專利名稱：用于內(nèi)燃機(jī)的激光點(diǎn)火設(shè)備及其運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的激光點(diǎn)火設(shè)備，具有擁有激光活性固體和優(yōu)選無(wú)源的品質(zhì)因數(shù)電路(GUteschaltung)的激光設(shè)備以及具有用于對(duì)激光設(shè)備進(jìn)行光泵浦的泵浦光源。本發(fā)明還涉及一種用于運(yùn)行這樣的激光點(diǎn)火設(shè)備的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是說(shuō)明一種經(jīng)改進(jìn)的激光點(diǎn)火設(shè)備和一種經(jīng)改進(jìn)的運(yùn)行方法。根據(jù)本發(fā)明，在開(kāi)頭提到類型的激光點(diǎn)火設(shè)備中，該任務(wù)通過(guò)激光光源具有多個(gè)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器來(lái)解決。根據(jù)本發(fā)明的對(duì)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(英語(yǔ)verticalcavity surface emitting laser (垂直腔表面發(fā)射激光器)，VCSEL)的使用提供了運(yùn)行激光點(diǎn)火設(shè)備的多種優(yōu)點(diǎn)。與固體激光器相比更小的溫度敏感性有利地使得能夠在緊密接近內(nèi)燃機(jī)時(shí)仍然利用VCSEL激光源，使得不需要將泵浦光源布置為遠(yuǎn)離內(nèi)燃機(jī)。在使用VCSEL方案的情況下，通常簡(jiǎn)單的空氣冷卻就足夠了，使得可以放棄水冷，其中水冷從那時(shí)起就被設(shè)置為使用在內(nèi)燃機(jī)的范圍中運(yùn)行的半導(dǎo)體激光器。另外，由于VCSEL激光器生成的波長(zhǎng)的大致為0.06nm/K (納米每開(kāi)爾文)的小溫度敏感度，使得能夠在半導(dǎo)體激光器處進(jìn)行簡(jiǎn)單的溫度調(diào)節(jié)。此外，VCSEL激光源的穩(wěn)健性尤其是實(shí)現(xiàn)了激光火花塞的較簡(jiǎn)單的構(gòu)造，其中激光火花塞通常容納了用于內(nèi)燃機(jī)的基于激光的點(diǎn)火設(shè)備的主要部件。特別是可以放棄激光火花塞中的截面轉(zhuǎn)換器，同樣不需要使用用于消除反饋效應(yīng)的元件。這樣的元件在具有固體激光器的常規(guī)激光點(diǎn)火系統(tǒng)中通常被設(shè)置用于減小常規(guī)泵浦光源上的高能激光點(diǎn)火脈沖的反作用。VCSEL陣列的線寬通常低于邊發(fā)射激光器或其他半導(dǎo)體激光器的線寬。由此可以保證所泵浦的固體激光器材料中的由泵浦光源生成的泵浦輻射的特別有效的吸收。VCSEL陣列特別優(yōu)選地由許多單個(gè)的表面發(fā)射激光發(fā)射器構(gòu)成，使得通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)電接線的相應(yīng)組合可以將標(biāo)稱工作電流和標(biāo)稱工作電壓與內(nèi)燃機(jī)或者用于激光點(diǎn)火設(shè)備的控制設(shè)備的不同運(yùn)行條件相匹配。尤其是因此也可以支持用于內(nèi)燃機(jī)的區(qū)域中的電磁兼容性的措施，所述措施可以由于以相對(duì)高的頻率被開(kāi)關(guān)的相對(duì)高的電流強(qiáng)度而出現(xiàn)。通過(guò)許多單個(gè)的VCSEL發(fā)射器的個(gè)別化的電接線，可以將泵浦光源非常簡(jiǎn)單地與用于VCSEL激光源的電源相匹配。此外，VCSEL陣列的輸出功率可以通過(guò)發(fā)射面來(lái)縮放，使得可以在不對(duì)激光點(diǎn)火設(shè)備的構(gòu)造進(jìn)行大的結(jié)構(gòu)性改變的情況下改變激光點(diǎn)火脈沖的能量，也就是說(shuō)通過(guò)設(shè)計(jì)具有相應(yīng)輸出功率的泵浦光源。VCSEL陣列在用在激光點(diǎn)火設(shè)備中的另一優(yōu)點(diǎn)在于，可以通過(guò)幾何上簡(jiǎn)單的泵浦裝置來(lái)容易地將附加的傳感器定位在具有泵浦光源的泵浦模塊中。