DE102007021915A1 - Laser device and operating method for this - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (26), die einen laseraktiven Festkörper (44) mit einer passiven Güteschaltung (46) aufweist. Erfindungsgemäß wird die Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht (28a, 28b) verschiedener Wellenlängen (lambda<SUB>a</SUB>, lambda<SUB>b</SUB>) beaufschlagt, um eine homogenere Intensitätsverteilung des Pumplichts (28a, 28b) in dem laseraktiven Festkörper (44) zu erzielen.The invention relates to a method for operating a laser device (26), which has a laser-active solid (44) with a passive Q-switching (46). In accordance with the invention, pumping light (28a, 28b) of different wavelengths (lambda <SUB> a </ SUB>, lambda <SUB> b </ SUB>) is applied to the laser device (26) in order to produce a more homogeneous intensity distribution of the pumping light (28a, 28b). to achieve in the laser-active solid (44).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung, die einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung aufweist.The Invention relates to a method for operating a laser device, the one laser-active solid with a passive quality circuit having.
Die Erfindung betrifft ferner eine Lasereinrichtung mit einem eine passive Güteschaltung aufweisenden laseraktiven Festkörper.The The invention further relates to a laser device with a passive one Q-switching having laser-active solid.
Derartige Betriebsverfahren und Vorrichtungen sind bekannt und insbesondere auch für einen zukünftigen Einsatz innerhalb von Zündeinrichtungen von Brennkraftmaschinen vorgesehen.such Operating methods and devices are known and, in particular also for a future one Use within ignition devices of Internal combustion engine provided.
Nachteilig an den bekannten passiv gütegeschalteten Lasersystemen ist die Tatsache, dass die Impulsenergie von mittels dieser Systeme erzeugten Laserimpulsen nicht durch eine einfache Vergrößerung der in den laseraktiven Festkörper eingestrahlten optischen Pumpleistung gesteigert werden kann. Die maximale Impulsenergie eines einzelnen auf diese Weise erzeugten Laserimpulses ist vielmehr bestimmt durch die Größe eines mit dem Pumplicht beaufschlagten, d. h. optisch gepumpten, Volumens des laseraktiven Festkörpers.adversely on the known passively Q-switched Laser systems is the fact that the pulse energy of means These systems did not produce laser pulses by a simple one Magnification of the in the laser-active solid radiated optical pump power can be increased. The maximum pulse energy of a single generated in this way Rather, the laser pulse is determined by the size of one with the pump light acted upon, d. H. optically pumped, volume of the laser active Solid.
Ein bekannter Vorschlag, die Impulsenergie der Laserimpulse zu steigern, hat die Vergrößerung eines Strahlquerschnitts eines als Pumplicht verwendeten Laserstrahls zum Gegenstand. Ein weiterer bekannter Vorschlag zur Lösung des Problems sieht vor, den laseraktiven Festkörper nicht longitudinal sondern transversal anzuregen, um das Pumpvolumen zu vergrößern. Beide Lösungsvorschläge führen jedoch nicht zu einer befriedigenden Lösung, weil einerseits die Vergrößerung des Strahlquerschnitts eines Pumplichtstrahls durch die Größe der gewünschten anschwingenden Lasermode begrenzt ist und die Strahlqualität des erzeugten Laserimpulses mit steigendem Radius des Pumplichtstrahls abnimmt. Die Strahlqualität eines mit dem Laserimpuls korrespondierenden Laserstrahls kann beispielsweise durch die Beugungsmaßzahl M2 beschrieben werden, die angibt, wievielfach der Laserstrahl beugungsbegrenzt ist, oder auch durch den sog. Strahlpropagationsfaktor, der den Kehrwert der Beugungsmaßzahl M2 darstellt.A known proposal to increase the pulse energy of the laser pulses, the magnification of a beam cross section of a laser beam used as a pumping light to the object. Another known proposal for solving the problem provides, not longitudinally but transversely excite the laser-active solid to increase the pumping volume. However, both solutions do not lead to a satisfactory solution, because on the one hand, the magnification of the beam cross section of a pumping light beam is limited by the size of the desired oscillating laser mode and the beam quality of the generated laser pulse decreases with increasing radius of the pumping light beam. The beam quality of a laser beam corresponding to the laser pulse can be described, for example, by the diffraction factor M 2 , which indicates how many times the laser beam is diffraction-limited, or by the so-called beam propagation factor, which represents the reciprocal of the diffraction factor M 2 .
