JP5210309B2 - ダイオードレーザを備えるポンプ光源の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイオードレーザを備えるポンプ光源の駆動方法に関するものであり、前記ダイオードレーザは、レーザ装置を光学的にポンピングするためのポンプ光を形成する。

この種の方法は公知であり、通常はダイオードレーザないしはポンプ光源をアクティブに冷却および／または加熱し、ダイオードレーザの温度に依存するポンプ光の波長を動作のために安定させる。ダイオードレーザの温度調節は、ペルティエ素子によって、または水冷却を使用して行うことができる。しかしダイオードレーザを温度調節することは多くの適用分野で、とりわけポンプ光源を自動車に使用する場合に経済的でない。

したがって本発明の課題は、冒頭に述べた形式の駆動方法を改善し、ポンプ光源により形成されるポンプ光の波長の安定性が、ポンプ光源ないしはそこに含まれるダイオードレーザをアクティブに温度調節することなしに保証されるよう構成することである。

この課題は冒頭に述べた形式の方法において、ポンプ光源を第１の動作モードにおいて、ダイオードレーザが所定の目標温度となるように制御することによって解決される。

ポンプ光源を第１の動作モードにおいて本発明により制御することによって有利には、ダイオードレーザの温度調節が、ポンプ光源に制御の際に供給される電気エネルギーによって行われる。これにより、ダイオードレーザはアクティブな加熱手段ないし冷却手段を使用しなくても、所望の目標温度をとることができる。このようにして本発明の駆動方法によってとくに簡単に、ダイオードレーザの温度に依存するポンプ光の波長が、ポンプ光源の駆動に対して所望の値ないしは所定の値を有し、これを維持することが保証される。

冷却回路またはペルティエ素子のような相応の付加的要素を必要とし、かつ面倒なアクティブ温度調節を行う従来のシステムに対して、本発明の駆動方法では有利にはポンプ光源を第１の動作モードで特別に制御するだけであり、これによりダイオードレーザを所定の目標温度にもたらすことができ、ひいては相応の波長を得ることができる。

とくに有利に本発明の駆動方法の改善形態によれば、制御電流および／または制御電流がダイオードレーザに印加される制御時間が目標温度に依存して設定される。この種のパイロット制御は、ダイオードレーザの出発温度とその熱容量が既知であれば、多くの場合で、十分な精度で目標温度に達するのに十分である。

ダイオードレーザのとくに効率的な温度調節を達成するために、制御電流は、ダイオードレーザの閾値電流の領域内にあるよう選択される。有利には制御電流は、閾値電流の２倍より小さいかまたはこれと等しい。本出願人の研究により、ダイオードレーザのとくに効率的な加熱は、このような制御電流を印加したときに可能であることが分かった。

本発明の別の実施形態では、ダイオードレーザに対する目標温度が制御によりとくに正確に達成される。ダイオードレーザの簡単な温度検出は、有利にはダイオードレーザと熱接触する熱電対を使用して行うことができる。さらに、ダイオードレーザの温度を、ダイオードレーザの電気抵抗から導出することも考えられる。この電気抵抗は、ダイオードレーザの制御中に検出することができる。ダイオードレーザの温度と、これにより放射されるポンプ光の波長との関係は、有利には相応の特性曲線を介して得られる。

所望の波長のポンプ光を効率的に形成するために、本発明ではダイオードレーザが第２の動作モードで制御される。この第２の動作モードは、目標温度に達した後に実行され、ダイオードレーザの閾値電流より数倍大きな制御電流によってポンプ光が形成される。これによってダイオードレーザは、第１の動作モードに対して向上した効率で駆動される。

制御パラメータの調整によって温度調節が非常に簡単であり、これによりポンプ光の波長が安定するから、本発明により駆動されるポンプ光源は、とりわけ自動車の内燃機関用の点火装置におけるレーザ装置の光学的ポンピングのために有利に使用することができる。

このレーザ装置は、パッシブなＱ回路を備えるレーザアクティブな固体を有する。ポンプ光の波長が本発明により一定に保たれることにより、この形式のレーザ装置では有利には、形成されたレーザパルスの時間的ジッタが最小になる。これにより点火時点を正確に維持することができる。

