CN109950788A - 一种自带波长校准的同轴激光器及其光源内核 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自带波长校准的同轴激光器及其光源内核，包括TO管座、TEC制冷器、热传导垫块、氮化铝垫块、激光器芯片、热敏电阻和TO管脚，TEC制冷器、激光器芯片和热敏电阻均分别与TO管脚电连接，激光器芯片的主光轴与TO管座的中心轴线同轴；TEC制冷器包括控温冷面和散热热面，热传导垫块焊接在控温冷面上；热传导垫块包括第一垫块和第二垫块，第一垫块固定设置在第二垫块的上表面，第二垫块设置在TEC制冷器的上表面，制成第一垫块的材质的热扩散系数大于40mm2/s，制成第二垫块的材质的热扩散系数小于10mm2/s。本发明既有效解决了目前同轴激光器存在示值稳定性差的问题，又真正实现波长自校准功能，有效提高TDLAS气体检测精度，更适用于TDLAS气体检测系统。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测领域，尤其涉及一种自带波长校准的同轴激光器及其光源内核。
背景技术
基于TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术的气体含量实时在线式检测系统是通过气体对特定波长的激光吸收，测量对应气体的含量。它是先进的高灵敏度、快速响应的新一代气体检测技术。该技术具有测量精度高，可达ppm(百万分之一)量级；准确度高，可检测混合气体中的特定成分气体；响应速度快，可达毫秒响应量级；使用光学方式检测，可抗干扰和防爆特性；无需经常标定等优点，可用于易燃易爆气体检测。
其中，若要实现激光器的高精度测量，必须保证激光系统中激光器光源工作的中心波长正好对准被测气体的吸收波长，以甲烷气体为例，某一吸收波长为1653.7nm，因此激光甲烷传感器光源中的激光器芯片扫描波长中心需要对准1653.7nm。然而激光器光源的驱动电流、环境温度等因素都会引起激光器芯片波长的漂移，环境温度越高，激光器芯片波长越长，反之越短。因此在环境温度变化、激光器中心波长自身跳变、激光器驱动电流变化等多重因素的影响下，需要激光器波长的扫描中心时时自校准，确保激光器芯片发出激光波长的扫描中心不发生变化，才能准确的检测出目标气体，使得设备成为真正的免校准、免维护设备。
目前激光气体检测系统中的激光器主要存在以下几种问题：
1、目前用于激光气体检测领域的激光器均是采用的蝶形14pin(butterfly)或者BOX的封装形式或同轴带制冷封装形式，所有当前市场上各类别的激光器光源产品均不带波长自校准功能，无法真正实现免维护激光器光源产品，不利于气体的准确检测；且目前的同轴带制冷封装形式的激光器多用于通信领域，波长漂移的控制精度为1nm左右，该控制精度完全不适应于气体检测领域。
2、目前的低功耗小尺寸封装激光器，例如小型化BOX封装型和同轴带制冷型激光器都存在波长扫描中心不稳定，即用此类激光器的TDLAS气体检测设备检测气体时，浓度示值不够稳定，会出现1％左右的往返摆动。其原因在于：该类激光器中的半导体制冷器TEC控温冷面为保持设定温度，需要不停的进行正弦波式温度补偿控制，由于小尺寸封装激光器内部空间有限，热沉热负载太小，因此热沉温度稳定性低。而热敏电阻距离TEC控温冷面的高度因结构原因不容易降低，导致控制延时。从而导致DFB/Vcsel激光器芯片波长扫描中心始终在呈正弦波式的变化，从而影响到TDLAS气体检测设备浓度示值不够稳定。
