WO2008000585A1 - Betriebsverfahren für eine zündeinrichtung und zündeinrichtung - Google Patents

Betriebsverfahren für eine zündeinrichtung und zündeinrichtung Download PDF

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WO2008000585A1
WO2008000585A1 PCT/EP2007/055447 EP2007055447W WO2008000585A1 WO 2008000585 A1 WO2008000585 A1 WO 2008000585A1 EP 2007055447 W EP2007055447 W EP 2007055447W WO 2008000585 A1 WO2008000585 A1 WO 2008000585A1
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pumping light
passive
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Manfred Vogel
Werner Herden
Heiko Ridderbusch
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an ignition device for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, having a laser device which has a laser-active solid with a passive Q-switching and an optical amplifier connected downstream of the passive Q-switching, and which generates a laser pulse for emission into a combustion chamber. and with one
  • the invention further relates to such an ignition device.
  • the aforementioned operating method or the corresponding ignition device is known and is used in particular in laser-based ignition systems of internal combustion engines in the automotive field.
  • the known ignition devices with a passive Q-switching are not able to generate laser pulses of variable output energy, in particular using a single pumping light source.
  • An ignition device with a laser is known from DE 199 11 737.
  • an operating method of the aforementioned type and a corresponding ignition device to the effect improve that it is more flexibly operable and in particular adapted to emit laser pulses of variable output energy.
  • This object is achieved in an operating method of the type mentioned in the present invention, that the energy of the laser pulse is controlled by a wavelength of the pump light is changed.
  • the absorption length in the laser-active solid or in the optical amplifier changes accordingly. That is, for different wavelengths of the pump light is - due to correspondingly changed absorption ratios - delivered by the pump light in each case a different amount of energy to the laser-active solid or the optical amplifier, which leads in a conventional manner to build a population inversion.
  • a change in the amount of pumped light energy supplied to the laser-active solid of the passively Q-switched oscillator does not affect the energy of a laser pulse formed therein.
  • the energy of the laser pulse formed in the laser-active solid is essentially determined solely by the choice of the material of the solid, the properties of the passive Q-switching, a Auskoppelspiegels and acted upon by pumping light volume of the laser-active solid. These parameters are i. a. By design and fixed in particular can not be changed dynamically.
  • an amount of pump light energy which is changed by the change of the pumping light wavelength, which is supplied to the optical amplifier has an effect on the degree of population inversion formed in the optical amplifier, so that, depending on the pumping light wavelength, in each case a different magnitude of amplification in the oscillator of the formed laser active solid
  • Laser pulse is possible before it is emitted by the laser device in the combustion chamber.
  • the degree of optical amplification by the optical amplifier thus depends directly on the wavelength of the pump light used, as well as the energy of the correspondingly amplified laser pulse. Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with an ignition device according to the invention
  • FIG. 2 shows an embodiment of the ignition device according to the invention in detail
  • Figure 3 is a diagram schematically showing the course of absorption of
  • An internal combustion engine carries in Figure 1 overall the reference numeral 10. It is used to drive a motor vehicle, not shown.
  • 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 enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18 which also connects to one as a rail or common rail designated fuel pressure accumulator 20 is connected.
  • fuel 22 is ignited by means of a laser pulse 24 which is emitted by a laser device 26 comprehensive ignition 27 into the combustion chamber 14.
  • 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 pumping light sources are preferably used for use in the automotive field, for the operation of the ignition device 27 according to the invention, in principle, any type of pumping light source can be used, in which the wavelength of the pumping light is adjustable.
  • 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 in this case forms together with the passive Q-switching 46 and the left in Figure 2 thereof
  • Einkoppelapt 42 and the Auskoppelapt 48 from a laser oscillator whose oscillatory behavior of the passive Q-switching circuit 46 depends and thus at least indirectly controllable in a conventional manner.
  • pumping light 60 is directed by the light-emitting device 28 already described with reference to FIG. 1 from the pumping light source 30, which is also already described, to a coupling-in optical system symbolized here by a biconvex lens 40 which transmits the pumping light 60 to the coupling-in mirror 42 bundles. Since the coupling mirror 42 for the wavelengths of the Pumping light 60 is transparent, penetrates the pumping light 60 in the laser-active solid 44 and leads to 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 low 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. However, as the pumping time increases, so does the radiation intensity in the laser oscillator 42, 44, 46, 48, so that the passive Q-switch 46 fades, i. its transmission coefficient increases, and laser operation in the laser oscillator 42, 44, 46, 48 begins.
