一种自带波长校准的同轴激光器及其光源内核制造技术

本实用新型专利技术涉及一种自带波长校准的同轴激光器及其光源内核，包括TO管座、TEC制冷器、热传导垫块、氮化铝垫块、激光器芯片、热敏电阻和TO管脚，TEC制冷器、激光器芯片和热敏电阻均分别与TO管脚电连接，激光器芯片的主光轴与TO管座的中心轴线同轴；TEC制冷器包括控温冷面和散热面，热传导垫块焊接在控温冷面上；热传导垫块包括第一垫块和第二垫块，第一垫块固定设置在第二垫块的上表面，第二垫块设置在TEC制冷器的上表面，制成第一垫块的材质的热扩散系数大于40mm

A coaxial laser with wavelength calibration and its light source core

The utility model relates to a coaxial laser with its own wavelength calibration and its light source core, which includes to tube base, TEC cooler, heat conduction cushion block, aluminum nitride cushion block, laser chip, thermistor and to pin. The TEC cooler, laser chip and thermistor are respectively electrically connected with to pin, the main optical axis of laser chip is coaxial with the central axis of to tube base; the TEC cooler Including temperature control and cooling surface and heat dissipation surface, the heat conduction cushion block is welded on the temperature control and cooling surface; the heat conduction cushion block includes the first cushion block and the second cushion block, the first cushion block is fixed on the upper surface of the second cushion block, the second cushion block is set on the upper surface of Tec cooler, and the heat diffusion coefficient of the material made of the first cushion block is greater than 40mm

