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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen, wobei die Lasereinrichtung einen laseraktiven Festkörper mit einem Güteschalter und Lichtleitermittel zum Einkoppeln von Pumpstrahlung in den laseraktiven Festkörper aufweist, und wobei eine Fokussieroptik zur Fokussierung der Pumpstrahlung zwischen den Lichtleitermitteln und dem laseraktiven Festkörper angeordnet ist.
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Eine derartige Lasereinrichtung ist bereits aus der
JP 2009-194076 A bekannt.
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Das bekannte System weist eine komplexe Pumpoptik mit mehreren optischen Linsenelementen auf, um ein effizientes optisches Pumpen eines laseraktiven Festkörpers zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lasereinrichtung und ein entsprechendes Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein effizientes optisches Pumpen unter Verwendung einer weniger komplexen Pumpoptik möglich ist.
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Diese Aufgabe wird bei der Lasereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein erster Abstand zwischen der Fokussieroptik und einer Auskoppelfläche der Lichtleitermittel, durch die die Pumpstrahlung von den Lichtleitermitteln auf die Fokussieroptik abstrahlbar ist, verstellbar ist, und dass ein zweiter Abstand zwischen der Fokussieroptik und dem laseraktiven Festkörper verstellbar ist.
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Die erfindungsgemäße Konfiguration ermöglicht vorteilhaft durch Einstellung des ersten Abstands die Beeinflussung eines Strahltaillendurchmessers von durch die Fokussieroptik fokussierter Pumpstrahlung, wodurch sich das Pumpvolumen in dem laseraktiven Festkörper und damit schließlich auch die Impulsenergie der erzeugten Laserimpulse einstellen lässt. Vorteilhaft ermöglicht die Verstellbarkeit des zweiten Abstandes eine Nachführung des laseraktiven Festkörpers bezüglich des Fokuspunkts beziehungsweise der Strahltaille der fokussierten Pumpstrahlung derart, dass die Strahltaille stets mit einem bestimmten Volumenelement des laseraktiven Festkörpers, beispielsweise seiner Einkoppelfläche, koinzidiert, wodurch ein – unabhängig von der Größe der Strahltaille – gleichermaßen effizienter optischer Pumpprozess und ein optimaler Überlapp mit den in dem laseraktiven Festkörper auftretenden Lasermoden gegeben ist.
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Im Unterschied zu dem bekannten System kommt die erfindungsgemäße Fokussieroptik ohne eine komplexe Pumpoptik nach Art einer Teleskopoptik aus, die eine Vielzahl von verschiedenen optischen Linsen erfordert. Trotz ihres optisch einfacheren Aufbaus ermöglicht die Erfindung stets einen Betrieb bei optimalem Wirkungsgrad.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Lasereinrichtung weist die Fokussieroptik nur eine einzige Fokussierlinse auf, die bevorzugt asphärisch ausgebildet ist. Das heißt, in diesem Fall wird die Fokussieroptik der Lasereinrichtung durch die Fokussierlinse gebildet. Dadurch lassen sich gegenüber dem eingangs genannten bekannten System eine Vielzahl von optischen Komponenten einsparen. Ein über weite Bereiche der mittels der Verstellbarkeit des ersten Abstandes steuerbaren Strahltaille konstanter Wirkungsgrad ergibt sich erfindungsgemäß vorteilhaft aufgrund der Verstellbarkeit des zweiten Abstands, durch die sichergestellt ist, dass die Strahltaille relativ zu dem laseraktiven Festkörper möglichst günstig positioniert ist, beispielsweise im Sinne eines optimalen Überlapps zwischen Strahltaille und Lasermoden der erzeugten Laserimpulse.
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Einer vorteilhaften Ausführungsform zufolge wird die Verstellbarkeit des ersten und zweiten Abstands dadurch realisiert, dass die Fokussieroptik und der laseraktive Festkörper relativ zu den Lichtleitermitteln und im Wesentlichen parallel zu einer optischen Achse der Lasereinrichtung bewegbar angeordnet sind. Die gewünschte Bewegbarkeit kann beispielsweise durch an sich bekannte Linearführungen oder Gewindeantriebe oder dergleichen realisiert sein.
