DE102011076854A1 - Optical splitter for laser ignition system of internal combustion engine for distribution of laser radiation, has laser source for providing laser radiation and optical output level for uncoupling of laser radiation - Google Patents

Optical splitter for laser ignition system of internal combustion engine for distribution of laser radiation, has laser source for providing laser radiation and optical output level for uncoupling of laser radiation Download PDF

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Abstract

The optical splitter (100) has a laser source (110) for providing laser radiation, an optical output level (120-1) for uncoupling of laser radiation and a distribution system (130) for selective distribution of the laser radiation on one of the optical output levels. The laser source has a vertically emitting semiconductor laser. The distribution system has a movable mirror (132) or a movable lens. The movable mirror is rotatably arranged around an axis. An independent claim is included for a method for operating an optical splitter.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen optischen Verteiler zur Verteilung von Laserstrahlung, insbesondere für ein Laserzündsystem einer Brennkraftmaschine, wobei der optische Verteiler eine Laserquelle zur Bereitstellung von Laserstrahlung aufweist, mindestens zwei optische Ausgangsstufen zur Auskopplung von Laserstrahlung, und ein Verteilersystem zur wahlweisen Verteilung der durch die Laserquelle bereitgestellten Laserstrahlung auf mindestens eine der optischen Ausgangsstufen. The invention relates to an optical distributor for distributing laser radiation, in particular for a laser ignition system of an internal combustion engine, wherein the optical distributor comprises a laser source for providing laser radiation, at least two optical output stages for coupling out laser radiation, and a distributor system for selectively distributing the laser source provided by the laser source Laser radiation on at least one of the optical output stages.

Die Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren für einen derartigen optischen Verteiler.The invention further relates to an operating method for such an optical distributor.

Ein optischer Verteiler der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der US 7,421,166 B1 bekannt.An optical distributor of the type mentioned is, for example, from US Pat. No. 7,421,166 B1 known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Verteiler der eingangs genannten Art sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren dahingehend zu verbessern, dass ein flexibler und zuverlässiger Betrieb des optischen Verteilers möglich ist.It is an object of the present invention to improve an optical distributor of the aforementioned type and a corresponding operating method in that a flexible and reliable operation of the optical distributor is possible.

Diese Aufgabe wird bei dem optischen Verteiler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Laserquelle mindestens einen vertikal emittierenden Halbleiterlaser (vertical cavity surface emitting laser, VCSEL) aufweist. This object is achieved according to the invention in the optical distributor of the aforementioned type in that the laser source has at least one vertically emitting surface-emitting laser (VCSEL).

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass insbesondere bei der Verwendung von mehreren VCSEL-Laserelementen (Vertikalemittern) als Laserquelle eine in hohem Maße kollimierte Laserstrahlung erhalten wird, was vorteilhaft die Überbrückung verhältnismäßig großer optischer Weglängen zwischen den einzelnen Komponenten des optischen Verteilers ermöglicht, ohne dass sich die Strahleigenschaften der erzeugten Laserstrahlung wesentlich ändern. Hierdurch ergeben sich vorteilhaft Freiheitsgrade bezüglich des räumlichen Aufbaus bzw. der Anordnung von Komponenten des optischen Verteilers.According to the invention, it has been recognized that, in particular when using a plurality of VCSEL laser elements (vertical emitters) as the laser source, a highly collimated laser radiation is obtained, which advantageously makes it possible to bridge relatively large optical path lengths between the individual components of the optical distributor, without the Significantly change the beam properties of the laser radiation produced. This results in advantageous degrees of freedom with respect to the spatial structure or the arrangement of components of the optical distributor.

Darüberhinaus bieten die auch als oberflächenemittierende Halbleiterlaser bezeichneten VCSEL-Laserelemente üblicherweise höhere duty cycles bzw. ununterbrochene Einschaltdauern bis hin zu einem Dauerbetrieb, was beispielsweise bei als Kantenemitter ausgebildeten Halbleiterlasern nicht erreichbar ist. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, den erfindungsgemäßen optischen Verteiler zur Versorgung einer Vielzahl von Zielsystemen, beispielsweise Laserzündkerzen einer Brennkraftmaschine, zu verwenden.In addition, the VCSEL laser elements, which are also referred to as surface-emitting semiconductor lasers, usually have higher duty cycles or uninterrupted turn-on times, up to continuous operation, which is not achievable, for example, in the case of semiconductor lasers designed as edge emitters. As a result, it is advantageously possible to use the optical distributor according to the invention for supplying a plurality of target systems, for example laser spark plugs of an internal combustion engine.

Ein weiterer Vorteil gegenüber der Verwendung von Kantenemittern besteht darin, dass nicht zwingend ein Querschnittswandler zur Formung eines Strahlquerschnitts der erzeugten Laserstrahlung erforderlich ist.Another advantage over the use of edge emitters is that a cross-sectional transducer is not necessarily required to form a beam cross-section of the laser radiation produced.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Laserquelle eine Vielzahl von im wesentlichen flächig, vorzugsweise innerhalb einer gemeinsamen virtuellen Ebene, angeordneten vertikal emittierenden Halbleiterlasern aufweist. Andere Konfigurationen sind ebenfalls denkbar.In a further advantageous embodiment, it is provided that the laser source has a multiplicity of vertically emitting semiconductor lasers arranged substantially flat, preferably within a common virtual plane. Other configurations are also conceivable.

Einer weiteren Ausführungsform zufolge weist das Verteilersystem mindestens einen bewegbaren Spiegel und/oder eine bewegbare Linse auf, der bzw. die dazu ausgebildet ist, von der Laserquelle eingestrahlte Laserstrahlung wahlweise auf mindestens eine der optischen Ausgangsstufen abzulenken. According to a further embodiment, the distribution system has at least one movable mirror and / or a movable lens, which is designed to deflect laser radiation emitted by the laser source optionally onto at least one of the optical output stages.

In einer weiteren Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass der bewegbare Spiegel um mindestens eine Achse drehbar angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend ist auch eine Translation des Spiegels denkbar.In a further variant of the invention, it is provided that the movable mirror is arranged to be rotatable about at least one axis. Alternatively or additionally, a translation of the mirror is conceivable.

Kombinationen aus Rotation und Translation für den Spiegel und/oder die Linse bzw. generell eine die Laserstrahlung ablenkende Optik sind ebenfalls denkbar.Combinations of rotation and translation for the mirror and / or the lens or generally a laser radiation deflecting optics are also conceivable.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist dem Spiegel eine Optik, insbesondere eine Fokussieroptik, zugeordnet, die zusammen mit dem Spiegel bewegbar ist, wodurch vorteilhaft nur verhältnismäßig geringe Stellbewegungen für den Spiegel bzw. die ihm zugeordnete Optik erforderlich sind, um die von der Laserquelle bereitgestellte Laserstrahlung unterschiedlichen Ausgangsstufen des optischen Verteilers zuzuordnen.In a further advantageous embodiment, the mirror is associated with an optic, in particular a focusing optic, which is movable together with the mirror, which advantageously only relatively small positioning movements for the mirror or its associated optics are required for the laser radiation provided by the laser source Assign different output levels of the optical distributor.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Laserquelle um mindestens eine Achse drehbar ausgebildet ist, und dass das Verteilersystem Antriebsmittel zum Antrieb der Laserquelle aufweist. Dadurch können vorteilhaft weitere bewegbare Elemente entfallen, und es kann eine sehr kleinbauende Konfiguration erreicht werden. In a further advantageous embodiment, it is provided that the laser source is designed to be rotatable about at least one axis, and that the distributor system has drive means for driving the laser source. This advantageously eliminates further movable elements, and it can be a very small-sized configuration can be achieved.

