PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE

- 1/22 -

RAPORT STIINTIFIC

Contractul de Finantare nr. 58/2012

Sistem Laser pentru Aprinderea Motoarelor de Automobile (LASSPARK)

Etapa I / 2012: Bujie laser bazata pe laserul comutat pasiv Nd:YAG/Cr4+

:YAG cu dimensiuni si rezistenta corespunzatoare folosirii in aprinderea motoarelor. Proiectarea ferestrei optice pentru transferul radiatiei laser in camera de ardere.

In comparatie cu aprinderea clasica a amestecului de combustibil dintr-un motor de automobil, folosind bujia electrica clasica, utilizarea unui laser aduce cateva avantaje, dintre care mentionam: i) ’scanteia’ poate fi plasata in pozitia dorita, la distanta ce poate fi aleasa fata de peretele camerei de ardere; ii) volumul din camera de ardere creste prin eliminarea bujiei electrice, astfel eliminandu-se si efectele de coreziune ale bujiei clasice; iii) energia pulsului laser poate fi modificata, sau mai multe pulsuri pot fi aplicate astfel incat sa se obtina aprinderea unor compozitii cu concentratie scazuta a combustibilului, de aici rezultand o economie de combustibil si o reducere a noxelor eliminate de autoturism, sau iv) desi ceva mai complicat, aprinderea combustibilului din camera de ardere se poate face in mai multe puncte. Dezavantajul principal al unui astfel de concept este dificultatea realizarii unui laser care sa aiba dimensiuni compacte, specifice unei bujii electrice, astfel oferind posibilitatea instalarii direct pe motorul autoturismului. In plus, un astfel de laser trebuie sa reziste conditiilor de temperatura si vibratii, specifice unei astfel de aplicatii. O fotografie a unei bujii clasice (FALKE) utilizata pe autoturismele Dacia este aratata in Fig. 1, dimensiunile acesteia fiind de aprox. 75 mm in lungime si HEX24 mm in diametru.

Fig. 1 Imaginea unei bujii clasice FALKE WCD7.

Proiectarea laserului a fost realizata astfel incat acesta sa arata si sa aiba dimensiunile cat mai apropiate de acest tip de bujie. Mediul laser a fost de tip Nd:YAG/Cr4+:YAG de tip compozit. Astfel, Nd:YAG (8 mm in lungimea si 5 mm diametru) si mediul Cr4+:YAG cu proprietati de absorbtie saturabila (grosime de 2 mm, transmisie initiala T0 de 30% sau 40%) au fost realizate prin tehnici ceramice (Baikowski Co. Ltd., Japonia) si lipite optic in timpul fabricatiei. O suprafata a mediului Nd:YAG a fost depusa cu reflexie ridicata (HR, reflectivitate R> 99.9%) la lungimea emisiei laser, λem= 1.064 µm) si cu transmisie mare (HT, transmisie T> 98%) la lungimea de unda de pompaj, λp= 807 nm. Aceasta suprafata a constituit oglinda cu reflectie ridicata a rezonatorului, prin care de asemenea s-a efectuat pompajul optic. Suprafata exterioara a mediului Cr4+:YAG a fost depusa cu reflectivitte R~ 50% la λem= 1.064 µm, rezonatorul optic avand astfel lungimea mediului Nd:YAG/Cr4+:YAG. Pompajul optic s-a facut cu o dioda laser (Jenoptik, Germania) cuplata la o fibra optica cu diametrul de 600 µm. A fost utilizat regimul pulsat, durata pulsului de pompaj fiind de 250 µs iar rata de repetitie variabila, intre 1 si 60 Hz. Radiatia de pompaj a fost transferata in mediul Nd:YAG cu ajutorul a doua lentile de dimensiuni reduse (diametrul de 6 la 7 mm). Energia pulsului laser emis de mediul Nd:YAG/Cr4+:YAG a avut valori in domeniul 2.7-3.0 mJ, in functie de distanta dintre lentila de focalizare si mediu. Dupa laserul Nd:YAG/Cr4+:YAG au fost plasate trei lentile. Doua lentile, prima divergenta cu diametrul de 6 mm si urmatoarea convergenta cu diametrul de 6.5 mm au fost folosite pentru a colima fasciculul laser (λem= 1.06 µm), in timp ce ultima lentila (cu diametrul de 7.2 mm) a fost utilizata pentru a focaliza acest fascicul la dimensiuni suficiente pentru a realiza fenomenul de spargere a aerului.

NOTA: Zonele marcate cu negru nu pot fi facute publice din cauza drepturilor de proprietate intelectuala.

- 2/22 -

O schema a laserului de tip ”bujie” este prezentata in Fig. 2. Modulul de focalizare a radiatiei de pompaj contine si mediul laser Nd:YAG/Cr4+:YAG, fiind aratat in Fig. 2a. Fig. 2b prezinta modulul de colimare a radiatiei laser, acesta continand si fereastra optica care permite transferul fasciculului in camera de ardere a motorului. Vederea generala a laserului este ilustrata in Fig. 2c, observandu-se ca forma si dimensiunile acestuia sunt apropiate de cele ale unei bujii electrice clasice.

Fig. 2 a) Modulul de focalizare a radiatiei de pompaj si care contine si mediul Nd:YAG/Cr4+:YAG; b) Corpul care permite focalizarea radiatiei laser si introducerea acesteia in camera de ardere; c) Vedere generala a laserului de tip bujie.

NOTA: Zonele marcate cu negru nu pot fi facute publice din cauza drepturilor de proprietate intelectuala.

- 3/22 -

Fereastra optica este prezentata schematic in Fig. 3. Aceasta a fost realizata din safir (Al2O3), avand diametrul de ~6.0 mm si diferite grosimi. Suprafata dinspre laser (S1) a fost depusa antireflex la 1.06 µm, in timp ce suprafata dintre camera de ardere (S2) a fost pastrata fara nici o depunere dielectrica.

Fig. 3 Schema a ferestei optice din safir.

