CN101300475A - 激光辐射源 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于开路式气体检测器的发射器单元。所述单元包括：外壳(14)，所述外壳具有窗口(16)；和相干辐射发射器(10)，例如可调谐激光二极管发射器，所述发射器设置在所述外壳中，配置为引导辐射光束通过所述窗口。所述窗口相对于由所述发射器发出的所述光束的轴倾斜，使得从所述发射器直接入射到所述窗口的辐射没有被所述窗口直接反射到所述发射器。由此减少了所发出的辐射中的干涉条纹。可替代地，可用透镜代替所述窗口，所述透镜后面有孔，使得由所述发射器发出的所述光束聚焦在所述孔上，由此形成射出所述外壳的辐射光束。

Description

激光辐射源

技术领域

本发明涉及激光器作为光源的使用。如同在本说明书中所使用的，术语“光”意欲涵盖电磁辐射，不管是否可见，尤其包括红外波段的辐射。本发明还涉及使用这种激光器在开路式气体检测器中以用于检测气体；这种检测器包括发射器单元和检测单元，所述发射器单元包括激光器，并发射辐射光束穿过被监测空间中的路径，所述检测单元用于检测通过空间的辐射。术语“开路式气体检测器”用于涵盖这样的气体检测器，即不管路径的长度是多少，也不管路径对于大气环境是开放的还是封闭的。

背景技术

非分散红外光谱学在检测碳化氢气体方面得到很好的应用。它主要涉及沿着被监测区域中的路径发射红外辐射；将红外辐射的波长选择为使得在被监测区域的大气中，所述红外辐射被感兴趣的气体(下面称为“目标气体”)吸收，而基本上不被其它气体吸收。如果在室外监测，那么理论上该波长不应被液态或气态的水(例如以湿气、冷凝水、雾、雨水或喷雾的形式)吸收。测量沿着被监测区域中的路径通过的辐射的强度，所述辐射强度的衰减给出被监测区域中目标气体量的度量。

已知用点式气体检测器监测大气中有毒气体的存在，点式气体检测器可以是电化学的或光学的(在本说明书的上下文中，术语“有毒”气体表示除了在大气中一般能找到的例如氧气、氮气之外的气体或蒸汽，例如硫化氢、氟化氢、氨气、二氧化硫、二氧化碳以及一氧化碳)。由于设置多个检测器遍布整个区域的成本高，所以当监测较大区域时点式气体检测器的供应会有问题。此外，如果目标气体的积聚发生在检测器之间，则不会被检测到。具有超过1米的路径长度，典型地至少10米的路径长度的开路式气体检测器允许以单个设备监测更大的区域。

由于近来能够以合理的价格得到可调谐二极管激光器(参见GB-2353591)，所以使用开路式气体检测器变得更有吸引力，可调谐二极管激光器能够被调节到很窄的波长来检测特征吸收波长的目标气体。但是，需要检测的有毒气体的浓度较低，典型地为5ppm(百万分率)，甚至可能更低，例如1ppm。对于这么低的浓度，检测器中的信号噪声可能大于目标气体的信号，使得很难检测到这么低浓度的有毒目标气体。此外，由于电子元件或光学元件随时间的漂移、温度和/或大气环境等的变化，信号会变得不可辨别。此外，可调谐二极管激光器中相干激光辐射的使用会引起干涉条纹，其中明条纹与暗条纹之间辐射强度的变化远远超过所存在的低浓度目标气体所产生的信号。

一个特定来的干涉条纹源是由于激光二极管发出的主光束与同一光学系统中同一光束的杂散反射之间的干涉。即使是很微弱的反射也能产生这样的条纹：即在明条纹与暗条纹之间的差别超过目标气体所产生的信号。这种干涉条纹明显限制了使用激光光源的测量结果的可靠性。

当使用激光二极管时，必须将激光器包围在一个与外部环境气密密封的小外壳中，因为潮气和大气污染可明显降低激光器的寿命。容纳激光器的外壳或盖子(通常称为“包装”)可能将激光器发出的一部分光线反射，这个反射光最终导致如上所述的干涉条纹。

参照图1，示出一种典型的可调谐激光二极管包装1；包装1包括安装在TEC温度稳定器12上的激光器10，由于激光器输出的辐射波长是温度相关的，所以TEC温度稳定器12将激光器保持在很窄的温度范围内。激光器和温度稳定器被夹持在盖子或外壳14中，外壳14的窗口16允许激光器发出的辐射光束18沿着期望的路径被引导。大部分辐射通过窗口16，但是小部分输出照亮盖子内部，在盖子中散射，在激光器发出的辐射光束18内产生干涉条纹。此外，我们发现干涉的另一个来源是窗口反射的光线，可设想为远离窗口的位置20处的微弱相干辐射源。并且，该反射在发出的光束18内产生干涉条纹。利用涂敷在窗口上的抗反射涂层可减少自窗口16反射的辐射量，但是这不能完全消除干涉源。

