WO2009127490A1 - Lasereinrichtung und betriebsverfahren hierfür - Google Patents

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Heiko Ridderbusch
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Robert Bosch Gmbh
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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, a passive Q-switching and a pump light source for acting on the laser device with pump light.
  • the laser device is so loaded with pumping light that results in a predeterminable time course of the inversion density in the laser-active solid.
  • the method according to the invention advantageously provides the possibility of achieving a desired inversion density in the laser-active solid and thus a desired operating behavior of the laser device by means of a predeterminable pumping light exposure of the laser device. In particular, this can increase the precision with respect to a time point at which the Q-switched laser pulse is emitted, compared to conventional methods.
  • a particularly simple embodiment of the operating method according to the invention provides that the laser device is at least temporarily exposed to pumping light of a constant power density.
  • a further increase in the precision of the operation of the laser device is obtained according to the invention when the power density of the pump light is selected such that a first Q-switched laser pulse is generated within a pump duration starting from a pump start time corresponding to the beginning of the application of the pump light. which is less than or equal to about twice the fluorescence lifetime of a material of the laser-active solid.
  • the inventive choice of the power density of the pump light can be carried out, for example, by means of a control method in which the power density for successive pumping operations is initially varied until the desired pumping time on the order of twice the fluorescence lifetime or less is achieved.
  • the fluorescence lifetime of the laser-active material used there are further factors such as the optical configuration of the laser device, the way in which the pump light is coupled into the laser device or the laser-active solid and the like, so that the optimum pumping time or power density required for a given configuration for example, can be determined within the scope of an application process. According to the invention, it has been found that a temporal variance of the pumping time between the
  • Pump start time and the actual generation of the passively Q-switched laser pulse is then particularly low when the pumping time is less than or equal to about twice the fluorescence lifetime of the material of the laser-active solid.
  • An even lower variance of the pumping time and thus further increased precision results according to the invention when the power density of the pumping light is chosen such that the pumping time until the generation of the laser pulse is within the range of the simple fluorescence lifetime of the laser-active material. That is, according to the invention, the power density of the pump light is to be chosen in particular sufficiently large to achieve a pumping time in the range of single to double fluorescence lifetime and thus a low variance of the pumping time. Accordingly, in conventional laser materials such as Nd: YAG, the pumping time should be selected according to the invention between about 250 s and about 500 s.
  • the laser device is at least temporarily charged with pump light of a non-constant power density and the power density of the pump light is chosen such that a specifiable temporal change of the inversion density in the laser-active solid occurs at least temporarily.
  • the power density of the pump light is chosen such that a specifiable temporal change of the inversion density in the laser-active solid occurs at least temporarily.
  • the passively Q-switched laser pulse it is advantageously provided, at least temporarily, in particular directly before the generation of the passively Q-switched laser pulse, to observe a specifiable temporal change of the inversion density in the laser-active solid.
  • the change with time of the inversion density in the laser-active solid body preferably does not fall below a predefinable threshold value directly before the generation of the first Q-switched laser pulse.
  • the temporal variance of a pump duration measured from the pump start time to the generation of the passively Q-switched laser pulse is minimal when the temporal change of the inversion density corresponds to the abovementioned criteria.
  • the predeterminable threshold value of the temporal change of the inversion density it is possible, for example, to use the gradient of the inversion density which occurs when a constant power density of the pump light is selected such that a pumping time until the generation of a laser pulse is less than or equal to approximately twice the fluorescence lifetime of the material of the laser-active solid.
  • Power density of the pump light or a temporal change in the inversion density can be determined.
  • the desired power density of the pump light can be set particularly easily by predefining a corresponding current through the semiconductor laser diodes.
  • the operating method according to the invention is particularly suitable for generating laser pulses for an ignition device of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle.
  • the laser device according to the invention can also be used in ignition devices of stationary engines, in particular large gas engines.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with a laser-based ignition device for use with the method according to the invention
  • FIG. 2 shows an embodiment of a laser device according to the invention in detail
  • Figure 5 shows the time course of operating variables of the laser device according to the invention using a further embodiment of the operating method according to the invention.
  • An internal combustion engine carries in Figure 1 overall the reference numeral 10. It is used to drive a motor vehicle, not shown.
