WO2009024504A1 - Laserlichtquelle mit wenigstens zwei einzel-lasern - Google Patents

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WO2009024504A1
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Jia Chen
Andreas Hangauer
Rainer Strzoda
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Definitions

  • the invention relates to a laser light source and to a method for operating a laser light source.
  • concentration, pressure, temperature or the isotopic ratio of a gas in a measuring environment can be determined.
  • laser light is transmitted through the measurement environment.
  • the gas to be measured absorbs parts of the laser light and a measurement of the strength of this absorption, in conjunction with known absorption data for the gas, serves to determine the concentration of the gas.
  • gases do not absorb broadband, i. in a broad wavelength range but narrow gas absorption lines.
  • the gas absorption lines are formed by transitions between different electronic or other states of the respective gas atom or gas molecule, wherein the mean wavelength of the gas absorption line results from the energy difference of the states.
  • the gas absorption lines have a width of a few gigahertz. Since the laser light has a much narrower line width, it is necessary to set the wavelength of the laser light to a gas absorption line.
  • Known laser light sources for this purpose have a laser, for example a tunable semiconductor laser.
  • a laser for example a tunable semiconductor laser.
  • NTC negative temperature coefficient, negative temperature coefficient of resistance
  • the laser is cooled or heated with the PET element.
  • NTC resistor negative temperature coefficient, negative temperature coefficient of resistance
  • NTC negative temperature coefficient, negative temperature coefficient of resistance
  • the laser is cooled or heated with the PET element.
  • NTC resistor the laser can be temperature-controlled, ie a desired temperature can be set. the.
  • the hermetically sealed housing which is usually evacuated or filled with a low thermal conductivity gas such as nitrogen, serves to provide thermal isolation from the environment, thereby improving the possibilities and efficiency of temperature control by means of the Peltier element and NTC resistor become.
  • the known solution has disadvantages.
  • a Peltier element is comparatively expensive.
  • the regulation of the temperature with the Peltier element and the NTC resistor requires a certain effort.
  • the ratio between the exact wavelength of the laser and the set temperature must be known exactly.
  • the hermetically sealed housing which is also expensive and expensive to produce, must have a window for the laser light. Due to the distance between the laser in the housing and the window, interference is generated which makes the actual measurement with the laser light considerably more difficult.
  • the object underlying the invention is to provide a laser light source which at least partially avoids the disadvantages mentioned above.
  • Another object of the invention is to provide a method for operating a laser light source, in which the above-mentioned disadvantages are at least partially avoided.
  • the laser light source has at least two lasers. The wavelength of each of the lasers can be adjusted by means of the respective laser current.
  • At least two lasers are used.
  • the wavelength of the laser is adjusted by means of the respective laser current.
  • Each of the lasers has a wavelength range within which the wavelength emitted by it is adjustable.
  • lasers with different wavelength ranges are used.
  • the position of the wavelength ranges to each other is arbitrary, i. they may overlap, but they do not have to.
  • the wavelength regions adjoin one another and overlap only slightly.
  • each laser is a so-called tunable or tunable laser.
  • the adjustment of the wavelength of a laser with the laser current causes a comparison with the setting on the laser temperature narrower wavelength range.
  • the adjustment of the wavelength via the laser current is still performed.
  • two or more lasers are combined whose individually achievable wavelength ranges add up to a larger wavelength range for the entire laser light source.
  • the expensive and energy-hungry Peltier element used there which serves to heat and cool the laser, can be dispensed with.
  • the temperature sensor used for temperature control in a laser light source of the prior art can also be saved. As a result, encapsulation of the laser light source, for example, in a hermetically sealed housing is not necessary.
  • the structure of the laser light source or its use is thereby considerably simplified.
  • the cost of providing the laser light source is significantly reduced.
  • the laser diodes produced on a wafer are in fact subject to a wavelength gradient, that is to say they have a wavelength range which is situated on the wafer within the position within which they can be tuned. Only about half of the lasers fabricated on a wafer meet a given wavelength range at a given temperature, and thus are useful in the art.
  • two lasers are used in the laser light source in order to keep the laser light source as cost-effective and as simple as possible.
  • certain applications may also require a wide wavelength range which the laser light source must be able to cover. For this can the use of three or even four lasers may be advantageous.
  • exactly one laser is always operated to emit a target wavelength.
  • the laser light source usually has the temperature of the surroundings.
  • the temperature of the laser light source and thus the individual laser shifts the wavelength range which can be covered by the lasers and thus also by the entire laser light source.
  • the laser to be operated is selected on the basis of the wavelength range determined by the temperature of the laser of each of the lasers. In other words, it is expedient to select that laser for operation which, at a given temperature of the laser light source, is able to generate the required target wavelength.
  • two or more target wavelengths should be emitted.
  • a corresponding number of lasers are operated, each of which emits one of the target wavelengths.
  • the selection of the lasers must be done analogously depending on their temperature, so that the lasers are able to generate the target wavelengths.
  • generating several target wavelengths has the advantage that a simultaneous measurement can be performed on two different absorption lines.
  • the concentrations of two different gases can be detected simultaneously or can be deduced from the ratio of the absorption at two absorption lines of a single gas to its temperature.
  • the laser light source is inserted in a transparent housing.
  • the housing is transparent to at least the wavelength range which the laser light source can generate.
  • This embedding which, for example, can take place analogously to the construction of a light-emitting diode, ensures that in addition to the protection of the lasers, the interference occurring in the hermetically sealed housing in the prior art is avoided.
  • the laser light source may, for example, be a glass fiber with a large cross section or a glass rod or plastic rod.
  • the laser light generated by the laser light source is irradiated in the optical waveguide.
  • the laser light can be conducted to a measuring environment which, for example due to its temperature, would make it impossible to operate the laser light source in its vicinity.
  • the laser which are arranged side by side on a substrate, are applied by means of an adhesive on the optical waveguide and the refractive index of the adhesive do not or only slightly differ from that of the optical waveguide.
  • the refractive index of the adhesive deviates by not more than 1% from that of the optical waveguide.
  • generation of interferences is avoided even in the structure in conjunction with an optical waveguide. Interference can also be caused by the exit surface of the optical fiber. Since the optical waveguide is preferably much longer than the distance between the laser and the window in the prior art, these interferences are much less pronounced.
  • the individual laser is temperature controlled. At thus known temperature of the laser and known laser current and known characteristics of the laser is thus emitted by him Wavelength also known. In the absence of a temperature control in the case of the laser light source according to the invention, it can be used differently to determine the wavelength of one of the lasers that can be emitted.
  • the laser laser diodes such as VCSELs.
  • the forward voltage of the laser is measured. This is compared with characteristics of the laser and thereby closed to the emissive wavelength.
  • the laser light source has, according to a further advantageous embodiment of the invention, a heating element.
  • the heating element may for example be a simple heating resistor.
  • the heating element can be used for a determination of the ratio between laser current and wavelength of the laser, which will be described below.
  • the laser light source on a temperature sensor for determining the temperature of the laser. This makes it easier to determine which wavelength ranges can be emitted by the lasers of the laser light source.
  • the heating element and the temperature sensor can advantageously be realized as a component that fulfills both functions, for example, as a heating resistor, which can also be used as a temperature sensor via its resistance coefficient. This saves space and costs.
