WO2011154191A2 - Lasereinrichtung und betriebsverfahren für eine lasereinrichtung - Google Patents

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WO2011154191A2
WO2011154191A2 PCT/EP2011/056668 EP2011056668W WO2011154191A2 WO 2011154191 A2 WO2011154191 A2 WO 2011154191A2 EP 2011056668 W EP2011056668 W EP 2011056668W WO 2011154191 A2 WO2011154191 A2 WO 2011154191A2
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active solid
focusing optics
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Martin Weinrotter
Rene Hartke
Heiko Ridderbusch
Joerg Engelhardt
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers

Definitions

  • the invention relates to a laser device for generating laser pulses, wherein the laser device comprises a laser-active solid with a Q-switch and optical fiber means for coupling pump radiation into the laser-active solid, and wherein a focusing optics for focusing the pump radiation between the optical fiber means and the laser-active solid body is arranged.
  • Such a laser device is already known from JP 2009-194076 A.
  • the known system has a complex pumping optics with multiple optical lens elements to enable efficient optical pumping of a laser active solid.
  • Focusing optics and a decoupling surface of the optical fiber means by which the pump radiation can be emitted from the optical fiber means to the focusing optics, is adjustable, and that a second distance between the focusing optics and the laser-active solid is adjustable.
  • the configuration according to the invention advantageously makes it possible to influence a beam waist diameter of pump radiation focused by the focusing optics by adjusting the first distance, as a result of which the pump volume in the laser-active solid and thus finally also the pulse energy of the laser pulses generated can be adjusted.
  • the adjustability of the second distance enables a tracking of the laser-active solid with respect to the focal point or the beam waist of the focused
  • volume element of the laser-active solid for example his
  • the focusing optics according to the invention does not require a complex telescope optics like a telescope optics, which requires a large number of different optical lenses. Despite its visually simpler structure, the invention always allows operation with optimum efficiency.
  • the focusing optics only a single focusing lens, which is preferably formed aspherical. That is, in this case, the focusing optics of
  • Adjustability of the second distance which ensures that the beam waist is positioned as favorably as possible relative to the laser-active solid, for example in the sense of optimum overlap between the beam waist and laser modes of the generated laser pulses.
  • the adjustability of the first and second distances is realized in that the focusing optics and the laser-active solid body are arranged to be movable relative to the optical fiber means and substantially parallel to an optical axis of the laser device.
  • the desired mobility can be realized for example by known per se linear guides or screw drives or the like.
  • Adjusting means for adjusting the respective distances may be provided, wherein the adjusting means may allow a manual adjustment or an actuator operated adjustment of the respective distances.
  • the transition is made as a play or transition fit.
  • the optical distance can be adjusted manually and then the cylinders are connected (eg by welding or soldering).
  • the adjusting means as threaded rods and / or
  • Threaded sleeves or the like may be formed so as to allow at least a manual adjustment of the first and / or second distances.
  • a mechanical coupling between the focusing optics and the laser-active solid can be provided, which causes an adjustment of the second distance only in each case Depending on the first distance can be carried out, wherein also a predefinable translation can be provided, which causes beispielsweie that when adjusting the first distance by a first Verstell zone an adjustment of the second distance to a different, second Verstell zone is effected.
  • Embodiment according to have a controllable focal length, which can be achieved, for example, characterized in that the focusing lens is designed as a so-called "liquid lens” or membrane lens or the like.
  • the Q-switch of the laser device is designed as a passive Q-switch. Furthermore, it is advantageous if the laser-active
  • Solid and the Q-switch form a monolithic composite, which can be realized for example by thermal bonding of the relevant components.
  • the first distance is adjustable between about 3 mm and about 15 mm
  • the second distance is adjustable between about 5 mm to about 50 mm.
  • the lenses should be antireflection-coated for the pump wavelength.
  • the diameter of the lenses should be between 3 - 15 mm (for M 18 x 1, 5 screw threads).
  • the AR layer must still transmit a corresponding part of the laser radiation through to the fiber in order to be able to detect the FKL feedback.
  • the focusing lens must not pass too much laser radiation in order to avoid damage to the optical waveguide due to excessive power.
  • the laser device is at least partially integrated in a laser spark plug for a
  • FIG. 1 a
  • 1 b, 1 c an embodiment of a laser device in three
  • FIG. 2 shows a simplified flowchart of an embodiment of a
  • FIG. 1a shows a laser device 26 according to the invention, which in the present case is integrated, for example, in a laser spark plug 100 for an internal combustion engine.
