CN107994456A - To封装激光器及气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及TO封装激光器及气体传感器,TO封装激光器包括TO管帽、TO管座、透镜窗口、TEC、载体、LD芯片和热敏电阻;TO管帽为上下贯通的圆柱形,TO管座包括TO底座和TO管脚,TO管帽的下边缘各部分与TO底座的边缘封闭连接,透镜窗口的边缘与TO管帽的上边缘各部分封闭连接,TEC设置在TO底座上,LD芯片和热敏电阻设置在载体上,载体设置在TEC上;LD芯片产生的激光从透镜窗口射出;热敏电阻与TEC连接,通过热敏电阻检测LD芯片的温度,TEC根据检测到的温度调节温度,稳定LD芯片的核心温度。本发明提供的TO封装激光器及气体传感器取代了原有的蝶形封装形式,大幅降低了激光器成本,提高激光器稳定性,降低装配难度,使得TO封装激光器和气体传感器能够批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及高速率激光器封装技术领域、气体传感技术领域,具体涉及TO封装激光器及气体传感器。
背景技术
当前,随着工业的迅猛发展,其中化工、矿产以及油气开采行业等在生产过程中难免产生易燃易爆、有毒的危险性气体,例如甲烷、一氧化碳等。危险气体一旦泄漏,导致爆炸和中毒,会酿成重大安全事故,造成人员和财产的巨大损失。
此外,作为城市基础设施,城区地下交织着诸多用于铺设管线的“地道”,如下水道、自来水管道、通讯电缆、高压电缆等等。城区天然气管道已基本实现全覆盖,天然气管道泄漏也会扩散到地下管道,地下管道因空气流通不畅,一旦有可燃气体堆积后不易扩散,当浓度达到一定程度时,遇到火星就会引发爆炸。因局部集聚的可燃气体数量有限,常表现为一过性的闪爆,但其瞬间爆炸威力亦不可小觑。
基于目前的背景下,为了保障人民群众的生命财产安全,对可燃易爆、有毒目标气体的检测和实时监测是迫在眉睫的。
目前,常见的气体浓度检测装置为激光气体传感器,其原理是利用目标气体对特定波长的激光具有吸收作用的原理而设计,发射器发射激光,并接受反射镜反射的激光,在固定的光程内,通过接收器接受功率,监测目标气体浓度。目标气体可以是甲烷、乙烷、丙烷等气体。
但是,在生产激光气体传感器的时候,因为发射器需要耦合,所以生产效率大大降低,无法大批量生产。
目前的传感行业发射器,主要使用为蝶形激光器和TOSA。
目前蝶形激光器的结构主要是蝶形外壳底部装载TEC,TEC上搭载对应的BASE组件,BASE上搭载了COS、PD、透镜等组件,通过光纤进行输出光。其特点为:输出功率稳定,较大的TEC承载能良好的控制芯片工作环境,输出功率高。其缺点为:由于采用此结构,首先成本很高,其次需光学耦合,生产效率低下,生产周期长,不便于快速量产。
TOSA的结构主要是TOSA外壳内部装载TEC,TEC上面搭载着COS和透镜,TOSA外壳镜窗处装有隔离器。其特点为:一定程度上降低了成本,具有较好的输出稳定性。其缺点:成本依然较高,仍需光学耦合,生产效率低,不适合量产。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明提供的TO封装激光器及气体传感器,可大幅度地降低激光器成本,提高激光器稳定性,降低装配难度,使得TO封装激光器和气体传感器能够批量生产。
第一方面,本发明提供了一种TO封装激光器,包括:TO管帽、TO管座、透镜窗口、TEC、载体、LD芯片和热敏电阻;
所述TO管帽为上下贯通的圆柱形,所述TO管座包括TO底座和TO管脚,所述TO管帽的下边缘各部分与所述TO底座的边缘封闭连接,所述透镜窗口的边缘与所述TO管帽的上边缘各部分封闭连接,所述TEC设置在所述TO底座上,所述LD芯片和所述热敏电阻设置在所述载体上,所述载体设置在所述TEC上;
