WO2008138716A1 - Fiber-coupled pumping of a q-switched solid state laser with different wavelengths - Google Patents

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Heiko Ridderbusch
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a laser device which has a laser-active solid with a passive Q-switching.
  • the invention further relates to a laser device with a laser active solid having a passive Q-switching.
  • a disadvantage of the known passively Q-switched laser systems is the fact that the pulse energy of laser pulses generated by means of these systems can not be increased by a simple enlargement of the optical pump power radiated into the laser-active solid. Rather, the maximum pulse energy of a single laser pulse thus generated is determined by the size of a laser light applied to the pumping light, i. optically pumped, volume of the laser-active solid.
  • Another known proposal for solving the problem provides, not longitudinally but transversely excite the laser-active solid to increase the pumping volume.
  • both solutions do not lead to a satisfactory solution, because on the one hand, the magnification of the beam cross section of a pumping light beam is limited by the size of the desired oscillating laser mode and the beam quality of the generated laser pulse decreases with increasing radius of the pumping light beam.
  • the beam quality of a laser beam corresponding to the laser pulse can be described, for example, by the diffraction factor M 2 , which indicates how many times the laser beam is diffraction-limited, or by the so-called beam propagation factor, which represents the reciprocal of the diffraction factor M 2 .
  • the transverse excitation of the laser-active solid with pump light offers a much lower efficiency than a longitudinal excitation and also leads to a reduced beam quality of the laser pulse.
  • the pulse energy generated laser pulses can be increased flexibly and without a significant reduction in the beam quality or even varied, and that overall a more versatile operation of the laser device is possible.
  • This object is achieved in the operating method of the type mentioned in the present invention that the laser device is subjected to pump light of different wavelengths.
  • the inventive use of pump light of different wavelengths for exciting the laser-active solid allows a particularly flexible operation of the laser device according to the invention, because the laser-active solid has different absorption coefficients for the different wavelengths of the pump light and accordingly, depending on the wavelength of the pump light used, a different pumping volume is available, to generate laser pulses, so that in a simple manner by an appropriate choice of the pumping light wavelength, the pulse energy of the laser pulses can be varied.
  • Laser pulses with relatively low pulse energy can be obtained in the operating method according to the invention, that the laser device or the laser-active solid is operated with pumping light of such a first wavelength for which the absorption coefficient in the laser-active solid is relatively large, so that due to the low penetration depth the pump light in the laser-active solid results in a correspondingly small pump volume.
  • Laser pulses with greater pulse energy can be obtained in the operating method according to the invention in that the laser device or the laser-active solid is operated with pump light of a second wavelength for which the absorption coefficient in the laser-active solid is relatively small, so that due to the greater penetration depth of the pump light the second wavelength in the laser-active solid results in a correspondingly larger pumping volume.
  • a particular spatial intensity distribution of the pump light irradiated into the laser-active solid can be achieved by the intensity or the temporal course of the intensity of the pump light of a first wavelength as a function of the intensity or the temporal course of the intensity the pump light of a second wavelength is selected.
  • Another degree of freedom in the operation of the laser device according to the invention is given in another advantageous embodiment, characterized in that the laser device is applied successively time with pump light of different wavelengths.
  • the laser device is applied successively time with pump light of different wavelengths.
  • the laser-active solid only with pump light of a single wavelength, while again pump light of multiple wavelengths is used to generate laser pulses with the maximum possible pulse power.
  • a combination of the temporally successive admission with pump light of different wavelengths with the above-described simultaneous application and optionally the adjustment of the respective intensities is also conceivable.
  • the method according to the invention can provide both transversal and longitudinal excitation of the laser-active solid and / or the passive Q-switching with pump light, as well as a combination thereof. It is also possible to perform the longitudinal excitation at a first wavelength, and to perform the transverse excitation at a second wavelength, or to use different pumping light wavelengths for the transverse and / or longitudinal excitation.
  • both or more pump light wavelengths are coupled via suitable means known in the art, such as a beam shaping optics in the same optical fiber, and guided by the optical fiber, multi-wavelength pump light is optionally using a further beam shaping optics from the optical fiber in the laser-active solid irradiated.
  • the laser device is supplied pump light of different wavelengths via at least one fiber bundle having multiple optical fibers, wherein only pump light of one wavelength is guided over each optical fiber, so that a combination of pump light of different wavelengths in an optical fiber is not required and a corresponding optics can be made simpler.
  • beam splitters which are, for example, highly reflective for a first pump light wavelength used and non-reflective for a further pump light wavelength used, and via which the various pump light beams can be correspondingly combined and one possibly arranged in front of the laser-active solid Optics are fed.
  • a further very advantageous embodiment of the present invention may provide that the
  • Laser device facing end portions of the plurality of optical fibers leading the pump light in dependence on a predetermined spatial intensity distribution of the pump light in the laser device or in the laser-active solid body are arranged.
  • the quality of a laser pulse generated by means of the laser device according to the invention in particular its beam quality, can be optimized.
  • the operating method according to the invention is particularly advantageous for generating laser pulses within an ignition device of an internal combustion engine.
  • the operating method according to the invention can advantageously be used both in internal combustion engines of motor vehicles and in stationary engines.
  • a laser device according to claim 11 is given. Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the laser device according to the invention
  • FIG. 2 shows by way of example a spatial intensity distribution of the pump light in a laser-active
  • FIGS. 3 a and 3 b show different variants for supplying the laser device according to the invention with pump light of different wavelengths
  • FIGS. 4a to 4c show further variants of optical fiber arrangements for supplying the laser device according to the invention with pump light of different wavelengths
  • FIG. 5 shows an ignition device for an internal combustion engine with the invention
  • FIG. 1 schematically shows a detailed view of a first embodiment of the laser device 26 according to the invention.
  • the laser device 26 has a laser-active solid 44, to which a passive Q-switching 46, also referred to as Q-switch, is optically arranged.
  • the laser-active solid 44 forms here, together with the passive Q-switching circuit 46 and the coupling mirror 42 arranged on the left thereof in FIG. 1 and the output mirror 48, a laser oscillator whose Oscillation behavior of the passive Q-switching circuit 46 depends and thus at least indirectly controllable in a conventional manner.
  • the laser device 26 or the laser-active solid 44 according to the invention is acted upon by the coupling mirror 42 with pumping light 28a, 28b, which excites electrons in the laser-active solid 44 and thus leads to a population inversion known per se.
  • the coupling-in mirror 42 has a relatively large transmission coefficient for the pumping light 28a, 28b.
  • the passive Q-switching circuit 46 While the passive Q-switching circuit 46 has its idle state in which it has a relatively low transmission coefficient, laser operation is avoided in the laser-active solid 44 or in the solid 44, 46 confined by the input mirror 42 and the output mirror 48. However, as the pumping time increases, that is to say during continued application of the pumping light 28a, 28b, the radiation intensity in the laser oscillator 42, 44, 46, 48 also increases, so that the passive Q-switching circuit 46 finally fades. That is, its transmission coefficient increases, and laser operation in the laser oscillator 42, 44, 46, 48 begins. This state is symbolized by the double arrow 24 '.
  • the laser pulse 24 is then coupled out through the right in Figure 1 Auskoppelapt 48 from the laser oscillator 42, 44, 46, 48 and is for example in a laser-based ignition device for an internal combustion engine for igniting a located in a combustion chamber of the internal combustion engine air / fuel mixture usable.
  • the laser pulse 24 can be coupled into the combustion chamber of the internal combustion engine, for example, by a corresponding optical waveguide device or directly by a combustion chamber window arranged downstream of the coupling-out mirror 48.
  • the laser device 26 is supplied with pump light 28a, 28b of different wavelengths ⁇ a , ⁇ b .
