EP2269277A1 - Laser und verfahren zur erzeugung gepulster laserstrahlung - Google Patents

Laser und verfahren zur erzeugung gepulster laserstrahlung

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Publication number
EP2269277A1
EP2269277A1 EP09737739A EP09737739A EP2269277A1 EP 2269277 A1 EP2269277 A1 EP 2269277A1 EP 09737739 A EP09737739 A EP 09737739A EP 09737739 A EP09737739 A EP 09737739A EP 2269277 A1 EP2269277 A1 EP 2269277A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
transistors
transistor
capacitor
control unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09737739A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Otto JÜNEMANN
Andre Grosse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vincorion Advanced Systems GmbH
Original Assignee
ESW GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ESW GmbH filed Critical ESW GmbH
Publication of EP2269277A1 publication Critical patent/EP2269277A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06209—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in single-section lasers
    • H01S5/06216—Pulse modulation or generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0428—Electrical excitation ; Circuits therefor for applying pulses to the laser

Definitions

  • the present invention relates to a laser and a method for generating pulsed laser radiation.
  • Such lasers are used for example in the field of distance measurement and speed measurement. For this it is necessary that the laser generates pulses with pulse lengths in the range of a few ns and pulse repetition rates of 1 to 100 kHz with high pulse powers in the range of a few 10 W.
  • Such lasers often include a laser diode, a capacitor connected to the laser diode, a charging module for charging the capacitor and a switching transistor which is driven so that the charged capacitor is discharged via the laser diode for generating the laser pulse.
  • the life of the switching transistor decreases exponentially (by about half every 10 Kelvin). Furthermore, it is often not possible to increase the heat radiating area of the laser due to the negative effect on accuracy in pulse transit time measurement.
  • a laser for generating pulsed laser radiation comprising a laser diode, a capacitor connected to the laser diode, a charging module for charging the capacitor, a plurality of transistors connected in parallel between the laser diode and the capacitor, and a control unit which repeatedly repeats a pulse generation cycle in which it drives the charging module for charging the capacitor and then exactly one of the transistors for discharging the capacitor via the Selects laser diode for generating a laser pulse, wherein the control unit does not select the same transistor for driving in at least two temporally successive pulse generating cycles.
  • the thermal load of the individual transistor can be reduced, which leads to a significantly higher lifetime of the individual transistors.
  • the significantly longer lifetime of the individual transistors also leads to an overall longer lifetime of the entire laser since the service life of the transistors used e.g. is less than the life of the laser diode used.
  • the control unit may have a divider which divides a supplied pulse repetition signal by the number of transistors, whereby the transistors with the divided frequency can be sequentially selected and thereby driven.
  • each state of the divider may be assigned a transistor.
  • a Gray code counter can be used as a divider whose outputs are each assigned to one of the transistors. This gives a very good electromagnetic compatibility (EMC). It can be ensured that even with EMC interference always exactly one of the transistors and never more of the transistors are activated simultaneously.
  • the control unit can always select the transistors one after the other in the same order. This is particularly advantageous in terms of reducing the thermal load and thus increasing the life of the transistors and thus the entire laser.
  • the laser may have two, three, four, five or more transistors.
  • the control unit can be designed such that it never selects the same transistor for two chronologically successive pulse generation cycles. Thus, the same transistor is never selected twice in succession. This achieves a very good reduction in the thermal load on the transistors and thus an exponential increase in the service life.
  • the controller may include a random generator that randomly selects the one transistor for the pulse generation cycles.
  • the random number generator is preferably designed so that each transistor is selected the same number of times over a plurality of pulse generation cycles.
  • a plurality of pulse generation cycles is understood to mean, in particular, a pulse generation cycle number of greater than 100 times the number of transistors.
  • the laser is configured such that the capacitor is a high voltage capacitor charged to a few hundred volts (e.g., 230V).
  • a discharge current of up to 50 A with a discharge duration and thus a pulse length of a few ns can be generated.
  • the laser can achieve pulse repetition rates of a few kHz to 100 kHz and even more than 100 kHz.
  • the laser may be additionally equipped with a cooling device to further improve the life of the laser.
  • a cooling device to further improve the life of the laser.
  • an air convection device that does not cause any capacitive behavior, as may occur, for example, by additional cooling elements is suitable.
  • the laser is equipped with, for example, a fan which presses the outside air into the housing of the laser or pulls it into the housing via an opening.
  • the light exit opening of the laser diode can be used in a suitable embodiment.
