DE4122572A1 - Verfahren zum betrieb einer laserdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Laserdiode in einem Meßsystem zur spektrokospischen Messung der Konzentration eines Gasbestandteils mit einer Thermostateinrichtung zur Einstellung einer Temperatur T und einer Gleichspannungsquelle zur Einstellung eines Arbeitsstroms I für die Laserdiode, einer Detektoreinrichtung zur Aufnahme des Meßsignals der transmittierten Strahlung der Laserdiode durch die Gasprobe und einer Auswerteschaltung.

Eine Vorrichtung mit einer Laserdiode zur spektroskopischen Messung der Konzentration eines Gasbestandteils ist aus der US-Z.: Appl. Phys. Lett. 51 (18), 2. November 1987, 1465-1467, "Measurement of gaseous oxygen using diode laserspectroscopy", bekanntgeworden. Das Verfahren bezieht sich auf die gasspektroskopische Messung von Sauerstoffkonzentrationen auf der Basis der Strahlungsabsorption im Wellenlängenbereich von ca. 760 Nanometer. Als Strahlungsquelle wird eine Laserdiode mit Monitordiode vom Typ ML-4405 verwendet, mit einem Wellenlängenbereich von 759 bis 764 Nanometer, wobei die Laserdiode von einem Steuerstrom gespeist wird, der aus einem Gleichstromanteil und einem Wechselstromanteil der Frequenz 5 KHz zusammengesetzt ist. Mit dem Gleichstromanteil des Steuerstroms wird der Arbeitsstrom I der Laserdiode eingestellt, während der Wechselstromanteil eine periodische Verstimmung im Bereich der Absorptionslinien bewirkt. Um eine möglichst oberwellenfreie Ansteuerung der Laserdiode zu erreichen, wird als Wechselstrom ein sinusförmiger Kurvenverlauf gewählt. Die Laserdiode und die Monitordiode sind als Block auf einer Thermostateinrichtung montiert, wobei über die Temperatur T der Temperatur-Arbeitspunkt eingestellt und die Laserdiode hierdurch auf eine der bekannten Absorptionslinien von Sauerstoff gebracht wird. Innerhalb der Absorptionslinie liegt der Arbeitspunkt üblicherweise auf dem mittleren Extremum der zweiten Ableitung der Absorptionslinie.

Die von der Laserdiode emittierte Strahlung trifft, nachdem sie das zu untersuchende Gas durchlaufen hat, auf eine Detektoreinrichtung, die an eine Auswerteschaltung angeschlossen ist. Die Auswerteschaltung besteht im wesentlichen aus einem Lock-In Verstärker, der an seinem Signaleingang mit dem Meßsignal der Detektoreinrichtung und seinem Referenzeingang mit einer Signalspannung von der doppelten Frequenz der Ansteuerung der Laserdiode beaufschlagt wird. Weiter enthält die Auswerteschaltung einen Differenzverstärker, der ebenfalls an das Meßsignal der Detektoreinrichtung angeschlossen ist und von der Monitordiode ein der Strahlungsleistung proportionales Signal der Laserdiode erhält. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers entspricht der Absorptionslinie für die gemessene Sauerstoffkonzentration. Da die Absorptionslinie, besonders bei Sauerstoff, schwach ausgeprägt ist, wird die zweite Ableitung der Absorptionslinie, die dem Ausgangssignal des Lock-In Verstärkers entspricht, für die Konzentrationsmessung verwendet. Die Maximalamplitude des Ausgangssignals des Lock-In Verstärkers ist näherungsweise proportional dem Partialdruck des Sauerstoffs.

Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, daß die Laserdiode bei Veränderung der Temperatur T der Thermostateinrichtung, des Arbeitsstroms I, besonders aber aufgrund von Alterungsvorgängen den Longitudinalmode wechseln kann, wodurch ein plötzlicher Frequenzsprung oder Modensprung auftritt. Bei der Herstellung einer derartigen Vorrichtung können derartige Modensprünge mit einem entsprechenden Spektrometer erkannt und der Arbeitspunkt der Laserdiode entsprechend einjustiert werden. Soll während der Betriebszeit eine derartige Justierung durchgeführt werden, ist dieses nur mit großem Zeit­ und Kostenaufwand möglich, da die Vorrichtung an ein entsprechendes Spektrometer angeschlossen werden muß, mit dem das Spektrum der Laserdiode aufgenommen werden kann.

Aus der US-Z: Applied Optics, Vol. 29, No. 9, 20. March 1990, 1327-1332, ist eine Vorrichtung bekanntgeworden, bei der mittels eines längenveränderbaren zusätzlichen Resonators die Modensprünge der Laserdiode unterdrückt werden können.

Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, daß sie aufwendig in der Realisierung ist und einen Resonator als Zusatzkomponente erfordert, was sich nachteilig auf den Gerätepreis auswirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Laserdiode derart zu verbessern, daß die Modensprünge der Laserdiode bei der Einstellung des Temperatur-Strom-Arbeitspunktes der Laserdiode einfach erkennbar sind. Außerdem soll die Erkennung der Positionen der Modensprünge auch im Betrieb durchführbar sein.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß zur Einstellung eines Temperatur-Strom-Arbeitspunktes der Laserdiode ein optisches Filter in den Strahlengang geschaltet ist und durch Anderung der Temperatur T und/oder des Arbeitsstoms I der Laserdiode bei gleichzeitiger Aufnahme des von der Auswerteschaltung gelieferten Ausgangssignals, die die Absorptionslinien der Gasprobe einschließenden spektralen Position der Modensprünge der Laserdiode bestimmt werden. Anschließend wird der Temperatur-Strom-Arbeitspunkt derart eingestellt, daß er im Bereich der genutzten Absorptionslinie bzw. Absorptionslinien einen festgelegten Abstand zu den Positionen der Modensprünge nicht unterschreitet.

Der Vorteil des Verfahrens besteht im wesentlichen darin, daß man in den Strahlengang zwischen Laserdiode und Detektoreinrichtung zunächst ein optisches Filter setzt, welches die Transmission der Strahlung im Bereich der Wellenlänge der Laserdiode beeinflußt. Das Filter setzt Frequenzänderungen der Laserdiode in Intensitätsänderungen an der Detektoreinrichtung um. Wird nun mittels der Thermostateinrichtung die Temperatur T der Laserdiode verändert, bei konstantem Arbeitsstrom I, ergibt sich zunächst eine geringe Variation der Intensität an der Detektoreinrichtung. Stellt sich jedoch ein Modensprung d. h. ein Frequenzsprung ein, zeigt sich an der Detektoreinrichtung eine deutliche Intensitätsänderung, obgleich sich die Ausgangsintensität der Laserdiode nicht wesentlich verändert hat. Diese Anderung kann auch besonders gut an den Ableitungen des Meßsignals erkannt werden. Betrachtet man beispielsweise die zweite Ableitung des Meßsignals, wie sie als Ausgangssignal von einem Lock-In-Verstärker geliefert wird, ist ein Modensprung an dem Ausgangssignal an zwei aufeinanderfolgenden Extrema, ähnlich der Ableitung einer Gaußkurve, erkennbar. Eine Absorptionslinie unterscheidet sich von diesem Verlauf qualitativ dadurch, daß sie drei zusammenhängende Extrema besitzt. Frequenzänderungen und Modensprünge an der Laserdiode ergeben sich auch bei Veränderung des Arbeitsstromes I und konstanter Temperatur T. Nach der Ermittlung der Modensprünge im Bereich der Absorptionslinien durch Variation der Temperatur T und/oder des Arbeitsstromes I wird der Temperatur-Strom-Arbeitspunkt der Laserdiode aus einer Kombination von Temperatur T und Arbeitsstrom I derart eingestellt, daß er einen festgelegten Abstand von den Positionen der Modensprünge nicht unterschreitet. Hierbei nutzt man den Effekt aus, daß die Wellenlänge von Modensprüngen einer Laserdiode durch Temperatur und Arbeitsstrom unterschiedlich beeinflußt werden.

