DE19840514A1

DE19840514A1 - Energiequellen-Steuergerät für Laserdiode

Info

Publication number: DE19840514A1
Application number: DE19840514A
Authority: DE
Inventors: Yoshihide Kinbara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 1999-03-18
Also published as: US6259714B1; JPH1187817A; KR100276420B1; JP3456120B2; CN1211093A; KR19990029211A; CN1130807C; TW412890B

Description

Diese Erfindung betrifft ein ein Energiequellen-Steuergerät zum Steuern einer Stromversorgung bei einer Laserdiode in einem Halbleiterlaser. In dem Halbleiterlaser erfolgt eine Laseroszillation durch Zuführung von Strom zu einem p-n-Über gang.

Die Fig. 10 zeigt eine Gesamtschaltung für ein übliches Energiequellen-Steuergerät bei Laserdioden.

Wie in Fig. 10 gezeigt, besteht eine Energiequelle 1 aus einer Konstantspannungsquelle wie einer Gleichstrom- Energiequelle usw. Ein Stromsteuer-Schaltelement 2 ist mit der Energiequelle 1 so verbunden, daß es einen Schaltbetrieb gemäß einem externen Signal durchführt, d. h. einen ausgegebenen Leit- bzw. Befehlssignal PL. Die Energiequelle 1 ist mit einer Serienschaltung bestehend aus dem Schaltelement 2 und einer in Sperrichtung vorgespannten Diode 3 verbunden. Eine Reaktanzspule 4 ist mit einem Anschlußpunkt "a" verbunden, über den das Umschaltelement 2 und die Diode 3 miteinander in Serie verbunden sind. Der andere Anschluß der Reaktanzspule 4 ist mit einem Anschlußpunkt "b" an einer Anodenseite der in Serie verbundenen Laserdiode LD1-LDn angeschlossen. Andererseits ist die Kathodenseite der Laserdioden LD1-LDn mit einem Verbindungspunkt "c" an einem Verbindungspunkt zwischen der Energiequelle 1 und der Diode 3 angeschlossen. Energie wird den Laserdioden LD1-LDn durch die Schaltsteuerung des Umschaltelements 2 über die Reaktanzspule 4 zugeführt.

Die Laserdioden LD1-LDn emittieren jeweils Laserstrahlen zu einem Festkörper-Lasermedium oder -stab 5. Derartige Laserstrahlen werden angeregt und sie oszillieren zwischen einem Reflexionsspiegel 7 (100% Reflexionsvermögen) und einem halbdurchlässigen Spiegel 6, so daß ein Halbleiterlaser 8 der den halbdurchlässigen Spiegel 6 austritt. Zum Zuführen von Strom zu den Laserdioden LD1-LDn detektiert ein Stromdetektor 9 einen Strom der Reaktanzspule 4. Anschließend wird eine Ausgangsgröße des Detektors 9 zu einem Fehlerkomparator 10 rückgeführt und mit einem Sollwert ITH eines Sollwertgebers 11 verglichen. Das Umschaltelement 2 führt die Umschaltsteuerung gemäß einem Vergleichsergebnis durch, damit ein Strom mit einem gleichen Wert wie der Sollwert ITH zugeführt wird. Das Leitsignal ITH wird durch ein analoges Steuertor bzw. Gate 12 an- und abgeschaltet, das anhand eines Ausgangstreibersignals PL betrieben wird. Demnach erfolgt eine Anschalt/Abschaltsteuerung des den Laserdioden LD1-LDn zugeführten Stroms derart, daß ein konstanter Strom, gesetzt zu dem Sollwert ITH, den Laserdioden LD1-LDn zugeführt wird.

Die Fig. 11a-11c zeigen Signalformen und ein Zeitablaufdiagramm zum Erläutern eines Betriebs des in Fig. 10 gezeigten Steuergeräts.

Die Fig. 11a zeigt eine Signalform des Treibersignals PL zum An- und Abschalten des analogen Steuertors 10. Die Fig. 11b zeigt eine Signalform eines Laserdioden-Eingangsstroms 1, der einen Strom darstellt, der den Laserdioden LD1-LDn zugeführt wird. Die Fig. 11c zeigt eine Signalform einer an einer Laserdiode angelegten Spannung V als Spannung, die an den Laserdioden LD1-LDn anliegt.

Wird im Zeitpunkt T1 das Signal PL angeschaltet, so wird das Schaltelement 2 angeschaltet. Anschließend nimmt der Strom I mit fester Zeitkonstante gemäß einer Induktanz bzw. einem induktiven Widerstand der Reaktanzspule 4 zu. Erreicht der Strom I der Reaktanzspule 4 den Sollwert ITH zu einem Zeitpunkt T2, so erfolgt eine Abschaltsteuerung des Schaltelements 2 zum Halten des Stroms I auf einem derartigen konstanten Wert. In diesem Zeitpunkt wird die Ausgangsgröße des Detektors 9 bei dem Komparator 10 eingegeben, und es erfolgt ein Vergleich mit dem Sollwert ITH derart, daß der Strom mit demselben Wert wie der Sollwert ITH durch die Umschaltsteuerung zugeführt wird. Wird das Signal PL zu einem Zeitpunkt T3 abgeschaltet, so wird das Schaltelement 2 abgeschaltet. Anschließend beginnt die Abnahme des Stroms I bei der Reaktanzspule 4 mit fester Zeitkonstante. Da die Reaktanzspule 4 Energie speichert, die anhand der Induktanz und des Stromwerts festgelegt ist, ist der Strom I bis zu einem Zeitpunkt T4 nicht abgeschaltet. Die Induktanz der Reaktanzspule 4 speichert die Energie zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 dann, wenn der Strom I zunimmt. Demnach ist bei einer großen Induktanz eine lange Zeitdauer erforderlich. Insbesondere dann, wenn ein Puls kurzer Breite zwischen den Zeitpunkten T5-T6 ausgegeben wird, kann der Strom I keine Rechteckwelle sein, wie anhand der Ausgabestrom-Signalform I11 zwischen den Zeitpunkten T5-T7 gezeigt.

Insbesondere kann das übliche Steuergerät keinen Eingangsstrom als Rechteckswelle an die Dioden LD1-LDn in Ansprechen auf eine kurze Pulsbreite ausgeben. Demnach weist der Ausgangsstrom eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit auf, und es ist nicht möglich, eine korrekte Pulsstromsignalform auszugeben.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Energiequellen-Steuergeräts für eine Laserdiode, die ein schnelles Ansprechverhalten beim Zuführen von Strom zu einer Laserdiode aufweist.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung enthält ein Energiequellen-Steuergerät für eine Laserdiode eine Laserdiode. Eine Konstantstromquelle ist mit der Laserdiode verbunden. Eine Stromschaltkreis bildet eine Zirkulierschaltung zum Zirkulieren eines von der Konstantstromquelle ausgegebenen Stroms dann, wenn ein Laserausgangs-Leitsignal zum Bestimmen der Laserdiodenausgangsgröße als Laserstrahl zu AUS bestimmt ist. Die Stromschaltkreis bildet eine Schaltung zum Zuführen von Energie von der Konstantenergiequelle zu der Laserdiode ausgehend von der Konstantenergiequelle dann, wenn das Laserausgabe-Leitsignal zu AN bestimmt ist.

Die Stromschaltkreis kann ein erstes Schaltelement enthalten, das parallel zu der Laserdiode angeschlossen ist, sowie ein zweites Schaltelement, das parallel zu der Laserdiode angeschlossen ist. Die Stromschaltkreis schaltet das erste Schaltelement an, während es das zweite Schaltelement abschaltet, wenn das Laserausgabe-Leitsignal zu AUS bestimmt ist, wodurch ein Strom ausgehend von der Konstantstromquelle in der Stromschaltkreis über das erste Schaltelement zirkuliert. Die Stromschaltkreis schaltet das zweite Schaltelement an, während das erste Schaltelement ausgeschaltet ist, wenn das Laserausgabe-Leitsignal zu AN bestimmt ist, wodurch der Strom von der Konstantstromquelle zu der Laserdiode über das zweite Schaltelement ausgegeben wird.

