JP2016531448A - レーザ点火システム - Google Patents

Abstract

【課題】冒頭に述べた形式のレーザ点火システムを改良して、耐用年数が長く、安価で効果的であり、しかも点火しようとする空気／ガス混合気の着火およびプラズマ形成に関連して確実なものを提供することである。【解決手段】内燃機関のためのレーザ点火システム（１）であって、垂直エミッタ（２）とレーザ活性結晶とを有している形式のものにおいて、レーザ活性結晶が少なくとも領域的にイッテルビウムドーピングされており、イッテルビウムドーピングされた領域（５）が、２００μｍ〜７０００μｍの長さ（１２）、特に３００μｍ〜５０００μｍの長さ（１２）を有していることを特徴とする、レーザ点火システム（１）。【選択図】 図１

Description

本発明は、特に内燃機関のためのレーザ点火システムであって、垂直エミッタおよびレーザ活性結晶を有している形式のものに関する。

今日のレーザ点火適用例では、受動式のＱスイッチ回路を有する、モノリシックに構成され、ネオジム（Ｎｄ）ドーピングされた固体レーザが、光線源としてしばしば用いられる。ポンプ光源として、ポンプ光を場合によっては光導体ファイバを介して横方向または長手方向に固体レーザ内にもたらす、エッジエミッタとも称呼される端面発光型半導体レーザ、または特許文献１に記載されているような、長手方向のポンプ光配置構成を有する、ＶＣＳＥＬまたは垂直エミッタとも称呼される垂直発光型半導体レーザが用いられる。

ネオジムドーピングされた固体レーザの代わりに、イッテルビウム（Ｙｂ）ドーピングされた固体レーザを使用してもよい。イッテルビウムドーピングされた固定レーザのためのポンプ光源として、繊維結合されたエッジエミッタが使用される。

特許文献２（未公開）には、点火しようとする空気／ガス混合気の希薄性および燃焼安定性を考慮した良好な着火のためには、着火点におけるパルスエネルギだけが重要なのではなく、点火レーザ光線の形状も、点火しようとする空気／ガス混合気の着火およびプラズマ形成にとって決定的であると記載されている。点火レーザ光線の形状のための単位は光線品質Ｍ^２である。イッテルビウムドーピングされた固体レーザの誘導放出時における断面積は、ネオジムドーピングされた固定レーザと比較して小さいことに基づいて、イッテルビウムドーピングされた固体レーザは、基本的に良好な光線品質Ｍ^２を有している。

ドイツ連邦共和国特許公開第１０２０１００４２４５３号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願第１０２０１３２０２１８４．４号明細書（未公開）

そこで本発明の課題は、冒頭に述べた形式のレーザ点火システムを改良して、耐用年数が長く、安価で効果的であり、しかも点火しようとする空気／ガス混合気の着火およびプラズマ形成に関連して確実なものを提供することである。

この課題は、本発明によれば、冒頭に述べた形式のレーザ点火システムにおいて、レーザ活性結晶が少なくとも領域的にイッテルビウムドーピングされており、この場合、前記イッテルビウムドーピングされた領域が、２００μｍ〜７０００μｍの長さを有していることによって、解決される。

本発明に従って、イッテルビウムドーピングされた領域を有するレーザ活性結晶を垂直エミッタによってポンピングすることによって、高い効果および高い点火確実性を有するレーザ点火システムが得られる、という利点を有している。冒頭に述べたように、点火しようとする空気／ガス混合気の良好な着火および良好なプラズマ形成のためには、着火点におけるパルスエネルギだけではなく、点火レーザ光線の形状も重要である。ネオジムドーピングされたレーザ活性結晶よりも潜在的に改善された光線品質Ｍ^２を有する、イッテルビウムドーピングされたレーザ活性結晶を、円形の強度分布プロファイルおよび特に良好な光線品質Ｍ^２も有する垂直エミッタと組み合わせて使用することによって、点火しようとする空気／ガス混合気を確実に着火させる良好な集束性を有するレーザ点火システムが得られる。

