DE102009003137A1 - Laser device for use in internal-combustion engine of motor vehicle, has laser-active solid body provided with passive Q-switch, and gradient-optical element including continuous refractive index characteristics - Google Patents

Laser device for use in internal-combustion engine of motor vehicle, has laser-active solid body provided with passive Q-switch, and gradient-optical element including continuous refractive index characteristics Download PDF

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Abstract

The device (26) has a laser-active solid body (44) provided with a passive Q-switch (46). A gradient-optical element (45) i.e. gradient index lens, includes continuous refractive index characteristics and non-constant radial refractive index characteristics with respect to an optical-axis (OA) of the laser device. The gradient-optical element deflects a pumping light (60) that is irradiated into the device into a cylindrical pumping volume. The gradient-optical element is designed as converging lens or diverging lens.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem eine, vorzugsweise passive, Güteschaltung aufweisenden laseraktiven Festkörper.The The invention relates to a laser device for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, with at least one, preferably passive, quality circuit having laser-active solid.

Derartige Lasereinrichtungen werden in laserbasierten Zündsystemen zur Erzeugung energiereicher Laserimpulse verwendet. Die Beeinflussung des Strahlquerschnitts von in herkömmlichen Lasereinrichtungen geführter Laserstrahlung erfolgt dabei nachteilig durch diskrete Optiken, die der Lasereinrichtung vor- und/oder nachgeordnet sind, und deren Anordnung relativ zu der Lasereinrichtung dementsprechend aufwendig justiert und insbesondere auch während des Betriebs der Brennkraftmaschine aufrechterhalten werden muss. Ein weiterer Nachteil der bekannten Systeme besteht in dem für die diskreten Optiken erforderlichen Einbauraum.such Laser devices are used in laser-based ignition systems to generate more energy Laser pulses used. The influence of the beam cross section from in conventional Led laser facilities Laser radiation is adversely affected by discrete optics, which are the laser device forward and / or downstream, and their arrangement adjusted accordingly consuming relative to the laser device and especially during the operation of the internal combustion engine must be maintained. Another disadvantage of the known systems is that for the discrete optics required installation space.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lasereinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein Strahlquerschnitt der Laserstrahlung mit verhältnismäßig geringem konstruktiven Aufwand flexibel beeinflussbar ist.Accordingly, it is Object of the present invention, a laser device of the beginning mentioned type to improve that a beam cross-section the laser radiation with relatively low constructive effort can be flexibly influenced.

Diese Aufgabe wird bei einer Lasereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein gradientenoptisches Element vorgesehen ist, das zumindest abschnittsweise einen kontinuierlichen Brechzahlverlauf aufweist.These Task is in a laser device of the type mentioned according to the invention thereby solved, that at least one gradient optical element is provided, the at least partially a continuous refractive index course having.

Die erfindungsgemäße Vorsehung des gradientenoptischen Elements ermöglicht vorteilhaft eine flexible Beeinflussung des Strahlquerschnitts bzw. -profils der in der Lasereinrichtung geführten Laserstrahlung direkt in der Lasereinrichtung, wodurch einerseits zusätzliche Freiheitsgrade für die Ein- beziehungsweise Auskopplung der Laserstrahlung geschaffen werden und andererseits vorteilhaft die Möglichkeit besteht, eine optische Leistungsdichte im Bereich optisch wirksamer Schichten der Lasereinrichtung so zu reduzieren, dass sich deren Standzeit vergrößert. Beispielsweise kann durch die erfindungsgemäße Vorsehung eines den Strahlquerschnitt in der Lasereinrichtung vergrößernden gradientenoptischen Elements unter Beibehaltung der Laserleistung die optische Leistungsdichte im Bereich dielektrischer Schichten, die z. B. als Ein- und/oder Auskoppelspiegel der Lasereinrichtung verwendet werden, so reduziert werden, dass deren Lebensdauer im Gegensatz zu herkömmlichen Lasereinrichtungen steigt.The Providence according to the invention the gradient optical element advantageously allows a flexible Influencing the beam cross section or profile in the laser device out Laser radiation directly in the laser device, which on the one hand additional Degrees of freedom for the coupling or decoupling of the laser radiation created On the other hand advantageously there is the possibility of an optical Power density in the range of optically effective layers of the laser device be reduced so that their life increases. For example can by the provision of the invention one of the beam cross section in the laser device magnifying gradient optical element while maintaining the laser power the optical power density in the area of dielectric layers, the z. B. as input and / or output mirror of the laser device be used so reduced that their life in the Unlike traditional Laser equipment is increasing.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das gradientenoptische Element als Gradientenindexlinse ausgebildet.at an advantageous embodiment The invention relates to the gradient optical element as gradient index lens educated.