Die Stromschaltkreis kann ein parallel zu der Laserdiode angeschlossenes Umschaltelement enthalten. Die Stromschaltkreis schaltet das Umschaltelement an, wenn das Laserausgabe-Leitsignal zu AUS bestimmt ist, wodurch ein Strom ausgehend von der Konstantstromquelle in der Stromschaltkreis über das Umschaltelement zirkuliert. Die Stromschaltkreis schaltet das Schaltelement aus, wenn das Laserausgabe-Leitsignal zu AN bestimmt ist, wodurch der Strom von der Konstantstromquelle zu der Laserdiode ausgegeben wird.

Mit diesen Merkmalen läßt sich die Stromänderung (di/dt) der Stromausgangsgröße von der Konstantstromquelle im wesentlichen ignorieren, derart, daß sich auch der Einfluß aufgrund der Induktanz in der Konstantstromquelle ignorieren läßt. Demnach lassen sich konstante Strompulse mit steilem Anstieg und Abfall gemäß einer Kapazität der Stromschaltkreis zuführen. Hierdurch weist der der Laserdiode zugeführte Strom ein schnelles Ansprechverhalten auf.

Die Konstantstromquelle kann ein in Serie zu der Laserdiode abgeschlossene Reaktanzspule enthalten. Ein Stromsteuer- Schaltelement kann ferner in Serie zu der Laserdiode und der Reaktanzspule angeschlossen sein. Das Stromsteuer- Schaltelement führt eine Anschalt/Abschaltsteuerung so durch, daß ein konstanter Strom der Laserdiode zugeführt wird. Eine Energiequelle kann ferner zum Zuführen von Energie zu der Laserdiode über das Stromsteuer-Umschaltelement und der serielle angeschlossenen Reaktanz vorgesehen sein. Die Stromschaltkreis führt als Zirkulierschaltungsstrom zu dem Stromsteuer-Umschaltelement und der Reaktanz zu.

Mit diesem Merkmal läßt sich in der Reaktanz vorliegende Stromänderung (di/dt) im wesentlichen ignorieren, so daß sich der Einfluß aufgrund der Induktanz hiervon ebenfalls ignorieren läßt. Demnach lassen sich konstante Strompulse mit steilem Anstieg und Abfall gemäß einer Kapazität der Stromschaltkreis zuführen. Hierdurch weist der der Laserdiode zugeführte Strom ein schnelles Ansprechverhalten auf.

Das Stromsteuer-Schaltelement kann vorab angeschaltet werden, wenn das Laserausgabe-Leitsignal zu AUS bestimmt ist, so daß der Stromwert der Reaktanzspule mit einem Sollwert übereinstimmt. Das Laserausgabe-Leitsignal wird hiernach an- und abgeschaltet. Das Stromsteuer-Schaltelement wird abgeschaltet, nachdem das Laserausgabe-Leitsignal ausgeschaltet ist.

Durch diese Merkmale ist bei dem der Laserdiode zugeführten Strom die Anstiegs- und Abfallflanke steil ausgebildet. Es ist möglich, Konstantstrompulse mit hohem Ansprechverhalten in Ansprechen auf das Laserausgabe-Leitsignal zu erhalten. Hierdurch kann die Laserausgangsgröße von der Laserdiode mit korrekter Synchronisierung bzw. korrektem Zeitablauf erhalten werden.

Entweder eine in Sperrichtung vorgespannte Diode oder ein Widerstand oder beide können parallel zu der Laserdiode angeschlossen sein. Mit diesen Merkmalen kann der der Laserdiode zugeführte Konstantstrom sehr steil ansteigen und abfallen. Demnach wird vermieden, daß eine Rückwärtsspannung aufgrund eines oszillierenden Stroms anliegt, der durch die Selbstinduktivität der Leitungsdrähte der Schaltung, der Kapazität der Stromschaltkreis oder Laserdiode, der Streukapazität zwischen den Anschlußdrähten usw. erzeugt wird. Hierdurch ist eine Beschädigung der Schaltung nur sehr schwer möglich.

Weiterhin können mehrere Laserdioden in Serie verbunden sein. Dann sind entweder die Diode oder der Widerstand oder beide parallel zu jeder Laserdiode angeschlossen. Die Widerstände weisen denselben Widerstandswert auf. In diesem Fall erfolgt durch die Widerstände ein Ausgleich der Spannungen zwischen den Laserdioden während der Abschaltzeiten durch Teilen der Spannungen anhand desselben Widerstandswerts. Demach wird vermieden, daß die Spannung bei einer bestimmten Laserdiode konzentriert ist. Hierdurch wirkt der Widerstand zum Vermeiden einer Oszillation des Oszillationsstroms.

Eine in Sperrichtung vorgespannte Diode kann parallel zu der Laserdiode bei einer Position in der Nähe der Laserdiode vorgesehen sein. Eine Serienschaltung ist parallel zu der in Querrichtung vorgespannten Diode vorgesehen. Die Serienschaltung enthält einen Widerstand und einen Kondensator.

Durch diese Merkmale vermeidet die in Sperrichtung vorgespannte Diode das Anliegen einer Rückwärtsspannung an der Laserdiode, wenn der Strom bei der Laserdiode abgetrennt ist. Weiterhin wird durch die Serienschaltung ein positiver Spannungsanstieg vermieden, wenn ein über die in Sperrichtung vorgespannte Diode fließender Strom abgetrennt ist. Hierdurch ist es möglich, die Laserdiode sicher zu betreiben, die einfach durch die Rückspannung zerstört wird.

Eine Energiequellenspannung der Konstantstromquelle kann näherungsweise dem doppelten Wert wie der Gesamtwert des Vorwärtsspannungsabfalls der Laserdiode aufweisen. Aufgrund dieses Merkmals stimmen der Stromanstieg- und -abfall in der Konstantstromquelle bei einem Anschalten und Abschalten der Energie im wesentlichen überein. Somit wird der Durchschnitt des in der Konstantstromquelle und der Laserdiode fließenden Stroms im wesentlichen gleich. Beispielsweise ist die Stromzunahme- und -abnahme bei der Reaktanz im wesentlichen gleich, wenn das Stromsteuer-Umschaltelement an- und abgeschaltet wird. Demnach wird ein Durchschnitt des durch das Stromsteuer-Umschaltelement und die Laserdiode fließenden Stroms gleich. Hierdurch ist der Strom gemittelt, und es läßt sich eine Energiequelle mit hoher Ausgangsleistung bei insgesamt geringen Kosten herstellen.

Ein Festkörper-Lasermedium kann durch eine Laserstrahl- Ausgangsgröße der Laserdiode angeregt werden, um hierdurch einen Laserstrahl zu erzeugen. Bei diesem Merkmal wird die Ausgangsstromsignalform nicht durch eine Gleichstromveränderung beeinflußt. Demnach ist es möglich, einen ausreichend stabilen Pulsstrom der Laserdiode selbst bei Schwankung der Spannung zuzuführen, und selbst wenn die Quellspannung lediglich durch Gleichrichtung eines kommerziell verfügbaren Wechselstroms erhalten wird. Anschließend regt der ausgegebene Laser das Festkörper- Lasermedium wie ein YAG-Laserstab (Yttrium-Aluminium-Granat) an, um hierdurch die Oszillation des Lasers zu bewirken. Hierdurch kann der Laserstrahl mit hohem Wirkungsgrad ausgegeben werden. Weiterhin ist es möglich, den Laserstrahl zu erzeugen, der durch den Pulsstrom mit schnellem Ansprechverhalten gepulst ist. Ein derartiger Laserstrahl weist eine gute Eigenschaft für die Laserbearbeitung auf.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung deutlich dargestellt sind; es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild zum Darstellen einer Gesamtschaltung eines Energiequellen-Steuergeräts für die Laserdiode gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Konzeptansicht zum Darstellen einer Schaltung bei einer Laserdiodenseite des in Fig. 1 gezeigten Steuergeräts;

Fig. 3a-3f ein Zeitablaufdiagramm und Signalformen zum Erläutern eines Betriebs des Steuergeräts gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4a und 4b eine tatsächliche Stromsignalform, die den Laserdioden der ersten Ausführungsform der Erfindung zugeführt wird;

Fig. 5 ein Schaltbild zum Darstellen einer Schaltung bei einer Laserdiodenseite eines Energiequellen- Steuergeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine Konzeptansicht zum Darstellen einer Schaltung bei einer Laserdiodenseite in der zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7a und 7b eine tatsächliche Stromsignalform, wie sie den Laserdioden gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zugeführt wird;

Fig. 8 ein Schaltbild zum Darstellen einer Gesamtschaltung eines Energiequellen-Steuergeräts gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 ein Zeitablaufdiagramm und Signalformen zum Erläutern eines Betriebs des Steuergeräts der dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 ein Schaltbild zum Darstellen einer Gesamtschaltung eines üblichen Energiequellen-Steuergeräts für Laserdioden; und

Fig. 11a-11c Signalformen und ein Zeitablaufdiagramm zum Erläutern eines Betriebs des in Fig. 10 gezeigten Steuergeräts.