3、当前激光器在TDLAS气体检测系统应用中，为保证系统稳定性或者免维护，都外加独立的参考气室或带参考气室的光电探测器，但此类系统光电结构复杂、体积大、成本高、可靠性低。目前市场上还没有一种结构紧凑、体积小、成本低的自带波长较准功能的激光器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种自带波长校准的同轴激光器及其光源内核，以解决现有的激光器无法进行波长自校准且自校准控制精度差、波长稳定性差的技术问题。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
一种自带波长校准的同轴激光器光源内核，包括TO管座、设置在所述TO管座上表面的TEC制冷器、设置在所述TEC制冷器上表面的热传导垫块、设置在所述热传导垫块上表面的氮化铝垫块以及分别设置在所述氮化铝垫块上表面的激光器芯片和热敏电阻；
还包括设置在所述TO管座下表面的TO管脚，所述TEC制冷器、所述激光器芯片和所述热敏电阻均分别与所述TO管脚电连接，且所述激光器芯片的主光轴与所述TO管座的中心轴线同轴；
所述TEC制冷器包括控温冷面和散热热面，所述TEC制冷器的上表面为所述控温冷面，所述TEC制冷器的下表面为所述散热热面，且所述热传导垫块焊接在所述控温冷面上；
所述热传导垫块包括第一垫块和第二垫块，所述第一垫块固定设置在所述第二垫块的上表面，所述第二垫块设置在所述TEC制冷器的上表面，且制成所述第一垫块的材质的热扩散系数大于40mm2/s，制成所述第二垫块的材质的热扩散系数小于10mm2/s。
本发明的有益效果是：由于TEC制冷器控温冷面为保持设定温度恒定，需要不停的进行正弦波式温度补偿控制，而热敏电阻感知TEC制冷器控温冷面温度变化的时间延迟，以及TEC制冷器控温冷面上的热传导垫块的热负载、热惯性共同决定了TEC制冷器对激光器芯片的控温稳定性，其中，热敏电阻感知TEC制冷器控温冷面温度变化的时间延迟，与TEC制冷器和热敏电阻之间的距离的关系为反比关系，即距离约小，时间延迟越短，感知越快，控温稳定度更高，TEC制冷器控温冷面上的热传导垫块的热负载(即热传导垫块的质量乘以比热容)越大，对于控制延迟所带来的温度冗余吸收越好，从而温度稳定度越高；热传导垫块的热扩散系数越小，材料的热惯性越大，保温效果越好，从而温度稳定度越高；
因此本发明由第一垫块固定设置在第二垫块的上表面而构成的热传导垫块，且制成第一垫块的材质的热扩散系数大于40mm2/s，制成第二垫块的材质的热扩散系数小于10mm2/s，例如由钨铜制成的第一垫块，由可伐合金制成的第二垫块，由钨铜制成的第一垫块热扩散系数为74mm2/s，能有效减小控温时间延迟，由可伐合金制成的第二垫块热扩散系数为5mm2/s，能有效增大热沉的热惯性，而且热扩散系数小的材质包裹热扩散系数大的材质，也起到了一定的保温作用；因此用本发明所述结构的热传导垫块，能大幅度提高激光器控制温度的稳定性，从而提高激光器芯片波长扫描中心的稳定度，解决目前低功耗、小封装型激光器在TDLAS气体检测设备应用时，浓度示值1％左右不稳定现象，且用该结构的热传导垫块的激光器可达到浓度示值4‰的稳定度，从而更适用于TDLAS气体检测系统；
其中，热传导垫块用于将TEC制冷器控制的温度变化量(制冷量或制热量)均匀平滑的传导到热敏电阻和激光器芯片中，既可以是金属材质或合金材质，也可以是非金属材质，氮化铝垫块用于设计激光器芯片及热敏电阻的控温回路，既能保证温度变化量传导到热敏电阻和激光器芯片中，又能保证激光器芯片和热敏电阻相互绝缘。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述第一垫块通过金属钎焊焊料或者银浆焊接固定在所述第二垫块的上表面，所述金属钎焊焊料包括金锡合金焊料、锡银铜合金焊料、铟银合金焊料、铋锡合金焊料、铅锡合金焊料、铟锡合金焊料中的至少一种。
进一步：所述金属钎焊焊料或所述银浆的热传导率大于或等于40W/(m·K)。
