Titel

Laserzündsystem

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Lasereinrichtung nach dem Oberbegriff des

unabhängigen Anspruchs. Die Erfindung betrifft überdies eine Laserzündkerze und eine Laserzündeinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Laserzündeinrichtung.

Aus der WO 2006/125685 AI ist eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, die eine Lasereinrichtung mit einem laseraktiven Festkörper aufweist. Die Lasereinrichtung umfasst ferner einen optischen Güteschalter und einen Resonator, bestehend aus Endspiegel und Auskoppelspiegel, in dem der laseraktive Festkörper und der optische Güteschalter angeordnet sind.

Bekanntermaßen führt eine Verlängerung des Resonators in einer solchen

Lasereinrichtung zwar dazu, dass die Fokussierbarkeit/Strahlqualität der durch die

Lasereinrichtung erzeugten Strahlung verbessert werden kann, gleichzeitig nimmt aber auch die Pulsdauer der erzeugten Laserstrahlung zu, was bei der Verwendung der erzeugten Strahlung zur Zündung von Kraftstoffen im Allgemeinen unerwünscht ist. Andererseits lässt sich durch eine Verkürzung des Resonators in einer solchen

Lasereinrichtung zwar die Pulsdauer der erzeugten Laserstrahlung verkürzen, gleichzeitig muss jedoch im Allgemeinen eine Verschlechterung der Fokussierbarkeit/Strahlqualität der erzeugten Strahlung in Kauf genommen werden.

Insgesamt verbleibt der Nachteil, dass Pulsdauer und Fokussierbarkeit nicht unabhän; voneinander optimiert werden können. Vorteile der Erfindung Erfindungsgemäße Lasereinrichtungen haben demgegenüber den Vorteil, dass

Laserstrahlung erzeugt werden kann, die sowohl gut fokussierbar ist, als auch in Form von sehr kurzen Pulsen erzeugt werden kann.

Hierfür ist vorgesehen, dass der laseraktive Festkörper, mit zwei optisch gekoppelten Resonatoren wechselwirkt, die so konfiguriert sind, dass einer der Resonatoren die Eigenschaft Fokussierbarkeit und einer die Eigenschaft Pulsdauer adressiert.

Unter Resonatoren werden Anordnungen verstanden, in denen sich jeweils eine

Stehwelle auszubilden vermag. Unter einem optischen Resonator wird insbesondere eine Anordnung verstanden, die insgesamt mindestens zwei hochreflektierende oder teilreflektierende Spiegel umfasst, die in Ausbreitungsrichtung des Lichts zueinander beabstandet, zum Beispiel einander gegenüber, angeordnet sind.

Zwei Resonatoren werden als optisch gekoppelt bezeichnet, wenn sich in einem der Resonatoren eine Stehwelle auszubilden vermag, durch ein Übersprechen einer in dem anderen der Resonatoren ausgebildeten Stehwelle. Optische Resonatoren sind beispielsweise dann optisch miteinander gekoppelt, wenn die Resonatoren aus spiegelnden Flächen gebildet werden, die insgesamt alle eben und parallel zueinander und längs einer gemeinsamen optischen Achse ausgerichtet sind.

Unter für das durch die Lasereinrichtung zu erzeugende Licht teilreflektierenden Spiegeln, hier auch als teilreflektierende Spiegel bezeichnet, werden vorliegend Spiegel verstanden, die 25% bis 90%, insbesondere 40% bis 80%, dieses Lichts reflektieren. In Abgrenzung hierzu werden Spiegel, die noch mehr dieses Lichts reflektieren, insbesondere mehr als 95%, als hochreflektierende Spiegel bezeichnet.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der laseraktive Festkörper sowohl innerhalb des ersten, als auch innerhalb des zweiten Resonators angeordnet ist.

Bevorzugt trifft dies auch auf den optischen Güteschalter zu.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zweite Resonator länger ist als der erste Resonator, insbesondere deutlich länger, zum Beispiel mindestens 1,5-mal so lang oder mindestens 3-mal lang wie der erste Resonator. Hierbei unterdrückt der längere Resonator die Ausbildung hoher transversaler Moden, sodass eine gute

Fokussierbarkeit resultiert. Gleichzeitig bewirkt der kurze Resonator eine starke

Überhöhung der Leistung der erzeugten Laserstrahlung im laseraktiven Festkörper, wodurch eine zuvor im laseraktiven Festkörper mittels Pumplichts erzeugte

Besetzungsinversion rasch abgebaut werden kann, sodass eine kurze Pulsdauer resultiert. Eine ähnliche Wirkung resultiert, wenn der erste Resonator innerhalb des zweiten Resonators angeordnet wird. Zur Ausbildung dieser Wirkung ist in diesem

Zusammenhang insbesondere vorgesehen, dass eine Verstärkung von Licht, das im zweiten Resonator umläuft, höchstens in den Teilen des zweiten Resonators erfolgt, in denen in diesem der erste Resonator angeordnet ist. Mit anderen Worten: Außerhalb des ersten Resonators befindet sich in diesem Fall kein weiteres laseraktives Material. Der Bereich des zweiten Resonators außerhalb des ersten Resonators kann beispielsweise mit Luft oder einem anderen Gas und/oder Glas und/oder mit Vakuum oder mit einem anderen Material, dass das durch die Lasereinrichtung erzeugte Licht nicht oder nur geringfügig (<1%) absorbiert, ausgefüllt sein.

