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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Laserzündeinrichtung
für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei
dem mehrere unterschiedliche Laserstrahlen erzeugt und miteinander
kombiniert werden, das heißt zumindest teilweise räumlich überlagert
werden, insbesondere auf einen gemeinsamen Fokuspunkt gebündelt
werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Laserzündeinrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
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Derartige
Verfahren und Vorrichtungen sind aus der
US 5,756,924 bekannt. Das bekannte
System verwendet mehrere separate Lasereinrichtungen, deren Laserstrahlen
miteinander kombiniert werden. Die Verwendung voneinander getrennter
Lasereinrichtungen erfordert eine präzise Justage der einzelnen
Komponenten zueinander. Weiter ist das bekannte System auch nach
einer Justage anfällig für mechanische Störungen,
weil die Ausrichtung der einzelnen Lasereinrichtungen zueinenader
insbesondere bei im Kraftfahrzeugbereich eingesetzten Systemen durch
Vibrationen oder thermische Effekte gestört werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung ermöglicht bei einem Verfahren und einer Vorrichtung
der eingangs genannten Art eine gesteigerte Präzision und
Robustheit gegenüber mechanischen Störungen.
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Dies
wird dadurch ermöglicht, dass alle Laserstrahlen innerhalb
eines laseraktiven Festkörpers erzeugt werden. D. h. alle
erfindungsgemäßen Laserstrahlen werden in demselben
laseraktiven Festkörper erzeugt. Dadurch ergibt sich eine
mechanisch besonders stabile Konfiguration, und insbesondere das
Problem einer Fehlausrichtung separater Lasereinrichtungen zueinander
ist nicht mehr gegeben.
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Wenn
die Laserzündeinrichtung einen laseraktiven Festkörper
und eine dem laseraktiven Festkörper zugeordnete Güteschaltung,
insbesondere eine passive Güteschaltung, aufweist, können
vorteilhaft mehrere unterschiedliche Volumenbereiche des laseraktiven
Festkörpers, vorzugsweise getrennt voneinander, optisch
gepumpt werden, um die unterschiedlichen Laserstrahlen zu erhalten.
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Unter
dem voneinander getrennten optischen Pumpen im Sinne der vorliegenden
Erfindung ist eine solche Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers
mit Pumplicht zu verstehen, bei der die mehreren unterschiedlichen
Volumenbereiche des laseraktiven Festkörpers jeweils räumlich
getrennt voneinander mit Pumplicht beaufschlagt werden.
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Die
erfindungsgemäße Einteilung des laseraktiven Festkörpers
in die verschiedenen Volumenbereiche und die z. B. durch eine spezielle
Konfiguration einer das Pumplicht liefernden Pumpvorrichtung bereitgestellte
Möglichkeit, diese verschiedenen Volumenbereiche unabhängig
voneinander optisch zu pumpen, ermöglicht vorteilhaft gleichsam
einen Parallelbetrieb der verschiedenen Volumenbereiche, so dass
mehrere Laserzündimpulse – entweder gleichzeitig
oder auch zeitlich zueinander versetzt – durch einen einzigen
laseraktiven Festkörper erzeugt werden können.
D. h., im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen ist es bei
der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, mehrere Festkörperlaser
bereitzustellen, um mehrere Laserzündimpulse gleichzeitig
oder mit geringem zeitlichen Versatz erzeugen zu können.
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Bei
einer entsprechenden Auswahl der individuell mit Pumpstrahlung beaufschlagten
Volumenbereiche weisen die aus dem laseraktiven Festkörper austretenden
Laserzündimpulse beziehungsweise die hiermit korrespondierende Laserstrahlung
Abstände ihrer Strahlachsen zueinander auf, die einige Millimeter
oder mehr betragen, so dass die einzelnen Laserstrahlen mittels
einer entsprechenden Optik sehr effektiv auf einen gemeinsamen Fokuspunkt oder
auch auf verschiedene Zündpunkte fokussiert oder auch miteinander
kombiniert werden können, um einen aggregierten Laserstrahl
mit im Vergleich zu den einzelnen Laserstrahlen größerer
Leistungsdichte zu erhalten.
