EP2633181A1 - Laserzündkerze und betriebsverfahren hierfür - Google Patents

Laserzündkerze und betriebsverfahren hierfür

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EP2633181A1
EP2633181A1 EP11755063.2A EP11755063A EP2633181A1 EP 2633181 A1 EP2633181 A1 EP 2633181A1 EP 11755063 A EP11755063 A EP 11755063A EP 2633181 A1 EP2633181 A1 EP 2633181A1
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EP
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laser
pump light
spark plug
light emitters
light source
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11755063.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rene Hartke
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2633181A1 publication Critical patent/EP2633181A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0627—Construction or shape of active medium the resonator being monolithic, e.g. microlaser
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/102—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Definitions

  • Length portion of the spiral line can be interconnected to form an emitter group together.
  • FIG. 1 shows schematically an internal combustion engine with an inventive
  • Figure 7 is a side view of another embodiment of the invention.
  • injected fuel 22 is ignited by means of a laser beam 24, preferably in the form of a laser pulse 24 from a laser device 26 having laser spark plug 100 into the combustion chamber fourteenth is emitted.
  • the laser device 26 is powered by a pump light source 30 with pump light.
  • the pumping light source 30 is preferably in the
  • At least two pump light emitters 32 can each be activated separately from each other, whereby the beam profile of the pump radiation 60 generated by the pump light source 30 can be influenced solely by a corresponding electrical control of the individual pump light emitters 32, in particular without mobile optical components being provided in the beam path of the pump radiation 60 have to be.
  • Laser device 44 ( Figure 2), so that the pulse energy of the laser pulses generated by the laser device 26 24 is correspondingly low.
  • the pumping light source 30 can be controlled in contrast so that several, compared to the first
  • Pumplichtemitterrios radially further outwardly located pump light emitter are also controlled, compare the second smallest hexagon of Figure 3b.
  • the pump radiation 60 already has a much larger beam cross-section, so that accordingly a larger
  • Pumplichtario 30 may advantageously be a group-wise electrical interconnection of the individual pump light emitter 32 may be provided such that the illustrated in Figure 3b by the different hexagons beam cross sections are each selectable by a single control line. These are in
  • FIG. 4d illustrates the activation of the
  • FIG. 5 shows a plan view of a single pump light emitter 32a of the pump light source 30 according to FIG. 4a.
  • the pump light emitter 32a has in
  • Substantial sector shape In order to generate the pump radiation 60 (FIG. 2), a multiplicity of semiconductor lasers 320 are provided in a surface area of the pump light source 30 corresponding to the pump light emitter 32a.
  • the semiconductor lasers 320 may be flexibly connected in series with each other in series or in parallel (also possible combination thereof), resulting in a good adaptation to the electrical supply (voltage, current) for the pump light source 30 can be realized.
  • the semiconductor lasers 320 are vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs), ie, surface-emitting semiconductor lasers.
  • VCSELs vertical cavity surface emitting lasers
  • the VCSEL lasers 320 due to their relatively high maximum allowable operating temperature, are ideally suited for direct installation into the laser spark plug 100, so that in a preferred embodiment, the pump light source 30 directly into the
  • Laser spark plug 100 or in its housing 102 can be integrated. Further advantageously, the VCSEL laser 320 are robust against
  • Pumplichtemitters 32 which has a substantially rectangular contour and in the present case has a total of twelve, in turn arranged in matrix form, VCSEL semiconductor laser 320 has.
  • the pump light emitters 32 can be arranged in almost any desired manner on a target structure, such as, for example, the heat sink 34 (FIG. 3 a). More preferably, a plurality of VCSEL semiconductor lasers 320 are electrically interconnected to a pump light emitter 32 which, in turn, may be connected to a plurality of pump light emitters 32 of the same or different types to form a pump light emitter group.
  • Housing 102 ( Figure 2) of the laser spark plug 100 is given when the pump light source 30 and its heat sink 34 cohesively connected to the laser spark plug 100 and its housing 102.
  • the heat sink 34 may preferably be integrally formed with the housing 102 of the laser spark plug 100.
  • Pumplichtemitter devis 33f are illustrated by a vertical hatching.
  • FIG. 7 schematically shows a side view of an embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which a plurality of individual pump light emitters 32 that can be controlled at least in different pump light emitter groups are arranged on a heat sink 34.
  • pump radiation as can be generated according to the invention with different beam cross-sections through the pump light source 30, is illustrated.
  • a focusing optics 70 which bundles the generated pumping radiation 60 into the laser-active solid 44.
  • Laser device 26 generated laser pulse 24 should have. Especially preferred are the radially inner pump light emitters alone
  • VCSEL semiconductor lasers 320 are particularly preferably single annular
  • Pumplichtemitter phenomenon which are also referred to as VCSEL arrays, can advantageously already be shaped as complete annuli or as circular ring segments.
