專利名稱：具有有所減小的干擾信號的激光二極管結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生激光束、優(yōu)選用于氣體檢測應用中的激光二極管結構。該激光二極管結構具有布置在封閉殼內(nèi)的激光二極管，其中，該封閉殼包括殼底、激光束的出射窗、電連接、激光二極管的溫控裝置和用于對激光束進行引導和/或成形的光學元件，且該光學元件定位在距激光二極管一定距離處。溫控裝置布置在殼底上并且承載著激光二極管。為了確定出某氣體與其它氣體相混合的氣體混合物中的某氣體的濃度，這種激光二極管結構例如可用作一種窄帶輻射源連同一種相對應的輻射檢測器。利用這些氣體傳感器，通常通過使用吸收光譜法實現(xiàn)待檢測氣體的檢測。利用這種技術，由激光二極管結構產(chǎn)生一種激光束并且其波長被調(diào)整到待檢測的氣體，所述激光束穿過氣體混合物。對激光的波長進行選擇從而使得激光由氣體進行強烈吸收。激光束的吸收度然后用作待檢測氣體的濃度的指示。
背景技術：
已知單模激光二極管(例如，一種借助于工作溫度來運用二極管在發(fā)射波長方面的可調(diào)整性的DFB或VCSEL激光二極管)能夠用于對于待分析的氣體的光譜的多個部分進行掃描，并且在這種操作的過程中，用于在它們的特征譜線基礎上檢測氣體。通常借助于一種熱電溫控裝置(例如，冷卻珀耳帖效應元件(Peltier element))來選擇激光二極管的工作溫度并且保持恒定，并且通過改變激光二極管的工作電流來對由激光二極管發(fā)射的激光輻射進行調(diào)整。當在氣體傳感器技術中使用激光二極管結構時，例如在可調(diào)整二極管激光光譜法(TDLS)中所需的高檢測靈敏度要求由激光二極管結構產(chǎn)生的激光輻射以最小干擾現(xiàn)象從激光二極管出射。即使在激光二極管結構的殼、準直透鏡或出射窗的反射表面上從激光二極管發(fā)出的激光束的激光的非常小的背反射仍具有標準具(etalon)效應和/或激光束的自混合的效應。這兩種效應產(chǎn)生光學噪聲，光學噪聲會降低在高分辨率測試裝置中的信號分辨率，并具有弱的氣體吸收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了明顯降低或完全消除由于激光二極管結構的殼內(nèi)部的背反射導致的標準具和/或激光二極管的自混合的問題，以便改善測試信號的分辨率。根據(jù)本發(fā)明，通過具有如上面所主張?zhí)匦缘募す舛O管結構解決這個問題。在相關的主張中給出了有利的實施例。本發(fā)明基于對進入激光二極管的激光孔徑內(nèi)的激光在激光二極管結構的殼壁的、以及殼內(nèi)的光學部件的反射表面上的的背反射而特定地進行時間平均的核心思想。通過借助于一種可移動光學元件而連續(xù)地和周期性地略微改變在反射表面與激光孔徑之間的激光束的光徑長度或光程(optical length)，可以實現(xiàn)這個目的。在這個上下文中，“略微改變”是指激光的波長量值的光徑長度的變化。除了可移動光學元件以外，還可以在光束路徑中布置非移動光束成形或光束引導光學元件。為了對由激光二極管產(chǎn)生的反射回到激光孔徑的激光束的若干部分進行時間平均，根據(jù)本發(fā)明的激光二極管結構包括用于周期性改變光學元件相對于激光二極管的位置和/或排列的可電控的動力裝置。光學元件的移動與介于激光二極管與可移動光學元件之間的光徑長度的變化進行耦合。該激光二極管結構能夠發(fā)射準直或發(fā)散的輻射。