やセラミックス及びバナジウム酸化物が好適に使用される。増幅媒体２の形状は、この実施形態においては、円盤状の凹部８に密着して保持される大きさを有する円盤状であるが、増幅媒体２の形状は、第１冷却ホルダ３の凹部８に密着して保持されることができ、かつ受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１からレーザ光を出力することができる限り特に限定されず、例えば楕円板、多角柱体、半球、多角錐等の形状を挙げることができる。増幅媒体２の大きさもまた、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１が要求される性能に応じて適宜調整することができる。
【００２７】
可飽和吸収体４は、所望のレーザ光を出力することができる限り、公知の光学部品を採用することができる。可飽和吸収体４は、増幅媒体２から誘導放出された光を吸収することにより、光の透過率を変化させることができ、Ｑスイッチとしての機能を有する材料であり、例えば、Ｃｒ４＋：ＹＡＧが好適に使用される。可飽和吸収体４の形状及び大きさもまた、前述した増幅媒体２と同様に、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１が要求される性能に応じて適宜調整することができる。
【００２８】
反射鏡６は、増幅媒体２から発振される発振光を９９％より大きな反射率（ほぼ１００％の反射率）で反射し、励起光を透過するのが好ましい。図１に示すように、本実施形態の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１においては、増幅媒体２における入射面Ｐ１に誘電体多層膜がコーティングされることにより反射鏡６が形成されている。したがって、共振器を構成する部品が減るので、アラインメントが容易になると共に、共振器の光軸方向の長さが短くなるので、高効率のレーザ光を発振することができる。なお、反射鏡６は、後述するように独立した部品として配置されても良い。
【００２９】
出力鏡７は、増幅媒体２から発振される発振光を５〜９８％の反射率で反射するのが好ましく、２０〜９０％の反射率で反射するのが特に好ましく、その残りの発振光は透過する。図１に示すように、本実施形態の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１においては、可飽和吸収体４における出力面Ｒ１に誘電体多層膜がコーティングされることにより出力鏡７が形成されている。したがって、共振器を構成する部品が減るので、アラインメントが容易になると共に、共振器の光軸方向の長さが短くなるので、高効率のレーザ光を発振することができる。なお、出力鏡７は、後述するように独立した部品として配置されても良い。
【００３０】
第１冷却ホルダ３、第２冷却ホルダ５、及び固定リング19，20を形成する材料は、堅牢であり、熱伝導性及び耐熱性を有する材料である限り特に限定されず、例えば、アルミニウム、銅、及びこれらの金属を主成分とする合金等を挙げることができる。
【００３１】
図３に示されるように、この発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置200は、第１冷却ホルダ203と第２冷却ホルダ205とがボルト223とナット224とにより固定され、第１冷却ホルダ203と第２冷却ホルダ205とがＯリング225を介して固定されていること以外は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１と同様に構成されている。
【００３２】
この受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置200は、第１冷却ホルダ203と第２冷却ホルダ205とを貫通し、かつ、軸線Ｃに平行な４つの貫通孔226を有し、これらの貫通孔226にボルト223が貫通され、ナット224で固定されている。また、第１冷却ホルダ203における、軸線Ｃの先端方向側の端面にＯリング225を嵌め込むための円環状の溝227が設けられ、この溝227に中間部材の一例であるＯリング225が嵌めこまれている。この溝227の内径は、段部209の内径よりも大きくなるように形成されている。第１冷却ホルダ203と第２冷却ホルダ205との間に、Ｏリング225が挟持されているので、ボルト223とナット224とにより締め付ける強さを調整すると、第１冷却ホルダ203と第２冷却ホルダ205との間の結合角度ひいては増幅媒体端面228に対する可飽和吸収体端面229の角度を容易に微調整することができる。
なお、結合角度は、例えば、第１冷却ホルダ203における第２冷却ホルダ205に相対向する面である第１端面263と第２冷却ホルダ205における第１冷却ホルダ203に相対向する面である第２端面264との角度を挙げることができる。
また、ボルト223とナット224との数は、第１冷却ホルダ203と第２冷却ホルダ205とが強固に固定される限り特に限定されないが、少なくとも３つ以上設けられるのが好ましい。
【００３３】
図４に示されるように、この発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置300は、反射鏡306と出力鏡307とが第１冷却ホルダ303及び第２冷却ホルダ305における増幅媒体302及び可飽和吸収体304が保持されている面とは反対側の面に保持されていること以外は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置200と同様に構成されている。
【００３４】
第１冷却ホルダ303は、増幅媒体302が保持されている面すなわち第１底面321とは反対側の面に、軸線Ｃと同軸である円環状の反射鏡保持凸部331が設けられ、この反射鏡保持凸部331の内周面332に当接するように反射鏡306が保持されている。反射鏡306は、増幅媒体302と同様にして固定リング333により第１冷却ホルダ303に固定されている。固定リング333の形状は、円環状であり、その中心部には励起光が通過できる大きさの孔を有している。また、固定リング333の外周面には螺子が切られており、この螺子と反射鏡保持凸部331の内周面332に切られた螺子とが螺合される。
【００３５】
第２冷却ホルダ305は、可飽和吸収体304が保持されている面すなわち第２底面322とは反対側の面に、軸線Ｃと同軸である円環状の出力鏡保持凸部334が設けられ、この出力鏡保持凸部334の内周面335に当接するように出力鏡307が保持されている。出力鏡307は、反射鏡306と同様にして固定リング336により第２冷却ホルダ305に固定されている。
【００３６】
反射鏡306と出力鏡307とが、増幅媒体302における励起光が入射される面である入射面Ｐ３と可飽和吸収体304の下流側平面である出力面Ｒ３とにそれぞれ設けられるのではなく、図４に示されるように、それぞれ独立して第１冷却ホルダ303と第２冷却ホルダ305とに保持されていると、入射面Ｐ３と出力面Ｒ３とが第１冷却ホルダ303と第２冷却ホルダ305とにそれぞれ密着して配置されるので、第１流路317と第２流路318とを流通する冷却媒体と増幅媒体302及び可飽和吸収体304それぞれとの間には、冷却ユニット310を形成する部材のみが存在することになる。したがって、増幅媒体302から第１冷却ホルダ303へ、また可飽和吸収体304から第２冷却ホルダ305へとより一層効果的に放熱させることができる。また、ボルト323とナット324とにより締め付ける強さを調整すると、第１冷却ホルダ303と第２冷却ホルダ305との間の結合角度ひいては反射鏡306、増幅媒体302、可飽和吸収体304及び出力鏡307それぞれの相対向する面同士の角度を容易に微調整することができる。
【００３７】
図５に示されるように、この発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置400は、反射鏡406と出力鏡407とがＯリング441，442を介して第１冷却ホルダ403と第２冷却ホルダ405とにそれぞれ保持されており、微調螺子443，444，445，446及びスペーサ447，448が設けられていること以外は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置300と同様に構成されている。
【００３８】
第１冷却ホルダ403は、増幅媒体402が保持されている面すなわち第１底面421とは反対側の面に、軸線Ｃと同軸である円環状の反射鏡保持凸部431が設けられ、この反射鏡保持凸部431の内周面432に当接するように反射鏡406が保持されている。第１冷却ホルダ403における第１底面421とは反対側の面には、軸線Ｃと同軸であり、かつ反射鏡保持凸部431の内径よりも小さい外径を有する円環状の溝449が設けられ、この溝449にＯリング441が嵌め込まれている。反射鏡406は、図４に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置300と同様にして固定リング450により固定されており、反射鏡406と固定リング450との間にはスペーサ447が設けられている。固定リング450には２つの螺子孔451，452が設けられ、この螺子孔451，452に微調螺子443，444が螺合されている。この微調螺子443，444の締め付ける強さを調整することにより、増幅媒体402と可飽和吸収体404との相互の位置を固定した状態で、反射鏡406の出力鏡407に対向する面の角度を調整することができる。この実施形態においては、微調螺子443，444が２つ設けられているが、微調螺子の数は反射鏡406の角度を調整することができる限り特に限定されない。
【００３９】
第２冷却ホルダ405は、可飽和吸収体404が保持されている面すなわち第２底面422とは反対側の面に、軸線Ｃと同軸である円環状の出力鏡保持凸部434が設けられ、この出力鏡保持凸部434の内周面435に当接するように出力鏡407が保持されている。出力鏡407は、反射鏡406と同様にしてＯリング442を介して固定リング456により第２冷却ホルダ405に固定され、固定リング456に設けられた２つの螺子孔454，455に微調螺子445，446が螺合されている。したがって、微調螺子445，446の締め付ける強さを調整することにより、増幅媒体402と可飽和吸収体404との相互の位置を固定した状態で、出力鏡407の反射鏡406に対向する面の角度を調整することができる。
【００４０】
図６に示されるように、この発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置500は、可飽和吸収体504における軸線Ｃに直交する平面で切断したときの断面が、増幅媒体502における軸線Ｃに直交する平面で切断したときの断面よりも大きく、増幅媒体502と可飽和吸収体504とが接着剤で第１冷却ホルダ503と第２冷却ホルダ505とにそれぞれ保持されていること以外は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１と同様に構成されている。
【００４１】
増幅媒体投影領域Ｅ５は、可飽和吸収体投影領域Ｆ５に含まれており、可飽和吸収体投影領域Ｆ５の面積より小さい。したがって、固体投影領域ＥＦ５は、可飽和吸収体投影領域Ｆ５に一致している。固体投影領域ＥＦ５は、空間投影領域Ｇ５に含まれており、空間投影領域Ｇ５の面積より小さい。したがって、第１冷却ホルダ503と第２冷却ホルダ505とを一体化させるように固定する際に、増幅媒体502と可飽和吸収体504とに応力がかかるのを防止することができる。
【００４２】
増幅媒体502と可飽和吸収体504とは、第１底面521と第２底面522とにそれぞれ熱伝導性を有する接着剤により形成される接着剤層561，562を介して接着されている。接着剤層は、増幅媒体502と第１冷却ホルダ503及び可飽和吸収体504と第２冷却ホルダ505それぞれの接触面全面に設けられても良いし、前記接触面の一部にのみ接着剤層が設けられても良いが、増幅媒体502と可飽和吸収体504とから冷却ユニット510への熱伝導が大きくなるように、接着剤層が設けられるのが好ましい。
増幅媒体502と可飽和吸収体504とが接着剤により冷却ユニット510に固定されていると、増幅媒体502と可飽和吸収体504とに応力がかからないので、より一層高品質のレーザ光を発振することができる。
