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Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Laserpumpquelle zur Erzeugung von Pumplicht, das über eine Lichtleitfaser in eine Laser-Zündkerze leitbar ist, wobei die Laser-Zündkerze dazu ausgebildet ist, mittels eines Laserpulses ein in die Brennkammer eingespritztes Kraftstoffgemisch zu entzünden.
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Die Verwendung von Leistungslasern als Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine ermöglicht einen Betrieb der Brennkraftmaschine in besonders verbrauchsrelevanten Arbeitspunkten, welche mit einem konventionellen Zündsystem nicht erzielbar sind. Neben technologischen Hürden standen vor allem die Kosten im Vergleich zu konventionellen Zündsystemen einer Entwicklung einer Laser-basierten Zündeinrichtung im Wege. Die gegenwärtige Diskussion um eine gesetzliche Festlegung einer maximal zulässigen CO2-Emission für Kraftfahrzeuge treibt den Bedarf nach verbrauchsreduzierenden Maßnahmen vehement voran, so dass Laser-basierte Zündeinrichtungen stärker in den Fokus rücken.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus einer Laser-basieren Zündeinrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine. Die Zündeinrichtung 1 umfasst eine von einem Netzteil 22 gespeiste Laserpumpquelle 10. Als Pumpquelle 10 kommt beispielsweise ein Hochleistungs-Halbleiterlaser, z.B. ein Diodenlaser, mit einer Ausgangsleistung von mehreren hundert Watt in Frage. Die Laserpumpquelle 10 ist über Lichtleitfasern 11 mit den Zylindern der Brennkraftmaschine verbunden. Beispielhaft sind hier zwei Zylinder mit jeweiligen Brennkammern 13 und darin befindlichem Kolben 14 dargestellt, welche über eine jeweilige Lichtleitfaser 11 mit der Laserpumpquelle 10 verbunden sind. Über die Lichtleitfasern 11 wird von der Laserpumpquelle erzeugtes Pumplicht zu den einzelnen Zylindern geleitet.
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Jeder der Zylinder umfasst eine Laser-Zündkerze 12, die einen mittels eines Güteschalters schaltenden Festkörperlaser pumpt. Die Laser-Zündkerze 12 umfasst eine mit dem Ende der zugeordneten Lichtleitfaser 11 gekoppelte Einkoppeloptik 16, den bereits erwähnten Güteschalter 17, einen nachgeschalteten Ausgangskoppler 18, eine dem Ausgangskoppler 18 nachgeschaltete Optik 19 und ein Fokussierelement 20. Ein mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichneter, durch die Laser-Zündkerze erzeugter „Laserfunke“ 21 entzündet ein durch eine Einspritzdüse 15 in die Brennkammer 13 eingespritztes Kraftstoffgemisch.
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Das Funktionsprinzip der Laserzündkerze 12 basiert auf einem mittels des Güteschalters 17 geschalteten Festkörperlaser. Ist eine hinreichende Besetzung eines Inversionsniveaus im Festkörperlaser erreicht, so wird der Güteschalter 17 spontan optisch durchlässig und die optische Energie entweicht durch ein Fenster in den Brennraum, wobei der Laserpuls mittels der Optik 19 gebündelt wird. Im Fokuspunkt entsteht eine extrem hohe Energiedichte, wobei die dort befindlichen Gasmoleküle durch nichtresonante Absorption bis zum Zusammenbruch der molekularen Bindungskräfte angeregt, d.h. ionisiert, werden.
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Hochleistungslaser, wie sie zur industriellen Materialbearbeitung eingesetzt werden, könnten als Laserpumpquelle in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen. Allerdings sind für die industrielle Umsetzung die Kosten zu hoch. Darüber hinaus besteht das Problem, dass aufgrund des weiten Temperaturbereichs, in dem Kraftfahrzeuge eingesetzt werden, Laser eine temperaturabhängige Wellenlängendrift aufweisen. Die verfügbaren Hochleistungslaser zur Materialbearbeitung sind auf einen solchen Einsatzzweck in der Regel nicht ausgelegt.
