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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs und ein Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung.
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Aus der
DE 10 2007 044 009 A1 ist eine derartige Lasereinrichtung bekannt, bei der ferner vorgesehen ist, dass der laseraktive Festkörper mit Pumplicht der Wellenlänge 808 nm und zusätzlich und aus gleicher Richtung mit Pumplicht der Wellenlänge 940 nm longitudinal gepumpt wird, wobei in Ausbreitungsrichtung des Pumplichts der erste Bereich des laseraktiven Festkörpers, der eine Yb-Dotierung aufweist, vor dem zweiten Bereich des laseraktiven Festkörpers, der eine Nd-Dotierung aufweist, angeordnet ist.
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Weitere Lasereinrichtungen sind offenbart in
US 2009/0034058 A1 ,
US 5933437 A ,
US 6650670 B1 , Goldring & Lavi, Optics Letters Vol. 33, No. 7 (2008) S. 669-671 und Sangla et al., Optics Express Vol. 17, No. 12 (2009) S. 10091–10097.
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Zur Erzeugung von Laserpulsen in derartigen Lasereinrichtungen wird der laseraktive Festkörper mit einem Pumplicht beaufschlagt, das geeignete spektrale Eigenschaften aufweist. Der laseraktive Festkörper erfährt somit eine optische Anregung und es kommt in dem laseraktiven Festkörper zu einer sogenannten Besetzungsinversion. Das heißt, auf atomarer Ebene weist der laseraktive Festkörper zwei Zustände auf, die sich auf unterschiedlichen Energieniveaus befinden, zwischen denen ein strahlender Übergang möglich ist, wobei die atomare Besetzung des energetisch höheren Energieniveau größer ist als die atomare Besetzung des energetisch niedrigeren. Eine derartige Besetzungsinversion hat zur Folge, dass Licht, dessen Wellenlänge mit dem energetischen Abstand der beiden Energieniveaus e = hν korespondiert und das sich in dem laseraktiven Festkörper ausbreitet, keine Dämpfung, sondern eine Verstärkung erfährt. Bei kontinuierlich emittierenden Lasern ohne Güteschaltung ist diese Verstärkung die Grundlage der Erzeugung von Laserlicht.
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Die Erzeugung von Laserlicht erfolgt ferner im Zusammenspiel der spontanen Emission aus dem energetisch höheren in das energetisch niedrigere Energieniveau mit der Rückkopplung des erzeugten Lichts in den laseraktiven Festkörper.
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Bei gütegeschalteten Lasern wird die Rückkopplung des erzeugten Lichts in den laseraktiven Festkörper zunächst unterdrückt, sodass sich trotz Verstärkung im laseraktiven Festkörper keine hochenergetische Strahlung aufbauen kann. Stattdessen wird die Besetzungsinversion im laseraktiven Festkörper durch die Zufuhr von weiterem Pumplicht intensiviert und somit weitere Energie im laseraktiven Festkörper deponiert. Erst wenn die Rückkopplung des erzeugten Lichts in den laseraktiven Festkörper, beispielsweise innerhalb kurzer Zeit, hergestellt wird, kommt es zum Aufbau eines Laserpulses.
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Bei der sogenannten passiven Güteschaltung wird die Rückkopplung des erzeugten Lichts in den laseraktiven Festkörper zunächst durch einen sättigbaren Absorber unterdrückt. Dieser sättigbare Absorber ist dem laseraktiven Festkörper in einem optischen Resonator optisch nachgeordnet. Erst wenn die Besetzungsinversion und damit die Verstärkung in dem laseraktiven Festkörper sehr groß sind, kommt es auch bei unterdrückter optischer Rückkopplung zur Ausbildung eines Strahlungsfeldes, das den sättigbaren Absorber auszubleichen vermag. Nachfolgend kommt es zur Rückkopplung des erzeugten Lichts in den laseraktiven Festkörper und infolgedessen zum rasanten Aufbau eines hochenergetischen Laserpulses.
