DE3516232A1

DE3516232A1 - Gaslaser, insbesondere fuer kraftfahrzeug-zuendanlagen

Info

Publication number: DE3516232A1
Application number: DE19853516232
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr. 8700 Würzburg Lindstedt; Joachim Dipl.-Phys. 5020 Frechen Schick
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-05-06
Filing date: 1985-05-06
Publication date: 1986-11-06
Also published as: DE3516232C2

Description

Dipl.-Physiker Joachim Schick, Waldstraße 2F,
50020 Frechen-Königsdorf Dr. Alfred Lindstedt, Theaterstraße 3a, 8700 Würzburg Gaslaser, insbesondere für Kraftfahrzeug-Zündanlagen Die Erfindung betrifft Gaslaser, insbesondere für Kraftfahrzeug-Zündanlangen.
Es ist bekannt, Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren der Hubkolbenbauart oder der Rotationskolbenbauart zur Zündung des zum Betrieb zugeführten, zündfähigen Gemisches mit optischer Energie zu beaufschlagen, welche beispielsweise über Lichtleiter zugeführt und an bestimmten Punkten des Zylinderraumes fokussiert wird.
Eine Verbesserung der Zündbedingungen gegenüber den Verhältnissen bei Verwendung einer herkömmlichen, mit Hochspannung betriebenen Zündkerze kann dadurch erzielt wer-den, daß eine Fokussierung optischer Energie im Zylinderraum bzw. in der Brennkammer an einer Mehrzahl von Punkten erfolgt, so daß die von dem Zündort ausgehenden Flammenfronten einander durchsetzen und eine Zündung des gesamten zündfähigen Gemisches im Zylinderraum innerhalb kurzer Fr-ist erreicht wird.
Zur Verwirklichung derartiger Zündbedingungen für eine optische Zündung besteht der Bedarf an einem einfach aufgebauten, robusten und vergleichsweise billig herzustellenden Laser hoher Ausgangsenergie, wobei überdies ein geringer Raumbedarf gefordert wird. Wichtig ist außerdem eine zuverlässige und wartungsfreie Anregungseinrichtung für den Gaslaser, mittels welcher ausreichend große Anregungsenergiemengen in den Resonanzhohlraum eingeführt werden können.
Ein die vorgenannten Forderungen erfüllender Gaslaser wird erfindungsgemäß durch die Kombination der im Anspruch 1 genannten Merkmale geschaffen.
Die vielfache Faltung des Strahlengangs in dem Gehäusekörper des Lasers bewirkt, daß die gesamte gestreckte Länge des Strahlenganges innerhalb eines vergleichsweise kleinen Volumens des Gehäusekörpermaterials untergebracht ist, wobei innerhalb dieses Volumens nur geringe Temperaturunterschiede des Gehäusekörpermaterials anzutreffen sind und daher Fehlausrichtungen der Reflektoranordnungen und Veränderungen der optischen Weglänge des Resonanzhohlraumes nur beschränkten Einfluß auf die Wirkungsweise des Lasers haben können, was unter den extremen Temperaturbedingungen in der Nähe eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors von besonderer Bedeutung ist. Außerdem ergibt die vielfach gefaltete Ausbildung des Strahlenganges bei Zuordnung zu einer einzigen, für sämtliche Strahlengangabschnitte gemein-; samen Hochfrequenz-Anregungseinrichtung einen verbilligten Aufbau und hohe Arbeitsgeschwindigkeit im Pulsbetrieb.
Die Anregung des Resonanzhohlraumes mit Hochfrequenz zur Erzeugung einer sich quer zum Strahlengang ausbreitenden Gasentladung hat den Vorteil, daß der Resonanzhohlraum von Elektroden freigehalten werden kann, so daß Verzunderungserscheinungen vermieden werden.
Soweit zum Anschluß der Hochfrequenzenergie Elektroden eingesetzt werden, sind diese zweckmäßig in das Gehäusekörpermater-ial eingebettet ohne unmittelbar Kontakt zu dem Resonanzhohlraum zu haben.
