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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung mit einem laseraktiven
Festkörper
und einer Pumplichtquelle, die dazu ausgebildet ist, den laseraktiven Festkörper von
zwei einander gegenüberliegenden Seiten
longitudinal optisch zu pumpen.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen
Lasereinrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lasereinrichtung der
eingangs genannten Art und ein entsprechendes Betriebsverfahren
dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Erzeugung von hochenergetischen
Laserimpulsen ermöglicht
ist.
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Diese
Aufgabe wird bei der Lasereinrichtung der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass in den laseraktiven Festkörper eine
passive Güteschaltung
integriert ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Konfiguration können Laserimpulse
mit verhältnismäßig hoher Spitzenleistung
und Strahlqualität
erzeugt werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung weist der laseraktive Festkörper mindestens zwei Bereiche
mit laseraktivem Material auf, und die passive Güteschaltung ist zwischen den
beiden Bereichen, insbesondere mittig, angeordnet, so dass eine
effiziente Einbringung von Pumpenenergie in die erfindungsgemäße Lasereinrichtung
möglich
ist.
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Eine
gesteigerte Flexibilität
bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ergibt
sich einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge dadurch,
dass die Pumplichtquelle so ausgebildet ist, dass beide Seiten des
laseraktiven Festkörpers
unterschiedlich mit Pumplicht beaufschlagbar sind. Hierdurch lässt sich
insbesondere die Impulsenergie der erzeugten Laserimpulse, aber
auch die Impulsform, beeinflussen.
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Die
Pumplichtquelle kann vorteilhaft zwei Laserdioden aufweisen, wobei
jede Laserdiode einer Seite des laseraktiven Festkörper zugeordnet
ist.
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Erfindungsgemäß können auch
ein oder mehrere undotierte Bereiche in dem laseraktiven Festkörper vorgesehen
sein, beispielsweise um eine thermische Trennung zwischen laseraktiven
Materialien zu bewirken, oder auch um die Handhabbarkeit der Lasereinrichtung
zu vereinfachen. Darüberhinaus
wirkt sich die Länge
der Lasereinrichtung auch auf die Strahlqualität der erzeugten Laserimpulse aus.
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Die
erfindungsgemäße Lasereinrichtung
eignet sich aufgrund der verhältnismäßig hohen
erzielbaren Impulsenergie insbesondere für den Einsatz in einer Zündeinrichtung
für eine
Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines
stationären
Großgasmotors.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch
7 vorgeschlagen.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Lasereinrichtung,
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2a eine
schematische Darstellung der Lasereinrichtung aus 1,
und
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2b die
Lasereinrichtung aus 2a mit einem schematischen angedeuteten
Strahlverlauf des Pumplichts.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Eine
Brennkraftmaschine trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die
Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen
in 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.
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In
den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird
mittels eines Laserstrahls 24 entzündet, der vorzugsweise in Form
eines Laserimpulses von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden
Zündeinrichtung 27 in
den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine
Lichtleitereinrichtung 28 mit Pumplicht gespeist, welches
von einer Pumplichtquelle 260 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 260 wird
von einem Steuergerät 32 gesteuert,
das auch den Injektor 18 ansteuert.
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2a zeigt
schematisch eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26. Die
Lasereinrichtung 26 weist einen laseraktiven Festkörper 44 auf,
der an beiden Stirnseiten, d. h. longitudinal, mit Pumplicht 60a, 60b beaufschlagt wird,
das von der Pumplichtquelle 260 bereitgestellt wird. Die
Pumplichtquelle 260 kann hierzu beispielsweise über zwei
Laserdioden (nicht gezeigt) verfügen,
von denen jede einer Seite der Lasereinrichtung 26 zugeordnet
ist.
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Erfindungsgemäß ist in
dem laseraktiven Festkörper 44 eine
auch als Q-switch bezeichnete passive Güteschaltung 46 angeordnet,
die den laseraktiven Festkörper 44 bei
der vorliegend beispielhaft betrachteten Anordnung in zwei Bereiche 44a, 44b unterteilt.
Der laseraktive Festkörper 44 bildet
zusammen mit der passiven Güteschaltung 46 sowie dem
in 1 links hiervon angeordneten Einkoppelspiegel 42 und
dem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator aus, dessen
Schwingverhalten von der passiven Güteschaltung 46 abhängt und
damit zumindest mittelbar steuerbar ist. Der laseraktive Festkörper 44 ist
vorzugsweise monolithisch ausgebildet.
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Die
Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers 44 mit Pumplicht 60a, 60b erfolgt
wie in 2b abgebildet jeweils durch eine das Pumplicht 60a, 60b fokussierende
Einkoppeloptik 261a, 261b. Das Pumplicht 60a, 60b regt
Elektronen in dem laseraktiven Festkörper 44 an und führt damit
zu einer an sich bekannten Besetzungsinversion. Sowohl der Einkoppelspiegel 42 als
auch der Auskoppelspiegel 48 besitzt für das Pumplicht 60a, 60b einen
verhältnismäßig großen Transmissionskoeffizienten.
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Während die
passive Güteschaltung 46 ihren Grundzustand
aufweist, in dem sie einen verhältnismäßig geringen
Transmissionskoeffizienten besitzt, wird ein Laserbetrieb in dem
laseraktiven Festkörper 44 beziehungsweise
in dem durch den Einkoppelspiegel 42 und den Auskoppelspiegel 48 begrenzten Festkörper 44a, 44b, 46 vermieden.
Mit steigender Pumpdauer, das heißt während einer fortgesetzten Beaufschlagung
mit dem Pumplicht 60a, 60b, steigt jedoch auch
die Strahlungsintensität
in dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 an,
so dass die passive Güteschaltung 46 schließlich ausbleicht.