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Welcher Energiemenge es in dem laseraktiven Festkörper bedarf, um die Strahlung bereitzustellen, die zum Ausbleichen des sättigbaren Absorbers erforderlich ist, hängt neben den Materialeigenschaften des sättigbaren Absorbers von den Materialeigenschaften des laseraktiven Festkörpers ab. Insbesondere ist der Wirkungsquerschnitt der stimulierten Emission σ entscheidend, den der laseraktive Festkörper für das betreffende, zu erzeugende Licht aufweist. Ist der Wirkungsquerschnitt der stimulierten Emission σ beispielsweise besonders hoch, so baut sich schon bei geringem Energieinhalt in dem laseraktiven Festkörper auch ohne Rückkopplung ein Strahlungsfeld auf, das ausreicht, um den sättigbaren Absorber auszubleichen. Nachfolgend kommt es in diesem Fall zur Emission eines vergleichsweise niederenergetischen Laserpulses. Ist der Wirkungsquerschnitt der stimulierten Emission σ hingegen besonders gering, so baut sich erst bei sehr hohem Energieinhalt in dem laseraktiven Festkörper ein Strahlungsfeld auf, das ausreicht, den sättigbaren Absorber auszubleichen. Der nachfolgend emittierte Laserpulses hat in diesem Fall einen besonders hohen Energieinhalt.
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Die Wirkungsquerschnitte der stimulierten Emission σ von Lasermaterialien, die eine Nd-Dotierung und/oder eine Yb-Dotierung aufweisen, hängen, beispielsweise im Temperaturbereich zwischen –40°C und +160°C, in hohem Maße von der Temperatur T ab, wobei die Wirkungsquerschnitte der stimulierten Emission σ mit steigender Temperatur abnehmen. Daher erzeugen herkömmliche passiv gütegeschalte Lasereinrichtungen mit entsprechend dotiertem laseraktivem Festkörper Laserpulse, die bei Temperaturschwankungen dT des laseraktiven Festkörpers hohe Schwankungen der erzeugten Pulsenergien aufweisen. Überdies weisen diese Pulse auch hohe zeitliche Schwankungen auf, da die Zeit schwankt, die vergeht, bis es zum Ausbleichen des sättigbaren Absorbers kommt.
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Dieses Verhalten ist, beispielsweise bei der Nutzung der Lasereinrichtung als Laserzündkerze, unerwünscht. Beispielsweise ist es nachteilig, dass Laserzündkerzen in bestimmten Temperaturbereichen, beispielsweise bei extremer Kälte, lediglich Laserpulse zur Verfügung stellen, durch die eine Zündung eines Kraftstoff-Luftgemisches nicht sichergestellt ist.
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Weiterhin ist es nachteilig, dass Laserzündkerzen in bestimmten Temperaturbereichen, beispielsweise bei der Betriebstemperatur einer ihnen zugeordneten Brennkraftmaschine, Laserpulse zur Verfügung stellen, deren Energieinhalt unnötig groß ist, sodass der Verschleiß optischer Komponenten erhöht ist.
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Vorteile der Erfindung
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Eine erfindungsgemäße Lasereinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat hingegen den Vorteil, dass sie geeignet ist, Laserimpulse zu erzeugen, deren Pulsenergie sich innerhalb eines Temperaturintervalls von beispielsweise –40°C bis 160°C bei Temperaturänderungen höchstens geringfügig ändert.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Absorptionskoeffizient eines mit Nd dotierten Festkörpers von Pumplicht, dessen Wellenlänge erfindungsgemäß im Bereich zwischen 930 nm und 950 nm liegt, stark temperaturabhängig ist, wobei der Anteil des Pumplichts, das im mit Nd dotierten Festkörper absorbiert wird und seiner Anregung dient, bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei –40°C, sehr gering ist, hingegen bei hohen Temperaturen, beispielweise bei 160°C deutlich höher ist. Insbesondere steigt bei höheren Temperaturen die thermische Besetzung des für den Pumpvorgang relevanten unteren Laserniveaus. Die Absorption und die optische Anregung von mit Yb dotierten Festkörpern sind hingegen für dieses Pumplicht im genannten Temperaturintervall weitgehend unabhängig von der Temperatur.