上述进一步方案的有益效果是：选择热传导率大于或等于40W/(m·K)的金属钎焊焊料或者银浆作为第一垫块和第二垫块的连接物质，可以保证受控的变化温度从TEC制冷器控温冷面贯穿第一、第二热传导垫块，再到热敏电阻和激光器芯片的散热底面之间的高速传导，以使TEC制冷器对热敏电阻的温度采集灵敏度以及对激光器芯片的温度控制灵敏度都有效提高，从而使得激光器波长稳定性提高，进一步避免了激光器波长扫描中心不稳定情况，有效提高波长控制精度，也使得基于本发明中的同轴激光器光源内核的TDLAS气体检测设备的测量精度和稳定性均得到有效提升。
进一步：所述TO管脚由铜或铜合金制成。
上述进一步方案的有益效果是：将TO管脚从传统的可伐管脚改为铜管脚，对应地，TO管脚与TO管座之间的封接玻璃可对应改为压缩封接式铜封玻璃。铜管脚能有效降低阻抗，使得外部模块控温电路能够更准确地感知热敏电阻的阻值变化，以及对TEC制冷器的温度驱动更加精准，特别是在小电流驱动的情况下，从而进一步保证了本发明的同轴激光器光源内核能在任意环境温度变化时输出高稳定波长的激光束。
进一步：还包括TO管帽，且所述TO管帽密封焊接在所述TO管座上，且所述TEC制冷器、所述热传导垫块、所述氮化铝垫块、所述激光器芯片和所述热敏电阻均设置在所述TO管帽与所述TO管座合围而成的密封腔内；
所述TO管帽上设有管帽透镜，且所述管帽透镜的主光轴与所述TO管座的中心轴线同轴。
进一步：所述管帽透镜包括平窗平面透镜、非球面透镜和球面透镜中的任一种。
上述进一步方案的有益效果是：由于物体散热或者吸热主要为热传导和热辐射两种，本发明同轴封装的激光器光源内核中由TO管座与TO管帽合围而成的空间抽真空处理(即设计成密封腔)，真空环境大幅度减小了热传导垫块和环境的相互热辐射，从而进一步减小的产品的功耗，提高了温度稳定性；同时在高浓度被测气体环境下，气体可能渗透到激光器光源内核的内部光路中，导致部分激光束被气体吸收，从而光功率吸收谱线线性出现变化，核定算法出现误判，因此本发明激光器光源内核的气密性封装能有效避免在高浓度被测气体环境下工作时出现的误测可能，且气密性封装能有效避免水汽、粉尘等污染，进一步增加了产品的使用寿命；
其中，通过TO管帽上的平窗平面透镜，可实现同轴激光器光源内核维持激光器芯片发散光束特性，后续光路可扩展性强；而通过非球面透镜和球面透镜可实现光汇聚或者平行光输出，能更好地与外部光学系统标准化对接。
依据本发明的另一方面，提供了一种自带波长校准的同轴激光器，包括本发明中的一种自带波长校准的同轴激光器光源内核，还包括管体，所述同轴激光器光源内核固定焊接在所述管体内部的一端且所述TO管脚伸出至所述管体外；
还包括均固定焊接在所述管体内部的耦合透镜、光隔离器和半透半反镜片，且所述耦合透镜、所述光隔离器和所述半透半反镜片均依次与所述同轴激光器光源内核光路耦合，所述光隔离器的主光轴与所述同轴激光器光源内核的中心轴线同轴，所述半透半反镜片与所述同轴激光器光源内核的中心轴线呈45°角；
还包括自带参考气室的光电探测器，所述光电探测器固定焊接在所述管体内部的一侧，且所述半透半反镜片与所述光电探测器的中心轴线呈45°角，所述同轴激光器光源内核的中心轴线与所述光电探测器的中心轴线呈90°角。
本发明的有益效果是：在本发明的同轴激光器光源内核的基础上，在同轴激光器上还集成波长自校准用的自带参考气室的光电探测器，可通过外部电路驱动解算，实时自主较准激光器波长扫描中心，实现真正意义上的波长自反馈系统，从而保证以本发明的同轴激光器作为系统光源的TDLAS气体检测设备能实现长期的免维护免校准的功能，大大提高了TDLAS气体检测设备的可靠性和便利性；其中，耦合透镜、光隔离器和半透半反镜片均依次与同轴激光器光源内核光路耦合。