Da die erfindungsgemäß verwendeten vertikal emittierenden Halbleiterlaser der Laserquelle üblicherweise verhältnismäßig geringe Versorgungsströme benötigen (z.B. gegenüber Kantenemittern), ist eine Anordnung zur elektrischen Energieversorgung einer drehbaren Laserquelle verhältnismäßig einfach zu realisieren, beispielsweise mittels Schleifkontakten. Since the vertical emissive semiconductor lasers of the laser source used in the present invention usually require relatively low supply currents (e.g., to edge emitters), an arrangement for providing electrical power to a rotatable laser source is relatively easy to implement, for example by means of sliding contacts.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Laserquelle eine Optik, insbesondere eine Fokussieroptik, zugeordnet ist, die zusammen mit der Laserquelle bewegbar ist. Durch die Integration der Fokussieroptik an der bewegbar angeordneten Laserquelle wird vorteilhaft erreicht, dass von dem System Laserquelle/Fokussieroptik bereits Laserstrahlung mit einem verhältnismäßig geringen Strahlquerschnitt abgegeben wird, sodass zur Verteilung der Laserstrahlung auf die verschiedenen optischen Ausgangsstufen verhältnismäßig geringe Stellbewegungen der bewegbaren Laserquelle erforderlich sind. Beispielsweise kann bei einer drehbar angeordneten Laserquelle die Verstellung der Laserquelle um verhältnismäßig geringe Drehwinkel genügen, um die Einstrahlung der Laserstrahlung ausgehend von einer ersten optischen Ausgangsstufe auf eine weitere optische Ausgangsstufe umzusteuern. In a further advantageous embodiment it is provided that the laser source is associated with an optical system, in particular a focusing optical system, which is movable together with the laser source. The integration of the focusing optics on the movably arranged laser source advantageously ensures that laser radiation with a relatively small beam cross-section is already emitted by the system laser source / focusing optics, so that relatively small actuating movements of the movable laser source are required for distributing the laser radiation onto the different optical output stages. For example, in the case of a rotatably arranged laser source, the adjustment of the laser source by relatively small angles of rotation can be sufficient to redirect the irradiation of the laser radiation from a first optical output stage to a further optical output stage.

Alternativ zu einer drehbar angeordneten Laserquelle kann auch eine Laserquelle vorgesehen sein, welche eine Translation ausführen kann, um hierdurch die Laserstrahlung auf verschiedene von mehreren vorhandenen optischen Ausgangsstufen abzustrahlen. Auch bei dieser Ausführungsform kann wiederum vorteilhaft eine Optik, insbesondere eine Fokussieroptik, zusammen mit der Laserquelle bewegbar angeordnet sein. Eine Kombination von Rotation und Translation für die Laserquelle bzw. das System Laserquelle/Fokussieroptik ist ebenfalls denkbar. As an alternative to a rotatably arranged laser source, a laser source can also be provided, which can perform a translation in order thereby to radiate the laser radiation to different ones of a plurality of available optical output stages. In this embodiment as well, an optic, in particular a focusing optic, can again be arranged movably together with the laser source. A combination of rotation and translation for the laser source and the system laser source / focusing optics is also conceivable.

Besonders vorteilhaft dient ein die bewegbare Laserquelle aufnehmendes Trägerelement gleichzeitig als Wärmesenke, sodass eine effiziente Entwärmung auch bei solchen Erfindungsvarianten möglich ist, bei denen die Laserquelle bewegbar angeordnet ist.A carrier element accommodating the movable laser source is particularly advantageously used simultaneously as a heat sink, so that efficient heat dissipation is also possible in those variants of the invention in which the laser source is movably arranged.

Als Antriebsmittel für eine drehbar oder längsverschiebbar oder in sonstiger Weise bewegbar angeordnete Laserquelle kommen insbesondere ein Schrittmotor oder ein Linearantrieb, beispielsweise aufweisend piezo-elektrische Elemente oder Hubmagnete oder dergleichen, in Betracht.As a drive means for a rotatably or longitudinally displaceably or otherwise movably arranged laser source are in particular a stepper motor or a linear drive, for example having piezoelectric elements or solenoids or the like, into consideration.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verteilersystem eine Mehrzahl von, insbesondere in einem Strahlengang der Laserquelle, linear zueinander angeordnete Spiegel aufweist, wobei mindestens ein erster Spiegel bewegbar, insbesondere um jeweils mindestens eine Achse drehbar, ausgebildet ist, vorzugsweise derart, dass der mindestens eine Spiegel aus einer Verbindungslinie zwischen der Laserquelle und mindestens einem weiteren Spiegel herausbewegbar ist. Eine derartige Hintereinanderanordnung von mehreren Spiegeln in dem Strahlengang der Laserquelle ist ganz besonders vorteilhaft mit als Vertikalemitter ausgebildeten Halbleiterlasern (VCSEL) realisierbar, weil VCSEL bzw. VCSEL-Arrays Laserstrahlung mit einer verhältnismäßig geringen Divergenz abstrahlen. Dadurch kann der gesamte, die mehreren Spiegel umfassende, Strahlengang geometrisch verhältnismäßig lang ausgebildet werden.In a further advantageous embodiment, it is provided that the distribution system has a plurality of, in particular in a beam path of the laser source, linearly arranged mirror, wherein at least one first mirror is movable, in particular rotatable about at least one axis, preferably such that the at least one mirror can be moved out of a connecting line between the laser source and at least one further mirror. Such a series arrangement of a plurality of mirrors in the beam path of the laser source can be realized particularly advantageously with semiconductor lasers (VCSEL) designed as vertical emitters, because VCSEL or VCSEL arrays emit laser radiation with a relatively low divergence. As a result, the entire beam path, which comprises a plurality of mirrors, can be made geometrically relatively long.

Ein Abstand zwischen der Laserquelle und dem ersten Spiegel und/oder zwischen zwei benachbarten Spiegeln kann beispielsweise mindestens etwa zwei Zentimeter, vorzugsweise mindestens etwa fünf Zentimeter, oder mehr betragen.For example, a distance between the laser source and the first mirror and / or between two adjacent mirrors may be at least about two centimeters, preferably at least about five centimeters, or more.