  • the arrangement of individual VCSEL semiconductor laser 320 to other geometric shapes or groups is also conceivable, so that in particular relatively complex
  • the individual pump light emitter groups 33a, 33b, .. be dimensioned such that in the different operating modes with different beam profiles of the pump radiation 60 each have an approximately equal power density of

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze (100) für eine Brennkraftmaschine (10), mit einer Lasereinrichtung (26), die einen laseraktiven Festkörper (44) und eine passive Güteschaltung (46) aufweist, und mit einer Pumplichtquelle (30), die dazu ausgebildet ist, Pumpstrahlung (60) zu erzeugen und auf die Lasereinrichtung (26) einzustrahlen. Erfindungsgemäß weist die Pumplichtquelle (30) eine Mehrzahl einzelner Pumplichtemitter (32) auf, wobei mindestens zwei Pumplichtemitter (32) jeweils separat voneinander ansteuerbar sind.

Description

Beschreibung
Titel
Laserzündkerze und Betriebsverfahren hierfür Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, mit einer Lasereinrichtung, die einen laseraktiven Festkörper und eine passive
Güteschaltung aufweist, und mit einer Pumplichtquelle, die dazu ausgebildet ist, Pumpstrahlung zu erzeugen und auf die Lasereinrichtung einzustrahlen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren für eine derartige
Laserzündkerze. Es ist bereits bekannt, passiv gütegeschaltete Festkörperlaser in
Laserzündkerzen für Brennkraftmaschinen zu verwenden, um energiereiche Laserzündimpulse für die Brennkraftmaschine zu erzeugen. Bekannte Systeme ermöglichen jedoch keine variable Einstellung der Impulsenergie der erzeugten Laserzündimpulse, ohne eine mechanische Bewegung der in der
Laserzündkerze angeordneten optischen Elemente, was eine komplexe und fehleranfällige Konstruktion erfordert.
Offenbarung der Erfindung Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Impulsenergie der erzeugten Laserzündimpulse variiert werden kann, ohne bewegbare optische Komponenten in der Laserzündkerze vorsehen zu müssen. Diese Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Pumplichtquelle eine Mehrzahl einzelner Pumplichtemitter aufweist, wobei mindestens zwei Pumplichtemitter jeweils separat voneinander ansteuerbar sind. Durch die erfindungsgemäße separate Ansteuerung unterschiedlicher Pumplichtemitter der Pumplichtquelle der Laserzündkerze ist es vorteilhaft möglich, das mittels der Pumpstrahlung optisch gepumpte Volumen der Lasereinrichtung beziehungsweise des laseraktiven Festkörpers zu beeinflussen, wodurch auch die Impulsenergie der erzeugten Laserzündimpulse einstellbar ist.
Beispielsweise kann durch einen parallelen Betrieb mehrerer Pumplichtemitter ein größeres Pumpvolumen in der Lasereinrichtung realisiert werden, so dass Laserzündimpulse mit höherer Impulsenergie erzeugt werden können. Sofern Laserzündimpulse mit verhältnismäßig geringer Impulsenergie erzeugt werden sollen, kann aufgrund der separaten Ansteuerbarkeit beispielsweise nur eine geringe Anzahl beziehungsweise nur ein einziger Pumplichtemitter angesteuert werden, wodurch sich ein entsprechend verkleinertes Pumpvolumen ergibt, das zu Laserzündimpulsen mit geringerer Impulsenergie führt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Pumplichtemitter auf einer im Wesentlichen flächenhaft ausgebildeten
Wärmesenke angeordnet sind, wodurch sich eine einfache und effiziente Einkopplung der erzeugten Pumpstrahlung in die Lasereinrichtung und gleichzeitig eine optimale Kühlung der Pumplichtemitter ergibt. Durch die flächenhafte Anordnung ist überdies vorteilhaft eine direkte räumliche
Entsprechung der einzelnen Pumplichtemitter mit entsprechenden Bereichen eines Strahlquerschnitts für die zu erzeugende Pumpstrahlung gegeben.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, bei der Pumpstrahlung mit einer besonderen Flexibilität hinsichtlich eines Strahlprofils beziehungsweise Strahlquerschnitts erzeugt werden kann, ist vorgesehen, dass die
Pumplichtemitter im Wesentlichen matrixartig angeordnet sind, wobei mehrere Reihen und Spalten einzelner Pumplichtemitter vorgesehen sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Pumplichtemitter im Wesentlichen entlang mehrerer virtueller konzentrischer Kreisringflächen angeordnet sind, wodurch besonders vorteilhaft kreisringförmige beziehungsweise kreisförmige Strahlprofile unterschiedlicher Durchmesser erzeugbar sind. Dadurch kann besonders vorteilhaft ein kreiszylindrisch ausgebildeter Festkörperlaser der Lasereinrichtung effizient mit Pumpstrahlung beaufschlagt werden, wobei insbesondere auch die Einstellung unterschiedlicher
Pumpvolumina möglich ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Pumplichtemitter im Wesentlichen entlang mindestens einer virtuellen Spirallinie angeordnet sind, wodurch Untersuchungen der Anmelderin zufolge ebenfalls ein für das optischen Pumpen der Lasereinrichtung effizientes Strahlprofil erzielbar ist.
