DE4327343A1 - Halbleiterlaser, insbesondere zur Verwendung in einem Laserpointer oder Laserdioden-Modul - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser, insbesondere zur Verwendung in einem Laserpointer oder Laserdioden-Modul, mit einer Laserdiode und einer zu deren Betrieb notwendigen elektronischen Schaltung sowie einer Monitordiode, die in Verbindung mit der elektronischen Schaltung der Messung der emittierten Laserleistung und deren Begrenzung auf einen Maximalwert dient.

Das von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) zur Anwendung empfohlene Schema zur Klassifikation von Lasergeräten wird vorrangig von dem Aspekt getragen, die tatsächlich von dem Laser ausgehende Gefährdung in Gefährdungsklassen einzuteilen. Die Grundlage für die Klassifikation der Laser bildet ihre Fähigkeit, durch primären oder reflektierten Strahl Schäden am Auge bzw. auf der Haut des Menschen hervorzurufen.

Laserdioden-Module und insbesondere Laserpointer sind in die Gefährdungsklasse 2 eingereiht. Sie bedeutet niedriges Risiko für Lasersysteme, die im sichtbaren Bereich arbeiten und normalerweise nicht gefährdend sind.

Die emittierte Leistung darf bei einem Dauerlaser der Klasse 2 aber maximal 1 mW betragen.

Ein Einzelfehler in der zum Betrieb des Lasers notwendigen elektronischen Schaltung darf nicht zu einer ungewollten und möglicherweise gefährlichen Leistungserhöhung führen.

Bei einer aus dem Firmenprospekt "TOSHIBA, Laser Diodes with Visible Wavelength, Prospekt Nr. 3820C-A 92-09" bekannten Vorrichtung zum Betrieb einer Laserdiode ("Visible Laser Diode VLD") wird eine Laserdiode gemeinsam mit einer Monitordiode in einem Gehäuse zu dem Zweck eingesetzt, daß die Monitordiode die von der Laserdiode abgegebene Laserleistung empfängt und in Verbindung mit einer elektronischen Schaltung die emittierte Laserleistung begrenzt. Bestimmte Fehlfunktionen der elektronischen Schaltung können aber zu einer ungewollten, für die menschliche Gesundheit dramatischen Erhöhung der Laserleistung führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die unter Verwendung möglichst weniger elektrischer bzw. elektronischer Bauteile zuverlässiger als bisher eine Erhöhung der emittierten Laserleistung über einen vorgegebenen Maximalwert hinaus auch dann verhindert, wenn in der für den Betrieb des Lasers eingesetzten, elektronischen Schaltung ein Einzelfehler auftritt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung weist gegenüber dem Bekannten die Vorteile auf, daß bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die ohnehin gemeinsam mit der Laserdiode in einem gemeinsamen Gehäuse vorhandene Monitordiode Teil eines nichtfunktionsbeteiligten, redundanten Schutzkreises ist, der bei einem Einzelfehler in der zum Betrieb der Laserdiode notwendigen elektronischen Schaltung und einer damit verbundenen Erhöhung der emittierten Laserleistung über einen vorgegebenen Maximalwert hinaus eine Begrenzung der emittierten Laserleistung bewirkt. Der redundante Schutzkreis, der die im Gehäuse der Laserdiode eingebaute Monitordiode nutzt, macht es möglich, mit weniger Bauteilen auszukommen, als ein anderer Schutzkreis. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine redundante Begrenzung der emittierten Laserleistung verwendet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch einen Laserpointer mit einer Laserdiode, einer elektronischen Schaltung und einer funktionsbeteiligten, redundanten Monitordiode,

Fig. 2 für ein Laserdioden-Modul oder einen Laserpointer einen Stromlaufplan eines ersten Ausführungsbeispiels eines Halbleiterlasers mit seiner Betriebselektronik, bei dem ein redundanter Schutzkreis in Reihe mit einem die Laserdiode treibenden Transistor liegt,

Fig. 3 für ein Laserdioden-Modul oder einen Laserpointer einen Stromlaufplan eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Halbleiterlasers mit seiner Betriebselektronik, bei dem der redundante Schutzkreis parallel zu dem die Laserdiode treibenden Transistor liegt,

Fig. 4 für ein Laserdioden-Modul oder einen Laserpointer einen Stromlaufplan eines dritten Ausführungsbeispiels eines Halbleiterlasers mit seiner Betriebselektronik, bei dem der redundante Schutzkreis eine im Treiberstromkreis liegende Serienschaltung ist.