光隔离器、耦合透镜的主光轴与同轴激光器光源内核的中心轴线同轴，半透半反镜片与同轴激光器光源内核的中心轴线呈45°角，同时半透半反镜片与光电探测器的中心轴线呈45°角，同轴激光器光源内核的中心轴与自带参考气室光电探测器的中心轴线成90°角，该结构的同轴激光器通过半透半反镜片将激光器输出的一部分光能量反射到自带参考气室的光电探测器内，另外一部分光能量对外输出，且耦合透镜与同轴激光器光源内核共同组成输出光路，或为空间平行光、或为汇聚光汇聚到光纤中。满足了当前自带波长校准功能的激光器光源所要求的，部分激光作为测量光束输出，部分激光作为较准光束自校准用；该一体化结构大幅度降低了原有TDLAS传感器模块中的光路结构复杂程度，提高可靠性。本发明同轴激光器光源内核与自带参考气室的光电探测器的一体式结构，结构更紧凑，同时其结构方式满足同轴BOSA自动化生产方案。相对传统的分离式光电元件方案，成本能降低约1半以上，为TDLAS气体检测应用的低成本化和大规模化应用打下基础；
其中，自带参考气室的光电探测器为现有技术，具体不再赘述。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述耦合透镜的主光轴与所述同轴激光器光源内核的中心轴线呈4°～8°角。
上述进一步方案的有益效果是：耦合透镜的主光轴与同轴激光器光源内核的中心轴线的小幅度夹角，能有效避免激光器芯片垂直于耦合透镜产生的反射光进入到激光器芯片的谐振腔内，因此能有效避免因反射光干涉所带来的波长不稳定性情况出现，从而进一步提高了激光器在持续工作时的波长稳定性。
进一步：还包括保护镜片，所述保护镜片设置在所述管体远离所述同轴激光器光源内核的一端。
进一步：所述保护镜片包括平窗透镜、非球面透镜和球面透镜中的任一种。
上述进一步方案的有益效果是：用保护镜片将激光器内部所有光学原件及光电器件气密性封装成一个完整的整体，防止外部水汽、被测气体、灰尘渗入到自带波长较准的同轴激光器的光路内部，对内部光学原件造成污染，大大提高了激光器的环境适用性，增加了可靠性。
附图说明
图1-1为本发明实施例一中同轴激光器光源内核的正视结构示意图；
图1-2为本发明实施例一中同轴激光器光源内核的侧视结构示意图；
图2为本发明实施例一中同轴激光器光源内核的TO管脚的结构示意图；
图3为本发明实施例一中带TO管帽的同轴激光器光源内核的剖视结构示意图；
图4为本发明实施例二中自带波长校准的同轴激光器的剖视结构示意图；
图5为本发明实施例二中带安装倾角的耦合透镜的同轴激光器的剖视结构示意图；
图6为本发明实施例二中带TO管帽的同轴激光器的剖视结构示意图；
图7为本发明实施例二中带保护镜片的同轴激光器的剖视结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、TO管座，2、TEC制冷器，3、热传导垫块，4、氮化铝垫块，5、激光器芯片，6、热敏电阻，7、TO管脚，8、TO管帽，9、管帽透镜，10、同轴激光器光源内核，11、管体，12、耦合透镜，13、光隔离器，14、半透半反镜片，15、光电探测器，16、保护镜片，17、金丝，18、第一垫块，19、第二垫块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
下面结合附图，对本发明进行说明。
实施例一、如图1-1和图1-2所示，一种自带波长校准的同轴激光器光源内核，包括TO管座1、设置在所述TO管座1上表面的TEC制冷器2、设置在所述TEC制冷器2上表面的热传导垫块3、设置在所述热传导垫块3上表面的氮化铝垫块4以及分别设置在所述氮化铝垫块4上表面的激光器芯片5和热敏电阻6；
还包括贯穿设置在所述TO管座上的TO管脚7，所述TEC制冷器2、所述激光器芯片5和所述热敏电阻6均分别与所述TO管脚7电连接，且所述激光器芯片4的主光轴与所述TO管座1的中心轴线同轴；