在一個(gè)有利的實(shí)施方式中，設(shè)置有光導(dǎo)設(shè)備，通過(guò)該光導(dǎo)設(shè)備可以將由泵浦光源生成的泵浦輻射入射到激光設(shè)備中。該光導(dǎo)設(shè)備基本上具有錐形、棱柱、長(zhǎng)方體、圓柱或棱錐形形狀，其中用來(lái)將泵浦光源生成的泵浦輻射耦合輸入到光導(dǎo)設(shè)備中的耦合輸入面優(yōu)選被布置為與耦合輸出面平行，所述耦合輸出面例如在錐形構(gòu)造的情況下形成相應(yīng)的截頂錐的頂面。通過(guò)泵浦光源中的VCSEL陣列的小的發(fā)散性以及發(fā)射泵浦光或泵浦輻射的面的幾乎任意的形狀，優(yōu)選地可以使用相對(duì)小構(gòu)造和對(duì)稱的光導(dǎo)設(shè)備。在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，光導(dǎo)設(shè)備至少部分地由玻璃和/或晶體和/或陶瓷材料構(gòu)成。在此，尤其有利的是高折射率和良好的可加工性。光導(dǎo)的幾何形狀優(yōu)選地與泵浦光源的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的發(fā)散度相匹配，使得對(duì)于全部所生成的泵浦輻射來(lái)說(shuō)滿足光導(dǎo)設(shè)備的外罩面處的全反射條件。光導(dǎo)設(shè)備的長(zhǎng)度例如可以通過(guò)所期望的度數(shù)與發(fā)射面的減小相匹配。在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中規(guī)定:光導(dǎo)設(shè)備直接地、或者借助于接觸介質(zhì)、比如折射率匹配膏接觸泵浦光源和/或激光設(shè)備，由此給定泵浦輻射到激光設(shè)備或者激光設(shè)備的激光活性固體中的特別有效的耦合輸入。直接的接觸例如可以通過(guò)粘接、抵靠(Ansprengen)來(lái)產(chǎn)生。本發(fā)明的該實(shí)施方式具有針對(duì)部件的失配的特別高的文件性以及小的耦合損失?？商娲鼗蜃鳛檠a(bǔ)充地，可以在光導(dǎo)設(shè)備與激光設(shè)備之間置入輻射成形的光學(xué)器件。除了將泵浦輻射直接耦合輸入到激光設(shè)備中以外，還可以在使用根據(jù)本發(fā)明的光導(dǎo)設(shè)備的情況下將泵浦輻射耦合輸入到光導(dǎo)纖維中。在另一有利的實(shí)施方式中規(guī)定，泵浦光源具有多個(gè)在空間上彼此分開(kāi)布置的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器、尤其是半導(dǎo)體激光器組，并且由半導(dǎo)體激光器組生成的泵浦輻射可以直接地或者通過(guò)聚焦光學(xué)器件入射到激光設(shè)備中。由此可以特別有利地實(shí)現(xiàn)激光設(shè)備或其激光活性固體中的彼此分開(kāi)的泵浦體積，使得可以有利地同時(shí)生成多個(gè)激光脈沖。在此，個(gè)別化地被施加泵浦輻射的泵浦體積彼此獨(dú)立地充當(dāng)激光諧振器。在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中規(guī)定，泵浦光源具有多個(gè)泵浦光單元，其中第一泵浦光單元被布置和構(gòu)造為使得其可以縱向地泵浦激光設(shè)備，并且其中至少一個(gè)另外的泵浦光單元被布置和構(gòu)造為使得其可以橫向地泵浦激光設(shè)備。橫向泵浦有利地負(fù)責(zé)泵浦能量到激光介質(zhì)、即激光活性固體中的特別簡(jiǎn)單的能量輸入，并且縱向泵浦輻射導(dǎo)致在激光活性固體中形成具有良好輻射質(zhì)量的激光模。另外的實(shí)施方式在如下情況下得出要橫向輸送的泵浦輻射到激光設(shè)備中的特別有效的耦合輸入:被設(shè)置為橫向光學(xué)泵浦的泵浦光單元分別具有基本上條形扁平布置，所述布置與激光設(shè)備的長(zhǎng)軸基本平行地延伸。附加地可以給被設(shè)置為橫向光學(xué)泵浦的泵浦光單元分配柱面透鏡以用于將泵浦輻射集束到激光設(shè)備中。作為本發(fā)明的任務(wù)的另一解決方案，說(shuō)明了根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法。