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WO2009037039A1 - Doppelimpulserzeugung in einem monolithischen multisegment-festkörperlaser mit passiver güteschaltung - Google Patents

Doppelimpulserzeugung in einem monolithischen multisegment-festkörperlaser mit passiver güteschaltung Download PDF

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WO2009037039A1
WO2009037039A1 PCT/EP2008/059787 EP2008059787W WO2009037039A1 WO 2009037039 A1 WO2009037039 A1 WO 2009037039A1 EP 2008059787 W EP2008059787 W EP 2008059787W WO 2009037039 A1 WO2009037039 A1 WO 2009037039A1
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laser device
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Inventor
Heiko Ridderbusch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a laser device having at least one passive laser circuit having laser-active solid.
  • the invention further relates to an operating method for a laser device of the aforementioned type in which pumping light is applied to the laser device in order to generate a laser pulse.
  • Such laser devices and operating methods are known and have the disadvantage that they can produce only a very limited temporally short successive laser pulses with substantially the same, relatively large pulse energy, as required in particular for efficient laser ignition of internal combustion engines or the like.
  • a first type of the known laser devices makes it possible to generate highly repetitive laser pulses which, however, each have only a very low pulse energy, so that such systems are not suitable, for example, for laser ignition systems.
  • the laser-active solid has at least a first region and a second region, wherein the first region has a first cross section for the stimulated emission, which is different from a second cross section for the stimulated emission of the second region and / or wherein a first emission wavelength at which the first region stimulates stimulated radiation emitted is different from a second emission wavelength at which the second region stimulates emits radiation.
  • Emission wavelength for the stimulated emission is achieved that the stimulated emission occurring under the application of pump light initially in a first of the two areas is sufficiently large to bleach a saturable absorber of the passive Q-switching and thus enable a laser operation, in which the previously by the optical pumping generated population inversion of the respective first area is reduced in the form of a first laser pulse.
  • the population inversion produced by optical pumping of the second region can then be reduced in the form of a second laser pulse, with the second laser pulse following the first laser pulse very closely in time.
  • the time interval between the two laser pulses generated according to the invention is significantly lower than in the case of a conventional laser system with only one laser-active region.
  • a population inversion in the single laser-active region must first be completely reconstructed-by optical pumping-before a subsequent second laser pulse can be generated.
  • the laser device according to the invention provides for two separate memories in the form of the two different regions, which initially store the pump energy radiated by pump light in the form of a respective population inversion and can deliver it again almost simultaneously in the form of the laser pulses.
  • the time difference between the pulses generated according to the invention depends i.a. from the properties of the passive Q-switching and is preferably less than 100 microseconds.
  • the laser pulses produced according to the invention are particularly suitable for use in ignition systems for internal combustion engines because, on the one hand, a single, first laser pulse can reliably ignite an air / fuel mixture and, on the other hand, the subsequent second laser pulse so closely follows the first laser pulse in time that it is almost completely absorbed by the plasma, which has formed as a result of the irradiation of the first laser pulse.
  • the invention allows the targeted introduction of multiple high-energy laser pulses in the same flame kernel and thereby the overall provision of an increased compared to conventional systems, yet time concentrated amount of ignition energy.
  • more than two different laser-active regions can also be provided, it also being possible to provide a plurality of passive Q-circuits in the laser device, which enable the generation of further, cascaded laser pulses.
  • both regions of the laser-active solid have an ytterbium-doped host material or also a neodymium-doped host material.
  • the two regions may advantageously comprise at least one of the following laser-active materials: Nd: YAG, Nd: YALO, Nd: YLF, Nd: YSGG, Nd: LuAG, Nd: GGG, Nd: GSGG, Nd: KYW, Nd: KGW, Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: YLF, Yb: NGW, Yb: GGG, Yb: GSGG.
  • the following laser-active materials Nd: YAG, Nd: YALO, Nd: YLF, Nd: YSGG, Nd: LuAG, Nd: GGG, Nd: GSGG, Nd: KYW, Nd: KGW, Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: YLF, Yb: NGW, Yb: GGG, Yb: GSGG.
  • a very particularly preferred embodiment of the invention provides that the first region comprises Nd: YAG material, and that the second region comprises Nd: YLF material.
  • At least one non-laser-active, in particular undoped, region which on the one hand is used for mechanical spacing, e.g. the sensitive coupling mirror and output mirror of the laser device of areas with laser-active material is used, which heats up accordingly when exposed to pump light.
  • the sensitive coupling mirror and output mirror of the laser device of areas with laser-active material is used, which heats up accordingly when exposed to pump light.
  • the laser device can advantageously be monolithic, that is, all the laser-active regions and optionally the passive Q-switching and the undoped regions are integrally formed.
  • the laser device according to the invention may also have a plurality of discrete components.
  • a saturable absorber of the passive Q-switching is arranged between different laser-active regions and / or between a laser-active region and an undoped region.
  • This variant of the invention advantageously enables an individual direct irradiation of pumping light into the respective laser-active region and a temporary optical separation of the regions from one another by the Q-switching. That is, the pump light provided for a first region does not first have to pass through another region before it can act on the first region.
  • a particularly preferred variant of the invention provides that the first and second cross section for the stimulated emission of the regions at most by about 60% from each other differ.
  • the first and second emission wavelengths of the regions may differ by up to about 10%.
  • an operating method according to claim 11 is given.
  • the inventive method provides that in the laser device according to the invention both areas are optically pumped to allow the generation of a plurality of temporally close successive laser pulses.
  • the time interval between a first pump start time and a second pump start time at which the application of pump light is started in each case and / or further parameters of the pumping process in question, in particular an intensity and / or a time profile of the pump light used be selected as a function of a desired time interval between two laser pulses, which are generated as a result of the application of the areas with the pump light, and / or in dependence of the desired pulse energy.
  • the laser device according to the invention can be advantageously used to construct a laser-based ignition device for an internal combustion engine of a motor vehicle or a stationary motor, or generally for all other applications in which laser pulses with high pulse energy and pulse frequency must be provided.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the laser device according to the invention
  • FIG. 2a to 2c show a time course of different operating variables of the laser device according to the invention according to FIG. 1, FIG.
  • FIGS. 3a to 3c show different variants of a second embodiment of the laser device according to the invention
  • FIG. 5 shows an ignition device for an internal combustion engine with the invention
  • FIG. 1 schematically shows a first embodiment of the laser device 26 according to the invention.
  • the laser device 26 has a laser-active solid 44, to which a passive Q-switching 46, also referred to as Q-switch, is optically arranged downstream.
  • the laser-active solid 44 forms here, together with the passive Q-switching circuit 46 and the coupling mirror 42 arranged on the left thereof in FIG. 1 and the output mirror 48, a laser oscillator whose Oscillation behavior of the passive Q-switching circuit 46 depends and thus at least indirectly controllable in a conventional manner.
