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WO2009030528A1 - Lasereinrichtung und betriebsverfahren hierfür - Google Patents

Lasereinrichtung und betriebsverfahren hierfür Download PDF

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WO2009030528A1
WO2009030528A1 PCT/EP2008/056401 EP2008056401W WO2009030528A1 WO 2009030528 A1 WO2009030528 A1 WO 2009030528A1 EP 2008056401 W EP2008056401 W EP 2008056401W WO 2009030528 A1 WO2009030528 A1 WO 2009030528A1
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WO
WIPO (PCT)
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laser device
pumping light
laser
light supply
pumping
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/056401
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Juergen Raimann
Heiko Ridderbusch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to US12/675,483 priority Critical patent/US20110023807A1/en
Publication of WO2009030528A1 publication Critical patent/WO2009030528A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • 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
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094049—Guiding of the pump light
    • H01S3/094053—Fibre coupled pump, e.g. delivering pump light using a fibre or a fibre bundle
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • 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
    • H01S3/1026—Controlling the active medium by translation or rotation, e.g. to remove heat from that part of the active medium that is situated on the resonator axis

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a laser device with a laser-active solid and a, preferably passive, Q-switching, in which the laser device is subjected to pumping light to generate a laser pulse.
  • the invention further relates to a corresponding laser device.
  • Laser devices are usually matched during their production so that the properties of the laser pulses generated are adapted to the requirements of the particular application, such as a particular internal combustion engine.
  • Changes in the components of the laser device over its service life such as a temperature drift, power variations of the pump light, degradation of the used passive Q-switch or the like can disadvantageously lead to the fact that the coordinated at the time of their production components no longer optimally interact after a certain period of operation, so that For example, the generated laser pulses only have insufficient pulse energy or it no longer comes to generate a laser pulse.
  • the existing laser devices are less flexible because a characteristic of the laser pulses generated since then can be accomplished essentially solely by a variation of the pump power supplied.
  • the pumping capacity can only be increased to a limited extent.
  • An equally possible variation of the pumping time is out of the question for most applications since the laser pulses often have to be provided within a fixed time window. Disclosure of the invention
  • This object is achieved according to the invention in the method of the type mentioned in that a pump volume of the laser device, in particular of the laser-active solid, which can be acted upon by the pump light is changed.
  • the change of the pumping volume according to the invention advantageously causes the laser device to be actuated without changing timing parameters, e.g. the pumping time - a variable pumping intensity can be fed, which can be adapted to the particular application.
  • the change in the pumping volume according to the invention can also be used to compensate for any changes in the components of the laser device which occur, for example, as they occur, for example. due to signs of wear.
  • the invention also allows the generation of multiple laser pulses with a total lower single pulse energy. According to the invention, it has been recognized that, when the pumping volume is reduced, a breakthrough intensity in the laser device is reached earlier, so that a corresponding laser pulse is generated earlier than with a larger pumping volume.
  • the change in the pumping volume is effected by moving components of the laser device or the entire laser device and components of a pumping light supply that feeds the pumping light relative to one another.
  • the beam path of the pumping light supplied to the laser device changes and thereby permits the variation of the pumping volume of the laser device which is acted upon by pumped light.
  • a particularly simple and at the same time precise relative movement of the respective components relative to one another can be achieved by moving the laser-active solid axially and / or radially relative to the pump light supply.
  • the axial or radial relative movement of the pumping light supply to the laser-active solid conceivable. If the laser device according to the invention is constructed monolithically, the relative movement provided according to the invention takes place accordingly between the monolithic arrangement and the pump light supply, while in a discrete configuration of the laser device and their individual components such as the laser-active solid or the Q-switching are moved following the principle of the present invention can.
  • a further advantageous variant of the invention provides for the use of drive means comprising a piezoelectric element and / or an electric motor and / or a hydraulic actuator and / or a pneumatic actuator and / or a manually operable actuator such as having a set screw.
  • the respective drive means may advantageously be arranged directly in a housing of the laser device and provide, for example, a relative movement of the driven component to the housing and the non-driven component of the laser device.
  • the manually actuable drive means are preferably designed so that they can be operated, for example, within the scope of a maintenance of the internal combustion engine in a simple manner by a service technician.
  • Another very advantageous embodiment of the operating method according to the invention provides that operating information of the laser device is detected, in particular the energy and / or the temporal position of a generated laser pulse, so that the operation of the laser device can be monitored or regulated.
  • the energy of the laser pulse can very particularly be concluded from the modes contained in the laser pulse.
  • a targeted control of the laser device according to the invention is possible in such a way that specific modes in the laser device are excited by a prescribable change of the pumping volume.
  • corresponding sensor means such as displacement sensors can be integrated directly into the laser device according to the invention.
  • a manual adjustment of the pumping volume with the aid of the sensor means provided according to the invention can be verified even with manually actuated drive means for changing the pumping volume.
  • the path or position sensor system according to the invention can transmit the recorded data to a control device of the laser device in real time, for example, or directly to a diagnostic device that can be temporarily connected to the control device for maintenance purposes, for example, the current distance between the pump light supply and a service technician
  • the operating information in particular using a model, is made plausible.
  • the model can for example be realized in a computing unit of a control device in the form of a computer program and model the essential operating sequences of the laser device.
  • corresponding output variables such as, for example, the pulse energy generated laser pulses and the like can be determined by calculation and compared with the metrologically recorded actual operating variables or plausibility.
  • the change in the pumping volume is carried out as a function of the acquired operating information and / or its plausibility check, because this results in a particularly reliable operation of the laser device according to the invention.
  • a regulation of the pumping volume can be realized, which automatically compensates any wear phenomena which occur by corresponding adaptation of the pumping volume.
  • the optical device has a characteristic of a coupling-in mirror of the laser device or else further components of the laser device.
  • wear or destruction of the coupling mirror or other optical components of the laser device as may occur, for example, when the coupling mirror or other optical components of the laser device are exposed to too high a radiation intensity.
  • wear or destruction are closed when at a sufficiently large laser power supplied to the laser device pump power and pumping time no laser pulse is generated.
  • a spatial distribution of the pumping light supplied to the coupling mirror is changed, for example by a change in distance between the pumping light supply and the laser device or also a radial one Movement of a provided in the pumping light supply optical fiber which irradiates the pump light on the coupling mirror.
  • the spatial distribution of the pumping light supplied to the coupling-in mirror can also be changed very particularly advantageously, in particular by a corresponding relative movement between the pumping light supply and the coupling-in mirror, so that, assuming a continuous predefinable wear of the coupling mirror, the pumping light does not periodically strike one worn portion of the coupling mirror are deflected and thus the life of the laser device according to the invention can be increased, while conventional systems without the drive means according to the invention already eg are no longer ready for a localized damage to the coupling mirror and must be replaced. The same procedure can also be used for the output mirror.
  • Another particularly advantageous embodiment of the operating method according to the invention provides that at least a part of the pumping light is mechanically guided in or on a component of the laser device or vice versa, the guide in particular allows a translation and / or rotation of the pumping light supply with respect to the laser device.
  • the inventive guide between the relevant components is advantageously ensured that even under the influence of vibration or other mechanical disturbances always a correct spatial alignment between the pumping light supply and the laser device is given, which advantageously allows the inventively proposed change in the pumping volume.
  • the guide can advantageously be at least partially designed also light-conducting at the same time, so that the guide can be used, for example, to couple pump light in particular laterally in the laser device.
  • a photoconductive guide can also be used to direct light such as spontaneously emitted radiation from the laser device to a remote detector, which derives information about an operating state of the laser device.
  • the pumping light supply is connected to the laser device via a screw connection, so that a rotation of the pumping light supply with respect to the laser device causes a change in distance between the pumping light supply and the laser device.
  • the laser device or a housing containing the laser device can have, for example, a corresponding thread that cooperates with a suitable counterpart, which is connected, for example, to the pump light supply or arranged thereon.
  • At least one flexible optical fiber of the pumping light supply is held in a rotatably mounted retaining disk having at least one eccentrically arranged bore for receiving the at least one flexible optical fiber.
  • the holding disc according to the invention serves on the one hand for holding the optical fiber and on the other hand for the controlled movement of the optical fiber relative to the laser device.
  • the use of two holding disks behind each other is also conceivable to implement complex movements of the optical fiber.
  • the operating method according to the invention is particularly advantageous for generating laser pulses in an ignition device of an internal combustion engine of a motor vehicle, but may also be provided for ignition devices of stationary engines or turbines as well.
  • the operating method according to the invention can be used with a corresponding laser device in all conceivable laser pulse applications.
  • the inventive principle is also applicable to such laser device having an active Q-switching instead of a passive Q-switching.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with an ignition device for use with the method according to the invention
  • FIG. 2 shows an embodiment of the ignition device from FIG. 1 in detail
  • FIG. 3 a, 3 b show a first scenario for the variation of the pumping volume according to the invention
  • FIG. 4 shows a second scenario for the variation of the pumping volume according to the invention
  • FIG. 5a shows a further scenario for the variation of the pumping volume according to the invention
  • FIGS. 5b and 5c each show a detailed view of components of a device according to the invention
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the laser device according to the invention.
