EP2514046A2 - Laserzündsystem - Google Patents

Laserzündsystem

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EP2514046A2
EP2514046A2 EP10773274A EP10773274A EP2514046A2 EP 2514046 A2 EP2514046 A2 EP 2514046A2 EP 10773274 A EP10773274 A EP 10773274A EP 10773274 A EP10773274 A EP 10773274A EP 2514046 A2 EP2514046 A2 EP 2514046A2
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EP
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laser
active solid
laser device
light
oscillator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10773274A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heiko Ridderbusch
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Lasereinrichtung (26) für ein Laserzündsystem (27) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Stationärmotors, umfassend einen Laseroszillator (26a) wobei der Laseroszillator (26a) einen ersten laseraktiven Festkörper (44) und einen optischen Güteschalter (46) und einen für ein durch die Lasereinrichtung (26) zu erzeugendes Licht (24) teilreflektierenden Auskoppelspiegel (48) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laseroszillator (26a) einen weiteren für das durch die Lasereinrichtung (26) zu erzeugende Licht (24) teilreflektierenden Spiegel (42) aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Laserzündsystem
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Lasereinrichtung nach dem Oberbegriff des
unabhängigen Anspruchs. Die Erfindung betrifft überdies eine entsprechende
Laserzündeinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Laserzündeinrichtung.
Aus der WO 2006/125685 AI ist eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, die eine Lasereinrichtung mit einem laseraktiven Festkörper aufweist. Die Lasereinrichtung umfasst ferner einen Einkoppelspiegel, einen Auskoppelspiegel und einen passiven Q-Switch. Hierbei ist der Einkoppelspiegel für die Wellenlänge des Laserlichts hochreflektierend und der Auskoppelspiegel für die Wellenlänge des
Laserlichts teilreflektierend, sodass es nach optischer Anregung des laseraktiven Festkörpers und nach Ausbleichen des passiven Q-Switchs zur Abstrahlung eines hochenergetischen Laserimpulses aus dem laseraktiven Festkörper durch den
Auskoppelspiegel kommt. Nachfolgend steht der abgestrahlte Laserimpuls zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemischs zur Verfügung.
Nachteilig an dieser Lasereinrichtung ist es, dass nach Ausbleichendes des passiven Q- Switchs nur ein einziger hochenergetischer Laserimpuls bereit gestellt wird. Zwar kann im Prinzip nach erneutem Pumpen des laseraktiven Festkörpers und nach erneutem Ausbleichen des passiven Q-Switchs ein weiterer Laserimpuls durch den
Auskoppelspiegel emittiert werden, jedoch ist der zeitliche Abstand zwischen diesen Laserimpulsen in vielen Fällen zu groß, um die Funktion eines Zündsystems während eines Arbeitstaktes der Brennkraftmaschine positiv zu beeinflussen. Vorteile der Erfindung Erfindungsgemäße Lasereinrichtungen und erfindungsgemäße Laserzündsysteme mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 haben demgegenüber den Vorteil, dass eine Bereitstellung von mehreren hochenergetischen Laserimpulsen mit geringem aber definiertem zeitlichen Abstand, beispielsweise im Bereich von hundert Pikosekunden oder einer Nanosekunde, möglich ist. Auf diese Weise wird es möglich, während eines Arbeitstaktes einer Brennkraftmaschine mehrere Laserimpulse zu applizieren und damit das Zündverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Die Erfindung sieht vor, dass die Lasereinrichtung mindestens zwei für das durch die Lasereinrichtung zu erzeugende Licht teilreflektierende Spiegel umfasst. Somit läuft nach Zuführung von Pumplicht und nach Ausbleichen des optischen Güteschalters ein
Strahlungsfeld im Inneren des Laseroszillators um, das an diesen Spiegeln teilweise reflektiert und teilweise ausgekoppelt wird. Auf diese Weise kommt es zu einer sehr genau gleichzeitigen Emission der Laserimpulse. Nachfolgend kann das Eintreffen dieser Laserimpulse an einem Punkt oder an mehreren Punkten im Brennraum einer Brennkraftmaschine sehr genau durch den
zurückzulegenden optischen Weg angegeben werden.
