带集成温度受控光束整形元件的ＬＤ结构和借助其的气体检测方法技术

本发明专利技术涉及带集成温度受控光束整形元件的ＬＤ结构和借助其的气体检测方法。具体地，提供了专门用于在气体检测中使用的ＬＤ结构（１），其具有带电连接件（３）并具有底部（４）和窗（５）的密封外壳（２）。外壳（２）中设有ＬＤ芯片（６）和用于其的温控系统。珀耳帖元件形式的热敏元件（１２）形成温控系统，并在将温度受控的光束整形元件（１４）用作设置在ＬＤ芯片（６）与外壳（２）的窗（５）间的准直器的情况下，经由下部平坦表面（１３）连接至外壳（２）的底部（４），并经由上部平坦表面（１１）连接至ＬＤ芯片（６），光束整形元件（１４）在自ＬＤ芯片（６）的激光孔径（８）发出的激光束（７）通过窗（５）前作用于激光束（７）。光束整形元件（１４）与ＬＤ芯片（６）接触，并优选经由边界面（１６）通过面－面接触或粘合连接至激光孔径（８），或与激光孔径（８）被制成一件。

【技术实现步骤摘要】
带集成温度受控光束整形元件的LD结构和借助其的气体检测方法
本专利技术涉及一种专门用于在气体检测中使用的激光二极管(laserdiode，以下也称作LD)结构，其具有：密封外壳，该密封外壳带有电连接件，并具有底部和窗；设置在外壳中的激光二极管芯片和用于该激光二极管芯片的温控系统；以及光学的光束整形元件，该光束整形元件设置在激光二极管芯片与外壳的窗之间，并且在自激光二极管芯片的激光孔径发出的激光束通过窗之前准直该激光束。另外，本专利技术涉及借助于激光二极管结构的气体检测方法。
技术介绍
由于在安全、舒适、以及环境保护方面中的大量应用，所以存在对有成本效益的、可靠的、以及高灵敏度的气体传感器的需求。对于已知的气体传感器，通常通过利用吸收光谱法来实现对气体的检测。通过该技术，将例如某个频率的激光束的光束引导通过气体或气体混合物，其中该频率的光束被气体传感器所设计用于的气体强烈吸收。于是，光束的吸收程度被用作待检测气体的浓度的指示。对于气体检测，频谱单模的激光二极管是尤其合适的，目前所能制造的频谱单模的激光二极管用于高达100℃的运行温度。作为现有技术，德国专利公开DE19717145C2公开了一种方法，其借助于单模DFB激光二极管、并且通过利用该二极管经由其运行温度对发射波长的可调谐性，来拾取和/或扫描待测量的气体的频谱的一部分，并且在这种情况下，借助于气体的特征谱线来检测气体，然后确定气体的浓度。在测量方法的一般应用中，激光器的运行温度通常借助于热电冷却器(珀耳帖(Peltier)元件)保持恒定，并且借助于激光二极管的运行电压的变化实现来波长的调谐。具体地，采用可调谐激光气体检测(TDLS)，高的检测灵敏度要求由激光二极管半导体芯片发射的激光辐射以具有最少的干涉现象的方式自激光二极管发出。这样的干涉可由于如下原因引起：激光在激光二极管的作用如同镜子的外壳内表面上的反射，或者在激光二极管的窗的内表面或外表面上的反射，或者通过布置在外壳中的部件的类似表面上的反射。在激光吸收光谱中，在通过包含气体或气体混合物的测量段(或部分)之后，借助于例如光敏半导体元件或热传感器元件之类的检测器来测量对由激光二极管发射的光的吸收，并将接收信号送到信号分析仪中。在分析期间，信号分析仪能够将恒定的干涉图样与接收到的没有问题的信号分开。相比之下，在对接收到的信号进行分析期间不能完全消除变化的干涉图样，从而使得显著增强了激光束接收器的噪声，这使待检测气体的检测灵敏度降低。变化的干涉图样通常由激光二极管结构外壳上的温度影响或在该外壳中的温度影响所引起，其不能被消除，并且导致激光在激光二极管结构的外壳中的光程长度的变化。例如，如果作为激光束准直器的微透镜在激光二极管结构中设置于附连至外壳底部的激光二极管芯片与外壳的窗之间，则自激光二极管芯片的激光孔径发出的激光的反射将自然还发生在微透镜的相对于激光束横向取向的那些边界面处。类似于激光束在外壳的窗上的对应反射，这些反射也可导致叠置在其他可能发生的干涉图样上的干涉图样。由微透镜所引起的干涉图样还可取决于温度而改变，并因此对气体传感器的分辨率具有负面影响。