In einer besonders kompakten Ausführung weist die Lasereinrichtung einen insbesondere hochreflektierenden Endspiegel auf, der zusammen mit einem ersten, insbesondere teilreflektierenden, Auskoppelspiegel den ersten Resonator bildet und zusammen mit einem zweiten, insbesondere teilreflektierenden, Auskoppelspiegel, der in

Ausbreitungsrichtung des Lichts von dem laseraktiven Festkörper aus gesehen hinter dem ersten Auskoppelspiegel angeordnet ist, den zweiten Resonator bildet. Hierbei ist wiederum vorzugsweise vorgesehen, dass eine Verstärkung von Licht, das im zweiten Resonator umläuft, höchstens in den Teilen des zweiten Resonators erfolgt, in denen in diesem der erste Resonator angeordnet ist. Mit anderen Worten: Außerhalb des ersten Resonators, also zwischen den beiden Auskoppelspiegeln, befindet sich in diesem Fall kein weiteres laseraktives Festkörperlasermaterial. Der Bereich zwischen den beiden Auskoppelspiegeln kann beispielsweise mit Luft oder einem anderen Gas und/oder Glas und/oder mit Vakuum oder mit einem anderen Material, dass das durch die

Lasereinrichtung erzeugte Licht nicht oder nur geringfügig (<1%) absorbiert, ausgefüllt sein. Ist er mit Glas ausgefüllt, ergibt sich überdies der Vorteil eines mechanisch besonders stabilen Aufbaus. Insbesondere ist in diesem Fall eine monolithische

Ausführung der Lasereinrichtung möglich.

Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass Laserstrahlung guter

Fokussierbarkeit in kurzen Pulsen insbesondere dann auftritt, wenn die Reflektivität des zweiten Auskoppelspiegels für das durch die Lasereinrichtung zu erzeugende Licht mindestens 1,5-mal so groß, insbesondere mindestens doppelt so groß, ist wie die des ersten Auskoppelspiegels. Bei einer Reflektivität des zweiten Auskoppelspiegels von 45% (insbesondere 60%) beträgt dann die Reflektivität des ersten Auskoppelspiegels nicht mehr als 30%.

Vorteilhafterweise wird gegenüber bekannten Laserzündkerzen eine Erhöhung der Anzahl der Bauteile vermieden, wenn zumindest ein Spiegel, insbesondere zumindest einer der Auskoppelspiegel, vorzugsweise des Auskoppelspiegel des zweiten Resonators, als reflektierende Beschichtung des Brennraumfensters oder einer Linse der Laserzündkerze ausgeführt ist.

Um das Zusammenspiel der gekoppelten Resonatoren, insbesondere

temperaturabhängig, optimieren zu können, ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Laserzündkerze ansteuerbare aktorische Mittel, zum Beispiel piezoelektrische Aktoren, umfasst, durch die mindestens ein Spiegel, insbesondere in Ausbreitungsrichtung des Lichts, verschieblich ist, durch die also die Länge von zumindest einem der Resonatoren variierbar ist. In Weiterbildungen der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass das Laserzündsystem einen Brennraumsensor, beispielsweise einen Photo-, Schalldetektor und/oder

Temperaturdetektor und/oder ein Spektrometer, umfasst und ein Steuergerät, das eingerichtet ist, Signale des Brennraumsensor zu empfangen und Signale zur

Ansteuerungen der aktorischen Mittel zu generieren.

Es ist vorgesehen, dass die Signale des Brennraumsensors hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft der Zündung, beispielsweise dem Erfolgen der Zündung, dem Zeitpunkt der Zündung, der Intensität von Zündfunken und Flammkern, oder einer Eigenschaft der Verbrennung, beispielsweise dem Auftreten einer Schadstoffkonzentration, insbesondere durch das Steuergerät, ausgewertet werden. In einer Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehe

n, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine zumindest gelegentlich die erfasste

Eigenschaft durch Ansteuerung der aktorischen Mittel optimiert, vorzugsweise maximiert oder minimiert wird.

Zeichnung Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Laserzündeinrichtung.