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Ein weiteres Problem von Hochleistungslasern besteht darin, dass bei einer benötigten Abgabeleistung von beispielsweise 200 W eine Verlustleistung von 50 W abzuführen ist. Diese Verlustleistung tritt je Zylinder auf, so dass bei einem Vier-Zylindermotor bereits 200 W Verlustleistung abzuführen ist. Da die Verlustleistung auf engstem Raum in einen Kühlkörper eingebracht wird, ist bei den räumlichen Verhältnissen in einem Kraftfahrzeug eine Entwärmung des Lasers nicht möglich. Eine thermoelektrische Kühlung, welche prinzipiell in Erwägung gezogen werden könnte, ist aus Kostengründen sowie wegen des geringen Wirkungsgrades nicht gangbar.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündeinrichtung für eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine anzugeben, welche baulich und/oder funktionell verbessert ist, so dass die oben beschriebenen Nachteile nicht oder zumindest in abgemilderter Form auftreten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Zündeinrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Zündeinrichtung für eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine umfasst eine Laserpumpquelle zur Erzeugung von Pumplicht, das über eine Lichtleitfaser in eine Laser-Zündkerze leitbar ist, wobei die Laser-Zündkerze dazu ausgebildet ist, mittels eines Laserpulses ein in die Brennkammer eingespritztes Kraftstoffgemisch zu entzünden. Erfindungsgemäß umfasst die Laserpumpquelle einen Laserbarren aus einer Mehrzahl an Einzellasern, die jeweils eine Lichtaustrittsfläche umfassen, aus denen im Betrieb der Laserpumpquelle jeweils ein Lichtstrahl austritt, wobei die aus den Lichtaustrittsflächen austretenden Lichtstrahlen durch zumindest eine Spiegeloberfläche in Richtung einer Eintrittsfläche oder auf eine Eintrittsfläche der Lichtleitfaser gelenkt und gebündelt wird.
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Das erfindungsgemäße Vorgehen nutzt einen Laserbarren zur Realisierung einer Zündeinrichtung für eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine. Ein Laserbarren besteht aus einer Vielzahl an nebeneinander angeordneten Einzellasern, bei denen ausgehend von einem geeigneten Halbleiterträger eine für das Laserlicht transparente Kavität aufgebaut wird. Mit Hilfe von oben und unten aufgebrachten Kontaktierungen ist durch die so entstandene Diode ein vertikaler Stromfluss möglich. Bei einem bestimmten Stromflusswert kommt es zur Anregung der Atome der aktiven Schicht und der Emission von kohärentem Laserlicht. Der Laserstrahl verlässt die Kavität durch eine an der Kante angeschliffene, optische Facette. Die erreichbare optische Abstrahlleistung eines solchen Einzellasers liegt im Bereich von einigen hundert mW, was für eine Laserzündung nicht ausreichend ist. Die hierzu notwendige Abstrahlleistung kann durch eine Mehrzahl solcher Einzellaser, welche in Barrenform angeordnet sind, bereitgestellt werden. Bei einem solchen Laserbarren besteht jedoch das Problem, dass der Abstrahlwinkel der nebeneinander angeordneten Einzellaser parallel ist und somit eine Einspeisung in die Lichtleitfaser unmittelbar nicht möglich ist.
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Durch das Vorsehen einer Spiegeloberfläche können die Lichtstrahlen der Mehrzahl an Einzellasern des Laserbarrens gebündelt und in Richtung der Lichtleitfaser gelenkt werden, so dass die für die Zündung eines Brennstoffgemischs erforderliche Leistung erzielt wird. Insbesondere ermöglicht die vorgeschlagene Zündvorrichtung eine vereinfachte Ankopplung von Laser und Lichtleitfaser.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind die aus den Lichtaustrittsflächen austretenden Lichtstrahlen aller Einzellaser in einer Ebene angeordnet. Dies ermöglicht eine vereinfachte Montage der Laserpumpquelle sowie eine einfache Ausgestaltung der Spiegeloberfläche zum Lenken und Bündeln der aus den Lichtaustrittsflächen austretenden Lichtstrahlen der Einzellaser.
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Zweckmäßigerweise sind jeweilige Flächenabschnitte der Spiegeloberfläche unmittelbar vor den Lichtaustrittsflächen angeordnet. Hierdurch kann die Zündeinrichtung mit kompakten Abmaßen bereitgestellt werden. Insbesondere können die Flächenabschnitte in Richtung des Lichtaustritts nach hinten geneigt sein. Durch die Spiegeloberfläche können die Lichtstrahlen beispielsweise in einem Winkel von bis zu 90° aus der Ebene der austretenden Lichtstrahlen abgelenkt werden, so dass alle von den Einzellasern abgegebenen Lichtstrahlen auf die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser gelenkt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Spiegeloberfläche auf einem oder mehreren Spiegelträgern ausgebildet, der oder die zusammen mit dem Laserbarren auf einem Träger angeordnet ist oder sind. Eine besonders einfache Fertigung ergibt sich dann, wenn der Spiegelträger durch ein Glaspressbauteil bereitgestellt ist. Bei einem solchermaßen hergestellten Spiegelträger können sämtliche Oberflächenkonturen mittels eines einzigen und einfachen Pressvorgangs hergestellt werden, so dass die gewünschte Strahllenkung und Bündelung auf einfache Weise bereitstellbar ist. Die Kosten der Einkoppeloptik durch die Verwendung von gepressten Spiegeloberflächen, vorzugsweise auf einem gemeinsamen Spiegelträger, senken sowohl Herstellungskosten als auch den Montage- und Kollimationsaufwand.