  • the material used to form the laser-active solid 44 has a wavelength-dependent absorption coefficient for the pump light 28a, 28b and thus pump light 28a, 28b of different wavelength ⁇ a , ⁇ b - starting from the example shown in Figure 1 from the left longitudinal excitation - penetrates the laser active solid 44 to different degrees.
  • FIG. 2 shows by way of example a spatial distribution of the intensity of the pumping light 28a, 28b radiated into the laser-active solid 44 (FIG. 1) plotted over a location coordinate z, which corresponds to a length of the laser-active solid 44 from FIG. 1 from its left end.
  • the spatial intensity distribution of the pump light 28a (Figure 1) of the first wavelength used ⁇ a is indicated in Figure 2 by the reference numeral I a (z), and the spatial intensity distribution of the pump light 28b (Figure 1) of the second wavelength used ⁇ b is in Figure 2 according to the reference I b (z).
  • the corresponding pumped light beams 28a, 28b are slightly focused in the same way into the laser-active solid 44, ie to a location z> 0.
  • the pump light in the present case under consideration longitudinal excitation penetrate further 28b having the wavelength ⁇ b in the laser-active solid body 44, as the pump light 28a in the example of Figure 2, whereby the pump volume of the laser-active solid 44 available for establishing the desired population inversion is increased.
  • Another advantage of the combination of pumping light 28a, 28b of different wavelengths ⁇ a, ⁇ b according to the invention is that in the laser-active solid 44 a, in contrast to conventional systems, relatively homogeneous spatial distribution of the intensity of the total incident pump light 28a can be achieved 28b compare the aggregate pumping light intensity I (z) of FIG. 2, which results when the laser device 26 is simultaneously acted on by the pumping light 28a, 28b of both wavelengths ⁇ a , ⁇ b .
  • a laser pulse generated in this configuration thus has a higher pulse energy.
  • a significant advantage of the operating method according to the invention is therefore that an effective increase in the pumping volume can be realized without having to resort to a transverse excitation of the laser-active solid 44 with pumping light.
  • a high-energy laser pulse 24 ( Figure 1) with particularly high beam quality, ie with a particularly low diffraction factor M 2 , are generated.
  • the use according to the invention of pump light 28 a, 28b of different wavelengths ⁇ a , ⁇ b further degrees of freedom in the pumping operation, which serves to build up the population inversion in the laser-active solid 44.
  • laser pulses 24 with relatively low pulse energy can be generated by exciting the laser-active solid 44 in a manner comparable to conventional systems alone with pump light 28a of a first wavelength ⁇ a .
  • the laser-active solid 44 can be acted upon again simultaneously with pump light 28a, 28b of different wavelengths ⁇ a , ⁇ b .
  • the method according to the invention which provides a combination of pump light 28a, 28b of different wavelengths ⁇ a , ⁇ b , can also transversely excite the laser-active solid 44 or to a combined longitudinal and transversal excitation.
  • Laser device 26 the pumping light 28a, 28b of different wavelengths ⁇ a , ⁇ b supplied via a common optical fiber 280a, compare Figure 3a.
  • the pumping light 28a, 28b can be introduced into the optical fiber 280a via an unillustrated beam-forming optical system and finally coupled into the laser-active solid 44 by the further optics shown in FIG. 3a and not further described.
  • a beam splitter configuration may be provided by way of example in FIG. 3b, in which the pumping light 28a, 28b is transmitted via a beam splitter which is highly reflective for the wavelength ⁇ b of the pumping light 28b and non-reflective for the wavelength ⁇ a , the pumping light 28a is formed, merged and imaged by an optionally present downstream optics on the laser-active solid 44 of the laser device 26.
  • each unspecified in Figure 4a individual optical fibers is only pump light 28a, 28b supplied to one of the wavelengths used, preferably a total of several optical fibers for guiding the pump light 28a of a first wavelength ⁇ a and to guide the pump light 28b of a second wavelength ⁇ b are provided.
  • the end sections of the plurality of optical fibers leading to the pumping light 28a, 28b may be arranged differently in relation to each other, cf. FIG. 4a, 4b, 4c.
  • the laser device 26 can have, for example, a Nd: YAG-based material as the laser-active medium 44, and the passive Q-switching 46 can comprise, for example, a Cr 4+ : YAG-based material.
  • the Nd: YAG material having laser-active solid 44 at with a doping of, for example about 1% has at the wavelength ⁇ a is an absorption coefficient of about 10 cm 1, and at the wavelength ⁇ b has an absorption coefficient of approximately 2 cm "1..
  • the laser pulse 24 produced according to the invention has a comparatively high beam quality due to the purely longitudinal excitation.
  • FIG. 5 schematically shows an ignition device 27 for an internal combustion engine 10, in which the laser device 26 according to the invention and the operating method according to the invention described above are used to generate laser pulses 24 which serve to ignite an air / fuel mixture located in a combustion chamber of the internal combustion engine 10.
  • the internal combustion engine 10 comprises a plurality of cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 12 is supported by a piston 16 limited.
  • Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18, which is connected to a designated also as a rail or common rail fuel pressure accumulator 20.
  • fuel 22 is ignited by means of the laser pulse 24 described above, which is emitted from the laser device 26 according to the invention of the ignition device 27 into the combustion chamber 14.
  • the laser device 26 is fed via an optical waveguide device 28 with pumping light 28 a, 28 b (FIG. 1) of different wavelengths ⁇ a , ⁇ b , which is provided by the pumping light source 30.
  • the pump light source 30 is controlled by a control and regulating device 32, which also controls the injector 18.
  • the pumping light source 30 may have one or more semiconductor diode (not shown) which output pumping light 28a, 28b of corresponding intensity to the laser device 26 via the optical waveguide device 28 as a function of a control current.
  • semiconductor laser diodes and other small-sized pump light sources are preferably used for use in the automotive field, any type of pump light source providing a plurality of different wavelengths ⁇ a , ⁇ b can be used for the operation of the ignition device 27 according to the invention.

Abstract

The invention relates to a method for operating a laser device (26) having a laser active solid material (44) with a passive Q-switch (46). According to the invention, pump light (28a, 28b) of different wavelengths (λa, λb) is applied to the laser device (26), in order to create a more homogeneous intensity distribution of the pump light (28a, 28b) in the laser active solid material (44).

Description

Beschreibung description
Titeltitle
FASERGtKOPPELTES PUMPEN EINES GÜTEGESCHALTETEN FESTKÖRPERLASERS MIT UNTERSCHIEDLICHEN WELLENLÄNGENFIBER OPTIC PUMPING OF A QUALITY SOLID LASER WITH DIFFERENT WAVELENGTHS
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung, die einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung aufweist.The invention relates to a method for operating a laser device which has a laser-active solid with a passive Q-switching.
Die Erfindung betrifft ferner eine Lasereinrichtung mit einem eine passive Güteschaltung aufweisenden laseraktiven Festkörper.The invention further relates to a laser device with a laser active solid having a passive Q-switching.
Derartige Betriebsverfahren und Vorrichtungen sind bekannt und insbesondere auch für einen zukünftigen Einsatz innerhalb von Zündeinrichtungen von Brennkraftmaschinen vorgesehen.Such operating methods and devices are known and, in particular, also intended for future use within ignition devices of internal combustion engines.
Nachteilig an den bekannten passiv gütegeschalteten Lasersystemen ist die Tatsache, dass die Impulsenergie von mittels dieser Systeme erzeugten Laserimpulsen nicht durch eine einfache Vergrößerung der in den laseraktiven Festkörper eingestrahlten optischen Pumpleistung gesteigert werden kann. Die maximale Impulsenergie eines einzelnen auf diese Weise erzeugten Laserimpulses ist vielmehr bestimmt durch die Größe eines mit dem Pumplicht beaufschlagten, d.h. optisch gepumpten, Volumens des laseraktiven Festkörpers.A disadvantage of the known passively Q-switched laser systems is the fact that the pulse energy of laser pulses generated by means of these systems can not be increased by a simple enlargement of the optical pump power radiated into the laser-active solid. Rather, the maximum pulse energy of a single laser pulse thus generated is determined by the size of a laser light applied to the pumping light, i. optically pumped, volume of the laser-active solid.