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden hiernach unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. An den Elementen, die mit den in den üblichen und in Fig. 10 und Fig. 11a-11c gezeigten Elementen übereinstimmen, sind dieselben Bezugszeichen angebracht. Weiterhin wird dasselbe Bezugszeichen zum Darstellen desselben Elements über mehrere Ausführungsformen hinweg eingesetzt.

Die Fig. 1 zeigt eine Gesamtschaltung eines Energiequellen- Steuergeräts für eine Laserdiode gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Fig. 2 zeigt eine Konzeptansicht einer Schaltung bei einer Laserdiodenseite des in Fig. 1 gezeigten Steuergeräts, bei dem vier Laserdioden eingesetzt werden.

Wie in Fig. 1 gezeigt, kann das Stromsteuer-Umschaltelement 2 ein MOSFET oder dergleichen sein. Das Umschaltelement 2 ist mit einer positiven Seite einer Energiequelle 1 verbunden, und es führt einen Umschaltbetrieb gemäß einem externen Treibersignal ST durch. Die Diode 3 wirkt als Schwungrad(-Schal tung) für die unten erläuterte Schaltung, die die Reaktanz 4 und die Laserdioden LD1∼LDn usw. enthält. Sie kann eine einzige Laserdiode oder mehrere in Serie verbundene Laserdioden aufweisen. Ein Anschluß der Reaktanz 4 ist mit einem Verbindungspunkt "d" zwischen um Umschaltelement 2 und der Diode 3 verbunden. Der andere Anschluß der Reaktanz 4 ist mit einer Kathodenseite der Laserdioden LD1∼LDn bei einem Verbindungspunkt "e" verbunden. Ein Ausgangsanschluß DA wird durch einen Verbindungspunkt zwischen der Reaktanz 4 und der Anode der Laserdioden LD1∼LDn definiert. Die Kathodenseite der Laserdioden LD1∼LDn ist mit einem ersten (später beschriebenen) Umschaltelement 23 bei einem Verbindungspunkt "g" verbunden, der zu einem Verbindungspunkt "f" zwischen der Energiequelle 1 und der Diode 3 führt. Die Verbindungsdrähte 31 und 32 verbinden die Anode und Kathode der Laserdioden LD1-LDn jeweils mit den Verbindungspunkten "e" und "g" bei den Ausgangsanschlüssen DA und DK.

Zum Zuführen von Strom zu den Laserdioden LD1-LDn detektiert der Stromdetektor 9 den Strom der Reaktanz 4. Anschließend führt das Umschaltelement 2 die Umschaltsteuerung auf der Grundlage der Ausgangsgröße des Komparators 10 durch, in ähnlicher Weise wie bei dem zuvor erläuterten üblichen Stand der Technik. Demnach weist der zugeführte Strom einen Wert auf, der gleich zu dem Sollwert ITH ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das analoge Steuertor 12 zum An- und Abschalten des Sollwertsignals ITH anhand eines Treibersignals ST betrieben. Insbesondere erfolgt die Anschalt/Abschaltsteuerung des analogen Steuertors 12 durch das Treibersignal ST, das das Starten oder Stoppen des Laserstrahls 8 regelt.

Das Treibersignal ST wird mit einer Dauer ausgegeben, die als Summe einer Zeit berechnet wird, die anhand einer Zeitkonstante der Reaktanz 4 festgelegt ist, so daß sie eine Zeit eines Laserausgabe-Leitsignals PO umfaßt. Das Signal PO definiert ein Signal zum Ausgeben des Laserstrahls 8 ausgehend von den Laserdioden LD1∼LDn. Wie in den Fig. 3a-3f gezeigt, ist für den Abschluß des Anstiegs des über die Reaktanz 4 fließenden Stroms eine Zeit erforderlich, die einer ansteigenden Signalform 121 entspricht oder ausgehend von einem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t10 verläuft. Deshalb sollte das Leitsignal PO lediglich innerhalb einer Zeitperiode P angeschaltet und abgeschaltet werden. Insbesondere muß das Leitsignal ST vor dem Zeitpunkt T1 angeschaltet sein. In anderen Worten ausgedrückt können die Treibersignale ST sukzessive erzeugt werden, anhand einer Wiederholungspulsfrequenz bei fixierter Pulsbreite dann, wenn die Energie angeschaltet wird. Andernfalls kann ein Treibersignal ST mit fester Pulsbreite vor dem Anstieg des Signals PO ansteigen, durch Verzögerung des Signals PO. Ebenfalls sind alle Modifikationen möglich, solange der Reaktanz 4 ein Strom gemäß dem Sollwert ITH oder dessen geeigneter Wert durch das Treibersignal ST vor dem Leitsignal PO oder dessen Anstieg zugeführt wird. Zudem muß das Treibersignal ST nach einem Abfall des Leitsignals PO enden.

Eine UND-Schaltung 21 bildet ein logisches Produkt des Leitsignals PO und des Treibersignals ST, und zwar zum An- oder Abschalten eines ersten Umschaltelements 23, das aus MOSFETs oder dergleichen besteht, und zwar über einen Treiber 22. Zur gleichen Zeit invertiert ein Inversionstreiber die Ausgangsgröße der UND-Schaltung 21 zum Treiben des Anschalt- und Abschaltbetriebs bei einem zweiten Umschaltelement 25. Das heißt, sind das Treibersignal ST und das Leitsignal PO angeschaltet, so wird entweder das erste oder das zweite Umschaltelement 23 und 25 durch die Ausgangsgröße der UND-Schal tung 21 angeschaltet, wohingehend das andere abgeschaltet ist. Das zweite Umschaltelement 25 ist zwischen dem Verbindungspunkt "f" und dem Verbindungspunkt "e" angeschlossen. Das erste Umschaltelement 23 ist zwischen dem Verbindungspunkt "f" und dem Verbindungspunkt "g" verbunden. Eine Diode 26 ist umgekehrt zwischen der positiven Seite der Energiequelle 1 und dem Verbindungspunkt "e" angeschlossen. Eine Diode 24 ist ebenfalls umgekehrt zwischen der positiven Seite der Energiequelle 1 und dem Verbindungspunkt "g" angeschlossen.

Bei der vorliegenden Erfindung besteht ein Stromschaltkreis 200 aus der UND-Schaltung 21, dem Treiber 22, dem Inversionstreiber 27, dem zweiten Umschaltelement 25, der Diode 26, dem ersten Umschaltelement 23 und der Diode 24. Insbesondere bilden das zweite Schaltelement 25, die Diode 26, das erste Schaltelement 23 und die Diode 24 einen Umschaltteil 200A.

Eine Konstantstromquelle 100 besteht aus dem Sollwertgeber 11, dem analogen Steuertor 12 und dem Fehlerkomparator 100, dem Stromsteuer-Schaltelement 2, der Diode 3, der Reaktanz 4 und dem Stromdetektor 9. Die Stromquelle 100 erzeugt einen konstanten Strom durch den Umschaltbetrieb.