  • the laser device 26 has a laser-active solid 44, to which a passive Q-switch 46 is assigned.
  • the laser-active solid 44 is preferably formed together with the passive Q-switch 46 as a monolithic composite and has on a left in Figure 1 a front face via a coupling mirror 42 and on a right in Figure 1 a face via a Auskoppelapt 48th
  • the coupling-in mirror 42 is highly transmissive to pump radiation 60, which is supplied to the laser device 26 or the monolith 44, 46 by optical fiber means 28.
  • the pump radiation 60 is passed through between the
  • Fiber optic device 28 and the laser active solid 44 arranged focusing 30 is focused on the laser-active solid 44, see. The progress
  • the coupling-in mirror 42 is preferably designed to be highly reflective for laser radiation 24 generated in the laser-active solid 44
  • Auskoppelapt 48 has a predetermined permeability for the
  • the laser device 26 according to the invention in the laser spark plug 100 is generated by the laser device 26
  • Laser pulse 24 by optically the laser device 26 downstream
  • Focusing means 50 focuses, for example, to an ignition point (not shown) in a combustion chamber of the internal combustion engine containing the laser spark plug 100.
  • the laser pulses 24 are generated in a process known per se by the presently passively Q-switched laser device 26.
  • Pulse energy of the laser pulses 24 is set according to the invention in that the size of the beam waist SD1 of the focused pump radiation 60 'in the laser-active solid 44 is specified.
  • the pulse energy of the generated laser pulses 24 can be increased in a manner known per se.
  • FIG. 1 a shows a longitudinal coordinate x, which is parallel to the optical axis OA of the laser spark plug 100 or the
  • Laser device 26 runs and its zero point in the plane of
  • Outcoupling surface 28a of the optical fiber means 28 has.
  • Fiber optic means 28 arranged. Accordingly, the beam waist shown in FIG. 1a and represented by the double arrow SD1 results, with which a certain pulse energy of the laser pulse 24, e.g. about 25 mJ
  • the invention further proposes to change a second distance b1, b2, in addition to the first distance a1, a2. This makes it possible to use the laser-active
  • Solid body 44 in the mode change between Figure 1 a and 1 b move closer to the focusing optics 30 so that the location of the beam waist SD2 coincides again in the second mode ( Figure 1 b) with the same volume element of the laser-active solid 44, as in the first mode of operation according to Figure 1 a was the case.
  • a good overlap of the focused mode is comparable to the first mode of operation also in the second operating mode Pump radiation 60 'given with the laser modes of the laser pulses 24, and there is no loss of efficiency in the generation of the laser pulses 24th
  • FIG. 1 c shows a third operating mode of the laser device 26, in which an even greater first distance a3> a2> a1 has been set.
  • the third mode of operation illustrated in Figure 1c provides a very low pumping volume and corresponding low pulse energy for the laser pulses 24 of e.g. about 5 mJ.
  • the second distance b3 is again adjusted so that the beam waist SD3 in the desired volume range of the laser-active solid 44 to come to rest.
  • the adjustment of the distances a1, b1 can be effected, for example, by adjusting means 30a, 44a provided in the region of the laser device 26 (FIG. 1a).
  • the adjusting means 30a, 44a may, for example, be a linear guide (eg.
  • Laserzüdkerze 100 may possibly required control lines for the
  • Adjustment means 30a, 44a are also combined with the light guide device 28.
  • a fixed mechanical coupling between the first distance a1 and the second distance b1 is also conceivable. In this case is advantageous only the adjustment of a single adjustment means required to vary both distances a1, b1.
  • a gear ratio different from one can thereby take into account the requirement that the distances a1, b1 are to be modified to varying degrees in order to realize an optimum optical efficiency.
  • the focusing optics 30 is formed by a single focusing lens, which in addition to the low optical complexity and correspondingly low production costs advantageously a particularly low minimum
  • the principle according to the invention makes it possible to optimally adjust a pulsed laser system 26 to a specific application, such as the application described above, for example
  • Laser spark plug 100 for an internal combustion engine For example, the system 26 or the distances a1, b1 can be adapted to a desired target environment in the sense of an application process, and then the distances a1, b1 can be fixed.
  • the pulse energy of the laser pulses 24 can be varied by using the principle according to the invention but also during operation of the target system 100 by a corresponding adjustment of the distances a1 and b1.
