WO2009030550A1 - Method for operation of a laser device - Google Patents

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WO2009030550A1
WO2009030550A1 PCT/EP2008/059309 EP2008059309W WO2009030550A1 WO 2009030550 A1 WO2009030550 A1 WO 2009030550A1 EP 2008059309 W EP2008059309 W EP 2008059309W WO 2009030550 A1 WO2009030550 A1 WO 2009030550A1
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laser device
laser
passive
trigger
radiation
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PCT/EP2008/059309
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Inventor
Werner Herden
Heiko Ridderbusch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • 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
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
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    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
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    • 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
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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 a laser device which has a laser-active solid with a passive Q-switching, in which the laser device is subjected to pumping light in order to generate a laser pulse.
  • the invention further relates to a laser device with a laser-active solid and a passive Q-switching, wherein the laser device can be acted upon with pump light to generate a laser pulse.
  • Such laser devices and operating methods for this purpose are known and have the disadvantage that a point in time at which the laser pulse is generated as a result of the application of pumping light to the laser device can not be precisely predefined.
  • This object is achieved in a laser device of the type mentioned in the present invention that the laser device is acted upon in addition to the pumping light with a trigger radiation is to put the passive Q-switching in a state of increased transmission at a predetermined time.
  • the additional loading of the laser device according to the invention with the trigger radiation advantageously has the effect that a time of fading of the passive Q-switching is controllable.
  • the Pumplichtintenstician can initially optically excited by applying the inventive principle of laser-active solids by the optical pumping that adjusts an increased inversion density, but not already uses a laser operation.
  • the trigger radiation is irradiated to the laser device according to the invention at a predeterminable time, causing the passive Ruschalter fades shortly thereafter and can accordingly set a laser operation in the laser device, which eventually leads to the generation of the laser pulse.
  • the principle according to the invention makes use of the fact that with a suitable loading of the laser device or the passive Q-switching with the trigger radiation, a relatively rapid change in the transmission of the passive Q-switching occurs, so that the laser pulse generates almost no time delay with respect to the exposure of the laser device to the trigger radiation becomes.
  • a particularly small design effort results according to a variant of the invention, when the pumping light and the trigger radiation of the laser device are supplied via the same optical fiber device.
  • the optical waveguide device has a plurality of optical fibers, that the pump light is guided via a first group of optical fibers, and that the trigger radiation is guided via a second group of optical fibers, preferably different from the first group, wherein advantageously by a relative arrangement of the individual optical fibers to each other, a spatial distribution of
  • a further advantage of this variant of the invention is that the plurality of optical fibers combined to form an optical waveguide device allow a particularly simple and efficient coupling of the pumping light and the triggering radiation into the respective optical fibers by assigning the respective optical fibers on the input side to the respective optical source.
  • optical fibers arranged radially on the outside to be used to guide the trigger radiation
  • optical fibers to be used radially to guide the pumping light preferably a coupling-in optical system between an output of the optical waveguide device and the laser device is provided.
  • the coupling-in optical system can, for example, comprise a biconvex lens or a comparable optical system and advantageously effects a focusing of the trigger radiation provided according to the invention on that area of the laser device which has the passive Q-switching. This ensures advantageous that the minimum required intensity of the trigger radiation, which is required for a targeted, rapid fading of the passive Q-switching is achieved.
  • the trigger radiation can also be provided by a separate light source, in particular a laser light source, preferably a semiconductor laser diode, which is preferably arranged directly in the region of the laser device, in particular directly in the region of the passive Q-switching.
  • a separate light source in particular a laser light source, preferably a semiconductor laser diode, which is preferably arranged directly in the region of the laser device, in particular directly in the region of the passive Q-switching.
  • the use of a light guide device for supplying the laser device or the passive Q-switching with the trigger radiation is not required.
  • the coupling of the trigger radiation provided according to the invention may preferably be axial, i. in the usual analogous to the coupling of the pumping light in the laser device, take place; However, it is also conceivable to feed the trigger radiation of the laser device or the passive Q-circuit laterally.
  • the trigger radiation is irradiated at least partially directly into the passive Q-switching, resulting in a particularly efficient optical excitation of the passive Q-switching and a corresponding particularly fast fading of the passive Q-switching, so that a time difference between the application of the passive Q-switching with the trigger radiation and the generation of the laser pulse is minimal.
  • a time profile of the intensity of the trigger radiation in particular a start time and / or an amplitude of a trigger pulse and / or a pulse width and / or a pulse duration as a function of a time course of the intensity of the pump light is given.
  • the operating method according to the invention is particularly well suited for use in a laser-based ignition device of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle.
  • the use of erfindunstraen operating method for ignition of stationary engines or generally other laser pulse applications is also conceivable.
  • a laser device according to claim 10 is given.
  • the laser device according to the invention has means for generating a trigger radiation with which the laser device can be acted upon in addition to the pumping light in order to put the passive Q-switching into a state of increased transmission at a predefinable time.
  • 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 a laser device according to the invention of the ignition device according to FIG. 1,
  • FIG. 3 a shows a time profile of different operating variables of the laser device according to the invention from FIG. 2,
  • FIG. 3b shows a time profile of a transmission coefficient of a passive Q-switching, which is contained in the laser device according to FIG.
  • FIG. 4 a shows a further embodiment of the laser device according to the invention
  • FIG. 4b shows a cross-section of an optical waveguide device for use with the laser device according to the invention according to FIG. 4a
  • FIG. 5 shows a further cross section of an optical waveguide device for supplying the laser device according to the invention with pump light and with trigger radiation, and
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the laser device according to the invention, in which the loading of the laser device with pump light and with the trigger radiation takes place in different areas of the laser device.
  • 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 is connected to a designated also as a rail or common rail fuel pressure accumulator 20.
  • 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 which, depending on a control current, outputs pumping light of corresponding intensity via the optical waveguide device 28 to the laser device 26.
  • semiconductor laser diodes and other small-scale laser diodes and other small-scale lasers
  • 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 whose oscillatory behavior depends on the passive Q-switching 46 and thus at least indirectly controllable in a conventional manner is.
  • the pumping light 60 is directed by the light-guiding device 28 already described with reference to FIG. 1 from the pumping light source 30, which is also already described, to the coupling-in mirror 42. Since the coupling-in mirror 42 is transparent to the wavelength (n) 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 fuel 22 present therein is ignited.
  • the laser oscillator 42, 44, 46, 48, an unillustrated optical amplifier for the optical amplification of the laser pulse 24 be assigned.
  • the method according to the invention provides for the loading of the laser device 26 or the passive Q-switching 46 contained therein with an additional trigger pulse 24 'present at the time tl is generated and delivered to the laser device 26.
  • Suitable means 50 for generating the trigger pulse 24 ' may be formed, for example, as a semiconductor laser diode and, for example structurally integrated into the pumping light source 30 ( Figure 1).
  • the trigger radiation corresponding to the trigger pulse 24 'from FIG. 3 a is represented by the block arrow 60' in FIG.
