JP5222113B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの受動的なＱスイッチを有するレーザ活性固体を備えたレーザ装置に関する。ここでレーザ活性固体は、レーザ活性性である少なくとも１つの第１の領域と、非レーザ活性性である第２の領域を有しており、ここでこれらの領域はレーザ装置の長手軸に沿って配置されている。

上述した様式のレーザ装置は公知であり、殊に、自動車の内燃機関用のレーザベースの点火装置内で使用される。この公知のシステムはしばしば不十分な冷却しか可能ではなく、作成および取り扱いにコストがかかる。これは製造コストに悪影響を与える。

これに相応して本発明の課題は、冒頭に記載した様式のレーザ装置を改善して、経済的な製造と同時に改善された冷却能力を与えることである。

上述の課題は、レーザ装置であって、受動的なＱスイッチを有している少なくとも１つのレーザ活性固体を有しており、前記レーザ活性固体は少なくとも１つの、レーザ活性である第１の領域とレーザ非活性である第２の領域とを有しており、当該領域は前記レーザ装置の長手軸に沿って配置されている形式のものにおいて、前記第２の領域の長さは、前記第１の領域の１．５倍の長さよりも長いまたは前記第１の領域の１．５倍の長さと同じである、ことを特徴とするレーザ装置によって解決される。さらに上述の課題は、殊に自動車の、内燃機関用の点火装置であって、請求項１から７までのいずれか１項に記載されたレーザ装置を有している、ことを特徴とする点火装置によって解決される。

上述の課題は、冒頭に記載した様式のレーザ装置の場合に次のことによって解決される。すなわち、第２の領域の長さが第１の領域の長さの１．５倍より長いかまたはこれと同じであることによって解決される。ここで第１の領域と第２の領域の長さはそれぞれ、レーザ装置の長手方向に沿って測定される。これによって一方では有利には次のことが保証される。すなわち、従来のシステムと比べて改善された機械的な操作性および改善された冷却能力が得られることが保証される。非レーザ活性性ないしはドーピングされていない第２の領域の長さの割合がより大きいことによって、レーザ活性領域はさらに有利には、より長い共振器構造を構築することができる。ここでこの共振器構造は同時に、相対的に僅かな、ドーピングされたレーザ活性材料のみを必要とする。従って非レーザ活性領域に比べて短い本発明のレーザ活性領域によって、生成されるレーザビームのビームの質が同じ場合には材料を節約することができ、殊に、製造時間を短くすることもできる。なぜなら、短いレーザ活性領域、例えばレーザ結晶は、長いレーザ活性領域よりも迅速に作成可能だからである。

有利にはレーザ活性固体は実質的に柱体形状を有している。ここで横断面は実質的には円形状または長方形である。また第１の領域の長さはこの横断面の直径またはエッジ長よりも短く、有利には係数２以上ぶんだけ短い。第１の領域のここから得られるディスク形状（Scheibenform）は、本発明のレーザ装置の別の非レーザ活性コンポーネントに対して、少ない材料消費と同時に、最適な冷却性能を実現する。

相対的に短い第１の領域を有する本発明の構造のさらなる利点は、レーザ活性の第１の領域の効率的な光学的なポンピングに対して、使用されるポンピング光のビームクオリティへの要求が相対的に低いということである。なぜなら、上述のように、レーザ活性領域は実質的にディスク形状を有しているからである。

本発明によるレーザ装置の特に有利な実施形態では、第２の領域と同じようにレーザ装置の長手方向に沿って測定された第１の領域の長さは、約６０μｍ以上である。特に有利な本発明の形態は、約１００μｍの長さの第１の領域を有している。
出願人の調査では、本発明の寸法規定を使用して、すなわち、相応に長い第２の領域を設けた場合に、相対的に高いビームクオリティを有するレーザパルスを生成することができる。

有利には第１の領域および／または第２の領域のホストはＹＡＧ、すなわちイットリウム・アルミニウム・ガーネット、および／またはＧＧＧ、すなわちガドリニウム・ガリウム・ガーネットおよび／またはＧＳＧＧ、ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネットを有している。

第１の領域のホストに対するドーピング材料として有利にはイッテルビウムが使用される。ここでこのドーピングは本発明では２ at. ％であり、有利には３ at. ％を上回る値である。従って、レーザ活性の第１の領域において相対的に小さい吸収長さ(Absorptionlaenge)が得られる。これによって特に効果的なポンピングがレーザ活性の第１の領域の長さが比較的短い場合にも得られる。