Gemäß einer zweckmäßigen Abwandlung kann jedoch die Hochfrequenzenergie auch an eine den Gehäusekörper umschlingende Spule aus wenigen Windungen angeschlossen werden, welche innerhalb des in besonderer Weise geformten Gehäusekörpers eine Hochfr-equenz-Gasentladung herbeiführt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es stellen dar: Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Gaslaser der hier angegebenen Art bei abgenommenem Gehäusedeckel und teilweise geschnitten gezeichnet, Fig. 2 eine Seitenansicht des Gaslasers nach Figur 1 und Fig. 3 eine etwas schematische und teilweise geschnitten gezeichnete perspektivische Ansicht eines Gaslasers mit zylindrischem Gehäusekörper und mehrfach gefaltetem Strahlengang.
Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Gaslaser enthält einen quaderförmigen Gehäusekörper 1, der aus einem Gehäusekörperbasisteil 2 und einem Gehäusedeckel 3 zusammengesetzt ist, wobei der Gehäusedeckel 3 auf das Basisteil 2 dichtend aufgekittet ist. Handelt es sich bei dem Gaslaser um einen Kohlendioxidlaser, wo wird als Material zur Herstellung des Gehäusebasisteiles und des Deckelteiles vorzugsweise Quarzglas verwendet, welches für die im Laser angeregten Wellenlängen undurchlässig ist und daher keiner besonderen Verspiegelung bedarf.
Ein Gaseinlaßanschluß 4 und ein Gasauslaßanschluß 5 münden am Boden des Gehäusebasisteiles 2 in den von dem Gehäusebasisteil und dem Deckelteil umschlossenen Resonanzhohlraum ein, um den Innenraum des Lasers mit einer gewünschten Gasfüllung versehen bzw. diese Gasfüllung auswechseln zu können. Gemäß einer nicht gezeigten Abwandlung können jedoch der Gaseinlaßanschluß 4 und der Gasauslaßanschluß 5 auch an das Deckelteil 3 angesetzt sein und von oben in den Resonanzhohlraum einmünden.
Das Gehäusebasisteil 2 ist, wie aus den Figuren 1 und 2 erkennbar, trogartig ausgebildet, wobei in die in den Figuren 1 und 2 auf der rechten Seite liegenden Trogwand eine Gewindemuffe 6 zur Aufnahme der Gewindespindel einer Mikrometerschraube 7 sowie eine Durchführungsmuffe 8 zum dichten Hindurchführen einer Lichtleitung 9 durch die Gehäusebasiswand eingesetzt sind.
Am Vorderende der Mikrometerschraube 7 befindet sich ein kleiner Reflektor in Gestalt eines Hohlspiegels 10, während auf die Stirnfläche der Lichtleitung 9 ein teildurchlässiger Spiegel 11 aufgesetzt ist. Zwischen dem Hohlspiegel 10 und dem teildurchlässigen Spiegel 11 erstreckt sich vielfach gefaltet der Strahlengang des Gaslasers innerhalb des Resonanzhohlraumes.
Zur Faltung des Strahlenganges dienen im Innenraum des Gaslasers an einander gegenüberliegenden Seiten dieses Innenraumes befestigte Reflektorleisten 12 und 13, welche einander über den keine Trennwände aufweisenden Gehäusehohlraum gegenüberstehen.
An den Reflektroleisten 12 und 13 folgen Reflektorflächen wechselnder Neigung sägezahnartig aufeinander, wie aus den Figuren 1 und 2 er-kennbar ist.
Für sämtliche zwischen den Reflektorleisten 12 und 13 verlaufenden Strahlengangabschnitte gemeinsam ist eine Hochfrequenzanregungseinrichtung vorgesehen, welche eine in den Boden des Gehäusebasisteiles 2 eingebettete Gitterelektrode 14 und eine in das Deckelteil 3 eingebettete Gitterelektrode 15 enthält.
Man er-kennt, daß die Gitterelektr-oden 14 und 15 keinen Kontakt zu dem Resonanzhohlr-aum des Gaslasers bzw. zu dessen Gasfüllung haben, so daß die Elektroden vor einer Verzunderung geschützt sind.
Die Gitterelektroden 14 und 15 sind an eine Hochfrequenzenergiequelle 16 angeschlossen, welche beim Betrieb des Lasers die Gitterelektroden 14 und 15 mit Hochfrequenzenergie einer Spannung von beispielsweise 25 kV und einer Frequenz von einigen MHz beaufschlagt. Aufgrund der vergleichsweise hohen Dielektrizitätskonstanten des Gehäusekörpermaterials wird das Hochfrequenzfeld auf den Resonanzhohlraum konzentr-iert, so daß es zu einer Gasentladung kommt, die sich quer zum optischen Str-ahlengang auf der Strecke zwischen den Elektroden 14 und 15 ausbreitet.
