CN111668695A - 半导体激光装置以及分析装置 - Google Patents

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有本公彦
伊关博臣
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Abstract

本发明提供半导体激光装置以及分析装置。一种半导体激光装置，用于光学分析，能够减小检测半导体激光元件的温度的温度检测元件的测定误差，高精度地进行半导体激光元件的温度控制，其中，具备：半导体激光元件(2)；温度检测元件(3)，检测半导体激光元件(2)的温度；输出端子(T1、T2)，将温度检测元件3的输出向外部输出；布线(L1、L2)，将温度检测元件(2)与输出端子(T1、T2)电连接；以及热容量增大部(7)，夹设在温度检测元件(3)与输出端子(T1、T2)之间，与布线(L1、L2)的至少一部分接触而增大布线(L1、L2)的热容量。

Description

半导体激光装置以及分析装置
技术领域
本发明涉及用于光学分析的半导体激光装置以及分析装置。
背景技术
以往，例如在使用了半导体激光元件的气体分析装置中，由于从半导体激光元件射出的激光的波长变动对分析精度造成影响，所以将作为波长变动的原因之一的半导体激光元件的温度控制在所期望的温度。
例如在专利文件1中，在具有珀耳帖元件以及支承基板等的温度控制部，搭载半导体激光元件以及热敏电阻等温度检测部，基于由温度检测部得到的温度对温度控制部进行控制。由此，将半导体激光元件的温度控制在所期望的温度，抑制激光的波长变动。在专利文件1的半导体激光光源中，在由基座部件以及罩部件形成的内部空间设置有半导体激光元件、温度检测部以及温度控制部。并且，以从基座部件的外部朝向内部空间贯通基座部件的方式设置的多个管脚端子通过导电性导线与半导体激光元件、温度检测部以及温度控制部分别电连接。
但是，伴随着半导体激光光源的周围温度的变化，设置于基座部件的管脚端子的温度变化，从该管脚端子通过导电性导线向温度检测部传递热。于是，温度检测部的温度由于来自导电性导线的热而变动。其结果是，在半导体激光元件的温度产生测定误差，难以高精度地控制半导体激光元件的温度。
专利文件1：国际公开第2013/084746号
发明内容
因此，本发明是为了解决上述问题而完成的，其主要课题在于，能够减小检测半导体激光元件的温度的温度检测元件的测定误差，高精度地进行半导体激光元件的温度控制。
即，本发明所涉及的半导体激光装置用于光学分析，具备：半导体激光元件；温度检测元件，检测所述半导体激光元件的温度；输出端子，将所述温度检测元件的输出向外部输出；布线，将所述温度检测元件与所述输出端子电连接；以及热容量增大部，夹设在所述温度检测元件与所述输出端子之间，与所述布线的至少一部分接触而增大所述布线的热容量。
根据这样的半导体激光装置，由于设置有将温度检测元件与输出端子连接的布线接触而增大该布线的热容量的热容量增大部，所以能够减少在布线传递而流入温度检测元件的热量。其结果是，能够通过温度检测元件高精度地检测半导体激光元件的温度，能够高精度地进行半导体激光元件的温度控制。
例如为了适用于红外分光分析等光学分析，优选所述半导体激光元件是量子级联激光器。此处，由于量子级联激光器与通常的半导体激光器相比，消耗电力多出一个数量级以上，容易产生温度变化，因此较大地受到频率变动的影响。根据本发明，由于能够高精度地进行量子级联激光器的温度控制，所以能够抑制因温度变化而引起的频率变动，能够高精度地进行光学分析。
作为用于进行半导体激光元件的温度调整的具体实施方式，优选半导体激光装置还具备：冷却机构，搭载有所述半导体激光元件，用于冷却所述半导体激光元件；以及控制部，使用所述温度检测元件的检测温度对所述冷却机构进行控制。
在冷却机构直接搭载半导体激光元件的情况下，由于冷却机构的热膨胀率与半导体激光元件的热膨胀率的差，有可能在两者产生变形，或者在两者形成间隙而阻碍热传递。
因此，考虑到半导体激光装置还具备基板，该基板夹设在所述冷却机构与所述半导体激光元件之间。考虑该基板的热膨胀率在冷却机构的热膨胀率与半导体激光元件的热膨胀率之间。此外，作为基板的材质，考虑使用氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)等的陶瓷。