  • the used laser-active solid 44 can be optimized for the particular desired application, in particular the following parameters can be varied: the initial transmission of the Q-switch 46, the transmittance of the Auskoppelapt 48, the numerical aperture of the focusing optics 30, the diameter of the focusing optics 30, the length and doping of the laser-active solid 44 and the operating temperature. These parameters can be used to influence the range of possible pulse energies, the optical efficiency, the beam intensities at the surfaces of the components 44, 46.
  • the components 30, 44 can be fixed with respect to their distances from the optical waveguide means 28, for example by means of welding of the components which were originally movably arranged relative to one another.
  • FIG. 2 schematically shows a simplified flowchart of a
  • a first step 200 the first distance a1 (FIG. 1a) is varied until a desired beam waist size SD1 has been reached.
  • a second step 210 (FIG. 2), the second distance b1 is varied until a desired optimum overlap between the focused pump radiation 60 'and the laser modes of the laser pulses 24 is achieved.
  • the steps 200, 210 may also be performed several times in succession or in alternating order in order to find a global optimum for the optical efficiency of the laser device 26.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung (26) zur Erzeugung von Laserimpulsen (24), wobei die Lasereinrichtung (26) einen laseraktiven Festkörper (44) mit einem Güteschalter (46) und Lichtleitermittel (28) zum Einkoppeln von Pumpstrahlung (60) in den laseraktiven Festkörper (44) aufweist, und wobei eine Fokussieroptik (30) zur Fokussierung der Pumpstrahlung (60) zwischen den Lichtleitermitteln (28) und dem laseraktiven Festkörper (44) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist ein erster Abstand (a1) zwischen der Fokussieroptik (30) und einer Auskoppelfläche (28a) der Lichtleitermittel (28), durch die die Pumpstrahlung (60) von den Lichtleitermitteln (28) auf die Fokussieroptik (30) abstrahlbar ist, verstellbar, und ein zweiter Abstand (b1) zwischen der Fokussieroptik (30) und dem laseraktiven Festkörper (44) ist verstellbar.

Description

Beschreibung Titel
Lasereinrichtung und Betriebsverfahren für eine Lasereinrichtung Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen, wobei die Lasereinrichtung einen laseraktiven Festkörper mit einem Güteschalter und Lichtleitermittel zum Einkoppeln von Pumpstrahlung in den laseraktiven Festkörper aufweist, und wobei eine Fokussieroptik zur Fokussierung der Pumpstrahlung zwischen den Lichtleitermitteln und dem laseraktiven Festkörper angeordnet ist.
Eine derartige Lasereinrichtung ist bereits aus der JP 2009-194076 A bekannt.
Das bekannte System weist eine komplexe Pumpoptik mit mehreren optischen Linsenelementen auf, um ein effizientes optisches Pumpen eines laseraktiven Festkörpers zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lasereinrichtung und ein entsprechendes Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein effizientes optisches Pumpen unter Verwendung einer weniger komplexen Pumpoptik möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei der Lasereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein erster Abstand zwischen der
Fokussieroptik und einer Auskoppelfläche der Lichtleitermittel, durch die die Pumpstrahlung von den Lichtleitermitteln auf die Fokussieroptik abstrahlbar ist, verstellbar ist, und dass ein zweiter Abstand zwischen der Fokussieroptik und dem laseraktiven Festkörper verstellbar ist.
Die erfindungsgemäße Konfiguration ermöglicht vorteilhaft durch Einstellung des ersten Abstands die Beeinflussung eines Strahltaillendurchmessers von durch die Fokussieroptik fokussierter Pumpstrahlung, wodurch sich das Pumpvolumen in dem laseraktiven Festkörper und damit schließlich auch die Impulsenergie der erzeugten Laserimpulse einstellen lässt. Vorteilhaft ermöglicht die Verstellbarkeit des zweiten Abstandes eine Nachführung des laseraktiven Festkörpers bezüglich des Fokuspunkts beziehungsweise der Strahltaille der fokussierten
Pumpstrahlung derart, dass die Strahltaille stets mit einem bestimmten
Volumenelement des laseraktiven Festkörpers, beispielsweise seiner
Einkoppelfläche, koinzidiert, wodurch ein - unabhängig von der Größe der Strahltaille - gleichermaßen effizienter optischer Pumpprozess und ein optimaler Überlapp mit den in dem laseraktiven Festkörper auftretenden Lasermoden gegeben ist.
