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DE10205310B4 - A method for generating the effect of a broadband incoherent LED-like light source and use of such a method in a gas measuring device and in a lighting device - Google Patents

A method for generating the effect of a broadband incoherent LED-like light source and use of such a method in a gas measuring device and in a lighting device Download PDF

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DE10205310B4 DE10205310A DE10205310A DE10205310B4 DE 10205310 B4 DE10205310 B4 DE 10205310B4 DE 10205310 A DE10205310 A DE 10205310A DE 10205310 A DE10205310 A DE 10205310A DE 10205310 B4 DE10205310 B4 DE 10205310B4
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Abstract

Verfahren zum Erzeugen der Wirkung einer breitbandigen inkohärenten LED-ähnlichen Lichtquelle durch gepulstes Betreiben eines Quantenkaskadenlasers (7) ohne modenselektive Strukturierung, bei dem 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.A method for generating the effect of a broadband incoherent LED-like light source by pulsed operation of a quantum cascade laser (7) without mode-selective structuring, in which the quantum cascade laser (7) operates with pulse packets (38) of individual very short pulses in the range of 1 ns to 200 ns with the pulse packets (38) being switched on and off at frequencies in the range of 1 Hz to 100 kHz.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen der Wirkung einer breitbandigen inkohärenten LED-ähnlichen Lichtquelle, die Verwendung eines solchen Verfahrens in einer Gasmessvorrichtung und die Verwendung eines solchen Verfahrens in einer Beleuchtungsvorrichtung.The The present invention relates to a method for producing the effect a broadband incoherent LED-like Light source, the use of such a method in a gas measuring device and the use of such a method in a lighting device.

Die US 5 901 168 A beschreibt Quantenkaskadenlaser, die im Multimode-Betrieb und gepulst betrieben werden. Im Zusammenhang mit einem Quantenkaskadenlaser mit einer distributed feed back Strukturierung werden eine Stromrampe mit einer Dauer von 250 ms, Pulse mit einer Pulsbreite von 5 ms, einer Repititionsrate von 500 Hz und ein Modulationssignal beschrieben. Die sich daraus ergebende Stromrampe mit den überlagerten Pulsen und einer Sinuswelle wird an den Laser angelegt.The US 5 901 168 A describes quantum cascade lasers operating in multimode and pulsed mode. In the context of a quantum cascade laser with a distributed feed back structuring, a current ramp with a duration of 250 ms, pulses with a pulse width of 5 ms, a repetition rate of 500 Hz and a modulation signal are described. The resulting current ramp with the superimposed pulses and a sine wave is applied to the laser.

Die DE 100 15 615 A1 zeigt ein Gasmesssystem mit einer offenen optischen Messstrecke zur spektroskopischen Messung mindestens einer Komponente einer Gasprobe mit einer Laserquelle.The DE 100 15 615 A1 shows a gas measuring system with an open optical measuring section for the spectroscopic measurement of at least one component of a gas sample with a laser source.

CAPASSO, F. u. a.: New Frontiers in Quantum Cascade Lasers and Applications, in: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, 2000, S. 931–947, beschreibt Quantenkaskadenlaser und ihre Anwendungen. Die beschriebenen Laser werden z. B. für chemische Bestimmungen oder bei spektroskopischen Anwendungen verwendet.CAPASSO, F. u. a .: New Frontiers in Quantum Cascade Lasers and Applications, in: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, no. 6, 2000, pp. 931-947, describes quantum cascade lasers and their applications. The described lasers be z. For example chemical determinations or used in spectroscopic applications.

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 Modulierarbeit 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 well known in the art known. In the market for infrared optical gas measuring instruments At present, mainly non-dispersive devices are offered. Usually broadband, thermal emitters used as infrared light sources. Radiation detection is preferably done with thermal detectors such as thermopiles, Pyrodetectors or with photoacoustic detection methods. The NDIR method (non-dispersed IR absorption) is general a spectral filtering of radiation necessary with interference filters, with micromechanical Fabry-Perot resonators or with gas filters can be realized. Limited to the performance data of these meters works On the one hand, the low modulating work of the thermal radiators out, so generally only with frequencies in the 10 to 100 Hz range can be modulated. Above all, the devices are physically but through the given, too low spectral power density of a Planck radiator limited.

Mit großflächigen Strahlern würde man zwar höhere Leistungen erreichen, diese lassen sich aber nicht gut auf kleine Detektionselemente abbilden.With large spotlights you would though higher Achieve achievements, but these are not good on small Imaged 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.One Another disadvantage of thermal radiators is that their radiation can be collimated only under significant performance losses and thus measurements over size Routes are feasible only with considerable effort.

Bei den kostenmäßig aufwändigeren, dispersiven Geräten werden im Allgemeinen auch thermische Lichtquellen eingesetzt, so dass viele der vorgenannten Nachteile bestehen bleiben.at the cost-consuming, dispersive devices In general, thermal light sources are also used that many of the aforementioned disadvantages persist.

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.Laserspectroscopic Measuring methods are generally only for special applications and for highly sensitive Laboratory measurements used. This is partly due to the high Component prices and the highly sensitive and often maintenance-intensive measurement technology conditionally.

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 Need procedure Lasers that only emit in one fashion. This type of lasers is but generally only through elaborate selection or additional To obtain structuring of the laser, such as by a "distributed feedback (DFB) -Structuring ". Thereby the cost of such a laser is increased.

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 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 instruments is currently ongoing towards the use of non-thermal light sources. Especially called quantum cascade lasers (QCL) used at room temperature operated a pulse-shaped 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 airplanes passes currently in the direction of the application of infrared light sources. infrared Light penetrates much better fog, leaving one with infrared sight and infrared lights equipped Motor vehicle, ship or plane in the fog much safer can be controlled, as with the usual equipment. meanwhile become passive infrared sensors and infrared camera systems in the automotive sector for collision avoidance with humans and animals on the roadway used. By an additional Infrared lighting would the security increases become.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen der Wirkung einer breitbandigen inkohärenten LED-ähnlichen Lichtquelle anzugeben, bei dem die mittlere spektrale Leistungsdichte gegenüber bisherigen Verfahren erhöht ist. Weiterhin soll die Verwendung eines Verfahrens in einer Gasmessvorrichtung angegeben werden, so dass mit der Gasmessvorrichtung schnellere und empfindlichere Messungen möglich sind. Außerdem soll die Verwendung eines Verfahrens in einer Beleuchtungsvorrichtung angegeben werden, so dass die die Sicht bei schlechten Witterungsbedingungen, wie z. B. Nebel erhöht wird.The invention is therefore based on the object of specifying a method for generating the effect of a broadband incoherent LED-like light source, in which the average power spectral density is increased compared to previous methods. Furthermore, the use of a procedural be specified in a gas measuring device, so that faster and more sensitive measurements are possible with the gas measuring device. In addition, the use of a method in a lighting device should be specified so that the visibility in poor weather conditions, such. B. fog is increased.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zum Erzeugen der Wirkung einer breitbandign inkohärenten LED-ähnlichen Lichtquelle erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.These Task is with regard to the method for generating the effect a broadbandign incoherent LED-like Light source according to the invention solved by a method with the features of claim 1.

Hinsichtlich der Verwendung eines Verfahrens in einer Gasmessvorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst.Regarding the use of a method in a gas measuring device is the task according to the invention the use of a method with the features of the claim 6 solved.

Die Aufgabe wird bezüglich der Verwendung eines Verfahrens in einer Beleuchtungsvorrichtung erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Verfahrens mit den Merkmalen der Ansprüche 10 und 11 gelöst.The Task is relative the use of a method in a lighting device according to the invention the use of a method having the features of claims 10 and 11 solved.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen der Wirkung einer breitbandigen inkohärenten LED-Lichtquelle durch gepulstes Betreiben eines Quantenkaskadenlasers ohne modemselektive Strukturierung wird der Quantenkaskadenlaser mit Pulspaketen aus einzelnen sehr kurzen Pulsen im Bereich von 1 ms bis 200 ms betrieben, wobei die Pulspakete mit Frequenzen im Bereich von 1 Hz bis 100 Hz ein- und ausgeschaltet werden.At the inventive method for generating the effect of a broadband incoherent LED light source by pulsed operation of a quantum cascade laser without modem-selective structuring becomes the quantum cascade laser with pulse packets of individual very operated short pulses in the range of 1 ms to 200 ms, the pulse packets switched on and off at frequencies ranging from 1 Hz to 100 Hz become.

Von Vorteil kann es sein, wenn mit dem Quantenkaskadenlaser eine Wärmeabführeinrichtung, die die Wärme passiv ableitet, verbunden ist.From Advantage may be, if with the quantum cascade laser a heat dissipation device, the heat passively derived, is connected.

Ein derartiges Verfahren ist kostengünstig und der Quantenkaskadenlaser und der Pulserzeuger weisen eine kompakte Bauweise auf. Deshalb kann es in einer Gasmessvorrichtung oder einer Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden. Als QCL werden vorzugsweise Fabry-Perot-Laser oder Ridge-Laser ohne modenselektive Strukturierung verwendet.One Such method is inexpensive and the quantum cascade laser and the pulse generator have a compact Construction on. Therefore, it may be in a gas measuring device or a Lighting device can be used. As QCL, preferably Fabry-Perot laser or ridge laser used without mode-selective structuring.

Mit einem derartigen Verfahren 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 Such a method can many times higher average spectral power densities can be achieved than with available IR LEDs. With these high spectral power densities are thus faster and more sensitive infrared measuring devices possible. Here, the better collimability to thermal emitters can 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 Modulability in performance is without problems over the Operating current possible and better than with thermal emitters. Furthermore, such Laser device in an existing arrangement z. B. a headlight installed and operated from the 12 V / 24 V electrical system of a motor vehicle become.

Von Vorteil kann es sein, wenn die Frequenz variabel ist. Auf diese Weise kann die Frequenz gemäß der jeweiligen Anforderung gewählt werden.From Advantage may be, if the frequency is variable. To this Way, the frequency according to the respective Requirement selected become.

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.Farther is it cheap if the pulse height and / or Pulse duration of a single pulse and / or the pulse intervals of Single pulses during the Pulspaketes and / or in different Pulse packets can be varied. This is a good match different work processes 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 das Verfahren kann auch in anderen Vorrichtungen leicht verwendet werden, wodurch die Kosten gesenkt werden.In an advantageous development of the invention may be the Quantum cascade laser in a preferably standardized, standard housing with at least one for the laser radiation permeable Wall section are located. This wall section can, for example from a partially IR (infrared) -permeable polymer (eg polyethylene) be formed. This gives a compact design and that Method can also be easily used in other devices, which reduces the 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.From Advantage may be, if the housing with a gas such. B. Nitrogen or argon filled and is sealed. As a result, the quantum cascade laser, or the Construction technique (solder joints etc.) protected, 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.Cheap can be it when the for the laser radiation permeable Wall section has a Fresnel lens. This can cause the radiation be shaped according to the application. For example, this Fresnel lens by hot pressing a plastic material (eg 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.Advantageous It may be when the Fresnel lens is segmented, since it then for light scattering, z. 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.From It can also be an advantage if the heat dissipation device is located in the housing, because of this an effective heat dissipation and a compact design is given.

Weiterhin kann es günstig sein, wenn die Wärmeabführeinrichtung als passive Kühleinrichtung ausgebildet ist, da dadurch die Kosten gesenkt werdenFarther it can be cheap be when the heat dissipation device designed as a passive cooling device is because it lowers costs

Weiterhin kann es günstig sein, wenn die Strahlung in eine Infrarotlichtleiterfaser gekoppelt wird. Dadurch ist eine Umleitung der Strahlung möglich.Furthermore, it may be beneficial if the radiation is coupled into an infrared optical fiber. This makes it possible to redirect the radiation Lich.

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.moreover it can be cheap when the distance between the quantum cascade laser and the lens variable is. Thereby can various possibilities the lighting can be realized. This change in distance For example, by an integrated electromagnetic in the housing Device, such. B. a pot coil or a piezoversteller, be achieved.

Von Vorteil kann es sein, wenn zur Erzeugung der Pulszüge eine Spannungsversorgung mit einer DC/DC-Wandlung verwendet wird. Dadurch ist ein universeller Einsatz des Verfahrens, 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.From Advantage may be when to generate the pulse trains a Voltage supply with a DC / DC conversion is used. Thereby is a universal use of the method, eg. B. in motor vehicles or planes possible. It can be z. B. the power supply from a 12 V or a 24 V electrical system of a motor vehicle can be used.

Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Gasmessvorrichtung ist eine schnellere und empfindlichere Infrarotmessung als mit üblichen NDIR-Techniken möglich.By the use of the method according to the invention in a gas meter is a faster and more sensitive Infrared measurement as with usual 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.moreover it can be cheap be when the gas measuring device for detecting the radiation is a cost having thermal detector, z. 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.Advantageous it may be when the quantum cascade laser and the detection unit are mounted on a common substrate, since this space requirements and also the costs are reduced. For example, by doing so Optics components are saved.

Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Beleuchtungsvorrichtung ist eine gute Szenenbeleuchtung möglich.By the use of the method according to the invention in a lighting device is a good scene lighting possible.

Es kann günstig sein, wenn eine weitere, von dem Verfahren verschiedene Beleuchtungseinrichtung, vorgesehen ist. Dadurch ist ein unabhängiger Betrieb möglich.It can be cheap be if another illumination device different from the method, is provided. This allows 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.From It can also be an advantage if parts of the headlight are visible and infrared light are usable. This saves components and further reduced costs.

In einem Verfahren, das nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, zur Detektion von Licht aus einer Beleuchtungsvorrichtung, in der das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird, wird zur Detektion ein Infrarotempfängersystem verwendet. Dadurch ist eine Weiterverarbeitung des von der Beleuchtungsvorrichtung ausgesandten Infrarotlichts möglich.In a method which is not the subject of the present invention is, for detecting light from a lighting device, in the inventive method is used, for detection, an infrared receiver system used. This is a further processing of the of the lighting 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.From It may also be an advantage if the infrared receiver system has a thermal imaging device thereby an image of the illuminated by the lighting device Area is shown. The infrared receiver system can also be off 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 will be described below with reference to an embodiment and associated drawings explained in more detail.

Diese zeigen:These demonstrate:

1 einen Quantenkaskadenlaser in einem Gehäuse, der nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist; 1 a quantum cascade laser in a housing which is not the subject of the present invention;

2 die Ansteuerung einer Quantenkaskadenlaser-LED; 2 the activation of a quantum cascade laser LED;

3 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem Quantenkaskadenlaser und einer herkömmlichen Beleuchtungsvorrichtung; 3 a schematic representation of a lighting device with a quantum cascade laser and a conventional lighting device;

4 eine schematische Darstellung der Laservorrichtung für Messungen über große Distanzen; 4 a schematic representation of the laser device for measurements over long distances;

5 eine schematische Darstellung der Laservorrichtung für kurze Messstrecken und große Detektoren; 5 a schematic representation of the laser device for short measuring sections and large detectors;

6 einen schematischen Aufbau eines Messsystems mit gepulstem Quantenkaskadenlaser, einer Gasküvette und einem Detektor; 6 a schematic structure of a measuring system with pulsed quantum cascade laser, a gas cuvette and a detector;

7 eine Darstellung der Pulspakete. 7 a representation of 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 1 näher erläutert. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wirkung einer breitbandigen inkohärenten LED-ähnlichen Lichtquelle (im Folgenden Quantenkaskadenlaser – LED genannt) durch gepulstes Betreiben des Quantenkaskadenlasers ohne modenselektive Strukturierung erzeugt. Bei der Laservorrichtung handelt es sich um eine Quantenkaskadenlaser-LED 1.A laser device with a pulsed quantum cascade laser 7 how they z. B. in a gas measuring device 15 or a lighting device 16 can be used by 1 explained in more detail. In the method according to the invention, the effect of a broadband incoherent LED-like light source (hereinafter referred to as quantum cascade laser-LED) is generated by pulsed operation of the quantum cascade laser without mode-selective structuring. The laser device is a quantum cascade laser LED 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, stan dardmäßiges 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 is operable with pulse packets switched at frequencies in the range of 1 Hz to 100 kHz. Because the quantum cascade laser 7 No special cooling required, he can have a heat dissipation device 8th , z. B. one passive heat sink, by means of a fastening device 20 to a housing 4 be coupled, which then z. B. is cooled by an air cooling. The attachment takes place at the back of the housing 23 , The quantum cascade laser 7 , the heat dissipation device 8th and the fastening device 20 are located in the housing 4 , The housing 4 is usually a standard, stan dardmäßiges housing. The quantum cascade lasers used are preferably Fabry-Perot lasers or ridge lasers without mode-selective structuring.

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 case 22 has a wall portion permeable to the laser radiation 6 on, in a radiation-side housing opening 18 is appropriate. The wall section 6 can z. B. from a partially IR-transparent polymer such. For example, be formed 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.Because the quantum cascade laser 7 or the construction technique (solder joints, etc.) can react sensitively to oxidizing gases, the housing 4 for example, with dry nitrogen 5 or another gas 5 , z. As 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.For beam shaping is in the radiation-side housing opening 18 on the front of the housing 22 a lens 6 , preferably a Fresnel lens 6 used. By a segmented design of the Fresnel lens 6 a "light fan" as vehicle headlights can be realized. The Fresnel lens 6 For example, by hot pressing of a plastic material such. As polyethylene, be formed.

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.At the back of the case 23 are several housing feedthroughs 17 appropriate. Through the housing passage 2 becomes a negative contact 21 in the case 4 introduced and with the quantum cascade laser 7 connected. Through the housing passage 3 becomes a positive contact via the heat dissipation device 8th and the holder 2 in the case 4 brought in. Through the other housing bushings 17 If necessary, further contacts, eg. As temperature sensor, introduced into the housing or the gas 5 be replaced. Furthermore, there are bushings 17 for an active heat dissipation device, such. B. a Peltier cooler or for a distance control between quantum cascade laser 7 and the quantum cascade laser 7 facing side 19 the Fresnel lenses, such as. B. a piezoversteller provided.

In 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.In 2 is the control of the quantum cascade laser LED 1 shown. From a pulse generator 9 are used to operate the quantum cascade laser LED 1 Pulse trains emitted from individual pulses in the range of 1 ns to 200 ns. The fast pulse sequences are switched on and off with a frequency in the 1 Hz to 100 kHz range, so that the quantum cascade laser LED 1 how a current-modulated LED behaves. The duty ratio between the fast pulse sequences and the time-outs is chosen so that the quantum cascade laser 7 thermally relaxed during the timeout to the initial temperature value.

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 Pulserzeuger 9 to the quantum cascade laser LED 1 can be switched on or 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 thereby the quantum cascade laser LED 1 is universally applicable.

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.Thereby, that a 12-volt or a 24-volt electrical system is used for the power supply can, is an insert z. B. in a motor vehicle.

In 3 ist ein Schweinwerfer 16 mit einem Quantenkaskadenlaser-LED 1 und einer herkömmlichen Beleuchtungseinrichtung 33 schematisch dargestellt.In 3 is a pig launcher 16 with a quantum cascade laser LED 1 and a conventional lighting device 33 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.In a spotlight housing 34 There is a quantum cascade laser LED 1 and another of the quantum cascade laser LED 1 different lighting device 33 , This may be, for example, a glow-emitting luminaire, 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 behind a common headlight cover 35 appropriate.

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 the scene illumination, the distance d of the quantum cascade laser 7 from the side facing the quantum cascade laser 19 the Fresnel lens 6 smaller than the lens focal length, creating a divergent beam 11 is produced. By segmented design of the Fresnel lens 6 a "light fan" as vehicle headlights can be realized. In that parts of the headlight 16 such as As an unillustrated reflector or the Schweinwerferabdeckung 35 can be used for both visible and infrared light, such a headlight 16 be made easily and inexpensively.

Für die Detektion von Infrarotlicht, das z. B. von einer Beleuchtungsvorrichtung, wie in 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, Solometern 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, the z. B. from a lighting device, as in 3 described, an infrared receiver system can be used, the z. B. a heat has mebildgerät. Furthermore, also infrared detectors 14 on the basis of thermopiles, solometers or pyrodetectors as well as a phase-synchronous detection method conceivable. The infrared receiver system can also consist of discrete, independent infrared sensors. With such a system z. B. in fog the view of a motor vehicle driver can be significantly improved. Such a system thus contributes significantly to the increase in safety.

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.By changing the distance d between the quantum cascade lasers 7 and the side facing the quantum cascade laser 19 the lens 6 can the shape of the beam 11 to be changed. The change of the distance d can z. B. by a change in the size of the heat dissipation device 8th be made. The change in the distance d can also be achieved, for example, by a piezo-converter or an electromagnetic device (pot coil) integrated in the housing.

In 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 4 is a quantum cascade laser LED 1 schematically shown for measurements over long distances. To measure over long distances, the beam must 11 be collimated. This is the distance d of the quantum cascade laser 7 from the Fresnel lens 6 equal to the lens focal length selected.

In 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 5 is a quantum cascade laser LED 1 for a direct image of the beam 11 shown on a large, not shown detector. For short measuring distances and large detectors (eg Pyrodetektoren) the beam 11 directly through the Fresnel lens 6 again on a focus 12 be focused by the distance d of the quantum cascade laser 7 from the side facing the quantum cascade laser 19 the Fresnel lens 6 greater than the lens focal length is selected.

In 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 6 is the schematic structure of a gas measuring device 15 with a quantum cascade laser LED 1 , a gas cuvette 13 and a detector 14 shown. The gas cuvette 13 has a gas cuvette housing 24 , a side wall for light entry 25 through which the quantum cascade laser 7 emitted beam 11 in the gas cuvette interior 27 can enter and a side wall for light emission 26 on, through which the beam 11 again from the gas cell interior 27 can escape. The gas cuvette interior 27 is filled with gas. Alternatively, the gas cell interior 27 also be filled with a liquid. Then the gas measuring device 15 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 by means of a sensor holder 30 at the back of the detector 36 is attached, on. The sensor 29 and the sensor holder 30 are located in the detector housing 28 , The detector housing 28 has a radiation entrance opening 31 on the front of the detector 37 on, through which the beam 11 into the detector 14 can occur. At the back of the detector 36 are housing bushings 32 arranged by the z. B. lines not shown in the detector housing 28 can be introduced.

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 to detect the radiation 11 a thermal detector 14 having. Such detectors 14 are cheap 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 mounted on a common substrate. This allows a compact design of the gas measuring device 15 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.Especially with a gas measuring device 15 It may be beneficial if the quantum cascade laser 7 outgoing radiation 11 is coupled in an unillustrated infrared optical fiber. This can cause the radiation 11 of the quantum cascade laser 7 be redirected and the arrangement of the gas cell 13 be made according to the respective requirements of the measurement.

In 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 7 are the pulse packets 38 shown as a function of time. The switching frequency 1 / time does not necessarily have to be constant. For lighting purposes, eg. As in vehicles, it may be advantageous to a "sleep" mode with relatively low switching frequency, z. B. 10 Hz, to have. When observing an interesting object with an IR camera, the switching frequency can be increased to ensure better capture of moving objects or to achieve brighter illumination.

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.Also in the gas sensor, it may be advantageous if the switching frequency is not constant. At a low gas concentration, a relatively small switching frequency suffice. In a sudden Increase in gas concentration over a certain threshold, the switching frequency can be increased, to quickly detect the increased gas concentration to ensure.

Ebenso muss die in 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 7 ist das Laseransteuerungssignal, z. B. Betriebsspannung am Laser (Volt) oder Betriebsstrom (Ampere), auf der Ordinate angetragen.Likewise, the in 7 shown pulse height of a single pulse 39 can not remain constant, but can during the Pulspaketes 38 or by Pulspaket 38 to pulse package 38 be varied. This also applies to the pulse duration and the distances of individual pulses. This allows a good adaptation to different applications. In 7 is the laser drive signal, z. As operating voltage at the laser (volts) 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 power spectral densities of> 1 mW / (mm 2 · sr · μm) can be achieved. This is many times higher than with available IR LEDs, which are 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. Next, the cost of the control and detection electronics compared to the laser spectroscopic measuring systems is reduced, so that there are significant cost advantages. This allows laser-based systems to compete for the first time 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.With these high spectral power densities are thus faster and more sensitive infrared measuring devices with compact but specific and highly sensitive sensors, in the production and process measuring technology, in the automotive sector, used in safety technology and in climate and environmental sensors can be possible. in this connection can also exploit the better collimability to thermal emitters become.

Das erfindungsgemäße Verfahren 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 inventive method can also be used for scene lighting in the infrared. Infrared light in the spectral range between 8 and 12 microns penetrates much better fog, so that equipped with infrared and infrared infrared device motor vehicle, ship or aircraft can be controlled much safer in the fog, as with the usual equipment. The lighting device according to the invention 16 provides additional security over previous passive infrared sensors. Additional infrared lighting enhances the detection safety of people and animals on the road and results in a reduction of malfunctions. For stationary use, the function of infrared detectors, such. B. of motion detectors, the object protection can be improved by an additional infrared lighting.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine ideale Lichtquelle für die vorgenannten Anwendungen dar. Es 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 inventive method is an ideal light source for the aforementioned applications. It can be used in existing lighting equipment, 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 natural emission of objects near room temperature (10 μm), so that the same detection systems as for passive detection can be used.

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, the blendedness of using such additional light sources is an important issue. The highly polarized beam 11 a quantum cascade laser LED 1 can be blocked in 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 Phase-synchronous lockin detection is possible up to the 100 kHz range. Thus, stray and glare of another vehicle can 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, for scene analysis is only possible because the modulability in performance is possible without problems over the operating current and better than with thermal emitters. The modulability is only due to the heat balance of the quantum cascade laser 7 limited.

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.For scene analysis, a low duty cycle <1% (ie pulse train on / off duty cycle) can be used. Thus, the thermal load of the component is low, so that this in existing arrangements, such. B. a headlight 16 , can be installed.

Claims (13)

Verfahren zum Erzeugen der Wirkung einer breitbandigen inkohärenten LED-ähnlichen Lichtquelle durch gepulstes Betreiben eines Quantenkaskadenlasers (7) ohne modenselektive Strukturierung, bei dem 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.Method for generating the effect of a broadband incoherent LED-like light source by pulsed operation of a quantum cascade laser ( 7 ) without mode-selective structuring, in which the quantum cascade laser ( 7 ) with pulse packets ( 38 ) is operated from individual very short pulses in the range from 1 ns to 200 ns, the pulse packets ( 38 ) with frequencies in the range of 1 Hz to 100 kHz on and off. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Pulszüge eine Spannungsversorgung mit einer DC/DC-Wandlung verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that that to generate the pulse trains a power supply with a DC / DC conversion is used. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einem 12 V- oder einem 24 V-Bordnetz, verwendet wird.Method according to claim 2, characterized in that that the power supply from the electrical system of a motor vehicle, in particular a 12 V or 24 V electrical system is used. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz, mit der die Pulspakete (38) ein- und ausgeschaltet werden, variabel ist.Method according to at least one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the frequency with which the pulse packets ( 38 ) be switched on and off, is variable. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, 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.Method according to at least one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the pulse height and / or pulse duration of the individual pulse ( 39 ) and / or the pulse intervals of individual pulses ( 39 ) in the course of the pulse packet ( 38 ) and / or in different pulse packets ( 38 ) can be varied. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einer Gasmessvorrichtung.Use of a method according to one of claims 1 to 5 in a gas measuring device. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmessvorrichtung (15) eine Gasküvette (13) aufweist.Use of a method according to claim 6, characterized in that the gas measuring device ( 15 ) a gas cuvette ( 13 ) having. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmessvorrichtung (15) zum Nachweis der Strahlung einen thermischen Detektor (14) aufweist.Use of a method according to claim 6 or 7, characterized in that the gas measuring device ( 15 ) for detecting the radiation, a thermal detector ( 14 ) having. Verwendung eines Verfahrens nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Quantenkaskadenlaser (7) und die Detektionseinheit (14) auf einem gemeinsamen Substrat befestigt sind.Use of a method according to at least one of the preceding claims 6 to 8, characterized in that the quantum cascade laser ( 7 ) and the detection unit ( 14 ) are mounted on a common substrate. Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 in einer Beleuchtungsvorrichtung.Use of a method according to one of the preceding claims 1 to 5 in a lighting device. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einer Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere einem Scheinwerfer (16), dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere vom Quantenkaskadenlaser verschiedene Beleuchtungseinrichtung (33) vorgesehen ist.Use of a method according to one of claims 1 to 5 in a lighting device, in particular a headlight ( 16 ), characterized in that another illumination device (other than the quantum cascade laser) ( 33 ) is provided. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Quantenkaskadenlaser verschiedene Beleuchtungseinrichtung (33) einen Glühemissionsleuchtkörper, eine Halogenlampe oder eine Gasentladungslampe aufweist.Use of a method according to claim 11, characterized in that the different from the quantum cascade laser illumination device ( 33 ) has a Glühemissionsleuchtkörper, a halogen lamp or a gas discharge lamp. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des Scheinwerfers (16) für sichtbares und infrarotes Licht verwendbar sind.Use of a method according to claim 11 or 12, characterized in that parts of the headlight ( 16 ) are usable for visible and infrared light.
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