DE4429582A1 - Strahlungsquelle für ein Meßsystem - Google Patents

Strahlungsquelle für ein Meßsystem

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Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle für ein Meßsystem zur spektroskopischen Bestimmung des Anteils eines Stoffes in einer Gasprobe mit zumindestens einer Temperiervorrichtung zur Einstellung eines Temperatur-Arbeitspunktes der Strahlungsquelle.
Eine Vorrichtung zur spektroskopischen Bestimmung des Anteils eines Stoffes in einer Gasprobe ist aus der DE-A 41 22 572 bekanntgeworden. Mit der bekannten Vorrichtung werden Sauerstoffkonzentrationen mittels Strahlungsabsorption im Wellenlängenbereich von ca. 760 Nanometer gemessen. Als Strahlungsquelle wird eine sogenannte kantenemittierende Laserdiode mit einer Monitordiode verwendet, mit einem Wellenlängenbereich von 759 bis 764 Nanometer. Die auf der Vorderseite der Laserdiode austretende Strahlung wird als Meßstrahlung verwendet, die rückwärtige Strahlung trifft auf die Monitordiode. Die Laserdiode wird von einem Steuerstrom gespeist, der aus einem Gleichstromanteil und einem Wechselstromanteil mit der Frequenz von 5 KHz zusammengesetzt ist. Mit dem Gleichstromanteil des Steuerstroms wird der Arbeitsstrom I der Laserdiode eingestellt, während der Wechselstromanteil eine periodische Verstimmung im Bereich der Absorptionslinien bewirkt. Um eine möglichst oberwellenfreie Ansteuerung der Laserdiode zu erreichen, wird als Wechselstrom ein sinusförmiger Kurvenverlauf gewählt. Die Laserdiode und die Monitordiode sind als Block auf einer Temperiervorrichtung montiert, wobei über die Temperatur T der Temperatur-Arbeitspunkt der Laserdiode eingestellt und diese hierdurch auf eine der bekannten Absorptionslinien von Sauerstoff gebracht wird. Da die Absorptionslinien, besonders bei Sauerstoff, schwach ausgeprägt sind, wird die zweite Ableitung der Absorptionslinie für die Konzentrationsmessung verwendet. Innerhalb der Absorptionslinie liegt der Arbeitspunkt üblicherweise auf dem mittleren Extremum der zweiten Ableitung der Absorptionslinie. Die von der Laserdiode emittierte Strahlung trifft, nachdem sie das zu untersuchende Gas durchlaufen hat, auf eine Detektoreinrichtung, die an eine Auswerteschaltung angeschlossen ist. Die Auswerteschaltung besteht im wesentlichen aus einem Lock-In Verstärker, der an seinem Signaleingang mit dem Meßsignal der Detektoreinrichtung und an seinem Referenzeingang mit einer Signalspannung von der doppelten Frequenz der Ansteuerung der Laserdiode beaufschlagt wird. Das Ausgangssignal des Lock-In Verstärkers entspricht der zweiten Ableitung des Absorptionssignals.
Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, daß kantenemittierende Laserdioden bei Veränderung der Temperatur T der Temperiervorrichtung, des Arbeitsstroms I und auch infolge von Alterungsvorgängen den Longitudinalmode wechseln können, wodurch ein plötzlicher Frequenzsprung oder Modensprung auftritt. Weiter ist nachteilig, daß die Monitordiode mit der aus der Laserdiode austretenden rückwärtigen Strahlung beaufschlagt wird und nicht mit der das zu untersuchende Gas durchlaufenden Meßstrahlung. Hierdurch können sich Ungenauigkeiten bei der Messung der Strahlungsleistung der Laserdiode mittels der Monitordiode einstellen.
Ein Meßsystem zur spektroskopischen Bestimmung des Anteils von Sauerstoff in einer Gasprobe mit einem Peltier-Element als Temperiervorrichtung, ist aus der US 4,730,112 bekanntgeworden. Das Peltier-Element befindet sich sandwichartig zwischen zwei metallischen Trägerplatten von denen eine die warme- und die andere die kalte Seite des Peltier-Elementes darstellt. Als Strahlungsquelle wird eine kantenemittierende Laserdiode verwendet, welche über ein Kühlblech an der "kalten" Trägerplatte des Peltier-Elementes angebracht ist. Die rückwärtige Strahlung der Laserdiode wird mit einer auf der "kalten" Trägerplatte befindliche Monitordiode registriert, während die aus der Laserdiode austretende Meßstrahlung über einen Lichtleiter zu der zu analysierenden Gasprobe geleitet wird.