Es ist zweckmäßig, das optische Filter als ein Kantenfilter auszuführen. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können unterschiedliche Filter verwendet werden. Diese können sowohl in Transmission als auch in Reflexion eingesetzt werden. Es eignen sich Interferenzfilter ebenso gut wie Farbgläser. Auch andere Materialien mit einer Transmissionsänderung im gewünschten Bereich wie Kunststoffe, Halbleiter oder Gläser sind geeignet. Das Filter kann frei im Strahlengang angeordnet oder als optisches Fenster an der Meßküvette vorgesehen sein. Das Filter bewirkt außerdem, daß störende Reflexionen im Strahlengang unterdrückt werden und sich dadurch ein verbesserter Signal-Rauschabstand ergibt.

Die Größe des Meßsignal-Hubs kann über die Steigung der Filterkennlinie beeinflußt werden. Als vorteilhaft hat sich in Versuchen eine flache Charakteristik der Filterkennlinie erwiesen. Um Signalverzerrungen durch die Filterkennlinie auf ein Minimum zu reduzieren, sollte ein Filter mit einer derartigen Filterkennlinie gewählt werden, bei der die Frequenzvariation der Laserdiode im Bereich des Wendepunktes der Filterkennlinie liegt.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Meßsystem zur gasspektroskopischen Messung der Konzentration eines Gasbestandteils,

Fig. 2 die Abhängigkeit des Ausgangssignals des Lock-In-Verstärkers von der Temperatur T der Laserdiode.

Fig. 1 zeigt ein Meßsystem (1) zur gasspektroskopischen Messung der Sauerstoffkonzentration einer Gasprobe, welche sich in einer Meßküvette (2) befindet und diese von einem Meßküvetten-Einlaß (3) zu einem Meßküvetten-Auslaß (4) durchströmt. Die Meßküvette (2) wird von einer Laserdiode (5) mit einem vorgeschalteten Kantenfilter (13) durchstrahlt. Die Laserdiode (5) ist zusammen mit einer Monitordiode (6) auf einer Thermostateinrichtung (7) befestigt. Die Temperatur T der Thermostateinrichtung (7) und damit die Temperatur T des Laserdiode (5) ist mittels einer Temperatur-Steuereinheit (12) einstellbar. Die aus der Küvette (2) austretende Strahlung trifft auf eine Detektoreinrichtung (8), wobei das dort entstehende Meßsignal über einen Wandler (9) einem Lock-In Verstärker (10) als Auswerteschaltung zugeführt wird. Die Ansteuerung der Laserdiode (5) erfolgt über ein Modulationsprofil (11), welches sich aus einer Gleichspannung aus einer Gleichspannungsquelle (14) und einer sinusförmigen Wechselspannung der Frequenz 5 KHz zusammensetzt. Die Wechselspannung wird in einem Generator (15) erzeugt. Mit der Gleichspannungsquelle (14) wird ein Arbeitsstrom I für die Laserdiode (5) eingestellt.

Die sinusförmige Wechselspannung des Generators (15) wird über einen Frequenzverdoppler (16) geleitet und dann dem Lock-In Verstärker (10) zugeführt. Das Ausgangssignal (17) des Lock-In Verstärkers (10) entspricht der zweiten Ableitung des Absorptionssignals für die Sauerstoffkonzentration in der Gasprobe. Das Ausgangssignal (17) und das Signal am Meßpunkt (18) sind an einen Dividierer (19) angeschlossen, der mit einer Anzeigeeinheit (20) für die Sauerstoffkonzentration verbunden ist. Mit dem Dividierer (19) wird eine Normierung in der Weise erreicht, daß Intensitätsverluste der Strahlung, die beispielsweise auf eine Verschmutzung der Meßküvette (2) zurückzuführen sind, kompensiert werden.