  • the internal combustion engine 10 comprises a plurality of cylinders, of which only one is shown in FIG. 1 and designated by the reference numeral 12.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 12 is limited by a piston 16.
  • fuel 22 is ignited by means of a laser pulse 24 which is emitted by a laser device 26 comprehensive ignition 27 into the combustion chamber 14.
  • the laser device 26 is fed via a light guide device 28 with pumping light, which is provided by a 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 has at least one semiconductor laser diode which outputs pumping light of corresponding power density via the optical waveguide device 28 to the laser device 26 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, for the operation of the ignition device 27 according to the invention, in principle, any type of pump light source can be used, in which the Power density of the pump light, with which the laser device 26 is acted upon, is adjustable.
  • FIG. 2 schematically shows a detail view of the laser device 26 from FIG. 1.
  • 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 downstream.
  • 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 Figure 2 and the Auskoppelapt 48, a laser oscillator whose oscillatory behavior depends on the passive Q-switching 46 and thus at least indirectly controllable in a conventional manner is.
  • the pumping light 60 is directed by the light-optical device 28 already described with reference to FIG. 1 to the laser-active solid 44, which may be formed, for example, as a Nd: YAG system.
  • the passive Q-switching circuit 46 While the passive Q-switching circuit 46 has its idle state, a saturable absorber contained in it has a relatively small transmission coefficient, whereby a laser operation in the laser-active solid 44 or in the limited by the coupling mirror 42 and the output mirror 48 solids 44, 46 is avoided. With increasing pumping time, however, the radiation density increases in the laser oscillator 42, 44, 46, 48, so that the passive Q-switching circuit 46 or its saturable absorber bleaches, that assumes a larger transmission coefficient, and the laser operation can begin.
  • a laser pulse 24 also referred to as a giant pulse, which has a relatively high peak power.
  • the laser pulse 24 is optionally in the combustion chamber using a further optical fiber device (not shown) or directly through a not shown combustion chamber window of the laser device 26 14 ( Figure 1) of the internal combustion engine 10 is coupled, so that therein existing fuel 22 is ignited.
  • the laser device 26 is supplied with the pumping light 60 in such a way that a predeterminable time profile of the inversion density in the laser-active solid 44 results.
  • the population inversion induced by the optical pumping with the pumping light 60 in the laser-active solid 44 is controlled according to the invention by adjusting the power density of the pumping light 60 so that the inversion density, in particular its time course, corresponds to predefinable conditions.
  • the laser device 26 is at least temporarily exposed to pumping light 60 of a constant power density.
  • the control device 32 (FIG. 1) accordingly comprises a semiconductor laser diode contained in the pumping light source 30 with a constant drive current I whose time profile is illustrated in FIG.
  • the pumping process begins at the time t ⁇ , which is also referred to below as the pump start time.
  • a sufficiently long pumping time tl - t ⁇ i. in this case at the time t 1
  • a first passively Q-switched laser pulse 24 is generated by the laser device 26.
  • the pumping operation is terminated by turning off the drive current I.
  • the power density of the pumping light 60 is to be selected in particular before the time t1 such that a predeterminable time profile of the inversion density ni (FIG. 4) in the laser-active solid 44 (FIG. Figure 2).
  • the power density of the pumping light 60 - in the present case by adjusting the drive current I (FIG. 3) for the semiconductor laser diode - is selected so that the pumping duration tl-t ⁇ is less than or equal to approximately twice the fluorescence lifetime of the Nd: YAG material of the laser-active solid 44 is.
  • the ignition time t1 in the laser-based ignition device 27 depicted in FIG. 1 can advantageously be set very precisely, so that the combustion can take place with optimum efficiency and, in particular, avoid engine damage due to too early ignition.
  • FIG. 4 illustrates the time profile of the inversion density ni as it sets in the laser-active material 44 when exposed to the pumping light 60 (FIG. 2) of the pumping light source 30 (FIG. 1). Due to the loading of the laser device 26 with pumping light 60 of constant power density, cf. The constant drive current I from FIG. 3 results in an approximately linear increase in the inversion density n i between the pump start time t 0 and the time t 0 (FIG. 1)
  • the temporal change of the inversion density ni in the laser-active solid 44 is illustrated in FIG. 4 by the gradient triangle ni / t.
