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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Laser und ein Verfahren zur
Erzeugung gepulster Laserstrahlung.
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Solche
Laser werden beispielsweise im Bereich der Distanzmessung und Geschwindigkeitsmessung
eingesetzt. Dazu ist es notwendig, daß der Laser Pulse mit Pulslängen im
Bereich von einigen ns und Pulswiederholraten von 1 bis 100 kHz
mit hohen Impulsleistungen im Bereich von einigen 10 W erzeugt.
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Solche
Laser weisen häufig
eine Laserdiode, einen mit der Laserdiode verbundenen Kondensator, ein
Lademodul zum Aufladen des Kondensator sowie einen Schalttransistor
auf, der so angesteuert wird, daß der aufgeladene Kondensator über die
Laserdiode zur Erzeugung des Laserpulses entladen wird.
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Insbesondere
bei hohen Temperaturen, die z. B. durch Belastung des Schalttransistors
und die Umgebungstemperatur entstehen, sinkt die Lebensdauer des
Schalttransistors exponentiell (alle 10 Kelvin etwa um die Hälfte). Ferner
ist es häufig
nicht möglich,
die wärmeabstrahlende
Fläche
des Lasers wegen der negativen Auswirkung auf die Genauigkeit bei
einer Impulslaufzeitmessung zu vergrößern.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Laser zur Erzeugung
gepulster Laserstrahlung bereitzustellen, der eine höhere Lebensdauer
aufweist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch einen Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung, mit einer Laserdiode,
einem mit der Laserdiode verbundenen Kondensator, einem Lademodul
zum Aufladen des Kondensators, mehreren zwischen der Laserdiode und
dem Kondensator zueinander parallel geschalteten Transistoren, und
einer Steuereinheit, die wiederholt einen Pulserzeugungszyklus durchführt, in
dem sie das Lademodul zum Laden des Kondensators ansteuert und danach
genau einen der Transistoren zum Entladen des Kondensators über die Laserdiode zur
Erzeugung eines Laserpulses auswählt,
wobei die Steuereinheit in zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden
Pulserzeugungszyklen nicht denselben Transistor zur Ansteuerung
auswählt.
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Damit
kann die thermische Belastung des einzelnen Transistors reduziert
werden, was zu einer deutlich höheren
Lebensdauer der einzelnen Transistoren führt. Die deutlich höhere Lebensdauer
der einzelnen Transistoren führt
auch insgesamt zu einer höheren
Lebensdauer des gesamten Lasers, da die Lebensdauer der verwendeten
Transistoren z. B. geringer ist als die Lebensdauer der verwendeten
Laserdiode. Durch das Vorsehen der mehreren Transistoren, die zeitlich
nacheinander für
die einzelnen Pulse angesteuert werden, wird somit eine deutliche
Erhöhung
der Lebensdauer des gesamten Lasers erzielt.
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Die
Steuereinheit kann einen Teiler aufweisen, der ein zugeführtes Pulswiederholungssignal durch
die Anzahl der Transistoren teilt, wodurch die Transistoren mit
der geteilten Frequenz nacheinander ausgewählt und dadurch angesteuert
werden können.
Beispielsweise kann jedem Zustand des Teilers ein Transistor zugeordnet
sein. Durch Verwendung eines solchen Teilers wird in vorteilhafter
Weise erreicht, daß die
Pulse zeitlich äquivalent
erzeugt werden.
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Insbesondere
kann als Teiler ein Gray-Code-Zähler
verwendet werden, dessen Ausgänge
jeweils einem der Transistoren zugeordnet sind. Dadurch ist eine
sehr gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) gegeben. Es
kann dadurch sichergestellt werden, daß selbst bei EMV-Störungen immer genau
einer der Transistoren und nie mehrere der Transistoren gleichzeitig
aktiviert werden.
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Die
Steuereinheit kann die Transistoren immer in derselben Reihenfolge
zeitlich nacheinander auswählen.
Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Reduzierung der
thermischen Belastung und somit die Erhöhung der Lebensdauer der Transistoren
und damit des gesamten Lasers.
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Ferner
kann die Steuereinheit ein den ausgewählten Transistor angebendes
Signal ausgeben. Dazu kann sie beispielsweise bei jeder Aktivierung des
ausgewählten
Transistors ein entsprechendes Signal ausgeben. Es ist auch möglich, daß sie nach der
Aktivierung einer bestimmten Anzahl von Transistoren ein Signal
ausgibt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sie ein Signal ausgibt,
nachdem sie alle vorhandenen Transistoren einmal ausgewählt und
aktiviert hat.
