专利名称：发光单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于气体检测的发光单元，发光单元包括用于线性偏振的光辐射的光源和具有出射窗的壳体。
背景技术：
本发明提高使用可见波长的偏振光的光学装置的性能。典型的应用是具有可调的激光二极管的用于在气体中使用光学吸收探测气体的装置。光学气体探测器基本上基于红外(IR)光谱学的原理。用单色光照射待分析体积，确定该单色光在体积中的吸收。有可能通过改变波长记录光谱，根据光谱可以确定存在的气体。气体的检测因此要求，具有例如特别地高波长稳定性和波型稳定性的特殊的发光单元。气体探测器和相关联的发光单元从EP I 783 481 Al已知。为了提高强度稳定性，提出将出射窗相对于光轴或者辐射主方向以布鲁斯特角(在这种情况下约为57° )倾斜。完全P偏振的线性偏振的激光的这样的倾斜可以降低盖处不需要的背反射。但是，仍然存在的问题是在出射窗处发生干涉待测量信号的干涉效应。发生破坏性的光学调制，该光学调制显示为例如在作为在用于光学气体分析的测量装置的光检测器中的波长的函数而测量的光强度的波动。特别地在以名称“开路气体检测(open path gasdetection) ”(OP⑶)(其中激光束通过待监测的空间穿过较短的或较长的距离)已知的应用中，当辐射强度的波动显著地削弱信噪比时，这些波动是特别地具有破坏性的。在测量的过程中，实际上，一般不可能直接地辨别由气体中的吸收引起的衰减和由干涉效应引起的衰减，这显著地增加了待实施的测量的复杂性和有关的成本。因此特别期待提供用于气体检测的具有可变波长的可调的发光单元，其中，降低在出射窗后光辐射强度的波长依赖性。
发明内容
根据本发明，提出具有权利要求I的特征的发光单元。从属权利要求的主题和以下的描述为有利的实施例。本发明的优点本发明基于在包括出射窗的壳体中设置发光单元的光源的措施，以使在出射窗的被照射的区域中的干涉效应处于最小值。为了这个目的，一方面相对于偏振方向，另一方面相对于光福射的主发射方向，选择出射窗的主延伸面的相应最佳的对准。本发明因此提供用于气体检测的具有可调节的或者可调的波长的发光单元，其中，显著地降低从出射窗发射的光强度的波长依赖性。在根据本发明的对准中，光源的主发射方向与出射窗的主延伸面的法线之间形成优选地30° ±20°的倾斜角…而且，偏振方向与入射面(如已知的，入射面是由出射窗的主延伸面的法线和光源的主发射方向跨过的)之间形成优选地45° ±22.5°的旋转角Θ。特别优选的实施例涉及45°的旋转角Θ，即已经发生s+p-偏振。这在一方面对干涉效应产生特别有效的抑制，另一方面，确保系统相对于光辐射的偏振面的90°旋转的恒定性，这特别有利于制造。由于相对于光源布置壳体或者出射窗存在四种同样有效的可能方式，因此使得制造更容易。但是，本发明还包括位于围绕45°的10°、15°或者22.5°的优选范围内的旋转角。优选地，倾斜角P为在20°和40°之间，优选地为在25°和35°之间，特别地为30°。已经发现以这种方式可以以低波长依赖性获得特别大的光谱范围。而且，这种相对较小的倾斜角比现有技术中描述的高达60°的倾斜角显著地更容易产生。根据本发明的壳体和光源的对准还降低出射窗的厚度的影响。在现有技术中已知的对准中，干涉的影响随着窗的厚度而增加。由于这个原因，推荐特别薄的窗，但是特别薄的窗生产成本昂贵，易碎并且不耐用。根据本发明，出射窗厚度的有利的范围为在O. 2_和
I.5mm之间。特别优选地,该厚度为至少1_。
由于显著降低的波长依赖性，根据本发明的发光单元特别适合于光学气体探测器。在使用根据本发明的发光单元的过程中，记录吸收光谱以检测气体的存在。当然，US7，113，658B2公开一种初看起来类似的发光单元。但是，该发光单元用于数据传输，而由于该发光单元缺乏波长稳定性和波型稳定性而不适合用于气体检测。由于其中示出的几何配置基于完全不同的考虑和效果，故该说明书不能将本领域普通技术人员引导至本发明的主题。事实上，几何配置未被明确地用于最小化波长依赖性。相反，出射窗在发射方向上的倾斜用于将某些光耦合输出至监测器二极管。出射窗的旋转确保两个不稳定的波型相等地衰减，以使不产生由波型跳变引起的强度跳变。原因(即监测器二极管和波型的不稳定性)也和本发明所基于的问题无关。本发明的进一步的优点和实施例将从描述和附图中将变得明显。应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，以上所详述的特征和以下将被描述的特征可以不仅被使用在所说明的特定的组合中，而且可以被使用在其他组合中或者独立地被使用。本发明通过举例通过实施例示意性地显示在附图中，且下面参考附图详细描述本发明。