Aceasta etapa a proiectului a avut drept scop si determinarea poziției optime a întregului ansamblu de comanda, control si gestiune a aprinderii unui motor in compartimentul motor. Rezultatele studiului au fost obținute in urma simulărilor realizate cu programul Catia v5 utilizat, in mod frecvent de către inginerii Renault Tehnologie Roumanie, pentru amplasarea tuturor elementelor in compartimentul motor. Catia oferă o suita de soluții de vizualizare a suprafețelor, de creare, modificare si validare a formelor complexe. Astfel, cu ajutorul dimensiunilor componentelor bujiei laser si a dimensiunilor si poziționării tuturor echipamentelor intr-un compartiment motor, a fost posibila crearea pieselor si traseelor 3D pentru componentele bujiei laser. Sistemul de aprindere laser este format din bujia laser, fibra optica, dioda laser, sistemul de răcire (format din element Peltier, radiator, ventilatoare) si sistemele de alimentare cu curent continuu ale acestora. Constrângerile majore pe care le-am avut in vedere au fost cele legate de temperatura din compartimentul motor, de volumul mare al diodei si sistemului de răcire cat si legate de flexibilitatea fibrei optice. Pentru realizarea etapelor acestui proiect a fost nevoie de alegerea unui motor si a unui vehicul din gama Renault-Dacia. Pentru alegerea motorului s-a ținut cont de mai mulți factori constructivi, funcționali si legați de logistica. Motorul ales, de tip Renault K7M 812, este un motor funcționând cu benzina, cu injecție indirecta in poarta supapei de admisie, cu 2 supape pentru fiecare cilindru. Acest ultim aspect permițând eventuale modificări ale chiulasei pentru realizarea de măsurători sau vizualizări in interiorul cilindrului in timpul proceselor termodinamice datorita unor spatii mai mari neutilizate in chiulasa fata de motorul cu 4 supape pe fiecare cilindru. Motorul este produs la uzina de la Mioveni , Romania, fapt ce poate fi considerat un avantaj din punct de vedere al ușurinței cu care poate fi procurat, in prima faza pentru teste, cat si al unor eventuale întâlniri cu cei de la uzina in vederea implementării sistemului de aprindere laser in producția de serie a motorului. Caracteristicile motorului sunt prezentate in tabelul de mai jos.

Cod K7M Nume 1,6 MPI Tip combustibil Benzina Putere maxima [kW/CP] 62 / 85 Cuplu maxim [Nm] 135 Cilindrii L4 Supape pe cilindru 2 / SOHC Cilindreea [cm3] 1598 Alezaj x Cursa [mm] 79.5 x 80.5 Raport comprimare [-] 9.5 Tipul injecției MPI - injecție indirecta Tipul admisiei Motor aspirat Distribitia Fara VVT pe curea Norma de poluare Euro 5 Cutia de viteze MT5

Vehiculul ales este o Dacia Duster datorita unui compartiment motor cu un volum mai mare fata de celelalte vehicule din gama Renault-Dacia si deci mai multe zone libere, acest lucru fiind necesar pentru

NOTA: Zonele marcate cu negru nu pot fi facute publice din cauza drepturilor de proprietate intelectuala.

- 4/22 -

amplasarea sistemelor de aprindere laser in compartimentul motor. Nu in ultimul rând, Duster primul SUV Dacia se bucura de un mare succes, din punct de vedere al vânzărilor, încă de la lansare. Poziționarea bujiei laser

Construcția bujiei laser permite amplasarea acesteia in același loc cu al bujiei clasice (cu electrozi) acesta reprezentând unul din principalele atuuri ale acestui proiect. Astfel se fac mari economii bugetare ne mai fiind necesare modificări ale chiulasei precedate de numeroase studii de proiectare, testare si fabricație a noii chiulase. In figura de mai jos se poate vedea poziția bujiei clasice si distantele minime pana la capul pistonului. Cu culoarea galben este schițata bujia laser, aceasta construcție ne influențând funcționarea motorului.

Poziționare fibrei optice

Fibra optica este elementul de legătura intre bujia laser si dioda laser. Fibra optică este o fibră de sticlă care transportă lumină de-a lungul său. Fibrele optice permit transmisii pe distanțe mai mari și la lărgimi de bandă mai mari decât alte medii de comunicație. Fibrele transmit semnalul cu pierderi mici și sunt imune la interferențe electromagnetice. In cadrul acestui studiu de amplasare a fibrei optice s-au întâmpinat dificultăți datorita constrângerilor legate de flexibilitate a sticlei din interiorul fibrei optice. Astfel, fibra nu permite o raza de curbura mai mica de 200 mm. Diametrul total al fibrei optice este de 8 mm iar din punct de vedere al lungimii nu apar constrângeri decât după o lungime mai mare de 2 metri. Studiul a fost făcut cu ajutorul softului Catia care a permis vizualizarea 3D a tuturor elementelor din compartimentul motor si amplasarea in zona optima a fibrei. S-au studiat mai multe variante de amplasare a volumului fibrei optice ținându-se cont de constrângerile menționate. După cum se poate vedea in figura de mai jos, bujia laser s-a considerat montata la cilindrul numărul 3 deoarece este plasata cel mai central in compartimentul motor.

Cutia cu sistemul de răcire al diodei laser (figura de mai jos) nu trebuie plasat in interiorul compartimentului motor din cauza restricțiilor legate de temperatura ambianta sistemului de răcire.

Temperatura de funcționare a diodei laser (măsurata cu senzor intern de temperatura) este intre 15 si 30o C. Singura zona mai libera ar fi fost intre motor si radiator dar acest motor este amplasat cu sistemul de

NOTA: Zonele marcate cu negru nu pot fi facute publice din cauza drepturilor de proprietate intelectuala.

