專利名稱：帶集成溫度受控光束整形元件的ld結(jié)構(gòu)和借助其的氣體檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種專門(mén)用于在氣體檢測(cè)中使用的激光二極管(laser diode,以下也 稱作LD)結(jié)構(gòu)，其具有密封外殼，該密封外殼帶有電連接件，并具有底部和窗；設(shè)置在外殼 中的激光二極管芯片和用于該激光二極管芯片的溫控系統(tǒng)；以及光學(xué)的光束整形元件，該 光束整形元件設(shè)置在激光二極管芯片與外殼的窗之間，并且在自激光二極管芯片的激光孔 徑發(fā)出的激光束通過(guò)窗之前準(zhǔn)直該激光束。另外，本發(fā)明涉及借助于激光二極管結(jié)構(gòu)的氣 體檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
由于在安全、舒適、以及環(huán)境保護(hù)方面中的大量應(yīng)用，所以存在對(duì)有成本效益的、 可靠的、以及高靈敏度的氣體傳感器的需求。對(duì)于已知的氣體傳感器，通常通過(guò)利用吸收光 譜法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)。通過(guò)該技術(shù)，將例如某個(gè)頻率的激光束的光束引導(dǎo)通過(guò)氣體或 氣體混合物，其中該頻率的光束被氣體傳感器所設(shè)計(jì)用于的氣體強(qiáng)烈吸收。于是，光束的吸 收程度被用作待檢測(cè)氣體的濃度的指示。對(duì)于氣體檢測(cè)，頻譜單模的激光二極管是尤其合 適的，目前所能制造的頻譜單模的激光二極管用于高達(dá)100°c的運(yùn)行溫度。作為現(xiàn)有技術(shù)，德國(guó)專利公開(kāi)DE 19717145C2公開(kāi)了一種方法，其借助于單模DFB 激光二極管、并且通過(guò)利用該二極管經(jīng)由其運(yùn)行溫度對(duì)發(fā)射波長(zhǎng)的可調(diào)諧性，來(lái)拾取和/ 或掃描待測(cè)量的氣體的頻譜的一部分，并且在這種情況下，借助于氣體的特征譜線來(lái)檢測(cè) 氣體，然后確定氣體的濃度。在測(cè)量方法的一般應(yīng)用中，激光器的運(yùn)行溫度通常借助于熱電 冷卻器(珀耳帖(Peltier)元件)保持恒定，并且借助于激光二極管的運(yùn)行電壓的變化實(shí) 現(xiàn)來(lái)波長(zhǎng)的調(diào)諧。具體地，采用可調(diào)諧激光氣體檢測(cè)(TDLQ，高的檢測(cè)靈敏度要求由激光二 極管半導(dǎo)體芯片發(fā)射的激光輻射以具有最少的干涉現(xiàn)象的方式自激光二極管發(fā)出。這樣的 干涉可由于如下原因引起激光在激光二極管的作用如同鏡子的外殼內(nèi)表面上的反射，或 者在激光二極管的窗的內(nèi)表面或外表面上的反射，或者通過(guò)布置在外殼中的部件的類似表 面上的反射。在激光吸收光譜中，在通過(guò)包含氣體或氣體混合物的測(cè)量段(或部分)之后，借助 于例如光敏半導(dǎo)體元件或熱傳感器元件之類的檢測(cè)器來(lái)測(cè)量對(duì)由激光二極管發(fā)射的光的 吸收，并將接收信號(hào)送到信號(hào)分析儀中。在分析期間，信號(hào)分析儀能夠?qū)⒑愣ǖ母缮鎴D樣與 接收到的沒(méi)有問(wèn)題的信號(hào)分開(kāi)。相比之下，在對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析期間不能完全消除 變化的干涉圖樣，從而使得顯著增強(qiáng)了激光束接收器的噪聲，這使待檢測(cè)氣體的檢測(cè)靈敏 度降低。