Nachteilig bei dem bekannten Meßsystem ist der komplizierte Aufbau des Strahlungssenders mit dem Kühlblech.
Ein Anzeigesystem zur Projektion von Daten in das Blickfeld eines Helmträgers ist aus der US 5,325,386 bekanntgeworden. Wesentlicher Bestandteil des Anzeigersystems ist ein Array von vertikal emittierenden Laserdioden, welche auf einem Substrat als Träger angeordnet sind und über eine elektronische Schaltung angesteuert werden. Mit dem Laserdioden Array können sowohl farbige als auch monochromatische Darstellungen mit hoher Auflösung realisiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungsquelle für ein Meßsystem zur spektroskopischen Bestimmung des Anteils eines Stoffes in einer Gasprobe derart zu verbessern, daß das Auftreten von Modensprüngen reduziert ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß die Strahlungsquelle als eine, auf einem planaren Substrat befindliche, vertikal zum Substrat emittierende Laserdiode ausgeführt ist.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß vertikal emittierende Laserdioden wegen ihres kleinen Abstrahlwinkels und ihrer guten Durchstimmbarkeit in dem für die Gasanalyse genutzten Wellenbereich auch besonders vorteilhaft in der IR-Spektroskopie eingesetzt werden können. Vertikal emittierende Laserdioden haben nämlich gegenüber kantenemittierenden Laserdioden den Vorteil, daß sie durch ihren kleinen Resonator große Abstände zwischen den einzelnen Moden haben, so daß innerhalb eines Modes ein Wellenlängenbereich von etwa einem Nanometer durchgestimmt werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In zweckmäßiger Weise ist die Laserdiode als ein chipförmiges Array von einzelnen, vertikal emittierenden Laserdioden ausgeführt, welche auf unterschiedliche Wellenlängen abgestimmt sind, um Absorptionen der Meßstrahlung bei unterschiedlichen Wellenlängen messen zu können.
Ein besonders einfacher und kompakter Aufbau in Verbindung mit einer Temperiervorrichtung mit einem Peltier-Element ergibt sich, wenn das die Laserdiode tragende Substrat flächig auf einer Trägerplatte des Peltier-Elementes befestigt wird, wobei als Trägerplatte üblicherweise die kalte Seite des Peltier-Elementes benutzt wird. Die Temperiervorrichtung besteht neben dem Peltier-Element im wesentlichen noch aus einem Steuergerät, welches zur Energieversorgung des Peltier-Elementes dient.
In zweckmäßiger Weise ist auf der das Substrat aufnehmenden Trägerplatte ein Temperaturfühler vorgesehen, welcher an die Temperiervorrichtung angeschlossen ist. Der Temperaturfühler mißt die Temperatur in der Umgebung der Laserdiode und kann entweder auf dem Substrat oder unmittelbar auf der Trägerplatte angebracht sein. Innerhalb des Steuergerätes der Temperiervorrichtung wird die mit dem Temperaturfühler gemessene Temperatur mit einem Sollwert eines Temperatur-Arbeitspunktes T verglichen und die Versorgungsspannung des Peltier-Elementes dann derart verändert, bis vorgegebene und gemessene Temperatur übereinstimmen.
In zweckmäßiger Weise ist im Emissionsbereich der Laserdiode eine die emittierte Strahlung zumindestens teilweise reflektierende, Transmissionsstrahlung durchlassende Scheibe vorgesehen und auf der die Laserdiode aufnehmenden Trägerplatte oder dem Substrat ist eine Monitordiode befestigt, welche im Empfangsbereich der an der Scheibe reflektierten Teilstrahlung liegt. Da mit der Monitordiode ein Teil der emittierten Strahlung gemessen wird, ist auf diese Weise eine besonders gute Regelung der Strahlungsleistung der Laserdiode möglich. Bei den aus der IR-Spektroskopie bekannten kantenemittierenden Laserdioden wird üblicherweise die rückwärtig austretende Strahlung zur Leistungsregelung benutzt, die im allgemeinen nicht die gleiche Strahlungsintensität besitzt wie die Meßstrahlung, mit der die Gasprobe durchstrahlt wird.
