DE10205310A1 - Laser device with a quantum cascade laser - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laservorrichtung und Anwendungen mit einem Quantenkaskadenlaser und einem Pulserzeuger zum gepulsten Betreiben des Quantenkaskadenlasers, bei dem durch den Pulserzeuger der Quantenkaskadenlaser mit Pulspaketen, die mit Frequenzen im 1 Hz- bis 100 kHz-Bereich geschaltet werden, betreibbar ist und mit dem Quantenkaskadenlaser eine Wärmeabführeinrichtung verbunden ist. Als Quantenkaskadenlaser können kostengünstige Fabry-Perot-Laser verwendet werden. Durch ein spezielles Ansteuerverfahren kann eine teilkohärente, LED-artige Emission bewirkt werden.The present invention relates to a laser device and applications with a quantum cascade laser and a pulse generator for pulsed operation of the quantum cascade laser, in which the quantum cascade laser can be operated by the pulse generator with pulse packets that are switched at frequencies in the 1 Hz to 100 kHz range and a heat dissipation device is connected to the quantum cascade laser. Inexpensive Fabry-Perot lasers can be used as quantum cascade lasers. A partially coherent, LED-like emission can be achieved by a special control process.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit einem Quantenkaskadenlaser (QCL) gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben eines Quantenkaskadenlasers gemäß Oberbegriff von Anspruch 18, eine Gasmessvorrichtung gemäß Oberbegriff von Anspruch 21, eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß Oberbegriff von Anspruch 25 und ein Verfahren zur Detektion von Licht gemäß Oberbegriff von Anspruch 29. Solche Laservorrichtungen werden beispielsweise in der Infrarotmesstechnik oder als Infrarotlichtquelle verwendet. The present invention relates to a laser device with a Quantum cascade laser (QCL) according to the preamble of claim 1, a method for operating a Quantum cascade laser according to the preamble of claim 18, a gas measuring device according to the preamble of claim 21, a lighting device according to the preamble of claim 25 and a method for detecting light according to the preamble of Claim 29. Such laser devices are used, for example, in infrared measurement technology or used as an infrared light source.
Laservorrichtungen mit einem Quantenkaskadenlaser sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Am Markt für infrarotoptische Gasmessgeräte werden derzeit vorwiegend nicht dispersive Geräte angeboten. Dabei werden üblicherweise breitbandige, thermische Emitter als Infrarotlichtquellen eingesetzt. Die Strahlungsdetektion geschieht vorzugsweise mit thermischen Detektoren wie Thermopiles, Pyrodetektoren oder auch mit fotoakustischen Nachweisverfahren. Bei dem NDIR-Verfahren (nichtdisperse IR- Absorption) ist allgemein eine spektrale Filterung der Strahlung notwendig, die mit Interferenzfiltern, mit mikromechanischen Fabry-Perot-Resonatoren oder mit Gasfiltern realisiert werden kann. Begrenzend auf die Leistungsdaten dieser Messgeräte wirkt sich zum einen die geringe Modulierbarkeit der thermischen Strahler aus, so dass im Allgemeinen nur mit Frequenzen im 10 bis 100 Hz-Bereich moduliert werden kann. Vor allem sind die Geräte aber durch die physikalisch vorgegebene, zu geringe spektrale Leistungsdichte eines Planck-Strahlers begrenzt. Laser devices with a quantum cascade laser are from the prior art well known. The market for infrared optical gas measuring devices is currently mainly non-dispersive devices offered. Broadband, thermal emitters used as infrared light sources. The radiation detection happens preferably with thermal detectors such as thermopiles, pyrodetectors or with photoacoustic detection methods. In the NDIR process (non-disperse IR Absorption), spectral filtering of the radiation is generally necessary Interference filters, with micromechanical Fabry-Perot resonators or with gas filters can be realized. It has a limiting effect on the performance data of these measuring devices on the one hand, the low modulability of the thermal radiators, so that in Can generally only be modulated with frequencies in the 10 to 100 Hz range. In front the devices are all due to the physically predetermined, too low spectral The power density of a Planck radiator is limited.
Mit großflächigen Strahlern würde man zwar höhere Leistungen erreichen, diese lassen sich aber nicht gut auf kleine Detektionselemente abbilden. With large-area emitters one would achieve higher outputs, let them be but do not map well to small detection elements.
Ein weiterer Nachteil thermischer Strahler ist, dass ihre Strahlung nur unter erheblichen Leistungseinbußen kollimiert werden kann und somit Messungen über große Strecken nur mit erheblichem Aufwand machbar sind. Another disadvantage of thermal emitters is that their radiation is only considerable Performance losses can be collimated and thus measurements over long distances are only feasible with considerable effort.
Bei den kostenmäßig aufwändigeren, dispersiven Geräten werden im Allgemeinen auch thermische Lichtquellen eingesetzt, so dass viele der vorgenannten Nachteile bestehen bleiben. In the case of the more expensive, dispersive devices, in general, too thermal light sources used, so that many of the aforementioned disadvantages exist stay.
Laserspektroskopische Messverfahren werden generell nur für spezielle Anwendungen und für hochempfindliche Labormessungen eingesetzt. Dies ist unter anderem durch die hohen Komponentenpreise und die hochempfindliche und häufig wartungsintensive Messtechnik bedingt. Laser spectroscopic measurement methods are generally only for special applications and used for highly sensitive laboratory measurements. This is partly due to the high component prices and the highly sensitive and often maintenance-intensive Measurement technology conditional.
Diese Verfahren benötigen Laser, die nur auf einer Mode emittieren. Diese Art von Lasern ist aber im Allgemeinen nur durch aufwendige Selektion oder zusätzliche Strukturierung des Lasers zu erhalten, wie beispielsweise durch eine "distributed feedback (DFB)-Strukturierung". Dadurch werden die Kosten eines solchen Lasers erhöht. These processes require lasers that only emit in one mode. This kind of However, lasering is generally only possible through elaborate selection or additional Get structuring of the laser, such as through a "distributed feedback (DFB) structuring ". This increases the cost of such a laser.
Andere kompakte Lichtquellen, wie IR-LEDs oder andere nichtthermische inkohärente Quellen im langwelligen mittleren Infrarotbereich (MIR) sind jedoch nicht verfügbar. Other compact light sources, such as IR LEDs or other non-thermal incoherent However, long-wave mid-infrared (MIR) sources are not available.
