现有技术
[0001] 本
发明涉及一种
激光点火系统，其具有至少一个用于产生脉冲式
激光束的机构和至少一个用于将产生的脉冲式激光束聚焦在聚焦区域上的机构，例如为了点燃在
内燃机或
燃烧器中的可燃的气体混合物。
[0002] 在当今的用于点火的激光应用中，一个主要的关注点是激光的最小可能的可聚焦性。通过使用具有大的数值孔径(DIN58629-1)的光学系统来追求该目标，即在聚焦区域中实现具有尽可能大的强度(每单位面积的功率=功率
密度)的尽可能小的光束直径。Koga等人(物理杂志D43(2010)，025204)可以展示，除了
门限强度以外在聚焦点上的最小
能量或者说最小注量(每单位面积的能量=
能量密度)对于点燃
等离子体也是必需的。
[0003] 但是已经证明，尽管具有高的实现的强度，尤其是在稀薄的混合物情况下，在激光点火情况下出现不利的效果，例如断火，其可能导致直至
发动机失灵。与此相关联的是发动机的运行不平稳。与常规的电点火系统相比较，由此导致的增大的有害排放对激光点火系统的竞争能
力具有负面影响。
[0004] 本发明的优点/本发明的公开
[0005] 相应地，本发明的任务是，如此地改进开头所述类型的激光点火系统，使得前述
缺陷被克服或者被减少。
[0006] 在开头所述类型的激光点火系统中该任务按照本发明如此解决，激光点火系统被时间用于产生具有大于0.1的标准化的注量容积（体积）的脉冲式激光束。
[0007] 按照本发明的规定产生具有大于0.1的标准化的注量容积的脉冲式激光束是特别有利的，因为由此实现在相当大的容积中形成等离子体。
[0008] 本发明的扩展方案甚至规定大于0.3或0.5的标准化的注量容积。有利的是，实现的注量容积非常接近最大可能的注量容积并且由此点燃几率是近似最佳的。
[0009] 在这一点上为了定义注量容积，使用最小能量密度，也称为最小注量，它原则上可以适当地选择。例如可以依据打算的点火混合物来合适地确定最小注量。例如可以从20J/mm2的最小注量出发，它尤其是对于在3bar下的空气-甲烷-混合物证明是合适的。为了在室温和正常的
大气压力下在空气(空气击穿)中产生等离子体，例如15J/mm2的最小注量是足够的。依据系统和外部边缘条件，例如较高的
温度或较高的压力，对于一个系统所需的最小注量也可为10J/mm2或20J/mm2或25J/mm2或30J/mm2。
[0010] 本发明基于的认识是，在相对较大的容积中实现最小注量对应于激光脉冲的存在的能量在尽可能大的容积上的比较均匀的分布。由此实现，在形成等离子体之后在聚焦区域中以增大的可能性点燃
燃料混合物。
[0011] 由此避免断火并且改善内燃机的运行
稳定性。以这种方式,强烈稀薄的燃料混合物，即具有高的过量空气，可以比较更可靠地被点燃。这是有利的，因为内燃机的效率一般随着要点燃的气体混合物的可稀薄程度而增大。
[0012] 相反，在较小的、但较强化的等离子体情况下，存在气体混合物不被点燃的增大的可能性，而是产生的等离子体的能量例如以
声波的形式损失掉。
[0013] 最小注量在其内被超过的容积被称为注量容积。标准化的注量容积对于给定的激光束特征在聚焦的一定的数值孔径下由根据最大可能的注量容积进行标准化的注量容积得出。用语激光束特征在此处尤其是被概括为脉冲能量和光束
质量M2(DIN EN ISO 11146-1)。
[0014] 最大可能的注量容积是理论上通过改变数值孔径，例如通过更换聚焦透镜或改变透镜的照明，在同时保持参数最小注量和激光束特征，尤其是脉冲能量，光束质量M2和