【００４３】
接着剤層561，562を形成する材料は、熱伝導性が良好であり、増幅媒体502及び可飽和吸収体504と冷却ユニット510との接着性が良好である限り特に限定されず、例えば、シリコーン樹脂等により形成される接着剤を挙げることができる。
【００４４】
図７に示されるように、この発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置600は、増幅媒体602における軸線Ｃに直交する平面で切断したときの断面が、可飽和吸収体604における軸線Ｃに直交する平面で切断したときの断面よりも大きく、第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605とが接着剤で一体化されていること以外は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置500と同様に構成されている。
【００４５】
可飽和吸収体投影領域Ｆ６は、増幅媒体投影領域Ｅ６に含まれており、増幅媒体投影領域Ｅ６の面積より小さい。したがって、固体投影領域ＥＦ６は、増幅媒体投影領域Ｆ６に一致している。また、固体投影領域ＥＦ６は、空間投影領域Ｇ６と一致している。また、増幅媒体602と可飽和吸収体604とは所定距離離して配置されている。したがって、第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605とを一体化させるように固定する際に、増幅媒体602と可飽和吸収体604とに応力がかかるのを防止することができる。
【００４６】
第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605とは、接着剤により形成される接着剤層671を介して接着されている。接着剤層671は、第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605とが相対向する２つの面の間であって、増幅媒体602と可飽和吸収体604とが保持されている部分の外周部分に円環状に設けられている。接着剤層は、第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605とが一体化するように強固に固定される限り、第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605との間のいずれに設けられていても良い。
【００４７】
接着剤層671を形成する材料は、第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605とが一体化するように強固に固定される限り特に限定されず、公知の接着剤を使用することができる。
【００４８】
図８に示されるように、この発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置700は、第１冷却ホルダ703及び第２冷却ホルダ705に設けられている第１流路717及び第２流路718の形状及び配置が異なり、第３流路7772が追加して設けられていること以外は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置600と同様に構成されている。
【００４９】
図９（ａ）は、図８に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の増幅媒体の入射面Ｐ７と、平面Ａ７に第１冷却ホルダに配される流路を投影したときに形成される流路投影領域Ｑ71，Ｑ72である。図８及び図９（ａ）に示されるように、第１冷却ホルダ703における第１流路717は、平面Ａ７よりも入射方向側に配置されており、かつ、この平面Ａ７に第１流路717を投影したときに形成される第１流路投影領域Ｑ71は、その全領域が入射面Ｐ７に含まれている。第１冷却ホルダ703における第３流路772は、平面Ａ７よりも出力方向側すなわち軸線Ｃの先端方向側に配置されており、かつ、この平面Ａ７に第３流路772を投影した場合に形成される第３流路投影領域Ｑ72は、その全領域が入射面Ｐ７に含まれていない。一方、軸線Ｃの半径方向に第３流路772を投影した場合に形成される第３流路直交投影領域Ｑ73は、軸線Ｃの半径方向に増幅媒体702を投影した場合に形成される増幅媒体直交投影領域Ｅ73を含んでいる。したがって、増幅媒体702の入射面Ｐ７だけでなく増幅媒体702の半径方向の外周面773からも第１冷却ホルダ703へと熱が伝えられるので、増幅媒体702を確実に冷却させることができる。
【００５０】
図９（ｂ）は、図８に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の可飽和吸収体の出力面Ｒ７と平面Ｂ７に第２流路718を投影したときに形成される流路投影領域Ｓ７である。図８及び図９（ｂ）に示されるように、第２冷却ホルダ705における第２流路718は、軸線Ｃを含む断面を示す図８においては、鉤状であり、軸線Ｃに直交する方向の断面を示す図９（ｂ）においては、円環状である。換言すると、第２流路718は、可飽和吸収体704における出力面Ｒ７とその半径方向の外周面774とに対向する形状を有して配置されている。平面Ｂ７に第２流路718を投影したときに形成される第２流路投影領域Ｓ７は、その面積の一部が出力面Ｒ７に含まれている。一方、軸線Ｃの半径方向に第２流路718を投影した場合に形成される第２流路直交投影領域Ｓ72は、軸線Ｃの半径方向に可飽和吸収体704を投影したときに形成される可飽和吸収体直交投影領域Ｆ72と一部が一致している。第２流路718がこのように配置されていると、出力面Ｒ７だけでなく可飽和吸収体704の外周面774からも第２冷却ホルダ705へと熱が伝えられるので、可飽和吸収体704を確実に冷却させることができる。
【００５１】
本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置は、加工装置、医療機器、及び内燃機関等パルスレーザを用いる用途一般に幅広く使用することができる。本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を内燃機関に使用する場合には、内燃機関の気筒に装着し、燃焼室内にパルスレーザを照射することにより、燃焼室内にある燃料に着火することができるので、内燃機関用のレーザ着火装置として好適に用いることができる。
【００５２】
図１０は、本発明に係るレーザ着火装置の一実施例を示すレーザ着火装置の断面概略説明図である。このレーザ着火装置1000は、励起光を出力する励起光源1081と、この励起光源を制御する制御装置1082と、励起光を伝送する光ファイバ1083と、励起光を集光する励起光学系ユニット1084と、この励起光学系ユニット1084で集光された励起光が入射されて増幅媒体1002を励起させることによりレーザ光を出力する、図１に示された受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１と同様の構成を有する受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001と、この受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001から出力されたレーザ光を集光させる出力光学系ユニット1085とを有する。
【００５３】
励起光源1081は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001における増幅媒体1002に励起光を照射して、増幅媒体1002を励起させることにより受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001から所望のエネルギーを有するパルスレーザを出力させることができる限り特に限定されず、例えば公知の半導体レーザを採用することができる。
【００５４】
光ファイバ1083は、励起光源1081から出力された励起光を伝送し、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001における増幅媒体1002に励起光を照射して、増幅媒体1002を励起させることにより受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001から所望のエネルギーを有するレーザ光を出力させることができる限り特に限定されず、公知の光ファイバを採用することができる。励起光源1081から出力された励起光を、光ファイバ1083を介さずに、励起光学系ユニット1084で集光して増幅媒体1002に照射させても良いが、光ファイバ1083を介して入力部1086から励起光を励起光学系ユニット1084に入射させると、例えば、このレーザ着火装置1000を内燃機関に用いる場合には、励起光源1081を内燃機関から離して設置することができるので内燃機関の熱による影響を受けにくくなるので好ましい。
【００５５】
励起光学系ユニット1084は、励起光が供給される入力部1086と少なくとも一枚のレンズ1087，1088とを有し、励起光を集光して所望のように増幅媒体1002に入射させることができる限り、任意の形状のレンズ、例えば、両凹レンズ、両凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、メニスカス凹レンズ、及びメニスカス凸レンズ等を配置することができる。本実施形態においては、励起光学系ユニット1084は、入力部1086、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001側が凸状の平凸レンズ1087、及び入力部1086側が凸状の平凸レンズ1088が、この順に配置され、入力部1086から入力された励起光がこの二枚の平凸レンズ1087，1088を用いてコリメート後に集光され、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001における反射鏡1006を透過して増幅媒体1002に入射されている。
【００５６】
本実施形態のレーザ発生装置1001における入力部1086は、光ファイバ1083の端部を外周面から保持する筒状部1090と、この筒状部1090の端部に設けられた接続アダプタ1091とにより形成されている。この接続アダプタ1091は、円盤状の蓋体であり、円盤状体の外周部から立ち上がる環状部を有しており、この環状部の内周面1092に切られた螺子が、レンズ1087，1088を収容する第１筐体1093の外周面1094に切られた螺子に螺合されて、光ファイバ1083と励起光学系ユニット1084とが固定される。この筒状部1090には、光ファイバ1083の端部が嵌め込まれ、光ファイバ1083を伝送する励起光が、励起光学系ユニット1084に供給される。また、光ファイバ1083を使用しない場合には、励起光源1081から入力部1086を介して直接に励起光が励起光学系ユニット1084に供給される。
【００５７】
第１筐体1093は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001側の端部外周面1095に切られた螺子と、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001の第１冷却ホルダ1003の端面に設けられている円環状の凸部の内周面1096に切られた螺子とが螺合されて、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001と固定されている。
【００５８】
出力光学系ユニット1085は、少なくとも一枚のレンズ1089を有し、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001から出力されたレーザ光を内燃機関における燃焼室内の所望の位置に所望の集光径で集光させることができる限り、任意の形状のレンズ、例えば、両凹レンズ、両凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、メニスカス凹レンズ、及びメニスカス凸レンズ等を配置することができる。これらのレンズは、第２筐体1097に収容される。本実施形態においては、集光レンズとして受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001側が凸状の平凸レンズ1089が一枚配置されている。