  • 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, optionally with the use of a further optical fiber device, or directly through a combustion chamber window of the laser device 26, so that fuel 22 present therein is ignited.
  • an optical amplification of the laser pulse formed in the laser-active solid 44 continues through the downstream optical amplifier 70 before the laser pulse 24 is emitted into the combustion chamber 14.
  • the optical amplifier 70 is, in analogy to the laser-active solid 44, pumped with the pumping light 60 of the pumping light source 30, so that in the optical amplifier 70 builds a population inversion, which is used to amplify a laser pulse as soon as the passive Q-switching circuit 46 a laser operation in the laser oscillator 42, 44, 46, 48 and thus allows the generation of a laser pulse.
  • the pumping of the optical amplifier 70 is performed in the configuration of Figure 2 by such pumping light 60, which has previously passed through the components 44, 46.
  • a wavelength of the pumping light 60 used is particularly advantageously changed in order to control the Energy of the laser pulse 24 and thus the combustion chamber 14 supplied radiant energy to control.
  • a change in the wavelength of the pumping light 60 does not affect the laser pulses generated by the laser oscillator 42, 44, 46, 48 or their energy.
  • a change in the wavelength of the pumping light 60, with which the optical amplifier 70 is pumped also affects the rate of population inversion in the optical amplifier 70 and thus the energy available to amplify a sweeping laser pulse.
  • the absorption curve designated by the reference symbol A in FIG. 3 results, which represents a relative absorption of the pumping light 60 over a spatial coordinate x measured in the beam direction of the pumping light 60.
  • the beam direction of the pumping light 60 runs in FIG. 2 For example, from left to right, ie first, the pumping light 60 enters the laser-active solid 44, and then into the passive Q-switching circuit 46 and finally into the optical amplifier 70th
  • Amplifier 70 unlike the configuration of Figure 2, for clarity, there is a gap between the passive Q-switch 46 and the optical amplifier 70, i. is provided between the location coordinates x ⁇ , xl.
  • the relative absorption of pumping light 60 according to the curve A at a first wavelength in the components 44, 46 is about 80%, which is represented by the value a_2. Accordingly, for the relative absorption of pumping light 60 in the downstream optical amplifier 70, only about 20% remains. In this case, therefore, a relatively small amplification of the laser pulse 24 can be effected by the optical amplifier 70.
  • the curve B likewise shown in FIG. 3 results.
  • the wavelength of the pumping light 60 is selected such that the relative absorption of the pumping light 60 in the components 44, 46 is only about 25%, compare the value a_0. In this case remains approximately 75% of the pumping light energy for pumping the optical amplifier 70, which can perform a correspondingly large gain of a laser pulse passing through it.
  • the gain of the optical amplifier 70 and thus finally the energy of a laser pulse 24 can be advantageously adjusted by the relatively easy to implement change in the wavelength of the pump light 60.
  • the wavelength of the pumping light 60 can be advantageously changed by adjusting a temperature of the semiconductor laser diode.
  • the length of the laser-active solid 44 and / or the passive Q-switching 46 along a beam direction x (FIG. 3) of the pumping light 60 is advantageously selected such that the pumping light 60 does not already exist in the laser-active solid 44 for at least a portion of the wavelengths of the pumping light 60 used and / or the passive Q-switching circuit 46 is completely absorbed, so that at least a portion of the pumping light 60 reaches the optical amplifier 70 and there may lead to the establishment of a population inversion.
  • the inventive arrangement of the components 44, 46, 70 with respect to the pumping light source or the coupling optics 40 on the one hand realizes a very small configuration and on the other hand advantageously results in a maximum utilization of the pumping light 60 in the laser-active solid 44 for the rapid generation of a laser pulse.
  • Another very advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized in that, preferably periodically, laser pulses 24 are generated with a maximum possible energy in order to clean a combustion chamber window of the laser device 26.
  • the laser pulses are generated with maximum possible energy in a particularly advantageous manner only if no ignitable air / fuel mixture provided for a future operating cycle is located in the combustion chamber 14, so that inadvertent ignition is avoided.