技术实现思路
本专利技术通过避免或大大地减少激光束在其从激光二极管结构的封闭的密封外壳发出时的干涉现象，解决了提出一种用于改善气体传感器灵敏度的方法的问题。根据本专利技术，该问题由具有权利要求1的特征的激光二极管结构解决，并由具有从属权利要求14的特征的用于减少激光二极管结构干涉现象的方法解决。在从属权利要求中给出了另外的有利实施例。在根据本专利技术的优选用来与供气体检测的装置一起使用的激光二极管结构中，外壳的窗相对于激光束的中心轴线倾斜，使得激光束沿激光二极管结构的方向可能发生在窗处的反射将会错过激光二极管芯片的激光孔径。窗倾斜的方位角对激光束的偏振矢量具有固定关系，其中偏振矢量在窗的入射平面中。设置成与具有激光二极管芯片的底部相对的窗可布置成平行或倾斜的构造，或者可合适地布置在外壳的延伸离开底部的侧壁上。在透射和反射方面，到达面对光学的光束整形元件的窗内侧的激光束根据光学上已知的Brewster角而动作。光束整形元件与激光二极管芯片物理接触，并相对于激光二极管芯片具有限定的温度状态。与激光二极管芯片的接触可以是直接的或间接的，并在激光二极管芯片与光束整形元件之间允许一定的热传递。激光二极管芯片和光束整形元件可一起被制成一件，也可被分开制成并稍后彼此连接，或者可将光束整形元件形成在激光二极管芯片上，使得在激光二极管芯片与光束整形元件之间实现紧密的物理接触。优选地，将透镜用作光束整形元件。代替透镜，光束整形元件还可由凹面镜或衍射光学元件或一些其他合适的光学元件组成。在本专利技术优选的实施例中，将光学的光束整形元件直接设置在激光二极管芯片上，并将该光学的光束整形元件优选地连接至激光二极管芯片的激光孔径的边界面。该光束整形元件可由例如玻璃之类的不变形固体材料制成，或者由例如塑料之类的弹性固体材料制成，或者由例如油之类的液体材料制成，所有的材料均具有合适的折射率。采用由固体材料制成的透镜，连接优选为面-面接触类型，而在采用由液体材料制成的透镜的情形中，则该连接优选为粘附类型。调节光束整形元件，使得优选将激光孔径设置在该光束整形元件的焦点处。作为面-面接触型的连接，其包括所有类型的永久性连接，其中连接的配对部分(partners)通过原子力或分子力保持在一起，并且其只能通过破坏连接的手段来分开。光束整形元件和激光二极管芯片由于采用了合适的温度控制的温控系统，因而总是具有相同的温度。这通过珀耳帖元件、实际的加热系统、或加热系统与珀耳帖元件的组合实现。这样，尤其是激光二极管芯片的激光孔径和光束整形元件中与该孔径相关联的边界面具有一致的温度。通过面-面接触型连接，由于激光二极管芯片和透镜或凹面镜的温度相同，所以不发生可能削弱激光二极管结构可靠性的无法控制的机械应力。由于激光孔径和光束整形元件的无间隔的连接，所以显著减小了激光束的一部分激光在光束整形元件的面对激光孔径的边界面上反射的危险。优选地，将例如透镜的光束整形元件制成分立的部件，并借助于粘合剂将其附连至激光孔径。在激光孔径与透镜之间将粘合剂设置成均质层。当从激光孔径到达粘合剂层以及从粘合剂层到透镜的边界面穿过时，激光束的光波根据Snell定律被折射。