- 5/22 -

evacuare spre partea frontala a vehiculului ceea ce ar fi dus la o temperatura ambientala mult peste cea suportata de dioda laser. Din cauza constrângerilor legate de temperatura ambientala din compartimentul motor s-a luat in considerare plasarea diodei laser si sistemului de răcire a acesteia in spațiul de depozitare din bordul autovehiculului. Pentru trecerea din zona compartimentului motor in zona habitaclului a fost aleasa o zona cat mai ușor de găurit fiind evitate zonele formate din mai mulți pereți pentru rigidizarea caroseriei. Aceasta varianta de amplasare este cea optima datorita spațiului accesibil in zona din dreapta a compartimentului motor (in zona stângă se găsesc bateria, furtun admisie aer in filtru, componente ale sistemului de frânare).

A fost studiata posibilitatea fibrei de a se putea misca liber in compartimentul motor. In figurile de mai sus sunt scoase in evidenta distantele de la fibra optica la cele mai apropiate elemente din compartimentul motor: - pana la filtrul de aer 30.858 mm; - pana la șurubul de fixare al filtrului de aer 33.603 mm; - pana la suportul de amortizor (caroserie) 18.602 mm; - pana la conducta sistemului de aer condiționat 19.576 mm; - pana la conducta sistemului de frânare 15.171 mm; - pana la capota 41.602 mm.

NOTA: Zonele marcate cu negru nu pot fi facute publice din cauza drepturilor de proprietate intelectuala.

- 6/22 -

Datorita vibrațiilor apărute in funcționarea motorului, a fost aplicat un coeficient de siguranța de c= 0,075 [-] pentru razele de curbura. Astfel razele de curbura alei fibrei optice au fost mărite de la 200 mm la 215 mm. Lungimea totala a fibrei optice de la bujia numărul 3 pana in torpedo este de aproximativ 1.33 m.

Poziționarea diodei laser împreuna cu sistemul de răcire al acesteia

Dioda laser (figura de mai jos) are nevoie de un sistem de răcire cuplat pe suprafața inferioara a acesteia. Pe aceasta suprafața este montat un element Peltier care permite, pe baza efectului termoelectric, când ii este aplicata o tensiune electrica sa creeze o diferența de temperatura intre cele doua suprafețe. Suprafața încălzita si cea răcita sunt determinate de polaritatea tensiunii aplicate la bornele elementului Peltier. Suprafata fierbinte al elementului Peltier este răcita cu un sistem de răcire format din camere speciale in care e vehiculat aer cu ajutorul unor ventilatoare acționate electric. Cutia cu sistemul de răcire al diodei laser nu trebuie plasat in interiorul compartimentului motor din cauza restricțiilor legate de temperatura ambianta sistemului de răcire. Temperatura de funcționare a diodei laser (măsurata cu senzor intern de temperatura) este intre 15 si 30 o C. Singura zona mai libera ar fi fost intre motor si radiator dar acest motor este amplasat cu sistemul de evacuare spre partea frontala a vehiculului ceea ce ar fi dus la o temperatura ambientala mult peste cea suportata de dioda laser.

In urma studiului in Catia prezentat anterior sistemul de racire, elementul Peltier si dioda laser vor fi plasate fie in torpedoul vehiculului, fie in zona pasagerului (pe scaun, sub scaun sau in zona picioarelor). Dimensiunile de gabarit ale sistemului de racire sunt 255 x 230 x 85 mm iar cele ale diodei laser 155 x 130 x 44 mm (figura de mai jos).

In vederea amplasării optime acestor dispozitive relativ voluminoase s-au încercat mai multe modalități de poziționare in compartimentul motor, nici una dintre aceste variante nefiind aleasa in primul rând din punct de vedere al dimensiunilor. Una dintre variantele de amplasare a sistemului de răcire încercate a fost in zona bateriei datorita unor distribuții mai mici de temperatura. După cum se poate vedea in figurile de mai jos înălțimea sistemului, simulat printr-un paralelipiped de dimensiuni 255 x 230 x 85 mm, ar strapunge capota vehiculului.

NOTA: Zonele marcate cu negru nu pot fi facute publice din cauza drepturilor de proprietate intelectuala.

- 7/22 -

O alta varianta încercata a fost in exteriorul compartimentului motor, pe caroserie in zona frontala a vehiculului, direct in curentul de aer. Datorita restricțiilor impuse fibrei optice cu privire la flexibilitate (raza minima de curbura 200 mm) aceasta varianta presupune realizarea unor modificări majore ale capotei care ar fi dus la posibile probleme legate de rigiditatea acesteia.

Traseul de alimentare cu curent a diodei laser si sistemului de răcire

Pentru alimentarea cu curent si controlul tuturor dispozitivelor folosite pentru funcționarea optima a acestui sistem inovativ de aprindere este nevoie de mai multe cabluri care vor fi montate astfel:

- Pentru dioda laser un cablu pentru controlul semnalului D-sub de 25 pini si 2 cabluri pentru alimentarea diodei (pozitiv / negativ);

- Pentru elementul Peltier 2 cabluri electrice (pozitiv / negativ); - Pentru alimentarea sistemului de răcire (ventilatoare) un cabluri pentru alimentarea cu curent a

ventilatoarelor (pozitiv / negativ).

Proiectarea unei camerei de ardere care sa permită vizualizarea procesului de aprindere si dezvoltare a combustibilului.

Au fost analizate mai multe variante de analiza a arderii (initierea nucleului de flacara, dezvoltarea flacariilor preformate si difuzive, viteza laminara de propagare a frontului de flacara) cu diferite instrumente de masura. a. Cu ajutorul unei camere cu volum constant (bomba)

Experimentele utilizând o camera cu volum constant se derulează pentru determinarea vitezelor laminare de propagare a frontului flăcării si pentru vizualizarea dezvoltării nucleului de flacără. Bomba simulează arderea ca volum constant a unui amestec omogen la sfârșitul procesului de comprimare din cilindrul unui motor cu ardere interna, ne ținând cont de mișcarea turbulenta a amestecului aer-combustibil. Se pot efectua astfel teste cu diferite condiții inițiale de presiune si temperatura care caracterizează sfârșitul procesului de comprimare. Rezultatele studiului sunt evidențiate in urma analizei pozițiilor succesive ale flacarii frontale folosind o tehnica de vizualizare Schlieren (înregistrare de imagini cu frecventa foarte mare ~60.000 cadre/s).