图I示意性地示出光源、出射窗和当线性偏振的光垂直入射时产生的干涉图案。图2示意性地示出光源、出射窗和当线性偏振的光以大约30°的角斜入射时产生的干涉图案。图3示意性地示出根据本发明的发光单元的优选实施例的光源和出射窗以及通过以大约30°的角斜入射和s+p偏振产生的干涉图案。图4示出适合用于本发明的壳体的透视图。图5示出根据本发明的气体探测器的实施例。
具体实施例方式首先将描述附图描述所基于的发现作为远场中的良好的近似，产生于孔(例如产生于单模激光二极管或者单模玻璃纤维)的光束表不具有围绕光轴的高斯强度分布的球面波，强度分布一般在边缘发射激光二极管中为椭圆的以及在表面发射激光二极管或者玻璃纤维中为圆形的。光束包含传播方向的范围，光束沿着几个有角度的方向延伸，中间的传播方向或者光束的主发射方向与光轴相对应。以下的描述给出这样的考虑，将这样的光束穿过透明的玻璃平板(例如出射窗)的透射又作为在远场中的聚束元件。该发现还可以应用于具有其他聚束性质的元件，诸如，例如透明的透镜或者光楔，以及应用于有限的空间距离。已知当球面波穿过玻璃平板时，形成同心干涉环，在专业文献中例如被称为“透射光条纹”。通过入射光束的分布形成干涉环，入射光束的分布由在具有不同的折射系数的体积区域的界面处的内反射和部分光束的叠加引起，根据玻璃板的折射系数和厚度以及光束的波长和偏振，入射光束的分布更加建设性地发生在特定传播方向上(亮区域)，而更加破坏性地发生在其他传播方向上(暗区域)。干涉环的角图案不依赖于孔和玻璃板之间的距离且不依赖于玻璃上的表面涂层，通常应用这种表面涂层以影响表面反射率，特别是降低表面反射率(非反射涂层)，而当反射率有所降低时，一般说来在传播的建设性方向和破坏性方向之间的透射程度的绝对差别也降低。·如果在非偏振光的情况下光轴垂直于窗的主延伸面，则干涉环以同心圆出现，而在围绕光轴的中心，根据玻璃板的厚度和折射系数，特别地根据光的波长，产生亮的圆形角区或者暗的圆形角区。从文献已知在单色光的情况下干涉环的局部透射最大值可以通过以下公式描述2nd cosC> =ηιλ (I)其中，η为群折射率，d为窗的厚度，Φ为相对于光轴的角度，m为干涉级，且λ为波长。如果此刻光束的波长连续变化，作为对于每个单独角而变化的建设性的或破坏性的干涉的结果，当测量光谱时必要时，一般说来相应地通过待穿过的角区连续调制总透射强度。特别地，出现脉动的环图案的中心区域有助于调制的振幅。该调制表示对工艺应用的一般破坏性效应，根据本发明降低该破坏性效应。对于垂直入射(Φ = O)，两个调制最大值的波长距离Λ λ的方程从以下的公式
(I)中获得
I2ΔΑ=—(2)
2nd该公式表示Fabry_P6rot谐振器的两个波型的间距的已知的公式。即使共振光谱未涉及作为降低的局部空间的表示的角空间的调制，而是涉及波长空间或者频率空间的调制，在文献中由Λλ周期性地构造的共振光谱被部分误导地也被称为“条纹”。以下描述图I至图3，其中相同的元件以相同的参考标号给出。图I至图3示出如何从具有垂直入射的配置(图I)开始，可能逐步地达到根据本发明的优选实施例的配置(图 3)。参考图1，首先将描述用垂直入射和线性偏振的光获得的干涉图案。光源，在这种情况下为VCSEL激光二极管110的形式，发射线性偏振的、单模的、近似单色的激光，该激光作为具有主发射方向OA的发散光束111撞击在具有主延伸面HE的出射窗120上。为了改善说明，以高度夸张的方式示出光辐射111的发散。激光二极管110的波长是可调节的或者可调的，即在常规极限内可变的，例如通过注入电流和/或激光二极管温度的受控的变化。主发射方向OA同时限定光轴。通过箭头P标不光福射111的偏振方向。