DE19514062A1

DE19514062A1 - Treiberstufe für kompakten gepulsten Hochleistungs-Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE19514062A1
Application number: DE19514062A
Authority: DE
Inventors: Hyung-Dong Chung
Original assignee: COSMO LASER Inc
Current assignee: COSMO LASER Inc
Priority date: 1994-04-14
Filing date: 1995-04-13
Publication date: 1995-11-02
Also published as: IT1273543B; CN1132953A; GB9507555D0; FR2720858A1; ITMI950750A1; BR9501371A; ITMI950750A0; GB2288484A; TW267267B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treiberstufe für gepulste Halbleiterlaser, insbesondere für mit hoher Pulswiederholfrequenz gepulste Hochleistungs-Laserdioden.

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.

Neben diesen Vorteilen weisen Halbleiterlaser den Nachteil eines sehr geringen Widerstandes auf. Aufgrund dieses sehr niedrigen Widerstandes, benötigen Halbleiterlaser für ihren Betrieb eine Treiberstufe mit einem auf sehr hohe Leistungen ausgelegten Übertragungsteil.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Wenn eine Halbleiterlaserdiode mit einem GaAlAs p-n-Übergang in Durchlaßrichtung betrieben wird, rekombinieren Elektronen des n-dotierten Materials mit Löchern des p-dotierten Materials, wobei Energie im optischen Bereich abgestrahlt wird. Die Energie der emittierten Strahlung kann in einem weiten Spektralbereich, vom sichtbaren Licht bis weit ins Infrarote, liegen.

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.

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.

Wird eine herkömmliche Lasertreiberstufe aber für immer höhere Leistungen ausgelegt, werden andere Eigenschaften des Treibers, wie zum Beispiel Anstiegs- und Abfallzeiten, Pulsbreite und IFF der emittierten Laserpulse, immer schlechter, während gleichzeitig Größe und Gewicht des Treibers stark ansteigen.

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.

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.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Treiberstufe für eine gepulste Hochleistungs-Laserdiode zur Erzeugung von Kurzzeit-Lichtpulsen mit hoher Spitzenleistung bei hoher IFF.

Dabei soll auch ein hohen Wirkungsgrad bei geringem Gewicht und kompaktem Aufbau der Treiberstufe gewährleistet sein.

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.

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.

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.

Vorteilhaft besitzt der Streifenleiter eine fächerartige oder kreisscheibenartige Form.

Die erfindungsgemäße Treiberstufe kann aber auch mit einem Streifenleiter mit über seiner Länge gleichmäßiger Impedanz ausgestattet sein, wobei bevorzugt eine Anpassungsimpedanz zwischen Streifenleiter und Laserdiodenarray vorgesehen ist. Eine derartige Anpassungsimpedanz kann aber auch im Fall der Verwendung eines Streifenleiters mit nicht gleichmäßiger Impedanz vorteilhaft hat.

Als Triggerlichtquelle wird bevorzugt ein gepulster Laser von geringer oder mittlerer Leistung verwendet.

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.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Treiberstufe für Halbleiterlaser anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Laserdiodentreibers;

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen als fächerartiger Streifenleiter ausgebildeten Energiespeicherkondensator der Erfindung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Kondensator der Fig. 2;

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicherkondensators, bei welcher der Kondensator als kreisringartiger Streifenleiter ausgebildet ist;

Fig. 5 ein durch den Kreismittelpunkt verlaufender Längsschnitt durch den Kondensator der Fig. 4;

Fig. 6 eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Energiespeicherkondensator, der einen Streifenleiteraufbau mit gleichmäßiger Impedanz besitzt;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch den Kondensator der Fig. 6;

Fig. 8 ein Blockdiagramm, welches den Weg des Stromimpulses von dem erfindungsgemäßen Energiespeicherkondensator in das Hochleistungs-Laserarray zeigt;

Fig. 9 drei Schaubilder, die den zeitlichen Verlauf des Energieflusses in einer Treiberstufe mit einem Energiespeicherkondensator mit nicht gleichmäßiger Impedanz illustrieren.

Fig. 10 drei Schaubilder, die den zeitlichen Verlauf des Energieflusses in einer Treiberstufe mit einem Energiespeicherkondensator mit gleichmäßiger Impedanz illustrieren.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Treiberstufe für einen kompakten, gepulsten Halbleiterlaser mit hoher Leistung und hoher Impulsfolgefrequenz. Wie in Fig. 1 erkennbar, umfaßt der gepulste Lasertreiber eine Kontrolleinheit 10, einen Ladeimpulsgeneratur 20, der Mittel zur Leistungsaufbereitung bzw. -umformung umfaßt, einen Energiespeicher 30, einen Triggerlichtquelle 40 mit zugehöriger Treibereinheit, einen optisch aktiverbaren Halbleiterschalter 50 und ein Hochleistungs-Laserarray 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.

