DE102013202289B4 - Verfahren und Anordnung zur Ansteuerung einer wellenlängendurchstimmbaren Laserdiode in einem Spektrometer - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Ansteuerung einer wellenlängendurchstimmbaren Laserdiode in einem Spektrometer Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Ansteuerung einer wellenlängendurchstimmbaren Laserdiode (3) in einem Spektrometer, wobei eine Leistung-Zeit-Funktion (11) vorgegeben wird, entsprechend der die Laserdiode (3) periodisch über einen Wellenlängenbereich durchgestimmt wird, indem aus der Leistung-Zeit-Funktion (11) und von der Laserdiode (3) abgenommenen Messwerten ein Stromverlauf (i) ermittelt wird, mit dem die Laserdiode (3) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte von der an der Laserdiode (3) anliegenden Spannung (u) aufgenommen werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ansteuerung einer wellenlängendurchstimmbaren Laserdiode in einem Spektrometer, wobei eine Leistung-Zeit-Funktion vorgegeben wird, entsprechend der die Laserdiode periodisch über einen Wellenlängenbereich durchgestimmt wird, indem aus der Leistung-Zeit-Funktion und von der Laserdiode abgenommenen Messwerten ein Stromverlauf ermittelt wird, mit dem die Laserdiode angesteuert wird.
  • Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Anordnung sind aus der DE 41 10 095 A1 bekannt. Dort werden die Messwerte von einer Monitordiode geliefert, die die Strahlungsleistung der Laserdiode erfasst. Im Ergebnis wird die optische Leistung-Strom-Kennlinie linearisiert und dadurch der Offset verringert.
  • In der Laserabsorptionsspektroskopie wird ein Messgas mit dem Licht einer wellenlängendurchstimmbaren Laserdiode durchstrahlt und die Konzentration einer interessierenden Gaskomponente des Messgases anhand der durch die Absorption des Lichts an der Stelle einer ausgewählten Absorptionslinie der Gaskomponente hervorgerufenen Minderung der Lichtintensität bestimmt ( DE 10 2011 079 342 B3 ). Dabei wird die Laserdiode periodisch entsprechend einer vorgegebenen Strom-Zeit-Funktion, z. B. einer Stromrampe, angesteuert, um die Absorptionslinie der Gaskomponente wellenlängenabhängig abzutasten. Neben dem Strom bestimmt auch die Temperatur der Laserdiode in starkem Maße die Intensität und Wellenlänge des erzeugten Lichts, weswegen die Laserdiode auf einer Wärmesenke montiert wird, deren Temperatur geregelt wird. Aufgrund von Alterung der Laserdiode sinkt die optische Leistung und ändert sich die Wellenlänge des erzeugten Lichts, so dass weitere Maßnahmen zur Wellenlängenstabilisierung erforderlich sind. Dazu wird z. B. die Laserdiode in jeder Ansteuerungsperiode mit zwei unterschiedlichen aufeinanderfolgenden Strom-Zeit-Funktionen angesteuert, um neben der Absorptionslinie der zu messenden Gaskomponente auch eine Absorptionslinie eines Referenzgases abzutasten. Die Temperatur der Laserdiode bzw. der Wärmesenke wird dann über die Position der Absorptionslinie des Referenzgases derart geregelt, dass sich die Absorptionslinie immer an derselben Stelle, vorzugsweise der Mitte der betreffenden Strom-Zeit-Funktion befindet. Da der Wellenlängenabstand der Absorptionslinie bekannt ist, liegt auch die Absorptionslinie der zu messenden Gaskomponente immer an derselben Stelle der sie abtastenden Strom-Zeit-Funktion.