Unter für das durch die Lasereinrichtung zu erzeugende Licht teilreflektierenden Spiegeln, nachfolgend auch als teilreflektierende Spiegel bezeichnet, werden vorliegend Spiegel verstanden, die 25% bis 90%, insbesondere 40% bis 80%, dieses Lichts reflektieren. In Abgrenzung hierzu werden Spiegel, die noch mehr dieses Lichts reflektieren,
insbesondere mehr als 95%, als hochreflektierende Spiegel bezeichnet. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Lasereinrichtung mindestens einen Laserverstärker umfasst, der einen zweiten laseraktiven Festkörper umfasst. Der
Laserverstärker dient der Verstärkung von mindestens einem der von dem Laseroszillator emittierten Laserimpulse. Vorteilhafterweise werden jedoch nicht alle aus dem Laseroszillator emittierten
Laserimpulse verstärkt, sondern nur solche, die den Laseroszillator durch einen oder mehrere ausgewählte teilreflektierende Spiegel verlassen. Es steht somit eine
Lasereinrichtung für eine Zündvorrichtung zur Verfügung, die räumlich und/oder zeitlich selektiv einzelne der in einen Brennraum applizierten Laserimpulse besonders
energiereich vorsehen kann.
In einer alternativen oder zusätzlichen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lasereinrichtung einen hochreflektierenden Spiegel umfasst. Mittels dieses Spiegels ist es verlustarm möglich, die Laserimpulse, die zunächst in verschiedene Richtungen propagieren, umzulenken, insbesondere so, dass sie koaxial zueinander propagieren.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lasereinrichtung einen Laserverstärker umfasst, der einen zweiten laseraktiven Festkörper umfasst, wobei ein hochreflektierender Spiegel auf einer von dem Laseroszillator abgewandten Seite des Laserverstärkers angeordnet ist beziehungsweise auf einer von dem Laseroszillator abgewandten Seite des zweiten laseraktiven Festkörpers angeordnet ist.
Unter einer von dem Laseroszillator abgewandten Seite des Laserverstärkers
beziehungsweise des zweiten laseraktiven Festkörpers ist damit die Seite gemeint, die ein von dem Laseroszillator emittierter Laserimpuls erreicht, nachdem er den Laserverstärker beziehungsweise den zweiten laseraktiven Festkörper durchquert hat.
Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass der Laserimpuls den Laserverstärker beziehungsweise den zweiten laseraktiven Festkörper ein zweites Mal, diesmal in entgegengesetzter Richtung, durchläuft und dabei eine weitere Verstärkung erfährt.
Bei einer derartigen Anordnung ist es in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung möglich, Pumplicht dem zweiten laseraktiven Festkörper durch den hochreflektierenden Spiegel zuzuführen. Das durch den zweiten laseraktiven Festkörper transmittierte
Pumplicht kann genutzt werden, um den ersten laseraktiven Festkörper zu pumpen.