特别地，可以通过基于Airy公式和Fresnel公式的电磁场矢量的数值计算获得干涉图案的图形表示，Fresnel公式特别地关于多层系统(例如具有减反射涂层的窗)的定量计算。为了说明的目的，将以这种方式计算的干涉图案示出在出射窗后一定距离的示图130中。通过示图130中的圆131标示实际被照亮的区域。由于光辐射111的偏振，除了中心干涉图案140之外，还出现另外的同心的角区，如所标示的部分图案141、142、143、144等等，这些角区作为合理的近似布置在角空间的十 字线上。十字线通过入射光辐射111的偏振方向P定向，以使轴与偏振方向平行和垂直地伸展。如果入射是垂直的，则该轴在光轴上交叉。作为有效地限于围绕光轴OA的区域131的照亮的结果，靠近轴的光的透射强度图案与未偏振的情况中的光的透射强度图案类似。由于与光源110或者孔与窗120之间的间距相关的干涉的角图案的恒定性，没有任何一般性限制，在下文中通过倾斜和旋转描述窗120相对于光轴OA和入射光束111的偏振方向P的所有对准。参考图2，图2示出窗120如何从垂直于光轴OA的位置以倾斜角供倾斜，以使主延伸面HE的法线N与光源110的主发射方向OA形成倾斜角^在这种情况下为30°。该倾斜确保标示的部分图案140等所位于的十字线相对于光轴OA移置。十字线的对准不旋转，且仍然与入射光束111的偏振方向P对准。所标示的部分图案的角间距相对于光轴OA变化。特别地，将中心干涉图案140从光轴OA移开(在图2中向上)。在所示出的配置中，偏振方向P位于由N和OA跨过的入射面中。因此，存在P偏振。然后，出射窗(以及出射窗的法线N)围绕光轴OA旋转旋转角Θ。根据本发明的优选实施例，随后产生的干涉图案如图3所示。由于保持光束且由此保持偏振方向P，由N和OA跨过的入射面相对于偏振方向P关于旋转角Θ存在旋转。由N和OA跨过的入射面相对于偏振方向P关于旋转角Θ的旋转引起十字线的进一步的移置和由此图案140等的进一步的移置。十字线仍然与入射光束111的偏振方向P对准。在所示出的配置中，偏振方向P与由N和OA跨过的入射面形成45°的旋转角。因此，存在s+p-偏振。总的来说，将光轴或者主发射方向OA从十字线的中间空间的交叉轴移开成为可能。由于入射光束111的有效限制的角延伸仅仅照亮干涉的总图案的有效限制的部分131，当波长变化时，可以降低总透射强度的调制的振幅。一方面，部分图案的特别破坏性的和相对较大的中心区域几乎未被照亮，另一方面角空间中的在此为十字形的部分图案的外环更靠近在一起，以在整个被照射的角区域获得工艺上有利的平均效应。该平均效应还导致关于窗厚度的维度的特别有利的效果。在垂直入射的情况下，从公式(2)可理解，窗厚度应当尽可能的低，以获得最大可能的△ λ和从而尽可能多地消除波长范围中不需要的调制。但是，从公式(I)可理解，干涉环的密度在十字线的中间空间增加，且伴随的有利的平均效应与较大的窗厚度相关联。由于可以以很低的成本对表面抛光到更好的标准，故在制造过程中较大的窗厚度也被证实是有利的。在实验中，当使用硼硅酸盐玻璃时，Imm的窗厚度被证实是合适的。旋转角Θ为45°或135°或-45°或-135°的配置是特别有利的。这在文献中被描述为光束相对于出射窗的s+p-偏振。作为有利的副效应,光源获得偏振自由度。光源相对于出射窗的对准在存在90°的旋转时是恒定的。为了更进一步降低由透射中的干涉引起的绝对调制，将减反射涂层制作为s+p-偏振是可取的。而且，已经证实30°的倾斜角是特别有利的，由于在这种情况下，一方面在波动光学性质方面可以获得有利的结果，另一方面制造不会产生任何特别的问题。在用于圆形的壳体中的激光二极管的窗盖的生产中，由于规定的壳体标准和制造技术，窗或者窗框的工艺改造受制于各种细微的条件。因此，恰好实施具有常规的部件(诸如，例如，圆柱状窗玻璃)的窗的任何希望的倾斜是不可能的。但是，对于30°的倾斜不存在任何问题的风险。
