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Die
Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle sowie ein Verfahren zum
Betrieb einer Laserlichtquelle.
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Mittels
der Laser-Spektroskopie können
beispielsweise Konzentration, Druck, Temperatur oder das Isotopenverhältnis eines
Gases in einer Messumgebung ermittelt werden. Hierzu wird Laserlicht durch
die Messumgebung gesendet. Das zu messende Gas absorbiert Teile
des Laserlichts und eine Messung der Stärke dieser Absorption dient
in Verbindung mit bekannten Absorptionsdaten für das Gas der Ermittlung der
Konzentration des Gases.
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Meist
absorbieren Gase nicht breitbandig, d. h. in einem ausgedehnten
Wellenlängen-Bereich, sondern
bei schmalen Gasabsorptionslinien. Die Gasabsorptionslinien entstehen
durch Übergänge zwischen
verschiedenen elektronischen oder anderweitigen Zuständen des
jeweiligen Gasatoms oder Gasmoleküls, wobei sich die mittlere
Wellenlänge
der Gasabsorptionslinie aus der Energiedifferenz der Zustände ergibt.
Die Gasabsorptionslinien weisen eine Breite von wenigen Gigahertz
auf. Da das Laserlicht eine noch wesentlich schmalere Linienbreite
aufweist, ist es erforderlich, die Wellenlänge des Laserlichts auf eine
Gasabsorptionslinie einzustellen.
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Bekannte
Laserlichtquellen hierfür
weisen einen Laser, beispielsweise einen durchstimmbaren Halbleiterlaser,
auf. Dieser ist in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse untergebracht.
In dem Gehäuse
befinden sich weiterhin ein Peltier-Element sowie ein Temperatursensor wie
beispielsweise ein NTC-Widerstand (NTC = negative temperature coefficient,
negativer Temperaturkoeffizient des Widerstands). Mit dem Peltier-Element
wird der Laser gekühlt
oder geheizt. Mit Hilfe des NTC-Widerstands kann dadurch der Laser
temperaturgeregelt werden, d. h. eine gewünschte Temperatur kann eingestellt wer den.
Wenn Kenndaten des Lasers bekannt sind, ist es dadurch beispielsweise
möglich,
den Laser so einzustellen, dass er Laserlicht einer vorbestimmten und
bekannten Wellenlänge
emittiert. Das hermetisch abschließende Gehäuse, das üblicherweise evakuiert ist
oder mit einem Gas niedriger Wärmeleitfähigkeit
wie Stickstoff gefüllt
ist, dient dabei der thermischen Isolation von der Umgebung, wodurch
die Möglichkeiten
und die Effizienz der Temperaturregelung mittels des Peltier-Elements
und des NTC-Widerstands verbessert werden.
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Die
bekannte Lösung
weist Nachteile auf. So ist ein Peltier-Element vergleichsweise teuer. Auch die
Regelung der Temperatur mit dem Peltier-Element und dem NTC-Widerstand
erfordert einen gewissen Aufwand. Weiterhin muss das Verhältnis zwischen
der genauen Wellenlänge
des Lasers und der eingestellten Temperatur exakt bekannt sein.
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Ein
weiterer Nachteil bei der bekannten Lösung besteht darin, dass das
hermetisch abgeschlossene Gehäuse,
das ebenfalls teuer und aufwändig herzustellen
ist, für
das Laserlicht ein Fenster aufweisen muss. Bedingt durch den Abstand
zwischen dem Laser im Gehäuse
und dem Fenster entstehen Interferenzen, die die eigentliche Messung
mit dem Laserlicht deutlich erschweren.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Laserlichtquelle
anzugeben, die die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise
vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein
Verfahren zum Betrieb einer Laserlichtquelle anzugeben, bei dem
die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Laserlichtquelle durch eine Laserlichtquelle
mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens
wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch
14 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Laserlichtquelle
zur Erzeugung von Laserlicht weist wenigstens zwei Laser auf. Die
Wellenlänge
jedes der Laser ist mittels des jeweiligen Laserstroms einstellbar.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Betrieb einer Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht
werden wenigstens zwei Laser verwendet. Die Wellenlänge der
Laser wird mittels des jeweiligen Laserstroms eingestellt.