Ein bekannter Vorschlag, die Impulsenergie der Laserimpulse zu steigern, hat die Vergrößerung eines Strahlquerschnitts eines als Pumplicht verwendeten Laserstrahls zum Gegenstand. Ein weiterer bekannter Vorschlag zur Lösung des Problems sieht vor, den laseraktiven Festkörper nicht longitudinal sondern transversal anzuregen, um das Pumpvolumen zu vergrößern. Beide Lösungsvorschläge führen jedoch nicht zu einer befriedigenden Lösung, weil einerseits die Vergrößerung des Strahlquerschnitts eines Pumplichtstrahls durch die Größe der gewünschten anschwingenden Lasermode begrenzt ist und die Strahlqualität des erzeugten Laserimpulses mit steigendem Radius des Pumplichtstrahls abnimmt. Die Strahlqualität eines mit dem Laserimpuls korrespondierenden Laserstrahls kann beispielsweise durch die Beugungsmaßzahl M2 beschrieben werden, die angibt, wievielfach der Laserstrahl beugungsbegrenzt ist, oder auch durch den sog. Strahlpropagationsfaktor, der den Kehrwert der Beugungsmaßzahl M2 darstellt. Andererseits bietet die transversale Anregung des laseraktiven Festkörpers mit Pumplicht einen weitaus geringeren Wirkungsgrad als eine longitudinale Anregung und fuhrt ebenfalls zu einer verminderten Strahlqualität des Laserimpulses.A known proposal to increase the pulse energy of the laser pulses, the magnification of a beam cross section of a laser beam used as a pumping light to the object. Another known proposal for solving the problem provides, not longitudinally but transversely excite the laser-active solid to increase the pumping volume. However, both solutions do not lead to a satisfactory solution, because on the one hand, the magnification of the beam cross section of a pumping light beam is limited by the size of the desired oscillating laser mode and the beam quality of the generated laser pulse decreases with increasing radius of the pumping light beam. The beam quality of a laser beam corresponding to the laser pulse can be described, for example, by the diffraction factor M 2 , which indicates how many times the laser beam is diffraction-limited, or by the so-called beam propagation factor, which represents the reciprocal of the diffraction factor M 2 . On the other hand, the transverse excitation of the laser-active solid with pump light offers a much lower efficiency than a longitudinal excitation and also leads to a reduced beam quality of the laser pulse.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren für eineAccordingly, it is an object of the present invention to provide an operating method for a
Lasereinrichtung sowie eine Lasereinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Impulsenergie erzeugter Laserimpulse flexibel und ohne eine wesentliche Verminderung der Strahlqualität gesteigert bzw. überhaupt variiert werden kann, und dass insgesamt ein vielseitigerer Betrieb der Lasereinrichtung möglich ist.To improve laser device and a laser device of the type mentioned in that the pulse energy generated laser pulses can be increased flexibly and without a significant reduction in the beam quality or even varied, and that overall a more versatile operation of the laser device is possible.
Diese Aufgabe wird bei dem Betriebsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lasereinrichtung mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen beaufschlagt wird.This object is achieved in the operating method of the type mentioned in the present invention that the laser device is subjected to pump light of different wavelengths.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Pumplicht verschiedener Wellenlängen zur Anregung des laseraktiven Festkörpers ist ein besonders flexibler Betrieb der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ermöglicht, weil der laseraktive Festkörper für die unterschiedlichen Wellenlängen des Pumplichts unterschiedliche Absorptionskoeffizienten aufweist und dementsprechend je nach Wellenlänge des verwendeten Pumplichts ein unterschiedliches Pumpvolumen verfügbar ist, um Laserimpulse zu erzeugen, so dass in einfacher Weise durch eine entsprechende Wahl der Pumplichtwellenlänge die Impulsenergie der Laserimpulse variiert werden kann.The inventive use of pump light of different wavelengths for exciting the laser-active solid allows a particularly flexible operation of the laser device according to the invention, because the laser-active solid has different absorption coefficients for the different wavelengths of the pump light and accordingly, depending on the wavelength of the pump light used, a different pumping volume is available, to generate laser pulses, so that in a simple manner by an appropriate choice of the pumping light wavelength, the pulse energy of the laser pulses can be varied.
Laserimpulse mit verhältnismäßig geringer Impulsenergie können bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren dadurch erhalten werden, dass die Lasereinrichtung bzw. der laseraktive Festkörper mit Pumplicht einer solchen ersten Wellenlänge betrieben wird, für die der Absorptionskoeffizient in dem laseraktiven Festkörper verhältnismäßig groß ist, so dass sich aufgrund der geringen Eindringtiefe des Pumplichts in den laseraktiven Festkörper ein entsprechend kleines Pumpvolumen ergibt. Laserimpulse mit größerer Impulsenergie können bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren dadurch erhalten werden, dass die Lasereinrichtung bzw. der laseraktive Festkörper mit Pumplicht einer zweiten Wellenlänge betrieben wird, für die der Absorptionskoeffizient in dem laseraktiven Festkörper verhältnismäßig klein ist, so dass sich aufgrund der größeren Eindringtiefe des Pumplichts der zweiten Wellenlänge in den laseraktiven Festkörper ein entsprechend größeres Pumpvolumen ergibt.Laser pulses with relatively low pulse energy can be obtained in the operating method according to the invention, that the laser device or the laser-active solid is operated with pumping light of such a first wavelength for which the absorption coefficient in the laser-active solid is relatively large, so that due to the low penetration depth the pump light in the laser-active solid results in a correspondingly small pump volume. Laser pulses with greater pulse energy can be obtained in the operating method according to the invention in that the laser device or the laser-active solid is operated with pump light of a second wavelength for which the absorption coefficient in the laser-active solid is relatively small, so that due to the greater penetration depth of the pump light the second wavelength in the laser-active solid results in a correspondingly larger pumping volume.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Lasereinrichtung beziehungsweise ihr laseraktiver Festkörper gleichzeitig mit Pump licht verschiedener Wellenlängen beaufschlagt wird, wodurch das zur Verfügung stehende Material des laseraktiven Festkörpers hinsichtlich einer Maximierung des Pumpvolumens optimal genutzt wird.Particularly preferred is an embodiment of the method according to the invention, in which the laser device or its laser active solid simultaneously with pump light different Wavelengths is applied, whereby the available material of the laser-active solid is used to maximize the pumping volume optimally.
Eine besondere räumliche Intensitätsverteilung des in den laseraktiven Festkörper eingestrahlten Pumplichts kann einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebs- Verfahrens zufolge dadurch erzielt werden, dass die Intensität beziehungsweise der zeitliche Verlauf der Intensität des Pumplichts einer ersten Wellenlänge in Abhängigkeit der Intensität beziehungsweise des zeitlichen Verlaufs der Intensität des Pumplichts einer zweiten Wellenlänge gewählt wird. Durch die Abstimmung der Intensitäten des Pumplichts unterschiedlicher Wellenlängen aufeinander ist ganz besonders vorteilhaft auch die Möglichkeit gegeben, die Intensität des gesamten eingestrahlten Pumplichts über einen größtmöglichen Bereich des laseraktiven Festkörpers hinweg etwa konstant zu halten, d.h. eine homogene räumliche Pumplichtverteilung zu erzielen, wodurch ein besonders effizienter Betrieb der erfindungsgemäßen Laserseinrichtung möglich ist.According to a further advantageous embodiment of the operating method according to the invention, a particular spatial intensity distribution of the pump light irradiated into the laser-active solid can be achieved by the intensity or the temporal course of the intensity of the pump light of a first wavelength as a function of the intensity or the temporal course of the intensity the pump light of a second wavelength is selected. By coordinating the intensities of the pumping light of different wavelengths on one another, it is also possible to keep the intensity of the total incident pumping light approximately constant over a maximum range of the laser-active solid, ie. To achieve a homogeneous spatial pump light distribution, whereby a particularly efficient operation of the laser device according to the invention is possible.
