高效激光点火装置制造方法及图纸

公开一种高效激光点火装置。本发明专利技术的所述高效激光点火装置基本上包括：采用多片单发射器封装的光纤输出激光二极管的泵浦光源；添加镱的激光介质；以及作为被动Q开关介质的饱和吸收体，其中可以获取100到999ps的脉冲作为所述被动Q开关激光输出。根据本发明专利技术，可以解决用激光点火装置替代使用电火花的点火装置引起的高成本/低效率/低可靠性/不一致性这些缺点问题。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高效激光点火装置
本专利技术涉及一种激光点火装置，用于对车辆等中的内燃机点火，且更具体地说，涉及一种对泵浦光源、激光介质、可饱和吸收体、发射截面等进行改进的激光点火装置，以使其实现低成本、小型化、高效率。
技术介绍
电火花点火装置是使用了最长时间的发动机点火装置。在电火花点火装置中，以合适的间隔安装正电极和负电极并且产生高压放电脉冲来点燃发动机中的燃料。由于这种火花点火电极装置具有由其设计导致的在发动机的整体内部空间中难以最大程度地均匀地点火的缺陷，因此火花点火电极装置的燃料效率略低，介于16％到18％之间。自20世纪90年代以来，已经提出各种类型的激光点火装置来实现均匀放电并且提升点火效率这一火花点火装置的问题。虽然英国和日本研究团队提出一种激光点火系统并证明其发动机效率可以实现介于22％到24％之间，这相较于放电方法提升了约6％，但是所述激光点火系统仍具有低效率或缺乏实际上应用于车辆发动机所需的专一性和经济可行性，因此仍尚未实现商业化。对于此的主要原因在于使用了高成本泵浦激光二极管，因此实际应用几乎是不可能的。作为特定实例，对于传统激光点火装置，已经进行了一种方法的研究和开发，在其中使用主要添加了钕(Nd)的激光介质，但是作为核心激光技术的Nd基激光介质具有其最佳泵浦时间介于200μs到300μs或更小的范围内的缺点，并且因此仅可使用对应于每一脉冲最大300μs的泵浦激光二极管脉冲的能量。在这种情况下，可用的泵浦波段为800nm，并且所需的平均输出为100W或更多的泵浦激光二极管的成本是四千到五千美元或更多，因此泵浦激光二极管是几乎不可能降低成本的光学组件。同时，在2012年，日本研究团队提出了一种新的激光点火系统，通过具有808nm泵浦波长的激光二极管内的脉冲泵浦Nd基激光介质产生的具有1064nm波长的激光脉冲输出光通过透镜以高强度聚焦于极小直径上从而产生光发射脉冲来点燃燃料。然而，即使使用大批量生产类型的垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)估计也几乎不可能以低成本实现此类系统的商业化。由于使用此类Nd基激光的激光放电系统具有Nd离子，所述Nd离子具有170μs的较短高能态使用寿命，因此具有类似脉冲宽度的泵浦激光二极管的泵浦脉冲宽度也必须保持介于约200μs到300μs范围内，并且即使当使用高成本的120W泵浦激光二极管时，也仅可将每一脉冲介于24mJ到36mJ范围内的泵浦脉冲能量输入到激光介质。如上文所描述，使用Nd激光的激光放电系统存在以下问题：(1)必须使用高成本的808nm泵浦激光二极管，(2)由于Nd离子的高能态使用寿命是170μs，当泵浦脉冲宽度为最大值约300μs时其效率实现最大化，因此最大限度可用的泵浦脉冲能量较少且效率低下，(3)由于泵浦激光二极管的峰值功率高，并且将高电流用作输入功率，因此驱动电路复杂，(4)相应地，整体系统变得昂贵，因此存在着实际应用变为几乎不可能的问题。(5)另外，由于在系统实际应用并且在燃料燃烧期间产生的燃烧副产物很有可能粘附到激光束发射窗口，并且燃烧腔室内部的窗口不包括自动清洁功能，因此实际应用几乎是不可能的。(6)虽然存在其中具有高折射率的光学组件应用于多焦点燃烧的设计，但是当多个激光谐振器的输出激光束的振荡方向根据脉冲细微改变或激光束发散角改变时，通过聚焦透镜传输到燃烧腔室中的焦点的激光束的输出能量很有可能改变，并且因此有可能发生不完全点火或点火失败。同时，在发动机中的爆炸冲程(膨胀冲程)期间在点火点周围产生约2,000℃高温的热量。因此，值得关注的是不利地影响激光点火装置的热量会因发射光谱而传递到激光点火装置，并且因此也存在与在传统技术的点火装置中对应的准备不充分的问题。
技术实现思路
