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
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Abstract
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
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:
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Alternativ kann es sich bei der Brennkraftmaschine
Die in
Eine Steuerung des laserbasierten Zündsystems
Die Lasereinrichtung bzw. Laserzündkerze
Alternativ kann ein zur Zündung der Kraftstoffmenge
In beiden Fällen ergibt sich durch die Anwendung des erfindungsgemäßen, in
Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen optischen Verteilers
In dem Strahlengang der Laserquelle
Vorliegend weist das Verteilersystem
Bei geeigneter Ausrichtung des Drehspiegels
Über die Faser
Erfindungsgemäß weist die Laserquelle
Die Verwendung eines VCSEL-Arrays für die Laserquelle
Darüberhinaus sind bei VCSEL Halbleiterlasern deutlich höhere duty cycles als bei beispielsweise kantenemittierenden Halbleiterlasern möglich, wobei insbesondere auch ein Dauerbetrieb der Laserquelle
Ein weiterer besonderer Vorteil von VCSEL-Arrays als Laserquelle
Der optische Verteiler
Im Unterschied zu der vorstehend unter Bezugnahme auf
Beispielhaft sind dem Verteilersystem
Unter Antrieb des Verteilersystems
Es ist auch denkbar, die Laserquelle
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
Alternativ zu der in
Alternativ zu den vorstehend unter Bezugnahme auf
Bei der in
Auf diese Weise kann durch entsprechende Ansteuerung der einzelnen Spiegel bestimmt werden, welche optische Ausgangsstufe von dem Verteilersystem
Der letzte Spiegel
Anstelle einer rotatorischen Verstellung der einzelnen Spiegel des Verteilersystems
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
Aufgrund der durch die verwendeten VCSEL-Arrays
Auf diese Weise kann das Verteilersystem
Zum Schutz des Strahlengangs OA vor Schmutzpartikeln kann ein nicht in
Anstelle einzelner Antriebsmittel
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
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