DE102013221553A1

DE102013221553A1 - Laserzündsystem

Info

Publication number: DE102013221553A1
Application number: DE201310221553
Authority: DE
Inventors: Heiko Ridderbusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2015-04-23
Also published as: US9698560B2; JP2016531448A; EP3061163A1; WO2015058886A1; US20160268767A1

Abstract

Laserzündsystem (1), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, umfasst einen Vertikalemitter (2) und einen laseraktiven Kristall, wobei der laseraktive Kristall mindestens bereichsweise mit Ytterbium-dotiert ist, wobei der Ytterbium-dotierte Bereich (5) eine Länge (12) von 200µm bis 7000µm hat.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Laserzündsystem, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, umfasst einen Vertikalemitter und einen laseraktiven Kristall.
Bei heutigen Laserzündanwendungen werden häufig monolithisch aufgebaute Neodym (Nd)-dotierte Festkörperlaser mit passiver Güteschaltung als Strahlenquelle verwendet. Als Pumplichtquelle dienen entweder kantenemittierende Halbleiterlaser, auch Kantenemitter genannt, die transversal oder longitudinal gegebenenfalls über eine Lichtleitfaser das Pumplicht in den Festkörperlaser einbringen, oder vertikalemittierende Halbleiterlaser, auch VCSEL oder Vertikalemitter genannt, mit einer longitudinalen Pumplichtanordnung, wie der in der DE 10 2010 042 453 A1 beschrieben.
Alternativ zum Neodym-dotierten Festkörperlaser können auch Ytterbium (Yb)-dotierte Festkörperlaser verwendet werden. Als Pumplichtquelle für Ytterbium-dotierte Festkörperlaser werden fasergekoppelte Kantenemitter verwendet.
In der DE-Anmeldung mit dem Aktenzeichen 102013202184.4 (unveröffentlicht) wurde gezeigt, dass für eine gute Entflammung, gemessen an der Verbrennungsstabilität und der Abmagerbarkeit des zu zündenden Luft-Gas-Gemisches nicht nur die Pulsenergie im Zündpunkt ausschlaggebend ist, sondern auch die Form des Zündlaserstrahls entscheidend für die Plasmabildung und Entflammung des zu zündenden Luft-Gas-Gemisches ist. Ein Maß für die Form des Zündlaserstrahls ist die Strahlqualität M². Aufgrund des niedrigeren Wirkungsquerschnitts bei der stimulierten Emission von Ytterbium dotierten Festkörperlaser im Vergleich zu Neodym dotierten Festkörperlaser besitzen Ytterbium dotierte Festkörperlaser eine grundsätzlich bessere Strahlqualität M².
Vorteil der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Laserzündsysteme der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sie langlebig, kostengünstig sowie effizient und zuverlässig bzgl. der Plasmabildung und der Entflammung des zu zündenden Luft-Gas-Gemisches sind.
Diese Aufgabe wird bei Laserzündsysteme der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der laseraktive Kristall mindestens bereichsweise mit Ytterbium-dotiert ist, wobei der Ytterbium-dotierte Bereich eine Länge von 200 µm bis 7000 µm hat.
Die erfindungsgemäße Vorsehung einen laseraktiven Kristall mit einem Ytterbium-dotierten Bereich mittels eines Vertikalemitters zu pumpen, hat den Vorteil, dass man ein Laserzündsystem mit hoher Effizienz und hoher Zündzuverlässigkeit erhält. Wie eingangs erwähnt ist für eine gute Plasmabildung und eine gute Entflammung des zu zündenden Luft-Gas-Gemisches nicht nur die Pulsenergie im Zündpunkt, sondern auch die Form des Zündlaserstrahls von Bedeutung. Durch die Verwendung eines Ytterbium-dotierten laseraktiven Kristalls mit potentiell besserer Strahlqualität M² als vergleichsweise Neodym-dotierte laseraktive Kristalle in Kombination mit einem Vertikalemitter, der ein kreisrundes Intensitätsprofil und insbesondere auch eine gute Strahlqualität M² aufweist, erhält man ein Laserzündsystem mit einer gute Fokussierbarkeit, das zuverlässig das zu zündende Luft-Gas-Gemisch entflammt.