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Der
Laser kann zwei, drei, vier, fünf
oder mehr Transistoren aufweisen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Laser
kann die Steuereinheit so ausgebildet sein, daß sie nie denselben Transistor
für zwei
zeitlich aufeinander folgende Pulserzeugungszyklen auswählt. Es
wird somit nie derselbe Transistor zweimal hintereinander ausgewählt. Damit
wird eine sehr gute Reduzierung der thermischen Belastung der Transistoren
und damit eine exponentielle Erhöhung
der Lebensdauer erreicht.
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Ferner
kann die Steuereinheit einen Zufallsgenerator enthalten, der zufällig den
genau einen Transistor für
die Pulserzeugungszyklen auswählt. Damit
ist zwar die genaue Reihenfolge der Auswahl der Transistoren unbestimmt.
Jedoch ist der Zufallsgenerator bevorzugt so ausgebildet, daß im zeitlichen
Mittel über
eine Vielzahl von Pulserzeugungszyklen jeder Transistor gleich oft
ausgewählt
wird. Unter einer Vielzahl von Pulserzeugungszyklen wird hier insbesondere
eine Pulserzeugungszyklenanzahl von größer als dem 100-fachen der
Anzahl der Transistoren verstanden.
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Durch
die erfindungsgemäße Auswahl
genau eines Transistors für
jeden Pulserzeugungszyklus mittels der Steuereinheit kann der beschriebene Vorteil
erreicht werden, daß die
thermische Belastung der Transistoren deutlich reduziert wird.
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Insbesondere
ist der Laser so ausgebildet, daß der Kondensator ein Hochspannungs-Kondensator ist,
der auf einige Hundert Volt (z. B. 230 V) aufgeladen wird. Damit
kann ein Entladestrom von bis zu 50 A mit einer Entladedauer und
somit einer Pulslänge
von einigen ns erzeugt werden. Der Laser kann insbesondere Pulswiederholungsraten
von einigen kHz bis 100 kHz und sogar auch mehr als 100 kHz erreichen.
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Es
wird ferner ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung
bereitgestellt, bei dem wiederholt ein Pulserzeugungszyklus durchgeführt wird, in
dem ein Kondensator aufgeladen und danach mittels genau eines ausgewählten Transistors
von mehreren zueinander parallel geschalteten Transistoren über eine
Laserdiode zur Erzeugung eines Laserpulse entladen wird, wobei in
zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Pulserzeugungszyklen
nicht derselbe Transistor zum Entladen des Kondensators ausgewählt wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die thermische Belastung des Transistors reduziert und somit
seine Lebensdauer deutlich erhöht
werden.
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Bei
dem Verfahren kann ein Gray-Code-Zähler zur Auswahl und Aktivierung
der Transistoren vorgesehen werden, wobei der Gray-Code-Zähler für jeden
der Transistoren jeweils einen zugeordneten Ausgang zur Aktivierung
des Transistors aufweist. Mit einem solchen Gray-Code-Zähler wird eine hervorragende
EMV-Stabilität
erreicht.
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Bei
dem Verfahren können
die Transistoren immer in derselben Reihenfolge zeitlich nacheinander
ausgewählt
und angesteuert werden. Damit kann die thermische Belastung jedes
einzelnen Transistors minimiert werden.
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Ferner
kann bei dem Verfahren ein zugeführtes
Pulserzeugungssignal durch die Anzahl der Transistoren geteilt und
die ausgewählten
Transistoren mit dem erzeugten Teilersignal zur Aktivierung angesteuert
werden. Dadurch können
leicht die notwendigen Steuersignale für die Transistoren erzeugt
werden, wobei gleichzeitig sichergestellt ist, daß die Pulse
zeitlich äquidistant
erzeugt werden.
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Bei
dem Verfahren kann ein den ausgewählten Transistor angebendes
Signal ausgegeben werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn
Informationen über
den gerade aktivierten Transistor notwendig bzw. gewünscht werden.
Dies ist z. B. im Bereich der Distanz- und Geschwindigkeitsmessung häufig der
Fall, da bei den kurzen Pulsdauern und hohen Pulswiederholraten
selbst kleine Unterschiede der Transistoren bzw. der entsprechenden
Entladekreise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen können. Dies Unterschiede können jedoch
kalibriert werden und bei Kenntnis des gerade aktivierten Transistors
bei der Messung berücksichtigt
werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann der genau eine Transistor für
den jeweiligen Pulserzeugungszyklus zufällig ausgewählt werden. Insbesondere kann
der Transistor in der Art zufällig
ausgewählt
werden, daß im
zeitlichen Mittel über
eine Vielzahl von Pulserzeugungszyklen jeder Transistor gleich oft
ausgewählt
wird.
