CN103983607A - 在光谱仪中操控波长能够调谐的激光二极管的方法和装置 - Google Patents

Abstract

为了在光谱仪中操控波长能够调谐的激光二极管（3），替代电流时间函数预定功率时间函数（11），相应于该功率时间函数周期性地在波长范围上调谐该激光二极管（3）。为此从功率时间函数（11）中以及在施加在激光二极管（3）处的电压（u）的测量值中测定电流变化曲线（i），利用该电流变化曲线操控该激光二极管（3）。

Description

在光谱仪中操控波长能够调谐的激光二极管的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于在光谱仪中操控波长能够调谐的激光二极管的方法和装置，其中，预定功率时间函数（Leistung-Zeit-Funktion），通过从功率时间函数中以及由激光二极管所获得的测量值测定电流变化曲线，利用该电流变化曲线操控激光二极管，相应于该预定的功率时间函数周期性地在波长范围上调谐该激光二极管。 

背景技术

这种类型的方法和这种类型的装置由DE4110095A1中已知。这里由监视器二极管提供测量值，该监视器二极管检测激光二极管的发射功率。在结果中光学的功率电流特性曲线被线性化并且由此减少了偏移。 

在激光吸收光谱学中，测量气体利用波长能够调谐的激光二极管的光线来透射并且测量气体的所关注的气体组分的浓度根据在气体组分的所选择的吸收谱线的位置处通过吸收光线引起的光强的减少来确定（DE102011079342B3）。在此激光二极管周期性地相应于预定的电流时间函数、例如电流斜坡（Stromrampe）而被操控，以便根据波长来扫描气体组分的吸收谱线。除了电流以外激光二极管的温度也在很大程度上确定了所产生的光线的强度和波长，因此激光二极管被装配在散热片处，其温度被调节。由于激光二极管的老化，光学的功率下降并且所产生的光线的波长变化，使得为了稳定波长需要采取其他的措施。为此例如激光二极管在每个操控周期中利用两个前后跟随的电流时间函数来操控，以 便除了待测量的气体组分的吸收谱线之外也对参考气体的吸收谱线进行扫描。激光二极管或散热片的温度之后在参考气体的吸收谱线（Apsorptionslinie）的位置上这样来调节，以使得吸收谱线总是位于那个相同的位置处，优选地位于相关的电流时间函数的中心处。因为吸收谱线的波长距离是已知的，所以待测量的气体组分的吸收谱线也总是处于扫描该待测量的气体组分的相同的位置处。 

在通常应用的类型的激光二极管VCSEL（垂直腔面发射激光器vertical cavity surface-emitting laser）和DFB激光器（分布式反馈激光器distributed feedback laser）中，频率确定的构件是布拉格反射器（Bragg-Reflektor）。这由一系列薄的具有交替的折射率的涂层构成。在每个边界面处，入射光线的一部分被反射，其中，经过反射的射束在与涂层的光学厚度的四分之一相符合的波长处结构性地叠加。在围绕这个中心波长的范围中反射是非常大的并且对于更大的和更小的波长而言该反射强烈地减小。该布拉格反射器的尺寸可以由于温度的变化而变化，其中，波长随着温度的增加而增加。布拉格反射器的温度由激光二极管的损耗功率以及散热片的温度来确定。激光二极管的损耗功率再次取决于其电流电压特性，其可以由元器件参数，如闸电压和导带电阻来描述。 

发明内容

本发明的目的在于，在没有参考气体的情况下能够简单地稳定波长。 

根据本发明该目的由此实现，即，在前文中提出的类型的方法中，获得施加在激光二极管处的电压的测量值。 

作为时间上的函数的、输送给用于取决于波长地扫描所关注的吸收谱线的激光二极管的功率被预定，并且进而不取决于激光二极管的老化状态。然而，在激光二极管中的损耗功率和由此发出的热量并且因此激光二极管的温度由此也与激光二极管的老化状态无关。尽管如此激光二极管的 效率减少进而光学的功率减少，然而光学的功率与所传送的功率以及损耗功率相比，小到是能够忽略的，使得所传送的功率和损耗功率可以等同。 

相应于根据本发明的方法的第一变型方案，电流变化曲线由调节装置根据在激光二极管的功率消耗（Leistungsaufnahme）（实际参量）和预定的功率时间函数（理论参量）之间的偏差而产生，利用该电流变化曲线直接操控该激光二极管，其中，在激光二极管处施加的电压和电流通过激光二极管连续地被检测，例如被测量，并且通过将测量的电流值和电压相乘持续地测定激光二极管的功率消耗。 