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Jeder
der Laser weist dabei einen Wellenlängen-Bereich auf, innerhalb
dessen die von ihm emittierte Wellenlänge einstellbar ist. Erfindungsgemäß werden
dabei Laser mit voneinander verschiedenen Wellenlängen-Bereichen
verwendet. Die Lage der Wellenlängen-Bereiche
zueinander ist dabei beliebig, d. h. sie können sich überlappen, müssen aber nicht.
Bevorzugt schließen
die Wellenlängen-Bereiche
aneinander an und überlappen
sich nur geringfügig.
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Bei
der Erfindung kommen also jeweils zwei oder mehr einzelne Laser
zum Einsatz. Mittels des Laserstroms, d. h. des Betriebsstroms jedes
der Laser ist dessen Wellenlänge
einstellbar, d. h. jeder der Laser ist ein so genannter durchstimmbarer
oder abstimmbarer Laser. Hierfür
kommen bevorzugt Laserdioden zum Einsatz, beispielsweise sog. VCSELs oder
DFB-Laser (VCSEL = Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, DFB =
Distributed Feedback).
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Die
Einstellung der Wellenlänge
eines Lasers mit dem Laserstrom bewirkt einen gegenüber der
Einstellung über
die Lasertemperatur schmaleren Wellenlängen-Bereich. In der Erfindung
wird jedoch die Einstellung der Wellenlänge über den Laserstrom dennoch
durchgeführt.
Dafür werden
zwei oder mehr Laser kombiniert, deren einzeln erreichbare Wellenlängen-Bereiche
sich zu einem größeren Wellenlängen-Bereich
für die
gesamte Laserlichtquelle addieren.
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Dadurch
wird eine Reihe von Vorteilen erreicht. So kann gegenüber aus
dem Stand der Technik bekannten Laserlichtquellen das dort verwendete teure
und energiehungrige Peltier-Element, das der Heizung und Kühlung des
Lasers dient, entfallen. Weiterhin kann auch der für die Temperaturregelung in
einer Laserlichtquelle des Standes der Technik verwendete Temperatursensor
eingespart werden. Dadurch ist auch eine Kapselung der Laserlichtquelle beispielsweise
in einem hermetisch abschließenden Gehäuse nicht
notwendig.
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Der
Aufbau der Laserlichtquelle bzw. ihre Verwendung ist dadurch erheblich
vereinfacht. Die Kosten für
die Bereitstellung der Laserlichtquelle sind wesentlich reduziert.
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Bei
Verwendung von Halbleiterlasern, die bevorzugt zum Einsatz kommen,
ergibt sich noch ein weiterer Vorteil. Dieser besteht darin, dass
die zusätzlichen
Laser gar keine zusätzlichen
Kosten verursachen. Die auf einem Wafer hergestellten Laserdioden
unterliegen nämlich
einem Wellenlängengradienten,
weisen also einen von der Lage auf dem Wafer befindlichen Wellenlängen-Bereich
auf, innerhalb dessen sie abstimmbar sind. Nur etwa die Hälfte der Laser,
die auf einem Wafer gefertigt werden, treffen bei einer gegebenen
Temperatur einen vorgegebenen Wellenlängen-Bereich, sind also gemäß dem Stand
der Technik nutzbar. Ein Teil der Laser eines Wafers, die beim Stand
der Technik als Ausschuss betrachtet werden müssen, ist bei der Erfindung
hingegen ideal einsetzbar, da ihr jeweiliger Wellenlängen-Bereich
an den Wellenlängen-Bereich
eines weiteren Lasers vom selben Wafer derartig anschließt, dass
insgesamt die Laserlichtquelle mit den zwei oder mehr Lasern einen
sehr großen
Wellenlängen-Bereich
abdeckt.
