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Title
Calculation and simulation of Q-switched laser ignition sources / von Franz Trawniczek
AuthorTrawniczek, Franz
CensorWintner, Ernst
Published2009
Descriptionviii, 101 Bl. : Ill., zahlr. graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2009
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)Laser / Zündung / Zündsystem / Güteschalter / Simulation
Keywords (EN)Laser / Q-switch / Simulation / Ignition / Combustion
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-33281 Persistent Identifier (URN)
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Calculation and simulation of Q-switched laser ignition sources [11.49 mb]
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Abstract (German)

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Berechung und Simulation eines gütegeschalteten Festkörperlasersystems. Die gesamte Arbeit ist ein Teil der Entwicklung eines alternativen Zündkonzepts für Verbrennungsmotoren. Ziel dieses Konzepts ist die Entwicklung eines Zündlasers, welcher die konventionelle Zündkerze im Verbrennungsmotor ersetzen soll. Im Lauf der letzten Jahre stieg das Interesse an emissionsreduzierten und gleichzeitig effizienteren Motoren für die Produktion von elektrischer Energie infolge ökologischer Aspekte und Überlegungen stark an.

Die Laserzündkerze bringt einige entscheidende Vorteile im Vergleich zur bewährten konventionellen Zündkerze mit sich. Der Funke, der in diesem System das Gas/Luftgemisch zündet ist ein Plasma, welches durch einen kurzen Laserpuls erzeugt wird.

Der dominierendste Vorteil des Zündlasers ist die Möglichkeit äußert magere Gemische zu zünden, was als direkte Konsequenz eine Reduktion der Stickoxide (NOx) bei gleichzeitigem Anstieg des Wirkungsgrades nach sich zieht. Da am Markt kein adäquates Produkt existierte, war die Eigenentwicklung einer Laserzündkerze notwendig für die Realisierung des neuen Zündkonzepts.

Der Aufbau des Lasers soll einfach, robust und preiswert sein. Nd:YAG (Neodymdotierter Yttrium Aluminium Granat) stellte sich in einer Versuchreihe als das vorteilhafteste Lasermedium heraus.

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Berechnung und der Simulation eines solchen Festkörperlasersystems. Die Berechnungen inklusive aller relevanten Parameter basieren auf den Ratengleichungen eines Vier-Niveau Lasersystems. Die Approximation der Pumpfunktion, die Modellierung des Güteschalters und die detaillierte Analyse eines einzelnen Durchlaufs im Lasersystem sind die Grundlagen um alle erforderlichen Parameter zu erhalten.

Der erste Schritt ist die Simulation eines Systems mit einem aktiven Güteschalter, da hierfür eine fundierte Theorie existiert. Die optimale Kon guration des gütegeschalteten Festkörperlasersystems kann durch Variation der einzelnen entscheidenden Parameter (Reektivität der verbauten Spiegel, idealer Zeitpunkt zum Öffnen des Güteschalters, geeignete Anfangs- und Endtransmission) gefunden werden. Die exakte Analyse des Systems von Ratengleichungen in einem Vier-Niveau Lasersystems mit Nd:YAG als aktives Medium sind der theoretische Hintergrund für das Verständnis der Simulation.

Die Approximation der Pumpfunktion als Trapez ist ein entscheidender Faktor für relevante Ergebnisse. Unter Anwendung eines Codes, geschrieben in Borland PASCAL, wird das Laserzündsystem simuliert um die optimale Kon guration zu nden. Die hohen Anforderungen (ein einzelner Laserpuls mit einer Höchstleistung im Megawatt Bereich bei einer Pulsdauer im Nanosekunden Bereich), die für die Zündung erforderlich sind, müssen vom zu entwickelnden Laser erfüllt werden.

Abstract (English)

The scope of this diploma thesis comprises the calculation and simulation of a Qswitched solid-state laser ignition source. This work is part of the development project of an ignition laser which should replace the conventional spark plug in internal combustion engines. The demand for higher efficient and low emission engines for the production of electrical energy increased rapidly due to several environmental aspects.

The most important bene t of the new alternative ignition system is the potential for ignition of very lean mixtures which results in lower emissions of nitrous oxides (NOx) and an increase in efficiency.

A lack of adequate light sources for laser ignition on the market lead to the speci c development of an ignition laser whithin our research group which should have a simple and robust con guration, furthermore this system also has to be cheap.

Experiments showed, that Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet) is the most promising candidate as a proven solid-state laser material.

The main topic of this diploma thesis is the analysis and the simulation of such a Qswitched laser system. The calculations including all relevant parameters are based on the rate equations for a four-level laser system. The approximation of the pump function, the analysis of the Q-modulator and the detailed overview of one single roundtrip in the laser system are indispensable to obtain all important values of the laser system.

The first step is the simulation of an active Q-switched laser system because there exists a well established theory. The optimum performance of the high peak power Q-switched ignition laser is obtained by the adaption of several important parameters (reectivities of the two used mirrors, best time for opening of the Q-modulator, transmissions before and after opening of the Q-modulator). The exact analysis of the system of rate equations and the four-level laser system in combination with the parameters of the used active medium Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet) are the background for understanding the laser system. The approximation of the actual pump function as a trapezoid function is essential for obtaining signi cant results. Applying a code, written in Borland PASCAL, the main behaviour of the laser ignition system is simulated to nd the conditions for optimal performance of the high peak power laser and to conform to the needed requirements (one single pulse with high peak power (MW) and a very short duration ( 1 ns)).

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