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Einer weiteren Ausführungsform zufolge können erste und/oder zweite Verstellmittel zum Verstellen der betreffenden Abstände vorgesehen sein, wobei die Verstellmittel eine manuelle Verstellung oder auch eine aktorbetätigte Verstellung der betreffenden Abstände ermöglichen können.
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Weiters ist es möglich, die z. B. Zylinder in welchen die entsprechenden Optiken (Lichtwellenleiter, Fokussieroptik, Festkörperlaser) gehaltert sind, mit unterschiedlichen Außendurchmessern zu gestalten. Der Übergang wird als Spiel- oder Übergangspassung ausgeführt. In der Fertigung kann so manuell der optische Abstand eingestellt werden und dann werden die Zylinder verbunden (z. B. durch Schweißen oder Löten).
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In einer Serienfertigung kann durch die stufenlose Verstellung durch Spielpassung und durch permanente Energiemessung der optische Abstand eingestellt werden und danach gleich direkt geschweißt werden. Somit erreicht man auch eine hermetisch, direkte Kapselung der optischen Komponenten in der Laserkerze von der Umgebung.
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Beispielsweise können die Verstellmittel als Gewindestangen und/oder Gewindehülsen oder dergleichen ausgebildet sein, um so zumindest ein manuelles Verstellen der ersten und/oder zweiten Abstände zu ermöglichen.
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Darüber hinaus ist es möglich, elektromechanische oder hydraulische oder sonstige Aktoren vorzusehen, um die erfindungsgemäß interessierenden Abstände einzustellen.
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Einer weiteren Ausführungsform zufolge kann eine mechanische Kopplung zwischen der Fokussieroptik und dem laseraktiven Festkörper vorgesehen sein, die bewirkt, dass eine Einstellung des zweiten Abstands jeweils nur in Abhängigkeit des ersten Abstands erfolgen kann, wobei auch eine vorgebbare Übersetzung vorgesehen sein kann, die beispielsweie bewirkt, dass bei einer Verstellung des ersten Abstands um eine erste Verstellstrecke eine Verstellung des zweiten Abstands um eine hiervon verschiedene, zweite Verstellstrecke bewirkt wird.
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Die Fokussierlinse der Fokussieroptik kann einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge eine steuerbare Brennweite aufweisen, was beispielsweise dadurch erzielbar ist, dass die Fokussierlinse als sogenannte „liquid lens” oder Membranlinse oder dergleichen ausgebildet ist.
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Besonders bevorzugt ist der Güteschalter der Lasereinrichtung als passiver Güteschalter ausgebildet. Ferner ist es vorteilhaft, wenn der laseraktive Festkörper und der Güteschalter einen monolithischen Verbund bilden, was beispielsweise durch thermisches Bonden der betreffenden Komponenten realisierbar ist.
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Einer besonders bevorzugten Ausführungsform zufolge ist der erste Abstand zwischen etwa 3 mm und etwa 15 mm verstellbar, und der zweite Abstand ist zwischen etwa 5 mm bis etwa 50 mm verstellbar.
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Typische numerische Aperturen von NA = 0,2–0,8, vorzugsweise NA = 0,3–0,6, werden verwendet.
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Die Linsen sollten antireflexions-beschichtet für die Pumpwellenlänge sein. Der Durchmesser der Linsen sollte sich zwischen 3–15 mm bewegen (für M 18 × 1,5 Einschraubgewinde).
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Die AR-Schicht muss aber noch einen entsprechenden Teil der Laserstrahlung durch zur Faser transmittieren, um das FKL-Feedback detektieren zu können. Andererseits darf nicht zu viel Laserstrahlung die Fokussierlinse passieren, um eine Beschädigung des Lichtwellenleiters durch zu hohe Leistungen zu vermeiden.
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Einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zufolge ist die Lasereinrichtung zumindest teilweise integriert in eine Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine.
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Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch 12 angegeben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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In der Zeichnung zeigt:
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1a, 1b, 1c eine Ausführungsform einer Lasereinrichtung in drei unterschiedlichen Betriebszuständen, und
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2 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Betriebsverfahrens für eine Lasereinrichtung.
