DE19503611A1 - Driver stage for pulsed semiconductor lasers - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treiberstufe für gepulste Halbleiterlaser, insbesondere für mit hoher Pulswiederholfrequenz gepulste Hochleistungs-Laserdioden.The present invention relates to a driver stage for pulsed semiconductor lasers, especially for those with high Pulse repetition frequency, pulsed high-power laser diodes.
Lasertreiber werden im wesentlichen unterteilt in Gaslaser, Festkörperlaser und Halbleiterlaser. Obwohl sie hohe Ausgangsleistungen liefern, sind Gas- und Festkörperlaser sperrig, schwer und teuer. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad dieser Laser sehr schlecht. Im Gegensatz dazu sind Halbleiterlaser kompakt, leicht, billig und ihr Wirkungsgrad ist wesentlich höher. Aufgrund dieser Vorteile haben Halbleiterlaser in den letzten Jahren immer breitere Verwendung gefunden.Laser drivers are essentially divided into gas lasers, Solid state lasers and semiconductor lasers. Although they are high Delivering output powers are gas and solid-state lasers bulky, heavy and expensive. In addition, the Efficiency of these lasers is very poor. In contrast to that Semiconductor lasers compact, light, cheap and their efficiency is much higher. Because of these benefits Semiconductor lasers have been used increasingly in recent years found.
Ein kritischer Parameter beim Betrieb einer Halbleiterlaserdiode ist der zugeführte Strom. Ein bestimmter Schwellwert des Stroms muß überschritten werden, bevor Laseraktivität einsetzt. Bei niedrigen, unterhalb dieses Schwellwertes liegenden Strömen wird kein Laserlicht ausgesendet und es tritt lediglich spontane, nicht-korrelierte Emission auf. Mit steigenden Stromwerten wird eine Schwelle überschritten, oberhalb der die angeregten Zustände im Lasermedium stärker besetzt sind als der Grundzustand. Bei dieser Besetzungsinversion tritt anstelle der spontanen Emission stimulierte Emission auf und Licht wird in Form von Laserlicht ausgesendet.A critical parameter when operating a Semiconductor laser diode is the current supplied. A certain one Current threshold must be exceeded before Laser activity begins. At low, below this Currents are no laser light sent out and only spontaneous, uncorrelated occurs Emission on. With increasing current values a threshold becomes exceeded, above which the excited states in Laser medium are more populated than the basic state. At this cast inversion takes the place of the spontaneous Emission stimulates emission on and light is in the form of Laser light emitted.
Unterhalb dieser Schwelle wird praktisch kein Laserlicht emittiert und der Emissionswirkungsgrad ist sehr niedrig. Wenn der Strom den Schwellwert aber überschritten hat, steigt die Leistung des emittierten Lichtes stark an.There is practically no laser light below this threshold emitted and the emission efficiency is very low. If but the current has exceeded the threshold, the increases Power of the emitted light strongly.
Moderene Hochleistungs-Halbleiterlaser bestehen nicht aus einer einzelnen Laserdiode, sondern weisen zahlreiche Laserdioden auf, die in einer Zeile oder einem matrixartigen Gitter (Array) angeordnet sind. Bei ihrer Herstellung werden eine große Anzahl Laserdioden auf einem einzelnen Substrat erzeugt. Die Ausgangsleistung des Lasers ist proportional zur Anzahl der Laserdioden auf dem Laserarray. Große Vorteile dieses Herstellungsverfahrens liegen in den geringen Herstellungskosten, der Möglichkeit zur Massenproduktion, der Miniaturisierung und der hohen Zuverlässigkeit. Nachteilig ist, wie im folgenden erläutert wird, der extrem niedrige Widerstand der Laserdiodenarrays in Durchlaßrichtung, der häufig deutlich geringer als 1 Ohm ist.Modern high-performance semiconductor lasers do not consist of one single laser diode, but have numerous laser diodes on that in a row or a matrix-like grid (Array) are arranged. In their manufacture, one large number of laser diodes produced on a single substrate. The output power of the laser is proportional to the number of Laser diodes on the laser array. Great advantages of this Manufacturing processes are in the minor Manufacturing costs, the possibility of mass production, the Miniaturization and high reliability. The disadvantage is as explained below, the extremely low resistance the laser diode arrays in the forward direction, which is often clear is less than 1 ohm.
Die Ursache hierfür ist darin zu sehen, daß die Arrays aus Halbleiterlaserdioden hergestellt werden, indem eine große Zahl in Vorwärtsrichtung betriebener Bauteile mit p-n-Übergang, also die Laserdioden, in Parallelschaltung miteinander verbunden werden. Mit steigender Zahl der Laserdioden im Array nimmt der Durchlaßwiderstand des gesamten Laserarrays ab. Typische Werte für den Widerstand eines Hochleistungs-Laserarrays in Durchlaßrichtung liegen im Bereich von wenigen Ohm bis weniger als 0,01 Ohm.The reason for this is that the arrays are out Semiconductor laser diodes are made by a large number components operated in the forward direction with p-n transition, that is the laser diodes, connected in parallel become. As the number of laser diodes in the array increases, the ON resistance of the entire laser array. Typical values for the resistance of a high power laser array in Forward direction is in the range of a few ohms to less than 0.01 ohms.
Im Gegensatz dazu besitzt der Treiberstromkreis des herkömmlichen gepulsten Hochleistungslasers eine sehr große Impedanz. Folglich tritt eine beträchtliche Impedanzfehlanpassung zwischen dem Treiberstromkreis (hohe Impedanz) und dem Laserarray (extrem niedrige Impedanz) auf. Aufgrund dieser Fehlanpassung wird nur ein geringer Teil der elektrischen Energie zum Betrieb des Laserarrays verwendet, während der größte Teil in Form von Wärme verloren geht.In contrast, the driver circuit of the conventional pulsed high-power laser a very large one Impedance. As a result, there occurs a considerable Impedance mismatch between the driver circuit (high Impedance) and the laser array (extremely low impedance). Because of this mismatch, only a small portion of the electrical energy used to operate the laser array, while most of it is lost in the form of heat.
Um die Laserschwelle zu überschreiten, muß dem Hochleistungs- Halbleiterlaser ein Strom zugeführt werden, der oberhalb dieses Schwellwertes liegt. Der vom Treiber gelieferte Strom muß also einerseits so hoch sein, daß er die Wärmeverluste kompensieren kann. Da jedoch der notwendige Strom zum Erreichen der Laserschwelle mit steigender Anzahl der Dioden im Laserarray ebenfalls stark ansteigt, ist andererseits eine zusätzliche Erhöhung des Treiberstroms erforderlich. To exceed the laser threshold, the high-performance Semiconductor laser can be supplied with a current above this Threshold is. The current supplied by the driver must therefore on the one hand be so high that it compensates for the heat losses can. However, since the necessary electricity to reach the Laser threshold with increasing number of diodes in the laser array also increases sharply, on the other hand is an additional one Driver current increase required.