Im Unterschied zu dem bekannten System kommt die erfindungsgemäße Fokussieroptik ohne eine komplexe Pumpoptik nach Art einer Teleskopoptik aus, die eine Vielzahl von verschiedenen optischen Linsen erfordert. Trotz ihres optisch einfacheren Aufbaus ermöglicht die Erfindung stets einen Betrieb bei optimalem Wirkungsgrad.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Lasereinrichtung weist die Fokussieroptik nur eine einzige Fokussierlinse auf, die bevorzugt asphärisch ausgebildet ist. Das heißt, in diesem Fall wird die Fokussieroptik der
Lasereinrichtung durch die Fokussierlinse gebildet. Dadurch lassen sich gegenüber dem eingangs genannten bekannten System eine Vielzahl von optischen Komponenten einsparen. Ein über weite Bereiche der mittels der Verstellbarkeit des ersten Abstandes steuerbaren Strahltaille konstanter
Wirkungsgrad ergibt sich erfindungsgemäß vorteilhaft aufgrund der
Verstellbarkeit des zweiten Abstands, durch die sichergestellt ist, dass die Strahltaille relativ zu dem laseraktiven Festkörper möglichst günstig positioniert ist, beispielsweise im Sinne eines optimalen Überlapps zwischen Strahltaille und Lasermoden der erzeugten Laserimpulse. Einer vorteilhaften Ausführungsform zufolge wird die Verstellbarkeit des ersten und zweiten Abstands dadurch realisiert, dass die Fokussieroptik und der laseraktive Festkörper relativ zu den Lichtleitermitteln und im Wesentlichen parallel zu einer optischen Achse der Lasereinrichtung bewegbar angeordnet sind. Die gewünschte Bewegbarkeit kann beispielsweise durch an sich bekannte Linearführungen oder Gewindeantriebe oder dergleichen realisiert sein.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge können erste und/oder zweite
Verstellmittel zum Verstellen der betreffenden Abstände vorgesehen sein, wobei die Verstellmittel eine manuelle Verstellung oder auch eine aktorbetätigte Verstellung der betreffenden Abstände ermöglichen können.
Weiters ist es möglich, die z. B. Zylinder in welchen die entsprechenden Optiken (Lichtwellenleiter, Fokussieroptik, Festkörperlaser) gehaltert sind, mit
unterschiedlichen Außendurchmessern zu gestalten. Der Übergang wird als Spiel- oder Übergangspassung ausgeführt. In der Fertigung kann so manuell der optische Abstand eingestellt werden und dann werden die Zylinder verbunden (z. B. durch Schweißen oder Löten).
In einer Serienfertigung kann durch die stufenlose Verstellung durch
Spielpassung und durch permanente Energiemessung der optische Abstand eingestellt werden und danach gleich direkt geschweißt werden. Somit erreicht man auch eine hermetisch, direkte Kapselung der optischen Komponenten in der Laserkerze von der Umgebung.
Beispielsweise können die Verstellmittel als Gewindestangen und/oder
Gewindehülsen oder dergleichen ausgebildet sein, um so zumindest ein manuelles Verstellen der ersten und/oder zweiten Abstände zu ermöglichen.
Darüber hinaus ist es möglich, elektromechanische oder hydraulische oder sonstige Aktoren vorzusehen, um die erfindungsgemäß interessierenden
Abstände einzustellen.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge kann eine mechanische Kopplung zwischen der Fokussieroptik und dem laseraktiven Festkörper vorgesehen sein, die bewirkt, dass eine Einstellung des zweiten Abstands jeweils nur in Abhängigkeit des ersten Abstands erfolgen kann, wobei auch eine vorgebbare Übersetzung vorgesehen sein kann, die beispielsweie bewirkt, dass bei einer Verstellung des ersten Abstands um eine erste Verstellstrecke eine Verstellung des zweiten Abstands um eine hiervon verschiedene, zweite Verstellstrecke bewirkt wird.
Die Fokussierlinse der Fokussieroptik kann einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform zufolge eine steuerbare Brennweite aufweisen, was beispielsweise dadurch erzielbar ist, dass die Fokussierlinse als sogenannte „liquid lens" oder Membranlinse oder dergleichen ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt ist der Güteschalter der Lasereinrichtung als passiver Güteschalter ausgebildet. Ferner ist es vorteilhaft, wenn der laseraktive
Festkörper und der Güteschalter einen monolithischen Verbund bilden, was beispielsweise durch thermisches Bonden der betreffenden Komponenten realisierbar ist.