Zur flexiblen Strahlformung weist das gradientenoptische Element einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zufolge zumindest bezüglich einer optischen Achse der Lasereinrichtung einen nichtkonstanten radialen Brechzahlverlauf auf. Ferner ist es denkbar, dass das gradientenoptische Element einen nichtkonstanten Brechzahlverlauf auch in zu der optischen Achse paralleler Richtung aufweist.to flexible beam shaping, the gradient optical element has a another embodiment According to the invention, at least with respect to an optical axis the laser device a non-constant radial refractive index profile on. Furthermore, it is conceivable that the gradient optical element a non-constant refractive index course also in the optical Has axis parallel direction.

Die erfindungsgemäße Gradientenindexlinse kann sowohl als Sammellinse als auch als Zerstreuungslinse ausgebildet sein und ermöglicht damit vorteilhaft sowohl eine Bündelung als auch eine Zerstreuung der in der Lasereinrichtung geführten Laserstrahlung, wodurch beispielsweise ein Divergenzwinkel von aus der Lasereinrichtung austretender Laserstrahlung beeinflusst werden kann, so dass vorteilhaft auf eine der Lasereinrichtung üblicherweise nachgeordnete Aufweitelinse verzichtet werden kann.The Gradient-index lens according to the invention can both formed as a converging lens and as a diverging lens be and possible thus advantageous both a bundling as well as a dispersion of the guided in the laser device laser radiation, whereby, for example, a divergence angle of out of the laser device Emerging laser radiation can be influenced, so that advantageous to one of the laser device usually Subsequent expansion lens can be dispensed with.

Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das gradientenoptische Element direkt zwischen einem Einkoppelspiegel und weiteren Komponenten der Lasereinrichtung angeordnet, so dass über den Einkoppelspiegel in die Lasereinrichtung eingestrahlte Pumpstrahlung zum optischen Pumpen des laseraktiven Festkörpers vorteilhaft direkt hinsichtlich ihres Strahlprofils beeinflusst werden kann, beispielsweise um sicherzustellen, dass ein gewünschter Volumenbereich der Lasereinrichtung, z. B. ein im Wesentlichen kreiszylindrischer Bereich des laseraktiven Festkörpers, mit dem Pumplicht beaufschlagt wird. Bei dieser Erfindungsvariante ist das gradientenoptische Element so ausgebildet, dass es in die Lasereinrichtung eingestrahltes Pumplicht in ein im Wesentlichen zylindrisches Pumpvolumen umlenkt. Dadurch kann vorteilhaft auf diskrete separate Fokussieroptiken zwischen einer das Pumplicht zuführenden Lichtleitereinrichtung und dem Einkoppelspiegel der Lasereinrichtung und den damit verbundenen konstruktiven Aufwand verzichtet werden.at Another very advantageous embodiment of the invention the gradient optical element directly between a coupling mirror and other components of the laser device arranged so that over the Einkoppelspiegel irradiated in the laser device pump radiation for optical pumping of the laser-active solid advantageously directly in terms Their beam profile can be influenced, for example to ensure that a desired one Volume range of the laser device, z. B. a substantially circular cylindrical area of the laser-active solid, is acted upon by the pump light. In this variant of the invention is the gradient optical element designed so that it in the Laser device irradiated pumping light in a substantially cylindrical pump volume deflects. This can be beneficial to discrete separate focusing optics between a pumping light feeding Optical fiber device and the coupling mirror of the laser device and the associated design effort can be dispensed with.

Bei einer weiteren Erfindungsvariante, bei der das gradientenoptische Element zwischen dem laseraktiven Festkörper und der Güteschaltung angeordnet ist, ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, durch entsprechende Konfiguration des gradientenoptischen Elements z. B. als Zerstreuungslinse eine Leistungsdichte der Laserstrahlung so zu verringern, dass die durch einen sättigbaren Absorber der passiven Güteschaltung ausgebildete Schicht und/oder ein in diesem Bereich vorgesehener Auskoppelspiegel einer geringeren Belastung ausgesetzt ist, wodurch sich – bei unveränderter Impulsenergie der emittierten Laserimpulse – wiederum ihre Standzeit erhöht.In a further variant of the invention, in which the gradient optical element between the laser-active solid and the Q-switching is arranged, the possibility is advantageously given by appropriate configuration of the gradient optical element z. B. as a diverging lens to reduce a power density of the laser radiation so that formed by a saturable absorber of the passive Q-switching layer and / or provided in this area Auskoppspie gel is subjected to a lower load, whereby - with unchanged pulse energy of the emitted laser pulses - in turn increases their life.

