DE4429582A1 - Radiation source for a measuring system - Google Patents

Radiation source for a measuring system

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Abstract

A radiation source (1) for a measuring system for the spectroscopic analysis of the proportion of a material in a gas sample is to be improved with regard to its capacity for tuning in the wave length range which is used for the gas analysis. In order to achieve this object, the radiation source is constructed as a laser diode (2) which is located on a planar substrate (8) and emits in a vertical manner in respect of the substrate (8). The emission wavelength of the laser diode is controlled using a thermoelectric peltier cooling device. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle für ein Meßsystem zur spektroskopischen Bestimmung des Anteils eines Stoffes in einer Gasprobe mit zumindestens einer Temperiervorrichtung zur Einstellung eines Temperatur-Arbeitspunktes der Strahlungsquelle.The invention relates to a radiation source for a Measuring system for the spectroscopic determination of the proportion of a substance in a gas sample with at least one Temperature control device for setting a Temperature operating point of the radiation source.

Eine Vorrichtung zur spektroskopischen Bestimmung des Anteils eines Stoffes in einer Gasprobe ist aus der DE-A 41 22 572 bekanntgeworden. Mit der bekannten Vorrichtung werden Sauerstoffkonzentrationen mittels Strahlungsabsorption im Wellenlängenbereich von ca. 760 Nanometer gemessen. Als Strahlungsquelle wird eine sogenannte kantenemittierende Laserdiode mit einer Monitordiode verwendet, mit einem Wellenlängenbereich von 759 bis 764 Nanometer. Die auf der Vorderseite der Laserdiode austretende Strahlung wird als Meßstrahlung verwendet, die rückwärtige Strahlung trifft auf die Monitordiode. Die Laserdiode wird von einem Steuerstrom gespeist, der aus einem Gleichstromanteil und einem Wechselstromanteil mit der Frequenz von 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 Temperiervorrichtung montiert, wobei über die Temperatur T der Temperatur-Arbeitspunkt der Laserdiode eingestellt und diese hierdurch auf eine der bekannten Absorptionslinien von Sauerstoff gebracht wird. Da die Absorptionslinien, besonders bei Sauerstoff, schwach ausgeprägt sind, wird die zweite Ableitung der Absorptionslinie für die Konzentrationsmessung verwendet. 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 an seinem Referenzeingang mit einer Signalspannung von der doppelten Frequenz der Ansteuerung der Laserdiode beaufschlagt wird. Das Ausgangssignal des Lock-In Verstärkers entspricht der zweiten Ableitung des Absorptionssignals.A device for the spectroscopic determination of the The proportion of a substance in a gas sample is from the DE-A 41 22 572 has become known. With the known Device will use oxygen concentrations Radiation absorption in the wavelength range of approx. 760 Measured in nanometers. A radiation source is used So-called edge-emitting laser diode with one Monitor diode used, with a wavelength range from 759 to 764 nanometers. The one on the front of the Radiation emitted by laser diode is called measuring radiation used, the back radiation hits the Monitor diode. The laser diode is powered by a control current fed from a DC component and a AC component with a frequency of 5 KHz is composed. With the DC component of the Control current is the working current I of the laser diode set while the AC component is a periodic upset in the area of Absorption lines causes. To one if possible harmonic-free control of the laser diode reach is a sinusoidal as an alternating current Curve chosen. The laser diode and the  Monitor diode are as a block on one Temperature control device mounted, with the Temperature T is the temperature operating point of the laser diode adjusted and this thereby to one of the known Absorption lines of oxygen is brought. Since the Absorption lines, especially with oxygen, weak are pronounced, the second derivative of the Absorption line for concentration measurement used. The lies within the absorption line Working point usually on the middle extremum the second derivative of the absorption line. The radiation emitted by the laser diode strikes after going through the gas to be examined, on a detector device connected to a Evaluation circuit is connected. The Evaluation circuit essentially consists of a Lock-in amplifier connected to the signal input Measuring signal of the detector device and at his Reference input with a signal voltage from the double frequency of driving the laser diode is applied. The output signal of the lock-in Amplifier corresponds to the second derivative of the Absorption signal.

Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, daß kantenemittierende Laserdioden bei Veränderung der Temperatur T der Temperiervorrichtung, des Arbeitsstroms I und auch infolge von Alterungsvorgängen den Longitudinalmode wechseln können, wodurch ein plötzlicher Frequenzsprung oder Modensprung auftritt. Weiter ist nachteilig, daß die Monitordiode mit der aus der Laserdiode austretenden rückwärtigen Strahlung beaufschlagt wird und nicht mit der das zu untersuchende Gas durchlaufenden Meßstrahlung. Hierdurch können sich Ungenauigkeiten bei der Messung der Strahlungsleistung der Laserdiode mittels der Monitordiode einstellen.A disadvantage of the known device is that edge emitting laser diodes when changing the Temperature T of the temperature control device, the Working current I and also due to aging processes can change the longitudinal mode, whereby a sudden frequency jump or mode jump occurs. Another disadvantage is that the monitor diode with the the backward radiation emerging from the laser diode is applied and not with that too Examining gas passing through measuring radiation. This can cause inaccuracies in the measurement  the radiation power of the laser diode by means of Set the monitor diode.

Ein Meßsystem zur spektroskopischen Bestimmung des Anteils von Sauerstoff in einer Gasprobe mit einem Peltier-Element als Temperiervorrichtung, ist aus der US 4,730,112 bekanntgeworden. Das Peltier-Element befindet sich sandwichartig zwischen zwei metallischen Trägerplatten von denen eine die warme- und die andere die kalte Seite des Peltier-Elementes darstellt. Als Strahlungsquelle wird eine kantenemittierende Laserdiode verwendet, welche über ein Kühlblech an der "kalten" Trägerplatte des Peltier-Elementes angebracht ist. Die rückwärtige Strahlung der Laserdiode wird mit einer auf der "kalten" Trägerplatte befindliche Monitordiode registriert, während die aus der Laserdiode austretende Meßstrahlung über einen Lichtleiter zu der zu analysierenden Gasprobe geleitet wird.A measuring system for the spectroscopic determination of the Proportion of oxygen in a gas sample with a Peltier element as temperature control device, is from the US 4,730,112. The Peltier element is sandwiched between two metallic ones Carrier plates, one of which is warm and the other represents the cold side of the Peltier element. As Radiation source becomes an edge emitting Laser diode used, which has a heat sink on the "cold" support plate of the Peltier element attached is. The back radiation of the laser diode is with one on the "cold" carrier plate Monitor diode registered while that from the Laser radiation emerging from a measuring beam Optical fiber guided to the gas sample to be analyzed becomes.

Nachteilig bei dem bekannten Meßsystem ist der komplizierte Aufbau des Strahlungssenders mit dem Kühlblech.The disadvantage of the known measuring system is complicated structure of the radiation transmitter with the Heat sink.

Ein Anzeigesystem zur Projektion von Daten in das Blickfeld eines Helmträgers ist aus der US 5,325,386 bekanntgeworden. Wesentlicher Bestandteil des Anzeigersystems ist ein Array von vertikal emittierenden Laserdioden, welche auf einem Substrat als Träger angeordnet sind und über eine elektronische Schaltung angesteuert werden. Mit dem Laserdioden Array können sowohl farbige als auch monochromatische Darstellungen mit hoher Auflösung realisiert werden.A display system for projecting data into the The field of vision of a helmet wearer is from US 5,325,386 known. Essential part of the Display system is an array of vertical emitting laser diodes on a substrate are arranged as a carrier and via an electronic Circuit can be controlled. With the laser diode array can be both colored and monochromatic Representations can be realized with high resolution.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungsquelle für ein Meßsystem zur spektroskopischen Bestimmung des Anteils eines Stoffes in einer Gasprobe derart zu verbessern, daß das Auftreten von Modensprüngen reduziert ist.The invention has for its object a Radiation source for a measuring system for spectroscopic determination of the proportion of a substance in a gas sample so that the Occurrence of fashion jumps is reduced.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß die Strahlungsquelle als eine, auf einem planaren Substrat befindliche, vertikal zum Substrat emittierende Laserdiode ausgeführt ist.The problem is solved in that the Radiation source as one, on a planar substrate located, emitting vertically to the substrate Laser diode is executed.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß vertikal emittierende Laserdioden wegen ihres kleinen Abstrahlwinkels und ihrer guten Durchstimmbarkeit in dem für die Gasanalyse genutzten Wellenbereich auch besonders vorteilhaft in der IR-Spektroskopie eingesetzt werden können. Vertikal emittierende Laserdioden haben nämlich gegenüber kantenemittierenden Laserdioden den Vorteil, daß sie durch ihren kleinen Resonator große Abstände zwischen den einzelnen Moden haben, so daß innerhalb eines Modes ein Wellenlängenbereich von etwa einem Nanometer durchgestimmt werden kann.The invention is based on the knowledge that vertical emitting laser diodes because of their small size Beam angle and their good tunability in the wave range used for gas analysis too particularly advantageous in IR spectroscopy can be used. Vertically emitting Laser diodes have opposite edge emitting Laser diodes have the advantage of being small Resonator large distances between the individual modes have so that within a fashion Wavelength range of about one nanometer can be tuned.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims specified.