Einer besonders bevorzugten Ausführungsform zufolge ist der erste Abstand zwischen etwa 3 mm und etwa 15 mm verstellbar, und der zweite Abstand ist zwischen etwa 5 mm bis etwa 50 mm verstellbar.
Typische numerische Aperturen von NA = 0,2 - 0,8, vorzugsweise NA = 0,3 - 0,6, werden verwendet.
Die Linsen sollten antireflexions-beschichtet für die Pumpwellenlänge sein. Der Durchmesser der Linsen sollte sich zwischen 3 - 15 mm bewegen (für M 18 x 1 ,5 Einschraubgewinde).
Die AR-Schicht muss aber noch einen entsprechenden Teil der Laserstrahlung durch zur Faser transmittieren, um das FKL-Feedback detektieren zu können. Andererseits darf nicht zu viel Laserstrahlung die Fokussierlinse passieren, um eine Beschädigung des Lichtwellenleiters durch zu hohe Leistungen zu vermeiden. Einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zufolge ist die Lasereinrichtung zumindest teilweise integriert in eine Laserzündkerze für eine
Brennkraftmaschine. Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein
Verfahren gemäß Patentanspruch 12 angegeben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 a,
1 b, 1 c eine Ausführungsform einer Lasereinrichtung in drei
unterschiedlichen Betriebszuständen, und
Figur 2 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform eines
Betriebsverfahrens für eine Lasereinrichtung. Figur 1 a zeigt eine erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26, die vorliegend beispielsweise in eine Laserzündkerze 100 für eine Brennkraftmaschine integriert ist.
Die Lasereinrichtung 26 verfügt über einen laseraktiven Festkörper 44, dem ein passiver Güteschalter 46 zugeordnet ist. Der laseraktive Festkörper 44 ist zusammen mit dem passiven Güteschalter 46 vorzugsweise als monolithischer Verbund ausgebildet und verfügt auf einer in Figur 1 a linken Stirnfläche über einen Einkoppelspiegel 42 und auf einer in Figur 1 a rechten Stirnfläche über einen Auskoppelspiegel 48. Der Einkoppelspiegel 42 ist hoch transmittierend für Pumpstrahlung 60, die der Lasereinrichtung 26 bzw. dem Monolithen 44, 46 durch Lichtleitermittel 28 zugeführt wird. Die Pumpstrahlung 60 wird durch zwischen der
Lichtleitereinrichtung 28 und dem laseraktiven Festkörper 44 angeordnete Fokussiermittel 30 auf den laseraktiven Festkörper 44 gebündelt, vgl. den Verlauf
60' der fokussierten Pumpstrahlung.
Der Einkoppelspiegel 42 ist vorzugsweise hoch reflektierend ausgebildet für in dem laseraktiven Festkörper 44 erzeugte Laserstrahlung 24. Der
Auskoppelspiegel 48 weist eine vorgebbare Durchlässigkeit für die
Laserstrahlung 24 auf, so dass in an sich bekannter Weise erzeugte sogenannte Riesenimpulse 24 aus dem laseraktiven Festkörper 44 austreten können, vgl. Figur 1 a. Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 in der Laserzündkerze 100 wird ein durch die Lasereinrichtung 26 erzeugter
Laserimpuls 24 durch optisch der Lasereinrichtung 26 nachgeordnete
Fokussiermittel 50 fokussiert, beispielsweise auf einen Zündpunkt (nicht gezeigt) in einem Brennraum der Brennkraftmaschine, die die Laserzündkerze 100 enthält. Die Laserimpulse 24 werden in einem an sich bekannten Prozess durch die vorliegend passiv gütegeschaltete Lasereinrichtung 26 erzeugt. Eine
Impulsenergie der Laserimpulse 24 wird erfindungsgemäß dadurch eingestellt, dass die Größe der Strahltaille SD1 der fokussierten Pumpstrahlung 60' in dem laseraktiven Festkörper 44 vorgegeben wird. Je größer die Strahltaille in dem laseraktiven Festkörper 44 ist, umso größer ist das mit Pumpstrahlung 60' beaufschlagte Volumen des laseraktiven Festkörpers 44, das sogenannte Pumpvolumen. Mit steigendem Pumpvolumen kann in an sich bekannter Weise die Impulsenergie der erzeugten Laserimpulse 24 vergrößert werden. Vorliegend wird die Größe SD1 der Strahltaille der fokussierten Pumpstrahlung
