DE102009029096A1

DE102009029096A1 - Laserzündsystem

Info

Publication number: DE102009029096A1
Application number: DE102009029096A
Authority: DE
Inventors: Andreas Letsch; Heiko Ridderbusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2010-04-29

Abstract

Laserzündsystem, umfassend eine erste Lasereinrichtung (11) zur Erzeugung von Laserimpulsen, ferner umfassend eine Pumplichtquelle (13), dadurch gekennzeichnet, dass das Laserzündsystem (1) eine zweite Lasereinrichtung (12) umfasst, die durch die Pumplichtquelle (13) optisch angeregt wird und ihrerseits Licht emittiert, das zur optischen Anregung der ersten Lasereinrichtung (11) dient.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Laserzündsystem nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Aus der WO 2005/066488 A1 ist eine Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine bekannt, die einen Festkörperlaser umfasst, durch den ein Laserimpuls in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht wird. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Halbleiterlaser zum Pumpen des Festkörperlasers wobei der Halbleiterlaser und der Festkörperlaser über eine Glasfaser optisch miteinander verbunden sind.
Nachteilig an diesem Laserzündsystem ist es, dass eine Bereitstellung von Laserimpulsen mit hoher Pulsenergie, hoher Spitzenintensität und hoher Strahlqualität nur mit moderatem Gesamtwirkungsgrad möglich ist.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Laserzündsysteme mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 haben demgegenüber den Vorteil, dass eine Bereitstellung von Laserimpulsen mit hoher Pulsenergie, hoher Spitzenintensität und hoher Strahlqualität mit hohem Gesamtwirkungsgrad möglich ist.
Hierfür ist es vorgesehen, dass das Laserzündsystem eine erste Lasereinrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen umfasst und ferner eine Einrichtung zur Bereitstellung von Pumplicht, die nachfolgend als Pumplichtquelle bezeichnet wird, umfasst, wobei das Laserzündsystem eine zweite Lasereinrichtung umfasst, die durch die Pumplichtquelle optisch angeregt wird und ihrerseits Licht emittiert, das zur optischen Anregung der ersten Lasereinrichtung dient.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die optische Anregung einer Lasereinrichtung und deren Emission einen Schritt zur Konzentration des vorhandenen Lichtes beispielsweise bezüglich Zeit, Raum, Ausbreitungsrichtung und/oder spektraler Verteilung darstellt, der mit einem gewissen energetischen Wirkungsgrad erfolgt. In der Regel ist der energetische Wirkungsgrad eines solchen Schrittes umso kleiner, je größer die in diesem Schritt vorgenommene Konzentration des Lichtes bezüglich der Eigenschaften Strahlqualität und Pulsdauer ist.
Die erfindungsgemäße Laserzündvorrichtung sieht vor, dass die Konzentration des vorhandenen Lichts in zwei Schritten erfolgt. Der erste Schritt besteht aus der optischen Anregung der zweiten Lasereinrichtung mit der Emission der Pumplichtquelle und aus der Emission der zweiten Lasereinrichtung. Der zweite Schritt besteht aus der optischen Anregung der ersten Lasereinrichtung mit der Emission der zweiten Lasereinrichtung und aus der Emission der ersten Lasereinrichtung.
In jedem dieser beiden Schritte erfolgt nur eine teilweise Verbesserung der relevanten Eigenschaften und/oder es erfolgt nur eine Verbesserung eines Teils der relevanten Eigenschaften. Der Erfindung liegt die überraschende Beobachtung zu Grunde, dass jeder dieser Schritte mit einem so hohen energetischen Wirkungsgrad möglich ist, dass der Gesamtwirkungsgrad eines erfindungsgemäßen Laserzündsystems höher liegt als bei Laserzündsystemen, die Laserstrahlung mit den gleichen Eigenschaften in einem Schritt erzeugen.
Unter dem Gesamtwirkungsgrad des Laserzündsystems wird der über einen Zündzyklus ermittelte Quotient aus der von der ersten Lasereinrichtung abgestrahlten Energie zur Energieaufnahme des Laserzündsystems verstanden.