該根據(jù)本發(fā)明的方法規(guī)定，泵浦光源具有多個(gè)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VCSEL)，所述表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器光學(xué)泵浦激光設(shè)備。在根據(jù)本發(fā)明的運(yùn)行方法的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中規(guī)定，給激光設(shè)備或激光活性固體的不同體積區(qū)域彼此分開(kāi)地施加泵浦光。由此可以特別優(yōu)選地基本同時(shí)生成多個(gè)激光脈沖。
在另一有利的實(shí)施方式中規(guī)定，借助于第一泵浦光單元縱向地泵浦激光設(shè)備，并且借助于至少一個(gè)另外的泵浦光單元橫向地泵浦激光設(shè)備。第一泵浦光單元特別有利地生成具有基本圓形的射束截面的泵浦輻射，所述泵浦輻射被用于縱向地泵浦激光設(shè)備，由此產(chǎn)生質(zhì)量特別好的激光模。


本發(fā)明的其它特征、應(yīng)用可能性和優(yōu)點(diǎn)從下面對(duì)本發(fā)明的在附圖的圖中所示的實(shí)施例的描述中得出。在此，所有所描述或所示出的特征本身或以任意組合構(gòu)成本發(fā)明的主題，而與其在權(quán)利要求書(shū)中的總結(jié)或其回引無(wú)關(guān)以及與其在說(shuō)明書(shū)或附圖中的表達(dá)或圖示無(wú)關(guān)。在附圖中:
圖1示出了具有根據(jù)本發(fā)明的基于激光的點(diǎn)火系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，
圖2示意性地詳細(xì)示出了來(lái)自圖1的激光火花塞的第一實(shí)施方式，
圖3示出了具有遠(yuǎn)程布置的泵浦光源的基于激光的點(diǎn)火系統(tǒng)的實(shí)施方式，
圖4示出了具有集成到激光火花塞中的泵浦光源的激光點(diǎn)火設(shè)備的實(shí)施方式，
圖5a至5d示出了具有用于將泵浦輻射耦合輸入到激光設(shè)備中的光導(dǎo)設(shè)備的激光點(diǎn)火設(shè)備的其它實(shí)施方式，
圖6a示出了泵浦光源的另一實(shí)施方式，
圖6b示意性地示出了通過(guò)根據(jù)圖6a的泵浦光源給激光設(shè)備施加泵浦光，
圖6c示出了根據(jù)本發(fā)明的泵浦光源的另一實(shí)施方式，
圖7a示意性地示出了另一實(shí)施方式的側(cè)視圖，以及 圖7b示意性地示出了根據(jù)圖7a的實(shí)施方式的俯視圖。
具體實(shí)施例方式在圖1中，內(nèi)燃機(jī)總體上攜帶附圖標(biāo)記10。內(nèi)燃機(jī)用于驅(qū)動(dòng)未示出的機(jī)動(dòng)車輛或者在靜止運(yùn)行中發(fā)電。內(nèi)燃機(jī)10包括多個(gè)汽缸，在圖1僅僅以附圖標(biāo)記12示出了其中一個(gè)。汽缸12的燃燒室14由活塞16來(lái)限制。燃料直接通過(guò)噴油嘴18到達(dá)燃燒室14中，該噴油嘴18連接到亦被稱為導(dǎo)軌(Rail)的燃料壓力儲(chǔ)罐20上。噴射到燃燒室14中的燃料22借助于激光束24被點(diǎn)燃，所述激光束24優(yōu)選地以激光脈沖24的形式從具有激光設(shè)備26的激光火花塞100輻射到燃燒室14中。為此，激光設(shè)備26通過(guò)光導(dǎo)設(shè)備28被饋送泵浦光，該泵浦光由泵浦光源30來(lái)提供。泵浦光源30由控制設(shè)備31來(lái)控制，該控制設(shè)備31還激勵(lì)噴油嘴18。泵浦光源30與光導(dǎo)設(shè)備28和具有激光設(shè)備26的激光火花塞100 —起構(gòu)成內(nèi)燃機(jī)10的基于激光的點(diǎn)火系統(tǒng)27。從圖2中可以看出，根據(jù)本發(fā)明，激光設(shè)備26除了激光活性固體44以外還具有無(wú)源品質(zhì)因數(shù)電路46，使得部件44、46與耦合輸入鏡42和耦合輸出鏡48 —起構(gòu)成激光振蕩器。激光設(shè)備26的基本工作方式如下:通過(guò)光導(dǎo)設(shè)備28被輸送給激光設(shè)備26的泵浦光60通過(guò)對(duì)于泵浦光60的波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)可透過(guò)的耦合輸入鏡42進(jìn)入激光活性固體44。