  • the operating method according to the invention it is also very advantageously possible to set the energy of the laser pulse 24 as a function of an operating state, in particular an operating point of the internal combustion engine 10.
  • an operating state in particular an operating point of the internal combustion engine 10.
  • the minimum required for igniting the air / fuel mixture ignition energy can always be provided, so that an energy-saving operation of the ignition device 27 according to the invention is possible.
  • Another advantage here is that the combustion chamber window of the laser device 26 is not unnecessarily exposed to high radiation powers of the laser pulses 24, which has an advantageous effect on the life of the combustion chamber window.
  • the radiant power emitted by the pumping light source 30 may be varied , For example, at a first wavelength of the pumping light 60, at which a relatively low absorption of pumping light 60 in the components 44, 46 occurs (cf. Curve C of Figure 3), a relatively high radiant power of the pumping light source 30 can be adjusted in order to stimulate laser operation in a relatively short time despite the low absorption of pumping light 60 in the components 44, 46. At a second wavelength of the pumping light 60, which results in an increased absorption of the pumping light 60 in the components 44, 46, the radiant power of the pumping light 60 can be correspondingly reduced to achieve a comparable latency.
  • the inventive principle is also applicable to laser devices with more than one pump light source. It can be used advantageously also in stationary engines.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung (26), die einen laseraktiven Festkörper (44) mit einer passiven Güteschaltung (46) sowie einen der passiven Güteschaltung (46) nachgeschalteten optischen Verstärker (70) aufweist, und die einen Laserimpuls (24) zur Abstrahlung in einen Brennraum (14) erzeugt, und mit einer Pumplichtquelle (30), die ein Pumplicht (60) für den laseraktiven Festkörper (44) und den optischen Verstärker (70) der Lasereinrichtung (26) bereitstellt. Erfindungsgemäß wird die Energie des Laserimpulses (24) gesteuert, indem eine Wellenlänge des Pumplichts (60) geändert wird.

Description

Beschreibung
Titel
Betriebsverfahren für eine Zündeinrichtung und Zündeinrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung, die einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung sowie einen der passiven Güteschaltung nachgeschalteten optischen Verstärker aufweist, und die einen Laserimpuls zur Abstrahlung in einen Brennraum erzeugt, und mit einer
Pumplichtquelle, die ein Pumplicht für den laseraktiven Festkörper und den optischen Verstärker der Lasereinrichtung bereitstellt.
Die Erfindung betrifft ferner eine derartige Zündeinrichtung.
Das eingangs genannte Betriebsverfahren beziehungsweise die entsprechende Zündeinrichtung ist bekannt und wird insbesondere bei laserbasierten Zündsystemen von Brennkraftmaschinen im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt. Die bekannten Zündeinrichtungen mit einer passiven Güteschaltung vermögen insbesondere unter Verwendung einer einzigen Pumplichtquelle jedoch nicht, Laserimpulse variabler Ausgangsenergie zu erzeugen. Eine Zündeinrichtung mit einem Laser ist aus der DE 199 11 737 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Zündeinrichtung dahingehend zu verbessern, dass sie flexibler betreibbar und insbesondere dazu ausgebildet ist, Laserimpulse variabler Ausgangsenergie abzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Betriebsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Energie des Laserimpulses gesteuert wird, indem eine Wellenlänge des Pumplichts geändert wird.
Durch die erfindungsgemäße Änderung der Wellenlänge des Pumplichts verändert sich die Absorptionslänge in dem laseraktiven Festkörper beziehungsweise in dem optischen Verstärker entsprechend. Das heißt, für unterschiedliche Wellenlängen des Pumplichts wird - aufgrund entsprechend veränderter Absorptionsverhältnisse - durch das Pumplicht jeweils eine unterschiedliche Energiemenge an den laseraktiven Festkörper beziehungsweise den optischen Verstärker abgegeben, die in an sich bekannter Weise zum Aufbau einer Besetzungsinversion führt.