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Bevorzugt
kommen in der Laserlichtquelle zwei Laser zum Einsatz, um die Laserlichtquelle
so kostengünstig
und den Aufbau so einfach wie möglich
zu halten. Bestimmte Anwendungen können aber auch einen weiten
Wellenlängen-Bereich
erfordern, den die Laserlichtquelle abdecken können muss. Hierfür kann die
Verwendung von drei oder sogar vier Lasern vorteilhaft sein.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung
wird zur Emission einer Ziel-Wellenlänge immer genau ein Laser betrieben. Wird,
wie es bei der Erfindung möglich
ist, ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse sowie eine Temperaturregelung über ein
Peltier-Element und einen Temperatursensor nicht verwendet, so weist
die Laserlichtquelle üblicherweise
die Temperatur der Umgebung auf. Die Temperatur der Laserlichtquelle
und somit der einzelnen Laser verschiebt den Wellenlängen-Bereich,
der von den Lasern und somit auch von der gesamten Laserlichtquelle
abdeckbar ist. Zum Erreichen der Ziel-Wellenlänge für das von der Laserlichtquelle
ausgesandte Laserlicht ist es daher von Vorteil, wenn der zu betreibende
Laser anhand des durch die Temperatur der Laser festgelegten Wellenbereichs
jedes der Laser ausgewählt
wird. Es wird also mit anderen Worten zweckmäßigerweise derjenige Laser
zum Betrieb ausgewählt,
der bei einer gegebenen Temperatur der Laserlichtquelle in der Lage
ist, die geforderte Ziel-Wellenlänge
zu erzeugen.
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Es
ist auch möglich,
dass zwei oder mehr Ziel-Wellenlängen
emittiert werden sollen. In diesem Fall werden eine entsprechende
Anzahl der Laser betrieben, von denen jeder eine der Ziel-Wellenlängen emittiert.
Die Auswahl der Laser muss analog so in Abhängigkeit von deren Temperatur
erfolgen, dass die Laser in der Lage sind, die Ziel-Wellenlängen zu erzeugen.
Mehrere Ziel-Wellenlängen
zu erzeugen hat beispielsweise den Vorteil, dass eine gleichzeitige
Messung an zwei verschiedenen Absorptionslinien erfolgen kann. So
können
beispielsweise die Konzentrationen zweier verschiedener Gase gleichzeitig erfasst
werden oder aus dem Verhältnis
der Absorption bei zwei Absorptionslinien eines einzigen Gases auf
dessen Temperatur geschlossen werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Laserlichtquelle in ein transparentes Gehäuse einge bettet. Zweckmäßig ist
das Gehäuse
dabei für
zumindest den Wellenlängen-Bereich,
den die Laserlichtquelle erzeugen kann, transparent. Diese Einbettung,
die beispielsweise analog zum Aufbau einer Leuchtdiode erfolgen
kann, sorgt dafür,
dass neben dem Schutz der Laser die im Stand der Technik auftretenden
Interferenzen im hermetisch abschließenden Gehäuse vermieden werden.
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Alternativ
ist es auch möglich,
die Laserlichtquelle direkt auf einen Lichtwellenleiter aufzubringen. Bei
dem Lichtwellenleiter kann es sich beispielsweise um eine Glasfaser
mit großem
Querschnitt oder einen Glasstab oder Kunststoffstab handeln. Das
Laserlicht, das von der Laserlichtquelle erzeugt wird, wird in den
Lichtwellenleiter eingestrahlt. Hiermit kann beispielsweise das
Laserlicht an eine Messumgebung geleitet werden, die beispielsweise
aufgrund ihrer Temperatur einen Betrieb der Laserlichtquelle in ihrer
Nähe unmöglich machen
würde.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn die Laser, die nebeneinander
auf einem Substrat angeordnet sind, mittels eines Klebers auf den
Lichtwellenleiter aufgebracht werden und der Brechungsindex des
Klebers dabei nicht oder nur geringfügig von dem des Lichtwellenleiters
abweichen. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der Brechungsindex
des Klebers um nicht mehr als 1% von dem des Lichtwellenleiters
abweicht. Hierdurch wird auch bei dem Aufbau in Verbindung mit einem
Lichtwellenleiter eine Erzeugung von Interferenzen vermieden. Interferenzen können auch
durch die Austrittsfläche
aus dem Lichtwellenleiter verursacht werden. Da der Lichtwellenleiter
bevorzugt wesentlich länger
ist als der Abstand zwischen dem Laser und dem Fenster im Stand
der Technik, wirken sich diese Interferenzen wesentlich weniger
stark aus.
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Bei
einer Laserlichtquelle gemäß dem Stand der
Technik wird der einzelne Laser temperaturgeregelt. Bei somit bekannter
Temperatur des Lasers und bekanntem Laserstrom sowie bekannten Kenndaten des
Lasers ist somit die von ihm emittierbare Wellenlänge ebenfalls
bekannt. Mangels einer Temperaturregelung bei der erfindungsgemäßen Laserlichtquelle
kann bei dieser anders vorgegangen werden, um die emittierbare Wellenlänge eines
der Laser zu bestimmen.