In zweckmäßiger Weise ist die Laserdiode als ein chipförmiges Array von einzelnen, vertikal emittierenden Laserdioden ausgeführt, welche auf unterschiedliche Wellenlängen abgestimmt sind, um Absorptionen der Meßstrahlung bei unterschiedlichen Wellenlängen messen zu können. Advantageously, the laser diode is as one chip-shaped array of individual, vertical emitting laser diodes running on different wavelengths are tuned to Absorbances of the measuring radiation at different To be able to measure wavelengths.  

Ein besonders einfacher und kompakter Aufbau in Verbindung mit einer Temperiervorrichtung mit einem Peltier-Element ergibt sich, wenn das die Laserdiode tragende Substrat flächig auf einer Trägerplatte des Peltier-Elementes befestigt wird, wobei als Trägerplatte üblicherweise die kalte Seite des Peltier-Elementes benutzt wird. Die Temperiervorrichtung besteht neben dem Peltier-Element im wesentlichen noch aus einem Steuergerät, welches zur Energieversorgung des Peltier-Elementes dient.A particularly simple and compact construction in Connection with a temperature control device with a Peltier element arises when the laser diode bearing substrate flat on a carrier plate of the Peltier element is attached, being as Carrier plate usually the cold side of the Peltier element is used. The Temperature control device exists next to the Peltier element essentially from a control unit, which for Energy supply of the Peltier element is used.

In zweckmäßiger Weise ist auf der das Substrat aufnehmenden Trägerplatte ein Temperaturfühler vorgesehen, welcher an die Temperiervorrichtung angeschlossen ist. Der Temperaturfühler mißt die Temperatur in der Umgebung der Laserdiode und kann entweder auf dem Substrat oder unmittelbar auf der Trägerplatte angebracht sein. Innerhalb des Steuergerätes der Temperiervorrichtung wird die mit dem Temperaturfühler gemessene Temperatur mit einem Sollwert eines Temperatur-Arbeitspunktes T verglichen und die Versorgungsspannung des Peltier-Elementes dann derart verändert, bis vorgegebene und gemessene Temperatur übereinstimmen.The substrate is expediently on the receiving carrier plate a temperature sensor provided which to the temperature control device connected. The temperature sensor measures that Temperature around the laser diode and can either on the substrate or directly on the Carrier plate may be attached. Within the Control unit of the temperature control device with the Temperature sensor measured temperature with a Setpoint value of a temperature operating point T compared and then the supply voltage of the Peltier element changed in such a way until specified and measured Temperature match.

In zweckmäßiger Weise ist im Emissionsbereich der Laserdiode eine die emittierte Strahlung zumindestens teilweise reflektierende, Transmissionsstrahlung durchlassende Scheibe vorgesehen und auf der die Laserdiode aufnehmenden Trägerplatte oder dem Substrat ist eine Monitordiode befestigt, welche im Empfangsbereich der an der Scheibe reflektierten Teilstrahlung liegt. Da mit der Monitordiode ein Teil der emittierten Strahlung gemessen wird, ist auf diese Weise eine besonders gute Regelung der Strahlungsleistung der Laserdiode möglich. Bei den aus der IR-Spektroskopie bekannten kantenemittierenden Laserdioden wird üblicherweise die rückwärtig austretende Strahlung zur Leistungsregelung benutzt, die im allgemeinen nicht die gleiche Strahlungsintensität besitzt wie die Meßstrahlung, mit der die Gasprobe durchstrahlt wird.The emission range is expediently the Laser diode at least the emitted radiation partially reflective, transmission radiation transmitting disc is provided and on which the Laser diode receiving carrier plate or the substrate a monitor diode is attached, which in Reception area of the reflected on the disc Partial radiation is. As part of the monitor diode the radiation emitted is measured on this Way a particularly good regulation of the  Radiation power of the laser diode possible. At the out edge emitting known in IR spectroscopy Laser diodes are usually the rear emerging radiation used for power control, which is generally not the same Like the measuring radiation, radiation intensity has with which is irradiated through the gas sample.