  • the additional loading of the laser device 26 according to the invention with the trigger radiation 60 'or the trigger pulse 24' advantageously has the effect that a transmission coefficient T (see FIG. 3b) of the passive Q-switching circuit which is essentially unchanged up to the time t 1 is transferred to the passive Q-switching circuit within a relatively short period of time larger value Ti increases, which corresponds to the faded state of the passive Q-switching circuit 46.
  • the onset of the laser operation can be predetermined by the selection of the start time tl and accordingly also the generation of the laser pulse 24, which is emitted according to Figure 3a shortly thereafter, at the time t3, from the laser device 26.
  • Figure 4a shows a particularly advantageous embodiment of the laser device 26 according to the invention, in which both the pump light 60 (not shown) and the trigger radiation 60 'of the laser device 26 by means of a single optical fiber device 28 is supplied.
  • the optical waveguide device 28 has the cross section depicted in FIG. 4b, from which it can be seen that the optical waveguide device 28 is formed by a plurality of individual optical fibers 28a, 28b combined in different groups.
  • the optical fibers 28a of the first group arranged radially on the outside according to FIG. 4b are provided according to the invention for guiding the trigger radiation 60 '(FIG. 4a).
  • the coupling-out optical system 40 which is designed as a biconvex lens, for example, which is arranged between an end section 28 'of the optical waveguide device 28 and the laser device 26, advantageously provides the possibility of optimally focusing the triggering radiation 60' on the passive Q-switching circuit 46, so that a sufficiently high radiation density of the trigger radiation 60 'is available for the inventive stimulated bleaching of the passive Q-switching circuit 46.
  • the laser device 26 is supplied with the pumping light 60 (FIG. 2) via the radially inner optical fibers 28 b of the optical waveguide device 28 in accordance with the cross section according to FIG. 4 b.
  • the source 50 may be e.g. may also be provided directly in the region of the laser device 26, which is indicated in Figure 4a by the function block 50 shown in dashed lines.
  • the source 50 which is e.g. a single laser emitter can advantageously also be arranged directly on the laser device 26, preferably in the region of the passive Q-switching circuit 46, so that the trigger radiation 60 'can be supplied directly to the passive Q-switching circuit 46 without substantial transmission losses.
  • FIG. 1 Another very advantageous configuration of the optical waveguide device 28 according to the invention is shown schematically in FIG. In contrast to the configuration of Figure 4b is in the
  • a central optical fiber 28c centered, which is provided for transmitting the trigger radiation 60 'from a corresponding radiation source such as a laser light source, preferably a semiconductor laser diode (not shown).
  • a corresponding radiation source such as a laser light source, preferably a semiconductor laser diode (not shown).
  • further optical fibers 28d are provided, which serve to guide the pumping light 60.
  • the configuration of the optical waveguide device 28 shown in FIG. 5 is advantageously used in combination with a laser device 26 according to the invention configured in accordance with FIG.
  • no centering or corresponding focusing optics or coupling optics 40 for coupling the trigger radiation 60 'into the laser device 26 is required due to the central arrangement of the central optical fiber 28c guiding the trigger radiation 60'.
  • a homogeneous pumping light distribution in the laser device 26 is achieved by the symmetrical arrangement of the further optical fibers 28d provided radially on the outside.
  • FIG. 6 shows a further advantageous embodiment of the laser device 26 according to the invention.
  • the laser device 26 according to FIG. 6 has a deflection mirror 41, via which pump light 60 can be irradiated by means of reflection into the laser device 26, as shown in FIG has relatively high transmission coefficients for the light of the laser pulse 24 in order to enable efficient decoupling of the laser pulse 24 from the laser device 26.
  • the triggering radiation 60 'provided according to the invention is not coupled in the same region of the laser device 26 as the pumping light 60, but in the present case, for example, directly in the region of the passive Q-switching circuit 46, i. on the left in FIG. 6, which avoids an otherwise possibly occurring, disturbing absorption of the trigger radiation 60 'in the laser-active solid 44, which only led to a reduction of the radiation density of the trigger radiation 60' in the region of the passive Q-switching 46.
  • the trigger radiation 60 ' can be supplied, analogously to the embodiments described with reference to FIGS. 2 and 4a, either via an optical waveguide device (not shown) provided for this purpose;
  • a corresponding light source in particular a laser light source, preferably a semiconductor laser diode, which is provided directly in the region of the laser device 26, in particular directly in the region of the passive Q-switching circuit 46.
  • the components forming the laser resonator 42, 44, 46, 48 whereby a monolithic arrangement of the laser device 26 is obtained.
  • This monolithic arrangement of the laser device 26 can advantageously also be assigned directly to a semiconductor laser diode which generates the trigger radiation 60 '.
  • the laser device 26 according to the invention is particularly suitable for use in an ignition device 27 (FIG. 1) of an internal combustion engine 10 of a motor vehicle, but can also be advantageously used in connection with stationary engines.
  • the inventive principle allows the targeted generation of laser pulses 24 by means of the passively Q-switched laser device 26, wherein in particular the time of generation of the laser pulse 24 directly depends on a temporal position tl of the inventively provided trigger pulse 24 ', so that existing in conventional systems uncertainty the time of generation of the laser pulse 24 is eliminated.

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Abstract

The invention relates to a method for operation of a laser device (26) which has a laser-active solid body (44) with a passive quality circuit (46), in which the laser device (26) has pump light (60) applied to it in order to produce a laser pulse (24). According to the invention, trigger radiation (60') is applied, in addition to the pump light (60), to the laser device (26) in order to switch the passive quality circuit (46) to a state of increased transmission at a predeterminable time (t1). This allows the time at which the laser pulse (24) is emitted to be predetermined precisely.

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Verfahren zum Betreiben einer LasereinrichtungMethod for operating a laser device
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung, die einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung aufweist, bei dem die Lasereinrichtung mit Pumplicht beaufschlagt wird, um einen Laserimpuls zu erzeugen.The invention relates to a method for operating a laser device which has a laser-active solid with a passive Q-switching, in which the laser device is subjected to pumping light in order to generate a laser pulse.
Die Erfindung betrifft ferner eine Lasereinrichtung mit einem laseraktiven Festkörper und einer passiven Güteschaltung, wobei die Lasereinrichtung mit Pumplicht beaufschlagbar ist, um einen Laserimpuls zu erzeugen.The invention further relates to a laser device with a laser-active solid and a passive Q-switching, wherein the laser device can be acted upon with pump light to generate a laser pulse.
Derartige Lasereinrichtungen und Betriebsverfahren hierfür sind bekannt und weisen den Nachteil auf, dass ein Zeitpunkt, zu dem der Laserimpuls infolge der Beaufschlagung der Lasereinrichtung mit Pumplicht erzeugt wird, nicht genau vorgebbar ist.Such laser devices and operating methods for this purpose are known and have the disadvantage that a point in time at which the laser pulse is generated as a result of the application of pumping light to the laser device can not be precisely predefined.