  • a suitable aerator or suitable air intake device is advantageously arranged above the elements to be cooled in such a way that it expediently distributes or sucks the cooling air through suitably arranged air passage openings in the housing. It is advantageous in the case of the air intake through the light exit opening that the direction of the exiting light radiation is not changed. This may possibly lead to deflecting the emerging light beam at higher air temperatures.
  • the circuit board is interspersed with air circulation openings to direct the air to the elements to be cooled.
  • a pulse generating cycle is repeatedly performed in which a capacitor is charged and then discharged by a selected one of a plurality of transistors connected in parallel through a laser diode for generating a laser pulse, wherein at least two consecutive pulse generating cycles are not the same
  • Transistor is selected for discharging the capacitor.
  • the thermal load of the transistor can be reduced and thus its life can be significantly increased.
  • the transistors can always be sequentially selected and driven in the same order.
  • the thermal load of each transistor can be minimized.
  • a supplied pulse generating signal can be divided by the number of transistors and the selected transistors can be driven with the generated divider signal for activation.
  • the necessary control signals for the transistors can be easily generated, while ensuring that the pulses are generated equidistant in time.
  • a signal indicative of the selected transistor can be output. This is particularly advantageous if information about the currently activated
  • Transistor necessary or desired. This is e.g. in the field of distance and
  • Discharge circuits can lead to different results. However, these differences can be calibrated and taken into account in the measurement when the currently activated transistor is known.
  • the exactly one transistor can be randomly selected for the respective pulse generation cycle.
  • the transistor may be randomly selected such that each transistor is selected the same number of times over a plurality of pulse generation cycles over time.
  • the transistors are loaded with the same number of activations over the time of the plurality of pulse generating cycles.
  • cooling of the heating elements may additionally be provided to further improve the service life.
  • Air convection in particular, which does not cause any capacitive behavior, as may occur, for example, by means of additional cooling elements, is suitable for this purpose.
  • the laser is cooled with, for example, a fan that presses the outside air into the housing of the laser or through an opening in the housing (suction fan).
  • suction fan As a Heileinbergs- or air outlet opening, the light exit opening of the laser diode can be used in a special embodiment.
  • a suitable aerator or suitable air intake device is advantageously arranged above the elements to be cooled in such a way that it expediently distributes or sucks the cooling air through suitably arranged air passage openings in the housing. It is advantageous in the case of the air intake through the light exit opening that the direction of the exiting light radiation is not changed. This may possibly lead to deflecting the emerging light beam at higher air temperatures.
  • the circuit board is interspersed with air circulation openings to direct the air to the elements to be cooled.
  • Fig. 1 is a schematic view of an embodiment of the laser according to the invention.
  • the laser 1 for generating pulsed laser radiation which is indicated by the arrows P1 and P2, comprises a pulse laser diode 2, the cathode of which is connected to a high-voltage capacitor 3.
  • the capacitor 3 is in turn connected to the collectors of four avalanche transistors T1-T4.
  • the emitters of the four transistors T1-T4 are connected to the anode of the laser diode 2 via a discharge resistor 4.
  • the laser 1 further comprises a charging module 5 for charging the capacitor.
  • the charging module 5 may include, for example, a one-shot flyback converter for charging the high-voltage capacitor 3.
  • the laser 1 contains a control unit 6, which is connected on the one hand to the charging module 5 and on the other hand to the base terminals of the four avalanche transistors T1-T4. In this circuit configuration, the four transistors T1-T4 between the capacitor 3 and the Entladewiederstand 4 and thus the laser diode 2 are connected in parallel to each other.
  • a plurality of pulse generating cycles are performed under control of the control unit 6, in each of which first the charging module 5, the high voltage capacitor 3 to 230 V and then selects only one of the transistors T1-T4 and only this selected transistor T1
  • the control unit 6 carries out the pulse generation cycles such that the same transistor is never selected for activation in two pulse generation cycles which follow each other in time.
  • the transistors T1-T4 are sequentially selected and thus activated, with the selection of the transistor T1 being started again after the selection of the transistor T4.
  • the transistors are driven sequentially only at the divided frequency of the pulse generation cycles, the divider factor corresponding to the number of transistors T1 - T4 connected in parallel.
  • the thermal load of each transistor decreases in proportion to the number of transistors T1-T4 connected in parallel, however, thereby increasing the life of each of the transistors T1-T4 exponentially.
  • a divider contained in the control unit 6 which has a frequency applied to the laser 1 pulse repetition frequency by the number Transistors divides, so that the desired time-sequential drive of the transistors T1-T4 can be realized.