  • the laser device according to the invention or the laser-active solid 44 is acted upon by the coupling mirror 42 with pumping light 60a, 60b which is generated in a remotely located pumping light source 30 (FIG. 5) and by the optical waveguide device 28 to the laser device 26 is transmitted.
  • the pumping light 60a, 60b excites electrons in the laser-active solid 44 and thus leads to a known population inversion.
  • the coupling mirror 42 has a relatively large transmission coefficient for the pumping light 60a, 60b.
  • the passive Q-switching circuit 46 While the passive Q-switching circuit 46 has its basic state in which it has a relatively low transmission coefficient, laser operation is avoided in the laser-active solid 44 or in the solid 44, 46 bounded by the coupling-in mirror 42 and the output mirror 48. However, as the pumping time increases, that is to say during continued application of the pumping light 60a, 60b, the radiation intensity in the laser oscillator 42, 44, 46, 48 also increases, so that the passive Q-switching circuit 46 finally fades. That is, its transmission coefficient increases, and laser operation in the laser oscillator 42, 44, 46, 48 begins.
  • the laser pulse 24 is then decoupled from the laser oscillator 42, 44, 46, 48 by the outcoupling mirror 48 arranged on the right in FIG. 1 and is for example used in a laser-based ignition device 27 (FIG. 5) for an internal combustion engine 10 for igniting a combustion chamber 14 the internal combustion engine 10 located air / fuel mixture usable.
  • the laser pulse 24 can be coupled into the combustion chamber 14 of the internal combustion engine 10, for example, by a corresponding optical fiber device or directly by a combustion chamber window arranged downstream of the output mirror 48.
  • a focusing optics for focusing the laser pulse 24 on an ignition point may possibly also be present, in particular also integrally formed with the combustion chamber window.
  • the laser-active solid 44 of the laser device 26 has at least two regions 44a, 44b of laser-active material which have mutually different cross sections ⁇ a, ⁇ b for the stimulated emission and / or different emission wavelengths at which stimulated radiation is emitted.
  • the stimulated emission occurring under the application of pumping light 60a, 60b initially becomes sufficiently large in the first region 44a to form a saturable absorber of the passive one Ruscrien 46 bleach and thus to allow laser operation in which the previously generated by the optical pumping inversion of the respective first region 44a is degraded in the form of a first laser pulse.
  • the population inversion produced by the optical pumping of the second region 44b until then can then be reduced in the form of a second laser pulse, the second laser pulse following the first laser pulse very closely in time.
  • the time interval between the two laser pulses generated according to the invention is significantly lower than in the case of a conventional laser system with only one laser-active region.
  • a population inversion in the single laser-active region must first be completely reconstructed-by optical pumping-before a subsequent second laser pulse can be generated.
  • the laser device 26 according to the invention provides two separate memories in the form of the two different regions 44a, 44b, which initially store the pump energy irradiated by the pump light 60a, 60b in the form of a respective population inversion and release it again almost simultaneously in the form of the laser pulses.
  • the time difference between the pulses generated according to the invention depends i.a. from the properties of the passive Q 46.
  • sufficiently high pump energy can also be stored in the pumped regions 44a, 44b in order to generate high-energy laser pulses, e.g. for an ignition system of an internal combustion engine to produce.
  • FIGS. 2a, 2b, 2c illustrate the operating method according to the invention described above.
  • FIG. 2 a shows the time profile of the transmission coefficient T of the saturable absorber contained in the passive Q-switching circuit 46 (FIG. 1).
  • the optical pumping of the laser-active material of the first area 44a begins first with the pumping light 60a (FIG 1).
  • a corresponding increase in the inversion density Na in the region 44a can also be seen from FIG. 2b.
  • the optical pumping of the laser-active material of the second region 44b begins with the pump light 60b (FIG. 1) provided for this purpose at the second pump start time t ⁇ 'according to FIG. 2c.
  • a corresponding increase in the inversion density Nb in the region 44b can be seen in FIG. 2c.
  • the transmission coefficient T maintains its output value TO until approximately the time t1. From the time t1, the intensity of the stimulated emitted radiation in the first region 44a is sufficiently large to cause the saturable absorber to fade and thus to increase the transmission coefficient T (FIG. 2a), so that the inversion density Na degrades as shown in FIG. 2b which results in the generation of the first laser pulse 24 1 at time t2.
  • the inversion density Nb which has since been built up in the second area 44b, can also be reduced, which leads to the generation of the second laser pulse 24 2 at the time t3.
  • the time interval t3 - 12 may advantageously be less than about 100 ⁇ s, for example.
  • the inventively generated laser pulses 24 1, 24 2 are due to their high pulse energy and their short time interval t3 - 12 in a special way for use in ignition systems for internal combustion engines, because on the one hand already the first laser pulse 24 1 safe firing of an air / fuel mixture can cause, and because on the other hand, the subsequent, second laser pulse 24 2 temporally so close to the first laser pulse 24 1 follows that it is almost completely absorbed by the plasma, which has formed as a result of the irradiation of the first laser pulse 24 1.
  • the invention allows the targeted introduction of multiple high-energy laser pulses 24 1, 24 2 in the same flame kernel and thereby the overall provision of an increased compared to conventional systems, yet time concentrated ignition energy.
  • pumping light 60a, 60b of the same wavelength can be provided for both regions 44a, 44b, for example.
  • the optical pumping of the two regions 44a, 44b can also be carried out such that For example, only a single pump start time t ⁇ results, from which both areas 44a, 44b are optically pumped.
  • the first region 44a has a material which has a larger stimulated emission cross-section ⁇ a than the material of the second region 44b. Therefore, emissions emanating from the first region 44a cause the described fading of the saturable absorber of the passive Q-switch 46.
  • the materials used here emit laser light of the same or similar wavelength.
  • FIG. 3 a shows an embodiment of the invention comparable to the laser device 26 already illustrated in FIG.
  • the laser-active material of the first region 44a is a neodymium-doped
  • FIG. 3b An alternative embodiment of the laser device 26 according to the invention is shown in FIG. 3b.
  • the laser device 26 shown in FIG. 3b has a different sequence of the regions 44a, 44b.
  • the second region 44b is now arranged directly downstream of the coupling-in mirror 42, and the second region 44b is followed, according to FIG. 3b, by the first region 44a.
  • FIG. 3c Another very advantageous variant of the invention is illustrated in FIG. 3c.
  • the passive Q-switching 46 is located between the regions 44a, 44b.
  • This configuration advantageously makes it possible for the pumping light 60a, 60b provided for the respective region 44a, 44b to be irradiated longitudinally, in particular on opposite end faces of the laser device 26, such that the respective region 44a, 44b is directly illuminated by the pump light 60a, 60b associated therewith can be applied.