さらに、垂直エミッタは非常に頑丈であり、従って中長期的な耐用年数を有していて、しかも安価である。また、イッテルビウムドーピングされたレーザ活性結晶の直径を、誘導放出のための僅かな断面積に基づいて、ネオジムドーピングされたレーザ活性結晶におけるよりも小さく選定することができ、レーザ活性結晶の製造コストを節約することができる。

エッジエミッタと比較して約１単位だけ小さい、垂直エミッタの輝度（＝出力／（面^＊立体角））に基づいて、好適には、レーザ活性結晶の、イッテルビウムドーピングされた領域は、高いＹｂドーピングを有しており、それによって固体レーザは均一にポンピングされ得る。レーザ活性結晶のイッテルビウムドーピングされた領域は、例えば３ａｔ％よりも小さくない、特に７ａｔ％よりも小さくないＹｂドーピングを有している。好適な形式で、Ｙｂドーピングは、３０ａｔ％よりも大きくない、特に２０ａｔ％よりも大きくない。この場合、ドーピング濃度は、ポンプ光の吸収長さが数１００μｍ〜数ｍｍだけ長く、ポンプ光のレイリー長さの約半分に相当する程度に、大きく選定される。ポンプ光のレイリー長さは、レーザ活性結晶のＹｂドーピングされた領域内で、例えば２００μｍ〜１００００μｍの範囲内である。

レーザ活性結晶のＹｂドーピングされた領域の長さは、ポンプ光のレイリー長さおよび吸収長さに適合される。レイリー長さは、レーザ光線の断面積の大きさがビーム縮径部から出発して２倍になる、光軸に沿った間隔である。

以下では第１の領域とも称呼されているＹｂドーピングされた領域は、２００μｍよりも短くなく、特に３００μｍよりも短くない。好適な形式で、第１の領域は、７０００μｍよりも長くなく、特に５０００μｍよりも長くない。好適には、第１の領域の長さは、イッテルビウムのドーピング濃度、およびポンプ光のレイリー長さおよび吸収長さに適合されるので、一方では、すべてのポンプ光若しくは６８％よりも少なくないポンプ光が第１の領域内で吸収され、他方では第１の領域は必要以上に長くないので、材料が浪費されることはない。母体結晶として、第１の領域のためにＹＡＧ結晶またはＬｕＡＧ結晶が使用されてよい。

好適な実施形態によれば、レーザ活性結晶は、５ｍｍよりも小さくない全長を有している。好適な形式で、レーザ活性結晶は５０ｍｍよりも長くない。特に、レーザ活性結晶の全長は、１０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲内、特に１５ｍｍ〜３０ｍｍの範囲内にあってよい。

レーザ活性結晶は、１実施態様によれば、Ｙｂドーピングされた第１の領域の隣に少なくとも１つの第２の領域を有している。特にレーザ活性結晶は３つの領域を有していてよい。好適な形式で、レーザ活性結晶は、その複数の領域が全体的にまたは少なくとも部分的にモノリスとして構成されている。つまりこれら複数の領域は、例えばオプティカルコンタクトまたはボンディングによって素材結合式に互いに結合されている。

レーザ活性結晶の第２の領域は、１実施態様では、実質的にドーピングされておらず、この場合、実質的に、レーザ活性結晶の第２の領域が意図的にドーピングされておらず、製造に基づく通常の不純物だけを有している、ということである。レーザ活性結晶内のドーピングされた領域とドーピングされていない領域との組み合わせによって、レーザ活性結晶のロバスト性およびひいては全レーザ点火システムのロバスト性が高められる。何故ならば、Ｙｂドーピングされた領域とは異なり、ドーピングされていない領域内では、ポンプ光のさらなる吸収は行われないからである。