  • the divider can be designed, in particular, as a gray code counter whose outputs are each assigned to one of the transistors T1-T4. Since a Gray code for two adjacent numbers each differ by only one digit, ie one bit in the case of a binary code, a Gray code counter is advantageous with regard to electromagnetic compatibility, since this ensures that only one is always present only one of the transistors T1-T4 is turned on in a pulse generation cycle. Thus, it can be ensured that EMC disturbances do not cause several of the transistors T1-T4 to be simultaneously turned on or one of the transistors T1-T4 to be skipped.
  • the laser 1 can be developed so that the number of the currently active avalanche transistor T1-T4 is output. In this case, e.g. always the number of the currently activated transistor T1-T4 are output. It is also possible to signal only one complete revolution of the counter (i.e., when a predetermined transistor has been activated, here for example the fourth transistor T4).
  • the control unit 6 may also include a random number generator (not shown) which ensures that the transistors T1-T4 are uniformly loaded despite possible accidental EMC disturbances.
  • the divider factor equals the number of transistors but is an average over a long period of time.
  • each transistor T1 - T4 is successively selected and activated several times. On average, however, each transistor T1 - T4 is driven with the same number of activations, which increases the life of each of the transistors T1 - T4 exponentially.
  • the laser 1 is preferably designed such that the number of the currently activated avalanche transistor T1 - T4 is output.
  • the parallel-connected transistors T1-T4 and their connection lines to the laser diode will hardly be identical in practice. This results in several geometrical (for example by a few mm) different discharge circuits with their own parasitic elements, each generating different laser pulse forms in the sub-nanosecond range. Since in the pulse transit time measurement the time difference between a laser pulse of the laser 1 and the associated reflex pulse is used, occurs in different discharge circuits in the mm range of different distance results, depending on the currently activated transistor T1-T4.
  • each discharge circuit it is possible to calibrate each discharge circuit.
  • a distance measurement of a known distance e.g. a correction value can be determined for each transistor T1-T4. If the laser 1 signals the currently used transistor, therefore, can be taken into account in a distance measurement of this systematic error of the respective discharge circuit, so that highly accurate distance measurements are possible.
  • the laser according to the invention can, as already described, be used for distance measurements.
  • distance measurements for determining velocities of moving objects e.g. Vehicles are used.
  • a measuring system for measuring the reflex pulses together with the associated control and evaluation module can also be provided, which can then also take into account the correction values for each discharge circuit in the evaluation, if e.g. because of the accuracy is desired.
  • a distance measuring device and / or a speed measuring device can be provided.
  • Such a distance / speed measuring device may have further, known in the art elements that are necessary for the operation of the device.

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Abstract

Es wird bereitgestellt ein Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung, mit einer Laserdiode (2), einem mit der Laserdiode (2) verbundenen Kondensator (3), einem Lademodul (5) zum Aufladen des Kondensators (3), mehreren zwischen der Laserdiode (2) und dem Kondensator (3) zueinander parallel geschalteten Transistoren (T1-T4), und einer Steuereinheit (6), die wiederholt einen Pulserzeugungszyklus durchführt, in dem sie das Lademodul (5) zum Laden des Kondensators (3) ansteuert und danach genau einen der Transistoren (T1-T4) zum Entladen des Kondensators (3) über die Laserdiode (2) zur Erzeugung eines Laserpulses ansteuert, wobei die Steuereinheit (6) in zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Pulserzeugungszyklen nicht denselben Transistor (T1 -T4) zur Ansteuerung auswählt.

Description

Laser und Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlunq
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser und ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung.
Solche Laser werden beispielsweise im Bereich der Distanzmessung und Geschwindigkeitsmessung eingesetzt. Dazu ist es notwendig, daß der Laser Pulse mit Pulslängen im Bereich von einigen ns und Pulswiederholraten von 1 bis 100 kHz mit hohen Impulsleistungen im Bereich von einigen 10 W erzeugt.
Solche Laser weisen häufig eine Laserdiode, einen mit der Laserdiode verbundenen Kondensator, ein Lademodul zum Aufladen des Kondensator sowie einen Schalttransistor auf, der so angesteuert wird, daß der aufgeladene Kondensator über die Laserdiode zur Erzeugung des Laserpulses entladen wird.