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So
sind gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung
die Laser Laserdioden, beispielsweise VCSELs. Zur Bestimmung der
von einem der Laser emittierbaren Wellenlänge wird die Durchlassspannung
des Lasers gemessen. Diese wird mit Kenndaten des Lasers verglichen
und dadurch auf die emittierbare Wellenlänge geschlossen.
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Die
Laserlichtquelle weist gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Heizelement
auf. Das Heizelement kann beispielsweise ein einfacher Heizwiderstand
sein. Mit dem Heizelement können
mehrere Vorteile erreicht werden. So kann der erreichbare Wellenlängen-Bereich der
gesamten Laserlichtquelle mit dem Heizelement durch eine Erwärmung der
Laser geändert
werden. Eine Grenze hierfür
ist nur durch den allgemeinen Temperaturbereich gegeben, der einen
Betrieb der Laser überhaupt
erlaubt. Weiterhin kann das Heizelement für eine Bestimmung des Verhältnisses
zwischen Laserstrom und Wellenlänge
der Laser verwendet werden, was weiter unten beschrieben wird. Schließlich ist
es mittels des Heizelementes auch möglich, die Laserlichtquelle
in einen für
den Betrieb der Laser vorgesehenen Temperaturbereich zu heizen,
wenn beispielsweise die Umgebungstemperatur für den Betrieb der Laser eigentlich
zu niedrig ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung
weist die Laserlichtquelle einen Temperatursensor zur Bestimmung
der Temperatur der Laser auf. Hierdurch lässt sich leichter ermitteln,
welche Wellenlängen-Bereiche von den
Lasern der Laserlichtquelle emittierbar sind.
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Das
Heizelement und der Temperatursensor können vorteilhaft als Bauteil
realisiert werden, das beide Funktionen erfüllt, beispielsweise als Heizwiderstand,
der auch als Temperatursensor über
seinen Widerstandskoeffizient verwendbar ist. Hierdurch werden Platz
und Kosten gespart.
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Durch
den Temperatursensor wird ermöglicht,
gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung
zur Bestimmung der von einem der Laser emittierbaren Wellenlänge die
Temperatur des Lasers zu messen. Diese wird mit Kenndaten des Lasers
verglichen und dadurch auf die emittierbare Wellenlänge geschlossen.
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Die
Laserlichtquelle lässt
sich vorteilhaft mit einem Detektor kombinieren, wobei der Detektor
zum Empfang des Laserlichts ausgestaltet ist und so zur Laserlichtquelle
angeordnet ist, dass er deren Laserlicht wenigstens teilweise empfängt. Hierdurch
lässt sich
beispielsweise eine Laserspektroskopische Einrichtung realisieren,
die der Ermittlung der Konzentration eines Gases zwischen Laserlichtquelle
und Detektor dient.
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In
einer solchen Anordnung mit einem Detektor kann gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung
eine Ermittlung des aktuellen, temperaturabhängigen Verhältnisses zwischen Laserstrom
und Wellenlänge
eines der Laser vorgenommen werden, indem die Wellenlänge des
jeweiligen Lasers mittels einer Variation des Laserstroms über einen
Wellenlängen-Bereich variiert
wird. Weiterhin wird eine Messung der Gasabsorptionslinien in diesem
Wellenlängen-Bereich durchgeführt und
mittels eines Vergleichs mit bekannten Absorptionsdaten auf das
zu messende Verhältnis
geschlossen. Hierdurch wird erreicht, dass eine genaue Ermittlung
der aktuellen Wellenlänge
eines der Laser möglich
wird, ohne dass hierzu eine Regelung, Einstellung oder überhaupt
Kenntnis seiner Temperatur nötig
ist.
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Weist
die Laserlichtquelle ein Heizelement auf, kann die Variation der
Wellenlänge
des Lasers zur Ermittlung des aktuellen, temperaturabhängigen Verhältnisses
zwischen Laserstrom und Wellenlänge alternativ
mittels einer Variation seiner Temperatur erreicht werden.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert.
