CN102195233A - 具有有所减小的干扰信号的激光二极管结构 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

具有有所减小的干扰信号的激光二极管结构

相关申请的交叉引用

本申请主张根据35 USC § 119要求于2010年3月3日提交的欧洲专利申请No.10 002 153.4的优先权，该欧洲专利申请No.10 002 153.4的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

根据本发明，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。

本发明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，根据本发明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。

在本发明的优选实施例中，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。在根据本发明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（z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z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30μm到50μm被证实是最佳的。此外，可有利地将致动器透镜附连到致动器，以使得准直透镜的焦平面不与激光束的光束方向垂直、但相对于激光束倾斜10°到30°的角。

原理上，可以在根据本发明的激光二极管结构中使用具有相同效果的任何其它光束成形元件以替代准直透镜。例如，这些光束成形元件可以包括由许多类型的材料形成的准直微型透镜、准直镜、或者准直GRIN透镜。例如，作为准直镜可使用凸镜、抛物镜、离轴抛物镜或椭圆镜等等。作为可移动光学元件或者作为固定光学元件，还可以使用衍射光学部件。

为了对朝向激光二极管的激光孔径的激光的背反射进行时间平均的目的，还可以将激光束的轴线相对于准直透镜的轴线连续进行往复回转。这对背反射产生连续不同的光径长度，这具有对相关的干扰效应进行有效平均的效果。为了以振荡方式连续地回转激光束的光轴，例如可以将可移动偏转镜附连到致动器以使得激光束在到达准直透镜的表面之前首先撞击镜表面。为了保持激光二极管结构的结构化尺寸较小，例如可以使用只具有几个平方毫米的镜表面尺寸的一种所谓微反射镜。

偏转镜可以绕至少一个轴线进行旋转。通常，利用一种叠加了交流电压的直流电压来对这个微反射镜进行操作。借助于直流电压，能够限定微反射镜的中立位置，而同时交流电压用来绕中立位置连续地往复对微反射镜进行回转。由于在整个近似1到2mm的激光束的光径长度上必需产生近似1到2μm的径差用以对背反射进行有效时间平均，所以偏转镜的绕中立位置的非常小偏转对此是足够的。通过旋转激光束的轴线，对所有可能的反射表面连续地产生这些径差，从而使得这种类型的布置能够对所有发生的光学干扰进行有效平均。这极大地抑制了由标准具或自混合导致的干扰效应。此外还可以采用借助于移动微反射镜的直流电压部分来设置激光束的中立位置，以自动调整激光束朝向光电检测器。这里，能够通过致动器绕两个轴线进行偏转的微反射镜是优点。似乎这种类型的一种偏转镜明显强于只能够在一个单一轴线上进行偏转的反射镜。

优选的是，在根据本发明的激光二极管结构的所有可能实施例中，出射窗、准直透镜、和/或偏转镜相对于激光二极管进行布置，从而使得它们的光轴相对于激光二极管的激光孔径的光轴发生倾斜。这里，对倾角进行选择，从而使得在出射窗、准直透镜或偏转镜处发生的背反射将错过激光孔径。

提议的激光二极管结构不限于VCSEL但能够类似用于DFB和任何其它类型的激光二极管。具体地讲，这种激光二极管结构可以包括一种可移动准直透镜与一种可移动偏转镜的组合。

在下文中参照附图所示的三个实施例详细解释本发明。结合权利要求和附图在本发明的实施例的下面描述中给出本发明的附加特征。在本发明的不同实施例中可以通过本发明的各个特征自身或者几种组合实现本发明的各个特征。

附图说明

图1示出了根据本发明的第一激光二极管结构，其中，可移动微型透镜布置为与激光二极管的激光孔径平行；

图2示出了根据本发明的第二激光二极管结构，其中，可移动微型透镜相对于激光孔径成一定倾角；以及

图3示出了根据本发明的第三激光二极管结构，其中，可移动微型透镜相对于激光二极管的激光孔径成一定倾角。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的激光二极管结构1的第一实施例，它具有密封地闭合的壳2，在壳2的壳底4上包括有一定数目的电连接3。在与壳底4相对处设置了一种出射窗5，用于使通过激光二极管6发射的激光束7从壳2穿过出射窗5出射。出射窗5与壳2的壳底4以及与激光二极管6的激光孔径8成一定角度进行延伸。激光二极管6安装在温控装置9上，温控装置9由珀耳帖效应元件形成。珀耳帖效应元件9布置在壳底4上，并且在一种冷的平坦表面上承载着激光二极管6。珀耳帖效应元件9的暖的平坦表面位于相对侧上，珀耳帖效应元件9以热良导方式与壳底4相连接。此外，除了激光二极管6以外，电热调节器（未示出）也可以布置在珀耳帖效应元件9上，该电热调节器（未示出）用作热传感器并且控制着珀耳帖效应元件的工作电流。

在激光二极管结构1的激光二极管6与出射窗5之间设置了覆盖着激光孔径8并且用于对激光束7进行准直的准直透镜10。准直透镜10布置成与激光二极管6的激光孔径8具有一定距离并且与之平行，并且由微型透镜组成。与激光孔径8相距的距离大约为2mm。借助于呈一种压电振荡元件形式的致动器12，微型透镜10能够取决于激光的波长在激光束7的传播或延伸方向11上或者在与之相反的方向上移动通常为1到3μm。压电振荡元件12在珀耳帖效应元件9之后布置在壳底4上，且悬臂13携载着准直透镜10，悬臂13从压电振荡元件12横向延伸。通常，微型透镜10相对于激光孔径8以及由此相对于激光束7在横贯方向上近似移动30到50μm。附图中不能够清楚看出的这个移动具有如下效果：与发射的激光束7平行出现的来自微型透镜10的激光束7的可能背反射将会错过激光孔径8。