Es ist ferner denkbar, den optischen Verteiler mit dem Verteilersystem so im Bereich eines Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine anzuordnen, dass die mehreren bewegbaren Spiegel in dem Strahlengang der Laserquelle jeweils räumlich einem entsprechenden Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet sind. In diesem Fall wird also der Abstand zwischen benachbarten Spiegeln durch den Abstand der Zylinder der Brennkraftmaschine im Zylinderkopf zueinander bestimmt.It is also conceivable to arrange the optical distributor with the distributor system in the region of a cylinder head of the internal combustion engine such that the plurality of movable mirrors in the beam path of the laser source are spatially associated with a respective cylinder of the internal combustion engine. In this case, therefore, the distance between adjacent mirrors is determined by the distance between the cylinders of the internal combustion engine in the cylinder head to each other.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass Antriebsmittel zum Antrieb mindestens eines Spiegels vorgesehen sind, die a) mindestens einen Schrittmotor oder einen Linearantrieb (beispielsweise piezoelekrisches Element, Hubmagnet) oder dergleichen aufweisen und/oder b) den Antrieb mindestens eines Spiegels durch eine externe Komponente ermöglichen. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße optische Verteiler so an einer Brennkraftmaschine mit einem laserbasierten Zündsystem angeordnet sein, dass eine Verstellmechanik für die einzelnen Spiegel des Verteilersystems beispielsweise mittels einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine oder eines sonstigen Ventiltriebs betätigbar ist.In a further advantageous embodiment, it is provided that drive means for driving at least one mirror are provided which a) comprise at least one stepping motor or a linear drive (eg piezoelectric element, solenoid) or the like and / or b) the drive of at least one mirror by an external Enable component. For example, the optical distributor according to the invention can be arranged on an internal combustion engine with a laser-based ignition system such that an adjustment mechanism for the individual mirrors of the distributor system can be actuated, for example, by means of a camshaft of the internal combustion engine or of another valve drive.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens eine optische Ausgangsstufe eine optische Schnittstelle zur optischen Verbindung des optischen Verteilers mit einem weiteren System, insbesondere einer Laserzündkerze, aufweist. Die optische Schnittstelle kann beispielsweise mittels herkömmlicher optischer Steckverbinder oder auch durch die Herstellung einer unlösbaren optomechanischen Verbindung hergestellt werden. In a further advantageous embodiment, it is provided that at least one optical output stage has an optical interface for the optical connection of the optical distributor to a further system, in particular a laser spark plug. The optical interface can be made for example by means of conventional optical connectors or by the production of a permanent optical-mechanical connection.

Ferner kann vorgesehen sein, dass mindestens eine optische Ausgangsstufe eine Optik zur Beeinflussung von mittels des Verteilersystems verteilter Laserstrahlung, insbesondere zur Fokussierung, aufweist. Durch die Vorsehung von den verschiedenen optischen Ausgangsstufen jeweils individuell zugeordneten Optiken ist es einer weiteren Ausführungsform zufolge vorteilhaft möglich, für unterschiedliche optische Ausgangsstufen unterschiedliche Maßnahmen bezüglich der Strahlformung der von dem Verteilersystem verteilten Laserstrahlung zu treffen. Beispielsweise können eine erste Vielzahl von optischen Ausgangsstufen mit einer Optik einer ersten Brennweite versehen werden, während eine zweite Vielzahl von optischen Ausgangsstufen jeweils mit einer Optik versehen ist, die eine zweite, von der ersten Brennweite verschiedene, Brennweite aufweist.Furthermore, it can be provided that at least one optical output stage has an optical system for influencing laser radiation distributed by means of the distributor system, in particular for focusing. Due to the provision of individually optics assigned to each of the different optical output stages, according to another embodiment it is advantageously possible to carry out different measures with regard to the beam shaping of the laser radiation distributed by the distributor system for different optical output stages hold true. For example, a first plurality of optical output stages may be provided with optics of a first focal length while a second plurality of optical output stages are each provided with optics having a second focal length other than the first focal length.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Verteilers gemäß Patentanspruch 15 angegeben.As a further solution to the object of the present invention, a method for operating an optical distributor according to claim 15 is given.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den 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 bzw. Darstellung der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures of the drawing. All described or illustrated features, alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency and regardless of their formulation or representation of the description or in the drawing.

In der Zeichnung zeigt:In the drawing shows:

1 eine schematische Darstellung eines laserbasierten Zündsystems einer Brennkraftmaschine, 1 a schematic representation of a laser-based ignition system of an internal combustion engine,

2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Verteilers zur Verwendung in dem Zündsystem gemäß 1, 2 A first embodiment of an optical distributor according to the invention for use in the ignition system according to 1 .

3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Verteilers zur Verwendung in dem Zündsystem gemäß 1, und 3 A second embodiment of an optical distributor according to the invention for use in the ignition system according to 1 , and

4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Verteilers zur Verwendung in dem Zündsystem gemäß 1. 4 a further embodiment of an optical distributor according to the invention for use in the ignition system according to 1 ,

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 10, die zum Antrieb eines nicht in 1 abgebildeten Kraftfahrzeugs dient. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst hierzu mehrere Zylinder, von denen in 1 nur einer dargestellt und mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail beziehungsweise Common-Rail bezeichneten Kraftstoffdruckspeicher 20 angeschlossen ist. 1 schematically shows an internal combustion engine 10 that is not in to drive a 1 serves pictured motor vehicle. The internal combustion engine 10 this includes several cylinders, of which in 1 only one shown and with the reference numeral 12 is designated. A combustion chamber 14 of the cylinder 12 is from a piston 16 limited. Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18 , to a designated as a rail or common rail fuel pressure accumulator 20 connected.

Alternativ kann es sich bei der Brennkraftmaschine 10 auch um einen Stationärmotor, z.B. einen Großgasmotor, handeln.Alternatively, it may be in the internal combustion engine 10 also to a stationary engine, such as a large gas engine act.

Die in 1 abgebildete Brennkraftmaschine 10 weist ein laserbasiertes Zündsystem 27 auf, bei dem eine in den Brennraum 14 eingespritzte Kraftstoffmenge 22 mittels eines Laserstrahls beziehungsweise eines Laserimpulses 24 entzündet wird. Der Laserimpuls 24 wird mittels einer dem Zylinder 12 zugeordneten Lasereinrichtung 26, beispielsweise einer Laserzündkerze, in den Brennraum 14 abgestrahlt. Die Lasereinrichtung 26 ist Bestandteil des laserbasierten Zündsystems 27, das neben weiteren dezentralen, d.h. verschiedenen Zylindern zugeordneten Lasereinrichtungen (nicht gezeigt), auch einen optischen Verteiler 100 mit einer Laserlichtquelle (nicht gezeigt) aufweist, der Laserlicht erzeugt und an die dezentralen Lasereinrichtungen 26 verteilt.In the 1 illustrated internal combustion engine 10 has a laser-based ignition system 27 on, one in the combustion chamber 14 injected fuel quantity 22 by means of a laser beam or a laser pulse 24 is ignited. The laser pulse 24 is by means of a cylinder 12 associated laser device 26 , For example, a laser spark plug, into the combustion chamber 14 radiated. The laser device 26 is part of the laser-based ignition system 27 , which in addition to other decentralized, ie different cylinders associated laser devices (not shown), also an optical distributor 100 with a laser light source (not shown) that generates laser light and to the decentralized laser devices 26 distributed.

Eine Steuerung des laserbasierten Zündsystems 27 bzw. des optischen Verteilers 100 kann beispielsweise über ein der Brennkraftmaschine 10 zugeordnetes Steuergerät 40 erfolgen, das in bekannter Weise durch eine Ansteuerung des Injektors 18 auch die Zumessung von Kraftstoff 22 in den Brennraum 14 des Zylinders 12 bewirkt.A control of the laser-based ignition system 27 or the optical distributor 100 For example, via one of the internal combustion engine 10 associated control unit 40 carried out, in a known manner by driving the injector 18 also the metering of fuel 22 in the combustion chamber 14 of the cylinder 12 causes.