Das heißt, ihr
Transmissionskoeffizient steigt, und ein Laserbetrieb in dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 beginnt.
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Auf
die vorstehend beschriebene Weise entsteht ein auch als Riesenimpuls
bezeichneter Laserimpuls 24, der eine verhältnismäßig hohe
Spitzenleistung aufweist. Der Laserimpuls 24 wird anschließend durch
den in 2a, 2b rechts angeordneten Auskoppelspiegel 48 aus
dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 ausgekoppelt
und ist wie bereits beschrieben in der laserbasierten Zündeinrichtung 27 (1)
für eine
Brennkraftmaschine 10 zur Entzündung eines in einem Brennraum 14 der
Brennkraftmaschine 10 befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs verwendbar.
Hierzu kann der Laserimpuls 24 beispielsweise durch eine
entsprechende Lichtleitereinrichtung oder auch direkt durch ein
dem Auskoppelspiegel 48 nachgeordnetes Brennraumfenster
(nicht gezeigt) in den Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 eingekoppelt
werden. Eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserimpulses 24 auf
einen Zündpunkt
kann ggf. ebenfalls vorhanden sein, insbesondere auch einstückig ausgebildet
mit dem Brennraumfenster.
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Eine
gesteigerte Flexibilität
bei der Erzeugung der Laserimpulse 24 wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass die beiden Bereiche 44a, 44b des
laseraktiven Festkörpers 44 in
unterschiedlicher Weise, das heißt insbesondere mit einer unterschiedlichen
Intensität
und/oder Pumpdauer, mit dem Pumplicht 60a, 60b beaufschlagt
werden.
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Sofern
beispielsweise eine verhältnismäßig geringe
Impulsenergie der erzeugten Laserimpulse 24 gewünscht wird,
kann allein zum Beispiel der erste Bereich 44a mit dem
Pumplicht 60a beaufschlagt werden, während der zweite Bereich 44b nicht
optisch gepumpt wird. Laserimpulse mit einer maximalen Impulsenergie
sind demgegenüber
dadurch erzeugbar, dass beide Bereiche 44a, 44b mit
dem jeweils hierfür
vorgesehenen Pumplicht 60a, 60b beaufschlagt werden.
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Das
thermische Verhalten der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 kann
vorteilhaft auch durch die Anordnung von einem oder mehreren undotierten,
das heißt
optisch nicht aktiven, Bereichen (nicht gezeigt) beispielsweise
zwischen dem ersten laseraktiven Bereich 44a und der passiven
Güteschaltung 46 beeinflusst
werden.
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Als
laseraktives Material für
die Bereiche 44a, 44b eignen sich Neodym- oder
Ytterbium-dotierte Granate wie beispielsweise YAG, GGG, GSGG, YSGG,
LuAG. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 beträgt die Dotierung
der Neodym-dotierten
Bereiche ≤ 2,5
Atomprozent bei einer Länge von
bis zu etwa 10 mm. Die Dotierung der Ytterbium-dotierten Bereiche
ist vorzugsweise ≤ 20
Atomprozent bei einer Länge
von bis zu 10 mm.
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Die
passive Güteschaltung 46 weist
einen sättigbaren
Absorber auf, der typischerweise aus Cr4+-
oder V3+-dotierten Granaten wie beispielsweise YAG,
GGG, GSGG, YSGG, LuAG besteht. Vorteilhaft weist der sättigbare
Absorber eine Anfangstransmission zwischen etwa 5% und < 99,5% auf.
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Der
Einkoppelspiegel 42 ist antireflexbeschichtet für die Wellenlänge des
Pumplichts 60a und hochreflektierend für die Wellenlänge des
in der Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserlichts 24.
Der Auskoppelspiegel 48 ist ebenfalls antireflexbeschichtet für die Wellenlänge des
Pumplichts 60b und teilreflektierend für die Laserwellenlänge, wobei
der Reflexionsgrad zwischen etwa 15% und etwa 99% gewählt ist.
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Wie
aus 2b ersichtlich ist, wird der zweite Bereich 44b mittels
der Fokussieroptik 261b und einem ihr nachgeordneten Umlenkspiegel 262 mit dem
Pumplicht 60b beaufschlagt. Bei der in 2b abgebildeten
Konfiguration ist demnach eine optische Achse der dem zweiten Bereich 44b zugeordneten
Fokussieroptik 261b im Wesentlichen orthogonal zu einer
optischen Achse der dem ersten Bereich 44a zugeordneten
Fokussieroptik 261a.
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Um
eine effiziente Einkopplung des Pumplichts 60b in den zweiten
Bereich 44b der Lasereinrichtung 26 zu ermöglichen,
ist der Umlenkspiegel 262 hochreflektierend für das Pumplicht 60b ausgebildet
und weist einen möglichst
großen
Transmissionskoeffizienten für
die Wellenlänge
der erzeugten Laserimpulse 24 auf.
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Zur
Vermeidung von Transmissionsverlusten bei der Auskopplung des Laserimpulses 24 kann
der Umlenkspiegel 262 alternativ auch eine Austrittsöffnung für die erzeugte
Laserstrahlung 24 aufweisen, so dass der Umlenkspiegel 262 beispielsweise
im Wesentlichen Kreisringform besitzt. Ergänzend kann der Umlenkspiegel 262 darüberhinaus
auch noch nicht plan sondern gewölbt
ausgebildet sein, um die Fokussierung des Pumplichts 60b in
den laseraktiven Festkörper 44 zu
unterstützen
und somit die Fokussieroptik 261b zu ergänzen.