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Wenn der Laserbarren in eine Mehrzahl an Laserbarrensegmenten aus jeweils mehreren einzelnen Lasern zerlegt ist, wobei die Laserbarrensegmente um eine Strahlungsachse herum angeordnet sind und wobei die Lichtaustrittsflächen in Richtung der Strahlungsachse weisen, lässt sich eine verbesserte Abführung der Verlustwärme erzielen. Das Zerlegen des ursprünglichen Laserbarrens in mehrere Laserbarrensegmente vergrößert den Gesamtumfang der Kontaktflächen zum Kühlkörper. Hierdurch verringert sich der gesamte Wärmewiderstand des Laserbarrens zu dem Kühlkörper, was sich vorteilhaft auf die Temperaturerhöhung durch Eigenerwärmung der einzelnen Laser auswirkt.
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Die Laserbarrensegmente können eine gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl an Einzellasern aufweisen. Weisen die Laserbarrensegmente eine gleiche Anzahl an Einzellasern auf, so lassen sich diese auf besonders einfache Weise auf einer Kreisbahn anordnen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Spiegeloberfläche zentrisch innerhalb der Laserbarrensegmente angeordnet, wobei die von der Spiegeloberfläche abgelenkten Laserstrahlen sämtlicher Einzellaser in einem Kreisbereich, insbesondere um die Strahlungsachse herum, zu einem Strahlenbündel gebündelt sind. Wahlweise können hierbei die Eintrittsflächen der Lichtleitfaser und der Kreisbereich, z.B. in der Strahlungsachse, aufeinander fallen. Ebenso kann im Kreisbereich ein weiterer, insbesondere prismatischer, Spiegel angeordnet sein, durch den das Strahlenbündel in entgegengesetzter Richtung durch den Kreisbereich gelenkt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Spiegeloberfläche Abschnitte mit einer strahlbündelnden Oberflächenkontur aufweisen, wobei die Oberflächenkontur von der Breite eines Laserbarrensegments und dem Auftreffwinkel der Laserstrahlen, welche von den Einzellasern des Laserbarrensegments abgegeben werden, auf der Spiegeloberfläche abhängig ist. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Oberflächenkontur nicht-sphärisch ist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand der Beschreibung der Figuren ersichtlich werden. Es zeigen:
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1 eine bereits beschriebene und aus dem Stand der Technik bekannte Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine,
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2 einen Querschnitt durch einen Einzellaser einer erfindungsgemäßen Laserpumpquelle,
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3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Laserpumpquelle mit einer Mehrzahl von Laserbarrensegmenten,
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4 einen beispielhaften Spiegelträger mit einer optionalen Zentralbohrung zur Realisierung einer weiteren Strahlumlenkung,
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5 eine seitliche Darstellung bzw. Schnittansicht der Anordnung aus 4 mit einer zentrisch oberhalb der Laserpumpquelle angeordneten Lichtleitfaser,
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6 eine Temperaturverteilung in einem Träger einer Laserpumpquelle, und
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7 eine verbesserte Temperaturverteilung in einem Träger einer alternativen Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Laserpumpquelle.
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Eine erfindungsgemäße Zündeinrichtung 1 für eine Brennkammer 13 einer Brennkraftmaschine umfasst gemäß dem in Verbindung mit 1 bereits beschriebenen Aufbau eine Laserpumpquelle 10 zur Erzeugung von Pumplicht. Wie in 1 dargestellt, ist das Pumplicht über eine Lichtleitfaser in eine Laser-Zündkerze 12 eines jeweiligen Zylinders leitbar. Die Laser-Zündkerze 12 ist dazu ausgebildet, mittels eines Laserpulses ein in die Brennkammer eingespritztes Kraftstoffgemisch zu entzünden.