Eine weitere vorteilhafte Erfindungsvariante sieht vor, dass ein erstes gradientenoptisches Element, das als Sammellinse ausgebildet ist, zwischen einem Einkoppelspiegel und weiteren Komponenten der Lasereinrichtung angeordnet ist, und dass ein zweites gradientenoptisches Element, das als Zerstreuungslinse ausgebildet ist, zwischen dem laseraktiven Festkörper und der Güteschaltung angeordnet ist. Durch diese Konfiguration kann einerseits eine optimale Bündelung des Pumplichts in der Lasereinrichtung erfolgen, und andererseits kann die aus dem im Bereich der Güteschaltung liegenden Endbereich der Lasereinrichtung austretende Laserstrahlung so aufgeweitet werden, dass sie durch eine nachgeordnete Fokussieroptik in optimaler Weise, beispielsweise auf einen Zündpunkt in einem Brennraum der Brennkraftmaschine, fokussiert werden kann.A Another advantageous variant of the invention provides that a first gradient optical element, which is designed as a convergent lens, between a coupling-in mirror and further components of the laser device is arranged, and that a second gradient optical element, which is designed as a diverging lens, between the laser-active solid and the quality circuit is arranged. This configuration can on the one hand an optimal bundling of the pumping light in the laser device, and on the other hand can from the lying in the area of the Q-circuit end the laser device exiting laser radiation are widened so that they optimally by a downstream focusing optics, for example to one ignition point in a combustion chamber of the internal combustion engine, can be focused.

Eine besonders klein bauende und robuste Konfiguration ergibt sich erfindungsgemäß ferner, wenn das gradientenoptische Element monolithisch in die Lasereinrichtung integriert ist. Das gradientenoptische Element kann alternativ oder ergänzend auch durch Verkitten, Klemmen oder Bonden mit weiteren Komponenten der Lasereinrichtung verbunden werden.A According to the invention, the particularly compact and robust configuration also results when the gradient optical element monolithic in the laser device is integrated. The gradient optical element can alternatively or in addition also by cementing, clamping or bonding with other components of the Laser device are connected.

Einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge kann das gradientenoptische Element auch aus mehreren Komponenten mit unterschiedlichem Brechzahlverlauf bestehen, die bezüglich einer Transmissionsrichtung eingestrahlter Laserstrahlung nebeneinander angeordnet sind.one another very advantageous embodiment According to the present invention, the gradient optical element also from several components with different refractive index profile exist that respect a transmission direction irradiated laser radiation arranged side by side are.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Lasereinrichtung direkt in eine Laserzündkerze für die Brennkraftmaschine integriert.Especially Advantageously, the laser device according to the invention is direct in a laser spark plug for the internal combustion engine integrated.

Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung kann vorteilhaft zum Aufbau einer laserbasierten Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder auch eines Stationärmotors verwendet werden.The Laser device according to the invention can advantageous for the construction of a laser-based ignition device for an internal combustion engine a motor vehicle or a stationary motor can be used.

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.

In der Zeichnung zeigt:In the drawing shows:

1a bis 1d verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung, 1a to 1d various embodiments of the laser device according to the invention,

2 eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Lasereinrichtung, und 2 an internal combustion engine with a laser device according to the invention, and

3a bis 3e verschiedene Ausführungsformen eines in die erfindungsgemäße Lasereinrichtung integrierten gradientenoptischen Elements. 3a to 3e Various embodiments of an integrated in the laser device according to the invention gradient optical element.

1a 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 zusammen mit der passiven Güteschaltung 46 sowie dem in 1a 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. 1a schematically shows a first embodiment of the laser device according to the invention 26 , The laser device 26 has a laser-active solid 44 on, the one referred to as Q-switch passive Q-switch 46 is optically subordinate. The laser-active solid 44 forms together with the passive quality circuit 46 as well as in 1a On the left of this arranged Einkoppelspiegel 42 and the output mirror 48 a laser oscillator, whose oscillatory behavior of the passive Q-circuit 46 depends and thus at least indirectly controllable in a conventional manner.

Der laseraktive Festkörper 44 weist beispielsweise NdYAG- oder YbYAG-Material auf, und ein sättigbarer Absorber der passiven Güteschaltung 46 kann beispielsweise Cr4+YAG-Material aufweisen.The laser-active solid 44 has, for example, NdYAG or YbYAG material, and a saturable absorber of passive Q-switching 46 may for example comprise Cr4 + YAG material.

Bei der in 1a abgebildeten Konfiguration wird die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 beziehungsweise der laseraktive Festkörper 44 durch den Einkoppelspiegel 42 hindurch mit Pumplicht 60 beaufschlagt, das in einer entfernt angeordneten Pumplichtquelle 30 (2) erzeugt und mittels der Lichtleitereinrichtung 28 zu der Lasereinrichtung 26 übertragen wird. Das Pumplicht 60 regt Elektronen in dem laseraktiven Festkörper 44 an und führt damit zu einer an sich bekannten Besetzungsinversion. Der Einkoppelspiegel 42 besitzt für das Pumplicht 60 einen verhältnismäßig großen Transmissionskoeffizienten.At the in 1a the illustrated configuration is the laser device according to the invention 26 or the laser-active solid 44 through the coupling mirror 42 through with pump light 60 applied in a remotely located pumping light source 30 ( 2 ) and by means of the optical fiber device 28 to the laser device 26 is transmitted. The pump light 60 excites electrons in the laser-active solid 44 and thus leads to a known population inversion. The coupling mirror 42 owns the pump light 60 a relatively large transmission coefficient.