所述LD芯片产生的激光从所述透镜窗口射出;
所述热敏电阻与所述TEC连接,通过所述热敏电阻检测所述LD芯片的温度,所述TEC根据检测到的温度调节温度,稳定所述LD芯片的核心温度。
本发明的TO封装激光器通过TO管帽进行密封,通过热敏电阻实时监测和反馈温度,并通过TEC实现精准的温度控制,达到稳定LD芯片的出光波长的目的。本实施例采用较厚的TO管座为TEC提供了良好的热沉,保证TEC的电流和电压都不会超标,所以温度变化时通过上述结构仍能稳定激光器光的输出功率。
优选地,所述透镜窗口为球面凸透镜。
优选地,还包括直角微棱镜,所述直角微棱镜设置在所述LD芯片的出光口,通过所述直角微棱镜改变激光光路,使得激光从所述透镜窗口射出。
优选地,所述TO管座、TO管帽与所述透镜窗口为同轴封装。
第二方面,本发明提供了基于第一方面中任一项所述的TO封装激光器的气体传感器,包括:TO封装激光器,激光探测器,主控板,光反射结构,气室;
所述气室为开放式气室;
所述TO封装激光器和所述激光探测器设置在所述气室的一端,所述光反射结构设置在所述气室的另一端,所述TO封装激光器发射的激光穿过所述气室后,经所述光反射结构反射后被所述激光探测器接收;
所述TO封装激光器、所述激光探测器均与所述主控板电连接,所述主控板用于控制所述TO封装激光器产生激光,并处理所述激光探测器的输出信号,根据信号处理结果判断目标气体浓度。
本发明的气体传感器,整体结构简单,摒弃了传统的利用参考光束的光学系统,采用直接反射接收的光学系统,无需光学耦合,独特的光学结构以及检测方法使得传感器的可生产性大大提高,实现了激光气体传感器的大批量生产,同时也大大的降低了传感器的价格。气体传感器采用TO封装激光器作为激光光源,提高了气体传感器的使用寿命长和检测精度。
优选地,还包括底座和U型支架,所述U型支架的开口端与所述底座连接,所述TO封装激光器和所述激光探测器安装在所述底座上,所述光反射结构设置在所述U型支架的底部,所述U型支架的中空部分形成开放式的所述气室。
优选地,所述U型支架的材料为航空铝材,所述U型支架的表面经电泳处理。
优选地,所述光反射结构为两块夹角为90度的平面镜。
优选地,还包括后盖,所述主控板安装在所述后盖内,所述后盖的敞开部分灌封阻燃密封胶。
优选地,还包括温湿度传感器,所述温湿度传感器与所述主控板连接。
附图说明
图1为本发明实施例一所提供的TO封装激光器的外部结构示意图;
图2为本发明实施例一所提供的TO封装激光器的内部结构示意图;
图3为本发明实施例二所提供的气体传感器的结构示意图;
图4为本发明实施例二所提供的气体传感器的光路示意图。
附图标记:
1-TO管帽,2-TO管座,3-透镜窗口,4-TEC,5-载体,6-LD芯片,7-热敏电阻,8-直角微棱镜,21-TO底座,22-TO管脚;
10-TO封装激光器,20-激光探测器,30-主控板,40-光反射结构,50-气室,60-底座,70-U型支架,80-后盖,90-温度传感器,100-激光。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,因此只是作为示例,而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是,除非另有说明,本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例一