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Weitere
Freiheitsgrade hinsichtlich der Laserzündung sind einer
weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
zufolge gegeben, wenn die Pumpvorrichtung dazu ausgebildet ist,
die mehreren unterschiedlichen Volumenbereiche zu unterschiedlichen
Zeiten und/oder mit verschiedener Pumpleistung zu beaufschlagen.
Durch unterschiedliche Pumpzeiten beziehungsweise Pumpdauern und Pumpleistung
kann bei passiv gütegeschalteten Lasersystemen der Zeitpunkt
der Erzeugung des gütegeschalteten Laserzündimpulses
beeinflusst werden. Es ist auch denkbar, die mehreren unterschiedlichen Volumenbereiche
mit unterschiedlichen Pumpleistungsprofilen zu beaufschlagen, d.
h. jeweils einem unterschiedlichen zeitlichen Verlauf der Pumpleistung.
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Bei
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung weist die Pumpvorrichtung mehrere, vorzugsweise als
Halbleiterlaser ausgebildete, Pumplichtemitter auf, die jeweils
unterschiedlichen Volumenbereichen zugeordnet sind. Dadurch kann
gezielt ein bestimmter Volumenbereich des laseraktiven Festkörpers
optisch gepumpt werden indem die entsprechenden Pumplichtemitter aktiviert
werden.
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Als
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Laserzündeinrichtung
gemäß Patentanspruch 5 angegeben.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündeinrichtung ist die Pumpvorrichtung dazu ausgebildet,
die mehreren unterschiedlichen Volumenbereiche longitudinal optisch zu
pumpen, wodurch sich aufgrund der großen Überlappung
zwischen dem gepumpten Volumenanteil des laseraktiven Festkörpers
mit einer entsprechenden Lasermode ein besonders effizienter Pumpprozess
ergibt. Ferner eröffnet das longitudinale optische Pumpen
eine besonders einfache Möglichkeit, gezielt jeweils nur
einen bestimmten Volumenbereich optisch zu pumpen. Alternativ oder
ergänzend zu dem longitudinalen optischen Pumpen kann die Pumpvorrichtung
auch dazu ausgebildet sein, einen oder mehrere der unterschiedlichen
Volumenbereiche transversal optisch zu pumpen.
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Bei
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen laserzündeinrichtung
weisen die Volumenbereiche jeweils etwa Zylinderform auf und sind
mindestens etwa einen Millimeter, vorzugsweise etwa drei Millimeter,
seitlich voneinander beabstandet. Eine derartige räumliche Trennung
der verschiedenen Volumenbereiche resultiert in entsprechend voneinander
räumlich getrennten Pumporten und stellt vorteilhaft sicher,
dass die infolge des optischen Pumpens erzeugten Laserimpulse beziehungsweise
die hiermit korrespondierenden Laserstrahlen einen entsprechenden
Abstand voneinander haben. Durch diesen Abstand ist eine besonders
effiziente Umleitung der einzelnen Laserstrahlen in verschiedene
Raumrichtungen mittels einer einzigen Optik möglich, wodurch
vorteilhaft eine effiziente Kombination der Teilstrahlen oder auch
in einem Brennraum weit voneinander entfernt liegende Zündpunkte
realisiert werden können. Eine effiziente Bündelung
der Laserstrahlen auf einen Fokuspunkt ist ebenfalls möglich.
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Weitere
Freiheitsgrade ergeben sich erfindungsgemäß dadurch,
dass mehrere Volumenbereiche voneinander verschiedene Volumina aufweisen und/oder
unterschiedliche Konzentrationen eines Dotierungsmaterials und/oder
Wirtsmaterials aufweisen.
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Durch
die Festlegung von unterschiedlichen Pumpvolumina der einzelnen
Volumenbereiche kann die aus den betreffenden Volumina gelieferte
Strahlungsenergie in Form der Laserzündimpulse beeinflusst
werden, wodurch beispielsweise an einem ersten Zündpunkt
Laserzündimpulse höherer Energie bereitgestellt
werden können, als an einem zweiten Zündpunkt,
der einem geringeren Pumpvolumen zugeordnet ist.