Wird der zurücklaufende Laserimpuls durch einen teilreflektierenden Spiegel wiederum in sich zurückreflektiert, sind weitere Umläufe in dem Verstärker möglich und die im
Verstärker gespeicherte Energie wird noch besser ausgenutzt. Bei diesem
teilreflektierenden Spiegel kann es sich um einen Spiegel des Laserverstärkers beziehungsweise um einen Spiegel des zweiten laseraktiven Festkörpers, der sich auf der dem Laseroszillator zugewandten Seite befindet, handeln. Anderseits kann es sich bei dem teilreflektierenden Spiegel aber auch um den weiteren teilreflektierenden Spiegel des Laseroszillators handeln, durch den der nun verstärkte Laserimpuls ursprünglich aus dem Laseroszillator emittiert wurde. Der verstärkte Laserimpuls ist dann bereits dem
Laserimpuls koaxial überlagert, der den Laseroszillator durch den teilreflektierenden
Auskoppelspiegel verlassen hat. Durch den in dieser Konfiguration möglichen mehrfachen Umlauf des zu verstärkenden Laserimpulses im Laserverstärker kommt es je nach Pulsdauer des vom Laseroszillator direkt emittierten Laserimpuls, nach Reflektivität der teilreflektierenden Spiegel und nach optischen Weglängen entweder dazu, dass die Pulsdauer des verstärkten Laserimpulses größer ist als die Pulsdauer des vom
Laseroszillator direkt emittierten Laserimpuls oder aber dazu, dass der Laserverstärker nach jeder Emission des Laseroszillators durch den weiteren teilreflektierenden Spiegel mehrere verstärkte Laserimpulse emittiert. Der zeitliche Abstand zwischen diesen Pulsen entspricht dann der Zeitdauer, die ein Laserimpuls benötigt, um von dem weiteren teilreflektierenden Spiegel zu dem hochreflektierenden Spiegel und zurück zu gelangen.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind Maßnahmen vorzusehen, die
sicherstellen, dass bei Beaufschlagung der Lasereinrichtung mit Pumplicht ein
Ausbleichen des optischen Güteschalters erfolgt, bevor es innerhalb des zweiten laseraktiven Festkörpers zu einer einer Laserschwelle entsprechenden
Besetzungsinversion kommt. Auf diese Weise wird vermieden, dass es innerhalb des Verstärkers zu einem selbständigen Anschwingen einer Lasermode kommt.
Solche Maßnahmen können die Leistungsdichte von Pumplicht im ersten und/oder im zweiten laseraktiven Festkörper betreffen. Insbesondere ist vorteilhaft, der
Lasereinrichtung Pumplicht zuzuführen, das im Laseroszillator fokussiert ist und/oder im Laserverstärker defokussiert ist.
Eine monolithische Ausführung des Laseroszillators und/oder des Laserverstärkers verbessert die mechanische Robustheit des Systems. Hierfür kann ein Spiegel oder können alle Spiegel als reflektierende Beschichtung auf den ersten und/oder zweiten laseraktiven Festkörper und/oder auf den optischen Güteschalter aufgebracht sein.
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, den ersten laseraktiven Festkörper mit dem optischen Güteschalter monolithisch zu verbinden, insbesondere durch Ansprengen, Bonden und/oder Sintern. Auch der Laseroszillator kann mit dem Laserverstärker zu einer monolithischen Einheit verbunden werden, insbesondere durch Ansprengen, Bonden und/oder Sintern. Es hat sich hierbei als vorteilhaft erwiesen, eine oder mehrere auf den zu verbindenden
Endflächen vorhandene reflektierende Beschichtungen durch eine Si02-haltige
Zwischenschicht, insbesondere durch eine Zwischenschicht aus Si02, die zwischen dem Laseroszillator und dem Laserverstärker angeordnet ist, zu schützen.
Zeichnung
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Laserzündeinrichtung.
Die Figuren 2a, 2b und 2c zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung
Die Figur 3a und 3b zeigen schematisch den Intensitätsverlauf der von einer
erfindungsgemäßen Lasereinrichtungen emittierten Laserstrahlung
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs oder als Stationärmotor. Die
Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 gezeichnet 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 Kraftstoff- Druckspeicher 20 angeschlossen ist.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels mindestens eines
Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die
Lasereinrichtung 26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereit gestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 32 gesteuert, die auch den Injektor 18 ansteuert. Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 ist in der Figur 2a dargestellt und umfasst einen Laseroszillator 26a, der seinerseits einen ersten laseraktiven Festkörper 44 einen optischen Güteschalter 46 sowie einen
Auskoppelspiegel 48 und einen weiteren Spiegel 42 umfasst.