オプションとして本発明のレーザ装置の出力側に光学的な増幅器を設けることができる。これは有利には同じように３ at ％以上のドーピングを有している。光学的な増幅器をモノリシックにレーザ活性固体ともに構成することができる。しかしこれに対して択一的に、該当するコンポーネントを別個に配置してもよい。

本発明のレーザ装置は有利には、自動車または定常エンジンの内燃機関用のレーザベースの点火装置を構成するために使用されるか、または一般的に、高いパルスエネルギーを伴うレーザパルスを経済的に生成しなければならない全ての他の用途にも使用される。

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で内燃機関には全体として参照番号１０が付与されている。内燃機関は、図示されていない自動車の駆動に用いられる。内燃機関１０は複数のシリンダを有しており、これらの複数のシリンダのうちの１つだけが、図１において参照番号１２で示されている。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。燃料は燃焼室１４内に、直接的にインジェクター１８を通って達する。このインジェクターは、レールないしはコモンレールとも称される燃料蓄圧部２０と接続されている。

燃焼室１４内に噴射された燃料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内に放射される。このためにレーザ装置２６には導光装置２８を介してポンピング光が供給される。このポンピング光はポンピング光源３０によって供給される。ポンピング光源３０は制御および調整装置３２によって制御される。これはインジェクター１８も駆動制御する。

例えばポンピング光源３０は半導体レーザダイオードのことである。これは制御電流に応じて、相応するポンピング光を導光装置２８を介してレーザ装置２６に出力する。半導体レーザダイオードおよび別の小さく構成されたポンピング光源が有利には自動車領域において使用されるが、本発明の点火装置２７の領域に対しては基本的に各様式のポンピング光源が使用可能である。

図２は、図１に示されたレーザ装置２６の詳細な図を示している。

図２から分かるように、レーザ装置２６はレーザ活性固体４４を有している。このレーザ活性固体にはＱスイッチとも称される受動的なＱスイッチ４６が割り当てられている。ここではレーザ活性固体４４は、受動的なＱスイッチ４６並びに、図２においてＱスイッチの左側に配置された入力ミラー４２および取り出しミラー４８とともに、レーザ発振器を形成する。ここでこのレーザ発振器の振動特性は受動的なＱスイッチ４６に依存しており、ひいては少なくとも間接的にそれ自体公知の方法で制御される。
図２に示されたレーザ装置２６の構造では、ポンピング光６０は入力ミラー４２へ導かれている。入力ミラー４２はポンピング光６０の波長を透過させるので、ポンピング光６０はレーザ活性固体４４内に入り、内部で、それ自体公知の反転分布を生じさせる。有利にはポンピング光６０は、結像しない入力光学系によって、レーザ活性の第１の領域４４ａで束化され、これによって効果的な光学的ポンピングが可能になる。

受動的なＱスイッチ４６が、相対的に小さい伝達係数を有する静止状態にある間、レーザ作動はレーザ活性固体４４ないし入力ミラー４２および出力ミラー４８によって制限された固体４４、４６において回避される。しかしポンピング持続時間が増大するとともに、レーザ発振器４２、４４、４６、４８においてビーム密度が増大する。これによって受動的なＱスイッチ４６が退行する。すなわち、より大きい伝達係数を受容し、レーザ作動が始まる。

このようにして、ジャイアントパルスとも称されるレーザパルス２４が生じる。これは相対的に高いピーク出力を有している。レーザパルス２４は場合によっては、別の導光装置を用いて、または直接的に、レーザ装置２６の図示されていない燃焼室ウィンドウを通じて内燃機関１０の燃焼室１４（図１）内に入力される。これによって燃焼室内の燃料２２が点火される。

有利には、図２に示されているように、レーザ発振器４２、４４、４６、４８には、レーザパルス２４を光学的に増幅するための光学的な増幅器５０が割り当てられている。光学的な増幅器５０は有利にはモノリシックにレーザ活性固体４４内に組み込まれる。しかしこれを別個のコンポーネントとして設けることもできる（図２を参照）。レーザパルス２４を効果的に増幅するために、光学的な増幅器５０にも十分に大きいポンピングエネルギーがポンピング光６０の形で印加されなければならない。