１実施態様では、レーザ活性結晶の第３の領域は、クロム（Ｃｒ^４＋）またはバナジウム（Ｖ^３＋）ドーピングを有している。母体結晶として、例えばＹＡＧ結晶またはＬｕＡＧ結晶が使用される。第３の領域は、１実施態様では、受動式のＱスイッチ回路の機能を有している。このために、可飽和吸収体が使用され、この可飽和吸収体は、飽和強度に達して初めて切り換わり、つまり入射するレーザ光線を透過するか、若しくはレーザパルスを放射する。可飽和吸収体は、入射するレーザ光線を吸収し、この場合、吸収係数は、強度、初期吸収および飽和強度に依存している。初期吸収およびひいては初期透過は、吸収濃度、つまり例えば母体結晶内のＣｒ^４＋ドーピング若しくはＶ^３＋ドーピングの濃度に依存している。受動式のＱスイッチ回路若しくは可飽和吸収体の初期透過は、３０％よりも小さくなく、および／または９８％よりも大きくない。増幅度（Ｇａｉｎ：ゲイン）が共振器内の損失よりも大きければ、高レーザレベル内で反転分布が発生し、固体レーザがレーザパルスを放射する。数μｓの所定の緩和時間後に、可飽和吸収体は、共振器内で誘導されたレーザ光線を再び強く吸収する。

第３の領域のＶ３＋ドーピングは、受動式のＱスイッチ回路の最初に励起された状態における吸収横断面が僅かであることによって、僅かな誘導放出が吸収され、ひいては、より高い総合効率が得られる、という利点を有している。

第３の領域の長さは、５０μｍよりも大きく、特に１００μｍよりも大きいので、熱レンズは、受動式のＱスイッチ回路内での誘導放出の吸収によって、それほど強く形成されることはない。

基本的に、ＧＧＧ母体結晶および／またはＧＳＧＧ母体結晶は、レーザ活性結晶として、単独で、またはＹＡＧ母体結晶および／またはＬｕＡＧ母体結晶との組み合わせで用いることができ、この場合、ＹＡＧ結晶および／またはＬｕＡＧ結晶は母体結晶として、他の２つの結晶よりも有利である。

好適な形式で、少なくとも２つの領域のために同じ母体結晶が使用される。３つのすべての領域に同じ母体結晶を使用すれば、異なる母体結晶間の接続箇所が存在しない、という特別な利点が得られる。少なくとも２つの異なる母体結晶を使用した場合、ＹＡＧ結晶とＬｕＡＧ結晶の組み合わせが有利である。何故ならば、２つの結晶は良好に接続（ボンディング）され得るからである。

垂直エミッタは、好適な形式で、９３５ｎｍ〜９４５ｎｍの波長を有するポンプ光、または択一的に９６５ｎｍ〜９８５ｎｍの範囲内の波長を放射することができる。

１実施態様では、レーザ点火システムは共振器を有しており、この共振器は少なくとも２つの共振器ミラーを有している。共振器ミラーは例えば、端面側の前若しくは後ろに、つまりレーザ活性結晶の、ポンプ光源に対面する側およびポンプ光源とは反対側に配置されており、例えばコーティングの形でレーザ活性結晶の端面側に直接配置されている。

その他の好適な実施態様は、従属請求項の対象である。本発明のその他の特徴、適用の可能性および利点は、図面に示された本発明の実施例の、以下の説明に記載されている。

本発明によるレーザ点火システムのための１例を示す図である。

図１は、本発明によるレーザ点火システム１の概略図を示す。このレーザ点火システム１は、ポンプ光源２と固体レーザ３とを有している。ポンプ光源２の電流供給のための所属の電気配線、並びに当業者にとって例えばヨーロッパ特許公開第１５１９０３８号明細書により公知であるレーザ点火プラグとしてのレーザ点火システム１の構造的な形態の詳細は図示されていない。追加的に、レーザ光線１１またはポンプ光１０を光学的に伝達するための手段が設けられている。さらに、ポンプ光源２および／または固体レーザ３および／または別の構成要素を冷却するための、特に冷却液のための熱的な管路が設けられていてよい。同様に、レーザ点火システム１を内燃機関に取り付けるための考えられ得る手段は図示されていない。さらに、例えばポンプ光源２および固体レーザ３を１つのハウジング内に一緒に配置した構成、および／または放射されたレーザ光線１１を内燃機関の燃焼室内に光学的に結像させるための少なくとも１つの手段、および／またはレーザ点火システム１および光学的に結像させるための手段を燃焼室から分離する燃焼室窓は図示されていない。