【００５９】
第２筐体1097は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001側の端部外周面1098に切られた螺子と、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001の第２冷却ホルダ1005の端面に設けられている円環状の凸部の内周面1099に切られた螺子とが螺合されて、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001と固定されている。
【００６０】
図１１は、本実施形態のレーザ着火装置を内燃機関の気筒に装着した場合の気筒の模式図である。内燃機関の気筒2000は、シリンダブロック2001とシリンダヘッド2002とピストン2003とにより形成され、シリンダブロック2001とシリンダヘッド2002とピストン2003とにより囲まれて形成される空間が燃焼室2004である。シリンダヘッド2002には燃料と空気との混合気を供給する吸入管2005が接続され、吸入弁2006の開閉により混合気の供給が調節されるように形成されている。また、シリンダヘッド2002には燃焼後の塔内ガスを排出する排気管2007が接続され、排気弁2008の開閉により燃焼後の塔内ガスの排気が調節されるように形成されている。本実施形態のレーザ着火装置1000は、燃焼室2004内の混合気に着火させることができる限り任意の位置に設置することができ、例えば、図１１に示すようにシリンダヘッド2002における吸入弁2006と排気弁2008との間に、本実施形態のレーザ着火装置1000を設置することができる。レーザ着火装置1000から出力されたパルスレーザは燃焼室2004内においてブレークダウンを生じ、パルスレーザの結像点2009を起点に燃焼室2004内の混合気が燃焼する。なお、内燃機関における気筒2000の一例を説明したが、気筒の構成は上記構成に限定されるものではない。
【００６１】
本実施形態のレーザ着火装置が内燃機関用レーザ着火装置として使用される場合には、励起光源の稼動タイミング、励起光の強度等を制御する制御装置を有するのが好ましい。制御装置を有することにより、内燃機関の稼動状態に応じて、所望のタイミングで所望のエネルギーを有するレーザ光を容易にかつ確実に発振させることができる。図１２は、本実施形態のレーザ着火装置の制御装置を説明するための構成図である。本実施形態のレーザ着火装置は、内燃機関の気筒に取り付けられた種々のセンサ3003により得られる信号を解析し、この解析結果に基づいて、励起光源の電源及び励起光の強度等が制御装置3000により制御される。制御装置3000は、演算部3001と制御部3002とにより形成され、内燃機関の気筒に取り付けられた種々のセンサ3003、例えば、クランク角、燃焼室内の圧力、燃焼室内の燃料の濃度、排気管内の排気温度、排気管内の排気中の酸素濃度及び残存燃料濃度等を検知するセンサから送信された信号を演算部3001において解析する。解析された結果は、制御部3002へ送信され、この制御部3002は制御信号を生成し、例えば励起光源3004に制御信号を出力する。この制御信号により、励起光源3004の稼働タイミング及び励起光の強度等が制御される。制御装置3000が設けられていると、内燃機関の気筒内の混合気を適切なタイミングで、着火させることができるので、内燃機関の稼動状況に応じて、所望のように気筒を動作させることができる。
【００６２】
次に、図１０を参照しながら、レーザ着火装置1000の作用について説明する。図１０に示されるように、励起光源1081から出力された励起光は、光ファイバ1083により伝送され入力部1086から励起光学系ユニット1084に入力される。入力された励起光は励起光学系ユニット1084における２枚の平凸レンズ1087，1088により集光され、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001の反射鏡1006を透過して増幅媒体1002に入射される。入射された励起光は増幅媒体1002に吸収されることにより、増幅媒体1002は時間と共に励起され、反転分布密度が上昇し、誘導放出が起こる。増幅媒体1002から発振された光が出力鏡1007と反射鏡1006との間を往復する過程において、可飽和吸収体1004が受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001内部を往復する光を吸収して、可飽和吸収体1004の透過率が上昇するので、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001に貯蔵されたエネルギーと損失されたエネルギーとの比であるＱ値が急激に上昇し、Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001内部を往復する発振光と出力鏡1007を透過するレーザ光とが急激に増加する。出力の急激な増加に伴い、増幅媒体1002の反転分布密度は急激に減少するので、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001内を往復する発振光と出力鏡1007を透過するレーザ光とは短時間のうちに減少に転じるので、出力はジャイアントパルスとなる。
【００６３】
励起光源1081からの励起光が連続して照射される場合には、上記過程が繰り返されるので、本実施形態のレーザ着火装置1000からパルスレーザが所定間隔で出力される。一方、増幅媒体1002の反転分布密度が閾値に達した後に、励起光源1081から出力される励起光を速やかに止めると、単一のパルスレーザとなる。
【００６４】
出力鏡1007から出力されたレーザ光は、平凸レンズ1089により成る集光レンズにより集光されて、気筒2000の燃焼室内に所望の集光径を有する結像点2009が形成される（図１１参照。）。この結像点2009において、諸条件によって決まる閾値より高い電界が生じると、この電界によりブレークダウンを生じ、この結像点2009を起点に燃焼室内の混合気が燃焼する。
【００６５】
上述したように、レーザ着火装置1000からレーザ光が連続して発振されると、増幅媒体1002及び可飽和吸収体1004の温度が上昇し、温度勾配が生じるようになる。しかし、本発明に係るレーザ着火装置は、励起光源1081から励起光を出力するのと同時にあるいはその前から第１流路1017及び第２流路1018に冷却媒体を流通させることにより冷却ユニット1010を所定温度に保持することで、増幅媒体1002及び可飽和吸収体1004の熱を冷却ユニット1010へと効果的に放熱させて、増幅媒体1002及び可飽和吸収体1004の温度が上昇するのを防止している。
【００６６】
本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更をすることができる。
【００６７】
例えば、冷却ユニットの形状は、増幅媒体と可飽和吸収体とを確実に冷却することができる限り特に限定されず、その形状として、例えば円盤状、円柱状、多角柱及び多角体等を挙げることができる。
【００６８】
第１冷却ホルダと第２冷却ホルダとを結合する方法は、がたつきなく強固に固定されて一体化することができる限り特に限定されず、上述した方法以外にも公知の方法を採用することができる。
【００６９】
上述した実施形態における受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置は、第１冷却ホルダが軸線Ｃの後端側すなわち励起光が入射される側に配置されているが、可飽和吸収体が励起光を吸収しない材料により形成されている場合には、第１冷却ホルダが軸線Ｃの先端側すなわちレーザ光が出力される側に配置されていても良い。
【００７０】
本発明に係るレーザ着火装置は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更をすることができる。
【００７１】
例えば、励起光学系ユニットにおけるレンズの種類及び個数は特に限定されず、励起光の増幅媒体に対する入射径及び集光位置を所望のように調整することができれば良い。
【００７２】
出力光学系ユニットにおけるレンズの種類及び個数も特に限定されず、内燃機関の燃焼室内における所望の位置に所望の集光径でパルスレーザの結像点を有するように調整することができれば良い。
【符号の説明】
【００７３】
１,100,200,300,400,500,600,700,1001 受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置
２,102,202,302,402,502,602,702,1002 増幅媒体
３,103,203,303,403,503,603,703,1003 第１冷却ホルダ
４,104,204,304,404,504,604,704,1004 可飽和吸収体
５,105,205,305,405,505,605,705,1005 第２冷却ホルダ
６,106,206,306,406,506,606,706,1006 反射鏡
７,107,207,307,407,507,607,707,1007 出力鏡
８,108,208,308,408,508,608,708,1008 凹部
９,109,209,309,409,509,1009 段部
10,110,210,310,410,510,610,710,1010 冷却ユニット
17,117,217,317,417,517,617,717,1017 第１流路
18,118,218,318,418,518,618,718,1018 第２流路
225,325,425 Ｏリング
1081 励起光源
1082 制御装置
1083 光ファイバ
1084 励起光学系ユニット
1085 出力光学系ユニット
1086 入力部
Ａ１，Ａ７ 平面
Ｂ１，Ｂ７ 平面
Ｅ１，Ｅ５，Ｅ６ 増幅媒体投影領域
Ｆ１，Ｆ５，Ｆ６ 可飽和吸収体投影領域
ＥＦ１，ＥＦ５，ＥＦ６ 固体投影領域
Ｇ１，Ｇ５，Ｇ６ 空間投影領域
Ｐ１，Ｐ３，Ｐ７ 入射面
Ｒ１，Ｒ３，Ｒ７ 出力面
Ｑ１，Ｑ71 第１流路投影領域
Ｓ１，Ｓ７ 第２流路投影領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置及びレーザ着火装置に関し、特に増幅媒体と可飽和吸収体とを冷却する冷却ユニットを有する受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置及びこの受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を有するレーザ着火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置は、共振器を受動Ｑスイッチ発振させて高エネルギーのパルスを発生することのできるレーザ発振装置であり、多数の文献に記載されている。例えば特許文献１には、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の基本的な構造が記載されており、第１の鏡と第２の鏡との間に利得媒体と可飽和吸収器とが設置されて成る受動Ｑスイッチレーザが記載されている。
【０００３】
受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置では、利得媒体に入射された光エネルギーの一部が熱エネルギーに変わることにより利得媒体内に温度勾配が生じ、これによって利得媒体内に屈折率の分布が生じ、利得媒体がレンズと同様の挙動を示すことがある。このような現象は熱レンズ効果と呼ばれており、想定外のレンズが装置内部に挿入された場合と同様の状態となるので、この熱レンズ効果により通常はレーザ発振の効率が低下する。
【０００４】