如果激光二極管結構對激光束進行準直，則可以移動準直透鏡自身或者布置在準直透鏡之間并且可以改變相對于殼的位置和/或排列的另一個光學元件。利用一種與殼進行固定連接的準直透鏡形成例如激光二極管結構的出射窗，其它光學元件可以包括例如偏轉(zhuǎn)鏡。在認為激光二極管結構發(fā)射發(fā)散光的情況下、即在沒有設置一種準直透鏡的情況下，可移動光學元件可以與非準直出射窗進行協(xié)作工作。動力裝置利用周期性振蕩而改變激光二極管結構的殼中的激光束的光徑長度。優(yōu)選的是，沿著激光束直達到可移動光學元件的路線的振蕩是與激光二極管的激光電流相對于激光波長的調(diào)制不同時的或異步的。通常，有三種改變光徑長度的可能性。光學元件可以在與之垂直的光徑的方向上進行移動或者可以在光徑上進行旋轉(zhuǎn)。這些類型的運動的組合也是可能的。關于第一可能性，例如，可以通過沿光軸移動且同時振蕩所述準直透鏡來改變激光二極管到準直透鏡的距離。代替了準直透鏡，移動由(通常是Peltier元件)布置在殼的底部上的溫控裝置進行支撐的激光二極管的替代方案必須被認為是有問題的。布置在溫控裝置與激光二極管之間、或者在殼底與溫控裝置之間的例如呈壓電部件形式的用于移動激光二極管的致動器將會總是對激光二極管的熱穩(wěn)定性具有負面效應。即使激光二極管的溫度的稍微變化仍會對激光束的波長穩(wěn)定性和品質(zhì)產(chǎn)生負面影響。為了改變光徑長度的目的，由此特別地通過連續(xù)改變激光二極管與溫控裝置和/或殼底相距的距離，在激光二極管結構的殼內(nèi)部周期性移動激光二極管將會是不利的。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，能夠借助于動力裝置影響到光學元件(例如，準直透鏡、偏轉(zhuǎn)鏡、或者影響激光束的某其它光學元件)的距激光二極管的距離。為了移動準直透鏡、偏轉(zhuǎn)鏡和/或改變激光束的方向或光束外形的某其它光學元件，動力裝置優(yōu)選包括連接到可移動光學元件和殼優(yōu)選殼底的一種電致動器。這里，可移動準直透鏡包括光學元件， 優(yōu)選為微透鏡。在準直透鏡形成出射窗的情況下，偏轉(zhuǎn)鏡優(yōu)選地包括微反射鏡。微透鏡或微反射鏡可以分別布置在與致動器相連接的載體上、或者直接地布置在致動器自身上。證實了使用載體和懸臂是有利的，且載體牢固地附連到致動器并且微透鏡或微反射鏡布置在從致動器橫向延伸的懸臂上。優(yōu)選的是，能夠借助于致動器執(zhí)行光學元件的平移運動、回轉(zhuǎn)運動或旋轉(zhuǎn)運動。取決于致動器的工作方向以及它與光學元件的連接類型和它的連接方向，能夠根據(jù)致動器的需要周期性移動這個元件相對于激光二極管的激光孔徑的光軸的位置。盡管保持了光學元件相對于從激光孔徑發(fā)出的激光束的傾角，但是光學元件可以例如僅僅沿激光二極管結構的光徑或與之垂直進行移動，或者可以繞一個或若干個空間軸線而傾斜。動力裝置還能夠處理一個或若干個傾斜方向與一個或若干個平移方向的組合。優(yōu)選的是，一種呈壓電振蕩元件、電力機械驅(qū)動系統(tǒng)、或者靜電或熱控裝置形式的微致動器被用作致動器。在根據(jù)本發(fā)明的激光二極管結構的所有可能實施例中，動力裝置還包括一種控制系統(tǒng)用于對致動器施加直流電壓和/或交流電壓。在一種中意的實施例中，致動器控制系統(tǒng)的直流電壓部分用于將激光束與輻射檢測器進行對準。這里，控制系統(tǒng)能夠改變用于對經(jīng)背反射的激光進行最佳時間平均的交流電壓部分的幅值、頻率和/或波形。