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Somit
werden die Transistoren mit der gleichen Anzahl von Aktivierungen über die
Zeit der Vielzahl von Pulserzeugungszyklen belastet.
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Es
versteht sich, daß die
vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnung,
die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbart, noch näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Lasers.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt der Laser 1 zur
Erzeugung gepulster Laserstrahlung, die durch die Pfeile P1 und
P2 angedeutet ist, eine Impuls-Laserdiode 2, deren Kathode
mit einem Hochspannungs-Kondensator 3 verbunden ist.
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Der
Kondensator 3 ist seinerseits mit den Kollektoren von vier
Avalanche-Transistoren T1–T4 verbunden.
Die Emitter der vier Transistoren T1–T4 sind über einen Entladewiederstand 4 mit
der Anode der Laserdiode 2 verbunden.
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Der
Laser 1 umfaßt
ferner ein Lademodul 5 zum Laden des Kondensators. Das
Lademodul 5 kann beispielsweise einen Einimpuls-Sperrwandler zum
Laden des Hochspannungs-Kondensators 3 enthalten.
Des weiteren enthält
der Laser 1 eine Steuereinheit 6, die einerseits
mit dem Lademodul 5 und andererseits mit den Basis-Anschlüssen der
vier Avalanche-Transistoren
T1–T4
verbunden ist. Bei diesem Schaltungsaufbau sind die vier Transistoren T1–T4 zwischen
dem Kondensator 3 und dem Entladewiederstand 4 und
somit der Laserdiode 2 zueinander parallel geschaltet.
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Im
Betrieb des Lasers 1 werden unter Steuerung der Steuereinheit 6 mehrere
Pulserzeugungszyklen (mit einer Wiederholrate von bis zu 10 kHz) durchgeführt, in
denen jeweils zuerst das Lademodul 5 den Hochspannungskondensator 3 auf
230 V auflädt
und danach nur einen der Transistoren T1–T4 auswählt und nur diesen ausgewählten Transistor T1–T4 aktiviert
bzw. leitend schaltet, so daß der
Kondensator 3 über
die Laserdiode 2 entladen wird. Aufgrund des hohen Entladestromes
der durch die Laserdiode 2 fließt (bis zu 50 A) wird ein Laserimpuls mit
einer Pulslänge
von etwa 3–6
ns und einer Lichtleistung von 50 W sowie mit einer Wiederholrate
von bis zu 100 kHz oder sogar noch größer erzeugt.
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Die
Steuereinheit 6 führt
die Pulserzeugungszyklen so durch, daß in zwei zeitlich aufeinanderfolgenden
Pulserzeugungszyklen nie derselbe Transistor zur Aktivierung ausgewählt wird.
In dem hier beschriebenen Beispiel werden die Transistoren T1–T4 der
Reihe nach ausgewählt
und somit aktiviert, wobei nach der Auswahl des Transistors T4 wieder
mit der Auswahl des Transistors T1 begonnen wird.
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Somit
werden die Transistoren lediglich mit der geteilten Frequenz der
Pulserzeugungszyklen nacheinander angesteuert, wobei der Teilerfaktor
der Anzahl der parallel geschalteten Transistoren T1–T4 entspricht.
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Damit
sinkt die thermische Belastung jedes Transistors proportional zur
Anzahl der parallel geschalteten Transistoren T1–T4, wobei dadurch jedoch die
Lebensdauer jedes einzelnen der Transistoren T1–T4 exponentiell steigt.
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Zur
Ansteuerung der Transistoren wird ein in der Steuereinheit 6 enthaltener
Teiler verwendet, der eine an den Laser 1 angelegte Pulswiederholungsfrequenz
durch die Anzahl der Transistoren teilt, so daß die gewünschte zeitsequentielle Ansteuerung der
Transistoren T1–T4
verwirklicht werden kann.