在那里，泵浦光60被吸收，這導(dǎo)致占用反轉(zhuǎn)。無(wú)源品質(zhì)因數(shù)電路46的首先為高的傳輸損失防止了激光設(shè)備26中的激光振蕩。但是隨著泵浦時(shí)長(zhǎng)升高，由激光活性固體44和無(wú)源品質(zhì)因數(shù)電路46以及鏡42、48構(gòu)成的諧振器內(nèi)部的輻射密度也升高。從一定輻射密度起，無(wú)源品質(zhì)因素電路46或無(wú)源品質(zhì)因數(shù)電路46的可飽和吸收體褪色，使得實(shí)現(xiàn)諧振器中的激光振蕩。通過(guò)該機(jī)制，激光束24以所謂的巨脈沖的形成被生成，其穿過(guò)耦合輸出鏡48并且接下來(lái)被稱為激光點(diǎn)火脈沖。替代于前述無(wú)源品質(zhì)因數(shù)電路46也可以設(shè)想使用有源品質(zhì)因數(shù)電路。根據(jù)本發(fā)明，泵浦光源40具有多個(gè)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其在英語(yǔ)中被稱為vertical cavity surface emitting laser (VCSEL,垂直腔表面發(fā)射激光器)。圖3示意性示出了已通過(guò)圖1示意性說(shuō)明的激光點(diǎn)火設(shè)備27的側(cè)視圖。激光火花塞100具有布置在火花塞殼體102中的激光設(shè)備26，該激光設(shè)備26例如是根據(jù)圖2構(gòu)造的并且用于生成激光脈沖24。給激光火花塞100分配有泵浦光源30，該泵浦光源30具有多個(gè)VCSEL激光源、即至少一個(gè)所謂VCSEL陣列32，其中VCSEL陣列的各個(gè)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器32a、32b...被布置在共同的熱沉34上。在VCSEL陣列32之后光學(xué)地布置有聚焦光學(xué)器件36，其將由VCSEL陣列生成的泵浦輻射60集束到光導(dǎo)設(shè)備28的在圖3中未示出的耦合輸出面上。通過(guò)光導(dǎo)設(shè)備28，將泵浦福射60輸送給激光火花塞100。在激光火花塞100中，由光導(dǎo)設(shè)備28輸送的泵浦福射60被重新成形、在此由聚焦光學(xué)器件104來(lái)成形，該聚焦光學(xué)器件104將以一定發(fā)散角離開(kāi)光導(dǎo)設(shè)備28的泵浦輻射60集束到激光設(shè)備26或激光設(shè)備26的激光活性固體44上。VCSEL陣列32優(yōu)選地為所謂的高功率VCSEL陣列，其本身以公知方式安裝在熱沉34上并且被電接觸得使得其可以通過(guò)激勵(lì)線路(未示出)被供能，以便控制泵浦輻射60的生成。為了將泵浦輻射60耦合輸入到光導(dǎo)設(shè)備28中，可以使用被構(gòu)造成簡(jiǎn)單的、經(jīng)壓制的光學(xué)器件的聚焦透鏡36。根據(jù)另一有利的實(shí)施方式，還可以給VCSEL陣列32的各個(gè)激光發(fā)射器分配微透鏡(未示出)，所述微透鏡高度減小泵浦輻射60的發(fā)散度。圖4示意性地示出了激光點(diǎn)火設(shè)備的另一布置，其中泵浦光源130——與根據(jù)圖3的實(shí)施方式不同一直接集成到激光火花塞100中。因此，在根據(jù)圖4的實(shí)施方式中，不需要單獨(dú)的光導(dǎo)設(shè)備28，而是泵浦輻射60可以直接從VCSEL陣列132通過(guò)聚焦光學(xué)器件104a入射到激光設(shè)備26中，該激光設(shè)備26然后以已經(jīng)描述的方式生成激光脈沖24。VCSEL陣列132布置在熱沉134上，該熱沉134優(yōu)選以粘接牢固的方式或者甚至以一體化的方式與激光火花塞100的殼體102 (圖3)連接。在根據(jù)圖4的實(shí)施方式中，通過(guò)取消光導(dǎo)設(shè)備28和被布置為遠(yuǎn)離激光火花塞100的泵浦光源(參見(jiàn)根據(jù)圖3的實(shí)施方式)得出具有減小的易錯(cuò)性的特別低成本的配置。在前面參照?qǐng)D3、4描述的配置中，還可以附加地進(jìn)行橫向光泵浦，其中相應(yīng)的附加的VCSEL陣列(未示出)布置在激光設(shè)備26的側(cè)向上。