  • An internal combustion engine carries the reference numeral 10 in its entirety in FIG. for driving a motor vehicle, not shown, or a generator.
  • the internal combustion engine 10 comprises a plurality of cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 12 is limited by a piston 16. Fuel gets into the
  • Combustion chamber 14 directly through an injector 18 which is connected to a designated also as a rail or common rail fuel pressure accumulator 20, or by premixing a fuel-air mixture, for. in the intake manifold.
  • injector 18 which is connected to a designated also as a rail or common rail fuel pressure accumulator 20, or by premixing a fuel-air mixture, for. in the intake manifold.
  • injected fuel 22 and the fuel-air mixture is ignited by means of a laser pulse 24 which is emitted by a laser device 26 comprehensive ignition device 27 into the combustion chamber 14 and focused by a non-pictorial optics to the ignition point ZP.
  • the laser device 26 is fed via a light guide device 28 with a pumping light, which is provided by a pumping light source 30.
  • the pump light source 30 is controlled by a control and regulating device 32, which also controls the injector 18.
  • the pumping light source 30 may be a semiconductor laser diode that outputs a corresponding pumping light to the laser device 26 via the optical waveguide device 28 as a function of a control current.
  • semiconductor laser diodes and other small-sized pump light sources are preferably used for use in the automotive field, any type of pump light source is principally usable for the operation of the ignition device 27 according to the invention.
  • FIG. 2 schematically shows a detail view of the laser device 26 from FIG. 1.
  • the laser device 26 has a laser-active solid 44, to which a passive Q-switching 46, also referred to as Q-switch, is optically arranged downstream.
  • the laser-active solid 44 forms here, together with the passive Q-switching circuit 46 and the coupling mirror 42 arranged on the left thereof in Figure 2 and the Auskoppelapt 48, a laser oscillator, the oscillation behavior of the passive Q-switching circuit 46 and the reflectivity of AuskoppelLites 48 depends and thus at least indirectly is controllable in a conventional manner.
  • the pumping light 60 is directed onto the coupling-in mirror 42 by the light guide device 28 already described with reference to FIG. Since the coupling mirror 42 is transparent to the wavelengths of the pumping light 60, the pumping light 60 penetrates into the laser-active solid 44, resulting in a known population inversion.
  • the passive Q-switching circuit 46 While the passive Q-switching circuit 46 has its idle state in which it has a relatively small transmission coefficient, laser operation is avoided in the laser-active solid 44 or in the solid 44, 46 confined by the input mirror 42 and the output mirror 48. As the pumping time increases, however, the radiation density in the laser oscillator 42, 44, 46, 48 increases, so that the passive Q-switching circuit 46 fades, i. assumes a larger transmission coefficient and laser operation can begin.
  • a laser pulse 24 also referred to as a giant pulse, which has a relatively high peak power.
  • the laser pulse 24 is coupled into the combustion chamber 14 (FIG. 1) of the internal combustion engine 10 using a further optical waveguide device or directly through a combustion chamber window of the laser device 26 so that existing fuel 22 or the fuel-air mixture is ignited ,
  • the laser oscillator 42, 44, 46, 48 may be associated with an optical amplifier (not shown) for optical amplification of the laser pulse 24.
  • the optical amplifier is not required for the application of the inventive method described below.
  • the invention provides To change the pump volume of the laser device 26 acted upon by the pump light, inter alia to counteract the effects described above.
  • the variation of the pumping volume according to the invention advantageously results overall in an increased flexibility in the control of the laser device 26 or the generation of the laser pulses 24.
  • FIGS. 3 a and 3 b illustrate the variation of the pumping volume according to the invention, that is to say that volume of the laser device 26 which is acted upon by the light-emitting device 28 with the pumping light 60.
  • the laser device 26 is spaced apart from an end section 28 'of the optical waveguide device 28 by a first distance x 1 -x ⁇ , so that a first pumping volume results in the laser device 26, which in the present case is indicated by the area of the pumping light beam 60 in FIG the laser device 26 is indicated.
  • the distance between the optical waveguide device 28 and the laser device 26 increases, as can be seen in FIG. 3b.
  • the laser device 26 is at the second distance x2-x ⁇ > xl-x ⁇ away from the end section 28 'of the presently arranged optical waveguide device 28.
  • the laser device 26 can be supplied with a total of more pumping energy so that, for example, higher-energy laser pulses 24 can be generated than in the configuration shown in FIG. 3a.
  • the laser device 26 may be formed stationary and the light guide device 28 may be designed to be movable.
  • FIG. 4 shows a further scenario of the loading of the laser device 26 with pumping light 60, from which different possibilities according to the invention for varying the pumping volume emerge.
  • the laser device 26 according to the invention according to FIG. 4 is assigned a pumping light feed 100 which has the light guide device 28 already described and also a coupling optics 140 symbolized here in the form of a biconvex lens for focusing the pumping light beam 60 emerging from the light guide device 28 onto the laser device 26 or their laser-active solid 44, which is not designated in detail in Figure 4.
  • the first double arrow 201 depicted in FIG. 4 symbolizes a horizontal mobility of the optical waveguide unit 28, which in FIG. 4 corresponds to a variation of the distance of the end section 28 'from the optical waveguide unit
  • Coupling optical system 140 allows, and thus a change in the pump volume indicated in FIG. 4, again in hatching, in the laser device 26.
  • One or more other optical elements can also be used as the coupling optical system 140.
  • a movement of the coupling optics 140 itself relative to the optical waveguide device 28 or the laser device 26 can take place in order to vary the pump volume, compare the double arrow 202.
  • the optical fiber device 26 according to FIG. 5 a is indicated, which in turn is assigned a pumping light feed 100 for supplying the pumping light 60.
  • the pumping light supply 100 has a flexibly configured optical waveguide device 28 and also a holding disk 29 associated with the optical waveguide device 28.
  • the holding disk 29 is rotatably mounted about the axis of rotation A indicated by dash-dotted lines in FIG. 5a and has an eccentrically arranged bore (not shown in detail in FIG. 5a) Receiving the light guide device 28.
  • the retaining disk 29 By rotating the retaining disk 29 about the axis of rotation A, according to the invention, different surface areas of the coupling mirror 42 can be acted on by the pumping light 60 supplied by the optical waveguide device 28. If the axis of rotation A is not aligned centrally with respect to a cross-sectional area of the coupling-in mirror 42, a radial adjustment of the pumping light feed 100 relative to the laser device 26 can also take place here in particular.
  • FIG. 5b shows an enlarged detail view of the retaining disk 29 according to the invention, which has the eccentrically arranged bore 29a for receiving the optical waveguide device 28.
  • a plurality of bores 29a can also be provided in the retaining disk 29, to which further optical fiber devices (not shown) can be assigned.
  • a series arrangement of several holding disks is conceivable.
  • this embodiment can be applied with radially adjustable light guide 26 even if the coupling-out mirror is damaged. Due to the holding disc 29 according to the invention and the spatial variation of the irradiation of pumping light 60 on the coupling-in mirror 42 made possible in this way, the service life of the laser device 26 according to the invention can be increased in a particularly advantageous manner.
  • the optical fiber device 28 can advantageously be moved further relative to the laser device 26 and the coupling mirror 42, that the pumping light 60 no longer enters the destroyed region 42a of the coupling mirror 42, but rather, for example, into the still intact region 42b of the coupling mirror 42 is irradiated, whereby a further operation of the laser device 26 according to the invention is made possible. This can also be applied to damages of the coupling-out mirror.
  • a combination of a radial and an axial adjustability or a construction with a rotatable retaining disk 29 is also conceivable in order to allow the inventive variation of the pumping volume.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the laser device 26 according to the invention, in which the pump light supply 100 is widened in its end region 28a facing the laser device 26 with respect to an outer diameter of the remaining optical fiber device 28 and opens into a sleeve-shaped end region 28b which at least partially surrounds the laser device 26.
  • the sleeve-shaped end region 28b advantageously forms a mechanical guide for the laser device 26, so that a precise arrangement of the pumping light supply 100 and the laser device 26 relative to one another is also provided under external disturbing influences, such as mechanical vibrations and the like.
  • further guide elements 28b ' may be provided, which are preferably connected directly to an inner wall 26' of a housing of the laser device 26, not shown in FIG. 6, thus ensuring easy movability of the laser device 26.
  • the drive means 200 have, for example, a piezoelectric element and / or an electric motor and / or a hydraulic or pneumatic actuator and / or a manually operable actuator such as an adjusting screw.
  • Other electromagnetic actuators such as e.g. Solenoids etc. are also usable.
  • the particular advantage of the embodiment shown in Figure 6 is that the pump light supply 100 in addition to the supply of the laser device 26 with pump light at the same time provides a mechanical stabilization of the arrangement of the components, which is given by the guide 28b.
  • the guide 28b may be circumferential, i. extend over the entire circumference of the pumping light supply 100 and the laser device 26 or only, as shown, over certain peripheral regions, which advantageously divide the circumference in each case equal-sized angle sections.
  • the laser device 26 can have at its end facing the pumping light feed 100, which also has the coupling-in mirror 42 (FIG. 2), a thread which has a corresponding threaded portion
  • Pumping light supply 100 cooperates, which e.g. inside the sleeve-shaped extension 28b is provided.