ポンプ光源をその適用領域に相応して構成するために、本発明では有利には、ポンプ光源により形成されるポンプ光が所望の波長を有する目標温度が設定される。ここで所望の波長とは、レーザ装置のレーザアクティブな固体の吸収係数が最大となる領域にある波長である。これによりとくに効率的な、レーザアクティブな固体のポンピングが可能となる。

レーザ装置の効率的なポンピングは、ポンプ光源が第１の動作モードに続く第２の動作モードで、レーザ装置のレーザアクティブな固体に反転分布を生じさせるポンプ光を形成することによって可能となる。とくに有利には本発明の変形実施例で、第２の動作モードにおける制御電流および／または制御持続時間を、レーザ装置にレーザモードが生じないように選択する。これによって、レーザパルスの将来的形成のために最大の反転分布が生じることが保証される。

レーザ装置によりレーザパルスを形成する際の時間的ジッタをできるだけ小さく維持するために、本発明により有利には、第２の動作モードに続く第３の動作モードでポンプ光源を、これがレーザ装置のレーザモードがアクティブになるようにポンプ光を形成するように制御する。第２の動作モードと第３の動作モードを本発明により分離することによって、レーザパルスの確実な形成が第３の動作モードの制御持続時間中でも可能となる。

この相応の制御持続時間は有利には比較的短く選択することができ、これによりレ―ザパルスを形成する際の時間的ジッタを効率的に低減することができる。第３の動作モードにおいてレーザモードを確実にアクティブにすることは、本発明により第３の動作モードでの制御電流を第２の動作モードでの制御電流よりも大きくすることにより達成される。

本発明の方法をコンピュータプログラムの形態で実現することはとくに重要である。このコンピュータプログラムは電子的記憶媒体に記憶することができ、本発明の駆動方法を実施する制御装置ないしはこの種の制御装置の計算ユニットに配属することができる。

本発明のその他の特徴、実施態様および利点は、図面に示された本発明の実施例の以下の説明から明らかになる。ここで説明する全ての特徴は、それらが特許請求の範囲、実施例の説明および図面のいずれに記載されているかに関わらず、単独でもまたは任意に組み合わせても、本発明の対象となりうる。

図１は、本発明により駆動されるポンプ光源を有する内燃機関の概略図である。 図２は、図１の内燃機関の点火装置の実施形態を示す概略図である。 図３ａは、ポンプ光源に対する本発明による制御電流の時間的経過を示す線図である。図３ｂは、図２のレーザ装置のレーザアクティブな固体の吸収係数の経過を波長についてプロットした線図である。

図１の内燃機関は全体で参照符合１０により示されている。この内燃機関は、図示しない自動車を駆動する。内燃機関１０は複数のシリンダを有しており、これらシリンダのうちの１つだけが図１に参照番号１２により示されている。シリンダ１２の燃焼室１４はピストン１６によって制限される。燃料はインジェクタ１８を介して燃焼室１４内に直接的に達する。このインジェクタは燃料蓄積器すなわちコモンレール２０に接続されている。

燃焼室１４に噴射された燃料２２は、レーザパルス２４によって点火される。ここでこのレーザパルスはレーザ装置２６を有する点火装置２７によって燃焼室１４に照射される。このためにレーザ装置２６には導光装置２８を介してポンプ光が供給される。このポンプ光はポンピング光源３０によって形成される。ポンプ光源３０はポンプ光を形成するためにダイオードレーザ３１を有する。このダイオードレーザ３１は図１から分かるように、導光装置２８に直接配属されている。ポンプ光源３１ないしはダイオードレーザ３１の制御は制御装置３２によって行われ、この制御装置はインジェクタ１８も制御する。

図２は、図１のレーザ装置２６の概略的詳細図である。

図２から分かるように、レーザ装置２６はレーザアクティブな固体４４を有する。このレーザアクティブな固体はＱスイッチとも称されるパッシブ型Ｑ回路４６が光学的に後置されている。レーザアクティブな固体４４は、ここではパッシブ型Ｑ回路４６、ならびに図２ではこれの左に配置された入力結合ミラー４２、および出力結合ミラー４８と共働して、レーザ発振器を形成する。このレーザ発振器の振動特性は公知のようにパッシブ型Ｑ回路４６に依存する。