泵浦光源30、130的VCSEL陣列的特別有利的波長(zhǎng)是806納米(nm)、885nm、914nm、946nm、975nm和980nm。通過(guò)VCSEL陣列32、132的小的線寬也可以使用激光活性固體44的具有小寬度的吸收線。因此例如可以與例如具有邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的常規(guī)泵浦光源相比更容易實(shí)現(xiàn)Nd = YAG在885nm下的泵浦。另外的公知的激光器方案、比如使用具有后置的或集成到諧振器中的光學(xué)放大器的振蕩器，可以轉(zhuǎn)用于具有VCSEL陣列32、132的泵浦。圖5a示意性地示出了激光點(diǎn)火設(shè)備的另一實(shí)施方式，其中VCSEL陣列132再次被布置在熱沉134上并且生成用于入射到激光設(shè)備26中的泵浦輻射60。在根據(jù)圖5a的配置中，有利地設(shè)置光導(dǎo)設(shè)備120，其使得能夠有效地將泵浦輻射60從VCSEL陣列132入射或引導(dǎo)到激光設(shè)備26。如從圖5a中可以看出的，光導(dǎo)設(shè)備120優(yōu)選地具有錐形或截頂錐形。其他形狀(棱柱、長(zhǎng)方體、棱錐、圓柱)同樣是可設(shè)想的。特別有利地，光導(dǎo)設(shè)備120盡可能密集地被定位在VCSEL陣列132之前，以便盡可能收集全部的泵浦輻射60。通過(guò)光導(dǎo)設(shè)備120的在圖5a中在水平方向上延伸的長(zhǎng)度，泵浦輻射60被濃縮，并且因此可以被耦合輸入到固體激光器26中。替代于耦合輸入到固體激光器或激光設(shè)備26中，也可以將配置132、120用于將泵浦輻射60有效地耦合輸入到例如在根據(jù)圖3的實(shí)施方式中所使用的光導(dǎo)設(shè)備28中。這意味著，在根據(jù)圖5a的實(shí)施方式中，泵浦輻射60替代于直接耦合輸入到激光設(shè)備26中也可以被稱合輸入到光導(dǎo)設(shè)備28 (圖3)中。相同的情況適用于在下面參照?qǐng)D5b至5d所述的具有光導(dǎo)設(shè)備的另外的實(shí)施方式。圖5b示意性地示出了激光點(diǎn)火設(shè)備的另一實(shí)施方式，其中光導(dǎo)設(shè)備120a設(shè)置在VCSEL陣列132與激光設(shè)備26之間，該光導(dǎo)設(shè)備120a可以與根據(jù)圖5a的實(shí)施方式的光導(dǎo)設(shè)備120類似地來(lái)構(gòu)造。在圖5b所示的實(shí)施方式中，存在光導(dǎo)設(shè)備120a的耦合輸入面120a’ ’，其與VCSEL陣列132的光學(xué)表面直接接觸，這導(dǎo)致將泵浦輻射特別有效地耦合輸入到光導(dǎo)設(shè)備120a中。與此類似,光導(dǎo)設(shè)備120a的稱合輸出面120a’同樣與激光設(shè)備26的端面直接接觸。所涉及的面120a’、120a’’的接觸例如可以通過(guò)粘接、抵靠、接合或者通過(guò)使用接觸介質(zhì)、比如折射率匹配膏來(lái)實(shí)現(xiàn)。該配置的特別的優(yōu)點(diǎn)是針對(duì)失配的高穩(wěn)健性和特比小的耦合損失。圖5c示出了激光點(diǎn)火設(shè)備的另一實(shí)施方式，其中設(shè)置光導(dǎo)設(shè)備120b以用于引導(dǎo)泵浦輻射60。附加于光導(dǎo)設(shè)備120b設(shè)置有聚焦光學(xué)器件104b，該聚焦光學(xué)器件104b布置在光導(dǎo)設(shè)備120b與激光設(shè)備26之間并且將從光導(dǎo)設(shè)備120b中發(fā)出的泵浦福射(未不出)集束到激光設(shè)備26上，以便縱向地對(duì)其進(jìn)行泵浦。通過(guò)聚焦光學(xué)器件104b可以將泵浦輻射60最優(yōu)地成形。圖5d不出了激光點(diǎn)火設(shè)備的另一實(shí)施方式,其中光導(dǎo)設(shè)備120c的I禹合輸入面未被構(gòu)造為平坦的、而是被構(gòu)造為彎曲的，以便提高泵浦輻射從V CSE L陣列132到光導(dǎo)設(shè)備120c中的耦合輸入效率。同時(shí)，可以由于彎曲的耦合輸出面明顯減小光導(dǎo)設(shè)備120c的長(zhǎng)度。