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1a zeigt eine erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26, die vorliegend beispielsweise in eine Laserzündkerze 100 für eine Brennkraftmaschine integriert ist.
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Die Lasereinrichtung 26 verfügt über einen laseraktiven Festkörper 44, dem ein passiver Güteschalter 46 zugeordnet ist. Der laseraktive Festkörper 44 ist zusammen mit dem passiven Güteschalter 46 vorzugsweise als monolithischer Verbund ausgebildet und verfügt auf einer in 1a linken Stirnfläche über einen Einkoppelspiegel 42 und auf einer in 1a rechten Stirnfläche über einen Auskoppelspiegel 48.
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Der Einkoppelspiegel 42 ist hoch transmittierend für Pumpstrahlung 60, die der Lasereinrichtung 26 bzw. dem Monolithen 44, 46 durch Lichtleitermittel 28 zugeführt wird. Die Pumpstrahlung 60 wird durch zwischen der Lichtleitereinrichtung 28 und dem laseraktiven Festkörper 44 angeordnete Fokussiermittel 30 auf den laseraktiven Festkörper 44 gebündelt, vgl. den Verlauf 60' der fokussierten Pumpstrahlung.
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Der Einkoppelspiegel 42 ist vorzugsweise hoch reflektierend ausgebildet für in dem laseraktiven Festkörper 44 erzeugte Laserstrahlung 24. Der Auskoppelspiegel 48 weist eine vorgebbare Durchlässigkeit für die Laserstrahlung 24 auf, so dass in an sich bekannter Weise erzeugte sogenannte Riesenimpulse 24 aus dem laseraktiven Festkörper 44 austreten können, vgl. 1a. Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 in der Laserzündkerze 100 wird ein durch die Lasereinrichtung 26 erzeugter Laserimpuls 24 durch optisch der Lasereinrichtung 26 nachgeordnete Fokussiermittel 50 fokussiert, beispielsweise auf einen Zündpunkt (nicht gezeigt) in einem Brennraum der Brennkraftmaschine, die die Laserzündkerze 100 enthält.
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Die Laserimpulse 24 werden in einem an sich bekannten Prozess durch die vorliegend passiv gütegeschaltete Lasereinrichtung 26 erzeugt. Eine Impulsenergie der Laserimpulse 24 wird erfindungsgemäß dadurch eingestellt, dass die Größe der Strahltaille SD1 der fokussierten Pumpstrahlung 60' in dem laseraktiven Festkörper 44 vorgegeben wird. Je größer die Strahltaille in dem laseraktiven Festkörper 44 ist, umso größer ist das mit Pumpstrahlung 60' beaufschlagte Volumen des laseraktiven Festkörpers 44, das sogenannte Pumpvolumen. Mit steigendem Pumpvolumen kann in an sich bekannter Weise die Impulsenergie der erzeugten Laserimpulse 24 vergrößert werden.
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Vorliegend wird die Größe SD1 der Strahltaille der fokussierten Pumpstrahlung 60' dadurch beeinflusst, dass ein erster Abstand a1 zwischen der Fokussieroptik 30 und der Auskoppelfläche 28a der Lichtleitermittel 28 variiert wird. Zur Illustration ist in 1a eine Längenkoordinate x angegeben, welche parallel zu der optischen Achse OA der Laserzündkerze 100 beziehungsweise der Lasereinrichtung 26 verläuft und ihren Nullpunkt in der Ebene der Auskoppelfläche 28a der Lichtleitermittel 28 hat.
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Bei der in 1a abgebildeten ersten Betriebsart der Lasereinrichtung 26 ist der erste Abstand auf den Wert a1 eingestellt, das bedeutet, die Fokussiermittel 30 sind in einer Entfernung von x = x1 von der Austrittsfläche 28a der Lichtleitermittel 28 angeordnet. Dementsprechend ergibt sich die in 1a abgebildete und durch den Doppelpfeil SD1 repräsentierte Strahltaille, mit der eine bestimmte Impulsenergie des Laserimpulses 24, z. B. etwa 25 mJ (Millijoule), korreliert.