Um gepulstes Laserlicht zu erzeugen, wird beim Hochleistungs- Halbleiterlaser der Stromfluß in das Laserarray gemäß dem gewünschten Modulationsschema des Laserlichtes direkt gesteuert. Die Form des erzeugten Lichtimpulses entspricht dabei im wesentlichen der des Stromimpulses im Array. Für einen gepulsten Laserbetrieb bei hoher Leistung und hoher Impulsfolgefrequenz (IFF) müssen von der Treiberstufe starke Stromimpulse mit hoher IFF erzeugt und an eine Last mit extrem niedriger Impedanz, nämlich das Laser-Array, abgegeben werden.In order to generate pulsed laser light, high-performance Semiconductor laser the current flow in the laser array according to the desired modulation scheme of the laser light directly controlled. The shape of the light pulse generated corresponds essentially that of the current pulse in the array. For one pulsed laser operation at high power and high Pulse repetition frequency (IFF) must be strong from the driver stage Current pulses with high IFF are generated and sent to a load with extreme low impedance, namely the laser array.
Der herkömmliche gepulste Hochleistungstreiber ist daher auf eine sehr hohe Leistung ausgelegt. Dies gilt insbesondere für den Schalter, der die Stromversorgung des Laser-Arrays steuert. Als Schalter wird heute meist ein Hochleistungs- Halbleiterschalter verwendet.The conventional pulsed high performance driver is therefore on designed for very high performance. This applies in particular to the switch that controls the power supply to the laser array. Today, a switch is usually a high-performance Semiconductor switch used.
Da mit dem hohen erforderlichen Betriebsstrom auch die Verlustenergie sehr hoch ist, muß der Halbleiterschalter für sehr hohe Leistungen ausgelegt sein. Damit verschlechtern sich aber die Charakteristika des Lasertreibers hinsichtlich Anstiegs- und Abfallzeiten der Pulse, der erreichbaren minimalen Pulsbreite und der Impulsfolgefrequenz (IFF). Gleichzeitig wird ein derartiger Treiber groß und schwer.Because with the high required operating current also the Loss energy is very high, the semiconductor switch for very high performance. This worsens but the characteristics of the laser driver regarding Rise and fall times of the pulses, the attainable minimum pulse width and the pulse repetition frequency (IFF). At the same time, such a driver becomes large and heavy.
Das Leistungsvermögen einer herkömmlichen Treiberstufe für einen gepulsten Hochleistungslaser hängt hauptsächlich vom Leistungsvermögen der Hochleistungs-Halbleiterschalter ab. Als derartige Schalter werden hauptsächlich gesteuerte Silicium- Gleichrichter (SCR), Leistungs-Feldeffekt-Transistoren (Leistungs-FET), IGBT (bipolarer Transistor mit isoliertem Gate) und bipolare Leistungstransistoren verwendet.The performance of a conventional driver stage for a pulsed high power laser depends mainly on Performance of the high-performance semiconductor switches. When such switches are mainly controlled silicon Rectifiers (SCR), power field effect transistors (Power FET), IGBT (insulated bipolar transistor Gate) and bipolar power transistors are used.
Die herkömmliche Treiberstufe für einen gepulsten Halbleiterlaser verwendet eine Schaltung, bei der ein Hochspannungskondensator mit einer Impuls-Vorspannung aufgeladen und die gespeicherte elektrische Energie durch Einschalten des Halbleiterschalters entladen wird. Wie oben bereits erwähnt, geht dabei aufgrund der schlechten Impedanzanpassung zwischen der hohen Impedanz der Treiberschaltung und der extrem niedrigen Impedanz des Laser- Arrays viel elektrische Energie als Wärme verloren. Dabei wird so viel Wärme erzeugt, daß die Treiberstufe üblicherweise mit einem Lüfter gekühlt werden muß. Die Verlustenergie muß darüber hinaus durch eine höhere Vorspannung des Kondensators kompensiert werden.The conventional driver stage for a pulsed Semiconductor laser uses a circuit in which a High voltage capacitor with a pulse bias charged and the stored electrical energy through Turning on the semiconductor switch is discharged. As above already mentioned goes because of the bad Impedance matching between the high impedance of the Driver circuit and the extremely low impedance of the laser Arrays lost a lot of electrical energy as heat. Doing so generates so much heat that the driver stage usually with a fan must be cooled. The energy loss must be above by a higher bias of the capacitor be compensated.
Wird eine herkömmliche Lasertreiberstufe aber für immer höhere Leistungen ausgelegt, werden andere Eigenschaften, wie zum Beispiel Anstiegs- und Abfallzeiten, Pulsbreite und IFF der emittierten Laserpulse) des Treibers immer schlechter, während gleichzeitig Größe und Gewicht des Treibers stark ansteigen.Will a conventional laser driver stage for ever higher Services are designed, other properties, such as Example rise and fall times, pulse width and IFF of the emitted laser pulses) of the driver getting worse while at the same time the size and weight of the driver increase significantly.
Als Folge davon sind die herkömmlichen Treiberstufen für gepulste Hochleistungslaser schwer und sperrig, insbesondere verglichen mit dem Laser-Array selbst, und ihr Leistungsvermögen hinsichtlich Anstiegs- und Abfallzeiten und Impulsfolgefrequenz sind stark eingeschränkt.As a result, the conventional driver stages for pulsed high power lasers heavy and bulky, especially compared to the laser array itself, and her Performance in terms of rise and fall times and Pulse repetition rates are severely restricted.
