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Die
Erfindung betrifft eine Diodenlasereinrichtung, umfassend mindestens
eine Laserdiode, eine Stromversorgung für die Laserdiode und eine Kühleinrichtung
mit einem Kühlkörper, auf
welchem die Laserdiode angeordnet ist, sowie mit einer Kühlmittelversorgung,
welche ein Kühlmedium
durch den Kühlkörper strömen läßt.
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Derartige
Diodenlasereinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Bei diesen besteht das Problem, daß eine einwandfreie Funktion
derselben nur dadurch überprüfbar ist,
daß die
abgegebene Laserstrahlung entweder durch kalorimetrische oder optische
Leistungsmeßgeräte gemessen
wird, wobei die optische Leistungsmessung je nach Ausführungsform
problematisch sein kann.
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Dies
macht es erforderlich, in dem Strahlungsweg der Laserstrahlung einen
entsprechenden Meßkopf
anzuordnen, so daß die
Diodenlasereinrichtung während
der Messung nicht bestimmungsgemäß, beispielsweise
zum Pumpen eines Festkörperlasers,
genutzt werden kann.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Diodenlasereinrichtung
der gattungsgemäßen Art
derart zu verbessern, daß eine
Funktionsüberwachung
in einfacher Weise und ohne Beeinträchtigung der Nutzung der Diodenlasereinrichtung möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Diodenlasereinrichtung der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß eine
Funktionsüberwachungseinrichtung
vorgesehen ist und daß die Funktionsüberwachungseinrichtung
eine den durch die Laserdiode fließenden elektrischen Strom repräsentierende
Größe und eine
die Temperatur des aus dem Kühlkörper austretenden
Kühlmediums
repräsentierende
Größe erfaßt und hieraus
eine die Funktion der Diodenlasereinheit repräsentierende Funktionsgröße bestimmt.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist
darin zu sehen, daß die
Bestimmung der Funktionsgröße ohne
Eingriff in den Strahlengang der Laserstrahlung erfolgen kann und
somit auch während der
bestimmungsgemäßen Nutzung
der Diodenlasereinrichtung beispielsweise zum Pumpen eines Festkörperlasers.
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Ferner
hat die erfindungsgemäße Lösung den
großen
Vorteil, daß die
Bestimmung der Funktionsgröße mit einfachen
Mitteln erfolgen kann, da lediglich die den durch die Laserdiode
fließenden Strom
repräsentierende
Größe und die
die Temperatur des aus dem Kühlkörper austretenden
Kühlmediums
repräsentierende
Größe bestimmt
werden müssen,
die sich mit einfachen Mitteln erfassen lassen.
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Für die Erfassung
der die Temperatur des aus dem Kühlkörper austretenden
Kühlmediums
repräsentierenden
Größe sind
eine Vielzahl von indirekten oder direkten Methoden denkbar. Wird
beispielsweise das aus dem Kühlkörper austretende Kühlmedium
auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt, so wäre es denkbar, die zur Abkühlung erforderliche
Kühlleistung
zu erfassen.
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Aus
Gründen
der Einfachheit ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn die Funktionsüberwachungseinrichtung
die Temperatur des aus dem Kühlkörper austretenden
Kühlmediums
mittels eines Sensors erfaßt.
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Zur
noch genaueren Bestimmung der Funktionsgröße hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn die Funktionsüberwachungseinrichtung
eine die Temperaturdifferenz zwischen dem in den Kühlkörper eintretenden
und dem aus dem Kühlkörper austretenden
Kühlmedium
repräsentierende
Größe ermittelt.
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Eine
derartige Ermittlung der die Temperaturdifferenz repräsentierenden
Größe kann
beispielsweise indirekt durch Ermittlung der Kühlleistung zum Erreichen einer
festgelegten Temperatur für
das in den Kühlkörper eintretende
Kühlmedium
erfolgen.
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Besonders
einfach ist es jedoch, wenn die Funktionsüberwachungseinrichtung die
Temperatur des in den Kühlkörper eintretenden
Kühlmediums mittels
eines Sensors erfaßt.