  • Pumplichts 60 and thus the time course of the inversion density ni as a function of the fluorescence lifetime of the material used of the laser-active solid 44 is preferably selected so that the pumping time tl - t ⁇ is less than or equal to about twice the fluorescence lifetime. That is, depending on the fluorescence lifetime of the laser active material 44 used, among other things, the amplitude of the drive current I (FIG. 3) for the optical pumping of the laser device 26 is selected.
  • FIG. 5 A further embodiment of the operating method according to the invention, in which a non-constant power density for the pumping light 60 is selected, will be described below with reference to FIG.
  • a relatively small value for the amplitude of the drive current I and thus also the power density of the pump light 60 are selected in a first time range t.sub.0 to t.sub. ⁇ 1, which increases the lifetime of the pump light source 30 (FIG ), since this does not constantly have to deliver maximum performance.
  • a relatively large amplitude for the drive current I by the controller 32 is set, so that the temporal change in the inversion density ni from the time t ⁇ l' and thus in particular directly before the generation of the laser pulse 24 from the time t ⁇ l does not fall below a predetermined threshold.
  • a particularly large operating range of the ignition device 27 according to the invention is given when within a predeterminable time range, preferably during a single ignition for a cylinder 12 ( Figure 1) of the internal combustion engine 10, in particular over a period of about ⁇ _ 2 ms, several laser pulses 24 with a pulse repetition frequency of> _ about 5 kHz are generated.
  • a plurality of laser pulses 24 are generated, wherein a repetition rate for impinging the laser device 26 with pumping light 60 is about 500 Hz, in particular about 100 Hz.
  • the power density for the pumping light 60 to be used according to the invention can be determined in a simple manner within the scope of a control method or also in the case of an application of the ignition system 27.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (26), die einen laseraktiven Festkörper (44) mit einer passiven Güteschaltung (46) aufweist. Erfindungsgemäß wird die Lasereinrichtung (26) so mit Pumplicht (60) beaufschlagt, dass sich ein vorgebbarer zeitlicher Verlauf der Inversionsdichte (ni) in dem laseraktiven Festkörper (44) ergibt, wodurch eine besonders präzise Steuerung insbesondere des zeitlichen Verhaltens bei der Erzeugung passiv gütegeschalteter Laserimpulse (24) gegeben ist.

Description

Beschreibung
Titel
Lasereinrichtung und Betriebsverfahren hierfür
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung, die einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Lasereinrichtung mit einem laseraktiven Festkörper, einer passiven Güteschaltung und einer Pumplichtquelle zur Beaufschlagung der Lasereinrichtung mit Pumplicht.
Im Gegensatz zu aktiv gütegeschalteten Lasereinrichtungen, bei denen der Zeitpunkt der Erzeugung eines gütegeschalteten Laserimpulses durch eine entsprechende Ansteuerung der aktiven Güteschaltung auf einfache Weise vorgebbar ist, ist die Erzeugung eines Laserimpulses zu einem gewünschten Zeitpunkt unter Verwendung passiv gütegeschalteter Systeme weitaus komplexer.
Offenbarung der Erfindung
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lasereinrichtung und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine höhere Präzision bei der Erzeugung von passiv gütegeschalteten Laserimpulsen hinsichtlich des zeitlichen Auftretens der Laserimpulse möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei dem Betriebsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lasereinrichtung so mit Pumplicht beaufschlagt wird, dass sich ein vorgebbarer zeitlicher Verlauf der Inversionsdichte in dem laseraktiven Festkörper ergibt. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass nicht nur ein absoluter Wert der unter Einwirkung des Pumplichts in dem laseraktiven Festkörper hervorgerufenen Inversionsdichte Einfluss auf die Erzeugung eines passiv gütegeschalteten Laserimpulses hat, sondern insbesondere auch ein zeitlicher Verlauf der Inversionsdichte. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist dementsprechend vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, im Wege einer vorgebbaren Pumplichtbeaufschlagung der Lasereinrichtung eine gewünschte Inversionsdichte in dem laseraktiven Festkörper und damit ein gewünschtes Betriebsverhalten der Lasereinrichtung zu erzielen. Insbesondere kann hierdurch die Präzision hinsichtlich eines Zeitpunkts, zu dem der gütegeschaltete Laserimpuls abgegeben wird, gegenüber herkömmlichen Verfahren gesteigert werden.