Zusätzlich sind auch sogenannte aktiv gütegeschaltete Lasersysteme bekannt, bei denen eine Veränderung der Resonatorgüte beispielsweise über elektrooptische Schalter wie z.B. Pockelszellen steuerbar ist. Obwohl diese aktiven Systeme im Vergleich zu passiv gütegeschalteten Systemen prinzipiell eine genauere Vorgabe des Zeitpunkts der Erzeugung eines Laserimpulses ermöglichen, erfordern sie einen wesentlich größeren konstruktiven Aufwand und bedingen dementsprechend hohe Fertigungskosten.In addition, so-called actively Q-switched laser systems are known in which a change in the resonator quality, for example via electro-optical switches such. Pockelszellen is controllable. Although these active systems compared to passive Q-switched systems in principle allow a more accurate specification of the timing of the generation of a laser pulse, they require a much greater design effort and therefore require high manufacturing costs.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lasereinrichtung und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass der Zeitpunkt der Erzeugung eines Laserimpulses genauer vorgebbar ist.Accordingly, it is an object of the present invention to improve a laser device and an operating method of the type mentioned in that the time of generation of a laser pulse is specified in more detail.
Diese Aufgabe wird bei einer Lasereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lasereinrichtung zusätzlich zu dem Pumplicht mit einer Triggerstrahlung beaufschlagt wird, um die passive Güteschaltung zu einem vorgebbaren Zeitpunkt in einen Zustand erhöhter Transmission zu versetzen.This object is achieved in a laser device of the type mentioned in the present invention that the laser device is acted upon in addition to the pumping light with a trigger radiation is to put the passive Q-switching in a state of increased transmission at a predetermined time.
Die erfindungsgemäße zusätzliche Beaufschlagung der Lasereinrichtung mit der Triggerstrahlung bewirkt vorteilhaft, dass ein Zeitpunkt des Ausbleichens der passiven Güteschaltung steuerbar ist. Durch eine geeignete Wahl der Pumprichtintensität bzw. des zeitlichen Verlaufs derThe additional loading of the laser device according to the invention with the trigger radiation advantageously has the effect that a time of fading of the passive Q-switching is controllable. By a suitable choice of the pumping intensity or the time course of the
Pumplichtintensität kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips der laseraktive Festkörper durch das optische Pumpen zunächst soweit optisch angeregt werden, dass sich eine gesteigerte Inversionsdichte einstellt, nicht jedoch bereits ein Laserbetrieb einsetzt. Zusätzlich zu der Beaufschlagung mit dem Pump licht wird erfindungsgemäß zu einem vorgebbaren Zeitpunkt die Triggerstrahlung in die Lasereinrichtung eingestrahlt, wodurch kurz darauf der passive Güteschalter ausbleicht und sich dementsprechend ein Laserbetrieb in der Lasereinrichtung einstellen kann, der schließlich zur Erzeugung des Laserimpulses führt.Pumplichtintensität can initially optically excited by applying the inventive principle of laser-active solids by the optical pumping that adjusts an increased inversion density, but not already uses a laser operation. In addition to the exposure to the pump light, the trigger radiation is irradiated to the laser device according to the invention at a predeterminable time, causing the passive Güteschalter fades shortly thereafter and can accordingly set a laser operation in the laser device, which eventually leads to the generation of the laser pulse.
Das erfindungsgemäße Prinzip nutzt die Tatsache aus, dass bei geeigneter Beaufschlagung der Lasereinrichtung bzw. der passiven Güteschaltung mit der Triggerstrahlung eine verhältnismäßig schnelle Änderung der Transmission der passiven Güteschaltung eintritt, so dass der Laserimpuls nahezu ohne zeitliche Verzögerung gegenüber der Beaufschlagung der Lasereinrichtung mit der Triggerstrahlung erzeugt wird.The principle according to the invention makes use of the fact that with a suitable loading of the laser device or the passive Q-switching with the trigger radiation, a relatively rapid change in the transmission of the passive Q-switching occurs, so that the laser pulse generates almost no time delay with respect to the exposure of the laser device to the trigger radiation becomes.
Ein besonders geringer konstruktiver Aufwand ergibt sich einer Erfindungsvariante zufolge dann, wenn das Pumplicht und die Triggerstrahlung der Lasereinrichtung über dieselbe Lichtleitereinrichtung zugeführt werden.A particularly small design effort results according to a variant of the invention, when the pumping light and the trigger radiation of the laser device are supplied via the same optical fiber device.
Besonders vorteilhaft kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die Lichtleitereinrichtung eine Mehrzahl von Lichtleitfasern aufweist, dass das Pumplicht über eine erste Gruppe von Lichtleitfasern geführt wird, und dass die Triggerstrahlung über eine zweite, vorzugsweise von der ersten Gruppe verschiedene, Gruppe von Lichtleitfasern geführt wird, wobei vorteilhaft durch eine relative Anordnung der einzelnen Lichtleitfasern zueinander eine räumliche Verteilung derAccording to the invention, it can furthermore be provided particularly advantageously that the optical waveguide device has a plurality of optical fibers, that the pump light is guided via a first group of optical fibers, and that the trigger radiation is guided via a second group of optical fibers, preferably different from the first group, wherein advantageously by a relative arrangement of the individual optical fibers to each other, a spatial distribution of
Pumplichtintensität und der Intensität der Triggerstrahlung vorgebbar ist. Ein weiterer Vorteil dieser Erfindungsvariante besteht darin, dass die zu einer Lichtleitereinrichtung zusammengefassten mehreren Lichtleitfasern eine besonders einfache und effiziente Einkopplung des Pumplichts und der Triggerstrahlung in die betreffenden Lichtleitfasern ermöglichen, indem die betreffenden Lichtleitfasern eingangsseitig der jeweiligen optischen Quelle zugeordnet werden. Ganz besonders vorteilhaft kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass in der Lichteleitereinrichtung radial außenseitig angeordnete Lichtleitfasern zur Führung der Triggerstrahlung verwendet werden, und dass radial weiter innen angeordnete Lichtleitfasern zur Führung des Pumplichts verwendet werden, wobei vorzugsweise eine Einkoppeloptik zwischen einem Ausgang der Lichtleitereinrichtung und der Lasereinrichtung vorgesehen ist. Die Einkoppeloptik kann beispielsweise eine bikonvexe Linse oder ein vergleichbares optisches System umfassen und bewirkt vorteilhaft eine Fokussierung der erfindungsgemäß bereitgestellten Triggerstrahlung auf denjenigen Bereich der Lasereinrichtung, der die passive Güteschaltung aufweist. Hierdurch ist vorteilhaft gewährleistet, dass die minimal erforderliche Intensität der Triggerstrahlung, die für ein gezieltes, schnelles Ausbleichen der passiven Güteschaltung erforderlich ist, erreicht wird.Pumplichtintensität and the intensity of the trigger radiation can be specified. A further advantage of this variant of the invention is that the plurality of optical fibers combined to form an optical waveguide device allow a particularly simple and efficient coupling of the pumping light and the triggering radiation into the respective optical fibers by assigning the respective optical fibers on the input side to the respective optical source. According to the invention, it may also be particularly advantageous for optical fibers arranged radially on the outside to be used to guide the trigger radiation, and for optical fibers to be used radially to guide the pumping light, preferably a coupling-in optical system between an output of the optical waveguide device and the laser device is provided. The coupling-in optical system can, for example, comprise a biconvex lens or a comparable optical system and advantageously effects a focusing of the trigger radiation provided according to the invention on that area of the laser device which has the passive Q-switching. This ensures advantageous that the minimum required intensity of the trigger radiation, which is required for a targeted, rapid fading of the passive Q-switching is achieved.
Einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge kann die Triggerstrahlung auch durch eine separate Lichtquelle, insbesondere eine Laserlichtquelle, vorzugsweise eine Halbleiter-Laserdiode, bereitgestellt werden, die bevorzugt direkt im Bereich der Lasereinrichtung, insbesondere direkt im Bereich der passiven Güteschaltung, angeordnet ist. In diesem Fall ist die Verwendung einer Lichtleitereinrichtung zur Versorgung der Lasereinrichtung bzw. der passiven Güteschaltung mit der Triggerstrahlung nicht erforderlich. Die Einkopplung der erfindungsgemäß bereitgestellten Triggerstrahlung kann vorzugsweise axial, d.h. im üblichen analog zur Einkopplung des Pumplichts in die Lasereinrichtung, erfolgen; es ist jedoch auch denkbar, die Triggerstrahlung der Lasereinrichtung bzw. der passiven Güteschaltung lateral zuzuführen.According to a further very advantageous variant of the invention, the trigger radiation can also be provided by a separate light source, in particular a laser light source, preferably a semiconductor laser diode, which is preferably arranged directly in the region of the laser device, in particular directly in the region of the passive Q-switching. In this case, the use of a light guide device for supplying the laser device or the passive Q-switching with the trigger radiation is not required. The coupling of the trigger radiation provided according to the invention may preferably be axial, i. in the usual analogous to the coupling of the pumping light in the laser device, take place; However, it is also conceivable to feed the trigger radiation of the laser device or the passive Q-circuit laterally.
Besonders vorteilhaft wird einer weiteren Erfindungsvariante zufolge die Triggerstrahlung zumindest teilweise direkt in die passive Güteschaltung eingestrahlt, wodurch sich eine besonders effiziente optische Anregung der passiven Güteschaltung und ein damit korrespondierendes besonders schnelles Ausbleichen der passiven Güteschaltung ergibt, so dass eine Zeitdifferenz zwischen der Beaufschlagung der passiven Güteschaltung mit der Triggerstrahlung und der Erzeugung des Laserimpulses minimal wird.According to a further variant of the invention, the trigger radiation is irradiated at least partially directly into the passive Q-switching, resulting in a particularly efficient optical excitation of the passive Q-switching and a corresponding particularly fast fading of the passive Q-switching, so that a time difference between the application of the passive Q-switching with the trigger radiation and the generation of the laser pulse is minimal.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist vorgesehen, dass ein zeitlicher Verlauf der Intensität der Triggerstrahlung, insbesondere eine Startzeit und/oder eine Amplitude eines Triggerimpulses und/oder eine Impulsbreite und/oder eine Impulsdauer in Abhängigkeit eines zeitlichen Verlaufs der Intensität des Pumplichts vorgegeben wird. Hierdurch ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, die in Form der Triggerstrahlung in die Lasereinrichtung eingestrahlte Energie bzw. den entsprechenden zeitlichen Verlauf an eine bereits in der Lasereinrichtung 26 herrschende Inversionsdichte anzupassen, wodurch ein weiterer Freiheitsgrad bei der Erzeugung des Laserimpulses gegeben ist. Anstelle eines einzelnen Triggerimpulses ist es erfindungsgemäß ferner möglich, mehrere Triggerimpulse zu verwenden, um ein Ausbleichen der passiven Güteschaltung zu bewirken.In a further very advantageous embodiment of the operating method according to the invention, it is provided that a time profile of the intensity of the trigger radiation, in particular a start time and / or an amplitude of a trigger pulse and / or a pulse width and / or a pulse duration as a function of a time course of the intensity of the pump light is given. This advantageously provides the possibility of adapting the energy radiated in the laser device in the form of the trigger radiation or the corresponding time profile to an inversion density already prevailing in the laser device 26, whereby a further degree of freedom is provided in the generation of the laser pulse. Instead of a single trigger pulse, it is further possible according to the invention to use a plurality of trigger pulses in order to cause a fading of the passive Q-switching.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren eignet sich besonders gut zur Verwendung in einer laserbasierten Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Der Einsatz des erfindungemäßen Betriebsverfahrens bei Zündeinrichtungen von Stationärmotoren oder generell anderen Laser-Impulsanwendungen ist ebenfalls denkbar.The operating method according to the invention is particularly well suited for use in a laser-based ignition device of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle. The use of erfindungemäßen operating method for ignition of stationary engines or generally other laser pulse applications is also conceivable.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Lasereinrichtung gemäß Patentanspruch 10 angegeben. Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung weist Mittel zur Erzeugung einer Triggerstrahlung auf, mit der die Lasereinrichtung zusätzlich zu dem Pumplicht beaufschlagbar ist, um die passive Güteschaltung zu einem vorgebbaren Zeitpunkt in einen Zustand erhöhter Transmission zu versetzen.As a further solution of the object of the present invention, a laser device according to claim 10 is given. The laser device according to the invention has means for generating a trigger radiation with which the laser device can be acted upon in addition to the pumping light in order to put the passive Q-switching into a state of increased transmission at a predefinable time.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
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.Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures of the drawing. All described or illustrated features, alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency and regardless of their formulation or representation in the description or in the drawing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
In der Zeichnung zeigt:In the drawing shows:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Zündeinrichtung zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with an ignition device for use with the method according to the invention,
Figur 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lasereinrichtung der Zündeinrichtung gemäß Figur 1 ,FIG. 2 shows an embodiment of a laser device according to the invention of the ignition device according to FIG. 1,
Figur 3 a einen zeitlichen Verlauf verschiedener Betriebsgrößen der erfindungsgemäßen Laseremrichtung aus Figur 2, Figur 3b einen zeitlichen Verlauf eines Transmissionskoeffizienten einer passiven Güteschaltung, die in der Lasereinrichtung gemäß Figur 2 enthalten ist,FIG. 3 a shows a time profile of different operating variables of the laser device according to the invention from FIG. 2, FIG. 3b shows a time profile of a transmission coefficient of a passive Q-switching, which is contained in the laser device according to FIG.
Figur 4a eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung,FIG. 4 a shows a further embodiment of the laser device according to the invention,
Figur 4b einen Querschnitt einer Lichtleitereinrichtung zur Verwendung mit der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung nach Figur 4a,FIG. 4b shows a cross-section of an optical waveguide device for use with the laser device according to the invention according to FIG. 4a,
Figur 5 einen weiteren Querschnitt einer Lichtleitereinrichtung zur Versorgung der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung mit Pumplicht und mit einer Triggerstrahlung, undFIG. 5 shows a further cross section of an optical waveguide device for supplying the laser device according to the invention with pump light and with trigger radiation, and
Figur 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung, bei der die Beaufschlagung der Lasereinrichtung mit Pumplicht und mit der Triggerstrahlung in verschiedenen Bereichen der Lasereinrichtung erfolgt.6 shows a further embodiment of the laser device according to the invention, in which the loading of the laser device with pump light and with the trigger radiation takes place in different areas of the laser device.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
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.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 is connected to a designated also as a rail or common rail fuel pressure accumulator 20.