變化的干涉圖樣通常由激光二極管結(jié)構(gòu)外殼上的溫度影響或在該外殼中的溫度影 響所引起，其不能被消除，并且導(dǎo)致激光在激光二極管結(jié)構(gòu)的外殼中的光程長(zhǎng)度的變化。例 如，如果作為激光束準(zhǔn)直器的微透鏡在激光二極管結(jié)構(gòu)中設(shè)置于附連至外殼底部的激光二 極管芯片與外殼的窗之間，則自激光二極管芯片的激光孔徑發(fā)出的激光的反射將自然還發(fā) 生在微透鏡的相對(duì)于激光束橫向取向的那些邊界面處。類似于激光束在外殼的窗上的對(duì)應(yīng)反射，這些反射也可導(dǎo)致疊置在其他可能發(fā)生的干涉圖樣上的干涉圖樣。由微透鏡所引起 的干涉圖樣還可取決于溫度而改變，并因此對(duì)氣體傳感器的分辨率具有負(fù)面影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過(guò)避免或大大地減少激光束在其從激光二極管結(jié)構(gòu)的封閉的密封外殼 發(fā)出時(shí)的干涉現(xiàn)象，解決了提出一種用于改善氣體傳感器靈敏度的方法的問(wèn)題。根據(jù)本發(fā)明，該問(wèn)題由具有權(quán)利要求1的特征的激光二極管結(jié)構(gòu)解決，并由具有 從屬權(quán)利要求14的特征的用于減少激光二極管結(jié)構(gòu)干涉現(xiàn)象的方法解決。在從屬權(quán)利要 求中給出了另外的有利實(shí)施例。在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選用來(lái)與供氣體檢測(cè)的裝置一起使用的激光二極管結(jié)構(gòu)中，外 殼的窗相對(duì)于激光束的中心軸線傾斜，使得激光束沿激光二極管結(jié)構(gòu)的方向可能發(fā)生在窗 處的反射將會(huì)錯(cuò)過(guò)激光二極管芯片的激光孔徑。窗傾斜的方位角對(duì)激光束的偏振矢量具 有固定關(guān)系，其中偏振矢量在窗的入射平面中。設(shè)置成與具有激光二極管芯片的底部相對(duì) 的窗可布置成平行或傾斜的構(gòu)造，或者可合適地布置在外殼的延伸離開(kāi)底部的側(cè)壁上。 在透射和反射方面，到達(dá)面對(duì)光學(xué)的光束整形元件的窗內(nèi)側(cè)的激光束根據(jù)光學(xué)上已知的 Brewster角而動(dòng)作。光束整形元件與激光二極管芯片物理接觸，并相對(duì)于激光二極管芯片 具有限定的溫度狀態(tài)。與激光二極管芯片的接觸可以是直接的或間接的，并在激光二極管 芯片與光束整形元件之間允許一定的熱傳遞。激光二極管芯片和光束整形元件可一起被制 成一件，也可被分開(kāi)制成并稍后彼此連接，或者可將光束整形元件形成在激光二極管芯片 上，使得在激光二極管芯片與光束整形元件之間實(shí)現(xiàn)緊密的物理接觸。優(yōu)選地，將透鏡用作光束整形元件。代替透鏡，光束整形元件還可由凹面鏡或衍射 光學(xué)元件或一些其他合適的光學(xué)元件組成。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，將光學(xué)的光束整形 元件直接設(shè)置在激光二極管芯片上，并將該光學(xué)的光束整形元件優(yōu)選地連接至激光二極管 芯片的激光孔徑的邊界面。該光束整形元件可由例如玻璃之類的不變形固體材料制成，或 者由例如塑料之類的彈性固體材料制成，或者由例如油之類的液體材料制成，所有的材料 均具有合適的折射率。采用由固體材料制成的透鏡，連接優(yōu)選為面-面接觸類型，而在采用 由液體材料制成的透鏡的情形中，則該連接優(yōu)選為粘附類型。調(diào)節(jié)光束整形元件，使得優(yōu)選 將激光孔徑設(shè)置在該光束整形元件的焦點(diǎn)處。