Neben der erreichbaren Ausgangsleistung des Lasers sind andere wichtige und kritische Parameter eines gepulsten Lasertreibers die Modulationsgeschwindigkeit der Impulsfolge, die Pulsbreite, der Wirkungsgrad, das Gewicht und die Kompaktheit. Es gibt derzeit keinen gepulsten Lasertreiber, der Lichtpulse mit hoher Spitzenleistung und kurzer Pulsdauer bei einer hohen Impulsfolgefrequenz erzeugen kann und dabei gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad, geringes Gewicht und Kompaktheit gewährleistet.In addition to the achievable output power of the laser, there are others important and critical parameters of a pulsed laser driver the modulation speed of the pulse train, the pulse width, the efficiency, the weight and the compactness. There is currently no pulsed laser driver, the light pulses with high Top performance and short pulse duration with a high one Can generate pulse repetition frequency and at the same time one high efficiency, low weight and compactness guaranteed.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Treiberstufe für eine gepulste Hochleistungs-Laserdiode zur Erzeugung von Kurzzeit-Lichtpulsen mit hoher Spitzenleistung, welche bei geringem Gewicht und großer Kompaktheit einen hohen Wirkungsgrad aufweist.The object of the present invention is therefore to provide a driver stage for a pulsed high-power laser diode for the generation of short-term light pulses with high Top performance, which is lightweight and large Compactness has a high efficiency.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Treiberstufe für Halbleiterlaser mit einer Kontrolleinheit zur Regelung eines Steuersignals, einem Ladeimpulsgenerator, der Mittel zur Aufbereitung der elektrischen Energie umfaßt, die das Steuersignal empfangen können und dabei elektrische Energie erzeugen, einem Energiespeicher, der diese elektrische Energie speichert, einer Triggerlichtquelle mit Treibermitteln zur Erzeugung eines optischen Triggersignals nachdem die elektrische Energie im Energiespeicher gespeichert wurde, einem optisch aktivierbaren Halbleiterschalter, um die kapazitiv gespeicherte elektrische Energie in einen starken Stromimpuls umzuwandeln und mit einem Hochleistungs-Laserarray, um den durch den optisch aktivierbaren Halbleiterschalter zum Array geleiteten Stromimpuls in einen optischen Impuls hoher Leistung umzuwandeln, der ausgestrahlt werden kann, wobei der Energiespeicher einen Kondensator mit sehr niedriger Impedanz zur Energiespeicherung umfaßt.This object is achieved by the invention Driver stage for semiconductor lasers with a control unit for Regulation of a control signal, a charge pulse generator, the Means for processing the electrical energy includes the can receive the control signal and thereby electrical energy generate an energy store that stores this electrical energy stores, a trigger light source with driver means for Generation of an optical trigger signal after the electrical energy was stored in the energy store, one optically activated semiconductor switch to the capacitive stored electrical energy in a strong current pulse convert and with a high power laser array to the through the optically activated semiconductor switch to the array conducted current pulse into a high power optical pulse convert that can be broadcast, the Energy storage a capacitor with very low impedance for energy storage.
Aufgrund der verbesserten Impedanzanpassung zwischen Treiberstromkreis und Laserdiodenarray werden die Wärmeverluste wirkungsvoll verringert und ein größerer Anteil der im Kondensator gespeicherten Energie wird als Stromimpuls in das Laserdiodenarray geschickt. Die Impulsdauer der so erzeugten Laserimpulse wird im wesentlichen von der Dauer des Triggerlichtpulses, der den optisch aktivierbaren Halbleiterschalter eine bestimmte Zeit öffnet, bestimmt.Due to the improved impedance matching between Driver circuit and laser diode array are the heat losses effectively reduced and a larger proportion of im Energy stored in the capacitor is a current pulse in the Laser diode array sent. The pulse duration of the generated Laser pulses are essentially based on the duration of the Trigger light pulse, the optically activated Semiconductor switch opens a certain time, determined.
Zur Erzeugung von Laserimpulsen am Ausgang des Hochleistungslasers, die deutlich kürzer als die Dauer des Triggerimpulses sind, ist der Kondensator zur Energiespeicherung bevorzugt als Streifenleiter mit nicht gleichmäßiger Impedanz ausgebildet.To generate laser pulses at the output of the High power laser that is significantly shorter than the duration of the Trigger pulse, the capacitor is for Energy storage preferably not as a stripline uniform impedance.
Vorteilhaft besitzt der Streifenleiter eine fächerartige oder kreisscheibenartige Form.The stripline advantageously has a fan-like or circular disk-like shape.
Als Triggerlichtquelle wird bevorzugt ein gepulster Laser von geringer oder mittlerer Leistung verwendet. A pulsed laser from is preferably used as the trigger light source low or medium power used.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erzeugung kurzer Laserlichtimpulse mit hoher Ausgangsleistung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Treiberstufe, bei dem eine Kontrolleinheit ein Steuersignal zu einem Ladeimpulsgenerator sendet, der Ladeimpulsgenerator eine impulsförmige Vorspannung in einem Energiespeicher erzeugt, so daß elektrostatische Energie kapazitiv gespeichert wird, nach Erreichen einer bestimmten Vorspannung ein Steuersignal ausgelöst wird, das zu einer Triggerlichtquelle gesendet wird, so daß die Triggerlichtquelle einen kurzen Lichtimpuls erzeugt, dieser Lichtimpuls auf die aktive Fläche eines optisch aktivierbaren Halbleiterschalters geleitet wird, so daß der Schalter während der Dauer des Triggerlichtimpulses eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Energiespeicher und einem Hochleistungs-Laserarray herstellt, so daß die kapazitiv gespeicherte Energie in Form eines Stromimpulses vom Energiespeicher zum Hochleistungs-Laserarray fließt, wobei der Stromimpuls im Hochleistungs-Laserarray in einen Laserlichtimpuls umgewandelt wird, und dieser Laserlichtimpuls ausgestrahlt werden kann.The present invention also relates to a method for Generation of short laser light pulses with high output power using the driver stage according to the invention, in which a control unit a control signal to a Charge pulse generator sends, the charge pulse generator one generated pulse-shaped bias in an energy storage, so that electrostatic energy is stored capacitively after A control signal is reached when a certain bias is reached triggered, which is sent to a trigger light source, so that the trigger light source generates a short light pulse, this light pulse on the active surface of an optical activatable semiconductor switch is passed so that the Switch during the duration of the trigger light pulse electrically conductive connection between the energy store and manufactures a high power laser array so that the capacitive stored energy in the form of a current pulse from Energy storage flows to the high-performance laser array, the Current pulse in a high-performance laser array into one Laser light pulse is converted, and this laser light pulse can be broadcast.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Treiberstufe für Halbleiterlaser anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.Preferred embodiments of the Driver stage for semiconductor lasers according to the invention based on the attached drawings explained in more detail.