Andererseits bietet die transversale Anregung des laseraktiven Festkörpers mit Pumplicht einen weitaus geringeren Wirkungsgrad als eine longitudinale Anregung und führt ebenfalls zu einer verminderten Strahlqualität des Laserimpulses.on the other hand offers the transverse excitation of the laser-active solid Pumplicht a much lower efficiency than a longitudinal Stimulation and leads also to a reduced beam quality of the laser pulse.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren für eine Lasereinrichtung sowie eine Lasereinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Impulsenergie erzeugter Laserimpulse flexibel und ohne eine wesentliche Verminderung der Strahlqualität gesteigert bzw. überhaupt variiert werden kann, und dass insgesamt ein vielseitigerer Betrieb der Lasereinrichtung möglich ist.Accordingly It is an object of the present invention, an operating method for one Laser device and a laser device of the aforementioned Art to improve that the pulse energy generated Laser pulses are increased flexibly and without a significant reduction of the beam quality or at all can be varied, and that overall a more versatile operation the laser device possible is.
Diese Aufgabe wird bei dem Betriebsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lasereinrichtung mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen beaufschlagt wird.These Task is in the operating method of the type mentioned according to the invention thereby solved, that the laser device is exposed to pump light of different wavelengths.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Pumplicht verschiedener Wellenlängen zur Anregung des laseraktiven Festkörpers ist ein besonders flexibler Betrieb der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ermöglicht, weil der laseraktive Festkörper für die unterschiedlichen Wellenlängen des Pumplichts unterschiedliche Absorptionskoeffizienten aufweist und dementsprechend je nach Wellenlänge des verwendeten Pumplichts ein unterschiedliches Pumpvolumen verfügbar ist, um Laserimpulse zu erzeugen, so dass in einfacher Weise durch eine entsprechende Wahl der Pumplichtwellenlänge die Impulsenergie der Laserimpulse variiert werden kann.By the inventive use of Pump light of different wavelengths to excite the laser-active solid is a particularly flexible Operation of the laser device according to the invention allows because the laser-active solid for the different wavelength of the pumping light has different absorption coefficients and accordingly, depending on the wavelength of the pump light used a different pumping volume is available to laser pulses generate, so in a simple way by an appropriate choice the pumping light wavelength the pulse energy of the laser pulses can be varied.
Laserimpulse mit verhältnismäßig geringer Impulsenergie können bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren dadurch erhalten werden, dass die Lasereinrichtung bzw. der laseraktive Festkörper mit Pumplicht einer solchen ersten Wellenlänge betrieben wird, für die der Absorptionskoeffizient in dem laseraktiven Festkörper verhältnismäßig groß ist, so dass sich aufgrund der geringen Eindringtiefe des Pumplichts in den laseraktiven Festkörper ein entsprechend kleines Pumpvolumen ergibt. Laserimpulse mit größerer Impulsenergie können bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren dadurch erhalten werden, dass die Lasereinrichtung bzw. der laseraktive Festkörper mit Pumplicht einer zweiten Wellenlänge betrieben wird, für die der Absorptionskoeffizient in dem laseraktiven Festkörper verhältnismäßig klein ist, so dass sich aufgrund der größeren Eindringtiefe des Pumplichts der zweiten Wellenlänge in den laseraktiven Festkörper ein entsprechend größeres Pumpvolumen ergibt.laser pulses with relatively low pulse energy can in the operating method according to the invention be obtained that the laser device or the laser-active solid is operated with pumping light of such a first wavelength for which the Absorption coefficient in the laser-active solid is relatively large, so that due to the low penetration depth of the pumping light into the laser-active solid correspondingly small pump volume results. Laser pulses with greater pulse energy can in the operating method according to the invention be obtained that the laser device or the laser-active solid operated with pumping light of a second wavelength, for the Absorption coefficient in the laser-active solid is relatively small, so due to the greater penetration depth of the pumping light of the second wavelength in the laser-active solid correspondingly larger pump volume results.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Lasereinrichtung beziehungsweise ihr laseraktiver Festkörper gleichzeitig mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen beaufschlagt wird, wodurch das zur Verfügung stehende Material des laseraktiven Festkörpers hinsichtlich einer Maximierung des Pumpvolumens optimal genutzt wird.Particularly preferred is an embodiment of the method according to the invention, in which the laser device or its laser-active solid body is simultaneously applied with pump light of different wavelengths, whereby the available material of the laser-active solid Body is optimally used in terms of maximizing the pumping volume.