作為面-面接觸型的連接，其包括所有類型 的永久性連接，其中連接的配對(duì)部分(partners)通過(guò)原子力或分子力保持在一起，并且其 只能通過(guò)破壞連接的手段來(lái)分開(kāi)。光束整形元件和激光二極管芯片由于采用了合適的溫度控制的溫控系統(tǒng)，因而總 是具有相同的溫度。這通過(guò)珀耳帖元件、實(shí)際的加熱系統(tǒng)、或加熱系統(tǒng)與珀耳帖元件的組合 實(shí)現(xiàn)。這樣，尤其是激光二極管芯片的激光孔徑和光束整形元件中與該孔徑相關(guān)聯(lián)的邊界 面具有一致的溫度。通過(guò)面-面接觸型連接，由于激光二極管芯片和透鏡或凹面鏡的溫度 相同，所以不發(fā)生可能削弱激光二極管結(jié)構(gòu)可靠性的無(wú)法控制的機(jī)械應(yīng)力。由于激光孔徑 和光束整形元件的無(wú)間隔的連接，所以顯著減小了激光束的一部分激光在光束整形元件的 面對(duì)激光孔徑的邊界面上反射的危險(xiǎn)。優(yōu)選地，將例如透鏡的光束整形元件制成分立的部件，并借助于粘合劑將其附連 至激光孔徑。在激光孔徑與透鏡之間將粘合劑設(shè)置成均質(zhì)層。當(dāng)從激光孔徑到達(dá)粘合劑層以及從粘合劑層到透鏡的邊界面穿過(guò)時(shí)，激光束的光波根據(jù)Snell定律被折射。Snell定 律認(rèn)為光波在從具有一定相速度的透明介質(zhì)到具有不同相速度的不同透明介質(zhì)穿過(guò)時(shí)，將 改變它們的方向。Snell定律規(guī)定了光波偏轉(zhuǎn)的方向。在各介質(zhì)中，激光以取決于介質(zhì)折射 率的傳播速度運(yùn)動(dòng)。折射率指示了光在真空中的相速度與光在介質(zhì)中的相速度的比率。眾 所周知的是，粘合劑層(例如，膠層或由凝膠(或液體)組成的粘合層)的折射率比光學(xué)上 較薄的玻璃的折射率明顯更接近透鏡的折射率，使得當(dāng)從激光二極管芯片到疊置并優(yōu)選膠 合的光束整形元件穿過(guò)時(shí)，激光折射得比在激光孔徑與光束整形元件相關(guān)的邊界面之間沒(méi) 有粘合層的情形要小得多。還可借助于液體將透鏡連接至激光孔徑。理想地，該液體具有與光學(xué)的光束整形 元件的材料的折射率相對(duì)應(yīng)的折射率。作為替代，可將透鏡，例如由具有合適表面張力和合 適折射率的液體材料組成的微透鏡，用于激光二極管結(jié)構(gòu)。在此，可將形成微透鏡的液體材 料直接應(yīng)用(或涂覆)于激光二極管芯片的激光孔徑。為了防止由激光束在從激光二極管芯片到光束整形元件的轉(zhuǎn)變處的彎曲而引起 的激光二極管結(jié)構(gòu)外殼中的雜散光(其中，這樣的雜散光可沿激光孔徑的方向、平行于從 激光二極管芯片發(fā)出的激光束被反射回來(lái))，如果光束整形元件的邊界面和激光二極管芯 片的激光孔徑的邊界面在形狀和尺寸方面一致，那么這是有利的。于是，自激光孔徑發(fā)出的 激光束的孔徑角對(duì)應(yīng)于光束整形元件的孔徑。顯然，還可使光束整形元件面對(duì)激光孔徑的 邊界面大于激光二極管芯片的激光孔徑，并且邊界面的形狀也可偏離激光孔徑的形狀，只 要該邊界面完全覆蓋激光孔徑即可。被證明為尤其有利的是，選擇具有與光束整形元件的折射率相對(duì)應(yīng)的折射率的粘 合劑，以便將光束整形元件連接至激光孔徑。通過(guò)粘合劑層與光束整形元件一致的折射率， 將由激光二極管芯片、粘合劑層和光束整形元件組成的復(fù)合系統(tǒng)簡(jiǎn)化成位于它們之間的單 個(gè)光折射邊界面。有效邊界面設(shè)置在激光孔徑與粘合劑層之間。