Dabei zeigt schematisch:
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1 eine
Laserlichtquelle aus dem Stand der Technik,
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2 ein
Aufbauprinzip einer Laserlichtquelle mit drei Laserdioden,
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3 die
Bildung eines gesamten Wellenlängen-Bereichs
aus einzelnen Wellenlängen-Bereichen
der drei Laserdioden,
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4 die
Verschiebung des gesamten Wellenlängen-Bereichs mit der Umgebungstemperatur,
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5 den
Einsatz der Laserdioden zur Erzeugung von Ziel-Wellenlängen,
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6 einen
Aufbau mit der Laserlichtquelle in Verbindung mit einer Glasfaser,
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7 den
Strahlengang für
Laserlicht dieses Aufbaus,
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8 einen
Aufbau für
eine Laserlichtquelle mit einem Heizwiderstand in einem Plastikgehäuse.
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In 1 ist
ein beispielhafter Aufbau einer Laserlichtquelle gemäß dem Stand
der Technik skizziert. Die Laserlichtquelle gemäß dem Stand der Technik weist
ein hermetisch abschließendes
Gehäuse 21 auf,
das in diesem Beispiel mit Stickstoff gefüllt ist. Im hermetisch abschließenden Gehäuse 21 ist
auf einer Wandung ein Peltier-Element 22 vorgesehen. Auf
diesem ist Keramiksubstrat 2 mit einem Thermoelement 23 und
einer Laserdiode 1 angeordnet. Die Temperatur der Laserdiode 1 wird
mittels des Thermoelements 23 gemessen und mit dem Peltier-Element 22 geregelt.
Die Laserdiode 1 strahlt ihr Laserlicht durch ein im hermetisch
abschließenden Gehäuse 21 vorgesehenes
und entsprechend angeordnetes Fenster 24 ab.
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2 zeigt
beispielhaft den wesentlich einfacheren Aufbau einer Laserlichtquelle
gemäß der Erfindung.
Ebenso wie in 1 wurde auch in 2 auf
die Darstellung von Komponenten wie elektrischen Anschlüssen oder Ähnlichem
zum Zwecke der besseren Übersicht
verzichtet. Der beispielhafte Aufbau gemäß 2 weist
daher nur drei nebeneinander liegende Laserdioden 1 auf,
in diesem Beispiel drei VCSELs, die auf ein Keramiksubstrat 2 aufgebracht
sind. Ein Peltier-Element 22, ein Thermoelement 23 oder
ein hermetisch abschließendes
Gehäuse 21 sind
nicht vorhanden und auch nicht notwendig.
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Mit
Bezug auf den grundlegenden beispielhaften Aufbau gemäß 2 wird
anhand der Darstellungen der 3 bis 5 das
Konzept der Erfindung beispielhaft erläutert. Es wird dabei davon
ausgegangen, dass die Laserlichtquelle, deren Konzept beschrieben
wird, zur Detektion von Sauerstoff O2 verwendet
werden soll. Hierzu eignet sich eine Gruppe von Gasabsorptionslinien
zwischen etwa 760 nm und 765 nm Wellenlänge.
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Die
Laserdioden 1 weisen gemäß 3 einen
ersten bis dritten Wellenlängen-Bereich 8...10 auf,
wobei jede der drei Laserdioden 1 in der Lage ist, in genau
einem der Wellenlänge-Bereiche 8...10 zu emittieren.
Entsprechend 3 schließen diese Wellenlängen-Bereiche 8...10 bei
leichter Überlappung aneinander
an. Alle drei Laser gemeinsam überdecken
daher mit ihren Wellenlängen-Bereichen 8...10 einen
gesamten Wellenlängen-Bereich 11,
der von etwa 760,3 nm bis 765 nm reicht. Der erste Wellenlängen-Bereich 8 reicht
dabei von 760,3 nm bis 761,3 nm. Der zweite Wellenlängen-Bereich 9 reicht
von 761,1 nm bis 763,5 nm. Der dritte Wellenlängen-Bereich 10 schließlich reicht
von 763,1 nm bis 765 nm. Die Wellenlängen-Bereiche 8...10 beziehen
sich dabei auf eine Temperatur der Laserdioden 1 von 20°C. Sind die
Laserdioden 1 auf einer anderen Temperatur, so ändert sich
dadurch auch der jeweilige Wellenlängen-Bereich 8...10.
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Die
hier beispielhaft verwendeten Wellenlängen-Bereiche 8...10 sind
zwischen 1 nm und 2,4 nm breit. Bei derzeitigen VCSELs sind mit
einer Variation des Laserstroms, der erfindungsgemäß zur Variation der
Wellenlänge
verwendet wird, meist Breiten von etwa 1 nm für den Wellenlängen-Bereich
erreichbar.