Die Entwicklung neuer Gas- und Flüssigkeitsmessgeräte verläuft derzeit in Richtung der Verwendung nichtthermischer Lichtquellen. Vor allem werden sogenannte Quantenkaskadenlaser (QCL) eingesetzt, die bei Raumtemperatur betrieben eine pulsförmige Laserquelle mit hoher Leistungsdichte darstellen. The development of new gas and liquid measuring devices is currently moving in the direction of Use of non-thermal light sources. Above all, so-called Quantum cascade lasers (QCL) are used, which operate at room temperature a pulsed Represent laser source with high power density.
Die Entwicklung neuer Beleuchtungsvorrichtungen zum Beispiel für Kraftfahrzeuge, Schiffe oder Flugzeuge verläuft derzeit in Richtung der Anwendung von infraroten Lichtquellen. Infrarotes Licht durchdringt deutlich besser Nebel, so dass ein mit Infrarotsichtgerät und Infrarotscheinwerfer ausgerüstetes Kraftfahrzeug, Schiff oder Flugzeug auch im Nebel deutlich sicherer gesteuert werden kann, als mit der üblichen Ausstattung. Inzwischen werden passive Infrarotsensoren und Infrarotkamerasysteme im Automobilbereich zur Kollisionsvermeidung mit Mensch und Tieren auf der Fahrbahn eingesetzt. Durch eine zusätzliche Infrarotbeleuchtung würde die Sicherheit erhöht werden. The development of new lighting devices, for example for motor vehicles, Ships or planes are currently heading towards the use of infrared Light sources. Infrared light penetrates fog much better, so that with Infrared viewer and infrared headlights equipped motor vehicle, ship or plane too can be controlled much more safely in fog than with the usual equipment. Passive infrared sensors and infrared camera systems are now used in the Automotive area used to avoid collisions with humans and animals on the road. Security would be increased by additional infrared lighting.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laservorrichtung der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Betreiben eines Quantenkaskadenlasers anzugeben, bei dem die mittlere spektrale Leistungsdichte gegenüber bisherigen Vorrichtungen und Verfahren erhöht ist. Weiterhin soll eine schnellere und empfindlichere Gasmessvorrichtung angegeben werden. Außerdem soll eine Beleuchtungsvorrichtung, die die Sicht bei schlechten Witterungsbedingungen, wie z. B. Nebel erhöht angegeben werden. The invention is therefore based on the object of a laser device at the outset mentioned type and a method for operating a quantum cascade laser specify the average spectral power density compared to previous Devices and methods is increased. Furthermore, a faster and more sensitive Gas measuring device can be specified. In addition, a lighting device, the view in bad weather conditions, such as. B. Fog increased become.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Laservorrichtung erfindungsgemäß durch eine Laservorrichtung mit einem Quantenkaskadenlaser mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. This object is achieved according to the invention by a Laser device with a quantum cascade laser with the features of claim 1 solved.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Quantenkaskadenlasers mit den Merkmalen des Anspruches 18 gelöst. With regard to the method, the object is achieved according to the invention by a method for Operating a quantum cascade laser with the features of claim 18 solved.
Bezüglich der Gasmessvorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, durch eine Gasmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 21. With regard to the gas measuring device, the object is achieved according to the invention by a gas measuring device with the features of claim 21.
Die Aufgabe wird bezüglich der Beleuchtungsvorrichtung erfindungsgemäß durch eine Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 25 gelöst. The object is achieved according to the invention by a Lighting device with the features of claim 25 solved.
Eine erfindungsgemäße Laservorrichtung mit einem Quantenkaskadenlaser und einem Pulserzeuger zum gepulsten Betreiben des Quantenkaskadenlasers ist dadurch gekennzeichnet, dass durch den Pulserzeuger der Quantenkaskadenlaser mit Pulsfolgen aus schnellen Pulsen im Bereich von 1 ns bis 200 ns und Pulsfolgefrequenzen im Bereich von 1 Hz bis 100 kHz betreibbar ist und mit dem Quantenkaskadenlaser eine Wärmeabführeinrichtung, die die Wärme passiv ableitet, verbunden ist. A laser device according to the invention with a quantum cascade laser and a This creates a pulse generator for pulsed operation of the quantum cascade laser characterized in that the pulse generator of the quantum cascade laser with pulse trains from fast pulses in the range from 1 ns to 200 ns and pulse repetition frequencies in Range is operable from 1 Hz to 100 kHz and with the quantum cascade laser Heat dissipation device that passively dissipates the heat is connected.
Eine derartige Laservorrichtung ist kostengünstig und weist eine kompakte Bauweise auf. Deshalb kann sie in eine Gasmessvorrichtung oder eine Beleuchtungsvorrichtung eingebaut werden. Als QCL werden vorzugsweise Fabry-Perot-Laser oder Ridge-Laser ohne modenselektive Strukturierung verwendet. Such a laser device is inexpensive and has a compact design on. Therefore, it can be used in a gas measuring device or a lighting device to be built in. Fabry-Perot lasers or ridge lasers are preferred as QCL used without mode-selective structuring.
Mit einer derartigen Laservorrichtung können um ein Vielfaches höhere mittlere spektrale Leistungsdichten als mit verfügbaren IR-LEDs erreicht werden. Mit diesen hohen spektralen Leistungsdichten sind somit schnellere und empfindlichere Infrarotmessgeräte möglich. Hierbei kann die bessere Kollimierbarkeit gegenüber thermischen Emittern ausgenutzt werden. With a laser device of this type, the average can be many times higher spectral power densities than can be achieved with available IR LEDs. With these high spectral power densities are thus faster and more sensitive Infrared measuring devices possible. This can improve collimability compared to thermal emitters be exploited.
Die Modulierbarkeit in der Leistung ist ohne Probleme über den Betriebsstrom möglich und besser als bei thermischen Emittern. Weiterhin kann eine derartige Laservorrichtung in eine bestehende Anordnung z. B. einen Scheinwerfer eingebaut und aus dem 12 V/24 V-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges betrieben werden. The power can be modulated without problems using the operating current and better than thermal emitters. Furthermore, such a laser device in an existing arrangement z. B. installed a headlight and from the 12 V / 24 V electrical system of a motor vehicle are operated.