为了使布线的热容量增大并且积极地使布线的温度成为与半导体激光元件相同的温度，优选所述热容量增大部与所述基板接触。此时，通过将所述热容量增大部形成为覆盖布线的一部分的结构，与覆盖布线整体的结构相比，能够减小热容量增大部的容积，基于来自基板的传热的温度调整变得容易，能够缩短到布线的温度稳定为止的时间(例如暖机时间)。
优选所述热容量增大部由绝缘性材料亦即硅形成。根据该构成，不会阻碍布线的电信号的传递，能够增大热容量。此外，由于硅具有柔软性，所以布线变得难以断裂，也具有保护布线的作用。
为了使用已有的结构构成热容量增大部，优选所述布线埋入所述基板，所述基板作为所述热容量增大部发挥功能。
此处，所述基板是层叠陶瓷基板，所述布线使用所述层叠陶瓷基板的布线而构成。
有可能从与半导体激光元件的光射出面相反侧的端面漏出光，该漏出的光成为杂散光。因此，为了减少杂散光，优选半导体激光装置还具备遮光部，该遮光部和与所述半导体激光元件的光射出面相反侧的端面对置，遮挡从该端面漏出的光。
此外，通过将所述温度检测元件和与所述半导体激光元件的光射出面相反侧的端面对置地设置，能够通过所述温度检测元件减少杂散光。
此外，本发明所涉及的分析装置分析流体中包含的测定对象成分，具有：测定单元，被导入有所述流体；所述半导体激光装置，向所述测定单元照射激光；光检测器，检测通过所述测定单元后的激光；以及分析部，使用所述光检测器的检测信号分析所述测定对象成分。
根据这样的分析装置，由于能够高精度地进行半导体激光元件的温度控制，所以能够高精度地分析流体中包含的测定对象成分。
根据如此构成的本发明，能够减小检测半导体激光元件的温度的温度检测元件的测定误差，能够高精度地进行半导体激光元件的温度控制。
附图说明
图1是表示使用了本实施方式的半导体激光装置的废气分析装置的整体示意图。
图2是示意性地表示该实施方式的半导体激光装置的整体结构的俯视图。
图3是示意性地表示该实施方式的半导体激光装置的整体结构的截面图。
图4是示意性地表示变形实施方式的半导体激光装置的整体结构的俯视图。
图5是示意性地表示变形实施方式的半导体激光装置的整体结构的截面图。
图6是示意性地表示变形实施方式的半导体激光装置的整体结构的俯视图。
图7是示意性地表示变形实施方式的半导体激光装置的整体结构的截面图。
附图标记说明：
100：半导体激光装置；2：半导体激光元件；3：温度检测元件；T1、T2：输出端子；L1、L2：布线；7：热容量增大部；4：冷却机构；COM：控制部；5：基板；5a、5b：层叠陶瓷基板的布线。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的半导体激光装置的一个实施方式进行说明。
如图1所示，本实施方式的半导体激光装置100例如用于对从内燃机排出的废气中的测定对象成分(例如CO、CO2、H2O、NO、NO2、N2O、NH3、HC等烃成分、HCHO等含氧烃成分)进行分析的废气分析装置10。此处，废气分析装置10具有被导入废气的多重反射型的测定单元11、向测定单元11照射激光X的半导体激光装置100、检测通过测定单元11后的激光X的光检测器12、以及使用光检测器12的检测信号分析测定对象成分的分析部13。另外，测定单元11并不限定于多重反射型，可以是单反射型，也可以是不使用反射的单路径型。
具体而言，半导体激光装置100射出包含测定对象成分的吸收波长的振荡波长的激光X，如图2以及图3所示，具备：半导体激光元件2；温度检测元件3，检测半导体激光元件2的温度；冷却机构4，搭载半导体激光元件2以及温度检测元件3，用于冷却半导体激光元件2；基板(submount)5，设置在半导体激光元件2以及温度检测元件3与冷却机构4之间；以及气密容器6，对它们进行收纳。
半导体激光元件2例如是射出红外波长的激光X的分布式反馈型激光器(DFB激光器：Distributed Feedback Laser)，特别是在本实施方式中，是多级连接多个阱层，通过在这些量子阱中形成的子带之间的光学跃迁而发出光的量子级联激光器。
温度检测元件3通过检测搭载有半导体激光元件2的基板5的温度来检测半导体激光元件2的温度。本实施方式的温度检测元件3是热敏电阻，为了减小与半导体激光元件2之间的温度差而设置在半导体激光元件2的附近。图2的温度检测元件3设置在半导体激光元件2的侧方，但是也可以设置在其他位置。另外，通过将温度检测元件3和与半导体激光元件2的光射出面相反侧的后端面对置设置，能够遮挡从半导体激光元件2的后端面漏出的光而减少杂散光。