Die Ausgangsgröße der Energiequelle 100 wird zu den Ausgabeanschlüssen DA und DK über den Schaltteil 200A geführt. Üblicherweise verbinden, wie in Fig. 2 gezeigt, Anschlußdrähte 31 und 32 die Ausgangsanschlüsse DA und DK jeweils mit der Anode und Kathode der Laserdioden LD1-LDn(LD1-LD4 in Fig. 2). Die Anschlußdrähte 31 und 32 weisen ihre eigenen Selbstinduktivitäten L31 und L32 auf.

Wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt, sind in Sperrichtung vorgespannte Dioden D1∼Dn und Widerstände R1∼Rn parallel zu den Laserdioden LD1∼LDn angeschlossen.

Die Laserdioden LD1-LDn selbst wirken auf die gleiche Weise wie beim Stand der Technik beschrieben. Vorzugsweise sollte die Zahl der Laserdioden LD1-LDn in Übereinstimmung mit der gewünschten Laserausgangsgröße bestimmt sein. Ein Paar jeweils einer in Sperrichtung vorgespannten Diode D1-Dn und eines Widerstands R1-Rn können parallel zueinander und zu den Laserdioden LD1-LDn angeschlossen sein. Andernfalls kann die in Sperrichtung vorgespannte Diode D1-Dn oder der Widerstand Rl-Rn parallel zu jeder Laserdiode LD1-LDn angeschlossen sein, obgleich nicht gezeigt. Derartige in Sperrichtung vorgespannte Dioden D1-Dn und Widerstände R1-Rn dienen zum Absorbieren einer Rückwärtsspannung. Demnach können die Diode D1-Dn oder der Widerstand R1-Rn allein in Übereinstimmung mit dem Umfang einer elektromotorischen Rückkraft eingesetzt werden.

Die Fig. 3a-3f zeigen ein Zeitablaufdiagramm sowie Signalformen zum Erläutern eines Betriebs des Steuergeräts gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.

Die Fig. 3a zeigt eine Signalform des Treibersignals ST. Die Fig. 3b zeigt eine Signalform eines von der Energiequelle ausgegebenen Stroms. Die Fig. 3c zeigt eine Signalform des Leitsignals PO. Die Fig. 3d zeigt eine Signalform eines den Laserdioden LD1-LDn zugeführten Stroms. Die Fig. 3e zeigt eine Signalform eines elektrischen Potentials bei der negativen Seite der Energiequelle und dem Anschluß DA. Die Fig. 3f zeigt eine Signalform des elektrischen Potentials bei der negativen Seite der Energiequelle und dem Anschluß DK.

Das in Fig. 3a gezeigte Treibersignal ST wird zu einem Zeitpunkt t1 angeschaltet ("H") und bei einem Zeitpunkt t6 abgeschaltet ("L"). Liegt keine Laserausgangsgröße vor, so ist das Leitsignal zu AUS ("L") in Zeitpunkt t1 bestimmt, wie in Fig. 3c gezeigt. Somit liegt der Ausgang der UND-Schaltung 21 bei "L", so daß das zweite Umschaltelement 25 angeschaltet ist, während das erste Umschaltelement abgeschaltet ist. Wird das Treibersignal ST zu "H", so ist das analoge Steuertor 12 angeschaltet. Anschließend wird das Umschaltelement 2 über den Komparator 10 angeschaltet. Hierdurch nimmt der Strom mit der Zeitkonstante der Reaktanz 4 zu, wie anhand einer ansteigenden Signalform 121 des von der Energiequelle 1 ausgegebenen Stroms in Fig. 3b gezeigt. Erreicht der momentane Wert den Sollwert ITH, so beginnt das Umschaltelement 2 mit einem wiederholten An- und Abschalten, damit der Strom auf dem festen Sollwert ITH gehalten wird. In diesem Zeitpunkt fließt aufgrund der Tatsache, daß das zweite Umschaltelement 25 angeschaltet ist, der Strom vollständig über das zweite Umschaltelement 25, und kein Strom fließt über die Laserdioden LD1-LDn. Anschließend besteht die Spannung bei dem Anschluß DA oder Verbindungspunkt "e" lediglich aus dem Spannungsabfall des zweiten Umschaltelements 25. Somit ist sie im wesentlichen Null, wie in Fig. 3e gezeigt. Da weiterhin das erste Umschaltelement 23 zu AUS geschaltet ist, ist die Spannung bei dem Anschluß DK oder dem Verbindungspunkt "g" kleiner als der Vorwärtsspannungsabfall bei den Laserdioden LD1-LDn. Wie in Fig. 3f gezeigt, ist sie Null.

Geht zu einem Zeitpunkt T2 das Signal PO zu "H" über, wie in Fig. 3c gezeigt, so ist das zweite Umschaltelement 25 abgeschaltet, während das erste Umschaltelement 23 angeschaltet ist. Anschließend sind die Laserdioden LD1-LDn mit der Energiequelle 1 über die Reaktanz 4 und das erste Umschaltelement 23 verbunden. Somit wird der über die Reaktanz 4 und das zweite Umschaltelement 25 zirkulierende Strom so umgeschaltet, daß er über die Laserdiode LD1-LDn fließt. Der durch die Reaktanz 4 fließende Strom variiert bei einem Umschalten des Strompfads nicht, so daß kein Einfluß des Induktivitätswerts der Reaktanz 4 besteht. Demnach steigt der Strom sehr schnell an, wie anhand der Stromsignalform I31 nach Fig. 3d gezeigt. In diesem Zeitpunkt besteht die Spannung bei dem Anschluß DK lediglich aus dem Spannungsabfall bei dem ersten Umschaltelement 23. Demnach ist sie im wesentlichen Null, wie in Fig. 3f gezeigt. Weiterhin ist die Spannung bei dem Anschluß DA im wesentlichen gleich dem Vorwärtsspannungsabfall bei den Laserdioden LD1-LDn. Wie in Fig. 3f gezeigt, ist sie Null.

Wie in Fig. 3e gezeigt, tritt bei Beginn des Zeitraums nach dem Zeitpunkt t2 oder dem Zeitpunkt t4 eine kurzzeitige Spitzenspannungssignalform (Impulsspitze) E41, E42 auf. Der Grund hierfür besteht darin, daß sich der Stromanstieg aufgrund der Selbstinduktivität L31, L32 des Verbindungsdrahts 31, 32 beim Umschalten des ersten und zweiten Umschaltelements 23 und 25 verzögert.

Wird im Zeitpunkt t3 das Leitsignal PO zum "L" geschaltet, so ist das zweite Umschaltelement 25 angeschaltet, während das erste Umschaltelement 23 abgeschaltet ist. Demnach wird die Spannung bei dem Ausgangsanschluß DA nahezu Null. Während eine elektromotorische Rückkraft durch die Selbstinduktivitäten L31, L32 der Anschlußdrähte 31, 32 bei dem Anschluß DK vorliegt, wird eine Zirkulierschaltung durch die Diode 24, die Energiequelle 1, die Diode 3, die Reaktanz 41 und die Laserdioden LD1-LDn gebildet. Anschließend wird die Energie zu der Energiequelle 1 rückgeführt bzw. in dieser regeneriert. Wird der Strom der Laserdioden LD1-LDn zu Null, so wird der Ausgangsanschluß DK in den geöffneten Zustand überführt. Aufgrund dieses Faktors wird zu Beginn des Zeitraums nach dem Zeitpunkt t2 oder dem Zeitpunkt t4 eine kurzzeitige Spitzenspannungssignalform (Impulsspitze) E51, E52 erzeugt, wie in Fig. 3e gezeigt.

Wie oben erwähnt, tritt keine Stromveränderung in der Reaktanz 4 beim Umschalten des Strompfads auf. Demnach übt die Induktivität der Reaktanz 4 keinen Einfluß aus, so daß der Anstieg bzw. der Abfall des Stroms sehr schnell erfolgt, wie in Fig. 3d gezeigt. Demnach kann selbst dann, wenn das Signal PE zwischen dem Zeitpunkt t4 und t5 eine kurze Breite aufweist, ein korrekter Pulsstrom den Laserdioden LD1-LDn zugeführt werden.