Eine auf diese Weise bewirkte Änderung der dem laseraktiven Festkörper des passiv gütegeschalteten Oszillators zugeführten Pumplichtenergiemenge wirkt sich jedoch nicht auf die Energie eines darin gebildeten Laserimpulses aus. Die Energie des in dem laseraktiven Festkörper gebildeten Laserimpulses ist im wesentlichen allein bestimmt durch die Wahl des Materials des Festkörpers, die Eigenschaften der passiven Güteschaltung, eines Auskoppelspiegels sowie eines mit Pumplicht beaufschlagten Volumens des laseraktiven Festkörpers. Diese Parameter liegen i. a. konstruktionsbedingt fest und können insbesondere nicht dynamisch geändert werden.
Allerdings wirkt sich eine durch die Änderung der Pumplichtwellenlänge veränderte Pumplichtenergiemenge, die dem optischen Verstärker zugeführt wird, auf das Maß der in dem optischen Verstärker gebildeten Besetzungsinversion aus, so dass - in Abhängigkeit der Pumplichtwellenlänge - vorteilhaft jeweils eine unterschiedlich große Verstärkung des in dem Oszillator des laseraktiven Festkörpers gebildeten
Laserimpulses möglich ist, bevor er durch die Lasereinrichtung in den Brennraum abgestrahlt wird. Das Maß der optischen Verstärkung durch den optischen Verstärker hängt demnach direkt von der Wellenlänge des verwendeten Pumplichts ab, ebenso wie die Energie des entsprechend verstärkten Laserimpulses. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung,
Figur 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung im Detail, und
Figur 3 ein Diagramm, das schematisch den Verlauf einer Absorption von
Pumplicht innerhalb eines laseraktiven Festkörpers und eines optischen Verstärkers der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung über deren Länge wiedergibt.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail beziehungsweise Common-Rail bezeichneten Kraftstoff- Druckspeicher 20 angeschlossen ist.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Zündeinrichtung 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 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, bei der die Wellenlänge des Pumplichts einstellbar ist.
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 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 eine vorliegend durch eine bikonvexe Linse 40 symbolisierte Einkoppeloptik geleitet, die das Pumplicht 60 auf den Einkoppelspiegel 42 bündelt. 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 geringen 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 auch die Strahlungsintensität in dem Laser- Oszillator 42, 44, 46, 48 an, so dass die passive Güteschaltung 46 ausbleicht, d.h. ihr Transmissionskoeffizient steigt, und ein Laserbetrieb in dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 beginnt.
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 entzündet wird.
Zusätzlich findet bei der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung noch eine optische Verstärkung des in dem laseraktiven Festkörper 44 gebildeten Laserimpulses durch den nachgeschalteten optischen Verstärker 70 statt, bevor der Laserimpuls 24 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Der optische Verstärker 70 wird, analog zu dem laseraktiven Festkörper 44, mit dem Pumplicht 60 der Pumplichtquelle 30 gepumpt, so dass sich auch in dem optischen Verstärker 70 eine Besetzungsinversion aufbaut, die zur Verstärkung eines Laserimpulses verwendbar ist, sobald die passive Güteschaltung 46 einen Laserbetrieb in dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 und damit die Erzeugung eines Laserimpulses zulässt. Das Pumpen des optischen Verstärkers 70 erfolgt bei der Konfiguration nach Figur 2 durch solches Pumplicht 60, das zuvor durch die Komponenten 44, 46 durchgetreten ist.
Besonders vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren für die Zündeinrichtung 27 eine Wellenlänge des verwendeten Pumplichts 60 geändert, um die Energie des Laserimpulses 24 und damit die dem Brennraum 14 zugeführte Strahlungsenergie, zu steuern.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich aufgrund einer veränderten Wellenlänge des Pumplichts 60 andere Absorptionsverhältnisse für das Pumplicht 60 sowohl in dem laseraktiven Festkörper 44 beziehungsweise der passiven Güteschaltung 46 und in dem optischen Verstärker 70 ergeben. Das heißt, die von den betreffenden Festkörpern 44, 46, 70 aufgenommenen Strahlungsenergien aus dem Pumplicht 60 hängen von der Wellenlänge des Pumplichts 60 ab.
Während sich hierdurch in dem laseraktiven Festkörper 44 allenfalls die zur Erzeugung eines Laserimpulses erforderliche Pumpdauer ändert, weil sich aufgrund der veränderten Einstrahlung beziehungsweise Absorption von Pumplicht 60 in dem laseraktiven Festkörper 44 beziehungsweise in der passiven Güteschaltung 46 das Zeitverhalten der Besetzungsinversion und damit das Anschwingen eines Laserbetriebs ändert, bewirkt eine in Abhängigkeit der Wellenlänge des Pumplichts 60 auftretende Änderung in der Besetzungsinversion des optischen Verstärkers 70 auch eine entsprechende unterschiedliche Verstärkung eines durch den optischen Verstärker 70 laufenden Laserimpulses 24.