本発明では、レーザ活性固体４４内に、第１のレーザ活性領域４４ａの他に、第２の非レーザ活性領域４４ｂが設けられている。ここでこの第２の領域４４ｂの長さｌｂに対して次のことが当てはまる。すなわち、これが第１のレーザ活性領域４４ａの長さ１ａｍの１．５倍と同じであるか、またはそれより長い、ということが当てはまる。

図２から分かるように、受動的なＱスイッチ４６の長さは、本発明の寸法規定では、第２の領域４４ｂの長さ１ｂに計上されている。

本発明の寸法設計によって、全体的な長さ１ａ＋１ｂに基づいて、レーザ装置２６の確実な操作性が保証される。同時に、第１の領域４４ａを構成するために、相対的に少ない量のレーザ活性材料のみが準備される。従って、本発明によるレーザ装置２６は相応に廉価に製造可能である。さらに、製造時間に関する利点も生じる。なぜなら相対的に短い長さｌａを伴うレーザ活性領域４４ａは、例えば結晶育成過程において、相応するより長い領域よりも、格段に迅速に製造されるからである。

本発明のレーザ装置２６の全長さは相対的に長いので、さらに、生成されたレーザパルス２４の相対的に高いビームクオリティが得られる。

特に有利にはレーザ活性固体４４は実質的には柱体状である。ここで断面は実質的に円形または長方形である。第１の領域４４ａの長さ１ａはこの場合には有利には、直径よりも小さいまたは断面のエッジ長よりも短く、有利には２倍以上短い。従ってレーザ活性領域４４ａに対するディスク状の構造が得られる。レーザ活性領域４４ａのディスク形状によって、レーザ活性領域４４ａの特に良好な冷却性能が得られる。

第１の領域４４ａのホストは有利にはＹＡＧ、すなわちイットリウム・アルミニウム・ガーネット、および／またはＧＧＧ、すなわちガドリニウム・ガリウム・ガーネットおよび／またはＧＳＧＧ、ガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネットを有している。同じ材料を、第２の領域４４ｂを形成するために設けることもできる。この場合にはホストはドーピングされないままである。

レーザ活性領域４４ａのためのドーピング材料として有利にはイッテルビウムが使用される。ここでドーピングは少なくとも２ at ％、有利には３ at ％を上回る。

取り出しミラー４８は有利には、レーザパルス２４の波長に対して、１５％〜９９％の間の取り出し反射性（Auskoppelreflektivitaet）を有している。

レーザ活性の第１の領域４４ａに対する本発明のディスク形状の構造は特に有利には、非活性の第２の領域４４ｂの相対的に大きい長さ１ｂと組み合わされる。なぜなら２つのコンポーネント４４ａ、４４ｂの結合プロセス時には、対象物となるために、複数のディスク状のボディの結合のみを有している構造と比べて、少ない機械的応力が生じるからである。

さらに本発明では、非レーザ活性材料４４ｂを、相互に別個にされた複数の領域においても、相応に分配することによって、本発明によるレーザ装置２６の熱的な特性に影響が与えられる。殊に第１の領域４４ａおよび／または受動的なＱスイッチ４６のレーザ活性材料が、ドーピングされていない材料４４ｂの領域によって、入力ミラーないし出力ミラー４２、４８と別個にされる場合には、熱的な効果が得られ、例えばミラー４２、４８の領域における熱レンズ（thermischen Linse）の形成が回避される。

図２に示された構造とは異なり、図２に示された右側の終端部によるレーザ装置２６の縦方向の光学的なポンピングも可能である。この場合には有利には、ビーム分配器ないし偏向ミラー（図示されていない）が使用され、一方ではポンピング光６０がレーザ活性固体４４内に入力され、他方では、生成されたレーザパルス２４の効果的な取り出しが行われる。

特に有利にはレーザ活性領域４４ａ、５０は有利には３ at ％よりも大きいドーピングを有している。従って相応に短い吸収長が該当するコンポーネント内で得られる。これによって効果的な光学的なポンピングが可能になる。

同じように特に有利には、場合によって存在する光学的なコーティング（図示されていない）を含む光学的な増幅器５０は、レーザ活性固体４４ともにモノリシックに構成される。該当するコンポーネント４４、５０を別個に配置することも可能である。

