DE102009001664A1

DE102009001664A1 - Lasersystem und Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009001664A1
Application number: DE200910001664
Authority: DE
Inventors: Werner Herden; Hans-Jochen Schwarz; Heiko Ridderbusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-09-23
Also published as: JP2012520958A; EP2409019A1; WO2010105886A1; US8913643B2; JP5698211B2; US20120055431A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem (100) für eine Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer ersten Lasereinrichtung (110) und einer der ersten Lasereinrichtung (110) nachgeordneten und optisch mit dieser verbundenen zweiten Lasereinrichtung (120), wobei die erste Lasereinrichtung (110) dazu ausgebildet ist, Pumplicht (10) zum optischen Pumpen der zweiten Lasereinrichtung (120) zu erzeugen. Erfindungsgemäß weist die erste Lasereinrichtung (110) in einem Bereich (110a), der mit der zweiten Lasereinrichtung (120) optisch verbunden ist, Reflexionsmittel (115) auf, die dazu ausgebildet sind, von der zweiten Lasereinrichtung (120) erzeugte Strahlung (20') zu reflektieren.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Lasersystem für eine Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer ersten Lasereinrichtung und einer der ersten Lasereinrichtung nachgeordneten und optisch mit dieser verbundenen zweiten Lasereinrichtung, wobei die erste Lasereinrichtung dazu ausgebildet ist, Pumplicht zum optischen Pumpen der zweiten Lasereinrichtung zu erzeugen.
Ein bekanntes Lasersystem der vorstehend genannten Art ist schematisch in 1 abgebildet. Das bekannte Lasersystem 100' weist eine als Halbleiter-Diodenlaser ausgebildete erste Lasereinrichtung 110 auf, die Pumplicht 10 erzeugt. Das Pumplicht 10 wird über eine Lichtleitereinrichtung 130 an die zweite Lasereinrichtung 120 übertragen, die üblicherweise direkt in einer Laserzündkerze 200 angeordnet ist.
Bei der mit dem Pumplicht 10 gepumpten, zweiten Lasereinrichtung 120 kann es sich insbesondere um eine gütegeschaltete Lasereinrichtung handeln, die hochenergetische Laserimpulse 20 für die Laserzündung eines Luft-/Kraftstoffgemischs erzeugt.
Ein Nachteil des herkömmlichen Lasersystems 100' besteht darin, dass Anteile 20' der von der zweiten Lasereinrichtung 120 erzeugten Laserimpulse 20 zu der ersten Lasereinrichtung 110 gelangen und diese schädigen können. Um dies zu verhindern, ist es bereits bekannt, Reflexionsschichten 120a, 130b auf der zweiten Lasereinrichtung 120 selbst oder auch auf zwischen der ersten und der zweiten Lasereinrichtung angeordneten optischen Komponenten 130 vorzusehen. Das Aufbringen der Reflexionsschichten 130b insbesondere auf die Lichtleitererinrichtung 130 bedingt hohe Fertigungskosten für derartige Lasersysteme 100.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lasersystem der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine einfachere und kostengünstigere Fertigung möglich ist, während gleichzeitig ein sicherer Schutz der ersten Lasereinrichtung vor von der zweiten Lasereinrichtung erzeugten hochenergetischen Laserimpulsen gegeben ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Lasersystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste Lasereinrichtung in einem Bereich, der mit der zweiten Lasereinrichtung optisch verbunden ist, Reflexionsmittel aufweist, die dazu ausgebildet sind, von der zweiten Lasereinrichtung erzeugte Strahlung zu reflektieren.