耦合輸入面的彎曲例如可以通過(guò)打磨或者通過(guò)安裝透鏡元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述透鏡元件例如可以被接合到光導(dǎo)元件120c的首先為平坦的耦合輸入面上。圖6a示意性地示出了比如優(yōu)選可以集成到激光火花塞100 (圖2)中的泵浦光源130的另一實(shí)施方式。泵浦光源130具有布置在共同的載體裝置136上的多個(gè)VCSEL陣列組138a、138b、138c。載體裝置136再次布置在熱沉134上。不同VCSEL陣列138a、138b、138c...的編組優(yōu)選地進(jìn)行為使得其在空間上彼此遠(yuǎn)距離地間隔開(kāi)，以至于其不同的泵浦射束不重疊。由此可以將激光設(shè)備26或激光活性固體44的不同的體積區(qū)域V1、V2、V3彼此分開(kāi)地進(jìn)行光泵浦，對(duì)此參見(jiàn)根據(jù)圖6a的側(cè)視圖。可選地可以設(shè)置聚焦光學(xué)器件104a,其以合適方式將泵浦部分射束60a、60b、60c集束到所期望的體積元素V1、V2、V3上。每個(gè)VCSEL陣列組138a、138b、138c都優(yōu)選地具有近似以圓形布置的多個(gè)單個(gè)的表面發(fā)射器，以便實(shí)現(xiàn)盡可能圈形或圓形的泵浦模。各個(gè)組138a、138b、138c應(yīng)當(dāng)具有足夠大的輸出功率，以便能夠在固體激光器44中生成激光脈沖24a、24b、24c (圖6c)。對(duì)于VCSEL陣列132的經(jīng)優(yōu)化的成像有利的是，通過(guò)微透鏡(未示出)將所發(fā)射的輻射60a、60b、60c準(zhǔn)直化，所述微透鏡優(yōu)選地再次直接布置在各個(gè)VCSEL發(fā)射器上。從圖6a中可以看出，各個(gè)激光脈沖24a、24b、24c在空間上如何彼此分開(kāi)地產(chǎn)生，通過(guò)在空間上彼此分開(kāi)的、個(gè)別化地被泵浦的體積區(qū)域V1、V2、V3得出什么。為了所有激光脈沖24a、24b、24c盡可能同時(shí)地被發(fā)射，對(duì)泵浦光源130的電激勵(lì)例如可以進(jìn)行得使得在實(shí)際觸發(fā)激光脈沖(無(wú)源品質(zhì)因數(shù)電路46的可飽和吸收體褪色)前的幾微秒顯著提高VCSEL陣列的激勵(lì)電流。由此使所有激光脈沖24a、24b、24c的觸發(fā)加速并且激光脈沖在時(shí)間上也彼此更加靠攏。圖6c示出了具有多個(gè)VCSEL陣列132的泵浦光源的另一實(shí)施方式的側(cè)視圖。在該實(shí)施方式中，各個(gè)VCSEL陣列被構(gòu)造為大得使得其在其面積方面對(duì)應(yīng)于固體激光器44中的要泵浦的模的直徑。在VCSEL陣列132的準(zhǔn)直發(fā)射的情況下，可以實(shí)現(xiàn)泵浦模和固體模的良好重疊。固體激光器44可以有利地與VCSEL陣列接觸，這也可以從圖6c中看出。由于在此在泵浦光源中總共設(shè)置了 5個(gè)離散的VCSEL陣列132，因此由激光設(shè)備26在相應(yīng)地施加泵浦光時(shí)生成5個(gè)離散的激光脈沖24a、24b、24c、24e，使得可以實(shí)現(xiàn)空間上的多重點(diǎn)火。圖7a示出了激光點(diǎn)火設(shè)備的另一實(shí)施方式，其中第一泵浦光單元130a被設(shè)置為縱向地泵浦激光設(shè)備26或激光活性固體44。第一泵浦光單元130a為此如前述那樣具有一個(gè)或多個(gè)VCSEL激光器陣列。在光學(xué)上在第一泵浦光單元130a之后布置有聚焦光學(xué)器件，該聚焦光學(xué)器件將泵浦輻射60’集束到激光設(shè)備26或其激光活性固體44中，由此縱向地泵浦激光活性固體26。附加于第一泵浦光單元30a設(shè)置有另外的泵浦光單元130b、130c、130d (參見(jiàn)圖7d)，所述泵浦光單元26附加于縱向光學(xué)泵浦還借助于泵浦輻射60’將激光設(shè)備26橫向地光泵浦，即利用由其生成的泵浦輻射60’ ’。此外，給被設(shè)置為用于橫向光學(xué)泵浦的泵浦光單元130b、130c、130d分別分配有柱面透鏡130b’、130c’、130d’(圖7)。泵浦光單元130b、130c、130d優(yōu)選地具有條形或矩形構(gòu)造的VCSEL陣列，所述VCSEL陣列以其長(zhǎng)軸與激光設(shè)備26的長(zhǎng)軸26a (圖7a)大致平行地延伸并且例如可以直接布置在激光火花塞100 (圖1)的殼體102的內(nèi)側(cè)。