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.Injected into the combustion chamber 14 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. For this purpose, 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.
Beispielsweise kann es sich bei der Pumplichtquelle 30 um eine Halbleiter-Laserdiode handeln, die in Abhängigkeit eines Steuerstroms Pumplicht entsprechender Intensität über die Lichtleitereinrichtung 28 an die Lasereinrichtung 26 ausgibt. Obwohl Halbleiter-Laserdioden und andere klein bauendeFor example, the pumping light source 30 may be a semiconductor laser diode which, depending on a control current, outputs pumping light of corresponding intensity via the optical waveguide device 28 to the laser device 26. Although semiconductor laser diodes and other small-scale
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.Pump light sources are preferably used for use in the automotive sector, for the operation of the ignition device 27 according to the invention, in principle, any type of pump light source can be used. FIG. 2 schematically shows a detail view of the laser device 26 from FIG. 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.As can be seen from FIG. 2, 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 Auskoppelspiegel 48, a laser oscillator whose oscillatory behavior depends on the passive Q-switching 46 and thus at least indirectly controllable in a conventional manner is.
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 zu dem Einkoppelspiegel 42 geleitet. Da der Einkoppelspiegel 42 für die Wellenlänge(n) des Pumplichts 60 durchsichtig ist, dringt das Pumplicht 60 in den laseraktiven Festkörper 44 ein und führt darin zu einer an sich bekannten Besetzungsinversion.In the configuration of the laser device 26 shown in FIG. 2, the pumping light 60 is directed by the light-guiding device 28 already described with reference to FIG. 1 from the pumping light source 30, which is also already described, to the coupling-in mirror 42. Since the coupling-in mirror 42 is transparent to the wavelength (n) of the pumping light 60, the pumping light 60 penetrates into the laser-active solid 44, resulting in a known population inversion.
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.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.
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.This results in a laser pulse 24, also referred to as a giant pulse, which has a relatively high peak power. If appropriate, 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 fuel 22 present therein is ignited.
Gegebenenfalls kann dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 ein nicht gezeigter optischer Verstärker zur optischen Verstärkung des Laserimpulses 24 zugeordnet sein.Optionally, the laser oscillator 42, 44, 46, 48, an unillustrated optical amplifier for the optical amplification of the laser pulse 24 be assigned.
Da unter Verwendung der vorstehend beschriebenen passiven Güteschaltung 46 der genaue Zeitpunkt der Erzeugung des Laserimpulses 24 mit herkömmlichen Betriebsverfahren in der Regel nicht genau festlegbar ist, wird das nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 3a und 3b näher beschriebene erfindungsgemäße Betriebsverfahren durchgeführt. Zunächst wird ab dem Zeitpunkt tθ in bekannter Weise die Lasereinrichtung 26 von einer Pumplichtquelle 30 (Figur 1) mit Pumplicht 60 (Figur 2) beaufschlagt, so dass sich der aus Figur 3a ersichtliche lineare Anstieg der Inversionsdichte N in der Lasereinrichtung 26 ergibt. Bevor jedoch allein aufgrund des optischen Pumpens mittels des Pumplichts 60 in herkömmlicher Weise ein Laserimpuls 24 erzeugt würde, sieht das erfindungsgemäße Verfahren die Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 bzw. der darin enthaltenen passiven Güteschaltung 46 mit einem zusätzlichen Triggerimpuls 24' vor, der vorliegend zu dem Zeitpunkt tl erzeugt und an die Lasereinrichtung 26 abgegeben wird. Geeignete Mittel 50 zur Erzeugung des Triggerimpulses 24' können beispielsweise als Halbleiter-Laserdiode ausgebildet sein und z.B. baulich integriert sein in die Pumplichtquelle 30 (Figur 1). Die dem Triggerimpuls 24' aus Figur 3a entsprechende Triggerstrahlung ist durch den Blockpfeil 60' in Figur 2 repräsentiert.Since, using the passive Q-switch 46 described above, the exact timing of the generation of the laser pulse 24 can not usually be accurately determined by conventional operating methods, the method of operation of the present invention described in more detail below with reference to Figs. 3a and 3b is performed. First, from the time tθ in a known manner, the laser device 26 from a pump light source 30 (Figure 1) with pumping light 60 (Figure 2) acted upon, so that the apparent from Figure 3a linear increase in the inversion density N results in the laser device 26. However, before a laser pulse 24 would be generated in a conventional manner solely on account of the optical pumping by means of the pumping light 60, the method according to the invention provides for the loading of the laser device 26 or the passive Q-switching 46 contained therein with an additional trigger pulse 24 'present at the time tl is generated and delivered to the laser device 26. Suitable means 50 for generating the trigger pulse 24 'may be formed, for example, as a semiconductor laser diode and, for example structurally integrated into the pumping light source 30 (Figure 1). The trigger radiation corresponding to the trigger pulse 24 'from FIG. 3 a is represented by the block arrow 60' in FIG.
Die erfindungsgemäße zusätzliche Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 mit der Triggerstrahlung 60' bzw. dem Triggerimpuls 24' bewirkt vorteilhaft, dass ein bis zum dem Zeitpunkt tl im wesentlichen unveränderter Transmissionskoeffizient T (vgl. Figur 3b) der passiven Güteschaltung 46 innerhalb eines verhältnismäßigen kurzen Zeitraums auf einen größeren Wert Ti ansteigt, der dem ausgeblichenen Zustand der passiven Güteschaltung 46 entspricht. D.h., durch die erfindungsgemäße zusätzliche Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 mit der Triggerstrahlung 60' ergibt sich in unmittelbarem zeitlichen Zusammenhang mit dem Startzeitpunkt tl des Triggerimpulses 24' das Ausbleichen der passiven Güteschaltung 46 und damit das Einsetzen des Laserbetriebs in dem Laseroszillator 42, 44, 46, 48 der Lasereinrichtung 26 (Figur 2). Auf diese Weise kann demnach vorteilhaft das Einsetzen des Laserbetriebs durch die Wahl des Startzeitpunkts tl vorgegeben werden und dementsprechend auch die Erzeugung des Laserimpulses 24, der gemäß Figur 3 a kurz darauf, zu dem Zeitpunkt t3, von der Lasereinrichtung 26 abgestrahlt wird.The additional loading of the laser device 26 according to the invention with the trigger radiation 60 'or the trigger pulse 24' advantageously has the effect that a transmission coefficient T (see FIG. 3b) of the passive Q-switching circuit which is essentially unchanged up to the time t 1 is transferred to the passive Q-switching circuit within a relatively short period of time larger value Ti increases, which corresponds to the faded state of the passive Q-switching circuit 46. That is, by the inventive additional loading of the laser device 26 with the trigger radiation 60 'results in immediate temporal relationship with the start time tl of the trigger pulse 24', the fading of the passive Q-switching circuit 46 and thus the onset of laser operation in the laser oscillator 42, 44, 46, 48 of the laser device 26 (Figure 2). In this way, advantageously, the onset of the laser operation can be predetermined by the selection of the start time tl and accordingly also the generation of the laser pulse 24, which is emitted according to Figure 3a shortly thereafter, at the time t3, from the laser device 26.