Die Lasereinrichtung bzw. Laserzündkerze 26 wird über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit dem von dem optischen Verteiler 100 verteilten Laserlicht gespeist, welches beispielsweise zum optischen Pumpen eines lokal in der Laserzündkerze 26 vorgesehenen, nicht näher dargestellten Resonators dient, der seinerseits – durch das Pumplaserlicht angeregt – den zur Zündung erforderlichen Laserimpuls 24 erzeugt.The laser device or laser spark plug 26 is via a light guide device 28 with that of the optical distributor 100 distributed laser light fed, which, for example, for optical pumping a locally in the laser spark plug 26 provided resonator, not shown, which in turn - excited by the pump laser light - the required for ignition laser pulse 24 generated.

Alternativ kann ein zur Zündung der Kraftstoffmenge 22 vorgesehener Laserimpuls 24 direkt durch die Laserquelle des optischen Verteilers 100 erzeugt und hierüber sowie über die Lichtleitereinrichtung 28 an die Laserzündkerze 26 weitergeleitet werden.Alternatively, one for igniting the amount of fuel 22 provided laser pulse 24 directly through the laser source of the optical distributor 100 generated and hereby and via the light guide device 28 to the laser spark plug 26 to get redirected.

In beiden Fällen ergibt sich durch die Anwendung des erfindungsgemäßen, in 2 schematisch in einer Seitenansicht dargestellten, optischen Verteilers 100 ein bedeutender Vorteil, weil insgesamt nur noch eine zentrale Laserquelle vorzusehen ist und nicht etwa jeder Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 bzw. eine zugehörige Laserzündkerze 26 z.B. mit einem eigenen Halbleiterlaser ausgestattet sein muss.In both cases, results from the application of the invention, in 2 schematically shown in a side view, optical distributor 100 a significant advantage because overall only one central laser source is to be provided and not every cylinder 12 the internal combustion engine 10 or an associated laser spark plug 26 For example, it must be equipped with its own semiconductor laser.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen optischen Verteilers 100 ist es ferner besonders vorteilhaft möglich, den Verteiler 100 bzw. die ihm zugeordnete Laserquelle 110 (2) von einem Motorblock der Brennkraftmaschine 10 entfernt anzuordnen, so dass sie nicht direkt den hohen Temperaturschwankungen und Vibrationen in einer unmittelbaren Umgebung der Brennkraftmaschine 10 ausgesetzt ist.Through the use of the optical distributor according to the invention 100 it is also particularly advantageous possible, the distributor 100 or its associated laser source 110 ( 2 ) of an engine block of the internal combustion engine 10 To arrange away, so that they are not directly the high temperature fluctuations and vibration in an immediate environment of the internal combustion engine 10 is exposed.

2 zeigt eine erste Ausführungsform des optischen Verteilers 100. Der optische Verteiler 100 weist eine Laserquelle 110 zur Bereitstellung von Laserstrahlung L auf, die wie aus 2 ersichtlich auf einem gleichzeitig als Wärmesenke fungierenden Trägerelement 112 angeordnet ist. 2 shows a first embodiment of the optical distributor 100 , The optical distributor 100 has a laser source 110 for providing laser radiation L on which is like off 2 visible on a simultaneously acting as a heat sink carrier element 112 is arranged.

In dem Strahlengang der Laserquelle 110 ist ein Verteilersystem 130 angeordnet, das zur Verteilung der von der Laserquelle 110 bereitgestellten Laserstrahlung L auf mindestens zwei optische Ausgangsstufen ausgebildet ist, von denen in 2 der Übersichtlichkeit halber nur eine erste optische Ausgangsstufe 120_1 dargestellt ist.In the beam path of the laser source 110 is a distribution system 130 arranged for the distribution of the laser source 110 provided laser radiation L is formed on at least two optical output stages, of which in 2 for the sake of clarity, only a first optical output stage 120_1 is shown.

Vorliegend weist das Verteilersystem 130 einen um eine Drehachse A bewegbar angeordneten Spiegel 132 auf, dessen Drehbewegung durch Antriebsmittel 134 gesteuert wird. Bei den Antriebsmitteln 134 kann es sich beispielsweise um einen Schrittmotor handeln, der, ebenso wie weitere Komponenten des optischen Verteilers 100, durch das Steuergerät 40 (1) der Brennkraftmaschine steuerbar ist. In the present case, the distribution system 130 a mirror arranged to be movable about a rotation axis A. 132 on, whose rotational movement by means of drive 134 is controlled. For the drive means 134 For example, it may be a stepper motor, as well as other components of the optical distributor 100 , through the control unit 40 ( 1 ) of the internal combustion engine is controllable.

Bei geeigneter Ausrichtung des Drehspiegels 132 bezüglich der ersten optischen Ausgangsstufe 120_1 wird die von der Laserquelle 110 bereitgestellte Laserstrahlung L in der in 2 abgebildeten Weise auf die erste optische Ausgangsstufe 120_1 verteilt. Speziell wird die an dem Drehspiegel 132 reflektierte Laserstrahlung L‘ auf eine Optik 120b zur Beeinflussung der verteilten Laserstrahlung L', insbesondere zur Fokussierung, eingestrahlt. Nach entsprechender Strahlformung durch die Optik 120b wird die fokussierte verteilte Laserstrahlung in eine Lichtleitfaser 120c gestrahlt, welche beispielsweise Bestandteil einer optischen Schnittstelle 120a der optischen Ausgangsstufe 120_1 bilden kann.With suitable orientation of the rotating mirror 132 with respect to the first optical output stage 120_1 becomes that of the laser source 110 provided laser radiation L in the in 2 mapped manner to the first optical output stage 120_1 distributed. Specifically, the on the rotating mirror 132 reflected laser radiation L 'on an optic 120b for influencing the distributed laser radiation L ', in particular for focusing, irradiated. After appropriate beam shaping by the optics 120b The focused distributed laser radiation is transformed into an optical fiber 120c blasted, which, for example, part of an optical interface 120a the optical output stage 120_1 can form.

Über die Faser 120c, die beispielsweise mit der Lichtleitereinrichtung 28 gemäß 1 verbunden ist, kann einer Laserzündkerze 26 der Brennkraftmaschine 10 die mittels des optischen Verteilers 100 (2) verteilte Laserstrahlung L‘ zugeführt werden. About the fiber 120c , for example, with the light guide device 28 according to 1 can be connected to a laser spark plug 26 the internal combustion engine 10 the means of the optical distributor 100 ( 2 ) Distributed laser radiation L 'are supplied.

Erfindungsgemäß weist die Laserquelle 110 mindestens einen vertikal emittierenden Halbleiterlaser (vertical cavity surface emitting laser, VCSEL) auf. Besonders bevorzugt wird die Laserquelle 110 jedoch durch ein sogenanntes VCSEL-Array gebildet, das bedeutet durch eine Vielzahl von VCSEL-Halbleiterlasern. Besonders bevorzugt ist die Vielzahl von VCSEL-Halbleiterlasern im wesentlichen flächig, vorzugsweise innerhalb einer gemeinsamen virtuellen Ebene, angeordnet. Die gemeinsame virtuelle Ebene ist bei der Ausführungsform gemäß 2 durch eine Oberfläche des Trägerelements 112 bzw. der Wärmesenke definiert.According to the invention, the laser source 110 at least one vertically emitting surface emitting laser (VCSEL). Particularly preferred is the laser source 110 however, formed by a so-called VCSEL array, that is, by a plurality of VCSEL semiconductor lasers. Particularly preferably, the multiplicity of VCSEL semiconductor lasers are arranged essentially flat, preferably within a common virtual plane. The common virtual plane is according to the embodiment 2 through a surface of the carrier element 112 or the heat sink defined.