  • a corresponding pumping light supply is symbolized in Figure 3c by the arrows 60a, 60b.
  • FIG. 4a shows a further advantageous embodiment of the laser device 26 according to the invention, in which, in addition to the regions 44a, 44b of laser-active material, an undoped region 50a is also provided, which accordingly is not laser-active.
  • an undoped region 50a into the laser device 26 according to the invention advantageously provides, firstly, a degree of freedom with regard to the geometric length of the device 26 to be achieved.
  • the pulse duration of the generated laser pulses 24 1, 24 2 is directly associated with this in a manner known to those skilled in the art.
  • a further advantage of the undoped region 50a between the coupling-in mirror 42 and the second region 44b is that the region 44b which heats up under the influence of pumping light 60b is spaced from the coupling-in mirror 42 by the thickness of the undoped region 50a, for example as a thin dielectric layer is formed and, accordingly, is sensitive to high temperatures.
  • the undoped region 50a may advantageously be arranged such that it effects an at least partial thermal decoupling or an influencing of the heat conditions in the laser device 26.
  • FIG. 4b shows a further advantageous variant of the laser device 26 according to the invention, in which two undoped regions 50a, 50b are provided in such a way that they are optically arranged upstream and downstream of the second laser-active region 44b.
  • FIG. 4 c shows a further variant of the invention, in which a total of three undoped regions 50 a, 50 b, 50 c are provided.
  • a saturable absorber provided in the passive Q-switching circuit 46 of the laser device 26 according to the invention can comprise, for example, Cr 4+ or V 3+ -doped garnets such as YAG, GGG, GSGG, LuAG, YSGG and have an initial transmission TO (FIG is less than 5%, and less than 99.5%.
  • the coupling-in mirror 42 is for example highly transparent for the wavelength (n) of the pumping light 60a, 60b, which for the presently used Nd-doped material is between about 780 nm to about 820 nm and about 880 nm to about 885 nm be.
  • pumped light having a wavelength of about 940 nm and / or from about 970 nm to about 980 nm is used to form the regions 44a, 44b with Yb-doped material.
  • the coupling mirror 42 is also highly reflective for the wavelength (s) of the generated laser pulses 24 1, 24 2, which are between about 1020 nm and about 1080 nm. Accordingly, for this wavelength (s), the output mirror 48 is partially reflective (between about 15% and about 99.5% reflectivity) so that the generated laser pulses 24 1, 24 2 can exit the laser device 26. Furthermore, the output mirror 48 is possibly highly reflective for the wavelength (n) of the pumping light 60a, 60b used.
  • the invention it is also conceivable to integrate a plurality of saturable absorbers (not shown) into the laser device 26 in order to realize the functionality of the passive Q-switch 46.
  • the saturable absorbers may be provided at different locations of the laser device 26, the aggregate initial transmission TO again corresponding to the initial transmission specified above by way of example.
  • FIG. 5 schematically shows an ignition device 27 for an internal combustion engine 10, in which the laser device 26 according to the invention and the above-described operating method according to the invention are used to generate laser pulses 24 and 24 1, 24 2, respectively, for igniting one in the combustion chamber 14 of the internal combustion engine 10 located air / fuel mixture serve.
  • the internal combustion engine 10 comprises a plurality of cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 12 is limited by a piston 16.
  • Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18, which is connected to a designated also as a rail or common rail fuel pressure accumulator 20.
  • injected fuel 22 is ignited by means of the above-described high-energy laser pulse 24 or 24 1, 24 2, which is emitted from the laser device 26 of the ignition device 27 according to the invention in the combustion chamber 14, see. also Figure 2b, 2c.
  • the laser device 26 via a light guide device 28 with the
  • Pump light 60a, 60b ( Figure 1), which is provided by the pumping light source 30.
  • the pump light source 30 is controlled by a control and regulating device 32, which also controls the injector 18.
  • the pumping light source 30 may comprise one or more semiconductor diodes, not shown, which emit pump light 60a, 60b of corresponding intensity as a function of a control current via the optical waveguide device 28 to the laser device 26.
  • semiconductor Laser diodes and other small-sized pumping light sources are preferably used for use in the automotive sector, for the operation of the ignition device 27 according to the invention, in principle, any type of pumping light source can be used.
  • the laser device 26 according to the invention can be advantageously used to construct a laser-based ignition device 27 for an internal combustion engine of a motor vehicle or a stationary motor, or generally for all other applications in which laser pulses 24 1, 24 2 must be provided with high pulse energy and temporally in short succession.
  • the materials for the laser-active regions 44a, 44b are selected such that their cross-sections ⁇ a, ⁇ b differ slightly for the stimulated emission, preferably by a maximum of up to 60%. Alternatively or additionally, a corresponding difference in emission wavelengths for stimulated emitted radiation of up to about 10% may be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung (26) mit mindestens einem eine passive Güteschaltung (46) aufweisenden laseraktiven Festkörper (44). Erfindungsgemäß weist der laseraktive Festkörper (44) mindestens einen ersten Bereich (44a) und einen zweiten Bereich (44b) auf, wobei der erste Bereich (44a) einen ersten Wirkungsquerschnitt (σa) für die stimulierte Emission aufweist, der verschieden ist von einem zweiten Wirkungsquerschnitt (σb) für die stimulierte Emission des zweiten Bereichs (44b), und / oder wobei eine erste Emissionswellenlänge, bei der der erste Bereich (44a) stimuliert Strahlung emittiert, verschieden ist von einer zweiten Emissionswellenlänge, bei der der zweite Bereich (44b) stimuliert Strahlung emittiert. Auf diese Weise können unter Beaufschlagung der Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht zeitlich extrem kurz aufeinanderfolgende energiereiche Laserimpulse (24_1, 24_2) erzeugt werden.

Description

Beschreibung
Titel
DOPPELIMPULSERZEUGUNG IN EINEM MONOLITHISCHEN MULTISEGMENT-FESTKÖRPERLASER MIT PASSIVER GÜTESCHALTUNG
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung mit mindestens einem eine passive Güteschaltung aufweisenden laseraktiven Festkörper.
Die Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren für eine Lasereinrichtung der vorstehend genannten Art, bei dem die Lasereinrichtung mit Pumplicht beaufschlagt wird, um einen Laserimpuls zu erzeugen.
Derartige Lasereinrichtungen und Betriebsverfahren sind bekannt und weisen den Nachteil auf, dass sie nur sehr eingeschränkt zeitlich kurz aufeinanderfolgende Laserimpulse mit im wesentlichen gleicher, verhältnismäßig großer Impulsenergie erzeugen können, wie sie insbesondere auch für eine effiziente Laserzündung von Brennkraftmaschinen oder dergleichen benötigt werden.