図２に示された構成で、レーザ装置２６ないしはレーザアクティブな固体４４には、入力結合ミラー４２により、これを通してポンプ光２８ａが照射され、電子がレーザアクティブな固定４４に励起され、これにより反転分布が発生する。ポンプ光２８ａは、すでに図１を参照して説明したレーザ装置２６に導光装置２８を介して供給される。この導光装置はダイオードレーザ３１をレーザ装置２６と光学的に接続する。

パッシブ型Ｑ回路４６は静止状態にあるとき、比較的小さな透過係数しか有していない。この静止状態では、レーザアクティブな固定４４内、ないしは入力結合ミラー４２と出力結合ミラー４８により制限された固体４４，４６内でのレーザモードが回避される。しかしポンピング持続時間、すなわちポンプ光２８ａによる印加の時間が上昇すると、レーザ発振器４２，４４，４６，４８のビーム強度も上昇し、最終的にパッシブ型Ｑ回路４６が退行する。すなわちパッシブ型Ｑ回路４６の透過係数が上昇し、レーザ発振器４２，４４，４６，４８内でレーザモードが開始される。この状態は二重矢印２４’により象徴的に示されている。

前記のように巨大パルスとも称されるレーザパルス２４が発生する。このレーザパルスは比較的高いピーク出力を有している。レーザパルス２４は、場合により別の導光装置（図示せず）を使用して、またはレーザ装置２６の同様に図示しない燃焼室窓を通して直接、内燃機関１０の燃焼室１４（図１）に入力結合され、これによりそこに存在する燃料２２ないしは空気／燃料混合気が点火される。

レーザパルス２４を確実に形成し、これにより内燃機関１０の燃焼室１４において空気／燃料混合気を確実に点火するために、本発明の駆動方法では、ポンプ光源３０（図１）が第１の動作モードで、ダイオードレーザ３１が所定の目標温度になるように制御される。

これによって有利にはダイオードレーザ３１の温度に依存するポンプ光２８ａの波長が同様に所定の値を有することが保証され、ポンプ光２８ａによるレーザ装置の規定どおりのポンピングが可能となる。

したがってとくに有利には本発明の駆動方法は、ダイオードレーザ３１の温度調節のためのアクティブな冷却手段／加熱手段を必要とせず、むしろポンプ光源３０ないしはダイオードレーザ３１が直接制御され、これによりダイオードレーザ３１が温度調節される。

図３ａは、本発明のとくに有利な実施例によるダイオードレーザ３１に対する制御電流ｉの時間経過を示す線図である。

ダイオードレーザ３１の本発明による制御は、図３に示すように、全部で３つの異なるフェーズないしは動作モードを有する。

本発明によればポンプ光源３０ないしはダイオードレーザ３１は第１の動作モードで、ダイオードレーザ３１が所定の目標温度をとり、これによりこの目標温度に相応する既知の波長を備えるポンプ光２８ａを出力するよう制御される。

このためにダイオードレーザ３１には図３ａから分かるように、時点ｔ₀で制御電流ｉ₁が印加される。ダイオードレーザ３１のこの制御は、時点ｔ₁まで持続する。この時点ｔ₁でダイオードレーザ３１は、ポンプ光２８ａの所望の波長に相応する、規定どおりの目標温度をとっている。これによって、本発明の駆動方法の第１の動作モードに対する制御持続時間Δｔ₁が定義される。

ダイオードレーザ３１に、本発明による第１の動作モードの制御持続時間Δｔ₁中に制御電流ｉ₁を印加することにより、ダイオードレーザ３１から照射されるポンプ光２８ａが所望の波長λ_sollを有するようになる。図３ｂ参照。この図は、レーザアクティブな固体４４の吸光係数を波長λについて示すものである。

所望の波長λ_sollは、波長λ_maxの領域になるよう、とりわけ波長λ_maxの下方領域になるよう選択される。この波長λ_maxでは、レーザ装置２６のレーザアクティブな固体４４（図２）が、ポンプ光２８ａに対して最大の吸光係数を有している。図３ｂ参照。

したがってとくに有利にはこの所望の波長λ_sollは、波長λ_maxより下になるよう設定される。なぜなら本発明の駆動方法によりアクティブな冷却は、制御を停止することによっても不可能であり、ダイオードレーザ３１は制御電流ｉ₂，ｉ₃による制御だけでも、時間領域ｔ＞ｔ₁（図３ａ）でのさらなる動作モード中にさらに加熱されることが予想されるからである。

