DE102007044008A1 - Lasereinrichtung und Betriebsverfahren hierfür - Google Patents

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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 (sigmaa) für die stimulierte Emission aufweist, der verschieden ist von einem zweiten Wirkungsquerschnitt (sigmab) 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

  • 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.
  • 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 Pumplicht 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:
  • 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung,
  • 2a bis 2c einen zeitlichen Verlauf verschiedener Betriebsgrößen der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung gemäß 1,
  • 3a bis 3c unterschiedliche Varianten einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung,
  • 4a bis 4c unterschiedliche Varianten einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung, und
  • 5 eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung gemäß 1.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 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 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 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 (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 1 rechts angeordneten Auskoppelspiegel 48 aus dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 ausgekoppelt und ist beispielsweise in einer laserbasierten Zündeinrichtung 27 (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 2a, 2b, 2c veranschaulichen das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Betriebsverfahren.
  • 2a gibt den zeitlichen Verlauf des Transmissionskoeffizienten T des in der passiven Güteschaltung 46 (1) enthaltenen sättigbaren Absorbers wieder. Der Transmissionskoeffizient T weist anfangs bei t = t0 (2b), d. h. vor einer Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 mit Pumplicht 60a, 60b, einen Ausgangswert T0 auf.
  • Zu dem ersten Pumpstartzeitpunkt t0 gemäß 2b beginnt zunächst das optische Pumpen des laseraktiven Materials des ersten Bereichs 44a mit dem hierfür vorgesehenen Pumplicht 60a (1). Ein entsprechender Anstieg der Inversionsdichte Na in dem Bereich 44a ist aus 2b ebenfalls ersichtlich.
  • Zu dem zweiten Pumpstartzeitpunkt t0' gemäß 2c beginnt schließlich auch das optische Pumpen des laseraktiven Materials des zweiten Bereichs 44b mit dem hierfür vorgesehenen Pumplicht 60b (1). Ein entsprechender Anstieg der Inversionsdichte Nb in dem Bereich 44b ist aus 2c ersichtlich.
  • Nachdem Einsetzen des optischen Pumpens behält der Transmissionskoeffizient T seinen Ausgangswert T0 etwa bis zu dem Zeitpunkt t1 bei. Ab dem Zeitpunkt t1 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 (2a) zu bewirken, so dass die Inversionsdichte Na wie aus 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–t2 kann vorteilhaft beispielsweise kleiner sein als etwa 100 ns.
  • Die erfindungsgemäß erzeugten Laserimpulse 24_1, 24_2 eignen sich aufgrund ihrer hohen Impulsenergie und ihres geringen zeitlichen Abstands t3–t2 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 t0, t0' 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 t0 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.
  • 3a zeigt eine zu der bereits in 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 = 2,8·10^ – 17 mm^2, während für den Wirkungsquerschnitt σb des zweiten Bereichs 44b gilt: σb = 1,8·10^ – 17 mm^2.
  • Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 ist in 3b abgebildet. Im Unterschied zu der in 3a abgebildeten Variante weist die in 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 3b der erste Bereich 44a an.
  • Eine weitere sehr vorteilhafte Erfindungsvariante ist in 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 Pumplicht 60a, 60b beaufschlagt werden kann.
  • Eine dementsprechende Pumplichtzuführung ist in 3c durch die Pfeile 60a, 60b symbolisiert.
  • Bei der Konfiguration nach 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 (2b, 2c) auszulegen.
  • 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.
  • 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.
  • 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 T0 (2a) aufweisen, die größer ist als 5%, und die kleiner ist als 99,5%.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 3a 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 T0 wiederum der vorstehend beispielhaft spezifizierten Anfangstransmission entspricht.
  • 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 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 2b, 2c.
  • Die Lasereinrichtung 26 wird erfindungsgemäß über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit dem Pumplicht 60a, 60b (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 Pumplicht 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 (13)

  1. Lasereinrichtung (26), mit mindestens einer passiven Güteschaltung (46) und einem 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 (t0) und einem zweiten Pumpstartzeitpunkt (t0') 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 ns erzeugt werden.
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