所述TEC制冷器2包括控温冷面和散热热面，所述TEC制冷器2的上表面为所述控温冷面，所述TEC制冷器2的下表面为所述散热热面，且所述热传导垫块3焊接在所述控温冷端面上；
所述热传导垫块3包括第一垫块18和第二垫块19，所述第一垫块18固定设置在所述第二垫块19的上表面，所述第二垫块19设置在所述TEC制冷器2的上表面，且制成所述第一垫块18的材质的热扩散系数大于40mm2/s，制成所述第二垫块19的材质的热扩散系数小于10mm2/s。
具体地，本实施例中的激光器芯片5为DFB或Vcsel激光器芯片，TO管座1由TO46、TO56、TO60、TO80、TO39中的任一种直径小于10mm同轴封装材料制成；第一垫块18采用热扩散系数大于40mm2/s的材料，本实施例的第一垫块18还优选热膨胀系数低的材料，如钨铜，第二垫块19用热扩散系数小于10mm2/s的可伐合金，第一垫块18内嵌焊接在第二垫块19上。
具体地，本实施例中的TEC制冷器2、激光器芯片5和热敏电阻6均分别通过金丝17与TO管脚7电连接。
本实施例中同轴激光器光源内核的工作原理为：
由于气体检测领域的同轴激光器既要满足同轴TO封装的小型化要求，还需要满足在-10℃到+60℃工作环境中，激光器波长扫描中心持续稳定在±0.01nm范围内的热设计及电路匹配设计的要求，因此通过热敏电阻阻值对激光器芯片所处环境温度变化而线性变化，来主动电流控制半导体制冷器TEC的控温冷面的温度，并通过热传导垫块和氮化铝垫块均匀平滑的传导到激光器芯片上，从而实现在激光器的环境温度变化时，对激光器芯片进行高稳定性恒温控制，以保证波长扫描的中心稳定，以该内核封装的激光器光源能更好地应用于气体检测中。
通过依次设置在TO管座上的TEC制冷器、激光器芯片和热敏电阻，以及激光器芯片的主光轴与TO管座的中心轴线同轴，构成了本同轴激光器光源内核；基于本实施例所述结构的热传导垫块，能大幅度提高激光器温度的稳定性，从而提高激光器芯片波长扫描中心的稳定度，解决目前低功耗、小封装型激光器在TDLAS气体检测设备应用时，浓度示值1％左右不稳定现象，用该结构热传导垫块的激光器可达到浓度示值4‰的稳定度，从而更适用于TDLAS气体检测系统；
其中，热传导垫块用于将TEC制冷器控制的温度变化量(制冷量或制热量)均匀平滑的传导到热敏电阻和激光器芯片中，既可以是金属或合金材质，也可以是非金属材质，氮化铝垫块用于设计激光器芯片及热敏电阻的控温回路，既能保证温度变化量传导到热敏电阻和激光器芯片中，又能保证激光器芯片和热敏电阻相互绝缘。
具体地，本实施例中的热传导垫块3中由可伐合金制成的第二垫块19通过银浆焊接在TEC制冷器2的控温冷面上，第一垫块18通过高导热性银胶或者金属钎焊焊料焊接在第二垫块19上，氮化铝垫块4通过金属钎焊焊料或银浆焊接在热传导垫块3中由钨铜制成的第一垫块19上，激光器芯片5和热敏电阻6通过金属钎焊焊料焊接在氮化铝垫块4上，且金属钎焊焊料包括金锡合金焊料、锡银铜合金焊料、铟银合金焊料、铋锡合金焊料、铅锡合金焊料、铟锡合金焊料中的至少一种，金属钎焊焊料或银浆的热传导率大于或等于40W/(m·K)。
选择热传导率大于或等于40W/(m·K)的金属钎焊焊料或者银浆作为第一垫块和第二垫块的连接物质，可以保证受控的变化温度从TEC制冷器控温冷面贯穿第一、第二热传导垫块，再到热敏电阻和激光器芯片的散热底面之间的高速传导，以使TEC制冷器对热敏电阻的温度采集灵敏度以及对激光器芯片的温度控制灵敏度都有效提高，从而使得激光器波长稳定性提高，进一步避免了激光器波长扫描中心不稳定情况，有效提高波长控制精度，也使得基于本发明中的同轴激光器光源内核的TDLAS气体检测设备的测量精度和稳定性均得到有效提升。