Die Verwendung eines VCSEL-Arrays für die Laserquelle 110 bietet den Vorteil, dass die abgestrahlte Laserstrahlung L nahezu vollständig kollimiert ist, sodass verhältnismäßig lange Strahlengänge für die Laserstrahlung L in dem optischen Verteiler 100 realisierbar sind, ohne dass sich die Strahlqualität der Laserstrahlung L bzw. der verteilten Laserstrahlung L' wesentlich verschlechtert.The use of a VCSEL array for the laser source 110 offers the advantage that the radiated laser radiation L is almost completely collimated, so that relatively long beam paths for the laser radiation L in the optical distributor 100 can be realized without significantly deteriorating the beam quality of the laser radiation L or the distributed laser radiation L '.

Darüberhinaus sind bei VCSEL Halbleiterlasern deutlich höhere duty cycles als bei beispielsweise kantenemittierenden Halbleiterlasern möglich, wobei insbesondere auch ein Dauerbetrieb der Laserquelle 110 realisierbar ist. Dadurch können vorteilhaft viele, vorzugsweise alle, Zylinder der Brennkraftmaschine 10 von einer einzigen Laserquelle 110 des optischen Verteilers 100 mit Pumplicht versorgt werden.Moreover, with VCSEL semiconductor lasers, significantly higher duty cycles are possible than with, for example, edge-emitting semiconductor lasers, and in particular a continuous operation of the laser source 110 is feasible. This can advantageously many, preferably all, cylinder of the internal combustion engine 10 from a single laser source 110 of the optical distributor 100 be supplied with pumping light.

Ein weiterer besonderer Vorteil von VCSEL-Arrays als Laserquelle 110 ist dadurch gebildet, dass ein zur Versorgung benötigter elektrischer Strom verhältnismäßig gering ist, wodurch entsprechende Ansteuerstufen für die Laserquelle 110 weniger aufwändig ausgebildet werden können und elektrische Verluste verringert werden können. Another particular advantage of VCSEL arrays as a laser source 110 is formed by the fact that an electric current required for the supply is relatively low, whereby corresponding drive stages for the laser source 110 less expensive to design and electrical losses can be reduced.

Der optische Verteiler 100 gemäß 2 ist somit insbesondere auch zur Versorgung von Brennkraftmaschinen 10 mit einer großen Anzahl von Zylindern bzw. Laserzündkerzen 26 verwendbar, wobei beispielsweise Repetitionsraten von etwa 10 Hz bis etwa 50 Hz je Zylinder realisiert werden können.The optical distributor 100 according to 2 is thus in particular also for the supply of internal combustion engines 10 with a large number of cylinders or laser spark plugs 26 usable, for example, repetition rates of about 10 Hz to about 50 Hz per cylinder can be realized.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform 100' des erfindungsgemäßen optischen Verteilers. 3 shows a further embodiment 100 ' the optical distributor according to the invention.

Im Unterschied zu der vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Ausführungsform weist der optische Verteiler 100' gemäß 3 eine bewegbar angeordnete Laserquelle 110 auf. Das Verteilersystem 130 verfügt beispielsweise über eine bewegbare Trägereinheit, die insbesondere vorteilhaft wiederum gleichzeitig die Funktion der Wärmesenke 112 (2) erfüllt, auf der das VCSEL-Array 110 angeordnet ist. Eine elektrische Versorgung der Laserquelle 110 kann beispielsweise mittels Schleifkontakten (nicht gezeigt) im Bereich des Verteilersystems 130 erfolgen.In contrast to the above with reference to 2 described embodiment, the optical distributor 100 ' according to 3 a movably arranged laser source 110 on. The distribution system 130 For example, it has a movable carrier unit which, in turn, advantageously at the same time serves as the heat sink 112 ( 2 ) satisfies the VCSEL array 110 is arranged. An electrical supply to the laser source 110 For example, by means of sliding contacts (not shown) in the region of the distribution system 130 respectively.

Beispielhaft sind dem Verteilersystem 130 der 3 insgesamt vier optische Ausgangsstufen 120_1, 120_2, 120_3, 120_4 zugeordnet, die jeweils über nicht näher bezeichnete Optiken und Lichtleitfasern zur Auskopplung der verteilten Laserstrahlung, beispielsweise an die Zündkerze 26 (1), dienen. Exemplary are the distribution system 130 of the 3 a total of four optical output stages 120_1 . 120_2 . 120_3 . 120_4 assigned, in each case via unspecified optics and optical fibers for coupling the distributed laser radiation, for example to the spark plug 26 ( 1 ), serve.

Unter Antrieb des Verteilersystems 130, beispielsweise mittels eines Schrittmotors (nicht gezeigt) kann die Laserquelle 110 um eine in 3 senkrecht zur Zeichenebene angeordnete Drehachse A gedreht werden, sodass die von der Laserquelle 110 bereitgestellte Laserstrahlung L wahlweise, je nach Drehwinkel der Laserquelle 110, auf eine der mehreren optischen Ausgangsstufen 120_1, 120_2, 120_3, 120_4 einstrahlbar ist.Under drive of the distribution system 130 , For example by means of a stepping motor (not shown), the laser source 110 around one in 3 arranged perpendicular to the plane of the drawing Rotary axis A can be rotated, so that of the laser source 110 provided laser radiation L optionally, depending on the rotation angle of the laser source 110 , on one of the several optical output stages 120_1 . 120_2 . 120_3 . 120_4 is einstrahlbar.

Es ist auch denkbar, die Laserquelle 110 und die Ausgangsstufen so anzuordnen, dass z.B. jeweils zwei Ausgangsstufen zugleich mit verteilter Laserstrahlung versorgt werden.It is also possible to use the laser source 110 and to arrange the output stages so that, for example, two output stages each are supplied with distributed laser radiation at the same time.

Ferner ist es denkbar, mindestens einer Ausgangsstufe Mittel zur Diagnose (z.B. Fotodiode) bzw. zur Rückkopplung der Laserstrahlung an eine entfernt angeordnete Diagnoseeinheit zuzuordnen. Die Vorsehung einer dedizierten optischen Ausgangsstufe für Diagnosezwecke, insbesondere zur Ermittlung, ob die Laserstrahlung L die geforderte Intensität und/oder Wellenlänge und/oder einen Zeitverlauf der Intensität usw. aufweist, ist ebenfalls möglich.Furthermore, it is conceivable to associate with at least one output stage means for the diagnosis (for example photodiode) or for the feedback of the laser radiation to a remotely located diagnostic unit. The provision of a dedicated optical output stage for diagnostic purposes, in particular for determining whether the laser radiation L the required intensity and / or wavelength and / or a time course of the intensity, etc., is also possible.

Besonders bevorzugt kann die Laserquelle 110 während einer Stellbewegung, welche eine Rotation von beispielsweise 90° umfasst, zumindest in solchen Zeitbereichen deaktiviert werden, in denen die von der drehbar angeordneten Laserquelle 110 erzeugte Laserstrahung nicht in optimaler Weiser auf eine entsprechende Optik der optischen Ausgangsstufen trifft. Das bedeutet, eine elektrische Ansteuerung der Laserquelle 110 kann vorteilhaft mit einer Stellbewegung der Antriebsmittel für das Verteilersystem 130 synchronisiert werden.Particularly preferably, the laser source 110 during an actuating movement, which includes a rotation of, for example, 90 °, are deactivated at least in those time ranges in which the of the rotatably arranged laser source 110 generated laser beam does not meet in an optimal manner to a corresponding optics of the optical output stages. This means an electrical control of the laser source 110 can be advantageous with an actuating movement of the drive means for the distribution system 130 be synchronized.

Alternativ zu der in 3 abgebildeten Konfiguration kann der drehbar angeordneten Laserquelle 110 auch eine mit dieser zusammen drehbar angeordnete Optik, insbesondere Fokussieroptik, zugeordnet sein, sodass bei den optischen Ausgangsstufen beispielsweise auf die entsprechenden Optiken verzichtet werden kann, bzw. die entsprechenden Optiken weniger aufwendig ausgebildet sein können. Aufgrund der Fokussierung der von der Laserquelle 110 erzeugten Laserstrahlung L mittels einer mitbewegten Fokussieroptik (nicht gezeigt) ergibt sich ausgangsseitig dieser Fokussieroptik bereits vorteilhaft ein verhältnismäßig geringer Strahlenquerschnitt, sodass verhältnismäßig geringe Stellbewegungen der Laserquelle 110 ausreichen, um die Verteilung der erzeugten Laserstrahlung L zwischen den einzelnen optischen Ausgängen hin und her zu schalten.Alternatively to the in 3 pictured configuration, the rotatably arranged laser source 110 Also be associated with this rotatably arranged optics, in particular focusing optics, be assigned so that can be dispensed with the optical output stages, for example, the corresponding optics, or the corresponding optics can be designed less expensive. Due to the focusing of the laser source 110 produced laser radiation L by means of a co-moving focusing optics (not shown) results on the output side of this focusing optics already advantageously a relatively small beam cross-section, so relatively small actuating movements of the laser source 110 sufficient to switch the distribution of the generated laser radiation L between the individual optical outputs back and forth.

Alternativ zu den vorstehend unter Bezugnahme auf 2, 3 beschriebenen Erfindungsvarianten ist es auch denkbar, die Laserquelle 110 einer translatorischen oder gemischt rotatorisch/translatorischen Bewegung zu unterwerfen, um eine Verstellung auf verschiedene optische Ausgangsstufen zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Laserquelle 110 entlang einer Längsachse hin- und her bewegt werden, vorzugsweise mittels eines piezo-elektrischen Aktors oder eines Hubmagnets oder dergleichen, um jeweils unterschiedliche optische Ausgangsstufen mit der Laserstrahlung zu versorgen.Alternatively to the above with reference to 2 . 3 described variants of the invention, it is also conceivable, the laser source 110 subject to translatory or mixed rotational / translational movement to allow adjustment to various optical output stages. For example, the laser source 110 along a longitudinal axis to be moved back and forth, preferably by means of a piezo-electric actuator or a solenoid or the like to supply each different optical output stages with the laser radiation.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform 100‘‘ des erfindungsgemäßen optischen Verteilers. 4 shows a further embodiment 100 '' the optical distributor according to the invention.

Bei der in 4 abgebildeten Ausführungsform 100‘‘ ist die Laserquelle 110 mit ihrem VCSEL-Array stationär ausgebildet, das heißt ortsfest. Entlang einer optischen Achse OA bzw. des Strahlengangs der Laserstrahlung 110 ist ein im wesentlichen linear aufgebautes Verteilersystem 130 angeordnet, welches eine Mehrzahl von linear zueinander angeordneten Spiegeln 136_1, 136_2, 136_3, 136_4 aufweist. Mindestens die ersten drei Spiegel 136_1, 136_2, 136_3 sind erfindungsgemäß bewegbar angeordnet derart, dass sie unter Ansteuerung mittels geeigneter Antriebsmittel 134‘ aus dem Strahlengang OA der Laserquelle 110 herausbewegbar und wieder hineinbewegbar sind.At the in 4 illustrated embodiment 100 '' is the laser source 110 formed stationary with their VCSEL array, that is stationary. Along an optical axis OA or the beam path of the laser radiation 110 is a substantially linear distribution system 130 arranged, which has a plurality of mutually linearly arranged mirrors 136_1 . 136_2 . 136_3 . 136_4 having. At least the first three mirrors 136_1 . 136_2 . 136_3 are movably arranged according to the invention such that they are under control by means of suitable drive means 134 ' from the beam path OA of the laser source 110 be moved out and moved back into it.

Auf diese Weise kann durch entsprechende Ansteuerung der einzelnen Spiegel bestimmt werden, welche optische Ausgangsstufe von dem Verteilersystem 130 mit Laserstrahlung L versorgt wird.In this way it can be determined by appropriate control of the individual mirrors, which optical output stage of the distribution system 130 is supplied with laser radiation L.

Der letzte Spiegel 136_4 der linearen Anordnung des Verteilersystems 130 muss nicht notwendig bewegbar ausgebildet werden.The last mirror 136_4 the linear arrangement of the distribution system 130 does not have to be designed to be movable.

Anstelle einer rotatorischen Verstellung der einzelnen Spiegel des Verteilersystems 130 gemäß 4 ist auch eine Translation oder eine sonstige Bewegung denkbar, mit der die betreffenden Spiegel in den Strahlengang OA der Laserquelle 110 hinein- bzw. wieder herausbewegt werden. Instead of a rotational adjustment of the individual mirrors of the distribution system 130 according to 4 is also a translation or other movement conceivable, with the relevant mirror in the beam path OA of the laser source 110 be moved in and out again.

Einer weiteren Ausführungsform zufolge können auch rotierend angeordnete Spiegel mit linear bewegbar angeordneten Spiegeln kombiniert werden. According to another embodiment, rotating mirrors can also be combined with mirrors arranged in a linear manner.

Es ist ferner denkbar, bei einer weiteren Ausführungsform auch die Laserquelle 110 bewegbar, insbesondere drehbewegbar, auszubilden, sodass mehrere Bänke von Spiegeln 136_1, ..., 136_4 wahlweise mit Laserstrahlung durch die Laserquelle 110 beaufschlagbar sind. It is also conceivable, in a further embodiment, the laser source 110 movable, in particular rotatable, form, so that several benches of mirrors 136_1 , ..., 136_4 optionally with laser radiation through the laser source 110 can be acted upon.

