DE102007038943A1

DE102007038943A1 - Laserlichtquelle mit wenigstens zwei Einzel-Lasern

Info

Publication number: DE102007038943A1
Application number: DE102007038943A
Authority: DE
Inventors: Jia Chen; Andreas Hangauer; Rainer Strzoda
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2009-02-19
Also published as: WO2009024504A1

Abstract

Es wird eine Laserlichtquelle beispielsweise für die Laserspektroskopie vorgestellt, die aus zwei oder mehr einzelnen Lasern, insbesondere VCSELs, mit unterschiedlichen Wellenlängen-Bereichen für die Laseremission besteht. Die genaue Einstellung einer gewünschten Emissionswellenlänge findet über eine Regelung des Laserstroms statt. Für die gewünschte Emissionswellenlänge wird der jeweils geeignete Laser ausgewählt. Ein hermetisch abschließendes Gehäuse, ein Peltier-Element sowie ein Temperatursensor zur Temperaturregelung entfallen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Laserlichtquelle.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die erfindungsgemäße Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht weist wenigstens zwei Laser auf. Die Wellenlänge jedes der Laser ist mittels des jeweiligen Laserstroms einstellbar.
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.
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.
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).
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.
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.
Der Aufbau der Laserlichtquelle bzw. ihre Verwendung ist dadurch erheblich vereinfacht. Die Kosten für die Bereitstellung der Laserlichtquelle sind wesentlich reduziert.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigt schematisch:
1 eine Laserlichtquelle aus dem Stand der Technik,
2 ein Aufbauprinzip einer Laserlichtquelle mit drei Laserdioden,
3 die Bildung eines gesamten Wellenlängen-Bereichs aus einzelnen Wellenlängen-Bereichen der drei Laserdioden,
4 die Verschiebung des gesamten Wellenlängen-Bereichs mit der Umgebungstemperatur,
5 den Einsatz der Laserdioden zur Erzeugung von Ziel-Wellenlängen,
6 einen Aufbau mit der Laserlichtquelle in Verbindung mit einer Glasfaser,
7 den Strahlengang für Laserlicht dieses Aufbaus,
8 einen Aufbau für eine Laserlichtquelle mit einem Heizwiderstand in einem Plastikgehäuse.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht mit wenigstens zwei Lasern, deren Wellenlänge mittels des jeweiligen Laserstroms innerhalb eines jeweiligen Wellenlängen-Bereichs einstellbar ist, und wobei die Wellenlängen-Bereiche der Laser voneinander verschieden sind.
Laserlichtquelle gemäß Anspruch 1, derart ausgestaltet, dass zur Emission einer Ziel-Wellenlänge genau einer der Laser betrieben wird, wobei dieser anhand des durch die Temperatur der Laser festgelegten Wellenlängen-Bereichs jedes der Laser und anhand der Ziel-Wellenlänge zum Betrieb auswählbar ist.
Laserlichtquelle gemäß Anspruch 1 oder 2, die in ein wenigstens für den Wellenlängen-Bereich des erzeugten Laserlichts transparentes Gehäuse eingebettet ist.
Laserlichtquelle gemäß Anspruch 1 oder 2, derart aufgebracht auf einen Lichtwellenleiter, dass das Laserlicht in den Lichtwellenleiter eingestrahlt wird.
Laserlichtquelle gemäß Anspruch 4, bei dem die Laser nebeneinander auf einem Substrat angeordnet sind, das mittels eines Klebers auf den Lichtwellenleiter aufgebracht wird, wobei der Brechungsindex des Klebers nicht oder nur geringfügig von dem des Lichtwellenleiters abweicht.
Laserlichtquelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, derart ausgestaltet, dass die Laser Laserdioden sind und eine Bestimmung der von einem der Laser emittierbaren Wellenlänge mittels einer Messung der Durchlassspannung des Lasers in Verbindung mit gespeicherten Daten über den Laser durchführbar ist.
Laserlichtquelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Heizelement zur Erwärmung der Laser.
Laserlichtquelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der Laser.