Bei dem ersten laseraktiven Festkörper 44 handelt es sich beispielsweise um einen Nd: YAG- Kristall, bei dem optischen Güteschalter 46 beispielsweise um einen CnYAG- Kristall, der mit dem ersten laseraktiven Festkörper 44 beispielsweise durch Ansprengen und Bonden monolithisch verbunden ist. Der Auskoppelspiegel 48 wird durch eine dielektrische Beschichtung des optischen Güteschalters 46 realisiert. Er weist eine
Reflektivität von 75% für Licht der Wellenlänge 1064nm auf. Der weitere Spiegel 42 wird durch eine dielektrische Beschichtung des ersten laseraktiven Festkörpers 44 realisiert. Er weist ebenfalls eine Reflektivität von 75% für Licht der Wellenlänge 1064nm auf und ist überdies hochtransmittierend für Licht der Wellenlänge 808nm, d.h. beim Übergang von Licht dieser Wellenlänge von Luft in den ersten laseraktiven Festkörpers 44 treten nur geringe Verluste auf. Die reflektierenden Flächen des Auskoppelspiegels 48 und des weiteren Spiegels 42 sind in diesem Beispiel eben und parallel zueinander angeordnet. Jedoch ist es auch mit gekrümmten Spiegeln 42, 48 in an sich bekannter Weise möglich, einen optischen Resonator auszubilden. Auch die Vorsehung weitere Resonatorspiegel, beispielsweise in einem gefalteten Aufbau oder in einem Ringresonator, insbesondere in einem nicht planaren Ringoszillator ist prinzipiell denkbar.
Der Lasereinrichtung 26 wird über eine Lichtleitereinrichtung 28, zum Beispiel über eine optische Faser oder über ein Bündel optischer Fasern, und über eine fokussierende Optik 40 Pumplicht 60 zugeführt und innerhalb des laseraktiven Festkörpers 44 fokussiert. Das Pumplicht 60 ist in diesem Beispiel Licht der Wellenlänge 808nm und wird von einer Pumplichtquelle 30, beispielsweise einem Halbleiterlaser, bereitgestellt. Zwischen fokussierender Optik 40 und Laseroszillator 26a ist beabstandet von dem Laseroszillator 26a ein hochreflektierender Spiegel 86 angeordnet, dessen reflektierende Fläche ebenfalls eben und parallel zur reflektierenden Fläche des weiteren Spiegels 42 angeordnet ist. Auch die Verwendung eines gekrümmten und/oder verkippten
hochreflektierenden Spiegel 86 wird der Fachmann als Alternative zu diesem Beispiel in Betracht ziehen. Der hochreflektierende Spiegel 86 weist eine hohe Reflektivität (zum Beispiel 98% oder mehr) für Licht der Wellenlänge 1064nm auf und ist überdies hochtransmittierend für Licht der Wellenlänge 808nm. Es ist selbstverständlich ebenfalls denkbar, das Pumplicht 60 von der gegenüberliegenden Seite longitudinal zuzuführen oder das Pumplicht 60 transversal dem ersten laseraktiven Festkörper zuzuführen. Zum Betrieb der Lasereinrichtung wird Pumplicht 60 beispielsweise in Form eines 300μ5 langen Pumplichtpulses appliziert, sodass es zum Aufbau einer Besetzungsinversion im Inneren des ersten laseraktiven Festkörpers 44 kommt. Infolge des damit verbundenen Ausbleichens des optischen Güteschalters 46 kommt es zum Aufbau eines intensiven Strahlungsfeldes im Inneren des Laseroszillators 26a. Dieses verlässt den Laseroszillator 26a zum einen direkt durch den Auskoppelspiegel 48 gemäß dessen Transmission für das erzeugte Licht in Form eines ersten Laserimpulses.
Das Strahlungsfeld verlässt das Innere des Laseroszillators 26a zum anderen aber auch durch den weiteren Spiegel 42 gemäß dessen Transmission für das erzeugte Licht in Form eines weiteren Laserimpulses.