Aufgrund der durch die verwendeten VCSEL-Arrays 110 verhältnismäßig hohen Strahlqualität, insbesondere geringen Divergenz, der erzeugten Laserstrahlung L können vorteilhaft verhältnismäßig große geometrische Abstände für den Strahlengang des Verteilersystems 130 realisiert werden. Besonders bevorzugt beträgt ein Abstand d1 zwischen der Laserquelle 110 und dem ersten Spiegel 136_1 des Verteilersystems 130 mindestens etwa zwei Zentimeter, vorzugsweise mindestens etwa fünf Zentimeter. Dasselbe gilt bevorzugt für einen Abstand d2 zwischen benachbarten Spiegeln 136_1, 136_2.Due to the VCSEL arrays used 110 relatively high beam quality, in particular low divergence, of the generated laser radiation L can advantageously relatively large geometric distances for the beam path of the distribution system 130 will be realized. Particularly preferred is a distance d1 between the laser source 110 and the first mirror 136_1 of the distribution system 130 at least about two inches, preferably at least about five inches. The same is preferably true for a distance d2 between adjacent mirrors 136_1 . 136_2 ,

Auf diese Weise kann das Verteilersystem 130 gemäß 4 vorteilhaft so an die Brennkraftmaschine 10 (1) angepasst werden, dass sich der gesamte Strahlengang des Verteilersystems 130 beispielsweise entlang einer Zylinderbank (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine 10 erstreckt. Das bedeutet, die einzelnen Spiegel 136_1, 136_2, ... des Verteilersystems 130 sind mit solchen Abständen untereinander angeordnet, dass sie jeweils direkt einem ihnen zugeordneten Zylinder 12 (1) der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind. Auf diese Weise kann der optische Verteiler 100‘‘ besonders günstig in die Brennkraftmaschine 10 integriert werden. In this way, the distribution system 130 according to 4 advantageous to the internal combustion engine 10 ( 1 ), that the entire beam path of the distribution system 130 For example, along a cylinder bank (not shown) of the internal combustion engine 10 extends. That means the individual mirrors 136_1 . 136_2 , ... of the distribution system 130 are arranged with such distances from each other, that they each directly to a cylinder assigned to them 12 ( 1 ) of the internal combustion engine 10 assigned. In this way, the optical distributor 100 '' particularly favorable in the internal combustion engine 10 to get integrated.

Zum Schutz des Strahlengangs OA vor Schmutzpartikeln kann ein nicht in 4 abgebildetes Gehäuse vorgesehen sein, das entweder eine definierte Gasfüllung beispielsweise mit einem Schutzgas enthält oder auch ein Vakuum.To protect the beam path OA from dirt particles can not in 4 imaged housing may be provided, which either contains a defined gas filling, for example with a protective gas or a vacuum.

Anstelle einzelner Antriebsmittel 134 für die Spiegel des Verteilersystems 130 kann auch ein Betätigungsmechanismus für das Verteilersystem 130 vorgesehen sein, der es erlaubt, die Bewegungen einer Nockenwelle oder eines sonstigen Ventiltriebs der Brennkraftmaschine 10 (1) auf die einzelnen Spiegel 136_1, 136_2, ... zu übertragen. Auf diese Weise können die einzelnen Spiegel des Verteilersystems 130 besonders vorteilhaft unter Einsparung separater Antriebsmittel 134‘ mit einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 synchronisiert werden. Instead of individual drive means 134 for the mirrors of the distribution system 130 can also be an operating mechanism for the distribution system 130 be provided, which allows the movements of a camshaft or other valve train of the internal combustion engine 10 ( 1 ) on the individual mirrors 136_1 . 136_2 , ... transferred to. In this way, the individual mirrors of the distribution system 130 particularly advantageous while saving separate drive means 134 ' with an operating state of the internal combustion engine 10 be synchronized.

Alternativ oder ergänzend zu der Vorsehung mindestens eines vertikal emittierenden Halbleiterlasers (VCSEL) kann vorteilhaft auch mindestens ein Halbleiterlaser vom VECSEL-Typ (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) eingesetzt werden, wobei eine weiter gesteigerte Strahlqualität und damit geringere Divergenz realisierbar ist. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können demnach entweder mit Halbleiterlasern vom Typ VCSEL oder vom Typ VECSEL oder aber mit einer Laserquelle realisiert werden, welche sowohl VCSEL-Halbleiterlaser als auch VECSEL-Halbleiterlaser aufweist.As an alternative or in addition to the provision of at least one vertically emitting semiconductor laser (VCSEL), at least one semiconductor laser of the VECSEL type (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) can advantageously also be used, wherein a further increased beam quality and thus lower divergence can be realized. Accordingly, the above-described embodiments can be realized with either VCSEL type or VECSEL type semiconductor lasers or with a laser source having both VCSEL semiconductor laser and VECSEL semiconductor laser.

Eine weitere Verringerung der Divergenz der von der Laserquelle erzeugten Strahlung ist durch die Vorsehung von Mikrolinsen bzw. Mikrolinsenarrays realisierbar, die optional auch in die Halbleiterlaser integriert werden können.A further reduction in the divergence of the radiation generated by the laser source can be realized by the provision of microlenses or microlens arrays, which can optionally also be integrated into the semiconductor laser.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7421166 B1 [0003] US 7421166 B1 [0003]

Claims (15)