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Die nachfolgend in Verbindung mit 2 bis 7 beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen die Ausgestaltung der Laserpumpquelle 10 der Zündeinrichtung 1 in 1. Als Laserpumpquelle 10 wird hierbei ein prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannter Laserbarren eingesetzt.
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Ein Laserbarren besteht in einer für den Fachmann bekannten Weise aus einer Mehrzahl an nebeneinander angeordneten Einzellasern. Ausgehend von einem Halbleiterträger wird bei einem Einzellaser eine für das Laserlicht transparente Kavität aufgebaut. Mit Hilfe von auf der Oberseite und der Unterseite des Halbleiterträgers aufgebrachten Kontaktierungen ist durch die so entstandene Diode ein vertikaler Stromfluss möglich. Bei geeignetem Stromflusswert kommt es zur Anregung der Atome einer aktiven Schicht des Halbleiterträgers und der Emission von (kohärentem) Laserlicht. Der so erzeugte Laserstrahl verlässt die Kavität durch eine an einer Seitenkante des Halbleiterträgers angeschliffenen optischen Facette. Der Austrittswinkel beträgt typischerweise ca. 70° vertikal und ca. 10° horizontal. Die erreichbare optische Abstrahlleistung eines solchen Einzellasers liegt im Bereich von einigen 100 mW.
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Für eine Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine werden Zündleistungen von etwa 200 W pro Zylinder benötigt. Entsprechend wird zur Bereitstellung der erforderlichen Ausgangsleistung eine Anzahl von mehreren 100 Einzellasern benötigt. Diese sind in der oben beschriebenen Weise wie ein Einzellaser gefertigt und nebeneinander angeordnet. Diese Anordnung wird als Laserbarren bezeichnet. Bei einem solchen Laserbarren ändert sich der Abstrahlwinkel der Einzellaser nicht.
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Für die erforderliche Laserleistung von ca. 200 W ergibt sich bei gebräuchlichen Halbleiterlasern damit eine Barrenbreite von ca. 40 mm. Das von einem Laserbarren abgegebene Strahlenbündel ist in dieser Form jedoch noch nicht geeignet, in die Lichtleitfaser der Zündeinrichtung gemäß 1 eingespeist zu werden.
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Die Bündelung dieses breiten, stark divergenten Laserstrahls des Laserbarrens in eine Lichtleitfaser, deren Eintrittsöffnung einen Durchmesser von typischerweise 100 µm bis maximal 800 µm besitzt, erfolgt durch zumindest eine Spiegeloberfläche. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Einzellaser bzw. Laserbarren 30, 32, welcher an seiner in der Figur linken Stirnseite eine Lichtaustrittsfläche 33 für einen durch den Laser erzeugten Lichtstrahl 34 aufweist. Der bzw. die Lichtstrahlen des Einzellasers 32 bzw. Laserbarrens 30 werden durch eine Spiegeloberfläche 35, welche auf einem stirnseitig angeordneten Spiegelträger 36 ausgebildet ist, in der Figur nach oben abgelenkt. Die Spiegeloberfläche 35 ist unmittelbar vor den Facetten (der Lichtaustrittsfläche 33) der Einzellaser des Laserbarrens 30 angebracht und bezüglich der Lichtaustrittsrichtung schräg nach hinten geneigt. Die Spiegeloberfläche ist beispielsweise als abgeschrägte, reflektierende Fläche eines reflektierenden Körpers, d.h. des Spiegelträgers, ausgebildet. Tritt der Laserstrahl aus der Lichtaustrittsfläche 33 des Laserbarrens 30 bzw. Einzellasers 32 aus, so trifft er auf die Spiegeloberfläche 35 und wird nach oben hin abgelenkt. Spiegelträger 36 und Laserbarren 30 bzw. Einzellaser 32 können auf einem gemeinsamen, nicht näher dargestellten Träger, welcher beispielsweise als Kühlkörper ausgebildet ist, angeordnet sein. Obwohl in 2 nicht dargestellt, ist für einen Fachmann ohne weiteres ersichtlich, dass die Eintrittsfläche der nicht dargestellten Lichtleitfaser im Strahlengang des abgelenkten Laserstrahls 34 liegt.