优选地，如图2所示，所述TO管脚7由铜或铜合金制成。
将TO管脚从传统的可伐管脚改为铜管脚，对应地，TO管脚与TO管座之间的封接玻璃可对应改为压缩封接式铜封玻璃。铜管脚能有效降低阻抗，使得外部控温电路能够更准确地感知热敏电阻的阻值变化，以及对TEC制冷器的温度驱动更加精准，特别是在小电流驱动的情况下，从而进一步保证了本发明的同轴激光器光源内核能在任意环境温度变化时输出高稳定波长的激光束。
优选地，如图3所示，还包括TO管帽8，且所述TO管帽8密封焊接在所述TO管座1上，所述TEC制冷器2、所述热传导垫块3、所述氮化铝垫块4、所述激光器芯片5和所述热敏电阻6均设置在所述TO管帽8与所述TO管座1合围而成的密封腔内；
所述TO管帽8上设有管帽透镜9，且所述管帽透镜9的主光轴与所述TO管座1的中心轴线同轴。
具体地，所述管帽透镜9包括平窗平面透镜、非球面透镜和球面透镜中的任一种。
本实施例同轴封装的激光器光源内核中由TO管座与TO管帽合围而成的空间作抽真空处理(即设计成密封腔)，真空环境大幅度减小了热传导垫块和环境的相互热辐射，从而进一步提高了温度稳定性。同时，本实施例激光器光源内核的气密性封装能有效避免在高浓度被测气体环境下工作时出现的误测可能，且气密性封装能有效避免水汽、粉尘等污染，进一步增加了产品的使用寿命；
其中，通过TO管帽上的平窗平面透镜，可实现同轴激光器光源内核维持激光器芯片发散光束特性，后续光路可扩展性强。而通过非球面透镜和球面透镜可实现光汇聚或者平行光输出，能更好地与外部光学系统标准化对接。
实施例二、如图4所示，一种自带波长校准的同轴激光器，包括本发明中的一种同轴激光器光源内核10，还包括管体11，所述同轴激光器光源内核10固定焊接在所述管体11内部的一端且所述TO管脚7伸出所述管体11外；
还包括均固定焊接在所述管体11内部的耦合透镜12、光隔离器13和半透半反镜片14，且所述耦合透镜12、所述光隔离器13和所述半透半反镜片14均依次与所述同轴激光器光源内核10光路耦合，所述光隔离器13、所述耦合透镜12的主光轴与所述同轴激光器光源内核10的中心轴线同轴，所述半透半反镜片14与所述同轴激光器光源内核10的中心轴线呈45°角；
还包括自带参考气室的光电探测器15，所述光电探测器15固定焊接在所述管体11内部的一侧，且所述半透半反镜片14与所述光电探测器15的中心轴线呈45°角，所述同轴激光器光源内核10的中心轴线与所述光电探测器15的中心轴线呈90°角。
具体地，本实施例中的管体11为圆方管体。通过圆方管体、自带参考气室的光电探测器和本实施例的同轴激光器光源内核以及各部分之间的光学元件构成的自带波长较准功能的激光器，结构更紧凑，工艺更简单、省去了原有TDLAS系统中很多的无源光学部件，在实现激光器波长扫描中心可自校准的功能下，同时提高激光器的可靠性和降低产品成本。
具体地，本实施例中的耦合透镜12、光隔离器13和半透半反镜片14均通过环氧树脂胶粘，并进行150℃烘烤后固定在圆方管体11内部，同轴激光器光源内核10与圆方管体11进行XYZ轴的光路耦合调整，调整到在远端100mm处且光斑为直径不超过0.4mm的平行光后进行激光焊接固定，自带参考气室的光电探测器15与圆方管体11进行XYZ轴的光路耦合调整，直到响应度达到≥0.5mA/mW后通过激光焊接或者环氧树脂胶粘固定。通过上述的光路耦合构成的本实施例的同轴激光器发出的平行激光，一部分作为测量光束输出，另一部分进通过与光源内核的主光轴夹角45°角的半透半反镜片反射到自带参考气室的光电探测器内，作为较准光束。最终构成自带波长校准功能的同轴激光器。
具体地，本实施例的半透半反镜片14包括对于指定波长的光，反射率和透射率呈一定比例的镜片，例如10％反射90％透射、50％反射50％透射、90％反射10％透射的镜片等。