Der erste und der weitere Laserimpuls propagieren in diesem Beispiel zunächst in einander entgegengesetzte Richtungen. Während der erste Laserimpuls jedoch direkt zum Zweck der Entzündung eines Kraftstoff- Luftgemisches 22 einem Brennraum 14 zugeführt wird, erfährt der weitere Laserimpuls eine Umlenkung an dem
hochreflektierenden Spiegel 86 und propagiert anschließend in entgegengesetzter Richtung, koaxial zur Ausbreitungsrichtung des ersten Laserimpulses. Im Folgenden wird der weitere Laserimpuls teilweise unmittelbar durch den Laseroszillator 26a hindurch transmittiert, und teilweise an den teilreflektierenden Spiegeln 42, 48 zurückreflektiert. Schlussendlich wird die dem zweiten Laserimpuls entsprechende Strahlungsmenge, zeitlich im Vergleich zum ersten Laserimpuls gestreckt, durch den Auskoppelspiegel 48 dem Brennraum zugeführt.
Insbesondere ist es möglich, den ersten und den zweiten Laserimpuls der gleichen Stelle des Brennraums zuzuführen. Dazu sind die Ausbreitungsrichtungen der Laserimpulse bis auf 2° gleich und/oder die den Laserimpulsen zuzuordnenden Foki fallen zusammen, das heißt, sie liegen lateral/transversal höchstens um zwei Rayleighlängen (insbesondere um höchstens eine Rayleighlänge)/ um höchstens zwei Fokusdurchmesser (insbesondere um höchstens einen Fokusdurchmesser) auseinander. Figur 3a zeigt den zeitlichen Intensitätsverlauf des aus dem Laseroszillator 26a in
Richtung des Brennraums 14 abgestrahlten Lichts. Gefolgt von dem ersten Laserimpuls 24a wird auch der weitere Laserimpuls 24b abgestrahlt, allerdings zeitlich gestreckt und mit niedrigerer Spitzenintensität als der erste Laserimpuls 24a.
In diesem Beispiel wird mittels des ersten Laserimpulses in dem Brennraum 14 ein Plasma gezündet, was durch dessen hohe Spitzenintensität begünstigt wird. Die dem ersten Laserimpuls nachfolgend in den Brennraum 14 abgestrahlte Strahlung wird zu einem hohen Anteil in diesem Plasma absorbiert und erhöht somit den in dem Plasma gespeicherten Energieinhalt sosehr, dass eine Zündung eines Kraftstoff- Luftgemischs in dem Brennraum ausgehend von dem Plasma auch unter ungünstigen
Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine sichergestellt ist.
Eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 ist der Figur 2b dargestellt und umfasst einen Laseroszillator 26a und einen Laserverstärker 26b.
Der Laseroszillator 26a umfasst wie in der ersten Ausführungsform einen ersten laseraktiven Festkörper 44 einen optischen Güteschalter 46 sowie einen
Auskoppelspiegel 48 und einen weiteren Spiegel 42. Der Laseroszillator 26a kann mit dem Laseroszillator 26a aus der ersten Ausführungsform übereinstimmen, bevorzugt unterscheidet er sich jedoch von diesem dadurch, dass die Reflektivität des
Auskoppelspiegels 48 für Licht der Wellenlänge 1064nm lediglich zwischen 55 und 65% beträgt und die Reflektivität des weiteren Spiegels 42 für Licht der Wellenlänge 1064nm bis zu 80% beträgt.
Wie in der ersten Ausführungsform wird der Lasereinrichtung 26 über eine
Lichtleitereinrichtung 28, zum Beispiel über eine optische Faser oder über ein Bündel optischer Fasern, und über eine fokussierende Optik 40 Pumplicht 60 zugeführt und innerhalb des laseraktiven Festkörpers 44 fokussiert. Das Pumplicht ist Licht der
Wellenlänge 808nm und wird von einer Pumplichtquelle 30, beispielsweise von einem Halbleiterlaser, bereitgestellt.