Ein erster Typ der bekannten Lasereinrichtungen ermöglicht die Erzeugung von hochrepetierenden Laserimpulsen, die allerdings jeweils nur eine sehr geringe Impulsenergie aufweisen, so dass derartige Systeme beispielsweise nicht für Laserzündsysteme geeignet sind.
Andere bekannte Systeme emittieren Laserimpulse mit einer verhältnismäßig großen Impulsenergie, die z.B. auch für Laserzündsysteme von Brennkraftmaschinen brauchbar sind. Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserimpulsen ist bei diesen Systemen jedoch so groß, dass hiermit i.d.R. keine effiziente Zündung eines Luft-/Kraftstoffgemischs unter Verwendung von zwei oder mehr Laserimpulsen möglich ist, weil nicht beide Laserimpulse in den gleichen Flammenkern deponiert werden können bzw. weil mehrere voneinander unabhängige Plasmen gebildet werden.
Offenbarung der Erfindung
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lasereinrichtung und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Erzeugung von zeitlich sehr kurz aufeinanderfolgenden energiereichen Laserimpulsen möglich ist, die insbesondere auch zur Verwendung in einem Zündsystem einer Brennkraftmaschine einsetzbar sind.
Diese Aufgabe wird bei der Lasereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der laseraktive Festkörper mindestens einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, wobei der erste Bereich einen ersten Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission aufweist, der verschieden ist von einem zweiten Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission des zweiten Bereichs und / oder wobei eine erste Emissionswellenlänge, bei der der erste Bereich stimuliert Strahlung emittiert, verschieden ist von einer zweiten Emissionswellenlänge, bei der der zweite Bereich stimuliert Strahlung emittiert.
Durch die erfindungsgemäß unterschiedlich gewählten Wirkungsquerschnitte und/oder die
Emissionswellenlänge für die stimulierte Emission wird erreicht, dass die unter Beaufschlagung von Pumplicht auftretende stimulierte Emission zunächst in einem ersten der beiden Bereiche hinreichend groß wird, um einen sättigbaren Absorber der passiven Güteschaltung auszubleichen und damit einen Laserbetrieb zu ermöglichen, in dem die bis dahin durch das optische Pumpen erzeugte Besetzungsinversion des betreffenden ersten Bereichs in Form eines ersten Laserimpulses abgebaut wird. Nahezu instantan kann dann auch die bis dahin durch das optische Pumpen des zweiten Bereichs erzeugte Besetzungsinversion in Form eines zweiten Laserimpulses abgebaut werden, wobei der zweite Laserimpuls zeitlich sehr dicht auf den ersten Laserimpuls folgt.
Der zeitliche Abstand der beiden erfindungsgemäß erzeugten Laserimpulse ist dabei deutlich geringer als bei einem herkömmlichen Lasersystem mit nur einem laseraktiven Bereich. Bei einem derartigen herkömmlichen Lasersystem muss nach der Abgabe eines ersten Laserimpulses zunächst wieder - durch optisches Pumpen - eine Besetzungsinversion in dem einzigen laseraktiven Bereich völlig neu aufgebaut werden, bevor ein nachfolgender zweiter Laserimpuls erzeugt werden kann. Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung hingegen sieht zwei separate Speicher in Form der beiden unterschiedlichen Bereiche vor, die mittels Pumplicht eingestrahlte Pumpenergie in Form einer jeweiligen Besetzungsinversion zunächst speichern und nahezu gleichzeitig in Form der Laserimpulse wieder abgeben können. Die Zeitdifferenz zwischen den erfindungsgemäß erzeugten Impulsen hängt u.a. von den Eigenschaften der passiven Güteschaltung ab und beträgt vorzugsweise weniger als 100 μs.
Bei geeigneter Auswahl des Lasermaterials für die beiden Bereiche, z.B. bei der Vorgabe einer minimal erforderlichen Fluoreszenzlebensdauer, kann erfindungsgemäß auch hinreichend viel Pumpenergie in den gepumpten Bereichen gespeichert werden, um die geforderten energiereichen Laserimpulse zu erzeugen. Die erfindungsgemäß erzeugten Laserimpulse eignen sich aufgrund ihrer hohen Impulsenergie und ihrer hohen Impulsfolgefrequenz in besonderer Weise für den Einsatz in Zündsystemen für Brennkraftmaschinen, weil einerseits bereits ein einzelner, erster Laserimpuls eine sichere Entflammung eines Luft-/Kraftstoffgemischs bewirken kann, und weil andererseits der nachfolgende, zweite Laserimpuls zeitlich so dicht auf den ersten Laserimpuls folgt, dass er nahezu vollständig durch das Plasma absorbiert wird, das sich infolge der Einstrahlung des ersten Laserimpulses gebildet hat. Somit ermöglicht die Erfindung die gezielte Einbringung mehrerer energiereicher Laserimpulse in denselben Flammenkern und dadurch insgesamt die Bereitstellung einer im Vergleich zu herkömmlichen Systemen erhöhten und dennoch zeitlich konzentrierten Zündenergiemenge.
In Fortbildung des erfindungsgemäßen Prinzips können auch mehr als zwei unterschiedliche laseraktive Bereiche vorgesehen sein, wobei ggf. auch mehrere passive Güteschaltungen in der Lasereinrichtung vorsehbar sind, die die Erzeugung weiterer, kaskadierter Laserimpulse ermöglichen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung weisen beide Bereiche des laseraktiven Festkörpers ein Ytterbium- dotiertes Wirtsmaterial oder auch ein Neodym-dotiertes Wirtsmaterial auf.
Die beiden Bereiche können erfindungsgemäß vorteilhaft mindestens eines der folgenden laseraktiven Materialien aufweisen: Nd: YAG, Nd: YALO, Nd: YLF, Nd:YSGG, Nd:LuAG, Nd:GGG, Nd:GSGG, Nd:KYW, Nd:KGW, Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:YLF, Yb:NGW, Yb:GGG, Yb: GSGG.
Eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der erste Bereich Nd:YAG - Material aufweist, und dass der zweite Bereich Nd:YLF - Material aufweist.
Erfindungsgemäß kann ferner vorteilhaft vorgesehen sein, mindestens einen nicht laseraktiven, insbesondere undotierten, Bereich vorzusehen, der einerseits zur mechanischen Beabstandung z.B. der empfindlichen Einkoppelspiegel und Auskoppelspiegel der Lasereinrichtung von Bereichen mit laseraktivem Material dient, das sich bei der Beaufschlagung mit Pumplicht entsprechend erwärmt. Somit wird vorteilhaft eine gewisse thermische Entkopplung der empfindlichen Komponenten Einkoppelspiegel, Auskoppelspiegel von den laseraktiven Bereichen erzielt.
Darüberhinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Vorsehung undotierter Bereiche einen weiteren Freiheitsgrad bei der geometrischen Auslegung der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung, was sich in bekannter Weise auch auf die Impulsdauer der erzeugten Laserimpulse auswirkt. - A -
Die Lasereinrichtung kann vorteilhaft monolithisch ausgebildet sein, das heißt, alle laseraktiven Bereiche sowie gegebenenfalls die passive Güteschaltung und die undotierten Bereiche sind einstückig ausgebildet. Alternativ hierzu kann die erfindungsgemäße Lasereinrichtung auch mehrere diskrete Komponenten aufweisen.
Bei einer ganz besonders vorteilhaften weiteren Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass ein sättigbarer Absorber der passiven Güteschaltung zwischen verschiedenen laseraktiven Bereichen und/oder zwischen einem laseraktiven Bereich und einem undotierten Bereich angeordnet ist. Diese Erfindungsvariante ermöglicht vorteilhaft eine individuelle direkte Einstrahlung von Pumplicht in den jeweiligen laseraktiven Bereich und eine temporäre optische Trennung der Bereiche voneinander durch die Güteschaltung. D.h., das für einen ersten Bereich vorgesehene Pump licht muss nicht zunächst durch einen anderen Bereich hindurchtreten, bevor es auf den ersten Bereich wirken kann.
Um sicherzustellen, dass die beiden erfindungsgemäßen Laserimpulse in kurzer zeitlicher Folge tatsächlich erzeugt werden, insbesondere auch mit einer etwa übereinstimmenden Impulsenergie, sieht eine besonders bevorzugte Erfindungsvariante vor, dass sich der erste und zweite Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission der Bereiche maximal um etwa 60% voneinander unterscheiden.
Alternativ oder zusätzlich kann die erste und zweite Emissionswellenlänge der Bereiche sich um etwa bis zu 10% unterscheiden.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsverfahren gemäß Patentanspruch 11 angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass bei der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung beide Bereiche optisch gepumpt werden, um die Erzeugung der mehreren zeitlich dicht aufeinander folgenden Laserimpulse zu ermöglichen.
Ganz besonders vorteilhaft kann weiter erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der zeitliche Abstand zwischen einem ersten Pumpstartzeitpunkt und einem zweiten Pumpstartzeitpunkt, zu dem jeweils die Beaufschlagung des ersten bzw. zweiten Bereichs mit Pumplicht begonnen wird, und/oder weitere Parameter des betreffenden Pumpvorgangs, insbesondere eine Intensität und/oder ein zeitlicher Verlauf des verwendeten Pumplichts, in Abhängigkeit eines gewünschten zeitlichen Abstands zwischen zwei Laserimpulsen gewählt werden, die infolge der Beaufschlagung der Bereiche mit dem Pumplicht erzeugt werden, und/oder in Abhängigkeit der gewünschten Impulsenergie. Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung kann vorteilhaft zum Aufbau einer laserbasierten Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder eines Stationärmotors verwendet werden, oder generell auch für alle anderen Anwendungsbereiche, bei denen Laserimpulse mit hoher Impulsenergie und Impulsfrequenz bereitgestellt werden müssen.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung,
Figur 2a bis 2c einen zeitlichen Verlauf verschiedener Betriebsgrößen der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung gemäß Figur 1 ,
Figur 3a bis 3c unterschiedliche Varianten einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung,
Figur 4a bis 4c unterschiedliche Varianten einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung, und
Figur 5 eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen
Lasereinrichtung gemäß Figur 1.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26. Die Lasereinrichtung 26 weist einen laseraktiven Festkörper 44 auf, dem eine auch als Q-switch bezeichnete passive Güteschaltung 46 optisch nachgeordnet ist. Der laseraktive Festkörper 44 bildet hierbei zusammen mit der passiven Güteschaltung 46 sowie dem in Figur 1 links hiervon angeordneten Einkoppelspiegel 42 und dem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator aus, dessen Schwingverhalten von der passiven Güteschaltung 46 abhängt und damit zumindest mittelbar in an sich bekannter Weise steuerbar ist.
Bei der in Figur 1 abgebildeten Konfiguration wird die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 beziehungsweise der laseraktive Festkörper 44 durch den Einkoppelspiegel 42 hindurch mit Pumplicht 60a, 60b beaufschlagt, das in einer entfernt angeordneten Pumplichtquelle 30 (Figur 5) erzeugt und mittels der Lichtleitereinrichtung 28 zu der Lasereinrichtung 26 übertragen wird. Das Pumplicht 60a, 60b regt Elektronen in dem laseraktiven Festkörper 44 an und führt damit zu einer an sich bekannten Besetzungsinversion. Der Einkoppelspiegel 42 besitzt für das Pumplicht 60a, 60b einen verhältnismäßig großen Transmissionskoeffizienten.
Während die passive Güteschaltung 46 ihren Grundzustand aufweist, in dem sie einen verhältnismäßig geringen Transmissionskoeffizienten besitzt, wird ein Laserbetrieb in dem laseraktiven Festkörper 44 beziehungsweise in dem durch den Einkoppelspiegel 42 und den Auskoppelspiegel 48 begrenzten Festkörper 44, 46 vermieden. Mit steigender Pumpdauer, das heißt während einer fortgesetzten Beaufschlagung mit dem Pumplicht 60a, 60b, steigt jedoch auch die Strahlungsintensität in dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 an, so dass die passive Güteschaltung 46 schließlich ausbleicht. Das heißt, ihr Transmissionskoeffizient steigt, und ein Laserbetrieb in dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 beginnt.