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Um das Pumpvolumen gegenüber der in 1a gezeigten Betriebsart zu verringern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den ersten Abstand von dem Wert a1 auf einen größeren Wert a2 > a1 zu vergrößern, vgl. 1b. Durch die sich hierdurch ergebende größere bestrahlte Fläche der Fokussieroptik 30 ergibt sich eine geringere Strahltaille SD2 < SD1 in dem laseraktiven Festkörper 44, so dass insgesamt ein bezüglich des ersten Betriebszustands (1a) geringeres Pumpvolumen und damit auch eine geringere Impulsenergie für den Laserimpuls 24 gegeben ist, wobei die Impulsenergie vorliegend z. B. etwa 12 mJ beträgt.
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Die Veränderung des ersten Abstands von dem Wert a1 (1a) zu dem größeren Wert a2 (2b) bedingt in an sich unerwünschter Weise auch eine Verlagerung der Strahltaille der fokussierten Pumpstrahlung 60' entlang der optischen Achse OA (1a) der Lasereinrichtung 26, und zwar vorliegend in negativer x-Richtung bezogen auf die Hilfskoordinate x aus 1a. Die Verlagerung der Strahltaille SD2 zu kleineren x-Werten hin bewirkt nachteilig eine Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrads der Lasereinrichtung 26, weil eine nurmehr suboptimale Überlappung zwischen dem Pumpvolumen und den Lasermoden der Laserimpulse 24 gegeben ist. Um dem entgegenzuwirken, sieht die Erfindung ferner vor, einen zweiten Abstand b1, b2, zusätzlich zu dem ersten Abstand a1, a2, zu verändern. Dadurch ist es möglich, den laseraktiven Festkörper 44 bei dem Betriebsartenwechsel zwischen 1a und 1b näher auf die Fokussieroptik 30 zuzubewegen, so dass der Ort der Strahltaille SD2 auch in der zweiten Betriebsart (1b) wieder mit demselben Volumenelement des laseraktiven Festkörpers 44 koinzidiert, wie dies bei der ersten Betriebsart gemäß 1a der Fall war. Dadurch ist auch bei der zweiten Betriebsart ein zu der ersten Betriebsart vergleichbarer guter Überlapp der fokussierten Pumpstrahlung 60' mit den Lasermoden der Laserimpulse 24 gegeben, und es entstehen keine Effizienzeinbußen bei der Erzeugung der Laserimpulse 24.
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1c zeigt eine dritte Betriebsart der Lasereinrichtung 26, bei der ein noch größerer erster Abstand a3 > a2 > a1 eingestellt worden ist. Dieser verhältnismäßig große erste Abstand a3 führt zu einer verhältnismäßig kleinen Strahltaille SD3, vgl. 1c. Das bedeutet, die in 1c veranschaulichte dritte Betriebsart bietet ein sehr geringes Pumpvolumen und eine damit korrespondierende geringe Impulsenergie für die Laserimpulse 24 von z. B. etwa 5 mJ. Um wiederum einem Herauswandern der Strahltaille SD3 aus dem für ein effizientes Pumpen und einen optimalen Überlapp mit den Lasermoden günstigen Volumenbereich des laseraktiven Festkörpers 44 zu begegnen, wird wiederum der zweite Abstand b3 so eingestellt, dass die Strahltaille SD3 in dem gewünschten Volumenbereich des laseraktiven Festkörpers 44 zu liegen kommt.
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Untersuchungen der Anmelderin zufolge ist durch die erfindungsgemäße Verstellbarkeit beider Abstände a1, b1 vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, die Impulsenergie der Laserimpulse 24 zwischen etwa einem Millijoule und größer etwa 30 Millijoule zu variieren, ohne wesentliche Änderungen des optischen Wirkungsgrads hinnehmen zu müssen.
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Die Verstellung der Abstände a1, b1 kann beispielsweise durch im Bereich der Lasereinrichtung 26 vorgesehene Verstellmittel 30a, 44a (1a) erfolgen.
