Title: Focal size dependence of laser ignition
Language: English
Authors: Muri, Ingo
Qualification level: Diploma
Keywords: Laserzündung; Fokalvolumen; Optischer Durchbruch; Festkörperlaser; Fokusdurchmesser; Plasmabildung; Zündung; Verbrennungsmotoren
laser ingnition; focal size dependence; laser-induced optical breakdown; plasma generation; ignition; combustion engines
Advisor: Wintner, Ernst
Assisting Advisor: Schwarz, Elisabeth 
Issue Date: 2010
Number of Pages: 75
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde der Einfluss des Fokusdurchmessers auf die Laserzündung experimentell untersucht. Die Laserzündung basiert auf dem Effekt des optischen Durchbruchs (beziehungsweise der Plasmabildung) in Gasen, der bei hohen Intensitäten von ungefähr [10 hoch 11] W/[cm hoch 2] auftritt. Diese hohen Intensitäten werden durch das Fokussieren von kurzen Laserpulsen zu kleinen Strahldurchmessern erreicht. Die Laserzündung weist gegenüber elektrischen Zündkerzen einige Vorteile auf, da unter anderem magerere Gemische verwendet werden können und die Zündung bei höherem Druck stattfinden kann.
Um die Zündfähigkeit des Laserfunkens zu untersuchen wurden zunächst einige Transmissionsexperimente bei unterschiedlichen Drücken und Fokusgrößen durchgeführt. Die Transmission von Laserlicht kurz vor der Plasmabildung sowie durch das generierte Plasma hindurch ist der bedeutendste Verlustmechanismus. Der prozentuelle Anteil des transmittierten Laserlichts hängt unter anderem vom Gasdruck sowie von der einfallenden Laserenergie ab. Das transmittierte Licht kann Auskunft über die Energie des Plasmas geben. Die Experimente wurden bei unterschiedlichen Drücken zwischen 1 und 60 bar sowie bei Laserenergien von bis zu 160 mJ durchgeführt. Als Strahlungsquelle diente ein mittels Blitzlampen gepumpter Nd:YAG Laser mit aktiver Güteschaltung und einer Wellenlänge von 1064 nm.
Einen sehr wichtigen Teil der Diplomarbeit machen Zündversuche bei unterschiedlichen Fokusgrößen und Laserenergien aus. Die Experimente wurden in einer Brennkammer bei einem Gasdruck von 11 bar und bei einer Temperatur von 110 °C durchgeführt. Als Strahlungsquelle diente auch hier ein von Blitzlampen gepumpter Nd:YAG Laser. Sowohl bei den Transmissions- als auch bei den Zündexperimenten erwiesen sich kleine Fokusgrößen als vorteilhaft.
Ein weiteres Ziel war die Bestimmung des Fokusdurchmessers. Die Fokusgrößen wurden zunächst berechnet und danach experimentell mit einem Strahlanalysegerät überprüft. Die Übereinstimmung der gemessenen und berechneten Daten war zufriedenstellend.
Außerdem beinhaltet die Diplomarbeit auch einige theoretische Überlegungen zum Fokalvolumen, da diesbezüglich in der Literatur keine zufriedenstellende Definition gefunden werden konnte. Ausgehend von der Tatsache, dass das Fokalvolumen den Raum einschließt, in dem eine festgelegte Schwellintensität überschritten wird, wurde eine theoretische Formel des Fokalvolumens für Gauß-Strahlen hergeleitet.

The scope of this diploma thesis was the experimental investigation of focal size dependence of laser-induced optical breakdown applied for laser ignition. Laser ignition relies on the fact, that optical breakdown (plasma generation) in gases occurs at high intensities of [10 hoch 11] W/[cm hoch 2]. Such high intensities can be achieved by focusing short laser pulses to small focal sizes. Laser ignition has several benefits compared to conventional spark plug ignition since leaner mixtures can be ignited and it can be operated at larger compression ratios. To analyze the ignitability of the laser spark, several transmission experiments at various pressures and focal sizes were accomplished. The transmission of laser light before formation of and through the induced plasma is a most essential loss factor and depends, amongst other factors, on pressure and incident laser energy. It provides important information about the plasma energy. The experiments were accomplished at several pressures between 1 and 60 bar and laser energies up to 160 mJ. The beam source was a flashlamp-pumped actively Q-switched solid-state Nd:YAG laser with a wavelength of 1064 nm.
A very important part of this diploma thesis is taken up by ignition experiments at several focal sizes and laser energies. The experiments were carried out in a combustion chamber at a filling pressure of 11 bar and a temperature of 110 °C. Again, the beam source was a flashlamp pumped solid-state Nd:YAG laser. The results of transmission and ignition experiments show an advantage of small focal sizes. Another goal was the estimation of the focal size diameter. The focal sizes were calculated and verified experimentally with a beam profiler.
The accordance between measured and calculated data was satisfying.
Additionally this diploma thesis contains some theoretical considerations about the focal volume since no satisfying definition was found in literature. Based on the fact, that the focal volume encloses the space where a specific threshold intensity is exceeded, a theoretical formula was derived.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-34711
http://hdl.handle.net/20.500.12708/13103
Library ID: AC07806809
Organisation: E387 - Institut für Photonik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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