NOTA: Zonele marcate cu negru nu pot fi facute publice din cauza drepturilor de proprietate intelectuala.

- 8/22 -

Schema sistemului optic [1].

Cu ajutorul acestor experimente se poate determina de asemenea si locul in care se inițiază nucleul de flacără in volumul camerei de volum constant. Astfel analiza modificării poziției de inițiere a aprinderii cu ajutorul bujiei laser este posibila. b. Cu ajutorul sistemului tip AVL pentru evaluare vitezei de propagare a nucleului flăcării

Măsurarea formarii nucleului de flacara cu ajutorul senzorului VisioFlame. Variații ale testelor pentru generarea harților turației / sarcinii / avansurilor la aprindere. Dintre beneficiile in procesul de dezvoltare a motoarelor amintim:

- Identificarea zonelor de operare cu stabilitati bune si sarace a nucleului flacarii; - Ințelegerea acțiunilor necesare asupra curgerii din cilindru motor; - Rezultate directe asupra influentei câmpului de curgeri si debitului EGR asupra dezvoltării

nucleului de flacara; - Înțelegerea fenomenului de curgere (tumble) asupra propagării flacarii; - Înțelegerea fenomenului de schimb de gaze (distribuție) asupra nucleului flacarii; - Vizualizarea influentei poziției electrodului bujiei asupra propagării flecarii; - Evaluarea necesitații si șanselor pentru eventuale modificări.

Senzor VisioFlame cu 8 canale.

Măsurarea si evaluarea dezvoltării nucleului flăcării (cat de repede si in ce direcții) se determina sub influenta variației avansului la producerea scânteii, debitului de aer si debitului de gaze recirculate (EGR). Exemplul de mai jos prezintă răspunsul dezvoltării nucleului flăcării (mediu +/- deviația standard) pe o plaja de avansuri la scânteie.

devreme AVANSUL SCANTEII tarziu

Gazele reziduale (EGR) din zona bujiei pot avea influente similare asupra dezvoltării nucleului flăcării ca si a câmpului de curgeri. Ori de cate ori este cazul, măsurătorile nucleului de flacără sub variația nivelelor EGR ar trebui incluse in măsurătorile VisioFlame [2].

NOTA: Zonele marcate cu negru nu pot fi facute publice din cauza drepturilor de proprietate intelectuala.

- 9/22 -

c. Cu ajutorul sistemului AVL GASOLINE ENGINES MPFI pentru motoarele cu injecție indirecta Procedura de testare

Iregularitatea formarii amestecurilor sunt detectate pe baza analizei tipului flacarii. Amestecurile perfect omogene conduc la arderea amestecurilor preformate; pelicula de combustibil pe perete, arderea locala a amestecurilor difuzive, este prezentata luminos.

Raza in parcele polare este grade arbore cotit (RAC)

Sensul de creștere a turației motorului

Tipul flacarii preformate Tipul flacarii preformate si difuzive

In exemplul se prezintă o plaja de turații a unui motor cu injecție in poarta supapei de admisie MPFI. La turații medii, este observata o importanta flacăra difuziva datorita formarii unei pelicule de combustibil pe peretele porții supapei de admisie.

Una din cauzele acestui comportament se găsește în nereguli de formare a amestecului: fracțiuni substanțiale de combustibil se pot depune pe suprafața camerei de ardere și, astfel, duce la amestecuri sărace până când deficitul este compensat prin injecție suplimentara de combustibil. Acest lucru duce la stabilitatea slaba a arderii, în răspuns tranzitoriu întârziat și în creșteri ale emisiilor motorului. Se poate analiza tipului flăcării utilizând Visiolution pentru plajele de turație / sarcina, pentru regimuri staționare sau tranzitorii ale motorului. Se obțin astfel hărțile de turație si sarcina ale motorului pentru zonele cu ardere preformata si difuziva. Sunt identificate zonele de operare ale motoarelor cu deficit in formarea amestecurilor.

Beneficii in procesul de dezvoltare a motorului - Verificare daca evenimentele de injecție sunt cauza fluctuațiilor arderii; - Se aplica pentru regimuri staționare si tranzitorii ale motorului; - Vizualizarea imediata a efectelor variației sistemului de injecție asupra tipului flacarii

preformate /difuzive; - Evaluarea șanselor de modificare.

Metodologia pentru achiziția datelor consta in utilizarea unor bujii cu senzori Visiolution cu 8 sau 40 canale optice împreuna cu sistemul de achiziție si licența programului de evaluare a tipului flăcării [3].

Senzor cu 8 canale. Senzor cu 40 canale pentru a rezolutie unghiulara mai buna.

[1] BIRTAS Adrian, VOICU Iulian, CHIRIAC Radu, APOSTOLESCU Nicolae, and PETCU Cristian, ”Constant Volume Burning Characteristics of HHO Gas”, China.

[2] AVL List GmbH: https://www.avl.com/c/document_library/get_file?uuid=5a641354-3942-4ae1-9eae-9c2e7dbdbeca&groupId=10138.

[2] AVL List GmbH: https://www.avl.com/c/document_library/get_file?uuid=221b41e5-0a52-44cc-ad09-569f2dffaa9e&groupId=10138.

NOTA: Zonele marcate cu negru nu pot fi facute publice din cauza drepturilor de proprietate intelectuala.