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Weiter
kann vorgesehen sein, den laseraktiven Festkörper der erfindungsgemäßen
Laserzündeinrichtung aus mehreren unterschiedlichen Laserfestkörpern
mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften zu bilden, die monolithisch
miteinander verbunden werden. Beispielsweise können mehrere zylindrische
Abschnitte unterschiedlichen Lasermaterials mit einer einem Kreissegment
entsprechenden Grundform zu einem kreiszylindrischen Laserfestkörper
zusammengesetzt werden. Verwendet man z. B. unterschiedliche Wirtskristalle
mit Neodym-Dotierung für die einzelnen „Teilzylinder”,
so können alle Teilzylinder mit demselben Pumplicht gepumpt
werden, es entstehen aber jeweils geringfügig voneinander
abweichende Laserwellenlängen, welche vorteilhaft z. B.
mit einem Prisma oder einem optischen Gitter als beam combiner auf
dieselbe Strahlachse umgelenkt werden können. Laserspiegel
sind ebenfalls zur Umlenkung einsetzbar und erlauben vorteilhaft
ferner eine Faltung des Strahlengangs, was weitere Freiheitsgrade
beider Konstruktion der Laserzündeinrichtung bietet.
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Die
erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung
verfügt einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
zufolge über eine Auskoppeloptik, die dazu ausgebildet
ist, die in den mehreren unterschiedlichen Volumenbereichen erzeugte
Laserstrahlung zu kombinieren und insbesondere auf einen Fokuspunkt
zu bündeln. Die Auskoppeloptik kann hierzu insbesondere
Linsen, auch gradientenoptische Elemente und dergleichen enthalten
und auch monolithisch in den laseraktiven Festkörper integriert
sein. Alternativ oder ergänzend zu der Fokussierung kann
eine Kombinieroptik vorgesehen sein, beispielsweise ein als beam
combiner arbeitender grating splitter, um die einzelnen Laserstrahlen
miteinander zu kombinieren, d. h. ihre Strahlachsen miteinander
in Übereinstimmung zu bringen. Ein erfindungsgemäß kombinierter
Laserstrahl kann ebenfalls wiederum auf einen gewünschten
Zündpunkt fokussiert werden. Auch Laserspiegel können
zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Kombinieroptik
verwendet werden. Die Fokussierung mehrerer Laserstrahlen auf einen
gemeinsamen Brennpunkt wird vorliegend als ein Sonderfall einer
Kombination der Laserstrahlen angesehen.
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Generell
wird durch die Auslegung der Pumpvorrichtung und damit der durch
sie mit Pumpstrahlung beaufschlagten Volumenbereiche der Austrittsort
der in dem laseraktiven Festkörper erzeugten Laserstrahlung
beziehungsweise der Abstand einzelner Strahlen untereinander festgelegt.
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Eine
besonders effiziente Einstrahlung des Pumplichts auf den laseraktiven
Festkörper ist einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante
zufolge dann gegeben, wenn die Pumplichtemitter im Bereich einer
Stirnseite des laseraktiven Festkörpers angeordnet sind,
wobei die Pumplichtemitter insbesondere in eine den laseraktiven
Festkörper aufweisende Laserzündkerze integriert
sind.
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Um
die Pumplichtemitter vor den im Bereich der Laserzündkerze
auftretenden hohen Temperaturen zu schützen, kann einer
weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge auch vorgesehen
sein, dass die Pumplichtemitter extern zu einer den laseraktiven Festkörper
aufweisenden Laserzündkerze angeordnet und über
ein thermisch isolierendes Verbindungselement optisch mit dem laseraktiven
Festkörper verbunden sind. Dadurch ist es vorteilhaft möglich,
die Pumplichtemitter räumlich verhältnismäßig
nah bei der Laserzündkerze anzuordnen, und gleichzeitig
einen Wärmeeintrag von der Laserzündkerze in die Pumplichtemitter
zu vermeiden. Das Verbindungselement kann hierzu bevorzugt aus Glas
(z. B. Faser) oder Kristallmaterial bestehen und Optiken zur Strahlformung
enthalten (z. B. Fokussierlinsen). Es ist ebenfalls möglich,
den Pumplichtemittern eine lokale Steuerelektronik zuzuordnen, welche
von einer entfernt angeordneten zentralen Motorsteuerung mit Ansteuersignalen
beaufschlagt wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen
Laserzündeinrichtung,
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2 schematisch
eine erste Ausführungsform einer Lasereinrichtung der Laserzündeinrichtung
aus 1,
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3 eine
Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung,
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4a, 4b eine
Draufsicht auf eine Stirnseite einer Lasereinrichtung mit jeweils
unterschiedlichen erfindungsgemäßen Volumenbereichen,
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5a, 5b verschiedene
Anordnungen von Pumplichtemittern zur Realisierung der erfindungsgemäßen
individuell gepumpten Volumenbereiche,
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6 eine
erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze mit integrierter Lasereinrichtung und integrierter
Pumpvorrichtung,
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7a eine
zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze mit extern angeordneter Pumpvorrichtung,
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7b eine
dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze, bei der eine Kombinieroptik integriert
ist, und
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8 eine
weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Kombinieroptik
in den Laserresonator integriert ist.