  • Such a configuration allows, for example, the axial relative movement of the components 26, 100 relative to one another in that the laser device 26 is screwed in or out by the drive means 200 into the receptacle realized by the pumping light supply 100.
  • Another very advantageous embodiment of the operating method according to the invention provides that operating information of the laser device 26 such as a pulse energy of the laser pulse 24 or a temporal position of the generated laser pulse 24 are detected.
  • Such an evaluation can be carried out, for example, by virtue of the fact that some of the radiation energy of the generated laser pulse 24 is produced by coupling-out optics not shown and known per se Detector is supplied, which enables the evaluation of the corresponding signals, for example by a control unit 32 ( Figure 1) of the laser device 26.
  • the evaluation of the operating information according to the invention can also include the derivation of the pulse energy of the laser pulse 24, so that conclusions can advantageously be drawn from the derived pulse energy on the modes contained in the laser pulse 24.
  • a model 32a (FIG. 1)
  • the model 32a can be implemented, for example, in a computing unit of the controller 32 in the form of a computer program and model the essential operating sequences of the laser device 26.
  • corresponding output variables such as, for example, the pulse energy generated laser pulses 24 and the like can be determined by calculation and compared with the metrologically recorded actual operating variables or plausibility.
  • a further embodiment of the laser device 26 according to the invention can also have sensor means 210 (FIG. 6) which enable the determination of a position or at least a relative arrangement of the components 26, 100 relative to one another.
  • the sensor means 210 may be structurally particularly integrated together with the drive means 200.
  • the inventively provided sensor means 210 allow the verification of the adjustment made.
  • a position control can be realized, which has a regulation of the pumping volume 60 acted upon pumping volume to the object.
  • the variation of the pumping volume according to the invention instead of the variation of the pumping duration can produce the multiplicity of laser pulses 24 within a predefinable time which is significantly less than the required in the conventional method for this increased pumping time.
  • the operating point of the internal combustion engine 10 corresponds to a comparatively low flow velocity of the air / fuel mixture at ignition point ZP
  • several laser pulses 24 can advantageously be radiated into the ignition point ZP due to the inventive variation of the pumping volume, and thus the total ignition energy can be advantageous be increased without the ignition - as with an increased pumping - extended.
  • This is inventively achieved by a reduction of the pumping volume of the laser device 26, because in this case the required breakdown intensities are achieved in the laser device 26 committeerer and the laser operation in the laser device 26 accordingly begins after a shorter time.
  • Another application, in which the change of the pumping volume according to the invention can be used advantageously, is given when, for example over the operating time of the ignition device 27, a decrease in pumping power results, which is due for example to a degradation of the pumping light source 30.
  • the decrease in the pump power leads in known systems to a significant reduction in the pulse energy of the laser pulses 24 or even time-unstable laser pulses 24, because the laser operation begins relatively late in relation to a pump start time. In extreme cases, it can even come to a complete failure in the conventional laser devices, because no more laser pulses 24 are generated.
  • the inventive adjustment of the pumping volume such instabilities or even the absence of the laser pulses 24 can be at least partially compensated or avoided.
  • the operating method according to the invention provides for a reduction of the pumping volume which is advantageously accompanied by an increase in the beam densities in the laser device 26, which in turn is required for the reliable onset of the laser operation in the laser device 26.
  • the change of the pumping volume according to the invention advantageously also makes it possible to reduce the optical load on the mirror layers 42, 48.
  • the required pumping volume and / or spatial distribution of the pumping light 60 can be sufficient be adapted so that a particular the components 42, 48 gentle operation of the laser device 26 takes place in the example not unnecessarily high beam densities are set.
  • the change in the pumping volume according to the invention can also be used to specifically stimulate different laser modes.
  • the focusability of the laser pulse 24 generated by the laser device 26 can also be influenced directly.
  • the operating method according to the invention can provide advantageous, preferably a multimode excitation, in particular of higher order modes to perform, so that relatively high radiation intensities are given in the laser pulse 24 in radially spaced from the center of the beam cross-sectional areas favoring a focusability of the laser pulse 24 ,
  • a lever mechanism can advantageously be provided which increases the Aktorhub realized by the piezoelectric actuator.
  • the volume adjustment of the components of the laser device 26 or of the pumping light supply 100 by virtue of the drive means 200 can be controlled or regulated relative to one another in a model-based manner in order to control variations in the manufacturing accuracy or otherwise Tolerances, for example, in a guide 28b ( Figure 6) of the laser device 26 in the pumping light supply 100 compensate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (26) mit einem laseraktiven Festkörper (44) und einer, vorzugsweise passiven, Güteschaltung (46), bei dem die Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht (60) beaufschlagt wird, um einen Laserimpuls (24) zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird ein mit dem Pumplicht (60) beaufschlagbares Pumpvolumen der Lasereinrichtung (26), insbesondere des laseraktiven Festkörpers (44), verändert.

Description

Beschreibung
Titel
Lasereinrichtung und Betriebsverfahren hierfür
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung mit einem laseraktiven Festkörper und einer, vorzugsweise passiven, Güteschaltung, bei dem die Lasereinrichtung mit Pumplicht beaufschlagt wird, um einen Laserimpuls zu erzeugen.
Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Lasereinrichtung.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind bekannt und beispielsweise für den zukünftigen Einsatz in Zündeinrichtungen von Kraftfahrzeugen vorgesehen. Die Komponenten der bekannten
Lasereinrichtungen werden üblicherweise während ihrer Produktion so aufeinander abgestimmt, dass die Eigenschaften der erzeugten Laserimpulse an die Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls wie beispielsweise eine bestimmte Brennkraftmaschine angepasst sind.
Veränderungen der Komponenten der Lasereinrichtung über deren Betriebsdauer wie beispielsweise eine Temperaturdrift, Leistungsvariationen des Pumplichts, eine Degradation des verwendeten passiven Güteschalters oder dergleichen können nachteilig dazu führen, dass die zum Zeitpunkt ihrer Produktion aufeinander abgestimmten Komponenten nach einer gewissen Betriebsdauer nicht mehr optimal zusammenwirken, so dass beispielsweise die erzeugten Laserimpulse nur noch eine unzureichende Impulsenergie aufweisen oder es gar nicht mehr zur Erzeugung eines Laserimpulses kommt.
Darüberhinaus sind die bestehenden Lasereinrichtungen wenig flexibel, weil eine Charakteristik der erzeugten Laserimpulse seither im wesentlichen allein über eine Variation der zugeführten Pumpleistung bewerkstelligt werden kann. Insbesondere aus Gründen der Wirtschaftlichkeit kann die Pumpleistung jedoch nur bedingt gesteigert werden. Eine ebenfalls mögliche Variation der Pumpdauer kommt für die meisten Anwendungen nicht in Betracht, da die Laserimpulse oftmals innerhalb eines fest vorgegebenen Zeitfensters bereitgestellt werden müssen. Offenbarung der Erfindung
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren und eine Lasereinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein insgesamt flexiblerer Betrieb möglich ist und insbesondere auch bei Veränderungen von Eigenschaften von Komponenten die sichere Erzeugung eines Laserimpulses gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein mit dem Pumplicht beaufschlagbares Pumpvolumen der Lasereinrichtung, insbesondere des laseraktiven Festkörpers, verändert wird.
Die erfindungsgemäße Veränderung des Pumpvolumens bewirkt vorteilhaft, dass der Lasereinrichtung - ohne Veränderung zeitlicher Ansteuerparameter wie z.B. der Pumpdauer - eine variable Pumpintensität zuführbar ist, die an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann. Insbesondere können durch die erfindungsgemäße Veränderung des Pumpvolumens auch gegebenenfalls auftretende Veränderungen der Komponenten der Lasereinrichtung kompensiert werden, wie sie sich z.B. aufgrund von Verschleißerscheinungen ergeben.
Neben der Variation der Impulsenergie der erzeugten Laserimpulse bei einer vorgegebenen
Pumpleistung und Pumpdauer ermöglicht die Erfindung ferner die Erzeugung mehrerer Laserimpulse mit einer insgesamt geringeren Einzelimpulsenergie. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass bei einer Verkleinerung des Pumpvolumens eine Durchbruchintensität in der Lasereinrichtung früher erreicht wird, so dass ein entsprechender Laserimpuls früher erzeugt wird als bei einem größeren Pumpvolumen.
Bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Veränderung des Pumpvolumens dadurch erfolgt, dass Komponenten der Lasereinrichtung beziehungsweise die gesamte Lasereinrichtung und Komponenten einer das Pumplicht zuführenden Pumplichtzuführung relativ zueinander bewegt werden. Durch die erfindungsgemäße Relativbewegung der betreffenden Komponenten zueinander verändert sich der Strahlengang des der Lasereinrichtung zugeführten Pumplichts und ermöglicht dadurch die Variation des mit Pumplicht beaufschlagten Pumpvolumens der Lasereinrichtung.