因此，到目前为止还没有能够用于多种有毒气体的低成本的、可靠的开路式气体检测器，所述有毒气体是指那些表现出弱吸收、目标气体浓度低至10ppm的有毒气体。

发明内容

根据本发明，提供一种用于开路式气体检测器的发射器单元，包括：

外壳，具有窗口；

相干辐射发射器，例如可调谐激光二极管发射器，设置在所述外壳中，并配置为引导辐射光束通过所述窗口，

其中：

所述发射器和所述窗口配置为使得从所述发射器直接入射到所述窗口的辐射没有被所述窗口直接反射到所述发射器。

所述窗口可相对于所述光束的方向倾斜；所述窗口例如可相对于所述光束的轴以30度至60度例如大约45度的角度倾斜。假设二极管激光器的输出一般是平面极化，通过选择角度为接近布鲁斯特角(对于折射系数为1.5的普通玻璃，典型的布鲁斯特角为大约57度)，可以将自表面的反射最小化。如果正确地选择窗口相对于激光器输出的所述极化平面的定向，那么由这种方法就能够将通过窗口的传输最大化(接近全部)。但是不能通过这种技术完全消除反射，因为总是有一个通过窗口的角度范围，只有正好以布鲁斯特角入射到窗口的光线才能够没有任何反射地传输，角度稍小或稍大，在表面上就会发生一些反射现象。该角度优选为不太大，因为太大的角度会导致光束的变形。角度越小，发射器就必须放置得离窗口就越远，以避免由于发射器在窗口中的反射引起干涉条纹，这会导致光束非常窄，如下文更详细所述。为了增加光束的宽度，可将发射器设置在屏蔽物后面，所述屏蔽物对于辐射发射器的波长不透明，并位于阻挡从外壳的前部的一部分射出的辐射的位置。

所述外壳内的不要求形成或发射光束的表面为无光泽黑色，以吸收散射的辐射。术语“无光泽黑色”指的是将导向所述表面的入射光线反射的量最小的表面，并且当发生这种反射时，光线散布在很大范围的角度内，而不是遵循适用于镜面的法线反射规律。

根据本发明的第二方案，提供一种用于开路式气体检测器的发射器单元，所述发射器单元配置为发射辐射光束，所述单元包括：

外壳，具有孔，所述孔提供所述外壳的内部与外部之间的光路；

相干辐射发射器，例如可调谐激光二极管发射器，设置在所述外壳中；以及

光学器件，设置在所述外壳中，配置为接收所述发射器发出的辐射，并将所述辐射聚焦在所述孔上，由此形成射出所述外壳的辐射光束。

优选地，将所述孔的直径选择为使得发射器发出的基本所有辐射光束都被所述光学器件收集，并被引导通过所述孔，从而基本上没有辐射照射在外壳的内表面上引起干涉条纹。直径越小，自外壳外部的杂散辐射通过孔进入外壳并由此产生干涉的机会就越小。直径典型地小于200μm，例如小于100μm，例如大约50μm，但是如果光学器件的质量以及孔与所述光学器件的对准精度允许的话，应当提供更小的直径。

所述光学器件可以是透镜或镜子。

这种配置有两个显著的优点。首先，辐射源产生的辐射不会入射到激光器内的内壁上，因此没有能够引起干涉的反射。

此外，透镜的使用提供了改变由激光器包装发出的光束的发散角的可能性，这能够改善激光器输出与外部光学器件的耦合。

附图说明

下面参照附图，仅通过实例描述根据本发明两个方案的实施例，附图中：

图1为现有技术的激光二极管包装的侧视图，切除了部分外壳；

图2为根据本发明第一方案的激光二极管包装的侧视图，切除了部分外壳；

图3为图2中所示激光二极管包装的变形的侧视图；以及

图4为根据本发明第二方案的激光二极管包装的侧视图，切除了部分外壳。

具体实施方式

参照图2，示出与图1的包装类似的包装2，但是省略了TEC温度稳定器，并且仅示出外壳34的前部；所述外壳的前部具有连接器35，连接器35使得外壳34能够连接到基部，将空间密封在外壳34中。

外壳或盖子34具有窗口36，所述窗口36允许由激光器30发出的辐射光束38沿着期望的路径被引导。所述窗口相对于光束的轴39所成的角度α大约为45度。激光二极管30被设置在使得它不会处于任何与窗口36垂直的位置。附图标记40示出了一个这样的垂直位置。这意味着从二极管直接入射到窗口36上的辐射不会被所述窗口反射回到发射器，引起干涉。换而言之，在窗口中反射的发射器的任何图像都不处于通过窗口传输、会引起干涉的光束38中。