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Eine
Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt
das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht
dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst
mehrere Zylinder, von denen in 1 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 bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen
ist.
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In
den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird
mittels eines Laserstrahls 24 entzündet, der vorzugsweise
in Form eines Laserimpulses von einer eine Lasereinrichtung 26 aufweisenden
Laserzündkerze 100 in den Brennraum 14 abgestrahlt
wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über
eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches
von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird
von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den
Injektor 18 ansteuert.
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Die
Pumplichtquelle 30 bildet zusammen mit der Lichtleitereinrichtung 28 und
der die Lasereinrichtung 26 aufweisenden Laserzündkerze 100 ein
laserbasiertes Zündsystem 27 der Brennkraftmaschine 10.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, weist die Lasereinrichtung 26 neben
einem laseraktiven Festkörper 44 erfindungsgemäß auch
eine passive Güteschaltung 46 auf, so dass die
Komponenten 44, 46 zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und
einem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator bilden.
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Die
grundsätzliche Funktionsweise der Lasereinrichtung 26 ist
folgende: Pumplicht 60, das der Lasereinrichtung 26 über
die Lichtleitereinrichtung 28
zugeführt wird,
tritt durch den für eine Wellenlänge des Pumplichts 60 durchsichtigen
Einkoppelspiegel 42 in den laseraktiven Festkörper 44 ein.
Dort wird das Pumplicht 60 absorbiert, was zu einer Besetzungsinversion
führt. Die zunächst hohen Transmissionsverluste
der passiven Güteschaltung 46 verhindern eine
Laser-Oszillation in der Lasereinrichtung 26. Mit steigender
Pumpdauer steigt jedoch auch die Strahlungsdichte in dem Inneren
des durch den laseraktiven Festkörper 44 und die
passive Güteschaltung 46 sowie die Spiegel 42, 48 gebildeten
Resonators. Ab einer gewissen Strahlungsdichte bleicht die passive
Güteschaltung 46 beziehungsweise ein sättigbarer
Absorber der passiven Güteschaltung 46 aus, so
dass eine Laser-Oszillation in dem Resonator zustande kommt.
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Durch
diesen Mechanismus wird ein Laserstrahl 24 in Form eines
sog. Riesenimpulses erzeugt, der durch den Auskoppelspiegel 48 hindurchtritt
und nachfolgend als Laserzündimpuls bezeichnet wird.
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Anstelle
der vorstehend beschriebenen passiven Güteschaltung 46 ist
auch der Einsatz einer aktiven Güteschaltung denkbar.
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Im
Unterschied zu herkömmlichen Systemen, welche eine im wesentlichen
homogene Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers 44 mit
dem Pumplicht 60 vorsehen, verfügt die Pumplichtquelle 30 erfindungsgemäß über
eine Pumpvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, mehrere unterschiedliche
Volumenbereiche des laseraktiven Festkörpers 44,
vorzugsweise getrennt voneinander, optisch zu pumpen.
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Das
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist in der
nachstehend näher beschriebenen 3 veranschaulicht.
Erfindungsgemäß wird das von der Pumplichtquelle 30 (1)
bereitgestellte Pumplicht 60 so auf die Lasereinrichtung 26 beziehungsweise
den laseraktiven Festkörper 44 (2)
geleitet, dass mehrere unterschiedliche, insbesondere räumlich
voneinander getrennte, Volumenbereiche des laseraktiven Festkörpers 44 jeweils mit
einem eigenen Pumplichtstrahl beaufschlagt werden. Dies ist in 3 durch
die Aufteilung des Pumplichts 60 mittels der optischen
Komponenten 41 veranschaulicht.