Das heißt, eine Änderung der Wellenlänge des Pumplichts 60 wirkt sich nicht auf die von dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 erzeugten Laserimpulse beziehungsweise deren Energie aus. Allerdings wirkt sich eine Änderung der Wellenlänge des Pumplichts 60, mit dem auch der optische Verstärker 70 gepumpt wird, auf das Maß der Besetzungsinversion in dem optischen Verstärker 70 und damit auf die zur Verstärkung eines durchlaufenden Laserimpulses bereitstehende Energie aus.
Dieser Sachverhalt ist nachstehend unter Bezugnahme auf Figur 3 näher erläutert.
Bei einer ersten Wellenlänge des Pumplichts 60 ergibt sich beispielsweise die in Figur 3 mit dem Bezugszeichen A bezeichnete Absorptionskurve, die eine relative Absorption des Pumplichts 60 über einer in Strahlrichtung des Pumplichts 60 gemessenen Ortskoordinate x darstellt. Die Strahlrichtung des Pumplichts 60 verläuft in Figur 2 beispielsweise von links nach rechts, d.h. zunächst tritt das Pumplicht 60 in den laseraktiven Festkörper 44 ein, und danach in die passive Güteschaltung 46 und schließlich in den optischen Verstärker 70.
Oberhalb des Absorptionsdiagramms in Figur 3 ist schematisch auch der laseraktive Festkörper 44, die passive Güteschaltung 46 und der nachgeordnete optische
Verstärker 70 abgebildet, wobei im Unterschied zu der Konfiguration nach Figur 2 der Übersichtlichkeit halber allerdings eine Lücke zwischen der passiven Güteschaltung 46 und dem optischen Verstärker 70, d.h. zwischen den Ortskoordinaten xθ, xl vorgesehen ist.
Wie aus Figur 3 ersichtlich, beträgt die relative Absorption von Pumplicht 60 gemäß der Kurve A bei einer ersten Wellenlänge in den Komponenten 44, 46 etwa 80 %, was durch den Wert a_2 dargestellt ist. Dementsprechend verbleibt für die relative Absorption von Pumplicht 60 in dem nachgeordneten optischen Verstärker 70 lediglich etwa 20 %. In diesem Fall wird durch den optischen Verstärker 70 also eine verhältnismäßig geringe Verstärkung des Laserimpulses 24 erfolgen können.
Bei einer zweiten für das Pumplicht 60 eingestellten Wellenlänge ergibt sich die ebenfalls in Figur 3 abgebildete Kurve B. Hierbei zeigt sich ein zu der Kurve A völlig verschiedenes Absorptionsverhalten, so dass in den Komponenten 44, 46 eine relative Absorption von nur etwa 50 % der Pumplichtenergie auftritt, gekennzeichnet durch den Wert a_l. Das heißt, bei dieser zweiten Wellenlänge des Pumplichts 60 verbleibt etwa 50 % der in die Lasereinrichtung 26 eingestrahlten Pumplichtenergie zum Pumpen des optischen Verstärkers 70, so dass eine im Vergleich zur Situation gemäß der Kurve A deutlich größere Verstärkung durch den optischen Verstärker 70 erreichbar ist. Unter Pumpen mit dem Pumplicht 60 der zweiten Wellenlänge kann demnach ein Laserimpuls 24 mit größerer Energie erzeugt werden, als dies bei der Verwendung der ersten Wellenlänge für das Pumplicht 60 der Fall ist.
Bei der weiteren in Figur 3 abgebildeten Kurve C ist die Wellenlänge des Pumplichts 60 derart gewählt, dass die relative Absorption des Pumplichts 60 in den Komponenten 44, 46 nur noch etwa 25 % beträgt, vergleiche den Wert a_0. In diesem Fall verbleibt etwa 75 % der Pumplichtenergie zum Pumpen des optischen Verstärkers 70, der eine entsprechend große Verstärkung eines ihn durchlaufenden Laserimpulses durchführen kann.