抑制光束整形元件面對(duì)激 光二極管芯片和粘合劑層的邊界面，使得激光束從其自激光二極管芯片發(fā)出直到其自光束 整形元件發(fā)出為止，僅在激光孔徑與粘合劑之間的轉(zhuǎn)變處被折射一次。這還消除激光在激 光二極管結(jié)構(gòu)的外殼中可能的反射面。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，光束整形元件是由直接涂覆于激光二極管芯片的 激光孔徑的聚合物或溶膠凝膠成形的微透鏡。涂覆和固化通過(guò)通常用于工業(yè)并因此為本領(lǐng) 域的技術(shù)人員所熟知的方法實(shí)現(xiàn)。在此，不需要微透鏡與激光二極管芯片之間的粘合劑層。 聚合物或溶膠凝膠借助于面-面接觸直接連接至激光孔徑或激光二極管芯片。在本發(fā)明的討論中，“透鏡”原則上指的是具有兩個(gè)相對(duì)的光折射面的光學(xué)上有效 的部件，其具有準(zhǔn)直效應(yīng)并從自激光二極管芯片發(fā)出的激光產(chǎn)生平行光束。對(duì)激光透明的 材料(諸如玻璃、晶體、或一些特殊的塑性材料)是用于微透鏡的合適透鏡材料。透鏡的 折射率沿透鏡軸線的方向或橫向于透鏡軸線的方向可以是常數(shù)，或者可按照穩(wěn)定的比率改 變?？傊?，該透鏡是能夠使設(shè)置在其焦點(diǎn)中的光源(尤其是激光光源)的光束平行的透鏡。 優(yōu)選地，作為用于根據(jù)本發(fā)明的激光二極管結(jié)構(gòu)的透鏡，使用球形、拱頂形或桿形、球面或 非球面凸微透鏡，或者圓柱形GRIN(梯度折射率)透鏡。理想地，微透鏡或GRIN透鏡具有與激光孔徑相關(guān)的平面邊界面。原則上，如果凹 形邊界面通過(guò)粘合層調(diào)平，則凹形邊界面也是可能的。采用上述微透鏡，激光由于透鏡材料均一的折射率而在透鏡中沿直線傳送，而采用GRIN透鏡時(shí)，激光由于不均一的折射率而在 透鏡中沿曲線軌跡傳送。在GRIN透鏡中，通常存在折射率關(guān)于到中心軸線距離的平方律的 減小(拋物線函數(shù))。由這種材料制成的桿構(gòu)件像通常的會(huì)聚透鏡那樣起作用，但在光進(jìn)入 側(cè)和光出射側(cè)通常具有平面。這簡(jiǎn)化了裝配、小型化，并簡(jiǎn)化了到后續(xù)光學(xué)元件的連接。在本發(fā)明的有利實(shí)施例中，光束整形元件的光軸相對(duì)于激光孔徑的中心軸線偏 移。透鏡或鏡子沒(méi)有精確地居中定位在激光孔徑上方，而是相對(duì)于激光孔徑的軸線偏移了 數(shù)十微米。這當(dāng)然需要使實(shí)現(xiàn)為微透鏡的光束整形元件的由邊界面形成的孔徑比激光二極 管芯片的激光孔徑至少大出該偏移量。相比之下，采用實(shí)現(xiàn)為GRIN透鏡的光束整形元件， 在背對(duì)(faces away)激光孔徑的邊界面有利地傾斜的情況下，為實(shí)用性起見(jiàn)將微透鏡的孔 徑與激光孔徑同心地布置。為了很大程度地抑制從窗發(fā)出的激光束的干涉圖樣，如上所述，到達(dá)面對(duì)光束整 形元件的傾斜窗的內(nèi)側(cè)的激光束在透射和反射方面根據(jù)從光學(xué)中已知的Brewster角而動(dòng) 作。根據(jù)另一實(shí)施例，這能有利地進(jìn)一步由激光二極管結(jié)構(gòu)的外殼的窗的增透涂層來(lái)支持。 Brewster角指示了僅反射入射且偏振的光中垂直于入射面偏振的部分的角度。Brewster 角入射的特殊特征是，以一定角度折射的激光束與被反射的激光束正交。因此，平行于入射 面偏振的全部光束都被折射，而僅垂直于入射面偏振的部分被反射。優(yōu)選地，激光二極管芯片布置在被稱為珀耳帖元件的熱敏元件上，使得光束整形 元件和激光二極管芯片具有由珀耳帖元件限定的溫度。