Unter dem energetischen Wirkungsgrad eines Schrittes, bestehend aus optischer Anregung und Emission einer Lasereinrichtung, wird der über einen Zündzyklus ermittelte Quotient aus Energie des von der Lasereinrichtung emittierten Lichts und des von der Lasereinrichtung absorbierten, optisch anregenden Lichts verstanden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kommt es bei der optischen Anregung der ersten und/oder der zweiten Lasereinrichtung zu einer Besetzungsinversion, da sich auf diese Weise eine besonders wirkungsvolle Verbesserung der Strahleigenschaften beziehungsweise ein besonders hoher energetischer Wirkungsgrad erzielen lässt. Entsprechend kommt die Verwendung eines optischen Oszillators, dessen Lichtverstärkung nicht auf stimulierter Emission beruht, sondern zum Beispiel auf nichtlinearer Wechselwirkung zwischen Licht und Materie beruht, zum Beispiel eines optisch-parametrischen Oszillators, nicht in Betracht, da mit diesem der Vorteil einer besonders wirkungsvollen Verbesserung der Strahleigenschaften beziehungsweise ein besonders hoher energetischer Wirkungsgrad nicht erreicht wird.
Vorteilhafterweise umfasst die Pumplichtquelle einen Halbleiterlaser, der vorzugsweise eine Vielzahl von Emittern umfasst.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die zweite Lasereinrichtung eine optisch aktive Faser. Weiterhin besonders vorteilhaft ist es, wenn die optisch aktive Faser eine numerische Apertur von 0,1 oder weniger aufweist, da es in diesem Fall möglich ist, die Emission der optisch aktiven Faser mit vernachlässigbaren Abbildungsfehlern mit einer einfachen sphärischen Linse oder mit einer Gradienten-Index-Linse in die erste Lasereinrichtung einzukoppeln. Weiterhin besonders vorteilhaft ist es, wenn die Spitzenintensität der von der optisch aktiven Faser erzeugten Strahlung innerhalb der optisch aktiven Faser nicht mehr als 100 MW/Quadratzentimeter beträgt, wobei die Spitzenintensität der von der ersten Lasereinrichtung erzeugten optischen Strahlung am Ort einer Laserzündung um mindestens 4 Größenordnungen über der Spitzenintensität der von der optisch aktiven Faser erzeugten Strahlung innerhalb der optisch aktiven Faser liegt. Auf diese Weise sind die Langlebigkeit der optisch aktiven Faser und gleichzeitig die Funktion des Laserzündsystems besonders wirkungsvoll sichergestellt.
Zusätzlich, aber auch dann, wenn die zweite Lasereinrichtung keine optisch aktive Faser umfasst, ist es sehr vorteilhaft, wenn die Emission der zweiten Lasereinrichtung in eine optische Faser eingekoppelt wird und durch diese der ersten Lasereinrichtung zugeführt werden kann, da in diesem Fall die zweite Lasereinrichtung und die erste Lasereinrichtung beabstandet voneinander angeordnet werden können. Bevorzugt sind optische Fasern, die eine numerische Apertur von 0,1 bis 0,6 aufweisen und einen Durchmesser im Bereich von 50 μm bis 150 μm aufweisen, da es in diesem Fall möglich ist, die Emission der optisch aktiven Faser mit vertretbaren Abbildungsfehlern beispielsweise mit einer Gradienten-Index-Linse in die erste Lasereinrichtung einzukoppeln. Weiterhin besonders vorteilhaft ist es, wenn die Spitzenintensität der durch die optische Faser transmittierten Strahlung innerhalb der optischen Faser nicht mehr als 100 MW/Quadratzentimeter beträgt, wobei die Spitzenintensität der von der ersten Lasereinrichtung erzeugten optischen Strahlung am Ort einer Laserzündung um mindestens 4 Größenordnungen über der Spitzenintensität der durch die optische Faser transmittierten Strahlung innerhalb der optischen Faser liegt. Auf diese Weise sind die Langlebigkeit der optischen Faser und gleichzeitig die Funktion des Laserzündsystems besonders wirkungsvoll sichergestellt.
Vorteilhafterweise ist das Laserzündsystem zur Erzeugung von nahezu beugungsbegrenzter Strahlung in Form von Laserimpulsen mit einer Pulsdauer im Bereich einer Nanosekunde oder im Bereich von Nanosekunden ausgelegt, wobei der Gesamtwirkungsgrad des Laserzündsystems mehr als 10%, bevorzugt mehr als 15%, beträgt.
Alternativ oder zusätzlich ist das Zündlasersystem zur Erzeugung von Strahlung mit einer Strahlqualität von M² = y in Form von Laserimpulsen mit einer Pulsdauer im Bereich von 10 ps bis 10 ns ausgelegt, wobei y im Bereich zwischen 1 und 10 liegt. Vorteilhafterweise beträgt der Gesamtwirkungsgrad des Laserzündsystems dann mehr als (9 + y)%, bevorzugt mehr als (14 + y)%.