  • Bei den üblicherweise verwendeten Typen Laserdioden VCSEL (vertical cavity surface-emitting laser) und DFB-Laser (distributed feedback laser) ist das frequenzbestimmende Bauteil ein Bragg-Reflektor. Dieser besteht aus einer Folge von dünnen Schichten mit abwechselndem Brechungsindex. An jeder Grenzfläche wird ein Teil des einfallenden Lichtes reflektiert, wobei sich die reflektierten Strahlen bei einer Wellenlänge, die einem Viertel der optischen Dicke der Schichten entspricht, konstruktiv überlagern. Im Bereich um diese Zentralwellenlänge ist die Reflexion sehr hoch und nimmt für größere und kleinere Wellenlängen stark ab. Die Abmessungen des Bragg-Reflektors können durch Änderung der Temperatur verändert werden, wobei die Wellenlänge mit steigender Temperatur zunimmt. Die Temperatur des Bragg-Reflektors wird durch die Verlustleistung der Laserdiode und die Temperatur der Wärmesenke bestimmt. Die Verlustleistung der Laserdiode ist wiederum von ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik abhängig, die durch Bauelementeparameter, wie Schleusenspannung und Bahnwiderstand, beschrieben werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Wellenlängenstabilisierung ohne Referenzgas zu ermöglichen.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem Verfahren der eingangs angegebenen Art die Messwerte von der an der Laserdiode anliegenden Spannung aufgenommen werden.
  • Die der Laserdiode zum wellenlängenabhängigen Abtasten der interessierenden Absorptionslinie als Funktion über die Zeit zugeführte Leistung ist vorgegeben und damit vom Alterungszustand der Laserdiode unabhängig. Dadurch sind aber auch die Verlustleistung und die daraus resultierende Wärmeentwicklung in der Laserdiode und somit ihre Temperatur von dem Alterungszustand der Laserdiode unabhängig. Zwar nehmen der Wirkungsgrad der Laserdiode und damit die optische Leistung ab, jedoch ist die optische Leistung im Vergleich zu der zugeführten Leistung und Verlustleistung vernachlässigbar gering, so dass die zugeführte Leistung und Verlustleistung gleichgesetzt werden können.
  • Entsprechend einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stromverlauf, mit dem die Laserdiode unmittelbar angesteuert wird, von einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit von der Regelabweichung zwischen der Leistungsaufnahme (Ist-Größe) der Laserdiode und der vorgegebenen Leistung-Zeit-Funktion (Soll-Größe) erzeugt, wobei die an der Laserdiode anliegende Spannung und der Strom durch die Laserdiode kontinuierlich erfasst, z. B. gemessen, werden und durch Multiplikation der gemessenen Strom- und Spannungswerte laufend die Leistungsaufnahme der Laserdiode ermittelt wird.
  • Eine zur Durchführung dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anordnung weist dementsprechend Mittel zum kontinuierlichen Erfassen der an der Laserdiode anliegenden Spannung und des Stromes durch die Laserdiode, Mittel zur laufenden Ermittlung der Leistungsaufnahme der Laserdiode durch Multiplizieren der gemessenen Strom- und Spannungswerte und eine Regeleinrichtung auf, die in Abhängigkeit von der Regelabweichung zwischen der Leistungsaufnahme der Laserdiode als Ist-Größe und einer vorgegebenen Leistung-Zeit-Funktion als Soll-Größe einen Strom zur Ansteuerung der Laserdiode erzeugt. Die Regeleinrichtung kann z. B. einen Regler und eine von ihm gesteuerte Stromquelle enthalten, an der die Laserdiode angeschlossen ist. In diesem Fall ist eine Messung des Stromes durch die Laserdiode nicht erforderlich, weil anstelle von Strommesswerten die von dem Regler für die Stromquelle erzeugte Steuergröße verwendet werden kann.
  • Die erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei schneller Abtastung bzw. schneller Leistung-Zeit-Funktion vorzugsweise in Hardware realisiert.
  • Bei einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Rechenmodell verwendet, das die Strom-Spannungs-Charakteristik der Laserdiode in Abhängigkeit von vorgegebenen Bauelementeparametern der Laserdiode beschreibt. Die an der Laserdiode anliegende Spannung und der Strom durch die Laserdiode werden regelmäßig zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt, um die Bauelementeparameter jedes Mal neu zu berechnen. Der Stromverlauf, mit dem die Laserdiode angesteuert wird, wird mittels des Rechenmodells bzw. der modellierten Strom-Spannungs-Charakteristik aus der vorgegebenen Leistung-Zeit-Funktion ermittelt.