特許文献２には、冷却機構を有するマイクロレーザ装置が記載されている。すなわち、特許文献２の請求項１には、「光学的励起利得媒体層と、過飽和吸収体層と、光軸を有する空洞共振器を形成するために利得媒体および過飽和吸収体層を囲んで配置される第１および第２の反射器と、空洞共振器外側の光軸上の光透過性材料の熱拡散器と、前記レーザ共振器の縦方向励起のために配置された利得媒体によって吸収される波長の光学的励起光と、を含む一体型ボディを備えたマイクロレーザ装置。」が記載されている。そして、請求項１４、１５及び１９には、熱拡散器がサファイア、ガーネット、フッ化物、オルトバナジウム、タングステン酸塩、またはオキソホウ酸塩（oxyborate）族の一員である単結晶材料、Co:スピネルであることが記載されている。また、段落番号００３８及び図５には、励起光が入射する位置に孔が設けられたアルミニウム板５１１が設置され、これがヒートシンクとして用いられることが記載されている。
【０００５】
特許文献２に代表されるように、冷却機構が備えられているレーザ発振装置がいくつか開示されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、なお冷却性能の優れた冷却機構を備えたレーザ発振装置の開発が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表平９−５０８７５５号公報
【特許文献２】特開２００８−２５８６２７号公報
【特許文献３】特開２００２−７６４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、小型化を達成しつつ、高効率のレーザ光を発振することのできる受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置及びレーザ着火装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段は、
（１）増幅媒体を保持する第１冷却ホルダと可飽和吸収体を保持する第２冷却ホルダとが一体化された冷却ユニットを備え、
前記増幅媒体と前記可飽和吸収体とは、前記増幅媒体を通過する光が前記可飽和吸収体に入射可能に空間を介して配置され、
前記冷却ユニットの軸線方向に直交する投影面に前記空間を投影したときに形成される空間投影領域は、前記投影面に増幅媒体を投影したときに形成される増幅媒体投影領域と前記投影面に可飽和吸収体を投影したときに形成される可飽和吸収体投影領域とを含む面積を有することを特徴とする受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置であり、
前記（１）の好ましい態様は、
（２）前記第１冷却ホルダと前記第２冷却ホルダとは、冷却媒体が流通する流路を備えることを特徴とする前記（１）に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置であり、
（３）前記第１冷却ホルダは、励起光が入射される側に配置され、
前記第１冷却ホルダにおける前記流路は、前記増幅媒体における励起光が入射される側の面である入射面を含む平面よりも入射方向側に配置されることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置であり、
（４）前記平面に前記流路を投影したときに形成される流路投影領域は、少なくともその一部が前記入射面に含まれることを特徴とする前記（３）に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置であり、
（５）前記増幅媒体は、前記第１冷却ホルダを形成する部材のみを介して、前記冷却媒体により冷却されることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置であり、
（６）前記第１冷却ホルダと前記第２冷却ホルダとは、互いの結合角度を微調整可能にする中間部材を介して一体化されることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置であり、
前記課題を解決するための他の手段は、
（７）前記（１）〜（６）のいずれか１つに記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を有するレーザ着火装置であり、
（８）励起光を出力する励起光源と、前記励起光を集光する励起光学系ユニットと、前記励起光学系ユニットで集光された励起光に基づいてレーザ光を出力する前記（１）〜（６）のいずれか１つに記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置と、前記受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置から出力されたレーザ光を集光させる出力光学系ユニットとを有するレーザ着火装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置は、増幅媒体を保持する第１冷却ホルダと可飽和吸収体を保持する第２冷却ホルダとが一体化された冷却ユニットを備え、増幅媒体と可飽和吸収体とが相対向するように空間をもって配置され、冷却ユニットの軸線方向における前記空間の空間投影領域が、前記投影面に増幅媒体を投影したときに形成される増幅媒体投影領域と前記投影面に可飽和吸収体を投影したときに形成される可飽和吸収体投影領域とを含む面積を有するように冷却ユニットが形成されて成る。したがって、増幅媒体と可飽和吸収体とを近接配置させることで小型化を達成しつつも、第１冷却ホルダと第２冷却ホルダとを一体化させるように固定する際に、増幅媒体と可飽和吸収体とに締め付け応力が生じるのを防止し、さらに固定後に外部から加えられる負荷が増幅媒体と可飽和吸収体とに影響を及ぼすのを防止することができる。また、増幅媒体と可飽和吸収体とを個別に冷却することができるので、それぞれを確実に冷却して熱レンズ効果を低く抑えることができる。したがって、小型化を達成しつつ、高効率のレーザ光を発振することのできる受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を提供することができる。
【００１０】
第１冷却ホルダが、励起光が入射される側に配置され、かつ冷却媒体が流通する流路を備え、この流路が増幅媒体における励起光が入射される側の面である入射面を含む平面よりも入射方向側に配置され、前記平面に前記流路を投影したときに形成される流路投影領域の少なくとも一部が前記入射面に含まれるように形成されていると、温度が上昇しやすい入射面を効果的に冷却することができるので、増幅媒体を確実に冷却することができる。したがって、熱レンズ効果による影響が小さくて、高効率のレーザ光を発振することのできる受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を提供することができる。
【００１１】
また、増幅媒体が、第１冷却ホルダを形成する部材のみを介して水により冷却されると、増幅媒体をより確実に冷却することができる。
【００１２】
さらに、第１冷却ホルダと第２冷却ホルダとが、互いの結合角度を微調整可能にする中間部材を介して一体化されていると、第１冷却ホルダと第２冷却ホルダとの結合角度及び増幅媒体に対する可飽和吸収体の角度を、容易に微調整することができる。
【００１３】
前記受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を有するレーザ着火装置もまた、小型化を達成しつつ、高効率のレーザ光を発振することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の一実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置における入射面Ｐ１と流路投影領域Ｑ１であり、図２（ｂ）は、図１に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置における出力面Ｒ１と流路投影領域Ｓ１である。
【図３】図３は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図４】図４は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図５】図５は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図６】図６は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図７】図７は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図８】図８は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。
【図９】図９（ａ）は、図８に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置における入射面Ｐ７と流路投影領域Ｑ７であり、図９（ｂ）は、図８に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置における出力面Ｒ７と流路投影領域Ｓ７である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を有するレーザ着火装置を示す説明図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施例であるレーザ着火装置を内燃機関の気筒に装着した場合の気筒の模式図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施例であるレーザ着火装置に備えられた制御装置を説明するための構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
まず、図１を参照しつつ本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の一実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置について説明する。図１は、本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の一実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を示す断面概要説明図である。この実施形態の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１は、増幅媒体２を保持する第１冷却ホルダ３と可飽和吸収体４を保持する第２冷却ホルダ５とが一体化された冷却ユニット10を備えている。この実施形態において、第１冷却ホルダ３が軸線Ｃの後方側に第２冷却ホルダ５が軸線Ｃの先端側に配置されており、この受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１における軸線Ｃの後方側に配置されている励起光源（図示なし。）から出力された励起光が入射孔11を通過して増幅媒体２に入射される。増幅媒体２における励起光が入射される側の入射面Ｐ１には反射鏡６を形成する多層膜誘電体がコーティングされており、可飽和吸収体４における増幅媒体２が配置されている側の面とは反対側の面である出力面Ｒ１には出力鏡７を形成する多層膜誘電体がコーティングされており、端面励起型の共振器を形成している。
ここで、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とが一体化されるとは、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とが強固に結合されていることである。
また、軸線Ｃは、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とを通る直線であり、両者が結合される方向に直交する平面で切断したときに現れる、複数の断面の重心を結んだ線である。
【００１６】
第１冷却ホルダ３は、円盤状であり、第２冷却ホルダ５に対向する側の面にその軸線Ｃと同軸である円盤状の凹部８を有し、この凹部８に増幅媒体２が保持されている。第１冷却ホルダ３における軸線Ｃの先端方向側の端面には、この凹部８より大きい直径を有する円盤状の段部９が形成されており、この段部９の内周面に螺子が切られている。第１冷却ホルダ３は、励起光が増幅媒体２に入射できるように、軸線Ｃと同軸である円柱状の入射孔11を有し、この入射孔11は第１冷却ホルダ３を貫通するように形成されている。