例如，為了借助于一種可移動準直透鏡實現(xiàn)對激光的背反射進行時間平均，則可以設置一種由硅形成的微透鏡，該微透鏡附連到致動器以使得激光孔徑位于微透鏡的焦平面上。 對準直微透鏡進行定位以使得在激光束的延伸的方向(ζ方向)上它與激光二極管的激光孔徑(例如，VCSEL的激光孔徑)相距的距離是幾百微米。為了進行平均化，利用交流電壓由動力裝置的控制系統(tǒng)操作致動器以使得激光孔徑上方的準直透鏡的位置在ζ方向上進行振蕩。交流電壓的頻率選擇為足夠高以確保通過足夠多數(shù)目的位置對每個測量點進行平均。 利用這個過程，由微型透鏡的邊界表面導致的標準具效應和/或自混合效應被有效地加以平均。在一個簡單實施例中，例如，當施加電壓時改變了結構高度的壓電振蕩元件能夠被用作致動器。此外，可有利地將激光孔徑布置在準直透鏡的焦平面上、但不在透鏡自身的焦點上。實際上，相對于激光孔徑的光軸而發(fā)生的準直透鏡的光軸橫向移動30 μ m到50 μ m 被證實是最佳的。此外，可有利地將致動器透鏡附連到致動器，以使得準直透鏡的焦平面不與激光束的光束方向垂直、但相對于激光束傾斜10°到30°的角。原理上，可以在根據(jù)本發(fā)明的激光二極管結構中使用具有相同效果的任何其它光束成形元件以替代準直透鏡。例如，這些光束成形元件可以包括由許多類型的材料形成的準直微型透鏡、準直鏡、或者準直GRIN透鏡。例如，作為準直鏡可使用凸鏡、拋物鏡、離軸拋物鏡或橢圓鏡等等。作為可移動光學元件或者作為固定光學元件，還可以使用衍射光學部件。為了對朝向激光二極管的激光孔徑的激光的背反射進行時間平均的目的，還可以將激光束的軸線相對于準直透鏡的軸線連續(xù)進行往復回轉(zhuǎn)。這對背反射產(chǎn)生連續(xù)不同的光徑長度，這具有對相關的干擾效應進行有效平均的效果。為了以振蕩方式連續(xù)地回轉(zhuǎn)激光束的光軸，例如可以將可移動偏轉(zhuǎn)鏡附連到致動器以使得激光束在到達準直透鏡的表面之前首先撞擊鏡表面。為了保持激光二極管結構的結構化尺寸較小，例如可以使用只具有幾個平方毫米的鏡表面尺寸的一種所謂微反射鏡。偏轉(zhuǎn)鏡可以繞至少一個軸線進行旋轉(zhuǎn)。通常，利用一種疊加了交流電壓的直流電壓來對這個微反射鏡進行操作。借助于直流電壓，能夠限定微反射鏡的中立位置，而同時交流電壓用來繞中立位置連續(xù)地往復對微反射鏡進行回轉(zhuǎn)。由于在整個近似1到2mm的激光束的光徑長度上必需產(chǎn)生近似1到2 μ m的徑差用以對背反射進行有效時間平均，所以偏轉(zhuǎn)鏡的繞中立位置的非常小偏轉(zhuǎn)對此是足夠的。通過旋轉(zhuǎn)激光束的軸線，對所有可能的反射表面連續(xù)地產(chǎn)生這些徑差，從而使得這種類型的布置能夠?qū)λ邪l(fā)生的光學干擾進行有效平均。這極大地抑制了由標準具或自混合導致的干擾效應。此外還可以采用借助于移動微反射鏡的直流電壓部分來設置激光束的中立位置，以自動調(diào)整激光束朝向光電檢測器。這里，能夠通過致動器繞兩個軸線進行偏轉(zhuǎn)的微反射鏡是優(yōu)點。似乎這種類型的一種偏轉(zhuǎn)鏡明顯強于只能夠在一個單一軸線上進行偏轉(zhuǎn)的反射鏡。優(yōu)選的是，在根據(jù)本發(fā)明的激光二極管結構的所有可能實施例中，出射窗、準直透鏡、和/或偏轉(zhuǎn)鏡相對于激光二極管進行布置，從而使得它們的光軸相對于激光二極管的激光孔徑的光軸發(fā)生傾斜。這里，對傾角進行選擇，從而使得在出射窗、準直透鏡或偏轉(zhuǎn)鏡處發(fā)生的背反射將錯過激光孔徑。