Eine besonders einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens sieht vor, dass die Lasereinrichtung zumindest zeitweise mit Pumplicht einer konstanten Leistungsdichte beaufschlagt wird. Eine weitere Steigerung der Präzision bei dem Betrieb der Lasereinrichtung ergibt sich erfindungsgemäß dann, wenn die Leistungsdichte des Pumplichts so gewählt wird, dass ein erster gütegeschalteter Laserimpuls ausgehend von einem Pumpstartzeitpunkt, der dem Beginn der Beaufschlagung mit dem Pumplicht entspricht, innerhalb einer Pumpdauer erzeugt wird, die kleiner oder gleich etwa der doppelten Fluoreszenzlebensdauer eines Materials des laseraktiven Festkörpers ist.
Die erfindungsgemäße Wahl der Leistungsdichte des Pumplichts kann beispielsweise im Wege eines Regelungsverfahrens erfolgen, bei dem die Leistungsdichte für aufeinanderfolgende Pumpvorgänge zunächst variiert wird, bis die gewünschte Pumpdauer in der Größenordnung der doppelten Fluoreszenzlebensdauer oder weniger erreicht wird. Neben der Fluoreszenzlebensdauer des verwendeten laseraktiven Materials existieren weitere Faktoren wie beispielsweise die optische Konfiguration der Lasereinrichtung, die Art und Weise der Einkopplung des Pumplichts in die Lasereinrichtung beziehungsweise den laseraktiven Festkörper und dergleichen, so dass die optimale Pumpdauer beziehungsweise eine hierfür erforderliche Leistungsdichte für eine gegebene Konfiguration beispielsweise im Rahmen eines Applikationsprozesses ermittelbar ist. Erfindungsgemäß hat sich ergeben, dass eine zeitliche Varianz der Pumpdauer zwischen dem
Pumpstartzeitpunkt und der tatsächlichen Erzeugung des passiv gütegeschalteten Laserimpulses dann besonders gering ist, wenn die Pumpdauer kleiner oder gleich etwa der doppelten Fluoreszenzlebensdauer des Materials des laseraktiven Festkörpers ist. Eine noch geringere Varianz der Pumpdauer und mithin weiter gesteigerte Präzision ergibt sich erfindungsgemäß dann, wenn die Leistungsdichte des Pumplichts so gewählt wird, dass die Pumpdauer bis zur Erzeugung des Laserimpulses im Bereich der einfachen Fluoreszenzlebensdauer des laseraktiven Materials liegt. D.h., erfindungsgemäß ist die Leistungsdichte des Pumplichts insbesondere hinreichend groß zu wählen, um eine Pumpdauer im Bereich der einfachen bis doppelten Fluoreszenzlebensdauer und damit eine geringe Varianz der Pumpdauer zu erzielen. Bei herkömmlichen Lasermaterialien wie beispielsweise Nd:YAG ist die Pumpdauer erfindungsgemäß dementsprechend zwischen etwa 250 s und etwa 500 s zu wählen.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, die Lasereinrichtung zumindest zeitweise mit Pumplicht einer nichtkonstanten Leistungsdichte zu beaufschlagen und die Leistungsdichte des Pumplichts so zu wählen, dass sich zumindest zeitweise eine vorgebbare zeitliche Änderung der Inversionsdichte in dem laseraktiven Festkörper ergibt. Hierdurch ist ein weiterer Freiheitsgrad gegeben, der beispielsweise direkt nach dem Pumpstartzeitpunkt zunächst ein optisches Pumpen mit einer verhältnismäßig geringen Leistungsdichte des Pumplichts und daher einen schonenderen Betrieb der Pumplichtquelle ermöglicht. Um dennoch eine erhöhte Präzision hinsichtlich des zeitlichen Auftretens des passiv gütegeschalteten Laserimpulses zu erhalten, ist erfindungsgemäß vorteilhaft vorgesehen, zumindest zeitweise, insbesondere direkt vor der Erzeugung des passiv gütegeschalteten Laserimpulses, eine vorgebbare zeitliche Änderung der Inversionsdichte in dem laseraktiven Festkörper einzuhalten.