Ein zweckmäßiger Aufbau der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle besteht darin, daß das Peltier-Element im Bereich des Bodens eines mit Kontaktstiften versehenen, topfförmigen Gehäuses befestigt ist, und daß die dem Boden gegenüberliegende Seite des Gehäuses durch die Scheibe abgeschlossen ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt schematisch eine Strahlungsquelle (1) nach der Erfindung im Längsschnitt. Die Strahlungsquelle (1) besteht aus einer Laserdiode (2) auf einem ebenen Substrat (8), welche einen Meßstrahl (12) vertikal zum Substrat (8) emittiert und flächig auf eine erste Trägerplatte (3) eines Peltier-Elementes (4) aufgeklebt ist. Die erste Trägerplatte (3) entspricht der kalten Seite des Peltier-Elementes (4). Eine sandwichartig zur ersten Trägerplatte (3) angeordnete zweite Trägerplatte (5), welche die warme Seite des Peltier-Elementes (4) darstellt, ist am Boden (6) eines topfförmigen Gehäuses (7) befestigt. Auf dem Substrat (8) sind ferner eine Monitordiode (9) und ein Temperaturfühler (10) angebracht. Der Temperaturfühler (10), das Peltier-Element (4), und ein Steuergerät (15) mit einem Sollwertsteller (16) für eine Temperatur T, bilden zusammen eine Temperiervorrichtung (17) zur Einstellung des Temperatur-Arbeitspunktes T der Laserdiode (2). Die Kontaktierung des Peltier-Elementes (4), der Laserdiode (2), der Monitordiode (9) und des Temperaturfühlers (10) erfolgt über Kontaktstifte (11) am Boden (6) des Gehäuses (7). Der rechte Kontaktstift (11) ist mit dem Temperaturfühler (10) verbunden; die beiden davor ,liegenden Kontaktstifte (11), dienen zur Kontaktierung des Peltier-Elementes (4). Das Steuergerät (15) besteht im wesentlichen aus einer in der Figur nicht dargestellten Spannungsversorgungs­ einheit für das Peltier-Element (4) und einem in der Figur ebenfalls nicht dargestellten Regler, welcher mit dem Meßwert des Temperaturfühlers (10) als Istwert und der am Sollwertsteller (16) eingestellten Vorgabegröße für den Temperatur-Arbeitspunkt T beaufschlagt wird. Das Gehäuse (7) ist an der dem Boden (6) gegenüberliegenden Seite mit einer Scheibe (13) abgeschlossen, an welcher Teilstrahlen (14) des von der Laserdiode (2) emittierten Meßstrahles (12) in Richtung zur Monitordiode (9) reflektiert werden. Der Strahl (12) ist in der Figur nur schematisch dargestellt, da die Strahlungsemission der Laserdiode (2) unter einem gewissen Abstrahlwinkel erfolgt. Das Meßsystem zu spektroskopischen Analyse des Anteils eines nachzuweisenden Stoffes in einer Gasprobe kann beispielsweise nach der DE-A 41 22 572 aufgebaut sein.

Claims (6)

1. Strahlungsquelle (1) für ein Meßsystem zu spektroskopischen Bestimmung des Anteils eines Stoffes in einer Gasprobe mit zumindestens einer Temperiervorrichtung (17) zur Einstellung eines Temperatur-Arbeitspunktes T der Strahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle als eine auf einem planaren Substrat (8) befindliche, vertikal zum Substrat (8) emittierende Laserdiode (2) ausgeführt ist.
2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode als ein chipförmiges Array von einzelnen, vertikal emittierenden Laserdioden (2) vorliegt, deren Emissionsstrahlen (12) auf unterschiedliche Wellenlängen eingestellt sind.
3. Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (8) mit der Laserdiode (2) flächig aufliegend auf einer ersten Trägerplatte (3) eines Peltier-Elementes (4), welches Teil der Temperiervorrichtung (17) ist, befestigt ist.
4. Strahlungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Substrats (8), oder der das Substrat (8) aufnehmenden ersten Trägerplatte (3), ein Temperaturfühler (10) vorgesehen ist, welcher an die Temperiervorrichtung (17) angeschlossen ist.
5. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Emissionsbereich der Laserdiode (2) eine die emittierte Strahlung zumindestens teilweisende reflektierende, Transmissionsstrahlung durchlassende Scheibe (13) vorgesehen ist, und daß eine Monitordiode (9) vorhanden ist, welche auf von der Scheibe (13) reflektierte Teilstrahlen (14) des Strahls (12) ausgerichtet ist.
6. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Trägerplatte (3) gegenüberliegende Seite des Peltierelementes (4) am Boden (6) eines mit Kontaktstiften (11) versehenen, topfförmigen Gehäuses (7) befestigt ist, welches durch die Scheibe (13) abgeschlossen ist.
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