光束整形元件和激光二極管芯片相 同的溫度通過(guò)兩者之間的緊密接觸實(shí)現(xiàn)。所提出的結(jié)構(gòu)不局限于VCSEL，而是原則上可用于DFBs和任何其他的二極管激光 器。在DFBs的情況下，將鏡子用作光束整形元件是實(shí)際的。根據(jù)本發(fā)明提出的方法，借助于由激光二極管結(jié)構(gòu)發(fā)射的激光束進(jìn)行光學(xué)的氣體 檢測(cè)，該激光二極管結(jié)構(gòu)具有密封外殼，該密封外殼具有電連接件、底部和窗；設(shè)置在外 殼中的激光二極管芯片和用于該激光二極管芯片的溫控系統(tǒng)；以及例如透鏡的光束整形元 件，該光束整形元件設(shè)置在激光二極管芯片與外殼的窗之間，該光束整形元件在自激光二 極管芯片的激光孔徑發(fā)出的激光束通過(guò)窗之前準(zhǔn)直該激光束。在光束整形元件之后，為了 減少外殼中的激光束的干涉現(xiàn)象，在窗處以某一角度引導(dǎo)準(zhǔn)直的激光束，使得在窗處發(fā)生 的所經(jīng)過(guò)的激光束的反射被引導(dǎo)從激光二極管芯片的激光孔徑旁經(jīng)過(guò)。為此，窗可相對(duì)于 激光束的中心軸線傾斜，該激光束的中心軸線例如可垂直于激光孔徑而延伸；或者在窗與 激光孔徑平行布置的情況下，激光束能借助于合適的光束引導(dǎo)元件相對(duì)于窗傾斜。光束整 形元件和激光二極管芯片處于被保持為恒定的限定溫度狀態(tài)。這保持了光束整形元件的相 對(duì)于激光二極管芯片的一致的限定溫度狀態(tài)。由于反射回激光孔徑的激光束部分的自混引 起的標(biāo)準(zhǔn)具(etalons)減少的特殊重要性，所以在激光二極管芯片與光束整形元件之間需 要恒定的溫差。為此，激光二極管芯片和光束整形元件可具有相同的或不同的溫度值。理 想地，光束整形元件的溫度與激光二極管芯片的溫度相同。這可通過(guò)例如使激光二極管芯 片承載光束整形元件從而例如在光束整形元件與激光二極管芯片之間提供具有良好熱傳 遞的接觸而實(shí)現(xiàn)。為此，可如上所述設(shè)計(jì)的光束整形元件優(yōu)選地附連至激光二極管芯片或 形成在激光二極管芯片上，以形成接觸。理想地，在光束整形元件的邊界面無(wú)任何間隔地連 接至激光二極管芯片的情況下，將光學(xué)整形元件直接布置在激光二極管芯片上，優(yōu)選地連接至激光二極管芯片的激光孔徑。本發(fā)明提供的優(yōu)點(diǎn)是由于準(zhǔn)直的激光束不垂直地到達(dá)窗，所以可能在窗上發(fā)生的 反射不疊置于在窗處被引導(dǎo)的激光束上，從而使得可靠地避免了在激光二極管結(jié)構(gòu)內(nèi)的激 光束的干涉現(xiàn)象。還具有的優(yōu)點(diǎn)是，由于以導(dǎo)熱方式將溫度受控的光束整形元件與激光二 極管芯片相連接，所以不發(fā)生顯著的溫差，從而使得光束整形元件對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)具沒(méi)有負(fù)面效 應(yīng)。另外，由于激光束在外殼中從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)(或者相反過(guò)程)的轉(zhuǎn)變的減少，所 以發(fā)生在邊界面上的反射次數(shù)減少。與已知的激光二極管結(jié)構(gòu)相比，這顯著提高了氣體傳 感器的檢測(cè)極限及其可靠性。此外，激光二極管結(jié)構(gòu)的制造具有成本效益，其中與常規(guī)激光 二極管結(jié)構(gòu)相比，附加成本較小。