Insbesondere bei hohen Temperaturen, die z.B. durch Belastung des Schalttransistors und die Umgebungstemperatur entstehen, sinkt die Lebensdauer des Schalttransistors exponentiell (alle 10 Kelvin etwa um die Hälfte). Ferner ist es häufig nicht möglich, die wärmeabstrahlende Fläche des Lasers wegen der negativen Auswirkung auf die Genauigkeit bei einer Impulslaufzeitmessung zu vergrößern.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung bereitzustellen, der eine höhere Lebensdauer aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung, mit einer Laserdiode, einem mit der Laserdiode verbundenen Kondensator, einem Lademodul zum Aufladen des Kondensators, mehreren zwischen der Laserdiode und dem Kondensator zueinander parallel geschalteten Transistoren, und einer Steuereinheit, die wiederholt einen Pulserzeugungszyklus durchführt, in dem sie das Lademodul zum Laden des Kondensators ansteuert und danach genau einen der Transistoren zum Entladen des Kondensators über die Laserdiode zur Erzeugung eines Laserpulses auswählt, wobei die Steuereinheit in zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Pulserzeugungszyklen nicht denselben Transistor zur Ansteuerung auswählt.
Damit kann die thermische Belastung des einzelnen Transistors reduziert werden, was zu einer deutlich höheren Lebensdauer der einzelnen Transistoren führt. Die deutlich höhere Lebensdauer der einzelnen Transistoren führt auch insgesamt zu einer höheren Lebensdauer des gesamten Lasers, da die Lebensdauer der verwendeten Transistoren z.B. geringer ist als die Lebensdauer der verwendeten Laserdiode. Durch das Vorsehen der mehreren Transistoren, die zeitlich nacheinander für die einzelnen Pulse angesteuert werden, wird somit eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer des gesamten Lasers erzielt.
Die Steuereinheit kann einen Teiler aufweisen, der ein zugeführtes Pulswiederholungssignal durch die Anzahl der Transistoren teilt, wodurch die Transistoren mit der geteilten Frequenz nacheinander ausgewählt und dadurch angesteuert werden können. Beispielsweise kann jedem Zustand des Teilers ein Transistor zugeordnet sein. Durch Verwendung eines solchen Teilers wird in vorteilhafter weise erreicht, daß die Pulse zeitlich äquivalent erzeugt werden.
Insbesondere kann als Teiler ein Gray-Code-Zähler verwendet werden, dessen Ausgänge jeweils einem der Transistoren zugeordnet sind. Dadurch ist eine sehr gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) gegeben. Es kann dadurch sichergestellt werden, daß selbst bei EMV- Störungen immer genau einer der Transistoren und nie mehrere der Transistoren gleichzeitig aktiviert werden.
Die Steuereinheit kann die Transistoren immer in derselben Reihenfolge zeitlich nacheinander auswählen. Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Reduzierung der thermischen Belastung und somit die Erhöhung der Lebensdauer der Transistoren und damit des gesamten Lasers.
Ferner kann die Steuereinheit ein den ausgewählten Transistor angebendes Signal ausgeben. Dazu kann sie beispielsweise bei jeder Aktivierung des ausgewählten Transistors ein entsprechendes Signal ausgeben. Es ist auch möglich, daß sie nach der Aktivierung einer bestimmten Anzahl von Transistoren ein Signal ausgibt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sie ein Signal ausgibt, nachdem sie alle vorhandenen Transistoren einmal ausgewählt und aktiviert hat.
Der Laser kann zwei, drei, vier, fünf oder mehr Transistoren aufweisen. Bei dem erfindungsgemäßen Laser kann die Steuereinheit so ausgebildet sein, daß sie nie denselben Transistor für zwei zeitlich aufeinander folgende Pulserzeugungszyklen auswählt. Es wird somit nie derselbe Transistor zweimal hintereinander ausgewählt. Damit wird eine sehr gute Reduzierung der thermischen Belastung der Transistoren und damit eine exponentielle Erhöhung der Lebensdauer erreicht.
Ferner kann die Steuereinheit einen Zufallsgenerator enthalten, der zufällig den genau einen Transistor für die Pulserzeugungszyklen auswählt. Damit ist zwar die genaue Reihenfolge der Auswahl der Transistoren unbestimmt. Jedoch ist der Zufallsgenerator bevorzugt so ausgebildet, daß im zeitlichen Mittel über eine Vielzahl von Pulserzeugungszyklen jeder Transistor gleich oft ausgewählt wird. Unter einer Vielzahl von Pulserzeugungszyklen wird hier insbesondere eine Pulserzeugungszyklenanzahl von größer als dem 100-fachen der Anzahl der Transistoren verstanden.
Durch die erfindungsgemäße Auswahl genau eines Transistors für jeden Pulserzeugungszyklus mittels der Steuereinheit kann der beschriebene Vorteil erreicht werden, daß die thermische Belastung der Transistoren deutlich reduziert wird.