冷却机构4使用珀耳帖元件构成，其上表面是吸热面。并且，基板5与该吸热面接触地设置。该冷却机构4由取得了温度检测元件3的检测温度的控制部COM控制。具体而言，控制部COM使用温度检测元件3的检测温度对提供给珀耳帖元件的电力进行控制，使温度检测元件3的检测温度成为所期望的温度。
基板5例如是氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)等的陶瓷基板。在该基板5的上表面设置有半导体激光元件2以及温度检测元件3。另外，在基板5的上表面形成有与各元件2、3电连接的金属层51、52、53。
气密容器6例如形成蝶形封装等的密闭空间，在与半导体激光元件2的光射出面对置的侧壁形成有用于向外部导出激光X的光导出部61。在该光导出部61设置有光学窗部件62，该光学窗部件62稍微(例如2度)倾斜，以免由光学窗部件62反射后的激光X再次返回到半导体激光元件2。
此外，在气密容器6设置有向外部输出温度检测元件3的输出的输出端子T1、T2以及用于向半导体激光元件2供电的供电端子T3、T4。这些输出端子T1、T2以及供电端子T3、T4根据温度检测元件3以及半导体激光元件2的哪个被连接而任意决定。另外，在气密容器6还设置有用于向冷却机构4的珀耳帖元件供电的供电端子T5、T6。
在输出端子T1、T2连接有与温度检测元件3电连接的温度检测用的布线L1、L2。输出端子T1、T2有两个，在一个输出端子T1连接有与金属层51连接的布线L1，该金属层51与温度检测元件3的一个电极电连接，在另一个输出端子T2连接有布线L2，该布线L2与温度检测元件3的另一个电极电连接。这些布线L1、L2例如是金线。
在半导体激光元件2的供电端子T3、T4连接有与半导体激光元件2电连接的半导体激光元件2用的布线L3、L4。供电端子T3、T4有2个，在一个供电端子T3连接有与金属层52连接的布线L3，该金属层52与半导体激光元件2的一个电极电连接，在另一个供电端子T4连接有布线L4，该布线L4经由金属层53与半导体激光元件2的另一个电极电连接。同样地，在珀耳帖元件的供电端子T5、T6连接有与珀耳帖元件电连接的珀耳帖元件用的布线L5、L6。
然而，本实施方式的半导体激光装置100还具备热容量增大部7，该热容量增大部7夹设在温度检测元件3与输出端子T1、T2之间，与温度检测用的布线L1、L2的至少一部分接触而增大该布线L1、L2的热容量。
热容量增大部7与直接连接输出端子T2与温度检测元件3的布线L2的一部分接触地设置。该热容量增大部7在维持布线L2的导电的同时降低来自输出端子T2的热的传递。具体而言，热容量增大部7由具有绝缘性的材料构成，由于覆盖布线L2，所以优选为具有柔软性的材料，例如是具有柔软性的硅等的树脂。此外，热容量增大部7设置成覆盖温度检测用的布线L2的一部分的周围。进而，热容量增大部7也与基板5接触地设置。
另外，热容量增大部7也可以设置成覆盖温度检测用的布线L2的至少一部分并且覆盖温度检测元件3的至少一部分。此处，在热容量增大部7使用硅的情况下，有可能产生硅氧烷气体，该硅氧烷气体会产生接触不良等的电子设备的不良情况，因此，由硅构成的热容量增大部7优选减小其体积。
＜本实施方式的效果＞
在这样的半导体激光装置100中，由于设置与连接温度检测元件3和输出端子T2的布线L2接触而增大该布线L2的热容量的热容量增大部7，所以能够降低在布线L2传递而流入温度检测元件3的热量。其结果是，能够通过温度检测元件3高精度地检测半导体激光元件2的温度，能够高精度地进行半导体激光元件2的温度控制。即，能够减小温度检测元件3的检测温度与半导体激光元件2的温度之差，能够高精度地进行半导体激光元件2的温度控制。如果是使用了这样的半导体激光装置100的气体分析装置10，则能够抑制半导体激光元件2的振荡波长的变动，能够高精度地分析气体中包含的测定对象成分。
＜其他的实施方式＞
另外，本发明并不限定于上述实施方式。
例如，在上述实施方式中，形成为在基板5的上方通过布线L1、L2连接输出端子T1、T2与温度检测元件3的结构，但是也可以如图4、图5所示，通过将温度检测用的布线L1、L2埋入基板5而构成。图4、图5所示的基板5由层叠陶瓷基板构成。在该构成中，温度检测用的布线L1、L2的一部分由层叠陶瓷基板的布线5a、5b构成。
具体而言，温度检测元件3的一个电极与布线5a电连接，该布线5a与金属层54电连接。并且，该金属层54通过金线等的导线L11与输出端子T1电连接。此外，温度检测元件3的另一个电极与形成于温度检测元件3的附近的金属层55电连接，该金属层55与布线5b电连接。此外，布线5b与金属层56电连接，该金属层56通过金线等的导线L21与输出端子T2电连接。
