DE202011003130U1

DE202011003130U1 - Laserdiode mit eingebauter Photodiode für Detektion

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Publication number: DE202011003130U1
Application number: DE202011003130U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2021-02-24

Abstract

Kombination aus einer Laserdiode und einer Photodiode dadurch gekennzeichnet, dass zum einen die Photodiode in das Gehäuse der Laserdiode mit eingebaut ist und zum anderen die Photodiode mit einem optischen Filter versehen ist, der die Wellenlänge der Laserstrahlung unterdrückt.

Description

Stand der Technik und Problemstellung
Laserstrahlung wird heute in den meisten Fällen durch Laserdioden erzeugt. Diese bestehen aus kleinen Halbleiterkristallen, die zum Schutz vor Umwelteinflüssen in Gehäuse eingebaut sind. Diese Gehäuse sind einige Millimeter groß, besitzen an der Vorderseite ein Glasfenster, durch das die Laserstrahlung austreten kann, und an der Rückseite elektrische Anschlüsse.
Manchmal ist in dieses Gehäuse zusätzlich noch eine Photodiode als Lichtsensor eingebaut. Mit dieser Photodiode kann die Helligkeit der ausgesandten Laserstrahlung gemessen werden und diese Strahlung so beispielsweise auf eine konstante Leistung geregelt werden.
Laser werden oft für Analysezwecke eingesetzt, beispielsweise zur Detektion von Stoffen. Dabei wird eine zu messende Probe mit der Laserstrahlung beleuchtet. Die Probe sendet in Folge dieser Anregung ihrerseits Licht mit einer oder mehreren Wellenlängen aus, die sich von der Wellenlänge der Laserstrahlung unterscheiden. Diese von der Probe ausgesandte Strahlung wird mit einem speziellen Lichtsensor gemessen. Aus der Stärke und spektralen Zusammensetzung dieser Strahlung können Eigenschaften der Probe wie insbesondere deren Zusammensetzung bestimmt werden.
Da die Probe außerdem auch noch das Laserlicht reflektiert und dieses zudem wesentlich stärker als die zu messende Strahlung von der Probe ist, muss der verwendete Lichtsensor so beschaffen sein, dass er nur bestimmte Wellenlänge detektiert und die Wellenlänge der Laserstrahlung bei der Messung ausblendet. Die kann beispielsweise durch optische Filter oder Spektrometer erreicht werden.
Aus diesem Grund kann auch eine in die Laserdiode eingebaute Photodiode nicht ohne weiteres zur Detektion verwendet werden, da diese vor allem die wesentlich stärkere Laserstrahlung misst. Daher werden zur Detektion bislang spezielle Lichtsensoren verwendet, die außerhalb des Laser angebracht sind. Um eine gute Empfindlichkeit zu erreichen, sind dabei außerdem in der Regel Linsen oder Spiegel nötig, um das Licht auf die Probe bzw. auf den Detektor zu bündeln.
Diese herkömmliche Anordnung besteht also aus mehreren separaten Elementen, was folgende Nachteile mit sich bringt:

• Aufwendiger in der Produktion, da mehrere Bauteile kombiniert und justiert werden müssen
• Daher teurer
• Weniger robust gegenüber Umwelteinflüssen