如图1、2所示,本实施例提供了一种TO封装激光器10,包括:TO管帽1、TO管座2、透镜窗口3、TEC4(Thermo ElectricCooler)、载体5、LD(Laster Diode,激光半导体)芯片6和热敏电阻7。所述TO管帽1为上下贯通的圆柱形,所述TO管座2包括TO底座21和TO管脚22,所述TO管帽1的下边缘各部分与所述TO底座21的边缘封闭连接,所述透镜窗口3的边缘与所述TO管帽1的上边缘各部分封闭连接,所述TEC4设置在所述TO底座21上,所述LD芯片6和所述热敏电阻7设置在所述载体5上,所述载体5设置在所述TEC4上;所述LD芯片6产生的激光从所述透镜窗口3射出;所述热敏电阻7与所述TEC4连接,通过所述热敏电阻7检测所述LD芯片6的温度,所述TEC4根据检测到的温度调节温度,稳定所述LD芯片6的核心温度。
本实施例的TO封装激光器10通过TO管帽1进行密封,通过热敏电阻7实时监测和反馈温度,并通过TEC4实现精准的温度控制,达到稳定LD芯片6的出光波长的目的。本实施例采用较厚的TO管座2为TEC4提供了良好的热沉,保证TEC4的电流和电压都不会超标,所以温度变化时通过上述结构仍能稳定激光器光的输出功率。
优选地,所述透镜窗口3为球面凸透镜,提高LD芯片6出射光的平行度。
优选地,TO封装激光器10还包括直角微棱镜8,所述直角微棱镜8设置在所述LD芯片6的出光口,通过所述直角微棱镜8改变激光光路,使得激光从所述透镜窗口3射出。这样,使得载体5、TEC4、LD芯片6组成的部件能与TO底座21的平行设置,增加了与TO底座21的接触面积,提高了散热效率,此时,激光出射方向平行于底座所处平面,为了能让激光从透镜窗口3中射出,通过直角微棱镜8改变了激光的传输方向。
优选地,所述TO管座2、TO管帽1与所述透镜窗口3为同轴封装,因此,生产TO封装激光器10时无需耦合工序,简化了封装工艺,同时保证激光器性能不会降低,紧凑的结构使得激光器本身体积小。
与现有的气体传感器领域的激光器相比,本实施例提供的TO封装激光器10具有以下优点:
(1)具备良好的控温性能,且发射的激光波长和功率十分稳定。
(2)成本低廉、易于装配,更适合大批量生产和二次集成。
(3)无需耦合,大大提高生产效率。
实施例二
基于实施例一所述的TO封装激光器10的气体传感器,如图3所示,包括:TO封装激光器10,激光探测器20,主控板30,光反射结构40,气室50。
所述气室50为开放式气室,即周围环境内的气体可自由进入气室50。
所述TO封装激光器10和所述激光探测器20设置在所述气室50的一端,所述光反射结构40设置在所述气室50的另一端,所述TO封装激光器10发射的激光穿过所述气室50后,经所述光反射结构40反射后被所述激光探测器20接收。
所述TO封装激光器10、所述激光探测器20均与所述主控板30电连接,所述主控板30用于控制所述TO封装激光器10产生激光,并处理所述激光探测器20的输出信号,根据信号处理结果判断目标气体浓度。
在主控板30的控制下,TO封装激光器10发射平行激光100,激光100从透镜窗口3射出后穿过气室50,激光100经气室50另一端的光反射结构40反射后,再次穿过气室50,被激光探测器20接收,在固定的光程内,通过检测激光探测器20接受功率,监测目标气体浓度。当周围环境内含有目标气体时,如甲烷、乙烷、丙烷等气体时,随着空气流动,目标气体会进入气室50内,激光被气室50内的目标气体吸收,导致激光探测器20接收功率降低,检测出目标气体浓度。具体光路可参考图4。
本实施例的气体传感器,整体结构简单,摒弃了传统的利用参考光束的光学系统,采用直接反射接收的光学系统,无需光学耦合,独特的光学结构以及检测方法使得传感器的可生产性大大提高,实现了激光气体传感器的大批量生产,同时也大大的降低了传感器的价格。气体传感器采用TO封装激光器10作为激光光源,提高了气体传感器的使用寿命长和检测精度。
优选地,本实施例的气体传感器还包括底座和U型支架70,所述U型支架70的开口端与所述底座连接,所述TO封装激光器10和所述激光探测器20安装在所述底座60上,所述光反射结构40设置在所述U型支架70的底部,所述U型支架70的中空部分形成开放式的所述气室50。