Von Vorteil kann es sein, wenn die Frequenz variabel ist. Auf diese Weise kann die Frequenz gemäß der jeweiligen Anforderung gewählt werden. It can be an advantage if the frequency is variable. In this way, the Frequency can be selected according to the respective requirement.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Pulshöhe und/oder Pulsdauer eines Einzelpulses und/oder die Pulsabstände von Einzelpulsen im Verlauf des Pulspaketes und/oder in verschiedenen Pulspaketen variiert werden kann. Dadurch ist eine gute Anpassung an verschiedene Arbeitsvorgänge möglich. Furthermore, it is advantageous if the pulse height and / or pulse duration of an individual pulse and / or the pulse intervals of individual pulses in the course of the pulse packet and / or in different pulse packets can be varied. This makes for a good match different operations possible.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung kann sich der Quantenkaskadenlaser in einem vorzugsweise genormten, standardmäßigen Gehäuse mit zumindest einem für die Laserstrahlung durchlässigen Wandabschnitt befinden. Dieser Wandabschnitt kann beispielsweise aus einem teilweise IR(Infrarot)-durchlässigen Polymer (z. B. Polyethylen) gebildet sein. Dadurch ist eine kompakte Bauweise gegeben und die Laservorrichtung kann auch in andere Vorrichtungen leicht eingebaut werden, wodurch die Kosten gesenkt werden. In an advantageous further development of the invention, the Quantum cascade laser in a preferably standardized, standard housing with at least a wall section permeable to the laser radiation. This Wall section can for example be made of a partially IR (infrared) transparent polymer (e.g. polyethylene). This gives a compact design and the Laser device can also be easily built into other devices, thereby the costs are reduced.
Von Vorteil kann es sein, wenn das Gehäuse mit einem Gas, wie z. B. Stickstoff oder Argon gefüllt und versiegelt ist. Dadurch wird der Quantenkaskadenlaser, bzw. die Aufbautechnik (Lötverbindungen etc.) geschützt, die empfindlich auf oxidierende Gase reagieren kann. It may be advantageous if the housing with a gas, such as. B. nitrogen or Argon filled and sealed. This turns the quantum cascade laser, or the Construction technology (solder connections etc.) protected, which is sensitive to oxidizing gases can react.
Günstig kann es sein, wenn der für die Laserstrahlung durchlässige Wandabschnitt eine Fresnel-Linse aufweist. Dadurch kann die Strahlung je nach Anwendung geformt werden. Diese Fresnel-Linse kann beispielsweise durch Heißpressen aus einem Kunststoffmaterial (z. B. Polyethylen) gebildet sein. It can be favorable if the wall section that is transparent to the laser radiation has a Has Fresnel lens. This allows the radiation to be shaped depending on the application become. This Fresnel lens can be made, for example, by hot pressing Plastic material (e.g. polyethylene) may be formed.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Fresnel-Linse segmentiert ist, da sie dann zur Lichtstreuung, z. B. in einem Scheinwerfer, geeignet ist. It can be advantageous if the Fresnel lens is segmented, since it is then used for Light scattering, e.g. B. in a headlight, is suitable.
Von Vorteil kann es auch sein, wenn sich die Wärmeabführeinrichtung im Gehäuse befindet, da dadurch eine effektive Wärmeabführung und eine kompakte Bauweise gegeben ist. It can also be advantageous if the heat dissipation device is in the housing because it provides effective heat dissipation and a compact design given is.
Weiterhin kann es günstig sein, wenn die Wärmeabführeinrichtung als passive Kühleinrichtung ausgebildet ist, da dadurch die Kosten gesenkt werden. Furthermore, it can be advantageous if the heat dissipation device is passive Cooling device is formed, as this reduces costs.
Weiterhin kann es günstig sein, wenn die Strahlung in eine Infrarotlichtleiterfaser gekoppelt wird. Dadurch ist eine Umleitung der Strahlung möglich. Furthermore, it can be advantageous if the radiation is in an infrared light guide fiber is coupled. This enables the radiation to be diverted.
Zudem kann es günstig sein, wenn der Abstand zwischen dem Quantenkaskadenlaser und der Linse veränderbar ist. Dadurch können verschiedene Möglichkeiten der Beleuchtung realisiert werden. Diese Abstandsveränderung kann beispielsweise durch eine im Gehäuse integrierte elektromagnetische Einrichtung, wie z. B. einer Topfspule oder einem Piezoversteller, erreicht werden. It can also be beneficial if the distance between the quantum cascade lasers and the lens is changeable. This allows different possibilities of Lighting can be realized. This change in distance can, for example, by an electromagnetic device integrated in the housing, such as, for. B. a pot coil or a piezo adjuster.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Quantenkaskadenlasers wird der Quantenkaskadenlaser mit Pulszügen aus einzelnen sehr kurzen Pulsen im Bereich von 1 ns bis 200 ns betrieben. Die Pulszüge werden mit Frequenzen im 1 Hz bis 100 kHz-Bereich ein- und ausgeschaltet. Dadurch entsteht die Wirkung einer breitbandigen, inkohärenten LED-ähnlichen Lichtquelle. In the method according to the invention for operating a quantum cascade laser is the quantum cascade laser with pulse trains from individual very short pulses in the Range operated from 1 ns to 200 ns. The pulse trains are with frequencies in the 1 Hz to 100 kHz range switched on and off. This creates the effect of a broadband, incoherent LED-like light source.
Von Vorteil kann es sein, wenn zur Erzeugung der Pulszüge eine Spannungsversorgung mit einer DC/DC-Wandlung verwendet wird. Dadurch ist ein universeller Einsatz der Laservorrichtung, z. B. in Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen möglich. Dabei kann z. B. die Spannungsversorgung aus einem 12 V- oder einem 24 V-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. It can be advantageous if a voltage supply is used to generate the pulse trains is used with a DC / DC conversion. This means that the Laser device, e.g. B. possible in motor vehicles or aircraft. Here, for. B. the Power supply from a 12 V or a 24 V vehicle electrical system of a motor vehicle be used.
Eine erfindungsgemäße Gasmessvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erfindungsgemäße Laservorrichtung aufweist. Mit einer derartigen Gasmessvorrichtung ist eine schnellere und empfindlichere Infrarotmessung als mit üblichen NDIR-Techniken möglich. A gas measuring device according to the invention is characterized in that it has a has laser device according to the invention. With such a gas measuring device is a faster and more sensitive infrared measurement than with conventional NDIR techniques possible.
Zudem kann es günstig sein, wenn die Gasmessvorrichtung zum Nachweis der Strahlung einen kostengünstigen thermischen Detektor aufweist, z. B. Thermopile, Pyrodetektor, Mikrobolometer oder fotoakustischen Detektor. In addition, it can be advantageous if the gas measuring device for detecting the Radiation has an inexpensive thermal detector, e.g. B. Thermopile, Pyrodetector, microbolometer or photoacoustic detector.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Quantenkaskadenlaser und die Detektionseinheit auf einem gemeinsamen Substrat befestigt sind, da dadurch der Platzbedarf und auch die Kosten verringert werden. Beispielsweise können dadurch Optikkomponenten eingespart werden. It can be advantageous if the quantum cascade laser and the detection unit are on are attached to a common substrate, as this requires space and also Costs are reduced. For example, optical components can thereby be saved.
Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung weist eine Laservorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17 auf. Mit einer derartigen Beleuchtungsvorrichtung ist eine gute Szenenbeleuchtung möglich. A lighting device according to the invention detects a laser device at least one of claims 1 to 17. With such a lighting device good scene lighting is possible.
Es kann günstig sein, wenn eine weitere, von der Laservorrichtung verschiedene Beleuchtungseinrichtung, vorgesehen ist. Dadurch ist ein unabhängiger Betrieb möglich. It may be beneficial if another, different from the laser device Lighting device is provided. This enables independent operation.
Von Vorteil kann es auch sein, wenn Teile des Scheinwerfers für sichtbares und infrarotes Licht verwendbar sind. Dadurch werden Bauteile eingespart und die Kosten weiter gesenkt. It can also be advantageous if parts of the headlight are visible and infrared light can be used. This saves components and the costs further lowered.
Ein Verfahren zur Detektion von Licht aus einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28 ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion ein Infrarotempfängersystem verwendet wird. Dadurch ist eine Weiterverarbeitung des von der Beleuchtungsvorrichtung ausgesandten Infrarotlichts möglich. A method for detecting light from an illumination device according to a of claims 25 to 28 is characterized in that for detection Infrared receiver system is used. This is a further processing of the Illumination device emitted infrared light possible.
Von Vorteil kann es auch sein, wenn das Infrarotempfängersystem ein Wärmebildgerät aufweist, da dadurch ein Abbild des von der Beleuchtungsvorrichtung beleuchteten Bereichs gezeigt wird. Das Infrarotempfängersystem kann aber auch aus diskreten unabhängigen Infrarotsensoren bestehen. It can also be advantageous if the infrared receiver system is a thermal imaging device has, since thereby an image of the illuminated by the lighting device Area is shown. The infrared receiver system can also consist of discrete independent infrared sensors exist.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Advantageous further developments are the subject of the respective subclaims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. The invention is described below with the aid of an exemplary embodiment and associated Drawings explained in more detail.
Diese zeigen: These show:
Fig. 1 einen Quantenkaskadenlaser in einem Gehäuse; Figure 1 shows a quantum cascade laser in a housing.
Fig. 2 die Ansteuerung einer Quantenkaskadenlaser-LED; FIG. 2 shows the control of a quantum cascade laser LED;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem Quantenkaskadenlaser und einer herkömmlichen Beleuchtungsvorrichtung; Fig. 3 is a schematic illustration of an illumination device with a quantum cascade laser and a conventional lighting device;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Laservorrichtung für Messungen über große Distanzen; Figure 4 is a schematic illustration of the laser apparatus for measurements over long distances.
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Laservorrichtung für kurze Messstrecken und große Detektoren; FIG. 5 shows a schematic illustration of the laser device for short measuring distances and large detectors; FIG.
Fig. 6 einen schematischen Aufbau eines Messsystems mit gepulstem Quantenkaskadenlaser, einer Gasküvette und einem Detektor; Fig. 6 is a schematic structure of a measurement system with pulsed quantum cascade laser, a gas cell and a detector;
Fig. 7 eine Darstellung der Pulspakete. Fig. 7 shows the pulse packets.
Eine Laservorrichtung mit einem gepulsten Quantenkaskadenlaser 7, wie sie z. B. in einer Gasmessvorrichtung 15 oder einer Beleuchtungsvorrichtung 16 verwendet werden kann, wird anhand von Fig. 1 näher erläutert. Bei der Laservorrichtung handelt es sich um eine Quantenkaskadenlaser-LED 1 gemäß Anspruch 1. A laser device with a pulsed quantum cascade laser 7 , as z. B. can be used in a gas measuring device 15 or an illumination device 16 is explained in more detail with reference to FIG. 1. The laser device is a quantum cascade laser LED 1 according to claim 1.
Die Laservorrichtung weist einen Quantenkaskadenlaser 7 auf, der mit Pulspaketen, die mit Frequenzen im Bereich von 1 Hz bis 100 kHz geschaltet werden, betreibbar ist. Da der Quantenkaskadenlaser 7 keine spezielle Kühlung benötigt, kann er über eine Wärmeabführeinrichtung 8, z. B. einer passiven Wärmesenke, mittels einer Befestigungseinrichtung 20 an ein Gehäuse 4 gekoppelt werden, welches dann z. B. über eine Luftkühlung gekühlt wird. Die Befestigung erfolgt an der Gehäuserückseite 23. Der Quantenkaskadenlaser 7, die Wärmeabführeinrichtung 8 und die Befestigungseinrichtung 20 befinden sich im Gehäuse 4. Das Gehäuse 4 ist üblicherweise ein genormtes, standardmäßiges Gehäuse. Als Quantenkaskadenlaser werden vorzugsweise Fabry-Perot- Laser oder Ridge-Laser ohne modenselektive Strukturierung verwendet. The laser device has a quantum cascade laser 7 which can be operated with pulse packets which are switched at frequencies in the range from 1 Hz to 100 kHz. Since the quantum cascade laser 7 requires no special cooling, it can be via a heat dissipation device 8 , for. B. a passive heat sink, by means of a fastening device 20 to a housing 4 , which then z. B. is cooled by air cooling. It is attached to the rear of the housing 23 . The quantum cascade laser 7 , the heat dissipation device 8 and the fastening device 20 are located in the housing 4 . The housing 4 is usually a standardized, standard housing. Fabry-Perot lasers or ridge lasers without mode-selective structuring are preferably used as quantum cascade lasers.
Die Gehäusevorderseite 22 weist einen für die Laserstrahlung durchlässigen Wandabschnitt 6 auf, der in einer strahlungsseitigen Gehäuseöffnung 18 angebracht ist. Der Wandabschnitt 6 kann z. B. aus einem teilweise IR-durchlässigen Polymer, wie z. B. Polyethylen gebildet sein. The housing front side 22 has a wall section 6 which is transparent to the laser radiation and which is arranged in a housing opening 18 on the radiation side. The wall section 6 can, for. B. from a partially IR-permeable polymer, such as. B. polyethylene.
Da der Quantenkaskadenlaser 7 bzw. die Aufbautechnik (Lötverbindungen etc.) empfindlich auf oxidierende Gase reagieren kann, wird das Gehäuse 4 beispielsweise mit trockenem Stickstoff 5 oder einem anderen Gas 5, z. B. Argon, gefüllt und versiegelt. Since the quantum cascade laser 7 or the construction technique (solder connections etc.) can react sensitively to oxidizing gases, the housing 4 is, for example, with dry nitrogen 5 or another gas 5 , z. B. argon, filled and sealed.