Wird das Signal ST im Zeitpunkt t6 abgeschaltet, so schaltet sich das Umschaltelement 2 ab. Anschließend zirkuliert der Strom der Reaktanz 4 zu dem zweiten Umschaltelement 25 und der Diode 3, wodurch er nach und nach abfällt, wie anhand einer Signalform 122 in Fig. 3b gezeigt. Der abnehmende Strom der Reaktanz 4 übt keinen Einfluß auf die Laserdioden LD1-LDn aus.

Wie oben beschrieben, wird der Betrieb des Steuergeräts der vorliegenden Ausführungsform im wesentlichen wie folgt durchgeführt. Zunächst schaltet es das Signal ST zu "H", und es schaltet das Signal PO an und aus, nachdem der Strom der Reaktanz 4 den Sollwert ITH erreicht. Anschließend schaltet es das Signal ST zu "L", nach dem Abschalten des Signals PO.

Demnach kann den Laserdioden LD1-LDn immer ein Eingangsstrom als Pulssignal zugeführt werden, der schnell ansteigt und abfällt und einen Spitzenwert aufweist, der gleich dem Sollwert ITH ist. Weiterhin besteht selbst dann, wenn die Anschlüsse DA, DK beabstandet zu den Laserdioden LD1-LDn sind, kein Einfluß der Selbstinduktivitäten L31 und L32 der Anschlußdrähte 31 und 32, und es wird ein schnelles Stromansprechverhalten erzielt. Demnach ist das Steuergerät der vorliegenden Ausführungsform selbst bei einem Laseroszillator mit großer Energie bzw. Leistung wirksam, insbesondere in dem Fall, in dem die Distanz zwischen den Anschlüssen DA und DK und den Laserdioden LD1-LDn lang und der Eingangsstrom der Laserdioden LD1-LDn groß ist. Weiterhin ist das Steuergerät beständig gegenüber dem Einfluß der Veränderung der Energiequellenspannung, während es ein gutes Ansprechverhalten beim Zuführen von Strom zu den Laserdioden LD1-LDn aufweist. Da weiterhin konstante Strompulse mit gutem Ansprechverhalten in Ansprechen auf das Leitsignal PO erzielbar sind, läßt sich die beabsichtigte korrekte Laserausgangsgröße über die Laserdioden LD1-LDn erhalten. Zudem glättet die Reaktanz 4 den durch das Umschaltelement 2 erzeugten konstanten Strom derart, daß der konstante Strom eine geringe Welligkeit aufweist. Demnach ist die Schaltung für die konstante Energiequelle der vorliegenden Ausführungsform einfach und billiger im Vergleich zu einer üblichen Schaltung für eine konstante Energiequelle zum Steuern des Stroms auf einem konstanten Niveau.

Bei der ersten Ausführungsform steigt und fällt der Ausgangsstrom des Steuergeräts sehr schnell. Demnach ist es möglich, daß ein Oszillationsstrom erzeugt wird, und zwar aufgrund der Induktivität L31 und L32, der Kapazität des Umschaltelements 23, 25, der Diode 24, 26 und der Laserdioden LD1-LDn oder der Streukapazität der Verdrahtung oder dergleichen. Demnach vermeiden die Dioden D1-Dn eine Rückwärtsspannung bei den Laserdioden LD1-LDn, und sie schützen diese gegenüber einer Beschädigung. Die Widerstände R1-Rn weisen denselben Widerstandswert auf, und sie führen zu einem Ausgleich der Spannung zwischen den Laserdioden LD1-LDn zum Zeitpunkt der abgeschalteten Spannung, wodurch eine Spannungskonzentration bei einer bestimmten Laserdiode LD1-LDn vermieden wird. Fließt der Strom über die Laserdiode LD1-LDn, so ist selbst dann, wenn ein Widerstand mit niedrigem Widerstandswert (z. B. von ungefähr 20 Ohm) eingesetzt wird, der Energieverbrauch der Laserdiode so gering, daß er ignoriert werden kann. Weiterhin wirkt er zum Vermeiden einer Oszillation bei dem oszillierenden Strom. Selbstverständlich werden dieselben Wirkungen erzielt, wenn sowohl die Dioden D1-Dn als auch die Widerstände R1-Rn angeschlossen sind.

Ist die Spannung der Energiequelle 1 relativ zu der Vorwärtsspannung der seriell verbundenen Laserdioden LD1-LDn höher, so wird die Anstiegsgeschwindigkeit schneller. Jedoch hat eine solche Spannung nichts mit der Abfallgeschwindigkeit zu tun. Andererseits ist eine übermäßig hohe Spannung der Energiequelle 1 nicht vorzuziehen, da durch sie der Schaltverlust des Umschaltelements 2 und das Rauschen erhöht ist. Vorzugsweise ist die Spannung der Energiequelle 1 zu näherungsweise dem Doppelten derjenigen gemäß dem gesamten Vorwärtsspannungsabfall bei den Laserdioden LD1-LDn festzulegen. In diesem Ball wird der Stromanstieg und -abfall bei der Reaktanz 4 beim An- und Abschalten des Umschaltelements 2 gleich. Demnach wird ein durchschnittlicher über das Umschaltelement 2 und die Diode 3 fließender Strom gleich, so daß der Strom einheitlich wird. Demnach ist es möglich, die Energiequelle 1 mit hoher Ausgangsleistung bei geringem Verlust aufzubauen. Die Quellspannung muß nicht exakt das "Zweifache" des gesamten Vorwärtsspannungsabfalls bei den Laserdioden LD1-LDn betragen. Durch die Erfinder usw. konnte bestätigt werden, daß sich kein ungünstiger Einfluß dann ergab, wenn die Quellspannung ungefähr das 1,5- bis 3fache der Größe betrug.

Wie zuvor erwähnt, weist das Steuergerät gemäß jeder Ausführungsform eine optimale Gleichspannung auf. Jedoch beeinflußt die Veränderung der Gleichspannung nicht die Ausgangsstromsignalform. Demnach läßt sich selbst dann, wenn eine lediglich durch Gleichrichtung einer kommerziell verfügbaren Wechselspannung erhaltene Spannung eingesetzt wird, ein ausreichend stabiler Pulsstrom den Laserdioden LD1∼LDn zuführen, unabhängig von der Veränderung der Spannung. Weiterhin wird den Laserdioden LD1-LDn ein Strom durch die Steuergerätzuführung zugeführt, um hierdurch Laserstrahlung auszugeben. Eine derartige Laserstrahlung regt das Festkörper-Lasermedium oder den YAG-Laserstab an. Anschließend erfolgt eine Laseroszillation zwischen dem gegenüberliegenden Spiegel 6 und 7, so daß sich der Laserstrahl 8 mit hohem Wirkungsgrad ausgeben läßt. Die Erregung des YAG-Lasers durch die Laserelektroden LD1-LDn ist sehr wirksam. Weiterhin ist es möglich, den gepulsten Laserstrahl 8 durch den Pulsstrom mit hohem Ansprechverhalten als Ausgangsstrom des Steuergeräts zu erhalten.

Bei einer detaillierten Studie der ersten Ausführungsform wurden einige - nachfolgend beschriebene - Phänomene beobachtet.

Die Fig. 4a zeigt eine tatsächliche Signalform eines elektrischen Potentials bei der negativen Elektrode der Energiequelle und dem Ausgangsanschluß DA der ersten Ausführungsform. Die Fig. 4b zeigt eine detaillierte Signalform des den Laserdioden LD1-LDn der ersten Ausführungsform zugeführten Stroms.

Wird das Leitsignal PO von "H" zu "L" im Zeitpunkt t3 geschaltet, so wird das zweite Umschaltelement 25 angeschaltet, während das erste Umschaltelement 23 abgeschaltet ist. In diesem Zeitpunkt ist es möglich, daß eine elektromotorische Rückwärtskraft oder -spannung an dem Ausgangsanschluß DA aufgrund der Selbstinduktivität L31, L32 des Verbindungsdrahts 31, 32 anliegt. In diesem Fall wird eine Zirkulierschaltung durch die Diode 24, die Energiequelle 1, die Diode 3, die Reaktanz 4 und die Laserdiode LD1-LDn gebildet. Anschließend kann eine Impulsspitzenspannung 143 als eine negative Spannung an der Anodenseite der Laserdioden LD1-LDn bewirkt werden, wie in Fig. 4b gezeigt. Dies führt zu einem Impulsspitzenstrom 133 mit einer negativen Spannung, wie in Fig. 4a gezeigt. Der Grund hierfür besteht darin, daß eine Resonanz zwischen den Laserdioden LD1-LDn mit den Selbstinduktivitäten L31, L32 und der Verbindungskapazität der Dioden D1-Dn auftritt.