Vorteilhafterweise umfasst die erste Lasereinrichtung einen Laserkristall, dessen Länge höchstens einem Zehntel, vorzugsweise höchstens einem Hundertstel, der Rayleigh-Länge der von der zweiten Lasereinrichtung emittierten Strahlung in dem Laserkristall entspricht. Auf diese Weise kommt eine nahezu zylindrische Gestalt der von der zweiten Lasereinrichtung emittierten Strahlung in dem Laserkristall zustande, die den erwünschten Eigenschaften der Emission der ersten Lasereinrichtung förderlich ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Lasereinrichtung einen optischen Resonator umfasst, dessen Länge höchstens einem Zehntel, vorzugsweise höchstens einem Hundertstel, der Rayleigh-Länge der von der zweiten Lasereinrichtung emittierten Strahlung in dem Laserkristall entspricht.
Vorteilhaft zur Gewährleistung eines robusten und einfachen Aufbaus des Laserzündsystems ist es, zwischen der zweiten Lasereinrichtung und der ersten Lasereinrichtung nur eine einfache Optik, zum Beispiel nur eine sphärische Linse vorzusehen oder eine Gradienten-Index-Linse vorzusehen.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, zwischen der zweiten Lasereinrichtung und der ersten Lasereinrichtung keine spezielle Optik vorzusehen, sondern die Emission der zweiten Lasereinrichtung unmittelbar, das heißt ohne Durchtritt durch eine optische Komponente, in die erste Lasereinrichtung einzukoppeln. Als Ort des Austritts und des Eintritts von Licht aus einer oder in eine Lasereinrichtung wird hierbei ein für das Licht teilweise durchlässiger Spiegel, zum Beispiel eine spiegelnde Schicht mitsamt eines sie tragenden Substrates, aufgefasst, der einen optischen Resonator der Lasereinrichtung begrenzt.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Robustheit der Vorrichtung vorteilhafterweise erhöht werden, indem ein optischer Resonator der ersten Lasereinrichtung zusammen mit einem optischen Resonator der zweiten Lasereinrichtung einstückig, vorzugsweise monolithisch ausgebildet ist. Optional ist zwischen dem optischen Resonator der ersten Lasereinrichtung und dem optischen Resonator der zweiten Lasereinrichtung eine fokussierende Optik, zum Beispiel eine Gradienten-Index-Linse, angeordnet, wobei die fokussierende Optik zusammen mit dem optischen Resonator der ersten Lasereinrichtung und dem optischen Resonator der zweiten Lasereinrichtung einstückig, vorzugsweise monolithisch, ausgebildet ist.
Besonders vorteilhaft lässt sich der Gesamtwirkungsgrad des Laserzündsystems erhöhen, wenn die Verbesserung der Strahlqualität der Emission der zweiten Lasereinrichtung im Vergleich zur Emission der Pumplichtquelle in etwa der Verbesserung der Strahlqualität der Emission der ersten Lasereinrichtung im Vergleich zur Emission der zweiten Lasereinrichtung entspricht, sodass eine Verbesserung der Strahlqualität in etwa gleichen Schritten, das heißt um einen etwa gleichen Faktor und/oder um einen etwa gleichen Betrag, erfolgt. Vorzugsweise sind die etwa gleichen Schritte um weniger als einen Faktor 2 verschieden.
Als Strahlqualität eines Lichtstrahles wird hierbei die sogenannte Beugungsmaßzahl, die auch als M² bezeichnet wird, aufgefasst. Die Beugungsmaßzahl entspricht dem Quotienten aus dem Produkt eines Fokusdurchmessers und einer Fernfelddivergenz des Lichtstrahls und dem Produkt eines Fokusdurchmessers und einer Fernfelddivergenz eines sogenannten gaußschen Lichtstrahls gleicher Wellenlänge. Die Bedeutungen weiterer Begriffe, die Eigenschaften optischer Strahlung betreffen, sind der DIN EN ISO 11145: 2006 zu entnehmen.