Die erfindungsgemäße Zuordnung der Reflexionsmittel zu der ersten, als Pumplichtquelle ausgebildeten, Lasereinrichtung hat den Vorteil, dass zwischen den Lasereinrichtungen vorgesehene und zur Realisierung der optischen Verbindung der beiden Lasereinrichtungen verwendete optische Komponenten nicht separat mit Reflexionsmitteln bzw. -schichten versehen werden müssen. Dadurch vereinfacht sich die Fertigung des erfindungsgemäßen Lasersystems. Gleichzeitig bieten die erfindungsgemäß auf der ersten Lasereinrichtung vorgesehenen Reflexionsmittel neben dem Schutz vor hochenergetischen Laserimpulsen von der zweiten Lasereinrichtung auch einen besseren Schutz vor Umwelteinflüssen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasersystems ist vorgesehen, dass die Reflexionsmittel einen Transmissionskoeffizienten für die von der zweiten Lasereinrichtung erzeugte Strahlung aufweisen, der kleiner oder gleich etwa 50 Prozent ist, vorzugsweise kleiner oder gleich etwa 10 Prozent. Untersuchungen der Anmelderin zufolge ist bei dieser Auslegung der erfindungsgemäßen Reflexionsmittel sichergestellt, dass die als Pumplichtquelle verwendete erste Lasereinrichtung hinreichend vor den hochenergetischen Laserimpulsen der zweiten Lasereinrichtung geschützt ist.
Eine verbesserte Auskopplung der von der ersten Lasereinrichtung erzeugten Pumpstrahlung ist einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge dadurch gegeben, dass die erste Lasereinrichtung in dem Bereich, der mit der zweiten Lasereinrichtung optisch verbunden ist, eine Transmissionsschicht aufweist, die einen Transmissionskoeffizienten für die von der ersten Lasereinrichtung erzeugte Strahlung aufweist, der größer oder gleich etwa 85 Prozent ist, vorzugsweise größer oder gleich etwa 95 Prozent.
Eine besonders kleinbauende Anordnung ergibt sich einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge dann, wenn die erfindungsgemäßen Reflexionsmittel als reflektierende Beschichtung ausgebildet sind.
Es ist erfindungsgemäß ferner vorteilhaft möglich, dass die Transmissionsschicht und die vor den hochenergetischen Laserimpulsen schützende reflektierende Beschichtung zusammen auf einer Oberfläche der ersten Lasereinrichtung angeordnet sind. Neben der effizienten Auskopplung von Pumpstrahlung aus der ersten Lasereinrichtung und dem effizienten Schutz vor Einstrahlung von hochenergetischen Laserimpulsen in die erste Lasereinrichtung ergibt sich durch die doppelte Beschichtung des betreffenden Bereichs der ersten Lasereinrichtung auch ein gesteigerter Schutz der ersten Lasereinrichtung vor Umwelteinflüssen. Insbesondere bei einer Ausbildung der ersten Lasereinrichtung als Halbleiter-Diodenlaser ist durch die Mehrfachbeschichtung vorteilhaft ein gesteigerter mechanischer Schutz des Halbleiter-Diodenlasers gegeben.
Einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge sind zwischen der ersten Lasereinrichtung und der zweiten Lasereinrichtung angeordnete optische Komponenten transmittierend ausgebildet für von der zweiten Lasereinrichtung erzeugte Strahlung, das heißt insbesondere für die hochenergetischen Laserimpulse. Ein erster Vorteil der vorliegenden Erfindungsvariante besteht darin, dass die zwischen den Lasereinrichtungen angeordneten optischen Komponenten keine Reflexionsmittel aufweisen, die dazu ausgebildet sind, von der zweiten Lasereinrichtung erzeugte Strahlung zu reflektieren, wodurch sich ein Fertigungsprozess des erfindungsgemäßen Lasersystems vereinfacht.
Darüberhinaus ist bei einer derartigen Konfiguration vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, dass von der zweiten Lasereinrichtung erzeugte Strahlung, das heißt insbesondere auch Anteile der hochenergetischen Laserimpulse, durch die zwischen den Lasereinrichtungen angeordneten optischen Komponenten hindurchtreten kann, so dass sie bis vor die erfindungsgemäßen Reflexionsmittel im Bereich der ersten Lasereinrichtung gelangt. Dort kann erfindungsgemäß vorteilhaft ein Detektor angeordnet sein, der dazu ausgebildet ist, die von der zweiten Lasereinrichtung erzeugte Strahlung zu erfassen. Es kann somit vorteilhaft auf die Vorsehung einer separaten Lichtleitereinrichtung verzichtet werden, die bei den herkömmlichen Systemen verwendet wird, um Teile der von der zweiten Lasereinrichtung erzeugten Laserstrahlung zu einem Detektor zu leiten. Gleichzeitig ist durch die erfindungsgemäßen Reflexionsmittel jedoch sichergestellt, dass die erste Lasereinrichtung nicht durch die hochenergetischen Laserimpulse der zweiten Lasereinrichtung beeinträchtigt wird.