Eine besondere räumliche Intensitätsverteilung des in den laseraktiven Festkörper eingestrahlten Pumplichts kann einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens zufolge dadurch erzielt werden, dass die Intensität beziehungsweise der zeitliche Verlauf der Intensität des Pumplichts einer ersten Wellenlänge in Abhängigkeit der Intensität beziehungsweise des zeitlichen Verlaufs der Intensität des Pumplichts einer zweiten Wellenlänge gewählt wird. Durch die Abstimmung der Intensitäten des Pumplichts unterschiedlicher Wellenlängen aufeinander ist ganz besonders vorteilhaft auch die Möglichkeit gegeben, die Intensität des gesamten eingestrahlten Pumplichts über einen größtmöglichen Bereich des laseraktiven Festkörpers hinweg etwa konstant zu halten, d. h. eine homogene räumliche Pumplichtverteilung zu erzielen, wodurch ein besonders effizienter Betrieb der erfindungsgemäßen Laserseinrichtung möglich ist.A special spatial intensity distribution in the laser-active solid irradiated pumping light can a further advantageous embodiment the operating method according to the invention According to be achieved by the intensity or the time course of the intensity of the pump light of a first wavelength dependent on the intensity or the time course of the intensity of the pump light a second wavelength chosen becomes. By tuning the intensities of the pump light different wavelength The possibility is also particularly advantageous to one another given, the intensity of the total irradiated pump light over a maximum possible Area of the laser-active solid to keep it constant, d. H. a homogeneous spatial Pumping light distribution, which makes a particularly efficient Operation of the laser device according to the invention possible is.
Ein weiterer Freiheitsgrad bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ist bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform dadurch gegeben, dass die Lasereinrichtung zeitlich nacheinander mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen beaufschlagt wird. Falls beispielsweise Laserimpulse mit einer geringeren als der maximal möglichen Impulsleistung erzeugt werden sollen, ist es denkbar, den laseraktiven Festkörper nur mit Pumplicht einer einzigen Wellenlänge zu beaufschlagen, während zur Erzeugung von Laserimpulsen mit der maximal möglichen Impulsleistung wiederum Pumplicht mehrerer Wellenlängen verwendet wird. Eine Kombination der zeitlich nacheinander erfolgenden Beaufschlagung mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen mit der vorstehend beschriebenen gleichzeitigen Beaufschlagung und ggf. der Einstellung der jeweiligen Intensitäten ist ebenfalls denkbar.One Another degree of freedom in the operation of the laser device according to the invention is given in another advantageous embodiment by that the laser device temporally successively with pump light different wavelength is charged. For example, if laser pulses with a lower as the maximum possible Pulse power to be generated, it is conceivable, the laser-active solid only with pump light to act on a single wavelength, while the Generation of laser pulses with the maximum possible pulse power again Pump light of several wavelengths is used. A combination of successive times Exposure to pump light of different wavelengths with the simultaneous loading described above and possibly the setting of the respective intensities is also conceivable.
Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Verfahren einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge sowohl ein transversales als auch ein longitudinales Anregen des laseraktiven Festkörpers und/oder der passiven Güteschaltung mit Pumplicht vorsehen sowie eine Kombination hieraus. Dabei ist es ferner möglich, die longitudinale Anregung mit einer ersten Wellenlänge durchzuführen, und die transversale Anregung mit einer zweiten Wellenlänge durchzuführen, oder auch unterschiedliche Pumplichtwellenlängen für die transversale und/oder longitudinale Anregung zu verwenden.in principle can the inventive method According to a further advantageous embodiment, both a transversal as well as a longitudinal excitation of the laser-active Solid and / or the passive quality circuit Provide with pumping light and a combination thereof. That's it furthermore possible, to perform the longitudinal excitation at a first wavelength, and to perform the transverse excitation at a second wavelength, or also different pumping light wavelengths for the transverse and / or longitudinal To use suggestion.
Besonders bevorzugt ist jedoch die rein longitudinale Anregung des laseraktiven Festkörpers und/oder der passiven Güteschaltung mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen, weil hierdurch die eingangs genannten Nachteile der transversalen Anregung vermieden werden und sich eine dementsprechend hohe Strahlqualität des erzeugten Laserimpulses, d. h. z. B. eine möglichst kleine Beugungsmaßzahl M2, ergibt.Particularly preferred, however, is the purely longitudinal excitation of the laser-active solid and / or the passive Q-switching with pump light of different wavelengths, because this avoids the aforementioned disadvantages of the transverse excitation and a correspondingly high beam quality of the generated laser pulse, ie, for example, a smallest possible diffraction factor M 2 , yields.
Eine besonders effiziente Versorgung der Lasereinrichtung mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen ist erfindungsgemäß dadurch möglich, dass der Lasereinrichtung Pumplicht verschiedener Wellenlängen über mindestens eine gemeinsame Lichtleitfaser zugeführt wird. Hierbei werden beide bzw. mehrere Pumplichtwellenlängen über geeignete, dem Fachmann bekannte Mittel wie z. B. eine Strahlformungsoptik, in dieselbe Lichtleitfaser eingekoppelt, und das von der Lichtleitfaser geführte, mehrere Wellenlängen aufweisende Pumplicht wird ggf. unter Verwendung einer weiteren Strahlformungsoptik aus der Lichtleitfaser in den laseraktiven Festkörper eingestrahlt.A Particularly efficient supply of the laser device with pump light different wavelengths is according to the invention possible that the laser device pump light of different wavelengths over at least a common optical fiber is supplied. Here are both or several pumping light wavelengths via suitable, the expert known means such. B. a beam shaping optics, coupled into the same optical fiber, and that of the optical fiber guided, several wavelengths If necessary, the pump light will be replaced by another Beam shaping optics from the optical fiber irradiated in the laser-active solid.
Alternativ oder ergänzend kann einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zufolge vorgesehen sein, dass der Lasereinrichtung Pumplicht verschiedener Wellenlängen über mindestens ein mehrere Lichtleitfasern aufweisendes Faserbündel zugeführt wird, wobei über jede Lichtleitfaser nur Pumplicht einer Wellenlänge geführt wird, so dass eine Kombination von Pumplicht verschiedener Wellenlängen in eine Lichtleitfaser nicht erforderlich ist und eine entsprechende Optik einfacher ausgebildet sein kann.alternative or in addition can according to a further advantageous embodiment of the invention be provided that the laser device pump light different Wavelengths over at least a fiber bundle having a plurality of optical fibers is supplied, wherein over each Optical fiber only pump light of a wavelength is guided, so that a combination of pump light of different wavelengths in an optical fiber is not necessary and a corresponding optics formed easier can be.