致动器12与悬臂13一起形成一种可电控的动力装置14，该可电控的动力装置14借助于一种控制系统（未示出）能够连续地和周期性地改变介于准直透镜10与激光二极管6之间的光径长度15。可以通过各种类型的偏转而确定随时间连续变化的准直透镜10的位置。例如，控制系统可以对致动器12施用一种具有随机幅值或随机频率的锯齿状、弦状、随机或高斯分布状控制信号。

另外，为了可靠地防止在壳2的出射窗5处干扰朝向激光二极管6的激光孔径8的背反射，出射窗5相对于准直透镜10和激光孔径8呈一种倾斜结构而布置在激光二极管结构的壳2上。出于这个原因，由初始窗5反射的激光束7的一部分将错过准直透镜10并且将不会撞击激光孔径8。这可靠地防止自混合。

图2示出了与第一实施例类似的本发明的第二实施例。图2所示的根据本发明的激光二极管结构1′与图1所示的激光二极管结构1的不同点仅仅在于准直透镜10相对于激光束7的角位置。在激光二极管结构1中，准直透镜10与激光束7正交地即垂直地延伸，而在激光二极管结构1′中，它以与90°不同的角度（倾角）进行延伸。优选的是，该倾角在10°与30°之间。在准直透镜10相对于激光束7的延伸方向11倾斜的此情况下，由准直透镜10进行反射的激光束7的一部分被引导经过激光二极管6的激光孔径8。通过这个措施，由于准直透镜10的边界表面上的激光的反射导致的自混合效应明显下降，并且其它所发生的标准具效应的时间平均显著地变得更加有效。

为了相对于激光束7倾斜悬臂13，在致动器12与悬臂13之间设置倾斜楔16，在这种情况下该倾斜楔16与悬臂13和致动器12一起形成动力装置14。准直透镜10布置为与悬臂13平行、并且由此横向于激光束7而进行延伸。对于准直透镜10与激光孔径8之间的相似距离，与图1所示的激光二极管结构1相比致动器12具有较低的设计高度。借助于致动器12，并且它的倾角相对于激光束7保持相同，准直透镜10能够利用振荡运动而被相对于激光二极管6进行往复移动。

图3示出了根据本发明的激光二极管结构的第三实施例。在这里所示的激光二极管结构1″中，准直透镜10同时形成出射窗5，在这种情况下出射窗5被布置为与壳2的壳底4平行。与激光二极管结构1和1′中的激光二极管6一样，激光二极管6′由温控装置9进行承载，温控装置9偏心布置在壳底4上。与用于激光二极管结构1和1′中的激光二极管6相比较，激光二极管6′的激光孔径8侧向设置在激光二极管6′上。在从激光孔径8进行出射以后，在准直透镜10的方向上由一种呈微反射镜形式的偏转镜17来偏转激光束7。

另一方面，微反射镜17被可回转地连接到保持器18，该保持器18附连到接近于温控装置9处的壳底4，另一方面，它在与保持器18相距的一定距离处连接到致动器12，该致动器12也布置在壳底4上。借助于致动器12，反射镜17的倾斜可以相对于激光孔径8、由此相对于激光束7还相对于形成出射窗5的准直透镜10而连续地和周期性进行回转。致动器12与保持器18一起形成可电控的动力装置14，这使得可以连续地和周期性地改变介于准直透镜10与激光二极管6′之间的光径长度15。正如在上述的两个实施例中，致动器12由动力装置14的控制系统（未示出）进行控制，该控制系统（未示出）利用交流电压按照与激光二极管结构1和1′相似的方式控制致动器12。交流电压可以叠加在能够用于对微反射镜17的中立位置加以限定的直流电压上。通过借助于微反射镜17而相对于准直透镜10使得激光束7回转，对激光二极管结构1″的壳2中的所有可能反射表面产生激光束7的径差，从而实现跨越所有正发生的光学干扰的一种有效平均。这很大程度上抑制了由于标准具或自混合导致的干扰效应。

结合权利要求和附图在本发明的优选实施例的描述中可发现本发明的另外特征。在本发明的实施例中，这些特征可以被单独或几个一起实现。

Claims (12)

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。

2.根据权利要求1的激光二极管结构，其中，光学元件是用于对激光二极管的激光束进行准直的一种透镜。

3.根据权利要求1的激光二极管结构，其中，光学元件是一种衍射光学元件。

4.根据权利要求1的激光二极管结构，其中，光学元件是用于引导激光二极管的激光束的一种偏转镜。

5.根据权利要求1的激光二极管结构，其中，动力装置具有电致动器，所述电致动器将光学元件与壳、优选地与壳底进行连接。

6.根据权利要求5的激光二极管结构，其中，可以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。

7.根据权利要求1的激光二极管结构，其中，借助于动力装置的控制系统，直流电压部分和/或交流电压部分可以施用到致动器。

8.根据权利要求7的激光二极管结构，其中，控制系统改变交流电压部分的幅值、频率和/或波形。

9.根据权利要求5的激光二极管结构，其中，致动器是微致动器，优选为压电振荡元件、电力机械驱动系统、静电或热控制装置。

10.根据权利要求1的激光二极管结构，其中，出射窗、准直透镜和/或偏转镜具有的光轴相对于激光二极管的激光孔径的光轴倾斜。

11.根据权利要求6的激光二极管结构，其中，致动器是微致动器，优选为压电振荡元件、电力机械驱动系统、静电或热控制装置。

12.根据权利要求7的激光二极管结构，其中，致动器是微致动器，优选为压电振荡元件、电力机械驱动系统、静电或热控制装置。

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