Dabei zeigtIt shows
Fig. 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Laserdiodentreibers; Fig. 1 is a block diagram of the laser diode driver according to the invention;
Fig. 2 eine Aufsicht auf einen als fächerartiger Streifenleiter ausgebildeten Energiespeicherkondensator der Erfindung; Fig. 2 is a plan view of a fan-like formed as a strip conductor energy storage capacitor of the invention;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Kondensator der Fig. 2; Fig. 3 is a longitudinal section through the condenser of Fig. 2;
Fig. 4 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicherkondensators, bei welcher der Kondensator als kreisringartiger Streifenleiter ausgebildet ist; Fig. 4 shows another embodiment of the energy storage capacitor of the invention, wherein the capacitor is formed as a circular ring-like strip conductor;
Fig. 5 ein durch den Kreismittelpunkt verlaufender Schnitt des Kondensators der Fig. 4; FIG. 5 shows a section through the center of the circle of the capacitor of FIG. 4;
Fig. 6 ein Blockdiagramm, welches den Weg des Stromimpulses von dem erfindungsgemäßen Energiespeicherkondensator in das Hochleistungs-Laserarray zeigt; Fig. 6 is a block diagram showing the path of the current pulse of the inventive energy storage capacitor in the high-power laser array;
Fig. 7 drei Schaubilder, die den zeitlichen Verlauf des Energieflusses in der Treiberstufe illustrieren. Fig. 7 three graphs that illustrate the time course of the energy flow in the driver stage.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Treiberstufe für einen kompakten, gepulsten Halbleiterlaser mit hoher Leistung und hoher Impulsfolgefrequenz. Der gepulste Lasertreiber umfaßt eine Kontrolleinheit 10, einen Ladeimpulsgeneratur 20, der Mittel zur Leistungsaufbereitung bzw. -umformung umfaßt, einen Energiespeicher 30, eine Triggerlichtquelle 40 mit zugehöriger Treibereinheit, einen optisch aktiverbaren Halbleiterschalter 50 und ein Hochleistungs-Laserarray 60. Fig. 1 is a block diagram of a driver stage according to the invention for a compact, pulsed semiconductor lasers with high power and high pulse repetition frequency. The pulsed laser driver comprises a control unit 10 , a charge pulse generator 20 , which includes means for power conditioning or conversion, an energy store 30 , a trigger light source 40 with associated driver unit, an optically activatable semiconductor switch 50 and a high-power laser array 60 .
Die Kontrolleinheit 10 überwacht die von einer Eingangsstufe ankommenden Betriebssignale und sendet Steuersignale zum Ladeimpulsgenerator 20 und der zugehörigen Leistungswandlereinrichtung. Außerdem sendet die Kontrolleinheit 10 Signale zur Treibereinheit der Triggerlichtquelle 40.The control unit 10 monitors the operating signals arriving from an input stage and sends control signals to the charge pulse generator 20 and the associated power converter device. In addition, the control unit 10 sends signals to the driver unit of the trigger light source 40 .
Der Leistungswandler des Ladeimpulsgenerators 20 bereitet die von einer Primärenergiequelle stammende elektrische Energie geeignet auf und sendet Ladeimpulse zum Energiespeicher 30. Ein gewisser Anteil elektrische Leistung wird von der Einheit 20 auch zur Treibereinheit der Triggerlichtquelle 40 geschickt. Primärenergiequellen können beispielsweise eine vom Netz und geeigneten Transformatoren gespeiste Wechselstromquelle oder eine Batterie sein. The power converter of the charging pulse generator 20 suitably processes the electrical energy originating from a primary energy source and sends charging pulses to the energy store 30 . A certain amount of electrical power is also sent from the unit 20 to the driver unit of the trigger light source 40 . Primary energy sources can be, for example, an AC power source fed by the network and suitable transformers, or a battery.
Der Energiespeicher 30 umfaßt einen Kondensator mit niedriger Impedanz, der in einer bevorzugten Ausführungsform als ungleichmäßiger Streifenleiter aufgebaut ist. Der Energiespeicher 30 speichert die vom Impulsgenerator 20 gelieferte Energie.The energy store 30 comprises a low impedance capacitor which, in a preferred embodiment, is constructed as an uneven strip conductor. The energy store 30 stores the energy supplied by the pulse generator 20 .
Die Triggerlichtquelle 40 und ihre zugehörige Treiberstufe weisen eine Lichtquelle auf, die in einer bevorzugten Ausführungsform Laserlicht mit niedriger oder mittleren Leistung aussendet. Das Triggerlicht wird vorteilhaft als Lichtpuls ausgesendet, wenn der Treiber der Triggerlichtquelle 40 ein entsprechendes Signal von der Kontrolleinheit 10 erhalten hat. Ein derartiges Steuersignal wird dann ausgesendet, wenn die Energiespeicherung in der Speichereinheit 30 abgeschlossen ist.The trigger light source 40 and its associated driver stage have a light source which, in a preferred embodiment, emits laser light with low or medium power. The trigger light is advantageously emitted as a light pulse when the driver of the trigger light source 40 has received a corresponding signal from the control unit 10 . Such a control signal is sent out when the energy storage in the storage unit 30 is completed.
Als optisch aktiverbarer Halbleiterschalter 50 können verschiedenste, an sich bekannte optisch aktivierbare Schalter eingesetzt werden, wie zum Beispiel Thyristoren, p-i-n- Schalter, massive GaAs-Schalter, massive Si-Schalter, massive InP-Schalter usw. Der Schalter 50 wird durch das von der Triggerlichtquelle empfangene Laserlicht eingeschaltet und dient so zur Umwandlung der in der Speichereinheit 30 kapazitiv gespeicherten elektrostatischen Energie in einen Impuls hoher Stromstärke.Variety, known per se optically activated switches can be used, such as thyristors, PIN switch as optically aktiverbarer semiconductor switch 50, massive GaAs switch, solid Si-switch, solid InP switches etc. The switch 50 is controlled by that of the Laser light received by the trigger light source is switched on and thus serves to convert the electrostatic energy capacitively stored in the storage unit 30 into a pulse of high current intensity.
Da der optisch aktivierbare Halbleiterschalter nur für die Zeitdauer des Triggerlichtimpulses eingeschaltet ist, kann der erzeugte Stromimpuls auch nur maximal diese Zeitdauer besitzen. Der so erzeugte Stromimpuls wird auf das Hochleistungs- Laserdiodenarray 60 geleitet, wo ein Laserlichtimpuls mit hoher Leistung entsteht. Wird dieser Vorgang regelmäßig wiederholt, sendet das Laserdiodenarray das gewünschte gepulste Laserlicht mit hoher Leistung aus.Since the optically activatable semiconductor switch is only switched on for the duration of the trigger light pulse, the generated current pulse can only have a maximum of this time period. The current pulse generated in this way is passed to the high-power laser diode array 60 , where a laser light pulse with high power is produced. If this process is repeated regularly, the laser diode array emits the desired pulsed laser light with high power.