  • the temperature sensor makes it possible, according to a further advantageous embodiment and development of the invention for measuring the wavelength of one of the lasers to measure the temperature of the laser. This is compared with characteristic data of the laser and thereby closed to the emitable wavelength.
  • the laser light source can advantageously be combined with a detector, wherein the detector is designed to receive the laser light and is arranged to the laser light source such that it at least partially receives its laser light. This makes it possible, for example, to realize a laser spectroscopic device which serves to determine the concentration of a gas between laser light source and detector.
  • a determination of the current, temperature-dependent ratio between laser current and wavelength of the laser by the wavelength of the respective laser by means of a variation of the laser current over a wavelength range is varied. Furthermore, a measurement of the gas absorption lines in this wavelength range is performed and concluded by means of a comparison with known absorption data on the ratio to be measured. This ensures that an accurate determination of the current wavelength of the laser is possible without the need for a control, adjustment or even knowledge of its temperature is necessary.
  • the variation of the wavelength of the laser can be used to determine the current, temperature-dependent ratio between the laser current and wavelength can be achieved alternatively by means of a variation of its temperature.
  • FIG. 1 shows a laser light source from the prior art
  • FIG. 2 shows a construction principle of a laser light source with three laser diodes
  • FIG. 3 shows the formation of an entire wavelength range from individual wavelength ranges of the three laser diodes
  • FIG. 4 shows the displacement of the entire wavelength range with the ambient temperature
  • FIG. 5 shows the use of the laser diodes for generating target wavelengths
  • FIG. 6 shows a structure with the laser light source in conjunction with a glass fiber
  • FIG. 7 shows the beam path for laser light of this design
  • Figure 8 shows a structure for a laser light source with a heating resistor in a plastic housing.
  • the laser light source according to the prior art has a hermetically sealed housing 21, which in this example is filled with nitrogen.
  • a Peltier element 22 is provided on a wall.
  • the temperature of the laser diode 1 is measured by means of the thermocouple 23 and regulated with the Peltier element 22.
  • the laser diode 1 emits its laser light through a window 24 provided in the hermetically sealed housing 21 and correspondingly arranged.
  • Figure 2 shows an example of the much simpler structure of a laser light source according to the invention. As in FIG.
  • FIG. 2 the representation of components such as electrical connections or the like for the purpose of better clarity has also been dispensed with in FIG.
  • the exemplary structure according to FIG. 2 therefore has only three adjacent laser diodes 1, in this example three VCSELs, which are applied to a ceramic substrate 2.
  • a Peltier element 22, a thermocouple 23 or a hermetically sealed housing 21 are not present and are not necessary.
  • the concept of the invention is explained by way of example with reference to the illustrations of FIGS. 3 to 5. It is assumed that the laser light source, the concept of which is described, should be used for the detection of oxygen O2. For this purpose, a group of gas absorption lines between about 760 nm and 765 nm wavelength is suitable.
  • the laser diodes 1 have a first to third wavelength range 8... 10, wherein each of the three laser diodes 1 is capable of emitting in exactly one of the wavelength ranges 8.
  • these wavelength ranges 8... 10 adjoin one another with slight overlap.
  • all three lasers cover with their wavelength ranges 8... 10 an entire wavelength range 11, which ranges from approximately 760.3 nm to 765 nm.
  • the first wavelength range 8 ranges from 760.3 nm to 761.3 nm.
  • the second wavelength range 9 ranges from 761.1 nm to 763.5 nm.
  • the third wavelength range 10 finally ranges from 763.1 nm to 765 nm.
  • the wavelength ranges 8... 10 relate to a temperature of the laser diodes 1 of 20 ° C. If the laser diodes 1 are at a different temperature, this also changes the respective wavelength range 8. 10th
  • the wavelength ranges 8... 10 used here by way of example are between 1 nm and 2.4 nm wide.
  • At current VCSELs can be achieved with a variation of the laser current, which is used according to the invention for varying the wavelength, usually widths of about 1 nm for the wavelength range.
  • the laser diodes 1 are at ambient temperature apart from heating due to their own power dissipation. At a changed ambient temperature will be out of the total
  • Wavelength range 11 of the laser light source is a shifted total wavelength range 12 according to FIG. 4.
  • FIG. 5 shows schematically, with reference to two exemplary target wavelengths 16, 17, how the operation of the laser light source for generating one or both of the target wavelengths can take place and how a change in the ambient temperature and a consequent change in the temperature of the laser diodes 1 occur the operation of the laser light source according to Figure 2 effects.
  • FIG. 5 shows the first to third wavelength ranges 8... 10 of the laser diodes 1.
  • FIG. 5 shows a shifted first to third wavelength range 18. The displacement corresponds to the displacement in FIG. 4.
  • a first and second target wavelength 16, 17 are shown in FIG.
  • FIG. 5 shows directly how the first or second target wavelengths 16, 17 can be made available by means of the laser light source.
  • the first target wavelength 16 is in the unshifted case, ie at 20.degree. C., in the second wavelength range 9.
  • the laser diode 1 responsible for the second wavelength range 9 must be operated. This must also be operated via an adjustment of the laser current so that it emits the first desired wavelength 16.
  • the first desired wavelength 16 is in the shifted first wavelength range 18. If the laser light source and its laser diodes 1 are therefore at the changed ambient temperature, then the laser diode 1 responsible for the first wavelength range 8 must be operated and its wavelength adjusted to the first desired wavelength 16 by laser current control.
  • the second desired wavelength 17 is in the unshifted case, ie at 20 0 C, both in the second and in the third wavelength range 9, 10. It is therefore possible to generate the second desired wavelength 17, one of the two laser diodes 1 to choose which are responsible for these wavelength ranges 9, 10. In contrast, in the shifted case, ie at the changed ambient temperature, the second desired wavelength 17 lies only in the displaced second wavelength range 19. It must therefore be generated by the laser diode 1 responsible for the second wavelength range 9 at the changed ambient temperature.
  • the laser light source it may be expedient to generate exactly one target wavelength 16, 17.
  • This can be varied with the described structure and operating concept over the entire wavelength range 11 or at a different temperature, for example over the entire shifted wavelength range 12, via a selection of the laser diode 1 to be used and an adaptation of its wavelength by means of the laser current.
  • the target wavelength 16, 17 should not lie exclusively in the wavelength range 8... 10 of a single laser diode 1, since it can not emit two wavelengths at the same time.
  • the emission of two target wavelengths 16, 17 can be used to simultaneously observe two different gas absorption lines of oxygen. From the ratio of the absorption in these gas absorption lines can be concluded, for example, on the temperature of the oxygen.
  • Another way to use multiple target wavelengths 16, 17 is to simultaneously observe two gas absorption lines of two different gases, for example, to measure the concentration of both gases at the same time.
  • this may also be expedient if the wavelength ranges 8... 10 of the laser diodes 1 do not overlap, but are at least partially far apart, since the wavelength sections in which the gas absorption takes place from gas to gas can differ greatly.
  • it is also possible to perform a calibration measurement in a wavelength range in which no or largely no absorption caused by gases is expected, in order to determine, for example, fouling effects which lead to a general absorption of the laser light.