この実施例では、固体レーザ４のためのポンプ光源２として垂直エミッタが使用される。この垂直エミッタは、９４０ｎｍの波長または９７０ｎｍから９８０ｎｍまでの範囲内の波長を有するポンプ光１０を放射する。この場合、波長のデータは、レーザ技術において一般的な不確実性を含んでいると理解されるべきである。ポンプ光１０は、ポンプ光レンズ４によって固体レーザ３に集束される。ポンプ光レンズ４は、使用されたポンプ光波長のための反射防止のコーティングを有している。

この実施例に図示された固体レーザ３は、レーザ活性結晶より成っており、このレーザ活性結晶は、異なってドーピングされた３つの領域５，６，７、つまり部分的にドーピングされた領域および部分的にドーピングされていない領域、並びに２つの共振器ミラー８，９を有している。モノリシックに構成されたレーザ活性結晶は、第１の領域５内でイッテルビウムによりドーピングされている。第２の領域６は実質的にドーピングされていないが、このことは実質的に、母体結晶が意図的にドーピングされておらず、製造に基づく通常の不純物だけを有している、ということを意味する。第３の領域７は、Ｃｒ^４＋またはＶ^３＋によりドーピングされている。

母体結晶の結晶として、一般的にＹＡＧ結晶が使用される。それに代わって、択一的な実施例においてはＬｕＡＧ結晶も母体結晶として使用されてよい。

第１の領域５は、ＹＡＧ結晶またはＬｕＡＧ結晶内に３ａｔ％〜３０ａｔ％のイッテルビウムドーピングを有している。この場合、第１の領域５の長さ１２は、２００μｍ〜７０００μｍの範囲内にある。

第２の領域６は、４ｍｍ〜４９ｍｍの範囲内の長さを有している。

第３の領域７は受動式のＱスイッチ回路として用いられる。受動式のＱスイッチ回路の初期透過は３０％よりも小さくない。好適な形式で、初期透過は９８％よりも大きくない。

第３の領域７の長さ１３は、５０μｍよりも大きく、特に１００μｍより大きい。択一的な実施例においては、第３の領域７の長さ１３は、１５０μｍより大きくなくてもよい。

共振器ミラー８，９を除いたレーザ活性結晶３の全長１４は、５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内にある。

第１の共振器ミラー８は、コーティングの形状で、レーザ活性結晶の、ポンプ光源２に対面する端面側に位置している。第１の共振器ミラー８は、ポンプ光源２の波長に関して高透過性であり、また固定レーザ３の波長に関して高反射性である。

第２の共振器ミラー９は、やはりコーティングとして、レーザ活性結晶の、ポンプ光源２とは反対側の端面側に位置している。第２の共振器ミラー９は、ポンプ光源２の波長に関して高反射性であり、固体レーザ３のレーザ波長に関して部分反射性である。第２の共振器ミラー９の反射率は８％〜９０％の範囲内にある。

択一的な実施形態によれば、レーザ活性結晶の、ポンプ光源に対面する側に１つの共振器ミラー８だけが設けられている。第２の共振器ミラー９は省かれているので、レーザ結晶の、ポンプ光源２とは反対側と空気との間の境界面の外側では、それ以上の反射は行われない。その結果、改善されたロバスト性および単純化された構造を有するレーザ点火システム１が得られる。例えばＹＡＧ結晶（ｎ＝１．８２）と空気（ｎ＝１）との境界面における反射率は約８％である。