このことにより、第１の動作モードの終了後に、すなわちｔ＝ｔ₁からは、ポンプ光２８ａの波長が、制御電流ｉ₂，ｉ₃による制御に起因するダイオードレーザ３１の温度上昇に相応して長くなり、したがってレーザアクティブな固体４４の最大吸収率の波長領域λ_maxに入り込むことが保証される。これによって本発明では有利には、第２の動作モードおよび所属の制御持続時間Δｔ₂の間、レーザ装置２６を、ダイオードレーザ３１により形成されたポンプ光２８ａによって効率的にポンピングすることができる。

第２の動作モードに対する制御持続時間Δｔ₂と制御電流ｉ₂は本発明によれば、レーザ装置２６のレーザアクティブな固体４４で反転分布が形成され、第２の動作モード中はまだレーザモードが形成されないように選択される。制御電流ｉ₂と制御持続時間Δｔ₂に対する相応の値は、所定のレーザ装置２６に対する実験測定から求めることができ、例えば制御装置３２に特性マップの形でファイルされている関係を介して得ることができる。

ダイオードレーザ３１が制御持続時間Δｔ₃の間、制御電流ｉ₃により制御される本発明の第３の動作モードは、レーザ装置２６のレーザアクティブな固体４４においてレーザモードを活性化し、これによりレーザパルス２４の形成を開始させるために行われる。

第２の動作モードでの反転分布の形成と、第３の動作モードでのレーザパルス２４の形成開始とを本発明により分離することによって、時間的ジッタをレーザパルス２４の形成時に最小にする手段が得られる。第２の動作モードでのダイオードレーザ３１の制御がレーザモードの活性化を意図的に回避することによって、時点ｔ₂で十分な反転分布がレーザアクティブな固体４４に発生することが保証される。これにより大きな制御電流ｉ₃に相応して比較的に大きな強度を有するポンプ光をレーザ装置２８ａに短時間、印加すればレーザモードが活性化される。

すなわちレーザパルス２４を形成する際の時間的ジッタが、第３の動作モードでの制御持続時間Δｔ₃に制限される。

出願人の研究により、第１の動作モードでは制御電流ｉ₁がダイオードレーザ３１の閾値電流の領域にある値を有すると、ダイオードレーザ３１をとくに効率的に温度調節ないし加熱できることが分かった。すなわち第１の動作モード中にダイオードレーザ３１は、ポンプ光２８ａを形成することに関する最大効率を有するのではなく、これに供給される制御エネルギーによって迅速に加熱されるのである。制御電流ｉ₁は、ダイオードレーザ３１の閾値電流の２倍より小さく、これを上回らない。

ダイオードレーザ３１の温度検出は、それ自体公知のように集積された、またはダイオードレーザ３１と熱接触する熱電対により行うことができる。これと択一的にまたは補充的に、ダイオードレーザ３１の温度を電気抵抗から導出することもできる。この電気抵抗は、制御電流ｉとダイオードレーザ３１の制御に使用される電圧から求めることができる。

ダイオードレーザ３１の温度と、ダイオードレーザ３１により放射されるポンプ光２８ａの波長λとの関係は有利には特性曲線にファイルされており、この特性曲線は例えば制御装置３２に記憶することができる。

ダイオードレーザ３１の熱容量ないしはこれと熱接触する素子の熱容量が十分に既知であれば、ダイオードレーザ３１を本発明により温度調節するために、第１の動作モード中に相応の調整を行えば十分である。これとは択一的に、ダイオードレーザ３１を目標温度に制御することもできる。

ダイオードレーザ３１を温度調節する際の不要な温度損失を回避するために、制御電流ｉ₁は第１の動作モード中、前記の限界内で有利には迅速な加熱が得られるようにできるだけ大きく選択する。第２の動作モードおよび場合により第３の動作モードが第１の動作モードに時間的に連続すると有利である。これによりダイオードレーザ３１の不所望の冷却が回避され、ひいてはポンプ光２８ａの波長の新たな変化、とりわけ短縮が回避される。

ダイオードレーザ３１を所期のように冷却することも本発明で実行できる。この冷却は、ダイオードレーザ３１を相応の待機時間の間、まったく制御しないことにより行われる。この待機時間の間、有利には周期的にダイオードレーザ３１の温度が検査され、これによりダイオードレーザ３１の運転再開を、できるだけ小さな待ち時間で行うことができるようにする。