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Der
Teiler kann insbesondere als Gray-Code-Zähler ausgebildet sein, dessen
Ausgänge
jeweils einem der Transistoren T1–T4 zugeordnet sind. Nachdem
sich ein Gray-Code für
zwei benachbarte Zahlen jeweils nur um eine Ziffer, bei einem Binärcode also
um ein Bit unterscheiden, ist ein Gray-Code-Zähler im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit
von Vorteil, da dadurch sichergestellt ist, daß immer nur ein einziger der
Transistoren T1–T4
in einem Pulserzeugungszyklus leitend geschaltet wird. Somit kann
sichergestellt werden, daß EMV-Störungen nicht
dazu führen,
daß mehrere
der Transistoren T1–T4
gleichzeitig eingeschaltet oder daß einer der Transistoren T1–T4 übersprungen wird.
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Der
Laser 1 kann so weitergebildet sein, daß die Nummer des gerade aktiven
Avalanche-Transistors
T1–T4
ausgegeben wird. Dabei kann z. B. immer die Nummer des gerade aktivierten
Transistors T1–T4
ausgegeben werden. Es ist auch möglich,
lediglich einen abgeschlossenen Umlauf des Zählers (also wenn ein vorbestimmter
Transistor aktiviert wurde, hier z. B. der vierte Transistor T4)
zu signalisieren.
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Die
Steuereinheit 6 kann auch einen Zufallsgenerator (nicht
gezeigt) enthalten, der dafür
sorgt, daß die
Transistoren T1–T4
trotz eventueller zufälliger
EMV-Störungen
gleichmäßig belastet
werden. Der Teilerfaktor entspricht der Anzahl der Transistoren
und ist aber ein Mittelwert über
eine große
Zeitspanne.
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Bei
dieser Ausgestaltung kann es zwar vorkommen, daß derselbe Transistor T1–T4 nacheinander
mehrfach ausgewählt
und aktiviert wird. Im Mittel aber wird jeder Transistor T1–T4 mit
der gleichen Anzahl von Aktivierungen angesteuert, wodurch die Lebensdauer
jedes der Transistoren T1–T4
exponentiell ansteigt.
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Da
bei der Variante mit dem Zufallsgenerator keine bestimmte Reihenfolge
der Ansteuerung der Transistoren T1–T4 vorgegeben ist, ist der
Laser 1 bevorzugt so ausgebildet, daß die Nummer des gerade aktivierten
Avalanche-Transistors T1–T4
ausgegeben wird.
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Die
parallel geschalteten Transistoren T1–T4 und ihre Verbindungsleitungen
zur Laserdiode werden in der Praxis kaum völlig identisch auszubilden sein.
Dadurch entstehen mehrere geometrische (beispielsweise um einige
mm) verschiedene Entladekreise mit eigenen parasitären Elementen,
die jeweils im Sub-Nanosekundenbereich unterschiedliche Laserimpulsformen
generieren. Da bei der Impulslaufzeitmessung die Zeitdifferenz zwischen
einem Laserimpuls des Lasers 1 und dem zugehörigen Refleximpuls
herangezogen wird, kommt es bei verschiedenen Entladekreisen zu
im mm-Bereich unterschiedlichen Distanzergebnissen, in Abhängigkeit
des gerade aktivierten Transistors T1–T4.
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In
diesem Fall ist es möglich,
jeden Entladekreis zu kalibrieren. So kann mit einer Distanzmessung
einer bekannten Distanz z. B. ein Korrekturwert für jeden
Transistor T1–T4
ermittelt werden. Wenn der Laser 1 den gerade verwendeten
Transistor signalisiert, kann daher bei einer Distanzmessung dieser
systematische Fehler des jeweiligen Entladekreises berücksichtigt
werden, so daß hochgenaue
Distanzmessungen möglich
sind.
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Der
erfindungsgemäße Laser
kann, wie bereits beschrieben, für
Distanzmessungen eingesetzt werden. Insbesondere können Distanzmessungen zur
Bestimmung von Geschwindigkeiten von sich bewegenden Objekten, wie
z. B. Fahrzeugen, genutzt werden. Dazu kann ferner ein Meßsystem
zur Messung der Refleximpulse samt zugehörigem Steuer- und Auswertemodul
vorgesehen sein, das dann auch die Korrekturwerte für jeden
Entladekreis bei der Auswertung berücksichtigten kann, wenn dies
z. B. wegen der Meßgenauigkeit
gewünscht
ist. Somit kann zusammen mit dem erfindungsgemäßen Laser 1 eine Distanzmeßvorrichtung
und/oder eine Geschwindigkeitsmeßvorrichtung bereitgestellt
werden. Eine solche Distanz-/Geschwindigkeitsmeßvorrichtung
kann weitere, dem Fachmann bekannte Elemente aufweisen, die zum
Betrieb der Vorrichtung notwendig sind.