受動的なＱスイッチ４６は有利には１５％〜９９％の間の初期伝送を有する。

図３ａ〜３ｅには、例えばレーザ発振器内の領域４４ａ、４４ｂに対する別の構造が示されている。これは本発明の原理を用いて実現される。

図３ａは、レーザ活性領域４４ａが直接的に入力ミラー４２の隣に配置されている第１の構造を示している。レーザ活性領域４４ａの光学的に後方には、第２の非レーザ活性領域４４ｂが配置されている。第２の、非レーザ活性領域４４ｂには、図３ａから読み取れるように、受動的なＱスイッチ４６が接続されている。このＱスイッチには次に、図３ａの右側に、取り出しミラー４８が割り当てられている。双方向矢印Ｌは、本発明のレーザ装置２６の長手軸を示している。これに沿って、本発明で観察される、領域４４ａ、４４ｂの長さｌａ、ｌｂも測定される。

図３ｂは、レーザ装置２６の本発明による別の実施形態を示している。ここでは受動的なＱスイッチ４６は第１の領域４４ａと第２の領域４４ｂの間に配置されている。

図３ａ、３ｂに示された上述の実施例とは異なり、図３ｃには、複数の、非レーザ活性領域４４ｂ、４４ｂ’が設けられているレーザ装置２６の本発明による構造が示されている。図３ｃから分かるように、第１の非レーザ活性領域４４ｂは入力ミラー４２とレーザ活性領域４４ａとの間に設けられている。また、第２の、非レーザ活性領域４４ｂ’は受動的なＱスイッチ４６と取り出しミラー４８との間に配置されている。

図３ｄでは全体で３つの、非レーザ活性領域４４ｂ、４４ｂ’、４４’’が、レーザ装置２６のレーザ活性固体４４内に設けられている。ここで２つの非レーザ活性領域４４ｂ、４４ｂ’’は図３ｃの実施例と同じように、入力ミラー４２、取り出しミラー４８および別のコンポーネント４４ａ、４４ｂ’、４６との間を熱的に分離させる。これによって殊に、熱レンズの形成が回避され、並びに、通常は誘電層として構成されている入力ミラーおよび取り出しミラー４８の場合によっては許容されない程高い熱負荷が回避される。

第３の非レーザ活性領域４４ｂ’は、図３ｄに示されているように、レーザ活性領域４４ａと受動的なＱスイッチ４６との間に配置されている。

図３ｅは、本発明のレーザ装置２６の別の実施形態を示している。ここではレーザ活性の第１の領域４４ａは、２つの非レーザ活性領域４４ｂ、４４ｂ’によって取り囲まれている。

全体として、上述した全ての構造では、本発明の幾何学形状的な縁部条件は、第１のレーザ活性領域４４ａの長さｌａに対して満たされている。この条件は次のことを要求する。すなわち、非レーザ活性領域４４ｂの長さｌｂが、場合によっては受動的なＱスイッチ４６を計上して、第１の領域４４ａの長さｌａを１．５倍したものと同じ長さまたはそれ以上であるということを要求する。非レーザ活性領域が複数の場合には、その個々の長さが加算されて、基準サイズ１ｂが得られる。

レーザ活性領域４４ａ、５０の配置に従って、ポンピング光６０は相応にレーザ活性固体４４内に、ないしは増幅器５０上に焦点合わせされる。これによって効果的な光学的なポンピングが可能になる。

図３ａ〜３ｅに示された構造の参照に加えて、レーザ装置２６を次のように構成することもできる。すなわちコンポーネントの以下の直列接続が長手軸Ｌ（図３ａ）に従って生じるように構成することもできる：すなわち、入力ミラー４２、ドーピングされていない領域４４ｂ、受動的なＱスイッチ４６、レーザ活性領域４４ａ、取り出しミラー４８である。

本発明によるレーザ装置２６の上述した全ての実施例はそれぞれ、ドーピングされていない、すなわち非レーザ活性の領域４４ｂを有しているが、本発明の原理を、別個のドーピングされていない領域４４ｂを使用しないで実現することができる。この場合には本発明のレーザ発振器はレーザ活性領域４４ａ並びに受動的なＱスイッチ４６、入力ミラーないし取り出しミラー４２、４８のみを有している。この場合には、非レーザ活性領域の長さｌｂとして、長手軸Ｌ（図３ａ）に沿った受動的なＱスイッチ４６の長さが観察される。すなわち、この場合には、受動的なＱスイッチ４６の長さｌｂは、少なくとも、レーザ活性領域４４ａの長さ１ａの約１．５倍の大きさに選択される。