为了实施根据本发明的方法的这个变型方案所适合的装置相应地具有：用于连续检测施加在激光二极管处的电压和流经激光二极管的电流的装置，用于通过将所测量的电流值和电压值相乘而持续地测定激光二极管的功率消耗的装置以及调节装置，该调节装置根据在作为实际参量的激光二极管的功率消耗和作为额定参量的预定的功率时间函数之间的调节偏差产生用于操控激光二极管的电流。调节装置例如可以包括调节器和由其控制的电流源，激光二极管连接在该电流源上。在这种情况下，测量通过激光二极管的电流不是必需的，因为替代电流测量值能够应用由用于该电流源的调节器产生的操控参量。 

根据本发明的方法的第一变型方案在快速地扫描或快速的功率时间函数中优选地在硬件中实现。 

在根据本发明的方法的第二变型方案中应用计算模型，该计算模型描述了取决于激光二极管的预定的元器件参数的激光二极管的电流电压特性。在激光二极管处施加的电压和流经激光二极管的电流有规律地在不同的时间点时测定，以便每次重新计算元器件参数。电流变化曲线借助于计算模型或模型化的电流电压特性从预定的功率时间函数来测定，利用该电流变化曲线操控激光二极管。 

为了实施根据本发明的方法的这个变型方案所适合的装置具有相应地用于规律地在不同的时间点检测施加在激光二极管处的电压以及流经激光二极管的电流的装置以及计算装置，在该计算装置中存储有计算模型，该计算模型描述取决于激光二极管的元器件参数的激光二极管的电流电压特性并且设计用于根据经过测定的电流值和电压值重新计算元器件参数并且从预定的功率时间函数中测定电流变化曲线以及还具有能控制的电流源，以用于相应于所测定的电流变化曲线来操控激光二极管。 

仅仅需要测量在激光二极管处的电压，这是因为流经激光二极管的电流被计算并且因此是已知的。在第一变型方案中连续地测量电流和电压，与第一变型方案不同的是，在第二变型方案中仅仅测定在不同的时间点时的电流值和电压值。时间点的数量、即需要的电流值对和电压值对的数量是取决于激光二极管的由计算模型模型化的电流电压特性的元器件参数（模型参数）的数量的。根据本发明的方法的第二变型方案因此也在快速的扫描中或在快速的功率时间函数中在软件中实现。 

测定施加在激光二极管处的电压和流经激光二极管的电流的这些时间点优选地处于功率时间函数的时间区间之外，其中，在不同的时间点时利用不同的电流，优选地以具有不同水平的突发脉冲信号（Burstsignalen）的形式操控该激光二极管并且在此测量通过激光二极管的电压。 

附图说明

以下结合附图根据实施例阐述本发明；细节性地示出 

图1是用于操控波长能够调谐的激光二极管的装置的具有第一实施例的激光光谱仪，以及 

图2是用于操控激光二极管的装置的具有第二实施例的激光光谱仪。 

具体实施方式

图1示出用于测量测量气体1的至少一个所关注的气体组分的浓度的激光光谱仪，该测量气体包括在测量容积2中例如在测量样品池中或过程气体管路中。光谱仪包括激光二极管3，其光线4穿过测量气体1落在探测器5上。激光二极管3装配在温度调节（tempraturgeregelten）的散热片6上并且由电流源7利用周期性地变化的电流（注入电流）i来操控。所产生的光线4的强度和波长是取决于激光二极管3的电流i和运行温度的。相应于激光二极管3利用周期性地变化的电流I，周期性地根据波长地扫描所关注的气体组分的所选择的吸收谱线。在评估装置8中，从在吸收谱线的位置处经过探测的吸收确定所关注的气体组分的浓度并且作为测量结果9输出。 

函数发生装置10优选地预定斜坡状的或三角状的功率时间函数11，应该相应于该功率时间函数周期性地在用于扫描吸收谱线的波长范围上调谐激光二极管3。流经激光二极管3的电流i和施加在激光二极管3处的电压u利用适合的测量敏感元件12，13连续地测量并且传送给乘法器14，以便持续地测定激光二极管3的当前的功率消耗15。功率时间函数11和测量的功率消耗15作为额定参数或实际参数传送给调节装置16，该调节装置包括用于确定在额定参数和时间参数之间的调节偏差的减法器（Substrahierer）17，例如PID调节器以及电流源7，并且根据调节偏差产生用于操控激光二极管3的电流i。 

如同通过虚线19所示出的那样，替代测量的电流i应用由调节器18产生的用于电流源7的控制参量，以便与测量的电压u一起确定激光二极管3的当前的功率消耗15。该电流i也不必测量。 