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Die Verstellmittel 30a, 44a können beispielsweise eine Linearführung (z. B. Spielpassung von rotationssymetrischen Hülsen) oder einen Gewindetrieb oder sonstige Mittel umfassen, die eine Verstellung der Abstände a1, b2 unter manueller Betätigung ermöglichen. Es ist ferner möglich, die Verstellmittel 30a, 44a mit elektromechanischen oder sonstigen geeigneten Aktoren zu versehen, um die Verstellbarkeit der Abstände a1, b1 zu gewährleisten. Im Falle der Laserzüdkerze 100 können ggf. erforderliche Ansteuerleitungen für die Verstellmittel 30a, 44a auch mit der Lichtleitereinrichtung 28 zusammengefasst werden.
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Eine feste mechanische Kopplung zwischen dem ersten Abstand a1 und dem zweiten Abstand b1 ist ebenfalls denkbar. In diesem Fall ist vorteilhaft lediglich die Verstellung eines einzigen Verstellmittels erforderlich, um beide Abstände a1, b1 zu variieren. Ein von Eins verschiedenes Übersetzungsverhältnis kann dabei dem Erfordernis Rechnung tragen, dass zur Realisierung eines optimalen optischen Wirkungsgrads die Abstände a1, b1 in unterschiedlichem Maße zu modifizieren sind.
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Bei einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 ist die Fokussieroptik 30 durch eine einzige Fokussierlinse gebildet, was neben der geringen optischen Komplexität und entsprechend geringen Herstellungskosten vorteilhaft eine besonders geringe minimale Strahltaille ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Prinzip ermöglicht einerseits eine optimale Einstellung eines gepulsten Lasersystems 26 auf eine bestimmte Anwendung, wie beispielsweise die vorstehend beschriebene Anwendung in einer Laserzündkerze 100 für eine Brennkraftmaschine. Beispielsweise kann das System 26 bzw. die Abstände a1, b1 im Sinne eines Applikationsprozesses an eine gewüschte Zielumgebung angepasst und anschließend die Abstände a1, b1 fixiert werden.
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Besonders vorteilhaft kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips aber auch während eines Betriebs des Zielsystems 100 die Pulsenergie der Laserimpulse 24 variiert werden durch eine entsprechende Verstellung der Abstände a1 und b1.
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Der verwendete laseraktive Festkörper 44 kann für den jeweils gewünschten Anwendungsbereich optimiert werden, wobei insbesondere die folgenden Parameter variiert werden können: Die Anfangstransmission des Güteschalters 46, die Transmissionsgrade des Auskoppelspiegels 48, die numerische Apertur der Fokussieroptik 30, der Durchmesser der Fokussieroptik 30, die Länge und Dotierung des laseraktiven Festkörpers 44 sowie die Betriebstemperatur. Über diese Parameter können der Bereich der möglichen Impulsenergien, der optische Wirkungsgrad, die Strahlintensitäten an den Oberflächen der Komponenten 44, 46 beeinflusst werden.
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Für eine Serienfertigung von Laserzündkerzen 100 kann es ferner vorteilhaft sein, manuell betätigbare Verstellmittel 30a, 44a zu verwenden, die während einer Applikationsphase, das heißt bei der Anpassung der Laserzündkerze 100 an eine neue Brennkraftmaschine, eine Verstellbarkeit der Abstände a1, b1 in weiten Grenzen ermöglicht. Sobald optimale Abstandswerte für die gewünschten Betriebsarten gefunden sind, können die Komponenten 30, 44 bezüglich ihrer Abstände zu den Lichtleitermitteln 28 fixiert werden, beispielsweise mittels Verschweißen der ursprünglich relativ zueinander bewegbar angeordneten Komponenten.
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2 zeigt schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für die Lasereinrichtung 26. In einem ersten Schritt 200 wird der erste Abstand a1 (1a) variiert, bis eine gewünschte Strahltailliengröße SD1 erreicht ist. Anschließend wird in einem zweiten Schritt 210 (2) der zweite Abstand b1 variiert, bis ein gewünschter optimaler Überlapp zwischen der fokussierten Pumpstrahlung 60' und den Lasermoden der Laserimpulse 24 erzielt wird.
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Die Schritte 200, 210 können auch mehrmals nacheinander oder in wechselnder Reihenfolge ausgeführt werden, um ein globales Optimum für den optischen Wirkungsgrad der Lasereinrichtung 26 aufzufinden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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