【技术实现步骤摘要】
一种自带波长校准的同轴激光器及其光源内核
本技术涉及气体检测领域，特别是一种自带波长校准的同轴激光器及其光源内核。
技术介绍
基于TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术的气体含量实时在线式检测系统是通过气体对特定波长的激光吸收，测量对应气体的含量。它是先进的高灵敏度、快速响应的新一代气体检测技术。该技术具有测量精度高，可达ppm(百万分之一)量级；准确度高，可检测混合气体中的特定成分气体；响应速度快，可达毫秒响应量级；使用光学方式检测，可抗干扰和防爆特性；无需经常标定等优点，可用于易燃易爆气体检测。其中，若要实现激光器的高精度测量，必须保证激光系统中激光器光源工作的中心波长正好对准被测气体的吸收波长，以甲烷气体为例，某一吸收波长为1653.7nm，因此激光甲烷传感器光源中的激光器芯片扫描波长中心需要对准1653.7nm。然而激光器光源的驱动电流、环境温度等因素都会引起激光器芯片波长的漂移，环境温度越高，激光器芯片波长越长，反之越短。因此在环境温度变化、激光器中心波长自身跳变、激光器驱动电流变化等多重因素的影响下，需要激光器波长的扫描中心时时自校准，确保激光器芯片发出激光波长的扫描中心不发生变化，才能准确的检测出目标气体，使得设备成为真正的免校准、免维护设备。目前激光气体检测系统中的激光器主要存在以下几种问题：1、目前用于激光气体检测领域的激光器均是采用的蝶形14pin(butterfly)或者BOX的封装形式或同轴带制冷封装形式，所有当前市场上各类别的激光器光源产品均不带波长自校准功能，无法真正实现免维护激光器光源产品，不利于气体的准确检测；且目前的同轴带制冷封装形式的激光器多用于通信领域，波长漂移的控制精度为1nm左右，该控制精度完全不适应于气体检测领域。2、目前的低功耗小尺寸封装激光器，例如小型化BOX封装型和同轴带制冷型激光器都存在波长扫描中心不稳定，即用此类激光器的TDLAS气体检测设备检测气体时，浓度示值不够稳定，会出现1％左右的往返摆动。其原因在于：该类激光器中的半导体制冷器TEC控温冷面为保持设定温度，需要不停的进行正弦波式温度补偿控制，由于小尺寸封装激光器内部空间有限，热沉热负载太小，因此热沉温度稳定性低。而热敏电阻距离TEC控温冷面的高度因结构原因不容易降低，导致控制延时。从而导致DFB/Vcsel激光器芯片波长扫描中心始终在呈正弦波式的变化，从而影响到TDLAS气体检测设备浓度示值不够稳定。3、当前激光器在TDLAS气体检测系统应用中，为保证系统稳定性或者免维护，都外加独立的参考气室或带参考气室的光电探测器，但此类系统光电结构复杂、体积大、成本高、可靠性低。目前市场上还没有一种结构紧凑、体积小、成本低的自带波长较准功能的激光器。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种自带波长校准的同轴激光器及其光源内核，以解决现有的激光器无法进行波长自校准且波长扫描中心稳定性差的技术问题。本技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种自带波长校准的同轴激光器光源内核，包括TO管座、设置在所述TO管座上表面的TEC制冷器、设置在所述TEC制冷器上表面的热传导垫块、设置在所述热传导垫块上表面的氮化铝垫块以及分别设置在所述氮化铝垫块上表面的激光器芯片和热敏电阻；还包括贯穿设置在所述TO管座上的TO管脚，所述TEC制冷器、所述激光器芯片和所述热敏电阻均分别与所述TO管脚电连接，且所述激光器芯片的主光轴与所述TO管座的中心轴线同轴；所述TEC制冷器包括控温冷面和散热面，所述TEC制冷器的上表面为所述控温冷面，所述TEC制冷器的下表面为所述散热面，且所述热传导垫块焊接在所述控温冷面上；所述热传导垫块包括第一垫块和第二垫块，所述第一垫块固定设置在所述第二垫块的上表面，所述第二垫块设置在所述TEC制冷器的上表面，且制成所述第一垫块的材质的热扩散系数大于40mm2/s，制成所述第二垫块的材质的热扩散系数小于10mm2/s。本技术的有益效果是：由于TEC制冷器控温冷面为保持设定温度恒定，需要不停的进行正弦波式温度补偿控制，而热敏电阻感知TEC制冷器控温冷面温度变化的时间延迟，以及TEC制冷器控温冷面上的热传导垫块的热负载、热惯性共同决定了TEC制冷器对激光器芯片的控温稳定性，其中，热敏电阻感知TEC制冷器控温冷面温度变化的时间延迟，与TEC制冷器和热敏电阻之间的距离的关系为反比关系，即距离约小，时间延迟越短，感知越快，控温稳定度更高，TEC制冷器控温冷面上的热传导垫块的热负载(即热传导垫块的质量乘以比热容)越大，对于控制延迟所带来的温度冗余吸收越好，从而温度稳定度越高；热传导垫块的热扩散系数越小，材料的热惯性越大，保温效果越好，从而温度稳定度越高；因此本技术由第一垫块固定设置在第二垫块的上表面而构成的热传导垫块，且制成第一垫块的材质的热扩散系数大于40mm2/s，制成第二垫块的材质的热扩散系数小于10mm2/s，例如由钨铜制成的第一垫块，由可伐合金制成的第二垫块，由钨铜制成的第一垫块热扩散系数为74mm2/s，能有效减小控温时间延迟，由可伐合金制成的第二垫块热扩散系数为5mm2/s，能有效增大热沉的热惯性，而且热扩散系数小的材质包裹热扩散系数大的材质，也起到了一定的保温作用；因此用本技术所述结构的热传导垫块，能大幅度提高激光器控制温度的稳定性，从而提高激光器芯片波长扫描中心的稳定度，解决目前低功耗、小封装型激光器在TDLAS气体检测设备应用时，浓度示值1％左右不稳定现象，且用该结构的热传导垫块的激光器可达到浓度示值4‰的稳定度，从而更适用于TDLAS气体检测系统；其中，热传导垫块用于将TEC制冷器控制的温度变化量(制冷量或制热量)均匀平滑的传导到热敏电阻和激光器芯片中，既可以是金属材质或合金材质，也可以是非金属材质，氮化铝垫块用于设计激光器芯片及热敏电阻的控温回路，既能保证温度变化量传导到热敏电阻和激光器芯片中，又能保证激光器芯片和热敏电阻相互绝缘。在上述技术方案的基础上，本技术还可以做如下改进：进一步：所述第一垫块通过金属钎焊焊料或者银浆焊接固定在所述第二垫块的上表面，所述金属钎焊焊料包括金锡合金焊料、锡银铜合金焊料、铟银合金焊料、铋锡合金焊料、铅锡合金焊料、铟锡合金焊料中的至少一种。进一步：所述金属钎焊焊料或所述银浆的热传导率大于或等于40W/(m·K)。上述进一步方案的有益效果是：选择热传导率大于或等于40W/(m·K)的金属钎焊焊料或者银浆作为第一垫块和第二垫块的连接物质，可以保证受控的变化温度从TEC制冷器控温冷面贯穿第一、第二热传导垫块，再到热敏电阻和激光器芯片的散热底面之间的高速传导，以使TEC制冷器对热敏电阻的温度采集灵敏度以及对激光器芯片的温度控制灵敏度都有效提高，从而使得激光器波长稳定性提高，进一步避免了激光器波长扫描中心不稳定情况，有效提高波长控制精度，也使得基于本技术中的同轴激光器光源内核的TDLAS气体检测设备的测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自带波长校准的同轴激光器光源内核，其特征在于，包括TO管座(1)、设置在所述TO管座(1)上表面的TEC制冷器(2)、设置在所述TEC制冷器(2)上表面的热传导垫块(3)、设置在所述热传导垫块(3)上表面的氮化铝垫块(4)以及分别设置在所述氮化铝垫块(4)上表面的激光器芯片(5)和热敏电阻(6)；/n还包括贯穿设置在所述TO管座(1)上的TO管脚(7)，所述TEC制冷器(2)、所述激光器芯片(5)和所述热敏电阻(6)均分别与所述TO管脚(7)电连接，且所述激光器芯片(5)的主光轴与所述TO管座(1)的中心轴线同轴；/n所述TEC制冷器(2)包括控温冷面和散热面，所述TEC制冷器(2)的上表面为所述控温冷面，所述TEC制冷器(2)的下表面为所述散热面，且所述热传导垫块(3)焊接在所述控温冷端面上；/n所述热传导垫块(3)包括第一垫块(18)和第二垫块(19)，所述第一垫块(18)固定设置在所述第二垫块(19)的上表面，所述第二垫块(19)设置在所述TEC制冷器(2)的上表面，且制成所述第一垫块(18)的材质的热扩散系数大于40mm