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 60, 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.While passive Q-switching 46 has its ground state, in which it has a relatively low transmission coefficient, a laser operation in the laser-active solid 44 or in the by the coupling mirror 42 and the Auskoppelspiegel 48 limited solids 44 . 46 avoided. As the pumping time increases, that is, during continued pumping Suppression with the pump light 60 However, the radiation intensity in the laser oscillator also increases 42 . 44 . 46 . 48 so that the passive Q-switching 46 finally fading. That is, their transmission coefficient increases, and laser operation in the laser oscillator 42 . 44 . 46 . 48 starts.

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 1a rechts angeordneten Auskoppelspiegel 48 aus dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 ausgekoppelt und ist in einer laserbasierten Zündeinrichtung 27 (2) für eine Brennkraftmaschine 10 zur Entzündung eines in einem Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs 22 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.In the manner described above, a laser pulse, also referred to as a giant pulse, is produced 24 which has a relatively high peak power. The laser pulse 24 is then replaced by the in 1a right arranged Auskoppelspiegel 48 from the laser oscillator 42 . 44 . 46 . 48 decoupled and is in a laser-based ignition device 27 ( 2 ) for an internal combustion engine 10 to ignite one in a combustion chamber 14 the internal combustion engine 10 located air / fuel mixture 22 usable. For this purpose, the laser pulse 24 for example, by a corresponding optical fiber device or directly by a Auskoppelspiegel 48 downstream combustion chamber window in the combustion chamber 14 the internal combustion engine 10 be coupled. A focusing optics for focusing the laser pulse 24 Optionally, an ignition point may likewise be present, in particular also integrally formed with the combustion chamber window.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens ein gradientenoptisches Element 45 (1a), das zumindest abschnittsweise einen kontinuierlichen Brechzahlverlauf aufweist, in der Lasereinrichtung 26 angeordnet ist.According to the invention, it is provided that at least one gradient-optical element 45 ( 1a ), which at least partially has a continuous refractive index profile, in the laser device 26 is arranged.

Das erfindungsgemäße gradientenoptische Element 45 ist vorteilhaft monolithisch in die Lasereinrichtung 26 integriert, kann jedoch auch durch Verkitten oder Klemmen beziehungsweise Bonden mit weiteren Komponenten 44, 46 der Lasereinrichtung 26 verbunden werden.The gradient optical element according to the invention 45 is advantageous monolithic in the laser device 26 integrated, but can also by cementing or clamping or bonding with other components 44 . 46 the laser device 26 get connected.

Das erfindungsgemäße gradientenoptische Element 45 kann vorteilhaft die Funktion einer Sammellinse oder auch einer Zerstreuungslinse realisieren und schafft dadurch Freiheitsgrade bezüglich der Formung der in der Lasereinrichtung 26 geführten Laserstrahlung.The gradient optical element according to the invention 45 can advantageously realize the function of a converging lens or a diverging lens and thereby creates degrees of freedom with respect to the shaping of the in the laser device 26 guided laser radiation.

Beispielsweise kann das gradientenoptische Element 45 als Gradientenindexlinse ausgebildet sein, die, zumindest bezüglich einer optischen Achse OA der Lasereinrichtung 26, einen nichtkonstanten radialen Brechzahlverlauf aufweist. Die Verwendung eines gradientenoptischen Elements 45 mit einem nichtkonstanten Brechzahlverlauf parallel zu der optischen Achse OA oder entlang einer weiteren Dimension ist ebenfalls denkbar.For example, the gradient optical element 45 be designed as gradient index lens, which, at least with respect to an optical axis OA of the laser device 26 , has a non-constant radial refractive index profile. The use of a gradient optical element 45 with a non-constant refractive index profile parallel to the optical axis OA or along another dimension is also conceivable.

Erfindungsgemäß ist es ferner möglich, die Anordnung der Komponenten 44, 45, 46 in der Lasereinrichtung 26 zu modifizieren, wodurch der Strahldurchmesser der in der Lasereinrichtung 26 auftretenden Laserstrahlung 24 gezielt beeinflusst werden kann. Insbesondere kann auf diese Weise der Strahldurchmesser der Laserstrahlung 24 in den einzelnen Bereichen 44, 45, 46 eingestellt werden. Durch entsprechende Dotierung eines sättigbaren Absorbers der passiven Güteschaltung 46 und des laseraktiven Materials 44 kann die in der Lasereinrichtung 26 geführte Laserstrahlung 24 ebenfalls beeinflusst werden.According to the invention it is also possible, the arrangement of the components 44 . 45 . 46 in the laser device 26 to modify, thereby reducing the beam diameter in the laser device 26 occurring laser radiation 24 can be specifically influenced. In particular, in this way the beam diameter of the laser radiation 24 in the individual areas 44 . 45 . 46 be set. By appropriate doping of a saturable absorber of the passive Q-switching 46 and the laser active material 44 can be in the laser device 26 guided laser radiation 24 also be influenced.