In Anwendung eines Halbleiterlasers auf einen Laserpointer 10 (Fig. 1) ist in an sich bekannter Weise in einem Gehäuse 18 eine Laserdiode 11 untergebracht, deren Laserstrahl eine Bohrung 17 in einer Blende 12 und eine Optik 13 passiert, um danach aus einer frontseitigen Öffnung 14 des Laserpointers 10 an dessen Spitze auszutreten. Hinter der Laserdiode 11 schließt-sich ein Raum 15 zur Aufnahme einer elektronischen Schaltung 20 mit einem Taster 21 an, hinter dem sich ein Batteriefach 16 zur Aufnahme einer Batterie 23 (Fig. 2, 3) befindet.

Die elektronische Schaltung 20 für einen Halbleiterlaser ist zum Betrieb der Laserdiode 11 notwendig und umfaßt auch Bauteile, die der Begrenzung der emittierten Laserleistung auf einen vorgegebenen Maximalwert dienen. Mit dem Taster 21 wird der Laserpointer 10 bzw. ein Laserdioden-Modul aktiviert.

Es ist ebenfalls bekannt, daß in dem Gehäuse der Laserdiode 11 auch eine Monitordiode 22 (Fig. 2) untergebracht ist, die als Photodiode die von der Laserdiode 11 emittierte Laserleistung detektiert.

Räumlich außerhalb der Laserdiode 11 (Fig. 1) ist noch eine weitere Monitordiode 24 zur Detektion von Streustrahlung vorgesehen, die aus der Laserdiode 11 kommt und nicht die Blende 12 im Laserpointer 10 passiert.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers steckt die Monitordiode 24 (Fig. 1) in einer Öffnung eines im Gehäuse 18 des Laserpointers 10 sitzenden Trägers 19, auf dem sich auch die Laserdiode 11 befindet. Nur ein Teil der von der Laserdiode 11 emittierten Strahlung passiert die Öffnung in der Blende 12. Ein erheblicher Teil der Strahlung verbleibt als Streustrahlung in dem Raum zwischen der Blende 12 und dem Träger 19. Diese Streustrahlung eignet sich für die Auswertung durch die Monitordiode 24.

Elektrische Energie für die elektronische Schaltung 20 (Fig. 2) kommt bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung von der Batterie 23, die über den Taster 21 aufgeschaltet wird.

Ein Transistor 26 treibt die Laserdiode 11. Der Transistor 26 ist ein npn-Transistor. Die Basis des Transistors 26 ist mittels eines Vorspannetzwerks 25 vorgespannt. Die außerhalb des Gehäuses der Laserdiode 11 gelagerte Monitordiode 24 liegt der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 26 parallel.

Anstatt eines npn-Transistors kann für den Transistor 26 auch ein Feldeffekttransistor (FET-Transistor) verwendet werden.

In einer zur Batterie 23 führenden Leitung 31 liegt eine Sicherung 27, die eine elektromechanische Sicherung, eine Schmelzsicherung oder eine elektronische Sicherung sein kann.

Wird der Taster 21 (Fig. 2) geschlossen, wird der Transistor 26 langsam leitend. Ein Strom fließt durch die Laserdiode 11. Erreicht der Strom den Betriebswert der Laserdiode 11 (bei einem Ausführungsbeispiel sind dies 100 mA), so bewirkt die die Monitordiode 24 erreichende Streustrahlung, daß die Monitordiode 24 niederohmiger wird, was zu einer Reduktion des Basisstrom des Transistors 26 führt. Das Vorspannetzwerk 25 ist so eingestellt, daß aus dem Laserpointer eine Laserleistung von etwa 0,9 mW austritt.

Für den Fall, daß ein Einzelfehler in der elektronischen Schaltung 20 eine größere Laserleistung zur Folge hat, und die Laserdiode 11 nicht ohnehin sofort zerstört wird, tritt ein nichtfunktionsbeteiligter, redundanter Schutzkreis in Aktion.