Insbesondere ist der Laser so ausgebildet, daß der Kondensator ein Hochspannungs- Kondensator ist, der auf einige Hundert Volt (z.B. 230 V) aufgeladen wird. Damit kann ein Entladestrom von bis zu 50 A mit einer Entladedauer und somit einer Pulslänge von einigen ns erzeugt werden. Der Laser kann insbesondere Pulswiederholungsraten von einigen kHz bis 100 kHz und sogar auch mehr als 100 kHz erreichen.
In einer besonderen Ausführung kann zur weiteren Verbesserung der Lebensdauer der Laser zusätzlich mit einer Kühlungsvorrichtung ausgestattet sein. Hierzu eignet sich insbesondere eine Luftkonvektionsvorrichtung, die kein kapazitives Verhalten verursacht, wie sie beispielsweise durch zusätzliche Kühlelemente auftreten können. Der Laser ist dazu mit beispielsweise einem Lüfter, der die Außenluft in das Gehäuse des Lasers presst oder über eine Öffnung in das Gehäuse zieht, ausgestattet.
Als Lufteintritts- bzw. Luftaustrittsöffnung kann in geeigneter Ausführung die Lichtaustrittsöffnung der Laserdiode verwendet werden. Ein geeigneter Belüfter bzw. geeignete Luftansaugvorrichtung ist in vorteilhafter Weise so über den zu kühlenden Elementen angeordnet, dass dieser durch zweckmäßig angeordnete Luftdurchlassöffnungen im Gehäuse die Kühlluft zielgerichtet verteilt bzw. ansaugt. Vorteilhaft im Fall der Luftansaugung durch die Lichtaustrittsöffnung ist, dass die Richtung der austretenden Lichtstrahlung nicht verändert wird. Dies kann gegebenenfalls bei höheren Lufttemperaturen zum Ablenken des austretenden Lichtstrahles führen. - A -
Für eine ausreichende Luftzirkulation sind die Leiterplatte mit Luftzirkulationsöffnungen durchsetzt, um gezielt die Luft zu den zu kühlenden Elementen zu leiten.
Es wird ferner ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung bereitgestellt, bei dem wiederholt ein Pulserzeugungszyklus durchgeführt wird, in dem ein Kondensator aufgeladen und danach mittels genau eines ausgewählten Transistors von mehreren zueinander parallel geschalteten Transistoren über eine Laserdiode zur Erzeugung eines Laserpulse entladen wird, wobei in zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Pulserzeugungszyklen nicht derselbe
Transistor zum Entladen des Kondensators ausgewählt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die thermische Belastung des Transistors reduziert und somit seine Lebensdauer deutlich erhöht werden.
Bei dem Verfahren kann ein Gray-Code-Zähler zur Auswahl und Aktivierung der Transistoren vorgesehen werden, wobei der Gray-Code-Zähler für jeden der Transistoren jeweils einen zugeordneten Ausgang zur Aktivierung des Transistors aufweist. Mit einem solchen Gray-Code- Zähler wird eine hervorragende EMV-Stabilität erreicht.
Bei dem Verfahren können die Transistoren immer in derselben Reihenfolge zeitlich nacheinander ausgewählt und angesteuert werden. Damit kann die thermische Belastung jedes einzelnen Transistors minimiert werden.
Ferner kann bei dem Verfahren ein zugeführtes Pulserzeugungssignal durch die Anzahl der Transistoren geteilt und die ausgewählten Transistoren mit dem erzeugten Teilersignal zur Aktivierung angesteuert werden. Dadurch können leicht die notwendigen Steuersignale für die Transistoren erzeugt werden, wobei gleichzeitig sichergestellt ist, daß die Pulse zeitlich äquidistant erzeugt werden.
Bei dem Verfahren kann ein den ausgewählten Transistor angebendes Signal ausgegeben werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn Informationen über den gerade aktivierten
Transistor notwendig bzw. gewünscht werden. Dies ist z.B. im Bereich der Distanz- und
Geschwindigkeitsmessung häufig der Fall, da bei den kurzen Pulsdauern und hohen
Pulswiederholraten selbst kleine Unterschiede der Transistoren bzw. der entsprechenden
Entladekreise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen können. Dies Unterschiede können jedoch kalibriert werden und bei Kenntnis des gerade aktivierten Transistors bei der Messung berücksichtigt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der genau eine Transistor für den jeweiligen Pulserzeugungszyklus zufällig ausgewählt werden. Insbesondere kann der Transistor in der Art zufällig ausgewählt werden, daß im zeitlichen Mittel über eine Vielzahl von Pulserzeugungszyklen jeder Transistor gleich oft ausgewählt wird.