1b zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26, bei der ein als Gradientenindexlinse ausgebildetes gradientenoptisches Element 45 direkt zwischen dem Einkoppelspiegel 42 und dem laseraktiven Festkörper 44 angeordnet ist. Bei einer entsprechenden Ausbildung der Gradientenindexlinse 45 als Sammellinse ermöglicht die in 1b abgebildete Konfiguration vorteilhaft eine Fokussierung des in die Lasereinrichtung 26 eingestrahlten Pumplichts 60 derart, dass ein im Wesentlichen zylindrischer Volumenbereich 60a der Lasereinrichtung 26 mit dem Pumplicht 60 beaufschlagt wird. 1b shows a further embodiment of the laser device according to the invention 26 in which a gradient optical element designed as a gradient index lens 45 directly between the coupling mirror 42 and the laser-active solid 44 is arranged. With a corresponding formation of the gradient index lens 45 as a condensing lens allows the in 1b illustrated configuration advantageously focusing the in the laser device 26 irradiated pump light 60 such that a substantially cylindrical volume area 60a the laser device 26 with the pump light 60 is charged.

Dadurch kann auf eine extern der Lasereinrichtung 26 angeordnete Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des Pumplichts 60 auf den Einkoppelspiegel 42 verzichtet werden. Vielmehr ist es unter Anwendung der erfindungsgemäßen Konfiguration möglich, Pumplicht 60 wie aus 1b ersichtlich direkt aus der Lichtleitfaser 28 in die Lasereinrichtung 26 einzukoppeln. Das bei dem Austreten aus der Lichtleitfaser 28 divergierende Pumplicht 60 wird erfindungsgemäß vorteilhaft durch die Gradientenindexlinse 45 in der gewünschten Weise umgelenkt.This allows an external laser device 26 arranged focusing device for focusing the pump light 60 on the Einkoppelspiegel 42 be waived. Rather, it is possible using the configuration according to the invention, pump light 60 like out 1b visible directly from the optical fiber 28 in the laser device 26 couple. That when exiting the optical fiber 28 diverging pump light 60 is inventively advantageous by the gradient index lens 45 deflected in the desired manner.

1c zeigt eine weitere vorteilhafte Erfindungsvariante, bei der eine vorliegend als Zerstreuungslinse ausgebildete Gradientenindexlinse 45 zwischen dem laseraktiven Material 44 und der passiven Güteschaltung 46 angeordnet ist. Diese Konfiguration dient vorteilhaft zur Reduktion der optischen Leistungsdichte der in der Lasereinrichtung 26 geführten Laserstrahlung 24 im Bereich eines sättigbaren Absorbers der passiven Güteschaltung 46, so dass die betreffende optische Schicht einer geringeren Strahlungsbelastung ausgesetzt ist. Dadurch kann die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 vorteilhaft mit einer höheren Pulsenergie und/oder größeren Standzeiten verwendet werden. Derselbe Effekt wirkt sich auch positiv auf die Standzeit des Auskoppelspiegels 48 aus. 1c shows a further advantageous variant of the invention, in which a presently designed as a diverging lens Gradientenindexlinse 45 between the laser-active material 44 and the passive circuit 46 is arranged. This configuration advantageously serves to reduce the optical power density of the laser device 26 guided laser radiation 24 in the range of a saturable absorber of the passive Q-switching 46 , so that the optical layer concerned is exposed to a lower radiation load. As a result, the laser device according to the invention 26 advantageously be used with a higher pulse energy and / or longer service life. The same effect also has a positive effect on the service life of the coupling-out mirror 48 out.

Ein weiterer Vorteil bei der in der Lasereinrichtung 26 mittels der Gradientenindexlinse 45 realisierten Aufweitung der Laserstrahlung besteht darin, dass eine der Lasereinrichtung 26 nachgeordnete Fokussieroptik (nicht gezeigt) bereits mit einem Laserimpuls 24 der erforderlichen Divergenz beaufschlagt wird, so dass auf die Vorsehung einer externen Zerstreuungslinse verzichtet werden kann. Dadurch reduzieren sich vorteilhaft auch Verluste, wie sie bei dem Hindurchtreten von Laserstrahlung 24 durch hintereinander angeordnete optische Komponenten aufgrund von Grenzflächenreflexionen auftreten, wenn die Brechungsindexunterschiede der Materialien gering sind.Another advantage of the in the laser device 26 by means of the gradient index lens 45 realized expansion of the laser radiation is that one of the laser device 26 Subsequent focusing optics (not shown) already with a La serimpuls 24 the required divergence is applied, so that it is possible to dispense with the provision of an external diverging lens. As a result, losses are also advantageously reduced, as in the case of the passage of laser radiation 24 by successive optical components due to interfacial reflections when the refractive index differences of the materials are low.