Vorteilhaft zur weiteren Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Laserzündvorrichtung ist es, die mit der Anregung der Lasereinrichtungen verbundenen Quantendefekte gering zu wählen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sich die Wellenlängen der Emissionen der ersten und der zweiten Lasereinrichtungen und/oder die Wellenlängen der Emissionen der zweiten Lasereinrichtung und der Pumplichtquelle um weniger als 20%, vorzugsweise sogar um weniger als 10%, unterscheiden. Als Wellenlänge eines Lichts wird hierbei die Wellenlänge aufgefasst, für die eine spektrale Leistungsdichte des Lichts ihren Spitzenwert annimmt.
Ebenfalls vorteilhaft zur weiteren Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Laserzündvorrichtung ist es, die Verluste durch Spontanemission gering zu halten. Dies ist zum Beispiel dadurch zu erreichen, dass die Impulsdauer der Emissionen der zweiten Lasereinrichtung niedriger ist als das Vierfache, bevorzugt niedriger als das Doppelte, der Fluoreszenslebensdauer des laseraktiven Materials der ersten Lasereinrichtung ist, wobei die erste Lasereinrichtung vorteilhafterweise einen sättigbaren Absorber zur passiven Güteschaltung umfasst.
Zeichnung
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Laserzündeinrichtung.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung der Laserzündeinrichtung aus 1.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleiterlasers.
Die 4 zeigt schematisch eine optisch aktive Faser.
Die 5 zeigt schematisch den Aufbau der ersten Lasereinrichtung.
Die 6a und 6b zeigen schematisch zwei alternative Anordnungen zur Einkopplung der Emission eines Halbleiterlasers in eine optisch aktive Faser.
Die 7a, 7b, 7c und 7d zeigen schematisch alternative Anordnungen zur Einkopplung der Emission einer optisch aktiven Faser die eine erste Lasereinrichtung.
Die 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs oder zum Antrieb eines nicht dargestellten Generators. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in 1 nur einer gezeichnet und mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet ist. Ein Brennraum 2 des Zylinders 14 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 2 durch einen Injektor 18, der an einen Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist.
In den Brennraum 2 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines fokussierten Laserimpulses 24 entzündet, der von dem Laserzündsystem 1 in den Brennraum 2 abgestrahlt wird. Das Laserzündsystem 1 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuert.
Zusätzlich oder alternativ ist, insbesondere bei Gasmotoren, vorgesehen, den Kraftstoff 22 nicht direkt in den Brennraum 2 einzublasen, sondern ihn zuvor, insbesondere vor Durchgang durch einen Turbolader, mit Luft zu vermischen. Es wird somit ein Kraftstoff-Luft-Gemisch anstelle des Kraftstoffs 22 eingeblasen.
Das Laserzündsystem 1 weist als eine Pumplichtquelle 13 eine Halbleiterlasereinrichtung 130 auf. Das Laserzündsystem weist ferner eine zweite Lasereinrichtung 12 auf, die eine optisch aktive Faser 121 umfasst, und das Laserzündsystem weist ferner eine erste Lasereinrichtung 11 auf.
Wie aus 2 hervorgeht, umfasst die Halbleiterlasereinrichtung 130 einen Halbleiterlaser 131 und ferner eine Pulsstromversorgung 36 zur Beaufschlagung des Halbleiterlasers 131 mit Strompulsen. Es ist vorgesehen, dass es im Betrieb des Laserzündsystems 1 durch einen dieser Strompulse zur Anregung des Halbleiterlasers 131 und somit dazu kommt, dass der Halbleiterlaser 131 einen Laserimpuls emittiert. Es ist ferner vorgesehen, dass der von dem Halbleiterlaser 131 emittierte Laserimpuls der optischen Anregung der optisch aktiven Faser 121 dient und diese dazu veranlasst, ebenfalls einen Laserimpuls zu emittieren. Es ist ferner vorgesehen, dass der von der optisch aktiven Faser 121 emittierte Laserimpuls der optischen Anregung der ersten Lasereinrichtung 11 dient, und diese dazu veranlasst, einen Laserimpuls zu emittieren, der der Zündung des in den Brennraum 2 eingespritzten Kraftstoffs 22 dient.
In der 3 ist der Aufbau des Halbleiterlasers 131 exemplarisch gezeigt. Der Halbleiterlaser 131 umfasst einen Halbleiterlaserchip 132, der über zwei seiner einander gegenüberliegenden Oberflächen 1321, 1322 in Wärmekontakt mit zwei Kühlelementen 135, zum Beispiel passiven Kühlelementen oder Peltier-Kühlern, steht. Der Halbleiterlaserchip 132 umfasst eine Vielzahl von Emittergruppen 133, die jeweils eine Vielzahl von Emittern 134 umfassen. Alternativ ist es auch möglich, dass der Halbleiterlaserchip 132 nur über eine seiner Oberflächen 1321, 1322 in Wärmekontakt mit nur einem Kühlelement 135 steht.