波长，的情况下在给定的激光点火系统中最大可达到的注量容积。
[0015] 如上所述，在最小注量处划分用于确定注量容积的界限。通常最小注量为最大注量的1/10至1/2的值。最大注量是在产生的激光束的聚焦区域中的最高的注量。最大注量的值应该不小于10J/mm2。更好的是，最大注量为至少50J/mm2。在这些情况下保证了可靠地开始形成等离子体。
[0016] 在一个有利的实施方式中规定，注量容积具有1*10－5mm3的最小尺寸。至少10－4mm3的较大的注量容积是希望的。相应于激光束形状，注量容积尤其具有椭圆形形状。对于激光点火系统已经证明是特别有利的是，注量容积的纵向伸展Z与横向伸展R的比为至少一个因数20，其中，因数为至少40是要追求的。
[0017] 脉冲式激光束的产生通过激
光源进行，例如通过固体
激光器。它可选择地通过激光
二极管或者相当的
泵浦光源泵浦。固体激光器必要时具有被动的调q
开关。其他的激光源或
振荡器-
放大器-系统，如在EP1888914A1中描述的，原则上也可以使用。
[0018] 一个特别有利的实施方式规定，由激光源产生的激光束具有至少1mJ的脉冲能量。力求达到的是用于激光束的最小能量为3mJ。在此，激光束的
脉冲持续时间不小于0.5ns是非常有利的，其中，脉冲持续时间为至少2ns甚至是更优选的。
[0019] 总体上已经证明有利的是，脉冲式激光束的光束质量M2小于20。特别有利的是光束质量为最大10。例如为5。
[0020] 另一个特别有利的
实施例是，在聚焦区域中的强度位于1011W/cm2至1013W/cm2的范围中。
[0021]
申请人的研究还附加地显示，在聚焦产生的激光束时的成像失真（图像缺陷），尤其是衍射效应和/或阴影效果，也称为渐晕，在按照本发明规定的、用于聚焦产生的脉冲式激光束的机构上，对用于点燃可燃的气体混合物的被聚焦的激光束的能力在一些情况下可能产生不利的影响。
[0022] 为了避免成像失真和为了改善光学成像，要注意，用于聚焦的机构，例如聚焦透镜，最好最大为关于直径或者说自由孔径的75%或甚至仅为关于直径的50%被照明（照射）。由此产生的尤其是Strehl比(DIN EN ISO 14880-3)在0.8至1的范围中。Strehl比用作在衍射的光束情况下成像失真的
自由度的一种尺度（比例），尤其是衍射的光束与非衍射的光束的最大注量或最大强度的比。
[0023] 通过系统地研究可以显示出，借助于按照本发明的激光点火系统可以点燃具有大于λ=1.5的稀薄燃烧能力的燃料混合物并且稀薄极限随着变大的标准化的注量容积而向较大的值移动。通过这样的可能性，即在与激光点火系统组合下以具有高的稀薄极限的气体混合物可靠地运行内燃机，因此有害排放降低和燃烧效率升高。
[0024] 其他的有利的实施方案是从属
权利要求的内容。本发明的其他的特征，应用可能性和优点由下面的本发明的实施例的描述中得到，这些实施例在
附图中示出。在此，全部描述的或者示出的特征本身或者在任意的组合下形成本发明的内容，其独立于它们在权利要求书中的概括或者它们的回引以及独立于它们的撰写方式或者说
说明书的说明或在附图中的展示。
[0025] 附图
[0026] 图1示出按照本发明的具有扩展透镜和聚焦透镜的激光点火系统的一个示例。
[0027] 图2示出用于聚焦透镜的各种不同的照明的一系列的模拟的光束焦散面（线）。具2 2
有最小注量10J/mm和15J/mm的注量容积的极限被画出。径向的延伸(单位为mm的R)作为与聚焦区域的距离(单位为mm的Z)的函数示出。