优选地,所述U型支架70的材料为航空铝材,所述U型支架70的表面经电泳处理,具有优良的防腐蚀性能。
优选地,所述光反射结构40为两块夹角为90度的平面镜。
优选地,本实施例的气体传感器还包括后盖80,所述主控板30安装在所述后盖80内,所述后盖80的敞开部分灌封阻燃密封胶。通过阻燃密封胶阻隔电路部分与外界气体接触,提高了气体传感器的安全性。
优选地,本实施例的气体传感器还包括温湿度传感器90,所述温湿度传感器90与所述主控板30电连接。所述温湿度传感器90用于检测所述气体传感器附近的温度和湿度并发送给主控板30,主控板30根据检测到的温度和湿度对信号处理结果进行修正,以降低温度和湿度对检测结果的影响。
基于本实施例的气体传感器开发的激光甲烷传感器,其甲烷浓度的检测范围可达到0-100%,当检测范围为0-1%时,检测精度可达到±0.06,当检测范围为1-100%时,检测精度可达到6%。使用温度范围为-10-50℃。使用压强范围为80-120kpa。激光甲烷传感器的外径可小至25mm,高度壳小至45mm。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种TO封装激光器,其特征在于,包括:TO管帽、TO管座、透镜窗口、TEC、载体、LD芯片和热敏电阻;
所述TO管帽为上下贯通的圆柱形,所述TO管座包括TO底座和TO管脚,所述TO管帽的下边缘各部分与所述TO底座的边缘封闭连接,所述透镜窗口的边缘与所述TO管帽的上边缘各部分封闭连接,所述TEC设置在所述TO底座上,所述LD芯片和所述热敏电阻设置在所述载体上,所述载体设置在所述TEC上;
所述LD芯片产生的激光从所述透镜窗口射出;
所述热敏电阻与所述TEC连接,通过所述热敏电阻检测所述LD芯片的温度,所述TEC根据检测到的温度调节温度,稳定所述LD芯片的核心温度。
2.根据权利要求1所述的TO封装激光器,其特征在于,所述透镜窗口为球面凸透镜。
3.根据权利要求1所述的TO封装激光器,其特征在于,还包括直角微棱镜,所述直角微棱镜设置在所述LD芯片的出光口,通过所述直角微棱镜改变激光光路,使得激光从所述透镜窗口射出。
4.根据权利要求1所述的TO封装激光器,其特征在于,所述TO管座、TO管帽与所述透镜窗口为同轴封装。
5.一种基于权利要求1-4中任一项所述的TO封装激光器的气体传感器,其特征在于,包括:TO封装激光器,激光探测器,主控板,光反射结构,气室;
所述气室为开放式气室;
所述TO封装激光器和所述激光探测器设置在所述气室的一端,所述光反射结构设置在所述气室的另一端,所述TO封装激光器发射的激光穿过所述气室后,经所述光反射结构反射后被所述激光探测器接收;
所述TO封装激光器、所述激光探测器均与所述主控板电连接,所述主控板用于控制所述TO封装激光器产生激光,并处理所述激光探测器的输出信号,根据信号处理结果判断目标气体浓度。
6.根据权利要求5所述的气体传感器,其特征在于,还包括底座和U型支架,所述U型支架的开口端与所述底座连接,所述TO封装激光器和所述激光探测器安装在所述底座上,所述光反射结构设置在所述U型支架的底部,所述U型支架的中空部分形成开放式的所述气室。
7.根据权利要求6所述的气体传感器,其特征在于,所述U型支架的材料为航空铝材,所述U型支架的表面经电泳处理。
8.根据权利要求5所述的气体传感器,其特征在于,所述光反射结构为两块夹角为90度的平面镜。
9.根据权利要求5所述的气体传感器,其特征在于,还包括后盖,所述主控板安装在所述后盖内,所述后盖的敞开部分灌封阻燃密封胶。
10.根据权利要求5所述的气体传感器,其特征在于,还包括温湿度传感器,所述温湿度传感器与所述主控板电连接。
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