以下，將參考附圖所示的兩個(gè)實(shí)施例詳細(xì)解釋本發(fā)明。本發(fā)明附加的特征從以下 結(jié)合權(quán)利要求和附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的說(shuō)明得出。本發(fā)明單獨(dú)的特征可由本發(fā)明不同的實(shí) 施例的本身或以幾個(gè)實(shí)施例組合的方式實(shí)現(xiàn)。在簡(jiǎn)化的示意性剖視圖中，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的激光二極管結(jié)構(gòu)，其具有球形微透鏡和相對(duì)于外殼的底 部?jī)A斜的窗；以及圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的激光二極管結(jié)構(gòu)，其具有斜向出射表面和相對(duì)于底部?jī)A 斜的窗。
具體實(shí)施例方式圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的具有密封外殼2的激光二極管結(jié)構(gòu)1的第一實(shí)施例，該 密封外殼2在該外殼2的底部4上包括多個(gè)電連接件3。與底部4相對(duì)，設(shè)置有窗5，作為由 激光二極管芯片6發(fā)射的激光束7從外殼2的出口。窗5與外殼2的底部4以及與激光二 極管芯片6的激光孔徑8成一定角度延伸。與作為熱傳感器9的熱敏電阻一起，將激光二 極管芯片6膠合到載體10上，該載體10繼而被膠合至珀耳帖元件12的冷的平坦表面11。 在采用熱敏電阻9調(diào)節(jié)通過(guò)珀耳帖元件12的電流的情況下，珀耳帖元件12通過(guò)熱的平坦 表面13連接至外殼2的底部4。在激光二極管1的激光二極管芯片6與窗5之間設(shè)置有與激光孔徑8重疊的微透 鏡14，用于準(zhǔn)直激光束7。微透鏡14由激光二極管芯片6承載，并借助于由膠組成的粘合 劑層15通過(guò)面-面接觸而連接至激光孔徑8。作為進(jìn)入孔徑，微透鏡14具有面對(duì)激光孔 徑8的平面邊界面16，并且還具有出射表面17，出射表面17具有朝向外殼2的窗5的凸曲 率。通常，微透鏡14的進(jìn)入孔徑16和激光孔徑8橫向于激光束7偏移數(shù)十微米。這具有 如下效應(yīng)激光束7的反射將會(huì)錯(cuò)開(kāi)激光孔徑8，其中激光束7的反射可能與發(fā)射的激光束 7平行，例如來(lái)自形成邊界面的微透鏡14的出射表面17。粘合層15是薄的，并具有與微透 鏡14的透鏡材料的折射率對(duì)應(yīng)的折射率。微透鏡14作為分立部件由聚合物制成，并在聚 合物固化之后借助于膠粘劑15安裝在激光二極管芯片6上。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的激光二極管結(jié)構(gòu)1的第二實(shí)施例。與圖1所示的第一實(shí) 施例形成對(duì)比，微透鏡14為GRIN透鏡。在此，外殼2的窗5同樣相對(duì)于激光束7的中心軸 線傾斜。窗5的傾斜使得可能在窗5處發(fā)生的朝向激光二極管芯片6方向的激光束7的反射將會(huì)錯(cuò)開(kāi)激光孔徑8。另外，窗5在內(nèi)表面18上具有增透涂層19，任選地，根據(jù)圖1的激 光二極管結(jié)構(gòu)1也可能如此。 GRIN透鏡14也是會(huì)聚透鏡。GRIN透鏡14具有圓柱形狀，并具有與激光孔徑8相 關(guān)和相對(duì)于激光孔徑8平行延伸的第一平面邊界面16。另外，GRIN透鏡14具有與窗5相 關(guān)的作為出射表面17的第二平面邊界面。出射表面17直接與窗5相對(duì)，其中出射表面17 相對(duì)于GRIN透鏡14的中心軸線和窗5傾斜。然而，原則上，出射表面17相對(duì)于窗5的傾 斜可以是任意的。實(shí)現(xiàn)為GRIN透鏡的微透鏡14的邊界面16借助于粘合層15通過(guò)面-面 接觸連接至激光孔徑8。除此之外，該激光二極管結(jié)構(gòu)1的結(jié)構(gòu)與圖1所示的激光二極管結(jié) 構(gòu)1的結(jié)構(gòu)沒(méi)有不同。