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Prinzipiell
ist die Funktionsgröße aufgrund der
Temperaturmessungen mit ausreichender Genauigkeit bestimmbar, allerdings
ist die Genauigkeit noch dann steigerbar, wenn die Funktionsüberwachungseinrichtung
den Durchfluß des
Kühlmediums durch
den Kühlkörper erfaßt.
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Besonders
vorteilhaft läßt sich
dies direkt dadurch erreichen, daß die Funktionsüberwachungseinrichtung
den Durchfluß des
Kühlmediums
durch den Kühlkörper mit
einem Durchflußmesser
erfaßt.
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Eine
besonders günstige
Lösung,
welche eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Funktionsgröße erlaubt,
sieht vor, daß die
Funktionsüberwachungseinrichtung
eine die durch die Kühleinrichtung
von der Laserdiode abgeführte
Wärmeleistungrepräsentierende
thermische Größe bestimmt, mit
welcher sich zumindest näherungsweise
die von der Laserdiode nicht in Form von Strahlung abgegebene Wärmeleistung
erfassen läßt.
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Prinzipiell
wäre es
bei der Bestimmung der den elektrischen Strom durch die Laserdiode
repräsentierenden
Größe denkbar,
Einstellparameter der Stromversorgung zu erfassen, wobei hieraus
zumindest indirekt auf den elektrischen Strom durch die Laserdiode
geschlossen werden kann.
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Besonders
günstig
ist es jedoch aus Gründen
einer möglichst
genauen Bestimmung der Funktionsgröße, insbesondere einer möglichst
genauen Bestimmung der Änderungen
der Funktionsgröße, wenn
die Funktionsüberwachungseinrichtung
eine Strommeßeinrichtung
erfaßt,
welche den durch die Laserdiode fließenden elektrischen Strom erfaßt.
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Bei
einer Laserdiode kann davon ausgegangen werden, daß die an
dieser abfallende Spannung ungefähr
konstant ist. Um jedoch die Funktionsgröße mit möglichst hoher Genauigkeit zu
bestimmen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Funktionsüberwachungseinrichtung
eine Spannungsmeßeinrichtung
umfaßt,
welche die an der Laserdiode im Betrieb abfallende Spannung erfaßt.
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Eine
besonders hohe Präzision
bei der Bestimmung der Funktionsgröße ist dann erreichbar, wenn
die Funktionsüberwachungseinrichtung
eine die der Laserdiode zugeführte
elektrische Leistung repräsentierende
elektrische Größe bestimmt,
welche die gesamte, der Laserdiode zugeführte elektrische Leistung darstellt.
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Eine
besonders hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Funktionsgröße läßt sich
dann erreichen, wenn die Funktionsüberwachungseinrichtung aus
der elektrischen Größe und der
thermischen Größe die Funktionsgröße bestimmt.
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In
die Bestimmung der Funktionsgröße können neben
der elektrischen Größe und der
thermischen Größe noch
weitere Parameter eingehen.
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Vorzugsweise
werden die in die Bestimmung der Funktionsgröße eingehenden Parameter so
gewählt,
daß die
Funktionsgröße die optische
Ausgangsleistung der Laserdiode repräsentiert, so daß die Funktionsgröße ein unmittelbares
Maß für die optische
Ausgangsleistung der Laserdiode darstellt und somit direkt die für die Funktion
der Laserdiode wichtigste Angabe liefert.
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Hinsichtlich
der Ausbildung der Diodenlasereinrichtung wurde bislang lediglich
davon ausgegangen, daß diese
eine Laserdiode umfaßt.
Besonders günstig
läßt sich
die erfindungsgemäße Lösung jedoch
dann einsetzen, wenn die Diodenlasereinrichtung mehrere Laserdioden
aufweist.
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In
diesem Fall ist vorzugsweise vorgesehen, daß die mehreren Laserdioden
von einer gemeinsamen Stromversorgung gespeist sind.
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Dabei
läßt sich
vorteilhafterweise die Funktionsgröße auch dann mit ausreichender
Präzision
bestimmen, wenn die den elektrischen Strom durch die Gesamtheit
der Laserdioden repräsentierende
Größe bestimmt
wird.
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Vorzugsweise
geht somit in die elektrische Größe eine
den elektrischen Strom durch die Gesamtheit der Laserdioden repräsentierende
Größe und eine
die an der Gesamtheit der Laserdioden abfallende Spannung repräsentierende
Größe ein,
wobei hierzu die Laserdioden elektrisch in Reihe geschaltet sind.