Als Hochfrequenzenergiequelle eignet sich ein üblicher Teslagenerator oder andere an sich bekannte Hochfrequenzgeneratoren.
Es sei noch auf den Vorteil hingewiesen, daß bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Konstruktion die Reflektorleisten 12 und 13 gesondert von dem Gehäusebasisteil 2 und dem Deckelteil 3 gehandhabt werden können und eine präzise Fertigung der reflektierenden Flächen ermöglichen, wobei die Reflektorleisten auch aus einem Material hergestellt werden können, das von demjenigen des Gehäusebasisteils 2 und des Deckelteils 3 verschieden ist.
Zur Weiterleitung des in dem Gaslaser erzeugten Laser-lichtes dienende Elemente, etwa zur Fokussierung, Kollimierung oder Defokussierung, können aus Flußspat hergestellt sein.
In Figur 3 ist eine andere Ausführungsform eines Gaslasers der hier angegebenen Art gezeigt, die man sich in der Weise gebildet vorstellen kann, daß die Anordnung nach den Figuren 1 und 2 zu einem zylindrischen Wickel aufgewickelt wird.
Im einzelnen besitzt der Gehäusekörper des Gaslasers nach Figur 3 ein aus Quarzglas gefertigtes zylindrisches Wandungsteil 17 und dicht an dieses angesetzte, im wesentlichen scheibenförmige Abschlußteile 18 und 19. Auf den einander zugekehrten Seiten tragen die Abschlußteile 18 und 19 in entsprechender Ausr-ichtung aufeinander spiralige Anordnungen von Reflektorflächen wechselnder Neigung, wie aus Figur 3 zu erkennen ist.
In der Zeichnung sind die spiraligen Anordnungen der Reflektorflächen wechselnder Neigung etwas schematisiert gezeichnet.
Praktisch grenzen die spiraligen Reihen in Radialr-ichtung im wesentlichen unmittelbar aneinander.
Die Mikrometerschraube 7 und der an ihrem Vorderende befestigte Hohlspiegel 10 sind in großem Radialabstand von der Mittellängsachse des Gehäusekörpers in das Abschlußteil 19 eingesetzt bzw.
an ihm gehalten, während die Lichtleitung 9 und der an deren Stirnfläche angesetzte teildurchlässige Spiegel 11 zentrisch in das Abschlußteil 18 eingesetzt bzw. an ihm gehaltert sind.
Zur Anregung der optischen Strahlung im Resonanzhohlraum innerhalb der zylindrischen Wandung 17 und den Abschlußteilen 18 und 19 ist die zylindrische Wandung 17 von einigen Windungen einer Hochfrequenzspule 20 umschlungen, welche an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, welcher in Figur 3 ebenfalls mit 16 bezeichnet ist.
Im Betrieb bewirkt die Hochfrequenzbeaufschlagung der Spule 20, daß sich innerhalb des Resonanzhohlraumes des Gaslasers eine Gasentladung ausbreitet, welche eine Anregung auf sämtlichen Abschnitten des vielfach gefalteten Strahlenganges zwischen dem Reflektor 10 und dem teildurchlässigen Spiegel 11 bewirkt.
Die Reflektoranordnungen des Gaslasers nach Figur 3 können ebenso wie die Reflektorleisten der Ausführungsform nach den Figur-en 1 und 2 als gesonderte Teile ausgeführt sein, welche auf die Abschlußteile an den stirnseitigen Enden der zylindrischen Wandung aufgekittet sind. Zur Vereinfachung der Darstellung sind im übrigen ein Gaseinlaßanschluß und ein Gasauslaßanschluß in Figur 3 nicht eingezeichnet, bei einer praktischen Ausführ-ungsform jedoch selbstverständlich vorhanden.
Der in Figur 3 gezeigte Gaslaser hat den Vorteil einer weiteren Konzentration der Strahlengangabschnitte auf engstem Raum, so daß durch die für sämtliche Strahlengangabschnitte vorgesehene gemeinsame Hochfrequenzanregungseinrichtung eine gleichmäßige Resonanzanregung im wesentlichen auf die gesamte wirksame Länge des Strahlenganges erfolgen kann.
- L e e r s e i t e -