Ein zweckmäßiger Aufbau der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle besteht darin, daß das Peltier-Element im Bereich des Bodens eines mit Kontaktstiften versehenen, topfförmigen Gehäuses befestigt ist, und daß die dem Boden gegenüberliegende Seite des Gehäuses durch die Scheibe abgeschlossen ist.An expedient structure of the invention Radiation source is that the Peltier element in the area of the bottom one with contact pins provided, pot-shaped housing is attached, and that the side of the housing opposite the floor is completed by the disc.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert.An embodiment of the invention is in the Drawing shown and explained in more detail below.

Die einzige Figur zeigt schematisch eine Strahlungsquelle (1) nach der Erfindung im Längsschnitt. Die Strahlungsquelle (1) besteht aus einer Laserdiode (2) auf einem ebenen Substrat (8), welche einen Meßstrahl (12) vertikal zum Substrat (8) emittiert und flächig auf eine erste Trägerplatte (3) eines Peltier-Elementes (4) aufgeklebt ist. Die erste Trägerplatte (3) entspricht der kalten Seite des Peltier-Elementes (4). Eine sandwichartig zur ersten Trägerplatte (3) angeordnete zweite Trägerplatte (5), welche die warme Seite des Peltier-Elementes (4) darstellt, ist am Boden (6) eines topfförmigen Gehäuses (7) befestigt. Auf dem Substrat (8) sind ferner eine Monitordiode (9) und ein Temperaturfühler (10) angebracht. Der Temperaturfühler (10), das Peltier-Element (4), und ein Steuergerät (15) mit einem Sollwertsteller (16) für eine Temperatur T, bilden zusammen eine Temperiervorrichtung (17) zur Einstellung des Temperatur-Arbeitspunktes T der Laserdiode (2). Die Kontaktierung des Peltier-Elementes (4), der Laserdiode (2), der Monitordiode (9) und des Temperaturfühlers (10) erfolgt über Kontaktstifte (11) am Boden (6) des Gehäuses (7). Der rechte Kontaktstift (11) ist mit dem Temperaturfühler (10) verbunden; die beiden davor ,liegenden Kontaktstifte (11), dienen zur Kontaktierung des Peltier-Elementes (4). Das Steuergerät (15) besteht im wesentlichen aus einer in der Figur nicht dargestellten Spannungsversorgungs­ einheit für das Peltier-Element (4) und einem in der Figur ebenfalls nicht dargestellten Regler, welcher mit dem Meßwert des Temperaturfühlers (10) als Istwert und der am Sollwertsteller (16) eingestellten Vorgabegröße für den Temperatur-Arbeitspunkt T beaufschlagt wird. Das Gehäuse (7) ist an der dem Boden (6) gegenüberliegenden Seite mit einer Scheibe (13) abgeschlossen, an welcher Teilstrahlen (14) des von der Laserdiode (2) emittierten Meßstrahles (12) in Richtung zur Monitordiode (9) reflektiert werden. Der Strahl (12) ist in der Figur nur schematisch dargestellt, da die Strahlungsemission der Laserdiode (2) unter einem gewissen Abstrahlwinkel erfolgt. Das Meßsystem zu spektroskopischen Analyse des Anteils eines nachzuweisenden Stoffes in einer Gasprobe kann beispielsweise nach der DE-A 41 22 572 aufgebaut sein.The single figure shows schematically a radiation source ( 1 ) according to the invention in longitudinal section. The radiation source ( 1 ) consists of a laser diode ( 2 ) on a flat substrate ( 8 ), which emits a measuring beam ( 12 ) vertically to the substrate ( 8 ) and is glued flat onto a first carrier plate ( 3 ) of a Peltier element ( 4 ) is. The first carrier plate ( 3 ) corresponds to the cold side of the Peltier element ( 4 ). A second support plate ( 5 ), which represents the warm side of the Peltier element ( 4 ) and is arranged like a sandwich to the first support plate ( 3 ), is attached to the bottom ( 6 ) of a pot-shaped housing ( 7 ). A monitor diode ( 9 ) and a temperature sensor ( 10 ) are also attached to the substrate ( 8 ). The temperature sensor ( 10 ), the Peltier element ( 4 ), and a control unit ( 15 ) with a set point adjuster ( 16 ) for a temperature T, together form a temperature control device ( 17 ) for setting the temperature operating point T of the laser diode ( 2 ) . The contacting of the Peltier element ( 4 ), the laser diode ( 2 ), the monitor diode ( 9 ) and the temperature sensor ( 10 ) takes place via contact pins ( 11 ) on the bottom ( 6 ) of the housing ( 7 ). The right contact pin ( 11 ) is connected to the temperature sensor ( 10 ); the two contact pins ( 11 ) in front of it are used to contact the Peltier element ( 4 ). The control unit ( 15 ) consists essentially of a voltage supply unit for the Peltier element ( 4 ), not shown in the figure, and a controller, also not shown in the figure, which uses the measured value of the temperature sensor ( 10 ) as the actual value and that on the setpoint adjuster ( 16 ) preset size for the temperature operating point T is applied. The housing ( 7 ) is closed on the side opposite the bottom ( 6 ) with a disc ( 13 ), on which partial beams ( 14 ) of the measuring beam ( 12 ) emitted by the laser diode ( 2 ) are reflected in the direction of the monitor diode ( 9 ) . The beam ( 12 ) is only shown schematically in the figure, since the radiation emission from the laser diode ( 2 ) takes place at a certain radiation angle. The measuring system for spectroscopic analysis of the proportion of a substance to be detected in a gas sample can be constructed, for example, according to DE-A 41 22 572.