Das heißt, die Laserdiode LD1-LDn weist elektrische Eigenschaften wie eine gemeinsame Laserdiode bzw. Ersatz- Laserdiode auf. Demnach erfolgt eine Resonanz aufgrund der Induktivität L31, L32 des Verbindungsdrahts 31, 32 und der Verbindungskapazität des Umschaltelements 23, 25, sowie der Diode 24, 26 und den Laserdioden LD1-LDn oder der Streukapazität zwischen den Drähten. Anschließend wird eine Spannung aufgrund einer solchen Resonanz erzeugt, wodurch die negative Spannung zurückbleibt.

Eine derartige negative Spannung wird durch die umgekehrt und parallel angeschlossenen Dioden D1-Dn absorbiert. Dies bedeutet jedoch, daß eine Rückwärtsspannung an den Laserdioden LD1-LDn anliegt. Dies ist nicht vorzuziehen und sollte vermieden werden.

Im Hinblick auf das obige Problem ist eine zweite Ausführungsform wie folgt vorgesehen.

Die Fig. 5 zeigt eine Schaltung bei einer Laserdiodenseite eines Energiequellen-Steuergeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung wird anstelle der Schaltung bei der Laserdiodenseite ausgehend von den Ausgangsanschlüssen DA und DK, wie in Fig. 1 gezeigt, eingesetzt. Die Fig. 6 zeigt eine Konzeptansicht einer Schaltung bei der Laserdiodenseite in der zweiten Ausführungsform. Die Fig. 6 entspricht der Fig. 2. Die Fig. 7a zeigt eine tatsächliche Signalform für ein elektrisches Potential bei der negativen Elektrode der Energiequelle und dem Ausgangsanschluß DA für die zweite Ausführungsform. Die Fig. 7b zeigt eine detaillierte Signalform des den Laserdioden LD1-LDn zugeführten Stroms bei der zweiten Ausführungsform. Die Fig. 7a und 7b entsprechen den Fig. 4a und 4b.

Wie in Fig. 5 gezeigt, weist die zweite Ausführungsform des Steuergeräts im wesentlichen denselben Aufbau wie die erste Ausführungsform des Steuergeräts auf. Die Schaltung weist zusätzlich die folgenden Merkmale auf.

Insbesondere sind Verbindungsdrähte 51 und 52 mit den Laserdioden LD1-LDn jeweils an Positionen in der Nähe der Anode und Kathode hiervon angeschlossen. Eine Diode 41 ist umgekehrt und parallel zwischen der Anode und Kathode der Laserdioden LD1-LDn über die Verbindungsdrähte 51 und 52 angeschlossen. Eine Serienschaltung aus einem Widerstand 42 und einer Kapazität 43 ist parallel zu der Diode 41 angeschlossen. Demnach ist die als Dämpfer wirkende Serienschaltung parallel zu den Laserdioden LD1-LDn angeschlossen.

Die Verbindungsdrähte 51 und 52 sind in der Nähe der Laserdioden LD1-LDn positioniert. Dies bedeutet, daß die Distanz von der Anode oder Kathode zu den Laserdioden LD1-LDn kurz ist. Eine derartige Distanz wird relativ im Hinblick auf die Verbindungsdrähte 31 und 32 bestimmt. Demnach kann sie nicht eindeutig festgelegt sein. Normalerweise sollte sie nicht mehr als 10 bis 30 cm betragen.

Nun sind, wie in Fig. 6 gezeigt, die Verbindungsdrähte 31 und 32 verdrillt, damit die Induktivitäten L31, L32 reduziert sind. Jedoch verbleibt immer noch eine bestimmte Induktivität. Andererseits sind die Serienverbindungsdrähte 51 und 52 mit derartigen im Hinblick auf die Induktivität herabgesetzten Verbindungsdrähte 31 und 32 zwischen der Anode und Kathode der Laserdioden LD1-LDn verbunden. Die Verbindungsdrähte 51 und 52 können allgemein nicht verdrillt oder dergleichen sein. Demnach liegen unabhängig davon, daß die Verbindungsdrähte 51 und 52 vergleichsweise kurz sind, die Selbstinduktivitäten L51 und L52 vor. Die Verbindungsdrähte für die Diode 41, den Widerstand 42 und den Kondensator 43 sind kurz, so daß allgemein die Selbstinduktivität hiervon ignoriert werden kann. Als Diode 41 wird vorzugsweise eine hochschnelle Diode eingesetzt. Besonders bevorzugt ist eine Schottky-Sperrschichtdiode. Im Hinblick auf die in Sperrichtung vorgespannte Diode 41 sind der Widerstandswert und die Kapazität des Widerstands 42 und den Kondensators 41 jeweils so festgelegt, daß die Resonanz mit der Induktivität L51, L52 und der Streukapazität vermieden ist. Beispielsweise weist bei dieser Ausführungsform der Widerstand 42 einen Widerstandswert von 10 Ohm auf, und der Kondensator weist eine Kapazität von 0,047 µF auf. Selbstverständlich lassen sich andere Werte einsetzen.

Sofern die Diode 41, der Widerstand 42 und der Kondensator 43 nicht verbunden sind, kann ein Spannungsspitzenpuls E43 bei der Anodenseite der Laserdioden LD1, LDn dann auftreten, wenn der zwischen den Anschlüssen DA, DK fließende Strom ILD abgetrennt wird, wie in Fig. 4a gezeigt.

Jedoch wird ein derartiger Spannungsspitzenpuls in dieser Ausführungsform durch die Diode 41 vermieden. Detaillierter nimmt bei abgeschalteter Energiequelle 1 der Strom ILD ab. Ein derartiger Strom ILD fließt fortlaufend bei der Abnahme. Anschließend wird der Ausgangsanschluß DA relativ zu dem Ausgangsanschluß DK negativ, so daß der Strom ILD in umgekehrter Richtung fließt. In diesem Zeitpunkt beginnt der Betrieb der Diode 41, wodurch sie so wirkt, daß sie die Spannung zwischen der Diode und der Kathode der Laserdioden LD1-LDn so hält, daß sie nicht niedriger als die Vorwärtsspannung der Diode 41 wird. Ist die Diode 41 die Schottky-Sperrschichtdiode, so ist die Vorwärtsspannung niedriger als bei Flächendioden. Hierdurch läßt sich die an den Laserdioden LD1-LDn anliegende Rückwärtsspannung weiter absenken, d. h. bis zu ungefähr 0,3-0,5 V.

Führt die Diode 41 ihren Betrieb durch, so fließt ein Strom I über die Induktivität 51, die Laserdioden LD1-LDn und die Induktivität L52. Der Strom I fließt weiterhin während einer bestimmten Zeit, selbst nachdem der Strom ILD Null wird. Obgleich in diesem Zeitpunkt eine Spannungsimpulsspitze E430 auftritt, ist sie nahezu Null, wie in Fig. 7a gezeigt. In diesem Zeitpunkt ist unabhängig von der Tatsache, daß eine Stromimpulsspitze 1330 auftritt und über die Laserdioden LD1-LDn fließt, diese ebenfalls nahezu Null, wie anhand der Signalform in Fig. 7b gezeigt. Unmittelbar nachdem der Strom I zu Null wird, verändert sich eine Spannung der in Sperrichtung angeschlossenen Diode 41 zu einer positiven Spannung, und eine derartige positive Spannung nimmt zu. Jedoch dämpft der Dämpfer 42, 43 eine derartige Rückwärtsspannung bei der Diode 41, so daß die Spannung bei nahezu Null gehalten wird.