光学的な増幅器５０（図２）に、示された非レーザ活性領域４４ｂと同じように、自身の、非レーザ活性領域（図示されていない）を割り当てることができる。これによって例えばモノリシックなボディを形成することができる。

本発明の方法で用いられる、レーザ装置を有する内燃機関の概略図 図１に示されたレーザ装置の実施形態 図２に示されたレーザ装置のレーザ発振器の実施形態 図２に示されたレーザ装置のレーザ発振器の実施形態 図２に示されたレーザ装置のレーザ発振器の実施形態 図２に示されたレーザ装置のレーザ発振器の実施形態 図２に示されたレーザ装置のレーザ発振器の実施形態

符号の説明

１０ 内燃機関、 １２ シリンダ、 １４ 燃焼室、 １６ ピストン、 １８ インジェクター、 ２０ 燃料蓄圧部、 ２２ 燃料、 ２４ レーザパルス、 ２６ レーザ装置、 ２７ 点火装置、 ２８ 導光装置、 ３０ ポンピング光源、 ３２ 制御および調整装置、 ４２ 入力ミラー、 ４４ レーザ活性固体、 ４４ａ 第１の領域（レーザ活性）、 ４４ｂ 第２の領域（非レーザ活性）、 ４６ Ｑスイッチ、 ４８ 取り出しミラー、 ５０ 増幅器

Claims (6)

1. 内燃機関用のレーザ装置（２６）であって、
   受動的なＱスイッチ（４６）を有している少なくとも１つのレーザ活性固体（４４）と、１つの入力ミラー（４２）と、１つの取り出しミラー（４８）とを有しており、
   前記レーザ活性固体（４４）は１つのレーザ活性領域（４４ａ）と、第１および第２のレーザ非活性領域（４４ｂ、４４ｂ’）とを有しており、
   前記入力ミラー（４２）、前記取り出しミラー（４８）および前記レーザ活性領域（４４ａ）と前記レーザ非活性領域（４４ｂ、４４ｂ’）は、前記レーザ装置（２６）の長手軸（Ｌ）に沿って配置されている形式のものにおいて、
   前記第１と第２のレーザ非活性領域（４４ｂ、４４ｂ’）の長さの総計（ｌｂ）は、前記レーザ活性領域（４４ａ）の長さ（ｌａ）の１．５倍よりも長いまたは前記レーザ活性領域（４４ａ）の長さ（ｌａ）の１．５倍と同じであり、
   前記レーザ活性固体（４４）は柱体形状を有しており、ここで横断面は円形であり、前記レーザ活性領域（４４ａ）の長さ（ｌａ）は当該横断面の直径よりも係数２以上短く、
   前記レーザ装置（２６）の出力側に光学的な増幅器（５０）が設けられており、当該光学的な増幅器は、前記レーザ活性固体（４４）とモノリシックに構成されており、
   前記第１のレーザ非活性領域（４４ｂ）は前記入力ミラー（４２）と前記レーザ活性領域（４４ａ）との間に、前記第２のレーザ非活性領域（４４ｂ’）は前記受動的なＱスイッチ（４６）と前記取り出しミラー（４８）との間に配置されている、
   ことを特徴とするレーザ装置。
2. 前記第１の領域（４４ａ）の長さ（ｌａ）は６０μｍ以上である、請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記第１の領域（４４ａ）および／または第２の領域（４４ｂ）のホストはＹＡＧ、すなわちイットリウム・アルミニウム・ガーネット、および／またはＧＧＧ、すなわちガドリニウム・ガリウム・ガーネットおよび／またはＧＳＧＧ、すなわちガドリニウム・スカンジウム・ガリウム・ガーネットを有している、請求項１または２記載のレーザ装置。
4. 前記第１の領域（４４ａ）のホストはイッテルビウムによってドーピングされており、ここで前記ドーピングは２ at ％を上回っている、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ装置。
5. 前記ドーピングは３ at ％を上回っている、請求項４記載のレーザ装置。
6. 自動車の、内燃機関（１０）用の点火装置（２７）であって、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載されたレーザ装置（２６）を有している、
   ことを特徴とする点火装置。

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