- 10/22 -

A fost investigata teoretic si experimental o noua configuratie laser, in care radiatia de pompaj este introdusa in mediul laser (de forma rectangulara) prin una dintre suprafetele sale laterale, folosind o prisma optica de dimensiuni reduse. Aceasta configuratie este compacta, usor de aliniat si contine un numar redus de elemente optice. In plus, permite plasarea mediului Cr4+:YAG in modul clasic, adica intre mediul laser Nd:YAG si oglinda de extractie, dar si intre oglinda cu reflectivitate ridicata a rezonatorului si mediul Nd:YAG. Aceasta geometrie poate permite cresterea performantelor laserului Nd:YAG/Cr4+:YAG. Rezultatele au fost prezentate intr-un manuscris care a fost trimis pentru corectie si posibila publicare in revista internationala Laser Physics Letters. Manuscrisul este prezentat in continuoarea raportului. In perioada 7-9 noiembrie 2012 a avut loc Conferinta Nationala a Cercetarii si Inovarii (Biblioteca Nationala a Romaniei, Bucuresti, Romania) la care din partea institutului INCDFLPR s-a participat cu posterul ”Dispozitiv laser pentru aprinderea motoarelor de autoturisme, Bujia Laser” in cadrul Expozitiei Cercetarii Romanesti. O copie a posterului este atasata la raport.

- 11/22 -

Indicatori de proces si de rezultat

Numarul de proiecte realizate în parteneriat international - Mobilitati interne - Mobilitati internationale - Valoarea investitiilor în echipamente pentru proiecte Mii lei Numarul de întreprinderi participante 1

Indicatori de proces

Numarul de IMM participante -

Numarul de articole publicate sau acceptate spre publicare în fluxul stiintific principal international

1 manuscris trimis pentru publicare si

care se afla in proces de evaluare

Number of articles published in journals indexed AHCI or ERIH Category A or B (appliesto the Humanities only) -

Number of chapters published in collective editions, in major foreign languages, at prestigious foreign publishing houses (applies only to Social Sciences and Humanities)

-

Number of books authored in major foreign languages at prestigious foreign publishing houses (applies only to Social Sciences and Humanities)

-

Number of books edited in major foreign languages at prestigious foreign publishing houses (applies only to Social Sciences and Humanities)

-

Factorul de impact relativ cumulat al publicatiilor publicate sau acceptate spre publicare

Numarul de citari normalizat la domeniul publicatiilor - Numarul de cereri de brevete de invenţie inregistrate (registered patent application), în urma proiectelor, din care:

- naţionale (în România sau în altă ţară); - la nivelul unei organizaţii internaţionale (EPO/ PCT/ EAPO/

ARIPO etc.)*

- - -

Numarul de brevete de invenţie acordate (granted patent), în urma proiectelor, din care:

- naţionale (în România sau în altă ţară); - la nivelul unei organizaţii internaţionale (EPO/ PCT/ EAPO/

ARIPO etc.)*

- - -

Veniturile rezultate din exploatarea brevetelor si a altor titluri de proprietate intelectuala -

Veniturile rezultate în urma exploatarii produselor, serviciilor si tehnologiilor dezvoltate -

Ponderea contributiei financiare private la proiecte 12.1% - Etapa I

15%- Proiect

Indicatori de rezultat

Valoarea contributiei financiare private la proiecte 82.000 - Etapa I 530.000 - Proiect

- 12/22 -

Manuscris trimis pentru Laser Physics Letters

Novel ‘prism-by lateral-pumped’ laser configuration for compact solid-

state lasers

T. Dascalu,* G. Salamu, O. Sandu, F. Voicu, and N. Pavel

*

Laboratory of Solid-State Quantum Electronics, National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics,

Bucharest, R-077125, Romania

Abstract

We propose a new laser configuration in which the pump radiation is coupled into the laser crystal

through a prism. The laser medium is square shaped and the prism is attached on one of its lateral

sides, nearby one of the crystal extremity. The diode-laser fiber end is placed closed of the prism

hypotenuses, the pump radiation is coupled into the laser crystal through the opposite surface of

the prism and then it propagates into the crystal trough total internal reflections. This laser

geometry is simply to align and permits realizing of compact diode-pumped laser systems, as well

as power scaling. A diode-pumped Nd:YAG laser that yields pulses of 2.1 mJ energy under the

pump with pulses of 9.9 mJ is demonstrated. The laser slope efficiency was 0.22. Furthermore, this

geometry enables obtaining of passively Q-switched lasers with the saturable absorber crystal

placed between the resonator high-reflectivity mirror and the laser crystal. A Nd:YAG laser,

passively Q-switch by a Cr4+

:YAG crystal with initial transmission T0= 0.90 that delivers laser pulses

with energy of 93 µJ, duration of 26 ns and pump threshold of 1.9 mJ is realized in order to prove

the concept.

Key words: Lasers, diode-pumped; lasers, neodymium; lasers, Q-switched

PACS 42.55.-f, 42.55.Xi; 42.60.-v; 42.60.By

Topics: Solid State and Liquid Lasers

* Corresponding author: email: traian.dascalu@inflpr.ro, nicolaie.pavel@inflpr.ro

- 13/22 -

1. Introduction

The diode-pumped solid state-lasers are nowadays used widely in various industrial and medical

applications, such as materials processing, generation of visible light, ultra-violet or mid-infrared radiation

or surgery, or in communications. Depending of the laser beam requirements, there are several main

geometries adopted for building a diode-pumped solid-state laser. The first one, probably the best well

known and used, is the end-pumping scheme in which the pump beam is coupled into the laser crystal

along and parallel with the laser beam [1]. This scheme was used to demonstrated Nd:YAG [1,2] or Nd:YVO4

[3,4] lasers with good slope and optical efficiency, whereas the laser beam posed a high quality. The

advantage of this scheme is that the gain can be concentrated in a small volume and short length parts,

which yields a very good overlap of the laser beam with the pumped volume of the crystal. However, the

pump beam can be coupled into the laser crystal from at most two directions (i.e. the end faces of the

crystal), and therefore this configuration is used mainly in lasers with low or average output power.

Geometries that alleviate strong thermal effects induced during pumping by employing composite crystals

with regions of different doping level [5-8], or the use of the pump directly into the emitting level [9-11] are

solutions that answer partially to the power scaling quest on an end-pumped laser.