Der erfindungsgemäße gepulste Hochleistungs-Treiberstromkreis verwendet innovative Bauelemente und der Betrieb des Halbleiterlasers unterscheidet sich extrem von der bekannten Betriebsweise. Statt die herkömmlichen Hochspannungskondensatoren und Hochleistungs-Halbleiterschalter zur Modulation des in das Laserdiodenarray geleiteten Stromes zu verwenden, werden erfindungsgemäß Streifenleiter mit nicht gleichmäßiger Impedanz als Energiespeicherkondensatoren eingesetzt. Der so erzielte hohe Wirkungsgrad des Stromkreises führt zu leichten und kompakten Halbleiterlasern und ermöglicht eine höhere Flexibilität des Aufbaus. Insbesondere kann unter Verwendung der Streifenleiterstruktur ein Energiespeicherkondensator mit sehr niedriger Impedanz leicht hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß durch den Einsatz des optisch aktiverbaren Halbleiterschalters, der bevorzugt von einer als Triggerlichtquelle dienenden Laserdiode geschaltet wird, die bekannten kritischen Einschränkungen der Hochleistungs- Halbleiterschalter, wie zum Beispiel langsame Anstiegs- und Abfallzeiten, niedrige Impulsfolgefrequenz und große Pulsbreite, leicht überwunden werden. Die vorteilhafte Kombination eines Energiespeicherkondensators mit niedriger Impedanz und dem von einem Diodenlaser mit niedriger oder mittleren Leistung getriggerten Halbleiterschalter führt zu einer kompakten Treiberstufe für gepulste Hochleistungs- Halbleiterlaser, die in der Lage ist, Lichtpulse mit hoher Spitzenleistung und kurzer Pulsdauer bei hoher Impulsfolgefrequenz zu erzeugen.The pulsed high-performance driver circuit according to the invention uses innovative components and the operation of the Semiconductor laser differs extremely from the known Mode of operation. Instead of the conventional High voltage capacitors and high performance semiconductor switches for modulating the current conducted into the laser diode array According to the invention, strip conductors are not used uniform impedance as energy storage capacitors used. The high efficiency of the circuit achieved in this way leads to light and compact semiconductor lasers and enables greater flexibility in construction. In particular, under Using the stripline structure Energy storage capacitor with very low impedance easily getting produced. Another advantage is that that by using the optically activatable Semiconductor switch, which is preferred by a Trigger light source serving laser diode is switched, the known critical limitations of high performance Semiconductor switches, such as slow rise and Fall times, low pulse repetition frequency and large Pulse width, easily overcome. The beneficial Combination of an energy storage capacitor with lower Impedance and that of a diode laser with low or medium power triggered semiconductor switch leads to a compact driver stage for pulsed high-performance Semiconductor laser, which is able to transmit light pulses with high Top performance and short pulse duration with high To generate pulse repetition frequency.
Der erfindungsgemäße Energiespeicher 30 ist als Streifenleiter mit nicht gleichmäßiger Impedanz ausgebildet. Eine fächerförmige erste Ausführungsform ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt, während die Fig. 3 und 4 eine weitere Ausführungsform zeigen, bei welcher der Streifenleiter eine kreisringartige Form aufweist. Grundsätzlich entspricht der Aufbau des Streifenleiters einem Kondensator, d. h. zwei metallische Elektroden 33 sind durch ein Dielektrikum 34 voneinander getrennt. Die Streifenleiter der Fig. 2 bis 4 weisen über ihre Länge eine unterschiedliche Impedanz auf, die durch eine besondere geometrischen Gestaltung erreicht wird. Es lassen sich ein äußeres Ende 32 und ein inneres Ende 31 der Leitungen unterscheiden. Das innere Ende des Streifenleiters wird mit dem Halbleiterschalter verbunden. Die Kapazität und die charakteristische Impedanz eines Streifenleiters ergeben sich bekanntermaßen wie folgt:The energy store 30 according to the invention is designed as a strip conductor with a non-uniform impedance. A fan-shaped first embodiment is shown in FIGS. 2 and 3, while FIGS. 3 and 4 show a further embodiment in which the strip conductor has an annular shape. Basically, the structure of the stripline corresponds to a capacitor, ie two metallic electrodes 33 are separated from one another by a dielectric 34 . The strip conductors of FIGS. 2 to 4 have a different impedance over their length, which is achieved by a special geometric design. An outer end 32 and an inner end 31 of the lines can be distinguished. The inner end of the stripline is connected to the semiconductor switch. The capacitance and the characteristic impedance of a stripline are known to be as follows:
Dabei sind: C die Kapazität, A die Elektrodenfläche des Kondensators, ε₀ die Influenzkonstante, t die Dicke des dielektrischen Mediums, εr die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Mediums, Z₀ die charakteristische Impedanz der Streifenleitung und w die Breite der Elektrode der Streifenleitung.C are the capacitance, A the electrode area of the capacitor, ε₀ the influence constant, t the thickness of the dielectric medium, ε r the dielectric constant of the dielectric medium, Z₀ the characteristic impedance of the stripline and w the width of the electrode of the stripline.
Durch Ausnutzung der Abhängigkeit der Impedanz Z₀ des Streifenleiters von dessen geometrischen Abmessungen, kann ein Energiespeicherkondensator mit sehr niedriger Impedanz entwickelt werden. Dabei wird ausgenutzt, daß die Impedanz Zin des inneren Endes 31 und die Impedanz Zout des äußeren Endes 32 der Leitung unterschiedlich sein können.By utilizing the dependence of the strip conductor's impedance Z₀ on its geometric dimensions, an energy storage capacitor with a very low impedance can be developed. This takes advantage of the fact that the impedance Z in of the inner end 31 and the impedance Z out of the outer end 32 of the line can be different.
Wenn aber elektrische Energie von dem Kondensator mit niedriger Impedanz zu dem Hochleistungs-Laserarray übertragen wird, kann der größte Teil dieser Energie zum Betrieb des Laserarrays verwendet werden. Aufgrund der besseren Impedanzanpassung verringert der Kondensator mit niedriger Impedanz den Energieverlust bei der Energieübertragung vom Kondensator zum Laserarray beträchtlich.But if electrical energy from the capacitor with lower Impedance can be transmitted to the high-performance laser array most of this energy is used to operate the laser array be used. Because of the better impedance matching the low impedance capacitor reduces the Energy loss when transferring energy from the capacitor to Laser array considerably.