提議的激光二極管結構不限于VCSEL但能夠類似用于DFB和任何其它類型的激光二極管。具體地講，這種激光二極管結構可以包括一種可移動準直透鏡與一種可移動偏轉(zhuǎn)鏡的組合。在下文中參照附圖所示的三個實施例詳細解釋本發(fā)明。結合權利要求和附圖在本發(fā)明的實施例的下面描述中給出本發(fā)明的附加特征。在本發(fā)明的不同實施例中可以通過本發(fā)明的各個特征自身或者幾種組合實現(xiàn)本發(fā)明的各個特征。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一激光二極管結構，其中，可移動微型透鏡布置為與激光二極管的激光孔徑平行；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第二激光二極管結構，其中，可移動微型透鏡相對于激光孔徑成一定傾角；以及
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第三激光二極管結構，其中，可移動微型透鏡相對于激光二極管的激光孔徑成一定傾角。
具體實施例方式圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的激光二極管結構1的第一實施例，它具有密封地閉合的殼2，在殼2的殼底4上包括有一定數(shù)目的電連接3。在與殼底4相對處設置了一種出射窗 5，用于使通過激光二極管6發(fā)射的激光束7從殼2穿過出射窗5出射。出射窗5與殼2的殼底4以及與激光二極管6的激光孔徑8成一定角度進行延伸。激光二極管6安裝在溫控裝置9上，溫控裝置9由珀耳帖效應元件形成。珀耳帖效應元件9布置在殼底4上，并且在一種冷的平坦表面上承載著激光二極管6。珀耳帖效應元件9的暖的平坦表面位于相對側上，珀耳帖效應元件9以熱良導方式與殼底4相連接。此外，除了激光二極管6以外，電熱調(diào)節(jié)器(未示出)也可以布置在珀耳帖效應元件9上，該電熱調(diào)節(jié)器(未示出)用作熱傳感器并且控制著珀耳帖效應元件的工作電流。在激光二極管結構1的激光二極管6與出射窗5之間設置了覆蓋著激光孔徑8并且用于對激光束7進行準直的準直透鏡10。準直透鏡10布置成與激光二極管6的激光孔徑8具有一定距離并且與之平行，并且由微型透鏡組成。與激光孔徑8相距的距離大約為 2mm。借助于呈一種壓電振蕩元件形式的致動器12，微型透鏡10能夠取決于激光的波長在激光束7的傳播或延伸方向11上或者在與之相反的方向上移動通常為1到3μπι。壓電振蕩元件12在珀耳帖效應元件9之后布置在殼底4上，且懸臂13攜載著準直透鏡10，懸臂 13從壓電振蕩元件12橫向延伸。通常，微型透鏡10相對于激光孔徑8以及由此相對于激光束7在橫貫方向上近似移動30到50 μ m。附圖中不能夠清楚看出的這個移動具有如下效果與發(fā)射的激光束7平行出現(xiàn)的來自微型透鏡10的激光束7的可能背反射將會錯過激光孔徑8。致動器12與懸臂13 —起形成一種可電控的動力裝置14，該可電控的動力裝置14 借助于一種控制系統(tǒng)(未示出)能夠連續(xù)地和周期性地改變介于準直透鏡10與激光二極管 6之間的光徑長度15?？梢酝ㄟ^各種類型的偏轉(zhuǎn)而確定隨時間連續(xù)變化的準直透鏡10的位置。例如，控制系統(tǒng)可以對致動器12施用一種具有隨機幅值或隨機頻率的鋸齒狀、弦狀、 隨機或高斯分布狀控制信號。另外，為了可靠地防止在殼2的出射窗5處干擾朝向激光二極管6的激光孔徑8 的背反射，出射窗5相對于準直透鏡10和激光孔徑8呈一種傾斜結構而布置在激光二極管結構的殼2上。