  • the number of laser diodes used is advantageously adapted to the expected operating conditions. In order to simplify the structure and operation and to reduce the possibility of failure, it is advantageous to use as few laser diodes 1 as possible, that is, at least only two laser diodes 1. However, more than two laser diodes allow, for example, a greater flexibility of the structure and the emission of more than two target wavelengths 16, 17 simultaneously. So it may also be appropriate to use, for example, four laser diodes 1.
  • FIG. 6 shows by way of example how the conceptual structure according to FIG. 2 can be placed on a glass rod 4.
  • the entire laser light source according to 2 provided with a glue drop 3 and placed on a Glasasstabab gleichflache 5.
  • the adhesive drops 3 provides for a firm connection.
  • the adhesive drop has a refractive index which corresponds to that of the glass rod.
  • a glass fiber with sufficient cross section or a plastic rod can be used.
  • FIG. 7 again shows the laser diodes 1 which are placed on the glass fiber 4 on the glass fiber termination surface 5.
  • the adjacent laser diodes 1 produce two beam paths 6, 7 which are likewise adjacent to one another.
  • the slight lateral displacement of the beam paths 6, 7 plays a role, attention must be paid to this displacement.
  • the lateral displacement usually does not matter.
  • the wavelength which is emitted by one of the laser diodes 1 at a certain laser current can be determined. This can be done, for example, by measuring the forward voltage of the laser diode. This is mainly dependent on the temperature of the laser diode and thus allows with a table of characteristics for the laser diode 1, close back to the corresponding wavelength.
  • a temperature sensor which is added to the structure according to FIG. 2, can also be used to determine the temperature.
  • the laser light source in conjunction with a corresponding operated laser detector and a measuring environment with a known gas.
  • the wavelength emitted by the laser light source can now be varied by means of the laser current and thereby a plurality of gas absorption lines are scanned. From the position of the gas absorption lines to each other and the ratio of the absorption of the gas absorption lines can be concluded on the basis of known absorption data of the gas on the absolute wavelength section, which was emitted from the laser diode 1 and the laser light source.
  • FIG. 1 A second exemplary structure for a laser light source according to the invention is shown schematically in FIG.
  • the ceramic substrate has two laser diodes 1.
  • a heating resistor 15 is integrated in this case, for example, a metallic thin-film resistor.
  • the entire structure is enclosed with a plastic housing 14 analogous to the structure of a light-emitting diode, for example.
  • the heating resistor 15 is due to its temperature coefficient, which is mostly positive for metals, with appropriate wiring and energization also used as a temperature sensor. If it is ascertained via the heating resistor 15 that the structure according to FIG. 8 is in an environment that is too cold, the structure can be brought to a suitable working temperature via the heating resistor 15. Even if the ambient temperatures are in the operating range of the laser diodes 1, the heating resistor 15 can be used to extend the entire wavelength range 11 of the structure by heating the laser diodes 1 above the ambient temperature.
  • the heating resistor 15 also allows a temperature variation to be used to determine the absolute wavelengths emitted by the laser diodes 1 To scan gas absorption lines. Likewise, the possibility already described can also be used to determine the temperature of the laser diodes 1 via the heating resistor 15 and to deduce therefrom data relating to the wavelengths.

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Abstract

Es wird eine Laserlichtquelle beispielsweise für die Laserspektroskopie vorgestellt, die aus zwei oder mehr einzelnen Lasern (1), insbesondere VCSELs, mit unterschiedlichen Wellenlängen-Bereichen für die Laseremission besteht. Die genaue Einstellung einer gewünschten Emissionswellenlänge findet über eine Regelung des Laserstroms statt. Für die gewünschte Emissionswellenlänge wird der jeweils geeignete Laser (1) ausgewählt. Ein hermetisch abschließendes Gehäuse, ein Peltier-Element sowie ein Temperatursensor zur Temperaturregelung entfallen.

Description

Beschreibung
Laserlichtquelle mit wenigstens zwei Einzel-Lasern
Die Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Laserlichtquelle.
Mittels der Laser-Spektroskopie können beispielsweise Konzentration, Druck, Temperatur oder das Isotopenverhaltnis ei- nes Gases in einer Messumgebung ermittelt werden. Hierzu wird Laserlicht durch die Messumgebung gesendet. Das zu messende Gas absorbiert Teile des Laserlichts und eine Messung der Starke dieser Absorption dient in Verbindung mit bekannten Absorptionsdaten für das Gas der Ermittlung der Konzentration des Gases.
Meist absorbieren Gase nicht breitbandig, d.h. in einem ausgedehnten Wellenlängen-Bereich, sondern bei schmalen Gasabsorptionslinien. Die Gasabsorptionslinien entstehen durch Übergänge zwischen verschiedenen elektronischen oder anderweitigen Zustanden des jeweiligen Gasatoms oder Gasmolekuls, wobei sich die mittlere Wellenlange der Gasabsorptionslinie aus der Energiedifferenz der Zustande ergibt. Die Gasabsorptionslinien weisen eine Breite von wenigen Gigahertz auf. Da das Laserlicht eine noch wesentlich schmalere Linienbreite aufweist, ist es erforderlich, die Wellenlange des Laserlichts auf eine Gasabsorptionslinie einzustellen.
Bekannte Laserlichtquellen hierfür weisen einen Laser, bei- spielsweise einen durchstimmbaren Halbleiterlaser, auf. Dieser ist in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse untergebracht. In dem Gehäuse befinden sich weiterhin ein Peltier- Element sowie ein Temperatursensor wie beispielsweise ein NTC-Widerstand (NTC = negative temperature coefficient, nega- tiver Temperaturkoeffizient des Widerstands) . Mit dem PeI- tier-Element wird der Laser gekühlt oder geheizt. Mit Hilfe des NTC-Widerstands kann dadurch der Laser temperaturgeregelt werden, d.h. eine gewünschte Temperatur kann eingestellt wer- den. Wenn Kenndaten des Lasers bekannt sind, ist es dadurch beispielsweise möglich, den Laser so einzustellen, dass er Laserlicht einer vorbestimmten und bekannten Wellenlänge emittiert. Das hermetisch abschließende Gehäuse, das übli- cherweise evakuiert ist oder mit einem Gas niedriger Wärmeleitfähigkeit wie Stickstoff gefüllt ist, dient dabei der thermischen Isolation von der Umgebung, wodurch die Möglichkeiten und die Effizienz der Temperaturregelung mittels des Peltier-Elements und des NTC-Widerstands verbessert werden.
Die bekannte Lösung weist Nachteile auf. So ist ein Peltier- Element vergleichsweise teuer. Auch die Regelung der Temperatur mit dem Peltier-Element und dem NTC-Widerstand erfordert einen gewissen Aufwand. Weiterhin muss das Verhältnis zwi- sehen der genauen Wellenlänge des Lasers und der eingestellten Temperatur exakt bekannt sein.
Ein weiterer Nachteil bei der bekannten Lösung besteht darin, dass das hermetisch abgeschlossene Gehäuse, das ebenfalls teuer und aufwändig herzustellen ist, für das Laserlicht ein Fenster aufweisen muss. Bedingt durch den Abstand zwischen dem Laser im Gehäuse und dem Fenster entstehen Interferenzen, die die eigentliche Messung mit dem Laserlicht deutlich erschweren .