In den 4 ist der prinzipielle Aufbau der optisch aktiven Faser 121 in einer Schnittdarstellung dargestellt. Die optisch aktive Faser 121 weist in ihrem Inneren einen Faserlaserkern 1211 auf, der aus einem laseraktiven Material mit einem ersten Brechungsindex besteht. Der Faserlaserkern 1211 ist von einem Faserpumpkern 1212 umgeben, der aus einem Material mit einem zweiten Brechungsindex besteht. Der Faserpumpkern 1212 ist seinerseits von einem Fasermantel 1213 umgeben, der aus einem Material mit einem dritten Brechungsindex besteht. Der Faserlaserkern 1211 stellt einen Wellenleiter für das von der optisch aktiven Faser zu erzeugende Licht dar. Der Faserpumpkern 1212 stellt einen Wellenleiter für Licht dar, das der optischen Anregung der optisch aktiven Faser 121 beziehungsweise des laseraktiven Material des Faserlaserkerns 1211 dient. Für die wellenleitenden Eigenschaften der optisch aktiven Faser ist es notwendig, dass der zweite Brechungsindex kleiner ist als der erste Brechungsindex und größer ist als der dritte Brechungsindex. Es ist vorgesehen, dass in dem Faserpumpkern 1212 geführtes Licht nach und nach in den Faserlaserkern 1211 gelangt, dort absorbiert wird und das laseraktive Material optisch anregt. Die optisch aktive Faser 121 weist eine erste Stirnfläche 1214 auf, die mit einer Beschichtung versehen ist, die einen hohen Anteil des von der optisch aktiven Faser zu erzeugenden Lichts reflektiert und einen geringen Anteil des der optischen Anregung der optisch aktiven Faser 121 dienenden Lichts reflektiert. Die optisch aktive Faser 121 weist ferner eine zweite Stirnfläche 1215 auf, die mit einer Beschichtung versehen ist, die einen Anteil des von der optisch aktiven Faser 121 zu erzeugenden Lichts reflektiert, der zwischen 5% und 95% liegt.
In der 5 ist der prinzipielle Aufbau der ersten Lasereinrichtung 11 zu sehen. Die erste Lasereinrichtung 11 umfasst einen Festkörperlaser, der einen laseraktiven Kristall 111, einen Kristall zur passiven Güteschaltung 112 sowie einen Einkoppelspiegel 113 und einem Auskoppelspiegel 114 aufweist. Der laseraktiven Kristall 111 und der Kristall zur passiven Güteschaltung 112 sind miteinander monolithisch verbunden und die Spiegel 113, 114 sind auf gegenüberliegenden Seiten dieses Verbundes aufgebrachte Beschichtungen. Die erste Lasereinrichtung 11 umfasst somit einen monolithischen Festkörperlaser. Die den Einkoppelspiegel 113 darstellende Beschichtung reflektiert einen hohen Anteil des von der ersten Lasereinrichtung zu erzeugenden Lichts und einen geringen Anteil eines der optischen Anregung des ersten Lasersystems dienenden Lichts. Die den Auskoppelspiegel 114 darstellende Beschichtung reflektiert einen Anteil des von der ersten Lasereinrichtung erzeugten Lichts, der zwischen 5% und 95% liegt.
In der 6a ist eine Anordnung zur Einkopplung der Emission des Halbleiterlasers 131 in die optisch aktive Faser 121 dargestellt. Es ist hierbei vorgesehen, dass die Emission des Halbleiterlasers 131 durch eine Kombination einer Zylinderlinse 1411 und einer sphärischen Linse 1412 auf die erste Stirnfläche 1214 der optisch aktiven Faser 121 abgebildet wird.
In der 6b ist eine zweite Anordnung zur Einkopplung der Emission des Halbleiterlasers 131 in die optisch aktive Faser 121 dargestellt. Es ist hierbei vorgesehen, dass die Emission des Halbleiterlasers 131 in eine Mehrzahl optischer Fasern 1421 eingekoppelt wird und diese optischen Fasern mit dem Fasermantel 1212 der optisch aktiven Faser 121 verschmolzen werden. In diesem Fall kann auf der ersten Stirnfläche 1214 der optisch aktiven Faser 121 auf eine reflexvermindernde Beschichtung verzichtet werden.
