DE102007044009A1

DE102007044009A1 - Lasereinrichtung und Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102007044009A1
Application number: DE200710044009
Authority: DE
Inventors: Heiko Ridderbusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-03-19
Also published as: WO2009037031A1

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).

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 beispielsweise ein Neodym(Nd)-dotiertes Lasermaterial auf. Das Neodym-dotierte Lasermaterial besitzt den Nachteil einer verhältnismäßig geringen Fluoreszenzlebensdauer, so dass die Speicherung von mittels Pumplicht zugeführter Energie stark begrenzt ist. Darüberhinaus sind Lasereinrichtungen mit Ytterbium(Yb)-dotiertem Lasermaterial bekannt. Diese Lasermaterialien besitzen in Zusammenwirkung mit einem passiv gütegeschalteten Lasersystem den Nachteil, dass verhältnismäßig hohe Pumplichtintensitäten erforderlich sind, um einen Laserimpuls nach einer gewünschten Zeitdauer zu emittieren.
Offenbarung der Erfindung
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lasereinrichtung und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine verbesserte Möglichkeit zur Speicherung von mittels Pumplicht zugeführter Energie gegeben ist, ohne den Betrieb, insbesondere die flexible Erzeugung und die kurzfristige Bereitstellung, von Laserimpulsen, zu beeinträchtigen.
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.
Das heißt, erfindungsgemäß ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine stimulierte Emission von Photonen auftritt, in dem ersten Bereich des laseraktiven Materials verschieden von einer entsprechenden Wahrscheinlichkeit für den zweiten Bereich des laseraktiven Materials. Diese bewusst herbeigeführte Unsymmetrie hinsichtlich des Wirkungsquerschnitts für die stimulierte Emission wird erfindungsgemäß vorteilhaft dazu ausgenutzt, um in demjenigen laseraktiven Bereich, der einen geringeren Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission aufweist, beispielhaft im ersten Bereich, eine verhältnismäßig hohe Energiemenge zu speichern, die dem ersten Bereich in Form eines Pumplichts zugeführt wird. Da das laseraktive Material des ersten Bereichs erfindungsgemäß einen verhältnismäßig geringen Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission aufweist, kann die über das Pumplicht eingestrahlte Energievermögen einer entsprechenden Inversionsdichte gespeichert werden, ohne dass hierbei bereits ein sättigbarer Absorber der passiven Güteschaltung ausbleicht und dadurch den Laserbetrieb einleitet. Das laseraktive Material des zweiten Bereichs weist erfindungsgemäß einen verhältnismäßig großen Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission auf, so dass im Gegensatz zu dem ersten Bereich eine stimulierte Emission bei der Beaufschlagung mit Pumplicht mit größerer Wahrscheinlichkeit auftritt. Dementsprechend kann durch das optische Pumpen des zweiten laseraktiven Bereichs der Laserbetrieb in der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung gleichsam angetriggert werden, und sobald der sättigbare Absorber der passiven Güteschaltung ausgeblichen ist, kann sich schließlich auch die in dem ersten Bereich gespeicherte Energie, die mit einer entsprechend hohen Inversionsdichte korrespondiert, in Form eines Laserimpulses abbauen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung weist der erste Bereich ein Ytterbium-dotiertes Wirtsmaterial auf, während der zweite Bereich ein Neodym-dotiertes Wirtsmaterial aufweist.
Insbesondere kann der erste Bereich eine Ytterbium-Dotierung von bis zu 20 Atomprozent aufweisen, und der zweite Bereich kann eine Neodym-Dotierung von bis zu 2,5 Atomprozent aufweisen.
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 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.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsverfahren gemäß Patentanspruch 9 angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ein erster Bereich des laseraktiven Festkörpers, der einen ersten Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission aufweist, zeitlich vor einem zweiten Bereich des laseraktiven Festkörpers optisch gepumpt wird, der einen zweiten Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission aufweist, wobei der zweite Wirkungsquerschnitt größer ist als der erste Wirkungsquerschnitt, wodurch gleichzeitig eine effiziente Speicherung von Energie in dem ersten Bereich und ein zeitlich flexibles Erzeugen eines Laserimpulses ermöglicht ist.
Bevorzugt liegt ein erster Pumpstartzeitpunkt, der den Beginn eines Pumpvorgangs des ersten Bereichs definiert, zeitlich vor einem zweiten Pumpstartzeitpunkt, der den Beginn eines Pumpvorgangs des zweiten Bereichs definiert, so dass der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung durch den Pumpvorgang des ersten Bereichs eine besonders hohe Energiemenge zuführbar ist, bevor die Erzeugung des Laserimpulses schließlich durch den Pumpvorgang des zweiten Bereichs angetriggert bzw. ausgelöst wird.