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Auch
bei der Bestimmung der die Temperatur des aus dem Kühlkörper austretenden
Kühlmediums
repräsentierenden
Größe wird
bei mehreren in der Diodenlasereinrichtung vorgesehenen Laserdioden
auf die Temperatur des aus der Gesamtheit der Kühlkörper austretenden Kühlmediums
abgestellt.
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Vorzugsweise
sind dabei die Kühlkörper der mehreren
Laserdioden parallel von Kühlmedium durchströmt, so daß jede der
Laserdioden im wesentlichen dieselbe Kühlleistung erfährt.
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Hinsichtlich
der Ausbildung der Kühleinrichtung
wurden bislang keine näheren
Angaben gemacht. Beispielsweise wäre es denkbar, das aus dem Kühlkörper oder
den Kühlkörpern austretende
Kühlmedium
frei abzuleiten. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Kühleinrichtung
einen Kühlkreislauf umfaßt, aus
welchem über
einen Wärmetauscher
die Wärme
abgeführt
wird.
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Hinsichtlich
der Betriebsweise der erfindungsgemäßen Funktionsüberwachungseinrichtung wurden
bislang keine näheren
Angaben gemacht. So wäre
es beispielsweise denkbar, die Funktionsüberwachungseinrichtung kontinuierlich
zu betreiben und somit kontinuierlich die Funktionsgröße zu bestimmen.
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Es
ist aber auch ausreichend, die Funktionsgröße nach festgelegten Zeitintervallen
oder nach festgelegten Betriebszyklen zu bestimmen, da in der Regel davon
ausgegangen werden kann, daß sich die
Funktionsgröße lediglich
langsam und nicht unbedingt sprunghaft ändert.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Laserdiodeneinrichtung;
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2 eine vergrößerte Darstellung
zweier übereinanderliegender
Lasereinheiten;
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3 einen Schnitt längs Linie
3–3 in 2; und
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4 ein Blockdiagramm zur
schematischen Darstellung einer Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen Funktionsüberwachungseinrichtung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer in 1 dargestellten
Diodenlasereinheit umfaßt
eine als Ganzes mit 10 bezeichnete Laserdiodenanordnung,
welche durch einen Stapel von einzelnen Lasereinheiten 12 gebildet
ist.
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Jede
der einzelnen Lasereinheiten 12 umfaßt, wie in 2 dargestellt, einen eine Laserdiode darstellenden
Laserbarren 14, aus welchem an einer Frontseite 16 Laserstrahlung 18 austritt.
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Der
Laserbarren 14 liegt dabei auf einem als Ganzes mit 20 bezeichneten
Kühlkörper, welcher eine
Deckelplatte 22 umfaßt,
auf welcher der Laserbarren 14 in einem vorderen Bereich 24 derselben mit
Wärmekontakt
aufliegt, und eine Grundplatte 26 sowie zwischen der Deckelplatte 22 und
der Grundplatte 26 liegende Zwischenplatten 28, 30 und 32, welche
zur Ausbildung eines Kühlkanalsystems 34 in dem
Kühlkörper 20 dienen,
das sich zwischen einem Zulaufkanal 36 und einem Rücklaufkanal 38 erstreckt,
welche sowohl die Deckelplatte 22, die Zwischenplatten 28 bis 32 und
die Grundplatte 26 im wesentlichen senkrecht zu deren Flächenausdehnung durchsetzen.
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Beispielsweise
bildet die Zwischenplatte 28 ausgehend von dem Zulaufkanal 36 einen
ersten Kühlkanalabschnitt 42 des
Kühlkanalsystems 34, welcher
vom Zulaufkanal 36 unter der Deckelplatte 22 in
Richtung des vorderen Bereichs 24 verläuft und nahe des vorderen Bereichs 24 der
Deckelplatte 22 über
einen Durchbruch 44 in einen zweiten Kühlkanalabschnitt 46 des
Kühlkanalsystems 34 übergeht, welcher
vom Durchbruch 34 auf einer der Deckelplatte 22 abgewandten
Seite des Kühlkanalabschnitts 42 bis
zum Rücklaufkanal 38 führt.