  • Eine zur Durchführung dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anordnung weist dementsprechend Mittel zum regelmäßigen Erfassen der an der Laserdiode anliegenden Spannung und des Stromes durch die Laserdiode zu verschiedenen Zeitpunkten sowie eine Recheneinrichtung auf, in der ein Rechenmodell hinterlegt ist, das die Strom-Spannungs-Charakteristik der Laserdiode in Abhängigkeit von vorgegebenen Bauelementeparametern der Laserdiode beschreibt und dazu ausgebildet ist, die Bauelementeparameter anhand der ermittelten Strom- und Spannungswerte neu zu berechnen und aus einer vorgegebenen Leistung-Zeit-Funktion einen Stromverlauf zu ermitteln und weist weiterhin eine steuerbare Stromquelle zur Ansteuerung der Laserdiode entsprechend dem ermittelten Stromverlauf auf.
  • Es braucht nur die Spannung an der Laserdiode gemessen zu werden, weil der Strom durch die Laserdiode berechnet wird und daher bekannt ist. Im Unterschied zur ersten Variante, bei der der Strom und die Spannung kontinuierlich gemessen werden, werden bei der zweiten Variante die Strom- und Spannungswerte lediglich zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt. Die Anzahl der Zeitpunkte, d. h. die Anzahl der benötigten Strom- und Spannungswertepaare, ist von der Anzahl der Bauelementeparameter (Modellparameter) der von dem Rechenmodell modellierten Strom-Spannungs-Charakteristik der Laserdiode abhängig. Die zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann daher auch bei schneller Abtastung bzw. schneller Leistung-Zeit-Funktion in Software realisiert werden.
  • Die Zeitpunkte, an denen die an der Laserdiode anliegende Spannung und der Strom durch die Laserdiode ermittelt werden, liegen vorzugsweise außerhalb des Zeitintervalls der Leistung-Zeit-Funktion, wobei die Laserdiode zu den verschiedenen Zeitpunkten mit unterschiedlichen Strömen, vorzugsweise in Form von Burstsignalen unterschiedlicher Höhe, angesteuert und dabei die Spannung über der Laserdiode gemessen wird.
  • Im Weiteren wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert; im Einzelnen zeigen
  • 1 ein Laserspektrometer mit einem ersten Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zur Ansteuerung einer wellenlängendurchstimmbaren Laserdiode und
  • 2 das Laserspektrometer mit einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Anordnung zur Ansteuerung der Laserdiode.
  • 1 zeigt ein Laserspektrometer zur Messung der Konzentration mindestens einer interessierenden Gaskomponente eines Messgases 1, das in einem Messvolumen 2, beispielsweise einer Messküvette oder einer Prozessgasleitung, enthalten ist. Das Spektrometer enthält eine Laserdiode 3, deren Licht 4 durch das Messgas 1 auf einen Detektor 5 fällt. Die Laserdiode 3 ist auf einer temperaturgeregelten Wärmesenke 6 montiert und wird von einer Stromquelle 7 mit einem sich periodisch ändernden Strom (Injektionsstrom) i angesteuert. Die Intensität und Wellenlänge des erzeugten Lichts 4 sind von dem Strom i und der Betriebstemperatur der Laserdiode 3 abhängig. Entsprechend der Ansteuerung der Laserdiode 3 mit dem sich periodisch ändernden Strom i wird eine ausgewählte Absorptionslinie der interessierenden Gaskomponente periodisch wellenlängenabhängig abgetastet. In einer Auswerteeinrichtung 8 wird aus der detektierten Absorption an der Stelle der Absorptionslinie die Konzentration der interessierenden Gaskomponente bestimmt und als Messergebnis 9 ausgegeben.