Besonders vorteilhaft sind einer weiteren Ausführungsform zufolge mehrere Pumplichtemitter, die auf demselben virtuellen Kreis beziehungsweise Kreisring liegen, miteinander verschaltet, um eine Emittergruppe zu bilden, deren
Pumplichtemitter über einen Ansteueranschluss der Emittergruppe gemeinsam ansteuerbar sind. Dadurch kann erfindungsgemäß vorteilhaft eine
Pumplichtemittergruppe definiert werden, also eine Pumpstrahlung abstrahlende Fläche, welche je nach Anordnung der einzelnen Pumplichtemitter und ihrer Verschaltung zu der Emittergruppe auch komplexe Geometrien aufweisen kann.
Das vorstehend genannte Prinzip ist z.B. auch auf solche Pumplichtemitter anwendbar, die im Wesentlichen entlang einer virtuellen Spirallinie angeordnet sind, wobei jeweils mehrere Pumplichtemitter in einem vorgebbaren
Längenabschnitt der Spirallinie zu einer Emittergruppe gemeinsam verschaltet sein können.
Eine weiter verbesserte Einstrahlung von Pumpstrahlung in die zu pumpende Lasereinrichtung ist einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge dadurch gegeben, dass einzelnen Pumplichtemittern oder Gruppen von
Pumplichtemittern Mikrolinsen zur Kollimierung der Pumpstrahlung zugeordnet sind.
Bei einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Pumplichtemitter jeweils mindestens einen, vorzugsweise jedoch mehrere, Halbleiterlaser vom Typ vertical cavity surface emitting laser, VCSEL, also oberflächenemittierende Halbleiterlaser, aufweisen.
Eine besonders klein bauende und betriebssichere Anordnung ergibt sich einer weiteren Ausführungsform zufolge dadurch, dass die Pumplichtquelle in ein Gehäuse der Laserzündkerze integriert ist.
Besonders bevorzugt kann die Wärmesenke auch stoffschlüssig verbunden sein mit dem Gehäuse der Laserzündkerze. Eine einstückige Ausbildung der Wärmesenke zusammen mit dem Gehäuse der Laserzündkerze ist ebenfalls denkbar.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein
Betriebsverfahren gemäß Patentanspruch 11 angegeben. Bei dem
erfindungsgemäßen Betriebsverfahren ist vorgeschlagen, dass die
Pumplichtquelle eine Mehrzahl einzelner Pumplichtemitter aufweist, und dass mindestens zwei Pumplichtemitter jeweils separat voneinander angesteuert werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass unterschiedliche Gruppen von Pumplichtemittern in Abhängigkeit einer Impulsenergie angesteuert werden, die ein von der
Lasereinrichtung erzeugter Laserimpuls aufweisen soll. Die Definition der Pumplichtemittergruppen kann auf mehrere Arten erfolgen. Einerseits können unterschiedliche einzelne Pumplichtemitter miteinander verschaltet werden, um eine gemeinsam ansteuerbare Pumplichtemittergruppe zu bilden. Andererseits kann jeder einzelne Pumplichtemitter der Pumplichtquelle mit einer die
Pumplichtquelle ansteuernden Ansteuerschaltung verbunden sein, so dass die Ansteuerschaltung direkt die einzelnen Emitter ansteuern kann. Bei dieser Erfindungsvariante ist die größtmögliche Flexibilität hinsichtlich der Erzeugung von Pumpstrahlung mit unterschiedlichen Strahlprofilen gegeben, weil einzelne Pumplichtemitter selektiv an- und abgeschaltet (das heißt angesteuert) werden können.
Um die schaltungstechnische Anbindung der erfindungsgemäßen
Pumplichtquelle an eine Ansteuerschaltung zu vereinfachen, wird bevorzugt jedoch eine Verschaltung jeweils mehrerer Pumplichtemitter untereinander derart vorgenommen, dass sich mehrere Pumplichtemittergruppen ergeben, welche beispielsweise kreisringförmig ausgebildet sind und sich - bevorzugt koaxial zueinander - radial von innen nach außen über die Pumplichtquelle erstrecken.