Der nichtfunktionsbeteiligte, redundante Schutzkreis (Fig. 2) umfaßt die im Gehäuse der Laserdiode 11 befindliche Monitordiode 22, einen Transistor 29 und einen einstellbaren Widerstand 28. Der Transistor 29 ist ein npn-Transistor. Parallel zu seiner Basis-Kollektor-Strecke liegt die Monitordiode 22. Parallel zu seiner Basis-Emitter-Strecke ist der einstellbare Widerstand 28 angeschlossen. Der Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des Transistors 29 und dem einstellbaren Widerstand 28 ist über eine Leitung 30 galvanisch mit dem Kollektor des Transistors 26 verbunden.

Für den Transistor 29 kann alternativ ein Feldeffekttransistor (FET-Transistor) verwendet werden.

Steigt die vom Halbleiterlaser, also von dem Laserpointer 10 bzw. einem Laserdioden-Modul emittierte Laserleistung über den vorgegebenen Maximalwert von 1 mW an, so steigt auch der Strom durch die Monitordiode 22 im Gehäuse der Laserdiode 11 und überschreitet einen vorgegebenen Grenzwert. Der Transistor 29 wird bei diesem Grenzwert leitend, der durch die Einstellung des einstellbaren Widerstands 28 bestimmt ist. Der leitend gewordene Transistor 29 übernimmt überschüssigen Strom, so daß die Sicherung 27 die Leitung 31, in die sie eingeschaltet ist, unterbricht. Der Laserpointer 10 bzw. ein Laserdioden-Modul gibt also keine unzulässig hohe Laserleistung mehr ab.

Ein anderes Ausführungsbeispiel (Fig. 3) eines Halbleiterlasers insbesondere für einen Laserpointer oder ein Laserdioden-Modul weist eine elektronische Schaltung 20 auf, die weitgehend derjenigen des Ausführungsbeispiels entspricht, das anhand der Fig. 2 beschrieben wurde.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist aber der einstellbare Widerstand 28 über die Leitung 30 galvanisch mit dem Emitter des Transistors 26 verbunden. Die Wirkung des nichtfunktionsbeteiligten, redundanten Schutzkreises (Monitordiode 22, Transistor 29, einstellbarer Widerstand 28) ist hierbei sehr ähnlich, denn auch hierbei spricht die Sicherung 27 bei zu hohem Strom durch den Schutzkreis an und unterbricht die Leitung 31, die zu der Batterie 23 führt.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (Fig. 4) eines Halbleiterlasers, insbesondere für einen Laserpointer oder ein Laserdioden-Modul, umfaßt die elektronische Schaltung 40 des Halbleiterlasers zu ihrer Stromversorgung die Batterie 23 und zum Einschalten des Halbleiterlasers den Taster 21.

Ferner sind ein Transistor 43 und ein weiterer Transistor 44 vorgesehen, deren Emitter an der Leitung 50 angeschlossen sind, die mit dem Minuspol der Batterie 23 galvanisch verbunden ist.

Der Transistor 43 und der Transistor 44 sind npn- Transistoren. Alternativ zu den npn-Transistoren können auch Feldeffekttransistoren verwendet werden.

Parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors 43 liegt ein einstellbarer Widerstand 45. Die Basis des Transistors 43 ist mit einer Monitordiode 42 verbunden, die sich in gemeinsamem Gehäuse mit einer Laserdiode 51 befindet. Der Kollektor des Transistors 43 liegt über einen Widerstand 46 an einer bei geschlossenem Taster 21 positive Spannung führenden Leitung 49.

Der Kollektor des Transistors 43 ist an die Basis des Transistors 44 angeschlossen. Zwischen dem Kollektor des Transistors 43 und damit der Basis des Transistors 44 und der Leitung 50 sind ein Kondensator 48 und parallel dazu ein Widerstand 47 gelegt.

In an sich bekannter Weise dient die Monitordiode 42 der Regelung der emittierten Laserleistung, deren Absolutwert durch die Einstellung des regelbaren Widerstands 45 bestimmt wird.