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Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass der Wirkungsquerschnitt der stimulierten Emission σ für den zugehörigen strahlenden Übergang eines mit Nd dotierten Festkörpers, insbesondere bei 1064 nm, wesentlich größer ist als der Wirkungsquerschnitt der stimulierten Emission σ für den betreffenden strahlenden Übergang des mit Yb dotierten Festkörpers, insbesondere bei 1030 nm. Mit anderen Worten: Bei gleichem im Festkörper gespeichertem Energieinhalt vermag ein mit Nd dotierter Festkörper aufgrund der höheren (Kleinsignal-)Verstärkung einen sättigbaren Absorber eher auszubleichen als ein mit Yb dotierter Festkörper.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das Pumplicht zunächst auf einen Nd-dotierten Bereich des laseraktiven Festkörpers einwirkt und dort je nach Temperatur mehr oder weniger absorbiert wird, und erst nachfolgend auf einen Yb-dotierten Bereich einwirkt, wo die verbleibende, im Nd-dotierten Bereich nicht absorbierte Strahlung zumindest weitgehend absorbiert wird, wird erreicht, dass mit steigender Temperatur gleichsam eine Verschiebung der im laseraktiven Festkörper gespeicherten Energie aus dem mit Yb dotierten Bereich in den mit Nd dotierten Bereich erfolgt.
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In Summe, und das ist der der Erfindung zugrunde liegende Wirkmechanismus, sind die beiden dargestellten Effekte, die Temperaturabhängigkeit der stimulierten Emission einerseits und die Verschiebung der im laseraktiven Festkörper gespeicherten Energie aus dem mit Yb dotierten in den mit Nd dotierten Bereich, geeignet, sich bezüglich ihres Effektes auf die Temperaturabhängigkeit der Pulsenergie der von der Lasereinrichtung erzeugten Impulse zu kompensieren, sodass die erfindungsgemäße Lasereinrichtung geeignet ist, Laserimpulse zu erzeugen, deren Pulsenergie sich innerhalb eines Temperaturintervalls von beispielsweise –40°C bis 160°C bei Temperaturänderungen höchstens geringfügig ändert.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Weiterbildungen der Erfindung lässt sich die Temperaturabhängigkeit der von der Lasereinrichtung erzeugten Laserimpulse weiter reduzieren.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, dass das Pumpen des laseraktiven Festkörpers ausschließlich mit Pumplicht erfolgt, dessen Wellenlänge im Bereich zwischen 930 nm und 950 nm liegt, insbesondere mit Pumplicht dessen Wellenlänge 938 nm oder 946 nm beträgt, bei einer spektralen Bandbreite von 5 nm oder weniger, wird überdies die Anregung der Neodymatome im laseraktiven Festkörper besonders temperaturabhängig, sodass die Pulsenergie besonders gut konstant gehalten werden kann.
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In einer Alternative weist der laseraktive Festkörper im ersten und im zweiten Bereich die gleichen Dotierungen auf. In diesem Fall entfällt die Notwendigkeit der Ausbildung zweier unterschiedlicher Bereiche im laseraktiven Festkörper, sodass sich der laseraktive Festkörper besonders einfach herstellen lässt.
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Vorteilhafterweise ist die Gesamtheit aus laseraktivem Festkörper und passivem Güteschalter und ggf. weiteren Komponenten wie Spiegeln als monolithische Einheit ausgebildet, beispielsweise durch Bonden und Beschichten.
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Zeichnung
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In der Zeichnung zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Lasereinrichtung,
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2 eine Ausführungsform der Lasereinrichtung aus 1 im Detail,
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3 ein Diagramm des Wirkungsquerschnitts der stimulierten Emission σ sowie der Pulsenergie E über der Temperatur der Lasereinrichtung,
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4 eine andere Ausführungsform der Lasereinrichtung aus 1 im Detail.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient z. B. zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs oder eines Generators. 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 Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist.