【技术问题】本专利技术旨在提供一种实现低成本和小型封装的高效激光点火装置，到目前为止，这是很困难的。另外，本专利技术还提供一种高效激光点火装置，增加了最大可用泵浦脉冲能量、采用低电流作为输入功率，并且简化了驱动电路。本专利技术还提供一种高效激光点火装置，能够防止燃料燃烧期间所产生的副产物粘附到激光束发射窗口。本专利技术还提供一种能够稳定地运行的高效激光点火装置，防止出现不完全点火或点火失败，甚至防止在针对大容量燃烧室中的燃烧所需的多焦点燃烧执行多焦点聚焦时出现不完全点火或点火失败。本专利技术还提供一种高效激光点火装置，能够阻隔在发动机中的爆炸冲程(膨胀冲程)期间在点火点周围产生并且朝向激光点火装置反向移动的高温热。【技术方案】本专利技术的一个方面提供一种高效激光点火装置，其包括：(a)泵浦光源，其包括多片单发射器封装的光纤输出激光二极管；(b)添加镱(Yb)的激光介质；以及(c)用作被动Q开关介质的可饱和吸收体，其中获取100到999皮秒脉冲作为被动Q开关激光输出。在此，激光二极管可具有900nm到990nm的波段，并且可饱和吸收体可以是掺铬钇铝石榴石(Cr:YAG)可饱和吸收体。另外，所述高效激光点火装置还可包括多个组，每个组包括组件(a)到(c)，并且在每一组的可饱和吸收体的下一阶段进一步包括多聚焦点火点产生单元。此外，上述高效激光点火装置可以进一步优选地包括逆流热阻隔单元。【有益效果】根据本专利技术，存在如下效果。(1)能够输出数百皮秒脉冲并且被动地Q切换的高效率激光通过包括具有多片单发射器封装光纤输出类型的层状二极管(这是最新技术)作为泵浦光源、添加镱(Yb)的激光介质(例如，掺Yb钇铝石榴石(Yb:YAG))和可饱和吸收体来实现，并且该高效率激光应用于内燃机等中发动机点火的激光点火装置，并且因此可以使得激光点火系统实现低成本、小型化且高效。(2)此时，由于使用了用于点火的激光输出所需的重复率两倍或三倍的脉冲重复率，因此点火脉冲之间的脉冲可以用于自动地去除会粘附到激光束发射窗口的副产物，并且因此使得高效激光点火系统可以实现实际使用。(3)当针对大容量燃烧室中的燃烧所需的多焦点燃烧执行多焦点聚焦时，由于使用其发射截面具有倾斜表面的光纤而非使用简单高折射率光学组件来传输激光脉冲能量，因此即使在激光输出脉冲的输出方向发生细微改变时和在激光束发散角发生改变时，激光脉冲能量也可以稳定地传输到点火点。(4)由于可以阻隔在发动机中的爆炸冲程(膨胀冲程)期间在点火点周围产生并且朝向激光点火装置反向移动的高温热，因此高效激光点火装置能可靠地运行。附图说明图1是根据本专利技术用于在车辆等的内燃机中点火的高效激光点火装置中的泵浦光源的示意图。图2是根据本专利技术的第一实施例的高效激光点火装置的示意图。图3是根据本专利技术的第二实施例的高效激光点火装置(202)的示意图。【参考标号】10：多片单发射器12：第一聚焦透镜14：泵浦光纤输入端16：泵浦光纤传送18、18-1、18-2：泵浦光纤输出端20：激光二极管输出光22、22-1、22-2：第二聚焦透镜24、24-1、24-2：添加镱的激光介质24A：激光介质的全反射涂层24B：激光介质发射表面的抗反射涂层26、26-1、26-2：可饱和吸收体26A：可饱和吸收体的抗反射涂层26B：可饱和吸收体的输出玻璃涂层28、28-1、28-2：第三聚焦透镜30、30-1、30-2：入射窗口30B：入射窗口的全反射涂层，用于防止逆向移动34：热阻隔块36、36-1、36-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效激光点火装置，其包括：(a)泵浦光源，其包括多片单发射器封装的光纤输出激光二极管；(b)添加镱(Yb)的激光介质；以及(c)用作被动Q开关介质的可饱和吸收体，其中获取100到999皮秒脉冲作为所述被动Q开关介质的激光输出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.20 KR 10-2015-00092631.一种高效激光点火装置，其包括：(a)泵浦光源，其包括多片单发射器封装的光纤输出激光二极管；(b)添加镱(Yb)的激光介质；以及(c)用作被动Q开关介质的可饱和吸收体，其中获取100到999皮秒脉冲作为所述被动Q开关介质的激光输出。2.根据权利要求1所述的高效...

【专利技术属性】
技术研发人员：金南成，
申请(专利权)人：金南成，菲博里奥股份有限公司，
类型：发明
国别省市：韩国,KR