Insgesamt ist durch die erfindungsgemäße Wahl unterschiedlicher Wellenlängen für das Pumplicht 60 eine vorgebbare Aufteilung von Pumplichtenergie auf einerseits die Komponenten 44, 46 und andererseits den optischen Verstärker 70 gegeben. Daher kann durch die verhältnismäßig einfach zu realisierende Änderung der Wellenlänge des Pumplichts 60 vorteilhaft auch die Verstärkung des optischen Verstärkers 70 und damit schließlich die Energie eines Laserimpulses 24 eingestellt werden. Bei einer als Halbleiter-Laserdiode ausgebildeten Pumplichtquelle 30 kann die Wellenlänge des Pumplichts 60 beispielsweise vorteilhaft durch die Einstellung einer Temperatur der Halbleiter-Laserdiode geändert werden.
Besonders vorteilhaft ist unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur eine einzige Pumplichtquelle 30 erforderlich, um Laserimpulse 24 mit unterschiedlicher Energie erzeugen zu können.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der optische Verstärker 70 bezüglich der Pumplichtquelle 30 beziehungsweise der Lichtleitereinrichtung 28 so hinter dem laseraktiven Festkörper 44 beziehungsweise dessen passiver Güteschaltung 46 angeordnet, dass er vorzugsweise nur durch solches Pumplicht der Pumplichtquelle 30 gespeist wird, das durch den laseraktiven Festkörper 44 und/oder die passive Güteschaltung 46 hindurchtritt. In diesem Fall ist gewährleistet, dass eine besonders effiziente Ausnutzung des Pumplichts 60 stattfindet.
Die Länge des laseraktiven Festkörpers 44 und/oder der passiven Güteschaltung 46 entlang einer Strahlrichtung x (Figur 3) des Pumplichts 60 ist vorteilhaft so gewählt, dass das Pumplicht 60 für mindestens einen Teil der verwendeten Wellenlängen des Pumplichts 60 nicht bereits in dem laseraktiven Festkörper 44 und/oder der passiven Güteschaltung 46 völlig absorbiert wird, damit zumindest ein Teil des Pumplichts 60 zu dem optischen Verstärker 70 gelangt und dort zu dem Aufbau einer Besetzungsinversion führen kann. Durch die erfindungsgemäße Hintereinanderanordnung der Komponenten 44, 46, 70 bezüglich der Pumplichtquelle beziehungsweise der Einkopplungsoptik 40 ist einerseits eine sehr klein bauende Konfiguration realisiert und andererseits ergibt sich vorteilhaft eine maximale Ausnutzung des Pumplichts 60 in dem laseraktiven Festkörper 44 zur raschen Erzeugung eines Laserimpulses.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass, vorzugsweise periodisch, Laserimpulse 24 mit maximal möglicher Energie erzeugt werden, um ein Brennraumfenster der Lasereinrichtung 26 zu reinigen.
Besonders vorteilhaft werden die Laserimpulse mit maximal möglicher Energie jedoch nur dann erzeugt, wenn kein für einen zukünftigen Arbeitszyklus vorgesehenes zündfähiges Luft/Kraftstoff- Gemisch in dem Brennraum 14 befindlich ist, so dass eine unbeabsichtigte Zündung vermieden wird.
Sehr vorteilhaft ist es durch das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ferner möglich, die Energie des Laserimpulses 24 in Abhängigkeit eines Betriebszustands, insbesondere eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine 10, einzustellen. Dadurch kann beispielsweise stets die minimal zur Entflammung des Luft/Kraftstoff-Gemisches erforderliche Zündenergie bereitgestellt werden, so dass ein energiesparender Betrieb der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27 möglich ist. Ein weiterer Vorteil hierbei besteht darin, dass das Brennraumfenster der Lasereinrichtung 26 nicht unnötig mit hohen Strahlungsleistungen der Laserimpulse 24 beaufschlagt wird, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer des Brennraumfensters auswirkt.