Ein weiterer Freiheitsgrad bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ist bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform dadurch gegeben, dass die Lasereinrichtung zeitlich nacheinander mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen beaufschlagt wird. Falls beispielsweise Laserimpulse mit einer geringeren als der maximal möglichen Impulsleistung erzeugt werden sollen, ist es denkbar, den laseraktiven Festkörper nur mit Pumplicht einer einzigen Wellenlänge zu beaufschlagen, während zur Erzeugung von Laserimpulsen mit der maximal möglichen Impulsleistung wiederum Pumplicht mehrerer Wellenlängen verwendet wird. Eine Kombination der zeitlich nacheinander erfolgenden Beaufschlagung mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen mit der vorstehend beschriebenen gleichzeitigen Beaufschlagung und ggf. der Einstellung der jeweiligen Intensitäten ist ebenfalls denkbar.Another degree of freedom in the operation of the laser device according to the invention is given in another advantageous embodiment, characterized in that the laser device is applied successively time with pump light of different wavelengths. For example, if laser pulses are to be generated with a less than the maximum possible pulse power, it is conceivable to apply the laser-active solid only with pump light of a single wavelength, while again pump light of multiple wavelengths is used to generate laser pulses with the maximum possible pulse power. A combination of the temporally successive admission with pump light of different wavelengths with the above-described simultaneous application and optionally the adjustment of the respective intensities is also conceivable.
Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Verfahren einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge sowohl ein transversales als auch ein longitudinales Anregen des laseraktiven Festkörpers und/oder der passiven Güteschaltung mit Pumplicht vorsehen sowie eine Kombination hieraus. Dabei ist es ferner möglich, die longitudinale Anregung mit einer ersten Wellenlänge durchzuführen, und die transversale Anregung mit einer zweiten Wellenlänge durchzuführen, oder auch unterschiedliche Pumplichtwellenlängen für die transversale und/oder longitudinale Anregung zu verwenden.In principle, according to a further advantageous embodiment, the method according to the invention can provide both transversal and longitudinal excitation of the laser-active solid and / or the passive Q-switching with pump light, as well as a combination thereof. It is also possible to perform the longitudinal excitation at a first wavelength, and to perform the transverse excitation at a second wavelength, or to use different pumping light wavelengths for the transverse and / or longitudinal excitation.
Besonders bevorzugt ist jedoch die rein longitudinale Anregung des laseraktiven Festkörpers und/oder der passiven Güteschaltung mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen, weil hierdurch die eingangs genannten Nachteile der transversalen Anregung vermieden werden und sich eine dementsprechend hohe Strahlqualität des erzeugten Laserimpulses, d.h. z.B. eine möglichst kleine Beugungsmaßzahl M2, ergibt. Eine besonders effiziente Versorgung der Lasereinrichtung mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen ist erfindungsgemäß dadurch möglich, dass der Lasereinrichtung Pumplicht verschiedener Wellenlängen über mindestens eine gemeinsame Lichtleitfaser zugeführt wird. Hierbei werden beide bzw. mehrere Pumplichtwellenlängen über geeignete, dem Fachmann bekannte Mittel wie z.B. eine Strahlformungsoptik, in dieselbe Lichtleitfaser eingekoppelt, und das von der Lichtleitfaser geführte, mehrere Wellenlängen aufweisende Pumplicht wird ggf. unter Verwendung einer weiteren Strahlformungsoptik aus der Lichtleitfaser in den laseraktiven Festkörper eingestrahlt.Particularly preferred, however, is the purely longitudinal excitation of the laser-active solid and / or the passive Q-switching with pump light of different wavelengths, because this avoids the aforementioned disadvantages of the transverse excitation and a correspondingly high beam quality of the generated laser pulse, ie, for example, a smallest possible diffraction factor M 2 , results. A particularly efficient supply of the laser device with pump light of different wavelengths is possible according to the invention in that pumping light of different wavelengths is supplied to the laser device via at least one common optical fiber. Here, both or more pump light wavelengths are coupled via suitable means known in the art, such as a beam shaping optics in the same optical fiber, and guided by the optical fiber, multi-wavelength pump light is optionally using a further beam shaping optics from the optical fiber in the laser-active solid irradiated.
Alternativ oder ergänzend kann einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zufolge vorgesehen sein, dass der Lasereinrichtung Pumplicht verschiedener Wellenlängen über mindestens ein mehrere Lichtleitfasern aufweisendes Faserbündel zugeführt wird, wobei über jede Lichtleitfaser nur Pumplicht einer Wellenlänge geführt wird, so dass eine Kombination von Pumplicht verschiedener Wellenlängen in eine Lichtleitfaser nicht erforderlich ist und eine entsprechende Optik einfacher ausgebildet sein kann.Alternatively or additionally, it can be provided according to a further advantageous embodiment of the invention that the laser device is supplied pump light of different wavelengths via at least one fiber bundle having multiple optical fibers, wherein only pump light of one wavelength is guided over each optical fiber, so that a combination of pump light of different wavelengths in an optical fiber is not required and a corresponding optics can be made simpler.
Weitere Möglichkeiten, Pumplicht verschiedener Wellenlängen zuzuführen, sehen die Verwendung von Strahlteilern vor, die beispielsweise hochreflektierend für eine erste verwendete Pumplichtwellenlänge und nicht reflektierend für eine weitere verwendete Pumplichtwellenlänge ausgebildet sind, und über die die verschiedenen Pumplichtstrahlen entsprechend kombinierbar und einer gegebenenfalls vor dem laseraktiven Festkörper angeordneten Optik zuführbar sind.Further possibilities for supplying pump light of different wavelengths provide for the use of beam splitters which are, for example, highly reflective for a first pump light wavelength used and non-reflective for a further pump light wavelength used, and via which the various pump light beams can be correspondingly combined and one possibly arranged in front of the laser-active solid Optics are fed.
Bei der Verwendung eines mehrere Lichtleitfasern aufweisenden Faserbündels kann einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge vorgesehen sein, dass derWhen using a fiber bundle having a plurality of optical fibers, a further very advantageous embodiment of the present invention may provide that the
Lasereinrichtung zugewandte Endabschnitte der mehreren das Pumplicht führenden Lichtleitfasern in Abhängigkeit einer vorgebbaren räumlichen Intensitätsverteilung des Pumplichts in der Lasereinrichtung beziehungsweise in deren laseraktivem Festkörper angeordnet werden. Hierdurch ist insbesondere die Qualität eines mittels der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung erzeugten Laserimpulses, insbesondere dessen Strahlqualität, optimierbar.Laser device facing end portions of the plurality of optical fibers leading the pump light in dependence on a predetermined spatial intensity distribution of the pump light in the laser device or in the laser-active solid body are arranged. As a result, in particular the quality of a laser pulse generated by means of the laser device according to the invention, in particular its beam quality, can be optimized.
Ganz besonders vorteilhaft eignet sich das erfindungsgemäße Betriebsverfahren zur Erzeugung von Laserimpulsen innerhalb einer Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann vorteilhaft sowohl bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen wie auch bei Stationärmotoren eingesetzt werden. Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Lasereinrichtung gemäß Patentanspruch 11 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The operating method according to the invention is particularly advantageous for generating laser pulses within an ignition device of an internal combustion engine. The operating method according to the invention can advantageously be used both in internal combustion engines of motor vehicles and in stationary engines. As a further solution of the object of the present invention, a laser device according to claim 11 is given. Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.
