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Hintergrund der Erfindung
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Viele Messungen von Interesse beinhalten das Messen der Antwort einer Probe auf einen Lichtstrahl einer bekannten Wellenlänge in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die Lichtquelle für viele dieser Messungen ist ein abstimmbarer Laser (tunable laser). Viele Messungen erfordern jedoch einen Abstimmungsbereich, der über das hinausgeht, was mit einem einzelnen Verstärkerchip im Laser erreicht werden kann. Es wurden im Stand der Technik bereits Lösungen für den begrenzten Abstimmungsbereich vorgeschlagen. Eine Lösungsklasse erweitert den Verstärkungsbereich des Verstärkerabschnitts vom Laser, indem mehrere Verstärkerchips eingesetzt werden, die das Licht in Reihe verarbeiten, wobei jeder Verstärkerchip eine Verstärkung in einem entsprechenden Wellenlängenband bietet. Diese Lösungen haben das Problem, dass der nicht aktive Verstärkerchip Licht absorbiert, das von einem anderen Chip verstärkt wird.
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Andere Lösungen verwenden Verstärkerchips, die mehrere aktive Schichten haben, wobei jede aktive Schicht eine Verstärkung in einem anderen Spektralbereich bietet. Diese Lösungen haben Probleme damit, dass mehrere aktive Schichten gleichzeitig eine Verstärkung liefern.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lasermodul, das eine Vielzahl von Teillasern umfasst, wobei jeder der Vielzahl von Teillasern gekennzeichnet ist durch einen Verstärkerchip, eine Beugungsgitterstruktur, einen Drehpunkt, und einen Ausgangslaserstrahl, der sich in einer Ausgangsstrahlrichtung bewegt. Eine Antriebswelle ist mit jedem der Drehpunkte gekoppelt und ausgestaltet, jede der Beugungsgitterstrukturen um den Drehpunkt zu rotieren, der diesem Teillaser zugeordnet ist. Das Lasermodul umfasst eine Vielzahl von Reflektoren, wobei jeder der Vielzahl von Reflektoren so positioniert ist, dass er den Ausgangslaserstrahl von einem der Vielzahl von Teillasern empfängt und diesen Ausgangslaserstrahl entlang eines Ausgangswegs lenkt, der für die Strahlen aller Teillaser gleich ist. Eine Steuerung steuert einen Drehwinkel der Antriebswelle.
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In einem Aspekt der Erfindung sind die Beugungsgitterstrukturen der Vielzahl der Teillaser so angeordnet, dass nicht mehr als einer der Vielzahl von Teillasern für jeden gegebenen Rotationswinkel der Antriebswelle lasert/Laserstrahlen aussendet.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst einer der Vielzahl von Reflektoren einen teilreflektierenden Spiegel.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst einer der Vielzahl von Reflektoren einen dichroitischen Reflektor, der von einem der entsprechenden der Vielzahl von Teillasem erzeugtes Licht reflektiert und von einem anderen der Vielzahl von Teillasern erzeugtes Licht durchlässt.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung rotiert einer der Vielzahl von Reflektoren so um eine Achse des Reflektors, dass dieser eine der Vielzahl von Reflektoren das Licht entlang des Ausgangswegs nicht blockiert, wobei die Rotation durch die Steuerung gesteuert wird.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst einer der Vielzahl von Teillasern ein erstes und ein zweites Beugungsgitter mit unterschiedlichen Gitterabständen, die so angeordnet sind, dass für jede gegebene Rotation der Beugungsgitterstruktur um den Drehpunkt höchstens eines der Beugungsgitter Licht von dem Verstärkerchip in dem Teillaser reflektiert.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht einen Teillaser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform von einem Lasermodul gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 3 ist eine Seitenansicht eines Lasermoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 veranschaulicht einen Teillaser mit zwei Gittern.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung adressiert die oben beschriebenen Probleme, indem sie ein Lasermodul bereitstellt, das aus einer Vielzahl von Teillasem gebildet wird, die gemeinsam abgestimmt werden. Es wird nun auf 1 Bezug genommen, die einen Teillaser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Teillaser 10 enthält einen Verstärkerchip 11 und ein Gitter 16, das einen wellenlängenselektiven Filter für das vom Verstärkerchip 11 verstärkte Licht bereitstellt. Der Verstärkerchip 11 hat eine reflektierende Beschichtung an einem Ende 12 und eine anti-reflektierende Beschichtung am Ende 13. Das Licht vom Verstärkerchip 11 wird durch eine Linse 14 zu einem Strahl 15 aufgeweitet und trifft auf das Beugungsgitter 16. Das Licht, das zurück zum Verstärkerchip 11 gebeugt wird, liegt in einem schmalen Wellenlängenband, das durch den Winkel zwischen dem Gradienten und dem Strahl 15 bestimmt wird. Licht, das von dem Gitter in einen Strahl 17 reflektiert wird, wird von einem Spiegel 18 reflektiert, der im rechten Winkel zum Gitter 16 steht. Das vom Spiegel 18 reflektierte Licht wird entlang eines Weges 19 zu einem Reflektor 12 geleitet, der dieses Licht in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Zeichnung reflektiert.