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Da
der Aufbau gemäß 2 kein
Peltier-Element 22 und auch kein hermetisch abschließendes Gehäuse 21 aufweist,
befinden sich die Laserdioden 1 abgesehen von einer Erwärmung durch
die eigene Verlustleistung auf der Umgebungstemperatur. Bei einer
geänderten
Umgebungstemperatur wird aus dem gesamten Wellenlängen-Bereich 11 der
Laserlichtquelle ein verschobener gesamter Wellenlängen-Bereich 12 gemäß der 4.
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5 stellt
schematisch anhand von zwei beispielhaften Ziel-Wellenlängen 16, 17 dar,
wie der Betrieb der Laserlichtquelle zur Erzeugung einer oder beider
der Ziel-Wellenlängen
erfolgen kann und wie sich eine Veränderung der Umgebungstemperatur
und eine dadurch bedingte Veränderung
der Temperatur der Laserdioden 1 auf den Betrieb der Laserlichtquelle
gemäß 2 auswirkt. 5 zeigt
den ersten bis dritten Wellenlängen-Bereich 8...10 der
Laserdioden 1. Weiterhin zeigt die 5 einen
verschobenen ersten bis dritten Wellenlängen-Bereich 18...20.
Die Verschiebung entspricht dabei der Verschiebung in 4.
Weiterhin sind in 5 eine erste und zweite Ziel-Wellenlänge 16, 17 gezeigt.
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Aus 5 ist
direkt erkennbar, wie mittels der Laserlichtquelle die erste oder
zweite Ziel-Wellenlänge 16, 17 zur
Verfügung
gestellt werden kann. Die erste Ziel-Wellenlänge 16 liegt im unverschobenen
Fall, d. h. bei 20°C,
im zweiten Wellenlängen-Bereich 9.
Um die erste gewünschte
Wellenlänge 16 zu erzeugen,
muss also die für
den zweiten Wellenlängen-Bereich 9 zuständige Laserdiode 1 betrieben werden.
Diese muss weiterhin über
eine Einstellung des Laserstroms so betrieben werden, dass sie die erste
gewünschte
Wellenlänge 16 emittiert.
Im verschobenen Fall hingegen, d. h. bei der geänderten Umgebungstemperatur,
liegt die erste gewünschte Wellenlänge 16 im
verschobenen ersten Wellenlängen-Bereich 18.
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Befinden
sich die Laserlichtquelle und ihre Laserdioden 1 also auf
der geänderten
Umgebungstemperatur, so muss die für den ersten Wellenlängen-Bereich 8 zuständige Laserdiode 1 betrieben werden
und deren Wellenlänge
per Laserstrom-Regelung auf die erste gewünschte Wellenlänge 16 eingestellt
werden.
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Die
zweite gewünschte
Wellenlänge 17 liegt im
unverschobenen Fall, d. h. bei 20°C,
sowohl im zweiten als auch im dritten Wellenlängen-Bereich 9, 10.
Es ist also zur Erzeugung der zweiten gewünschten Wellenlänge 17 möglich, eine
der beiden Laserdioden 1 zu wählen, die für diese Wellenlängen-Bereiche 9, 10 zuständig sind.
Im verschobenen Fall hingegen, d. h. bei der geänderten Umgebungstemperatur,
liegt die zweite gewünschte
Wellenlänge 17 nur im
verschobenen zweiten Wellenlängen-Bereich 19. Sie
muss also bei der geänderten
Umgebungstemperatur von der für
den zweiten Wellenlängen-Bereich 9 zuständigen Laserdiode 1 erzeugt
werden.
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Je
nach Anwendungsgebiet der Laserlichtquelle kann es zweckmäßig sein,
genau eine Ziel-Wellenlänge 16, 17 zu
erzeugen. Diese kann mit dem beschriebenen Aufbau und Betriebskonzept über den
gesamten Wellenlängen-Bereich 11 bzw. bei
anderer Temperatur beispielsweise über den gesamten verschobenen
Wellenlängen-Bereich 12 hinweg
variiert werden über
eine Auswahl der zu verwendenden Laserdiode 1 und eine
Anpassung von deren Wellenlänge
mittels des Laserstroms.