Zusätzlich sind Vertikalemitter sehr robust und somit langlebig sowie mittelfristig auch kostengünstig. Des Weiteren kann man den Durchmesser eines Ytterbium-dotierten laseraktiven Kristalls aufgrund des geringen Wirkungsquerschnitts für stimulierte Emission kleiner wählen als bei Neodym-dotierten laseraktiven Kristallen und spart bei den Herstellungskosten des laseraktiven Kristalls.
Aufgrund der um etwa eine Größenordnung geringeren Brillanz (= Leistung/(Fläche·Raumwinkel)) des Vertikalemitters im Vergleich zu einem Kantenemitter ist es vorteilhaft, dass der Ytterbium-dotierte Bereich des laseraktiven Kristalls eine hohe Yb-Dotierung aufweisen, damit der Festköperlaser homogen gepumpt werden kann. Der Yb-dotierten Bereich des laseraktiven Kristalls weist beispielsweise eine Yb-Dotierung von nicht kleiner als 3 at% auf, insbesondere von nicht kleiner 7 at%. Vorzugsweise ist die Yb-Dotierung nicht größer als 30 at%, insbesondere nicht größer als 20 at%. Dabei wird die Dotierungskonzentration so hoch gewählt, dass die Absorptionslänge des Pumplichts nur einige 100 µm bis einige mm lang ist und in etwa der halben Rayleighlänge des Pumplichts entspricht. Die Rayleighlänge des Pumplichts liegt beispielsweise im Bereich von 200 µm bis 10000 µm im Yb-dotierten Bereich des laseraktiven Kristalls.
Die Länge des Yb-dotierten Bereiches im laseraktiven Kristall wird an die Absorptionslänge und die Rayleighlänge des Pumplichts angepasst. Die Rayleighlänge ist die Distanz entlang der optischen Achse, an der die Querschnittsfläche des Laserstrahls ausgehend von der Strahltaille ihre Größe verdoppelt hat.
Der Yb-dotierte Bereich, nachfolgend auch erster Bereich genannt, ist nicht kürzer als 200 µm, insbesondere nicht kürzer als 300 µm. Vorzugsweise ist der erste Bereich nicht länger als 7000 µm, insbesondere nicht länger als 5000 µm. Vorteilhafterweise wird die Länge des ersten Bereichs auf die Dotierungskonzentration des Ytterbiums und auch auf die Absorptionslänge und der Rayleighlänge des Pumplichts abgestimmt, so dass zum einen das komplette bzw. nicht weniger als 68 % des Pumplichts im ersten Bereich absorbiert werden und zum anderen der erste Bereich nicht länger als notwendig ist, damit kein Material verschwendet wird. Als Wirtskristall kann für den ersten Bereich ein YAG-Kristall oder ein LuAG-Kristall verwendet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der laseraktive Kristall eine Gesamtlänge von nicht kleiner als 5 mm aufweist. Vorzugsweise ist der laseraktive Kristall nicht länger als 50 mm. Insbesondere kann die Gesamtlänge des laseraktiven Kristalls im Bereich von 10 mm bis 40 mm liegen, insbesondere im Bereich von 15 mm bis 30 mm.
Der laseraktive Kristall weist in einer Weiterbildung neben dem Yb-dotierten ersten Bereich mindestens einen zweiten Bereich auf. Insbesondre kann der laseraktive Kristall drei Bereiche aufweisen. Vorzugsweise ist der laseraktive Kristall mit seinen Bereichen ganz oder mindestens teilweise als Monolith ausgebildet, d.h. dass die Bereiche stoffschlüssig miteinander verbunden sind, z.B. durch ansprengen oder bonden.