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Laserlichtquelle anzugeben, die die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb ei- ner Laserlichtquelle anzugeben, bei dem die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise vermieden werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Laserlichtquelle durch eine Laserlichtquelle mit den Merkmalen von Anspruch 1 ge- löst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 14 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen . Die erfindungsgemäße Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht weist wenigstens zwei Laser auf. Die Wellenlänge jedes der Laser ist mittels des jeweiligen Laserstroms ein- stellbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht werden wenigstens zwei Laser verwendet. Die Wellenlänge der Laser wird mittels des jeweiligen Laserstroms eingestellt.
Jeder der Laser weist dabei einen Wellenlängen-Bereich auf, innerhalb dessen die von ihm emittierte Wellenlänge einstellbar ist. Erfindungsgemäß werden dabei Laser mit voneinander verschiedenen Wellenlängen-Bereichen verwendet. Die Lage der Wellenlängen-Bereiche zueinander ist dabei beliebig, d.h. sie können sich überlappen, müssen aber nicht. Bevorzugt schließen die Wellenlängen-Bereiche aneinander an und überlappen sich nur geringfügig.
Bei der Erfindung kommen also jeweils zwei oder mehr einzelne Laser zum Einsatz. Mittels des Laserstroms, d.h. des Betriebsstroms jedes der Laser ist dessen Wellenlänge einstellbar, d.h. jeder der Laser ist ein so genannter durchstimmba- rer oder abstimmbarer Laser. Hierfür kommen bevorzugt Laserdioden zum Einsatz, beispielsweise sog. VCSELs oder DFB-Laser (VCSEL = Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, DFB = Dis- tributed Feedback) .
Die Einstellung der Wellenlänge eines Lasers mit dem Laserstrom bewirkt einen gegenüber der Einstellung über die Lasertemperatur schmaleren Wellenlängen-Bereich. In der Erfindung wird jedoch die Einstellung der Wellenlänge über den Laserstrom dennoch durchgeführt. Dafür werden zwei oder mehr Laser kombiniert, deren einzeln erreichbare Wellenlängen-Bereiche sich zu einem größeren Wellenlängen-Bereich für die gesamte Laserlichtquelle addieren. Dadurch wird eine Reihe von Vorteilen erreicht. So kann gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Laserlichtquellen das dort verwendete teure und energiehungrige Peltier-Ele- ment, das der Heizung und Kühlung des Lasers dient, entfal- len. Weiterhin kann auch der für die Temperaturregelung in einer Laserlichtquelle des Standes der Technik verwendete Temperatursensor eingespart werden. Dadurch ist auch eine Kapselung der Laserlichtquelle beispielsweise in einem hermetisch abschließenden Gehäuse nicht notwendig.
Der Aufbau der Laserlichtquelle bzw. ihre Verwendung ist dadurch erheblich vereinfacht. Die Kosten für die Bereitstellung der Laserlichtquelle sind wesentlich reduziert.
Bei Verwendung von Halbleiterlasern, die bevorzugt zum Einsatz kommen, ergibt sich noch ein weiterer Vorteil. Dieser besteht darin, dass die zusätzlichen Laser gar keine zusätzlichen Kosten verursachen. Die auf einem Wafer hergestellten Laserdioden unterliegen nämlich einem Wellenlängengradienten, weisen also einen von der Lage auf dem Wafer befindlichen Wellenlängen-Bereich auf, innerhalb dessen sie abstimmbar sind. Nur etwa die Hälfte der Laser, die auf einem Wafer gefertigt werden, treffen bei einer gegebenen Temperatur einen vorgegebenen Wellenlängen-Bereich, sind also gemäß dem Stand der Technik nutzbar. Ein Teil der Laser eines Wafers, die beim Stand der Technik als Ausschuss betrachtet werden müssen, ist bei der Erfindung hingegen ideal einsetzbar, da ihr jeweiliger Wellenlängen-Bereich an den Wellenlängen-Bereich eines weiteren Lasers vom selben Wafer derartig anschließt, dass insgesamt die Laserlichtquelle mit den zwei oder mehr Lasern einen sehr großen Wellenlängen-Bereich abdeckt.
Bevorzugt kommen in der Laserlichtquelle zwei Laser zum Einsatz, um die Laserlichtquelle so kostengünstig und den Aufbau so einfach wie möglich zu halten. Bestimmte Anwendungen können aber auch einen weiten Wellenlängen-Bereich erfordern, den die Laserlichtquelle abdecken können muss. Hierfür kann die Verwendung von drei oder sogar vier Lasern vorteilhaft sein .
In einer bevorzugten Ausgestaltung und Weiterbildung der Er- findung wird zur Emission einer Ziel-Wellenlänge immer genau ein Laser betrieben. Wird, wie es bei der Erfindung möglich ist, ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse sowie eine Temperaturregelung über ein Peltier-Element und einen Temperatursensor nicht verwendet, so weist die Laserlichtquelle übli- cherweise die Temperatur der Umgebung auf. Die Temperatur der Laserlichtquelle und somit der einzelnen Laser verschiebt den Wellenlängen-Bereich, der von den Lasern und somit auch von der gesamten Laserlichtquelle abdeckbar ist. Zum Erreichen der Ziel-Wellenlänge für das von der Laserlichtquelle ausge- sandte Laserlicht ist es daher von Vorteil, wenn der zu betreibende Laser anhand des durch die Temperatur der Laser festgelegten Wellenbereichs jedes der Laser ausgewählt wird. Es wird also mit anderen Worten zweckmäßigerweise derjenige Laser zum Betrieb ausgewählt, der bei einer gegebenen Tempe- ratur der Laserlichtquelle in der Lage ist, die geforderte Ziel-Wellenlänge zu erzeugen.
Es ist auch möglich, dass zwei oder mehr Ziel-Wellenlängen emittiert werden sollen. In diesem Fall werden eine entspre- chende Anzahl der Laser betrieben, von denen jeder eine der Ziel-Wellenlängen emittiert. Die Auswahl der Laser muss analog so in Abhängigkeit von deren Temperatur erfolgen, dass die Laser in der Lage sind, die Ziel-Wellenlängen zu erzeugen. Mehrere Ziel-Wellenlängen zu erzeugen hat beispielsweise den Vorteil, dass eine gleichzeitige Messung an zwei verschiedenen Absorptionslinien erfolgen kann. So können beispielsweise die Konzentrationen zweier verschiedener Gase gleichzeitig erfasst werden oder aus dem Verhältnis der Absorption bei zwei Absorptionslinien eines einzigen Gases auf dessen Temperatur geschlossen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Laserlichtquelle in ein transparentes Gehäuse einge- bettet. Zweckmäßig ist das Gehäuse dabei für zumindest den Wellenlängen-Bereich, den die Laserlichtquelle erzeugen kann, transparent. Diese Einbettung, die beispielsweise analog zum Aufbau einer Leuchtdiode erfolgen kann, sorgt dafür, dass ne- ben dem Schutz der Laser die im Stand der Technik auftretenden Interferenzen im hermetisch abschließenden Gehäuse vermieden werden.