Eine Verschaltung einzelner Pumplichtemitter zu Pumplichtemittergruppen, welche eine im Wesentlichen hexagonale oder andersartige vieleckige Struktur aufweisen, ist ebenfalls denkbar. Derartige Pumplichtemittergruppen können während der Fertigung zu komplexeren Geometrien wie z.B. Kreisringen usw. durch entsprechendes Positionieren auf der Wärmesenke oder einem
Trägerelement kombiniert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass radial innere Pumplichtemitter angesteuert werden, um einen Laserimpuls mit einer ersten Impulsenergie zu erzeugen, und dass radial innere und radial äußere Pumplichtemitter angesteuert werden, um einen Laserimpuls mit einer zweiten Impulsenergie zu erzeugen, die größer ist als die erste Impulsenergie. 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. 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 beziehungsweise Darstellung in der
Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäße
Laserzündkerze;
Figur 2 schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze aus Figur 1 im Detail; Figur 3a schematisch eine Seitenansicht einer Pumplichtquelle gemäß einer Ausführungsform;
Figur 3b schematisch eine Draufsicht auf die Pumplichtquelle gemäß Figur 3a;
Figur 4a
bis 4e jeweils schematisch eine weitere Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Pumplichtquelle in unterschiedlichen
Betriebszuständen;
Figur 5 eine Detailansicht eines einzelnen Pumplichtemitters der
Pumplichtquelle gemäß Figur 4a;
Figur 6a eine Draufsicht auf einen Pumplichtemitter gemäß einer weiteren
Ausführungsform;
Figur 6b schematisch eine Seitenansicht auf eine Pumplichtquelle gemäß einer weiteren Ausführungsform; Figur 6c schematisch eine Ausführungsform einer Pumplichtquelle mit einer spiralförmigen Anordnung von Pumplichtemittern; und
Figur 7 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Laserzündkerze.
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die
Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet 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 auch als Rail bezeichneten Kraftstoff- Druckspeicher 20 angeschlossen ist.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserstrahls 24 entzündet, der vorzugsweise in Form eines Laserimpulses 24 von einer eine Lasereinrichtung 26 aufweisenden Laserzündkerze 100 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 durch eine Pumplichtquelle 30 mit Pumplicht gespeist. Die Pumplichtquelle 30 ist bevorzugt in die
Laserzündkerze 100 integriert und wird von einem Steuergerät 31 gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuert.
Die Pumplichtquelle 30 bildet zusammen mit der die Lasereinrichtung 26 aufweisenden Laserzündkerze 100 ein laserbasiertes Zündsystem 27 der Brennkraftmaschine 10.
Das laserbasierte Zündsystem 27 kann neben Brennkraftmaschinen für
Kraftfahrzeuge auch in stationären Motoren wie z.B. Großgasmotoren usw. eingesetzt werden.
Wie aus der Detailansicht der Figur 2 ersichtlich ist, weist die Lasereinrichtung 26 neben einem laseraktiven Festkörper 44 erfindungsgemäß auch eine passive Güteschaltung 46 auf, so dass die Komponenten 44, 46 zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen passiv
gütegeschalteten Laser-Oszillator bilden.
Die grundsätzliche Funktionsweise der Lasereinrichtung 26 ist folgende:
Pumplicht 60, das der Lasereinrichtung 26 von der Pumplichtquelle 30 zugeführt wird, tritt durch den für eine Wellenlänge des Pumplichts 60 durchsichtigen Einkoppelspiegel 42 in den laseraktiven Festkörper 44 ein. Dort wird das Pumplicht 60 absorbiert, was zu einer Besetzungsinversion führt. Die zunächst hohen Transmissionsverluste der passiven Güteschaltung 46 verhindern eine Laser-Oszillation in der Lasereinrichtung 26. Mit steigender Pumpdauer steigt jedoch auch die Strahlungsdichte in dem Inneren des durch den laseraktiven Festkörper 44 und die passive Güteschaltung 46 sowie die Spiegel 42, 48 gebildeten Resonators. Ab einer gewissen Strahlungsdichte bleicht die passive Güteschaltung 46 beziehungsweise ein sättigbarer Absorber der passiven Güteschaltung 46 aus, so dass eine Laser-Oszillation in dem Resonator zustande kommt.
Durch diesen an sich bekannten Mechanismus wird ein Laserstrahl 24 in Form eines sog. Riesenimpulses erzeugt, der durch den Auskoppelspiegel 48 hindurchtritt und nachfolgend als Laserzündimpuls bezeichnet wird. Anstelle der vorstehend beschriebenen passiven Güteschaltung 46 ist auch der Einsatz einer aktiven Güteschaltung denkbar.