【００１７】
第２冷却ホルダ５は、円盤状であり、第１冷却ホルダ３に対向する側の面にその軸線Ｃと同軸であり、かつ第１冷却ホルダ３における凹部８の外径と同一の内径を有する円環状の凸部12を有し、この凸部12の内周面13に当接するように可飽和吸収体４が保持されている。この円環状の凸部12の外周面14には螺子が切られている。この凸部12の外周面14に切られている螺子と第１冷却ホルダ３の段部９の内周面に切られている螺子とが螺合されることにより、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とが一体化され、強固に固定される。第２冷却ホルダ５は、レーザ光が出力できるように、軸線Ｃと同軸である円柱状の出力孔15を有し、この出力孔15は第２冷却ホルダ５を貫通するように形成されている。
【００１８】
増幅媒体２と可飽和吸収体４とは、相対向するように空間16をもって配置されている。増幅媒体２に入射された励起光の一部は増幅媒体２で吸収されずに可飽和吸収体４に入射される。軸線Ｃ方向に直交する投影面にこの空間16を投影したときに形成される空間投影領域Ｇ１は、前記投影面に増幅媒体２を投影したときに形成される増幅媒体投影領域Ｅ１と前記投影面に可飽和吸収体４を投影したときに形成される可飽和吸収体投影領域Ｆ１とを含む面積を有する。換言すると、増幅媒体２と可飽和吸収体４とが相対向する面である増幅媒体端面28及び可飽和吸収体端面29同士は接触することなく、所定距離だけ離して配置され、かつ、増幅媒体２と可飽和吸収体４とにおける軸線Ｃに直交する方向の最大断面積よりも大きい断面積を有する空間が増幅媒体２と可飽和吸収体４との間に存在している。以下において、増幅媒体投影領域Ｅ１と可飽和吸収体投影領域Ｆ１との両方を含む最小面積を固体投影領域ＥＦ１と称することがある。この実施形態においては、増幅媒体投影領域Ｅ１と可飽和吸収体投影領域Ｆ１とが一致しているので、増幅媒体投影領域Ｅ１と可飽和吸収体投影領域Ｆ１と固体投影領域ＥＦ１とは一致している。増幅媒体投影領域Ｅ１と可飽和吸収体投影領域Ｆ１とが一致しない場合であっても、空間投影領域Ｇ１が、固体投影領域ＥＦ１を含むことのできる大きさを有していれば良い。なお、図１においては、これらの投影領域が断面ではなく模式的に示されている。
【００１９】
このような空間16が存在することによって、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とを一体化させるように固定する際に、増幅媒体２と可飽和吸収体４とに締め付け応力が生じるのを防止し、さらに固定後に外部から加えられる負荷が増幅媒体２と可飽和吸収体４とに影響を及ぼすのを防止することができる。したがって、増幅媒体２と可飽和吸収体４とにかけられる応力を低減することができるので、高品質のレーザ光を発振することができる。
【００２０】
本実施形態においては、増幅媒体２と可飽和吸収体４とは所定距離離して配置されているが、その距離は少なくとも互いに応力を及ぼさない程度で良い。したがって、光軸方向の長さを短くすることができるので、小型化した受動Ｑスイッチ固定レーザ発振装置を提供することができる。増幅媒体２と可飽和吸収体４とを本実施形態のように近接配置した場合には、増幅媒体２だけでなく可飽和吸収体４にも温度勾配が生じて熱レンズ効果が発生するおそれがある。しかし、本発明に係る受動Ｑスイッチ固定レーザ発振装置は、増幅媒体２と可飽和吸収体４とを個別に冷却することができるので、増幅媒体２と可飽和吸収体４とを確実に冷却することができる。その結果、熱レンズ効果の発生を防止することができるので、高効率のレーザ光を発振することのできる受動Ｑスイッチ固定レーザ発振装置を提供することができる。
【００２１】
第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とは、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とを冷却するための冷却媒体が流通する第１流路17と第２流路18とをそれぞれ有する。第１流路17と第２流路18とは、増幅媒体２と可飽和吸収体４とを冷却することができる限り、流路の形状、太さ及び配置等は特に限定されず、冷却媒体が速やかに流通することのできる形状、太さ及び配置等であることが好ましい。
【００２２】
図２（ａ）は、図１に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の増幅媒体の入射面Ｐ１と、平面Ａ１に第１冷却ホルダに配される流路を投影したときに形成される流路投影領域Ｑ１である。図１及び図２（ａ）に示されるように、この実施形態において、第１冷却ホルダ３における第１流路17は平面Ａ１よりも入射方向側に配置されており、かつ、この平面Ａ１に第１流路17を投影したときに形成される第１流路投影領域Ｑ１は、その面積の一部が入射面Ｐ１に含まれている。増幅媒体２は、その入射面Ｐ１が最も励起光を吸収しやすいので、入射面Ｐ１が最も温度が上昇しやすい。したがって、第１流路17がこのように配置されていると、温度が上昇しやすく、さらに第１冷却ホルダ３に接触されている面積の大きい入射面Ｐ１を効果的に冷却することができるので、増幅媒体２を確実に冷却することができる。
【００２３】
図２（ｂ）は、図１に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の可飽和吸収体の出力面Ｒ１と、平面Ｂ１に第２冷却ホルダに配される流路を投影したときに形成される流路投影領域Ｓ１である。図１及び図２（ｂ）に示されるように、第２冷却ホルダ５における第２流路18は平面Ｂ１よりもレーザ光出力方向側に配置されており、かつこの平面Ｂ１に第２流路18を投影したときに形成される第２流路投影領域Ｓ１は、その面積の一部が出力面Ｒ１に含まれている。可飽和吸収体４は、増幅媒体２において吸収しきれなかった励起光、発振に寄与しない励起光の一部、及び発振光の一部を吸収する残留吸収等により温度が上昇する。したがって、第２流路18がこのように配置されていると、第２冷却ホルダ５に接触されている面積の大きい出力面Ｒ１を効果的に冷却することができるので、可飽和吸収体４を確実に冷却することができる。
【００２４】
第１流路17と第２流路18とを流通する冷却媒体は、第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とを冷却することができる限り特に限定されず、例えば、水、空気及びオイル等を挙げることができる。これらの中でも水は、熱容量が大きく取り扱いが容易なので、特に好ましい。
【００２５】
図１に示されるように、増幅媒体２と可飽和吸収体４とは、固定リング19，20により第１冷却ホルダ３と第２冷却ホルダ５とにそれぞれ固定されている。固定リング19，20の形状は、円環状であり、その中心部には発振光が通過できる大きさの孔を有している。また、その外周面にはそれぞれ螺子が切られており、この螺子と第１冷却ホルダ３の凹部８内周面に切られた螺子及び第２冷却ホルダ５の凸部12内周面13に切られた螺子とそれぞれ螺合されている。増幅媒体２は、固定リング19で押圧されて、第１冷却ホルダ３の第１底面21に反射鏡６を介して密着されている。したがって、増幅媒体２から第１冷却ホルダ３へと効果的に放熱することができる。可飽和吸収体４もまた、固定リング20で押圧されて、第２冷却ホルダ５の第２底面22に出力鏡７を介して密着されている。したがって、可飽和吸収体４から第２冷却ホルダ５へと効果的に放熱することができる。
なお、増幅媒体２と第１冷却ホルダ３との間には反射鏡６が存在しているが、反射鏡６は、その厚さが十分に薄いので、増幅媒体２から第１冷却ホルダ３への熱伝達性に影響を与えることはほとんどない。出力鏡７についても同様である。
【００２６】
増幅媒体２は、所望のレーザ光を出力することができる限り、公知の光学部品を採用することができる。増幅媒体２は、励起光源（図示せず。）から出力された励起光が照射されることにより、励起され、光の誘導放出を行う材料であり、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧ等の希土類元素を添加して成るＹＡＧの単結晶やセラミックス及びバナジウム酸化物が好適に使用される。増幅媒体２の形状は、この実施形態においては、円盤状の凹部８に密着して保持される大きさを有する円盤状であるが、増幅媒体２の形状は、第１冷却ホルダ３の凹部８に密着して保持されることができ、かつ受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１からレーザ光を出力することができる限り特に限定されず、例えば楕円板、多角柱体、半球、多角錐等の形状を挙げることができる。増幅媒体２の大きさもまた、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１が要求される性能に応じて適宜調整することができる。
【００２７】
可飽和吸収体４は、所望のレーザ光を出力することができる限り、公知の光学部品を採用することができる。可飽和吸収体４は、増幅媒体２から誘導放出された光を吸収することにより、光の透過率を変化させることができ、Ｑスイッチとしての機能を有する材料であり、例えば、Ｃｒ４＋：ＹＡＧが好適に使用される。可飽和吸収体４の形状及び大きさもまた、前述した増幅媒体２と同様に、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１が要求される性能に応じて適宜調整することができる。
【００２８】
反射鏡６は、増幅媒体２から発振される発振光を９９％より大きな反射率（ほぼ１００％の反射率）で反射し、励起光を透過するのが好ましい。図１に示すように、本実施形態の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１においては、増幅媒体２における入射面Ｐ１に誘電体多層膜がコーティングされることにより反射鏡６が形成されている。したがって、共振器を構成する部品が減るので、アラインメントが容易になると共に、共振器の光軸方向の長さが短くなるので、高効率のレーザ光を発振することができる。なお、反射鏡６は、後述するように独立した部品として配置されても良い。
【００２９】
出力鏡７は、増幅媒体２から発振される発振光を５〜９８％の反射率で反射するのが好ましく、２０〜９０％の反射率で反射するのが特に好ましく、その残りの発振光は透過する。図１に示すように、本実施形態の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１においては、可飽和吸収体４における出力面Ｒ１に誘電体多層膜がコーティングされることにより出力鏡７が形成されている。したがって、共振器を構成する部品が減るので、アラインメントが容易になると共に、共振器の光軸方向の長さが短くなるので、高効率のレーザ光を発振することができる。なお、出力鏡７は、後述するように独立した部品として配置されても良い。
【００３０】
第１冷却ホルダ３、第２冷却ホルダ５、及び固定リング19，20を形成する材料は、堅牢であり、熱伝導性及び耐熱性を有する材料である限り特に限定されず、例えば、アルミニウム、銅、及びこれらの金属を主成分とする合金等を挙げることができる。
【００３１】
図３に示されるように、この発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置200は、第１冷却ホルダ203と第２冷却ホルダ205とがボルト223とナット224とにより固定され、第１冷却ホルダ203と第２冷却ホルダ205とがＯリング225を介して固定されていること以外は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１と同様に構成されている。
【００３２】