Eine besonders einfache und gleichzeitig präzise Relativbewegung der betreffenden Komponenten zueinander kann dadurch erzielt werden, dass der laseraktive Festkörper axial und/oder radial relativ zu der Pumplichtzuführung bewegt wird. Alternativ oder ergänzend hierzu ist auch die axiale oder radiale Relativbewegung der Pumplichtzuführung zu dem laseraktiven Festkörper denkbar. Sofern die erfindungsgemäße Lasereinrichtung monolithisch aufgebaut ist, erfolgt die erfindungsgemäß vorgesehene Relativbewegung dementsprechend zwischen der monolithischen Anordnung und der Pumplichtzuführung, während bei einer diskreten Ausbildung der Lasereinrichtung auch deren einzelne Komponenten wie beispielsweise der laseraktive Festkörper oder auch die Güteschaltung dem Prinzip der vorliegenden Erfindung folgend bewegt werden können.
Eine Drehung mindestens einer Komponente der Lasereinrichtung und/oder der Pumplichtzuführung, insbesondere einer Einkoppeloptik, über die das Pumplicht in die Lasereinrichtung eingekoppelt wird, ist einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge ebenfalls vorsehbar, um die erfindungsgemäße Variation des Pumpvolumens zu realisieren.
Zur Bewegung der Komponenten der Lasereinrichtung und/oder der Pumplichtzuführung sieht eine weitere vorteilhafte Erfindungsvariante die Verwendung von Antriebsmitteln vor, die ein piezoelektrisches Element und/oder einen Elektromotor und/oder ein hydraulisches Stellglied und/oder ein pneumatisches Stellglied und/oder ein manuell betätigbares Stellglied wie beispielsweise eine Stellschraube aufweisen. Die betreffenden Antriebsmittel können vorteilhaft direkt in einem Gehäuse der Lasereinrichtung angeordnet sein und beispielsweise eine Relativbewegung der angetriebenen Komponente zu dem Gehäuse und der nicht angetriebenen Komponente der Lasereinrichtung vorsehen.
Die manuell betätigbaren Antriebsmittel werden vorzugsweise so ausgebildet, dass sie beispielsweise im Rahmen einer Wartung der Brennkraftmaschine auf einfache Weise durch einen Servicetechniker bedienbar sind.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens sieht vor, dass Betriebsinformationen der Lasereinrichtung erfasst werden, insbesondere die Energie und/oder die zeitliche Lage eines erzeugten Laserimpulses, so dass der Betrieb der Lasereinrichtung überwachbar oder auch regelbar ist.
Ganz besonders vorteilhaft kann einer weiteren Erfindungsvariante zufolge aus der Energie des Laserimpulses auf die in dem Laserimpuls enthaltenen Moden geschlossen werden. Hiermit ist beispielsweise eine gezielte Regelung der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung derart möglich, dass durch eine vorgebbare Änderung des Pumpvolumens spezielle Moden in der Lasereinrichtung angeregt werden.
Vorteilhaft kann bei einer weiteren Erfindungsvariante ferner vorgesehen sein, eine Position der Komponenten der Lasereinrichtung beziehungsweise der Lasereinrichtung selbst und/oder der Komponenten der Pumplichtzuführung und/oder eine Anordnung der betreffenden Einheiten relativ zueinander zu ermitteln. Hierfür können beispielsweise entsprechende Sensormittel wie z.B. Weggeber direkt in die erfindungsgemäße Lasereinrichtung integriert sein. Besonders vorteilhaft kann auch bei manuell betätigbar ausgebildeten Antriebsmitteln zur Veränderung des Pumpvolumens eine manuell erfolgte Justage des Pumpvolumens mithilfe der erfindungsgemäß vorgesehenen Sensormittel verifiziert werden. Die erfindungsgemäße Weg- bzw. Positionssensorik kann die erfassten Daten hierzu beispielsweise in Echtzeit einem Steuergerät der Lasereinrichtung übertragen oder auch direkt einem zu Wartungszwecken temporär mit dem Steuergerät verbindbaren Diagnosegerät, das einem Servicetechniker z.B. den aktuellen Abstand zwischen der Pumplichtzuführung und einem
Einkoppelspiegel der Lasereinrichtung anzeigt oder auch ein hieraus abgeleitetes Maß für das eingestellte Pumpvolumen usw.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Betriebsinformationen, insbesondere unter Verwendung eines Modells, plausibilisiert werden. Das Modell kann beispielsweise in einer Recheneinheit eines Steuergeräts in Form eines Computerprogramms realisiert sein und die wesentlichen Betriebsabläufe der Lasereinrichtung modellieren. In Abhängigkeit der der Lasereinrichtung tatsächlich zugeführten Ansteuergrößen können modellgestützt entsprechende Ausgangsgrößen wie beispielsweise die Impulsenergie erzeugter Laserimpulse und dergleichen rechnerisch ermittelt werden und mit den messtechnisch erfassten tatsächlichen Betriebsgrößen verglichen beziehungsweise plausibilisiert werden.
Generell ist es sehr vorteilhaft, wenn die Veränderung des Pumpvolumens in Abhängigkeit der erfassten Betriebsinformationen und/oder deren Plausibilisierung durchgeführt wird, weil hierdurch ein besonders zuverlässiger Betrieb der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung gegeben ist. Beispielsweise kann hiermit eine Regelung des Pumpvolumens realisiert werden, die automatisch ggf. eintretende Verschleißerscheinungen durch entsprechende Anpassung des Pumpvolumens kompensiert.
Weiter kann erfindungsgemäß vorteilhaft aus den erfassten Betriebsinformationen auf eine Veränderung der optischen Eigenschaften eines Einkoppelspiegels der Lasereinrichtung oder auch weiterer Komponenten der Lasereinrichtung geschlossen werden. Insbesondere ist es hierbei möglich, auf Abnutzungserscheinungen beziehungsweise eine Zerstörung des Einkoppelspiegels oder weiterer optischen Komponenten der Lasereinrichtung zu schließen, wie sie beispielsweise dann auftreten kann, wenn der Einkoppelspiegel oder weitere optische Komponenten der Lasereinrichtung mit einer zu hohen Strahlungsintensität beaufschlagt werden. Beispielsweise kann erfindungsgemäß dann auf eine derartige Abnutzung beziehungsweise Zerstörung geschlossen werden, wenn bei einer hinreichend großen der Lasereinrichtung zugeführten Pumpleistung und Pumpdauer gar kein Laserimpuls erzeugt wird.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit der Veränderung der optischen Eigenschaften des Einkoppelspiegels beziehungsweise dessen Abnutzung oder Zerstörung eine räumliche Verteilung des dem Einkoppelspiegel zugefuhrten Pumplichts verändert wird, beispielsweise durch eine Abstandsänderung zwischen der Pumplichtzuführung und der Lasereinrichtung oder auch einer radialen Bewegung einer in der Pumplichtzuführung vorgesehenen Lichtleitfaser, die das Pump licht auf den Einkoppelspiegel einstrahlt. Hierdurch ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, einen anderen, möglicherweise nicht bereits beschädigten Bereich des Einkoppelspiegels zur Einkopplung des Pumplichts in die Lasereinrichtung zu verwenden und somit einen weiteren Betrieb der Lasereinrichtung zu gewährleisten.
Ganz besonders vorteilhaft kann bei einer weiteren Erfindungsvariante die räumliche Verteilung des dem Einkoppelspiegel zugeführten Pumplichts auch periodisch verändert werden, insbesondere durch eine entsprechende Relativbewegung zwischen der Pumplichtzuführung und dem Einkoppelspiegel, so dass unter Annahme eines kontinuierlichen vorgebbaren Verschleißes des Einkoppelspiegels periodisch das Pumplicht auf einen nicht bereits abgenutzten Bereichs des Einkoppelspiegels umgelenkt werden und damit die Standzeit der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung gesteigert werden kann, während herkömmliche Systeme ohne die erfindungsgemäßen Antriebsmittel bereits z.B. bei einer lokal begrenzten Beschädigung des Einkoppelspiegels nicht mehr betriebsbereit sind und ersetzt werden müssen. Die gleiche Prozedur kann auch für den Auskoppelspiegel angewandt werden.
Eine andere ganz besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens sieht vor, dass zumindest ein Teil der Pumplichtzuführung mechanisch geführt wird in beziehungsweise an einer Komponente der Lasereinrichtung oder umgekehrt, wobei die Führung insbesondere eine Translation und/oder Rotation der Pumplichtzuführung bezüglich der Lasereinrichtung erlaubt. Durch die erfindungsgemäße Führung zwischen den betreffenden Komponenten ist vorteilhaft sichergestellt, dass auch unter Einwirkung von Vibrationen oder sonstigen mechanischen Störeinflüssen stets eine korrekte räumliche Ausrichtung zwischen der Pumplichtzuführung und der Lasereinrichtung gegeben ist, die vorteilhaft gleichzeitig die erfindungsgemäß vorgeschlagene Veränderung des Pumpvolumens ermöglicht.
Bei einer weiteren ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens kann die Führung vorteilhaft gleichzeitig zumindest teilweise auch lichtleitend ausgelegt sein, so dass die Führung beispielsweise dazu verwendet werden kann, Pumplicht insbesondere lateral in die Lasereinrichtung einzukoppeln. Alternativ hierzu kann eine lichtleitende Führung auch dazu verwendet werden, um Licht wie beispielsweise spontan emittierte Strahlung aus der Lasereinrichtung zu einem entfernt angeordneten Detektor zu leiten, der hieraus Informationen über einen Betriebszustand der Lasereinrichtung ableitet.