在圖7a、7b所示的泵浦配置中，為了橫向泵浦需要相對(duì)小的射束密度，因?yàn)楸闷止β士梢员灰氲轿詹牧?4的整個(gè)長(zhǎng)度上并且僅須弱地聚焦。用于小功率密度的VCSEL陣列可以特別簡(jiǎn)單地制造，因?yàn)槠洳恍枰⒐鈱W(xué)器件。激光設(shè)備26中的起振模的形狀通過(guò)借助于第一泵浦光單元130a的縱向泵浦而被積極地影響或確定。因此，針對(duì)第一泵浦光單元130a優(yōu)選地使用環(huán)形的VCSEL陣列或者被直接成像到固體激光器44中的多個(gè)VCSEL陣列的環(huán)形構(gòu)造的布置。通過(guò)這種方式，可以與純粹橫向泵浦布置相比明顯更好地配置固體激光器44中的起振模的形狀?？v向泵浦也可以替代于局部設(shè)置的第一泵浦光單元130a通過(guò)光導(dǎo)纖維或射束成形光學(xué)器件來(lái)進(jìn)行。盡管前面參照?qǐng)D7a、7b描述了用于橫向光學(xué)泵浦的總共3個(gè)另外的泵浦光單元130b、130c、130d，但是可以設(shè)置任意數(shù)目的橫向泵浦的泵浦光單元。特別優(yōu)選2至6個(gè)橫向泵浦的VCSEL陣列。在泵浦過(guò)程期間未被激光設(shè)備26吸收的功率可以附加地通過(guò)鏡(未示出)被輻射回固體激光器44中。替代于將VCSEL陣列用于橫向泵浦單元130b、130c、130d，也可以將其他半導(dǎo)體激光器用于此、例如邊發(fā)射邊導(dǎo)體激光器。在這樣的配置中也可以利用VCSEL陣列通過(guò)附加的橫向泵浦正面地影響激光器44的模?；诩す獾狞c(diǎn)火系統(tǒng)27的前述實(shí)施方式也可以彼此組合。
權(quán)利要求
1.用于內(nèi)燃機(jī)(10)的激光點(diǎn)火設(shè)備(27)，該激光點(diǎn)火設(shè)備(27)具有擁有激光活性固體(44)和優(yōu)選無(wú)源的品質(zhì)因數(shù)電路(46)的激光設(shè)備(26)以及具有用于對(duì)激光設(shè)備(26)進(jìn)行光學(xué)泵浦的泵浦光源(30; 130)，其特征在于，泵浦光源(30; 130)具有多個(gè)(32; 132)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(32a，32b,...)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光點(diǎn)火設(shè)備(27)，其特征在于，設(shè)置有光導(dǎo)設(shè)備(120，120a, 120b,...)，通過(guò)所述光導(dǎo)設(shè)備(120，120a, 120b,...)能夠?qū)⒂杀闷止庠?130)生成的泵浦輻射(60)入射到激光設(shè)備(26)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光點(diǎn)火設(shè)備(27)，其特征在于，光導(dǎo)設(shè)備(120，120a, 120b,...)基本上具有下列形狀之一:錐形、棱柱、長(zhǎng)方體、棱錐、圓柱。
4.根據(jù)權(quán)利要求2至3之一所述的激光點(diǎn)火設(shè)備(27),其特征在于，光導(dǎo)設(shè)備(120，120a, 120b,...)至少部分地由玻璃和/或晶體和/或陶瓷材料構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4之一所述的激光點(diǎn)火設(shè)備(27),其特征在于，光導(dǎo)設(shè)備(120，120a, 120b,...)直接地或者借助于接觸介質(zhì)接觸泵浦光源(130)和/或激光設(shè)備(26)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的激光點(diǎn)火設(shè)備(27)，其特征在于，泵浦光源(130)具有多個(gè)在空間上彼此分開(kāi)布置的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器、尤其是半導(dǎo)體激光器組(138a，138b, 138c)，并且由半導(dǎo)體激光器組(138a，138b, 138c)生成的泵浦輻射(60a, 60b, 60c)能夠直接地或者通過(guò)聚焦光學(xué)器件(104a)入射到激光設(shè)備(26)中。