Zwischen fokussierender Optik 40 und Laseroszillator 26a ist, beispielsweise beabstandet von dem Laseroszillator 26a, der Laserverstärker 26b angeordnet, der einen zweiten laseraktiven Festkörper 70 und einen hochreflektierender Spiegel 86 umfasst. Der zweite laseraktive Festkörper 70 kann wie der erste laseraktive Festkörper 44 ausgeführt sein, er kann sich von diesem aber auch, beispielsweise bezüglich Wirtsgitter und Dotierung, unterscheiden, solange er das von dem Laseroszillator 26a erzeugte Licht zu verstärken vermag.
Der hochreflektierende Spiegel 86 ist auf der dem Laseroszillator 26a gegenüber liegenden Seite des zweiten laseraktiven Festkörpers 70 angeordnet, und ist bevorzugt als eine auf diesem aufgebrachte dielektrische Beschichtung ausgeführt. Die
reflektierende Fläche des hochreflektierenden Spiegels 86 ist beispielsweise eben und parallel zur reflektierenden Fläche des weiteren Spiegels 42 angeordnet und weist eine hohe Reflektivität für Licht der Wellenlänge 1064nm (zum Beispiel 98%) auf und ist überdies hochtransmittierend für Licht der Wellenlänge 808nm. Auch die Verwendung eines gekrümmten und/oder verkippten hochreflektierenden Spiegel 86 wird der
Fachmann als Alternative zu diesem Beispiel in Betracht ziehen.
In dieser Ausführungsform wird der Lasereinrichtung Pumplicht 60 longitudinal derart zugeführt, dass es zunächst den Laserverstärker 26b erreicht und anschließend die Anteile des Pumplichts 60, die nicht im zweiten laseraktiven Festkörper 70 absorbiert werden, den ersten laseraktiven Festkörper 44 erreichen. Es ist selbstverständlich ebenfalls denkbar, das Pumplicht 60 von der gegenüberliegenden Seite longitudinal zuzuführen oder dem ersten laseraktiven Festkörper 44 oder dem zweiten laseraktiven Festkörper 70 transversal zuzuführen. Auch eine Kombination dieser Möglichkeiten ist prinzipiell denkbar. Zum Betrieb einer Lasereinrichtung 26 gemäß der zweiten Ausführungsform wird
Pumplicht 60, beispielsweise in Form eines 400μ5 langen Pumplichtpulses, appliziert, sodass es zum Aufbau einer Besetzungsinversion im Inneren des ersten und des zweiten laseraktiven Festkörpers 44 kommt. Infolge des Ausbleichens des optischen
Güteschalters 46 kommt es zum Aufbau eines intensiven Strahlungsfeldes im Inneren des Laseroszillators 26a. Dieses verlässt den Laseroszillator 26a zum einen direkt durch den Auskoppelspiegel 48 (erster Laserimpuls) und zum anderen durch den weiteren Spiegel 42 (weiterer Laserimpuls). gemäß den Transmissionen der Spiegel 42, 48.
Der erste und der weitere Laserimpuls propagieren zunächst in einander
entgegengesetzten Richtungen. Während der erste Laserimpuls jedoch direkt zum Zweck der Entzündung eines Kraftstoff- Luftgemisches 22 dem Brennraum 14 zugeführt wird, erfährt der weitere Laserimpuls eine Verstärkung im Laserverstärker 26b, anschließend eine Umlenkung an dem hochreflektierenden Spiegel 86 und nachfolgend bei dem zweiten Durchgang durch den zweiten laseraktiven Festkörper 70 in Gegenrichtung eine weitere Verstärkung. Im Folgenden wird der weitere Laserimpuls teilweise unmittelbar durch den Laseroszillator 26a hindurch transmittiert und teilweise an den
teilreflektierenden Spiegeln 42, 48 zurückreflektiert. Die im zweiten laseraktiven
Festkörper 70 deponierte Energie wird dabei nach und nach und weitgehend vollständig an das Strahlungsfeld des weiteren Laserimpulses transferiert. Insgesamt wird der weitere Laserimpuls verstärkt und zeitlich im Vergleich zum ersten Laserimpuls gestreckt. Der weitere Laserimpuls wird nachfolgend durch den Auskoppelspiegel 48 dem Brennraum zugeführt.