Zur Strahlformung ist in die strahlungsseitige Gehäuseöffnung 18 auf der Gehäusevorderseite 22 eine Linse 6, vorzugsweise eine Fresnel-Linse 6, eingesetzt. Durch eine segmentierte Gestaltung der Fresnel-Linse 6 kann ein "Lichtfächer" wie bei Fahrzeugscheinwerfern realisiert werden. Die Fresnel-Linse 6 kann beispielsweise durch Heißpressen aus einem Kunststoffmaterial, wie z. B. Polyethylen, gebildet sein. A lens 6 , preferably a Fresnel lens 6 , is inserted into the radiation-side housing opening 18 on the housing front side 22 for beam shaping. A segmented design of the Fresnel lens 6 can be used to implement a “light fan” as in vehicle headlights. The Fresnel lens 6 can for example by hot pressing from a plastic material, such as. B. polyethylene.
An der Gehäuserückseite 23 sind mehrere Gehäusedurchführungen 17 angebracht. Durch die Gehäusedurchführung 2 wird ein negativer Kontakt 21 in das Gehäuse 4 eingebracht und mit dem Quantenkaskadenlaser 7 verbunden. Durch die Gehäusedurchführung 3 wird ein positiver Kontakt über die Wärmeabführeinrichtung 8 und den Halter 2 in das Gehäuse 4 eingebracht. Durch die übrigen Gehäusedurchführungen 17 können bei Bedarf weitere Kontakte, z. B. Temperaturfühler, in das Gehäuse eingebracht oder das Gas 5 ausgetauscht werden. Weiterhin sind Durchführungen 17 für eine aktive Wärmeabführeinrichtung, wie z. B. einen Peltierkühler oder für eine Abstandsregelung zwischen Quantenkaskadenlaser 7 und der dem Quantenkaskadenlaser 7 zugewandten Seite 19 der Fresnel-Linsen, wie z. B. ein Piezoversteller, vorgesehen. A plurality of housing bushings 17 are attached to the rear of the housing 23 . A negative contact 21 is introduced into the housing 4 through the housing bushing 2 and connected to the quantum cascade laser 7 . A positive contact is introduced into the housing 4 through the housing bushing 3 via the heat dissipation device 8 and the holder 2 . Through the remaining housing bushings 17 , further contacts, for. B. temperature sensor, introduced into the housing or the gas 5 can be exchanged. Furthermore, bushings 17 for an active heat dissipation device, such as. B. a Peltier cooler or for a distance control between quantum cascade laser 7 and the quantum cascade laser 7 facing side 19 of the Fresnel lenses, such as. B. a piezo adjuster is provided.
In Fig. 2 ist die Ansteuerung der Quantenkaskadenlaser-LED 1 dargestellt. Von einem Pulserzeuger 9 werden zum Betreiben der Quantenkaskadenlaser-LED 1 Pulszüge aus einzelnen Pulsen im Bereich von 1 ns bis 200 ns ausgesendet. Die schnellen Pulsfolgen werden mit einer Frequenz im 1 Hz bis 100 kHz-Bereich ein- und ausgetastet, so dass sich die Quantenkaskadenlaser-LED 1 wie eine strommodulierte LED verhält. Das Tastverhältnis zwischen den schnellen Pulsfolgen und den Auszeiten wird so gewählt, dass der Quantenkaskadenlaser 7 thermisch während der Auszeit wieder auf den Anfangstemperaturwert relaxiert. In FIG. 2, the control of the quantum cascade laser LED 1 is shown. To operate the quantum cascade laser LED 1, pulse trains from individual pulses in the range from 1 ns to 200 ns are emitted by a pulse generator 9 . The fast pulse sequences are keyed in and out at a frequency in the 1 Hz to 100 kHz range, so that the quantum cascade laser LED 1 behaves like a current-modulated LED. The pulse duty factor between the fast pulse sequences and the time-outs is chosen so that the quantum cascade laser 7 relaxes thermally again to the initial temperature value during the time-out.
Zwischen dem Pulserzeuger 9 und der Quantenkaskaden-LED 1 befindet sich ein Leistungsschalter 10, mit dem die Weiterleitung der Pulszüge vom Pulserzeuger 9 zur Quantenkaskadenlaser-LED 1 ein-/ausgeschaltet oder gesteuert werden kann. Between the pulse generator 9 and the quantum cascade LED 1 there is a circuit breaker 10 with which the forwarding of the pulse trains from the pulse generator 9 to the quantum cascade laser LED 1 can be switched on / off or controlled.
Die Verwendung einer nicht dargestellte Spannungsversorgung mit einer DC/DC- Wandlung zur Erzeugung der Pulszüge ist günstig, da dadurch die Quantenkaskadenlaser-LED 1 universell einsetzbar ist. The use of a voltage supply (not shown) with a DC / DC conversion for generating the pulse trains is favorable since the quantum cascade laser LED 1 can be used universally.
Dadurch, dass ein 12-Volt oder ein 24-Volt Bordnetz für die Spannungsversorgung verwendet werden kann, ist ein Einsatz z. B. in einem Kraftfahrzeug möglich. The fact that a 12-volt or a 24-volt electrical system for the power supply can be used is an insert z. B. possible in a motor vehicle.
In Fig. 3 ist ein Schweinwerfer 16 mit einem Quantenkaskadenlaser-LED 1 und einer herkömmlichen Beleuchtungseinrichtung 33 schematisch dargestellt. In Fig. 3, a headlamp 16 with a quantum cascade laser LED 1 and a conventional lighting device 33 is shown schematically.
In einem Scheinwerfergehäuse 34 befinden sich eine Quantenkaskadenlaser-LED 1 und eine weitere von der Quantenkaskadenlaser-LED 1 verschiedene Beleuchtungseinrichtung 33. Dies kann beispielsweise ein Glühemissionsleuchtkörper, eine Halogenlampe oder eine Gasentladungslampe sein. A headlight housing 34 contains a quantum cascade laser LED 1 and a further lighting device 33 that differs from the quantum cascade laser LED 1 . This can be, for example, an incandescent lamp, a halogen lamp or a gas discharge lamp.
Die beiden Beleuchtungsvorrichtungen 1 und 33 sind hinter einer gemeinsamen Scheinwerferabdeckung 35 angebracht. The two lighting devices 1 and 33 are mounted behind a common headlight cover 35 .
Für die Szenenbeleuchtung kann der Abstand d des Quantenkaskadenlasers 7 von der dem Quantenkaskadenlaser zugewandten Seite 19 der Fresnel-Linse 6 kleiner gewählt werden als die Linsenbrennweite, wodurch ein divergenter Strahl 11 erzeugt wird. Durch segmentierte Gestaltung der Fresnel-Linse 6 kann ein "Lichtfächer" wie bei Fahrzeugscheinwerfern realisiert werden. Dadurch, dass Teile des Scheinwerfers 16 wie z. B. ein nicht dargestellter Reflektor oder die Schweinwerferabdeckung 35 sowohl für sichtbares als auch für infrarotes Licht verwendbar sind, kann ein derartiger Scheinwerfer 16 leicht und kostengünstig hergestellt werden. For scene lighting, the distance d of the quantum cascade laser 7 from the side 19 of the Fresnel lens 6 facing the quantum cascade laser can be selected to be smaller than the lens focal length, as a result of which a divergent beam 11 is generated. A segmented design of the Fresnel lens 6 can be used to implement a “light fan” as in vehicle headlights. The fact that parts of the headlamp 16 such. B. a reflector, not shown, or the headlight cover 35 can be used for both visible and infrared light, such a headlight 16 can be produced easily and inexpensively.
Für die Detektion von Infrarotlicht, das z. B. von einer Beleuchtungsvorrichtung, wie in Fig. 3 beschrieben, ausgesendet wird, kann ein Infrarotempfängersystem verwendet werden, das z. B. ein Wärmebildgerät aufweist. Weiterhin sind auch Infrarotdetektoren 14 auf der Basis von Thermopiles, Bolometern oder Pyrodetektoren sowie ein phasensynchrones Detektionsverfahren denkbar. Das Infrarotempfängersystem kann aber auch aus diskreten unabhängigen Infrarotsensoren bestehen. Mit einem solchen System kann z. B. bei Nebel die Sicht eines Kraftfahrzeugführers wesentlich verbessert werden. Ein derartiges System trägt somit wesentlich zur Erhöhung der Sicherheit bei. For the detection of infrared light, e.g. B. from a lighting device, as described in Fig. 3, an infrared receiver system can be used, for. B. has a thermal imaging device. Infrared detectors 14 based on thermopiles, bolometers or pyrodetectors and a phase-synchronous detection method are also conceivable. The infrared receiver system can also consist of discrete independent infrared sensors. With such a system, e.g. B. in fog, the visibility of a driver can be significantly improved. Such a system thus contributes significantly to increasing security.
Durch die Änderung des Abstandes d zwischen dem Quantenkaskadenlaser 7 und der dem Quantenkaskadenlaser zugewandten Seite 19 der Linse 6 kann die Form des Strahls 11 verändert werden. Die Änderung des Abstandes d kann z. B. durch eine Veränderung der Größe der Wärmeabführeinrichtung 8 vorgenommen werden. Die Änderung des Abstandes d kann beispielsweise auch durch einen Piezoversteller oder eine im Gehäuse integrierte elektromagnetische Einrichtung (Topfspule) erreicht werden. The shape of the beam 11 can be changed by changing the distance d between the quantum cascade laser 7 and the side 19 of the lens 6 facing the quantum cascade laser. The change in the distance d can, for. B. be made by changing the size of the heat dissipation device 8 . The change in the distance d can also be achieved, for example, by a piezo adjuster or an electromagnetic device (pot coil) integrated in the housing.
In Fig. 4 ist eine Quantenkaskadenlaser-LED 1 für Messungen über große Distanzen schematisch dargestellt. Um über große Distanzen messen zu können, muss der Strahl 11 kollimiert werden. Hierfür wird der Abstand d des Quantenkaskadenlasers 7 von der Fresnel-Linse 6 gleich der Linsenbrennweite gewählt. In FIG. 4 is a quantum cascade laser LED is shown schematically for measurements over great distances. 1 In order to be able to measure over large distances, the beam 11 must be collimated. For this purpose, the distance d of the quantum cascade laser 7 from the Fresnel lens 6 is selected to be equal to the lens focal length.
In Fig. 5 ist eine Quantenkaskadenlaser-LED 1 für eine direkte Abbildung des Strahls 11 auf einen großflächigen, nicht gezeigten Detektor dargestellt. Für kurze Messstrecken und große Detektoren (z. B. Pyrodetektoren) kann der Strahl 11 direkt durch die Fresnel-Linse 6 wieder auf einem Fokus 12 fokussiert werden, indem der Abstand d des Quantenkaskadenlasers 7 von der dem Quantenkaskadenlaser zugewandten Seite 19 der Fresnel-Linse 6 größer als die Linsenbrennweite gewählt wird. In Fig. 5 is a quantum cascade laser LED is shown 1 is a direct illustration of the beam 11 to a large-area detector, not shown. For short measuring distances and large detectors (e.g. pyrodetectors), the beam 11 can be focused again directly on the focus 12 by the Fresnel lens 6 by the distance d of the quantum cascade laser 7 from the side 19 of the Fresnel lens facing the quantum cascade laser 6 is chosen larger than the focal length of the lens.
In Fig. 6 ist der schematische Aufbau einer Gasmessvorrichtung 15 mit einer Quantenkaskadenlaser-LED 1, einer Gasküvette 13 und einem Detektor 14 dargestellt. Die Gasküvette 13 weist ein Gasküvettengehäuse 24, eine Seitenwand für Lichteintritt 25, durch die der vom Quantenkaskadenlaser 7 emittierte Strahl 11 in den Gasküvetteninnenraum 27 eintreten kann und eine Seitenwand für Lichtaustritt 26 auf, durch die der Strahl 11 wieder aus dem Gasküvetteninnenraum 27 austreten kann. Der Gasküvetteninnenraum 27 ist mit Gas gefüllt. Alternativ kann der Gasküvetteninnenraum 27 auch mit einer Flüssigkeit gefüllt werden. Dann kann die Gasmessvorrichtung 15 auch als Flüssigkeitsmessvorrichtung verwendet werden. In FIG. 6, the schematic configuration of a gas measuring device 15 with a quantum cascade laser LED 1, a gas cell 13 and detector 14 is illustrated. The gas cuvette 13 has a gas cuvette housing 24 , a side wall for light entry 25 , through which the beam 11 emitted by the quantum cascade laser 7 can enter the gas cuvette interior 27 , and a side wall for light exit 26 , through which the beam 11 can exit the gas cuvette interior 27 again. The gas cell interior 27 is filled with gas. Alternatively, the gas cell interior 27 can also be filled with a liquid. Then the gas measuring device 15 can also be used as a liquid measuring device.
Der Detektor 14 weist ein Detektorgehäuse 28 und einen Sensor 29, der mittels eines Sensorhalters 30 an der Detektorrückseite 36 angebracht ist, auf. Der Sensor 29 und der Sensorhalter 30 befinden sich im Detektorgehäuse 28. Das Detektorgehäuse 28 weist eine Strahlungseintrittsöffnung 31 auf der Detektorvorderseite 37 auf, durch die der Strahl 11 in den Detektor 14 eintreten kann. An der Detektorrückseite 36 sind Gehäusedurchführungen 32 angeordnet, durch die z. B. nicht dargestellte Leitungen in das Detektorgehäuse 28 eingebracht werden können. The detector 14 has a detector housing 28 and a sensor 29 , which is attached to the rear of the detector 36 by means of a sensor holder 30 . The sensor 29 and the sensor holder 30 are located in the detector housing 28 . The detector housing 28 has a radiation entry opening 31 on the front side 37 of the detector, through which the beam 11 can enter the detector 14 . On the back of the detector 36 housing bushings 32 are arranged through which z. B. lines, not shown, can be introduced into the detector housing 28 .
Es ist denkbar, dass die Gasmessvorrichtung 15 zum Nachweis der Strahlung 11 einen thermischen Detektor 14 aufweist. Derartige Detektoren 14 sind günstig und gut für die Detektion von Infrarotlicht geeignet. It is conceivable that the gas measuring device 15 has a thermal detector 14 for detecting the radiation 11 . Such detectors 14 are inexpensive and well suited for the detection of infrared light.
Außerdem ist denkbar, dass der Quantenkaskadenlaser 7 und die Detektoreinheit 14 auf einem gemeinsamen Substrat befestigt sind. Dadurch kann eine kompakte Bauform der Gasmessvorrichtung 15 erreicht und Optikkomponenten können eingespart werden. Insbesondere bei einer Gasmessvorrichtung 15 kann es von Vorteil sein, wenn die vom Quantenkaskadenlaser 7 ausgehende Strahlung 11 in eine nicht dargestellte Infrarotlichtleiterfaser gekoppelt wird. Dadurch kann die Strahlung 11 des Quantenkaskadenlasers 7 umgeleitet werden und die Anordnung der Gasküvette 13 nach den jeweiligen Erfordernissen der Messung vorgenommen werden. It is also conceivable that the quantum cascade laser 7 and the detector unit 14 are attached to a common substrate. A compact design of the gas measuring device 15 can thereby be achieved and optical components can be saved. In particular in the case of a gas measuring device 15 , it can be advantageous if the radiation 11 emanating from the quantum cascade laser 7 is coupled into an infrared optical fiber, not shown. As a result, the radiation 11 of the quantum cascade laser 7 can be redirected and the arrangement of the gas cuvette 13 can be carried out according to the respective measurement requirements.
In Fig. 7 sind die Pulspakete 38 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die Schaltfrequenz 1/Zeit muss nicht notwendigerweise konstant sein. Für Beleuchtungszwecke, z. B. bei Fahrzeugen, kann es vorteilhaft sein, einen "Schlaf"-Modus mit relativ kleiner Schaltfrequenz, z. B. 10 Hz, zu haben. Bei Beobachtung eines interessanten Objektes mit einer IR-Kamera, kann die Schaltfrequenz erhöht werden, um eine bessere Erfassung von bewegten Objekten zu gewährleisten oder um eine hellere Beleuchtung zu erreichen. In Fig. 7, the pulse packets are shown as a function of time 38th The switching frequency 1 / time does not necessarily have to be constant. For lighting purposes, e.g. B. in vehicles, it may be advantageous to a "sleep" mode with a relatively low switching frequency, for. B. 10 Hz. When observing an interesting object with an IR camera, the switching frequency can be increased to ensure better detection of moving objects or to achieve brighter lighting.
Auch bei der Gassensorik kann es vorteilhaft sein, wenn die Schaltfrequenz nicht konstant ist. Bei einer geringen Gaskonzentration kann eine relativ kleine Schaltfrequenz ausreichen. Bei einem plötzlichen Anstieg der Gaskonzentration über eine bestimmte Schwelle kann die Schaltfrequenz erhöht werden, um eine rasche Erfassung der erhöhten Gaskonzentration zu gewährleisten. It can also be advantageous for gas sensors if the switching frequency is not is constant. With a low gas concentration, a relatively low switching frequency suffice. When the gas concentration suddenly rises above a certain level The switching frequency can be increased in order to quickly detect the threshold to ensure increased gas concentration.
Ebenso muss die in Fig. 7 gezeigte Pulshöhe eines Einzelpulses 39 nicht konstant bleiben, sondern kann im Verlauf des Pulspaketes 38 oder auch von Pulspaket 38 zu Pulspaket 38 variiert werden. Dies gilt ebenso für die Pulsdauer und die Abstände von Einzelpulsen. Dadurch ist eine gute Anpassung an verschiedene Anwendungsfälle möglich. In Fig. 7 ist das Laseransteuerungssignal, z. B. Betriebsspannung am Laser (Volt) oder Betriebsstrom (Ampere), auf der Ordinate angetragen. Likewise, the pulse height of an individual pulse 39 shown in FIG. 7 does not have to remain constant, but can be varied in the course of the pulse packet 38 or also from pulse packet 38 to pulse packet 38 . This also applies to the pulse duration and the spacing of individual pulses. This enables a good adaptation to different applications. In Fig. 7 the laser drive signal, e.g. B. Operating voltage on the laser (volt) or operating current (ampere), plotted on the ordinate.
Mit der Quantenkaskadenlaser-LED 1 können mittlere spektrale Leistungsdichten von > 1 mW/(mm2.sr.µm) erreicht werden. Dies ist um ein Vielfaches höher als mit verfügbaren IR-LEDs, die zudem nur in einem Wellenlängenbereich von 3 bis 5 µm zur Verfügung stehen. Dies ist auch um ein Vielfaches höher als mit thermischen Emittern erreicht werden kann. With the quantum cascade laser LED 1 , average spectral power densities of> 1 mW / (mm 2 .sr.µm) can be achieved. This is many times higher than with available IR LEDs, which are also only available in a wavelength range of 3 to 5 µm. This is also many times higher than can be achieved with thermal emitters.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass Gasmessvorrichtungen 15 mit deutlich besseren Eigenschaften als bisher realisiert werden können. Dies gilt ebenso für Flüssigkeitsmessvorrichtungen. Weiter wird der Aufwand für die Ansteuer- und Nachweiselektronik gegenüber den laserspektroskopischen Messsystemen reduziert, so dass sich deutliche Kostenvorteile ergeben. Damit können laserbasierte Systeme erstmals auch mit nicht dispersiven Infrarotmessgeräten preislich konkurrieren, ohne wichtige Vorteile der Lasermesstechnik aufzugeben. Another advantage of the invention is that gas measuring devices 15 can be implemented with significantly better properties than previously. This also applies to liquid measuring devices. Furthermore, the effort for the control and detection electronics compared to the laser spectroscopic measuring systems is reduced, so that there are significant cost advantages. For the first time, laser-based systems can also compete in price with non-dispersive infrared measuring devices without giving up important advantages of laser measurement technology.
Mit diesen hohen spektralen Leistungsdichten sind somit schnellere und empfindlichere Infrarotmessgeräte mit kompakten, aber spezifischen und hochempfindlichen Sensoren, die in der Produktions- und Prozessmesstechnik, im Automobilbereich, in der Sicherheitstechnik und in der Klima- und Umweltsensorik eingesetzt werden können, möglich. Hierbei kann auch die bessere Kollimierbarkeit gegenüber thermischen Emittern ausgenutzt werden. With these high spectral power densities, they are faster and more sensitive Infrared measuring devices with compact but specific and highly sensitive sensors, those in production and process measurement technology, in the automotive sector, in the Safety technology and can be used in climate and environmental sensors. This can also improve collimability compared to thermal emitters be exploited.
Die erfindungsgemäße Quantenkaskadenlaser-LED 1 kann auch zur Szenenbeleuchtung im Infraroten eingesetzt werden. Infrarotes Licht im Spektralbereich zwischen 8 und 12 µm durchdringt Nebel deutlich besser, so dass ein mit Infrarotsichtgerät und Infrarotscheinwerfer ausgerüstetes Kraftfahrzeug, Schiff oder Flugzeug auch im Nebel deutlich sicherer gesteuert werden kann, als mit der üblichen Ausstattung. Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 16 liefert eine zusätzliche Sicherheit gegenüber bisherigen passiven Infrarotsensoren. Eine zusätzliche Infrarotbeleuchtung erhöht die Erkennungssicherheit von Menschen und Tieren auf der Fahrbahn und hat eine Reduzierung von Fehlfunktionen zur Folge. Beim stationären Einsatz kann die Funktion von Infrarotmeldern, wie z. B. von Bewegungsmeldern, beim Objektschutz durch eine zusätzliche Infrarotbeleuchtung verbessert werden. The quantum cascade laser LED 1 according to the invention can also be used for scene lighting in the infrared. Infrared light in the spectral range between 8 and 12 µm penetrates fog much better, so that a motor vehicle, ship or plane equipped with an infrared viewer and infrared headlights can also be controlled much more safely in fog than with the usual equipment. The lighting device 16 according to the invention provides additional security compared to previous passive infrared sensors. Additional infrared lighting increases the detection reliability of people and animals on the road and reduces malfunctions. In stationary use, the function of infrared detectors, such as. B. of motion detectors, object protection can be improved by additional infrared lighting.
Die erfindungsgemäße Quantenkaskadenlaser-LED 1 ist eine ideale Lichtquelle für die vorgenannten Anwendungen. Sie kann in vorhandenen Beleuchtungseinrichtungen, wie z. B. Scheinwerfer 16, integriert werden und kann über das übliche 12 V-/24 V Kfz- Bordnetz betrieben werden. Der Spektralbereich ist auch dem Bereich der natürlichen Emission von Objekten nahe Raumtemperatur (10 µm) angepasst, so dass dieselben Detektionssysteme wie für die passive Detektion verwendet werden können. The quantum cascade laser LED 1 according to the invention is an ideal light source for the aforementioned applications. You can in existing lighting devices such. B. headlights 16 , can be integrated and can be operated via the usual 12 V / 24 V vehicle electrical system. The spectral range is also adapted to the range of the natural emission of objects near room temperature (10 µm), so that the same detection systems can be used as for passive detection.
Bei Kfz-Anwendungen ist die Blendsicherheit beim Einsatz solcher zusätzlicher Lichtquellen ein wichtiges Thema. Der stark polarisierte Strahl 11 einer Quantenkaskadenlaser-LED 1 kann zum einen im direkten Reflex durch geeignete Polarisationsfilter vor den entsprechenden IR-Sensoren abgeblockt werden. Die Strahlung ist schmalbandig, so dass geeignete Filter vor breitbandigen Empfängern eingesetzt werden können. Vor allem ist aber durch die gute Modulierbarkeit der Quantenkaskadenlaser-LED 1 bis in den 100 kHz-Bereich eine phasensynchrone Lockin-Detektion möglich. Damit kann Streu- und Blendlicht eines anderen Fahrzeuges effektiv unterdrückt werden. In automotive applications, glare safety is an important issue when using such additional light sources. The strongly polarized beam 11 of a quantum cascade laser LED 1 can be blocked in a direct reflex by suitable polarization filters in front of the corresponding IR sensors. The radiation is narrow-band, so that suitable filters can be used in front of broadband receivers. Above all, however, the good modulability of the quantum cascade laser LED 1 down to the 100 kHz range enables phase-locked lock-in detection. Scattering and glare from another vehicle can thus be effectively suppressed.
Ein empfindliches Messverfahren, wie das Lockin-Verfahren, für die Szenenanalyse ist nur möglich, da die Modulierbarkeit in der Leistung ohne Probleme über den Betriebsstrom möglich und besser als bei thermischen Emittern ist. Die Modulierbarkeit ist nur durch den Wärmehaushalt des Quantenkaskadenlasers 7 begrenzt. A sensitive measurement method, such as the Lockin method, is only possible for scene analysis because the power can be modulated without problems via the operating current and is better than with thermal emitters. The modulability is only limited by the heat balance of the quantum cascade laser 7 .
Für die Szenenanalyse kann ein geringer duty-cycle < 1% (d. h. Pulsfolge An/Aus-Tastverhältnis) verwendet werden. Damit ist die Wärmelast des Bauteils gering, so dass dieses auch in bestehende Anordnungen, wie z. B. einen Scheinwerfer 16, eingebaut werden kann. A low duty cycle <1% (ie pulse sequence on / off duty cycle) can be used for scene analysis. So that the heat load of the component is low, so that this can also be used in existing arrangements, such as. B. a headlight 16 can be installed.
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