Alternativ ist es auch möglich, die Laserlichtquelle direkt auf einen Lichtwellenleiter aufzubringen. Bei dem Lichtwellenleiter kann es sich beispielsweise um eine Glasfaser mit großem Querschnitt oder einen Glasstab oder Kunststoffstab handeln. Das Laserlicht, das von der Laserlichtquelle erzeugt wird, wird in den Lichtwellenleiter eingestrahlt. Hiermit kann beispielsweise das Laserlicht an eine Messumgebung geleitet werden, die beispielsweise aufgrund ihrer Temperatur einen Betrieb der Laserlichtquelle in ihrer Nähe unmöglich machen würde .
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Laser, die nebeneinander auf einem Substrat angeordnet sind, mittels eines Klebers auf den Lichtwellenleiter aufgebracht werden und der Brechungsindex des Klebers dabei nicht oder nur geringfügig von dem des Lichtwellenleiters abweichen. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der Brechungsindex des Klebers um nicht mehr als 1 % von dem des Lichtwellenleiters abweicht. Hierdurch wird auch bei dem Aufbau in Verbindung mit einem Lichtwellenleiter eine Erzeugung von Interferenzen vermieden. Interferenzen können auch durch die Austrittsfläche aus dem Lichtwellenleiter verursacht werden. Da der Lichtwellenleiter bevorzugt wesentlich länger ist als der Abstand zwischen dem Laser und dem Fenster im Stand der Technik, wirken sich diese Interferenzen wesentlich weniger stark aus.
Bei einer Laserlichtquelle gemäß dem Stand der Technik wird der einzelne Laser temperaturgeregelt. Bei somit bekannter Temperatur des Lasers und bekanntem Laserstrom sowie bekannten Kenndaten des Lasers ist somit die von ihm emittierbare Wellenlänge ebenfalls bekannt. Mangels einer Temperaturregelung bei der erfindungsgemäßen Laserlichtquelle kann bei dieser anders vorgegangen werden, um die emittierbare Wellenlänge eines der Laser zu bestimmen.
So sind gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung die Laser Laserdioden, beispielsweise VCSELs. Zur Bestimmung der von einem der Laser emittierbaren Wellenlänge wird die Durchlassspannung des Lasers gemessen. Diese wird mit Kenndaten des Lasers verglichen und dadurch auf die emittierbare Wellenlänge geschlossen.
Die Laserlichtquelle weist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Heizelement auf. Das Heizele- ment kann beispielsweise ein einfacher Heizwiderstand sein. Mit dem Heizelement können mehrere Vorteile erreicht werden. So kann der erreichbare Wellenlängen-Bereich der gesamten Laserlichtquelle mit dem Heizelement durch eine Erwärmung der Laser geändert werden. Eine Grenze hierfür ist nur durch den allgemeinen Temperaturbereich gegeben, der einen Betrieb der Laser überhaupt erlaubt. Weiterhin kann das Heizelement für eine Bestimmung des Verhältnisses zwischen Laserstrom und Wellenlänge der Laser verwendet werden, was weiter unten beschrieben wird. Schließlich ist es mittels des Heizelementes auch möglich, die Laserlichtquelle in einen für den Betrieb der Laser vorgesehenen Temperaturbereich zu heizen, wenn beispielsweise die Umgebungstemperatur für den Betrieb der Laser eigentlich zu niedrig ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung weist die Laserlichtquelle einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur der Laser auf. Hierdurch lässt sich leichter ermitteln, welche Wellenlängen- Bereiche von den Lasern der Laserlichtquelle emittierbar sind.
Das Heizelement und der Temperatursensor können vorteilhaft als Bauteil realisiert werden, das beide Funktionen erfüllt, beispielsweise als Heizwiderstand, der auch als Temperatursensor über seinen Widerstandskoeffizient verwendbar ist. Hierdurch werden Platz und Kosten gespart.
Durch den Temperatursensor wird ermöglicht, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung zur Bestimmung der von einem der Laser emittierbaren Wellenlänge die Temperatur des Lasers zu messen. Diese wird mit Kenndaten des Lasers verglichen und dadurch auf die emit- tierbare Wellenlänge geschlossen.
Die Laserlichtquelle lässt sich vorteilhaft mit einem Detektor kombinieren, wobei der Detektor zum Empfang des Laserlichts ausgestaltet ist und so zur Laserlichtquelle angeord- net ist, dass er deren Laserlicht wenigstens teilweise empfängt. Hierdurch lässt sich beispielsweise eine Laserspektroskopische Einrichtung realisieren, die der Ermittlung der Konzentration eines Gases zwischen Laserlichtquelle und Detektor dient.
In einer solchen Anordnung mit einem Detektor kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung eine Ermittlung des aktuellen, temperaturabhängigen Verhältnisses zwischen Laserstrom und Wellenlänge eines der Laser vorgenommen werden, indem die Wellenlänge des jeweiligen Lasers mittels einer Variation des Laserstroms über einen Wellenlängen-Bereich variiert wird. Weiterhin wird eine Messung der Gasabsorptionslinien in diesem Wellenlängen-Bereich durchgeführt und mittels eines Vergleichs mit bekannten Absorptionsdaten auf das zu messende Verhältnis geschlossen. Hierdurch wird erreicht, dass eine genaue Ermittlung der aktuellen Wellenlänge eines der Laser möglich wird, ohne dass hierzu eine Regelung, Einstellung oder überhaupt Kenntnis seiner Temperatur nötig ist.
Weist die Laserlichtquelle ein Heizelement auf, kann die Variation der Wellenlänge des Lasers zur Ermittlung des aktuellen, temperaturabhängigen Verhältnisses zwischen Laserstrom und Wellenlänge alternativ mittels einer Variation seiner Temperatur erreicht werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigt schematisch:
Figur 1 eine Laserlichtquelle aus dem Stand der Technik, Figur 2 ein Aufbauprinzip einer Laserlichtquelle mit drei La- serdioden,
Figur 3 die Bildung eines gesamten Wellenlängen-Bereichs aus einzelnen Wellenlängen-Bereichen der drei Laserdioden,
Figur 4 die Verschiebung des gesamten Wellenlängen-Bereichs mit der Umgebungstemperatur,
Figur 5 den Einsatz der Laserdioden zur Erzeugung von Ziel- Wellenlängen, Figur 6 einen Aufbau mit der Laserlichtquelle in Verbindung mit einer Glasfaser, Figur 7 den Strahlengang für Laserlicht dieses Aufbaus,
Figur 8 einen Aufbau für eine Laserlichtquelle mit einem Heizwiderstand in einem Plastikgehäuse.