Ganz besonders vorteilhaft kann weiter erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Pumpstartzeitpunkt und dem zweiten Pumpstartzeitpunkt und/oder weitere Parameter des betreffenden Pumpvorgangs, insbesondere eine Intensität und/oder ein zeitlicher Verlauf des verwendeten Pumplichts, so gewählt werden, dass die passive Güteschaltung infolge des Pumpens des ersten Bereichs nicht bereits eine wesentliche Änderung ihrer Transmissionseigenschaften erfährt, insbesondere nicht einen Laserbetrieb in der Lasereinrichtung zulässt.
Erfindungsgemäß kann Pumplicht unterschiedlicher Wellenlänge verwendet werden, um die verschiedenen laseraktiven Bereiche effizient optisch zu Pumpen.
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 zeitlich flexibel 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 aufweisen.
D. h., die Wahrscheinlichkeit, dass, z. B. unter Beaufschlagung mit dem Pumplicht 60a, 60b, eine stimulierte Emission von Photonen auftritt, ist – bei ansonsten gleichen Randbedingungen wie z. B. Pumplichtintensität usw. – in dem ersten Bereich 44a verschieden von einer entsprechenden Wahrscheinlichkeit für den zweiten Bereich 44b.
Dieser besondere Unterschied der Bereiche 44a, 44b wird erfindungsgemäß dazu ausgenutzt, um in dem ersten Bereich 44a Pumpenergie in Form einer entsprechenden hohen Inversionsdichte zu speichern, wobei die Pumpenergie dem Bereich 44a in Form des ersten Pumplichts 60a zugeführt wird. Da das laseraktive Material des ersten Bereichs 44a erfindungsgemäß einen verhältnismäßig geringen Wirkungsquerschnitt σa für die stimulierte Emission aufweist, kann auf diese Weise verhältnismäßig viel Energie in dem Bereich 44a gespeichert werden, ohne dass hierbei bereits ein sättigbarer Absorber der passiven Güteschaltung 46 ausbleicht und dadurch vorzeitig den Laserbetrieb einleitet.
Das laseraktive Material des zweiten Bereichs 44b weist erfindungsgemäß einen verhältnismäßig großen Wirkungsquerschnitt σb > σa für die stimulierte Emission auf, so dass im Gegensatz zu dem ersten Bereich 44a mit größerer Wahrscheinlichkeit eine stimulierte Emission bei der Beaufschlagung des zweiten Bereichs 44b mit dem zweiten Pumplicht 60b eintritt.
Die vorstehend beschriebene Kombination der für die beiden Bereiche 44a, 44b erfindungsgemäß verwendeten Lasermaterialien bzw. ihrer Eigenschaften ermöglicht vorteilhaft die Speicherung von mittels Pumplicht 60a zugeführter Energie in dem ersten Bereich 44a, während durch eine Beaufschlagung des zweiten Bereichs 44b mit Pumplicht 60b ein kurzfristiges, gezieltes Ausbleichen des sättigbaren Absorbers der passiven Güteschaltung 46 möglich ist. D. h., die Beaufschlagung des zweiten Bereichs 44b mit Pumplicht 60b wird erfindungsgemäß dazu verwendet, den Zeitpunkt des Einsetzens des Laserbetriebs und damit die Erzeugung des Laserimpulses 24 vorzugeben. Das optische Pumpen des zweiten Bereichs 44b dient demnach gleichsam als „Trigger" für den Laserbetrieb.
Genauer gesagt entsteht durch den Abbau der infolge des optischen Pumpens mit dem Pumplicht 60b in dem zweiten Bereich 44b aufgebauten Inversionsdichte zunächst ein erster Laserimpuls. Durch das Ausbleichen des sättigbaren Absorbers der passiven Güteschaltung 46 kann anschließend jedoch auch die bis dahin in dem ersten Bereich 44a aufgebaute Inversionsdichte abgebaut werden, was in Form eines zweiten Laserimpulses erfolgt. Der zeitliche Abstand der beiden Laserimpulse ist vergleichsweise gering und liegt beispielsweise im Bereich von Mikrosekunden oder kleiner.