  • Ein Funktionsgeber 10 gibt eine vorzugsweise rampen- oder dreieckförmige Leistung-Zeit-Funktion 11 vor, entsprechend der die Laserdiode 3 periodisch über einen Wellenlängenbereich zur Abtastung der Absorptionslinie durchgestimmt werden soll. Der durch die Laserdiode 3 fließende Strom i und die an der Laserdiode 3 anliegende Spannung u werden mit geeigneten Messaufnehmern 12, 13 kontinuierlich gemessen und einem Multiplizierer 14 zugeführt, um laufend die aktuelle Leistungsaufnahme 15 der Laserdiode 3 zu ermitteln. Die Leistung-Zeit-Funktion 11 und die gemessene Leistungsaufnahme 15 werden als Soll- bzw. Ist-Größe einer Regeleinrichtung 16 zugeführt, die einen Subtrahierer 17 zur Bestimmung der Regelabweichung zwischen der Soll- und Ist-Größe, einen Regler 18, z. B: PID-Regler, und die Stromquelle 7 enthält und in Abhängigkeit von der Regelabweichung den Strom i zur Ansteuerung der Laserdiode 3 erzeugt.
  • Wie durch die gestrichelte Linie 19 angedeutet ist, kann anstelle des gemessenen Stromes i die von dem Regler 18 für die Stromquelle 7 erzeugte Steuergröße verwendet werden, um zusammen mit der gemessenen Spannung u die aktuelle Leistungsaufnahme 15 der Laserdiode 3 zu bestimmen. Der Strom i muss also nicht gemessen werden.
  • 2 zeigt ein Laserspektrometer, das sich in der Ansteuerung der Laserdiode 3 von dem Beispiel nach 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle der Regeleinrichtung 16 ein in einer Recheneinrichtung 20 hinterlegtes Rechenmodell vorhanden ist, das die Strom-Spannungs-Charakteristik 21 der Laserdiode 3 in Abhängigkeit von vorgegebenen Bauelementeparametern (Modellparametern) der Laserdiode 3 modelliert, die Bauelementeparameter anhand aktueller Strom- und Spannungswerte neu berechnet und aus der vorgegebenen Leistung-Zeit-Funktion 11 den Stromverlauf i zur Ansteuerung der Laserdiode 3 ermittelt. Die Strom-Spannungs-Charakteristik 21 kann vereinfacht wie folgt beschrieben werden: u = US + RB·i, wobei US die Schleusenspannung und RB den Bahnwiderstand der Laserdiode 3 bezeichnen. Für die der Laserdiode 3 zugeführte Leistung PL gilt dann: PL = (US + RB·i)·i
  • Da die optische Leistung gegenüber PL vernachlässigbar gering ist, entspricht PL auch der Verlustleistung der Laserdiode 3.