Claims (6)

1. Strahlungsquelle (1) für ein Meßsystem zu spektroskopischen Bestimmung des Anteils eines Stoffes in einer Gasprobe mit zumindestens einer Temperiervorrichtung (17) zur Einstellung eines Temperatur-Arbeitspunktes T der Strahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle als eine auf einem planaren Substrat (8) befindliche, vertikal zum Substrat (8) emittierende Laserdiode (2) ausgeführt ist.1. radiation source ( 1 ) for a measuring system for spectroscopic determination of the proportion of a substance in a gas sample with at least one temperature control device ( 17 ) for setting a temperature operating point T of the radiation source, characterized in that the radiation source as one on a planar substrate ( 8 ) located, vertical to the substrate ( 8 ) emitting laser diode ( 2 ) is executed. 2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode als ein chipförmiges Array von einzelnen, vertikal emittierenden Laserdioden (2) vorliegt, deren Emissionsstrahlen (12) auf unterschiedliche Wellenlängen eingestellt sind.2. Radiation source according to claim 1, characterized in that the laser diode is present as a chip-shaped array of individual, vertically emitting laser diodes ( 2 ), the emission beams ( 12 ) of which are set to different wavelengths. 3. Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (8) mit der Laserdiode (2) flächig aufliegend auf einer ersten Trägerplatte (3) eines Peltier-Elementes (4), welches Teil der Temperiervorrichtung (17) ist, befestigt ist.3. Radiation source according to claim 1 or 2, characterized in that the substrate ( 8 ) with the laser diode ( 2 ) lying flat on a first carrier plate ( 3 ) of a Peltier element ( 4 ), which is part of the temperature control device ( 17 ), is attached. 4. Strahlungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Substrats (8), oder der das Substrat (8) aufnehmenden ersten Trägerplatte (3), ein Temperaturfühler (10) vorgesehen ist, welcher an die Temperiervorrichtung (17) angeschlossen ist. 4. Radiation source according to claim 3, characterized in that in the region of the substrate ( 8 ), or the substrate ( 8 ) receiving the first carrier plate ( 3 ), a temperature sensor ( 10 ) is provided, which is connected to the temperature control device ( 17 ) . 5. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Emissionsbereich der Laserdiode (2) eine die emittierte Strahlung zumindestens teilweisende reflektierende, Transmissionsstrahlung durchlassende Scheibe (13) vorgesehen ist, und daß eine Monitordiode (9) vorhanden ist, welche auf von der Scheibe (13) reflektierte Teilstrahlen (14) des Strahls (12) ausgerichtet ist.5. Radiation source according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the emission region of the laser diode ( 2 ) an at least partially reflecting, transmission radiation transmitting disc ( 13 ) is provided, and that a monitor diode ( 9 ) is present, which is aligned with partial beams ( 14 ) of the beam ( 12 ) reflected by the disc ( 13 ). 6. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Trägerplatte (3) gegenüberliegende Seite des Peltierelementes (4) am Boden (6) eines mit Kontaktstiften (11) versehenen, topfförmigen Gehäuses (7) befestigt ist, welches durch die Scheibe (13) abgeschlossen ist.6. Radiation source according to one of claims 3 to 5, characterized in that the side of the Peltier element ( 4 ) opposite the first carrier plate ( 3 ) is attached to the bottom ( 6 ) of a pot-shaped housing ( 7 ) provided with contact pins ( 11 ), which is completed by the disc ( 13 ).
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