【技术特征摘要】
1.一种自带波长校准的同轴激光器光源内核，其特征在于，包括TO管座(1)、设置在所述TO管座(1)上表面的TEC制冷器(2)、设置在所述TEC制冷器(2)上表面的热传导垫块(3)、设置在所述热传导垫块(3)上表面的氮化铝垫块(4)以及分别设置在所述氮化铝垫块(4)上表面的激光器芯片(5)和热敏电阻(6)；
还包括贯穿设置在所述TO管座(1)上的TO管脚(7)，所述TEC制冷器(2)、所述激光器芯片(5)和所述热敏电阻(6)均分别与所述TO管脚(7)电连接，且所述激光器芯片(5)的主光轴与所述TO管座(1)的中心轴线同轴；
所述TEC制冷器(2)包括控温冷面和散热面，所述TEC制冷器(2)的上表面为所述控温冷面，所述TEC制冷器(2)的下表面为所述散热面，且所述热传导垫块(3)焊接在所述控温冷端面上；
所述热传导垫块(3)包括第一垫块(18)和第二垫块(19)，所述第一垫块(18)固定设置在所述第二垫块(19)的上表面，所述第二垫块(19)设置在所述TEC制冷器(2)的上表面，且制成所述第一垫块(18)的材质的热扩散系数大于40mm2/s，制成所述第二垫块(19)的材质的热扩散系数小于10mm2/s。


2.根据权利要求1所述的自带波长校准的同轴激光器光源内核，其特征在于，所述第一垫块(18)通过金属钎焊焊料或者银浆焊接固定在所述第二垫块(19)的上表面，所述金属钎焊焊料包括金锡合金焊料、锡银铜合金焊料、铟银合金焊料、铋锡合金焊料、铅锡合金焊料、铟锡合金焊料中的至少一种。


3.根据权利要求2所述的自带波长校准的同轴激光器光源内核，其特征在于，所述金属钎焊焊料或所述银浆的热传导率大于或等于40W/(m·K)。


4.根据权利要求1至3任一项所述的自带波长校准的同轴激光器光源内核，其特征在于，所述TO管脚(7)由铜或铜合金制成。


5.根据权利要求1至3任一项所述的自带波长校准的同轴激光器光源内核，其特征在于，还包括TO管帽(8)，所述TO管帽(8)密封焊接在所述TO管座(1)上，且所述TEC制冷器(2)、所述热传导垫块(3)、所述氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋子毅，
申请(专利权)人：宋子毅，
类型：新型
国别省市：湖北;42