Zur Begrenzung der emittierten Laserleistung ist ein nichtfunktionsbeteiligter, redundanter Schutzkreis vorgesehen. Hierzu ist in den Betriebsstromkreis der Laserdiode 51 ein Feldeffekttransistor 52 eingefügt. Das Gate des Feldeffekttransistors 52 ist einerseits mit einem Widerstand 53 verbunden, dessen anderer Anschluß mit der Leitung 49 verbunden ist, und andererseits mit einer weiteren Monitordiode 54, deren anderer Anschluß am Kollektor des Transistors 44 angeschlossen ist. Der Widerstand 53 ist ein einstellbarer Widerstand. Er ist so eingestellt, daß der Feldeffekttransistor 52 bei der gewünschten Ausgangsleistung des Halbleiterlasers von 0,9 mW leitet.

Steigt die Ausgangsleistung des Halbleiterlasers auf 1 mW an, bewirkt der dann durch die Monitordiode 54 fließende, erhöhte Strom einen höheren Spannungsabfall an dem Widerstand 53 und damit eine Reduzierung der Gate-Surce-Spannung am Feldeffekttransistor 52. Dies hat eine Reduktion des Stroms durch die Laserdiode 51 zur Folge, was eine redundante Leistungsbegrenzung darstellt.

Bei den elektronischen Schaltungen 20 (Fig. 2, 3) und bei der elektronischen Schaltung 40 (Fig. 4) kann der elektrische Strom anstatt aus der Batterie 23 auch aus einer anderen Stromquelle stammen. Der Taster 21 ist für die Funktion der elektronischen Schaltungen 20 (Fig. 2, 3) bzw. 40 (Fig. 4) nicht erforderlich.

Claims (6)

1. Halbleiterlaser, insbesondere zur Verwendung in einem Laserpointer oder Laserdioden-Modul, mit einer Laserdiode und einer zu deren Betrieb notwendigen elektronischen Schaltung sowie einer Monitordiode, die in Verbindung mit der elektronischen Schaltung der Messung der emittierten Laserleistung und deren Begrenzung auf einen Maximalwert dient, dadurch gekennzeichnet, daß eine außerhalb der Laserdiode (11) ihr Streulicht empfangende, funktionsbeteiligte Monitordiode (24) vorgesehen ist, die der vorgespannten Basis-Emitter-Strecke eines die Laserdiode (11) treibenden Transistors (26) parallel liegt, daß die im Gehäuse der Laserdiode (11) befindliche, emittierte Laserleistung detektierende Monitordiode (22) Teil eines nichtfunktionsbeteiligten, redundanten Schutzkreises (Monitordiode 22, einstellbarer Widerstand 28, Transistor 29) zur Begrenzung der emittierten Laserleistung ist, und daß eine Sicherung (27) vorgesehen ist, die den Strom durch die Laserdiode (11) unterbricht, sobald die emittierte Laserleistung einen vorgegebenen Maximalwert übersteigt.

2. Halbleiterlaser, insbesondere zur Verwendung in einem Laserpointer oder Laserdioden-Modul, mit einer Laserdiode und einer zu deren Betrieb notwendigen elektronischen Schaltung sowie einer Monitordiode, die in Verbindung mit der elektronischen Schaltung der Messung der emittierten Laserleistung und deren Begrenzung auf einen Maximalwert dient, dadurch gekennzeichnet, daß eine außerhalb der Laserdiode (51) ihr Streulicht empfangende, nichtfunktionsbeteiligte Monitordiode (54) vorgesehen ist, die am Gate eines Feldeffekttransistors (52) angeschlossen ist, der im Betriebsstromkreis der Laserdiode (51) liegt und den Strom durch die Laserdiode (51) begrenzt, erreicht die emittierte Laserleistung einen vorgegebenen Grenzwert.

3. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb der Laserdiode (11) deren Streulicht empfangende Monitordiode (24; 54) neben der Laserdiode (11; 51) von einem Träger (19) gehalten wird, der auch die Laserdiode (11; 51) hält.

4. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtfunktionsbeteiligte, redundante Schutzkreis (Monitordiode 22, einstellbarer Widerstand 28, Transistor 29) in Reihe zu dem die Laserdiode (11) treibenden Transistor (26) liegt.

5. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtfunktionsbeteiligte, redundante Schutzkreis (Monitordiode 22, einstellbarer Widerstand 28, Transistor 29) parallel zu dem die Laserdiode (11) treibenden Transistor (26) liegt.

6. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtfunktionsbeteiligte, redundante Schutzkreis (Feldeffekttransistor 52 mit Monitordiode 54 und einstellbarem Widerstand 53) in Reihe zu der Laserdiode (51) liegt.