Somit werden die Transistoren mit der gleichen Anzahl von Aktivierungen über die Zeit der Vielzahl von Pulserzeugungszyklen belastet.
In einer besonderen Ausführung kann zur weiteren Verbesserung der Lebensdauer zusätzlich eine Kühlung der sich aufheizenden Elemente, wie Transistoren, Laserdiode usw., vorgesehen sein. Hierzu eignet sich insbesondere eine Luftkonvektion, die kein kapazitives Verhalten verursacht, wie sie beispielsweise durch zusätzliche Kühlelemente auftreten können. Der Laser wird dazu mit beispielsweise einem Lüfter, der die Außenluft in das Gehäuse des Lasers presst oder über eine Öffnung in das Gehäuse zieht (Ansauglüfter), gekühlt. Als Lufteintritts- bzw. Luftaustrittsöffnung kann in besonderer Ausführung die Lichtaustrittsöffnung der Laserdiode verwendet werden. Ein geeigneter Belüfter bzw. geeignete Luftansaugvorrichtung ist in vorteilhafter Weise so über den zu kühlenden Elementen angeordnet, dass dieser durch zweckmäßig angeordnete Luftdurchlassöffnungen im Gehäuse die Kühlluft zielgerichtet verteilt bzw. ansaugt. Vorteilhaft im Fall der Luftansaugung durch die Lichtaustrittsöffnung ist, dass die Richtung der austretenden Lichtstrahlung nicht verändert wird. Dies kann gegebenenfalls bei höheren Lufttemperaturen zum Ablenken des austretenden Lichtstrahles führen.
Für eine ausreichende Luftzirkulation sind die Leiterplatte mit Luftzirkulationsöffnungen durchsetzt, um gezielt die Luft zu den zu kühlenden Elementen zu leiten.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnung, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbart, noch näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasers.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt der Laser 1 zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung, die durch die Pfeile P1 und P2 angedeutet ist, eine Impuls-Laserdiode 2, deren Kathode mit einem Hochspannungs-Kondensator 3 verbunden ist. Der Kondensator 3 ist seinerseits mit den Kollektoren von vier Avalanche-Transistoren T1-T4 verbunden. Die Emitter der vier Transistoren T1-T4 sind über einen Entladewiederstand 4 mit der Anode der Laserdiode 2 verbunden.
Der Laser 1 umfaßt ferner ein Lademodul 5 zum Laden des Kondensators. Das Lademodul 5 kann beispielsweise einen Einimpuls-Sperrwandler zum Laden des Hochspannungs- Kondensators 3 enthalten. Des weiteren enthält der Laser 1 eine Steuereinheit 6, die einerseits mit dem Lademodul 5 und andererseits mit den Basis-Anschlüssen der vier Avalanche- Transistoren T1-T4 verbunden ist. Bei diesem Schaltungsaufbau sind die vier Transistoren T1- T4 zwischen dem Kondensator 3 und dem Entladewiederstand 4 und somit der Laserdiode 2 zueinander parallel geschaltet.
Im Betrieb des Lasers 1 werden unter Steuerung der Steuereinheit 6 mehrere Pulserzeugungszyklen (mit einer Wiederhol rate von bis zu 10 kHz) durchgeführt, in denen jeweils zuerst das Lademodul 5 den Hochspannungskondensator 3 auf 230 V auflädt und danach nur einen der Transistoren T1-T4 auswählt und nur diesen ausgewählten Transistor T1
- T4 aktiviert bzw. leitend schaltet, so daß der Kondensator 3 über die Laserdiode 2 entladen wird. Aufgrund des hohen Entladestromes der durch die Laserdiode 2 fließt (bis zu 50 A) wird ein Laserimpuls mit einer Pulslänge von etwa 3-6 ns und einer Lichtleistung von 50 W sowie mit einer Wiederholrate von bis zu 100 kHz oder sogar noch größer erzeugt.
Die Steuereinheit 6 führt die Pulserzeugungszyklen so durch, daß in zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Pulserzeugungszyklen nie derselbe Transistor zur Aktivierung ausgewählt wird. In dem hier beschriebenen Beispiel werden die Transistoren T1-T4 der Reihe nach ausgewählt und somit aktiviert, wobei nach der Auswahl des Transistors T4 wieder mit der Auswahl des Transistors T1 begonnen wird.
Somit werden die Transistoren lediglich mit der geteilten Frequenz der Pulserzeugungszyklen nacheinander angesteuert, wobei der Teilerfaktor der Anzahl der parallel geschalteten Transistoren T1 -T4 entspricht.