Während der Emission des Laserimpulses 24 reduziert sich die bis zu dem Zeitpunkt t2 aufgrund des optischen Pumpens durch das Pump licht 60 auf den Maximalwert N2 angestiegene Inversionsdichte N in der Lasereinrichtung 26, vergleiche Figur 3 a.During the emission of the laser pulse 24, the increased up to the time t2 due to the optical pumping by the pumping light 60 to the maximum value N 2 increased inversion density N in the laser device 26, see Figure 3 a.
Figur 4a zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26, bei der sowohl das Pump licht 60 (nicht gezeigt) und die Triggerstrahlung 60' der Lasereinrichtung 26 mittels einer einzigen Lichtleitereinrichtung 28 zugeführt wird.Figure 4a shows a particularly advantageous embodiment of the laser device 26 according to the invention, in which both the pump light 60 (not shown) and the trigger radiation 60 'of the laser device 26 by means of a single optical fiber device 28 is supplied.
Die Lichtleitereinrichtung 28 weist hierbei den in Figur 4b abgebildeten Querschnitt auf, aus dem erkennbar ist, dass die Lichtleitereinrichtung 28 gebildet ist durch eine Mehrzahl von in verschiedenen Gruppen zusammengefassten einzelnen Lichtleitfasern 28a, 28b. Die gemäß Figur 4b radial außenseitig angeordneten Lichtleitfasern 28a der ersten Gruppe sind erfindungsgemäß zur Führung der Triggerstrahlung 60' (Figur 4a) vorgesehen. Dadurch ist unter Verwendung der beispielsweise als bikonvexe Linse ausgebildeten Auskoppeloptik 40, die gemäß Figur 4a zwischen einem Endabschnitt 28' der Lichtleitereinrichtung 28 und der Lasereinrichtung 26 angeordnet ist, vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, die Triggerstrahlung 60' optimal auf die passive Güteschaltung 46 zu fokussieren, so dass eine hinreichend hohe Strahlungsdichte der Triggerstrahlung 60' für das erfindungsgemäße stimulierte Ausbleichen der passiven Güteschaltung 46 zur Verfügung steht.In this case, the optical waveguide device 28 has the cross section depicted in FIG. 4b, from which it can be seen that the optical waveguide device 28 is formed by a plurality of individual optical fibers 28a, 28b combined in different groups. The optical fibers 28a of the first group arranged radially on the outside according to FIG. 4b are provided according to the invention for guiding the trigger radiation 60 '(FIG. 4a). As a result, using the coupling-out optical system 40, which is designed as a biconvex lens, for example, which is arranged between an end section 28 'of the optical waveguide device 28 and the laser device 26, advantageously provides the possibility of optimally focusing the triggering radiation 60' on the passive Q-switching circuit 46, so that a sufficiently high radiation density of the trigger radiation 60 'is available for the inventive stimulated bleaching of the passive Q-switching circuit 46.
Bei der in Figur 4a abgebildeten Konfiguration wird der Lasereinrichtung 26 das Pumplicht 60 (Figur 2) über die gemäß dem Querschnitt nach Figur 4b radial inneren Lichtleitfasern 28b der Lichtleitereinrichtung 28 zugeführt.In the configuration shown in FIG. 4 a, the laser device 26 is supplied with the pumping light 60 (FIG. 2) via the radially inner optical fibers 28 b of the optical waveguide device 28 in accordance with the cross section according to FIG. 4 b.
Alternativ zu der Versorgung der Lasereinrichtung 26 mit der Triggerstrahlung 60' durch eine entfernt angeordnete Quelle 50 kann die Quelle 50 z.B. auch direkt im Bereich der Lasereinrichtung 26 vorgesehen sein, was in Figur 4a durch den gestrichelt dargestellten Funktionsblock 50 angedeutet ist. Die Quelle 50, bei der es sich z.B. um einen einzelnen Laseremitter handeln kann, kann vorteilhaft auch direkt an der Lasereinrichtung 26 angeordnet sein, bevorzugt im Bereich der passiven Güteschaltung 46, so dass die Triggerstrahlung 60' ohne wesentliche Transmissionsverluste direkt der passiven Güteschaltung 46 zuführbar ist.As an alternative to supplying the laser device 26 with the trigger radiation 60 'through a remotely located source 50, the source 50 may be e.g. may also be provided directly in the region of the laser device 26, which is indicated in Figure 4a by the function block 50 shown in dashed lines. The source 50, which is e.g. a single laser emitter can advantageously also be arranged directly on the laser device 26, preferably in the region of the passive Q-switching circuit 46, so that the trigger radiation 60 'can be supplied directly to the passive Q-switching circuit 46 without substantial transmission losses.
Eine weitere sehr vorteilhafte Konfiguration der erfindungsgemäßen Lichtleitereinrichtung 28 ist in Figur 5 schematisch dargestellt. Im Gegensatz zu der Konfiguration nach Figur 4b ist bei derAnother very advantageous configuration of the optical waveguide device 28 according to the invention is shown schematically in FIG. In contrast to the configuration of Figure 4b is in the
Konfiguration nach Figur 5 eine zentrale Lichtleitfaser 28c mittig angeordnet, die zur Übertragung der Triggerstrahlung 60' von einer entsprechenden Strahlungsquelle wie beispielsweise einer Laserlichtquelle, vorzugsweise einer Halbleiter-Laserdiode (nicht gezeigt) vorgesehen ist. Radial außenseitig der zentralen Lichtleitfaser 28c sind weitere Lichtleitfasern 28d vorgesehen, die zur Führung des Pumplichts 60 dienen. Die in Figur 5 abgebildete Konfiguration der Lichtleitereinrichtung 28 wird vorteilhaft in Kombination mit einer gemäß Figur 2 ausgestalteten erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 verwendet. Insbesondere ist durch die mittige Anordnung der die Triggerstrahlung 60' führenden zentralen Lichtleitfaser 28c keine Fokussierung bzw. eine entsprechende Fokussieroptik bzw. Einkoppeloptik 40 zur Einkopplung der Triggerstrahlung 60' in die Lasereinrichtung 26 erforderlich. Gleichzeitig wird durch die symmetrische Anordnung der radial außenseitig vorgesehenen weiteren Lichtfasern 28d eine homogene Pumplichtverteilung in der Lasereinrichtung 26 erzielt.Configuration of Figure 5, a central optical fiber 28c centered, which is provided for transmitting the trigger radiation 60 'from a corresponding radiation source such as a laser light source, preferably a semiconductor laser diode (not shown). Radially outside the central optical fiber 28c, further optical fibers 28d are provided, which serve to guide the pumping light 60. The configuration of the optical waveguide device 28 shown in FIG. 5 is advantageously used in combination with a laser device 26 according to the invention configured in accordance with FIG. In particular, no centering or corresponding focusing optics or coupling optics 40 for coupling the trigger radiation 60 'into the laser device 26 is required due to the central arrangement of the central optical fiber 28c guiding the trigger radiation 60'. At the same time, a homogeneous pumping light distribution in the laser device 26 is achieved by the symmetrical arrangement of the further optical fibers 28d provided radially on the outside.