Snell定律认为光波在从具有一定相速度的透明介质到具有不同相速度的不同透明介质穿过时，将改变它们的方向。Snell定律规定了光波偏转的方向。在各介质中，激光以取决于介质折射率的传播速度运动。折射率指示了光在真空中的相速度与光在介质中的相速度的比率。众所周知的是，粘合剂层(例如，胶层或由凝胶(或液体)组成的粘合层)的折射率比光学上较薄的玻璃的折射率明显更接近透镜的折射率，使得当从激光二极管芯片到叠置并优选胶合的光束整形元件穿过时，激光折射得比在激光孔径与光束整形元件相关的边界面之间没有粘合层的情形要小得多。还可借助于液体将透镜连接至激光孔径。理想地，该液体具有与光学的光束整形元件的材料的折射率相对应的折射率。作为替代，可将透镜，例如由具有合适表面张力和合适折射率的液体材料组成的微透镜，用于激光二极管结构。在此，可将形成微透镜的液体材料直接应用(或涂覆)于激光二极管芯片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种专门用于在气体检测中使用的激光二极管结构（１），所述激光二极管结构（１）具有：密封外壳（２），所述密封外壳（２）带有电连接件（３），并且具有底部（４）和窗（５）；设置在所述外壳（２）中的激光二极管芯片（６）和用于所述激光二极管芯片（６）的温控系统（９、１２）；以及，光学的光束整形元件（１４），所述光束整形元件（１４）设置在所述激光二极管芯片（６）与所述外壳（２）的所述窗（５）之间，并在自所述激光二极管芯片（６）的激光孔径（８）发出的激光束（７）通过所述窗（５）之前准直所述激光束（７），其特征在于：所述外壳（２）的所述窗（５）相对于所述激光束（７）的中心轴线倾斜，使得在所述窗（５）处发生的所述激光束（７）的反射错开所述激光孔径（８）；并且所述光束整形元件（１４）与所述激光二极管芯片（６）物理接触，并相对于所述激光二极管芯片（６）具有恒定的温度状态。

【技术特征摘要】
EP 2009-11-6 09013934.61.一种专门用于在气体检测中使用的激光二极管结构(1)，所述激光二极管结构(1)具有：密封外壳(2)，所述密封外壳(2)带有电连接件(3)，并且具有底部(4)和窗(5)；设置在所述外壳(2)中的激光二极管芯片(6)和用于所述激光二极管芯片(6)的温控系统(9、12)；以及，光学的光束整形元件(14)，所述光束整形元件(14)设置在所述激光二极管芯片(6)与所述外壳(2)的所述窗(5)之间，并在自所述激光二极管芯片(6)的激光孔径(8)发出的激光束(7)通过所述窗(5)之前准直所述激光束(7)，其特征在于：所述外壳(2)的所述窗(5)相对于所述激光束(7)的中心轴线倾斜，使得在所述窗(5)处发生的所述激光束(7)的反射错开所述激光孔径(8)；所述光束整形元件(14)与所述激光二极管芯片(6)物理接触，并相对于所述激光二极管芯片(6)具有恒定的温度状态；其中，所述光束整形元件(14)面对激光孔径(8)的边界面大于激光二极管芯片(6)的激光孔径(8)，其中，所述光束整形元件(14)被制成分立部件，并借助于粘合剂(15)附连至所述激光孔径(8)，所述粘合剂(15)是胶或者液体，并具有与所述光束整形元件(14)的折射率对应的折射率，其中，采用凸形光束整形元件，所述凸形光束整形元件的光轴相对于所述激光孔径(8)的中心轴线偏移。2.根据权利要求1所述的激光二极管结...

【专利技术属性】
技术研发人员：B维林，R普罗塔西奥，M盖拉德，
申请(专利权)人：莱丹加工技术公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]