WO2003067720A2 - Laser device comprising a quantum cascade laser - Google Patents

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WO2003067720A2
WO2003067720A2 PCT/EP2002/014017 EP0214017W WO03067720A2 WO 2003067720 A2 WO2003067720 A2 WO 2003067720A2 EP 0214017 W EP0214017 W EP 0214017W WO 03067720 A2 WO03067720 A2 WO 03067720A2
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Thomas Beyer
Marcus Braun
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    • H01S5/062Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06209Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in single-section lasers
    • H01S5/06216Pulse modulation or generation

Definitions

  • 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 detection of light according to the preamble of claim 29.
  • QCL quantum cascade laser
  • Such laser devices are used, for example, in infrared measurement technology or as an infrared light source.
  • Laser devices with a quantum cascade laser are generally known from the prior art.
  • the market for infrared optical gas measuring devices is currently predominantly non-dispersive devices.
  • Broadband thermal emitters are usually used as infrared light sources.
  • the radiation detection is preferably carried out using thermal detectors such as thermopiles, pyrodetectors or else using photoacoustic detection methods.
  • the NDIR method nondisperse IR absorption
  • the NDIR method generally requires spectral filtering of the radiation, which can be achieved with interference filters, with micromechanical Fabry-Perot resonators or with gas filters.
  • the low modulability of the thermal radiators has a limiting effect on the performance data of these measuring devices, so that in general it is only possible to modulate with frequencies in the 10 to 100 Hz range. Above all, the devices are limited by the physically predetermined, too low spectral power density of a Planck radiator.
  • thermal radiators Another disadvantage of thermal radiators is that their radiation can only be collimated with a considerable loss in performance, and measurements over long distances are therefore only possible with considerable effort.
  • Thermal light sources are generally also used in the more costly, dispersive devices, so that many of the aforementioned disadvantages remain.
  • Laser spectroscopic measurement methods are generally only used for special applications and for highly sensitive laboratory measurements. This is partly due to the high component prices and the highly sensitive and often maintenance-intensive measuring technology.
  • quantum cascade lasers which operate at room temperature as a pulsed laser source with high power density.
  • infrared light 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.
  • Passive infrared sensors and infrared camera systems are now used in the automotive sector to avoid collisions with people and animals on the road. Security would be increased by additional infrared lighting.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a laser device of the type mentioned at the outset and a method for operating a quantum cascade laser in which the mean spectral power density is increased compared to previous devices and methods. Furthermore, a faster and more sensitive gas measuring device should be specified. In addition, a lighting device is said to the visibility in bad weather conditions, such as B. Fog increased.
  • this object is achieved according to the invention by a laser device with a quantum cascade laser with the features of claim 1.
  • the object is achieved according to the invention by a method for operating a quantum cascade laser with the features of claim 18.
  • the object is achieved according to the invention by a gas measuring device having the features of claim 21.
  • the object is achieved according to the invention by a lighting device having the features of claim 25.
  • a laser device with a quantum cascade laser and a pulse generator for pulsed operation of the quantum cascade laser is characterized in that the pulse generator enables the quantum cascade laser to be operated with pulse sequences from fast pulses in the range from 1 ns to 200 ns and pulse repetition frequencies in the range from 1 Hz to 100 kHz and a heat dissipation device which passively dissipates the heat is connected to the quantum cascade laser.
  • Such a laser device is inexpensive and has a compact design. Therefore, it can be installed in a gas measuring device or a lighting device.
  • Fabry-Perot lasers or ridge lasers without mode-selective structuring are preferably used as QCL.
  • the frequency is variable. In this way, the frequency can be selected according to the respective requirement.
  • the pulse height and / or pulse duration of an individual pulse and / or the pulse intervals of individual pulses can be varied in the course of the pulse packet and / or in different pulse packets. This enables a good adaptation to different work processes.
  • the quantum cascade laser can be located in a preferably standardized, standard housing with at least one wall section that is transparent to the laser radiation.
  • This wall section can be formed, for example, from a partially IR (infrared) transparent polymer (e.g. polyethylene). This results in a compact design and the laser device can also be easily installed in other devices, thereby reducing costs.
  • the housing with a gas such as. B. nitrogen or argon is filled and sealed. This protects the quantum cascade laser and the assembly technology (solder connections etc.), which can be sensitive to oxidizing gases.
  • a gas such as. B. nitrogen or argon
  • the wall section which is transparent to the laser radiation has a Fresnel lens.