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.

Der Energiespeicher 30 umfaßt einen Kondensator mit niedriger Impedanz, der in einer bevorzugten Ausführungsform als Streifenleiter aufgebaut ist, wobei der Streifenleiter über seine Länge eine konstante (gleichmäßige) oder eine veränderliche (nicht gleichmäßige) Impedanz aufweisen kann. Der Energiespeicher 30 speichert die vom Impulsgenerator 20 gelieferte Energie.

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.

Als optisch aktiverbarer Halbleiterschalter 50 können verschiedenste, an sich bekannte optisch aktivierbare Schalter eingesetzt werden. 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, der dann in das Laserarray 60 geleitet wird.

In dem Hochleistungs-Laserarray 60 werden die mittels des optisch aktivierbaren Halbleiterschalters erzeugten Stromimpulse als Hochleistungs-Laserimpulse ausgesendet.

Auf ein Signal der Kontrolleinheit 10 hin, wird die vom Netz oder von einer Batterie stammende elektrische Primärenergie geeignet aufbereitet und zur Aufladung des Energiespeichers 30 verwendet.

Da der optisch aktiverbare Halbleiterschalter nur für die Zeitdauer des Triggerlichtimpulses eingeschaltet ist, kann der erzeugte Stromimpuls auch nur maximal diese Zeitdauer besitzen. Dabei können zur Leitung des Triggerlichtes beispielsweise ein oder zwei faseroptische Kabel verwendet werden. 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.

Statt die herkömmlichen Hochspannungskondensatoren und Hochleistungs-Halbleiterschalter zur Modulation des in das Laserdiodenarray geleiteten Stromes zu verwenden, werden erfindungsgemäß Streifenleiter mit gleichmäßiger oder 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.

In den Fig. 2 und 3 ist eine erste Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Energiespeichers 30 dargestellt, der als hier als fächerförmiger Streifenleiter mit nicht gleichmäßiger Impedanz ausgebildet ist. Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform, bei welcher der Streifenleiter eine kreisringartige Form aufweist. Die Fig. 6 und 7 zeigen dagegen einen Energiespeicherkondensator mit gleichmäßiger Impedanz, der über einen Schalter 50 und eine Anpassungsimpedanz 55 mit einem Laserdiodenarray 60 zusammenwirkt. 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 5 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:

Dabei sind: C die Kapazität, A die Elektrodenfläche des Kondensators, ε₀ die Influenzkonstante, t die Dicke des dielektrischen Mediums, ε_r die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Mediums, Z₀ die charakteristische Impedanz der Streifenleitung und w die Breite der Elektrode der Streifenleitung.

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 Z_in des inneren Endes 31 und die Impedanz Z_out des äußeren Endes 32 der Leitung unterschiedlich sein können.

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.

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.

Wenn insbesondere zwischen Schalter und Laserarray, wie in Fig. 8 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. 8):

I = (g × V)/(Z_in+R_on+R_m)}, in Ampère (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), R_m die äußere Anpassungsimpedanz (wobei R_m auch die Impedanz des Laserarray in Durchlaßrichtung umfaßt), V die Vorspannung des Spannungspulses zur Aufladung des Kondensators, Z_in die innere charakteristische Impedanz der Streifenleitung und R_on die Impedanz des Halbleiterschalters in Durchlaßrichtung. Im Fall vollständiger Impedanzanpassung, wobei R_on vernachlässigbar und Z_in und R_m gleich sind, erhält man für den erzeugten Stromimpuls die folgende Beziehung:

I = (g/R_m) × (V/2), in Ampère (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.

Wenn aber andererseits der Energiespeicher 30, wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt, als eine streifenleiterartiger Kondensator mit gleichmäßiger Impedanz ausgebildet ist, ergeben sich für die Kapazität C und die charakteristische Impedanz Z₀ des Streifenleiters dieselben Beziehungen wie für der Fall der nicht gleichmäßigen Impedanz:

Dabei sind wieder: C die Kapazität, A die Elektrodenfläche des Kondensators, ε₀ die Influenzkonstante, d die Dicke des dielektrischen Mediums, ε_r die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Mediums, Z₀ die charakteristische Impedanz der Streifenleitung und w die Breite der Elektrode der Streifenleitung.