In der 7a ist eine Anordnung zur Einkopplung der Emission der optisch aktiven Faser 121 in die erste Lasereinrichtung 11 dargestellt. In dieser Anordnung ist zwischen der Stirnfläche der optisch aktiven Faser 121 und dem Einkoppelspiel 113 der ersten Lasereinrichtung 11 keine weitere optische Komponente vorgesehen. Neben der in 7a gezeigten beabstandeten Anordnung der optisch aktiven Faser 121 und dem Einkoppelspiegel 113 der ersten Lasereinrichtung 11 ist es auch möglich, dass sich diese Komponenten berühren oder miteinander verbunden sind.
In der 7b ist eine zweite Anordnung zur Einkopplung der Emission der optisch aktiven Faser 121 in die erste Lasereinrichtung 11 dargestellt, bei der die Emission der optisch aktiven Faser 121 mit einer sphärischen Linse 17 auf den Einkoppelspiegel 113 der ersten Lasereinrichtung 11 abgebildet ist.
Die 7c und 7d zeigen dritte Anordnungen zur Einkopplung der Emission der optisch aktiven Faser 121 in die erste Lasereinrichtung 11, bei denen die Emission der optisch aktiven Faser 121 mit einer Linse 171 auf den Einkoppelspiegel 113 der ersten Lasereinrichtung 11 abgebildet ist. Die Linse 171 ist sowohl mit der optisch aktiven Faser 121 als auch mit der ersten Lasereinrichtung 11 an ihren Stirnseiten verbunden und die drei Komponenten 171, 11, 121 sind einstückig, bevorzugt monolithisch, ausgeführt. Die Linse 171 weist bevorzugt eine Querschnittsfläche auf, deren Form einer Querschnittsfläche der optisch aktiven Faser 121 oder der ersten Lasereinrichtung 11 entspricht. Die Linse 171 weist somit beispielsweise die Form eines Zylinders auf, dessen Achse in der Ausbreitungsrichtung des Lichts liegt. Die Linse 171 kann als Gradienten-Index-Linse ausgebildet sein, das heißt, der Brechungsindex der Linse 171 ändert sich von innen nach außen hin (7c). Alternativ kann die Linse 171 aus einem ersten und einem zweiten Körper 1711, 1712 bestehen, wobei sich der erste und der zweite Körper 1711, 1712 zu der, beispielsweise zylindrischen, Gesamtform der Linse 171 ergänzen und wobei der erste und der zweite Körper 1711, 1712 aus Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes bestehen. Die Grenzfläche 1713 zwischen dem ersten und dem zweiten Körper 1711, 1712 ist sphärisch oder asphärisch ausgebildet.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält der Halbleiterlaser 131 als aktives Material Aluminium-Gallium-Arsenid und wird zur Emission eines Laserimpulses mit einem Strompuls der Stärke 50 A und der Dauer 100 μs beaufschlagt. Am Halbleiterlaser fällt dabei eine Spannung von ca. 2 V ab, sodass die Energieaufnahme des Halbleiterlasers pro Laserimpuls ca. 10 mJ beträgt. Der Halbleiterlaser 131 emittiert einen Laserimpuls mit einer Energie von 5 mJ, einer Dauer von ca. 100 μs einer Wellenlänge von 808 nm und einer Strahlqualität M² von ca. 100. Der Faserpumpkern 1212 der optisch aktiven Faser 121 weist einen ausreichend hohen Durchmesser und eine ausreichend hohe numerische Apertur auf, sodass die Emission des Halbleiterlasers, zum Beispiel mit einer der in den 6a oder 6b gezeigten Methoden, nahezu vollständig in den Faserpumpkern 1212 der optisch aktiven Faser 121 eingekoppelt werden kann. Der Faserlaserkern 1211 besteht aus einem mit Yb dotiertem Material, beispielsweise Yb:YAG, absorbiert über die Länge der optisch aktiven Faser 121 nahezu die gesamte Emission des Halbleiterlasers 131 und erfährt dabei eine optische Anregung. Nachfolgend emittiert die optisch aktive Faser 121 einen Laserimpuls mit einer Energie von 3,5 mJ, einer Dauer von ca. 100 μs und einer Wellenlänge im Bereich von 940 nm–1100 nm, zum Beispiel 940 nm, 980 nm oder 1030 nm, und einer Strahlqualität M² von ca. 10 oder kleiner als 10. Dieser Laserimpuls wird, zum Beispiel mit einer der in den 7a bis 7d gezeigten Methoden, nahezu vollständig in den Resonator eines monolithisch ausgebildeten passiv gütegeschalteten Festkörperlaser eingekoppelt. Der Laserkristall 111 des Festkörperlasers besteht aus einem mit Yb dotiertem Material, beispielsweise Yb:YAG. Es kommt zu einer optischen Anregung innerhalb des Laserkristalls 111 und nachfolgend zur Ausbleichung des Kristalls zur passiven Güteschaltung 112. Nachfolgend emittiert der Festkörperlaser einen Laserimpuls mit einer Energie von 2 mJ, einer Dauer von ca. 1 ns, einer Wellenlänge im Bereich von 1000–1100 nm, zum Beispiel 1030 nm oder 1090 nm und einer Strahlqualität M² von ca. 2.