[0028] 图3示出用于一个系列的各种不同的最小注量的计算的注量容积。
[0029] 图4示出稀薄极限(λ)，作为用于各种不同的脉冲能量(3mJ，5mJ，7mJ，9mJ)的注量容积(FV)和聚焦透镜(75%，60%，50%)的照明的函数。
[0030] 图5示出在光束质量M2，脉冲能量Q和用于各种不同的激光晶体长度和最小注量的注量容积FV之间的关系。
[0031] 实施例的描述
[0032] 图1示出激光点火系统1的示意图，其由用于产生脉冲式激光束10的机构和用于聚焦20的机构组成。没有示出对用于产生脉冲式激光束10的机构供电的所属的电气线路以及激光点火系统1作为激光
火花塞的结构设计的细节，专业人员例如从EP1519038A中已知这种结构设计。可选择地，设置用于光学传递脉冲式激光束的机构。此外可以设置
传热线路，尤其是用于
冷却液，用于冷却用于产生脉冲式激光束10的机构和/或其他的部件。也没有示出用于在内燃机上安装激光点火系统1的可能的机构。
[0033] 在该实施例中，为了产生脉冲式激光束使用具有被动调q开关12的固体激光器11，它例如产生具有1064nm的波长的光。一个
半导体二极管激光器用作用于固体激光器11的泵浦光源。作为用于聚焦20的机构使用一个透镜系统，例如望远镜。它由用于扩展脉冲式激光束的扩展透镜21和用于将脉冲式激光束聚焦在聚焦区域23中的聚焦透镜22组成。聚焦透镜22最大至透镜直径的75%被照明（照射）。值得推荐的是聚焦透镜22的照明小于透镜直径的
60%。
[0034] 聚焦透镜22的不同的照明产生脉冲式激光束的不同的强度的聚焦。在图2中示出用于透镜直径的75%(图2a，d)，60%(图2b，e)，50%(图2c，f)，40%(图2g)，35%(图2h)和30%(图2i)的照明的相应的光束焦散面（线）。对于9mJ的激光脉冲能量，光束焦散面被模拟。图2a，b和c示出用于不同的光束质量M2，的激光束的光束焦散面，如其在下面(图3)在点火实验中使用的那样。为了模拟在图2d，e，f，g，h和i中的光束焦散面，使用与用于在图2c中的光束焦散面相同的激光参数并且只有聚焦透镜22的照明被改变。在此情况下在聚焦区域23中得到不同的最大注量。
[0035] 为了模拟光束焦散面可以通过高斯光束的数学描述接近激光束的光束传播（分布范围）。高斯光束具有按照高斯曲线的横向轮廓和按照洛伦茨曲线的纵向轮廓。
[0036] 从功率密度分布出发：
[0037] ，
[0038] 在假设门限注量或最小注量下确定注量容积V。
[0039] 与z-轴的径向的距离被定义为光束半径ω(z)，在其上强度下降到1/e2:
[0040] 。
[0041] 最小光束半径用ω0表示，其存在于光束的腰部处(在z=0处)。
[0042] 瑞利长度zR是沿着光轴的距离，在该距离上光束的横截面面积A从光束腰部出发它的大小增加了一倍:
[0043] 。
[0044] 借助于特征参数：激光束的光束半径ω0和扩散度Θ0，通过光束质量数M2描述激光束的可聚焦性:
[0045] ，
[0046] 具有波长λ。
[0047] 平均的功率密度I由功率P与横截面面积A的比得出:
[0048] 。
[0049] 脉冲能量Q是功率P乘以脉冲持续时间τ:
[0050] Q=P·τ
[0051] 平均的能量密度H，也称为注量，是脉冲能量与横截面面积A的比:
[0052] 。
[0053] 最大注量Hmax在z=0处得到，即在聚焦区域中，其中横截面面积A(z=0)=πω02，为:
[0054] 。
[0055] 通过上述参数可以计算相同的能量密度或者说注量的地点R(z)。这得到与至z-轴的距离相关的、具有相同的注量，也称为相等注量，的线:
[0056]
[0057] 或
[0058] 。
[0059] 通过积分相等注量，其等于或大于最小注量，获得作为在距离z上的积分的容积（立体容积）的注量容积FV:
[0060]
[0061] 由此，注量容积FV=f(M2，Q，HSchwelle)是光束质量M2、脉冲能量Q以及最大注量和最2
小注量（HSchwell）的函数。借助于上述等式，对于具有已知的光束质量M 和脉冲能量Q的激光晶体，可以模拟光束焦散面和计算注量容积FV。
[0062] 在图3中示出一个系列的简图，其中用于各种不同的最小注量，10J/mm2(虚线)，15J/mm2(点线)和20J/mm2(实线)的产生的注量容积，相对于光束腰部的半径(图3a)和相对于最大的注量(图3b和3c)绘出。
[0063] 图3a中可以看见，在保持不变的脉冲能量Q=12mJ和光束质量M2=6.1下通过改变聚焦参数或者说改变光束腰部的半径，改变激光束的成像和影响注量容积的大小。在此，注量容积在一定的聚焦参数或者说光束腰部的半径下具有最大值。随着下降的最小注量注量容积变大。注量容积的最大值(在简图中分别通过一个点表示)在较小的最小注量下朝着较大的光束半径移动。
[0064] 在图3b和3c中注量容积相对于最大的注量Hmax绘出。随着下降的最小注量，10J/mm2(虚线)，15J/mm2(点线)和20J/mm2(实线)，注量容积变大。注量容积的最大值随着增大的最小注量朝着较小的最大注量移动。
[0065] 对于图3b，计算针对12mJ的脉冲能量和6.1的光束质量的注量容积以及针对9mJ的脉冲能量和3.4的光束质量的注量容积。对于该两种脉冲能量-光束质量-组合，得到相同的、与最大的注量相关的注量容积。
[0066] 为了比较，在图3c中，相对于用于12mJ的脉冲能量和3的光束质量的最大注量，绘出注量容积。通过改变脉冲能量-光束质量-组合可以实现不同的注量容积。
[0067] 在图2中的光束焦散面示出作为在聚焦区域23中的地点的函数的光束半径。在此，Z[mm]给出沿着光轴至聚焦区域的相对距离。半径R[mm]对应于高斯形式的激光束的延伸，其中强度或注量为最大强度或者说最大注量的1/e2。最大强度和注量可以相应于使用目的进行调整。在光束焦散面中表示了三个区域，在该区域中三个门限值：最大注量的1/e2(画影线的区域)，以及10J/mm2(明亮区域)和15J/mm2(画点区域)被超过。通过注量容积的形状和延伸（范围），在该注量容积那选择的最小注量被超过，可以计算针对确定的聚焦透镜的照明的注量容积和由此产生的聚焦。
[0068] 对于聚焦透镜的75%的照明(图2a)，在半径R为0.01mm和长度Z为0.11mm下，在纵向伸展与横向伸展的比为11的情况下，得到对于最小注量为10J/mm2的注量容积为6.4*10－5mm3。对于相同的最小注量和半径，在纵向伸展与横向伸展的比为14的情况下，对于聚焦透镜的照明为60%(图2b)的注量容积为8.6*10－5mm3。对于50%的聚焦透镜的照明(图2c)，在纵向伸展与横向伸展的比为20的情况下注量容积为10.6*10－5mm3。
[0069] 通过改变透镜的照明和与此相关地改变脉冲式激光束的聚焦和同时保持最小注量的恒定的值，可以确定最大可能的注量容积。