Auf die vorstehend beschriebene Weise entsteht ein auch als Riesenimpuls bezeichneter Laserimpuls 24, der eine verhältnismäßig hohe Spitzenleistung aufweist. Der Laserimpuls 24 wird anschließend durch den in Figur 1 rechts angeordneten Auskoppelspiegel 48 aus dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 ausgekoppelt und ist beispielsweise in einer laserbasierten Zündeinrichtung 27 (Figur 5) für eine Brennkraftmaschine 10 zur Entzündung eines in einem Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs verwendbar. Hierzu kann der Laserimpuls 24 beispielsweise durch eine entsprechende Lichtleitereinrichtung oder auch direkt durch ein dem Auskoppelspiegel 48 nachgeordnetes Brennraumfenster in den Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 eingekoppelt werden. Eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserimpulses 24 auf einen Zündpunkt kann ggf. ebenfalls vorhanden sein, insbesondere auch einstückig ausgebildet mit dem Brennraumfenster.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der laseraktive Festkörper 44 der Lasereinrichtung 26 mindestens zwei Bereiche 44a, 44b laseraktiven Materials aufweist, die voneinander verschiedene Wirkungsquerschnitte σa, σb für die stimulierte Emission und / oder voneinander verschiedene Emissionswellenlängen, bei denen stimuliert Strahlung emittiert wird, aufweisen. Durch die erfindungsgemäß unterschiedlich gewählten Wirkungsquerschnitte σa, σb und/oder die Emissionswellenlängen für die stimulierte Emission wird vorteilhaft erreicht, dass die unter Beaufschlagung von Pumplicht 60a, 60b auftretende stimulierte Emission zunächst in dem ersten Bereich 44a hinreichend groß wird, um einen sättigbaren Absorber der passiven Güteschaltung 46 auszubleichen und damit einen Laserbetrieb zu ermöglichen, in dem die bis dahin durch das optische Pumpen erzeugte Besetzungsinversion des betreffenden ersten Bereichs 44a in Form eines ersten Laserimpulses abgebaut wird. Nahezu instantan kann dann auch die bis dahin durch das optische Pumpen des zweiten Bereichs 44b erzeugte Besetzungsinversion in Form eines zweiten Laserimpulses abgebaut werden, wobei der zweite Laserimpuls zeitlich sehr dicht auf den ersten Laserimpuls folgt.
Der zeitliche Abstand der beiden erfindungsgemäß erzeugten Laserimpulse ist dabei deutlich geringer als bei einem herkömmlichen Lasersystem mit nur einem laseraktiven Bereich. Bei einem derartigen herkömmlichen Lasersystem muss nach der Abgabe eines ersten Laserimpulses zunächst wieder - durch optisches Pumpen - eine Besetzungsinversion in dem einzigen laseraktiven Bereich völlig neu aufgebaut werden, bevor ein nachfolgender zweiter Laserimpuls erzeugt werden kann. Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 hingegen sieht zwei separate Speicher in Form der beiden unterschiedlichen Bereiche 44a, 44b vor, die mittels Pumplicht 60a, 60b eingestrahlte Pumpenergie in Form einer jeweiligen Besetzungsinversion zunächst speichern und nahezu gleichzeitig in Form der Laserimpulse wieder abgeben können. Die Zeitdifferenz zwischen den erfindungsgemäß erzeugten Impulsen hängt u.a. von den Eigenschaften der passiven Güteschaltung 46 ab.
Bei geeigneter Auswahl des Lasermaterials für die beiden Bereiche 44a, 44b, z.B. bei der Vorgabe einer minimal erforderlichen Fluoreszenzlebensdauer, kann erfindungsgemäß auch hinreichend viel Pumpenergie in den gepumpten Bereichen 44a, 44b gespeichert werden, um energiereiche Laserimpulse z.B. für ein Zündsystem einer Brennkraftmaschine zu erzeugen.
Die Diagramme der Figuren 2a, 2b, 2c veranschaulichen das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Betriebsverfahren.
Figur 2a gibt den zeitlichen Verlauf des Transmissionskoeffizienten T des in der passiven Güteschaltung 46 (Figur 1) enthaltenen sättigbaren Absorbers wieder. Der Transmissionskoeffizient T weist anfangs bei t = tθ (Figur 2b), d.h. vor einer Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 mit Pump licht 60a, 60b, einen Ausgangswert TO auf.
Zu dem ersten Pumpstartzeitpunkt tθ gemäß Figur 2b beginnt zunächst das optische Pumpen des laseraktiven Materials des ersten Bereichs 44a mit dem hierfür vorgesehenen Pumplicht 60a (Figur 1). Ein entsprechender Anstieg der Inversionsdichte Na in dem Bereich 44a ist aus Figur 2b ebenfalls ersichtlich.
Zu dem zweiten Pumpstartzeitpunkt tθ' gemäß Figur 2c beginnt schließlich auch das optische Pumpen des laseraktiven Materials des zweiten Bereichs 44b mit dem hierfür vorgesehenen Pump licht 60b (Figur 1). Ein entsprechender Anstieg der Inversionsdichte Nb in dem Bereich 44b ist aus Figur 2c ersichtlich.
Nach dem Einsetzen des optischen Pumpens behält der Transmissionskoeffizient T seinen Ausgangswert TO etwa bis zu dem Zeitpunkt tl bei. Ab dem Zeitpunkt tl ist die Intensität der stimuliert emittierten Strahlung in dem ersten Bereich 44a hinreichend groß, um ein Ausbleichen des sättigbaren Absorbers und damit einen Anstieg des Transmissionskoeffizienten T (Figur 2a) zu bewirken, so dass die Inversionsdichte Na wie aus Figur 2b ersichtlich abgebaut werden kann, was zu der Erzeugung des ersten Laserimpulses 24 1 zu dem Zeitpunkt t2 führt.
Durch den Anstieg des Transmissionskoeffizienten T kann schließlich auch die seither in dem zweiten Bereich 44b aufgebaute Inversionsdichte Nb abgebaut werden, was zu der Erzeugung des zweiten Laserimpulses 24 2 zu dem Zeitpunkt t3 führt.
Auf diese Weise können erfindungsgemäß zeitlich extrem kurz aufeinanderfolgende energiereiche Laserimpulse 24 1 , 24 2 erzeugt werden. Der zeitliche Abstand t3 - 12 kann vorteilhaft beispielsweise kleiner sein als etwa 100 μs.
Die erfindungsgemäß erzeugten Laserimpulse 24 1, 24 2 eignen sich aufgrund ihrer hohen Impulsenergie und ihres geringen zeitlichen Abstands t3 - 12 in besonderer Weise für den Einsatz in Zündsystemen für Brennkraftmaschinen, weil einerseits bereits der erste Laserimpuls 24 1 eine sichere Entflammung eines Luft-/Kraftstoffgemischs bewirken kann, und weil andererseits der nachfolgende, zweite Laserimpuls 24 2 zeitlich so dicht auf den ersten Laserimpuls 24 1 folgt, dass er nahezu vollständig durch das Plasma absorbiert wird, das sich infolge der Einstrahlung des ersten Laserimpulses 24 1 gebildet hat. Somit ermöglicht die Erfindung die gezielte Einbringung mehrerer energiereicher Laserimpulse 24 1 , 24 2 in denselben Flammenkern und dadurch insgesamt die Bereitstellung einer im Vergleich zu herkömmlichen Systemen erhöhten und dennoch zeitlich konzentrierten Zündenergiemenge.
Die Pumpstartzeitpunkte tθ, tθ' können auch zeitlich zusammenfallen. Für beide Bereiche 44a, 44b kann - je nach laseraktivem Material - z.B. Pumplicht 60a, 60b derselben Wellenlänge vorgesehen sein. Ferner kann das optische Pumpen der beiden Bereiche 44a, 44b auch so ausgeführt werden, dass sich z.B. nur ein einziger Pumpstartzeitpunkt tθ ergibt, ab dem beide Bereiche 44a, 44b optisch gepumpt werden.