1d zeigt eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Lasereinrichtung 26 über zwei gradientenoptische Elemente 45a, 45b verfügt. 1d shows a further very advantageous embodiment of the present invention, wherein the laser device 26 over two gradient optical elements 45a . 45b features.

Das als Sammellinse ausgebildete erste gradientenoptische Element 45a bündelt hierbei in die Lasereinrichtung 26 eingestrahltes Pumplicht 60 (1a) so, dass es einen gewünschten Strahlquerschnitt in der Lasereinrichtung 26 aufweist, wodurch die Pumpeffizienz gesteigert wird. Das als Zerstreuungslinse ausgebildete zweite gradientenoptische Element 45b dient vorteilhaft der Aufweitung von mittels der Lasereinrichtung 26 erzeugter Laserstrahlung 24, so dass eine nachgeordnete Fokussieroptik (nicht gezeigt) mit Laserstrahlung 24 optimaler Divergenz versorgt wird.The trained as a converging lens first gradient optical element 45a bundles in this case in the laser device 26 irradiated pump light 60 ( 1a ) so that there is a desired beam cross section in the laser device 26 , whereby the pumping efficiency is increased. The trained as a diverging lens second gradient optical element 45b advantageously serves to widen by means of the laser device 26 generated laser radiation 24 such that a downstream focusing optics (not shown) with laser radiation 24 optimal divergence is supplied.

Bei der in 1d abgebildeten Erfindungsvariante kann zwischen der Gradientenindexlinse 45a und dem laseraktiven Festkörper 44 auch ein zu dem Einkoppelspiegel 42 vergleichbarer Spiegel (nicht gezeigt) angeordnet sein, so dass der Laserresonator insgesamt durch diesen Spiegel, den laseraktiven Festkörper 44, die Zerstreuungslinse 45b, die passive Güteschaltung 46 und den Auskoppelspiegel 48 gebildet wird. Das heißt, in diesem Fall ist die erfindungsgemäße erste Gradientenindexlinse 45a extern zu dem eigentlichen Laserresonator angeordnet und es kann dementsprechend auf den Einkoppelspiegel 42 verzichtet werden.At the in 1d illustrated variant of the invention may be between the gradient index lens 45a and the laser-active solid 44 also to the Einkoppelspiegel 42 be arranged comparable mirror (not shown), so that the laser resonator as a whole by this mirror, the laser-active solid 44 , the diverging lens 45b , the passive circuit 46 and the Auskoppelspiegel 48 is formed. That is, in this case, the first gradient index lens of the present invention is 45a arranged externally to the actual laser resonator and it can accordingly on the Einkoppelspiegel 42 be waived.

2 zeigt schematisch eine Zündeinrichtung 27 für eine Brennkraftmaschine 10, bei der die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 dazu verwendet wird, Laserimpulse 24 zu erzeugen, die zur Entzündung eines in dem Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs 22 dienen. 2 schematically shows an ignition device 27 for an internal combustion engine 10 in which the laser device according to the invention 26 is used to laser pulses 24 to generate, to ignite one in the combustion chamber 14 the internal combustion engine 10 located air / fuel mixture 22 serve.

Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in 2 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, der von der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 der Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird, entzündet.The internal combustion engine 10 includes several cylinders, one of which is in 2 only one with the reference numeral 12 is designated. A combustion chamber 14 of the cylinder 12 is from a piston 16 limited. Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18 , to a designated as a rail or common rail fuel pressure accumulator 20 connected. In the combustion chamber 14 injected fuel 22 is by means of the high-energy laser pulse described above 24 that of the laser device according to the invention 26 the ignition device 27 in the combustion chamber 14 is emitted, ignited.

Die Lasereinrichtung 26 ist in eine Laserzündkerze 100 integriert und wird über die Lichtleitereinrichtung 28 mit dem Pumplicht 60 (1a) 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.The laser device 26 is in a laser spark plug 100 integrated and is via the light guide device 28 with the pump light 60 ( 1a ) fed by the pump light source 30 provided. The pump light source 30 is controlled by a control device 32 which also controls the injector 18 controls.