60' dadurch beeinflusst, dass ein erster Abstand a1 zwischen der Fokussieroptik 30 und der Auskoppelfläche 28a der Lichtleitermittel 28 variiert wird. Zur
Illustration ist in Figur 1 a eine Längenkoordinate x angegeben, welche parallel zu der optischen Achse OA der Laserzündkerze 100 beziehungsweise der
Lasereinrichtung 26 verläuft und ihren Nullpunkt in der Ebene der
Auskoppelfläche 28a der Lichtleitermittel 28 hat. Bei der in Figur 1 a abgebildeten ersten Betriebsart der Lasereinrichtung 26 ist der erste Abstand auf den Wert a1 eingestellt, das bedeutet, die Fokussiermittel 30 sind in einer Entfernung von x = x1 von der Austrittsfläche 28a der
Lichtleitermittel 28 angeordnet. Dementsprechend ergibt sich die in Figur 1 a abgebildete und durch den Doppelpfeil SD1 repräsentierte Strahltaille, mit der eine bestimmte Impulsenergie des Laserimpulses 24, z.B. etwa 25 mJ
(Millijoule), korreliert. Um das Pumpvolumen gegenüber der in Figur 1 a gezeigten Betriebsart zu verringern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den ersten Abstand von dem Wert a1 auf einen größeren Wert a2 > a1 zu vergrößern, vgl. Figur 1 b. Durch die sich hierdurch ergebende größere bestrahlte Fläche der Fokussieroptik 30 ergibt sich eine geringere Strahltaille SD2 < SD1 in dem laseraktiven Festkörper 44, so dass insgesamt ein bezüglich des ersten Betriebszustands (Figur 1 a) geringeres
Pumpvolumen und damit auch eine geringere Impulsenergie für den Laserimpuls 24 gegeben ist, wobei die Impulsenergie vorliegend z.B. etwa 12 mJ beträgt.
Die Veränderung des ersten Abstands von dem Wert a1 (Figur 1 a) zu dem größeren Wert a2 (Figur 2b) bedingt in an sich unerwünschter Weise auch eine
Verlagerung der Strahltaille der fokussierten Pumpstrahlung 60' entlang der optischen Achse OA (Figur 1 a) der Lasereinrichtung 26, und zwar vorliegend in negativer x-Richtung bezogen auf die Hilfskoordinate x aus Figur 1 a. Die
Verlagerung der Strahltaille SD2 zu kleineren x-Werten hin bewirkt nachteilig eine Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrads der Lasereinrichtung 26, weil eine nurmehr suboptimale Überlappung zwischen dem Pumpvolumen und den Lasermoden der Laserimpulse 24 gegeben ist. Um dem entgegenzuwirken, sieht die Erfindung ferner vor, einen zweiten Abstand b1 , b2, zusätzlich zu dem ersten Abstand a1 , a2, zu verändern. Dadurch ist es möglich, den laseraktiven
Festkörper 44 bei dem Betriebsartenwechsel zwischen Figur 1 a und 1 b näher auf die Fokussieroptik 30 zuzubewegen, so dass der Ort der Strahltaille SD2 auch in der zweiten Betriebsart (Figur 1 b) wieder mit demselben Volumenelement des laseraktiven Festkörpers 44 koinzidiert, wie dies bei der ersten Betriebsart gemäß Figur 1 a der Fall war. Dadurch ist auch bei der zweiten Betriebsart ein zu der ersten Betriebsart vergleichbarer guter Überlapp der fokussierten Pumpstrahlung 60' mit den Lasermoden der Laserimpulse 24 gegeben, und es entstehen keine Effizienzeinbußen bei der Erzeugung der Laserimpulse 24.
Figur 1 c zeigt eine dritte Betriebsart der Lasereinrichtung 26, bei der ein noch größerer erster Abstand a3 > a2 > a1 eingestellt worden ist. Dieser
verhältnismäßig große erste Abstand a3 führt zu einer verhältnismäßig kleinen Strahltaille SD3, vgl. Figur 1 c. Das bedeutet, die in Figur 1 c veranschaulichte dritte Betriebsart bietet ein sehr geringes Pumpvolumen und eine damit korrespondierende geringe Impulsenergie für die Laserimpulse 24 von z.B. etwa 5 mJ. Um wiederum einem Herauswandern der Strahltaille SD3 aus dem für ein effizientes Pumpen und einen optimalen Überlapp mit den Lasermoden günstigen Volumenbereich des laseraktiven Festkörpers 44 zu begegnen, wird wiederum der zweite Abstand b3 so eingestellt, dass die Strahltaille SD3 in dem gewünschten Volumenbereich des laseraktiven Festkörpers 44 zu liegen kommt.