Vorliegend weist der erste Bereich 44a ein Material auf, das einen größeren Wirkungsquerschnitt σa für die stimulierte Emission besitzt, als das Material des zweiten Bereichs 44b. Daher bewirken von dem ersten Bereich 44a ausgehende Emissionen das beschriebene Ausbleichen des sättigbaren Absorbers der passiven Güteschaltung 46. Die verwendeten Materialien emittieren vorliegend Laserlicht derselben oder ähnlichen Wellenlänge.
Figur 3 a zeigt eine zu der bereits in Figur 1 abgebildeten Lasereinrichtung 26 vergleichbare Ausführungsform der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist das laseraktive Material des ersten Bereichs 44a ein Neodym-dotiertes
Wirtsmaterial, insbesondere Nd: YAG, bei dem zweiten Bereich 44b handelt es sich ebenfalls um ein Neodym-dotiertes Wirtsmaterial, insbesondere Nd:YLF. Für den Wirkungsquerschnitt σa des ersten Bereichs 44a gilt daher σa = 2,8*10Λ-17 mmΛ2, während für den Wirkungsquerschnitt σb des zweiten Bereichs 44b gilt: σb = l,8*10Λ-17 mmΛ2.
Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 ist in Figur 3b abgebildet. Im Unterschied zu der in Figur 3 a abgebildeten Variante weist die in Figur 3b dargestellte Lasereinrichtung 26 eine andere Reihenfolge der Bereiche 44a, 44b auf. Anstelle des ersten Bereichs 44a ist nunmehr der zweite Bereich 44b direkt dem Einkoppelspiegel 42 nachgeordnet, und an den zweiten Bereich 44b schließt sich gemäß Figur 3b der erste Bereich 44a an.
Eine weitere sehr vorteilhafte Erfindungsvariante ist in Figur 3c veranschaulicht. Bei dieser Variante befindet sich die passive Güteschaltung 46 zwischen den Bereichen 44a, 44b. Diese Konfiguration ermöglicht vorteilhaft, dass für den jeweiligen Bereich 44a, 44b vorgesehenes Pumplicht 60a, 60b longitudinal, insbesondere an gegenüberliegenden Stirnseiten der Lasereinrichtung 26, so eingestrahlt werden kann, dass der jeweilige Bereich 44a, 44b direkt durch das ihm zugeordnete Pump licht 60a, 60b beaufschlagt werden kann.
Eine dementsprechende Pumplichtzuführung ist in Figur 3c durch die Pfeile 60a, 60b symbolisiert.
Bei der Konfiguration nach Figur 3c können erzeugte Laserimpulse je nach Ausbildung der Spiegel 42, 48 entweder rechts oder links ausgekoppelt werden. Der betreffende Spiegel ist in diesem Fall teilreflektierend für die Wellenlänge der Laserimpulse 24 1, 24 2 (Figur 2b, 2c) auszulegen. Figur 4a zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26, bei der zusätzlich zu den Bereichen 44a, 44b aus laseraktivem Material auch ein undotierter Bereich 50a vorgesehen ist, der dementsprechend nicht laseraktiv ist.
Das Einfügen eines derartigen undotierten Bereichs 50a in die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 schafft vorteilhaft erstens einen Freiheitsgrad hinsichtlich der zu erzielenden geometrischen Länge der Anordnung 26. Damit geht in dem Fachmann bekannter Weise auch direkt die Impulsdauer der erzeugten Laserimpulse 24 1, 24 2 einher. Ein weiterer Vorteil des undotierten Bereichs 50a zwischen dem Einkoppelspiegel 42 und dem zweiten Bereich 44b besteht darin, dass der sich unter Beaufschlagung mit Pumplicht 60b erwärmende Bereich 44b um die Dicke des undotierten Bereichs 50a von dem Einkoppelspiegel 42 beabstandet ist, der beispielsweise als dünne dielektrische Schicht ausgebildet ist und dementsprechend empfindlich gegenüber hohen Temperaturen ist.
Das heißt, der undotierte Bereich 50a kann erfindungsgemäß vorteilhaft so angeordnet sein, dass er eine zumindest teilweise thermische Entkopplung beziehungsweise eine Beeinflussung der Wärmeverhältnisse in der Lasereinrichtung 26 bewirkt.
Figur 4b zeigt eine weitere vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26, bei der zwei undotierte Bereiche 50a, 50b derart vorgesehen sind, dass sie dem zweiten laseraktiven Bereich 44b optisch vor- und nachgeordnet sind.
Figur 4c zeigt eine weitere Erfindungsvariante, bei der insgesamt drei undotierte Bereiche 50a, 50b, 50c vorgesehen sind.
Ein in der passiven Güteschaltung 46 der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 vorgesehener sättigbarer Absorber kann beispielsweise Cr4+- oder V3+-dotierten Granat wie beispielsweise YAG, GGG, GSGG, LuAG, YSGG aufweisen und eine Anfangstransmission TO (Figur 2a) aufweisen, die größer ist als 5 %, und die kleiner ist als 99,5 %.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 a ist der Einkoppelspiegel 42 beispielsweise hochtransparent für die Wellenlänge(n) des Pumplichts 60a, 60b, die für das vorliegend verwendete Nd-dotierte Material zwischen etwa 780 nm bis etwa 820 nm und etwa 880 nm bis etwa 885 nm betragen.
Bein einer Ausbildung der Bereiche 44a, 44b mit Yb-dotiertem Material wird demgegenüber Pumplicht mit einer Wellenlänge von etwa 940 nm und/oder von etwa 970 nm bis etwa 980 nm eingesetzt. Der Einkoppelspiegel 42 ist ferner hochreflektierend für die Wellenlänge(n) der erzeugten Laserimpulse 24 1, 24 2, die zwischen etwa 1020 nm und etwa 1080 nm liegen. Für diese Wellenlänge(n) ist der Auskoppelspiegel 48 dementsprechend teilreflektierend (zwischen etwa 15% und etwa 99,5% Reflektivität), damit die erzeugten Laserimpulse 24 1, 24 2 aus der Lasereinrichtung 26 austreten können. Ferner ist der Auskoppelspiegel 48 ggf. hochreflektierend für die Wellenlänge(n) des verwendeten Pumplichts 60a, 60b.
Erfindungsgemäß ist es ferner denkbar, mehrere sättigbare Absorber (nicht gezeigt) in die Lasereinrichtung 26 zu integrieren, um die Funktionalität des passiven Güteschalters 46 zu realisieren. Die sättigbaren Absorber können an unterschiedlichen Stellen der Lasereinrichtung 26 vorgesehen sein, wobei die aggregierte Anfangstransmission TO wiederum der vorstehend beispielhaft spezifizierten Anfangstransmission entspricht.
