具有有所减小的干扰信号的激光二极管结构制造技术

本发明专利技术涉及具有有所减小的干扰信号的激光二极管结构，特别是提供了一种用于产生准直或发散激光束优选用于气体检测的激光二极管结构，且一种激光二极管布置在一种封闭的壳内，且壳包括壳底、出射窗、电连接、激光二极管的温控装置、以及用于影响激光束的光学元件。承载着激光二极管的温控装置布置在壳底上，并且光学元件定位在与激光二极管相距一定距离处。本发明专利技术提出了用于周期性改变光学元件相对于激光二极管的位置和/或排列的一种可电控的动力装置，从而使得壳中的激光束的光径长度周期性变化。光学元件的振荡运动具有对由壳中激光束的背反射导致的标准具效应和/或自混合效应进行时间平均的效果，由此降低激光二极管结构的光学噪声。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于产生激光束、优选用于气体检测应用中的激光二极管结构。该激光二极管结构具有布置在封闭壳内的激光二极管，其中，该封闭壳包括壳底、激光束的出射窗、电连接、激光二极管的温控装置和用于对激光束进行引导和/或成形的光学元件，且该光学元件定位在距激光二极管一定距离处。温控装置布置在壳底上并且承载着激光二极管。为了确定出某气体与其它气体相混合的气体混合物中的某气体的浓度，这种激光二极管结构例如可用作一种窄带辐射源连同一种相对应的辐射检测器。利用这些气体传感器，通常通过使用吸收光谱法实现待检测气体的检测。利用这种技术，由激光二极管结构产生一种激光束并且其波长被调整到待检测的气体，所述激光束穿过气体混合物。对激光的波长进行选择从而使得激光由气体进行强烈吸收。激光束的吸收度然后用作待检测气体的浓度的指示。
技术介绍
已知单模激光二极管(例如，一种借助于工作温度来运用二极管在发射波长方面的可调整性的DFB或VCSEL激光二极管)能够用于对于待分析的气体的光谱的多个部分进行扫描，并且在这种操作的过程中，用于在它们的特征谱线基础上检测气体。通常借助于一种热电温控装置(例如，冷却珀耳帖效应元件(Peltier element))来选择激光二极管的工作温度并且保持恒定，并且通过改变激光二极管的工作电流来对由激光二极管发射的激光辐射进行调整。当在气体传感器技术中使用激光二极管结构时，例如在可调整二极管激光光谱法(TDLS)中所需的高检测灵敏度要求由激光二极管结构产生的激光辐射以最小干扰现象从激光二极管出射。即使在激光二极管结构的壳、准直透镜或出射窗的反射表面上从激光二极管发出的激光束的激光的非常小的背反射仍具有标准具(etalon)效应和/或激光束的自混合的效应。这两种效应产生光学噪声，光学噪声会降低在高分辨率测试装置中的信号分辨率，并具有弱的气体吸收。
技术实现思路
本专利技术解决了明显降低或完全消除由于激光二极管结构的壳内部的背反射导致的标准具和/或激光二极管的自混合的问题，以便改善测试信号的分辨率。根据本专利技术，通过具有如上面所主张特性的激光二极管结构解决这个问题。在相关的主张中给出了有利的实施例。本专利技术基于对进入激光二极管的激光孔径内的激光在激光二极管结构的壳壁的、以及壳内的光学部件的反射表面上的的背反射而特定地进行时间平均的核心思想。通过借助于一种可移动光学元件而连续地和周期性地略微改变在反射表面与激光孔径之间的激光束的光径长度或光程(optical length)，可以实现这个目的。在这个上下文中，“略微改变”是指激光的波长量值的光径长度的变化。除了可移动光学元件以外，还可以在光束路径中布置非移动光束成形或光束引导光学元件。为了对由激光二极管产生的反射回到激光孔径的激光束的若干部分进行时间平均，根据本专利技术的激光二极管结构包括用于周期性改变光学元件相对于激光二极管的位置和/或排列的可电控的动力装置。光学元件的移动与介于激光二极管与可移动光学元件之间的光径长度的变化进行耦合。该激光二极管结构能够发射准直或发散的辐射。如果激光二极管结构对激光束进行准直，则可以移动准直透镜自身或者布置在准直透镜之间并且可以改变相对于壳的位置和/或排列的另一个光学元件。利用一种与壳进行固定连接的准直透镜形成例如激光二极管结构的出射窗，其它光学元件可以包括例如偏转镜。在认为激光二极管结构发射发散光的情况下、即在没有设置一种准直透镜的情况下，可移动光学元件可以与非准直出射窗进行协作工作。动力装置利用周期性振荡而改变激光二极管结构的壳中的激光束的光径长度。