本实施例中自带波长校准的同轴激光器的工作原理为：
在实施例一的同轴激光器光源内核的基础上，在同轴激光器内还集成了自带参考气室的光电探测器，耦合透镜、光隔离器、半透半反镜片和自带参考气室的光电探测器。耦合光透镜、光隔离器和半透半反镜片均依次与同轴激光器光源内核光路耦合，光隔离器、耦合透镜的主光轴与同轴激光器光源内核的中心轴线同轴，半透半反镜片与同轴激光器光源内核的中心轴线呈45°角且半透半反镜片与光电探测器的中心轴线呈45°角，同轴激光器光源内核的中心轴线与自带参考气室光电探测器的中心轴线成90°角，半透半反镜片将激光器输出的一部分光能量反射到自带参考气室的光电探测器内，作为激光器波长自较准用，另外一部分光能量作为检测用激光输出，进行气体浓度测量用。从而在满足对需要检测的气体进行气体浓度检测的前提下，还实现了自主较准激光器波长扫描中心的功能，从而实现了集成该光源的TDLAS气体检测设备免较准免维护的目标。
本实施例的自带波长校准的同轴激光器实现了真正意义上的波长自反馈系统，从而保证以本发明的同轴激光器作为系统光源的TDLAS气体检测设备能实现长期的免维护免校准的功能，大大提高了TDLAS气体检测设备的可靠性和便利性；该一体化结构大幅度降低了原有TDLAS传感器模块中的光路结构复杂程度，提高可靠性，本发明同轴激光器光源内核与自带参考气室的光电探测器的一体式结构，结构更紧凑，同时其结构方式满足同轴BOSA自动化生产方案，成本能降低约1半以上，为TDLAS气体检测应用的低成本化和大规模化应用打下基础；
其中，自带参考气室的光电探测器为现有技术，例如武汉翎风光电生产的自带参考气室的光电探测器，具体不再赘述。
优选地，如图5所示，所述耦合透镜12的主光轴与所述同轴激光器光源内核10的中心轴线呈4°～8°角。
耦合透镜的主光轴与同轴激光器光源内核的中心轴线的小幅度夹角，能有效避免激光器芯片垂直于耦合透镜产生的反射光进入到激光器芯片的谐振腔内，因此能有效避免因反射光干涉所带来的波长不稳定性情况出现，从而进一步提高了激光器在持续工作时的波长稳定性。
其中，本实施例中的同轴激光器包括TO管帽的结构如图6所示。同样，TO管帽上设有管帽透镜，且管帽透镜包括平窗平面透镜、非球面透镜和球面透镜中的任一种。通过TO管帽以及管帽透镜与TO管座的气密性封装，能进一步有效避免在高浓度被测气体环境下工作时出现的误测可能，且气密性封装能有效避免水汽、粉尘等污染，进一步增加了产品的使用寿命。
优选地，如图7所示，还包括保护镜片16，所述保护镜片16设置在所述管体11远离所述同轴激光器光源内核10的一端。
具体地，所述保护镜片16包括平窗透镜、非球面透镜和球面透镜中的任一种。
用保护镜片将激光器内部所有光学原件及光电器件气密性封装成一个完整的整体，防止外部水汽、被测气体、灰尘渗入到自带波长较准的同轴激光器的光路内部，防止对内部光学原件造成污染，大大提高了激光器的环境适用性，增加了可靠性。
本实施例中自带波长校准的同轴激光器光源内核的未尽细节，参考实施例一和图1-1、图1-2、图2和图3的具体描述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自带波长校准的同轴激光器光源内核，其特征在于，包括TO管座(1)、设置在所述TO管座(1)上表面的TEC制冷器(2)、设置在所述TEC制冷器(2)上表面的热传导垫块(3)、设置在所述热传导垫块(3)上表面的氮化铝垫块(4)以及分别设置在所述氮化铝垫块(4)上表面的激光器芯片(5)和热敏电阻(6)；
还包括贯穿设置在所述TO管座(1)上的TO管脚(7)，所述TEC制冷器(2)、所述激光器芯片(5)和所述热敏电阻(6)均分别与所述TO管脚(7)电连接，且所述激光器芯片(4)的主光轴与所述TO管座(1)的中心轴线同轴；