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In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels eines Laserpulses 24 entzündet, der von einer einen Festkörperlaser 28 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt und mittels einer nicht abgebildeten Optik auf den Zündpunkt ZP fokussiert wird. Hierzu wird der Festkörperlaser 28 über eine Pumplichtzuführung 100 mit einem Pumplicht 60 gespeist, welches von einem Diodenlaser 13 bereitgestellt wird. Der Festkörperlaser 28 und der Diodenlaser 13 sind dabei Teile einer Laservorrichtung 26.
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2 zeigt schematisch eine Detailansicht des Festkörperlasers 28 der Lasereinrichtung 26 aus 1. Wie aus 2 ersichtlich, weist die Lasereinrichtung 26 einen laseraktiven Festkörper 44 auf, dem eine auch als Q-switch und als sättigbarer Absorber bezeichnete passive Güteschaltung 46 optisch nachgeordnet ist. Der laseraktive Festkörper 44 bildet hierbei zusammen mit dem sättigbarer Absorber 46 sowie dem in 2 links hiervon angeordneten Einkoppelspiegel 42 und dem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator aus, dessen Schwingverhalten von dem sättigbarer Absorber 46 und der Reflektivität des Auskoppelspiegels 48 abhängt und damit zumindest mittelbar in an sich bekannter Weise steuerbar ist.
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Bei der in 2 abgebildeten Konfiguration der Lasereinrichtung 26 wird Pumplicht 60 durch die bereits unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Pumplichtzuführung 100 von dem Diodenlaser 13 auf den Einkoppelspiegel 42 geleitet. Da der Einkoppelspiegel 42 für das Pumplicht 60 durchsichtig ist, dringt das Pumplicht 60 in den laseraktiven Festkörper 44 ein und führt darin zu einer an sich bekannten Besetzungsinversion.
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Während der sättigbarer Absorber 46 seinen (ungesättigten) Ruhezustand aufweist, in dem er einen verhältnismäßig kleinen 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 steigt jedoch die Strahlungsdichte in dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 an, sodass der sättigbare Absorber 46 ausbleicht, d. h. einen größeren Transmissionskoeffizienten annimmt, und der Laserbetrieb beginnen kann.
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Auf diese Weise entsteht ein auch als Riesenpuls bezeichneter Laserpuls 24, der eine verhältnismäßig hohe Spitzenleistung aufweist. Der Laserpuls 24 wird durch ein nicht abgebildetes Brennraumfenster der Lasereinrichtung 26 in den Brennraum 14 (1) der Brennkraftmaschine 10 eingekoppelt, sodass darin vorhandener Kraftstoff 22 bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet wird.
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Temperaturänderungen dT des laseraktiven Festkörpers 44 haben zur Folge, dass sich der Wirkungsquerschnitt der stimulierten Emission σ des laseraktiven Festkörpers 44 ändert. Somit ändert sich die Verstärkung, die das von der Lasereinrichtung 26 in dem laseraktiven Festkörpers 44 erzeugte Licht erfährt. Werden alle übrigen für den Laserbetrieb relevanten Parameter konstant gehalten, so resultiert hieraus eine Änderung der Energie E der durch die Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserpulse. In der 3 ist dies für ein Lasermaterial veranschaulicht, bei dem der Wirkungsquerschnitt der stimulierten Emission σ im Temperaturbereich zwischen -40°C und +160°C bei steigender Temperatur T abnimmt, so wie es bei mit Neodym oder mit Ytterbium dotierten laseraktiven Festkörpern der Fall ist. Gleichzeitig erhöht sich bei steigender Temperatur T die Energie E der in diesem Fall von der Lasereinrichtung 26 emittierten Laserpulse.