Side pumping (also named lateral or transversal pumping) is a scheme in which the pump radiation is

introduced perpendicular, or approximately perpendicular to the laser beam [12]. This technique allows

control of the gain in the laser crystal, whereas power scaling can be realized easily by combining multiple

pump sources around the laser rod. In comparison with the end-pumping geometry it is more difficult to

obtain laser beams with good quality and high efficiency, and special design of the laser resonator or of the

pump-beam coupling optics is necessary [13-15]. Thin-disk geometry of the laser medium and multi-pass

pumping with parabolic mirror is a technique that has been demonstrated to be very suitable for Yb:YAG

[16, 17]. Other methods for pumping, like edge pumping [18], corner-pumped slab [19], triangle-shaped

laser crystal [20], or edge-pumping of a multi-aperture thin-disk crystal [21] (just to mention few of them)

were designed and tested in recent years.

In this work we propose a new pumping geometry for diode-pumped solid-state lasers. The laser

crystal is rectangular and a prism is used to couple the pump beam directly from the fiber end into the laser

crystal. This prism (90o, triangle isosceles) is placed at one end of the medium with one of its equal side

attached to the crystal, whereas the fiber end is positioned very close to the prism hypotenuses. The pump

beam propagates inside the laser crystal through total internal reflection. We checked this idea by realizing

a Nd:YAG laser that delivers pulses at 1.06 µm with energy Ep= 2.1 mJ under quasi-continuous-wave (quasi-

cw) pumping at 807 nm with pulses of 9.9 mJ energy (Epump). This configuration is simply to align and

presents more compactness in comparison with an end-pumped laser. We argue that such a device is

interesting for passively Q-switched lasers because it allows positioning of the saturable absorber (SA)

crystal between the resonator high-reflectivity mirror (HRM) and the laser medium. A Nd:YAG laser

- 14/22 -

passively Q-switched by Cr4+

:YAG SA crystal is demonstrated, the pulse energy and duration being 93 µJ and

26 ns, respectively.

2. The ‘prism-by lateral-pumped’ laser. Experimental conditions

Figure 1a is a sketch of a traditional end-pumped laser. Within this scheme the pump beam (λp) from

the fiber end is collimated with a lens, L1 and then focused into the laser crystal (for example Nd:YAG) with

a second lens, L2. Proper choosing of each lens focal length assures the optimum size of the pump beam

inside Nd:YAG. Usually, such a Nd:YAG laser is Q-switched passively with Cr4+

:YAG SA crystal. Because

Cr4+

:YAG has absorption also at the wavelength λp, it has to be placed between the Nd:YAG crystal and the

out-coupling mirror (OCM) of the resonator. Otherwise, the pump radiation changes the Cr4+

:YAG SA initial

transmission, T0 and, moreover, the absorption of the pump beam in Nd:YAG is affected, both these effects

decreasing the laser performances.

The pumping scheme proposed in our work is sketched in Fig. 1b. The main optical element is a prism

whose section is a 90o, isosceles triangle. The Nd:YAG crystal has square transversal section and the prism is

positioned near one of the laser crystal extremity. The fiber end is placed close of the prism hypotenuses,

whereas the prism is in contact with the Nd:YAG crystal through the opposite surface. In order to couple

without losses the pump radiation into the laser crystal, the prism is attached to Nd:YAG with a glue of

suitable index of refraction. Further, the pump beam propagates in Nd:YAG by total internal reflections, as

shown in the figure.

One could notice easily that such a laser geometry, which we will name ‘prism-by lateral-pumped’

laser, is simpler in comparison with an end-pumped laser; it contains less optical elements and is easily to

align, whereas the final laser device is even more compact. Furthermore, the Cr4+

:YAG SA crystal can be

placed between HRM and Nd:YAG, a position where the laser beam intensity is higher in comparison with

that shown between Nd:YAG and OCM. It is also worthwhile to comment that power scaling of this kind of

laser can be realized by placing additional prisms on any of Nd:YAG surface, as well as at the other

extremity of the crystal.

In order to prove the functionality of such a laser we performed experiments with Nd:YAG. The

optical pumping was made at λp= 807 nm with a pulsed diode laser (JOLD 540 QAFN-6A, JENOPTIK,

Germany), whose radiation was coupled to an optical fiber of 600 μm diameter and numerical aperture NA

=0.22. The repetition rate and the pump pulse duration were 5 Hz and 250 μs, respectively. We used two

Nd:YAG crystals, both with doping level of 1.0-at.% Nd, length of 10 mm and section of 1.0×1.0 mm2. One

of the Nd:YAG crystal (Nd:YAG-1) was processed in our laboratory and has uncoated end faces, whereas the

second Nd:YAG crystal (Nd:YAG-2), which was bought from the market, was antireflection (transmission, T>

0.998) coated on both surfaces at the laser wavelength λem= 1.06 µm and coated high transmission (HT, T>

- 15/22 -

0.98) at λp= 807 nm. The 90o prism was made of undoped Nd:YAG, its section was an isosceles triangle with

the equal sides of 1.4 mm each, and only the larger surface of the prism was coated HT at λp. The Nd:YAG

crystal and the prism are shown in Fig. 2 as discrete elements; the pumping direction was also indicated on

the figure. For the final set-up the prism was attached to Nd:YAG with a glue.

The laser resonator was plane-plane with length of 30 mm. The Nd:YAG crystal was positioned at

middle of the resonator, in order to accommodate a Cr4+

:YAG SA crystal between the OCM and Nd:YAG, as

well as between Nd:YAG and OCM. We mention that for comparison of the laser performances, the set-up

presented in Fig. 1b was equipped also with a focusing line, as shown in Fig. 1a. Thus, a collimating

aspherical lens, L1 with focal length of 30 mm and a focusing aspherical lens, L2 with 40-mm focal length

were used to image the fiber end into Nd:YAG. During experiments the fiber was moved between position

� (Fig. 1a) that corresponds to an end-pumped laser, to position � (Fig. 1b) that corresponds to the

‘prism-by lateral-pumped’ new laser configuration. Mirrors OCM with transmission, T between 0.03 and

0.25 were used in the experiments.

3. Results and discussion

The laser pulse energy obtained in free-regime operation from the end-pumped laser is shown in Fig.