Figur 6 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26. Im Unterschied zu den vorstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 4a beschriebenen Konfigurationen weist die Lasereinrichtung 26 gemäß Figur 6 einen Umlenkspiegel 41 auf, über den wie aus Figur 6 ersichtlich Pumplicht 60 im Wege einer Reflexion in die Lasereinrichtung 26 einstrahlbar ist, der jedoch einen verhältnismäßig hohen Transmissionskoeffizienten für das Licht des Laserimpulses 24 aufweist, um eine effiziente Auskopplung des Laserimpulses 24 aus der Lasereinrichtung 26 zu ermöglichen.FIG. 6 shows a further advantageous embodiment of the laser device 26 according to the invention. In contrast to the configurations described above with reference to FIGS. 2 and 4a, the laser device 26 according to FIG. 6 has a deflection mirror 41, via which pump light 60 can be irradiated by means of reflection into the laser device 26, as shown in FIG has relatively high transmission coefficients for the light of the laser pulse 24 in order to enable efficient decoupling of the laser pulse 24 from the laser device 26.
Bei der Konfiguration gemäß Figur 6 wird die erfindungsgemäß vorgesehene Triggerstrahlung 60' nicht in demselben Bereich der Lasereinrichtung 26 eingekoppelt wie das Pumplicht 60, sondern vorliegend beispielsweise direkt im Bereich der passiven Güteschaltung 46, d.h. links in Figur 6, wodurch eine ansonsten ggf. auftretende, störende Absorption der Triggerstrahlung 60' in dem laseraktiven Festkörper 44 vermieden wird, die lediglich zu einer Verringerung der Strahlungsdichte der Triggerstrahlung 60' in dem Bereich der passiven Güteschaltung 46 führte.In the configuration according to FIG. 6, the triggering radiation 60 'provided according to the invention is not coupled in the same region of the laser device 26 as the pumping light 60, but in the present case, for example, directly in the region of the passive Q-switching circuit 46, i. on the left in FIG. 6, which avoids an otherwise possibly occurring, disturbing absorption of the trigger radiation 60 'in the laser-active solid 44, which only led to a reduction of the radiation density of the trigger radiation 60' in the region of the passive Q-switching 46.
Die Triggerstrahlung 60' kann bei der Konfiguration gemäß Figur 6 analog zu den unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 4a beschriebenen Ausführungsbeispielen entweder über eine hierfür vorgesehene Lichtleitereinrichtung (nicht gezeigt) zugeführt werden; bevorzugt ist jedoch die Erzeugung der Triggerstrahlung 60' in einer entsprechenden Lichtquelle, insbesondere einer Laserlichtquelle, vorzugsweise einer Halbleiter-Laserdiode, die direkt in dem Bereich der Lasereinrichtung 26, insbesondere direkt in dem Bereich der passiven Güteschaltung 46, vorgesehen ist.In the configuration according to FIG. 6, the trigger radiation 60 'can be supplied, analogously to the embodiments described with reference to FIGS. 2 and 4a, either via an optical waveguide device (not shown) provided for this purpose; However, it is preferred to generate the trigger radiation 60 'in a corresponding light source, in particular a laser light source, preferably a semiconductor laser diode, which is provided directly in the region of the laser device 26, in particular directly in the region of the passive Q-switching circuit 46.
Beispielsweise ist es möglich, die den Laserresonator 42, 44, 46, 48 bildenden Komponenten einstückig auszubilden, wodurch eine monolithische Anordnung der Lasereinrichtung 26 erhalten wird. Dieser monolithischen Anordnung der Lasereinrichtung 26 kann vorteilhaft auch direkt eine die Triggerstrahlung 60' erzeugende Halbleiter-Laserdiode zugeordnet werden.For example, it is possible to integrally form the components forming the laser resonator 42, 44, 46, 48, whereby a monolithic arrangement of the laser device 26 is obtained. This monolithic arrangement of the laser device 26 can advantageously also be assigned directly to a semiconductor laser diode which generates the trigger radiation 60 '.
Neben der rein axialen Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 mit der Triggerstrahlung 60' ist auch eine laterale Anregung der Lasereinrichtung 26 bzw. der passiven Güteschaltung 46 mit der Triggerstrahlung möglich, wie dies durch die gestrichelt in Figur 6 abgebildeten Blockpfeile 60" symbolisiert ist.In addition to the purely axial loading of the laser device 26 with the trigger radiation 60 ', a lateral excitation of the laser device 26 or the passive Q-switching circuit 46 with the trigger radiation is possible, as symbolized by the dashed arrows 60 "shown in dashed lines in FIG.
Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 26 eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer Zündeinrichtung 27 (Figur 1) einer Brennkraftmaschine 10 eines Kraftfahrzeugs, kann vorteilhaft jedoch auch im Zusammenhang mit Stationärmotoren verwendet werden. Generell ermöglicht das erfindungsgemäße Prinzip die gezielte Erzeugung von Laserimpulsen 24 mittels der passiv gütegeschalteten Lasereinrichtung 26, wobei insbesondere der Zeitpunkt der Erzeugung des Laserimpulses 24 direkt abhängt von einer zeitlichen Lage tl des erfindungsgemäß vorgesehenen Triggerimpulses 24', so dass die bei herkömmlichen Systemen bestehende Unsicherheit bezüglich des Zeitpunkts der Erzeugung des Laserimpulses 24 ausgeräumt ist. The laser device 26 according to the invention is particularly suitable for use in an ignition device 27 (FIG. 1) of an internal combustion engine 10 of a motor vehicle, but can also be advantageously used in connection with stationary engines. In general, the inventive principle allows the targeted generation of laser pulses 24 by means of the passively Q-switched laser device 26, wherein in particular the time of generation of the laser pulse 24 directly depends on a temporal position tl of the inventively provided trigger pulse 24 ', so that existing in conventional systems uncertainty the time of generation of the laser pulse 24 is eliminated.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (26), die einen laseraktiven Festkörper (44) mit einer passiven Güteschaltung (46) aufweist, bei dem die Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht (60) beaufschlagt wird, um einen Laserimpuls (24) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) zusätzlich zu dem Pumplicht (60) mit einer Triggerstrahlung (60') beaufschlagt wird, um die passive Güteschaltung (46) zu einem vorgebbaren Zeitpunkt (tl) in einen Zustand erhöhter Transmission zu versetzen.A method of operating a laser device (26) having a laser-active solid (44) with a passive Q-switching (46), wherein the laser device (26) with pumping light (60) is applied to generate a laser pulse (24) , characterized in that the laser device (26) in addition to the pumping light (60) with a trigger radiation (60 ') is acted upon to put the passive Q-switching (46) at a predetermined time (tl) in a state of increased transmission.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pump licht (60) und die Triggerstrahlung (60') der Lasereinrichtung (26) über dieselbe Lichtleitereinrichtung (28) zugeführt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the pump light (60) and the trigger radiation (60 ') of the laser device (26) via the same optical fiber device (28) are supplied.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitereinrichtung (28) eine Mehrzahl von Lichtleitfasern (28a, 28b, ..) aufweist, dass das Pumplicht (60) über eine erste Gruppe von Lichtleitfasern (28a, 28b, ..) geführt wird, und dass die Triggerstrahlung (60') über eine zweite, vorzugsweise von der ersten Gruppe verschiedene, Gruppe von Lichtleitfasern (28a, 28b, ..) geführt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the optical waveguide device (28) has a plurality of optical fibers (28a, 28b, ..) that the pumping light (60) via a first group of optical fibers (28a, 28b, ..) is guided, and that the trigger radiation (60 ') via a second, preferably different from the first group, group of optical fibers (28a, 28b, ..) is guided.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lichtleitereinrichtung (28) radial außenseitig angeordnete Lichtleitfasern (28a) zur Führung der Triggerstrahlung (60') verwendet werden, und dass radial weiter innen angeordnete Lichtleitfasern (28b) zur Führung des Pumplichts (60) verwendet werden, wobei vorzugsweise eine Einkoppeloptik (40) zwischen einem Ausgang der Lichtleitereinrichtung (28) und der Lasereinrichtung (26) vorgesehen ist.4. The method according to claim 3, characterized in that in the optical waveguide device (28) radially outwardly arranged optical fibers (28a) for guiding the trigger radiation (60 ') are used, and that radially further inwardly arranged optical fibers (28b) for guiding the pump light ( 60), wherein preferably a coupling-in optical system (40) is provided between an output of the optical waveguide device (28) and the laser device (26).