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Damit
ist durch das über
den Zulaufkanal 36 in das Kühlkanalsystem 34 eintretende
Kühlmedium unmittelbar
die Deckelplatte 22 kühlbar,
und zwar bis in ihren vorderen Bereich 24, auf welchem
der Laserbarren 14 aufliegt und in welchen eine Abfuhr
von Wärme
aus dem Laserbarren 14 erfolgt.
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Der
gesamte Kühlkörper 20 dient
ferner noch als erste Anschlußelektrode
für den
Laserbarren 14. Als zweite Anschlußelektrode 50 ist
auf einer dem Kühlkörper 20 gegenüberliegenden
Seite des Laserbarrens 14 ein Kontaktblech 50 aufgelegt,
welches sich einerseits über
den Laserbarren 14, und zwar dessen gesamte Breite B, erstreckt
und sich ausgehend vom Laserbarren 14 noch über einen
Teilbereich der Deckplatte 22 und dabei ebenfalls von der Deckelplatte 22 abgestützt ist,
wobei zwischen dem Kontaktblech 50 und dem Kühlkörper 20 ein
Isolator 52 vorgesehen ist.
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Damit
ist der Laserbarren 14 einerseits durch den Kühlkörper 20,
andererseits durch das Kontaktblech 50 elektrisch kontaktiert.
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Auf
dem Kontaktblech 50 liegt nun in unmittelbarem elektrischen
Kontakt mit diesem die nächste
Lasereinheit 12 mit deren Kühlkörper 20 auf, so daß sämtliche
Laserbarren 14 der Laserdiodenanordnung 10 elektrisch
gesehen in Reihe geschaltet sind und beispielsweise von einer Stromversorgung 54 eine
erste Stromzuleitung 56 zu dem Kühlkörper 20 der untersten
Lasereinheit 12 der Laserdiodenanordnung 10 führt, während eine
zweite Stromzuleitung 58 von der Stromversorgung 54 zu
dem Kontaktblech 50 der obersten Lasereinheit 12 der
Laserdiodenanordnung 10 führt.
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Ferner
sind der Zulaufkanal 36 und der Rücklaufkanal 38, die
jeden der Kühlkörper 20 durchsetzen,
in allen Lasereinheiten 12 fluchtend zueinander angeordnet,
so daß die
Zulaufkanäle 36 und
die Rücklaufkanäle 38 der
Gesamtheit der Kühlkörper 20 der
Laserdiodenanordnung 10 durch zwischen den einzelnen Kühlkörpern 20 vorgesehene
Ringdichtungen 62 und 64 miteinander verbindbar
sind, die jeweils die Austrittsöffnungen
des Zulaufkanals 36 und des Rücklaufkanals 38 bei
einem Kühlkörper und
die Eintrittsöffnungen
des Zulaufkanals 36 und des Rücklaufkanals 38 beim
anderen Kühlkörper umschließen und
somit eine Verbindung zwischen den Zulaufkanälen 36 aller Kühlkörper 20 der
Laserdiodenanordnung 10 und allen Rücklaufkanälen 38 aller Kühlkörper 20 der
Laserdiodenanordnung 10 herstellen.
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Folglich
werden die Kühlkanalsysteme 34 aller
Kühlkörper 20 parallel
mit Kühlmedium
versorgt und somit alle Laserbarren 14 der Laserdiodenanordnung 10 in
gleicher Weise gekühlt.
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Zur
Kühlmittelversorgung
der Laserdiodenanordnung 10 sind eine Zulaufleitung 66 und
eine Rücklaufleitung 68 vorgesehen,
welche zu der Laserdiodenanordnung 10 führen und beispielsweise mit dem
Zulaufkanal 38 und dem Rücklaufkanal 38 des Kühlkörpers 20 der
untersten Lasereinheit 12 verbunden sind.
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Dabei
wird in die Zulaufleitung 66 mittels einer Pumpe 70 Kühlmedium
aus einem Reservoir 72 eingespeist, während das über die Rücklaufleitung 68 abgeführte aufgeheizte
Kühlmedium
einem Kühler 74 zugeführt wird,
welcher das gekühlte
Kühlmedium
dann in das Reservoir 72 abgibt, aus welchem die Pumpe 70 wieder
Kühlmedium
ansaugt.