Beispielsweise kann die Pumplichtquelle 30 eine oder mehrere nicht abgebildete Halbleiter-Laserdioden aufweisen, die in Abhängigkeit eines Steuerstroms Pumplicht 60 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.For example, the pump light source 30 Have one or more non-illustrated semiconductor laser diodes, the pump light in response to a control current 60 corresponding intensity over the light guide device 28 to the laser device 26 output. Although semiconductor laser diodes and other small-sized pumping light sources are preferably used for use in the automotive field, for the operation of the ignition device according to the invention 27 in principle any kind of pump light source can be used.

Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 kann vorteilhaft zum Aufbau einer laserbasierten Zündeinrichtung 27 für eine Brennkraftmaschine 10 eines Kraftfahrzeugs oder eines Stationärmotors verwendet werden.The laser device according to the invention 26 can be advantageous for the construction of a laser-based ignition device 27 for an internal combustion engine 10 a motor vehicle or a stationary motor can be used.

Durch die erfindungsgemäße Vorsehung des gradientenoptischen Elements 45 in der Lasereinrichtung 26 kann vorteilhaft die Strahlqualität der Laserstrahlung 24 verbessert und die Stabilität des Laserresonators 42, 44, 45, 46, 48 eingestellt werden. Es ist insbesondere auch möglich, mehr als zwei gradientenoptische Elemente in der Lasereinrichtung 26 anzuordnen, die – ebenso wie die weiteren Komponenten 44, 46 – bevorzugt monolithisch integriert werden.By the provision according to the invention of the gradient optical element 45 in the laser device 26 can advantageously the beam quality of the laser radiation 24 improves and the stability of the laser resonator 42 . 44 . 45 . 46 . 48 be set. In particular, it is also possible to have more than two gradient-optical elements in the laser device 26 to arrange the - as well as the other components 44 . 46 - Preferably monolithically integrated.

Einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge kann das gradientenoptische Element 45 auch aus mehreren Komponenten mit unterschiedlichem Brechzahlverlauf bestehen, die bezüglich einer Transmissionsrichtung von in sie eingestrahlter Laserstrahlung 24 nebeneinander angeordnet sind.According to another very advantageous embodiment of the present invention, the gradient optical element 45 also consist of several components with different refractive index profile, with respect to a transmission direction of irradiated in them laser radiation 24 are arranged side by side.

3a zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein entsprechendes gradientenoptische Element 45, wobei die Zeichenebene der 3a senkrecht zu der optischen Achse OA (1a) der Lasereinrichtung 26 angeordnet ist. 3a schematically shows a plan view of a corresponding gradient optical element 45 , where the plane of the 3a perpendicular to the optical axis OA ( 1a ) of the laser device 26 is arranged.

Das gradientenoptische Element 45 der 3a weist insgesamt zwei Komponenten 45', 45'' auf, die jeweils einen halbkreisförmigen Querschnitt und unterschiedliche Brechungseigenschaften, insbesondere einen unterschiedlichen radialen Brechzahlverlauf, aufweisen. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, einen ersten Anteil des Strahlquerschnitts eines senkrecht zur Zeichenebene der 3a auftreffenden Laserstrahls durch die erste gradientenoptische Komponente 45' und einen zweiten Anteil des Strahlquerschnitts des Laserstrahls durch die zweite gradientenoptische Komponente 45'' zu beeinflussen, wodurch ein weiterer Freiheitsgrad bei der Strahlformung in der Lasereinrichtung 26 gegeben ist.The gradient optical element 45 of the 3a has a total of two components 45 ' . 45 '' each having a semicircular cross-section and different refractive properties, in particular a different radial crushing number history. Thus, it is advantageously possible, a first portion of the beam cross-section of a perpendicular to the plane of the 3a incident laser beam through the first gradient optical component 45 ' and a second portion of the beam cross section of the laser beam through the second gradient optical component 45 '' to influence, thereby providing a further degree of freedom in beam shaping in the laser device 26 given is.

3b zeigt ein gradientenoptisches Element 45 mit insgesamt drei unterschiedlichen Komponenten 45', 45'', 45'''. 3b shows a gradient optical element 45 with a total of three different components 45 ' . 45 '' . 45 ''' ,

3c zeigt eine Draufsicht auf ein gradientenoptisches Element 45c, das im Unterschied zu den Komponenten 45 aus den 3a, 3b einen quadratischen Querschnitt aufweist und vorliegend in vier nicht näher bezeichnete Sektionen mit jeweils unterschiedlichen Brechzahleigenschaften unterteilt ist. 3c shows a plan view of a gradient optical element 45c That's unlike the components 45 from the 3a . 3b has a square cross-section and is divided into four unspecified sections, each with different Brechzahleigenschaften.