3. The best results were obtained with an OCM mirror of transmission T= 0.20. The uncoated Nd:YAG-1

laser crystal delivers laser pulses with energy Ep= 2.7 mJ for the pump with pulses of energy Epump= 9.8 mJ;

this corresponds to an overall optical-to-optical efficiency, ηo of ~0.28. The laser slope efficiency with

respect to the input pump energy was ηs= 0.32. On the other hand, the coated Nd:YAG-2 laser crystal

yielded laser pulses with energy Ep= 5.1 mJ for the pump level of Epump= 9.9 mJ. Thus, the optical efficiency

improved to ηo~ 0.51, whereas the laser operated with slope efficiency ηs= 0.58.

In order to explain the laser performances we performed a Findlay-Clay analysis [22]. The pump beam

absorption efficiency, ηa was determined by measuring the pump pulse energy before and after each

Nd:YAG laser crystal. The result was ηa~ 0.85. This value was checked by an additional measurement that

was made with a 1.0-at.% Nd:YAG circular rod (10-mm length, diameter of 5 mm). Thus, it was sure that the

square shape of Nd:YAG crystals does not influence ηa. Finally, Findlay-Clay analysis concluded that round-

trip losses of the optical resonator were Li~0.13 for the uncoated Nd:YAG-1 crystal and Li~ 0.01 for the

Nd:YAG-2 coated medium. The slope efficiencies were well fitted with this loss parameter and geometrical

overlap efficiency, ηm in the range of 0.90 to 0.92.

Figure 4 shows characteristics of laser emission in free-generation regime obtained from the ‘prism-

by lateral-pumped’ laser. The uncoated Nd:YAG-1 laser crystals outputted pulses with energy Ep= 1.8 mJ

(for Epump= 9.8 mJ) when the resonator was equipped with the OCM of transmission T= 0.20. The slope

efficiency was ηs= 0.24. On the other hand, laser pulses with maximum energy Ep= 2.1 mJ were measured

- 16/22 -

from the coated Nd:YAG-2 crystal for the pump with pulses Epump= 9.9 mJ; the OCM has T= 0.05. The slope

efficiency amounted to ηs~ 0.22.

Direct measurement of the absorption efficiency, ηa in this configuration is difficult. Therefore, we

performed a ray-tracing analysis of the system considering in calculus the average value of the Nd:YAG

absorption coefficient (αa~ 1.9 cm-1

) that was determined previously. This investigation concluded that due

to propagation of the beam by total reflection about 91% of the pump radiation is absorbed in Nd:YAG.

Finally, the overlap efficiency ηm between the laser beam and the Nd:YAG pumped volume was evaluated

to be in the range of 0.65 to 0.70. Thus, the decrease of the slope efficiency for the new laser configuration

in comparison with the end-pumped scheme is explained by a lower value of the geometrical overlap

efficiency, ηm. The parameter ηm can be improved by a new design of the laser crystal, or by using a

different laser resonator. On the other hand, the advantage of power scaling for this laser configuration can

compensate its lower efficiency in comparison with an end-pumped laser. These subjects will be considered

in further work.

Nd:YAG lasers passively Q-switched by Cr4+

:YAG SA are interesting for many applications. Recently, it

was concluded that such a laser is very suitable for ignition of an automobile engine [23, 24]. Furthermore,

high-peak power, passively Q-switched Nd:YAG/Cr4+

:YAG lasers with one up and to three output beams and

with the size of a spark plug were demonstrated [25, 26]. These lasers were end-pumped: Therefore, due to

its absorption also at the pump wavelength of 807 nm the Cr4+

:YAG SA crystal has to be positioned between

the Nd:YAG crystal and the resonator output mirror. The ‘prism-by lateral-pumped’ geometry proposed in

this work can improve the compactness of the laser (because the coupling optics between the fiber and

Nd:YAG is removed) and it is more easily to align as only one optical element (i.e. the prism) is necessary.

Furthermore, the Cr4+

:YAG SA crystal can be placed between the HRM of the resonator and Nd:YAG, where

the laser beam is more intense. This kind of laser can be also a solution for a spark plug with application in

automotive industry [27].

We perform preliminary experiments in order to prove the functionality of this new design. Thus,

when a Cr4+

:YAG SA with initial transmission T0= 0.90 was placed like in Fig. 1b, between uncoated Nd:YAG-

1 and an OCM with transmission T= 0.25, the laser emitted pulses with energy of 109 µJ and 32-ns duration.

The pump pulse energy was 3.9 mJ. On the other hand, when the Cr4+

:YAG crystal was moved between

HRM and Nd:YAG-1 (the dashed position of Fig. 1b) the characteristics of the Q-switch laser pulse were the

same, but the energy of the pump pulse decreased at 3.0 mJ. Similar behavior was observed for the coated

Nd:YAG-1 laser crystal and an OCM with T= 0.20: The laser pulse energy and duration was 93 µJ and 26 ns,

respectively, whereas the pump pulse energy decreased from 4.1 mJ when Cr4+

:YAG was near to OCM to

only 1.9 mJ when Cr4+

:YAG was between HRM and the laser crystal. Thus, these first experiments indicate

that the ‘prism-by lateral-pumped’ laser can improve the efficiency of a passively Q-switched laser by

positioning the SA crystal between the HRM of the resonator and the laser crystal.

- 17/22 -

4. Conclusions

In this work we propose a novel laser geometry in which the pump radiation is coupled from the fiber

into the laser crystal through a single optical element. This configuration, named ‘prism-by lateral-pumped’

laser, consists of square-shape laser crystal and a 90o isosceles prism positioned at one extremity of the

laser medium. The fiber end is placed very close to the prism hypotenuses, whereas the prism opposite side

is in contact with the laser medium. After being coupled into the crystal, the pump radiation propagates

through total internal reflections. This design makes the laser easy to align, assure a better compactness in

comparison with that of an end-pumped laser, whereas the power scaling is possible and can be realized

simply. Based on this idea, a Nd:YAG laser that delivers pulses with 2.1 mJ energy under diode-laser, quasi-

cw pumping with pulses of 9.9 mJ energy is realized.