  • This Fresnel lens can be formed, for example, by hot pressing from a plastic material (e.g. polyethylene).
  • the Fresnel lens is segmented, since it is then used for light scattering, e.g. B. in a headlight, is suitable. It can also be advantageous if the heat dissipation device is located in the housing, since this provides effective heat dissipation and a compact design.
  • the heat dissipation device is designed as a passive cooling device, since this reduces the costs
  • the radiation is coupled into an infrared optical fiber. This makes it possible to redirect the radiation.
  • the distance between the quantum cascade laser and the lens can be changed. This enables various lighting options to be implemented. This change in distance can be achieved, for example, by an electromagnetic device integrated in the housing, e.g. a pot coil or a piezo adjuster.
  • the quantum cascade laser is operated with pulse trains consisting of individual, very short pulses in the range from 1 ns to 200 ns.
  • the pulse trains are switched on and off with frequencies in the 1 Hz to 100 kHz range. This creates the effect of a broadband, incoherent LED-like light source.
  • a voltage supply with a DC / DC conversion is used to generate the pulse trains.
  • the power supply from a 12V or a 24V electrical system of a motor vehicle can be used.
  • a gas measuring device is characterized in that it has a laser device according to the invention.
  • a gas measuring device has a faster and more sensitive infrared measurement is possible than with conventional NDIR techniques.
  • the gas measuring device has an inexpensive thermal detector for detecting the radiation, e.g. B. thermopile, pyrode- detector, microbolometer or photoacoustic detector.
  • quantum cascade laser and the detection unit are fastened on a common substrate, since this reduces the space requirement and also the costs. For example, optical components can be saved as a result.
  • An illumination device has a laser device according to at least one of claims 1 to 17. With such a lighting device, good scene lighting is possible.
  • headlight can also be advantageous if parts of the headlight can be used for visible and infrared light. This saves components and further reduces costs.
  • a method for detecting light from an illumination device according to one of claims 25 to 28 is characterized in that an infrared receiver system is used for the detection. Further processing of the infrared light emitted by the lighting device is thereby possible.
  • the infrared receiver system has a thermal imaging device, since this shows an image of the area illuminated by the lighting device.
  • the infrared receiver system can also consist of discrete independent infrared sensors.
  • Figure 1 shows a quantum cascade laser in a housing.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an illumination device with a quantum cascade laser and a conventional illumination device
  • 5 shows a schematic representation of the laser device for short measuring distances and large detectors
  • FIG. 6 shows a schematic structure of a measuring system with a pulsed quantum cascade laser, a gas cuvette and a detector
  • Fig. 7 shows the pulse packets.
  • 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 Figure 1.
  • the laser device is a quantum cascade laser LED 1 according to claim 1.
  • 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. The attachment takes place on 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.
  • the front of the housing 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 formed.
  • the housing 4 is, for example, with dry nitrogen 5 or another gas 5, z. B. argon, filled and sealed.
  • 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 “fan of light” as in vehicle headlights.
  • the Fresnel lens 6 can be formed, for example, by hot pressing from a plastic material, such as polyethylene.
  • 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.
  • further contacts, for. B. temperature sensor introduced into the housing or the gas 5 can be exchanged.
  • 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 side facing the quantum cascade laser 7 19 of the Fresnel lenses, such as. B. a piezo actuator is provided.
  • the control of the quantum cascade laser LED 1 is shown in FIG.
  • 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 tactile The ratio between the fast pulse sequences and the time-outs is chosen such that the quantum cascade laser 7 relaxes thermally again to the initial temperature value during the time-out.
  • 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.
  • FIG. 3 schematically shows a headlamp 16 with a quantum cascade laser LED 1 and a conventional lighting device 33.
  • a headlight housing 34 there are 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, a glow emission filament, a halogen lamp or a gas discharge lamp.
  • the two lighting devices 1 and 33 are mounted behind a common headlight cover 35.
  • 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.
  • headlamps may be a "light fan" as in vehicle 'can be realized.
  • parts of the headlamp 16 such as.
  • an unillustrated reflector or headlight cover 35 for both visible and infrared light can be used, such a headlight 16 can be produced easily and inexpensively.
  • an infrared receiver system can be used, for. B.
  • 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 z. B. in fog the visibility of a driver can be significantly improved. Such a system thus contributes significantly to increasing security.
  • 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 distance d can e.g. 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.
  • a quantum cascade laser LED 1 for measurements over large distances is shown schematically in FIG.