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Das
Pumplicht 60 wird vorliegend in vier Teilstrahlen 60a, 60b, 60c, 60d zerlegt,
deren Abstand d voneinander jeweils vorteilhaft so groß gewählt
ist, dass sich in der Lasereinrichtung 26 insgesamt vier voneinander
getrennte, optische gepumpte Volumenbereiche ergeben. Aus der Draufsicht
gemäß 4a, die
eine in 3 linke Stirnseite der Lasereinrichtung 26 wiedergibt,
ist ersichtlich, dass die unterschiedlichen Volumenbereiche 44a, 44b, 44c, 44d jeweils
etwa kreiszylindrische Form haben und räumlich voneinander
getrennt sind. Dadurch ist sichergestellt, dass bei dem Ausbleichen
des sättigbaren Absorbers der passiven Güteschaltung 46 (2)
einzelne, voneinander getrennte, Laserzündimpulse 24a, 24b,
.. (3) erzeugt werden, deren Abstand voneinander in
etwa dem Abstand d der eingestrahlten Pumpstrahlung 60a, 60b, 60c, 60d entspricht.
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Durch
die verhältnismäßig großen Abstände d
zwischen den Laserzündimpulsen 24a, 24b,
.. können die Laserzündimpulse 24a, 24b,
... besonders effizient mittels einer der Lasereinrichtung 26 nachgeordneten
Optik 49, beispielsweise einer diffraktiven Optik und/oder
ein oder mehrerer Linsen und/oder Spiegel, wie aus 3 ersichtlich
in unterschiedliche Raumrichtungen abgelenkt werden.
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Anschließend
erfolgt in an sich bekannter Weise eine Fokussierung der einzelnen
Laserzündimpulse 24a, 24b, .. mittels
der Fokussieroptik 50, wodurch die Laserzündimpulse 24, 24b,
.. auf die in dem Brennraum 14 gelegenen Zündpunkte
ZPa, ZPb, .. gebündelt werden.
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Bei
einem hinreichend groß gewählten Abstand d der
eingestrahlten Pumpstrahlung 60a, 60b, .. voneinander
und bei entsprechender Ausbildung der Optik 49 sowie der
Wahl einer geeigneten Brennweite für die Fokussieroptik 50 kann
erfindungsgemäß vorteilhaft ein Abstand der Zündpunkte
ZPa, ZPb, .. untereinander von über zehn Millimetern erzielt
werden, so dass sich – bei einer gleichzeitigen Beaufschlagung
der Zündpunkte ZPa, ZPb, .. mit Laserzündimpulsen 24a, 24b,
.. – aufgrund der unterschiedlichen Entflammungsorte ein
schnelleres Durchbrennen des in dem Brennraum 14 befindlichen
Gemischs und damit ein gesteigerter thermodynamischer Wirkungsgrad
ergibt.
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Damit
einhergehend kann ferner die Klopfgrenze angehoben werden, und eine
höhere Abmagerbarkeit des Gemischs ist ebenfalls gegeben.
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Um
eine größere optische Leistungsdichte in einzelnen
Zündpunkten zu erzielen, können erfindungsgemäß vorteilhaft
auch mehrere Laserzündimpulse bzw. die entsprechenden Laserstrahlen
miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann hierzu alternativ
oder ergänzend zu der Optik 49 eine Kombinieroptik
verwendet werden, die die Strahlachsen der Laserstrahlen 24a, 24b,
.. in Übereinstimmung bringt oder zumindest eine Fokussierung
mehrerer Laserstrahlen 24a, 24b, .. auf einen
gemeinsamen Zündpunkt bewirkt.
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Die
erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung
eignet sich insbesondere für den Einsatz bei strahlgeführten
Direkteinspritzverfahren, bei denen üblicherweise verhältnismäßig
inhomogene Luft-/Kraftstoffgemische zu zünden sind, weil
die erfindungsgemäß ermöglichten, weit
entfernt voneinander liegenden Zündpunkte ZPa, ZPb, ..,
auf die jeweils auch mehrere Laserstrahlen fokussierbar sind, die
Entflammungswahrscheinlichkeit deutlich steigern.
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Die
den Laserresonator begrenzenden Spiegel 42, 48 können
direkt auf dem Festkörper 44 bzw. 46 aufgebracht
sein, z. B. in Form dielektrischer Beschichtungen; sie können
alternativ hierzu auch separat zu den Komponenten 44, 46 angeordnet
sein.