Die Hauptfunktion des Energiespeichers 30 ist die kurzzeitige Speicherung der elektrischen Energie in Form von elektrostatischer Energie. Die Energie wird dort gespeichert, weil der zwischen Speichereinheit 30 und Laserarray 60 angeordnete Schalter 50 beim Aufladen des Energiespeichers offen ist und so das Abfließen der Ladung verhindert. Wenn der Schalter aber eingeschaltet wird, ändert sich die Randbedingung am Verbindungsbereich des Energiespeicherkondensators mit dem Schalter vom offenen zum geschlossenen Zustand. Sobald die Randbedingung derart geändert ist, kommt der Aufbau des Kondensators als Streifenleiter zum Tragen und die im Kondensator elektrostatisch gespeicherte Energie fließt als Wanderwelle in Richtung Last durch den Schalter.The main function of the energy store 30 is the brief storage of the electrical energy in the form of electrostatic energy. The energy is stored there because the switch 50 arranged between the storage unit 30 and the laser array 60 is open when the energy store is being charged and thus prevents the charge from flowing away. However, when the switch is turned on, the boundary condition at the connection area of the energy storage capacitor with the switch changes from the open to the closed state. As soon as the boundary conditions are changed in this way, the construction of the capacitor as a strip conductor comes into play and the energy stored electrostatically in the capacitor flows as a traveling wave towards the load through the switch.
Wenn insbesondere zwischen Schalter und Laserarray, wie in Fig. 6 dargestellt, eine Impedanzanpassung 55 vorgesehen ist, wirkt der Energiespeicherkondensator wie eine Übertragungsleitung. Anstelle der üblichen von Kondensatoren bekannten Entladungskurve, die im wesentlichen einem von einer RC-Zeitkonstanten bestimmten exponentiellem Abfall entspricht, wird ein Stromimpuls mit steiler Anstiegs- und Abfallflanke erzeugt. Die Pulsdauer entspricht im wesentlichen der Laufzeit der Welle für Hin- und Rückweg in der Streifenleitung. Die Amplitude des so erhaltenen Stromimpulses ist größer als die Stromamplitude einer Streifenleitung mit gleichmäßiger Impedanz, weil aufgrund der Impedanztransformation ein Verstärkungsfaktor auftritt. Für die maximale Amplitude des Stromes erhält man (vergl. Fig. 6):If, in particular, an impedance matching 55 is provided between the switch and the laser array, as shown in FIG. 6, the energy storage capacitor acts like a transmission line. Instead of the usual discharge curve known from capacitors, which essentially corresponds to an exponential drop determined by an RC time constant, a current pulse with a steep rising and falling edge is generated. The pulse duration essentially corresponds to the transit time of the wave for the outward and return travel in the stripline. The amplitude of the current pulse thus obtained is greater than the current amplitude of a strip line with a uniform impedance, because an amplification factor occurs due to the impedance transformation. For the maximum amplitude of the current, one obtains (see FIG. 6):
I = {(g/(Ron+Rm)}×V{(Ron+Rm)/(Zin+Ron+Rm)}, Ampère (A)I = {(g / (R on + R m )} × V {(R on + R m ) / (Z in + R on + R m )}, ampere (A)
Dabei sind: g der Verstärkungsfaktor aufgrund der Impedanztransformation zwischen der inneren und äußeren charakteristischen Impedanz des Streifenleiters mit nicht gleichmäßigem Aufbau (dabei gilt für g meist 1 < g < 2), Rm die äußere Anpassungsimpedanz (wobei Rm auch die Impedanz des Laserarray in Durchlaßrichtung umfaßt), V die Vorspannung des Spannungspulses zur Aufladung des Kondensators, Zin die innere charakteristische Impedanz der Streifenleitung und Ron die Impedanz des Halbleiterschalters in Durchlaßrichtung. Im Fall vollständiger Impedanzanpassung, wobei Ron vernachlässigbar und Zin und Rm gleich sind, erhält man für den erzeugten Stromimpuls die folgende Beziehung:Here: g is the gain factor due to the impedance transformation between the inner and outer characteristic impedance of the stripline with a non-uniform structure (where g usually applies 1 <g <2), R m is the outer matching impedance (where R m is also the impedance of the laser array in Forward direction includes), V the bias of the voltage pulse for charging the capacitor, Z in the inner characteristic impedance of the strip line and R on the impedance of the semiconductor switch in the forward direction. In the case of complete impedance matching, where R on is negligible and Z in and R m are the same, the following relationship is obtained for the current pulse generated:
I = (g/Rm)×(V/2), Ampère (A)I = (g / R m ) × (V / 2), ampere (A)
Dies entspricht, mit Ausnahme des Verstärkungsfaktors g, praktisch dem bekannten Fall der angepaßten, gleichmäßigen Streifenleitung. Der Verstärkungsfaktor g führt zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades des Stromkreises. Daher führt die Verwendung einer nicht gleichmäßigen Streifenleitung mit niedriger Impedanz als Energiespeicherkondensator zu einem extrem hohen Wirkungsgrad des Kreises.With the exception of the gain factor g, this corresponds to practically the known case of the adapted, uniform Stripline. The gain factor g leads to a further improve the efficiency of the circuit. Therefore, the use of a non-uniform leads Stripline with lower impedance than Energy storage capacitor for extremely high efficiency of the circle.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 6 die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Treiberstufe für einen Halbleiterlaser beschrieben. Zunächst übermittelt eine Eingangseinheit der Kontrolleinheit 10 das Betriebssignal. Die Kontrolleinheit aktiviert dann den Leistungswandler und den Ladeimpulsgenerator 20. Die über ein Wechselstrom- Netzkabel oder von einer Batterie gelieferte Primärleistung wird geeignet aufbereitet und mit Hilfe des Ladeimpulsgenerators wird der Kondensators des Energiespeichers 30 aufgeladen. Zu dem Zeitpunkt, an dem die pulsförmige Vorspannung am Kondensator ihren Spitzenwert erreicht, aktiviert ein von der Kontrolleinheit 10 ausgesandtes Steuersignal die Triggerlichtquelle und ihre zugehörige Treibereinheit.The mode of operation of the driver stage according to the invention for a semiconductor laser is described below with reference to FIGS. 1 and 6. First, an input unit of the control unit 10 transmits the operating signal. The control unit then activates the power converter and the charge pulse generator 20 . The primary power supplied via an AC mains cable or from a battery is suitably processed and the capacitor of the energy store 30 is charged with the aid of the charging pulse generator. At the point in time at which the pulse-shaped bias on the capacitor reaches its peak value, a control signal emitted by the control unit 10 activates the trigger light source and its associated driver unit.
Die Triggerlichtquelle erzeugt optische Impulse 41 mit schneller Anstiegszeit und einer sehr hohen Impulsfolgefrequenz und sendet diese Pulse auf einen optisch aktivierbaren Halbleiterschalter 50.The trigger light source generates optical pulses 41 with a fast rise time and a very high pulse repetition frequency and sends these pulses to an optically activatable semiconductor switch 50 .