１ レーザ点火システム
２ ポンプ光源、垂直エミッタ
３ 固体レーザ
４ ポンプ光レンズ
５ 第１の領域
６ 第２の領域
７ 第３の領域
８，９ 共振器ミラー
１０ ポンプ光
１１ レーザ光線
１２，１３ 長さ
１４ 全長

この実施例では、固体レーザ３のためのポンプ光源２として垂直エミッタが使用される。この垂直エミッタは、９４０ｎｍの波長または９７０ｎｍから９８０ｎｍまでの範囲内の波長を有するポンプ光１０を放射する。この場合、波長のデータは、レーザ技術において一般的な不確実性を含んでいると理解されるべきである。ポンプ光１０は、ポンプ光レンズ４によって固体レーザ３に集束される。ポンプ光レンズ４は、使用されたポンプ光波長のための反射防止のコーティングを有している。

母体結晶として、一般的にＹＡＧ結晶が使用される。それに代わって、択一的な実施例においてはＬｕＡＧ結晶も母体結晶として使用されてよい。

Claims (13)

1. 特に内燃機関のためのレーザ点火システム（１）であって、垂直エミッタ（２）とレーザ活性結晶とを有している形式のものにおいて、
   前記レーザ活性結晶が少なくとも領域的にイッテルビウムドーピングされており、この場合、前記イッテルビウムドーピングされた領域（５）が、２００μｍ〜７０００μｍの長さ（１２）、特に３００μｍ〜５０００μｍの長さ（１２）を有していることを特徴とする、レーザ点火システム（１）。
2. 前記レーザ活性結晶が、５ｍｍ〜５０ｍｍの全長（１４）を有していることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ点火システム（１）。
3. 前記レーザ活性結晶が、少なくとも領域的に、ＹＡＧ母体結晶および／またはＬｕＡＧ母体結晶および／またはＧＧＧ母体結晶および／またはＧＳＧＧ母体結晶であることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ点火システム（１）。
4. 前記レーザ活性結晶が、少なくとも１つの別の領域、特に２つの別の領域を有していることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載のレーザ点火システム（１）。
5. 少なくとも２つの前記領域、特に３つの領域が、同じ母体結晶を有していることを特徴とする、請求項４に記載のレーザ点火システム（１）。
6. 第２の領域（６）が実質的にドーピングされていないことを特徴とする、請求項４または５に記載のレーザ点火システム（１）。
7. 第３の領域（７）が、クロム（Ｃｒ^４＋）またはバナジウム（Ｖ^３＋）によりドーピングされていることを特徴とする、請求項４、５または６に記載のレーザ点火システム（１）。
8. 前記第３の領域（７）が、５０μｍよりも大きい、特に１００μｍより大きい長さ（１３）を有していることを特徴とする、請求項７に記載のレーザ点火システム（１）。
9. イッテルビウムによりドーピングされた領域（５）が、３ａｔ％〜３０ａｔ％のイッテルビウムドーピングを有していることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のレーザ点火システム（１）。
10. 前記第３の領域（７）が、受動式のＱスイッチ回路であって、レーザ活性材料内で発生した波長に関して３０％よりも小さくない初期透過を有していることを特徴とする、請求項７または８に記載のレーザ点火システム（１）。
11. 前記垂直エミッタ（２）が、９３５ｎｍ〜９４０ｎｍおよび／または９６５ｎｍ〜９８５ｎｍの範囲内の波長を放射できることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のレーザ点火システム（１）。
12. 前記レーザ点火システム（１）が共振器を有しており、該共振器が少なくとも１つの共振器ミラー（８）、特に少なくとも２つの共振器ミラー（８，９）を有していることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のレーザ点火システム（１）。
13. 前記レーザ点火システム（１）が、電気配線、光配線および／または熱的な管路、特に冷却液のための管路、および／または内燃機関に取り付けるための少なくとも１つの手段、および／または放射されたレーザ光線（１１）を内燃機関の燃焼室内に光学的に結像させるための少なくとも１つの手段を備えたレーザ点火プラグとして構成されていることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載のレーザ点火システム（１）。

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