Hierzu kann erfindungsgemäß vorteilhaft vorgesehen sein, dass die zeitliche Änderung der Inversionsdichte in dem laseraktiven Festkörper vorzugsweise direkt vor der Erzeugung des ersten gütegeschalteten Laserimpulses einen vorgebbaren Schwellwert nicht unterschreitet. Erfindungsgemäß ist beobachtet worden, dass die zeitliche Varianz einer von dem Pumpstartzeitpunkt aus bis zu der Erzeugung des passiv gütegeschalteten Laserimpulses gemessenen Pumpdauer dann minimal ist, wenn die zeitliche Änderung der Inversionsdichte den vorstehend genannten Kriterien entspricht.
Als Richtwert für den vorgebbaren Schwellwert der zeitlichen Änderung der Inversionsdichte kann beispielsweise derjenige Gradient der Inversionsdichte verwendet werden, der sich dann einstellt, wenn eine konstante Leistungsdichte des Pumplichts so gewählt wird, dass eine Pumpdauer bis zur Erzeugung eines Laserimpulses kleiner oder gleich etwa der doppelten Fluoreszenzlebensdauer des Materials des laseraktiven Festkörpers ist.
Eine über die gesamte Betriebsdauer der Lasereinrichtung gleichbleibend hohe Präzision ergibt sich einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Betriebsverfahrens zufolge dann, wenn mehrere gütegeschaltete Laserimpulse erzeugt werden, für die mehreren Laserimpulse jeweils eine Pumpdauer zwischen einem Pumpstartzeitpunkt, der dem Beginn der Beaufschlagung mit dem Pumplicht entspricht, und dem Zeitpunkt der tatsächlichen Erzeugung des betreffenden Laserimpulses ermittelt wird, und wenn Abweichungen der Pumpdauer verschiedener Laserimpulse ausgewertet werden, um die Beaufschlagung der Lasereinrichtung mit Pumplicht zu verändern. Insbesondere kann in Abhängigkeit der durch die vorstehend beschriebene Analyse ermittelten Pumpdauern beziehungsweise deren Varianz eine zukünftig zu verwendende
Leistungsdichte des Pumplichts beziehungsweise auch eine zeitliche Änderung der Inversionsdichte ermittelt werden.
Bei der Verwendung einer eine oder mehrere Halbleiter-Laserdioden aufweisenden Pumplichtquelle kann die gewünschte Leistungsdichte des Pumplichts besonders einfach durch Vorgabe eines entsprechenden Stroms durch die Halbleiter-Laserdioden eingestellt werden.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren eignet sich insbesondere zur Erzeugung von Laserimpulsen für eine Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Des weiteren kann die erfindungsgemäße Lasereinrichtung auch bei Zündeinrichtungen von Stationärmotoren, insbesondere Großgasmotoren, eingesetzt werden.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Lasereinrichtung gemäß Patentanspruch 10 angegeben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren
Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer laserbasierten Zündeinrichtung zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figur 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lasereinrichtung im Detail,
Figur 3 und 4 den zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen der erfindungsgemäßen
Lasereinrichtung unter Anwendung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Figur 5 den zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung unter Anwendung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer gezeigt und 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 Kraftstoff- Druckspeicher 20 angeschlossen ist.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 32 gesteuert, die auch den Injektor 18 ansteuert.
Bevorzugt weist die Pumplichtquelle 30 mindestens eine Halbleiter-Laserdiode auf, die in Abhängigkeit eines Steuerstroms Pumplicht entsprechender Leistungsdichte über die Lichtleitereinrichtung 28 an die Lasereinrichtung 26 ausgibt. 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, bei der die Leistungsdichte des Pumplichts, mit der die Lasereinrichtung 26 beaufschlagt wird, einstellbar ist.
Figur 2 zeigt schematisch eine Detailansicht der Lasereinrichtung 26 aus Figur 1.
Wie aus Figur 2 ersichtlich, weist die Lasereinrichtung 26 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 2 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.
Bei der in Figur 2 abgebildeten Konfiguration der Lasereinrichtung 26 wird Pumplicht 60 durch die bereits unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebene Lichtleitereinrichtung 28 von der Pumplichtquelle 30 auf den laseraktiven Festkörper 44 geleitet, der beispielsweise als Nd:YAG-System ausgebildet sein kann.
Neben der vorstehend beschriebenen und in Figur 2 abgebildeten Konfiguration zur longitudinalen Beaufschlagung mit Pumplicht 60 sind auch Anordnungen zum transversalen optischen Pumpen oder Kombinationen aus transversalem und longitudinalem optischen Pumpen möglich.
Während die passive Güteschaltung 46 ihren Ruhezustand aufweist, besitzt ein in ihr enthaltener sättigbarer Absorber einen verhältnismäßig kleinen Transmissionskoeffizienten, wodurch ein Laserbetrieb in dem laseraktiven Festkörper 44 beziehungsweise in dem durch den Einkoppelspiegel 42 und den Auskoppelspiegel 48 begrenzten Festkörper 44, 46 vermieden wird. Mit steigender Pumpdauer steigt jedoch die Strahlungsdichte in dem Laser- Oszillator 42, 44, 46, 48 an, so dass die passive Güteschaltung 46 beziehungsweise ihr sättigbarer Absorber ausbleicht, das heißt einen größeren Transmissionskoeffizienten annimmt, und der Laserbetrieb beginnen kann.
Auf diese Weise entsteht ein auch als Riesenimpuls bezeichneter Laserimpuls 24, der eine verhältnismäßig hohe Spitzenleistung aufweist. Der Laserimpuls 24 wird gegebenenfalls unter Verwendung einer weiteren Lichtleitereinrichtung (nicht gezeigt) oder auch direkt durch ein nicht abgebildetes Brennraumfenster der Lasereinrichtung 26 in den Brennraum 14 (Figur 1) der Brennkraftmaschine 10 eingekoppelt, so dass darin vorhandener Kraftstoff 22 entzündet wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Lasereinrichtung 26 so mit dem Pumplicht 60 zu beaufschlagen, dass sich ein vorgebbarer zeitlicher Verlauf der Inversionsdichte in dem laseraktiven Festkörper 44 ergibt. D.h., die durch das optische Pumpen mit dem Pumplicht 60 in dem laseraktiven Festkörper 44 induzierte Besetzungsinversion wird durch eine Einstellung der Leistungsdichte des Pumplichts 60 erfindungsgemäß so gesteuert, dass die Inversionsdichte, insbesondere auch ihr zeitlicher Verlauf, vorgebbaren Bedingungen entspricht.
Bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist vorgesehen, dass die Lasereinrichtung 26 zumindest zeitweise mit Pumplicht 60 einer konstanten Leistungsdichte beaufschlagt wird. Hierzu steuert z.B. die Regeleinrichtung 32 (Figur 1) eine in der Pumplichtquelle 30 enthaltene Halbleiter-Laserdiode dementsprechend mit einem konstanten Ansteuerstrom I an, dessen zeitlicher Verlauf in Figur 3 veranschaulicht ist. Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, beginnt der Pumpvorgang zu dem nachfolgend auch als Pumpstartzeitpunkt bezeichneten Zeitpunkt tθ. Nach einer hinreichend großen Pumpdauer tl - tθ, d.h. vorliegend zu dem Zeitpunkt tl, wird ein erster passiv gütegeschalteter Laserimpuls 24 von der Lasereinrichtung 26 erzeugt. Zu dem Zeitpunkt t2 schließlich wird der Pumpvorgang beendet, indem der Ansteuerstrom I abgeschaltet wird.
Um die zeitliche Varianz zwischen dem Zeitpunkt tl der tatsächlichen Erzeugung des passiv gütegeschalteten Laserimpulses 24 und dem Pumpstartzeitpunkt tθ, d.h. die Varianz der Pumpdauer tl - tθ, möglichst gering zu halten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Leistungsdichte des Pumplichts 60 insbesondere vor dem Zeitpunkt tl so zu wählen, dass sich ein vorgebbarer zeitlicher Verlauf der Inversionsdichte ni (Figur 4) in dem laseraktiven Festkörper 44 (Figur 2) ergibt.
Erfindungsgemäß wird die Leistungsdichte des Pumplichts 60 - vorliegend durch Einstellung des Ansteuerstroms I (Figur 3) für die Halbleiter-Laserdiode - so gewählt, dass die Pumpdauer tl - tθ kleiner oder gleich etwa der doppelten Fluoreszenzlebensdauer des Nd: YAG- Materials des laseraktiven Festkörpers 44 ist.
Es hat sich erfindungsgemäß gezeigt, dass bei einer derart gewählten Leistungsdichte des Pumplichts 60 eine besonders geringe Varianz der Pumpdauer tl - tθ zwischen mehreren Laserimpulsen 24 gegeben ist. Dadurch kann vorteilhaft der Zündzeitpunkt tl bei der in Figur 1 abgebildeten laserbasierten Zündeinrichtung 27 sehr präzise eingestellt werden, so dass die Verbrennung mit einem optimalen Wirkungsgrad erfolgen kann und insbesondere Motorschäden durch eine zu frühe Zündung usw. vermieden werden.
Figur 4 veranschaulicht wie bereits beschrieben den zeitlichen Verlauf der Inversionsdichte ni, wie sie sich in dem laseraktiven Material 44 unter Beaufschlagung mit dem Pumplicht 60 (Figur 2) der Pumplichtquelle 30 (Figur 1) einstellt. Aufgrund der Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 mit Pumplicht 60 von konstanter Leistungsdichte, vgl. den konstanten Ansteuerstrom I aus Figur 3, ergibt sich zwischen dem Pumpstartzeitpunkt tθ und dem Zeitpunkt tθl (Figur 3) ein etwa linearer Anstieg der Inversionsdichte ni, die mit der
Erzeugung des Laserimpulses 24 zu dem Zeitpunkt tl in an sich bekannter Weise wieder abgebaut wird.
Die zeitliche Änderung der Inversionsdichte ni in dem laseraktiven Festkörper 44 ist in Figur 4 durch das Steigungsdreieck ni/ t veranschaulicht.
Erfindungsgemäß hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Leistungsdichte des
Pumplichts 60 und damit auch der zeitliche Verlauf der Inversionsdichte ni in Abhängigkeit der Fluoreszenzlebensdauer des verwendeten Materials des laseraktiven Festkörpers 44 vorzugsweise so gewählt wird, dass die Pumpdauer tl - tθ kleiner gleich etwa der zweifachen Fluoreszenzlebensdauer ist. Das heißt, in Abhängigkeit der Fluoreszenzlebensdauer des verwendeten laseraktiven Materials 44 wird unter anderem die Amplitude des Ansteuerstroms I (Figur 3) für das optische Pumpen der Lasereinrichtung 26 gewählt.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, bei der eine nichtkonstante Leistungsdichte für das Pumplicht 60 gewählt ist, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 5 beschrieben. Wie aus Figur 5 ersichtlich, wird in einem ersten Zeitbereich tθ bis tθl' ein verhältnismäßig geringer Wert für die Amplitude des Ansteuerstroms I und damit auch die Leistungsdichte des Pumplichts 60 (Figur 2) gewählt, was eine Steigerung der Lebensdauer der Pumplichtquelle 30 (Figur 1) ermöglicht, da diese nicht ständig eine maximale Leistung abgeben muss.
Erst ab dem Zeitpunkt tθl' wird erfindungsgemäß eine verhältnismäßig große Amplitude für den Ansteuerstrom I von der Regeleinrichtung 32 vorgegeben, so dass die zeitliche Änderung der Inversionsdichte ni ab dem Zeitpunkt tθl' und damit insbesondere auch direkt vor der Erzeugung des Laserimpulses 24 ab dem Zeitpunkt tθl einen vorgebbaren Schwellwert nicht unterschreitet. Hierdurch ist vorteilhaft sichergestellt, dass eine Varianz der Pumpdauer tl - tθ auch bei der Verwendung nichtkonstanter Leistungsdichten für das optische Pumpen minimiert wird.
Von besonderer Bedeutung zur Erzielung der geringen Varianz der Pumpdauer tl - tθ hat sich die Einstellung des minimal vorgebbaren Gradienten der Inversionsdichte ni in dem Zeitbereich T unmittelbar vor der Erzeugung des Laserimpulses 24 erwiesen.
Ein besonders großer Betriebsbereich der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27 ist dann gegeben, wenn innerhalb eines vorgebbaren Zeitbereichs, vorzugsweise während eines einzigen Zündvorgangs für einen Zylinder 12 (Figur 1) der Brennkraftmaschine 10, insbesondere über eine Zeitdauer von etwa <_ 2 ms, mehrere Laserimpulse 24 mit einer Impulsfolgefrequenz von >_ etwa 5 kHz erzeugt werden.
Einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens zufolge werden mehrere Laserimpulse 24 erzeugt, wobei eine Repetitionsrate für die Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 mit Pumplicht 60 <_ etwa 500 Hz beträgt, insbesondere <_ etwa 100 Hz.
Neben der Anwendung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens in laserbasierten Zündeinrichtungen 27 für Brennkraftmaschinen 10 von Kraftfahrzeugen kommt der Einsatz des erfindungsgemäßen Prinzips auch in Verbindung mit Stationärmotoren wie beispielsweise Großgasmotoren oder dergleichen in Betracht.
Die erfindungsgemäß zu verwendende Leistungsdichte für das Pumplicht 60 kann in einfacher Weise im Rahmen eines Regelungsverfahrens oder auch bei einer Applikation des Zündsystems 27 ermittelt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (26), die einen laseraktiven Festkörper (44) mit einer passiven Güteschaltung (46) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) so mit Pumplicht (60) beaufschlagt wird, dass sich ein vorgebbarer zeitlicher Verlauf der Inversionsdichte (ni) in dem laseraktiven Festkörper (44) ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) zumindest zeitweise mit Pumplicht (60) einer konstanten Leistungsdichte beaufschlagt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Pumplichts (60) so gewählt wird, dass ein erster gütegeschalteter Laserimpuls (24), ausgehend von einem Pumpstartzeitpunkt (tθ), der dem Beginn der Beaufschlagung mit dem Pumplicht (60) entspricht, innerhalb einer Pumpdauer erzeugt wird, die kleiner oder gleich etwa der doppelten Fluoreszenzlebensdauer eines Materials des laseraktiven Festkörpers (44) ist.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) zumindest zeitweise mit Pumplicht (60) einer nichtkonstanten Leistungsdichte beaufschlagt wird, und dass die Leistungsdichte des Pumplichts (60) so gewählt wird, dass sich zumindest zeitweise eine vorgebbare zeitliche Änderung der Inversionsdichte (ni) in dem laseraktiven Festkörper (44) ergibt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Pumplichts (60) so gewählt wird, dass für einen vorgebbaren Zeitraum, vorzugsweise direkt vor der Erzeugung eines ersten gütegeschalteten Laserimpulses (24), die zeitliche Änderung der Inversionsdichte (ni) in dem laseraktiven Festkörper (44) einen vorgebbaren Schwellwert nicht unterschreitet.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gütegeschaltete Laserimpulse (24) erzeugt werden, dass für die mehreren Laserimpulse (24) jeweils eine Pumpdauer zwischen einem Pumpstartzeitpunkt (tθ), der dem Beginn der Beaufschlagung mit dem Pumplicht (60) entspricht, und dem Zeitpunkt (tl) der tatsächlichen Erzeugung des betreffenden Laserimpulses (24) ermittelt wird, und dass Abweichungen der Pumpdauern verschiedener Laserimpulse (24) ausgewertet werden, um die Beaufschlagung der Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht (60) zu verändern.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Laserimpulse (24) für eine Zündeinrichtung (27) einer Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, erzeugt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laserimpulse (24) innerhalb eines vorgebbaren Zeitbereichs, vorzugsweise während eines Zündvorgangs für einen Zylinder (12) der Brennkraftmaschine (10), insbesondere über eine Zeitdauer von etwa kleiner gleich 2 ms, mit einer Impulsfolgefrequenz von größer gleich etwa 5 kHz erzeugt werden.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laserimpulse (24) erzeugt werden, und dass eine Repetitionsrate für die Beaufschlagung der Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht (60) kleiner gleich etwa 500 Hz beträgt, insbesondere kleiner gleich etwa 100 Hz.
10. Lasereinrichtung (26) mit einem laseraktiven Festkörper (44), einer passiven Güteschaltung (46) und einer Pumplichtquelle (30) zur Beaufschlagung der Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht (60), dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle (30) dazu ausgebildet ist, die Lasereinrichtung (26) so mit Pumplicht (60) zu beaufschlagen, dass sich ein vorgebbarer zeitlicher Verlauf der Inversionsdichte (ni) in dem laseraktiven Festkörper (44) ergibt.
11. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle (30) einen Halbleiter- Diodenlaser aufweist.
12. Zündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einer Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 10 oder 11.
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