通过像这样将温度检测用的布线L1、L2(特别地，与温度检测元件3的另一个电极连接的布线L2)的一部分埋入基板5，将基板5自身作为热容量增大部7发挥功能，能够在布线L2传递而流入温度检测元件3的热量。
此外，半导体激光元件2的一个电极与层叠陶瓷基板的布线5c电连接，该布线5c与金属层57电连接。并且，该金属层57通过金线等的导线L31与供电端子T3电连接。此外，半导体激光元件2的另一个电极经由金属层58通过金线等的布线L4与供电端子T4电连接。另外，也可以形成为不将半导体激光元件2用的布线L3、L4埋入基板的结构。
另外，作为将布线L1、L2埋入基板5的结构，除了如上述那样使用层叠陶瓷基板的布线5a、5b的结构之外，还可以在基板5形成槽，在该槽中收纳布线L1、L2并通过树脂等密封。另外，也可以使布线L1、L2以接触基板5的表面的方式爬行。
此外，如图6、图7所示，也可以在基板5形成收纳半导体激光元件2的凹部M1，并形成收纳温度检测元件3的凹部M2。此时，凹部M1的内表面与半导体激光元件的后端面对置，作为遮挡从该后端面漏出的光而减少杂散光的遮光部发挥功能。此处，遮光部的遮光面稍微(例如2度)倾斜，以免反射后的光再次返回到半导体激光元件2。另外，在图6、图7中，基板5由层叠陶瓷基板构成，但是也可以由单纯的陶瓷基板构成。
此外，也可以与半导体激光元件2的后端面对置地形成台阶部。优选该台阶部的高度尺寸高于半导体激光元件2的高度尺寸，例如优选为2mm以上。
在上述实施方式中，对具有量子级联激光元件的半导体激光装置进行了说明，但是也可以具有其他的半导体激光元件(例如分布反射型激光器(DBR激光器))。
作为半导体激光元件2的驱动方式，可以是连续振荡(CW)方式，也可以是伪连续振荡(伪CW)方式，还可以是脉冲振荡方式。
在上述实施方式中，对将半导体激光装置应用于气体分析装置的例子进行了说明，但是也可以应用于其他的光学分析装置。
此外，使用了上述实施方式的半导体激光装置的分析装置，例如除了用于汽车的废气分析之外，也可以分析大气等的各种气体(例如环境气体)的测定对象成分(例如CO、CO2、H2O、NO、NO2、N2O、NH3、HC等烃成分、HCHO等含氧烃成分)，还可以分析液体。
此外，本发明并不限定于上述实施方式，当然可以在不脱离其主旨的范围内进行各种变形。

Claims (10)

1.一种半导体激光装置，用于光学分析，其中，具备：
半导体激光元件；
温度检测元件，检测所述半导体激光元件的温度；
输出端子，将所述温度检测元件的输出向外部输出；
布线，将所述温度检测元件与所述输出端子电连接；以及
热容量增大部，夹设在所述温度检测元件与所述输出端子之间，与所述布线的至少一部分接触而增大所述布线的热容量。
2.根据权利要求1所述的半导体激光装置，其中，
所述半导体激光元件是量子级联激光器。
3.根据权利要求1或2所述的半导体激光装置，其中，
所述半导体激光装置还具备：
冷却机构，搭载有所述半导体激光元件，用于冷却所述半导体激光元件；以及
控制部，使用所述温度检测元件的检测温度对所述冷却机构进行控制。
4.根据权利要求1或2所述的半导体激光装置，其中，
所述半导体激光装置还具备基板，该基板夹设在所述冷却机构与所述半导体激光元件之间，
所述热容量增大部与所述基板接触。
5.根据权利要求1或2所述的半导体激光装置，其中，
所述热容量增大部由硅形成。
6.根据权利要求4所述的半导体激光装置，其中，
所述布线埋入所述基板，
所述基板作为所述热容量增大部发挥功能。
7.根据权利要求4或6所述的半导体激光装置，其中，
所述基板是层叠陶瓷基板，
所述布线使用所述层叠陶瓷基板的布线而构成。
8.根据权利要求1或2所述的半导体激光装置，其中，
所述半导体激光装置还具备遮光部，该遮光部和与所述半导体激光元件的光射出面相反侧的端面对置，遮挡从该端面漏出的光。
9.根据权利要求1或2所述的半导体激光装置，其中，
所述温度检测元件和与所述半导体激光元件的光射出面相反侧的端面对置地设置。
10.一种分析装置，分析流体中包含的测定对象成分，其中，具有：
测定单元，被导入有所述流体；
权利要求1至9中的任一项所述的半导体激光装置，向所述测定单元照射激光；
光检测器，检测通过所述测定单元后的激光；以及
分析部，使用所述光检测器的检测信号分析所述测定对象成分。
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