  • the beam 11 In order to be able to measure over large distances, the beam 11 must be collimated.
  • the distance d of the quantum cascade laser 7 from the Fresnel lens 6 is selected to be equal to the lens focal length.
  • FIG. 5 shows a quantum cascade laser 1 for direct imaging of the beam 11 on a large-area detector, not shown.
  • 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.
  • FIG. 6 shows the schematic structure of a gas measuring device 15 with a quantum cascade laser LED 1, a gas cuvette 13 and a detector 14.
  • 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 cell interior 27 again.
  • the gas cuvette interior 27 is filled with gas.
  • the gas cell interior 27 can also be filled with a liquid.
  • the gas measuring device 15 can also be used as a liquid measuring device.
  • 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 detector front side 37, through which the beam 11 can enter the detector 14.
  • housing bushings 32 are arranged through which z. B. lines, not shown, can be introduced into the detector housing 28.
  • 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.
  • 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.
  • the radiation 11 emanating from the quantum cascade laser 7 is coupled into an infrared optical fiber (not shown).
  • 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 particular requirements of the measurement.
  • FIG. 7 shows the pulse packets 38 as a function of time.
  • the switching frequency 1 / time does not necessarily have to be constant.
  • a switching frequency for example 10 Hz.
  • the switching frequency can be increased, for a better one To ensure detection of moving objects or to achieve brighter lighting.
  • gas sensors too, it can be advantageous if the switching frequency is not constant. With a low gas concentration, a relatively low switching frequency can be sufficient. If the gas concentration suddenly rises above a certain threshold, the switching frequency can be increased in order to ensure a rapid detection of the increased gas concentration.
  • the pulse height of an individual pulse 39 shown in FIG. 7 need not 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.
  • the laser drive signal e.g. Operating voltage on the laser (volt) or operating current (ampere), plotted on the ordinate.
  • quantum cascade laser LED 1 average spectral power densities of> 1mW / (mm 2 'sr ⁇ m) 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 ⁇ m. This is also many times higher than can be achieved with thermal emitters.
  • gas measuring devices 15 can be realized with significantly better properties than before. 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. This means that 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 measuring technology.
  • 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 ⁇ m 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.
  • 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 12V / 24V vehicle electrical system. The spectral range is also adapted to the range of the natural emission of objects near room temperature (10 ⁇ m), so that the same detection systems can be used as for passive detection.
  • the strongly polarized beam 11 of a quantum cascade laser LED 1 can be blocked on the one hand in direct reflection by means of 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.
  • 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.
  • a sensitive measurement method such as the Lockin method
  • 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.
  • a low duty cycle ⁇ 1% ie pulse sequence on / off duty cycle) can be used for scene analysis. So that the thermal load of the component is low, so that this is also in existing arrangements such.
  • B. a headlight 16 can be installed.

Abstract

The invention relates to a laser device and corresponding applications. Said device comprises a quantum cascade laser (7) and a pulse generator for the pulsed operation of the quantum cascade laser. The invention is characterised in that the quantum cascade laser (7) can be operated by the pulse generator by means of pulse packets, which use frequencies ranging between 1 Hz and 100 kHz, and that a heat dissipation device (8) is connected to the quantum cascade laser (7). Cost-effective Fabry-Perot lasers can be used as the quantum cascade laser. A special control method enables a partially coherent, LED-type emission.

Description

Laservorrichtung mit einem QuantenkaskadenlaserLaser device with a quantum cascade laser
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 detection of light according to the preamble of claim 29. Such laser devices are used, for example, in infrared measurement technology or 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 generally known from the prior art. The market for infrared optical gas measuring devices is currently predominantly non-dispersive devices. Broadband thermal emitters are usually used as infrared light sources. The radiation detection is preferably carried out using thermal detectors such as thermopiles, pyrodetectors or else using photoacoustic detection methods. The NDIR method (nondisperse IR absorption) generally requires spectral filtering of the radiation, which can be achieved with interference filters, with micromechanical Fabry-Perot resonators or with gas filters. On the one hand, the low modulability of the thermal radiators has a limiting effect on the performance data of these measuring devices, so that in general it is only possible to modulate with frequencies in the 10 to 100 Hz range. Above all, the devices are limited by the physically predetermined, too low spectral power density of a Planck radiator.
Mit großflächigen Strahlern würde man zwar höhere Leistungen erreichen, diese lassen sich aber nicht gut auf kleine Detektionselemente abbilden.Higher outputs would be achieved with large-area emitters, but these cannot be easily mapped onto 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 radiators is that their radiation can only be collimated with a considerable loss in performance, and measurements over long distances are therefore only possible with considerable effort.
Bei den kostenmäßig aufwändigeren, dispersiven Geräten werden im Allgemeinen auch thermische Lichtquellen eingesetzt, so dass viele der vorgenannten Nachteile bestehen bleiben. 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.Thermal light sources are generally also used in the more costly, dispersive devices, so that many of the aforementioned disadvantages remain. Laser spectroscopic measurement methods are generally only used for special applications and for highly sensitive laboratory measurements. This is partly due to the high component prices and the highly sensitive and often maintenance-intensive measuring technology.
Diese Verfahren benötigen Laser, die nur auf einer Mode emittieren. Diese Art von Lasern ist aber im Allgemeinen nur durch aufwändige 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. However, this type of laser can generally only be obtained by complex selection or additional structuring of the laser, such as, for example, by “distributed feedback (DFB) structuring”. This increases the costs of such a laser.
Andere kompakte Lichtquellen, wie IR-LEDs oder andere nichtthermische inkohärente Quellen im langwelligen mittleren Infrarotbereich (MIR) sind jedoch nicht verfügbar.However, other compact light sources such as IR LEDs or other non-thermal incoherent sources in the long-wave mid-infrared range (MIR) 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 towards the use of non-thermal light sources. Above all, so-called quantum cascade lasers (QCL) are used, which operate at room temperature as a pulsed 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 airplanes, is currently in the direction of the use of infrared light sources. Infrared light 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. Passive infrared sensors and infrared camera systems are now used in the automotive sector to avoid collisions with people 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 specifying a laser device of the type mentioned at the outset and a method for operating a quantum cascade laser in which the mean spectral power density is increased compared to previous devices and methods. Furthermore, a faster and more sensitive gas measuring device should be specified. In addition, a lighting device is said to the visibility in bad weather conditions, such as B. Fog increased.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Laservorrichtung erfindungsgemäß durch eine Laservorrichtung mit einem Quantenkaskadenlaser mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.With regard to the laser device, this object is achieved according to the invention by a laser device with a quantum cascade laser with the features of claim 1.
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.
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 having the features of claim 21.
Die Aufgabe wird bezüglich der Beleuchtungsvorrichtung erfindungsgemäß durch eine Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 25 gelöst.With regard to the lighting device, the object is achieved according to the invention by a lighting device having the features of claim 25.
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 pulse generator for pulsed operation of the quantum cascade laser is characterized in that the pulse generator enables the quantum cascade laser to be operated with pulse sequences from fast pulses in the range from 1 ns to 200 ns and pulse repetition frequencies in the range from 1 Hz to 100 kHz and a heat dissipation device which passively dissipates the heat is connected to the quantum cascade laser.
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. Therefore, it can be installed in a gas measuring device or a lighting device. Fabry-Perot lasers or ridge lasers without mode-selective structuring are preferably used as QCL.
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 Infrarotmessge-räte möglich. Hierbei kann die bessere Kollimierbarkeit gegenüber thermischen Emittern ausgenutzt werden. 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 12V/24V-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges betrieben werden.With such a laser device, much higher average spectral power densities can be achieved than with available IR LEDs. With these high spectral power densities, faster and more sensitive infrared measuring devices are possible. Here, the better collimability compared to thermal emitters can be exploited. The power can be modulated without problems using the operating current and is better than with thermal emitters. Furthermore, such a laser device in an existing arrangement, for. B. a headlight installed and operated from the 12V / 24V electrical system of a motor vehicle.
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 advantageous 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 can be varied in the course of the pulse packet and / or in different pulse packets. This enables a good adaptation to different work processes.
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(lnfrarot)-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 can be located in a preferably standardized, standard housing with at least one wall section that is transparent to the laser radiation. This wall section can be formed, for example, from a partially IR (infrared) transparent polymer (e.g. polyethylene). This results in a compact design and the laser device can also be easily installed in other devices, thereby reducing costs.
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 can be advantageous if the housing with a gas, such as. B. nitrogen or argon is filled and sealed. This protects the quantum cascade laser and the assembly technology (solder connections etc.), which can be sensitive to oxidizing gases.
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 which is transparent to the laser radiation has a Fresnel lens. This allows the radiation to be shaped depending on the application. This Fresnel lens can be formed, for example, by hot pressing from a plastic material (e.g. polyethylene).
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Fresnel-Linse segmentiert ist, da sie dann zur Lichtstreuung, z. B. in einem Scheinwerfer, geeignet ist. 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 be advantageous if the Fresnel lens is segmented, since it is then used for light scattering, e.g. B. in a headlight, is suitable. It can also be advantageous if the heat dissipation device is located in the housing, since this provides effective heat dissipation and a compact design.
Weiterhin kann es günstig sein, wenn die Wärmeabführeinrichtung als passive Kühleinrichtung ausgebildet ist, da dadurch die Kosten gesenkt werdenFurthermore, it can be favorable if the heat dissipation device is designed as a passive cooling device, since this reduces the 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 coupled into an infrared optical fiber. This makes it possible to redirect the radiation.
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 advantageous if the distance between the quantum cascade laser and the lens can be changed. This enables various lighting options to be implemented. This change in distance can be achieved, for example, by an electromagnetic device integrated in the housing, e.g. 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 breitbandi- gen, inkohärenten LED-ähnlichen Lichtquelle.In the method according to the invention for operating a quantum cascade laser, the quantum cascade laser is operated with pulse trains consisting of individual, very short pulses in the range from 1 ns to 200 ns. The pulse trains are switched on and off with frequencies in the 1 Hz to 100 kHz range. 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 12V- oder einem 24V-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs verwendet werden.It can be advantageous if a voltage supply with a DC / DC conversion is used to generate the pulse trains. This makes universal use of the laser device, eg. B. possible in motor vehicles or aircraft. Here, for. B. the power supply from a 12V or a 24V electrical system of a motor vehicle can 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. Zudem kann es günstig sein, wenn die Gasmessvorrichtung zum Nachweis der Strahlung einen kostengünstigen thermischen Detektor aufweist, z. B. Thermopile, Pyrode- tektor, Mikrobolometer oder fotoakustischen Detektor.A gas measuring device according to the invention is characterized in that it has a laser device according to the invention. With such a gas measuring device, a faster and more sensitive infrared measurement is possible than with conventional NDIR techniques. In addition, it may be advantageous if the gas measuring device has an inexpensive thermal detector for detecting the radiation, e.g. B. thermopile, pyrode- detector, 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 fastened on a common substrate, since this reduces the space requirement and also the costs. For example, optical components can be saved as a result.
Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung weist eine Laservorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17 auf. Mit einer derartigen Beleuchtungsvorrichtung ist eine gute Szenenbeleuchtung möglich.An illumination device according to the invention has a laser device according to 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 can be favorable if a further lighting device, different from the laser 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 can be used for visible and infrared light. This saves components and further reduces costs.
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 one of claims 25 to 28 is characterized in that an infrared receiver system is used for the detection. Further processing of the infrared light emitted by the lighting device is thereby 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 has a thermal imaging device, since this shows an image of the area illuminated by the lighting device. The infrared receiver system can also consist of discrete independent infrared sensors.
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. Diese zeigen:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment and associated drawings. 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;2 shows the control of a quantum cascade laser;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem Quantenkaskadenlaser und einer herkömmlichen Beleuchtungsvorrichtung;3 shows a schematic illustration of an illumination device with a quantum cascade laser and a conventional illumination device;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Laservorrichtung für Messungen über große Distanzen;4 shows a schematic illustration of the laser device for measurements over long distances;
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Laservorrichtung für kurze Messstrecken und große Detektoren;5 shows a schematic representation of the laser device for short measuring distances and large detectors;
Fig. 6 einen schematischen Aufbau eines Messsystems mit gepulstem Quantenkaskadenlaser, einer Gasküvette und einem Detektor;6 shows a schematic structure of a measuring system with a pulsed quantum cascade laser, a gas cuvette 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 Figur 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 Figure 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, standardmäßi- ges 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. The attachment takes place on 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 front of the housing 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 formed.
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 assembly technique (solder connections etc.) can be sensitive 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 Kunststoff material, 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 “fan of light” as in vehicle headlights. The Fresnel lens 6 can be formed, for example, by hot pressing from a plastic material, such as 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 side facing the quantum cascade laser 7 19 of the Fresnel lenses, such as. B. a piezo actuator is provided.
In Figur 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 Tast- Verhältnis zwischen den schnellen Pulsfolgen und den Auszeiten wird so gewählt, dass der Quantenkaskadenlaser 7 thermisch während der Auszeit wieder auf den Anfangstemperaturwert relaxiert.The control of the quantum cascade laser LED 1 is shown in FIG. 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 tactile The ratio between the fast pulse sequences and the time-outs is chosen such 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 thereby 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 can be used for the power supply, an application z. B. possible in a motor vehicle.
In Figur 3 ist ein Schweinwerfer 16 mit einem Quantenkaskadenlaser-LED 1 und einer herkömmlichen Beleuchtungseinrichtung 33 schematisch dargestellt.FIG. 3 schematically shows a headlamp 16 with a quantum cascade laser LED 1 and a conventional lighting device 33.
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.In a headlight housing 34 there are 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, a glow emission filament, 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 Fahrzeug- ' Scheinwerfern 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. Für die Detektion von Infrarotlicht, das z. B. von einer Beleuchtungsvorrichtung, wie in Figur 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 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. By segmented design of the Fresnel lens 6 headlamps may be a "light fan" as in vehicle 'can be realized. The fact that parts of the headlamp 16 such as. For example, an unillustrated reflector or headlight cover 35 for both visible and infrared light can be used, such a headlight 16 can be produced easily and inexpensively. For the detection of infrared light, e.g. B. from a lighting device, as described in Figure 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 z. 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 distance d can e.g. 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 Figur 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.A quantum cascade laser LED 1 for measurements over large distances is shown schematically in FIG. 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 Figur 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.FIG. 5 shows a quantum cascade laser 1 for direct imaging of the beam 11 on 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 Figur 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 Gasküvettenin- nenraum 27 eintreten kann und eine Seitenwand für Lichtaustritt 26 auf, durch die der Strahl 11 wieder aus dem Gasküvetteninnenraum 27 austreten kann. Der Gasküvette- ninnenraum 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.FIG. 6 shows the schematic structure of a gas measuring device 15 with a quantum cascade laser LED 1, a gas cuvette 13 and a detector 14. 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 cell interior 27 again. The gas cuvette 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 detector front side 37, 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.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.
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.In the case of a gas measuring device 15 in particular, 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 particular requirements of the measurement.
In Figur 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. 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.FIG. 7 shows the pulse packets 38 as a function of time. The switching frequency 1 / time does not necessarily have to be constant. For lighting purposes, e.g. In vehicles, for example, it can be advantageous to have a "sleep mode with a relatively low switching frequency, for example 10 Hz. When observing an interesting object with an IR camera, the switching frequency can be increased, for a better one To ensure detection of moving objects or to achieve brighter lighting. With gas sensors, too, it can be advantageous if the switching frequency is not constant. With a low gas concentration, a relatively low switching frequency can be sufficient. If the gas concentration suddenly rises above a certain threshold, the switching frequency can be increased in order to ensure a rapid detection of the increased gas concentration.
Ebenso muss die in Figur 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 need not 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. Operating voltage on the laser (volt) or operating current (ampere), plotted on the ordinate.
Mit der Quantenkaskadenlaser-LED 1 können mittlere spektrale Leistungsdichten von >1mW/(mm2'srψm) 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> 1mW / (mm 2 'srψm) 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 realized with significantly better properties than before. 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. This means that 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 measuring 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. 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.With these high spectral power densities, faster and more sensitive infrared measuring devices with compact, but specific and highly sensitive sensors are possible, which can be used in production and process measurement technology, in the automotive sector, in security technology and in climate and environmental sensors. The better collimability compared to thermal emitters can also be exploited here. 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 12V-/24V 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 12V / 24V 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 resistance when using such additional light sources is an important issue. The strongly polarized beam 11 of a quantum cascade laser LED 1 can be blocked on the one hand in direct reflection by means of 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. 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 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. A low duty cycle <1% (ie pulse sequence on / off duty cycle) can be used for scene analysis. So that the thermal load of the component is low, so that this is also in existing arrangements such. B. a headlight 16 can be installed.

Claims

Patentansprüche claims
1. Laservorrichtung mit einem Quantenkaskadenlaser (7) und einem Pulserzeuger (9) zum gepulsten Betreiben des Quantenkaskadenlasers (7), dadurch gekennzeichnet, dass durch den Pulserzeuger (9) der Quantenkaskadenlaser (7) mit Pulspaketen, die mit Frequenzen im 1 Hz bis 100 kHz-Bereich geschaltet werden, betreibbar ist und mit dem Quantenkaskadenlaser (7) eine Wärmeabführeinrichtung (8) verbunden ist.1. Laser device with a quantum cascade laser (7) and a pulse generator (9) for pulsed operation of the quantum cascade laser (7), characterized in that the pulse generator (9) of the quantum cascade laser (7) with pulse packets that operate at frequencies in the 1 Hz to 100 kHz range can be switched, can be operated and a heat dissipation device (8) is connected to the quantum cascade laser (7).
2. Laservorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz variabel ist.2. Laser device according to claim 1, characterized in that the frequency is variable.
3. Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzelpuls (39) eines Pulspaketes (38) eine Pulsbreite im Bereich von 1 ns bis 200 ns aufweist.3. Laser device according to claim 1 or 2, characterized in that a single pulse (39) of a pulse packet (38) has a pulse width in the range from 1 ns to 200 ns.
4. Laservorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulshöhe und/oder Pulsdauer des Einzelpulses (39) und/oder die Pulsabstände von Einzelpulsen (39) im Verlauf des Pulspaketes (38) und/oder in verschiedenen Pulspaketen (38) variiert werden kann.4. Laser device according to claim 3, characterized in that the pulse height and / or pulse duration of the individual pulse (39) and / or the pulse spacing of individual pulses (39) in the course of the pulse packet (38) and / or in different pulse packets (38) are varied can.
5. Laservorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Quantenkaskadenlaser (7) vorzugsweise Fabry-Perot-Laser oder Ridge-Laser ohne modenselektive Strukturierung verwendet werden.5. Laser device according to at least one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that preferably Fabry-Perot laser or ridge laser without mode-selective structuring are used as the quantum cascade laser (7).
6. Laservorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Quantenkaskadenlaser (7) in einem Gehäuse (4), vorzugsweise in einem genormten, standardmäßigen Gehäuse (4), mit zumindest einem für die Laserstrahlung durchlässigen Wandabschnitt (6) befindet.6. Laser device according to at least one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the quantum cascade laser (7) in a housing (4), preferably in a standardized, standard housing (4), with at least one wall section transparent to the laser radiation ( 6) is located.
7. Laservorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) mit einem Gas (5) gefüllt ist. 7. Laser device according to claim 6, characterized in that the housing (4) is filled with a gas (5).
8. Laservorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) mit einem inerten Gas (5), vorzugsweise Stickstoff oder Argon gefüllt ist.8. Laser device according to claim 6 or 7, characterized in that the housing (4) is filled with an inert gas (5), preferably nitrogen or argon.
9. Laservorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Laserstrahlung durchlässige Wandabschnitt (6) aus einem teilweise IR-durchlässigen Polymer, vorzugsweise Polyethylen, gebildet wird.9. Laser device according to at least one of the preceding claims 6 to 8, characterized in that the wall section (6) which is transparent to the laser radiation is formed from a partially IR-transparent polymer, preferably polyethylene.
10. Laservorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Laserstrahlung durchlässige Wandabschnitt eine Fresnel-Linse (6) aufweist.10. Laser device according to at least one of the preceding claims 6 to 9, characterized in that the wall section which is transparent to the laser radiation has a Fresnel lens (6).
11. Laservorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel- Linse (6) segmentiert ist.11. Laser device according to claim 10, characterized in that the Fresnel lens (6) is segmented.
12. Laservorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Linse (6) durch Heißpressen aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise Polyethylen, gebildet wird.12. Laser device according to claim 10 or 11, characterized in that the Fresnel lens (6) is formed by hot pressing from a plastic material, preferably polyethylene.
13. Laservorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wärmeabführeinrichtung (8) im Gehäuse (4) befindet.13. Laser device according to at least one of the preceding claims 6 to 12, characterized in that the heat dissipation device (8) is in the housing (4).
14. Laservorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabführeinrichtung (8) als passive Kühleinrichtung ausgebildet ist.14. Laser device according to at least one of the preceding claims 1 to 13, characterized in that the heat dissipation device (8) is designed as a passive cooling device.
15. Laservorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlung (11) in eine Infrarotlichtleiterfaser gekoppelt wird. 15. Laser device according to at least one of the preceding claims 1 to 14, characterized in that a radiation (11) is coupled into an infrared optical fiber.
16. Laservorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen dem Quantenkaskadenlaser (7) und der Linse (6) veränderbar ist.16. Laser device according to at least one of the preceding claims 1 to 15, characterized in that the distance (d) between the quantum cascade laser (7) and the lens (6) is variable.
17. Laservorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Abstandes (d) durch eine elektromagnetische Einrichtung, vorzugsweise einer Topfspule oder durch einen Piezoversteller, erreicht wird.17. Laser device according to claim 16, characterized in that the change in the distance (d) is achieved by an electromagnetic device, preferably a pot coil or by a piezo adjuster.
18. Verfahren zum Betreiben eines Quantenkaskadenlasers (7) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Quantenkaskadenlaser (7) mit Pulspaketen (38) aus einzelnen sehr kurzen Pulsen im Bereich von 1 ns bis 200 ns betrieben wird, wobei die Pulspakete (38) mit Frequenzen im Bereich von 1 Hz bis 100 kHz ein- und ausgeschaltet werden.18. Method for operating a quantum cascade laser (7) according to at least one of the preceding claims 1 to 17, characterized in that the quantum cascade laser (7) is operated with pulse packets (38) consisting of individual very short pulses in the range from 1 ns to 200 ns. wherein the pulse packets (38) are switched on and off with frequencies in the range from 1 Hz to 100 kHz.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Pulszüge eine Spannungsversorgung mit einer DC/DC-Wandlung verwendet wird.19. The method according to claim 18, characterized in that a voltage supply with a DC / DC conversion is used to generate the pulse trains.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein 12V- oder ein 24V-Bordnetz, verwendet wird.20. The method according to claim 19, characterized in that the voltage supply from the electrical system of a motor vehicle, in particular a 12V or a 24V electrical system, is used.
21. Gasmessvorrichtung mit einer Laservorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17.21. Gas measuring device with a laser device according to at least one of the preceding claims 1 to 17.
22. Gasmessvorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmessvorrichtung (15) eine Gasküvette (13) aufweist.22. Gas measuring device according to claim 21, characterized in that the gas measuring device (15) has a gas cuvette (13).
23. Gasmessvorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmessvorrichtung (15) zum Nachweis der Strahlung einen thermischen Detektor (14) aufweist.23. Gas measuring device according to claim 21 or 22, characterized in that the gas measuring device (15) for detecting the radiation has a thermal detector (14).
24. Gasmessvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Quantenkaskadenlaser (7) und die Detek- tionseinheit (14) auf einem gemeinsamen Substrat befestigt sind. 24. Gas measuring device according to at least one of the preceding claims 21 to 23, characterized in that the quantum cascade laser (7) and the detection unit (14) are attached to a common substrate.
25. Beleuchtungsvorrichtung mit einer Laservorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17.25. Illumination device with a laser device according to at least one of the preceding claims 1 to 17.
26. Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere Scheinwerfer (16), mit einer Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere von der Laservorrichtung verschiedene Beleuchtungseinrichtung (33) vorgesehen ist.26. Lighting device, in particular headlights (16), with a lighting device according to claim 25, characterized in that a further lighting device (33) is provided which is different from the laser device.
27. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Laservorrichtung verschiedene Beleuchtungseinrichtung (33) vorzugsweise einen Glühemissionsleuchtkörper, eine Halogenlampe oder eine Gasentladungslampe aufweist.27. Lighting device according to claim 26, characterized in that the lighting device (33) different from the laser device preferably has a glow emission filament, a halogen lamp or a gas discharge lamp.
28. Beleuchtungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des Scheinwerfers (16) für sichtbares und infrarotes Licht verwendbar sind.28. Lighting device according to at least one of the preceding claims 25 to 27, characterized in that parts of the headlight (16) can be used for visible and infrared light.
29. Verfahren zur Detektion von Licht aus einer Beleuchtungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion ein Infrarotempfängersystem verwendet wird.29. A method for detecting light from an illumination device according to at least one of the preceding claims 25 to 28, characterized in that an infrared receiver system is used for the detection.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Infrarotempfängersystem (14) ein Wärmebildgerät aufweist.30. The method according to claim 29, characterized in that the infrared receiver system (14) has a thermal imaging device.
31. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Infrarotempfängersystem (14) eine Anordnung von thermischen Infrarotdetektoren, insbesondere Thermopiles, Pyrodetektoren oder Bolometer aufweist.31. The method according to claim 29, characterized in that the infrared receiver system (14) has an arrangement of thermal infrared detectors, in particular thermopiles, pyrodetectors or bolometers.
32. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein phasensynchrones Detektionsverfahren verwendet wird. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Infrarotempfängersystem (14) zur Blendunterdrückung einen Polarisationsfilter besitzt. 32. The method according to claim 29, characterized in that a phase-synchronous detection method is used. Method according to at least one of the preceding claims 29 to 32, characterized in that the infrared receiver system (14) has a polarization filter for suppressing glare.
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