Erfindungsgemäß kann weiter vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Pumplichtzuführung über eine Schraubverbindung mit der Lasereinrichtung verbunden ist, so dass eine Rotation der Pumplichtzuführung bezüglich der Lasereinrichtung eine Abstandsänderung zwischen der Pumplichtzuführung und der Lasereinrichtung bewirkt. Zur Realisierung der Schraubverbindung kann beispielsweise direkt die Lasereinrichtung oder auch ein die Lasereinrichtung enthaltendes Gehäuse über ein entsprechendes Gewinde verfügen, dass mit einem passenden Gegenstück zusammenwirkt, welches beispielsweise mit der Pumplichtzuführung verbunden beziehungsweise an dieser angeordnet ist.
Eine weitere sehr vorteilhafte Möglichkeit, das Pumpvolumen zu ändern, ist erfindungsgemäß dadurch gegeben, dass mindestens eine flexible Lichtleitfaser der Pumplichtzuführung in einer drehbar gelagerten Haltescheibe gehalten wird, die mindestens eine exzentrisch angeordnete Bohrung zur Aufnahme der mindestens einen flexiblen Lichtleitfaser aufweist. Die erfindungsgemäße Haltescheibe dient einerseits zur Halterung der Lichtleitfaser und andererseits zur kontrollierten Bewegung der Lichtleitfaser relativ zu der Lasereinrichtung. Der Einsatz zweier Haltescheiben hintereinander ist ebenfalls denkbar, um komplexe Bewegungen der Lichtleitfaser umzusetzen.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren eignet sich besonders vorteilhaft zur Erzeugung von Laserimpulsen in einer Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, kann ebenso jedoch auch für Zündeinrichtungen von Stationärmotoren oder Turbinen vorgesehen sein. Generell kann das erfindungsgemäße Betriebsverfahren mit einer entsprechenden Lasereinrichtung bei allen denkbaren Laser-Impulsanwendungen eingesetzt werden. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Prinzip auch auf solche Lasereinrichtung anwendbar, die anstelle einer passiven Güteschaltung eine aktive Güteschaltung aufweisen.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Lasereinrichtung gemäß Patentanspruch 20 angegeben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Zündeinrichtung zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figur 2 eine Ausführungsform der Zündeinrichtung aus Figur 1 im Detail,
Figur 3 a, 3b ein erstes Szenario zur erfindungsgemäßen Variation des Pumpvolumens,
Figur 4 ein zweites Szenario zur erfindungsgemäßen Variation des Pumpvolumens,
Figur 5a ein weiteres Szenario zur erfindungsgemäßen Variation des Pumpvolumens,
Figur 5b und 5c jeweils eine Detailansicht von Komponenten einer erfindungsgemäßen
Lasereinrichtung gemäß Figur 5 a, und
Figur 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung.
Ausfuhrungsformen der Erfindung
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient z.B. zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs oder eines Generators. 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 beziehungsweise Common- Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist, oder durch Vormischung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs z.B. im Saugrohr.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt und mittels einer nicht abgebildeten Optik auf den Zündpunkt ZP fokussiert 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 einer Steuer- und Regeleinrichtung 32 gesteuert, die auch den Injektor 18 ansteuert.
Beispielsweise kann es sich bei der Pumplichtquelle 30 um eine Halbleiter-Laserdiode handeln, die in Abhängigkeit eines Steuerstroms ein entsprechendes Pumplicht über die Lichtleitereinrichtung 28 an die Lasereinrichtung 26 ausgibt. Obwohl Halbleiter-Laserdioden und andere klein bauende Pumplichtquellen bevorzugt für einen Einsatz in dem Kraftfahrzeugbereich verwendet werden, ist für den Betrieb der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27 prinzipiell jede Art von Pumplichtquelle verwendbar.
Figur 2 zeigt schematisch eine Detailansicht der Lasereinrichtung 26 aus Figur 1.
Wie aus Figur 2 ersichtlich, weist die Lasereinrichtung 26 einen laseraktiven Festkörper 44 auf, dem eine auch als Q-switch bezeichnete passive Güteschaltung 46 optisch nachgeordnet ist. Der laseraktive Festkörper 44 bildet hierbei zusammen mit der passiven Güteschaltung 46 sowie dem in Figur 2 links hiervon angeordneten Einkoppelspiegel 42 und dem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator aus, dessen Schwingverhalten von der passiven Güteschaltung 46 und der Reflektivität des Auskoppelspiegels 48 abhängt und damit zumindest mittelbar in an sich bekannter Weise steuerbar ist.
Bei der in Figur 2 abgebildeten Konfiguration der Lasereinrichtung 26 wird Pumplicht 60 durch die bereits unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebene Lichtleitereinrichtung 28 von der ebenfalls bereits beschriebenen Pumplichtquelle 30 auf den Einkoppelspiegel 42 geleitet. Da der Einkoppelspiegel 42 für die Wellenlängen des Pumplichts 60 durchsichtig ist, dringt das Pumplicht 60 in den laseraktiven Festkörper 44 ein und führt darin zu einer an sich bekannten Besetzungsinversion.
Während die passive Güteschaltung 46 ihren Ruhezustand aufweist, in dem sie einen verhältnismäßig kleinen Transmissionskoeffizienten besitzt, wird ein Laserbetrieb in dem laseraktiven Festkörper 44 beziehungsweise in dem durch den Einkoppelspiegel 42 und den Auskoppelspiegel 48 begrenzten Festkörper 44, 46 vermieden. Mit steigender Pumpdauer steigt jedoch die Strahlungsdichte in dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 an, so dass die passive Güteschaltung 46 ausbleicht, d.h. einen größeren Transmissionskoeffizienten annimmt, und der Laserbetrieb beginnen kann.
Auf diese Weise entsteht ein auch als Riesenimpuls bezeichneter Laserimpuls 24, der eine verhältnismäßig hohe Spitzenleistung aufweist. Der Laserimpuls 24 wird gegebenenfalls unter Verwendung einer weiteren Lichtleitereinrichtung oder auch direkt durch ein nicht abgebildetes Brennraumfenster der Lasereinrichtung 26 in den Brennraum 14 (Figur 1) der Brennkraftmaschine 10 eingekoppelt, so dass darin vorhandener Kraftstoff 22 bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet wird.
Gegebenenfalls kann dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 ein optischer Verstärker (nicht gezeigt) zur optischen Verstärkung des Laserimpulses 24 zugeordnet sein. Der optische Verstärker ist für die Anwendung des nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch nicht erforderlich.
Da sich aufgrund von unterschiedlichen Störeinflüssen wie beispielsweise Temperaturschwankungen, Alterungseffekten und Exemplarstreuungen in den Materialeigenschaften des laseraktiven Festkörpers 44 usw. - trotz gleichbleibender Ansteuerung - eine Variation des Betriebsverhaltens der Lasereinrichtung 26 ergeben kann bis hin zu dem Ausbleiben der Laserimpulse 24, ist erfindungsgemäß vorgesehen, das mit dem Pumplicht beaufschlagbare Pumpvolumen der Lasereinrichtung 26 zu verändern, u.a. um den vorstehend beschriebenen Effekten entgegenwirken zu können. Darüberhinaus ergibt sich durch die erfindungsgemäße Variation des Pumpvolumens vorteilhaft insgesamt eine gesteigerte Flexibilität bei der Ansteuerung der Lasereinrichtung 26 bzw. der Erzeugung der Laserimpulse 24.
Die Figuren 3 a und 3b veranschaulichen die erfindungsgemäße Variation des Pumpvolumens, das heißt desjenigen Volumens der Lasereinrichtung 26, das über die Lichtleitereinrichtung 28 mit dem Pumplicht 60 beaufschlagt wird. Gemäß Figur 3a ist die Lasereinrichtung 26 gegenüber einem Endabschnitt 28' der Lichtleitereinrichtung 28 um einen ersten Abstand xl-xθ beabstandet, so dass sich ein erstes Pumpvolumen in der Lasereinrichtung 26 ergibt, das vorliegend durch den in Figur 3a schraffiert angedeuteten Bereich des Pumplichtstrahls 60 in der Lasereinrichtung 26 angedeutet ist.
Durch eine Relativbewegung der Lasereinrichtung 26, die vorliegend bevorzugt monolithisch ausgebildet ist, zu der Lichtleitereinrichtung 28 beziehungsweise deren Endabschnitt 28' entlang der Ortskoordinate x ergibt sich eine Vergrößerung des Abstands zwischen der Lichtleitereinrichtung 28 und der Lasereinrichtung 26, die aus Figur 3b hervorgeht. Bei der in Figur 3b abgebildeten Situation ist die Lasereinrichtung 26 um den zweiten Abstand x2-xθ > xl-xθ entfernt von dem Endabschnitt 28' der vorliegend ortsfest angeordneten Lichtleitereinrichtung 28.