Die Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Lasereinrichtung. Die Figur 3, 4 und 5 zeigen erfindungsgemäße Laserzündkerzen. Die Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs oder als Stationärmotor. Die

Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 gezeichnet 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 Kraftstoff- Druckspeicher 20 angeschlossen ist. In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels gepulster Laserstrahlung 24 entzündet, die von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Laserzündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereit gestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einer Steuer- und

Regeleinrichtung 32 gesteuert, die auch den Injektor 18 ansteuert. Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 ist in der Figur 2 dargestellt und umfasst einen ersten laseraktiven Festkörper 44 einen optischen Güteschalter 46 sowie einen ersten Auskoppelspiegel 48 und einen Endspiegel 42. Die Lasereinrichtung umfasst ferner einen zweiten Auskoppelspiegel 49, der beabstandet zum ersten Auskoppelspiegel 48 angeordnet ist.

Bei dem ersten laseraktiven Festkörper 44 handelt es sich beispielsweise um einen Nd: YAG- Kristall, bei dem optischen Güteschalter 46 beispielsweise um einen CnYAG- Kristall, der mit dem ersten laseraktiven Festkörper 44 beispielsweise durch Ansprengen und Bonden monolithisch verbunden ist. Der erste Auskoppelspiegel 48 wird durch eine dielektrische Beschichtung des optischen Güteschalters 46 realisiert. Er weist eine Reflektivität von beispielsweise 30% für Licht der Wellenlänge 1064nm auf. Der

Endspiegel 42 wird durch eine dielektrische Beschichtung des ersten laseraktiven

Festkörpers 44 realisiert. Er weist eine Reflektivität von mindestens 99% für Licht der Wellenlänge 1064nm auf und ist überdies hochtransmittierend für Licht der Wellenlänge 808nm, d.h. beim Übergang von Licht dieser Wellenlänge in den ersten laseraktiven Festkörpers 44 treten nur geringe Verluste auf. Die reflektierenden Flächen des ersten Auskoppelspiegels 48 und des Endspiegels 42 sind in diesem Beispiel eben und parallel zueinander angeordnet und bilden auf diese Weise einen ersten Resonator 51 aus.

Jedoch ist es auch mit gekrümmten Spiegeln 42, 48 in an sich bekannter Weise möglich, einen Resonator auszubilden.

Der zweite Auskoppelspiegel 49 wird durch eine dielektrische Beschichtung,

beispielsweise auf einem Glassubstrat, realisiert. Er weist eine Reflektivität von beispielsweise 65% für Licht der Wellenlänge 1064nm auf. Die reflektierende Fläche des zweiten Auskoppelspiegels 49 ist in diesem Beispiel eben und parallel zu dem Endspiegel 42, mit dem der zweite Auskoppelspiegel 49 somit einen zweiten Resonator 52 ausbildet. Selbstverständlich ist es auch mit gekrümmten Spiegeln 42, 49 in an sich bekannter Weise möglich, einen optischen Resonator auszubilden.

Der erste Resonator 51 und der zweite Resonator 52 sind in diesem Beispiel derart ausgebildet und angeordnet, dass, wenn sich in einem der Resonatoren 51; 52, eine Stehwelle ausbildet, diese in den anderen Resonator 52; 51 überspricht, sodass sich auch in dem anderen Resonator 52; 51 eine Stehwelle ausbildet. Der erste Resonator 51 und der zweite Resonator 52 sind also miteinander optisch gekoppelt. Die Resonatoren sind in diesem Beispiel zusätzlich auch dadurch optisch miteinander gekoppelt, dass sie auf das gleiche laseraktive Medium zugreifen. Auch durch andere als in diesem Beispiel verwendete Spiegel 42, 48, 49 und durch andere Anordnungen dieser Spiegel 42, 48, 49 lassen sich optisch gekoppelte Resonatoren 51, 52 realisieren. Während der erste Resonator 51 in diesem Beispiel recht kurz ist und eine Länge von beispielsweise 20 mm bis 30 mm aufweist, ist der zweite Resonator 52 wesentlich länger und weist eine Länge von beispielsweise 100 mm auf.

Der Lasereinrichtung 26 wird über eine Lichtleitereinrichtung 28, zum Beispiel über eine optische Faser oder über ein Bündel optischer Fasern und durch den Endspiegel 42 Pumplicht zugeführt und innerhalb des laseraktiven Festkörpers 44 fokussiert. Es ist selbstverständlich ebenfalls denkbar, das Pumplicht von der gegenüberliegenden Seite longitudinal zuzuführen oder das Pumplicht transversal dem laseraktiven Festkörper 44 zuzuführen. Das Pumplicht ist in diesem Beispiel Licht der Wellenlänge 808nm und wird von einer Pumplichtquelle 30, beispielsweise von einem Halbleiterlaser, bereitgestellt.