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的激光點(diǎn)火設(shè)備(27)，其特征在于，泵浦光源(130)具有多個(gè)泵浦光單元(130a，130b, 130c, 130d)，其中第一泵浦光單元(130a)被布置和構(gòu)造為使得其能夠縱向地泵浦激光設(shè)備(26)，并且其中至少一個(gè)另外的泵浦光單元(130b)被構(gòu)造和布置為使得其能夠橫向地泵浦激光設(shè)備(26 )。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光點(diǎn)火設(shè)備(27)，其特征在于，被設(shè)置為橫向光學(xué)泵浦的泵浦光單元(130b，130c, 130d)分別具有基本上條形扁平的布置，所述布置與激光設(shè)備(26)的長(zhǎng)軸(26a)基本平行地延伸。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光點(diǎn)火設(shè)備(27)，其特征在于，給至少一個(gè)被設(shè)置為橫向光學(xué)泵浦的泵浦光單元(130b，130c, 130d)分配柱面透鏡(130b，，130c，，130d，)以用于將所述泵浦輻射集束到激光設(shè)備中(26)。
10.用于運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)(10)的激光點(diǎn)火設(shè)備(27)的方法，所述激光點(diǎn)火設(shè)備(27)具有擁有激光活性固體(44)和優(yōu)選無(wú)源的品質(zhì)因數(shù)電路(46)的激光設(shè)備(26)以及具有用于對(duì)激光設(shè)備(26)進(jìn)行光學(xué)泵浦的泵浦光源(30; 130)，其特征在于，泵浦光源(30; 130)具有對(duì)激光設(shè)備(26)進(jìn)行光學(xué)泵浦的多個(gè)(32; 132)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(32a，32b,...)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，給激光設(shè)備(26)或激光活性固體(44)的不同體積區(qū)域(VI，V2, V3)彼此分開(kāi)地施加泵浦光(60a，60b, 60c)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，基本同時(shí)生成多個(gè)激光脈沖(24a, 24b, 24c)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12之一所述的方法，其特征在于，借助于第一泵浦光單元(130a)縱向地泵浦激光設(shè)備(26)， 并且借助于至少一個(gè)另外的泵浦光單元(130b)橫向地泵浦激光設(shè)備(26)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，第一泵浦光單元(130a)生成具有基本圓形的射束截面的 泵浦輻射(60 ’)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)(10)的激光點(diǎn)火設(shè)備(27)，該激光點(diǎn)火設(shè)備具有擁有激光活性固體(44)和優(yōu)選無(wú)源的品質(zhì)因數(shù)電路(46)的激光設(shè)備(26)以及具有用于對(duì)激光設(shè)備(26)進(jìn)行光學(xué)泵浦的泵浦光源(30;130)。根據(jù)本發(fā)明，泵浦光源(30;130)具有多個(gè)(32;132)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(32a,32b,...)。
文檔編號(hào)F02P23/04GK103154502SQ201180049667
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月14日
發(fā)明者R.哈特克, H.里德布施 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司