Insbesondere wenn der in den Fig. 6 und 7 dargestellte Energiespeicherkondensator über eine Impedanzanpassung 55 mit dem Laserarray 60 verbunden 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 jedoch nicht so groß wie die Stromamplitude einer Streifenleitung mit nicht gleichmäßiger Impedanz, weil der entsprechende Verstärkungsfaktor g nicht auftritt. Für die maximale Amplitude des Stromes erhält man:

I = V/(2 × R_m)}, in Ampère (A)

Die erreichbare minimale Pulsdauer dieser Stromimpulse entspricht der doppelten Laufzeit, welche die Welle für die Länge L des Streifenleiters benötigt.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 7 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 vom Netz oder von einer Batterie gelieferte Primärleistung wird geeignet aufbereitet und mit Hilfe des Ladeimpulsgenerators 20 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 augesandtes Steuersignal die Triggerlichtquelle und ihre zugehörige Treibereinheit.

Die Triggerlichtquelle 40 erzeugt optische Impulse 41 mit schneller Anstiegszeit und einer sehr hohen Impulsfolgefrequenz und sendet diese Pulse auf einen optisch aktivierbaren Halbleiterschalter 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. 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 R_on) wechselt.

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.

Eine graphische Darstellung des Energieflusses in der erfindungsgemäßen Treiberstufe mit einem nicht gleichmäßigen Streifenleiter ist in Fig. 9 dargestellt.

Schaubild 9a 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 9b 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 9c 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 später (Zeitpunkt t₁′′) als der Schalter vom Triggerlichtimpuls geschlossen wird (Zeitpunkt t₁′). Diese Differenzen werden aber umso geringer, je kompakter der Treiberstromkreis aufgebaut ist.

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:

Die Differenz (r_out-r_in) 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 r_out und r_in 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′′).

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.

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.

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.

Wenn eine Streifenleiter mit gleichmäßiger Impedanz, wie er beispielsweise in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist, in einer erfindungsgemäßen Treiberstufe eingesetzt wird, entspricht die Pulsform der Ausgangslaserimpulse weitgehend der Pulsform der anregenden Stromimpulse, außer daß die Anstiegs- und Abfallzeiten der Laserimpulse schneller als die der entsprechenden Stromimpulse sind. Die erreichbare minimale Pulsdauer wird wieder von der Dauer der Triggerimpulses, wie auch der Wellenlaufzeit im Energiespeicher bestimmt.

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 Streifenleiter der Länge L mit gleichmäßiger Impedanz. Die folgende Beziehung macht dies deutlich:

Wie schon erwähnt ist der Wirkungsgrad nicht so hoch wie im Fall des Streifenleiters mit nicht gleichmäßiger Impedanz, weil eine Verstärkung durch Impedanztransformation stattfindet. Mit einer guten Impedanzanpassung zur Vermeidung von Mehrfachreflexionen können jedoch auch in diesem Fall scharfe und intensive Laserimpulse erzeugt werden.

Der geometrische Effekt einer gleichmäßigen oder 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.

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.

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 r_in und r_out, also die Länge L des Streifenleiters, gewählt wird, desto kürzere Laserimpulse können erzeugt werden.

Claims

1. Treiberstufe für Halbleiterlaser mit einer Kontrolleinheit (10) zur Regelung von Steuersignalen, einem Ladeimpulsgenerator (20), der Mittel zur Aufbereitung der elektrischen Energie umfaßt, die die Steuersignale der Kontrolleinheit (10) empfangen können und dabei elektrische Energie erzeugen, einem Energiespeicher (30), der diese elektrische Energie speichert, einer Triggerlichtquelle (40) mit Treibermitteln zur Erzeugung eines optischen Triggersignals (41) nachdem die elektrische Energie im Energiespeicher (30) gespeichert wurde, einem optisch aktivierbaren Halbleiterschalter (50), um die kapazitiv gespeicherte elektrische Energie in einen starken Stromimpuls umzuwandeln und mit einem Hochleistungs- Laserarray (60), um den durch den optisch aktivierbaren Halbleiterschalter (50) zum Array (60) geleiteten Stromimpuls in einen optischen Impuls (61) hoher Leistung umzuwandeln, der ausgestrahlt werden kann, wobei der Energiespeicher (30) einen Kondensator mit sehr niedriger Impedanz zur Energiespeicherung umfaßt.

2. Treiberstufe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator zur Energiespeicherung als Streifenleiter mit nicht gleichmäßiger Impedanz ausgebildet ist.

3. Treiberstufe gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifenleiter eine fächer- oder kreisscheibenartige Form besitzt.

4. Treiberstufe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator zur Energiespeicherung als Streifenleiter mit gleichmäßiger Impedanz ausgebildet ist.

5. Treiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerlichtquelle (40) eine gepulste Laserdiode von geringer oder mittlerer Leistung ist.

6. Verfahren zur Erzeugung kurzer Laserlichtimpulse mit hoher Ausgangsleistung unter Verwendung einer Treiberstufe für Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem

- 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.