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.Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures of the drawing. All described or illustrated features, alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency and regardless of their formulation or representation in the description or in the drawing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
In der Zeichnung zeigt:In the drawing shows:
Figur 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung,FIG. 1 shows an embodiment of the laser device according to the invention,
Figur 2 beispielhaft eine räumliche Intensitätsverteilung des Pumplichts in einem laseraktivenFIG. 2 shows by way of example a spatial intensity distribution of the pump light in a laser-active
Festkörper der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung, wie sie sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ergibt,Solid body of the laser device according to the invention, as it results when using the operating method according to the invention,
Figur 3 a und 3b unterschiedliche Varianten zur Versorgung der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen,FIGS. 3 a and 3 b show different variants for supplying the laser device according to the invention with pump light of different wavelengths,
Figur 4a bis 4c weitere Varianten von Lichtleiteranordnungen zur Versorgung der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung mit Pumplicht verschiedener Wellenlängen, undFIGS. 4a to 4c show further variants of optical fiber arrangements for supplying the laser device according to the invention with pump light of different wavelengths, and
Figur 5 eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßenFigure 5 shows an ignition device for an internal combustion engine with the invention
Lasereinrichtung gemäß Figur 1.Laser device according to FIG. 1.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Figur 1 zeigt schematisch eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26. Die Lasereinrichtung 26 weist einen laseraktiven Festkörper 44 auf, dem eine auch als Q-switch bezeichnete passive Güteschaltung 46 optisch nachgeordnet ist. Der laseraktive Festkörper 44 bildet hierbei zusammen mit der passiven Güteschaltung 46 sowie dem in Figur 1 links hiervon angeordneten Einkoppelspiegel 42 und dem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator aus, dessen Schwingverhalten von der passiven Güteschaltung 46 abhängt und damit zumindest mittelbar in an sich bekannter Weise steuerbar ist.FIG. 1 schematically shows a detailed view of a first embodiment of the laser device 26 according to the invention. The laser device 26 has a laser-active solid 44, to which a passive Q-switching 46, also referred to as Q-switch, is optically arranged. The laser-active solid 44 forms here, together with the passive Q-switching circuit 46 and the coupling mirror 42 arranged on the left thereof in FIG. 1 and the output mirror 48, a laser oscillator whose Oscillation behavior of the passive Q-switching circuit 46 depends and thus at least indirectly controllable in a conventional manner.
Bei der in Figur 1 abgebildeten Konfiguration wird die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 beziehungsweise der laseraktive Festkörper 44 durch den Einkoppelspiegel 42 hindurch mit Pumplicht 28a, 28b beaufschlagt, das Elektronen in dem laseraktiven Festkörper 44 anregt und damit zu einer an sich bekannten Besetzungsinversion führt. Der Einkoppelspiegel 42 besitzt für das Pumplicht 28a, 28b einen verhältnismäßig großen Transmissionskoeffizienten.In the configuration shown in FIG. 1, the laser device 26 or the laser-active solid 44 according to the invention is acted upon by the coupling mirror 42 with pumping light 28a, 28b, which excites electrons in the laser-active solid 44 and thus leads to a population inversion known per se. The coupling-in mirror 42 has a relatively large transmission coefficient for the pumping light 28a, 28b.
Während die passive Güteschaltung 46 ihren Ruhezustand aufweist, in dem sie einen verhältnismäßig geringen Transmissionskoeffizienten besitzt, wird ein Laserbetrieb in dem laseraktiven Festkörper 44 beziehungsweise in dem durch den Einkoppelspiegel 42 und den Auskoppelspiegel 48 begrenzten Festkörper 44, 46 vermieden. Mit steigender Pumpdauer, das heißt während einer fortgesetzten Beaufschlagung mit dem Pumplicht 28a, 28b, steigt jedoch auch die Strahlungsintensität in dem Laser- Oszillator 42, 44, 46, 48 an, so dass die passive Güteschaltung 46 schließlich ausbleicht. Das heißt, ihr Transmissionskoeffizient steigt, und ein Laserbetrieb in dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 beginnt. Dieser Zustand ist durch den Doppelpfeil 24' symbolisiert.While the passive Q-switching circuit 46 has its idle state in which it has a relatively low transmission coefficient, laser operation is avoided in the laser-active solid 44 or in the solid 44, 46 confined by the input mirror 42 and the output mirror 48. However, as the pumping time increases, that is to say during continued application of the pumping light 28a, 28b, the radiation intensity in the laser oscillator 42, 44, 46, 48 also increases, so that the passive Q-switching circuit 46 finally fades. That is, its transmission coefficient increases, and laser operation in the laser oscillator 42, 44, 46, 48 begins. This state is symbolized by the double arrow 24 '.
Auf die vorstehend beschriebene Weise entsteht ein auch als Riesenimpuls bezeichneter Laserimpuls 24, der eine verhältnismäßig hohe Spitzenleistung aufweist. Der Laserimpuls 24 wird anschließend durch den in Figur 1 rechts angeordneten Auskoppelspiegel 48 aus dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 ausgekoppelt und ist beispielsweise in einer laserbasierten Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine zur Entzündung eines in einem Brennraum der Brennkraftmaschine befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs verwendbar. Hierzu kann der Laserimpuls 24 beispielsweise durch eine entsprechende Lichtleitereinrichtung oder auch direkt durch ein dem Auskoppelspiegel 48 nachgeordnetes Brennraumfenster in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingekoppelt werden.In the manner described above, a laser pulse 24, also referred to as a giant pulse, which has a relatively high peak power. The laser pulse 24 is then coupled out through the right in Figure 1 Auskoppelspiegel 48 from the laser oscillator 42, 44, 46, 48 and is for example in a laser-based ignition device for an internal combustion engine for igniting a located in a combustion chamber of the internal combustion engine air / fuel mixture usable. For this purpose, the laser pulse 24 can be coupled into the combustion chamber of the internal combustion engine, for example, by a corresponding optical waveguide device or directly by a combustion chamber window arranged downstream of the coupling-out mirror 48.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Lasereinrichtung 26 mit Pumplicht 28a, 28b verschiedener Wellenlängen λa, λb beaufschlagt wird. Dadurch ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, eine homogenere räumliche Intensitätsverteilung des in den laseraktiven Festkörper 44 eingestrahlten Pumplichts 28a, 28b zu erzielen, als dies bei herkömmlichen Systemen unter Verwendung von Pumplicht einer einzigen Wellenlänge möglich ist. Dies ergibt sich dadurch, dass das zur Ausbildung des laseraktiven Festkörpers 44 verwendete Material einen wellenlängenabhängigen Absorptionskoeffizienten für das Pumplicht 28a, 28b aufweist und somit Pumplicht 28a, 28b unterschiedlicher Wellenlänge λa, λb - ausgehend von der in Figur 1 beispielhaft von links erfolgenden abgebildeten longitudinalen Anregung - unterschiedlich weit in den laseraktiven Festkörper 44 eindringt. Figur 2 zeigt beispielhaft eine räumliche Verteilung der Intensität des in den laseraktiven Festkörper 44 (Figur 1) eingestrahlten Pumplichts 28a, 28b aufgetragen über einer Ortskoordinate z, die einer Länge des laseraktiven Festkörpers 44 aus Figur 1 von seinem linken Ende aus gesehen entspricht.According to the invention, the laser device 26 is supplied with pump light 28a, 28b of different wavelengths λ a , λ b . This advantageously provides the possibility of achieving a more homogeneous spatial intensity distribution of the pumping light 28a, 28b radiated into the laser-active solid 44 than is possible in conventional systems using pumping light of a single wavelength. This results from the fact that the material used to form the laser-active solid 44 has a wavelength-dependent absorption coefficient for the pump light 28a, 28b and thus pump light 28a, 28b of different wavelength λ a , λ b - starting from the example shown in Figure 1 from the left longitudinal excitation - penetrates the laser active solid 44 to different degrees. FIG. 2 shows by way of example a spatial distribution of the intensity of the pumping light 28a, 28b radiated into the laser-active solid 44 (FIG. 1) plotted over a location coordinate z, which corresponds to a length of the laser-active solid 44 from FIG. 1 from its left end.