Aufgrund der an sich bekannten Aufweitung des aus der Lichtleitereinrichtung 28 beziehungsweise ihrem Endabschnitt 28' austretenden Pumplichtstrahls 60 ergibt sich durch den gegenüber der Anordnung aus Figur 3 a vergrößerten Abstand x2-xθ nach Figur 3b dementsprechend ein vergrößertes Pumpvolumen in der Lasereinrichtung 26, das wiederum durch einen schraffierten Bereich des Pumplichtstrahls 60 in der Lasereinrichtung 26 angedeutet ist.
Durch die vorstehend beschriebene Vergrößerung des Pumpvolumens zur Erzeugung eines Einzelimpulses gemäß Figur 3b kann der Lasereinrichtung 26 insgesamt mehr Pumpenergie zugeführt werden, so dass beispielsweise energiereichere Laserimpulse 24 erzeugt werden können als bei der in Figur 3 a abgebildeten Konfiguration.
Alternativ zu der Bewegung der Lasereinrichtung 26 kann selbstverständlich auch die Lasereinrichtung 26 ortsfest ausgebildet sein und die Lichtleitereinrichtung 28 bewegbar ausgebildet sein.
Figur 4 zeigt ein weiteres Szenario der Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 mit Pumplicht 60, aus dem verschiedene erfindungsgemäße Möglichkeiten zur Variation des Pumpvolumens hervorgehen.
Der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 gemäß Figur 4 ist eine Pumplichtzuführung 100 zugeordnet, die die bereits beschriebene Lichtleitereinrichtung 28 aufweist und darüber hinaus auch eine, vorliegend in Form einer bikonvexen Linse symbolisierte, Einkoppeloptik 140 zur Fokussierung des aus der Lichtleitereinrichtung 28 austretenden Pumplichtstrahls 60 auf die Lasereinrichtung 26 beziehungsweise deren laseraktiven Festkörper 44, der in Figur 4 nicht näher bezeichnet ist. Der erste in Figur 4 abgebildete Doppelpfeil 201 symbolisiert eine in Figur 4 horizontale Bewegbarkeit der Lichtleitereinheit 28, die dementsprechend eine Variation des Abstands des Endabschnitts 28' von der Einkoppeloptik 140 erlaubt und damit eine Veränderung des in Figur 4 wiederum schraffiert angedeuteten Pumpvolumens in der Lasereinrichtung 26. Als Einkoppeloptik 140 können auch ein oder mehrere andere optische Elemente verwendet werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann erfindungsgemäß auch eine Bewegung der Einkoppeloptik 140 selbst relativ zu der Lichtleitereinrichtung 28 beziehungsweise der Lasereinrichtung 26 erfolgen, um das Pumpvolumen zu variieren, vergleiche den Doppelpfeil 202.
Die bereits unter Bezugnahme auf die Figuren 3 a, 3b beschriebene Erfindungsvariante, die eine Hin- und Herbewegung der Lasereinrichtung 26 relativ zu der Lichtleitereinrichtung 28 oder auch zu der Einkoppeloptik 140 vorsieht, ist in Figur 4 durch den Doppelpfeil 203 ergänzend angedeutet.
Den vorstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 3 a bis 4 beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist gemeinsam, dass jeweils eine axiale Relativbewegung der Komponenten 28, 140, 26 zueinander erfolgt. Alternativ oder ergänzend hierzu kann unter Beibehaltung des erfindungsgemäßen Prinzips auch eine radiale Bewegung der Komponenten zueinander erfolgen.
Als Beispiel hierfür ist die Lichtleitereinrichtung 26 gemäß Figur 5a angegeben, der wiederum eine Pumplichtzuführung 100 zur Zuführung des Pumplichts 60 zugeordnet ist. Die Pumplichtzuführung 100 weist vorliegend eine flexibel ausgebildete Lichtleitereinrichtung 28 auf und darüber hinaus eine der Lichtleitereinrichtung 28 zugeordnete Haltescheibe 29. Die Haltescheibe 29 ist um die in Figur 5a strichpunktiert angedeutete Drehachse A drehbar gelagert und weist eine in Figur 5a nicht näher bezeichnete exzentrisch angeordnete Bohrung zur Aufnahme der Lichtleitereinrichtung 28 auf. Durch eine Drehung der Haltescheibe 29 um die Drehachse A kann erfindungsgemäß bewirkt werden, dass unterschiedliche Flächenbereiche des Einkoppelspiegels 42 mit dem von der Lichtleitereinrichtung 28 zugeführten Pumplicht 60 beaufschlagt werden. Sofern die Drehachse A nicht mittig zu einer Querschnittsfläche des Einkoppelspiegels 42 ausgerichtet ist, kann hierbei insbesondere auch eine radiale Verstellung der Pumplichtzuführung 100 relativ zu der Lasereinrichtung 26 erfolgen.
Figur 5b zeigt eine vergrößerte Detailansicht der erfindungsgemäßen Haltescheibe 29, die die exzentrisch angeordnete Bohrung 29a zur Aufnahme der Lichtleitereinrichtung 28 aufweist. Erfindungsgemäß können auch mehrere Bohrungen 29a in der Haltescheibe 29 vorgesehen sein, denen weitere Lichtleitereinrichtungen (nicht gezeigt) zugeordnet werden können. Auch eine Hintereinanderanordnung mehrerer Haltescheiben ist vorstellbar. Alternativ kann diese Ausführungsform mit radial verstellbarem Lichtleiter 26 auch bei Beschädigung des Auskoppelspiegels angewandt werden. Durch die erfindungsgemäße Haltescheibe 29 und die hierdurch ermöglichte räumliche Variation der Einstrahlung von Pump licht 60 auf den Einkoppelspiegel 42 kann besonders vorteilhaft auch die Standzeit der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 gesteigert werden.
Bei einer Beaufschlagung des Einkoppelspiegels 42 (Figur 5a) mit zu hohen Pumplichtintensitäten kann der Fall eintreten, dass sich zumindest lokal die optischen Eigenschaften des Einkoppelspiegels 42 verschlechtern beziehungsweise ein Teilbereich der Oberfläche des Einkoppelspiegels 42 zerstört wird. Ein derartiger zerstörter Bereich 42a des Einkoppelspiegels 42 ist in Figur 5c abgebildet. Durch die erfindungsgemäße Haltescheibe 29 kann die Lichtleitereinrichtung 28 vorteilhaft so relativ zu der Lasereinrichtung 26 und dem Einkoppelspiegel 42 weiterbewegt werden, dass das Pumplicht 60 fortan nicht mehr in den zerstörten Bereich 42a des Einkoppelspiegels 42, sondern vielmehr beispielsweise in den noch intakten Bereich 42b des Einkoppelspiegels 42 eingestrahlt wird, wodurch ein weiterer Betrieb der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 ermöglicht ist. Dies kann auch bei Beschädigungen des Auskoppelspiegels angewandt werden.
Andere Varianten der Erfindung, die eine radiale Verschiebung der Komponenten 100, 26 zueinander erlauben, sind ebenfalls denkbar und können beispielsweise geeignete Antriebsmittel wie z.B. piezoelektrische Aktoren umfassen, die eine betreffende Komponente radial hin- und herbewegen.
Eine Kombination aus einer radialen und einer axialen Verstellbarkeit bzw. einer Konstruktion mit drehbarer Haltescheibe 29 ist ebenfalls denkbar, um die erfindungsgemäße Variation des Pumpvolumens zu ermöglichen.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26, bei der die Pumplichtzuführung 100 in ihrem der Lasereinrichtung 26 zugewandten Endbereich 28a gegenüber einem Außendurchmesser der restlichen Lichtleitereinrichtung 28 erweitert ist und in einen hülsenförmig ausgebildeten Endbereich 28b mündet, der die Lasereinrichtung 26 zumindest teilweise umgreift.
Der hülsenförmige Endbereich 28b bildet erfindungsgemäß vorteilhaft eine mechanische Führung für die Lasereinrichtung 26, so dass eine präzise Anordnung der Pumplichtzuführung 100 und der Lasereinrichtung 26 relativ zueinander auch unter äußeren Störeinflüssen, wie beispielsweise mechanischen Schwingungen und dergleichen, gegeben ist. Zusätzlich zu der Führung 28b können weitere Führungselemente 28b' vorgesehen sein, die bevorzugt direkt mit einer Innenwand 26' eines nicht in Figur 6 abgebildeten Gehäuses der Lasereinrichtung 26 verbunden sind und somit eine einfache Bewegbarkeit der Lasereinrichtung 26 gewährleisten.
Bei der in Figur 6 abgebildeten Ausführungsform der Lasereinrichtung 26 sind ferner Antriebsmittel 200 vorgesehen, die ebenfalls bevorzugt fest mit der Gehäusewand 26' verbunden sind und eine axiale Verschiebung der Lasereinrichtung 26 relativ zu der Pumplichtzuführung 100 ermöglichen.
Die Antriebsmittel 200 weisen beispielsweise ein piezoelektrisches Element und/oder einen Elektromotor und/oder ein hydraulisches oder pneumatisches Stellglied und/oder ein manuell betätigbares Stellglied wie beispielsweise eine Stellschraube auf. Andere elektromagnetische Stellglieder wie z.B. Hubmagnete usw. sind ebenfalls einsetzbar.