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Das Gitter 12 und der Spiegel 18 sind strukturell so verbunden, dass sie sich gemeinsam um eine Achse 21 bewegen, die senkrecht zur Ebene der Zeichnung liegt. Der Teillaser 10 wird durch Drehen des Gitters 16 und des Spiegels 18 um die Achse 21 abgestimmt. Es gibt einen Winkelbereich für das Gitter 16, in dem der Teillaser 10 Laserstrahlen aussendet. Wenn das Gitter 16 aus diesem Bereich herausgedreht wird, hört der Teillaser 10 auf zu lasern.
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Um die folgende Diskussion zu vereinfachen, wird ein Teillaser definiert als ein Laser mit einem Verstärkerchip und einem Beugungsgitter, bei dem das Beugungsgitter in einer Gitterstruktur montiert ist, die einen ebenen Spiegel enthält, der rechtwinklig zur Ebene des Beugungsgitters so montiert ist, dass das Beugungsgitter und der ebene Spiegel relativ zueinander fixiert sind und gemeinsam um einen Drehpunkt rotieren, sodass das vom Beugungsgitter zum Verstärkerchip zurückreflektierte Licht eine Wellenlänge hat, die vom Winkel zwischen der Ebene des Beugungsgitters und dem Weg vom Verstärkerchip zu dem Beugungsgitter abhängt, und Licht, das vom ebenen Spiegel reflektiert wird, den Ausgangslichtstrahl des Teillasers bildet.
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Es wird nun auf 2 Bezug genommen, die eine Seitenansicht einer Ausführungsform von einem Lasermodul 30 gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Die einzelnen Teillaser sind mit 31, 32 und 33 dargestellt. Die einzelnen Reflektoren, die zu den Teillasern 31-33 gehören, sind mit 25-27 dargestellt. In dem in der Figur gezeigten Beispiel lasert der Teillaser 33 und erzeugt einen Ausgangsstrahl 27A. Wenn jedes Lasermodul lasert, ist der entsprechende Ausgangsstrahl deckungsgleich mit dem Strahl 27A. Der Drehwinkel des Gitters von jedem der Teillaser wird von einem Motor 29 gesteuert, der unter der Kontrolle einer Steuerung 35 steht, welche den Winkel des Gitters so einstellt, dass er der Wellenlängen entspricht, die von einem Benutzer durch Einstellen des Drehwinkels der Welle 28 vorgegeben werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Winkel der Gitter im Teillaser so eingestellt, dass für jeden gegebenen Drehwinkel der Welle 28 nur ein Gitter zum Lasern positioniert ist. Die einzelnen Verstärkerchips und Startpositionen der Gitter sind so gewählt, dass die Ausgangswellenlänge kontinuierlich mit dem Drehwinkel der Welle 28 variiert.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform werden die Winkel der Gradienten in den Teillasern und die Verstärkerchips so gewählt, dass zwei der Teillaser überlappende Betriebsbereiche haben. Wenn sich der Winkel der Welle ändert, beginnt ein erster Teillaser am Anfang seines Arbeitsbereiches mit einer Wellenlänge zu lasern, die auch von einem zweiten Teillaser am Ende des Arbeitsbereiches des zweiten Teillasers bereitgestellt wird.