Die räumliche Intensitätsverteilung für das Pumplicht 28a (Figur 1) der ersten verwendeten Wellenlänge λa ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen Ia(z) gekennzeichnet, und die räumliche Intensitätsverteilung für das Pumplicht 28b (Figur 1) der zweiten verwendeten Wellenlänge λb ist in Figur 2 entsprechend mit dem Bezugszeichen Ib(z) gekennzeichnet. Beide Pumplichtwellenlängen λa, λb werden vorliegend mit der gleichen Intensität - bezogen auf die Ortskoordinate z=0, d.h. den in Figur 1 linken Rand des laseraktiven Festkörpers 44, zugeführt. Die entsprechenden Pumplichtstrahlen 28a, 28b sind vorliegend in gleicher Weise geringfügig in den laseraktiven Festkörper 44 hinein fokussiert, d.h. auf einen Ort z>0.The spatial intensity distribution of the pump light 28a (Figure 1) of the first wavelength used λ a is indicated in Figure 2 by the reference numeral I a (z), and the spatial intensity distribution of the pump light 28b (Figure 1) of the second wavelength used λ b is in Figure 2 according to the reference I b (z). In the present case, both pump light wavelengths λ a , λ b are supplied with the same intensity-based on the spatial coordinate z = 0, ie, the left edge of the laser-active solid 44 in FIG. In the present case, the corresponding pumped light beams 28a, 28b are slightly focused in the same way into the laser-active solid 44, ie to a location z> 0.
Aufgrund unterschiedlicher Absorptionskoeffizienten des laseraktiven Festkörpers 44 für die beiden Wellenlängen λa, λb kann in dem Beispiel nach Figur 2 das Pumplicht 28b mit der Wellenlänge λb bei der vorliegend betrachteten longitudinalen Anregung weiter in den laseraktiven Festkörper 44 eindringen, als das Pumplicht 28a, wodurch das zum Aufbau der gewünschten Besetzungsinversion verfügbare Pumpvolumen des laseraktiven Festkörpers 44 vergrößert wird.Due to the different absorption coefficient of the laser-active solid body 44 for the two wavelengths λ a, λ b, the pump light, in the present case under consideration longitudinal excitation penetrate further 28b having the wavelength λ b in the laser-active solid body 44, as the pump light 28a in the example of Figure 2, whereby the pump volume of the laser-active solid 44 available for establishing the desired population inversion is increased.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kombination von Pumplicht 28a, 28b unterschiedlicher Wellenlängen λa, λb besteht darin, dass sich in dem laseraktiven Festkörper 44 eine im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen verhältnismäßig homogene räumliche Verteilung der Intensität des insgesamt eingestrahlten Pumplichts 28a, 28b erzielen lässt, vergleiche die aggregierte Pumplichtintensität I(z) aus Figur 2, die sich bei einer gleichzeitigen Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 mit dem Pumplicht 28a, 28b beider Wellenlängen λa, λb ergibt.Another advantage of the combination of pumping light 28a, 28b of different wavelengths λ a, λ b according to the invention is that in the laser-active solid 44 a, in contrast to conventional systems, relatively homogeneous spatial distribution of the intensity of the total incident pump light 28a can be achieved 28b compare the aggregate pumping light intensity I (z) of FIG. 2, which results when the laser device 26 is simultaneously acted on by the pumping light 28a, 28b of both wavelengths λ a , λ b .
Durch die homogene räumliche Verteilung der Pumpintensität lässt sich die Sättigung der passiven Güteschaltung 46 bzw. der Zeitpunkt, zu diesem Sättigung erreicht wird, zeitlich verschieben. Aufgrund der hierdurch erzielten länger andauernden optischen Anregung kann besonders vorteilhaft mehr Energie in dem laseraktiven Material der Komponenten 44, 46 gespeichert werden. Ein bei dieser Konfiguration erzeugter Laserimpuls besitzt dadurch eine höhere Impulsenergie.Due to the homogeneous spatial distribution of the pumping intensity, the saturation of the passive Q-switching circuit 46 or the time at which saturation is reached can be shifted in time. Due to the longer-lasting optical excitation achieved thereby, more energy can be stored in the laser-active material of the components 44, 46 particularly advantageously. A laser pulse generated in this configuration thus has a higher pulse energy.
Ein bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens besteht demnach darin, dass eine effektive Vergrößerung des Pumpvolumens realisierbar ist, ohne dass auf eine transversale Anregung des laseraktiven Festkörpers 44 mit Pumplicht zurückgegriffen werden muss. Dadurch kann unter Verwendung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ein energiereicher Laserimpuls 24 (Figur 1) mit besonders hoher Strahlqualität, d.h. mit einer besonders geringen Beugungsmaßzahl M2, erzeugt werden.A significant advantage of the operating method according to the invention is therefore that an effective increase in the pumping volume can be realized without having to resort to a transverse excitation of the laser-active solid 44 with pumping light. As a result, using the operating method according to the invention a high-energy laser pulse 24 (Figure 1) with particularly high beam quality, ie with a particularly low diffraction factor M 2 , are generated.
Neben der gleichzeitigen Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers 44 mit Pumplicht 28a, 28b verschiedener Wellenlängen λa, λb, durch die wie vorstehend beschrieben Laserimpulse 24 mit maximaler Impulsenergie erzeugt werden können, ermöglicht die erfindungsgemäße Verwendung von Pumplicht 28 a, 28b unterschiedlicher Wellenlängen λa, λb darüber hinaus weitere Freiheitsgrade bei dem Pumpvorgang, der zu dem Aufbau der Besetzungsinversion in dem laseraktiven Festkörper 44 dient. Hierdurch ist es möglich, bei geeigneter Vorgabe der Pumplichtintensität Laserimpulse 24 mit unterschiedlicher Impulsenergie zu erzeugen. Beispielsweise können Laserimpulse 24 mit verhältnismäßig geringer Impulsenergie dadurch erzeugt werden, dass der laseraktive Festkörper 44 in einer zu herkömmlichen Systemen vergleichbaren Art und Weise allein mit Pumplicht 28a einer ersten Wellenlänge λa angeregt wird. Sobald Laserimpulse 24 erzeugt werden sollen, die eine maximal mögliche Impulsenergie aufweisen, kann der laseraktive Festkörper 44 erneut gleichzeitig mit Pumplicht 28a, 28b verschiedener Wellenlängen λa, λb beaufschlagt werden.In addition to the simultaneous loading of the laser-active solid 44 with pump light 28a, 28b of different wavelengths λ a , λ b , by which laser pulses 24 can be generated with maximum pulse energy as described above, the use according to the invention of pump light 28 a, 28b of different wavelengths λ a , λ b further degrees of freedom in the pumping operation, which serves to build up the population inversion in the laser-active solid 44. This makes it possible, with suitable specification of the pumping light intensity, to generate laser pulses 24 with different pulse energy. For example, laser pulses 24 with relatively low pulse energy can be generated by exciting the laser-active solid 44 in a manner comparable to conventional systems alone with pump light 28a of a first wavelength λ a . As soon as laser pulses 24 are to be generated which have a maximum possible pulse energy, the laser-active solid 44 can be acted upon again simultaneously with pump light 28a, 28b of different wavelengths λ a , λ b .