Figur 5 zeigt schematisch eine Zündeinrichtung 27 für eine Brennkraftmaschine 10, bei der die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 und das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Betriebsverfahren dazu verwendet werden, Laserimpulse 24 bzw. 24 1, 24 2 zu erzeugen, die zur Entzündung eines in dem Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 befindlichen Luft- /Kraftstoffgemischs dienen.
Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 5 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail beziehungsweise Common-Rail bezeichneten Kraftstoffdruckspeicher 20 angeschlossen ist.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels des vorstehend beschriebenen hochenergetischen Laserimpulses 24 bzw. 24 1, 24 2 entzündet, der von der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 der Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird, vgl. auch Figur 2b, 2c.
Die Lasereinrichtung 26 wird erfindungsgemäß über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit dem
Pump licht 60a, 60b (Figur 1) gespeist, welches von der Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 32 gesteuert, die auch den Injektor 18 ansteuert.
Beispielsweise kann die Pumplichtquelle 30 eine oder mehrere nicht abgebildete Halbleiter- Laserdioden aufweisen, die in Abhängigkeit eines Steuerstroms Pump licht 60a, 60b entsprechender Intensität über die Lichtleitereinrichtung 28 an die Lasereinrichtung 26 ausgeben. Obwohl Halbleiter- Laserdioden und andere kleinbauende Pumplichtquellen bevorzugt für einen Einsatz in dem Kraftfahrzeugbereich verwendet werden, ist für den Betrieb der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27 prinzipiell jede Art von Pumplichtquelle verwendbar.
Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 kann vorteilhaft zum Aufbau einer laserbasierten Zündeinrichtung 27 für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder eines Stationärmotors verwendet werden, oder generell auch für alle anderen Anwendungsbereiche, bei denen Laserimpulse 24 1, 24 2 mit hoher Impulsenergie und zeitlich kurz aufeinanderfolgend bereitgestellt werden müssen.
Erfindungsgemäß werden die Materialien für die laseraktiven Bereiche 44a, 44b so ausgewählt, dass sich ihre Wirkungsquerschnitte σa, σb für die stimulierte Emission geringfügig unterscheiden, vorzugsweise um maximal bis zu 60%. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein entsprechender Unterschied hinsichtlich der Emissionswellenlängen für stimuliert emittierte Strahlung von bis zu etwa 10% vorgesehen sein.

Claims

Ansprüche
1. Lasereinrichtung (26), mit mindestens einem eine passive Güteschaltung (46) aufweisenden laseraktiven Festkörper (44), dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (44) mindestens einen ersten Bereich (44a) und einen zweiten Bereich (44b) aufweist, wobei der erste Bereich (44a) einen ersten Wirkungsquerschnitt (σa) für die stimulierte Emission aufweist, der verschieden ist von einem zweiten Wirkungsquerschnitt (σb) für die stimulierte Emission des zweiten Bereichs (44b), und / oder wobei eine erste Emissionswellenlänge, bei der der erste Bereich (44a) stimuliert Strahlung emittiert, verschieden ist von einer zweiten Emissionswellenlänge, bei der der zweite Bereich (44b) stimuliert Strahlung emittiert.
2. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bereiche (44a, 44b) ein Ytterbium- dotiertes Wirtsmaterial oder ein Neodym-dotiertes Wirtsmaterial aufweisen.
3. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (44a, 44b) mindestens eines der folgenden laseraktiven Materialien aufweisen: Nd:YAG, Nd: YALO, Nd:YLF, Nd:YSGG, Nd:LuAG, Nd:GGG, Nd:GSGG, Nd:KYW, Nd:KGW, Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:YLF, Yb:NGW, Yb:GGG, Yb:GSGG.
4. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (44a) Nd:YAG - Material aufweist, und dass der zweite Bereich (44b) Nd:YLF - Material aufweist.
5. Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) mindestens einen nicht laseraktiven, insbesondere undotierten, Bereich (50a, 50b, 50c) aufweist.
6. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem
Einkoppelspiegel (42) und/oder einem Auskoppelspiegel (48) der Lasereinrichtung (26) und einem der laseraktiven Bereiche (44a, 44b) ein undotierter Bereich (50a, 50b, 50c) angeordnet ist.
7. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen verschiedenen laseraktiven Bereichen (44a, 44b) ein undotierter Bereich (50a, 50b, 50c) angeordnet ist.
8. Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein sättigbarer Absorber der passiven Güteschaltung (46) zwischen verschiedenen laseraktiven Bereichen (44a, 44b) und/oder zwischen einem laseraktiven Bereich (44a, 44b) und einem undotierten Bereich (50a, 50b, 50c) angeordnet ist.
9. Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste und zweite Wirkungsquerschnitt (σa, σb) für die stimulierte Emission der Bereiche (44a, 44b) maximal um etwa 60% voneinander unterscheiden, und/oder dass sich die erste und zweite Emissionswellenlänge der Bereiche (44a, 44b) maximal um etwa 10% voneinander unterscheiden.
10. Zündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (26) mit mindestens einem eine passive Güteschaltung (46) aufweisenden laseraktiven Festkörper (44), bei dem die Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht (60a, 60b) beaufschlagt wird, um einen Laserimpuls (24) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (44) mindestens einen ersten Bereich (44a) und einen zweiten Bereich (44b) aufweist, wobei der erste Bereich (44a) einen ersten Wirkungsquerschnitt (σa) für die stimulierte Emission aufweist, der verschieden ist von einem zweiten Wirkungsquerschnitt (σb) für die stimulierte Emission des zweiten Bereichs (44b), und / oder wobei eine erste
Emissionswellenlänge, bei der der erste Bereich (44a) stimuliert Strahlung emittiert, verschieden ist von einer zweiten Emissionswellenlänge, bei der der zweite Bereich (44b) stimuliert Strahlung emittiert, und dass beide Bereiche (44a, 44b) optisch gepumpt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand zwischen einem ersten Pumpstartzeitpunkt (tθ) und einem zweiten Pumpstartzeitpunkt (tθ') und/oder weitere
Parameter des betreffenden Pumpvorgangs, insbesondere eine Intensität und/oder ein zeitlicher Verlauf des verwendeten Pumplichts (60a, 60b), in Abhängigkeit eines gewünschten zeitlichen Abstands zwischen zwei Laserimpulsen gewählt werden, die infolge der Beaufschlagung der Bereiche (44a, 44b) mit dem Pumplicht (60a, 60b) erzeugt werden, und/oder in Abhängigkeit der gewünschten Impulsenergie.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Laserimpulse (24 1, 24 2) mit einem zeitlichen Abstand von weniger als 100 μs erzeugt werden.
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