[0070] 相应于上述针对图2a–c中的注量容积的示例性计算，计算了图2d–i中的注量容积。针对最小注量为10J/mm2的情况得到以下的注量容积和标准化的注量容积:在75%的照明时，注量容积为FV(75%)=6.421*10－5mm3和标准化的注量容积nFV(75%)=0.517；FV(60%) =8.579*10－5mm3和nFV(60%)=0.691；FV(50%)=10.64*10－5mm3和nFV(50%)=0.857；FV(40%)=－5 3 －5 3
12.42*10 mm 和nFV(40%)=l；FV(35%)=11.5*10 mm和nFV(35%)=0.926；FV(30%)=5.35*
10－5mm3和nFV(30%)=0.431。在该示例中针对40%的照明得到最大可能的注量容积12.42*10－5mm3。注量容积根据该值进行标准化。
[0071] 在图2中可以清楚地看见，注量容积随着聚焦清晰度变低而增大。这两个系列，图2
2a-c和图2d-i，示出，注量容积主要取决于透镜系统20的照明和其次取决于光束质量M 或在聚焦区域23中的调整的最大注量。
[0072] 可以列出以下的关系:
[0073] 如果在保持不变的脉冲能量Q和光束质量M2下激光束的成像如此地被改变，即得到聚焦参数的改变，也就是说，光束腰部的半径ω0的改变，那么由此影响注量容积FV的大小。在此，注量容积FV在一定的聚焦参数下具有最大值。
[0074] 随着下降的注量门限值或者说最小注量，注量容积FV变大。注量容积的最大值在较小的注量门限值或者说最小注量下朝着较大的光束半径ω(z)移动。
[0075] 稀薄极限，在此处激光点火系统1可以可靠地点燃稀薄的可燃的燃料混合物，是内燃机中的激光点火系统1的一个质量特征。在图4中甲烷-空气混合物的稀薄极限λ作为注量容积(FV)的函数被绘出。对于聚焦透镜22的三种照明，其对应于图2a–c中的光束焦散面，针对脉冲能量3mJ，5mJ，7mJ和9mJ分别确定了稀薄极限λ。为此在流动室中的点火试验中甲烷-空气混合物的点燃几率作为稀薄级别λ的函数被测量。对于每个稀薄级别λ，在甲烷-空气混合物中在压力为3bar和流动速度为5m/s下实施30个点火过程并且记录成功的点火。稀薄极限对应于λ，在该λ下点燃几率下降到95%。
[0076] 对于每个脉冲能量和聚焦透镜22的照明，模拟了光束焦散面和由此计算出针对15J/mm2的最小注量的注量容积。
[0077] 具有5.7*10－5mm3的最大的可能的注量容积在该实验中在聚焦透镜照明为50%和脉冲能量为9mJ的情况下被到达。
[0078] 在图4中示出，稀薄极限λ随着注量容积(FV)增大。在固定的激光束特征，脉冲能量和光束质量M2下，稀薄燃烧能力由此单独地通过参数标准化的注量容积(nFV)，即通过优化地选择聚焦，得到改善。用于图2a，2b和2c中的光束焦散面的确定的稀薄极限在图中被标记出来。
[0079] 图5示出作为光束质量M2和脉冲能量Q的函数的注量容积FV。示例性地示出具有长度10mm(填满的三
角形)和长度30mm(空白的三角形)的激光晶体的两个运行点。可饱和的吸收器的初始透射（传输）率在两种激光晶体下为T0=30%。虚线是针对注量容积的等容积线的计算的值，其中，从左向右注量容积FV增大。在从左向右的顺序下虚线对应于注量容积:FV=2*10－5mm3，FV=4*10－5mm3，FV=6*10－5mm3，FV=8*10－5mm3，其中，各选择一个最小注量15J/mm2。
[0080] 在图5中清楚地看见，在恒定的光束质量M2下注量容积FV随着增大的脉冲能量Q而增大。在相同的脉冲能量Q下光束质量M2必须改善，即取较小的值，由此注量容积FV变大。相同的注量容积FV可以通过脉冲能量Q和光束质量M2的不同的组合产生。