Problemlösung
Diese Nachteile können vermieden werden, wenn statt des externen Lichtsensors eine spezielle in das Gehäuse der Laserdiode eingebaute Photodiode zur Detektion verwendet wird. Im Gegensatz zu den bislang hier verwendeten Photodioden, die für einem weiten Wellenlängenbereich empfindlich sind, ist diese spezielle Photodiode mit einem optischen Filter versehen, der die Wellenlänge der Laserstrahlung unterdrückt, so dass nur die von der Probe ausgesandte Strahlung gemessen wird. Da der Laser und der Detektor hier sehr nahe beieinander liegen und beide in sehr kurzem Abstand an die zu messende Probe gebracht werden können, ist keine weitere aufwendige Optik nötig, um das Licht zu bündeln oder zu führen.
Varianten
Es ist sinnvoll, die verwendete Photodiode direkt mit dem optischen Filter zu beschichten, um Platz zu sparen.
Außerdem kann statt einer einzelnen Photodiode ein spezieller Chip eingesetzt werden, der aus mehreren Photodioden besteht. Handelsüblich sind beispielsweise Vier-Quadranten-Sensoren, die aus vier Photodioden bestehen.
Das Herstellungsverfahren von optischen Filtern erlaubt es, jeden einzelnen dieser Photodioden mit einem eigenen optischen Filter zu beschichten. Auf diese Weise können mehrere Wellenlängen unabhängig voneinander detektiert werden.
Unter anderem kann dabei auch eine dieser Photodioden zur Regelung der Laserstrahlung und eine andere zur Messung der Entfernung der Probe für die Sicherstellung der Lasersicherheit verwendet werden.
Durch zwei Photodioden mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit (aufgrund unterschiedlicher optischer Filter) kann die Wellenlänge von monochromatischem Licht genau bestimmt werden. Durch Einsatz dieses Verfahrens bei der hier beschriebenen Problemlösung können die Wellenlängen sowohl von der Laserstrahlung aus auch von der von der Probe ausgesandten Strahlung (falls monochromatisch) gemessen werden, ohne dass für diese Wellenlängenmessung zusätzlich Platz benötigt wird.
Ferner ist es möglich, durch einen weiteren optischen Filter, der auf das Glasfenster des Gehäuses aufgebracht ist, Streulicht von anderen Lichtquellen herauszufiltern und so die Empfindlichkeit zu erhöhen.
Vorteile
Durch dieses Verfahren können die oben genannten Nachteile vermieden werden. Es ist damit möglich, hochintegrierte Einheiten zu produzieren, die sowohl den Laser für die Anregung als auch mehrere Photodioden für die Detektion in einem Gehäuse kombinieren, das nicht größer als das Gehäuse von herkömmlichen Laserdioden (ohne Optik und Detektion) ist. Darüberhinaus lassen sich weitere Messverfahren, die auf Photodioden basieren, einfach hinzufügen, ohne dass die Gesamtgröße steigt. Aufgrund des relativ einfachen Aufbaus sind diese Einheiten robust, lassen sich preisgünstig herstellen und relativ leicht weiter miniaturisieren.
Zeichnung
In der beigefügten Zeichnung ist die oben beschriebene Vorrichtung beispielhaft skizziert mit
Bezugszeichenliste

1: dem Gehäuse,
2: dem Glasfenster,
3: den Drähten für die elektrischen Anschlüsse,
4: der eigentlichen Laserdiode (Halbleiterkristall),
5: der Photodiode mit optischem Filter an der Vorderseite und
6: den internen Anschlussdrähten.

Die Befestigungen für die Laserdiode und die Photodiode sind hier nicht eingezeichnet.

Claims

Kombination aus einer Laserdiode und einer Photodiode dadurch gekennzeichnet, dass zum einen die Photodiode in das Gehäuse der Laserdiode mit eingebaut ist und zum anderen die Photodiode mit einem optischen Filter versehen ist, der die Wellenlänge der Laserstrahlung unterdrückt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten, die den optischen Filter bilden, direkt auf die Oberfläche der Photodiode aufgebracht sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statt einer einzelnen Photodiode eine Kombination aus mehreren Photodioden verwendet wird, die durch jeweils unterschiedliche optische Filter unterschiedlichen Wellenlängenbereiche detektieren können.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Photodioden zusammen auf einem Chip integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Photodioden zur Messung der Laserstrahlung mit keinem optischen Filter versehen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Filter von einer der Photodioden so an eine spezielle Lichtquelle angepasst ist, dass diese Photodiode zur Messung der Entfernung einer Probe eingesetzt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Filter von zwei oder mehreren dieser Photodioden unterschiedliche Transmissionsbereiche aufweisen, die sich so überlappen, dass durch eine Vergleichsmessung eine Bestimmung der Wellenlänge von monochromatischer Strahlung möglich ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer optischer Filter auf dem Glasfenster des Gehäuses angebracht ist, der für die Laserstrahlung und das zu detektierende Licht durchlässig ist, aber sonstige Streustrahlung bereits am Eintritt in das Gehäuse herausfiltert.