Insbesondere ist es vorgesehen, den ersten und den zweiten Laserimpuls der gleichen Stelle des Brennraums zuzuführen. Dazu sind die Ausbreitungsrichtungen der
Laserimpulse bis auf 2° gleich und/oder die den Laserimpulsen zuzuordnenden Foki fallen zusammen, das heißt, sie liegen lateral/transversal höchstens um zwei Rayleighlängen (insbesondere um höchstens eine Rayleighlänge)/ um höchstens zwei Fokusdurchmesser (insbesondere um höchstens einen Fokusdurchmesser) auseinander. Figur 3b zeigt den zeitlichen Intensitätsverlauf des aus dem Laseroszillator 26a in
Richtung des Brennraums 14 abgestrahlten Lichts. Gefolgt von dem ersten Laserimpuls 24a wird auch der weitere Laserimpuls 24b abgestrahlt. Die Spitzen Intensität des ersten Laserimpulses 24a ist in diesem Beispiel höher, der Energieinhalt jedoch niedriger als bei dem zweiten Laserimpuls 24b.
Die erzeugte Laserstrahlung kann vorteilhaft derart verwendet werden, dass mittels des ersten Laserimpulses in dem Brennraum 14 ein Plasma gezündet wird, was durch dessen hohe Spitzenintensität begünstigt wird. Die dem ersten Laserimpuls nachfolgend in den Brennraum 14 abgestrahlte Strahlung wird zu einem hohen Anteil in diesem Plasma absorbiert und erhöht somit den in dem Plasma gespeicherten Energieinhalt sosehr, dass eine Zündung eines Kraftstoff- Luftgemischs in dem Brennraum ausgehend von dem Plasma auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
sichergestellt ist. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die in der Figur 2c dargestellt ist unterscheidet sich von der vorangehenden dadurch das die Lasereinrichtung 26, umfassend Laseroszillator 26a und Laserverstärker 26b monolithisch ausgeführt ist. Prinzipiell ist dieses unmittelbar, beispielsweise durch Ansprengen und nachfolgendes Sintern oder Bonden möglich. Zum Schutz einer oder mehrerer der auf einem oder mehrerer der laseraktiven Festkörper 44, 70 aufgebrachten spiegelnden Beschichtungen 42, 42a hat es sich jedoch als günstig erwiesen, zwischen den laseraktiven Festkörpern 44, 70 beziehungsweise zwischen dem Laseroszillator 26a und dem Laserverstärker 26b eine Si02-haltige Schicht, insbesondere eine Schicht aus Si02, vorzusehen.

Claims

Ansprüche
1. Lasereinrichtung (26) für ein Laserzündsystem (27) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere für eine Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs oder eines Stationärmotors, umfassend einen Laseroszillator (26a) wobei der Laseroszillator (26a) einen ersten laseraktiven Festkörper (44) und einen optischen Güteschalter (46) und einen für ein durch die Lasereinrichtung (26) zu erzeugendes Licht (24) teilreflektierenden Auskoppelspiegel (48) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laseroszillator (26a) einen weiteren für das durch die Lasereinrichtung (26) zu erzeugende Licht (24) teilreflektierenden Spiegel (42) aufweist.
2. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
teilreflektierenden Auskoppelspiegel (48) und der teilreflektierende Spiegel (42) auf gegenüberliegenden Seiten des ersten laseraktiven Festkörper (44) oder des
Laseroszillators (26a) angeordnet sind.
3. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen
Laserverstärker (26b), wobei der Laserverstärker (26b) mindestens einen zweiten laseraktiven Festkörper (70) aufweist.
4. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Laserverstärker (26b) auf einer von dem Laseroszillator (26a) abgewandten Seite einen für das durch die Lasereinrichtung (26) zu erzeugendes Licht (24)
hochreflektierenden Spiegel (86) aufweist.
5. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
hochreflektierende Spiegel (86) mit zumindest einem für das durch die
Lasereinrichtung (26) zu erzeugende Licht (24) teilreflektierenden Spiegel (42, 48, 42a) einen optischen Resonator bildet, in dem sich der zweite laseraktive Festkörper (70) befindet.
6. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hochreflektierende Spiegel (86) mit einem Spiegel (42, 48) des Laseroszillators (26a), einen optischen Resonator bildet, in dem sich der zweite laseraktive Festkörper (70) befindet.
7. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der teilreflektierende Auskoppelspiegel (48) eine Beschichtung des ersten laseraktiven Festkörpers (44) oder des optischen Güteschalter (46) ist und/oder der weitere teilreflektierende Spiegel (42, 42a) eine Beschichtung des ersten laseraktiven Festkörpers (44) ist.
8. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere teilreflektierenden Spiegel (42, 42a) eine Beschichtungen des ersten oder des zweiten laseraktiven Festkörpers (44, 70) ist und/oder der
hochreflektierenden Spiegel (86) eine Beschichtung des zweiten laseraktiven
Festkörpers (70) ist.
9. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite laseraktiven Festkörper (44, 70) eine, insbesondere durch Ansprengen, Sintern und/oder Bonden ausgebildete, monolithische Einheit darstellen.
10. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten laseraktiven Festkörper (44, 70) eine Si02-haltige
Zwischenschicht (41) angeordnet ist, wobei die Si02-haltige Zwischenschicht (41) überdies mit mindestens einer auf dem ersten oder dem zweiten laseraktiven
Festkörper (44, 70) aufgebrachten Beschichtung in Kontakt steht.
11. Laserzündsystem (27) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines
Kraftfahrzeugs oder eines Stationärmotors, umfassend eine Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 1 - 10 und umfassend mindestens eine Pumplichtquelle (30), welche ein Pumplicht (60) bereitstellt, das der Lasereinrichtung (26) zugeführt wird.
12. Laserzündsystem (27) nach Anspruch 11, umfassend eine Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 4 - 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumplicht (60) der Lasereinrichtung (26) durch den für das durch die Lasereinrichtung (26) zu erzeugende Licht (24) hochreflektierenden Spiegel (86) zugeführt wird und anschließend zunächst den zweiten laseraktiven Festkörper (70) und später den ersten laseraktiven Festkörper (44) durchläuft.
13. Laserzündsystem (27) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Mittel zur Lichtleitung (28, 40) umfasst, durch welche das Pumplicht (60) von der
Pumplichtquelle (30) zur Lasereinrichtung (26) übertragen und innerhalb der
Lasereinrichtung (26), bevorzugt innerhalb des Laseroszillators (26a), fokussiert wird.
14. Verfahren zum Betreiben eines Laserzündsystem (27) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es in Folge der Zuführung von Pumplicht (60) an die Lasereinrichtung (26) zu einem Ausbleichen des optischen Güteschalters (46) kommt und infolge dieses Ausbleichens dazu kommt, dass der Laseroszillator (26a) mindestens zwei Laserimpulse in verschiedene Richtungen emittiert.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass einer der mindestens zwei emittierten Laserimpulse, der in eine erste Richtung emittiert wird, auf einen ersten Punkt fokussiert wird und ein weiterer der mindestens zwei emittierten
Laserimpulse, der in eine andere Richtung emittiert wird, auf einen weiteren Punkt fokussiert wird, wobei der erste Punkt und der weitere Punkt im Wesentlichen übereinstimmen und/oder dass sich der zweite Laserimpuls nach Umlenkung im
Wesentlichen koaxial zu dem ersten Laserimpuls ausbreitet.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15 zum Betreiben eines
Laserzündsystem (27) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, dass es in Folge der Zuführung von Pumplicht (60) an die
Lasereinrichtung (26) zum Ausbleichen des optischen Güteschalters (46) kommt, ohne dass es unmittelbar zuvor innerhalb des zweiten laseraktiven Festkörpers (70) zu einer einer Laserschwelle entsprechenden Besetzungsinversion kommt.
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