Obwohl die Anregung des laseraktiven Festkörpers 44 aufgrund der besseren Strahlqualität in der bevorzugten Ausführungsform allein durch longitudinales Pumpen erfolgt, kann das erfindungsgemäße Verfahren, das eine Kombination von Pumplicht 28a, 28b verschiedener Wellenlängen λa, λb vorsieht, auch zum transversalen Anregen des laseraktiven Festkörpers 44 oder zu einer kombinierten longitudinalen und transversalen Anregung verwendet werden.Although the excitation of the laser-active solid 44 takes place solely by longitudinal pumping due to the better beam quality in the preferred embodiment, the method according to the invention, which provides a combination of pump light 28a, 28b of different wavelengths λ a , λ b , can also transversely excite the laser-active solid 44 or to a combined longitudinal and transversal excitation.
Bei einer besonders vorteilhaften weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird derIn a particularly advantageous further embodiment of the present invention, the
Lasereinrichtung 26 das Pumplicht 28a, 28b verschiedener Wellenlängen λa, λb über eine gemeinsame Lichtleitfaser 280a zugeführt, vergleiche Figur 3a. Das Pumplicht 28a, 28b kann über eine nicht abgebildete Strahlformungsoptik in die Lichtleitfaser 280a eingeleitet und durch die in Figur 3a abgebildete und nicht näher bezeichnete weitere Optik schließlich in den laseraktiven Festkörper 44 eingekoppelt werden.Laser device 26, the pumping light 28a, 28b of different wavelengths λ a , λ b supplied via a common optical fiber 280a, compare Figure 3a. The pumping light 28a, 28b can be introduced into the optical fiber 280a via an unillustrated beam-forming optical system and finally coupled into the laser-active solid 44 by the further optics shown in FIG. 3a and not further described.
Alternativ zu der Verwendung einer gemeinsamen Lichtleitfaser 280a für die mehreren Wellenlängen λa, λb des Pumplichts 28a, 28b kann eine beispielhaft in Figur 3b abgebildete Strahlteilerkonfiguration vorgesehen sein, bei der das Pumplicht 28a, 28b über einen Strahlteiler, der hochreflektierend für die Wellenlänge λb des Pumplichts 28b und nicht reflektierend für die Wellenlänge λa, des Pumplichts 28a ausgebildet ist, zusammengeführt und durch eine gegebenenfalls vorhandene nachgeordnete Optik auf den laseraktiven Festkörper 44 der Lasereinrichtung 26 abgebildet wird. Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 ist vorgehen, dass der Lasereinrichtung 26 Pumplicht 28a, 28b verschiedener Wellenlängen λa, λb über mindestens ein mehrere Lichtleitfasern aufweisendes Faserbündel 280b zugeführt wird, vergleiche Figur 4a. Jeder der in Figur 4a nicht näher bezeichneten einzelnen Lichtleitfasern ist jeweils nur Pump licht 28a, 28b einer der verwendeten Wellenlängen zugeführt, wobei bevorzugt insgesamt mehrere Lichtleitfasern zur Führung des Pumplichts 28a einer ersten Wellenlänge λa sowie zur Führung des Pumplichts 28b einer zweiten Wellenlänge λb vorgesehen sind. Um eine vorgebbare räumliche Intensitätsverteilung des Pumplichts 28a, 28b in der Lasereinrichtung 26 beziehungsweise in deren laseraktivem Festkörper 44 zu erzielen, können die der Lasereinrichtung 26 zugewandten Endabschnitte der mehreren das Pumplicht 28a, 28b führenden Lichtleitfasern in unterschiedlicher Weise zueinander angeordnet sein, vergleiche Figur 4a, 4b, 4c.As an alternative to the use of a common optical fiber 280a for the several wavelengths λ a , λ b of the pumping light 28a, 28b, a beam splitter configuration may be provided by way of example in FIG. 3b, in which the pumping light 28a, 28b is transmitted via a beam splitter which is highly reflective for the wavelength λ b of the pumping light 28b and non-reflective for the wavelength λ a , the pumping light 28a is formed, merged and imaged by an optionally present downstream optics on the laser-active solid 44 of the laser device 26. That the laser device 26 pump light 28a, 28b of different wavelengths λ a, is supplied to λ b of at least a plurality of optical fibers exhibiting fiber bundle 280b at a further very advantageous embodiment of the laser device 26 according to the invention compare figure proceed, 4a. Each unspecified in Figure 4a individual optical fibers is only pump light 28a, 28b supplied to one of the wavelengths used, preferably a total of several optical fibers for guiding the pump light 28a of a first wavelength λ a and to guide the pump light 28b of a second wavelength λ b are provided. In order to achieve a predefinable spatial intensity distribution of the pumping light 28a, 28b in the laser device 26 or in their laser-active solid 44, the end sections of the plurality of optical fibers leading to the pumping light 28a, 28b may be arranged differently in relation to each other, cf. FIG. 4a, 4b, 4c.
Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 (Figur 1) kann als laseraktives Medium 44 beispielsweise ein Nd:YAG-basiertes Material aufweisen, und die passive Güteschaltung 46 kann beispielsweise ein Cr4+:YAG-basiertes Material aufweisen. Als Pumplicht 28a, 28b kann beispielsweise Licht, insbesondere Laserlicht, der Wellenlänge λa = 808 nm und λb = 885 nm verwendet werden. Der Nd:YAG-Material aufweisende laseraktive Festkörper 44 mit einer Dotierung von z.B. etwa 1 at.% besitzt bei der Wellenlänge λa einen Absorptionskoeffizienten von etwa 10 cm 1, und bei der Wellenlänge λb einen Absorptionskoeffizienten von etwa 2 cm"1.The laser device 26 according to the invention (FIG. 1) can have, for example, a Nd: YAG-based material as the laser-active medium 44, and the passive Q-switching 46 can comprise, for example, a Cr 4+ : YAG-based material. For example, light, in particular laser light, of the wavelength λ a = 808 nm and λ b = 885 nm can be used as the pumping light 28 a, 28 b . The Nd: YAG material having laser-active solid 44 at with a doping of, for example about 1% has at the wavelength λ a is an absorption coefficient of about 10 cm 1, and at the wavelength λ b has an absorption coefficient of approximately 2 cm "1..
Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen λa, λb für das Pumplicht 28a, 28b bei einer rein longitudinalen Anregung des laseraktiven Festkörpers 44 dieOverall, the inventive use of different wavelengths λ a , λ b for the pump light 28a, 28b in a purely longitudinal excitation of the laser-active solid 44 allows the
Erzeugung von Laserimpulsen 24 (Figur 1) mit verhältnismäßig großer Impulsenergie, wie sie bei einer vergleichbaren longitudinalen Anregung unter Verwendung herkömmlicher Betriebsverfahren mit nur einer Pumplichtwellenlänge nicht erzielbar ist.Generation of laser pulses 24 (Figure 1) with relatively large pulse energy, which is not achievable in a comparable longitudinal excitation using conventional operating methods with only one pumping light wavelength.
Gleichzeitig weist der erfindungsgemäß erzeugte Laserimpuls 24 eine verhältnismäßig hohe Strahlqualität aufgrund der rein longitudinalen Anregung auf.At the same time, the laser pulse 24 produced according to the invention has a comparatively high beam quality due to the purely longitudinal excitation.
Figur 5 zeigt schematisch eine Zündeinrichtung 27 für eine Brennkraftmaschine 10, bei der die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 und das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Betriebsverfahren dazu verwendet werden, Laserimpulse 24 zu erzeugen, die zur Entzündung eines in einem Brennraum der Brennkraftmaschine 10 befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs dienen.FIG. 5 schematically shows an ignition device 27 for an internal combustion engine 10, in which the laser device 26 according to the invention and the operating method according to the invention described above are used to generate laser pulses 24 which serve to ignite an air / fuel mixture located in a combustion chamber of the internal combustion engine 10.
Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 5 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 beziehungsweise Common-Rail bezeichneten Kraftstoffdruckspeicher 20 angeschlossen ist.The internal combustion engine 10 comprises a plurality of cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG. A combustion chamber 14 of the cylinder 12 is supported by a piston 16 limited. Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18, which is connected to a designated also as a rail or common rail fuel pressure accumulator 20.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels des vorstehend beschriebenen Laserimpulses 24 entzündet, der von der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 der Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird.Injected into the combustion chamber 14 fuel 22 is ignited by means of the laser pulse 24 described above, which is emitted from the laser device 26 according to the invention of the ignition device 27 into the combustion chamber 14.
Die Lasereinrichtung 26 wird erfindungsgemäß über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit Pumplicht 28a, 28b (Figur 1) unterschiedlicher Wellenlängen λa, λb gespeist, welches von der Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 32 gesteuert, die auch den Injektor 18 ansteuert.According to the invention, the laser device 26 is fed via an optical waveguide device 28 with pumping light 28 a, 28 b (FIG. 1) of different wavelengths λ a , λ b , which is provided by the pumping light source 30. The pump light source 30 is controlled by a control and regulating device 32, which also controls the injector 18.
Beispielsweise kann die Pumplichtquelle 30 eine oder mehrere nicht abgebildete Halbleiter-Laserdioden aufweisen, die in Abhängigkeit eines Steuerstroms Pumplicht 28a, 28b entsprechender Intensität über die Lichtleitereinrichtung 28 an die Lasereinrichtung 26 ausgeben. Obwohl Halbleiter-Laserdioden und andere kleinbauende Pumplichtquellen bevorzugt für einen Einsatz in dem Kraftfahrzeugbereich verwendet werden, ist für den Betrieb der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27 prinzipiell jede Art von Pumplichtquelle verwendbar, welche eine Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen λa, λb bereitstellt.By way of example, the pumping light source 30 may have one or more semiconductor diode (not shown) which output pumping light 28a, 28b of corresponding intensity to the laser device 26 via the optical waveguide device 28 as a function of a control current. Although semiconductor laser diodes and other small-sized pump light sources are preferably used for use in the automotive field, any type of pump light source providing a plurality of different wavelengths λ a , λ b can be used for the operation of the ignition device 27 according to the invention.
Es ist auch denkbar, Pumplicht mit mehr als zwei verschiedenen Wellenlängen λa, λb zu verwenden. It is also conceivable to use pump light with more than two different wavelengths λ a , λ b .

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (26), die einen laseraktiven Festkörper (44) mit einer passiven Güteschaltung (46) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht (28a, 28b) verschiedener Wellenlängen (λa, λb) beaufschlagt wird.1. A method for operating a laser device (26) having a laser-active solid (44) with a passive Q-switching (46), characterized in that the laser device (26) with pump light (28a, 28b) of different wavelengths (λ a , λ b ) is charged.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) gleichzeitig mit Pumplicht (28a, 28b) verschiedener Wellenlängen (λa, λb) beaufschlagt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the laser device (26) simultaneously with pumping light (28a, 28b) of different wavelengths (λ a , λ b ) is acted upon.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität beziehungsweise der zeitliche Verlauf der Intensität des Pumplichts (28a) einer ersten Wellenlänge (λa) in Abhängigkeit der Intensität beziehungsweise des zeitlichen Verlaufs der Intensität des Pumplichts (28b) einer zweiten Wellenlänge (λb) gewählt wird.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the intensity or the time course of the intensity of the pump light (28a) of a first wavelength (λ a ) in dependence of the intensity or the time course of the intensity of the pump light (28b) of a second Wavelength (λ b ) is selected.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Pumplichts (28a, 28b) verschiedener Wellenlängen (λa, λb) so gewählt ist, dass sich eine möglichst homogene Verteilung des insgesamt in den laseraktiven Festkörper (44) und/oder die passive Güteschaltung (46) eingestrahlten Pumplichts (28a, 28b) ergibt.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the intensity of the pump light (28a, 28b) of different wavelengths (λ a , λ b ) is selected so that a homogeneous distribution of the total in the laser-active solid (44) and / or the passive Güteschaltung (46) irradiated pumping light (28a, 28b) results.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser- einrichtung (26) zeitlich nacheinander mit Pumplicht (28a, 28b) verschiedener Wellenlängen (λa, λb) beaufschlagt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the laser device (26) in time with successive pumping light (28a, 28b) of different wavelengths (λ a , λ b ) is applied.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (44) und/oder die passive Güteschaltung (46) der Lasereinrichtung (26) longitudinal und/oder transversal mit Pumplicht (28a, 28b) mindestens einer Wellenlänge (λa, λb) angeregt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the laser-active solid (44) and / or the passive Q-switching (46) of the laser device (26) longitudinally and / or transversely with pumping light (28a, 28b) at least one wavelength (λ a , λ b ) is excited.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the
Lasereinrichtung (26) Pumplicht (28a, 28b) verschiedener Wellenlängen (λa, λb) über mindestens eine gemeinsame Lichtleitfaser (280a) zugeführt wird.Laser device (26) pumping light (28a, 28b) of different wavelengths (λ a , λ b ) via at least one common optical fiber (280a) is supplied.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lasereinrichtung (26) Pumplicht (28a, 28b) verschiedener Wellenlängen (λa, λb) über mindestens ein mehrere Lichtleitfasern aufweisendes Faserbündel (280b) zugeführt wird, wobei über jede Lichtleitfaser nur Pumplicht (28a, 28b) einer Wellenlänge (λa, λb) geführt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the laser device (26) pumping light (28a, 28b) of different wavelengths (λ a , λ b ) via at least one fiber optic fiber bundle (280b) is supplied, wherein via each optical fiber only pumping light (28a, 28b) of a wavelength (λ a , λ b ) is guided.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lasereinrichtung (26) zugewandte Endabschnitte der mehreren das Pump licht (28a, 28b) führenden Lichtleitfasern in Abhängigkeit einer vorgebbaren räumlichen Intensitätsverteilung des Pumplichts (28a, 28b) in der Lasereinrichtung (26) beziehungsweise in deren laseraktivem Festkörper (44) angeordnet werden.9. The method according to claim 8, characterized in that the laser device (26) facing end portions of the plurality of pump light (28a, 28b) leading optical fibers in response to a predetermined spatial intensity distribution of the pump light (28a, 28b) in the laser device (26) or be arranged in the laser-active solid (44).
10. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Erzeugung von Laserimpulsen (24) für eine Zündeinrichtung (27) einer Brennkraftmaschine (10).10. Use of the method according to one of the preceding claims for generating laser pulses (24) for an ignition device (27) of an internal combustion engine (10).
11. Lasereinrichtung (26), mit einem eine passive Güteschaltung (46) aufweisenden laseraktiven Festkörper (44), dadurch gekennzeichnet, dass der Lasereinrichtung (26) eine Pumplichtquelle (30) zugeordnet ist, über die die Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht (28a, 28b) verschiedener Wellenlängen (λa, λb) beaufschlagbar ist.11. Laser device (26), with a passive good circuit (46) having laser-active solid (44), characterized in that the laser device (26) is associated with a pumping light source (30) through which the laser device (26) with pumping light (28a , 28b) of different wavelengths (λ a , λ b ) can be acted upon.
12. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.12. Laser device (26) according to claim 11, characterized in that it is designed for carrying out the method according to one of claims 1 to 10.
13. Zündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 11 oder 12. 13. Ignition device (27) for an internal combustion engine (10), in particular of a motor vehicle, with a laser device (26) according to one of claims 11 or 12.
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