图2示出激光光谱仪，其在激光二极管3的操控中与根据图1的实例不同，即替代调节装置16存在一个存储在计算装置20中的计算模型，该计算模型根据预定的激光二极管3的元器件参数（模型参数）对激光二极管3的电流电压特性21模型化，该电流电压特性根据当前的电流值和电压值重新计算元器件参数并且从预定的功率时间函数11中测定用于操控 激光二极管3的电流变化曲线i。该电流电压特性21可以简化地如下地描述： 

u＝U_S+R_D·i， 

其中，U_S表示闸门电压以及R_B表示激光二极管3的导带电阻。对于传送给该激光二极管3的功率P_L适用的是： 

P_L＝(U_S+R_B·i)·i 

因为光学的功率相对于P_L小到能够忽略，P_L也相应于激光二极管3的损耗功率。 

这两个元器件参数U_S和R_B可以根据电流I₁，I₂的和电压U₁，U₂的两次测量来测定： 

U₁＝U_S+R₅·I₁

U₂＝U_S+R_B·I₂

利用这样测定的、以及有规律地，例如每第n个周期更新的元器件参数U_S和R_B，如下地测定用于操控激光二极管3的电流i 

$i=\frac{1}{{2R}_B}\·(-U_S+\sqrt{U_S^2+{4R}_B\·P_L}).$

为了测量电流I₁，I₂的和电压U₁，U₂，函数发生装置10可以在不同的时间点，例如在每第n个功率时间函数11之前或之后，产生两个具有不同水平的突发脉冲信号22，23。 

Claims (8)

1.一种用于在光谱仪中操控波长能够调谐的激光二极管（3）的方法，其中，预定功率时间函数（11），相应于所述功率时间函数周期性地在波长范围上调谐所述激光二极管（3），其中，从所述功率时间函数（11）中以及由所述激光二极管（3）所获得的测量值测定电流变化曲线（i），利用所述电流变化曲线操控所述激光二极管（3），，其特征在于，所述测量值由施加在所述激光二极管（3）处的电压（u）获得。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由调节装置（16）根据作为实际参量的所述激光二极管（3）的功率消耗（15）和作为额定参量的预定的所述功率时间函数（11）之间的调节偏差产生所述电流变化曲线（i），其中，连续地检测施加在所述激光二极管（3）处的所述电压（u）以及流经所述激光二极管（3）的电流（i）并且通过将所测量的电流值和电压值相乘持续地测定所述激光二极管（3）的所述功率消耗（15）。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，应用计算模型（20），所述计算模型描述了取决于所述激光二极管（3）的预定的元器件参数的所述激光二极管（3）的电流电压特性（21），即规律地在不同的时间点测定施加在所述激光二极管（3）处的所述电压（u）和流经所述激光二极管（3）的所述电流（i）并且根据经过测定的电流值和电压值重新计算所述元器件参数，以及借助于所述计算模型（20）从所述功率时间函数（11）中测定操控所述激光二极管（3）的所述电流变化曲线（i）。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，施加在所述激光二极管（3）处的所述电压（u）和流经所述激光二极管（3）的所述电流（i）的测定时间点处于所述功率时间函数（11）的时间区间之外，以及在不同的时间点利用不同的电流为所述激光二极管（3）供电并同时测量通过所述激光二极管（3）的所述电压。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，不同的所述电流以不同水平的突发脉冲信号（22，23）的形式来产生。

6.一种用于根据权利要求1或2所述的方法操控波长能够调谐的激光二极管（3）的装置，具有用于连续地测定施加在所述激光二极管（3）处的所述电压（u）和流经所述激光二极管（3）的所述电流（i）的装置；用于持续地通过将测量的所述电流值和所述电压值相乘测定所述激光二极管（3）的所述功率消耗（15）的装置，以及调节装置，所述调节装置根据在作为所述实际参量的所述激光二极管（3）的所述功率消耗（15）和作为所述额定参量的预定的功率时间函数（11）之间的所述调节偏差产生用于操控所述激光二极管（3）的所述电流（i）。

7.根据权利要求6所述装置，其特征在于，所述调节装置（16）包括调节器（18）和由所述调节器控制的电流源（7）。

8.一种用于根据权利要求1，3，4或5中任一项所述的方法操控波长能够调谐的激光二极管（3）的装置，具有用于规律地在不同的所述时间点检测施加在所述激光二极管（3）处的所述电压（u）和流经所述激光二极管（3）的所述电流（i）的装置；具有计算装置（20），在所述计算装置中存储有计算模型，所述计算模型描述取决于所述激光二极管（3）的预定的元器件参数的所述激光二极管（3）的电流电压特性（21）并且设计用于根据所测定的电流值和电压值重新计算所述元器件参数并且从预定的功率时间函数（11）中测定电流变化曲线（i）；以及具有能操控的、相应于所测定的所述电流变化曲线（i）用于操控所述激光二极管（3）的电流源（7）。