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggerstrahlung (60'), vorzugsweise mittels einer Einkoppeloptik (40), auf die passive Güteschaltung (46) fokussiert wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the trigger radiation (60 '), preferably by means of a coupling optics (40), is focused on the passive Q-switching (46).
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggerstrahlung (60') zumindest teilweise direkt in die passive Güteschaltung (46) eingestrahlt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the trigger radiation (60 ') at least partially directly into the passive Q-switching (46) is irradiated.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf der Intensität der Triggerstrahlung (60'), insbesondere eine Startzeit und/oder eine Amplitude eines Triggerimpulses (24') und/oder eine Impulsbreite und/oder eine Impulsdauer, in Abhängigkeit eines zeitlichen Verlaufs der Intensität des Pumplichts (60) vorgegeben wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a temporal course of the intensity of the trigger radiation (60 '), in particular a start time and / or an amplitude of a trigger pulse (24') and / or a pulse width and / or a pulse duration, is predetermined as a function of a time course of the intensity of the pump light (60).
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Triggerimpulse (24') verwendet werden.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a plurality of trigger pulses (24 ') are used.
9. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Erzeugung von Laserimpulsen (24) für eine Zündeinrichtung (27) einer Brennkraftmaschine (10) insbesondere eines Kraftfahrzeugs.9. Use of the method according to any one of the preceding claims for generating laser pulses (24) for an ignition device (27) of an internal combustion engine (10) in particular of a motor vehicle.
10. Lasereinrichtung (26) mit einem laseraktiven Festkörper (44) und einer passiven Güteschaltung (46), wobei die Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht (60) beaufschlagbar ist, um einen Laserimpuls (24) zu erzeugen, gekennzeichnet durch Mittel (50) zur Erzeugung einer Triggerstrahlung (60'), mit der die Lasereinrichtung (26) zusätzlich zu dem Pumplicht (60) beaufschlagbar ist, um die passive Güteschaltung (46) zu einem vorgebbaren Zeitpunkt (tl) in einen Zustand erhöhter Transmission zu versetzen.10. laser device (26) having a laser-active solid (44) and a passive Q-switching (46), wherein the laser device (26) with pump light (60) can be acted upon to generate a laser pulse (24), characterized by means (50) for generating a trigger radiation (60 ') with which the laser device (26) can be acted upon in addition to the pumping light (60) in order to place the passive Q-switching circuit (46) in a state of increased transmission at a predeterminable instant (t 1).
11. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einkoppeloptik (40) zur Einkopplung von Pumplicht (60) und/oder Triggerstrahlung (60') in die Lasereinrichtung (26).11. Laser device (26) according to claim 10, characterized by a coupling-in optics (40) for coupling pumping light (60) and / or trigger radiation (60 ') into the laser device (26).
12. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (50) zur Erzeugung der Triggerstrahlung (60') eine Lichtquelle, insbesondere eine12. Laser device (26) according to any one of claims 10 to 11, characterized in that the means (50) for generating the trigger radiation (60 ') is a light source, in particular a
Laserlichtquelle, vorzugsweise eine Halbleiter-Laserdiode, aufweisen, die direkt im Bereich der Lasereinrichtung (26), insbesondere direkt im Bereich der passiven Güteschaltung (46), angeordnet istLaser light source, preferably a semiconductor laser diode, having, directly in the region of the laser device (26), in particular directly in the region of the passive Q-switching (46) is arranged
13. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch mindestens eine Lichtleitereinrichtung (28) zur Versorgung der Lasereinrichtung (26) bzw. der passiven Güteschaltung (46) mit dem Pumplicht (60) und/oder der Triggerstrahlung (60').13. Laser device (26) according to any one of claims 10 to 12, characterized by at least one optical fiber device (28) for supplying the laser device (26) or the passive Q-circuit (46) with the pumping light (60) and / or the trigger radiation (60 ').
14. Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitereinrichtung (28) eine Mehrzahl von Lichtleitfasern (28a, 28b, ..) aufweist, wobei eine erste Gruppe von Lichtleitfasern (28a, 28b, ..) zur Führung des Pumplichts (60) vorgesehen ist, und wobei eine zweite Gruppe von Lichtleitfasern (28a, 28b, ..) zur Führung der Triggerstrahlung (60') vorgesehen ist.14. Laser device (26) according to one of claims 10 to 13, characterized in that the optical waveguide device (28) has a plurality of optical fibers (28a, 28b, ..), wherein a first group of optical fibers (28a, 28b, .. ) is provided for guiding the pumping light (60), and wherein a second group of optical fibers (28a, 28b, ..) for guiding the trigger radiation (60 ') is provided.
15. Lasereinrichtung (26) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gruppen bzw. einzelne Lichtleitfasern (28a, 28b) der beiden Gruppen an einem Endabschnitt (28') der Lichtleitereinrichtung (28), der in dem Bereich der Lasereinrichtung (26) angeordnet ist, relativ zueinander so angeordnet sind, dass sich in der Lasereinrichtung (26) und/oder in einer der Lasereinrichtung (26) vorgeordneten Einkoppeloptik (40) eine vorgebbare räumliche Verteilung des Pumplichts (60) und/oder der Triggerstrahlung (60') einstellt. 15. Laser device (26) according to claim 14, characterized in that the two groups or individual optical fibers (28a, 28b) of the two groups at an end portion (28 ') of the optical fiber device (28) in the region of the laser device (26 ) are arranged relative to each other so that in the laser device (26) and / or in one of the laser device (26) upstream input optics (40) a predetermined spatial distribution of the pumping light (60) and / or the trigger radiation (60 '; ).
16. Zündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10) insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch mindestens eine Lasereinrichtung (26) nach einem der Ansprüche 10 bis 15. 16. Ignition device (27) for an internal combustion engine (10), in particular of a motor vehicle, characterized by at least one laser device (26) according to one of claims 10 to 15.
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