Da das laseraktive Material des zweiten Bereichs 44b aufgrund seines größeren Wirkungsquerschnitts σb für die stimulierte Emission im Vergleich zu dem laseraktiven Material des ersten Bereichs 44a eine verhältnismäßig geringe Fluoreszenzlebensdauer aufweist, besitzt der durch den zweiten Bereich 44b erzeugte, erste Laserimpuls eine vergleichsweise geringe Impulsenergie, während der durch den ersten Bereich 44a erzeugte Laserimpuls eine vergleichsweise hohe Impulsenergie aufweist.
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 (2c), d. h. vor einer Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 mit Pumplicht 60a, 60b, einen Ausgangswert T0 auf.
Zu dem ersten Pumpstartzeitpunkt t0 gemäß 2c 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 2c ebenfalls ersichtlich.
Zu dem zweiten Pumpstartzeitpunkt t0' gemäß 2b 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 2b ersichtlich.
Nach dem 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 zweiten Bereich 44b hinreichend groß, um ein Ausbleichen des sättigbaren Absorbers und damit einen Anstieg des Transmissionskoeffizienten T (2a) zu bewirken, so dass die Inversionsdichte Nb 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 ersten Bereich 44a aufgebaute Inversionsdichte Na abgebaut werden, was zu der Erzeugung des zweiten Laserimpulses 24_2 zu dem Zeitpunkt t3 führt.
Erfindungsgemäß wird der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Pumpstartzeitpunkt t0 und dem zweiten Pumpstartzeitpunkt t0' und/oder weitere Parameter des betreffenden Pumpvorgangs, insbesondere eine Intensität und/oder generell ein zeitlicher Verlauf des verwendeten Pumplichts 60a, 60b, so gewählt, dass die passive Güteschaltung 46 infolge des Pumpens des ersten Bereichs 44a nicht bereits eine wesentliche Änderung ihrer Transmissionseigenschaften erfährt, insbesondere nicht einen Laserbetrieb in der Lasereinrichtung 26 zulässt, so dass eine maximale Energiemenge in dem ersten Bereich 44a gespeichert werden kann, bevor der entsprechende Laserimpuls 24_2 (2c) erzeugt wird.
3a zeigt eine zu der bereits in 1 abgebildeten Lasereinrichtung 26 vergleichbare Ausführungsform.
Erfindungsgemäß ist das laseraktive Material des ersten Bereichs 44a ein Ytterbium-dotiertes Wirtsmaterial, während es sich bei dem zweiten Bereich 44b um ein Neodym-dotiertes Wirtsmaterial handelt. Die Ytterbium-Dotierung des ersten Bereichs 44a kann vorteilhaft bis zu 20 Atomprozent betragen, während der zweite Bereich 44b eine Neodym-Dotierung bis zu 2,5 Atomprozent aufweist.
Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 ist in 3b abgebildet. Im Unterschied zu der in 3a abgebildeten Variante weist die in 3b dargestellt 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 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%.
Der Einkoppelspiegel 42 weist beispielsweise Antireflexbeschichtungen für die Wellenlängen um 808 nm und um 940 nm auf, so dass das entsprechende Pumplicht 60a, 60b in die Lasereinrichtung 26 einkoppelbar ist. Um das Austreten von spontan oder stimuliert emittierter Strahlung aus der Lasereinrichtung 26 zu verhindern, weist der Einkoppelspiegel 42 ferner hochreflektierende Beschichtungen für die Wellenlängen um 1030 nm und um 1064 nm auf.
Der Auskoppelspiegel 48 kann vorteilhaft beispielsweise dielektrische Schichten mit einer Teilreflektivität für um 1030 nm und um 1064 nm von etwa 20% bis etwa 99% aufweisen. Der Auskoppelspiegel 48 ist des weiteren ggf. bevorzugt hoch reflektierend für Wellenlängen von etwa um 808 nm und etwa um 940 nm.
Eine derartige Konfiguration wird erfindungsgemäß vorteilhaft optisch gepumpt mit Pumplicht 60a, 60b der Wellenlängen um 808 nm und um 940 nm. Wie bereits vorstehend beschrieben, ist es für die Realisierung des erfindungsgemäßen Prinzips nicht erforderlich, dass ein Pumpstartzeitpunkt t0, t0' der beiden Pumplichtwellenlängen zusammenfällt.
Alternativ ist es ferner möglich, denjenigen laseraktiven Bereich 44b, der Neodym-dotiert ist, mit einem Pumplicht 60b der Wellenlänge von etwa 885 nm zu pumpen. Dementsprechend ist der zugehörige Einkoppelspiegel 42 mit einer Antireflexschicht von etwa 885 nm zu versehen, um eine Einkopplung des Pumplichts 60b in die Lasereinrichtung 26 zu ermöglichen. Der Auskoppelspiegel 48 besitzt bei der vorliegenden Konfiguration optional eine hoch reflektierende Schicht für etwa 885 nm.
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 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_2 entzündet, der von der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 der Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird, vgl. auch 2c.
Die Lasereinrichtung 26 wird erfindungsgemäß über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit dem Pumplicht 60a, 60b (1) unterschiedlicher Wellenlängen 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/Großgasmotors verwendet werden, oder generell auch für alle anderen Anwendungsbereiche, bei denen Laserimpulse 24_2 mit hoher Impulsenergie zeitlich flexibel 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 deutlich unterscheiden, insbesondere um bis zu eine Größenordnung. Das Lasermaterial, das den kleineren Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission aufweist, besitzt i.d.R. eine entsprechend große Fluoreszenzlebensdauer und umgekehrt. Dementsprechend kann das Lasermaterial, das den kleineren Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission aufweist, ideal als Energiespeicher verwendet werden, der die Erzeugung von Laserimpulsen 24_2 mit hoher Impulsenergie ermöglicht. Die Laserimpulse 24_2 werden bevorzugt als Zündimpulse verwendet. Das Lasermaterial, das den größeren Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission aufweist, wird wie beschrieben vorteilhaft als Trigger zur Einleitung des Laserbetriebs verwendet, da es bei entsprechender Pumplichtbeaufschlagung nahezu instantan die für den Laserbetrieb erforderliche Zustandsänderung der passiven Güteschaltung 46 bewirken kann.
Insbesondere bei den vorstehend beschriebenen Neodym-dotierten laseraktiven Bereichen ist neben den genannten Granaten auch die Verwendung von Vanadaten wie z. B. YVO, GdVO und anderen Wirtsmaterialien möglich.

Claims

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).
Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (44a) ein Ytterbium-dotiertes Wirtsmaterial aufweist, und dass der zweite Bereich (44b) ein Neodym-dotiertes Wirtsmaterial aufweist.
Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (44a) eine Ytterbium-Dotierung von bis zu 20 Atomprozent aufweist und/oder dass der zweite Bereich (44b) eine Neodym-Dotierung von bis zu 2,5 Atomprozent aufweist.
Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) mindestens einen nicht laseraktiven, insbesondere undotierten, Bereich (50a, 50b, 50c) aufweist.
Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 4, 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.
Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen verschiedenen laseraktiven Bereichen (44a, 44b) ein undotierter Bereich (50a, 50b, 50c) angeordnet ist.
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.
Zündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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 ein erster Bereich (44a) des laseraktiven Festkörpers (44), der einen ersten Wirkungsquerschnitt (σa) für die stimulierte Emission aufweist, zeitlich vor einem zweiten Bereich (44b) des laseraktiven Festkörpers (44) optisch gepumpt wird, der einen zweiten Wirkungsquerschnitt (σb) für die stimulierte Emission aufweist, wobei der zweite Wirkungsquerschnitt (σb) größer ist als der erste Wirkungsquerschnitt (σa).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Pumpstartzeitpunkt (t0), der den Beginn eines Pumpvorgangs des ersten Bereichs (44a) definiert, zeitlich vor einem zweiten Pumpstartzeitpunkt (t0') liegt, der den Beginn eines Pumpvorgangs des zweiten Bereichs (44b) definiert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Pumpstartzeitpunkt (t0) und dem zweiten Pumpstartzeitpunkt (t0') und/oder weitere Parameter des betreffenden Pumpvorgangs, insbesondere eine Intensität und/oder ein zeitlicher Verlauf des verwendeten Pumplichts (60a, 60b), so gewählt werden, dass die passive Güteschaltung (46) infolge des Pumpens des ersten Bereichs (44a) nicht bereits eine wesentliche Änderung ihrer Transmissionseigenschaften erfährt, insbesondere nicht einen Laserbetrieb in der Lasereinrichtung (26) zulässt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Pumplicht (60a, 60b) unterschiedlicher Wellenlänge verwendet wird, um die verschiedenen laseraktiven Bereiche (44a, 44b) optisch zu Pumpen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein sättigbarer Absorber der passiven Güteschaltung (46) zwischen verschiedenen laseraktiven Bereichen (44a, 44b) angeordnet ist, und dass das für den jeweiligen Bereich (44a, 44b) vorgesehene Pumplicht (60a, 60b) longitudinal, insbesondere an gegenüberliegenden Stirnseiten der Lasereinrichtung (26), eingestrahlt wird.