Damit sinkt die thermische Belastung jedes Transistors proportional zur Anzahl der parallel geschalteten Transistoren T1-T4, wobei dadurch jedoch die Lebensdauer jedes einzelnen der Transistoren T1-T4 exponentiell steigt.
Zur Ansteuerung der Transistoren wird ein in der Steuereinheit 6 enthaltener Teiler verwendet, der eine an den Laser 1 angelegte Pulswiederholungsfrequenz durch die Anzahl der Transistoren teilt, so daß die gewünschte zeitsequentielle Ansteuerung der Transistoren T1-T4 verwirklicht werden kann.
Der Teiler kann insbesondere als Gray-Code-Zähler ausgebildet sein, dessen Ausgänge jeweils einem der Transistoren T1-T4 zugeordnet sind. Nachdem sich ein Gray-Code für zwei benachbarte Zahlen jeweils nur um eine Ziffer, bei einem Binärcode also um ein Bit unterscheiden, ist ein Gray-Code-Zähler im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit von Vorteil, da dadurch sichergestellt ist, daß immer nur ein einziger der Transistoren T1-T4 in einem Pulserzeugungszyklus leitend geschaltet wird. Somit kann sichergestellt werden, daß EMV-Störungen nicht dazu führen, daß mehrere der Transistoren T1-T4 gleichzeitig eingeschaltet oder daß einer der Transistoren T1-T4 übersprungen wird.
Der Laser 1 kann so weitergebildet sein, daß die Nummer des gerade aktiven Avalanche- Transistors T1-T4 ausgegeben wird. Dabei kann z.B. immer die Nummer des gerade aktivierten Transistors T1-T4 ausgegeben werden. Es ist auch möglich, lediglich einen abgeschlossenen Umlauf des Zählers (also wenn ein vorbestimmter Transistor aktiviert wurde, hier z.B. der vierte Transistor T4) zu signalisieren.
Die Steuereinheit 6 kann auch einen Zufallsgenerator (nicht gezeigt) enthalten, der dafür sorgt, daß die Transistoren T1 - T4 trotz eventueller zufälliger EMV-Störungen gleichmäßig belastet werden. Der Teilerfaktor entspricht der Anzahl der Transistoren und ist aber ein Mittelwert über eine große Zeitspanne.
Bei dieser Ausgestaltung kann es zwar vorkommen, daß derselbe Transistor T1 - T4 nacheinander mehrfach ausgewählt und aktiviert wird. Im Mittel aber wird jeder Transistor T1 - T4 mit der gleichen Anzahl von Aktivierungen angesteuert, wodurch die Lebensdauer jedes der Transistoren T1 - T4 exponentiell ansteigt.
Da bei der Variante mit dem Zufallsgenerator keine bestimmte Reihenfolge der Ansteuerung der Transistoren T1 - T4 vorgegeben ist, ist der Laser 1 bevorzugt so ausgebildet, daß die Nummer des gerade aktivierten Avalanche-Transistors T1 - T4 ausgegeben wird.
Die parallel geschalteten Transistoren T1-T4 und ihre Verbindungsleitungen zur Laserdiode werden in der Praxis kaum völlig identisch auszubilden sein. Dadurch entstehen mehrere geometrische (beispielsweise um einige mm) verschiedene Entladekreise mit eigenen parasitären Elementen, die jeweils im Sub-Nanosekundenbereich unterschiedliche Laserimpulsformen generieren. Da bei der Impulslaufzeitmessung die Zeitdifferenz zwischen einem Laserimpuls des Lasers 1 und dem zugehörigen Refleximpuls herangezogen wird, kommt es bei verschiedenen Entladekreisen zu im mm-Bereich unterschiedlichen Distanzergebnissen, in Abhängigkeit des gerade aktivierten Transistors T1-T4.
In diesem Fall ist es möglich, jeden Entladekreis zu kalibrieren. So kann mit einer Distanzmessung einer bekannten Distanz z.B. ein Korrekturwert für jeden Transistor T1-T4 ermittelt werden. Wenn der Laser 1 den gerade verwendeten Transistor signalisiert, kann daher bei einer Distanzmessung dieser systematische Fehler des jeweiligen Entladekreises berücksichtigt werden, so daß hochgenaue Distanzmessungen möglich sind.