Der zweite Bereich des laseraktiven Kristalls ist in einer Weiterbildung im Wesentlichen undotiert, wobei im Wesentlichen bedeutet, dass der zweite Bereich des laseraktiven Kristalls nicht gezielt dotiert wurde und nur die üblichen herstellungsbedingten Verunreinigungen aufweist. Durch die Kombination von dotierten und undotierten Bereiche im laseraktiven Kristall wird die Robustheit des laseraktiven Kristalls und somit auch des gesamten Laserzündsystems gesteigert, da im undotierten Bereich im Gegensatz zum Yb-dotierten Bereich keine weitere Resorption des Pumplichts stattfindet.
Der dritte Bereich des laseraktiven Kristalls weist in einer Weiterbildung eine Chrom (Cr⁴⁺) oder Vanadium (V³⁺) Dotierung auf. Als Wirtskristall wird beispielsweise ein YAG-Kristall oder ein LuAG-Kristall verwendet. Der dritte Bereich hat in einer Weiterbildung die Funktion einer passiven Güteschaltung. Dafür wird ein sättigbarer Absorber verwendet, der erst beim Erreichen einer Sättigungsintensität schaltet, d.h. durchlässig für die einfallende Laserstrahlung wird bzw. einen Laserpulse emittiert. Der sättigbare Absorber absorbiert die einfallende Laserstrahlung, wobei der Absorptionskoeffizient von der Intensität, der Anfangsabsorption und der Sättigungsintensität abhängt. Die Anfangsabsorption und somit auch die Anfangstransmission hängt von der Absorberkonzentration, d.h. von der Konzentration z.B. der Cr⁴⁺- bzw. der V³⁺-Dotierung im Wirtskristall, ab. Die Anfangstransmission der passiven Güteschaltung bzw. des sättigbaren Absorbers sollte nicht kleiner als 30% und/oder nicht größer als 98% sein. Wenn die Verstärkung (Gain) größer ist als die resonatorinternen Verluste, wird die Besetzungsinversion im oberen Laserniveau abgebaut und der Festkörperlaser emittiert einen Laserpuls. Nach einer gewissen Relaxationszeit von einigen µs ist der sättigbare Absorber wieder stark absorbierend für die resonatorinterne stimulierte Laserstrahlung.
Eine V3+ Dotierung des dritten Bereichs hat den Vorteil, dass durch den geringeren Absorptionsquerschnitt des ersten angeregten Zustandes des passiven Güteschalters weniger stimulierte Emission absorbiert wird und damit der Gesamtwirkungsgrad höher sein kann.
Die Länge des dritten Bereichs ist größer 50 µm, insbesondere größer als 100 µm, so dass die thermische Linse durch die Absorption der stimulierten Strahlung im passiven Güteschalter nicht so stark ausgebildet wird.
Grundsätzlich können ein GGG-Wirtskristall und/oder ein GSGG-Wirtskristall als laseraktive Kristalle alleine oder in Kombination mit einem YAG-Wirtskristall und/oder einem LuAG-Wirtskristall verwendet werden, wobei ein YAG-Kristall und/oder ein LuAG-Kristall als Wirtskristalle den anderen beiden Kristallen bevorzugt werden.
Vorzugsweise wird für mindestens zwei Bereiche der gleiche Wirtskristall verwendet. Die Verwendung des gleichen Wirtskristalls in allen drei Bereichen hat den besonderen Vorteil, dass es keine Verbindungstellen zwischen den unterschiedlichen Wirtskristallen gibt. Bei der Verwendung von mindestens zwei unterschiedlichen Wirtskristallen, wird die Kombination von YAG-Kristall und LuAG-Kristall bevorzugt, da sich beide Kristalle gut verbinden (bonden) lassen.
Der Vertikalemitter vermag vorzugsweise Pumplicht mit einer Wellenlänge von 935 nm bis 945 nm oder alternativ eine Wellenlänge im Bereich von 965 nm bis 985 nm zu emittieren.