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Um diesem unerwünschten Effekt entgegenzuwirken, ist in diesem Beispiel vorgesehen, dass der laseraktive Festkörper 44 des Festkörperlasers 28 der Lasereinrichtung 26 einen ersten Bereich 44a aufweist, der aus YAG mit einer Dotierung 5 Atom-% Ytterbium-Atomen besteht, und einen zweiten Bereich 44b aufweist, der aus YAG mit einer Dotierung 2 Atom-% Neodym-Atomen besteht. Es ist zu diesem Zweck ferner vorgesehen, dass die Zuführung des Pumplichts 60 zu dem laseraktiven Festkörper 44 longitudinal und so erfolgt, dass der mit Nd-Atomen dotierte, zweite Bereich 44b des laseraktiven Festkörper 44 aus Richtung des Pumplichts vor dem mit Yb-Atomen dotierten, ersten Bereich 44a angeordnet ist. Das Pumplicht 60 ist beispielsweise weitgehend monochromatisch und hat eine Wellenlänge von 938 nm oder 946 nm bei einer spektralen Breite von unter 10 nm oder sogar von unter 5 nm. Auch der Einsatz von Pumplicht 60 mit einer noch geringeren spektralen Breite, beispielsweise einer spektralen Breite von unter 2 nm, ist denkbar und vorteilhaft.
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Neben der Verwendung von YAG ist auch die Verwendung von anderen, an sich bekannten Materialien wie beispielsweise LuAG, GGG, GSGG oder anderen möglich.
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Der Güteschalter ist als mit Cr-Ionen und/oder V-Ionen dotierter YAG-Kristall ausgebildet.
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Somit erfolgt in dem in 3 gezeigten Beispiel, bei steigender Temperatur T gleichsam eine Verschiebung der optischen Anregung durch das Pumplicht 60 aus dem ersten Bereich 44a des laseraktiven Festkörpers 44 in den zweiten Bereich 44b des laseraktiven Festkörpers 44. Hieraus resultiert, wie oben erläutert, dass die von der Lasereinrichtung 26 emittierten Laserpulse nunmehr eine Energie E' aufweisen, die im Vergleich zu der Energie E (ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen) eine geringere Temperaturabhängigkeit aufweist.
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In einer Alternative ist es auch möglich, dass der laseraktive Festkörper 44 im ersten Bereich 44a und im zweiten Bereich 44b die gleichen Dotierungen aufweist, beispielsweise 4 Atom-% Ytterbium und 4 Atom-% Neodym oder beispielsweise 2 Atom-% Ytterbium und 2 Atom-% Neodym.
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Weiterhin ist es möglich, dass, wie in der 4 gezeigt, der laseraktive Festkörper 44 einen dritten Bereich 44c oder mehrere dritte Bereiche 44c aufweist, die das gleiche Wirtsmaterial wie der erste Bereich 44a und/oder der zweite Bereich 44b und/oder der Güteschalter 46 aufweisen, aber undotiert oder zumindest weitgehend undotiert (<0,1 Atom-%) sind. Ein solcher dritter Bereich 44c kann zwischen dem ersten Bereich 44a und dem zweiten Bereich 44b und/oder aus Richtung des Pumplichts vor und/oder hinter dem ersten Bereich 44a und/oder dem zweiten Bereich 44b und/oder dem Güteschalter angeordnet sein. Derartige undotierte Bereiche beziehungsweise gering dotierte Bereiche können hilfreich sein, um die thermische Stabilität der Lasereinrichtung zu verbessern und um, insbesondere bei monolithisch ausgebildeten Vorrichtungen, die Fokussierbarkeit der erzeugten Laserstrahlung (Strahlqualität) zu verbessern.
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Neben motorischen Anwendungen der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung sind weitere Anwendungen denkbar, beispielsweise im Bereich der Verfahrenstechnik oder Analytik, bei denen vorteilhaft zum Tragen kommt, das die Energie E' der erzeugten Laserimpulse weitgehend unabhängig von der Temperatur T der Lasereinrichtung ist.