この受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置200は、第１冷却ホルダ203と第２冷却ホルダ205とを貫通し、かつ、軸線Ｃに平行な４つの貫通孔226を有し、これらの貫通孔226にボルト223が貫通され、ナット224で固定されている。また、第１冷却ホルダ203における、軸線Ｃの先端方向側の端面にＯリング225を嵌め込むための円環状の溝227が設けられ、この溝227に中間部材の一例であるＯリング225が嵌めこまれている。この溝227の内径は、段部209の内径よりも大きくなるように形成されている。第１冷却ホルダ203と第２冷却ホルダ205との間に、Ｏリング225が挟持されているので、ボルト223とナット224とにより締め付ける強さを調整すると、第１冷却ホルダ203と第２冷却ホルダ205との間の結合角度ひいては増幅媒体端面228に対する可飽和吸収体端面229の角度を容易に微調整することができる。
なお、結合角度は、例えば、第１冷却ホルダ203における第２冷却ホルダ205に相対向する面である第１端面263と第２冷却ホルダ205における第１冷却ホルダ203に相対向する面である第２端面264との角度を挙げることができる。
また、ボルト223とナット224との数は、第１冷却ホルダ203と第２冷却ホルダ205とが強固に固定される限り特に限定されないが、少なくとも３つ以上設けられるのが好ましい。
【００３３】
図４に示されるように、この発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置300は、反射鏡306と出力鏡307とが第１冷却ホルダ303及び第２冷却ホルダ305における増幅媒体302及び可飽和吸収体304が保持されている面とは反対側の面に保持されていること以外は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置200と同様に構成されている。
【００３４】
第１冷却ホルダ303は、増幅媒体302が保持されている面すなわち第１底面321とは反対側の面に、軸線Ｃと同軸である円環状の反射鏡保持凸部331が設けられ、この反射鏡保持凸部331の内周面332に当接するように反射鏡306が保持されている。反射鏡306は、増幅媒体302と同様にして固定リング333により第１冷却ホルダ303に固定されている。固定リング333の形状は、円環状であり、その中心部には励起光が通過できる大きさの孔を有している。また、固定リング333の外周面には螺子が切られており、この螺子と反射鏡保持凸部331の内周面332に切られた螺子とが螺合される。
【００３５】
第２冷却ホルダ305は、可飽和吸収体304が保持されている面すなわち第２底面322とは反対側の面に、軸線Ｃと同軸である円環状の出力鏡保持凸部334が設けられ、この出力鏡保持凸部334の内周面335に当接するように出力鏡307が保持されている。出力鏡307は、反射鏡306と同様にして固定リング336により第２冷却ホルダ305に固定されている。
【００３６】
反射鏡306と出力鏡307とが、増幅媒体302における励起光が入射される面である入射面Ｐ３と可飽和吸収体304の下流側平面である出力面Ｒ３とにそれぞれ設けられるのではなく、図４に示されるように、それぞれ独立して第１冷却ホルダ303と第２冷却ホルダ305とに保持されていると、入射面Ｐ３と出力面Ｒ３とが第１冷却ホルダ303と第２冷却ホルダ305とにそれぞれ密着して配置されるので、第１流路317と第２流路318とを流通する冷却媒体と増幅媒体302及び可飽和吸収体304それぞれとの間には、冷却ユニット310を形成する部材のみが存在することになる。したがって、増幅媒体302から第１冷却ホルダ303へ、また可飽和吸収体304から第２冷却ホルダ305へとより一層効果的に放熱させることができる。また、ボルト323とナット324とにより締め付ける強さを調整すると、第１冷却ホルダ303と第２冷却ホルダ305との間の結合角度ひいては反射鏡306、増幅媒体302、可飽和吸収体304及び出力鏡307それぞれの相対向する面同士の角度を容易に微調整することができる。
【００３７】
図５に示されるように、この発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置400は、反射鏡406と出力鏡407とがＯリング441，442を介して第１冷却ホルダ403と第２冷却ホルダ405とにそれぞれ保持されており、微調螺子443，444，445，446及びスペーサ447，448が設けられていること以外は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置300と同様に構成されている。
【００３８】
第１冷却ホルダ403は、増幅媒体402が保持されている面すなわち第１底面421とは反対側の面に、軸線Ｃと同軸である円環状の反射鏡保持凸部431が設けられ、この反射鏡保持凸部431の内周面432に当接するように反射鏡406が保持されている。第１冷却ホルダ403における第１底面421とは反対側の面には、軸線Ｃと同軸であり、かつ反射鏡保持凸部431の内径よりも小さい外径を有する円環状の溝449が設けられ、この溝449にＯリング441が嵌め込まれている。反射鏡406は、図４に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置300と同様にして固定リング450により固定されており、反射鏡406と固定リング450との間にはスペーサ447が設けられている。固定リング450には２つの螺子孔451，452が設けられ、この螺子孔451，452に微調螺子443，444が螺合されている。この微調螺子443，444の締め付ける強さを調整することにより、増幅媒体402と可飽和吸収体404との相互の位置を固定した状態で、反射鏡406の出力鏡407に対向する面の角度を調整することができる。この実施形態においては、微調螺子443，444が２つ設けられているが、微調螺子の数は反射鏡406の角度を調整することができる限り特に限定されない。
【００３９】
第２冷却ホルダ405は、可飽和吸収体404が保持されている面すなわち第２底面422とは反対側の面に、軸線Ｃと同軸である円環状の出力鏡保持凸部434が設けられ、この出力鏡保持凸部434の内周面435に当接するように出力鏡407が保持されている。出力鏡407は、反射鏡406と同様にしてＯリング442を介して固定リング456により第２冷却ホルダ405に固定され、固定リング456に設けられた２つの螺子孔454，455に微調螺子445，446が螺合されている。したがって、微調螺子445，446の締め付ける強さを調整することにより、増幅媒体402と可飽和吸収体404との相互の位置を固定した状態で、出力鏡407の反射鏡406に対向する面の角度を調整することができる。
【００４０】
図６に示されるように、この発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置500は、可飽和吸収体504における軸線Ｃに直交する平面で切断したときの断面が、増幅媒体502における軸線Ｃに直交する平面で切断したときの断面よりも大きく、増幅媒体502と可飽和吸収体504とが接着剤で第１冷却ホルダ503と第２冷却ホルダ505とにそれぞれ保持されていること以外は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１と同様に構成されている。
【００４１】
増幅媒体投影領域Ｅ５は、可飽和吸収体投影領域Ｆ５に含まれており、可飽和吸収体投影領域Ｆ５の面積より小さい。したがって、固体投影領域ＥＦ５は、可飽和吸収体投影領域Ｆ５に一致している。固体投影領域ＥＦ５は、空間投影領域Ｇ５に含まれており、空間投影領域Ｇ５の面積より小さい。したがって、第１冷却ホルダ503と第２冷却ホルダ505とを一体化させるように固定する際に、増幅媒体502と可飽和吸収体504とに応力がかかるのを防止することができる。
【００４２】
増幅媒体502と可飽和吸収体504とは、第１底面521と第２底面522とにそれぞれ熱伝導性を有する接着剤により形成される接着剤層561，562を介して接着されている。接着剤層は、増幅媒体502と第１冷却ホルダ503及び可飽和吸収体504と第２冷却ホルダ505それぞれの接触面全面に設けられても良いし、前記接触面の一部にのみ接着剤層が設けられても良いが、増幅媒体502と可飽和吸収体504とから冷却ユニット510への熱伝導が大きくなるように、接着剤層が設けられるのが好ましい。
増幅媒体502と可飽和吸収体504とが接着剤により冷却ユニット510に固定されていると、増幅媒体502と可飽和吸収体504とに応力がかからないので、より一層高品質のレーザ光を発振することができる。
【００４３】
接着剤層561，562を形成する材料は、熱伝導性が良好であり、増幅媒体502及び可飽和吸収体504と冷却ユニット510との接着性が良好である限り特に限定されず、例えば、シリコーン樹脂等により形成される接着剤を挙げることができる。
【００４４】
図７に示されるように、この発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置600は、増幅媒体602における軸線Ｃに直交する平面で切断したときの断面が、可飽和吸収体604における軸線Ｃに直交する平面で切断したときの断面よりも大きく、第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605とが接着剤で一体化されていること以外は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置500と同様に構成されている。
【００４５】
可飽和吸収体投影領域Ｆ６は、増幅媒体投影領域Ｅ６に含まれており、増幅媒体投影領域Ｅ６の面積より小さい。したがって、固体投影領域ＥＦ６は、増幅媒体投影領域Ｆ６に一致している。また、固体投影領域ＥＦ６は、空間投影領域Ｇ６と一致している。また、増幅媒体602と可飽和吸収体604とは所定距離離して配置されている。したがって、第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605とを一体化させるように固定する際に、増幅媒体602と可飽和吸収体604とに応力がかかるのを防止することができる。
【００４６】
第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605とは、接着剤により形成される接着剤層671を介して接着されている。接着剤層671は、第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605とが相対向する２つの面の間であって、増幅媒体602と可飽和吸収体604とが保持されている部分の外周部分に円環状に設けられている。接着剤層は、第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605とが一体化するように強固に固定される限り、第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605との間のいずれに設けられていても良い。
【００４７】
接着剤層671を形成する材料は、第１冷却ホルダ603と第２冷却ホルダ605とが一体化するように強固に固定される限り特に限定されず、公知の接着剤を使用することができる。
【００４８】
図８に示されるように、この発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の他の実施例である受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置700は、第１冷却ホルダ703及び第２冷却ホルダ705に設けられている第１流路717及び第２流路718の形状及び配置が異なり、第３流路7772が追加して設けられていること以外は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置600と同様に構成されている。
【００４９】