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Ebenso
ist es aber auch möglich,
beide Ziel-Wellenlängen 16, 17 oder
auch mehr als zwei Ziel-Wellenlängen 16, 17 zur
gleichen Zeit zu emittieren. Bei den beiden Ziel-Wellenlängen 16, 17 gemäß dem oben
gegebenen Beispiel wäre
auch ein gleichzeitiges Emittieren möglich entsprechend der bereits gegebenen
Vorgehensweise zur Emission einer der Ziel-Wellenlängen 16, 17,
indem die betroffenen Laserdioden 1 eben gleichzeitig betrieben
werden. Zweckmäßig sollten
dabei die Ziel-Wellenlänge 16, 17 nicht
ausschließlich
im Wellenlängen-Bereich 8...10 einer
einzelnen Laserdiode 1 liegen, da diese nicht zwei Wellenlängen gleichzeitig
emittieren kann.
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Bei
dem gegebenen Beispiel lässt
sich die Emission von zwei Ziel-Wellenlängen 16, 17 dazu nutzen,
zwei verschiedene Gasabsorptionslinien des Sauerstoffs gleichzeitig
zu beobachten. Aus dem Verhältnis
der Absorption bei diesen Gasabsorptionslinien lässt sich beispielsweise auf
die Temperatur des Sauerstoffs schließen.
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Eine
weitere Möglichkeit,
mehrere Ziel-Wellenlängen 16, 17 zu
nutzen, besteht darin, zwei Gasabsorptionslinien von zwei verschiedenen
Gasen gleichzeitig zu beobachten, um beispielsweise die Konzentration
beider Gase zur gleichen Zeit zu vermessen. Hierzu kann es je nach
Art der zu vermessenden Gase auch zweckmäßig sein, wenn die Wellenlängen-Bereiche 8...10 der
Laserdioden 1 nicht überlappen,
sondern wenigstens teilweise weit auseinander liegen, da die Wellenlängen-Abschnitte,
in denen die Gasabsorption stattfindet, sich von Gas zu Gas stark
unterscheiden kann. Auf diese Weise ist es auch möglich, in
einem Wellenlängen-Bereich,
in dem keine oder weitgehend keine durch Gase verursachte Absorption
erwartet wird, eine Kalibrationsmessung durchzuführen, um beispielsweise Verschmutzungseffekte,
die zu einer generellen Absorption des Laserlichts führen, zu
ermitteln.
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Die
Anzahl der verwendeten Laserdioden wird dabei vorteilhafterweise
an die zu erwartenden Einsatzbedingungen angepasst. Um den Aufbau
und den Betrieb zu vereinfachen und die Ausfallmöglichkeiten zu verringern,
ist es vorteilhaft, möglichst
wenige Laserdioden 1, also minimalerweise nur zwei Laserdioden 1 einzusetzen.
Mehr als zwei Laserdioden erlauben aber beispielsweise eine größere Flexibilität des Aufbaus
und die Aussendung von mehr als zwei Ziel-Wellenlängen 16, 17 gleichzeitig.
So kann es auch zweckmäßig sein,
beispielsweise vier Laserdioden 1 einzusetzen.
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In
der 6 ist beispielhaft dargestellt, wie der konzeptionelle
Aufbau gemäß 2 auf
einen Glasstab 4 aufgesetzt werden kann. Hierzu wird die gesamte
Laserlichtquelle gemäß der 2 mit
einem Klebertropfen 3 versehen und auf eine Glasstababschlussfläche 5 aufgesetzt.
Der Klebetropfen 3 sorgt zum einen für eine feste Verbindung. Zum
anderen weist der Klebetropfen einen Brechungsindex auf, der dem
des Glasstabs entspricht. Statt dem Glasstab 4 kann auch
eine Glasfaser mit ausreichendem Querschnitt oder ein Kunststoffstab
verwendet werden.
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Der
Strahlengang für
das Laserlicht, der sich aus dem Aufbau gemäß 6 mit den
nebeneinander angeordneten Leserdioden 1 ergibt, ist in 7 schematisch
dargestellt. 7 zeigt wiederum die Laserdioden 1,
die auf die Glasfaser 4 an der Glasfaserabschlussfläche 5 aufgesetzt
sind. Die nebeneinander liegenden Laserdioden 1 erzeugen
zwei ebenso nebeneinander liegende Strahlengänge 6, 7.