Alternativ können auch Halbleiterlaser 131 zum Einsatz kommen, deren Emission eine Wellenlänge im Bereich von 808 nm bis 1020 nm aufweist. Ferner können als Lasermaterialien Er:Yb und/oder Er:YAG verwendet werden. In einer bevorzugten Alternative besteht der Faserlaserkern 1211 besteht aus dem Material Er:Yb und die optisch aktive Faser emittiert Licht der Wellenlänge 1532 nm, wobei der Laserkristall 111 des Festkörperlasers aus dem Material Er:YAG besteht und der Festkörperlaser Licht der Wellenlänge 1646 nm emittiert.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in der 8 dargestellt ist, unterscheidet sich von dem ersten dadurch, dass die zweite Lasereinrichtung 12 kein Faserlaser 121 ist, sondern einen Laserkristall aufweist, beispielsweise aus mit Neodym (Nd) dotiertes YAG (alternativ: YVO, GdVO, GGG, GSGG, YLF, YAlO oder ähnliches). Die zweite Lasereinrichtung 12 weist in diesem Beispiel keine Vorrichtung zur Güteschaltung auf, wird also gleichsam als kontinuierlich emittierender Laser betrieben und hinsichtlich der von ihm erzeugten Strahlung stimmt er mit der zweiten Lasereinrichtung 12 des ersten Ausführungsbeispiels weitgehend überein. Alternativ ist es möglich, Mittel vorzusehen, die erzwingen, dass die Wellenlänge der Emission der zweiten Lasereinrichtung 12 940 nm bis 946 nm beträgt. Die optische Anregung der zweiten Lasereinrichtung 12 erfolgt mittels eines Halbleiterlasers 131 wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Die Emission der zweiten Lasereinrichtung 12 wird in diesem Beispiel in eine optische Faser 75 (Durchmesser: 150 nm, numerische Apertur 0,3) fokussiert und über die optische Faser 75 der ersten Lasereinrichtung 11 zugeführt. Die optische Faser dient somit gleichsam als eine Pumpfaser für die erste Lasereinrichtung 11.
Die erste Lasereinrichtung 11 umfasst in diesem Beispiel einen mit Yb dotierten Laserkristall 111 und einen passiven Güteschalter. Der Laserkristall der ersten Lasereinrichtung 11 wird durch das durch die optische Faser 75 zugeführte Licht optisch angeregt, wobei durch die Benutzung der optischen Faser 75 in dem Laserkristall der ersten Lasereinrichtung 11 ein sehr guter Überlapp zwischen Pumpvolumen und Modenvolumen erreichbar ist. Die Wellenlänge der Emission der ersten Lasereinrichtung 11 beträgt in diesem Beispiel je nach Wirtskristall 1010 nm bis 1050 nm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/066488 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN EN ISO 11145: 2006 [0023]

Claims

Laserzündsystem, umfassend eine erste Lasereinrichtung (11) zur Erzeugung von Laserimpulsen, ferner umfassend eine Pumplichtquelle (13), dadurch gekennzeichnet, dass das Laserzündsystem (1) eine zweite Lasereinrichtung (12) umfasst, die durch die Pumplichtquelle (13) optisch angeregt wird und ihrerseits Licht emittiert, das zur optischen Anregung der ersten Lasereinrichtung (11) dient.
Laserzündsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es durch die optische Anregung der ersten Lasereinrichtung (11) und/oder der zweiten Lasereinrichtung (12) zu einer Besetzungsinversion kommt.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle (13) einen Halbleiterlaser (131) umfasst, wobei der Halbleiterlaser viele Emitter (134) umfasst, vorzugsweise mindestens 40 Emitter (134).