權(quán)利要求
1.一種專門(mén)用于在氣體檢測(cè)中使用的激光二極管結(jié)構(gòu)(1)，所述激光二極管結(jié)構(gòu)(1) 具有密封外殼0)，所述密封外殼( 帶有電連接件(3)，并且具有底部(4)和窗(5)；設(shè)置 在所述外殼O)中的激光二極管芯片(6)和用于所述激光二極管芯片(6)的溫控系統(tǒng)(9、 12)；以及，光學(xué)的光束整形元件(14)，所述光束整形元件(14)設(shè)置在所述激光二極管芯片 (6)與所述外殼(2)的所述窗(5)之間，并在自所述激光二極管芯片(6)的激光孔徑⑶發(fā) 出的激光束(7)通過(guò)所述窗( 之前準(zhǔn)直所述激光束(7)，其特征在于所述外殼( 的所述窗( 相對(duì)于所述激光束(7)的中心軸線傾斜，使得在所述窗(5) 處發(fā)生的所述激光束(7)的反射錯(cuò)開(kāi)所述激光孔徑(8)；并且所述光束整形元件(14)與所述激光二極管芯片(6)物理接觸，并相對(duì)于所述激光二極 管芯片(6)具有恒定的溫度狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光束整形元件(14)布置 在所述激光二極管芯片(6)的所述激光孔徑(8)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光束整形元件(14) 被制成分立部件，并借助于粘合劑(15)附連至所述激光孔徑(8)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光束整形元 件(14)是具有恒定折射率的球形、拱頂形或桿形的凸微透鏡，或者是具有穩(wěn)定變化的折射 率的圓柱形GRIN透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的激光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述粘合劑(15)是膠、凝 膠或者液體，并具有與所述光束整形元件(14)的折射率對(duì)應(yīng)的折射率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光束整形元件(14) 是由直接涂覆于所述激光二極管芯片(6)的所述激光孔徑(8)的聚合物、溶膠凝膠或液體 材料制成的微透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光束整形元件(14) 是形成為所述激光二極管芯片(6)的一部分的衍射光學(xué)元件或透鏡。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，在采用凸形光束 整形元件(14)的情況下，所述光束整形元件(14)的光軸相對(duì)于所述激光孔徑(8)的所述 中心軸線偏移。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，在采用實(shí)現(xiàn)為 GRIN透鏡的光束整形元件(14)的情況下，背對(duì)所述激光孔徑(8)的邊界面(17)是傾斜的。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述外殼O)的 所述窗(5)具有增透涂層(19)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述激光孔徑 (8)設(shè)置在所述光束整形元件(14)的焦點(diǎn)中，和/或所述光束整形元件(14)的邊界面(16) 和所述激光二極管芯片(6)的所述激光孔徑(8)具有一致的形狀和尺寸。