In einer Weiterbildung kann das Laserzündsystem einen Resonator aufweisen, der mindestens zwei Resonatorspiegel umfasst. Die Resonatorspiegel sind beispielsweise vor bzw. hinter den Stirnseiten, d.h. die der Pumplichtquelle zugewandten und abgewandten Seiten, des laseraktiven Kristalls angeordnet, z.B. in Form von Beschichtungen direkt auf den Stirnseiten des laseraktiven Kristalls.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Zeichnung
1 zeigt ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Laserzündsystem.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Laserzündsystems 1, dass eine Pumplichtquelle 2 und einen Festkörperlaser 3 umfasst. Nicht gezeigt, sind die dazugehörigen elektrischen Leitungen für die Stromversorgung der Pumplichtquelle 2, sowie Details der konstruktiven Ausgestaltung des Laserzündsystems 1 als Laserzündkerze, die dem Fachmann beispielsweise aus der EP 1 519 038 A1 bekannt sind. Optional sind Mittel zur optischen Übertragung des Laserstrahls 11 oder des Pumplichts 10 vorsehen. Ferner kann eine thermische Leitung, insbesondere für Kühlflüssigkeit, zur Kühlung der Pumplichtquelle 2 und/oder des Festkörperlasers 3 und/oder anderen Komponenten vorgesehen sein. Ebenso nicht dargestellt sind mögliche Mittel zur Montage des Laserzündsystems 1 an einer Brennkraftmaschine. Desweiteren nicht gezeigt sind beispielsweise die gemeinsame Anordnung der Pumplichtquelle 2 und des Festkörperlasers 3 in einem Gehäuse und/oder mindestens ein Mittel zur optischen Abbildung des emittierten Laserstrahls 11 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine und/oder ein Brennraumfenster, das das Laserzündsystem 1 und das Mittel zur optischen Abbildung von dem Brennraum trennt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird als Pumplichtquelle 2 für den Festkörperlaser 4 ein Vertikalemitter verwendet. Der Vertikalemitter emittiert Pumplicht 10 mit der Wellenlänge von 940 nm oder im Bereich von 970 nm bis 980 nm. Dabei sind die Angaben der Wellenlänge inklusive der in der Lasertechnik üblichen Unsicherheiten zu verstehen. Das Pumplicht 10 wird von einer Pumplichtlinse 4 auf den Festkörperlaser 3 fokussiert. Die Pumplichtlinse 4 weist eine antireflektierende Beschichtung für die verwendete Pumplichtwellenlänge auf.
Der in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Festkörperlaser 3 besteht aus einem laseraktiven Kristall, der drei unterschiedlich dotierte, d.h. teilweise dotierte und teilweise undotierte, Bereiche 5, 6, 7 aufweist, sowie zwei Resonatorspiegel 8, 9. Der monolithisch ausgebildete laseraktive Kristall ist im ersten Bereich 5 mit Ytterbium dotiert. Der zweite Bereich 6 ist im Wesentlichen undotiert, wobei im Wesentlichen bedeutet, dass der Wirtskristall nicht gezielt dotiert wurde und nur die üblichen herstellungsbedingten Verunreinigungen aufweist. Der dritte Bereich 7 ist mit Cr⁴⁺- oder V³⁺-dotiert.
Als Wirtskristallkristall wird typischerweise ein YAG-Kristall verwendet. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann stattdessen auch einen LuAG-Kristall als Wirtskristall verwendet werden.
Der erste Bereich 5 weist eine Ytterbium-Dotierung von 3 at% bis 30 at% in einem YAG-Kristall oder einem LuAG-Kristall auf. Dabei liegt die Länge 12 des ersten Bereichs 5 im Bereich von 200 µm bis 7000 µm.
Der zweite Bereich 6 hat eine Länge im Bereich von 4 mm bis 49 mm.
Der dritte Bereich 7 dient als passive Güteschaltung. Die Anfangstransmission der passiven Güteschaltung ist nicht kleiner als 30%. Vorzugsweise ist die Anfangstransmission nicht höher als 98%.
Die Länge 13 des dritten Bereichs 7 ist länger als 50 µm, insbesondere länger als 100 µm. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann auch die Länge 13 des dritten Bereichs 7 nicht länger als 150 µm sein.
Die Gesamtlänge 14 des laseraktiven Kristalls 3 ohne die Resonatorspiegel 8, 9 liegt im Bereich von 5 mm bis 50 mm.