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Es ist bevorzugt, wenn der Laserbarren 30 in mehrere, vorzugsweise gleich breite Laserbarrensegmente 31 zerlegt ist. Obwohl die Anzahl der Einzellaser eines jeweiligen Laserbarrensegments prinzipiell beliebig gewählt werden kann, ist es bevorzugt, wenn jedes der Laserbarrensegmente 31 eine identische Anzahl an Einzellasern aufweist. Werden die Laserbarrensegmente 31, wie in der Draufsicht der 3 dargestellt, auf einer Kreisbahn angeordnet, so dass die Lichtaustrittsflächen bzw. Facetten der Einzellaser aufeinander gerichtet sind, so werden die von den Laserbarrensegmenten erzeugten Laserstrahlen in Richtung eines Kreiszentrums 43, welches um eine Strahlungsachse ausgebildet ist, gelenkt. In 3 sind neben den Laserbarrensegmenten 31 jeweils die an den Stirnseiten ausgebildeten Spiegelträger 36 und deren Spiegeloberflächen 35 ersichtlich. Bei der Wahl von beispielhaft acht Lasersegmenten ergibt sich beispielsweise eine Länge von ca. 5 mm je Laserbarrensegment. Der von den Spiegeloberflächen 35 abgelenkte Zentralstrahl der einzelnen Laserbarrensegmente trifft sich, wie beschrieben, in dem Kreisbereich 43 in der Mitte oberhalb der Laserbarrensegmente 31.
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Die Spiegelträger der jeweiligen Laserbarrensegmente 31 können beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein. Ebenso können die Spiegelträger 36 jeweiliger Laserbarrensegmente 31 auch einstückig ausgebildet sein. Dies reduziert die Herstellungskosten und vereinfacht die Montage und Kollimation der Laserbarrensegmente.
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Bei geeigneter geometrischer Anordnung der Laserbarrensegmente 31 und des Anstellwinkels der Spiegeloberflächen ist es möglich, die Teilstrahlen der Laserbarrensegmente in dem Kreisbereich 34 zu vereinen, wo vorteilhafterweise die Eintrittsöffnung der Lichtleitfaser oder optional ein weiteres Umlenkelement (z.B. eine weitere Spiegelanordnung) angeordnet ist.
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Aufgrund der Breite der Laserbarrensegmente sowie der Öffnungswinkel der Einzellaser ist der Strahlbereich jedes Laserbarrensegments wesentlich größer als die Eintrittsöffnung der Lichtleitfaser, welche typischerweise einen Durchmesser zwischen 100 µm bis maximal 800 µm aufweist. Die Spiegeloberflächen 35 der jeweiligen Laserbarrensegmente werden daher derart ausgeführt, dass sie strahlbündelnde Eigenschaften aufweisen. Hierzu werden die unterschiedlichen Austrittswinkel der Laserstrahlen der Einzellaser eines jeweiligen Laserbarrensegments 31 sowie die Breite der Laserbarrensegmente 31 berücksichtigt. Eine weitere Radienveränderung ergibt sich daraus, dass die Spiegeloberfläche unter einem Winkel von ≠ 90° angeordnet ist, und das Auftreten eines Comafehlers zu vermeiden. Die sich für die Spiegeloberfläche 35 ergebende Geometrie ist vorzugsweise nicht-sphärisch. Aufgrund der Komplexität der erforderlichen Spiegeloberfläche werden die Spiegelträger 36 und die auf diesen ausgebildeten Spiegeloberflächen 35 vorzugsweise als Glaspressteile hergestellt. Ein derartiges Presswerkzeug muss nur einmalig hergestellt werden, um eine Vielzahl an Spiegelträgern herstellen zu können.
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5 zeigt einen Schnitt längs der Linie V-V der Anordnung von 3. Hierbei sind die zwei gegenüberliegenden Laserbarrensegmente bzw. Einzellaser 32a, 32b dargestellt. An jeweiligen Spiegeloberflächen 35a, 35b werden Laserstrahlen 34a, 34b reflektiert. Die reflektierten Laserstrahlen 34a, 34b treffen im Kreisbereich 43 aufeinander, in dem die Eintrittsfläche 23 der Lichtleitfaser 11 angeordnet ist. Aus dieser Darstellung ist ohne weiteres zu erkennen, dass die Lichtleitfaser 11 oberhalb der Ebene der Laserbarrensegmente und in etwa senkrecht zu dieser Ebene angeordnet ist.