Um die verschiedenen Latenzzeiten zwischen einem Beginn der Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers 44 mit Pumplicht 60 und dem Einsetzen eines Laserbetriebs bzw. der Erzeugung des Laserimpulses 24 aufgrund der Verwendung von Pumplicht 60 unterschiedlicher Wellenlänge zu berücksichtigen, kann gegebenenfalls die von der Pumplichtquelle 30 abgegebene Strahlungsleistung variiert werden. Beispielsweise kann bei einer ersten Wellenlänge des Pumplichts 60, bei der eine verhältnismäßig geringe Absorption von Pumplicht 60 in den Komponenten 44, 46 erfolgt (vergleiche Kurve C aus Figur 3) eine verhältnismäßig hohe Strahlungsleistung der Pumplichtquelle 30 eingestellt werden, um trotz der geringen Absorption von Pumplicht 60 in den Komponenten 44, 46 in verhältnismäßig kurzer Zeit einen Laserbetrieb anzuregen. Bei einer zweiten Wellenlänge des Pumplichts 60, für die sich eine gesteigerte Absorption des Pumplichts 60 in den Komponenten 44, 46 ergibt, kann die Strahlungsleistung des Pumplichts 60 dementsprechend verringert werden, um eine vergleichbare Latenzzeit zu erreichen.
Das erfindungsgemäße Prinzip ist auch auf Lasereinrichtungen mit mehr als einer Pumplichtquelle anwendbar. Es kann vorteilhaft auch bei Stationärmotoren eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung (26), die einen laseraktiven Festkörper (44) mit einer passiven Güteschaltung (46) sowie einen der passiven Güteschaltung (46) nachgeschalteten optischen Verstärker (70) aufweist, und die einen Laserimpuls (24) zur Abstrahlung in einen Brennraum (14) erzeugt, und mit einer Pumplichtquelle (30), die ein Pumplicht (60) für den laseraktiven Festkörper (44) und den optischen Verstärker (70) der Lasereinrichtung (26) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des Laserimpulses (24) ge- steuert wird, indem eine Wellenlänge des Pumplichts (60) geändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker (70), vorzugsweise nur, durch solches Pumplicht der Pumplichtquelle (30) gespeist wird, das durch den laseraktiven Festkörper (44) und/oder die passive Güteschaltung (46) hindurchtritt.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Pumplichtquelle (30) eine Halbleiter-Laserdiode verwendet wird, und dass die Wellenlänge des Pumplichts (60) geändert wird, indem die Temperatur der Halbleiter-Laserdiode eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, vorzugsweise periodisch, Laserimpulse (24) mit maximal möglicher Energie erzeugt werden, um ein Brennraumfenster der Lasereinrichtung (26) zu reinigen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserimpulse (24) mit maximal möglicher Energie nur dann erzeugt werden, wenn kein für einen zukünftigen Arbeitszyklus vorgesehenes zündfähiges Luft/Kraftstoff- Gemisch in dem Brennraum (14) befindlich ist.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energie des Laserimpulses (24) in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine (10) eingestellt wird.
7. Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahr- zeugs, mit einer Lasereinrichtung (26), die einen laseraktiven Festkörper (44) mit einer passiven Güteschaltung (46) sowie einen der passiven Güteschaltung (46) nachgeschalteten optischen Verstärker (70) aufweist, und die einen Laserimpuls (24) zur Abstrahlung in einen Brennraum (14) erzeugt, und mit einer Pumplichtquelle (30), die ein Pumplicht (60) für den laseraktiven Festkörper (44) und den opti- sehen Verstärker (70) der Lasereinrichtung (26) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie des Laserimpulses (24) durch eine Änderung der Wellenlänge des Pumplichts (60) steuerbar ist.
8. Zündeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker (70) bezüglich der Pumplichtquelle (30) so hinter dem laseraktiven Festkörper (44) beziehungsweise dessen passiver Güteschaltung (46) angeordnet ist, dass er, vorzugsweise nur, durch solches Pumplicht der Pumplichtquelle (30) gespeist wird, das durch den laseraktiven Festkörper (44) und/oder die passive Güteschaltung (46) hindurchtritt.
9. Zündeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge des laseraktiven Festkörpers (44) und/oder der passiven Güteschaltung (46) entlang einer Strahlrichtung des Pumplichts (60) so gewählt ist, dass das Pumplicht (60) für mindestens einen Teil der verwendeten Wellenlängen des Pumplichts (60) nicht bereits in dem laseraktiven Festkörper (44) und/oder der passiven Güteschaltung (46) völlig absorbiert wird.
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