Wie oben beschrieben, vermeidet bei der zweiten Ausführungsform die Diode 41 das Anliegen der Rückwärtsspannung bei den Laserdioden LD1-LDn, die im Zeitpunkt des Abtrennens des Quellstroms auftritt. Weiterhin dienen der Widerstand 42 und die Kapazität 43 als Dämpfer zum Vermeiden der Zunahme der an der Diode 41 anliegenden positiven Spannung, die im Zeitpunkt des Abtrennens des über die Diode 41 fließenden Stroms auftritt. Demnach lassen sich die Laserdioden LD1-LDn, die hinsichtlich der Rückwärtsspannung empfindlich sind, sicher treiben.

Die Fig. 8 zeigt eine Gesamtschaltung eines Energiequellen- Steuergeräts gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die Fig. 9 zeigt ein Zeitablaufdiagramm und Signalformen zum Erläutern eines Betriebs des Steuergeräts der dritten Ausführungsform. Prinzipiell stimmt die dritte Ausführungsform mit der ersten Ausführungsform überein.

Bei der dritten Ausführungsform ist die Serienschaltung, bestehend aus dem Treiber 22, dem ersten Umschaltelement 23 und der Diode 24 weggelassen. Weiterhin ersetzt ein Umschaltelement 35 das zweite Umschaltelement 25. Insbesondere besteht ein Stromschaltkreis 200 aus der UND-Schal tung 21, dem Invertierungstreiber 27, dem Umschaltelement 35 und der Diode 26. Insbesondere bilden das Umschaltelement 35 und die Diode 26 einen Schaltteil 200B.

Das Umschaltelement 35 wird durch MOSFET-, IGBT-, SIT- oder andere Transistoren oder dergleichen gebildet. Das Umschaltelement 35 ist zwischen der Anode und der Kathode der Laserdioden LD1-LDn angeschlossen. Ein Leitwiderstandswert oder Vorwärtsspannungsabfall des Umschaltelements 35 ist zu weniger als 1,5 bis 2,0 V festgelegt, was die Vorwärtsspannung der Laserdioden LD1-LDn ist. Demnach bewirkt das Umschaltelement 35 einen Kurzschluß sämtlicher Laserdioden LD1-LDn, wenn es angeschaltet ist, während es eine Zirkulierschaltung bildet und vollständig das Fließen des Stroms über die Laserdioden LD1-LDn blockiert.

Die Fig. 9a zeigt eine Signalform des Treibersignals ST. Die Fig. 9b zeigt eine Signalform eines Ausgangsstroms von der Energiequelle. Die Fig. 9c zeigt eine Signalform des Leitsignals PO. Die Fig. 9d zeigt eine Signalform eines den Laserdioden LD1-LDn zugeführten Stroms. Die Fig. 9e zeigt eine Signalform eines elektrischen Potentials bei der negativen Seite der Energiequelle und dem Anschluß DA.

Das in Fig. 9a gezeigte Treibersignal ST wird zu einem Zeitpunkt t1 angeschaltet ("H") und zu einem Zeitpunkt t6 abgeschaltet ("L"), wie in dem in Fig. 3a gezeigten Fall. Liegt keine Laserausgangsgröße vor, so ist das Leitsignal PO bei einem Zeitpunkt t1 abgeschaltet ("L"), wie in Fig. 9c gezeigt. Somit ist die Ausgangsgröße der UND-Schaltung 21 bei "L", so daß das Umschaltelement 35 angeschaltet wird. Wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben, steigt dann, wenn das Treibersignal ST einen Wert "H" annimmt, der Strom mit der Zeitkonstante der Reaktanz an, wie anhand der ansteigenden Signalform 121 in Fig. 9b gezeigt. Anschließend wird der Strom auf dem fest vorgegebenen Sollwert ITH gehalten. In diesem Zeitpunkt fließt aufgrund des angeschalteten Umschaltelements 35 der gesamte Strom vollständig über das Umschaltelement 35, und kein Strom fließt über die Laserdioden LD1-LDn. Demnach besteht die Spannung bei dem Terminal TA über den Verbindungspunkt "e" lediglich aus dem Spannungsabfall bei dem Umschaltelement 35. Demnach ist sie geringer als der Vorwärtsspannungsabfall der Laserdioden LD1-LDn, und insbesondere ist sie im wesentlichen Null, wie in Fig. 9e gezeigt.

Wenn im Zeitpunkt T2 das Signal PO den Wert "H" an, wie in Fig. 9c gezeigt, so ist das Umschaltelement 35 abgeschaltet. Anschließend sind die Laserdioden LD1-LDn mit der Energiequelle 1 über die Reaktanz 4 verbunden. Demnach ist der über die Reaktanz 4 und das Umschaltelement 35 zirkulierende Strom so geschaltet, daß er durch die Laserdiode LD1-LDn fließt. Wie bei der ersten Ausführungsform variiert der Strom bei der Reaktanz 4 bei einem Umschalten des Strompfads nicht, so daß kein Einfluß der Induktivität der Reaktanz 4 vorliegt. Demnach steigt, wie bei der Eingangsstromsignalform E31 nach Fig. 9d gezeigt, der Strom sehr schnell an. Die Spannung bei dem Anschluß DA ist im wesentlichen gleich dem Vorwärtsspannungsabfall bei den Laserdioden LD1-LDn.

Wie in Fig. 9e gezeigt, tritt die Spannungsimpulsspitze E41, E42 am Beginn des Zeitraums nach dem Zeitpunkt t2 oder dem Zeitpunkt t4 auf, wie bei der ersten Ausführungsform. Der Grund hierfür besteht in den Stromanstiegsverzögerungen aufgrund der Selbstinduktivität L31, L32 des Verbindungsdrahts 31, 32 bei dem An- und Abschalten des Umschaltelements 35.

Wird das Leitsignal PO zu dem Wert "L" im Zeitpunkt t3 geschaltet, so wird das Umschaltelement 35 angeschaltet. Demnach zirkuliert unabhängig davon, daß eine elektromotorische Rückkraft aufgrund der Selbstinduktivität L31, L32 des Verbindungsdrahts D1, D2 bei dem Anschluß DA auftritt, ein Strom 31a und ein Strom 32a durch die Diode 3, die Reaktanz 4 und die Laserdioden LD1-LDn. Anschließend werden die Ströme 31a und 32a entsprechend gedämpft. Hiernach wird der Strom der Laserdioden LD1-LDn Null.

Wie oben erwähnt, läßt sich - wie bei der ersten Ausführungsform - selbst dann, wenn das Signal PO eine kurze Breite zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 aufweist, ein korrekter Pulsstrom den Laserdioden LD1-LDn zuführen. Im Vergleich mit der erst wird der Strom I31a, I32a allmählich durch die natürliche Dämpfung beim Zirkulieren durch die Laserdioden LD1-LDn usw. gedämpft. Demnach dauert das Dämpfen des Stroms I31a, I32a länger.

Wird im Zeitpunkt t6 das Signal ST zu "AUS" geschaltet, so wird das Umschaltelement 2 abgeschaltet. Anschließend zirkuliert der Strom der Reaktanz 4 über das Umschaltelement 35 und die Diode 3, wodurch er nach und nach abnimmt, so wie anhand der Signalform 122 in Fig. 9b gezeigt. Der abnehmende Strom der Reaktanz 4 übt keinen Einfluß auf die Laserdioden LD1-LDn aus.

Wie oben beschrieben, ist der grundlegende Betrieb des Steuergeräts gemäß der dritten Ausführungsform ähnlich zu dem Betrieb der ersten Ausführungsform. Demnach weist die vorliegenden Ausführungsform ähnliche vorteilhafte Wirkungen wie die erste Ausführungsform auf.

Bei der dritten Ausführungsform kann ein zirkulierender Stromkreis definiert sein durch die Laserdioden LD1-LDn, die Konstantstromquelle 100 und den Schaltteil 200B, der den Strom von der Stromquelle dann kurzschließt und diesen zirkulieren läßt, wenn kein Leitsignal PO vorliegt.