Wie bereits vorstehend erwähnt, ist die Pumplichtquelle 30 - ebenso wie die Lasereinrichtung 26 - bevorzugt direkt in einem Gehäuse 102 der
Laserzündkerze 100 angeordnet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Pumplichtquelle 30 eine Mehrzahl einzelner Pumplichtemitter 32 aufweist. Figur 3a zeigt hierzu schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Pumplichtquelle 30, bei der mehrere einzelne Pumplichtemitter 32 auf einer im Wesentlichen flächenhaft
ausgebildeten Wärmesenke 34 angeordnet sind. Anstelle einer Wärmesenke 34 kann auch ein andersartiges Trägerelement vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Pumplichtemitter 32 jeweils separat voneinander ansteuerbar, wodurch das von der Pumplichtquelle 30 insgesamt erzeugte Strahlprofil der Pumpstrahlung 60 allein durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung der einzelnen Pumplichtemitter 32 beeinflusst werden kann, insbesondere ohne dass bewegliche optische Komponenten in dem Strahlengang der Pumpstrahlung 60 vorgesehen sein müssen.
Figur 3b zeigt eine Draufsicht auf die Pumplichtquelle 30 aus Figur 3a, aus der ersichtlich ist, dass die einzelnen Pumplichtemitter 32 der Pumplichtquelle 30 im Wesentlichen matrixförmig, das heißt in mehreren Reihen und Spalten, über die Wärmesenke 34 verteilt, angeordnet sind.
Durch eine gezielte Ansteuerung einzelner Pumplichtemitter 32 oder von Gruppen von Pumplichtemittern kann beispielsweise eine Vielzahl von unterschiedlichen Strahlprofilen realisiert werden, wie sie in Figur 3b durch die mittels gestrichelter Linien angedeuteten Sechsecke veranschaulicht sind.
Beispielsweise kann in einer ersten Betriebsart lediglich eine erste
Pumplichtemittergruppe angesteuert werden, die durch das innerste Sechseck in Figur 3b symbolisiert ist, also die vier mittleren Pumplichtemitter der Anordnung. Bei dieser Betriebsart ergibt sich aufgrund des geringen Strahlquerschnitts der Pumpstrahlung 60 ein entsprechend geringes Pumpvolumen in der
Lasereinrichtung 44 (Figur 2), so dass auch die Impulsenergie der von der Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserimpulse 24 entsprechend gering ist. In einer weiteren Betriebsart kann die Pumplichtquelle 30 demgegenüber so angesteuert werden, dass mehrere, gegenüber der ersten
Pumplichtemittergruppe radial weiter außen gelegene Pumplichtemitter ebenfalls angesteuert werden, vergleiche das zweitkleinste Sechseck aus Figur 3b. Bei dieser Betriebsart weist die Pumpstrahlung 60 bereits einen wesentlich größeren Strahlenquerschnitt auf, so dass sich dementsprechend ein größeres
Pumpvolumen in der Lasereinrichtung 26 und damit eine gesteigerte
Impulsenergie für die erzeugten Laserimpulse 24 (Figur 1) ergibt.
Weitere, radial noch weiter außen liegende einzelne Pumplichtemitter 32 können bei Bedarf im Sinne der vorstehend beschriebenen hexagonalen Konfiguration ebenfalls dazugeschaltet werden, um das Pumpvolumen in entsprechender Weise zu vergrößern.
Neben einer Einzelansteuerung der einzelnen Pumplichtemitter 32 der
Pumplichtquelle 30 kann vorteilhaft eine gruppenweise elektrische Verschaltung der einzelnen Pumplichtemitter 32 derart vorgesehen sein, dass die in Figur 3b durch die unterschiedlichen Sechsecke abgebildeten Strahlquerschnitte jeweils durch eine einzige Ansteuerleitung auswählbar sind. Hierzu sind in
entsprechender Weise alle einzelnen Pumplichtemitter 32 untereinander für eine gemeinsame Ansteuerung durch eine Ansteuerelektronik zu verbinden, die in dem entsprechenden hexagonalen Bereich liegen.
Figur 4a zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Pumplichtquelle 30, bei der die einzelnen Pumplichtemitter 32a im Wesentlichen Sektorform aufweisen. Besonders bevorzugt sind die
Pumplichtemitter 32a einer weiteren Erfindungsvariante zufolge derart miteinander verschaltet, dass sich gemeinsam ansteuerbare
Pumplichtemittergruppen ergeben, welche im Wesentlichen eine Kreisringfläche abdecken. Beispielsweise können alle radial inneren Pumplichtemitter (nicht näher bezeichnet) gemeinsam zu einer ersten Pumplichtemittergruppe verschaltet sein, so dass die innere Kreisfläche 33a (Figur 4b) separat zur Erzeugung von Pumpstrahlung 60 mit geringem Strahldurchmesser ansteuerbar ist, vgl. den schraffierten Flächenbereich der Pumplichtquelle 30 in Figur 4b. Eine weitere Kreisringfläche 33b kann dementsprechend einer weiteren
Pumplichtemittergruppe zugeordnet sein. Figur 4c zeigt eine Draufsicht auf die Pumplichtquelle 30 gemäß Figur 4b, wobei zusätzlich zu der inneren
Pumplichtemittergruppe 33a auch die kreisringförmige, radial weiter außen gelegene Pumplichtemittergruppe 33b aktiviert ist (schraffierter Bereich).