Zur Übertragung der optischen Impulse 41 der Triggerlichtquelle 40 werden diese bevorzugt in ein, nicht dargestelltes, faseroptisches Kabel eingekoppelt und in der Faseroptik zum Halbleiterschalter 50 geleitet, wo sie wieder ausgekoppelt werden.To transmit the optical pulses 41 of the trigger light source 40 , these are preferably coupled into a fiber optic cable (not shown) and routed in the fiber optics to the semiconductor switch 50 , where they are coupled out again.
Das optische Triggersignal durchdringt die aktive Fläche des Halbleiterschalters. Die Photonen des Triggerlichtes erzeugen dabei ausreichend viele Elektron-Loch-Paare, so daß der Zustand des Schalters von völlig offen (nicht leitend) zu völlig geschlossen (leitend, Widerstand Ron) wechselt.The optical trigger signal penetrates the active surface of the semiconductor switch. The photons of the trigger light generate a sufficient number of electron-hole pairs so that the state of the switch changes from completely open (not conductive) to completely closed (conductive, resistance R on ).
Sobald der Schalter 50 eingeschaltet ist, wird die in dem Kondensator des Energiespeichers 30 gespeicherte elektrostatische Energie in Form eines schmalen Strompulses entladen. Die höchsten Stromwerte dieses Impulses liegen weit höher als die für die Lasertätigkeit erforderliche Schwelle. Der Stromimpuls wird auf das Laserarray 60 geleitet und ein Laserlichtimpuls 61 mit hoher Leistung und schneller Anstiegs- und Abfallzeit wird erzeugt.As soon as the switch 50 is switched on, the electrostatic energy stored in the capacitor of the energy store 30 is discharged in the form of a narrow current pulse. The highest current values of this pulse are far higher than the threshold required for laser activity. The current pulse is applied to the laser array 60 and a laser light pulse 61 with high power and fast rise and fall time is generated.
Eine graphische Darstellung des Energieflusses in der erfindungsgemäßen Treiberstufe ist in Fig. 7 dargestellt. Schaubild 7a zeigt den zeitlichen Verlauf des Spannungsimpulses, der die Energiespeichereinheit 30 auflädt. Die Aufladung beginnt zum Zeitpunkt t₀ mit einem Signal der Kontrolleinheit 10. Nach Erreichen der Maximalspannung am Kondensator erhält die Triggerlichtquelle 40 zum Zeitpunkt t₁ das Signal, einen optischen Triggerimpuls auszusenden. Der zeitliche Verlauf des Triggerimpulses ist in Schaubild 7b schematisch dargestellt. Die Zeit (t₂′-t₁′), in welcher der vom Triggerimpuls beleuchtete Halbleiterschalter geschlossen ist, entspricht der Pulsdauer pw des Triggerimpulses. Die elektrostatisch gespeicherte Energie fließt in Form eines schmalen Strompulses zum Laserdiodenarray; der zeitliche Verlauf des Treiberstroms im Laserarray ist im Schaubild 7c dargestellt. Der Stromimpuls wird im Laserarray 60 in einen optischen Impuls umgewandelt, dessen Pulsdauer im wesentlichen von der Pulsform, insbesondere der Pulsdauer pw′ des Treiberstromimpulses bestimmt wird, abgesehen davon, daß die Anstiegszeit des Laserimpulses schneller als die Anstiegszeit des Treiberstromimpulses ist. Die Pulsdauer pw′ des erzeugten Strompulses wird wiederum aber im wesentlichen von der Pulsdauer des optischen Triggerpulses und der Wellenlaufzeit im Energiespeicherkondensator bestimmt. Die Bezeichnungen t₁, t₂, t₁′, t₂′, und t₁′′, t₂′′ sollen deutlich machen, daß die entsprechenden Zeiten nicht identisch sind, sondern daß Laufzeiteffekte eine Rolle spielen, d. h. beispielsweise beginnt der Stromimpuls im Laserarray zu einem etwas späteren (Zeitpunkt t₁′′) als der Schalter vom Triggerlichtimpuls geschlossen wird (Zeitpunkt t₁′). Diese Differenzen werden aber umso geringer, je kompakter der Treiberstromkreis aufgebaut ist.A graphical representation of the energy flow in the driver stage according to the invention is shown in FIG. 7. Figure 7 a shows the time course of the voltage pulse that charges the energy storage unit 30 . Charging begins at time t₀ with a signal from control unit 10 . After reaching the maximum voltage on the capacitor, the trigger light source 40 receives the signal at time t 1 to emit an optical trigger pulse. The time course of the trigger pulse is shown schematically in Figure 7 b. The time (t₂'-t₁ ') in which the semiconductor switch illuminated by the trigger pulse is closed corresponds to the pulse duration pw of the trigger pulse. The electrostatically stored energy flows in the form of a narrow current pulse to the laser diode array; the time course of the driver current in the laser array is shown in Figure 7 c. The current pulse is converted into an optical pulse in the laser array 60 , the pulse duration of which is essentially determined by the pulse shape, in particular the pulse duration pw 'of the driver current pulse, apart from the fact that the rise time of the laser pulse is faster than the rise time of the driver current pulse. The pulse duration pw 'of the generated current pulse is in turn essentially determined by the pulse duration of the optical trigger pulse and the wave propagation time in the energy storage capacitor. The designations t₁, t₂, t₁ ', t₂', and t₁ '', t₂ '' are intended to make it clear that the corresponding times are not identical, but that runtime effects play a role, for example the current pulse in the laser array begins at a somewhat later time (Time t₁ '') as the switch is closed by the trigger light pulse (time t₁ '). However, the more compact the driver circuit, the smaller these differences become.
Im Fall guter Impedanzanpassung entspricht die Pulsdauer pw′ des Stromimpulses und damit die Pulsdauer des austretenden Laserlichts etwa der Wellenlaufzeit für Hin- und Rückweg im Energiespeicherkondensator. Die folgende Beziehung macht diesen Zusammenhang deutlich:In the case of good impedance matching, the pulse duration corresponds to pw ′ of the current pulse and thus the pulse duration of the emerging Laser light about the wave travel time for the return journey in Energy storage capacitor. The following relationship makes this Connection clearly:
Die Differenz (rout-rin) entspricht im wesentlichen der Länge der Streifenleitung, welche die Laufzeit der Welle auf der Leitung bestimmt. In den Fig. 2 und 4 sind diese Größen für die beiden bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Energiespeicherkondensators dargestellt; c₀ ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum; werden rout und rin in cm ausgedrückt, so ist c₀ = 3×10¹⁰ cm/sec und man erhält die Pulsdauer pw′ in Sekunden. Insbesondere ist bei guter Impedanzanpassung pw′ < (t₂′′ - t₁′′).The difference (r out -r in ) corresponds essentially to the length of the strip line, which determines the transit time of the wave on the line. In Figs. 2 and 4, these variables are shown for the two preferred embodiments, the energy storage capacitor to the invention; c₀ is the speed of light in a vacuum; r and r are out in in cm words, it is c₀ = 3 × 10¹⁰ cm / sec to give the pulse duration pw 'in seconds. In particular, with good impedance matching, pw '<(t₂''-t₁'').
