[发明专利]用于内燃机的激光点火设备及其运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的激光点火设备，具有拥有激光活性固体和优选无源的品质因数电路（Güteschaltung）的激光设备以及具有用于对激光设备进行光泵浦的泵浦光源。

本发明还涉及一种用于运行这样的激光点火设备的方法。

发明内容

本发明的任务是说明一种经改进的激光点火设备和一种经改进的运行方法。

根据本发明，在开头提到类型的激光点火设备中，该任务通过激光光源具有多个表面发射半导体激光器来解决。根据本发明的对表面发射半导体激光器（英语：vertical cavity surface emitting laser（垂直腔表面发射激光器），VCSEL）的使用提供了运行激光点火设备的多种优点。与固体激光器相比更小的温度敏感性有利地使得能够在紧密接近内燃机时仍然利用VCSEL激光源，使得不需要将泵浦光源布置为远离内燃机。在使用VCSEL方案的情况下，通常简单的空气冷却就足够了，使得可以放弃水冷，其中水冷从那时起就被设置为使用在内燃机的范围中运行的半导体激光器。

另外，由于VCSEL激光器生成的波长的大致为0.06nm/K（纳米每开尔文）的小温度敏感度，使得能够在半导体激光器处进行简单的温度调节。

此外，VCSEL激光源的稳健性尤其是实现了激光火花塞的较简单的构造，其中激光火花塞通常容纳了用于内燃机的基于激光的点火设备的主要部件。特别是可以放弃激光火花塞中的截面转换器，同样不需要使用用于消除反馈效应的元件。这样的元件在具有固体激光器的常规激光点火系统中通常被设置用于减小常规泵浦光源上的高能激光点火脉冲的反作用。

VCSEL阵列的线宽通常低于边发射激光器或其他半导体激光器的线宽。由此可以保证所泵浦的固体激光器材料中的由泵浦光源生成的泵浦辐射的特别有效的吸收。

VCSEL阵列特别优选地由许多单个的表面发射激光发射器构成，使得通过串联和并联电接线的相应组合可以将标称工作电流和标称工作电压与内燃机或者用于激光点火设备的控制设备的不同运行条件相匹配。尤其是因此也可以支持用于内燃机的区域中的电磁兼容性的措施，所述措施可以由于以相对高的频率被开关的相对高的电流强度而出现。通过许多单个的VCSEL发射器的个别化的电接线，可以将泵浦光源非常简单地与用于VCSEL激光源的电源相匹配。

此外，VCSEL阵列的输出功率可以通过发射面来缩放，使得可以在不对激光点火设备的构造进行大的结构性改变的情况下改变激光点火脉冲的能量，也就是说通过设计具有相应输出功率的泵浦光源。

VCSEL阵列在用在激光点火设备中的另一优点在于，可以通过几何上简单的泵浦装置来容易地将附加的传感器定位在具有泵浦光源的泵浦模块中。

在一个有利的实施方式中，设置有光导设备，通过该光导设备可以将由泵浦光源生成的泵浦辐射入射到激光设备中。该光导设备基本上具有锥形、棱柱、长方体、圆柱或棱锥形形状，其中用来将泵浦光源生成的泵浦辐射耦合输入到光导设备中的耦合输入面优选被布置为与耦合输出面平行，所述耦合输出面例如在锥形构造的情况下形成相应的截顶锥的顶面。

通过泵浦光源中的VCSEL阵列的小的发散性以及发射泵浦光或泵浦辐射的面的几乎任意的形状，优选地可以使用相对小构造和对称的光导设备。

在另一优选的实施方式中，光导设备至少部分地由玻璃和/或晶体和/或陶瓷材料构成。在此，尤其有利的是高折射率和良好的可加工性。光导的几何形状优选地与泵浦光源的表面发射半导体激光器的发散度相匹配，使得对于全部所生成的泵浦辐射来说满足光导设备的外罩面处的全反射条件。光导设备的长度例如可以通过所期望的度数与发射面的减小相匹配。

在另一优选的实施方式中规定：光导设备直接地、或者借助于接触介质、比如折射率匹配膏接触泵浦光源和/或激光设备，由此给定泵浦辐射到激光设备或者激光设备的激光活性固体中的特别有效的耦合输入。

直接的接触例如可以通过粘接、抵靠（Ansprengen）来产生。本发明的该实施方式具有针对部件的失配的特别高的文件性以及小的耦合损失。

可替代地或作为补充地，可以在光导设备与激光设备之间置入辐射成形的光学器件。除了将泵浦辐射直接耦合输入到激光设备中以外，还可以在使用根据本发明的光导设备的情况下将泵浦辐射耦合输入到光导纤维中。