In einer Anwendung, bei der die leichte laterale Versetzung der
Strahlengänge 6, 7 eine
Rolle spielt, muss auf diese Versetzung geachtet werden. In der
Laser-Spektroskopie, bei der die Konzentration eines Gases in einer
Messumgebung ermittelt werden soll, spielt die laterale Versetzung
meist keine Rolle.
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Bei
einer solchen Anwendung in der Laser-Spektroskopie, beispielsweise
zur Konzentrationsmessung eines Gases, ist es von Vorteil, wenn die
Wellenlänge,
die bei einem bestimmten Laserstrom von einer der Laserdioden 1 emittiert
wird, ermittelbar ist. Das kann beispielsweise dadurch geschehen,
dass die Durchlassspannung der Laserdiode gemessen wird. Diese ist
in der Hauptsache von der Temperatur der Laserdiode abhängig und
erlaubt so mit einer Tabelle von Kenndaten für die Laserdiode 1,
auf die zugehörige
Wellenlänge
zurückzuschließen. Auch
ein Temperatursensor, der dem Aufbau gemäß 2 hinzugefügt wird,
kann der Ermittlung der Temperatur dienen.
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Um
von vorher zu ermittelnden Kenndaten und von einer eventuell auftretenden
Drift der Laserdioden 1 unabhängig zu sein, ist es vorteilhaft,
wenn die Ermittlung der Wellenlänge über einen
Vergleich mit Absorptionsdaten durchgeführt wird. Hierzu muss die Laserlichtquelle
in Verbindung mit einem entspre chenden Detektor für das Laserlicht
und einer Messumgebung mit einem bekannten Gas betrieben werden.
Die von der Laserlichtquelle emittierte Wellenlänge kann nun mittels des Laserstroms
variiert werden und dadurch eine Mehrzahl von Gasabsorptionslinien
abgetastet werden. Aus der Lage der Gasabsorptionslinien zueinander
und dem Verhältnis
der Absorption der Gasabsorptionslinien kann anhand von bekannten
Absorptionsdaten des Gases auf den absolute Wellenlängen-Abschnitt
geschlossen werden, der von der Laserdiode 1 bzw. der Laserlichtquelle
emittiert wurde.
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Ein
zweiter beispielhafter Aufbau für
eine erfindungsgemäße Laserlichtquelle
ist in 8 schematisch dargestellt. Hier weist das Keramiksubstrat zwei
Laserdioden 1 auf. In das Keramiksubstrat 2 ist in
diesem Fall ein Heizwiderstand 15 integriert, beispielsweise
ein metallischer Dünnschichtwiderstand. Elektrische
Anschlüsse 13,
von denen in 8 nur zwei beispielhaft angedeutet
sind, verbinden den Heizwiderstand 15 und die Laserdioden 1 nach
außen.
Der gesamte Aufbau ist mit einem Kunststoffgehäuse 14 analog zum
Aufbau beispielsweise einer Leuchtdiode umschlossen.
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Der
Heizwiderstand 15 ist wegen seines Temperaturkoeffizienten,
der bei Metallen meist positiv ist, bei entsprechender Beschaltung
und Bestromung auch als Temperatursensor verwendbar. Wird über den
Heizwiderstand 15 festgestellt, dass sich der Aufbau gemäß 8 in
einer zu kalten Umgebung befindet, so kann der Aufbau über den
Heizwiderstand 15 auf eine geeignete Arbeitstemperatur gebracht
werden. Auch wenn die Umgebungstemperaturen im Arbeitsbereich der
Laserdioden 1 liegen, kann der Heizwiderstand 15 dazu
verwendet werden, den gesamten Wellenlängen-Bereich 11 des
Aufbaus zu erweitern bzw. verschieben, indem die Laserdioden 1 über die
Umgebungstemperatur hinaus erwärmt
werden.
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Der
Heizwiderstand 15 erlaubt es auch, zur Ermittlung der absoluten
Wellenlängen,
die von den Laserdioden 1 emittiert werden, eine Variation
der Temperatur zu verwenden, um die Gasabsorptionslinien abzutasten.
Ebenso kann auch die bereits beschriebene Möglichkeit verwendet werden, über den Heizwiderstand 15 die
Temperatur der Laserdioden 1 zu bestimmen und daraus über Kenndaten
auf die Wellenlängen
zu schließen.