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In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Ausgangsstrahl von jedem Teillaser durch einen Reflektor, der Teil dieses Teillasers ist, auf einen gemeinsamen Weg gelenkt, und daher erscheint es so, als ob die Ausgabe des Lasermoduls von einem einzelnen Laser kommt. Zum Beispiel muss der Reflektor 26 das vom Teillaser 31 erzeugte Licht durchlassen. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Reflektoren entweder teilreflektierende Spiegel oder dichroitische Reflektoren.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform sind die Spiegel so klappbar, dass jeder Spiegel in die richtige Position klappt, wenn das Gitter seines Teillasers zum Lasern positioniert ist, und er aus dem Weg klappt, wenn das Lasermodul nicht mehr lasert. Es wird nun auf 3 Bezug genommen, die eine Seitenansicht von einem Lasermodul 40 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Lasermodul 40 unterscheidet sich vom Lasermodul 30, das in 2 gezeigt ist, dadurch, dass die Reflektoren 25-27 durch bewegliche Reflektoren 45-47 ersetzt wurden. Jeder bewegliche Reflektor schwenkt um eine Achse 49 zwischen einer vertikalen Position, in welcher der Reflektor kein Licht vom einem Teillaser über ihm im Stapel abfängt, und einer 45-Grad-Ausrichtung, in welcher der Reflektor das Licht vom entsprechenden Teillaser reflektiert und das Licht nach unten lenkt. Der Reflektor 45 des Teillasers 41 ist in der 45-Grad-Ausrichtung, während sich die Reflektoren 46 und 47 der Teillaser 42 bzw. 43 in der vertikalen Position befinden. Der Drehwinkel der Welle 28 oder die Steuerung 35 kann kontrollieren, welcher Reflektor so positioniert ist, dass er Licht von seinem entsprechenden Teillaser ablenkt. In dieser Konfiguration kann ein voll reflektierender Spiegel als Reflektor verwendet werden, vorausgesetzt, dass jeweils nur einer der Teillaser gleichzeitig im Betrieb ist.
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In den oben beschriebenen Ausführungsformen hat nur jeweils einer der Teillaser gelasert. Es können aber auch Ausführungsformen konstruiert werden, in denen zwei oder mehr Laser gleichzeitig Licht erzeugen. Solche Lichtquellen können Licht mit mehreren Wellenlängen liefern, die bei Raman-Streuung oder anderen spektralen Messungen verwendet werden könnte.
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In Ausführungsformen, in denen nicht alle Laser gleichzeitig Licht erzeugen, kann es gleichwohl vorteilhaft sein, die Verstärkerchips in den Lasern, die nicht lasern, mit Strom zu versorgen. Dadurch wird die Temperatur aller Verstärkerchips auf ihrer Betriebstemperatur gehalten und somit werden Verschiebungen der Wellenlängen vermieden, die aufgrund der Temperaturänderung des Verstärkerchips bei seiner Erwärmung auftreten.
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Für einige Anwendungen kann es vorteilhaft sein, Laser mit unterschiedlichen Gitterabständen auch für den gleichen Verstärkerchip bereitzustellen. Durch die Änderung des Gitterabstandes wird die Breite der vom Laser erzeugten Spektrallinie verändert. Wenn also ein abstimmbarer Laser mit einer anderen Spektralbreite für eine bestimmte Anwendung gewünscht wird, kann ein Teillaser mit einem anderen Gitterabstand verwendet werden. In einer Ausführungsform ist der Gitterabstand für die verschiedenen Teillaser unterschiedlich. In solch einer Ausführungsform können zwei Teillaser mit demselben Verstärkerchip, aber mit unterschiedlichen Gitterabständen verwendet werden. Dies erfordert jedoch einen zusätzlichen Teillaser. Alternativ kann auch ein einzelner Teillaser mit mehreren Gittern vorgesehen werden.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform enthält jeder Teillaser ein einzelnes Gitter und der entsprechende Reflektor ist in einem Winkel von 90° zu der Ebene des Gitters montiert. Es können jedoch auch Ausführungsformen konstruiert werden, bei denen mehrere Gitter in einem Teillaser verwendet werden. Es wird nun auf 4 Bezug genommen, die einen Teillaser mit zwei Gittern zeigt. In diesem Beispiel ist ein zweites Gitter 88 rechtwinklig zu der Ebene des Gitters 16 angebracht, das in 1 gezeigt ist. Die Rückseite des Gitters 16 dient als Reflektor für das Gitter 88. Das Gitter 88 wird in den optischen Strahlengang eingebracht, in dem die Gitterstruktur um die Achse 21 in analoger Weise gedreht wird, wie es oben beschrieben wird.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen hatten eine bestimmte Anzahl von Teillasern, nämlich drei. Es ist jedoch zu verstehen, dass die Anzahl der Teillaser nicht auf drei zu beschränken ist.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden bereitgestellt, um die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen. Es ist jedoch zu verstehen, dass verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung, die in verschiedenen spezifischen Ausführungsformen gezeigt sind, miteinander kombiniert werden können, um andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Darüber hinaus werden verschiedene Modifikationen der vorliegenden Erfindung aus der vorausgehenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung nur durch den Umfang der folgenden Ansprüche zu begrenzen.