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述溫控系統(tǒng)在 熱敏元件(1 的面對(duì)窗( 的上部平坦表面(11)上具有熱傳感器(9)，所述熱敏元件(12) 借助于下部平坦表面(1 連接至所述外殼O)的所述底部G)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的激光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述窗傾斜的方 位角對(duì)于所述激光束(7)的偏振矢量具有固定關(guān)系，并且到達(dá)所述窗的面對(duì)所述光束整形元件(14)的內(nèi)側(cè)表面的所述激光束(7)在透射和反射方面根據(jù)Brewster定律動(dòng)作。
14.一種借助于激光束(7)的光學(xué)的氣體檢測(cè)方法，其中，所述激光束(7)由激光二極 管結(jié)構(gòu)(1)發(fā)射，所述激光二極管結(jié)構(gòu)(1)具有密封外殼O)，所述密封外殼(2)具有電連 接件(3)、底部(4)和窗(5)，激光二極管芯片(6)和用于所述激光二極管芯片(6)的溫控 系統(tǒng)(9、12)都設(shè)置在所述密封外殼O)中，其特征在于在通過(guò)所述窗( 之前，光束整形元件(14)準(zhǔn)直由所述激光二極管芯片(6)發(fā)射的激 光束(7)；并且在所述光束整形元件(14)之后，在所述窗( 處以一定角度引導(dǎo)所準(zhǔn)直的激光束(7)， 使得在所述窗( 處發(fā)生的所述激光束(7)的反射被引導(dǎo)經(jīng)過(guò)所述激光二極管芯片(6)的 激光孔徑(8)；并且所述光束整形元件(14)具有被保持為恒定的相對(duì)于所述激光二極管芯片(6)的限定 溫度狀態(tài)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述光束整形元件(14)以與所述激 光二極管芯片(6)接觸的方式布置或形成在所述激光二極管芯片(6)的所述激光孔徑(8)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶集成溫度受控光束整形元件的LD結(jié)構(gòu)和借助其的氣體檢測(cè)方法。具體地，提供了專門(mén)用于在氣體檢測(cè)中使用的LD結(jié)構(gòu)(1)，其具有帶電連接件(3)并具有底部(4)和窗(5)的密封外殼(2)。外殼(2)中設(shè)有LD芯片(6)和用于其的溫控系統(tǒng)。珀耳帖元件形式的熱敏元件(12)形成溫控系統(tǒng)，并在將溫度受控的光束整形元件(14)用作設(shè)置在LD芯片(6)與外殼(2)的窗(5)間的準(zhǔn)直器的情況下，經(jīng)由下部平坦表面(13)連接至外殼(2)的底部(4)，并經(jīng)由上部平坦表面(11)連接至LD芯片(6)，光束整形元件(14)在自LD芯片(6)的激光孔徑(8)發(fā)出的激光束(7)通過(guò)窗(5)前作用于激光束(7)。光束整形元件(14)與LD芯片(6)接觸，并優(yōu)選經(jīng)由邊界面(16)通過(guò)面-面接觸或粘合連接至激光孔徑(8)，或與激光孔徑(8)被制成一件。
文檔編號(hào)H01S5/40GK102055131SQ201010541340
公開(kāi)日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者B·維林, M·蓋拉德, R·普羅塔西奧 申請(qǐng)人:萊丹加工技術(shù)公司