Der zwischen den ersten Auskoppelspiegel 48 und dem zweiten Auskoppelspiegel 49 verbleibende Raum verbleibt in diesem Beispiel leer, das heißt, er ist mit Luft oder mit einem anderen Gas oder mit Vakuum gefüllt. Alternativ ist es auch möglich, diesen Raum mit einem für das Laserlicht zumindest weitgehend transparenten Festkörper, zum Beispiel Glas, zu füllen. Es ist insbesondere möglich, dass das diesen Raum füllende Material, mit den Auskoppelspiegeln 48, 49, dem optischen Güteschalter 46, den laseraktiven Festkörper 44 und dem Endspiegel 42 insgesamt einen monolithischen Verbund darstellt, der beispielsweise durch Bonden und Beschichten hergestellt sein kann.

Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 integriert in eine

erfindungsgemäße Laserzündkerze 25. Diese weist ein Gehäuse 36 auf, in dem neben der Lasereinrichtung 26 Mittel zur Fokussierung 72 des durch die Lasereinrichtung 26 zu erzeugenden Strahlung 24, die in diesem Beispiel aus einer Aufweitungslinse 721 und einer Sammellinse 722 bestehen, angeordnet sind. Die Laserzündkerze 25 umfasst ferner endseitig des Gehäuses 36 ein Brennraumfenster 38, das dazu vorgesehen ist, die durch die Lasereinrichtung 26 erzeugte Strahlung 24 in einen Brennraum 14 zu transmittieren, wobei das Innere der Laserzündkerze 25 durch das Brennraumfenster 38 vor in dem Brennraum 14 anzutreffenden Umwelteinflüssen geschützt ist. In diesem Beispiel ist der zweite Auskoppelspiegel 49 als Beschichtung auf einem der Mittel zur Fokussierung 72 der durch die Lasereinrichtung 26 zu erzeugenden Strahlung 24, hier auf der dem laseraktiven Festkörper 44 zugewandten Seite der Aufweitungslinse 721 realisiert. In alternativen Ausführungsformen kommen für diese Beschichtung auch die anderen Oberflächen der Linsen 721, 722 und die Oberflächen des

Brennraumfensters 38, insbesondere die dem laseraktiven Festkörper 44 zugewandte Seite des Brennraumfensters 38, in Betracht.

Es ist auch möglich, wie in Figur 4 dargestellt, das Brennraumfester 38 selbst als Mittel zur Fokussierung 72 der durch die Lasereinrichtung 26 zu erzeugenden Strahlung 24, insbesondere als Sammellinse 722, auszugestalten und den zweiten Auskoppelspiel 49 als Beschichtung einer Oberfläche des Brennraumfensters 38, insbesondere der dem laseraktiven Festkörper 44 zugewandten Seite des Brennraumfensters 38, zu realisieren. In vielen Fällen ist es zur gleichzeitigen Realisierung einer guten Fokussierbarkeit und einer kurzen Pulsdauer der erzeugten Strahlung 24 unerlässlich, die Längen des ersten und des zweiten Resonators 51, 52 in engen Grenzen konstant zu halten und/oder unerlässlich, diese Längen genau wählen zu können. Bei der in Figur 5 dargestellten Laserzündkerze 25 ist zu diesem Zweck der zweite Auskoppelspiegel 49 über ansteuerbare aktorische Mittel 74, über mindestens einen piezoelektrischen Aktor, verschieblich mit dem Gehäuse 36 der Laserzündkerze 25 verbunden.

Figur 6: In einem weiteren Ausführbeispiel wirkt eine Laserzündkerze 25 mit einem nicht gezeichneten Brennraumsensor 90, hier einer Photodiode, und mit einem Steuergerät 91 in einem Laserzündsystem 27 zusammen. Der Brennraumsensor 90 erfasst im

Zusammenspiel mit dem Steuergerät 91 die Intensität des Leuchtens eines durch die Laserstrahlung 24 zu erzeugenden Zündfunkens. Das Steuergerät 91 ist ferner eingerichtet, Signale zur Ansteuerung der aktorischen Mittel zu generieren. Das

Steuergerät 91 ist eingerichtet, die aktorischen Mittel 74 derart anzusteuern, dass die Helligkeit des zu erzeugenden Zündfunkens maximiert wird. Hierbei kommen an sich bekannte Strategien zum Einsatz, beispielsweise Modulationsstrategien. Andererseits ist es auch möglich, während des Betriebs der Laserzündeinrichtung gelegentlich den gesamten Stellweg der aktorischen Mittel 74 abzufahren und ein globales Maximum der Helligkeit des zu erzeugenden Zündfunkens festzustellen.