In Figur 1 ist ein beispielhafter Aufbau einer Laserlichtquelle gemäß dem Stand der Technik skizziert. Die Laserlichtquelle gemäß dem Stand der Technik weist ein hermetisch abschließendes Gehäuse 21 auf, das in diesem Beispiel mit Stickstoff gefüllt ist. Im hermetisch abschließenden Gehäuse 21 ist auf einer Wandung ein Peltier-Element 22 vorgesehen. Auf diesem ist Keramiksubstrat 2 mit einem Thermoelement 23 und einer Laserdiode 1 angeordnet. Die Temperatur der Laserdiode 1 wird mittels des Thermoelements 23 gemessen und mit dem Peltier-Element 22 geregelt. Die Laserdiode 1 strahlt ihr Laserlicht durch ein im hermetisch abschließenden Gehäuse 21 vorgesehenes und entsprechend angeordnetes Fenster 24 ab. Figur 2 zeigt beispielhaft den wesentlich einfacheren Aufbau einer Laserlichtquelle gemäß der Erfindung. Ebenso wie in Figur 1 wurde auch in Figur 2 auf die Darstellung von Komponenten wie elektrischen Anschlüssen oder Ahnlichem zum Zwecke der besseren Übersicht verzichtet. Der beispielhafte Aufbau gemäß Figur 2 weist daher nur drei nebeneinander liegende Laserdioden 1 auf, in diesem Beispiel drei VCSELs, die auf ein Keramiksubstrat 2 aufgebracht sind. Ein Peltier-Element 22, ein Thermoelement 23 oder ein hermetisch abschließendes Ge- hause 21 sind nicht vorhanden und auch nicht notwendig.
Mit Bezug auf den grundlegenden beispielhaften Aufbau gemäß Figur 2 wird anhand der Darstellungen der Figuren 3 bis 5 das Konzept der Erfindung beispielhaft erläutert. Es wird dabei davon ausgegangen, dass die Laserlichtquelle, deren Konzept beschrieben wird, zur Detektion von Sauerstoff O2 verwendet werden soll. Hierzu eignet sich eine Gruppe von Gasabsorptionslinien zwischen etwa 760 nm und 765 nm Wellenlange.
Die Laserdioden 1 weisen gemäß Figur 3 einen ersten bis dritten Wellenlängen-Bereich 8...10 auf, wobei jede der drei Laserdioden 1 in der Lage ist, in genau einem der Wellenlänge- Bereiche 8...10 zu emittieren. Entsprechend Figur 3 schließen diese Wellenlängen-Bereiche 8...10 bei leichter Überlappung aneinander an. Alle drei Laser gemeinsam überdecken daher mit ihren Wellenlängen-Bereichen 8...10 einen gesamten Wellenlan- gen-Bereich 11, der von etwa 760,3 nm bis 765 nm reicht. Der erste Wellenlängen-Bereich 8 reicht dabei von 760,3 nm bis 761,3 nm. Der zweite Wellenlängen-Bereich 9 reicht von 761,1 nm bis 763,5 nm. Der dritte Wellenlängen-Bereich 10 schließlich reicht von 763,1 nm bis 765 nm. Die Wellenlängen- Bereiche 8...10 beziehen sich dabei auf eine Temperatur der Laserdioden 1 von 200C. Sind die Laserdioden 1 auf einer anderen Temperatur, so ändert sich dadurch auch der jeweilige Wellenlängen-Bereich 8...10.
Die hier beispielhaft verwendeten Wellenlängen-Bereiche 8...10 sind zwischen 1 nm und 2,4 nm breit. Bei derzeitigen VCSELs sind mit einer Variation des Laserstroms, der erfindungsgemäß zur Variation der Wellenlänge verwendet wird, meist Breiten von etwa 1 nm für den Wellenlängen-Bereich erreichbar .
Da der Aufbau gemäß Figur 2 kein Peltier-Element 22 und auch kein hermetisch abschließendes Gehäuse 21 aufweist, befinden sich die Laserdioden 1 abgesehen von einer Erwärmung durch die eigene Verlustleistung auf der Umgebungstemperatur. Bei einer geänderten Umgebungstemperatur wird aus dem gesamten
Wellenlängen-Bereich 11 der Laserlichtquelle ein verschobener gesamter Wellenlängen-Bereich 12 gemäß der Figur 4.
Figur 5 stellt schematisch anhand von zwei beispielhaften Ziel-Wellenlängen 16, 17 dar, wie der Betrieb der Laserlichtquelle zur Erzeugung einer oder beider der Ziel-Wellenlängen erfolgen kann und wie sich eine Veränderung der Umgebungstemperatur und eine dadurch bedingte Veränderung der Temperatur der Laserdioden 1 auf den Betrieb der Laserlichtquelle gemäß Figur 2 auswirkt. Figur 5 zeigt den ersten bis dritten Wellenlängen-Bereich 8...10 der Laserdioden 1. Weiterhin zeigt die Figur 5 einen verschobenen ersten bis dritten Wellenlängen-Bereich 18...20. Die Verschiebung entspricht dabei der Verschiebung in Figur 4. Weiterhin sind in Figur 5 eine erste und zweite Ziel-Wellenlänge 16, 17 gezeigt.
Aus Figur 5 ist direkt erkennbar, wie mittels der Laserlichtquelle die erste oder zweite Ziel-Wellenlänge 16, 17 zur Verfügung gestellt werden kann. Die erste Ziel-Wellenlänge 16 liegt im unverschobenen Fall, d.h. bei 200C, im zweiten Wellenlängen-Bereich 9. Um die erste gewünschte Wellenlänge 16 zu erzeugen, muss also die für den zweiten Wellenlängen- Bereich 9 zuständige Laserdiode 1 betrieben werden. Diese muss weiterhin über eine Einstellung des Laserstroms so be- trieben werden, dass sie die erste gewünschte Wellenlänge 16 emittiert. Im verschobenen Fall hingegen, d.h. bei der geänderten Umgebungstemperatur, liegt die erste gewünschte Wellenlänge 16 im verschobenen ersten Wellenlängen-Bereich 18. Befinden sich die Laserlichtquelle und ihre Laserdioden 1 also auf der geänderten Umgebungstemperatur, so muss die für den ersten Wellenlängen-Bereich 8 zuständige Laserdiode 1 betrieben werden und deren Wellenlänge per Laserstrom-Regelung auf die erste gewünschte Wellenlänge 16 eingestellt werden.
Die zweite gewünschte Wellenlänge 17 liegt im unverschobenen Fall, d.h. bei 200C, sowohl im zweiten als auch im dritten Wellenlängen-Bereich 9, 10. Es ist also zur Erzeugung der zweiten gewünschten Wellenlänge 17 möglich, eine der beiden Laserdioden 1 zu wählen, die für diese Wellenlängen-Bereiche 9, 10 zuständig sind. Im verschobenen Fall hingegen, d.h. bei der geänderten Umgebungstemperatur, liegt die zweite gewünschte Wellenlänge 17 nur im verschobenen zweiten Wellen- längen-Bereich 19. Sie muss also bei der geänderten Umgebungstemperatur von der für den zweiten Wellenlängen-Bereich 9 zuständigen Laserdiode 1 erzeugt werden.
Je nach Anwendungsgebiet der Laserlichtquelle kann es zweck- mäßig sein, genau eine Ziel-Wellenlänge 16, 17 zu erzeugen. Diese kann mit dem beschriebenen Aufbau und Betriebskonzept über den gesamten Wellenlängen-Bereich 11 bzw. bei anderer Temperatur beispielsweise über den gesamten verschobenen Wellenlängen-Bereich 12 hinweg variiert werden über eine Auswahl der zu verwendenden Laserdiode 1 und eine Anpassung von deren Wellenlänge mittels des Laserstroms.
Ebenso ist es aber auch möglich, beide Ziel-Wellenlängen 16, 17 oder auch mehr als zwei Ziel-Wellenlängen 16, 17 zur glei- chen Zeit zu emittieren. Bei den beiden Ziel-Wellenlängen 16, 17 gemäß dem oben gegebenen Beispiel wäre auch ein gleichzeitiges Emittieren möglich entsprechend der bereits gegebenen Vorgehensweise zur Emission einer der Ziel-Wellenlängen 16, 17, indem die betroffenen Laserdioden 1 eben gleichzeitig be- trieben werden. Zweckmäßig sollten dabei die Ziel-Wellenlänge 16, 17 nicht ausschließlich im Wellenlängen-Bereich 8...10 einer einzelnen Laserdiode 1 liegen, da diese nicht zwei Wellenlängen gleichzeitig emittieren kann. Bei dem gegebenen Beispiel lässt sich die Emission von zwei Ziel-Wellenlängen 16, 17 dazu nutzen, zwei verschiedene Gasabsorptionslinien des Sauerstoffs gleichzeitig zu beobachten. Aus dem Verhältnis der Absorption bei diesen Gasabsorptionslinien lässt sich beispielsweise auf die Temperatur des Sauerstoffs schließen.
Eine weitere Möglichkeit, mehrere Ziel-Wellenlängen 16, 17 zu nutzen, besteht darin, zwei Gasabsorptionslinien von zwei verschiedenen Gasen gleichzeitig zu beobachten, um beispielsweise die Konzentration beider Gase zur gleichen Zeit zu vermessen. Hierzu kann es je nach Art der zu vermessenden Gase auch zweckmäßig sein, wenn die Wellenlängen-Bereiche 8...10 der Laserdioden 1 nicht überlappen, sondern wenigstens teilweise weit auseinander liegen, da die Wellenlängen-Abschnitte, in denen die Gasabsorption stattfindet, sich von Gas zu Gas stark unterscheiden kann. Auf diese Weise ist es auch möglich, in einem Wellenlängen-Bereich, in dem keine oder weitgehend keine durch Gase verursachte Absorption erwartet wird, eine Kalibrationsmessung durchzuführen, um beispielsweise Verschmutzungseffekte, die zu einer generellen Absorption des Laserlichts führen, zu ermitteln.
Die Anzahl der verwendeten Laserdioden wird dabei vorteilhafterweise an die zu erwartenden Einsatzbedingungen ange- passt. Um den Aufbau und den Betrieb zu vereinfachen und die Ausfallmöglichkeiten zu verringern, ist es vorteilhaft, möglichst wenige Laserdioden 1, also minimalerweise nur zwei La- serdioden 1 einzusetzen. Mehr als zwei Laserdioden erlauben aber beispielsweise eine größere Flexibilität des Aufbaus und die Aussendung von mehr als zwei Ziel-Wellenlängen 16, 17 gleichzeitig. So kann es auch zweckmäßig sein, beispielsweise vier Laserdioden 1 einzusetzen.
In der Figur 6 ist beispielhaft dargestellt, wie der konzeptionelle Aufbau gemäß Figur 2 auf einen Glasstab 4 aufgesetzt werden kann. Hierzu wird die gesamte Laserlichtquelle gemäß der Figur 2 mit einem Klebertropfen 3 versehen und auf eine Glasstababschlussflache 5 aufgesetzt. Der Klebetropfen 3 sorgt zum einen für eine feste Verbindung. Zum anderen weist der Klebetropfen einen Brechungsindex auf, der dem des Glas- stabs entspricht. Statt dem Glasstab 4 kann auch eine Glasfaser mit ausreichendem Querschnitt oder ein Kunststoffstab verwendet werden.
Der Strahlengang für das Laserlicht, der sich aus dem Aufbau gemäß Figur 6 mit den nebeneinander angeordneten Leserdioden 1 ergibt, ist in Figur 7 schematisch dargestellt. Figur 7 zeigt wiederum die Laserdioden 1, die auf die Glasfaser 4 an der Glasfaserabschlussfläche 5 aufgesetzt sind. Die nebeneinander liegenden Laserdioden 1 erzeugen zwei ebenso nebenein- ander liegende Strahlengänge 6, 7. In einer Anwendung, bei der die leichte laterale Versetzung der Strahlengänge 6, 7 eine Rolle spielt, muss auf diese Versetzung geachtet werden. In der Laser-Spektroskopie, bei der die Konzentration eines Gases in einer Messumgebung ermittelt werden soll, spielt die laterale Versetzung meist keine Rolle.
Bei einer solchen Anwendung in der Laser-Spektroskopie, beispielsweise zur Konzentrationsmessung eines Gases, ist es von Vorteil, wenn die Wellenlänge, die bei einem bestimmten La- serstrom von einer der Laserdioden 1 emittiert wird, ermittelbar ist. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Durchlassspannung der Laserdiode gemessen wird. Diese ist in der Hauptsache von der Temperatur der Laserdiode abhängig und erlaubt so mit einer Tabelle von Kenndaten für die Laser- diode 1, auf die zugehörige Wellenlänge zurückzuschließen.
Auch ein Temperatursensor, der dem Aufbau gemäß Figur 2 hinzugefügt wird, kann der Ermittlung der Temperatur dienen.
Um von vorher zu ermittelnden Kenndaten und von einer eventu- eil auftretenden Drift der Laserdioden 1 unabhängig zu sein, ist es vorteilhaft, wenn die Ermittlung der Wellenlänge über einen Vergleich mit Absorptionsdaten durchgeführt wird. Hierzu muss die Laserlichtquelle in Verbindung mit einem entspre- chenden Detektor für das Laserlicht und einer Messumgebung mit einem bekannten Gas betrieben werden. Die von der Laserlichtquelle emittierte Wellenlänge kann nun mittels des Laserstroms variiert werden und dadurch eine Mehrzahl von Gas- absorptionslinien abgetastet werden. Aus der Lage der Gasabsorptionslinien zueinander und dem Verhältnis der Absorption der Gasabsorptionslinien kann anhand von bekannten Absorptionsdaten des Gases auf den absolute Wellenlängen-Abschnitt geschlossen werden, der von der Laserdiode 1 bzw. der Laser- lichtquelle emittiert wurde.
Ein zweiter beispielhafter Aufbau für eine erfindungsgemäße Laserlichtquelle ist in Figur 8 schematisch dargestellt. Hier weist das Keramiksubstrat zwei Laserdioden 1 auf. In das Ke- ramiksubstrat 2 ist in diesem Fall ein Heizwiderstand 15 integriert, beispielsweise ein metallischer Dünnschichtwiderstand. Elektrische Anschlüsse 13, von denen in Figur 8 nur zwei beispielhaft angedeutet sind, verbinden den Heizwiderstand 15 und die Laserdioden 1 nach außen. Der gesamte Aufbau ist mit einem Kunststoffgehäuse 14 analog zum Aufbau beispielsweise einer Leuchtdiode umschlossen.
Der Heizwiderstand 15 ist wegen seines Temperaturkoeffizienten, der bei Metallen meist positiv ist, bei entsprechender Beschaltung und Bestromung auch als Temperatursensor verwendbar. Wird über den Heizwiderstand 15 festgestellt, dass sich der Aufbau gemäß Figur 8 in einer zu kalten Umgebung befindet, so kann der Aufbau über den Heizwiderstand 15 auf eine geeignete Arbeitstemperatur gebracht werden. Auch wenn die Umgebungstemperaturen im Arbeitsbereich der Laserdioden 1 liegen, kann der Heizwiderstand 15 dazu verwendet werden, den gesamten Wellenlängen-Bereich 11 des Aufbaus zu erweitern bzw. verschieben, indem die Laserdioden 1 über die Umgebungstemperatur hinaus erwärmt werden.
Der Heizwiderstand 15 erlaubt es auch, zur Ermittlung der absoluten Wellenlängen, die von den Laserdioden 1 emittiert werden, eine Variation der Temperatur zu verwenden, um die Gasabsorptionslinien abzutasten. Ebenso kann auch die bereits beschriebene Möglichkeit verwendet werden, über den Heizwiderstand 15 die Temperatur der Laserdioden 1 zu bestimmen und daraus über Kenndaten auf die Wellenlängen zu schließen.

Claims

Patentansprüche
1. Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht mit wenigstens zwei Lasern, deren Wellenlänge mittels des jeweiligen Laserstroms innerhalb eines jeweiligen Wellenlängen-Bereichs einstellbar ist, und wobei die Wellenlängen-Bereiche der Laser voneinander verschieden sind.
2. Laserlichtquelle gemäß Anspruch 1, derart ausgestaltet, dass zur Emission einer Ziel-Wellenlänge genau einer der Laser betrieben wird, wobei dieser anhand des durch die Temperatur der Laser festgelegten Wellenlängen-Bereichs jedes der Laser und anhand der Ziel-Wellenlänge zum Betrieb auswählbar ist.
3. Laserlichtquelle gemäß Anspruch 1 oder 2, die in ein wenigstens für den Wellenlängen-Bereich des erzeugten Laserlichts transparentes Gehäuse eingebettet ist.
4. Laserlichtquelle gemäß Anspruch 1 oder 2, derart aufgebracht auf einen Lichtwellenleiter, dass das Laserlicht in den Lichtwellenleiter eingestrahlt wird.
5. Laserlichtquelle gemäß Anspruch 4, bei dem die Laser ne- beneinander auf einem Substrat angeordnet sind, das mittels eines Klebers auf den Lichtwellenleiter aufgebracht wird, wobei der Brechungsindex des Klebers nicht oder nur geringfügig von dem des Lichtwellenleiters abweicht.
6. Laserlichtquelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, derart ausgestaltet, dass die Laser Laserdioden sind und eine Bestimmung der von einem der Laser emittierbaren Wellenlänge mittels einer Messung der Durchlassspannung des Lasers in Verbindung mit gespeicherten Daten über den Laser durchführ- bar ist.
7. Laserlichtquelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Heizelement zur Erwärmung der Laser.
8. Laserlichtquelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der Laser .
9. Laserlichtquelle gemäß Anspruch 7, bei der das Heizelement zusätzlich als Temperatursensor ausgestaltet ist.
10. Laserlichtquelle gemäß Anspruch 8 oder 9, derart ausge- staltet, dass eine Bestimmung der von einem der Laser emittierbaren Wellenlänge mittels einer Ermittlung der Temperatur des Lasers in Verbindung mit gespeicherten Daten über den Laser durchführbar ist.
11. Anordnung mit
- einer Laserlichtquelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; und
- einem Detektor zum Empfang des Laserlichts.
12. Anordnung gemäß Anspruch 11 mit einer Steuerungseinrichtung, die ausgestaltet ist, eine Ermittlung des aktuellen, temperaturabhängigen Verhältnisses zwischen Laserstrom und Wellenlänge eines der Laser vorzunehmen, indem die Wellenlänge dieses Lasers durch eine Variation des Laserstroms über einen Wellenlängen-Bereich variiert wird, eine Messung der
Absorptionslinien in diesem Wellenlängen-Bereich mittels des Detektors durchgeführt wird und mittels Vergleich mit gespeicherten Absorptionsdaten auf das Verhältnis geschlossen wird.
13. Anordnung gemäß Anspruch 11 oder 12 mit einer Laserlichtquelle gemäß Anspruch 7 oder 9, bei der die Steuerungseinrichtung ausgestaltet ist, zur Ermittlung des Verhältnisses zwischen Laserstrom und Wellenlänge eines der Laser die Wellenlänge des Lasers durch eine Variation seiner Temperatur mittels des Heizelements zu variieren.
14. Verfahren zum Betrieb einer Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht, bei dem: - wenigstens zwei Laser verwendet werden, die sich in ihrem über den Laserstrom einstellbaren Wellenlängen-Bereich unterscheiden; und
- die Wellenlänge der Laser mittels des jeweiligen Laser- Stroms eingestellt wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem zur Emission einer Ziel-Wellenlänge genau einer der Laser betrieben wird, wobei dieser anhand des durch die Temperatur der Laser festgelegten Wellenlängen-Bereichs jedes der Laser und anhand der Ziel- Wellenlänge zum Betrieb ausgewählt wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem die von einem der Laser emittierbare Wellenlänge ermittelt wird, indem: - als Laser Laserdioden verwendet werden und eine Messung der Durchlassspannung des Lasers durchgeführt wird; oder
- ein Temperatursensor in der Laserlichtquelle vorgesehen ist und die Temperatur des Lasers gemessen wird; und aus Temperatur bzw. Durchlassspannung in Verbindung mit gespeicherten Daten über den Laser auf dessen Wellenlänge geschlossen wird.
17. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem das aktuellen, temperaturabhängige Verhältnis zwischen Laserstrom und Wellenlänge eines der Laser ermittelt wird, indem:
- ein Detektor zum Empfang des Laserlichts nach Durchtritt durch ein Gas verwendet wird;
- die Wellenlänge des Lasers über einen Wellenlängen-Bereich variiert wird; - eine Messung der Absorptionslinien des Gases in diesem Wellenlängen-Bereich mittels eines Detektors durchgeführt wird; und
- mittels Vergleich mit gespeicherten Absorptionsdaten auf das Verhältnis geschlossen wird; wobei die Wellenlänge des Lasers entweder über den Laserstrom variiert wird oder ein Heizelement für die Laserlichtquelle verwendet wird und die Wellenlänge des Lasers über seine Temperatur variiert wird.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem für die Laserlichtquelle ein Heizelement verwendet wird, um die Laserlichtquelle zu heizen und damit: - der erreichbare Wellenlängen-Bereich der gesamten Laserlichtquelle geändert wird; und/oder
- die Laserlichtquelle in einen für den Betrieb der Laser vorgesehenen Temperaturbereich geheizt wird.
19. Verfahren zur spektroskopischen Messung von Eigenschaften eines Gases in einer Messumgebung, insbesondere Konzentration, Druck, Temperatur oder Isotopenverhältnis, bei dem Laserlicht durch die Messumgebung geleitet wird und von einem Detektor empfangen wird, wobei das Laserlicht mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18 erzeugt wird, und anhand der Absorption des Laserlichts auf die Konzentration des Gases geschlossen wird.
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