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4b zeigt – analog
zu 4a in einer Draufsicht auf die in 3 linke
Stirnseite der Lasereinrichtung 26 – eine weitere
mögliche Einteilung des laseraktiven Festkörpers 44 beziehungsweise
der Lasereinrichtung 26 in insgesamt drei verschiedene Volumenbereiche 44a, 44b, 44c.
Wie aus 4b ersichtlich ist, weist der
Volumenbereich 44a, ausgehend von einer zylindrischen Grundform
mit einer der Gesamtlänge der Lasereinrichtung 26 entsprechenden
Länge, aufgrund seines größeren Durchmessers ein
entsprechend größeres Volumen auf, als die weiteren
Volumenbereiche 44b, 44c. Dadurch ist bei dem
optischen Pumpen des ersten Volumenbereichs 44a mehr Pumpenergie
in dem ersten Volumenbereich 44a speicherbar als in den
beiden anderen Volumenbereichen 44b, 44c, so dass
ein in dem ersten Volumenbereich 44a erzeugter Laserzündimpuls 24a eine
größere Impulsenergie aufweisen kann, als die von
den weiteren Volumenbereichen 44b, 44c erzeugten
Laserzündimpulse.
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Generell
kann jede beliebige Anzahl von unterschiedlichen Volumenbereichen
gewählt werden, die eine effiziente Einbringung von Pumplicht 60 (3)
in den betreffenden Volumenbereich sowie eine Umlenkung und/oder
Fokussierung und/oder Kombinierung erzeugter Laserzündimpulse 24a, 24b,
.. durch eine nachgeordnete Optik 49, 50 ermöglicht,
solange jeder Volumenbereich unter Verwirklichung des erfindungsgemäßen
Prinzips gleichsam autark, d. h. getrennt von anderen Volumenbereichen,
als Laserresonator arbeiten kann.
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Der
Abstand d wird bevorzugt zu mindestens etwa einem Millimeter, vorzugsweise
etwa drei Millimeter, gewählt.
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Eine
besonders effiziente Einstrahlung von Pumplicht in die in den 4a, 4b veranschaulichten
Volumenbereiche 44a, 44b, 44c, 44d ist
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zufolge durch
Pumpvorrichtungen 31 gewährleistet, wie sie schematisch
in den 5a, 5b abgebildet
sind.
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Die
in 5a gezeigte Pumpvorrichtung 31 weist
insgesamt vier vorliegend nicht näher bezeichnete Gruppen
bestehend aus einzelnen Pumplichtemittern 32a, 32b,
.. auf, welche vorzugsweise als Halbleiterlaserdioden ausgebildet
und auf einem gemeinsamen Trägerelement wie z. B. einer
Platine oder einem Substrat angeordnet sind. Wie aus 5a ersichtlich
ist, sind die einzelnen Pumplichtemitter 32a, 32b,
.. räumlich so zueinander angeordnet, dass sie den in 4a veranschaulichten-Volumenbereichen 44a, 44b, 44c, 44d zugeordnet
werden können. Das heißt, die Pumpvorrichtung 31 gemäß 5a kann
so relativ zu der Lasereinrichtung 26 angeordnet werden,
dass jeweils eine Gruppe der Pumplichtemitter 32a, 32b,
.. einem der vier Volumenbereiche 44a, 44b, ..
gegenüberliegt und bevorzugt fest zugeordnet ist. Durch
diese Konfiguration kann jeder der insgesamt vier Volumenbereiche 44a, 44b, 44c, 44d der
Lasereinrichtung 26 individuell gepumpt werden, indem Pumplichtemitter 32a, 32b,
.. der betreffenden Pumplichtemittergruppe aktiviert werden. Dadurch
ist es vorteilhaft möglich, einen oder mehrere oder auch
alle der vier Volumenbereiche 44a, 44b, 44c, 44d gleichzeitig
oder zu verschiedenen Zeiten optisch zu pumpen.
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5b zeigt
eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung 31,
wie sie beispielsweise in Verbindung mit der insgesamt drei unterschiedliche
Volumenbereiche 44a, 44b, 44c aufweisenden
Lasereinrichtung 26 gemäß 4b verwendet
werden kann.