  • Die beiden Bauelementeparameter US und RB können anhand von zwei Messungen des Stromes I1, I2 und der Spannung U1, U2 ermittelt werden: U1 = US + RB·I1 U2 = US + RB·I2
  • Mit den so ermittelten und regelmäßig, z. B. jede n-te Periode aktualisierten Bauelementeparametern US und RB wird der Strom i zur Ansteuerung der Laserdiode 3 wie folgt ermittelt:
    Figure DE102013202289B4_0002
  • Zur Messung des Stromes I1, I2 und der Spannung U1, U2 kann der Funktionsgeber 10 zu verschiedenen Zeitpunkten, z. B. vor und nach jeder n-ten Leistung-Zeit-Funktion 11, zwei Burstsignale 22, 23 unterschiedlicher Höhe erzeugen.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Ansteuerung einer wellenlängendurchstimmbaren Laserdiode (3) in einem Spektrometer, wobei eine Leistung-Zeit-Funktion (11) vorgegeben wird, entsprechend der die Laserdiode (3) periodisch über einen Wellenlängenbereich durchgestimmt wird, indem aus der Leistung-Zeit-Funktion (11) und von der Laserdiode (3) abgenommenen Messwerten ein Stromverlauf (i) ermittelt wird, mit dem die Laserdiode (3) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte von der an der Laserdiode (3) anliegenden Spannung (u) aufgenommen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromverlauf (i) von einer Regeleinrichtung (16) in Abhängigkeit von der Regelabweichung zwischen der Leistungsaufnahme (15) der Laserdiode (3) als Ist-Größe und der vorgegebenen Leistung-Zeit-Funktion (11) als Soll-Größe erzeugt wird, wobei die an der Laserdiode (3) anliegende Spannung (u) und der Strom (i) durch die Laserdiode (3) kontinuierlich erfasst werden und durch Multiplikation der gemessenen Strom- und Spannungswerte laufend die Leistungsaufnahme (15) der Laserdiode (3) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rechenmodell (20) verwendet wird, das die Strom-Spannungs-Charakteristik (21) der Laserdiode (3) in Abhängigkeit von vorgegebenen Bauelementeparametern der Laserdiode (3) beschreibt, dass regelmäßig die an der Laserdiode (3) anliegende Spannung (u) und der Strom (i) durch die Laserdiode (3) zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt und die Bauelementeparameter anhand der ermittelten Strom- und Spannungswerte neu berechnet werden und dass der Stromverlauf (i), mit dem die Laserdiode (3) angesteuert wird, mittels des Rechenmodells (20) aus der Leistung-Zeit-Funktion (11) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitpunkte, an denen die an der Laserdiode (3) anliegende Spannung (u) und der Strom (i) durch die Laserdiode (3) ermittelt werden, außerhalb des Zeitintervalls der Leistung-Zeit-Funktion (11) liegen und dass die Laserdiode (3) zu den verschiedenen Zeitpunkten mit unterschiedlichen Strömen gespeist und dabei die Spannung über der Laserdiode (3) gemessen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Ströme in Form von Burstsignalen (22, 23) unterschiedlicher Höhe erzeugt werden.
  6. Anordnung zur Ansteuerung einer wellenlängendurchstimmbaren Laserdiode (3) nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 mit Mitteln (12, 13) zum kontinuierlichen Erfassen der an der Laserdiode (3) anliegenden Spannung (u) und des Stromes (i) durch die Laserdiode (3), Mitteln (14) zur laufenden Ermittlung der Leistungsaufnahme (15) der Laserdiode (3) durch Multiplizieren der gemessenen Strom- und Spannungswerte und einer Regeleinrichtung (16), die in Abhängigkeit von der Regelabweichung zwischen der Leistungsaufnahme (15) der Laserdiode (3) als Ist-Größe und einer vorgegebenen Leistung-Zeit-Funktion (11) als Soll-Größe den Strom (i) zur Ansteuerung der Laserdiode (3) erzeugt.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (16) einen Regler (18) und eine von ihm gesteuerte Stromquelle (7) enthält.
  8. Anordnung zur Ansteuerung einer wellenlängendurchstimmbaren Laserdiode (3) nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, 3, 4 oder 5, mit Mitteln (13) zum regelmäßigen Erfassen der an der Laserdiode (3) anliegenden Spannung (u) und des Stromes (i) durch die Laserdiode (3) zu verschiedenen Zeitpunkten, mit einer Recheneinrichtung (20), in der ein Rechenmodell hinterlegt ist, das die Strom-Spannungs-Charakteristik (21) der Laserdiode (3) in Abhängigkeit von vorgegebenen Bauelementeparametern der Laserdiode (3) beschreibt und dazu ausgebildet ist, die Bauelementeparameter anhand der ermittelten Strom- und Spannungswerte neu zu berechnen und aus einer vorgegebenen Leistung-Zeit-Funktion (11) einen Stromverlauf (i) zu ermitteln, und mit einer steuerbaren Stromquelle (7) zur Ansteuerung der Laserdiode (3) entsprechend dem ermittelten Stromverlauf (i).
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