Im Fall einer sehr schlechten Impedanzanpassung entspricht die Pulsdauer des austretenden Hochleistungs-Laserimpulses im wesentlichen gleich der Pulsdauer des optischen Triggerimpulses. Ursache hierfür sind hauptsächlich die von der schlechten Impedanzanpassung hervorgerufenen Mehrfachreflexionen der Wanderwelle. Selbstverständlich werden in diesem Fall auch die Wärmeverluste wieder ansteigen und die Leistung des austretenden Laserimpulses wird verringert sein.In the case of a very poor impedance matching, this corresponds to Pulse duration of the emerging high-power laser pulse in the essentially equal to the pulse duration of the optical Trigger pulse. The main reason for this is that of poor impedance matching Multiple reflections of the traveling wave. Be natural in this case the heat losses increase again and the The power of the emerging laser pulse will be reduced.
Wie schon erwähnt, werden bei einem herkömmlichen Halbleiterschalter die verbesserte Fähigkeit, hohe Ströme schalten zu können, durch verschlechterte Anstiegs- und Abfallszeiten der Stromimpulse erkauft und die Schaltzeiten werden länger. Daher wird die Impulsfolgefrequenz eines Leistungs-Halbleiterschalters sehr schnell abnehmen, während die Steigerung der schaltbaren Leistung nur sehr langsam zunimmt.As already mentioned, a conventional Semiconductor switch the improved ability to handle high currents to be able to switch through worsened rise and Falling times of the current impulses bought and the switching times are getting longer. Therefore, the pulse repetition frequency becomes one Power semiconductor switch decrease very quickly while the increase in switchable power is very slow increases.
Anstatt nun Stromimpulse mit Hilfe eines Hochleistungs- Halbleiterschalters zu erzeugen, werden erfindungsgemäß optische Impulse mit schneller Anstiegszeit mit Hilfe einer Laserdiode niedriger oder mittlerer Leistung erzeugt und diese Impulse als Triggerlicht verwendet. Der erfindungsgemäße Halbleiterlasertreiber kann daher starke Stromimpulse mit sehr schneller Anstiegszeit erzeugen.Instead of current pulses with the help of a high-performance To produce semiconductor switches are invented optical impulses with fast rise time with the help of a Laser diode of low or medium power generated and this Pulses used as trigger light. The invention Semiconductor laser drivers can therefore generate strong current pulses with a lot of power generate faster rise time.
Der geometrische Effekt einer nicht gleichmäßigen Streifenleiterstruktur erlaubt den Bau eines kompakten Energiespeicherkondensators mit sehr niedriger Impedanz. Die niedrige Impedanz des Kondensators verringert die Energieverluste bei der Übertragung der Energie vom Kondensator zum Laserarray. Hervorzuheben ist also insbesondere, daß im Fall guter Impedanzanpassung die Form und Dauer der entstehenden Hochleistungs-Laserimpulse bereits durch die Geometrie des Streifenleiter-Kondensators und nicht durch die Schaltzeiten des Halbleiterschalters bestimmt wird.The geometric effect of a non-uniform Stripline structure allows the construction of a compact Energy storage capacitor with very low impedance. The low impedance of the capacitor reduces the Energy loss in the transfer of energy from the capacitor to the laser array. It should therefore be emphasized in particular that in In case of good impedance matching, the shape and duration of the emerging high-power laser pulses already through the Geometry of the stripline capacitor and not by the Switching times of the semiconductor switch is determined.
Im Gegensatz zu den herkömmlichen Treiberstufen für gepulste Hochleistungslaser benötigt der erfindungsgemäße gepulste Laser aufgrund seines hohen Wirkungsgrades keine Hochleistungs stromversorgung und keinen Lüfter zum Kühlen mehr.In contrast to the conventional driver stages for pulsed The pulsed laser according to the invention requires high-power lasers not high performance due to its high efficiency power supply and no fan for cooling.
Mit der erfindungsgemäßen Treiberstufe für gepulste Halbleiterlaser können Laserimpulse hoher Leistung mit einer Impulsdauer bis herab zu wenigen Nanosekunden erzeugt werden. Je kleiner die Differenz zwischen rin und rout, also die Länge des Streifenleiters, gewählt wird, desto kürzere Laserimpulse können erzeugt werden.With the driver stage for pulsed semiconductor lasers according to the invention, laser pulses of high power with a pulse duration down to a few nanoseconds can be generated. The smaller the difference between r in and r out , that is to say the length of the stripline, is selected, the shorter laser pulses can be generated.
Claims (5)
- - eine Kontrolleinheit ein Steuersignal zu einem Ladeimpulsgenerator sendet,
- - der Ladeimpulsgenerator eine impulsförmige Vorspannung an einem Energiespeicher anlegt, so daß elektrostatische Energie kapazitiv gespeichert wird,
- - nach Erreichen einer bestimmten Vorspannung ein Steuersignal ausgelöst wird, das zu einer Triggerlichtquelle gesendet wird, so daß die Triggerlichtquelle einen kurzen Lichtimpuls erzeugt,
- - dieser Lichtimpuls auf die aktive Fläche eines optisch aktivierbaren Halbleiterschalters geleitet wird, so daß der Schalter während der Dauer des Triggerlichtimpulses eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Energiespeicher und einem Hochleistungs-Laserarray herstellt, so daß die kapazitiv gespeicherte Energie in Form eines Stromimpulses vom Energiespeicher zum Hochleistungs-Laserarray fließt,
- - der Stromimpuls im Hochleistungs-Laserarray in einen Laserlichtimpuls hoher Leistung umgewandelt wird, und dieser Laserlichtimpuls ausgestrahlt werden kann.
- a control unit sends a control signal to a charge pulse generator,
- the charging pulse generator applies a pulse-shaped bias to an energy store, so that electrostatic energy is stored capacitively,
- after a certain bias voltage has been reached, a control signal is triggered which is sent to a trigger light source so that the trigger light source generates a short light pulse,
- - This light pulse is passed to the active surface of an optically activated semiconductor switch, so that the switch creates an electrically conductive connection between the energy store and a high-power laser array during the duration of the trigger light pulse, so that the capacitively stored energy in the form of a current pulse from the energy store to High power laser array flows,
- - The current pulse in the high-performance laser array is converted into a laser light pulse of high power, and this laser light pulse can be emitted.
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