Untersuchungen der Anmelderin zufolge ist durch die erfindungsgemäße Verstellbarkeit beider Abstände a1 , b1 vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, die Impulsenergie der Laserimpulse 24 zwischen etwa einem Millijoule und größer etwa 30 Millijoule zu variieren, ohne wesentliche Änderungen des optischen Wirkungsgrads hinnehmen zu müssen.
Die Verstellung der Abstände a1 , b1 kann beispielsweise durch im Bereich der Lasereinrichtung 26 vorgesehene Verstellmittel 30a, 44a (Figur 1 a) erfolgen. Die Verstellmittel 30a, 44a können beispielsweise eine Linearführung (z. B.
Spielpassung von rotationssymetrischen Hülsen) oder einen Gewindetrieb oder sonstige Mittel umfassen, die eine Verstellung der Abstände a1 , b2 unter manueller Betätigung ermöglichen. Es ist ferner möglich, die Verstellmittel 30a, 44a mit elektromechanischen oder sonstigen geeigneten Aktoren zu versehen, um die Verstellbarkeit der Abstände a1 , b1 zu gewährleisten. Im Falle der
Laserzüdkerze 100 können ggf. erforderliche Ansteuerleitungen für die
Verstellmittel 30a, 44a auch mit der Lichtleitereinrichtung 28 zusammengefasst werden.
Eine feste mechanische Kopplung zwischen dem ersten Abstand a1 und dem zweiten Abstand b1 ist ebenfalls denkbar. In diesem Fall ist vorteilhaft lediglich die Verstellung eines einzigen Verstellmittels erforderlich, um beide Abstände a1 , b1 zu variieren. Ein von Eins verschiedenes Übersetzungsverhältnis kann dabei dem Erfordernis Rechnung tragen, dass zur Realisierung eines optimalen optischen Wirkungsgrads die Abstände a1 , b1 in unterschiedlichem Maße zu modifizieren sind.
Bei einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen
Lasereinrichtung 26 ist die Fokussieroptik 30 durch eine einzige Fokussierlinse gebildet, was neben der geringen optischen Komplexität und entsprechend geringen Herstellungskosten vorteilhaft eine besonders geringe minimale
Strahltaille ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Prinzip ermöglicht einerseits eine optimale Einstellung eines gepulsten Lasersystems 26 auf eine bestimmte Anwendung, wie beispielsweise die vorstehend beschriebene Anwendung in einer
Laserzündkerze 100 für eine Brennkraftmaschine. Beispielsweise kann das System 26 bzw. die Abstände a1 , b1 im Sinne eines Applikationsprozesses an eine gewüschte Zielumgebung angepasst und anschließend die Abstände a1 , b1 fixiert werden.
Besonders vorteilhaft kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips aber auch während eines Betriebs des Zielsystems 100 die Pulsenergie der Laserimpulse 24 variiert werden durch eine entsprechende Verstellung der Abstände a1 und b1 .
Der verwendete laseraktive Festkörper 44 kann für den jeweils gewünschten Anwendungsbereich optimiert werden, wobei insbesondere die folgenden Parameter variiert werden können: Die Anfangstransmission des Güteschalters 46, die Transmissionsgrade des Auskoppelspiegels 48, die numerische Apertur der Fokussieroptik 30, der Durchmesser der Fokussieroptik 30, die Länge und Dotierung des laseraktiven Festkörpers 44 sowie die Betriebstemperatur. Über diese Parameter können der Bereich der möglichen Impulsenergien, der optische Wirkungsgrad, die Strahlintensitäten an den Oberflächen der Komponenten 44, 46 beeinflusst werden. Für eine Serienfertigung von Laserzündkerzen 100 kann es ferner vorteilhaft sein, manuell betätigbare Verstellmittel 30a, 44a zu verwenden, die während einer Applikationsphase, das heißt bei der Anpassung der Laserzündkerze 100 an eine neue Brennkraftmaschine, eine Verstellbarkeit der Abstände a1 , b1 in weiten Grenzen ermöglicht. Sobald optimale Abstandswerte für die gewünschten Betriebsarten gefunden sind, können die Komponenten 30, 44 bezüglich ihrer Abstände zu den Lichtleitermitteln 28 fixiert werden, beispielsweise mittels Verschweißen der ursprünglich relativ zueinander bewegbar angeordneten Komponenten.