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In einer alternativen, nicht dargestellten Ausgestaltungsvariante werden die Laserstrahlen nicht unmittelbar oberhalb der Laserbarren gebündelt, sondern sie treffen dort auf einen weiteren, prismatischen Spiegel, welcher sie nach unten ablenkt, so dass die Einkoppelfläche (Eintrittsfläche 23) der Lichtleitfasern von unten kommend in der Mitte zwischen den Laserbarrensegmenten angeordnet ist. Hier ist dann eine Bohrung im Spiegelträger erforderlich, wie dies beispielhaft in 4 mit dem Bezugszeichen 37 gekennzeichnet ist. 4 zeigt einen einstückigen Spiegelträger 36, auf dem die acht Spiegeloberflächen 35 ausgebildet sind. Im Zentrum des Spiegelträgers 36 ist die bereits beschriebene Ausnehmung/Bohrung 37 vorgesehen. Die optische Korrektur der von den Laserbarrensegmenten abgegebenen Laserstrahlen kann nun mittels zweier Spiegelflächen – der die Spiegeloberflächen 35 aufweisenden Spiegelanordnung und dem weiteren Spiegel bzw. der weiteren Spiegelanordnung – erfolgen. Dies vereinfacht die Ausgestaltung der einzelnen Spiegeloberflächen.
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Die Befestigung bzw. Montage der Lichtleitfaser 11 kann mit Bezug auf die Montagefläche, den Laserbarren 30 oder die Laserbarrensegmente 31 und Primärspiegel erfolgen, was eine bessere und einfachere Montagejustierung erlaubt. Primärspiegel sind dabei die in den 2 bis 5 dargestellten Spiegeloberflächen 35.
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Durch die Aufteilung des Laserbarrens in mehrere Laserbarrensegmente ist es möglich, die Gesamtanzahl der Einzellaser zu erhöhen, was eine weitere Steigerung der Abstrahlleistung erlaubt. Dabei ist der benötigte Bauraum unwesentlich größer als bei kleinerer Anzahl an Einzellasern. Ein weiterer Vorzug der Segmentierung eines Laserbarrens in einzelne Laserbarrensegmente ist eine bessere thermische Ankopplung an eine Kühlfläche.
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Wie bereits erläutert, werden die Laserbarrensegmente vorzugsweise zusammen mit dem oder den Spiegelträgern auf einem gemeinsamen Träger, z.B. einem Kühlkörper, angeordnet. Der Durchtritt der Verlustleistung von dem Laserbarren (oder der Anzahl an Laserbarrensegmenten) durch den Kühlkörper zur Wärmesenke, beispielsweise eine Konvektionsoberfläche oder ein mit einem Fluid gekühlter Körper, wird durch den thermischen Leitwert des Kühlkörpermaterials behindert. Deshalb bilden sich im Kühlkörper halbschalenförmige Flächen gleicher Temperatur, sog. Isothermen, aus. Die höchste Temperatur ist in der Mitte unterhalb des Laserbarrens zu finden. Dies ist beispielhaft für eine Laserpumpquelle mit einem einzigen Halbleiterlaser in 6 und eine Laserpumpquelle mit einer Mehrzahl an Laserbarrensegmenten in 7 dargestellt. Der Kühlkörper ist mit dem Bezugszeichen 40, die Wärmesenke mit dem Bezugszeichen 41 gekennzeichnet. Die Bereiche gleicher Temperatur sind mit den Bezugszeichen 42 (6) bzw. 42a, 42b (7) gekennzeichnet.
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Durch das Zerlegen des einzigen Laserbarrens 30, wie z.B. in 6, in mehrere Laserbarrensegmente 31 vergrößert sich der Gesamtumfang der Kontaktfläche zu dem Kühlkörper 40 und damit auch der besser gekühlte Randbereich. Auf diese Art verringert sich der gesamte Wärmewiderstand der Laserpumpquelle zum Kühlkörper, was sich vorteilhaft auf die Temperaturerhöhung durch Eigenerwärmung der Einzellaser auswirkt.
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Das vorgeschlagene Vorgehen ermöglicht eine Zündeinrichtung, welche einen Laser zur Zündung eines Kraftstoffgemischs verwendet. Die vorgeschlagene Ausgestaltung durch die Verwendung einer Spiegeloberfläche zur Umleitung von Laserstrahlen ermöglicht eine Vereinfachung der Ankopplung der Laserpumpquelle an die Lichtleitfaser. Die Kosten der Einkoppeloptik können durch die Verwendung von gepressten Spiegelflächen, vorzugsweise auf einem gemeinsamen Spiegelträger, gering gehalten werden. Dies betrifft sowohl die Kosten in der Herstellung als auch die der Montage und der Kollimation. Des Weiteren erlaubt das Vorgehen die Aufteilung des Laserbarrens in mehrere Laserbarrensegmente zur verbesserten Abführung von Verlustwärme.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010042453 A1 [0006]