图2所示的配置要求长外壳34来实现这种状态，对于典型的激光器外壳尺寸(例如TO5尺寸的罐)，所述长度大约为15mm。

图3中示出替代性配置；图3中使用与图2中相同的附图标记来表示相同的部件。在图3的情形下，外壳34的前部被不透明的无光泽黑色屏蔽物42所覆盖，使得发射器30仍然远离窗口36的垂直位置40。因为有屏蔽物42，所以外壳34可做得更短(可能是11mm或12mm)。与图2的较长形式相比，图3的较短形式还提供了稍宽的光束38。但是，与图2相比，图3的形式有这样的缺点：辐射会被所述屏蔽物反射，引起干涉；所述屏蔽物的无光泽黑色表面用于吸收辐射，从而减少这种反射。

本发明的第二方案基于图1的配置，除了用透镜52代替窗口16。该透镜用于将激光器50内部的图像投射到正好在透镜之前的区域。附加盖子56被精确地设置在包装54外侧(形成组合包装或者两部分的包装)。在此外盖中有一小(大约50微米)孔58，小孔58被精确地设置为使得由所述透镜形成的激光器的图像处于孔58中。如果透镜52小，那么它将与激光器非常准确地耦合，因此图像的任何变形(模糊)都会很小。使用更复杂的透镜设计(非球面的)可进一步提高所产生的图像质量，从而允许更小的孔58，进而有利于进一步消除主外壳54中的杂散光。

采用图4的配置，激光器50在外壳54内侧的内部发光将不会聚焦在孔58上，因此不会在由包装发出的光束60中引起干涉条纹。此外，在远离孔的地方现在没有反射表面(除了设备外壳的主体或者外部光学器件之外)。

图4中的方法有两个额外的优点。首先，当使用某些类型的二极管激光器(分布反馈激光器或DFB)时，激光器的设计通常是从激光器后面产生光的发射，这会直接照亮激光器本身的后部区域。这种后向发射能够产生干涉条纹。使用上述的透镜52和针孔58可有效地限制开路式气体检测器的外部光学器件与这种后向发射的任何耦合的程度。

其次，使用该透镜提供了改变输出光束60发散的可能性。这是通过改变物/像距(即从激光器50到透镜52的距离以及从透镜52到针孔58处激光器的图像的距离)的比来实现的。这样能够提供改善激光器输出与外部光学器件耦合的可能性、或者简化或缩小所需外部光学器件的尺寸的可能性。

采用图4的配置，带有针孔58的外盖56必须被精确地设置并固定于主外壳54。这个操作要求针孔58与激光器的图像精确对准。这个操作所要求的精确度可能是针孔58直径的10％的量级或者更高；但是，在开路式气体检测器中对准和固定到这种准确度能够常规地实现(例如使用传统的、廉价的微米调节设备)。

Claims (10)

1.一种用于开路式气体检测器的发射器单元，包括

外壳(14)，所述外壳具有窗口(16)；

相干辐射发射器(10)，例如可调谐激光二极管发射器，所述相干辐射发射器设置在所述外壳中并配置为指引辐射光束通过所述窗口，

其中：

所述发射器和所述窗口配置为使得从所述发射器直接入射到所述窗口的辐射没有被所述窗口直接反射到所述发射器。

2.如权利要求1所述的发射器，其中，所述窗口相对于所述光束的方向倾斜。

3.如权利要求2所述的发射器，其中，所述窗口相对于所述光束的轴以30度至60度的角度倾斜。

4.如以上权利要求任一项所述的发射器，其中：

所述外壳包括前部，所述前部包括所述窗口；

所述发射器包括屏蔽物，所述屏蔽物对于所述辐射发射器的波长不透明，并且所述屏蔽物位于阻挡从所述外壳的所述前部的一部分射出的辐射的位置，所述发射器设置在所述屏蔽物的后面。

5.如以上权利要求任一项所述的发射器，其中，所述外壳内的不要求形成或发射所述光束的表面为无光泽黑色。

6.一种用于开路式气体检测器的发射器单元，所述发射器单元配置为发射辐射光束，所述单元包括

外壳(54)，所述外壳具有孔(58)，所述孔提供所述外壳的内部与外部之间的光路

相干辐射发射器(50)，例如可调谐激光二极管发射器，所述相干辐射发射器设置在所述外壳中，以及

光学器件，所述光学器件设置在所述外壳中，配置为接收所述发射器发出的辐射，并将它聚焦在所述孔上，由此形成射出所述外壳的辐射光束。

7.如权利要求6所述的发射器单元，其中，所述孔的直径小于200μm，例如小于100μm，例如大约50μm。

8.如权利要求6或7所述的发射器单元，其中，所述光学器件为透镜或镜子。

9.如权利要求6或7所述的发射器单元，其中，所述光学器件为透镜。

10.一种开路式气体检测器，所述气体检测器包括如权利要求1至9中任一项所述的发射器单元。

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