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lasereinrichtung (12) eine optisch aktive Faser (121) umfasst.
Laserzündsystem nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch aktive Faser (121) eine numerische Apertur von 0,1 oder weniger aufweist.
Laserzündsystem nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzenintensität der von der optisch aktiven Faser (121) erzeugten Strahlung innerhalb der optisch aktiven Faser (121) nicht mehr als 100 MW/Quadratzentimeter beträgt, wobei die Spitzenintensität der von der ersten Lasereinrichtung (11) erzeugten optischen Strahlung am Ort einer Laserzündung um mindestens um den Faktor 10 000 über der Spitzenintensität der von der optisch aktiven Faser (121) erzeugten optischen Strahlung innerhalb der optisch aktiven Faser (121) liegt.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lasereinrichtung (11) ein Festkörperlaser, vorzugsweise ein monolithischer passiv gütegeschalteter Festkörperlaser ist.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der ersten Lasereinrichtung (11) erzeugten Laserimpulse eine Pulsdauer im Bereich von 10 ps bis 10 ns haben, wobei die Laserimpulse in Form von y-fach beugungsbegrenztem Licht erzeugt werden (y = M²) und wobei der Gesamtwirkungsgrad n des Laserzündsystems (1) in Prozent gegeben ist durch η ≥ 9 + y.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserimpulse zur Zündung eines zündfähigen Gemisches von der ersten Lasereinrichtung (11) eine Pulsdauer im Bereich von 0,1 bis 10 ns haben, wobei die Laserimpulse in Form von zumindest nahezu beugungsbegrenztem Licht erzeugt werden und wobei der Gesamtwirkungsgrad des Laserzündsystems (1) 10% oder mehr beträgt.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lasereinrichtung (11) einen Laserkristall (111) umfasst und dass die Rayleighlänge der von der zweiten Lasereinrichtung (12) emittierten Strahlung in dem Laserkristall (111) durch mindestens das 10-fache der Länge des Laserkristalls (11) in Strahlrichtung gegeben ist.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der zweiten Lasereinrichtung (12) austretende Licht unmittelbar in die erste Lasereinrichtung (11) eintritt.
Laserzündsystem nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lasereinrichtung (12) und die erste Lasereinrichtung (11) einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet sind.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlqualität, charakterisiert durch eine Beugungsmaßzahl M², der Emission der zweiten Lasereinrichtung (12) im Bereich des geometrischen oder im Bereich des arithmetischen Mittels der Strahlqualitäten der Emission der ersten Lasereinrichtung (11) und der Emission der Pumplichtquelle (13) liegt, insbesondere in einem Bereich zwischen 2 und 50, insbesondere zwischen 5 und 50.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Emission der zweiten Lasereinrichtung (12) zwischen der Wellenlänge der Emissionen der ersten Lasereinrichtung (11) und der Wellenlänge der Emission der Pumplichtquelle (13) liegt, wobei sich die Wellenlängen der Emissionen der ersten und der zweiten Lasereinrichtungen (11, 12) und/oder die Wellenlängen der Emissionen der zweiten Lasereinrichtung (12) und der Pumplichtquelle (13) um weniger als 25%, vorzugsweise um weniger als 15%, unterscheiden.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emission der ersten Lasereinrichtung (11) und die Emission der zweiten Lasereinrichtung (12) und die Emission der Pumplichtquelle (13) gepulst erfolgt, wobei die Impulsdauern der Emissionen der zweiten Lasereinrichtung (12) und die Emission der Pumplichtquelle (13) etwa gleich sind und bevorzugt im Bereich zwischen 100 μs und einer Millisekunde liegen und bevorzugt die Impulsdauer der Emission der ersten Lasereinrichtung (11) um einen Faktor, der zwischen 10 000 und 10 000 000 beträgt, übersteigen.
Laserzündsystem nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer der Emission der zweiten Lasereinrichtung (12) im Bereich des 0,3 bis Vierfachen der Fluoreszenslebensdauer des laseraktiven Materials der ersten Lasereinrichtung (11) liegt, insbesondere im Bereich des Ein bis Vierfachen.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserzündsystem eine optische Faser (75) umfasst, durch die die Emission der zweiten Lasereinrichtung (12) der ersten Lasereinrichtung (11) zugeführt wird.