図９（ａ）は、図８に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の増幅媒体の入射面Ｐ７と、平面Ａ７に第１冷却ホルダに配される流路を投影したときに形成される流路投影領域Ｑ71，Ｑ72である。図８及び図９（ａ）に示されるように、第１冷却ホルダ703における第１流路717は、平面Ａ７よりも入射方向側に配置されており、かつ、この平面Ａ７に第１流路717を投影したときに形成される第１流路投影領域Ｑ71は、その全領域が入射面Ｐ７に含まれている。第１冷却ホルダ703における第３流路772は、平面Ａ７よりも出力方向側すなわち軸線Ｃの先端方向側に配置されており、かつ、この平面Ａ７に第３流路772を投影した場合に形成される第３流路投影領域Ｑ72は、その全領域が入射面Ｐ７に含まれていない。一方、軸線Ｃの半径方向に第３流路772を投影した場合に形成される第３流路直交投影領域Ｑ73は、軸線Ｃの半径方向に増幅媒体702を投影した場合に形成される増幅媒体直交投影領域Ｅ73を含んでいる。したがって、増幅媒体702の入射面Ｐ７だけでなく増幅媒体702の半径方向の外周面773からも第１冷却ホルダ703へと熱が伝えられるので、増幅媒体702を確実に冷却させることができる。
【００５０】
図９（ｂ）は、図８に示した受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置の可飽和吸収体の出力面Ｒ７と平面Ｂ７に第２流路718を投影したときに形成される流路投影領域Ｓ７である。図８及び図９（ｂ）に示されるように、第２冷却ホルダ705における第２流路718は、軸線Ｃを含む断面を示す図８においては、鉤状であり、軸線Ｃに直交する方向の断面を示す図９（ｂ）においては、円環状である。換言すると、第２流路718は、可飽和吸収体704における出力面Ｒ７とその半径方向の外周面774とに対向する形状を有して配置されている。平面Ｂ７に第２流路718を投影したときに形成される第２流路投影領域Ｓ７は、その面積の一部が出力面Ｒ７に含まれている。一方、軸線Ｃの半径方向に第２流路718を投影した場合に形成される第２流路直交投影領域Ｓ72は、軸線Ｃの半径方向に可飽和吸収体704を投影したときに形成される可飽和吸収体直交投影領域Ｆ72と一部が一致している。第２流路718がこのように配置されていると、出力面Ｒ７だけでなく可飽和吸収体704の外周面774からも第２冷却ホルダ705へと熱が伝えられるので、可飽和吸収体704を確実に冷却させることができる。
【００５１】
本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置は、加工装置、医療機器、及び内燃機関等パルスレーザを用いる用途一般に幅広く使用することができる。本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を内燃機関に使用する場合には、内燃機関の気筒に装着し、燃焼室内にパルスレーザを照射することにより、燃焼室内にある燃料に着火することができるので、内燃機関用のレーザ着火装置として好適に用いることができる。
【００５２】
図１０は、本発明に係るレーザ着火装置の一実施例を示すレーザ着火装置の断面概略説明図である。このレーザ着火装置1000は、励起光を出力する励起光源1081と、この励起光源を制御する制御装置1082と、励起光を伝送する光ファイバ1083と、励起光を集光する励起光学系ユニット1084と、この励起光学系ユニット1084で集光された励起光が入射されて増幅媒体1002を励起させることによりレーザ光を出力する、図１に示された受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置１と同様の構成を有する受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001と、この受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001から出力されたレーザ光を集光させる出力光学系ユニット1085とを有する。
【００５３】
励起光源1081は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001における増幅媒体1002に励起光を照射して、増幅媒体1002を励起させることにより受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001から所望のエネルギーを有するパルスレーザを出力させることができる限り特に限定されず、例えば公知の半導体レーザを採用することができる。
【００５４】
光ファイバ1083は、励起光源1081から出力された励起光を伝送し、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001における増幅媒体1002に励起光を照射して、増幅媒体1002を励起させることにより受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001から所望のエネルギーを有するレーザ光を出力させることができる限り特に限定されず、公知の光ファイバを採用することができる。励起光源1081から出力された励起光を、光ファイバ1083を介さずに、励起光学系ユニット1084で集光して増幅媒体1002に照射させても良いが、光ファイバ1083を介して入力部1086から励起光を励起光学系ユニット1084に入射させると、例えば、このレーザ着火装置1000を内燃機関に用いる場合には、励起光源1081を内燃機関から離して設置することができるので内燃機関の熱による影響を受けにくくなるので好ましい。
【００５５】
励起光学系ユニット1084は、励起光が供給される入力部1086と少なくとも一枚のレンズ1087，1088とを有し、励起光を集光して所望のように増幅媒体1002に入射させることができる限り、任意の形状のレンズ、例えば、両凹レンズ、両凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、メニスカス凹レンズ、及びメニスカス凸レンズ等を配置することができる。本実施形態においては、励起光学系ユニット1084は、入力部1086、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001側が凸状の平凸レンズ1087、及び入力部1086側が凸状の平凸レンズ1088が、この順に配置され、入力部1086から入力された励起光がこの二枚の平凸レンズ1087，1088を用いてコリメート後に集光され、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001における反射鏡1006を透過して増幅媒体1002に入射されている。
【００５６】
本実施形態のレーザ発生装置1001における入力部1086は、光ファイバ1083の端部を外周面から保持する筒状部1090と、この筒状部1090の端部に設けられた接続アダプタ1091とにより形成されている。この接続アダプタ1091は、円盤状の蓋体であり、円盤状体の外周部から立ち上がる環状部を有しており、この環状部の内周面1092に切られた螺子が、レンズ1087，1088を収容する第１筐体1093の外周面1094に切られた螺子に螺合されて、光ファイバ1083と励起光学系ユニット1084とが固定される。この筒状部1090には、光ファイバ1083の端部が嵌め込まれ、光ファイバ1083を伝送する励起光が、励起光学系ユニット1084に供給される。また、光ファイバ1083を使用しない場合には、励起光源1081から入力部1086を介して直接に励起光が励起光学系ユニット1084に供給される。
【００５７】
第１筐体1093は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001側の端部外周面1095に切られた螺子と、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001の第１冷却ホルダ1003の端面に設けられている円環状の凸部の内周面1096に切られた螺子とが螺合されて、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001と固定されている。
【００５８】
出力光学系ユニット1085は、少なくとも一枚のレンズ1089を有し、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001から出力されたレーザ光を内燃機関における燃焼室内の所望の位置に所望の集光径で集光させることができる限り、任意の形状のレンズ、例えば、両凹レンズ、両凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、メニスカス凹レンズ、及びメニスカス凸レンズ等を配置することができる。これらのレンズは、第２筐体1097に収容される。本実施形態においては、集光レンズとして受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001側が凸状の平凸レンズ1089が一枚配置されている。
【００５９】
第２筐体1097は、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001側の端部外周面1098に切られた螺子と、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001の第２冷却ホルダ1005の端面に設けられている円環状の凸部の内周面1099に切られた螺子とが螺合されて、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001と固定されている。
【００６０】
図１１は、本実施形態のレーザ着火装置を内燃機関の気筒に装着した場合の気筒の模式図である。内燃機関の気筒2000は、シリンダブロック2001とシリンダヘッド2002とピストン2003とにより形成され、シリンダブロック2001とシリンダヘッド2002とピストン2003とにより囲まれて形成される空間が燃焼室2004である。シリンダヘッド2002には燃料と空気との混合気を供給する吸入管2005が接続され、吸入弁2006の開閉により混合気の供給が調節されるように形成されている。また、シリンダヘッド2002には燃焼後の塔内ガスを排出する排気管2007が接続され、排気弁2008の開閉により燃焼後の塔内ガスの排気が調節されるように形成されている。本実施形態のレーザ着火装置1000は、燃焼室2004内の混合気に着火させることができる限り任意の位置に設置することができ、例えば、図１１に示すようにシリンダヘッド2002における吸入弁2006と排気弁2008との間に、本実施形態のレーザ着火装置1000を設置することができる。レーザ着火装置1000から出力されたパルスレーザは燃焼室2004内においてブレークダウンを生じ、パルスレーザの結像点2009を起点に燃焼室2004内の混合気が燃焼する。なお、内燃機関における気筒2000の一例を説明したが、気筒の構成は上記構成に限定されるものではない。
【００６１】
本実施形態のレーザ着火装置が内燃機関用レーザ着火装置として使用される場合には、励起光源の稼動タイミング、励起光の強度等を制御する制御装置を有するのが好ましい。制御装置を有することにより、内燃機関の稼動状態に応じて、所望のタイミングで所望のエネルギーを有するレーザ光を容易にかつ確実に発振させることができる。図１２は、本実施形態のレーザ着火装置の制御装置を説明するための構成図である。本実施形態のレーザ着火装置は、内燃機関の気筒に取り付けられた種々のセンサ3003により得られる信号を解析し、この解析結果に基づいて、励起光源の電源及び励起光の強度等が制御装置3000により制御される。制御装置3000は、演算部3001と制御部3002とにより形成され、内燃機関の気筒に取り付けられた種々のセンサ3003、例えば、クランク角、燃焼室内の圧力、燃焼室内の燃料の濃度、排気管内の排気温度、排気管内の排気中の酸素濃度及び残存燃料濃度等を検知するセンサから送信された信号を演算部3001において解析する。解析された結果は、制御部3002へ送信され、この制御部3002は制御信号を生成し、例えば励起光源3004に制御信号を出力する。この制御信号により、励起光源3004の稼働タイミング及び励起光の強度等が制御される。制御装置3000が設けられていると、内燃機関の気筒内の混合気を適切なタイミングで、着火させることができるので、内燃機関の稼動状況に応じて、所望のように気筒を動作させることができる。
【００６２】