Fig. 2 zeigt qualitativ die Abhängigkeit des Ausgangssignals (17) des Lock-In-Verstärkers (10) von der Temperatur T der Laserdiode (5). Auf der Abszisse ist ein Temperaturbereich von 24 bis 27 Grad Celsius aufgetragen, die Ordinate hat eine dimensionslose Skalierung für die Größe des Ausgangssignales (17). Bei Variation der Temperatur T mittels der Temperatur-Steuereinheit (12) bei konstantem Arbeitsstrom I, ergibt sich der in der Fig. 2 dargestellte Verlauf des Ausgangssignals (17). Die Stellen mit zwei aufeinanderfolgenden Extrema sind die Modensprünge (22) der Laserdiode (5), die Stellen mit drei aufeinanderfolgenden Extrema sind die Absorptionslinien (23) für den nachzuweisenden Gasbestandteil. Zur Bestimmung der Modensprünge wird zunächst die Abhängigkeit des Ausgangssignals (17) von der Temperatur T bestimmt, bei festem Arbeitsstrom I. Da der Abstand zwischen den Absorptionslinien (23) und den Positionen der Modensprünge durch den Arbeitsstrom I und die Temperatur T beeinflußt wird, müssen gegebenenfalls weitere Messungen durchgeführt werden, z. B. bei konstanter Temperatur T und Variation des Arbeitsstroms I. Aus den sich ergebenden Ausgangssignalen (17) wird eine Kombination von Temperatur T und Arbeitsstrom I als Temperatur-Strom-Arbeitspunkt (21) der Laserdiode (5) für den stationären Betrieb eingestellt, bei der die Frequenz der Laserdiode (5) im Bereich der Absorptionslinien (23) liegt und ein festgelegter Abstand zu den Positionen der Modensprünge (22) nicht unterschritten wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auch ohne Spektrometer einen geeigneten Temperatur-Strom-Arbeitspunkt (21) für die Laserdiode (5) festzulegen, der einen ausreichenden Abstand von den Positionen der Modensprünge (22) hat.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betrieb einer Laserdiode (5) in einem Meßsystem (1) zur spektroskopischen Messung der Konzentration eines Gasbestandteils, mit einer Thermostateinrichtung (7) zur Einstellung einer Temperatur T und einer Gleichspannungsquelle (14) zur Einstellung eines Arbeitsstroms I für die Laserdiode (5), einer Detektoreinrichtung (8) zur Aufnahme des Meßsignals der transmittierten Strahlung der Laserdiode (5) durch die Gasprobe und einer Auswerteschaltung (9, 10), dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung eines Temperatur-Strom-Arbeitspunktes (21) der Laserdiode (5) ein optisches Filter (13) in den Strahlengang geschaltet ist und durch Änderung der Temperatur T und/oder des Arbeitsstroms I der Laserdiode (5) bei gleichzeitiger Aufnahme des von der Auswerteschaltung (9, 10) gelieferten Ausgangssignals (17), die die Absorptionslinien (23) der Gasprobe einschließenden spektralen Positionen der Modensprünge (22) der Laserdiode (5) bestimmt werden und daß anschließend der Temperatur-Strom-Arbeitspunkt (21) derart eingestellt wird, daß er im Bereich der genutzten Absorptionslinien (23) einen festgelegten Abstand zu den Positionen der Modensprünge (22) nicht unterschreitet.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Filter als ein Kantenfilter (13) ausgeführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkennlinie des Kantenfilters (13) derart bemessen ist, daß die Frequenzvariation der Laserdiode (5) im Bereich des Wendepunktes der Filterkennlinie liegt.