Der erste Resonatorspiegel 8 befindet sich in Form einer Beschichtung auf der der Pumplichtquelle 2 zugewandten Stirnseite des laseraktiven Kristalls. Der erste Resonatorspiegel 8 ist hoch transmittierend für die Wellenlänge der Pumplichtquelle 2 und hoch reflektierend für die Wellenlänge des Festkörperlasers 3.
Der zweite Resonatorspiegel 9 befindet sich ebenfalls als Beschichtung auf der der Pumplichtquelle 2 abgewandten Stirnseite des laseraktiven Kristalls. Der zweite Resoantorspiegel 9 ist hoch reflektierend für die Wellenlänge der Pumplichtquelle 2 und teilreflektierend für die Laserwellenlänge des Festkörperlasers 3. Die Reflektion des zweiten Resonatorspiegels 9 liegt im Bereich von 8% bis 90%.
Eine alternative Ausführung sieht nur einen Resonatorspiegel 8 auf der Pumplichtquellen zugewandten Seite des laseraktiven Kristalls vor. Der zweite Resonatorspiegel 9 entfällt, so dass außer an der Grenzfläche zwischen der Pumplichtquellen 2 abgewandten Seite des Laserkristalls und der Luft keine weitere Reflektion stattfindet. Es resultiert ein Laserzündsystem 1 mit verbesserter Robustheit und vereinfachtem Aufbau. Die Reflektivität an der Grenzfläche von beispielsweise einem YAG-Kristall (n = 1,82) zu Luft (n = 1) beträgt ca. 8%.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010042453 A1 [0002]
DE 102013202184 [0004]
EP 1519038 A1 [0024]

Claims

Laserzündsystem (1), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, umfassend einen Vertikalemitter (2) und einen laseraktiven Kristall, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Kristall mindestens bereichsweise mit Ytterbium-dotiert ist, wobei der Ytterbium-dotierte Bereich (5) eine Länge (12) von 200µm bis 7000µm, insbesondere 300 µm bis 5000 µm hat.
Laserzündsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Kristall eine Gesamtlänge (14) von 5mm bis 50mm hat.
Laserzündsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Kristall mindestens bereichsweise ein YAG-Wirtskristall und/oder ein LuAG-Wirtskristall und/oder ein GGG-Wirtskristall und/oder ein GSGG-Wirtskristall ist.
Laserzündsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Kristall mindestens einen weiteren Bereich, insbesondere zwei weitere Bereiche, aufweist.
Laserzündsystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Bereiche, insbesondere drei Bereiche, den gleichen Wirtskristall aufweisen.
Laserzündsystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Bereich (6) im Wesentlichen undotiert ist.
Laserzündsystem (1) nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Bereich (7) mit Chrom (Cr4+) oder Vanadium (V3+) dotiert ist.
Laserzündsystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bereich (7) eine Länge (13) von größer als 50µm hat, insbesondere von größer als 100µm.
Laserzündsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Ytterbium dotierte Bereich (5) eine Ytterbium-Dotierung von 3 at% bis 30 at% aufweist.
Laserzündsystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bereich (7) eine passive Güteschaltung ist und eine Anfangstransmission von nicht kleiner 30% für die im laseraktiven Material erzeugte Wellenlänge aufweist.
Laserzündsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Vertikalemitter (2) eine Wellenlänge im Bereich von 935 nm bis 940 nm und/oder 965 nm bis 985 nm zu emittieren vermag.
Laserzündsystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserzündsystem (1) einen Resonator aufweist, der mindestens einen Resonatorspiegel (8) umfasst, insbesondere mindestens zwei Resonatorspiegel (8, 9) umfasst.
Laserzündsystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Laserzündkerze mit elektrischen, optischen und/oder thermischen Leitungen, insbesondere eine Leitung für Kühlflüssigkeit, und/oder mit mindestens einem Mittel zur Montage an einer Brennkraftmaschine und/oder mit mindestens einem Mittel zur optischen Abbildung des emittierten Laserstrahls (11) in den Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist.