Verfahren zur Ansteuerung einer Laserdiode in einem Spektro- meter

Laser-Spektrometer werden insbesondere für die optische Gasanalyse in der Prozessmesstechnik eingesetzt. Dabei erzeugt eine Laserdiode Licht im Infrarotbereich, das durch das zu messende Prozessgas geführt und anschließend detektiert wird. Die Wellenlänge des Lichts wird auf eine spezifische Absorptionslinie der jeweils zu messenden Gaskomponente des Prozessgases abgestimmt, wobei die Laserdiode die Absorptionslinie periodisch abtastet. Aus der detektierten Absorption in der Mitte der Absorptionslinie kann die Konzentration der in- teressierenden Gaskomponente bestimmt werden. Diese Messung kann durch weitere Messungen an einem Referenz- oder Nullgas referenziert bzw. normalisiert werden.

Die Intensität und Wellenlänge des erzeugten Lichts sind nichtlineare Funktionen des Injektionsstromes und der Betriebstemperatur der Laserdiode. Für unterschiedliche Messungen wird der Injektionsstrom entsprechend unterschiedlicher Strom-Zeit-Funktionen verändert. Bei der Abtastung von Absorptionslinien interessierender Gaskomponenten oder eines Referenzgases können rampen- oder dreieckförmige Strom-Zeit- Funktionen und für eine Nullmessung Strom-Zeit-Funktionen in Form von Bursts verwendet werden (EP 2 072 979 AI) . Enthält eine Messperiode z. B. unterschiedliche Abschnitte, in denen der Injektionsstrom entsprechend unterschiedlichen Strom- Zeit-Funktionen variiert wird, kann eine von einer auf die nächste Periode vorgenommene Änderung der Strom-Zeit-Funktion in einem Abschnitt Wellenlängen- und Intensitätsänderungen in dem folgenden Abschnitt hervorrufen, auch wenn dort die

Strom-Zeit-Funktion unverändert geblieben ist. Solche Effekte lassen sich nur unzureichend durch eine Temperaturregelung der Laserdiode beherrschen.

Aus der US 5,642,371 A ist ein Verfahren zur periodischen AnSteuerung eines Halbleiter-Lasers mit einem Injektionsstrom bekannt, wobei in mindestens einem Abschnitt jeder Periode der Injektionsstrom entsprechend einer vorgegebenen Strom- Zeit-Funktion variiert wird, und in jeder Periode ein weiterer Zeit-Abschnitt mit einer zusätzlichen Strom-Zeit-Funktion zur Änderung der resultierenden Wellenlänge eingefügt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Wellenlängenstabilität einer Laserdiode in einem Spektrometer zu verbessern .

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst, von dem vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind. Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur periodischen Ansteuerung einer Laserdiode in einem Spektrometer mit einem Injektionsstrom, wobei

- in mindestens einem Abschnitt jeder Periode der Injektionsstrom entsprechend einer vorgegebenen und von einer zur nächsten Periode veränderbaren Strom-Zeit-Funktion variiert wird, und

- in jeder Periode unmittelbar nach dem Abschnitt mit der veränderbaren Strom-Zeit-Funktion ein weiterer Abschnitt eingefügt wird, in dem eine aus einer Veränderung der

Strom-Zeit-Funktion resultierende Änderung der der Laserdiode zugeführten Strommenge kompensiert wird.

Wird beispielsweise die Strom-Zeit-Funktion in einem Abschnitt der Ansteuerungsperiode so geändert, dass die der La- serdiode in diesem Abschnitt zugeführte Strommenge größer ist, als in demselben Abschnitt der vorangegangenen Periode, so ändert sich der Anfangszustand der Laserdiode zu Beginn der nächsten Ansteuerungsabschnitts . So ist z. B. die Temperatur der Laserdiode 3 von der ihr in einem Abschnitt zuge- führten Strommenge bzw. Energie abhängig. Zusammen mit dem Injektionsstrom beeinflusst die Temperatur die Wellenlänge des von der Laserdiode erzeugten Lichts. Um den Anfangszustand der Laserdiode zu Beginn eines neuen Ansteuerungsabschnitts unabhängig von der Ansteuerung in dem vorangegange- nen Abschnitt zu halten, wird daher entsprechend der Erfindung unmittelbar nach dem vorangegangenen Abschnitt ein weiterer Abschnitt eingefügt, in dem der Laserdiode eine Strommenge zugeführt wird, die zusammen mit der in dem vorangegan- genen Abschnitt zugeführten Strommenge von Periode zu Periode konstant bleibt. Da die Intensität und Wellenlänge des von der Laserdiode erzeugten Lichts Funktionen des Injektionsstromes und der Betriebstemperatur sind, können das Integral des Injektionsstroms über den weiteren und den vorangegange- nen Abschnitt, das Integral des Quadrats des Injektionsstroms oder ein dazwischen liegender Wert als Maß für die Strommenge herangezogen werden. In dem weiteren Abschnitt können der Injektionsstrom und/oder die Dauer des Abschnitts verändert werden. So können z. B. die Periodendauer nur die Höhe des Injektionsstroms i variiert und die Länge des weiteren Abschnitts konstant gehalten werden, um die Periodendauer konstant zu halten oder nicht von vornherein verlängern zu müssen. Wird dagegen die Höhe des Injektionsstroms unverändert gehalten und die Dauer des weiteren Abschnitts variiert, be- steht die Möglichkeit, den Injektionsstrom in dem weiteren Abschnitt auf den Anfangswert im nachfolgenden Abschnitt festzulegen und so einen Sprung im Stromverlauf zu Beginn des nachfolgenden Abschnitts zu vermeiden. Schließlich kann der Injektionsstrom in dem weiteren Abschnitt linear vom Endwert im vorangegangen Abschnitt auf den Anfangswert im nachfolgenden Abschnitt verändert werden, ohne dass ein Sprung im

Stromverlauf auftritt.

Die Erfindung ermöglicht nach jedem Abschnitt einer Ansteu- erungsperiode mit einer veränderbaren Strom-Zeit-Funktion eine Kompensation der aus einer Veränderung der Strom-Zeit- Funktion resultierenden Änderung der der Laserdiode zugeführten Strommenge, so dass der der Anfangszustand der Laserdiode zu Beginn des nächsten Ansteuerungsabschnitts weitgehend un- verändert leibt. Dieser nächste Ansteuerungsabschnitt kann innerhalb der jeweils aktuellen Ansteuerungsperiode oder in der nächsten Periode liegen. Dabei enthält jede Periode mindestens einen der folgenden Abschnitte: - ein Abschnitt zur wellenlängenabhängigen Abtastung einer Absorptionslinie einer zu messenden Gaskomponente eines Messgases ,

- ein Abschnitt zur wellenlängenabhängigen Abtastung einer Absorptionslinie eines Referenzgases,

- ein Abschnitt zur Nullgasmessung.

Im Weiteren wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert; im Einzelnen zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Laser-

Spektrometers zur Durchführung des erfindungs- gemäßen Verfahrens,

Figur 2 und 3 ein Beispiel für eine herkömmliche Ansteuerung der Laserdiode,

Figur 4 und 5 ein erstes Beispiel für die erfindungsgemäße

Ansteuerung der Laserdiode,

Figur 6 und 7 ein zweites Beispiel für die erfindungsgemäße

Ansteuerung der Laserdiode und Figur 8 und 9 ein drittes Beispiel für die erfindungsgemäße

Ansteuerung der Laserdiode.

Figur 1 zeigt ein Laser-Spektrometer zur Messung der Konzentration mindestens einer interessierenden Gaskomponente eines Messgases 1, das in einem Messvolumen 2, beispielsweise einer Messküvette oder einer Prozessgasleitung, enthalten ist. Das Spektrometer enthält eine Laserdiode 3, deren Licht 4 durch das Messgas 1 und ggf. eine nachgeordnete, mit einem Referenzgas 5 gefüllte Referenzgasküvette 6 auf einen Detektor 7 fällt. Die Laserdiode 3 wird von einer Steuereinrichtung 8 mit einem Injektionsstrom i angesteuert, wobei die Intensität und Wellenlänge des erzeugten Lichts 4 von dem Injektionsstrom i und der Betriebstemperatur der Laserdiode 3 abhängen. Entsprechend der Ansteuerung mit einer vorgegebenen, Vorzugs- weise rampenförmigen Strom-Zeit-Funktion wird die Wellenlänge des Lichts 4 auf eine spezifische Absorptionslinie der jeweils interessierenden Gaskomponente des Messgases 1 abgestimmt, wozu die die Absorptionslinie periodisch abtastet wird. In einer Auswerteeinrichtung 9 wird aus der detektier- ten Absorption in der Mitte der Absorptionslinie die Konzentration der interessierenden Gaskomponente bestimmt. Diese Messung kann durch weitere Messungen an dem in der Referenz - gas 5 oder einem nicht infrarotaktiven Nullgas referenziert bzw. normalisiert werden.

Figur 2 zeigt als Beispiel für eine herkömmliche Ansteuerung der Laserdiode 3 den Verlauf des Injektionsstroms i über die Zeit t während einer Ansteuerungsperiode . Die Ansteuerungs- periode enthält einen ersten Abschnitt Tl, in dem der Injektionsstrom i entsprechend einer ersten Strom-Zeit-Funktion fll variiert wird. In einem folgenden zweiten Abschnitt T2 wird der Injektionsstrom i entsprechend einer zweiten Strom- Zeit-Funktion f2 variiert. In dem hier gezeigten Beispiel sind beide Strom-Zeit-Funktionen fll und f2 jeweils rampen- förmig und dienen dazu, die Laserdiode 3 in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen durchzustimmen, um zwei Absorptionslinien abzutasten. Figur 3 zeigt den Verlauf des Injektionsstroms i während einer nächsten Ansteuerungsperiode, in der die erste Strom- Zeit-Funktion von fll auf fl2 geändert wurde. In dem gezeigten Beispiel wurde die Steigung der rampenförmigen Funktion vergrößert, so dass der zugehörige Wellenlängenbereich, über den die Laserdiode 3 abgestimmt wird, vergrößert wurde.

Obwohl in beiden aufeinander folgenden Ansteuerungsperioden die zweite Strom-Zeit-Funktion f2 dieselbe ist, sind die Anfangszustände der Laserdiode 3 zu Beginn des zweiten Ab- Schnitts T2 in den beiden Ansteuerungsperioden unterschiedlich. So ist in Figur 2 die Sprunghöhe von der ersten Strom- Zeit-Funktion fll auf die zweite Strom-Zeit-Funktion f2 größer als bei Figur 3, wo die Sprunghöhe von fl2 auf f2 niedriger ist. Weiterhin ist in Figur 2 die der Laserdiode 3 in dem Abschnitt Tl zugeführte Strommenge bzw. Energie kleiner als in Falle von Figur 3. Es ist daher möglich, dass die Laserdiode 3 den beiden aufeinander folgenden Ansteuerungsperioden trotz identischer Ansteuerung mit der Strom-Zeit-Funktion f2 im Abschnitt T2 zumindest anfänglich unterschiedliche Wellenlängen erzeugt .

Figur 4 zeigt ein erstes Beispiel für die erfindungsgemäße Ansteuerung der Laserdiode 3, bei dem ausgehend von der be- kannten Ansteuerung nach Figur 2 unmittelbar nach dem Abschnitt Tl mit der veränderbaren Strom-Zeit-Funktion fll ein weiterer Abschnitt T3 eingefügt wird, in dem der Laserdiode 3 eine Strommenge zugeführt wird, die zusammen mit der in dem Abschnitt Tl zugeführten Strommenge von Periode zu Periode konstant ist.

Wie Figur 5 zeigt, wird in der folgenden Ansteuerungsperiode die der Laserdiode 3 in dem weiteren Abschnitt T3 zugeführte Strommenge verringert, weil in dem vorangegangenen Abschnitt Tl mit der Strom-Zeit-Funktion fl2 eine größere Strommenge zugeführt wurde als in demselben Abschnitt Tl der vorangegangenen Ansteuerungsperiode (Figur 4) . In dem weiteren Abschnitt T3 wird also eine aus einer Veränderung der Strom- Zeit-Funktion von fll auf fl2 resultierende Änderung der der Laserdiode 3 zugeführten Strommenge kompensiert.

Im Falle des in den Figuren 4 und 5 gezeigten Beispiels bleibt die Länge des weiteren Abschnitts T3 unverändert und wird nur die Höhe des Injektionsstroms i variiert.

Bei dem in den Figuren 6 und 7 gezeigten Beispiel bleibt die Höhe des Injektionsstroms i unverändert und wird die Dauer des weiteren Abschnitts T3 variiert. Dabei kann, wie gezeigt, der Injektionsstrom i in dem Abschnitt T3 auf den Anfangswert im nachfolgenden Abschnitt T2 festgelegt werden, um einen

Sprung im Stromverlauf zu Beginn der Strom-Zeit-Funktion f2 zu vermeiden. Bei dem in den Figuren 8 und 9 gezeigten Beispiel wird der Injektionsstrom i in dem weiteren Abschnitt T3 linear vom Endwert im vorangegangen Abschnitt Tl auf den Anfangswert im nachfolgenden Abschnitt T2 verändert, so dass zwischen den Strom-Zeit-Funktionen fll bzw. fl2 und f2 kein Sprung im Stromverlauf stattfindet.

Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen nach den Figuren 4 bis 9 wird das Integral des Injektionsstroms i über die je- weiligen Abschnitte Tl, T3 herangezogen, um die der Laserdiode 3 in beiden Abschnitten Tl und T3 zugeführte Strommenge konstant zu halten. Alternativ kann Integral des Quadrats des Injektionsstroms i als Maß für die Strommenge herangezogen werden. In beiden Fällen lässt sich eine befriedigende Kom- pensation erreichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für Spektrometer in allen Bandbreiten (UV, VIS, IR) geeignet.