Der besondere Vorteil der Ausführungsform gemäß Figur 6 besteht darin, dass die Pumplichtzuführung 100 neben der Versorgung der Lasereinrichtung 26 mit Pump licht gleichzeitig eine mechanische Stabilisierung der Anordnung der Komponenten bietet, die durch die Führung 28b gegeben ist.
Die Führung 28b kann sich umlaufend, d.h. über den gesamten Umfang der Pumplichtzuführung 100 bzw. der Lasereinrichtung 26 erstrecken oder auch nur, wie abgebildet, über bestimmte Umfangsbereiche, die den Umfang vorteilhaft in jeweils gleich große Winkelabschnitte unterteilen.
Alternativ zu der in Figur 6 abgebildeten Führung 28b kann die Lasereinrichtung 26 an ihrem der Pumplichtzuführung 100 zugewandten Ende, das auch den Einkoppelspiegel 42 (Figur 2) aufweist, umfangsseitig ein Gewinde aufweisen, das mit einem entsprechenden Gewindeabschnitt der
Pumplichtzuführung 100 zusammenwirkt, welcher z.B. innenseitig der hülsenförmigen Erweiterung 28b vorgesehen ist. Eine derartige Konfiguration erlaubt beispielsweise die axiale Relativbewegung der Komponenten 26, 100 zueinander dadurch, dass die Lasereinrichtung 26 unter Antrieb durch die Antriebsmittel 200 in die durch die Pumplichtzuführung 100 realisierte Aufnahme hinein- bzw. herausgeschraubt wird.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens sieht vor, dass Betriebsinformationen der Lasereinrichtung 26 wie beispielsweise eine Impulsenergie des Laserimpulses 24 oder eine zeitliche Lage des erzeugte Laserimpulses 24 erfasst werden. Eine derartige Auswertung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Teil der Strahlungsenergie des erzeugten Laserimpulses 24 durch nicht abgebildete und an sich bekannte Auskoppeloptiken einem Detektor zugeleitet wird, der die Auswertung der entsprechenden Signale beispielsweise durch eine Steuereinheit 32 (Figur 1) der Lasereinrichtung 26 ermöglicht.
Anstelle einer separaten Auskoppeleinheit kann beispielsweise auch der lichtleitend ausgeführte Abschnitt 28a, 28b der Pumplichtzuführung 100 gemäß Figur 6 dazu verwendet werden, um Strahlung aus der Lasereinrichtung 26 einem Detektor (nicht gezeigt) zuzuführen.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Auswertung der Betriebsinformationen auch das Ableiten der Impulsenergie des Laserimpulses 24 umfassen, so dass aus der abgeleiteten Impulsenergie vorteilhaft auch auf die in dem Laserimpuls 24 enthaltenen Moden geschlossen werden kann.
Erfindungsgemäß kann ferner vorteilhaft eine Regelung vorgesehen sein, die unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Antriebsmittel 200 das Pumpvolumen bzw. die räumliche Verteilung des eingestrahlten Pumplichts 60 derart modifiziert, dass eine vorgebbare Konfiguration von Moden in dem Laserimpuls 24 enthalten ist.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass erfasste Betriebsinformationen, insbesondere unter Verwendung eines Modells 32a (Figur 1), plausibilisiert werden. Das Modell 32a kann beispielsweise in einer Recheneinheit des Steuergeräts 32 in Form eines Computerprogramms realisiert sein und die wesentlichen Betriebsabläufe der Lasereinrichtung 26 modellieren. In Abhängigkeit der der Lasereinrichtung 26 tatsächlich zugeführten Ansteuergrößen können modellgestützt entsprechende Ausgangsgrößen wie beispielsweise die Impulsenergie erzeugter Laserimpulse 24 und dergleichen rechnerisch ermittelt werden und mit den messtechnisch erfassten tatsächlichen Betriebsgrößen verglichen beziehungsweise plausibilisiert werden.
Ganz besonders vorteilhaft kann eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 auch über Sensormittel 210 (Figur 6) verfügen, die die Ermittlung einer Position oder zumindest einer relativen Anordnung der Komponenten 26, 100 zueinander ermöglicht. Die Sensormittel 210 können besonders vorteilhaft zusammen mit den Antriebsmitteln 200 baulich integriert sein.
Insbesondere bei der Vorsehung eines manuell betätigbaren Stellglieds wie beispielsweise einer Stellschraube zur Justage der Anordnung der Komponenten 26, 100 zueinander können die erfindungsgemäß vorgesehenen Sensormittel 210 die Verifizierung der vorgenommen Justage ermöglichen. Darüber hinaus kann mit automatisch ausgebildeten Antriebsmitteln 200 unter Verwendung der Information der erfindungsgemäßen Sensormittel 210 auch eine Positionsregelung realisiert werden, die eine Regelung des mit Pumplicht 60 beaufschlagten Pumpvolumens zum Gegenstand hat.
Bei einer besonders vorteilhaften weiteren Variante des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens kann durch gezielte Variation des Pumpvolumens auch ein Mehrfachdurchbruch der Lasereinrichtung 26 erreicht werden, der dementsprechend die Erzeugung mehrer Laserimpulse 24 in kurzer zeitlicher Folge ermöglicht.
Im Gegensatz zu den herkömmlichen Betriebsverfahren, die durch eine einfache Erhöhung der Pumpdauer eine derartige Mehrzahl von Laserimpulsen erzeugen, kann durch die erfindungsgemäße Variation des Pumpvolumens anstelle der Variation der Pumpdauer die Vielzahl von Laserimpulsen 24 innerhalb einer vorgebbaren Zeit erzeugt werden, die deutlich geringer ist als die bei den herkömmlichen Verfahren hierzu erforderliche gesteigerte Pumpdauer. Falls beispielsweise der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 (Figur 1) mit einer verhältnismäßig geringen Strömungsgeschwindigkeit des Luft-/Kraftstoffgemischs im Zündpunkt ZP korrespondiert, können durch die erfindungsgemäße Variation des Pumpvolumens vorteilhaft mehrere Laserimpulse 24 in den Zündpunkt ZP abgestrahlt werden, und somit kann die Gesamtzündenergie vorteilhaft erhöht werden, ohne dass sich der Zündvorgang - wie bei einer gesteigerten Pumpdauer - verlängert. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Verkleinerung des Pumpvolumens der Lasereinrichtung 26 erreicht, weil hierbei die erforderlichen Durchbruchintensitäten in der Lasereinrichtung 26 frührer erreicht werden und der Laserbetrieb in der Lasereinrichtung 26 dementsprechend nach einer kürzeren Zeit einsetzt.
Ein weiterer Anwendungsfall, bei dem die erfindungsgemäße Veränderung des Pumpvolumens vorteilhaft eingesetzt werden kann, ist dann gegeben, wenn sich beispielsweise über der Betriebsdauer der Zündeinrichtung 27 ein Absinken der Pumpleistung ergibt, was beispielsweise auf eine Degradation der Pumplichtquelle 30 zurückzuführen ist. Das Absinken der Pumpleistung führt bei bekannten Systemen zu einer deutlichen Reduktion der Impulsenergie der Laserimpulse 24 oder sogar zu zeitlich instabileren Laserimpulsen 24, weil der Laserbetrieb erst verhältnismäßig spät im Bezug auf einen Pumpstartzeitpunkt einsetzt. Im Extremfall kann es bei den herkömmlichen Lasereinrichtungen sogar zu einem Komplettausfall kommen, weil gar keine Laserimpulse 24 mehr erzeugt werden. Durch die erfindungsgemäße Verstellung des Pumpvolumens können derartige Instabilitäten oder sogar das Ausbleiben der Laserimpulse 24 zumindest teilweise kompensiert bzw. vermieden werden. Wenn beispielsweise die von der Pumplichtquelle 30 abgegebene Pumpleistung messbar sinkt, sieht das erfindungsgemäße Betriebsverfahren eine Verkleinerung des Pumpvolumens vor, mit der vorteilhaft eine Vergrößerung der Strahldichten in der Lasereinrichtung 26 einhergeht, die wiederum für das zuverlässige Einsetzen des Laserbetriebs in der Lasereinrichtung 26 erforderlich ist.
Auch die Verschlechterung von Eigenschaften der Lasereinrichtung 26 selbst wie beispielsweise eine Degradation der optischen Eigenschaften der Ein- und Auskoppelspiegel 42, 48 können zu Laserimpulsen 24 mit verringerter Impulsenergie oder sogar einem Ausbleiben von Laserimpulsen führen. Auch derartige Veränderungen können vorteilhaft durch das erfindungsgemäße Verfahren kompensiert werden, indem das Pumpvolumen entsprechend angepasst wird.
Neben der bereits beschriebenen Auswertung von Betriebsgrößen der Lasereinrichtung 26 selbst können auch weitere Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 10 (Figur 1) wie beispielsweise Sensorinformation eines Thermoelements in einem Abgasrohr (Erkennung von Zündaussetzern) oder dergleichen berücksichtigt werden, um den Betrieb der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 zu steuern bzw. zu regeln.
Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Veränderung des Pumpvolumens vorteilhaft auch eine Verringerung der optischen Belastung der Spiegelschichten 42, 48. Sofern beispielsweise bereits eine verhältnismäßig geringe Impulsenergie der Laserimpulse 24 für eine sichere Zündung ausreicht, kann das erforderliche Pumpvolumen und/oder die räumliche Verteilung des Pumplichts 60 so angepasst werden, dass ein insbesondere die Komponenten 42, 48 schonender Betrieb der Lasereinrichtung 26 erfolgt, bei dem z.B. nicht unnötig hohe Strahldichten eingestellt werden.
Die erfindungsgemäße Veränderung des Pumpvolumens kann - wie bereits beschrieben - auch dazu verwendet werden, um gezielt unterschiedliche Lasermoden anzuregen. Dadurch kann beispielsweise auch direkt die Fokussierbarkeit des von der Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserimpulses 24 beeinflusst werden. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Betriebsverfahren vorteilhaft vorsehen, bevorzugt eine multimodige Anregung, insbesondere von Moden höherer Ordnung, durchzuführen, so dass verhältnismäßig hohe Strahlungsintensitäten bei dem Laserimpuls 24 auch in radial von dem Zentrum des Strahlquerschnitts beabstandeten Bereichen gegeben sind, die eine Fokussierbarkeit des Laserimpulses 24 begünstigen.
Bei der Verwendung eines piezoelektrischen Stellglieds zur Bewegung der Lasereinrichtung 26 bzw. der Pumplichtzuführung 100 oder deren Komponenten kann vorteilhaft auch eine Hebelmechanik vorgesehen werden, die den von dem piezoelektrischen Stellglied realisierten Aktorhub vergrößert. Neben einer modellbasierten Steuerung der Erzeugung der Laserimpulse 24 bzw. Überwachung des Betriebs kann auch die vermöge der Antriebsmittel 200 durchgeführte räumliche Verstellung der Komponenten der Lasereinrichtung 26 bzw. der Pumplichtzufuhrung 100 zueinander modellbasiert gesteuert bzw. geregelt werden, um Schwankungen bei der Fertigungsgenauigkeit bzw. sonstige Toleranzen beispielsweise bei einer Führung 28b (Figur 6) der Lasereinrichtung 26 in der Pumplichtzufuhrung 100 auszugleichen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (26) mit einem laseraktiven Festkörper (44) und einer, vorzugsweise passiven, Güteschaltung (46), bei dem die Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht (60) beaufschlagt wird, um einen Laserimpuls (24) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Pumplicht (60) beaufschlagbares Pumpvolumen der Lasereinrichtung (26), insbesondere des laseraktiven Festkörpers (44), verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Pumpvolumens dadurch erfolgt, dass Komponenten der Lasereinrichtung (26) bzw. die Lasereinrichtung (26) und Komponenten einer das Pump licht (60) zuführenden Pumplichtzuführung (100) relativ zueinander bewegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (44) axial und/oder radial relativ zu der Pumplichtzuführung (100) bewegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtzuführung (100) axial und/oder radial relativ zu dem laseraktiven Festkörper (44) bewegt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente der Lasereinrichtung (26) und/oder der Pumplichtzuführung (100), insbesondere eine
Einkoppeloptik (140), um eine Drehachse gedreht wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewegung der Komponenten der Lasereinrichtung (26) und/oder der Pumplichtzuführung (100) Antriebsmittel (200) verwendet werden, die ein piezoelektrisches Element und/oder einen Elektromotor und/oder ein hydraulisches Stellglied und/oder ein pneumatisches Stellglied und/oder ein manuell betätigbares Stellglied, insbesondere eine Stellschraube, aufweisen.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebsinformationen der Lasereinrichtung (26) erfasst werden, insbesondere die Energie und/oder die zeitliche Lage eines erzeugten Laserimpulses (24).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Energie des Laserimpulses (24) auf die in dem Laserimpuls (24) enthaltenen Moden geschlossen wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position der Komponenten der Lasereinrichtung (26) bzw. der Lasereinrichtung selbst (26) und/oder der Komponenten der Pumplichtzuführung (100), und/oder eine Anordnung der betreffenden Einheiten relativ zueinander, ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Betriebsinformationen, insbesondere unter Verwendung eines Modells (32a), plausibilisiert werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Pumpvolumens in Abhängigkeit der erfassten Betriebsinformationen und/oder deren Plausibilisierung durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus den erfassten Betriebsinformationen auf eine Veränderung der optischen Eigenschaften eines Einkoppelspiegels (42) der Lasereinrichtung (26) geschlossen wird, insbesondere auf Abnutzungserscheinungen bzw. eine Zerstörung.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Veränderung der optischen Eigenschaften des Einkoppelspiegels (42) eine räumliche Verteilung des dem
Einkoppelspiegel (42) zugeführten Pumplichts (60) verändert wird.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine/die räumliche Verteilung des dem Einkoppelspiegel (42) zugeführten Pumplichts (60) kontinuierlich und/oder periodisch verändert wird, insbesondere durch eine Relativbewegung zwischen der Pumplichtzuführung (100) und dem Einkoppelspiegel (42).
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Pumplichtzuführung (100) mechanisch geführt wird in bzw. an einer Komponente der Lasereinrichtung (26) oder umgekehrt, wobei die Führung insbesondere eine Translation und/oder Rotation der Pumplichtzuführung (100) bezüglich der Lasereinrichtung (26) erlaubt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Führung gleichzeitig Lichtleiterfunktion aufweist, insbesondere um Pumplicht (60) in die Lasereinrichtung (26) einzukoppeln.
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtzuführung (100) über eine Schraub Verbindung mit der Lasereinrichtung (26) verbunden ist, so dass eine Rotation der Pumplichtzuführung (100) bezüglich der Lasereinrichtung (26) eine
Abstandsänderung zwischen der Pumplichtzuführung (100) und der Lasereinrichtung (26) bewirkt.
18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine flexible Lichtleitfaser (28) der Pumplichtzuführung (100) in einer drehbar gelagerten Haltescheibe (29) gehalten und erforderlichenfalls durch diese bewegt wird, die mindestens eine exzentrisch angeordnete Bohrung (29a) zur Aufnahme der mindestens einen flexiblen Lichtleitfaser (29) aufweist.
19. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche in einer Zündeinrichtung (27) einer Brennkraftmaschine (10) insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
20. Lasereinrichtung (26) mit einem laseraktiven Festkörper (44) und einer, vorzugsweise passiven, Güteschaltung (46), wobei die Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht (60) beaufschlagbar ist, um einen Laserimpuls (24) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Pumplicht (60) beaufschlagbares Pumpvolumen der Lasereinrichtung (26), insbesondere des laseraktiven Festkörpers (44), veränderbar ist.
21. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten der Lasereinrichtung (26) bzw. die Lasereinrichtung (26) und Komponenten einer das Pumplicht (60) zuführenden Pumplichtzuführung (100) relativ zueinander bewegbar sind.
22. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass Antriebsmittel (200) zur Bewegung der Komponenten der Lasereinrichtung (26) und/oder der Pumplichtzuführung (100) vorgesehen sind, wobei die Antriebsmittel (200) insbesondere ein piezoelektrisches Element und/oder einen Elektromotor und/oder ein hydraulisches Stellglied und/oder ein pneumatisches Stellglied und/oder ein manuell betätigbares Stellglied, insbesondere eine Stellschraube, aufweisen.
23. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, gekennzeichnet durch Sensormittel (210) zur Erfassung einer Position der Komponenten der Lasereinrichtung (26) bzw. der Lasereinrichtung selbst (26) und/oder der Komponenten der Pumplichtzuführung (100), und/oder einer Anordnung der betreffenden Einheiten relativ zueinander.
24. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die
Lasereinrichtung (26) eine Führung aufweist, die mit einer Komponente der Pumplichtzuführung (100) zusammenwirkt oder umgekehrt, wobei die Führung insbesondere eine Translation und/oder Rotation der Pumplichtzuführung (100) bezüglich der Lasereinrichtung (26) erlaubt.
25. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Führung lichtleitend ist, insbesondere um Pump licht (60) in die Lasereinrichtung (26) einzukoppeln.
26. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung gebildet ist durch einen hülsenformigen Endabschnitt (28b) der Pumplichtzuführung (100), der einen der Pumplichtzuführung (100) zugewandten Endabschnitt der Lasereinrichtung (26) umgreift.
27. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) über eine Schraubverbindung mit der Pumplichtzuführung (100) verbindbar ist, so dass eine Rotation der Pumplichtzuführung (100) bezüglich der Lasereinrichtung (26) eine Abstandsänderung zwischen der Pumplichtzuführung (100) und der Lasereinrichtung (26) bewirkt.
28. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewinde der Schraubverbindung außenseitig der Lasereinrichtung (26) bzw. eines die Lasereinrichtung (26) aufnehmenden Gehäuses angeordnet ist.
29. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtzuführung (100) mindestens eine flexible Lichtleitfaser (28) aufweist, und dass eine drehbar gelagerten Haltescheibe (29) zur Halterung und/oder Bewegung der mindestens einen flexible Lichtleitfaser (28) vorgesehen ist, die hierzu mindestens eine exzentrisch angeordnete Bohrung (29a) zur Aufnahme der mindestens einen flexiblen Lichtleitfaser (28) aufweist.
30. Zündeinrichtung (27) einer Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch mindestens eine Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 20 bis 29.
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