In entsprechender Weise veranschaulicht Figur 4d die Aktivierung der
Pumplichtquelle 30 unter gleichzeitiger Ansteuerung der ersten drei radial inneren Pumplichtemittergruppen 33a, 33b, 33c, vergleiche Figur 4b.
Figur 4e schließlich zeigt eine Draufsicht auf die Pumplichtquelle 30 gemäß Figur 4b, bei der alle Pumplichtemittergruppen angesteuert sind und sich
dementsprechend ein maximales Pumpvolumen in der Lasereinrichtung 26 (Figur 2) ergibt.
Ein elektrischer Anschluss der radial äußeren Pumplichtemittergruppe 33d (Figur 4b) ist aus Figur 4a ersichtlich. Die gestrichelten Linien 33d' im Bereich der Pumplichtemittergruppe 33d symbolisieren einen gemeinsamen elektrischen Anschluss aller radial äußeren Pumplichtemitter derart, dass sich die
Kreis ringfläche 33d (Figur 4b) ergibt. Eine derartige elektrische Beschaltung kann analog für die radial weiter innen liegenden Pumplichtemittergruppen 33a, 33b, 33c vorgesehen sein, so dass für eine kreisringindividuelle elektrische
Ansteuerung der in Figur 4b bis 4d veranschaulichten Betriebszustände allein vier elektrische Ansteuerleitungen vorzusehen sind und sich eine entsprechend einfache Verkabelung von der Pumplichtquelle 30 zu dem Steuergerät 31 (Figur 1) ergibt.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf einen einzelnen Pumplichtemitter 32a der Pumplichtquelle 30 gemäß Figur 4a. Der Pumplichtemitter 32a weist im
Wesentlichen Sektorform auf. Zur Erzeugung der Pumpstrahlung 60 (Figur 2) sind eine Vielzahl von Halbleiterlasern 320 in einem dem Pumplichtemitter 32a entsprechenden Flächenbereich der Pumplichtquelle 30 vorgesehen. Die Halbleiterlaser 320 können in flexibler Weise zueinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sein (auch Kombination hieraus möglich), wodurch sich eine gute Anpassung an die elektrische Versorgung (Spannung, Strom ) für die Pumplichtquelle 30 realisieren lässt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Halbleiterlasern 320 um VCSEL (vertical cavity surface emitting Iaser)-Laser, also oberflächenemittierende Halbleiterlaser. Die VCSEL-Laser 320 sind aufgrund ihrer verhältnismäßig hohen maximal zulässigen Betriebstemperatur ideal geeignet für einen direkten Einbau in die Laserzündkerze 100, so dass bei einer bevorzugten Ausführungsform die Pumplichtquelle 30 direkt in die
Laserzündkerze 100 beziehungsweise in ihr Gehäuse 102 integriert werden kann. Weiter vorteilhaft sind die VCSEL-Laser 320 robust gegenüber
Rückreflexen der Pumpstrahlung 60 und leiden nicht unter COMD (catastrophical optical mirror damage). Figur 6a zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines
Pumplichtemitters 32, der im Wesentlichen Rechteckkontur aufweist und vorliegend insgesamt über zwölf, wiederum matrixförmig angeordnete, VCSEL- Halbleiterlaser 320 verfügt. Die Pumplichtemitter 32 können in Abhängigkeit der Geometrie der zu pumpenden Lasereinrichtung 26 in nahezu beliebiger weise auf einer Zielstruktur, wie beispielsweise der Wärmesenke 34 (Figur 3a), angeordnet werden. Besonders bevorzugt sind mehrere VCSEL-Halbleiterlaser 320 elektrisch miteinander zu einem Pumplichtemitter 32 verschaltet, der seinerseits wiederum mit mehreren Pumplichtemittern 32 gleichen oder verschiedenen Typs verschaltet sein kann, um eine Pumplichtemittergruppe zu bilden.
Figur 6b zeigt schematisch eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumplichtquelle 30, bei der einzelnen Pumplichtemittern 32 jeweils eine Mikrolinse 36 zugeordnet ist, die insbesondere dazu ausgebildet ist, die von den einzelnen Pumplichtemittern 32 erzeugte Pumpstrahlung zu kollimieren, wodurch sich eine weiter verbesserte Einkopplung der
Pumpstrahlung 60 von der Pumplichtquelle 30 in die Lasereinrichtung 26 ergibt.
Ein besonders guter Wärmeübergang von der Pumplichtquelle 30 zu dem
Gehäuse 102 (Figur 2) der Laserzündkerze 100 ist dann gegeben, wenn die Pumplichtquelle 30 beziehungsweise ihre Wärmesenke 34 stoffschlüssig verbunden ist mit der Laserzündkerze 100 beziehungsweise ihrem Gehäuse 102. Die Wärmesenke 34 kann bevorzugt auch einstückig mit dem Gehäuse 102 der Laserzündkerze 100 ausgebildet sein.