Furthermore, it is argued that this new design could be important for improving the performances of

passively Q-switched lasers, because it allows positioning of the saturable absorber crystal between the

resonator high-reflectivity mirror and the laser crystal. A Nd:YAG passively Q-switch by Cr4+

:YAG saturable

absorber was build in order to check this statement. The laser outputs pulses with 93-µJ energy and

duration of 26 ns. A decrease of the pump energy from 4.1 mJ to 1.9 mJ was observed when the Cr4+

:YAG

crystal was moved from its classical place between Nd:YAG and the output mirror to a position between

the resonator high-reflectivity mirror and the laser crystal. We believe that such a laser could find

application in automotive industry.

Acknowledgements

This work was supported by a grant of the Romanian National Authority for Scientific Research, CNDI-

UEFISCDI, project number 58/2012 (PN-II-PT-PCCA-2011-3.2-1040).

- 18/22 -

References

[1] L.J. Rosenkrantz, J. Appl. Phys. 43, 4603 (1972).

[2] D.L. Sipes, Appl. Phys. Lett. 47, 74 (1985).

[3] R.A. Fields, R. Birnbaum, and C.L. Fincher, Appl. Phys. Lett 51, 1885 (1987).

[4] T. Taira, A. Mukai, Y. Nozawa, and T. Kobayashi, Opt. Lett. 16, 1955 (1991).

[5] F. Hanson, Appl. Phys. Lett. 66, 3549 (1995).

[6] D. Kracht, R. Wilhelm, M. Frede, K. Dupre, and L. Ackermann, Opt. Express 13, 10140 (2005).

[7] R. Wilhelm, M. Frede, and D. Kracht, IEEE J. Quantum Electron. 44, 232 (2008).

[8] F. Tang, Y.G. Cao, J.Q. Huang, W. Guo,H.G. Liu,W.C. Wang, Q.F. Huang, and J.T. Li, Laser Phys. Lett.

9, 564 (2012).

[9] R. Lavi, S. Jackel, A. Tal, E. Lebiush, Y. Tzuk, and S. Goldring, Opt. Commun. 195, 427 (2001).

[10] M. Frede, R. Wilhelm, and D. Kracht, Opt. Lett. 31, 3618 (2006).

[11] D.Y. Chen, X.D. Li, Y. Zhang, X. Yu, F. Chen, R.P. Yan, Y.F. Ma, and C. Wang, Laser Phys. Lett. 8, 46

(2011).

[12] M. Ross, Proc. IEEE, 56, 196 (1968).

[13] S. Konno, S. Fujisawa, and K. Yasui, Appl. Phys. Lett. 70, 2650 (1997).

[14] Y. Hirano, Y. Koyata, S. Yamamoto, K. Kasahara, and T. Tajime, Opt. Lett. 24, 679 (1999).

[15] N. Pavel, Y. Hirano, S. Yamamoto, Y. Koyata, and T. Tajime, Appl. Opt. 39, 986 (2000).

[16] A. Giesen, H. Hugel, A. Voss, K. Wittig, U. Braud, and H. Opower, Appl. Phys. B: Lasers and Optics,

58, 365 (1994).

[17] A. Giesen and J. Speiser, IEEE. J. Sel. Top. Quantum Electron. 13, 598 (2007).

[18] M. Tsunekane and T. Taira, Appl. Phys. Lett. 90, 121101 (2007).

[19] F. Lu, M. Gong, H. Xue, Q. Liu, and W. Gong, Opt.&Laser Techn. 39, 949 (2007).

[20] W. Zendzian, J.K. Jabczynski, and J. Kwiatkowski, Opt.&Laser Techn. 40, 441 (2008).

[21] M.J. Dashcasan, E.Barati, and R.Aghbolaghi, Opt.&Laser Techn. 44, 800 (2012).

[22] D. Findlay and R. A. Clay, Phys. Lett. 20, 277 (1966).

[23] H. Kofler, J. Tauer, G. Tartar, K. Iskra, J. Klausner, G. Herdin, and E. Wintner, Laser Phys. Lett. 4(4),

322 (2007).

[24] E. Schwarz, I. Muri, J. Tauer, H. Kofler, and E. Wintner, Laser Phys. 20, 1545 (2010).

[25] M. Tsunekane, T. Inohara, A. Ando, N. Kido, K. Kanehara, and T. Taira, IEEE J. Quantum Electron. 46,

277 (2010).

[26] N. Pavel, M. Tsunekane, and T. Taira, Opt. Express 19, 9378 (2011).

[27] T. Dascalu, O. Sandu, F. Voicu, N. Pavel, G. Salamu, and M. Dinca, Romanian patent, no. 126373 A0,

publication date: 30.06.2011.

- 19/22 -

Figure Captions

FIGURE 1 (a) Scheme of a traditional diode end-pumped laser is shown. (b) A sketch of the novel laser

geometry in which the pump radiation is coupled directly from the fiber end into the laser

crystal through a prism is presented.

FIGURE 2 A photo of discrete Nd:YAG laser crystal and YAG prism is given. The direction of pumping is

indicated.

FIGURE 3 Laser pulse energy versus pump pulse energy for the Nd:YAG crystals using the end-

pumping scheme shown in Fig. 1a.

FIGURE 4 Laser pulse energy versus pump pulse energy measured from Nd:YAG crystals pumped

laterally by a prism, according to Fig. 1b.

- 20/22 -

FIGURE 1

T. Dascalu, Laser Physics Letters

FIGURE 2

T. Dascalu, Laser Physics Letters

- 21/22 -

FIGURE 3

T. Dascalu, Laser Physics Letters

FIGURE 4

T. Dascalu, Laser Physics Letters

- 22/22 -

Prezentare la Expozitia Cercetarii Romanesti din cadrul Conferintei Nationala a Cercetarii si Inovarii, 7-9 noiembrie 2012.