出于這個原因，由初始窗5反射的激光束7的一部分將錯過準直透鏡10并且將不會撞擊激光孔徑8。這可靠地防止自混合。圖2示出了與第一實施例類似的本發(fā)明的第二實施例。圖2所示的根據(jù)本發(fā)明的激光二極管結構1'與圖1所示的激光二極管結構1的不同點僅僅在于準直透鏡10相對于激光束7的角位置。在激光二極管結構1中，準直透鏡10與激光束7正交地即垂直地延伸，而在激光二極管結構1'中，它以與90°不同的角度(傾角)進行延伸。優(yōu)選的是，該傾角在10°與30°之間。在準直透鏡10相對于激光束7的延伸方向11傾斜的此情況下，由準直透鏡10進行反射的激光束7的一部分被引導經(jīng)過激光二極管6的激光孔徑8。通過這個措施，由于準直透鏡10的邊界表面上的激光的反射導致的自混合效應明顯下降，并且其它所發(fā)生的標準具效應的時間平均顯著地變得更加有效。為了相對于激光束7傾斜懸臂13，在致動器12與懸臂13之間設置傾斜楔16，在這種情況下該傾斜楔16與懸臂13和致動器12 —起形成動力裝置14。準直透鏡10布置為與懸臂13平行、并且由此橫向于激光束7而進行延伸。對于準直透鏡10與激光孔徑8之間的相似距離，與圖1所示的激光二極管結構1相比致動器12具有較低的設計高度。借助于致動器12，并且它的傾角相對于激光束7保持相同，準直透鏡10能夠利用振蕩運動而被相對于激光二極管6進行往復移動。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的激光二極管結構的第三實施例。在這里所示的激光二極管結構1"中，準直透鏡10同時形成出射窗5，在這種情況下出射窗5被布置為與殼2的殼底4平行。與激光二極管結構1和1'中的激光二極管6—樣，激光二極管6'由溫控裝置 9進行承載，溫控裝置9偏心布置在殼底4上。與用于激光二極管結構1和1'中的激光二極管6相比較，激光二極管6'的激光孔徑8側向設置在激光二極管6'上。在從激光孔徑 8進行出射以后，在準直透鏡10的方向上由一種呈微反射鏡形式的偏轉(zhuǎn)鏡17來偏轉(zhuǎn)激光束 7。另一方面，微反射鏡17被可回轉(zhuǎn)地連接到保持器18，該保持器18附連到接近于溫控裝置9處的殼底4，另一方面，它在與保持器18相距的一定距離處連接到致動器12，該致動器12也布置在殼底4上。借助于致動器12，反射鏡17的傾斜可以相對于激光孔徑8、由此相對于激光束7還相對于形成出射窗5的準直透鏡10而連續(xù)地和周期性進行回轉(zhuǎn)。致動器12與保持器18 —起形成可電控的動力裝置14，這使得可以連續(xù)地和周期性地改變介于準直透鏡10與激光二極管6'之間的光徑長度15。正如在上述的兩個實施例中，致動器 12由動力裝置14的控制系統(tǒng)(未示出)進行控制，該控制系統(tǒng)(未示出)利用交流電壓按照與激光二極管結構1和1'相似的方式控制致動器12。交流電壓可以疊加在能夠用于對微反射鏡17的中立位置加以限定的直流電壓上。通過借助于微反射鏡17而相對于準直透鏡 10使得激光束7回轉(zhuǎn)，對激光二極管結構1"的殼2中的所有可能反射表面產(chǎn)生激光束7 的徑差，從而實現(xiàn)跨越所有正發(fā)生的光學干擾的一種有效平均。這很大程度上抑制了由于標準具或自混合導致的干擾效應。 結合權利要求和附圖在本發(fā)明的優(yōu)選實施例的描述中可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的另外特征。 在本發(fā)明的實施例中，這些特征可以被單獨或幾個一起實現(xiàn)。