Figur 6c zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumplichtquelle 30. Vorliegend sind einzelne
Pumplichtemitter 32 entlang einer virtuellen Spirallinie L angeordnet. Die ersten vier radial inneren, in Figur 6c nicht näher bezeichneten Pumplichtemitter sind vorliegend miteinander verschaltet und bilden somit eine erste
Pumplichtemittergruppe 33e. Radial weiter außen liegende Pumplichtemitter 32 sind ebenfalls zu einer Pumplichtemittergruppe 33f verschaltet. Zur
Hervorhebung der einzelnen Pumplichtemittergruppen sind die Pumplichtemitter der ersten Pumplichtemittergruppe 33e durch eine schräge Schraffur
gekennzeichnet, während die einzelnen Pumplichtemitter 32 der zweiten
Pumplichtemittergruppe 33f durch eine vertikale Schraffur veranschaulicht sind.
Auch die in Figur 6c abgebildete Konfiguration ermöglicht eine separate
Ansteuerung unterschiedlicher Pumplichtemittergruppen 33e, 33f und somit die Beeinflussung des Pumpvolumens der Lasereinrichtung 26 (Figur 2).
Figur 7 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der eine Vielzahl von einzelnen oder zumindest in unterschiedlichen Pumplichtemittergruppen ansteuerbaren Pumplichtemittern 32 auf einer Wärmesenke 34 angeordnet sind. Mit dem Bezugszeichen 60 ist wiederum Pumpstrahlung, wie sie erfindungsgemäß mit unterschiedlichen Strahlquerschnitten durch die Pumplichtquelle 30 erzeugbar ist, veranschaulicht.
Der Pumplichtquelle 30 optisch nachgeordnet ist eine Fokussieroptik 70, die die erzeugte Pumpstrahlung 60 in den laseraktiven Festkörper 44 bündelt. Dort ergibt sich - je nach Strahlquerschnitt der Pumpstrahlung 60 - in vorstehend beschriebener Weise jeweils ein unterschiedlich großes Pumpvolumen V, was zu Laserzündimpulsen 24 (Figur 1) mit entsprechend unterschiedlicher
Impulsenergie führt. Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für die Laserzündkerze 100 kann vorteilhaft vorsehen, die mehreren Pumplichtemitter 32 beziehungsweise unterschiedliche Pumplichtemittergruppen 33a, 33b, .. (Figur 4b) separat voneinander anzusteuern, um das Strahlprofil der
Pumpstrahlung 60 in der vorstehend beschriebenen Weise zu modifizieren.
Insbesondere können unterschiedliche Gruppen von Pumplichtemittern in Abhängigkeit der Impulsenergie angesteuert werden, die ein von der
Lasereinrichtung 26 erzeugter Laserimpuls 24 (Figur 1) aufweisen soll. Besonders bevorzugt werden allein die radial inneren Pumplichtemitter
(vergleiche Pumplichtemittergruppe 33a aus Figur 4b) angesteuert, um
Laserimpulse 24 mit verhältnismäßig geringer Impulsenergie zu erzeugen, während zusätzlich radial weiter außen liegende Pumplichtemittergruppen (vergleiche Bezugszeichen 33b, 33c, 33d) dann zusätzlich angesteuert werden, wenn Laserimpulse 24 mit einer größeren Impulsenergie erzeugt werden sollen.
Durch die Definition der mehreren Pumplichtemittergruppen kann darüberhinaus festgelegt werden, mit welcher Granularität die Lasereinrichtung 26 mit der Pumpstrahlung 60 beaufschlagbar ist. Bei der Verwendung von VCSEL- Halbleiterlasern 320 werden besonders bevorzugt einzelne kreisringförmige
Pumplichtemittergruppen jeweils miteinander verschaltet. Diese
Pumplichtemittergruppen, die auch als VCSEL-Arrays bezeichnet werden, können vorteilhaft bereits geformt sein wie vollständige Kreisringe oder wie Kreisringsegmente. Die Anordnung einzelner VCSEL-Halbleiterlaser 320 zu anderen geometrischen Formen beziehungsweise Gruppen ist ebenfalls denkbar, so dass sich insbesondere auch verhältnismäßig komplexe
Pumpstrahlprofile realisieren lassen.
Besonders effiziente Fertigungsprozesse sind dann möglich, wenn eine Vielzahl von kleinen, im Wesentlichen rechteckförmigen, VCSEL-Arrays vorgesehen werden (Figur 6a), die bei einer Montage der Pumplichtquelle 30 in
entsprechender Weise auf einem gemeinsamen Substrat positioniert werden, beispielsweise um die Konfiguration gemäß Figur 4a anzunehmen oder zumindest anzunähern. Bei einer weiteren besonders bevorzugten Erfindungsvariante ist vorgesehen, die einzelnen Pumplichtemittergruppen 33a, 33b, .. derart zu dimensionieren, dass sich in den unterschiedlichen Betriebsarten mit unterschiedlichen Strahl profilen der Pumpstrahlung 60 jeweils eine in etwa gleiche Leistungsdichte der
Pumpstrahlung 60 in der Lasereinrichtung 26 einstellt.