次に、図１０を参照しながら、レーザ着火装置1000の作用について説明する。図１０に示されるように、励起光源1081から出力された励起光は、光ファイバ1083により伝送され入力部1086から励起光学系ユニット1084に入力される。入力された励起光は励起光学系ユニット1084における２枚の平凸レンズ1087，1088により集光され、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001の反射鏡1006を透過して増幅媒体1002に入射される。入射された励起光は増幅媒体1002に吸収されることにより、増幅媒体1002は時間と共に励起され、反転分布密度が上昇し、誘導放出が起こる。増幅媒体1002から発振された光が出力鏡1007と反射鏡1006との間を往復する過程において、可飽和吸収体1004が受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001内部を往復する光を吸収して、可飽和吸収体1004の透過率が上昇するので、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001に貯蔵されたエネルギーと損失されたエネルギーとの比であるＱ値が急激に上昇し、Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001内部を往復する発振光と出力鏡1007を透過するレーザ光とが急激に増加する。出力の急激な増加に伴い、増幅媒体1002の反転分布密度は急激に減少するので、受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置1001内を往復する発振光と出力鏡1007を透過するレーザ光とは短時間のうちに減少に転じるので、出力はジャイアントパルスとなる。
【００６３】
励起光源1081からの励起光が連続して照射される場合には、上記過程が繰り返されるので、本実施形態のレーザ着火装置1000からパルスレーザが所定間隔で出力される。一方、増幅媒体1002の反転分布密度が閾値に達した後に、励起光源1081から出力される励起光を速やかに止めると、単一のパルスレーザとなる。
【００６４】
出力鏡1007から出力されたレーザ光は、平凸レンズ1089により成る集光レンズにより集光されて、気筒2000の燃焼室内に所望の集光径を有する結像点2009が形成される（図１１参照。）。この結像点2009において、諸条件によって決まる閾値より高い電界が生じると、この電界によりブレークダウンを生じ、この結像点2009を起点に燃焼室内の混合気が燃焼する。
【００６５】
上述したように、レーザ着火装置1000からレーザ光が連続して発振されると、増幅媒体1002及び可飽和吸収体1004の温度が上昇し、温度勾配が生じるようになる。しかし、本発明に係るレーザ着火装置は、励起光源1081から励起光を出力するのと同時にあるいはその前から第１流路1017及び第２流路1018に冷却媒体を流通させることにより冷却ユニット1010を所定温度に保持することで、増幅媒体1002及び可飽和吸収体1004の熱を冷却ユニット1010へと効果的に放熱させて、増幅媒体1002及び可飽和吸収体1004の温度が上昇するのを防止している。
【００６６】
本発明に係る受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更をすることができる。
【００６７】
例えば、冷却ユニットの形状は、増幅媒体と可飽和吸収体とを確実に冷却することができる限り特に限定されず、その形状として、例えば円盤状、円柱状、多角柱及び多角体等を挙げることができる。
【００６８】
第１冷却ホルダと第２冷却ホルダとを結合する方法は、がたつきなく強固に固定されて一体化することができる限り特に限定されず、上述した方法以外にも公知の方法を採用することができる。
【００６９】
上述した実施形態における受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置は、第１冷却ホルダが軸線Ｃの後端側すなわち励起光が入射される側に配置されているが、可飽和吸収体が励起光を吸収しない材料により形成されている場合には、第１冷却ホルダが軸線Ｃの先端側すなわちレーザ光が出力される側に配置されていても良い。
【００７０】
本発明に係るレーザ着火装置は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更をすることができる。
【００７１】
例えば、励起光学系ユニットにおけるレンズの種類及び個数は特に限定されず、励起光の増幅媒体に対する入射径及び集光位置を所望のように調整することができれば良い。
【００７２】
出力光学系ユニットにおけるレンズの種類及び個数も特に限定されず、内燃機関の燃焼室内における所望の位置に所望の集光径でパルスレーザの結像点を有するように調整することができれば良い。
【符号の説明】
【００７３】
１,100,200,300,400,500,600,700,1001 受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置
２,102,202,302,402,502,602,702,1002 増幅媒体
３,103,203,303,403,503,603,703,1003 第１冷却ホルダ
４,104,204,304,404,504,604,704,1004 可飽和吸収体
５,105,205,305,405,505,605,705,1005 第２冷却ホルダ
６,106,206,306,406,506,606,706,1006 反射鏡
７,107,207,307,407,507,607,707,1007 出力鏡
８,108,208,308,408,508,608,708,1008 凹部
９,109,209,309,409,509,1009 段部
10,110,210,310,410,510,610,710,1010 冷却ユニット
17,117,217,317,417,517,617,717,1017 第１流路
18,118,218,318,418,518,618,718,1018 第２流路
225,325,425 Ｏリング
1081 励起光源
1082 制御装置
1083 光ファイバ
1084 励起光学系ユニット
1085 出力光学系ユニット
1086 入力部
Ａ１，Ａ７ 平面
Ｂ１，Ｂ７ 平面
Ｅ１，Ｅ５，Ｅ６ 増幅媒体投影領域
Ｆ１，Ｆ５，Ｆ６ 可飽和吸収体投影領域
ＥＦ１，ＥＦ５，ＥＦ６ 固体投影領域
Ｇ１，Ｇ５，Ｇ６ 空間投影領域
Ｐ１，Ｐ３，Ｐ７ 入射面
Ｒ１，Ｒ３，Ｒ７ 出力面
Ｑ１，Ｑ71 第１流路投影領域
Ｓ１，Ｓ７ 第２流路投影領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅媒体を保持する第１冷却ホルダと可飽和吸収体を保持する第２冷却ホルダとが一体化された冷却ユニットを備え、
前記増幅媒体と前記可飽和吸収体とは、前記増幅媒体を通過する光が前記可飽和吸収体に入射可能に空間を介して配置され、
前記冷却ユニットの軸線方向に直交する投影面に前記空間を投影したときに形成される空間投影領域は、前記投影面に増幅媒体を投影したときに形成される増幅媒体投影領域と前記投影面に可飽和吸収体を投影したときに形成される可飽和吸収体投影領域とを含む面積を有することを特徴とする受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置。
【請求項２】
前記第１冷却ホルダと前記第２冷却ホルダとは、冷却媒体が流通する流路を備えることを特徴とする請求項１に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置。
【請求項３】
前記第１冷却ホルダは、励起光が入射される側に配置され、
前記第１冷却ホルダにおける前記流路は、前記増幅媒体における励起光が入射される側の面である入射面を含む平面よりも入射方向側に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置。
【請求項４】
前記平面に前記流路を投影したときに形成される流路投影領域は、少なくともその一部が前記入射面に含まれることを特徴とする請求項３に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置。
【請求項５】
前記増幅媒体は、前記第１冷却ホルダを形成する部材のみを介して、前記冷却媒体により冷却されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置。
【請求項６】
前記第１冷却ホルダと前記第２冷却ホルダとは、互いの結合角度を微調整可能にする中間部材を介して一体化されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を有するレーザ着火装置。
【請求項８】
励起光を出力する励起光源と、前記励起光を集光する励起光学系ユニットと、前記励起光学系ユニットで集光された励起光に基づいてレーザ光を出力する請求項１〜６のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置と、前記受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置から出力されたレーザ光を集光させる出力光学系ユニットとを有するレーザ着火装置。
【請求項１】
増幅媒体を保持する第１冷却ホルダと可飽和吸収体を保持する第２冷却ホルダとが一体化された冷却ユニットを備え、
前記増幅媒体と前記可飽和吸収体とは、前記増幅媒体を通過する光が前記可飽和吸収体に入射可能に空間を介して配置され、
前記冷却ユニットの軸線方向に直交する投影面に前記空間を投影したときに形成される空間投影領域は、前記投影面に増幅媒体を投影したときに形成される増幅媒体投影領域と前記投影面に可飽和吸収体を投影したときに形成される可飽和吸収体投影領域とを含む面積を有することを特徴とする受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置。
【請求項２】
前記第１冷却ホルダと前記第２冷却ホルダとは、冷却媒体が流通する流路を備えることを特徴とする請求項１に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置。
【請求項３】
前記第１冷却ホルダは、励起光が入射される側に配置され、
前記第１冷却ホルダにおける前記流路は、前記増幅媒体における励起光が入射される側の面である入射面を含む平面よりも入射方向側に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置。
【請求項４】
前記平面に前記流路を投影したときに形成される流路投影領域は、少なくともその一部が前記入射面に含まれることを特徴とする請求項３に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置。
【請求項５】
前記増幅媒体は、前記第１冷却ホルダを形成する部材のみを介して、前記冷却媒体により冷却されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置。
【請求項６】
前記第１冷却ホルダと前記第２冷却ホルダとは、互いの結合角度を微調整可能にする中間部材を介して一体化されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置を有するレーザ着火装置。
【請求項８】
励起光を出力する励起光源と、前記励起光を集光する励起光学系ユニットと、前記励起光学系ユニットで集光された励起光に基づいてレーザ光を出力する請求項１〜６のいずれか１項に記載の受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置と、前記受動Ｑスイッチ固体レーザ発振装置から出力されたレーザ光を集光させる出力光学系ユニットとを有するレーザ着火装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１４６４６（Ｐ２０１１−１４６４６Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５５９８５（Ｐ２００９−１５５９８５）
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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