Weitere Möglichkeiten, Pumplicht verschiedener Wellenlängen zuzuführen, sehen die Verwendung von Strahlteilern vor, die beispielsweise hochreflektierend für eine erste verwendete Pumplichtwellenlänge und nicht reflektierend für eine weitere verwendete Pumplichtwellenlänge ausgebildet sind, und über die die verschiedenen Pumplichtstrahlen entsprechend kombinierbar und einer gegebenenfalls vor dem laseraktiven Festkörper angeordneten Optik zuführbar sind.Further Options, Pump light of different wavelengths supply, provide for the use of beam splitters, for example, highly reflective for one first used pump light wavelength and non-reflective for one further pump light wavelength used are formed, and over the The different pump light beams can be combined and combined accordingly an optionally arranged in front of the laser-active solid optics are fed.
Bei der Verwendung eines mehrere Lichtleitfasern aufweisenden Faserbündels kann einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge vorgesehen sein, dass der Lasereinrichtung zugewandte Endabschnitte der mehreren das Pumplicht führenden Lichtleitfasern in Abhängigkeit einer vorgebbaren räumlichen Intensitätsverteilung des Pumplichts in der Lasereinrichtung beziehungsweise in deren laseraktivem Festkörper angeordnet werden. Hierdurch ist insbesondere die Qualität eines mittels der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung erzeugten Laserimpulses, insbesondere dessen Strahlqualität, optimierbar.at the use of a plurality of optical fibers having fiber bundle a further very advantageous embodiment of the present invention According to the invention be provided that the laser device facing End portions of the plurality of optical fibers leading the pumping light in dependence a specifiable spatial intensity distribution the pumping light in the laser device or in their arranged laser active solid become. As a result, in particular the quality of a laser device according to the invention generated laser pulse, in particular its beam quality, optimized.
Ganz besonders vorteilhaft eignet sich das erfindungsgemäße Betriebsverfahren zur Erzeugung von Laserimpulsen innerhalb einer Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann vorteilhaft sowohl bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen wie auch bei Stationärmotoren eingesetzt werden.The operating method according to the invention is particularly advantageous for generating laser pulses within an ignition device an internal combustion engine. The operating method according to the invention can advantageously be used both in internal combustion engines of motor vehicles and in stationary engines.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Lasereinrichtung gemäß Patentanspruch 11 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.When another solution The object of the present invention is a laser device according to claim 11 indicated. Further advantageous embodiments of the present invention Invention are the subject of the dependent claims.
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.Further Features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments of the invention, which are illustrated in the figures of the drawing. All described or illustrated features form for themselves or in any combination, the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency as well as independently from their formulation or presentation in the description or in the drawing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
In der Zeichnung zeigt:In the drawing shows:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Bei
der in
Während die
passive Güteschaltung
Auf
die vorstehend beschriebene Weise entsteht ein auch als Riesenimpuls
bezeichneter Laserimpuls
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Lasereinrichtung
Die
räumliche
Intensitätsverteilung
für das Pumplicht
Aufgrund
unterschiedlicher Absorptionskoeffizienten des laseraktiven Festkörpers
Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kombination von Pumplicht
Durch
die homogene räumliche
Verteilung der Pumpintensität
lässt sich
die Sättigung
der passiven Güteschaltung
Ein
bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens besteht
demnach darin, dass eine effektive Vergrößerung des Pumpvolumens realisierbar
ist, ohne dass auf eine transversale Anregung des laseraktiven Festkörpers
Neben
der gleichzeitigen Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers
Obwohl
die Anregung des laseraktiven Festkörpers
Bei
einer besonders vorteilhaften weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird der Lasereinrichtung
Alternativ
zu der Verwendung einer gemeinsamen Lichtleitfaser
Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung
Die
erfindungsgemäße Lasereinrichtung
Insgesamt
ermöglicht
die erfindungsgemäße Verwendung
unterschiedlicher Wellenlängen λa, λb für das Pumplicht
Gleichzeitig
weist der erfindungsgemäß erzeugte
Laserimpuls
Die
Brennkraftmaschine
In
den Brennraum
Die
Lasereinrichtung
Beispielsweise
kann die Pumplichtquelle
Es ist auch denkbar, Pumplicht mit mehr als zwei verschiedenen Wellenlängen λa, λb zu verwenden.It is also conceivable to use pump light with more than two different wavelengths λ a , λ b .
Claims (13)
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