Der erfindungsgemäße Laser kann, wie bereits beschrieben, für Distanzmessungen eingesetzt werden. Insbesondere können Distanzmessungen zur Bestimmung von Geschwindigkeiten von sich bewegenden Objekten, wie z.B. Fahrzeugen, genutzt werden. Dazu kann ferner ein Meßsystem zur Messung der Refleximpulse samt zugehörigem Steuer- und Auswertemodul vorgesehen sein, das dann auch die Korrekturwerte für jeden Entladekreis bei der Auswertung berücksichtigten kann, wenn dies z.B. wegen der Meßgenauigkeit gewünscht ist. Somit kann zusammen mit dem erfindungsgemäßen Laser 1 eine Distanzmeßvorrichtung und/oder eine Geschwindigkeitsmeßvorrichtung bereitgestellt werden. Eine solche Distanz- /Geschwindigkeitsmeßvorrichtung kann weitere, dem Fachmann bekannte Elemente aufweisen, die zum Betrieb der Vorrichtung notwendig sind.

Claims

Patentansprüche
1. Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung, mit einer Laserdiode (2), einem mit der Laserdiode (2) verbundenen Kondensator (3), einem Lademodul (5) zum Aufladen des Kondensators (3), mehreren zwischen der Laserdiode (2) und dem Kondensator (3) zueinander parallel geschalteten Transistoren (T1-T4), und einer Steuereinheit (6), die wiederholt einen Pulserzeugungszyklus durchführt, in dem sie das Lademodul (5) zum Laden des Kondensators (3) ansteuert und danach genau einen der
Transistoren (T1-T4) zum Entladen des Kondensators (3) über die Laserdiode (2) zur
Erzeugung eines Laserpulses ansteuert, wobei die Steuereinheit (6) in zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Pulserzeugungszyklen nicht denselben Transistor (T1-T4) zur Ansteuerung auswählt.
2. Laser nach Anspruch 1 , bei dem die Steuereinheit (6) nie denselben Transistor (T1 - T4) für zwei zeitlich aufeinander folgende Pulserzeugungszyklen auswählt.
3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Steuereinheit (6) einen Gray-Code-Zähler aufweist, der für jeden der Transistoren (T1-T4) jeweils einen zugeordneten Ausgang zur Ansteuerung des Transistors aufweist.
4. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Steuereinheit die Transistoren (T1-T4) immer in derselben Reihenfolge zeitlich nacheinander auswählt und ansteuert.
5. Laser nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinheit (6) einen Zufallsgenerator enthält, der zufällig den genau einen Transistor für die Pulserzeugungszyklen auswählt.
6. Laser nach Anspruch 5, bei dem der Zufallsgenerator im zeitlichen Mittel über eine Vielzahl von Pulserzeugungszyklen jeden Transistor gleich oft auswählt.
7. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (6) ein dem Laser zugeführtes Pulserzeugungssignal durch die Anzahl der Transistoren teilt und die Transistoren mit dem erzeugten Teilersignal zur Aktivierung ansteuert.
8. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (6) ein den angesteuerten Transistor angebendes Signal ausgibt.
9. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zur Kühlung der sich aufheizenden Elemente der Laser mit einer Luftkonvektionsvorrichtung ausgestattet ist.
10. Laser nach Anspruch 9, bei dem die Luftkonvektionsvorrichtung einen Ansauglüfter enthält.
11. Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung, bei dem wiederholt ein Pulserzeugungszyklus durchgeführt wird, in dem ein Kondensator geladen und dann mittels genau eines ausgewählten Transistors von mehreren zueinander parallel geschalteten Transistoren über eine Laserdiode zur Erzeugung eines Laserpulses entladen wird, wobei in zumindest zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Pulserzeugungszyklen nicht derselbe Transistor zum Entladen des Kondensators ausgewählt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , bei dem ein Gray-Code-Zähler zur Aktivierung der Transistoren vorgesehen wird, wobei der Gray-Code- Zähler für jeden der Transistoren jeweils einen zugeordneten Ausgang zur Aktivierung des Transistors aufweist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Transistoren immer in derselben Reihenfolge zeitlich nacheinander ausgewählt und angesteuert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 11 , bei dem der genau eine Transistor für den jeweiligen Pulserzeugungszyklus zufällig ausgewählt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Transistoren so ausgewählt werden, daß im zeitlichen Mittel über eine Vielzahl von Pulserzeugungszyklen jeder Transistor gleich oft ausgewählt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem ein zugeführtes Pulserzeugungssignal durch die Anzahl der Transistoren geteilt und die Transistoren mit dem erzeugten Teilersignal zur Aktivierung angesteuert werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem ein den aktivierten Transistor angebendes Signal ausgegeben wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem die sich aufheizenden Elemente durch eine Luftkonvektion gekühlt werden.
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