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Somit
bilden insgesamt das Reservoir 72, die Pumpe 70,
die Zulaufleitung 66, die Gesamtheit der Zulaufkanäle 36 der
Laserdiodenanordnung 10, die Gesamtheit der Kühlkanalsysteme 34 in
den Kühlkörpern 20 der
Laserdiodenanordnung 10, die Gesamtheit der Rücklaufkanäle 38 der
Laserdiodenanordnung 10, die Rücklaufleitung 68 und
der Kühler 74, der
wiederum zum Reservoir 72 führt, eine als Ganzes mit 76
bezeichnete Kühleinrichtung
mit einem Kühlkreislauf 78.
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Die
erfindungsgemäße Diodenlasereinrichtung
ist ferner noch mit einer als Ganzes mit 80 bezeichneten
Funktionsüberwachungseinheit
versehen, welche eine Auswerteschaltung 82 umfaßt, die mit
einem Temperatursensor 86 in der Zulaufleitung 66 und
einem Temperatursensor 88 in der Rücklaufleitung 68 verbunden
ist und ferner noch mit einem Durchflußmesser 90, der entweder
in der Zulaufleitung 66 oder in der Rücklaufleitung 68 vorgesehen
ist und die Menge des den Kühlkreislauf 78 durchströmenden Kühlmediums
pro Zeiteinheit erfaßt.
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Somit
kann die Auswerteschaltung 82 mittels des Temperatursensors 86 die
Zulauftemperatur TZ, mittels des Temperatursensors 88 die
Rücklauftemperatur
TR und mittels des Durchflußmessers 90 den Durchfluß D von
Kühlmittel
pro Zeiteinheit durch den Kühlkreislauf 78 erfassen.
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Ferner
ist die Auswerteschaltung 82 noch mit einer Spannungserfassungseinheit 92 verbunden, welche
die an der Gesamtheit der in Reihe geschalteten Laserbarren 14 anliegende
elektrische Spannung U erfaßt
und mit einer Stromerfassungseinheit 94, welche den von
der Stromversorgung 54 durch die Gesamtheit der Laserbarren 14 der
Laserdiodenanordnung 10 fließenden Strom I erfaßt.
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Wie
in 4 dargestellt, arbeitet
nun die Auswerteschaltung 82, beispielsweise mittels eines Prozessors
so, daß zunächst aus
der Zulauftemperatur TZ und der Rücklauftemperatur
TR durch Differenzbildung die Temperaturdifferenz ΔT ermittelt wird.
Dann erfolgt durch Multiplikation der Temperaturdifferenz ΔT mit dem
Durchfluß D
und einem weiteren Parameter K die Ermittlung einer thermischen Größe GT, welche die durch die Kühleinrichtung 76 abgeführte Wärmeleistung
repräsentiert.
Der Parameter K ist im einfachsten Fall eine Konstante, kann aber
auch ein von der Temperatur ΔT
und/oder dem Durchfluß D
abhängiges
Parameterfeld sein.
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Ferner
ermittelt die Auswerteschaltung 82, wie in 4 dargestellt, aus der Spannung U an
der Gesamtheit der Laserbarren 14 und dem elektrischen
Strom I durch die Gesamtheit der Laserbarren 14 durch Multiplikation
eine elektrische Größe GE, welche die der Laserdiodenanordnung 10 zugeführte elektrische
Leistung repräsentiert.
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Schließlich wird
durch Differenzbildung zwischen der elektrischen Größe GE und der thermischen Größe GT eine
Funktionsgröße F ermittelt,
welche die von allen Laserbarren 14 abgegebene optische
Leistung repräsentiert.
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Die
Funktionsgröße F erlaubt
nun, einerseits die Funktion der Gesamtheit der Laserbarren 14 in der
Laserdiodenanordnung 10 während der bestimmungsgemäßen Nutzung
derselben, beispielsweise zum Pumpen eines Festkörperlasers, zu überwachen
und somit festzustellen, ob beispielsweise durch Alterungserscheinungen
der Laserbarren 14 die abgegebene optische Leistung abnimmt,
was sich durch eine Verringerung der Funktionsgröße F äußert.