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6 zeigt
eine besonders bevorzuge Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100, bei der die Lasereinrichtung 26 zusammen
mit einer sie mit Pumplicht versorgenden Pumpvorrichtung 31 in
dem Gehäuse der Laserzündkerze 100 integriert
ist. Die optischen Komponenten 49, 50 sind ebenfalls
in die Laserzündkerze 100 integriert, wobei die
Fokussieroptik 50 gleichzeitig die Funktion eines Brennraumfensters
erfüllt.
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Bei
dieser Ausführungsform sind die Komponenten 31, 26, 49, 50 bevorzugt
so aufeinander abgestimmt, dass alle vier Laserstrahlen 24a, 24b,
.. auf einen einzigen Fokuspunkt FP gebündelt werden. Die
Bündelung der vier Laserstrahlen 24a, 24b,
.. durch das als Fokussieroptik ausgebildete Brennraumfenster 50 hat
den Vorteil, dass die optischen Oberflächen der Komponenten 49, 50 nicht
mit einer zu hohen Strahlungsleistungsdichte beaufschlagt werden,
wie sie sich in dem Fokuspunkt FP oder dessen Nähe ergibt.
Dadurch wird ein sog. optical damage der Komponenten 49, 50 vermieden.
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Ein
verbesserter Schutz der Pumpvorrichtung 31 vor einem unerwünschten
Wärmeeintrag aus dem Brennraum 14 beziehungsweise
aus der Laserzündkerze 100 ist gemäß 7a dadurch
gegeben, dass die Pumpvorrichtung 31 in einem separaten Pumplichtquellenmodul 30 vorgesehen
ist, das extern zu der Laserzündkerze 100 angeordnet
ist.
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Um
dennoch eine effiziente Einkopplung von Pumplicht in die Lasereinrichtung 26 zu
ermöglichen, ist das Pumplichtquellenmodul 30 über
ein thermisch isolierendes Verbindungselement 28' optisch
mit dem laseraktiven Festkörper beziehungsweise der Lasereinrichtung 26 und
damit auch mit der Laserzündkerze 100 verbunden.
In diesem Fall realisiert das Verbindungselement 28' sowohl
die mechanische Verbindung des Pumplichtquellenmoduls 30 mit der
Laserzündkerze 100, die optische Verbindung zwischen
der Pumpvorrichtung 31 und der Lasereinrichtung 26,
und eine thermische Isolation der Pumpvorrichtung 31 von
der Laserzündkerze 100.
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Das
Pumplichtquellenmodul 30 kann bei einer weiteren bevorzugten
Erfindungsvariante vorteilhaft auch über eine integrierte
Steuerelektronik verfügen, welche beispielsweise von einer
entfernt angeordneten Motorsteuerung 32 (1)
mit Ansteuersignalen beaufschlagt wird. Die in das Pumplichtquellenmodul 30 integrierte
Steuerelektronik kann beispielsweise zur Realisierung fest vorgegebener
oder auch applizierbarer Ansteuermuster für die einzelnen Pumplichtemitter 32a, 32b,
.. verwendet werden.
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Durch
eine Ansteuerung der den verschiedenen Volumenbereichen 44a, 44b,
.. zugeordneten Pumplichtemitter 32a, 32b, ..
zu unterschiedlichen Zeiten und/oder mit unterschiedlichen Ansteuerströmen
kann eine zeitlich variable Erzeugung von Laserzündimpulsen 24a, 24b,
.., die auf die Zündpunkte ZPa, ZPb, .. fokussiert sind,
realisiert werden.
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Der
laseraktive Festkörper 44 (2) kann bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unterschiedliche Volumenbereiche 44a, 44b,
.. aufweisen, die jeweils über eine andere Konzentration
eines Dotierungsmaterials und/oder ein anderes Wirtsmaterial verfügen. Beispielsweise
können unterschiedliche Volumenbereiche 44a, 44b,
.. unterschiedliche Konzentrationen von Ionen eines laseraktiven
Materials aufweisen, so dass auch hierdurch weitere Freiheitsgrade
bei der Erzeugung von auf unterschiedliche Zündpunkte ZPa,
ZPb, .. gebündelten Laserzündimpulsen 24a, 24b,
.. gegeben sind. Auch charakteristische Eigenschaften der passiven
Güteschaltung 46 (2) können über
die Volumenbereiche 44a, 44b, .. variiert werden,
beispielsweise ebenfalls durch die Vorgabe unterschiedlicher Dotierstoffkonzentrationen.