Laserlichtquelle gemäß Anspruch 7, bei der das Heizelement zusätzlich als Temperatursensor ausgestaltet ist.
Laserlichtquelle gemäß Anspruch 8 oder 9, derart ausgestaltet, dass eine Bestimmung der von einem der Laser emittierbaren Wellenlänge mittels einer Ermittlung der Temperatur des Lasers in Verbindung mit gespeicherten Daten über den Laser durchführbar ist.
Anordnung mit – einer Laserlichtquelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; und – einem Detektor zum Empfang des Laserlichts.
Anordnung gemäß Anspruch 11 mit einer Steuerungseinrichtung, die ausgestaltet ist, eine Ermittlung des aktuellen, temperaturabhängigen Verhältnisses zwischen Laserstrom und Wellenlänge eines der Laser vorzunehmen, indem die Wellenlänge dieses Lasers durch eine Variation des Laserstroms über einen Wellenlängen-Bereich variiert wird, eine Messung der Absorptionslinien in diesem Wellenlängen-Bereich mittels des Detektors durchgeführt wird und mittels Vergleich mit gespeicherten Absorptionsdaten auf das Verhältnis geschlossen wird.
Anordnung gemäß Anspruch 11 oder 12 mit einer Laserlichtquelle gemäß Anspruch 7 oder 9, bei der die Steuerungseinrichtung ausgestaltet ist, zur Ermittlung des Verhältnisses zwischen Laserstrom und Wellenlänge eines der Laser die Wellenlänge des Lasers durch eine Variation seiner Temperatur mittels des Heizelements zu variieren.
Verfahren zum Betrieb einer Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht, bei dem: – wenigstens zwei Laser verwendet werden, die sich in ihrem über den Laserstrom einstellbaren Wellenlängen-Bereich unterscheiden; und – die Wellenlänge der Laser mittels des jeweiligen Laserstroms eingestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem zur Emission einer Ziel-Wellenlänge genau einer der Laser betrieben wird, wobei dieser anhand des durch die Temperatur der Laser festgelegten Wellenlängen-Bereichs jedes der Laser und anhand der Zielwellenlänge zum Betrieb ausgewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem die von einem der Laser emittierbare Wellenlänge ermittelt wird, indem: – als Laser Laserdioden verwendet werden und eine Messung der Durchlassspannung des Lasers durchgeführt wird; oder – ein Temperatursensor in der Laserlichtquelle vorgesehen ist und die Temperatur des Lasers gemessen wird; und aus Temperatur bzw. Durchlassspannung in Verbindung mit gespeicherten Daten über den Laser auf dessen Wellenlänge geschlossen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem das aktuellen, temperaturabhängige Verhältnis zwischen Laserstrom und Wellenlänge eines der Laser ermittelt wird, indem: – ein Detektor zum Empfang des Laserlichts nach Durchtritt durch ein Gas verwendet wird; – die Wellenlänge des Lasers über einen Wellenlängen-Bereich variiert wird; – eine Messung der Absorptionslinien des Gases in diesem Wellenlängen-Bereich mittels eines Detektors durchgeführt wird; und – mittels Vergleich mit gespeicherten Absorptionsdaten auf das Verhältnis geschlossen wird; wobei die Wellenlänge des Lasers entweder über den Laserstrom variiert wird oder ein Heizelement für die Laserlichtquelle verwendet wird und die Wellenlänge des Lasers über seine Temperatur variiert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem für die Laserlichtquelle ein Heizelement verwendet wird, um die Laserlichtquelle zu heizen und damit: – der erreichbare Wellenlängen-Bereich der gesamten Laserlichtquelle geändert wird; und/oder – die Laserlichtquelle in einen für den Betrieb der Laser vorgesehenen Temperaturbereich geheizt wird.
Verfahren zur spektroskopischen Messung von Eigenschaften eines Gases in einer Messumgebung, insbesondere Konzentration, Druck, Temperatur oder Isotopenverhältnis, bei dem Laserlicht durch die Messumgebung geleitet wird und von einem Detektor empfangen wird, wobei das Laserlicht mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18 erzeugt wird, und anhand der Absorption des Laserlichts auf die Konzentration des Gases geschlossen wird.