优选的是，沿着激光束直达到可移动光学元件的路线的振荡是与激光二极管的激光电流相对于激光波长的调制不同时的或异步的。通常，有三种改变光径长度的可能性。光学元件可以在与之垂直的光径的方向上进行移动或者可以在光径上进行旋转。这些类型的运动的组合也是可能的。关于第一可能性，例如，可以通过沿光轴移动且同时振荡所述准直透镜来改变激光二极管到准直透镜的距离。代替了准直透镜，移动由(通常是Peltier元件)布置在壳的底部上的温控装置进行支撑的激光二极管的替代方案必须被认为是有问题的。布置在温控装置与激光二极管之间、或者在壳底与温控装置之间的例如呈压电部件形式的用于移动激光二极管的致动器将会总是对激光二极管的热稳定性具有负面效应。即使激光二极管的温度的稍微变化仍会对激光束的波长稳定性和品质产生负面影响。为了改变光径长度的目的，由此特别地通过连续改变激光二极管与温控装置和/或壳底相距的距离，在激光二极管结构的壳内部周期性移动激光二极管将会是不利的。在本专利技术的优选实施例中，能够借助于动力装置影响到光学元件(例如，准直透镜、偏转镜、或者影响激光束的某其它光学元件)的距激光二极管的距离。为了移动准直透镜、偏转镜和/或改变激光束的方向或光束外形的某其它光学元件，动力装置优选包括连接到可移动光学元件和壳优选壳底的一种电致动器。这里，可移动准直透镜包括光学元件， 优选为微透镜。在准直透镜形成出射窗的情况下，偏转镜优选地包括微反射镜。微透镜或微反射镜可以分别布置在与致动器相连接的载体上、或者直接地布置在致动器自身上。证实了使用载体和悬臂是有利的，且载体牢固地附连到致动器并且微透镜或微反射镜布置在从致动器横向延伸的悬臂上。优选的是，能够借助于致动器执行光学元件的平移运动、回转运动或旋转运动。取决于致动器的工作方向以及它与光学元件的连接类型和它的连接方向，能够根据致动器的需要周期性移动这个元件相对于激光二极管的激光孔径的光轴的位置。尽管保持了光学元件相对于从激光孔径发出的激光束的倾角，但是光学元件可以例如仅仅沿激光二极管结构的光径或与之垂直进行移动，或者可以绕一个或若干个空间轴线而倾斜。动力装置还能够处理一个或若干个倾斜方向与一个或若干个平移方向的组合。优选的是，一种呈压电振荡元件、电力机械驱动系统、或者静电或热控装置形式的微致动器被用作致动器。在根据本专利技术的激光二极管结构的所有可能实施例中，动力装置还包括一种控制系统用于对致动器施加直流电压和/或交流电压。在一种中意的实施例中，致动器控制系统的直流电压部分用于将激光束与辐射检测器进行对准。这里，控制系统能够改变用于对经背反射的激光进行最佳时间平均的交流电压部分的幅值、频率和/或波形。例如，为了借助于一种可移动准直透镜实现对激光的背反射进行时间平均，则可以设置一种由硅形成的微透镜，该微透镜附连到致动器以使得激光孔径位于微透镜的焦平面上。 对准直微透镜进行定位以使得在激光束的延伸的方向(ζ方向)上它与激光二极管的激光孔径(例如，VCSEL的激光孔径)相距的距离是几百微米。为了进行平均化，利用交流电压由动力装置的控制系统操作致动器以使得激光孔径上方的准直透镜的位置在ζ方向上进行振荡。交流电压的频率选择为足够高以确保通过足够多数目的位置对每个测量点进行平均。 利用这个过程，由微型透镜的边界表面导致的标准具效应和/或自混合效应被有效地加以平均。在一个简单实施例中，例如，当施加电压时改变了结构高度的压电振荡元件能够被用作致动器。此外，可有利地将激光孔径布置在准直透镜的焦平面上、但不在透镜自身的焦点上。实际上，相对于激光孔径的光轴而发生的准直透镜的光轴横向移动30 μ m到50 μ本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于产生激光束、优选地用于在气体检测中的应用的激光二极管结构，且一种激光二极管布置在一种封闭的壳内，所述壳包括壳底、激光束的出射窗、电连接、激光二极管的温控装置、和用于引导激光束和／或对激光束成形的光学元件，温控装置布置在壳底上并且承载激光二极管，光学元件定位在与激光二极管相距一定距离处，其中，所述激光二极管结构包括一种可电控的动力装置，所述可电控的动力装置用于周期性地改变光学元件相对于激光二极管的位置和／或对准，以使得介于激光二极管与光学元件之间的光径长度可周期性变化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：M·盖拉德，B·威林，S·曼策内德，
申请(专利权)人：莱丹加工技术公司，
类型：发明
国别省市：CH