3d zeigt schematisch das gradientenoptische Element 45c aus 3c zusammen mit einem durch die gestrichelte kreisförmige Linie 44 angedeuteten Umriss der Lasereinrichtung 26 bzw. des laseraktiven Festkörpers 44. Wie aus 3d ersichtlich ist, ist die Kantenlänge des gradientenoptischen Elements 45c größer gewählt als der Durchmesser der Lasereinrichtung 26, so dass die Randbereiche des gradientenoptischen Elements 45c gleichzeitig vorteilhaft als Ausrichtungshilfe oder zur sonstigen mechanischen Handhabung bzw. Fixierung der Lasereinrichtung 26 verwendet werden können. 3d schematically shows the gradient optical element 45c out 3c along with a dashed circular line 44 indicated outline of the laser device 26 or the laser-active solid 44 , How out 3d is apparent, is the edge length of the gradient optical element 45c chosen larger than the diameter of the laser device 26 so that the edge areas of the gradient optical element 45c at the same time advantageous as an alignment aid or other mechanical handling or fixing of the laser device 26 can be used.

3e zeigt eine Seitenansicht einer entsprechend konfigurierten Lasereinrichtung 26. 3e shows a side view of a correspondingly configured laser device 26 ,

Claims (10)

Lasereinrichtung (26) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem eine, vorzugsweise passive, Güteschaltung (46) aufweisenden laseraktiven Festkörper (44), gekennzeichnet durch mindestens ein gradientenoptisches Element (45, 45a, 45b), das zumindest abschnittsweise einen kontinuierlichen Brechzahlverlauf aufweist.Laser device ( 26 ) for an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, with at least one one, preferably passive, Q-switching ( 46 ) having laser-active solid ( 44 ), characterized by at least one gradient optical element ( 45 . 45a . 45b ), which has at least partially a continuous refractive index profile. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gradientenoptische Element (45, 45a, 45b) zumindest bezüglich einer optischen Achse (OA) der Lasereinrichtung (26) einen nichtkonstanten radialen Brechzahlverlauf aufweist.Laser device ( 26 ) according to claim 1, characterized in that the gradient optical element ( 45 . 45a . 45b ) at least with respect to an optical axis (OA) of the laser device ( 26 ) has a non-constant radial refractive index profile. Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gradientenoptische Element (45, 45a, 45b) als Gradientenindexlinse ausgebildet ist.Laser device ( 26 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gradient optical element ( 45 . 45a . 45b ) is designed as a gradient index lens. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradientenindexlinse (45, 45a, 45b) als Sammellinse oder als Zerstreuungslinse ausgebildet ist.Laser device ( 26 ) according to claim 3, characterized in that the gradient index lens ( 45 . 45a . 45b ) is designed as a converging lens or as a diverging lens. Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gradientenoptische Element (45, 45a) direkt zwischen einem Einkoppelspiegel (42) und weiteren Komponenten (44, 46) der Lasereinrichtung (26) angeordnet ist.Laser device ( 26 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gradient optical element ( 45 . 45a ) directly between a coupling mirror ( 42 ) and other components ( 44 . 46 ) of the laser device ( 26 ) is arranged. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gradientenoptische Element (45, 45a) so ausgebildet ist, dass es in die Lasereinrichtung (26) eingestrahltes Pumplicht (60) in ein im wesentlichen zylindrisches Pumpvolumen (60a) umlenkt.Laser device ( 26 ) according to claim 5, characterized in that the gradient optical element ( 45 . 45a ) is designed so that it in the laser device ( 26 ) irradiated pump light ( 60 ) into a substantially cylindrical pump volume ( 60a ) redirects. Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gradientenoptische Element (45, 45b) zwischen dem laseraktiven Festkörper (44) und der Güteschaltung (46) angeordnet ist.Laser device ( 26 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gradient optical element ( 45 . 45b ) between the laser-active solid ( 44 ) and the quality circuit ( 46 ) is arranged. Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes gradientenoptisches Element (45a), das insbesondere als Sammellinse ausgebildet ist, zwischen einem Einkoppelspiegel (42) und weiteren Komponenten (44) der Lasereinrichtung (26) angeordnet ist, und dass ein zweites gradientenoptisches Element (45b), das insbesondere als Zerstreuungslinse ausgebildet ist, zwischen dem laseraktiven Festkörper (44) und der Güteschaltung (46) angeordnet ist.Laser device ( 26 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a first gradient optical element ( 45a ), which is designed in particular as a converging lens, between a coupling-in mirror ( 42 ) and other components ( 44 ) of the laser device ( 26 ), and that a second gradient optical element ( 45b ), which is designed in particular as a diverging lens, between the laser-active solid ( 44 ) and the quality circuit ( 46 ) is arranged. Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gradientenoptische Element (45, 45a, 45b) monolithisch in die Lasereinrichtung (26) integriert ist.Laser device ( 26 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the gradient optical element ( 45 . 45a . 45b ) monolithically into the laser device ( 26 ) is integrated. Laserzündkerze (100) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche.Laser spark plug ( 100 ) for an internal combustion engine ( 10 ), in particular of a motor vehicle, with a laser device ( 26 ) according to any one of the preceding claims.
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