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Verwendet
man z. B. unterschiedliche Wirtskristalle mit Neodym-Dotierung für
die einzelnen Volumenbereiche 44a, 44b, .., so
können alle Volumenbereiche 44a, 44b,
.. mit demselben Pumplicht 60 gepumpt werden, es entstehen
aber jeweils geringfügig voneinander abweichende Laserwellenlängen,
welche vorteilhaft z. B. mit einem Prisma oder einem optischen Gitter
als beam combiner auf dieselbe Strahlachse umgelenkt werden können.
Laserspiegel sind ebenfalls zur Umlenkung einsetzbar und erlauben vorteilhaft
ferner eine Faltung des Strahlengangs, was weitere Freiheitsgrade
bei der Konstruktion der Laserzündeinrichtung bietet.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft eine Laserzündung,
die gleichzeitig oder auch zu verschiedenen Zeiten an mehreren unterschiedlichen
Zündpunkten ZPa, ZPb, .. oder an einem gemeinsamen Fokuspunkt
FP in dem Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 erfolgen
kann.
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Neben
dem in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen diskutierten
longitudinalen optischen Pumpen ist zusätzlich oder alternativ
auch ein transversales optisches Pumpen des laseraktiven Festkörpers 44 (2)
möglich.
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Die
Pumplichtemitter 32a, 32b, .. (6) können
bei einer weiteren bevorzugten Erfindungsvariante auch direkt auf
einer Stirnfläche der Lasereinrichtung 26 angeordnet
sein. Eine monolithische Integration der optischen Komponenten 49, 50 (6)
zusammen mit der restlichen Lasereinrichtung 26 ist ebenfalls
möglich.
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Anstelle
der Vorsehung einer lokalen Pumpvorrichtung 31 (6, 7a)
kann der laseraktive Festkörper 44 (2)
auch über eine entfernt zu der Laserzündkerze 100 angeordnete
Pumplichtquelle auf die erfindungsgemäße Weise
optisch gepumpt werden, beispielsweise durch eine Mehrzahl von den einzelnen,
individuell zu pumpenden, Volumenbereichen 44a, 44b,
.. fest zugeordneten Lichtleitern (nicht gezeigt), oder durch eine
Aufteilung von zentral zugeführter Pumpstrahlung 60 nach
dem in 3 veranschaulichten Prinzip, d. h. mittels einer
entsprechenden Optik 41.
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7b zeigt
eine weitere Erfindungsvariante, bei der wie bereits vorstehend
beschrieben insgesamt vier vorliegend nicht näher bezeichnete
Laserstrahlen in demselben laseraktiven Festkörper 44 (2)
der Lasereinrichtung 26 erzeugt und durch eine optisch
nachgeordnete Kombinieroptik 47a' zu einem aggregierten
Laserstrahl 24 kombiniert werden.
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8 zeigt
eine erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung,
bei der eine Fokussieroptik 47a und eine auch als beam
combiner 47b bezeichnete Kombinieroptik direkt in dem von
den Spiegeln 42, 48 begrenzten Laserresonator
integriert sind. Die erfindungsgemäß erzeugten
mehreren Laserstrahlen werden durch die Fokussieroptik 47a bereits
in dem Laserresonator gebündelt und durch den optisch nachgeordneten
combiner 47b, der z. B. als grating splitter ausgebildet
ist, kombiniert. Durch die besondere Anordnung des combiners 47b in
dem Laserresonator 42, 44, 46, 47a, 47b, 48 werden
die Laserzündimpulse vorliegend vorteilhaft kohärent überlagert,
wodurch sich eine höhere Leistungsdichte des aggregierten
Laserstrahls 24' ergibt.
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Die
erfindungsgemäße Kombination der mehreren Laserstrahlen 24a, 24b, 24c, 24d auf
einen gemeinsamen Fokuspunkt FP ermöglicht eine sichere
Laserzündung mit zuverlässiger Entflammung auch
unter schwierigen Betriebsbedingungen. Besonders vorteilhaft ist
die erfindungsgemäße Erzeugung der mehreren miteinander
kombinierbaren Laserstrahlen in demselben Laserfestkörper 44 mechanisch
robust gegenüber Vibrationen und anderen Störeinflüssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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