權利要求
1.一種用于產(chǎn)生激光束、優(yōu)選地用于在氣體檢測中的應用的激光二極管結構，且一種激光二極管布置在一種封閉的殼內(nèi)，所述殼包括殼底、激光束的出射窗、電連接、激光二極管的溫控裝置、和用于引導激光束和/或?qū)す馐尚蔚墓鈱W元件，溫控裝置布置在殼底上并且承載激光二極管，光學元件定位在與激光二極管相距一定距離處，其中，所述激光二極管結構包括一種可電控的動力裝置，所述可電控的動力裝置用于周期性地改變光學元件相對于激光二極管的位置和/或?qū)?，以使得介于激光二極管與光學元件之間的光徑長度可周期性變化。
2.根據(jù)權利要求1的激光二極管結構，其中，光學元件是用于對激光二極管的激光束進行準直的一種透鏡。
3.根據(jù)權利要求1的激光二極管結構，其中，光學元件是一種衍射光學元件。
4.根據(jù)權利要求1的激光二極管結構，其中，光學元件是用于引導激光二極管的激光束的一種偏轉(zhuǎn)鏡。
5.根據(jù)權利要求1的激光二極管結構，其中，動力裝置具有電致動器，所述電致動器將光學元件與殼、優(yōu)選地與殼底進行連接。
6.根據(jù)權利要求5的激光二極管結構，其中，可以借助于致動器執(zhí)行光學元件的平移運動、回轉(zhuǎn)運動或旋轉(zhuǎn)運動。
7.根據(jù)權利要求1的激光二極管結構，其中，借助于動力裝置的控制系統(tǒng)，直流電壓部分和/或交流電壓部分可以施用到致動器。
8.根據(jù)權利要求7的激光二極管結構，其中，控制系統(tǒng)改變交流電壓部分的幅值、頻率和/或波形。
9.根據(jù)權利要求5的激光二極管結構，其中，致動器是微致動器，優(yōu)選為壓電振蕩元件、電力機械驅(qū)動系統(tǒng)、靜電或熱控制裝置。
10.根據(jù)權利要求1的激光二極管結構，其中，出射窗、準直透鏡和/或偏轉(zhuǎn)鏡具有的光軸相對于激光二極管的激光孔徑的光軸傾斜。
11.根據(jù)權利要求6的激光二極管結構，其中，致動器是微致動器，優(yōu)選為壓電振蕩元件、電力機械驅(qū)動系統(tǒng)、靜電或熱控制裝置。
12.根據(jù)權利要求7的激光二極管結構，其中，致動器是微致動器，優(yōu)選為壓電振蕩元件、電力機械驅(qū)動系統(tǒng)、靜電或熱控制裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有有所減小的干擾信號的激光二極管結構，特別是提供了一種用于產(chǎn)生準直或發(fā)散激光束優(yōu)選用于氣體檢測的激光二極管結構，且一種激光二極管布置在一種封閉的殼內(nèi)，且殼包括殼底、出射窗、電連接、激光二極管的溫控裝置、以及用于影響激光束的光學元件。承載著激光二極管的溫控裝置布置在殼底上，并且光學元件定位在與激光二極管相距一定距離處。本發(fā)明提出了用于周期性改變光學元件相對于激光二極管的位置和/或排列的一種可電控的動力裝置，從而使得殼中的激光束的光徑長度周期性變化。光學元件的振蕩運動具有對由殼中激光束的背反射導致的標準具效應和/或自混合效應進行時間平均的效果，由此降低激光二極管結構的光學噪聲。
文檔編號H01S5/06GK102195233SQ20111005084
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月3日 優(yōu)先權日2010年3月3日
發(fā)明者B·威林, M·蓋拉德, S·曼策內(nèi)德 申請人:萊丹加工技術公司