Eine verbesserte optische Kopplung zwischen den Lasereinrichtungen und gegebenenfalls dazwischen angeordneten optischen Komponenten ist erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Immersionsmediums gewährleistet, wobei es sich insbesondere um ein Immersionsfluid wie beispielsweise ein sog. index matching oil und/oder ein Immersionsgel, beispielsweise Silikongel, handeln kann. Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Immersionsmediums kann vorteilhaft sogar ganz auf das Aufbringen von Antireflexbeschichtungen im Bereich einer Lichtleitereinrichtung oder weiterer Komponenten verzichtet werden, die die optische Verbindung der ersten Lasereinrichtung mit der zweiten Lasereinrichtung realisieren.
Das erfindungsgemäße Lasersystem kann besonders vorteilhaft in einer Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Hierbei wird die erste Lasereinrichtung bevorzugt in einem auch als Pumpmodul bezeichneten separaten Modul vorgesehen, während die zweite Lasereinrichtung beispielsweise direkt in eine Laserzündkerze der Brennkraftmaschine integrierbar ist. Die optische Verbindung zwischen dem Pumpmodul und der Laserzündkerze wird in an sich bekannter Weise durch eine Lichtleitereinrichtung hergestellt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Reflexionsmittel im Bereich der ersten Lasereinrichtung, die in dem Pumpmodul angeordnet ist, kann vorteilhaft auf eine besondere Antireflexschicht im Bereich der Lichtleitereinrichtung verzichtet werden.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Pumplichtquelle nach Patentanspruch 10 angegeben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigt:
1 ein herkömmliches Lasersystem, und
2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasersystems.
2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasersystems 100 für eine Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine. Das Lasersystem 100 verfügt über eine erste Lasereinrichtung 110, die vorliegend als Halbleiter-Diodenlaser ausgebildet ist, und die dazu vorgesehen ist, Pumplicht 10 zum optischen Pumpen einer zweiten Lasereinrichtung 120 zu erzeugen. Das Pumplicht 10 wird der zweiten Lasereinrichtung 120 wie aus 2 ersichtlich über eine Lichtleitereinrichtung 130 zugeleitet.
Bei der zweiten Lasereinrichtung 120 kann es sich beispielsweise um einen Festkörperlaser handeln, der eine auch als Q-switch bezeichnete passive Güteschaltung (nicht gezeigt) aufweist, mittels der hochenergetische Laserimpulse 20 in an sich bekannter Weise erzeugbar sind. Diese hochenergetischen Laserimpulse 20 werden dazu verwendet, ein in einem Brennraum der Brennkraftmaschine befindliches zündfähiges Luft-/Kraftstoffgemisch zu entzünden. Der Festkörperlaser 120 ist wie aus 2 ersichtlich direkt in eine Laserzündkerze 200 der Brennkraftmaschine integriert.
Insoweit entspricht das erfindungsgemäße Lasersystem 100 dem konventionellen System 100 gemäß 1.
Erfindungsgemäß verfügt die nachfolgend auch als Pumplaser bezeichnete erste Lasereinrichtung 110 über Reflexionsmittel 115, die dazu ausgebildet sind, von der zweiten Lasereinrichtung 120 erzeugte Strahlung, das heißt vorliegend die hochenergetischen Laserimpulse 20, zu reflektieren. Dadurch ist vorteilhaft gewährleistet, dass der Pumplaser 110 nicht durch gegebenenfalls über die Lichtleitereinrichtung 130 zu dem Pumplaser 110 übertragene hochenergetische Laserimpulse beschädigt wird.
Über die Lichtleitereinrichtung 130 zu dem Pumplaser 110 übertragene Teile 20' der Laserimpulse 20 werden durch die erfindungsgemäßen Reflexionsmittel 115 bevorzugt so reflektiert bzw. gestreut, dass zumindest ein geringer Anteil 20'' der Laserimpulse 20 zu einem optischen Detektor 150 gelangt, der ebenfalls in dem Bereich des Pumplasers 110 angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Funktion der zweiten Lasereinrichtung 120, d. h. insbesondere die Erzeugung der Laserimpulse 120, überwacht werden.