Figur 2 zeigt schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für die
Lasereinrichtung 26. In einem ersten Schritt 200 wird der erste Abstand a1 (Figur 1 a) variiert, bis eine gewünschte Strahltailliengröße SD1 erreicht ist.
Anschließend wird in einem zweiten Schritt 210 (Figur 2) der zweite Abstand b1 variiert, bis ein gewünschter optimaler Überlapp zwischen der fokussierten Pumpstrahlung 60' und den Lasermoden der Laserimpulse 24 erzielt wird.
Die Schritte 200, 210 können auch mehrmals nacheinander oder in wechselnder Reihenfolge ausgeführt werden, um ein globales Optimum für den optischen Wirkungsgrad der Lasereinrichtung 26 aufzufinden.

Claims

Ansprüche
1 . Lasereinrichtung (26) zur Erzeugung von Laserimpulsen (24), wobei die Lasereinrichtung (26) einen laseraktiven Festkörper (44) mit einem
Güteschalter (46) und Lichtleitermittel (28) zum Einkoppeln von
Pumpstrahlung (60) in den laseraktiven Festkörper (44) aufweist, und wobei eine Fokussieroptik (30) zur Fokussierung der Pumpstrahlung (60) zwischen den Lichtleitermitteln (28) und dem laseraktiven Festkörper (44) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Abstand (a1 ) zwischen der Fokussieroptik (30) und einer Auskoppelfläche (28a) der Lichtleitermittel (28), durch die die Pumpstrahlung (60) von den Lichtleitermitteln (28) auf die Fokussieroptik (30) abstrahlbar ist, verstellbar ist, und dass ein zweiter Abstand (b1 ) zwischen der Fokussieroptik (30) und dem laseraktiven Festkörper (44) verstellbar ist.
2. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (30) und der laseraktive Festkörper (44) relativ zu den Lichtleitermitteln (28) und im wesentlichen parallel zu einer optischen Achse (OA) der Lasereinrichtung (26) bewegbar angeordnet sind.
3. Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch erste Verstellmittel (30a) zum Verstellen des ersten Abstands (a1 ) und/oder zweite Verstellmittel (44a) zum Verstellen des zweiten Abstands (b1 ).
4. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Verstellmittel (30a, 44a) so ausgebildet sind, dass sie eine manuelle Verstellung des ersten Abstands (a1 ) und/oder des zweiten Abstands (b1 ) ermöglichen.
5. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Verstellmittel (30a, 44a) so ausgebildet sind, dass sie eine aktorbetätigte Verstellung des ersten Abstands (a1 ) und/oder des zweiten Abstands (b1 ) ermöglichen.
6. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass eine mechanische Kopplung zwischen der
Fokussieroptik (30) und dem laseraktiven Festkörper (44) vorgesehen ist.
7. Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (30) durch eine einzige,
vorzugsweise asphärische, Fokussierlinse gebildet ist.
8. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierlinse eine steuerbare Brennweite aufweist.
9. Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (44) und der Güteschalter (46) einen monolithischen Verbund bilden.
10. Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (a1 ) zwischen etwa 3 Millimeter und etwa 15 Millimeter verstellbar ist, und dass der zweite Abstand (b1 ) zwischen etwa 5 Millimeter und etwa 50 Millimeter verstellbar ist.
1 1 . Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserzündkerze (100) eine Lasereinrichtung (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
12. Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (26) zur Erzeugung von Laserimpulsen (24), wobei die Lasereinrichtung (26) einen laseraktiven Festkörper (44) mit einem Güteschalter (46) und Lichtleitermittel (28) zum
Einkoppeln von Pumpstrahlung (60) in den laseraktiven Festkörper (44) aufweist, und wobei eine Fokussieroptik (30) zur Fokussierung der
Pumpstrahlung (60) zwischen den Lichtleitermitteln (28) und dem
laseraktiven Festkörper (44) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Abstand (a1 ) zwischen der Fokussieroptik (30) und einer
Auskoppelfläche (28a) der Lichtleitermittel (28), durch die die Pumpstrahlung (60) von den Lichtleitermitteln (28) auf die Fokussieroptik (30) abstrahlbar ist, und ein zweiter Abstand (b1 ) zwischen der Fokussieroptik (30) und dem laseraktiven Festkörper (44) verstellt wird, um eine Pulsenergie der Laserimpulse (24) einzustellen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der erste Abstand (a1 ) in Abhängigkeit von dem zweiten Abstand (b1 ) eingestellt wird, insbesondere gleichzeitig zueinander.
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