Die erfindungsgemäß ermöglichte Variation der Pumpenergie und damit auch der Impulsenergie der Laserzündimpulse 24 wird vorteilhaft allein durch die geometrische und elektrische Konfiguration sowie eine entsprechende
elektrische Ansteuerung bewirkt und erfordert keine beweglichen optischen Komponenten. Sie ist daher sehr schnell im Vergleich zu konventionellen
Systemen mit mechanisch beweglichen Teilen.
Erfindungsgemäß können sogar mehrere Laserzündimpulse 24 je Arbeitstakt der Brennkraftmaschine 10 erzeugt werden, wobei die Laserzündimpulse 24 - jeweils durch Ansteuerung mit Pumpstrahlung 60 unterschiedlichen
Strahlquerschnitts - auch unterschiedliche Impulsenergien aufweisen können. Dadurch kann die laserbasierte Zündeinrichtung 27 sich vorteilhaft an
unterschiedliche Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 10 (Leerlauf, Volllast) anpassen.

Claims

Ansprüche
1. Laserzündkerze (100) für eine Brennkraftmaschine (10), mit einer Lasereinrichtung (26), die einen laseraktiven Festkörper (44) und eine passive Güteschaltung (46) aufweist, und mit einer Pumplichtquelle (30), die dazu ausgebildet ist, Pumpstrahlung (60) zu erzeugen und auf die Lasereinrichtung (26) einzustrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle (30) eine Mehrzahl einzelner
Pumplichtemitter (32) aufweist, wobei mindestens zwei Pumplichtemitter (32) jeweils separat voneinander ansteuerbar sind.
2. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Pumplichtemitter (32) auf einer im Wesentlichen flächenhaft ausgebildeten
Wärmesenke (34) angeordnet sind.
3. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Pumplichtemitter (32) im Wesentlichen matrixartig angeordnet sind.
4. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Pumplichtemitter (32a) im Wesentlichen entlang mehrerer virtueller konzentrischer Kreisringflächen angeordnet sind.
5. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Pumplichtemitter (32a) im Wesentlichen entlang mindestens einer virtuellen Spirallinie (L) angeordnet sind.
6. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Pumplichtemitter (32a), die auf demselben virtuellen Kreis oder einem vorgebbaren Längenabschnitt der Spirallinie (L) liegen, miteinander verschaltet sind, um eine Emittergruppe (33a, 33b, 33c, 33d; 33e) zu bilden, deren Pumplichtemitter (32a) über einen Ansteueranschluss (33d') der Emittergruppe (33d) gemeinsam ansteuerbar sind.
7. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass einzelnen Pumplichtemittern (32) oder Gruppen von Pumplichtemittern Mikrolinsen (36) zur Kollimierung der Pumpstrahlung (60) zugeordnet sind.
8. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Pumplichtemitter (32) jeweils mindestens einen, vorzugsweise jedoch mehrere, Halbleiterlaser (320) vom Typ vertical cavity surface- emitting Laser, VCSEL, aufweisen.
9. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle (30) in ein Gehäuse (102) der
Laserzündkerze (100) integriert ist.
10. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wärmesenke (34) stoffschlüssig verbunden und/oder einstückig ausgebildet ist mit dem Gehäuse (102) der Laserzündkerze (100).
1 1. Verfahren zum Betreiben einer Laserzündkerze (100) für eine Brennkraftmaschine (10), mit einer Lasereinrichtung (26), die einen laseraktiven Festkörper (44) und eine passive Güteschaltung (46) aufweist, und mit einer Pumplichtquelle (30), die dazu ausgebildet ist, Pumpstrahlung (60) zu erzeugen und auf die Lasereinrichtung (26) einzustrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle (30) eine Mehrzahl einzelner Pumplichtemitter (32) aufweist, und dass mindestens zwei Pumplichtemitter (32) jeweils separat voneinander angesteuert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche
Gruppen (33a, 33b, 33c, 33d; 33e) von Pumplichtemittern (32) in Abhängigkeit einer Impulsenergie angesteuert werden, die ein von der Lasereinrichtung (26) erzeugter Laserimpuls (24) aufweisen soll.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass radial innere Pumplichtemitter (32) angesteuert werden, um einen Laserimpuls (24) mit einer ersten Impulsenergie zu erzeugen, und dass radial innere und radial äußere Pumplichtemitter (32) angesteuert werden, um einen Laserimpuls (24) mit einer zweiten Impulsenergie zu erzeugen, die größer ist als die erste Impulsenergie.
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