本発明の駆動方法を内燃機関１０の点火装置に基づいて説明したが、本発明の駆動方法は定置機関の点火装置にも使用することができる。

ポンプ光源３０の温度調節を、ポンプ光源３０ないしはそこに含まれるダイオードレーザ３１の相応の制御だけで行うという本発明の技術思想はもちろん、ダイオードレーザ３１を含むポンプ光源３０ないしはレーザ光源にも適用することができる。すなわちポンプ光源が使用されないレーザ光源にも適用することができる。ダイオードレーザ３１を相応の制御により"内在的に"温度調節することによって、温度調節のための手段、ひいてはダイオードレーザ３１の波長を調整するための手段が非常に簡単に実現される。

Claims (9)

1. レーザ装置（２６）を光学的にポンピングするためのポンプ光（２８ａ）を形成するダイオードレーザ（３１）を備えるポンプ光源（３０）の駆動方法であって、
   前記ポンプ光源（３０）は、内燃機関（１０）用の点火装置のレーザ装置（２６）を光学的にポンピングするために使用され、
   前記レーザ装置（２６）は、パッシブ型Ｑ回路（４６）を備えるレーザアクティブな固体（４４）を有し、
   前記ポンプ光源（３０）は第１の動作モードで、前記ダイオードレーザ（３１）が所定の目標温度をとるように制御され、
   前記目標温度は、前記ポンプ光源（３０）により形成されるポンプ光（２８ａ）が所望の波長（λ _soll ）を有するような温度に設定され、該所望の波長（λ _ｓｏｌｌ ）はレーザ装置（２６）のレーザアクティブな固体（４４）がポンプ光（２８）に対して最大吸光係数を有する波長（λ _ｍａｘ ）の下方領域にあり、
   前記ポンプ光源（３０）は、前記第１の動作モードに続く第２の動作モードで、前記レーザ装置（２６）のレーザアクティブな固体（４４）に反転分布を生じさせるポンプ光（２８ａ）を形成するように制御され、
   前記第２の動作モードにおける制御電流（ｉ）および／または制御持続時間は、レーザ装置（２６）にレーザモードが発生しないように選択されており、
   前記ポンプ光源（３０）は、前記第２の動作モードに続く第３の動作モードで、前記レーザ装置（２６）でレーザモードを活性化するようなポンプ光（２８ａ）を形成するように制御される、ことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   制御電流（ｉ）および／または制御持続時間は、前記目標温度に依存して設定される、ことを特徴とする方法。
3. 請求項２記載の方法において、
   前記制御電流（ｉ）は、前記ダイオードレーザ（３１）の閾値電流の領域にあるよう選択され、
   前記制御電流（ｉ）は、閾値電流の２倍より小さいかまたは同じ大きさである、ことを特徴とする方法。
4. 請求項１から３までのいずれか一項記載の方法において、
   前記ダイオードレーザ（３１）の温度は、該ダイオードレーザ（３１）と熱接触した熱電対の使用によって検出され、および／または前記ダイオードレーザ（３１）の電気抵抗から導出される、ことを特徴とする方法。
5. 請求項１から４までのいずれか一項記載の方法において、
   前記ダイオードレーザ（３１）は、前記目標温度に達した後に初めて実行される第２の動作モードで、ポンプ光（２８ａ）を形成するために制御され、
   該第２の動作モードでは、前記ダイオードレーザ（３１）の閾値電流より数倍大きな制御電流（ｉ）によって制御される、ことを特徴とする方法。
6. 請求項１記載の方法において、
   第３の動作モードでの制御持続時間は、第２の動作モードでの制御持続時間よりも短く、および／または
   第３の動作モードでの制御電流（ｉ）は、第２の動作モードでの制御電流（ｉ）よりも大きい、ことを特徴とする方法。
7. 請求項１から６までのいずれか一項記載の方法において、
   ダイオードレーザ（３１）の温度とポンプ光（２８ａ）の波長（λ）との関係は特性曲線から得られる、ことを特徴とする方法。
8. コンピュータプログラムにおいて、
   コンピュータを、請求項１から７までのいずれか一項記載の方法を実施するための手段として機能させるコンピュータプログラム。
9. 制御装置（３２）において、
   前記制御装置（３２）は、請求項１から７までのいずれか一項記載の方法を実施するように構成されていることを特徴とする方法。

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