Optischer Verteiler (100) zur Verteilung von Laserstrahlung (L), insbesondere für ein Laserzündsystem einer Brennkraftmaschine (10), wobei der optische Verteiler (100) eine Laserquelle (110) zur Bereitstellung von Laserstrahlung (L) aufweist, mindestens zwei optische Ausgangsstufen (120_1, 120_2) zur Auskopplung von Laserstrahlung (L‘), und ein Verteilersystem (130) zur wahlweisen Verteilung der durch die Laserquelle (110) bereitgestellten Laserstrahlung (L) auf mindestens eine der optischen Ausgangsstufen (120_1, 120_2), dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (110) mindestens einen vertikal emittierenden Halbleiterlaser (VCSEL) aufweist.Optical distributor ( 100 ) for the distribution of laser radiation (L), in particular for a laser ignition system of an internal combustion engine ( 10 ), wherein the optical distributor ( 100 ) a laser source ( 110 ) for providing laser radiation (L), at least two optical output stages ( 120_1 . 120_2 ) for decoupling laser radiation (L '), and a distribution system ( 130 ) for selectively distributing by the laser source ( 110 ) provided laser radiation (L) on at least one of the optical output stages ( 120_1 . 120_2 ), characterized in that the laser source ( 110 ) has at least one vertically emitting semiconductor laser (VCSEL). Optischer Verteiler (100) nach Anspruch 1, wobei die Laserquelle (110) eine Vielzahl von im wesentlichen flächig, vorzugsweise innerhalb einer gemeinsamen virtuellen Ebene, angeordneten vertikal emittierenden Halbleiterlasern (VCSEL) aufweist.Optical distributor ( 100 ) according to claim 1, wherein the laser source ( 110 ) has a plurality of substantially vertically, preferably within a common virtual plane, arranged vertically emitting semiconductor lasers (VCSEL). Optischer Verteiler (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verteilersystem (130) mindestens einen bewegbaren Spiegel (132) und/oder eine bewegbare Linse aufweist, der bzw. die dazu ausgebildet ist, von der Laserquelle (110) eingestrahlte Laserstrahlung (L) wahlweise auf mindestens eine der optischen Ausgangsstufen (120_1, 120_2) abzulenken.Optical distributor ( 100 ) according to any one of the preceding claims, wherein the distribution system ( 130 ) at least one movable mirror ( 132 ) and / or a movable lens which is adapted to be moved by the laser source ( 110 ) radiated laser radiation (L) optionally on at least one of the optical output stages ( 120_1 . 120_2 ) distract. Optischer Verteiler (100) nach Anspruch 3, wobei der bewegbare Spiegel (132) um mindestens eine Achse drehbar angeordnet ist.Optical distributor ( 100 ) according to claim 3, wherein the movable mirror ( 132 ) is arranged rotatably about at least one axis. Optischer Verteiler (100) nach Anspruch 4, wobei dem Spiegel (132) eine Optik, insbesondere eine Fokussieroptik (132a), zugeordnet ist, die zusammen mit dem Spiegel (132) bewegbar ist. Optical distributor ( 100 ) according to claim 4, wherein the mirror ( 132 ) an optics, in particular a focusing optics ( 132a ), associated with the mirror ( 132 ) is movable. Optischer Verteiler (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Laserquelle (110) um mindestens eine Achse drehbar ausgebildet ist, und wobei das Verteilersystem (130) Antriebsmittel (134) zum Antrieb der Laserquelle (110) aufweist.Optical distributor ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the laser source ( 110 ) is rotatable about at least one axis, and wherein the distribution system ( 130 ) Drive means ( 134 ) for driving the laser source ( 110 ) having. Optischer Verteiler (100) nach Anspruch 6, wobei der Laserquelle (110) eine Optik, insbesondere eine Fokussieroptik (134a), zugeordnet ist, die zusammen mit der Laserquelle (110) bewegbar ist.Optical distributor ( 100 ) according to claim 6, wherein the laser source ( 110 ) an optics, in particular a focusing optics ( 134a ), which together with the laser source ( 110 ) is movable. Optischer Verteiler (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei die Laserquelle (110) auf einer zusammen mit der Laserquelle (110) drehbaren Wärmesenke (112) angeordnet ist.Optical distributor ( 100 ) according to one of claims 6 to 7, wherein the laser source ( 110 ) on one together with the laser source ( 110 ) rotatable heat sink ( 112 ) is arranged. Optischer Verteiler (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Antriebsmittel (134) mindestens einen Schrittmotor oder einen Linearantrieb aufweisen.Optical distributor ( 100 ) according to one of claims 6 to 8, wherein the drive means ( 134 ) have at least one stepper motor or a linear drive. Optischer Verteiler (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verteilersystem (130) eine Mehrzahl von, insbesondere in einem Strahlengang (OA) der Laserquelle (110), linear zueinander angeordneten Spiegeln (136_1, ..., 136_4) aufweist, wobei mindestens ein erster Spiegel (136_1) bewegbar, insbesondere um jeweils mindestens eine Achse drehbar, ausgebildet ist, vorzugsweise derart, dass der mindestens eine Spiegel (136_1) aus einer Verbindungslinie zwischen der Laserquelle (110) und mindestens einem weiteren Spiegel (136_2) heraus bewegbar ist.Optical distributor ( 100 ) according to any one of the preceding claims, wherein the distribution system ( 130 ) a plurality of, in particular in a beam path (OA) of the laser source ( 110 ), mutually linearly arranged mirrors ( 136_1 , ..., 136_4 ), wherein at least one first mirror ( 136_1 ) is movable, in particular about at least one axis rotatable, is formed, preferably such that the at least one mirror ( 136_1 ) from a connecting line between the laser source ( 110 ) and at least one further mirror ( 136_2 ) is movable out. Optischer Verteiler (100) nach Anspruch 10, wobei Antriebsmittel (134‘) zum Antrieb mindestens eines Spiegels (136_1, ..., 136_4) vorgesehen sind, die a) mindestens einen Schrittmotor oder einen Linearantrieb oder dergleichen aufweisen und/oder b) den Antrieb mindestens eines Spiegels (136_1, ..., 136_4) durch eine externe Komponente ermöglichen, insbesondere durch eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, der der optische Verteiler (100) zugeordnet ist. Optical distributor ( 100 ) according to claim 10, wherein drive means ( 134 ' ) for driving at least one mirror ( 136_1 , ..., 136_4 ) are provided which have a) at least one stepper motor or a linear drive or the like and / or b) the drive of at least one mirror ( 136_1 , ..., 136_4 ) by an external component, in particular by a camshaft of an internal combustion engine, the optical distributor ( 100 ) assigned. Optischer Verteiler (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei ein Abstand (d1, d2) zwischen der Laserquelle (110) und dem ersten Spiegel (136_1) und/oder zwischen zwei benachbarten Spiegeln (136_1, 136_2) mindestens etwa zwei Zentimeter, vorzugsweise mindestens etwa fünf Zentimeter, beträgt.Optical distributor ( 100 ) according to one of claims 10 to 11, wherein a distance (d1, d2) between the laser source ( 110 ) and the first mirror ( 136_1 ) and / or between two adjacent mirrors ( 136_1 . 136_2 ) is at least about two centimeters, preferably at least about five centimeters. Optischer Verteiler (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine optische Ausgangsstufe (120_1) eine optische Schnittstelle (120a) zur optischen Verbindung des optischen Verteilers (100) mit einem weiteren System (200), insbesondere einer Laserzündkerze (26), aufweist.Optical distributor ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein at least one optical output stage ( 120_1 ) an optical interface ( 120a ) for the optical connection of the optical distributor ( 100 ) with another system ( 200 ), in particular a laser spark plug ( 26 ), having. Optischer Verteiler (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine optische Ausgangsstufe (120_1) eine Optik (120b) zur Beeinflussung von mittels des Verteilersystems (130) verteilter Laserstrahlung (L‘), insbesondere zur Fokussierung, aufweist.Optical distributor ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein at least one optical output stage ( 120_1 ) an optic ( 120b ) for influencing by means of the distribution system ( 130 ) has distributed laser radiation (L '), in particular for focusing. Verfahren zum Betreiben eines optischen Verteilers (100) zur Verteilung von Laserstrahlung (L), insbesondere für ein Laserzündsystem einer Brennkraftmaschine (10), wobei der optische Verteiler (100) eine Laserquelle (110) zur Bereitstellung von Laserstrahlung (L) aufweist, mindestens zwei optische Ausgangsstufen (120_1, 120_2) zur Auskopplung von Laserstrahlung (L‘), und ein Verteilersystem (130) zur wahlweisen Verteilung der durch die Laserquelle (110) bereitgestellten Laserstrahlung (L) auf mindestens eine der optischen Ausgangsstufen (120_1, 120_2), dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (110) mindestens einen vertikal emittierenden Halbleiterlaser (VCSEL) aufweist, dessen Laserstrahlung (L) durch das Verteilersystem (130) wahlweise auf mindestens eine der optischen Ausgangsstufen (120_1, 120_2) verteilt wird.Method for operating an optical distributor ( 100 ) for the distribution of laser radiation (L), in particular for a laser ignition system of an internal combustion engine ( 10 ), wherein the optical distributor ( 100 ) a laser source ( 110 ) for providing laser radiation (L), at least two optical output stages ( 120_1 . 120_2 ) for decoupling laser radiation (L '), and a distribution system ( 130 ) for selectively distributing by the laser source ( 110 ) provided laser radiation (L) on at least one of the optical output stages ( 120_1 . 120_2 ), characterized in that the laser source ( 110 ) has at least one vertically emitting semiconductor laser (VCSEL) whose Laser radiation (L) through the distribution system ( 130 ) optionally on at least one of the optical output stages ( 120_1 . 120_2 ) is distributed.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7421166B1 (en) 2006-08-04 2008-09-02 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Laser spark distribution and ignition system

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