所述TEC制冷器(2)包括控温冷面和散热热面，所述TEC制冷器(2)的上表面为所述控温冷面，所述TEC制冷器(2)的下表面为所述散热热面，且所述热传导垫块(3)焊接在所述控温冷端面上；
所述热传导垫块(3)包括第一垫块(18)和第二垫块(19)，所述第一垫块(18)固定设置在所述第二垫块(19)的上表面，所述第二垫块(19)设置在所述TEC制冷器(2)的上表面，且制成所述第一垫块(18)的材质的热扩散系数大于40mm2/s，制成所述第二垫块(19)的材质的热扩散系数小于10mm2/s。
2.根据权利要求1所述的自带波长校准的同轴激光器光源内核，其特征在于，所述第一垫块(18)通过金属钎焊焊料或者银浆焊接固定在所述第二垫块(19)的上表面，所述金属钎焊焊料包括金锡合金焊料、锡银铜合金焊料、铟银合金焊料、铋锡合金焊料、铅锡合金焊料、铟锡合金焊料中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的自带波长校准的同轴激光器光源内核，其特征在于，所述金属钎焊焊料或所述银浆的热传导率大于或等于40W/(m·K)。
4.根据权利要求1至3任一项所述的自带波长校准的同轴激光器光源内核，其特征在于，所述TO管脚(7)由铜或铜合金制成。
5.根据权利要求1至3任一项所述的自带波长校准的同轴激光器光源内核，其特征在于，还包括TO管帽(8)，所述TO管帽(8)密封焊接在所述TO管座(1)上，且所述TEC制冷器(2)、所述热传导垫块(3)、所述氮化铝垫块(4)、所述激光器芯片(5)和所述热敏电阻(6)均设置在所述TO管帽(8)与所述TO管脚(1)合围而成的密封腔内；
所述TO管帽(8)上设有管帽透镜(9)，且所述管帽透镜(9)的主光轴与所述TO管座(1)的中心轴线同轴。
6.根据权利要求5所述的自带波长校准的同轴激光器光源内核，其特征在于，所述管帽透镜(9)包括平窗平面透镜、非球面透镜和球面透镜中的任一种。
7.一种自带波长校准的同轴激光器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的自带波长校准的同轴激光器光源内核(10)，还包括管体(11)，所述同轴激光器光源内核(10)固定焊接在所述管体(11)内部的一端且所述TO管脚(7)伸出至所述管体(11)外；
还包括均固定焊接在所述管体(11)内部的耦合透镜(12)、光隔离器(13)和半透半反镜片(14)，且所述耦合透镜(12)、所述光隔离器(13)和所述半透半反镜片(14)均依次与所述同轴激光器光源内核(10)光路耦合，所述光隔离器(13)、所述耦合透镜(12)的主光轴与所述同轴激光器光源内核(10)的中心轴线同轴，所述半透半反镜片(14)与所述同轴激光器光源内核(10)的中心轴线呈45°角；
还包括自带参考气室的光电探测器(15)，所述光电探测器(15)固定焊接在所述管体(11)内部的一侧，且所述半透半反镜片(14)与所述光电探测器(15)的中心轴线呈45°角，所述同轴激光器光源内核(10)的中心轴线与所述光电探测器(15)的中心轴线呈90°角。
8.根据权利要求7所述的自带波长校准的同轴激光器，其特征在于，所述耦合透镜(12)的主光轴与所述同轴激光器光源内核(10)的中心轴线呈4°～8°角。
9.根据权利要求7所述的自带波长校准的同轴激光器，其特征在于，还包括保护镜片(16)，所述保护镜片(16)设置在所述管体(11)远离所述同轴激光器光源内核(10)的一端。
10.根据权利要求9所述的自带波长校准的同轴激光器，其特征在于，所述保护镜片(16)包括平窗透镜、非球面透镜和球面透镜中的任一种。
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