Claims

Patentansprüche 5) Gaslasaer, insbesondere für Kraftfahrzeug-Zündanlagen, mit einem Reflektoren enthaltenden Gasentladungsraum, welcher in einem mindestens zweiteiligen Gehäusekörper (2, 3 bzw. 17, 18, 19) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Str-ahlengang in dem Gehäusekörper (2, 3 bzw. 17, 18, 19) zwischen einander gegenüberstehenden Reflektoranordnungen (12, 13 bzw. 18a, 19a) derart vielfach gefaltet ist, daß eine Anzahl im wesentlichen zueinander parallel verlaufender Strahlengangabschnitte gebildet ist, welchenjeweils eine gemeinsame, nicht mit der Gasfüllung des Gasentladungsraumes in Beruhrung bestehende Hochfrequenzanregungseinrichtung (14, 15, 16 bzw. 16, 20) zugeordnet ist.
2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoranordnungen (12, 13 bzw. 18a, 19a) Paare von im rechten Winkel zueinander orientierter benachbarter Spiegelflächen enthalten, von denen die eine Spiegelfläche am Ende eines Strahlengangabschnittes und die andere Spiegelfläche am gleichliegenden Ende des benachbarten Strahlengangabschnittes gelegen ist.
3. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoranordnungen (12, 13) in einem Gehäusebasisteil (2) vorgesehen sind, welches mit einem Gehäusedeckel (3) dicht zusammengefügt, vorzugsweise verkittet ist.
4. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoranordnungen einen ein Ende des Strahlengangs bestimmenden, insbesondere einstellbaren Spiegel, vorzugsweise Hohlspiegel (10) sowie einen das andere Ende des Strahlengangs bestimmenden teildurchlässigen Spiegel (11) enthalten.
5. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige Reflektoren der Reflektoranordnungen (12, 13 bzw. 18a, 19a) in Teile des Gehäusekörpers einstückig eingeformt sind.
6. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoranordnungen Reflektorleisten (12, 13) enthalten, an denen Reflektorflächen in wechselnder Neigung sägezahnartig aufeinanderfolgen und die einander gegenüberstehend in dem bzw. einem Gehäusebasisteil (2) derart befestigt sind, daß die nebeneinander liegenden Strahlengangabschnitte nicht durch Gehäusewände voneinander getrennt sind.
7. Gaslaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzanregungseinrichtung in den Boden des Gehäusebasisteiles (2) und/oder in das Deckelteil (3) eingebettete Gitterelektroden (14, 15) enthält, welche an eine Hochfrequenzenergiequelle (16) anschließbar sind.
8. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusekörper ein hohlzylindrisches Wandungsteil (17) sowie an dessen Enden abdichtend befestigte Abschlußteile (18, 19) enthält, daß die Reflektoranordnunen an den Abschlußteilen befestigte oder angeordnete, von einem umfangsnahen Punkt zum Zentrum spiralig verlaufende Reihen von Reflektorflächen wechselnder Neigung zur Faltung des Strahlenganges zu im wesentlichen zueinander parallel verlaufenden Strahlengangabschnitten enthalten und daß an einem umfangsnahen Punkt einer der Abschlußteile (18, 19) vorzugsweise einstellbar ein Spiegel, insbesondere Hohlspiegel, oder ein an die Stirnfläche einer Lichtleitung (9) angesetzter teildurchlässiger Spiegel (11) gehaltert ist, während an einem zentrumsnahen Punkt einer der Abschlußteile (18, 19) entsprechend entweder der teildurchlässige Spiegel (11) oder der Spiegel, insbesondere Hohlspiegel (10) gehaltert ist.
9. Gaslaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzanregungseinrichtung eine an einen Hochfrequenzgenerator (16) anschließbare, den hohlzylindrischen Wandungsteil (17) umschlingende Hochfrequenzspule (20) enthält.