Im Gegensatz zu der herkömmlichen Anordnung gemäß 1 muss die Lichtleitereinrichtung 130 des erfindungsgemäßen Lasersystems 100 (2) keine für die hochenergetischen Laserimpulse 20 reflektierende Beschichtung 130b (1) aufweisen, weil diese Funktionalität durch die Reflexionsmittel 115 realisiert ist. Die Lichtleitereinrichtung 130 kann daher besonders einfach und kostengünstig gefertigt werden und kann wie vorstehend bereits beschrieben vorteilhaft gleichzeitig zu Überwachungszwecken, insbesondere zur Versorgung des Detektors 150 mit Strahlung 20', 20'' des Festkörperlasers 120, genutzt werden.
Auf die ebenfalls von dem herkömmlichen System 100' gemäß 1 bekannten Antireflexbeschichtungen 130a, 130b, die eine effiziente Einkopplung und Auskopplung des Pumplichts 10 in bzw. aus der Lichtleitereinrichtung 130 ermöglichen, kann erfindungsgemäß ebenfalls verzichtet werden, weil in den Verbindungsbereichen zwischen der ersten Lasereinrichtung 110 und der Lichtleitereinrichtung 130 bzw. zwischen der Lichtleitereinrichtung 130 und der zweiten Lasereinrichtung 120 vorteilhaft ein Immersionsmedium 140 vorgesehen ist. Bei dem Immersionsmedium 140 handelt es sich bevorzugt um ein sogenanntes index matching oil oder auch ein Silikongel.
Die erfindungsgemäße Vorsehung der Reflexionsmittel 115 in Form einer reflektierenden Beschichtung auf einer zur Auskopplung des Pumplichts 10 dienenden Stirnfläche des Pumplasers 110 weist den weiteren Vorteil auf, dass sich zusammen mit der üblicherweise ebenfalls auf der Stirnfläche des Pumplasers 110 angeordneten Antireflexbeschichtung bzw. Transmissionsschicht 116, die zur effizienten Auskopplung des Pumplichts 10 aus dem Pumplaser 110 dient, ein gesteigerter mechanischer Schutz des Pumplasers 110 vor Umgebungseinflüssen ergibt. In Verbindung mit dem ebenfalls in dem Stirnflächenbereich des Pumplasers 110 angeordneten Immersionsmedium 140 ergibt sich somit ein optimaler Schutz des Pumplasers 110 vor Umgebungseinflüssen, wie zum Beispiel Schmutzpartikeln und dergleichen.
Die erfindungsgemäße Vorsehung der Reflexionsmittel 115 in Form der reflektierenden Beschichtung direkt auf dem Pumplaser 110 ermöglicht einen optimierten Fertigungsprozess für den erfindungsgemäßen Pumplaser 110, weil sowohl die Antireflexbeschichtung 116 als auch die Reflexionsschicht 115 in einem einzigen Arbeitsgang auf die Frontfacette des Pumplasers 110 aufgebracht werden können. Darüberhinaus ist keine vergleichbare Beschichtung der Stirnflächen der Lichtleitereinrichtung 130 mehr erforderlich.
Die erfindungsgemäß ermöglichte optionale Anordnung des optischen Detektors 150 im Bereich des Pumplasers 110 ist besonders vorteilhaft, weil elektrische Anschlüsse für den Detektor 150 mit den bereits vorhandenen elektrischen Anschlüssen des Pumplasers 110 kombiniert werden können.
Eine kombinierte Antireflex- und Reflexionsbeschichtung 115, 116 für die Stirnseite des Pumplasers 110 kann beispielsweise aus einem Schichtaufbau bestehen, der abwechselnd Schichten aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Titanoxid (TiO) umfasst. Die Anzahl der Schichten und die Schichtdicken werden in dem Fachmann bekannter Weise in Abhängigkeit der Wellenlängen des Pumplichts 10 und der hochenergetischen Laserimpulse 20 gewählt, um die gewünschten Transmissionskoeffizienten zu erhalten.
Bevorzugt weist die Transmissionsschicht 116 einen Transmissionskoeffizienten für die von der ersten Lasereinrichtung 110 erzeugte Pumpstrahlung 10 auf, der größer oder gleich etwa 85 Prozent ist, vorzugsweise größer oder gleich etwa 95 Prozent. Weiter bevorzugt weist die Reflexionsschicht 115 einen Transmissionskoeffizienten für Laserimpulse 20 des Festkörperlasers 120 auf, der kleiner oder gleich etwa 50 Prozent ist, vorzugsweise kleiner oder gleich etwa 10 Prozent.
Die Erfindung kann auch in Form einer separaten Pumplichtquelle (nicht gezeigt) mit der reflektierenden Beschichtung 115 realisiert werden und ist speziell für den Einsatz bei Zündeinrichtungen von Brennkraftmaschinen im Kraftfahrzeugbereich sowie bei Zündeinrichtungen von stationären Großgasmotoren geeignet.

Claims

Lasersystem (100) für eine Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer ersten Lasereinrichtung (110) und einer der ersten Lasereinrichtung (110) nachgeordneten und optisch mit dieser verbundenen zweiten Lasereinrichtung (120), wobei die erste Lasereinrichtung (110) dazu ausgebildet ist, Pumplicht (10) zum optischen Pumpen der zweiten Lasereinrichtung (120) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lasereinrichtung (110) in einem Bereich (110a), der mit der zweiten Lasereinrichtung (120) optisch verbunden ist, Reflexionsmittel (115) aufweist, die dazu ausgebildet sind, von der zweiten Lasereinrichtung (120) erzeugte Strahlung (20') zu reflektieren.
Lasersystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsmittel (115) einen Transmissionskoeffizienten für die von der zweiten Lasereinrichtung (120) erzeugte Strahlung (20') aufweisen, der kleiner oder gleich etwa 50 Prozent ist, vorzugsweise kleiner oder gleich etwa 10 Prozent.
Lasersystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lasereinrichtung (110) in dem Bereich (110a), der mit der zweiten Lasereinrichtung (120) optisch verbunden ist, eine Transmissionsschicht (116) aufweist, die einen Transmissionskoeffizienten für die von der ersten Lasereinrichtung (110) erzeugte Strahlung (10) aufweist, der größer oder gleich etwa 85 Prozent ist, vorzugsweise größer oder gleich etwa 95 Prozent.
Lasersystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsmittel (115) als reflektierende Beschichtung ausgebildet sind.
Lasersystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionsschicht (116) und die reflektierende Beschichtung (115) zusammen auf einer Oberfläche der ersten Lasereinrichtung (110) angeordnet sind.
Lasersystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Lasereinrichtung (110) und der zweiten Lasereinrichtung (120) angeordnete optische Komponenten (130) transmittierend ausgebildet sind für von der zweiten Lasereinrichtung (120) erzeugte Strahlung (20'), insbesondere keine Reflexionsmittel aufweisen, die dazu ausgebildet sind, von der zweiten Lasereinrichtung (120) erzeugte Strahlung (20') zu reflektieren.
Lasersystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere im Bereich von zwischen der ersten Lasereinrichtung (110) und der zweiten Lasereinrichtung (120) angeordneten optische Komponenten, ein Immersionsmedium (140) vorgesehen ist, insbesondere ein Immersionsfluid und/oder ein Immersionsgel.
Lasersystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der ersten Lasereinrichtung (110) ein Detektor (150) vorgesehen ist, der vorzugsweise dazu ausgebildet ist, die von der zweiten Lasereinrichtung (120) erzeugte Strahlung (20') zu erfassen.
Lasersystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtleitereinrichtung (130) zur optischen Verbindung der ersten Lasereinrichtung (110) mit der zweiten Lasereinrichtung (120) vorgesehen ist.
Pumplichtquelle für eine Laserzündkerze (200) einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer ersten Lasereinrichtung (110), die dazu ausgebildet ist, Pumplicht (10) zum optischen Pumpen einer zweiten, in der Laserzündkerze (200) angeordneten, Lasereinrichtung (120) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle und/oder die erste Lasereinrichtung (110) in einem Bereich (110a), der mit der zweiten Lasereinrichtung (120) optisch verbindbar ist, Reflexionsmittel (115) aufweist, die dazu ausgebildet sind, von der zweiten Lasereinrichtung (120) erzeugte Strahlung (20') zu reflektieren.
Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Lasersystem (100) und/oder einer Pumplichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche.