WO2011015406A2 - Laserzündeinrichtung und betriebsverfahren hierfür - Google Patents

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WO2011015406A2
WO2011015406A2 PCT/EP2010/058588 EP2010058588W WO2011015406A2 WO 2011015406 A2 WO2011015406 A2 WO 2011015406A2 EP 2010058588 W EP2010058588 W EP 2010058588W WO 2011015406 A2 WO2011015406 A2 WO 2011015406A2
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Rene Hartke
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0627—Construction or shape of active medium the resonator being monolithic, e.g. microlaser
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers
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    • H01S3/2383—Parallel arrangements
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    • H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/102—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1022—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a laser ignition device for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, in which a plurality of different laser beams are generated and combined with each other, that is, at least partially spatially superimposed, in particular focused on a common focal point.
  • the invention further relates to a laser ignition device according to the preamble of patent claim 5.
  • Adjustment susceptible to mechanical disturbances because the alignment of the individual laser devices zueineader can be disturbed by vibrations or thermal effects, especially in systems used in the automotive sector.
  • the invention allows in a method and a device of the type mentioned increased accuracy and robustness against mechanical disturbances. This is made possible by the fact that all laser beams are generated within a laser-active solid. Ie all the invention
  • Laser beams are generated in the same laser-active solid. This results in a mechanically particularly stable configuration, and in particular the problem of a misalignment of separate laser devices to each other is no longer given.
  • the laser ignition device has a laser-active solid and a Q-switched circuit associated with the laser-active solid, in particular a passive one
  • Volume ranges of the laser-active solid are optically pumped to obtain the different laser beams.
  • Volume regions of the laser-active solid are spatially separated from each other with pumping light applied.
  • Q-switched laser ignition pulse can be influenced. It is also conceivable, the several different volume ranges with different
  • the pump device has a plurality of pump light emitters, preferably designed as semiconductor lasers, which are assigned to different volume ranges. As a result, it is possible to optically pump a specific volume range of the laser-active solid by activating the corresponding pump light emitters.
  • a laser ignition device according to claim 5 is given.
  • the pumping device is designed to longitudinally optically pump the several different volume regions, resulting in a particularly efficient pumping process due to the large overlap between the pumped volume fraction of the laser-active solid with a corresponding laser mode. Furthermore, the longitudinal optical pumping opens up a particularly simple possibility, specifically only one at a time optically pump certain volume range. As an alternative or in addition to the longitudinal optical pumping, the pumping device can also be designed to optically pump one or more of the different volume regions transversely.
  • the volume regions each have an approximately cylindrical shape and are at least approximately one millimeter, preferably approximately three millimeters, laterally spaced from one another.
  • Such a spatial separation of the different volume regions results in correspondingly spatially separated separate pump pulses and advantageously ensures that the laser pulses generated as a result of the optical pumping or the laser beams corresponding thereto are at a suitable distance from each other. This distance is a particularly efficient
  • a plurality of volume regions have mutually different volumes and / or different concentrations of a doping material and / or
  • the volume delivered from the respective volumes can be
  • Radiation energy can be influenced in the form of laser ignition pulses, which can be provided, for example, at a first ignition laser Auszungsimpulse higher energy than at a second ignition point, which is associated with a lower pumping volume.
  • Laser ignition device from several different laser solids, each with different properties to form, which are monolithically connected to each other.
  • Circle segment corresponding basic shape to a circular cylindrical
  • Laser solids are assembled. For example, using different host crystals with neodymium doping for the individual "sub-cylinder", all sub-cylinders can be pumped with the same pump light, but there are each slightly different laser wavelengths, which are advantageously deflected for example with a prism or an optical grating as a beam combiner on the same beam axis Laser mirrors can likewise be used for deflection and advantageously also allow folding of the beam path, which provides further degrees of freedom in the construction of the beam path
  • the laser ignition device has a coupling-out optical system which is designed to combine the laser radiation generated in the several different volume regions and, in particular, to focus on a focal point.
  • the coupling-out optical system can in particular contain lenses, also gradient-optical elements and the like, and can also be monolithically integrated into the laser-active solid.
  • a combining optics may be provided, for example a grating splitter operating as a beam combiner in order to combine the individual laser beams with each other, ie. to bring their beam axes into agreement with each other.
  • a combined laser beam according to the invention can also be focused in turn to a desired ignition point.
  • Laser mirrors can also be used to construct a combination optics according to the invention.
  • Focusing multiple laser beams on a common focal point is considered in the present case as a special case of a combination of the laser beams.
  • the design of the pumping device and thus the volume ranges acted upon by the pump radiation define the exit location of the laser radiation generated in the laser-active solid or the distance of individual beams from one another.
  • a particularly efficient irradiation of the pumping light on the laser-active solid is according to a further advantageous variant of the invention given when the pump light emitter in the region of an end face of the laser-active Solid bodies are arranged, wherein the pump light emitter are integrated in particular in a the laser-active solid-state laser spark plug.
  • the pump light emitters may also be made for the pump light emitters to be arranged externally to a laser spark plug having the laser-active solid and to be optically connected to the laser-active solid via a thermally insulating connecting element.
  • the connecting element may for this purpose preferably consist of glass (eg fiber) or crystal material and optics for
  • Beam shaping included eg., Focusing lenses. It is also possible to assign the pump light emitters a local control electronics, which is acted upon by a remote central motor control with drive signals.
  • Figure 1 shows an internal combustion engine with an inventive
  • FIG. 2 schematically shows a first embodiment of a laser device of the laser ignition device from FIG. 1,
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the invention
  • Figure 4a, 4b is a plan view of an end face of a laser device
  • FIG. 7a shows a second embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 7b shows a third embodiment of a device 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 reference numeral 10 is used to drive a motor vehicle, not shown.
  • 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 limited by a piston 16.
  • Fuel 22 injected into the combustion chamber 14 is ignited by means of a laser beam 24, which is preferably emitted in the combustion chamber 14 in the form of a laser pulse from a laser spark plug 100 having a laser device 26.
  • the laser device 26 via a
  • Fiber optic device 28 fed with a pumping light, which of a
  • Pumping light source 30 is provided.
  • the pumping light source 30 is controlled by a control unit 32, which also controls the injector 18.
  • the laser device 26 in addition to a laser-active solid 44 according to the invention, the laser device 26 also has a passive Q-switching 46, so that the components 44, 46 together with a coupling-in mirror
  • the basic mode of operation of the laser device 26 is the following:
  • Pumplicht 60 which is supplied to the laser device 26 via the light guide device 28, passes through the for a wavelength of the pumping light 60th
  • the passive Q-switching circuit 46 prevents a laser oscillation in the laser device 26.
  • the passive Q-switching 46 or a saturable absorber of the passive Q-switch 46 bleaches, so that a laser oscillation occurs in the resonator.
  • the pumping light source 30 has a
  • Volume regions of the laser-active solid 44 preferably separately, to pump optically.
  • Laser device 26 and the laser-active solid 44 passed that several different, in particular spatially separated, volume ranges of the laser-active solid 44 are each acted upon with its own pumping light beam. This is shown in FIG. 3 by the division of the pumping light 60 by means of the optical components 41
  • the pumping light 60 is subdivided into four partial beams 60a, 60b, 60c, 60d, whose spacing d is advantageously chosen to be so large that a total of four optically pumped volume areas separate from each other in the laser device 26 result.
  • FIG. 4 a which shows a left end side of the laser device 26 in FIG. 3, it can be seen that the different volume regions 44 a, 44 b, 44 c, 44 d each have approximately circular-cylindrical form and are spatially separated from one another. This ensures that when the saturable absorber of the passive Q-switching 46 (FIG. 2) fades, individual, mutually separated,
  • Laser ignition pulses 24a, 24b, .. ( Figure 3) are generated, whose distance from each other approximately the distance d of the incident pump radiation 60a, 60b, 60c, 60d corresponds.
  • the laser ignition pulses 24a, 24b,... can be effected particularly efficiently by means of an optical system 49 downstream of the laser device 26, for example a diffractive optics and / or one or more lenses and / or mirrors, as shown in Figure 3 can be deflected in different spatial directions.
  • Optics 49 and the choice of a suitable focal length for the focusing optics 50 according to the invention advantageously a distance between the ignition ZPa, ZPb, .. be achieved with each other of over ten millimeters, so that - with a simultaneous application of ignition points ZPa, ZPb, .. with
  • a plurality of laser ignition pulses or the corresponding laser beams can be combined with one another.
  • this can be used alternatively or in addition to the optics 49 a combining optics, the beam axes of the laser beams 24a, 24b, .. in
  • Laser beams 24a, 24b, .. causes a common ignition point.
  • the laser ignition device according to the invention is particularly suitable for use in spray-guided direct injection, in which usually relatively inhomogeneous LufWKraft mixtures are to ignite, because the inventively enabled, far away from each other ignition points ZPa, ZPb, .., on each of which a plurality of laser beams are focused, the
  • the laser resonator limiting mirror 42, 48 may be applied directly to the solid 44 and 46, for example in the form of dielectric
  • coatings can also be arranged separately from the components 44, 46.
  • FIG. 4b shows a further possible division of the laser-active solid 44 or the laser device 26 into a total of three different volume regions 44a, 44b, 44c, analogous to FIG. 4a in a plan view of the left end side of the laser device 26 in FIG.
  • the volume region 44a starting from a cylindrical basic shape with a length corresponding to the total length of the laser device 26, due to its larger diameter, has a correspondingly larger volume than the further volume regions 44b, 44c.
  • the optical pumping of the first volume region 44a more pump energy can be stored in the first volume region 44a than in the other two
  • volume regions 44b, 44c so that a laser ignition pulse 24a generated in the first volume region 44a may have a greater pulse energy than the laser ignition pulses generated by the other volume regions 44b, 44c.
  • any desired number of different volume ranges can be selected, the efficient introduction of pumping light 60 (FIG. 3) into the relevant volume range, as well as deflection and / or focusing and / or combination of generated laser ignition pulses 24a, 24b, , 50 allows, as long as each volume range below
  • the distance d is preferably at least about one millimeter
  • a particularly efficient irradiation of pumping light into the volume regions 44a, 44b, 44c, 44d illustrated in FIGS. 4a, 4b is, according to a further embodiment of the invention, by pumping devices 31
  • the pump device 31 shown in Figure 5a has a total of four present unspecified groups consisting of individual pump light emitters 32a, 32b, .., which are preferably formed as semiconductor laser diodes and arranged on a common carrier element such as a circuit board or a substrate. As can be seen from Figure 5a, the individual pump light emitters 32a, 32b, .., which are preferably formed as semiconductor laser diodes and arranged on a common carrier element such as a circuit board or a substrate. As can be seen from Figure 5a, the individual
  • Laser device 26 are individually pumped by pump light emitter 32a, 32b, .. the relevant pump light emitter group are activated. As a result, it is advantageously possible to have one or more or all of the four volume ranges
  • FIG. 5b shows a further variant of the pumping device 31 according to the invention, as shown, for example, in connection with the laser device 26 having a total of three different volume regions 44a, 44b, 44c according to FIG.
  • Figure 6 shows a particularly preferred embodiment of a
  • laser spark plug 100 in which the laser device 26 together with a pumping device 31 supplying it with pump light in the
  • the optical components 49, 50 are also integrated in the laser spark plug 100, wherein the focusing optics 50 simultaneously fulfills the function of a combustion chamber window.
  • the components 31, 26, 49, 50 are preferably matched to one another such that all four laser beams 24a, 24b,... Are focused onto a single focal point FP.
  • the bundling of the four laser beams 24a, 24b,... By the combustion chamber window 50 designed as focusing optics has the advantage that the optical surfaces of the components 49, 50 are not exposed to too high a radiation power density, as occurs in FIG the focus point FP or its proximity results. As a result, a so-called optical damage of the components 49, 50 is avoided.
  • the pump device 31 is provided in a separate pump light source module 30, which is external to the pump
  • Laser spark plug 100 is arranged. Nevertheless, an efficient coupling of pumping light into the laser device
  • the pump light source module 30 via a thermally insulating connecting element 28 'optically with the laser-active solid or the laser device 26 and thus also with the
  • the pumping light source module 30 may in another preferred
  • Invention variant advantageously also have an integrated control electronics, which, for example, arranged from a remote
  • Motor control 32 ( Figure 1) is supplied with drive signals.
  • the control electronics integrated in the pump light source module 30 can be used, for example, to realize fixedly predefined or applicable control patterns for the individual pump light emitters 32a, 32b,.
  • the laser-active solid 44 may have different volume ranges in another very advantageous embodiment of the present invention
  • each having a different concentration of a Doping material and / or another host material feature having a different concentration of a Doping material and / or another host material feature.
  • Characteristic properties of the passive Q-switching 46 can also be varied via the volume regions 44a, 44b,..., For example also by specifying different dopant concentrations. For example, using different host crystals with neodymium doping for the individual volume regions 44a, 44b, .., so all volume ranges 44a, 44b, .. be pumped with the same pumping light 60, but there are each slightly different laser wavelengths, which are advantageous, for example. can be deflected with a prism or an optical grating as a beam combiner on the same beam axis. Laser mirrors are also for
  • Laser ignition device offers.
  • the present invention advantageously enables a laser ignition which can take place simultaneously or at different times at a plurality of different ignition points ZPa, ZPb,... Or at a common focal point FP in the combustion chamber 14 of the internal combustion engine 10.
  • transverse optical pumping of the laser-active solid 44 (FIG. 2) is possible.
  • the pump light emitters 32a, 32b, .. ( Figure 6) can in another
  • Laser device 26 may be arranged. A monolithic integration of the optical components 49, 50 (FIG. 6) together with the rest
  • Laser device 26 is also possible.
  • the laser-active solid 44 (FIG. 2) can also be optically pumped via a pump light source arranged remotely from the laser spark plug 100 in the manner according to the invention, for example by a plurality of the individual, individual to be pumped, volume regions 44a, 44b, .. permanently assigned light guides (not shown), or by a division of centrally supplied pump radiation 60 according to the illustrated in Figure 3 principle, ie by means of a corresponding optics 41.
  • Figure 7b shows a further variant of the invention, at as already described above, a total of four presently unspecified laser beams generated in the same laser-active solid 44 ( Figure 2) of the laser device 26 and by an optically downstream Kombinieroptik 47 a 'to a
  • FIG. 8 shows a laser ignition device according to the invention, in which a
  • Combination optics are integrated directly in the limited by the mirrors 42, 48 laser resonator.
  • the multiple laser beams generated according to the invention are already bundled in the laser resonator by the focusing optics 47a and detected by the optically downstream combiner 47b, e.g. as grating splitter is formed, combined. Due to the special arrangement of the combiner 47b in the laser resonator 42, 44, 46, 47a, 47b, 48, the laser ignition pulses are advantageously coherently superimposed in the present case, resulting in a higher
  • the inventive combination of the multiple laser beams 24a, 24b, 24c, 24d on a common focal point FP allows a secure
  • Laser solid 44 mechanically robust against vibration and other disturbing influences.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem mehrere unterschiedliche Laserstrahlen (24a, 24b, 24c, 24d) erzeugt und miteinander kombiniert, insbesondere auf einen gemeinsamen Fokuspunkt (FP) gebündelt, werden. Erfindungsgemäß werden alle Laserstrahlen (24a, 24b, 24c, 24d) innerhalb eines laseraktiven Festkörpers (44) erzeugt.

Description

Beschreibung
Titel
Laserzündeinrichtung und Betriebsverfahren hierfür Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem mehrere unterschiedliche Laserstrahlen erzeugt und miteinander kombiniert werden, das heißt zumindest teilweise räumlich überlagert werden, insbesondere auf einen gemeinsamen Fokuspunkt gebündelt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Laserzündeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind aus der US 5,756,924 bekannt. Das bekannte System verwendet mehrere separate Lasereinrichtungen, deren Laserstrahlen miteinander kombiniert werden. Die Verwendung voneinander getrennter Lasereinrichtungen erfordert eine präzise Justage der einzelnen Komponenten zueinander. Weiter ist das bekannte System auch nach einer
Justage anfällig für mechanische Störungen, weil die Ausrichtung der einzelnen Lasereinrichtungen zueinenader insbesondere bei im Kraftfahrzeugbereich eingesetzten Systemen durch Vibrationen oder thermische Effekte gestört werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht bei einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art eine gesteigerte Präzision und Robustheit gegenüber mechanischen Störungen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass alle Laserstrahlen innerhalb eines laseraktiven Festkörpers erzeugt werden. D.h. alle erfindungsgemäßen
Laserstrahlen werden in demselben laseraktiven Festkörper erzeugt. Dadurch ergibt sich eine mechanisch besonders stabile Konfiguration, und insbesondere das Problem einer Fehlausrichtung separater Lasereinrichtungen zueinander ist nicht mehr gegeben.
Wenn die Laserzündeinrichtung einen laseraktiven Festkörper und eine dem laseraktiven Festkörper zugeordnete Güteschaltung, insbesondere eine passive
Güteschaltung, aufweist, können vorteilhaft mehrere unterschiedliche
Volumenbereiche des laseraktiven Festkörpers, vorzugsweise getrennt voneinander, optisch gepumpt werden, um die unterschiedlichen Laserstrahlen zu erhalten.
Unter dem voneinander getrennten optischen Pumpen im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine solche Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers mit Pumplicht zu verstehen, bei der die mehreren unterschiedlichen
Volumenbereiche des laseraktiven Festkörpers jeweils räumlich getrennt voneinander mit Pumplicht beaufschlagt werden.
Die erfindungsgemäße Einteilung des laseraktiven Festkörpers in die
verschiedenen Volumenbereiche und die z.B. durch eine spezielle Konfiguration einer das Pumplicht liefernden Pumpvorrichtung bereitgestellte Möglichkeit, diese verschiedenen Volumenbereiche unabhängig voneinander optisch zu pumpen, ermöglicht vorteilhaft gleichsam einen Parallelbetrieb der verschiedenen
Volumenbereiche, so dass mehrere Laserzündimpulse - entweder gleichzeitig oder auch zeitlich zueinander versetzt - durch einen einzigen laseraktiven Festkörper erzeugt werden können. D.h., im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen ist es bei der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, mehrere
Festkörperlaser bereitzustellen, um mehrere Laserzündimpulse gleichzeitig oder mit geringem zeitlichen Versatz erzeugen zu können.
Bei einer entsprechenden Auswahl der individuell mit Pumpstrahlung
beaufschlagten Volumenbereiche weisen die aus dem laseraktiven Festkörper austretenden Laserzündimpulse beziehungsweise die hiermit korrespondierende Laserstrahlung Abstände ihrer Strahlachsen zueinander auf, die einige Millimeter oder mehr betragen, so dass die einzelnen Laserstrahlen mittels einer entsprechenden Optik sehr effektiv auf einen gemeinsamen Fokuspunkt oder auch auf verschiedene Zündpunkte fokussiert oder auch miteinander kombiniert werden können, um einen aggregierten Laserstrahl mit im Vergleich zu den einzelnen Laserstrahlen größerer Leistungsdichte zu erhalten.
Weitere Freiheitsgrade hinsichtlich der Laserzündung sind einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zufolge gegeben, wenn die
Pumpvorrichtung dazu ausgebildet ist, die mehreren unterschiedlichen
Volumenbereiche zu unterschiedlichen Zeiten und/oder mit verschiedener Pumpleistung zu beaufschlagen. Durch unterschiedliche Pumpzeiten
beziehungsweise Pumpdauern und Pumpleistung kann bei passiv
gütegeschalteten Lasersystemen der Zeitpunkt der Erzeugung des
gütegeschalteten Laserzündimpulses beeinflusst werden. Es ist auch denkbar, die mehreren unterschiedlichen Volumenbereiche mit unterschiedlichen
Pumpleistungsprofilen zu beaufschlagen, d.h. jeweils einem unterschiedlichen zeitlichen Verlauf der Pumpleistung. Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Pumpvorrichtung mehrere, vorzugsweise als Halbleiterlaser ausgebildete, Pumplichtemitter auf, die jeweils unterschiedlichen Volumenbereichen zugeordnet sind. Dadurch kann gezielt ein bestimmter Volumenbereich des laseraktiven Festkörpers optisch gepumpt werden indem die entsprechenden Pumplichtemitter aktiviert werden.
Als ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Laserzündeinrichtung gemäß Patentanspruch 5 angegeben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündeinrichtung ist die Pumpvorrichtung dazu ausgebildet, die mehreren unterschiedlichen Volumenbereiche longitudinal optisch zu pumpen, wodurch sich aufgrund der großen Überlappung zwischen dem gepumpten Volumenanteil des laseraktiven Festkörpers mit einer entsprechenden Lasermode ein besonders effizienter Pumpprozess ergibt. Ferner eröffnet das longitudinale optische Pumpen eine besonders einfache Möglichkeit, gezielt jeweils nur einen bestimmten Volumenbereich optisch zu pumpen. Alternativ oder ergänzend zu dem longitudinalen optischen Pumpen kann die Pumpvorrichtung auch dazu ausgebildet sein, einen oder mehrere der unterschiedlichen Volumenbereiche transversal optisch zu pumpen.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung weisen die Volumenbereiche jeweils etwa Zylinderform auf und sind mindestens etwa einen Millimeter, vorzugsweise etwa drei Millimeter, seitlich voneinander beabstandet. Eine derartige räumliche Trennung der verschiedenen Volumenbereiche resultiert in entsprechend voneinander räumlich getrennten Pumporten und stellt vorteilhaft sicher, dass die infolge des optischen Pumpens erzeugten Laserimpulse beziehungsweise die hiermit korrespondierenden Laserstrahlen einen entsprechenden Abstand voneinander haben. Durch diesen Abstand ist eine besonders effiziente
Umleitung der einzelnen Laserstrahlen in verschiedene Raumrichtungen mittels einer einzigen Optik möglich, wodurch vorteilhaft eine effiziente Kombination der Teilstrahlen oder auch in einem Brennraum weit voneinander entfernt liegende Zündpunkte realisiert werden können. Eine effiziente Bündelung der
Laserstrahlen auf einen Fokuspunkt ist ebenfalls möglich.
Weitere Freiheitsgrade ergeben sich erfindungsgemäß dadurch, dass mehrere Volumenbereiche voneinander verschiedene Volumina aufweisen und/oder unterschiedliche Konzentrationen eines Dotierungsmaterials und/oder
Wirtsmaterials aufweisen.
Durch die Festlegung von unterschiedlichen Pumpvolumina der einzelnen Volumenbereiche kann die aus den betreffenden Volumina gelieferte
Strahlungsenergie in Form der Laserzündimpulse beeinflusst werden, wodurch beispielsweise an einem ersten Zündpunkt Laserzündimpulse höherer Energie bereitgestellt werden können, als an einem zweiten Zündpunkt, der einem geringeren Pumpvolumen zugeordnet ist.
Weiter kann vorgesehen sein, den laseraktiven Festkörper der
erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung aus mehreren unterschiedlichen Laserfestkörpern mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften zu bilden, die monolithisch miteinander verbunden werden. Beispielsweise können mehrere zylindrische Abschnitte unterschiedlichen Lasermaterials mit einer einem
Kreissegment entsprechenden Grundform zu einem kreiszylindrischen
Laserfestkörper zusammengesetzt werden. Verwendet man z.B. unterschiedliche Wirtskristalle mit Neodym-Dotierung für die einzelnen„Teilzylinder", so können alle Teilzylinder mit demselben Pumplicht gepumpt werden, es entstehen aber jeweils geringfügig voneinander abweichende Laserwellenlängen, welche vorteilhaft z.B. mit einem Prisma oder einem optischen Gitter als beam combiner auf dieselbe Strahlachse umgelenkt werden können. Laserspiegel sind ebenfalls zur Umlenkung einsetzbar und erlauben vorteilhaft ferner eine Faltung des Strahlengangs, was weitere Freiheitsgrade bei der Konstruktion der
Laserzündeinrichtung bietet.
Die erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung verfügt einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge über eine Auskoppeloptik, die dazu ausgebildet ist, die in den mehreren unterschiedlichen Volumenbereichen erzeugte Laserstrahlung zu kombinieren und insbesondere auf einen Fokuspunkt zu bündeln. Die Auskoppeloptik kann hierzu insbesondere Linsen, auch gradientenoptische Elemente und dergleichen enthalten und auch monolithisch in den laseraktiven Festkörper integriert sein. Alternativ oder ergänzend zu der Fokussierung kann eine Kombinieroptik vorgesehen sein, beispielsweise ein als beam combiner arbeitender grating splitter, um die einzelnen Laserstrahlen miteinander zu kombinieren, d.h. ihre Strahlachsen miteinander in Übereinstimmung zu bringen. Ein erfindungsgemäß kombinierter Laserstrahl kann ebenfalls wiederum auf einen gewünschten Zündpunkt fokussiert werden. Auch Laserspiegel können zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Kombinieroptik verwendet werden. Die
Fokussierung mehrerer Laserstrahlen auf einen gemeinsamen Brennpunkt wird vorliegend als ein Sonderfall einer Kombination der Laserstrahlen angesehen.
Generell wird durch die Auslegung der Pumpvorrichtung und damit der durch sie mit Pumpstrahlung beaufschlagten Volumenbereiche der Austrittsort der in dem laseraktiven Festkörper erzeugten Laserstrahlung beziehungsweise der Abstand einzelner Strahlen untereinander festgelegt.
Eine besonders effiziente Einstrahlung des Pumplichts auf den laseraktiven Festkörper ist einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge dann gegeben, wenn die Pumplichtemitter im Bereich einer Stirnseite des laseraktiven Festkörpers angeordnet sind, wobei die Pumplichtemitter insbesondere in eine den laseraktiven Festkörper aufweisende Laserzündkerze integriert sind.
Um die Pumplichtemitter vor den im Bereich der Laserzündkerze auftretenden hohen Temperaturen zu schützen, kann einer weiteren vorteilhaften
Erfindungsvariante zufolge auch vorgesehen sein, dass die Pumplichtemitter extern zu einer den laseraktiven Festkörper aufweisenden Laserzündkerze angeordnet und über ein thermisch isolierendes Verbindungselement optisch mit dem laseraktiven Festkörper verbunden sind. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, die Pumplichtemitter räumlich verhältnismäßig nah bei der Laserzündkerze anzuordnen, und gleichzeitig einen Wärmeeintrag von der Laserzündkerze in die Pumplichtemitter zu vermeiden. Das Verbindungselement kann hierzu bevorzugt aus Glas (z. B. Faser) oder Kristallmaterial bestehen und Optiken zur
Strahlformung enthalten (z. B. Fokussierlinsen). Es ist ebenfalls möglich, den Pumplichtemittern eine lokale Steuerelektronik zuzuordnen, welche von einer entfernt angeordneten zentralen Motorsteuerung mit Ansteuersignalen beaufschlagt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der 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 Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen
Laserzündeinrichtung, Figur 2 schematisch eine erste Ausführungsform einer Lasereinrichtung der Laserzündeinrichtung aus Figur 1 ,
Figur 3 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen
Laserzündeinrichtung,
Figur 4a, 4b eine Draufsicht auf eine Stirnseite einer Lasereinrichtung
mit jeweils unterschiedlichen erfindungsgemäßen
Volumenbereichen,
Figur 5a, 5b verschiedene Anordnungen von Pumplichtemittern zur
Realisierung der erfindungsgemäßen individuell gepumpten
Volumenbereiche, Figur 6 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze mit integrierter Lasereinrichtung und integrierter Pumpvorrichtung,
Figur 7a eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze mit extern angeordneter Pumpvorrichtung,
Figur 7b eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze, bei der eine Kombinieroptik integriert ist, und Figur 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine
Kombinieroptik in den Laserresonator integriert ist.
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 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 bezeichneten Kraftstoff- Druckspeicher 20 angeschlossen ist. In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserstrahls 24 entzündet, der vorzugsweise in Form eines Laserimpulses von einer eine Lasereinrichtung 26 aufweisenden Laserzündkerze 100 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine
Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer
Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuert.
Die Pumplichtquelle 30 bildet zusammen mit der Lichtleitereinrichtung 28 und der die Lasereinrichtung 26 aufweisenden Laserzündkerze 100 ein laserbasiertes
Zündsystem 27 der Brennkraftmaschine 10.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, weist die Lasereinrichtung 26 neben einem laseraktiven Festkörper 44 erfindungsgemäß auch eine passive Güteschaltung 46 auf, so dass die Komponenten 44, 46 zusammen mit einem Einkoppelspiegel
42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator bilden.
Die grundsätzliche Funktionsweise der Lasereinrichtung 26 ist folgende:
Pumplicht 60, das der Lasereinrichtung 26 über die Lichtleitereinrichtung 28 zugeführt wird, tritt durch den für eine Wellenlänge des Pumplichts 60
durchsichtigen Einkoppelspiegel 42 in den laseraktiven Festkörper 44 ein. Dort wird das Pumplicht 60 absorbiert, was zu einer Besetzungsinversion führt. Die zunächst hohen Transmissionsverluste der passiven Güteschaltung 46 verhindern eine Laser-Oszillation in der Lasereinrichtung 26. Mit steigender Pumpdauer steigt jedoch auch die Strahlungsdichte in dem Inneren des durch den laseraktiven Festkörper 44 und die passive Güteschaltung 46 sowie die Spiegel 42, 48 gebildeten Resonators. Ab einer gewissen Strahlungsdichte bleicht die passive Güteschaltung 46 beziehungsweise ein sättigbarer Absorber der passiven Güteschaltung 46 aus, so dass eine Laser-Oszillation in dem Resonator zustande kommt.
Durch diesen Mechanismus wird ein Laserstrahl 24 in Form eines sog.
Riesenimpulses erzeugt, der durch den Auskoppelspiegel 48 hindurchtritt und nachfolgend als Laserzündimpuls bezeichnet wird. Anstelle der vorstehend beschriebenen passiven Güteschaltung 46 ist auch der Einsatz einer aktiven Güteschaltung denkbar.
Im Unterschied zu herkömmlichen Systemen, welche eine im wesentlichen homogene Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers 44 mit dem Pumplicht
60 vorsehen, verfügt die Pumplichtquelle 30 erfindungsgemäß über eine
Pumpvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, mehrere unterschiedliche
Volumenbereiche des laseraktiven Festkörpers 44, vorzugsweise getrennt voneinander, optisch zu pumpen.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist in der nachstehend näher beschriebenen Figur 3 veranschaulicht. Erfindungsgemäß wird das von der Pumplichtquelle 30 (Figur 1 ) bereitgestellte Pumplicht 60 so auf die
Lasereinrichtung 26 beziehungsweise den laseraktiven Festkörper 44 (Figur 2) geleitet, dass mehrere unterschiedliche, insbesondere räumlich voneinander getrennte, Volumenbereiche des laseraktiven Festkörpers 44 jeweils mit einem eigenen Pumplichtstrahl beaufschlagt werden. Dies ist in Figur 3 durch die Aufteilung des Pumplichts 60 mittels der optischen Komponenten 41
veranschaulicht.
Das Pumplicht 60 wird vorliegend in vier Teilstrahlen 60a, 60b, 60c, 6Od zerlegt, deren Abstand d voneinander jeweils vorteilhaft so groß gewählt ist, dass sich in der Lasereinrichtung 26 insgesamt vier voneinander getrennte, optische gepumpte Volumenbereiche ergeben. Aus der Draufsicht gemäß Figur 4a, die eine in Figur 3 linke Stirnseite der Lasereinrichtung 26 wiedergibt, ist ersichtlich, dass die unterschiedlichen Volumenbereiche 44a, 44b, 44c, 44d jeweils etwa kreiszylindrische Form haben und räumlich voneinander getrennt sind. Dadurch ist sichergestellt, dass bei dem Ausbleichen des sättigbaren Absorbers der passiven Güteschaltung 46 (Figur 2) einzelne, voneinander getrennte,
Laserzündimpulse 24a, 24b, .. (Figur 3) erzeugt werden, deren Abstand voneinander in etwa dem Abstand d der eingestrahlten Pumpstrahlung 60a, 60b, 60c, 6Od entspricht.
Durch die verhältnismäßig großen Abstände d zwischen den Laserzündimpulsen 24a, 24b, .. können die Laserzündimpulse 24a, 24b, ... besonders effizient mittels einer der Lasereinrichtung 26 nachgeordneten Optik 49, beispielsweise einer diffraktiven Optik und/oder ein oder mehrerer Linsen und/oder Spiegel, wie aus Figur 3 ersichtlich in unterschiedliche Raumrichtungen abgelenkt werden.
Anschließend erfolgt in an sich bekannter Weise eine Fokussierung der einzelnen Laserzündimpulse 24a, 24b, .. mittels der Fokussieroptik 50, wodurch die Laserzündimpulse 24, 24b, .. auf die in dem Brennraum 14 gelegenen Zündpunkte ZPa, ZPb, .. gebündelt werden.
Bei einem hinreichend groß gewählten Abstand d der eingestrahlten
Pumpstrahlung 60a, 60b, .. voneinander und bei entsprechender Ausbildung der
Optik 49 sowie der Wahl einer geeigneten Brennweite für die Fokussieroptik 50 kann erfindungsgemäß vorteilhaft ein Abstand der Zündpunkte ZPa, ZPb, .. untereinander von über zehn Millimetern erzielt werden, so dass sich - bei einer gleichzeitigen Beaufschlagung der Zündpunkte ZPa, ZPb, .. mit
Laserzündimpulsen 24a, 24b, .. - aufgrund der unterschiedlichen
Entflammungsorte ein schnelleres Durchbrennen des in dem Brennraum 14 befindlichen Gemischs und damit ein gesteigerter thermodynamischer
Wirkungsgrad ergibt. Damit einhergehend kann ferner die Klopfgrenze angehoben werden, und eine höhere Abmagerbarkeit des Gemischs ist ebenfalls gegeben.
Um eine größere optische Leistungsdichte in einzelnen Zündpunkten zu erzielen, können erfindungsgemäß vorteilhaft auch mehrere Laserzündimpulse bzw. die entsprechenden Laserstrahlen miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann hierzu alternativ oder ergänzend zu der Optik 49 eine Kombinieroptik verwendet werden, die die Strahlachsen der Laserstrahlen 24a, 24b, .. in
Übereinstimmung bringt oder zumindest eine Fokussierung mehrerer
Laserstrahlen 24a, 24b, .. auf einen gemeinsamen Zündpunkt bewirkt.
Die erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung eignet sich insbesondere für den Einsatz bei strahlgeführten Direkteinspritzverfahren, bei denen üblicherweise verhältnismäßig inhomogene LufWKraftstoffgemische zu zünden sind, weil die erfindungsgemäß ermöglichten, weit entfernt voneinander liegenden Zündpunkte ZPa, ZPb, .., auf die jeweils auch mehrere Laserstrahlen fokussierbar sind, die
Entflammungswahrscheinlichkeit deutlich steigern. Die den Laserresonator begrenzenden Spiegel 42, 48 können direkt auf dem Festkörper 44 bzw. 46 aufgebracht sein, z.B. in Form dielektrischer
Beschichtungen; sie können alternativ hierzu auch separat zu den Komponenten 44, 46 angeordnet sein.
Figur 4b zeigt - analog zu Figur 4a in einer Draufsicht auf die in Figur 3 linke Stirnseite der Lasereinrichtung 26 - eine weitere mögliche Einteilung des laseraktiven Festkörpers 44 beziehungsweise der Lasereinrichtung 26 in insgesamt drei verschiedene Volumenbereiche 44a, 44b, 44c. Wie aus Figur 4b ersichtlich ist, weist der Volumenbereich 44a, ausgehend von einer zylindrischen Grundform mit einer der Gesamtlänge der Lasereinrichtung 26 entsprechenden Länge, aufgrund seines größeren Durchmessers ein entsprechend größeres Volumen auf, als die weiteren Volumenbereiche 44b, 44c. Dadurch ist bei dem optischen Pumpen des ersten Volumenbereichs 44a mehr Pumpenergie in dem ersten Volumenbereich 44a speicherbar als in den beiden anderen
Volumenbereichen 44b, 44c, so dass ein in dem ersten Volumenbereich 44a erzeugter Laserzündimpuls 24a eine größere Impulsenergie aufweisen kann, als die von den weiteren Volumenbereichen 44b, 44c erzeugten Laserzündimpulse.
Generell kann jede beliebige Anzahl von unterschiedlichen Volumenbereichen gewählt werden, die eine effiziente Einbringung von Pumplicht 60 (Figur 3) in den betreffenden Volumenbereich sowie eine Umlenkung und/oder Fokussierung und/oder Kombinierung erzeugter Laserzündimpulse 24a, 24b, .. durch eine nachgeordnete Optik 49, 50 ermöglicht, solange jeder Volumenbereich unter
Verwirklichung des erfindungsgemäßen Prinzips gleichsam autark, d.h. getrennt von anderen Volumenbereichen, als Laserresonator arbeiten kann.
Der Abstand d wird bevorzugt zu mindestens etwa einem Millimeter,
vorzugsweise etwa drei Millimeter, gewählt.
Eine besonders effiziente Einstrahlung von Pumplicht in die in den Figuren 4a, 4b veranschaulichten Volumenbereiche 44a, 44b, 44c, 44d ist einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zufolge durch Pumpvorrichtungen 31
gewährleistet, wie sie schematisch in den Figuren 5a, 5b abgebildet sind. Die in Figur 5a gezeigte Pumpvorrichtung 31 weist insgesamt vier vorliegend nicht näher bezeichnete Gruppen bestehend aus einzelnen Pumplichtemittern 32a, 32b, .. auf, welche vorzugsweise als Halbleiterlaserdioden ausgebildet und auf einem gemeinsamen Trägerelement wie z.B. einer Platine oder einem Substrat angeordnet sind. Wie aus Figur 5a ersichtlich ist, sind die einzelnen
Pumplichtemitter 32a, 32b, .. räumlich so zueinander angeordnet, dass sie den in Figur 4a veranschaulichten Volumenbereichen 44a, 44b, 44c, 44d zugeordnet werden können. Das heißt, die Pumpvorrichtung 31 gemäß Figur 5a kann so relativ zu der Lasereinrichtung 26 angeordnet werden, dass jeweils eine Gruppe der Pumplichtemitter 32a, 32b, .. einem der vier Volumenbereiche 44a, 44b, .. gegenüberliegt und bevorzugt fest zugeordnet ist. Durch diese Konfiguration kann jeder der insgesamt vier Volumenbereiche 44a, 44b, 44c, 44d der
Lasereinrichtung 26 individuell gepumpt werden, indem Pumplichtemitter 32a, 32b, .. der betreffenden Pumplichtemittergruppe aktiviert werden. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, einen oder mehrere oder auch alle der vier Volumenbereiche
44a, 44b, 44c, 44d gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeiten optisch zu pumpen.
Figur 5b zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung 31 , wie sie beispielsweise in Verbindung mit der insgesamt drei unterschiedliche Volumenbereiche 44a, 44b, 44c aufweisenden Lasereinrichtung 26 gemäß Figur
4b verwendet werden kann.
Figur 6 zeigt eine besonders bevorzuge Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der die Lasereinrichtung 26 zusammen mit einer sie mit Pumplicht versorgenden Pumpvorrichtung 31 in dem
Gehäuse der Laserzündkerze 100 integriert ist. Die optischen Komponenten 49, 50 sind ebenfalls in die Laserzündkerze 100 integriert, wobei die Fokussieroptik 50 gleichzeitig die Funktion eines Brennraumfensters erfüllt. Bei dieser Ausführungsform sind die Komponenten 31 , 26, 49, 50 bevorzugt so aufeinander abgestimmt, dass alle vier Laserstrahlen 24a, 24b, .. auf einen einzigen Fokuspunkt FP gebündelt werden. Die Bündelung der vier Laserstrahlen 24a, 24b, .. durch das als Fokussieroptik ausgebildete Brennraumfenster 50 hat den Vorteil, dass die optischen Oberflächen der Komponenten 49, 50 nicht mit einer zu hohen Strahlungsleistungsdichte beaufschlagt werden, wie sie sich in dem Fokuspunkt FP oder dessen Nähe ergibt. Dadurch wird ein sog. optical damage der Komponenten 49, 50 vermieden.
Ein verbesserter Schutz der Pumpvorrichtung 31 vor einem unerwünschten Wärmeeintrag aus dem Brennraum 14 beziehungsweise aus der Laserzündkerze
100 ist gemäß Figur 7a dadurch gegeben, dass die Pumpvorrichtung 31 in einem separaten Pumplichtquellenmodul 30 vorgesehen ist, das extern zu der
Laserzündkerze 100 angeordnet ist. Um dennoch eine effiziente Einkopplung von Pumplicht in die Lasereinrichtung
26 zu ermöglichen, ist das Pumplichtquellenmodul 30 über ein thermisch isolierendes Verbindungselement 28' optisch mit dem laseraktiven Festkörper beziehungsweise der Lasereinrichtung 26 und damit auch mit der
Laserzündkerze 100 verbunden. In diesem Fall realisiert das
Verbindungselement 28' sowohl die mechanische Verbindung des
Pumplichtquellenmoduls 30 mit der Laserzündkerze 100, die optische
Verbindung zwischen der Pumpvorrichtung 31 und der Lasereinrichtung 26, und eine thermische Isolation der Pumpvorrichtung 31 von der Laserzündkerze 100. Das Pumplichtquellenmodul 30 kann bei einer weiteren bevorzugten
Erfindungsvariante vorteilhaft auch über eine integrierte Steuerelektronik verfügen, welche beispielsweise von einer entfernt angeordneten
Motorsteuerung 32 (Figur 1 ) mit Ansteuersignalen beaufschlagt wird. Die in das Pumplichtquellenmodul 30 integrierte Steuerelektronik kann beispielsweise zur Realisierung fest vorgegebener oder auch applizierbarer Ansteuermuster für die einzelnen Pumplichtemitter 32a, 32b, .. verwendet werden.
Durch eine Ansteuerung der den verschiedenen Volumenbereichen 44a, 44b, .. zugeordneten Pumplichtemitter 32a, 32b, .. zu unterschiedlichen Zeiten und/oder mit unterschiedlichen Ansteuerströmen kann eine zeitlich variable Erzeugung von
Laserzündimpulsen 24a, 24b, .. , die auf die Zündpunkte ZPa, ZPb, .. fokussiert sind, realisiert werden.
Der laseraktive Festkörper 44 (Figur 2) kann bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Volumenbereiche
44a, 44b, .. aufweisen, die jeweils über eine andere Konzentration eines Dotierungsmaterials und/oder ein anderes Wirtsmaterial verfügen. Beispielsweise können unterschiedliche Volumenbereiche 44a, 44b, .. unterschiedliche
Konzentrationen von Ionen eines laseraktiven Materials aufweisen, so dass auch hierdurch weitere Freiheitsgrade bei der Erzeugung von auf unterschiedliche Zündpunkte ZPa, ZPb, .. gebündelten Laserzündimpulsen 24a, 24b, .. gegeben sind. Auch charakteristische Eigenschaften der passiven Güteschaltung 46 (Figur 2) können über die Volumenbereiche 44a, 44b, .. variiert werden, beispielsweise ebenfalls durch die Vorgabe unterschiedlicher Dotierstoffkonzentrationen. Verwendet man z.B. unterschiedliche Wirtskristalle mit Neodym-Dotierung für die einzelnen Volumenbereiche 44a, 44b, .. , so können alle Volumenbereiche 44a, 44b, .. mit demselben Pumplicht 60 gepumpt werden, es entstehen aber jeweils geringfügig voneinander abweichende Laserwellenlängen, welche vorteilhaft z.B. mit einem Prisma oder einem optischen Gitter als beam combiner auf dieselbe Strahlachse umgelenkt werden können. Laserspiegel sind ebenfalls zur
Umlenkung einsetzbar und erlauben vorteilhaft ferner eine Faltung des
Strahlengangs, was weitere Freiheitsgrade bei der Konstruktion der
Laserzündeinrichtung bietet. Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft eine Laserzündung, die gleichzeitig oder auch zu verschiedenen Zeiten an mehreren unterschiedlichen Zündpunkten ZPa, ZPb, .. oder an einem gemeinsamen Fokuspunkt FP in dem Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 erfolgen kann. Neben dem in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen diskutierten longitudinalen optischen Pumpen ist zusätzlich oder alternativ auch ein transversales optisches Pumpen des laseraktiven Festkörpers 44 (Figur 2) möglich. Die Pumplichtemitter 32a, 32b, .. (Figur 6) können bei einer weiteren
bevorzugten Erfindungsvariante auch direkt auf einer Stirnfläche der
Lasereinrichtung 26 angeordnet sein. Eine monolithische Integration der optischen Komponenten 49, 50 (Figur 6) zusammen mit der restlichen
Lasereinrichtung 26 ist ebenfalls möglich. Anstelle der Vorsehung einer lokalen Pumpvorrichtung 31 (Figur 6, Figur 7a) kann der laseraktive Festkörper 44 (Figur 2) auch über eine entfernt zu der Laserzündkerze 100 angeordnete Pumplichtquelle auf die erfindungsgemäße Weise optisch gepumpt werden, beispielsweise durch eine Mehrzahl von den einzelnen, individuell zu pumpenden, Volumenbereichen 44a, 44b, .. fest zugeordneten Lichtleitern (nicht gezeigt), oder durch eine Aufteilung von zentral zugeführter Pumpstrahlung 60 nach dem in Figur 3 veranschaulichten Prinzip, d.h. mittels einer entsprechenden Optik 41. Figur 7b zeigt eine weitere Erfindungsvariante, bei der wie bereits vorstehend beschrieben insgesamt vier vorliegend nicht näher bezeichnete Laserstrahlen in demselben laseraktiven Festkörper 44 (Figur 2) der Lasereinrichtung 26 erzeugt und durch eine optisch nachgeordnete Kombinieroptik 47a' zu einem
aggregierten Laserstrahl 24' kombiniert werden.
Figur 8 zeigt eine erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung, bei der eine
Fokussieroptik 47a und eine auch als beam combiner 47b bezeichnete
Kombinieroptik direkt in dem von den Spiegeln 42, 48 begrenzten Laserresonator integriert sind. Die erfindungsgemäß erzeugten mehreren Laserstrahlen werden durch die Fokussieroptik 47a bereits in dem Laserresonator gebündelt und durch den optisch nachgeordneten combiner 47b, der z.B. als grating splitter ausgebildet ist, kombiniert. Durch die besondere Anordnung des combiners 47b in dem Laserresonator 42, 44, 46, 47a, 47b, 48 werden die Laserzündimpulse vorliegend vorteilhaft kohärent überlagert, wodurch sich eine höhere
Leistungsdichte des aggregierten Laserstrahls 24' ergibt.
Die erfindungsgemäße Kombination der mehreren Laserstrahlen 24a, 24b, 24c, 24d auf einen gemeinsamen Fokuspunkt FP ermöglicht eine sichere
Laserzündung mit zuverlässiger Entflammung auch unter schwierigen
Betriebsbedingungen. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Erzeugung der mehreren miteinander kombinierbaren Laserstrahlen in demselben
Laserfestkörper 44 mechanisch robust gegenüber Vibrationen und anderen Störeinflüssen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Laserzündeinrichtung für eine
Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem mehrere unterschiedliche Laserstrahlen (24a, 24b, 24c, 24d) erzeugt und miteinander kombiniert, insbesondere auf einen gemeinsamen Fokuspunkt (FP) gebündelt, werden, dadurch gekennzeichnet, dass alle Laserstrahlen
(24a, 24b, 24c, 24d) innerhalb eines laseraktiven Festkörpers (44) erzeugt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Laserzündeinrichtung einen
laseraktiven Festkörper (44) und eine dem laseraktiven Festkörper (44) zugeordnete Güteschaltung (46), insbesondere eine passive Güteschaltung (46), aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedliche Volumenbereiche (44a, 44b, ..) des laseraktiven Festkörpers (44), vorzugsweise getrennt voneinander, optisch gepumpt werden, um die unterschiedlichen Laserstrahlen (24a, 24b, 24c, 24d) zu erhalten.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die mehreren unterschiedlichen Volumenbereiche (44a, 44b, ..) zu unterschiedlichen Zeiten und/oder mit verschiedener Pumpleistung gepumpt werden.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das optische Pumpen einzelner Volumenbereiche (44a, 44b, ..) dadurch erfolgt, dass den betreffenden Volumenbereichen (44a, 44b, ..) fest zugeordnete Pumplichtemitter (32a, 32b, ..) aktiviert werden.
5. Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei der mehrere unterschiedliche Laserstrahlen (24a, 24b, 24c, 24d) erzeugbar und miteinander kombinierbar sind, insbesondere auf einen gemeinsamen Fokuspunkt (FP) bündelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass alle Laserstrahlen (24a, 24b, 24c, 24d) innerhalb eines laseraktiven Festkörpers (44) erzeugbar sind.
6. Laserzündeinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Laserzündeinrichtung einen laseraktiven Festkörper (44) und eine dem laseraktiven Festkörper
(44) zugeordnete Güteschaltung (46), insbesondere eine passive
Güteschaltung (46), aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Pumpvorrichtung (31 ) zum optischen Pumpen des laseraktiven Festkörpers (44) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, mehrere unterschiedliche Volumenbereiche (44a, 44b, ..) des laseraktiven Festkörpers (44), vorzugsweise getrennt voneinander, optisch zu pumpen, um die
unterschiedlichen Laserstrahlen (24a, 24b, 24c, 24d) zu erhalten.
7. Laserzündeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpvorrichtung (31 ) dazu ausgebildet ist, die mehreren unterschiedlichen
Volumenbereiche (44a, 44b, ..) longitudinal optisch zu pumpen.
8. Laserzündeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Volumenbereiche (44a, 44b, ..) jeweils etwa Zylinderform aufweisen und mindestens etwa 1 mm, vorzugsweise etwa 3 mm, seitlich voneinander beabstandet sind.
9. Laserzündeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Pumpvorrichtung (31 ) dazu ausgebildet ist, die mehreren unterschiedlichen Volumenbereiche (44a, 44b, ..) zu
unterschiedlichen Zeiten und/oder mit verschiedener Pumpleistung zu beaufschlagen.
10. Laserzündeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass mehrere Volumenbereiche (44a, 44b, 44c) voneinander verschiedene Volumina und/oder unterschiedliche
Konzentrationen eines Dotierungsmaterials und/oder Wirtsmaterials aufweisen.
1 1. Laserzündeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Auskoppeloptik (49, 50) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die in mehreren unterschiedlichen Volumenbereichen (44a, 44b, ..) erzeugte Laserstrahlung (24a, 24b, ..) auf einen gemeinsamen Fokuspunkt (FP) oder jeweils unterschiedliche Zündpunkte (ZPa, ZPb, ..) zu bündeln.
12. Laserzündeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11 , dadurch
gekennzeichnet, dass eine Kombinieroptik (47b) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die in den mehreren unterschiedlichen Volumenbereichen (44a, 44b, ..) erzeugte Laserstrahlung (24a, 24b, ..) zu kombinieren.
13. Laserzündeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Pumpvorrichtung (31 ) mehrere, vorzugsweise als
Halbleiterlaser ausgebildete, Pumplichtemitter (32a, 32b, ..) aufweist, die jeweils unterschiedlichen Volumenbereichen (44a, 44b, ..) zugeordnet sind.
14. Laserzündeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtemitter (32a, 32b, ..) im Bereich einer Stirnseite des laseraktiven
Festkörpers (44) angeordnet sind, wobei die Pumplichtemitter (32a, 32b, ..) insbesondere in eine den laseraktiven Festkörper (44) aufweisende Laserzündkerze (100) integriert sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011085344B4 (de) 2011-10-27 2022-12-01 Robert Bosch Gmbh Laserlichtquelle

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5756924A (en) 1995-09-28 1998-05-26 The Regents Of The University Of California Multiple laser pulse ignition method and apparatus

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4772600B2 (ja) * 2006-06-23 2011-09-14 川崎重工業株式会社 多点出力レーザ着火装置
JP5019931B2 (ja) * 2007-04-05 2012-09-05 川崎重工業株式会社 多点出力レーザ装置
JP5234569B2 (ja) * 2007-04-05 2013-07-10 川崎重工業株式会社 レーザ多点着火装置
DE102007021915A1 (de) * 2007-05-10 2008-11-20 Robert Bosch Gmbh Lasereinrichtung und Betriebsverfahren hierfür
DE102007042223A1 (de) * 2007-09-05 2009-03-12 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung
DE102007044008A1 (de) * 2007-09-14 2009-03-19 Robert Bosch Gmbh Lasereinrichtung und Betriebsverfahren hierfür
DE102007044009A1 (de) * 2007-09-14 2009-03-19 Robert Bosch Gmbh Lasereinrichtung und Betriebsverfahren hierfür
AT506201B1 (de) * 2007-12-20 2009-09-15 Ge Jenbacher Gmbh & Co Ohg Laserzündeinrichtung

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5756924A (en) 1995-09-28 1998-05-26 The Regents Of The University Of California Multiple laser pulse ignition method and apparatus

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