Weiterhin kann ein zirkulierender Schaltkreis definiert sein durch die Laserdiode LD1-LDn, die Reaktanz 4, das Umschaltelement 2, die Energiequelle 1 und den Schaltteil 200B, die Strom dem Schaltelement 2 und der Reaktanz 4 dann zuführen, wenn kein Leitsignal PO vorliegt.

Während vorzugsweise mehrere Laserdioden bei der ersten bis dritten Ausführungsform eingesetzt werden, hängt die Zahl der Laserdioden von der erforderlichen Ausgangsgröße bzw. Leistung des Laserstrahls 8 ab. Insbesondere kann die Zahl lediglich eins oder größer als eins sein, so wie gewünscht.

Während die Konstantstromquelle 100 das Umschaltelement 2 für die Stromsteuerung einsetzt, die die Umschaltsteuerung zum Zuführen eines konstanten Stroms zu den Laserdioden LD1-LDn durchführt, kann jede Konstantstromquelle eingesetzt werden. Die Schaltung zum Erhalten des konstanten Stroms ist nicht auf eine spezifische Konfiguration begrenzt, wie sie für die obigen Ausführungsformen gezeigt ist.

Insbesondere enthält jede Konstantstromquelle eine Reaktanzkomponente zum Bilden eines Schaltkreises. Jedoch wird durch die erfindungsgemäße Konfiguration eine Stromveränderung vermieden, so daß jede Modifizierung der Stromquelle möglich ist.

Bei der ersten und zweiten Ausführungsform definiert der Schaltteil 200A einen zirkulierenden Schaltkreis zum Zuführen von Strom zu dem Umschaltelement 2 und der Reaktanz 4, wenn er das Leitsignal PO nicht empfängt. Weiterhin definiert die Umschaltelement 200 eine Schaltung zum Zuführen von Energie von dem Umschaltelement 2 und der Reaktanz 4 zu den Laserdioden LD1, LDn bei Empfang des Leitsignals PO. Während der Schaltteil 200A aus dem ersten und zweiten Umschaltelement 23 und 25 usw. besteht, dann er aus einem anderen Umschaltschaltkreis oder einem analogen Steuertor oder dergleichen bestehen.

In ähnlicher Weise kann der Umschaltteil 200B der dritten Ausführungsform aus jedem anderen Umschaltelement oder analogen Schalttor als dem Umschaltelement 35 oder dergleichen bestehen.

Die Energiequellenspannung zum Zuführen von Energie muß nicht exakt das "Doppelte" derjenigen des gesamten Vorwärtsspannungsabfalls der Laserdioden LD1-LDn sein. Durch die Erfindung usw. wurde bestätigt, daß kein negativer Einfluß dann entstand, wenn die Quellspannung das 1,5- bis 3fache der Größe betrug. Demnach umfaßt das "Zweifache" definitionsgemäß den Bereich zwischen dem 1,5- bis 3fachen.

Die Laserdiode bei jeder Ausführungsform erzeugt Laserstrahlung durch einen Halbleiter in der Form integrierter Dioden. Jedoch können die Laserdioden der Erfindung aus jedweden Halbleitern zum Erzeugen von Laser ausgewählt sein, und sie umfaßt definitionsgemäß selbstverständlich jeden dieser Halbleiter.

Die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen, und der Schutzbereich der Erfindung ist anhand der angefügten Patentansprüche und sämtlicher Variationen definiert, die innerhalb der Bedeutung der Ansprüche liegen und als von diesen umfaßt beabsichtigt sind.

Claims

1. Energiequellen-Steuergerät für eine Laserdiode, enthaltend:
eine Laserdiode (LD1-LDn);
eine Konstantstromquelle (100), die mit der Laserdiode verbunden ist; und
einen Stromschaltkreis (200) zum Bilden einer zirkulierenden Schaltung zum Zirkulieren eines von der Konstantstromquelle ausgegebenen Stroms bei ausgeschaltetem Laserausgabe-Leitsignal, durch das die Ausgabe eines Laserstrahls und die Laserdiode bestimmt ist, und derart, daß der Stromschaltkreis bei angeschaltetem Laserausgabe-Leitsignal eine Schaltung zum Zuführen von Energie von der Konstantenergiequelle zu der Laserdiode bildet.

2. Energiequellen-Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Stromschaltkreis ein parallel zu der Laserdiode angeschlossenes erstes Schaltelement (23) und ein parallel zur Laserdiode angeschlossenes zweites Schaltelement (25) enthält;
der Stromschaltkreis das erste Umschaltelement anschaltet, während er das zweite Umschaltelement abschaltet, wenn das Laserausgabe-Leitsignal zu AUS bestimmt ist, wodurch ein Strom von der Konstantstromquelle in dem Stromschaltkreis über das erste Umschaltelement zirkuliert; und
der Stromschaltkreis das zweite Umschaltelement anschaltet, während er das erste Umschaltelement ausschaltet, wenn das Laserausgabe-Leitsignal zu AN bestimmt ist, wodurch der Strom von der Konstantstromquelle an die Laserdiode über das zweite Umschaltelement ausgegeben wird.

3. Energiequellen-Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Stromschaltkreis ein parallel zu der Laserdiode angeschlossenes Umschaltelement (35) enthält;
der Stromschaltkreis das Umschaltelement anschaltet, wenn das Laserausgabe-Leitsignal zu AUS bestimmt ist, wodurch ein Strom von der Konstantstromquelle in dem Stromschaltkreis über das Umschaltelement zirkuliert; und
der Stromschaltkreis das Umschaltelement ausschaltet, wenn das Laserausgabe-Leitsignal zu AN bestimmt ist, wodurch der Strom von der Konstantstromquelle zu der Laserdiode ausgegeben wird.

4. Energiequellen-Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle enthält:
eine seriell mit der Laserdiode verbundene Reaktanz (4);
ein Stromsteuer-Umschaltelement (2), das seriell mit der Laserdiode und der Reaktanz verbunden ist, derart, daß das Stromsteuer-Umschaltelement eine Anschalt/Abschaltsteuerung so durchführt, daß ein konstanter Strom der Laserdiode zugeführt wird; und
eine Energiequelle (1) zum Zuführen der Energie zu der Laserdiode über das Stromsteuer-Umschaltelement und die hiermit seriell verbundene Reaktanz; derart, daß der Stromschaltkreis als zirkulierender Schaltkreis Strom zu dem Stromsteuer-Umschaltelement und der Reaktanz zuführt.

5. Energiequellen-Steuergerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromsteuer-Umschaltelement vorab dann angeschaltet ist wenn das Laserausgabe- Leitsignal zu AUS bestimmt ist, so daß der Stromwert der Reaktanz gleich einem Sollwert (ITH) ist, daß das Laserausgabe-Leitsignal hiernach an- und abgeschaltet ist, und daß das Stromsteuer-Umschaltelement abgeschaltet ist, nachdem das Laserausgabe-Leitsignal abgeschaltet ist.

6. Energiequellen-Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner eine in Sperrichtung vorgespannte Diode (D1-Dn) oder einen Widerstand (R1-Rn) oder beide Elemente parallel angeschlossen zu der Laserdiode enthält.

7. Energiequellen-Steuergerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Laserdioden in Serie verbunden sind,
daß die Dioden und der Widerstand oder beide parallel zu jeder Laserdiode angeschlossen sind und
daß die Widerstande denselben Widerstandswert aufweisen.

8. Energiequellen-Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner enthält:
eine in Sperrichtung vorgespannte Diode (41), die parallel zu der Laserdiode bei einer Position nahe zu der Laserdiode angeschlossen ist; und
eine parallel zu der in Sperrichtung vorgespannten Diode angeschlossene Serienschaltung, derart, daß die Serienschaltung einen Widerstand (42) und einen Kondensator (43) enthält.

9. Energiequellen-Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Energiequellenspannung der Konstantstromquelle ungefähr das 2fache der Größe eines Gesamtwertes des Vorwärtsspannungsabfalls der Laserdiode beträgt.

10. Energiequellen-Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein Festkörper-Lasermedium (5) enthält, das durch den von der Laserdiode ausgegebenen Laserstrahl angeregt wird, um hierdurch einen Laserstrahl (8) zu erzeugen.