图4通过举例示出用于标准的光学壳体的具有30°的倾斜角的方案。在此配备壳体或者盖400作为具有中心轴A的圆形的壳体，该壳体包括用于出射窗的容器401。容器401被设置在壳体400上，以使(在这种情况下)的30°倾斜角被形成在窗的主延伸面的法线和主发射方向(在这种情况下为壳体的中心轴A)之间。在光源(例如VCSEL激光二极管)的对准中，光源被优选地插入壳体中以获得如上所描述的s+p-偏振。为了抑制负面的反射，可以特别地将壳体内部涂覆或者染色，特别地染成黑色。图5在示意性的剖视图中示出根据本发明的气体检测器(通常标记为500)的优选实施例。气体检测器500被配备作为OP⑶(开路气体检测器(open path gas detector))且包括发射器510和接收器520。发射器510包括根据本发明的发光单兀511的优选实施例,发光单兀511包括光源(在这种情况下为VCSEL激光二极管110的形式)和根据图4的壳体400。发射器510包括更特别地用于激励和提供发光单元511的其他元件(未示出)。发光单兀511在主发射方向OA上发射线性偏振的光福射515,光福射515被导向接收器520。接收器520包括用于检测光辐射515的强度的检测器521以及用于提供和激励检测器521的其他元件(未示出)。关于气体检测的更多细节，可以在这点上参考例如WO 2005/088275 Al。
权利要求
1.一种用于气体检测器(500)的发光单元，包括用于线性偏振的光辐射(111，515)的光源(Iio)和具有出射窗(120)的壳体(400)， 其中，从所述光源(110)辐射出的所述光辐射(111，515)的波长是可调的， 其中，所述光源(110)布置在所述壳体(400)中，以使所述光源(110)的主发射方向(OA)与所述出射窗(120)的主延伸面(HE)的法线(N)形成10°和50。之间的倾斜角(炉)，和 光福射的偏振方向(P)与所述出射窗(120)上的入射面形成22. 5°和67. 5°之间的旋转角(Θ )。
2.根据权利要求I所述的发光单元，其中，所述旋转角(Θ)为在30°和60°之间，优选地为在35°和55°之间，更特别地为45°。
3.根据权利要求I或2所述的发光单元，其中，所述倾斜角(￠0为在20°和40°之间， 优选地为在25°和35°之间，特别地为30°。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的发光单元，其中，所述出射窗(120)包括用于s+p-偏振光的减反射涂层。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的发光单元，其中，所述出射窗(120)的厚度为至少O. 2mm,优选为至少Imm,和至多I. 5mm。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的发光单元，其中，所述光源(110)被配备为激光二极管，特别地为VCSEL。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的发光单元，其中，所述光源(110)是单模的。
8.根据权利要求7所述的发光单元，其中，所述光源(110)包括单模激光二极管或者特别的单模玻璃纤维，单模光辐射(111，515)从所述单模激光二极管或者所述单模玻璃纤维发射出。
9.一种气体检测器(500)，包括根据前述权利要求中的任一项所述的发光单元(511)。
10.根据权利要求I至8中的任一项所述发光单元(511)在用于记录吸收光谱的光学气体检测器(500)中的用途。
11.一种在根据权利要求9所述的光学气体检测器(500)中记录吸收光谱的方法， 其中，用从光源(110)发射出的具有至少第一波长和与所述第一波长不同的第二波长的大体单色的光辐射(111，515)照射待分析的体积，和 测量具有所述第一波长和所述第二波长的光辐射(111，515)在所述待分析的体积中的吸收。
全文摘要
本发明涉及一种用于气体检测器的发光单元，所述发光单元具有用于线性偏振的光辐射(111)的光源(110)和具有出射窗(120)的壳体(400)，由光源(110)发射出的光辐射(111)的波长是可调节的，光源(110)布置在壳体中，以使光源(110)的主发射方向(OA)与出射窗(120)的主延伸面(HE)的法线(N)形成10°和50°之间的倾斜角和光辐射的偏振方向(P)与出射窗(120)上的入射面形成22.5°和67.5°之间的旋转角(θ)。
文档编号G01N21/35GK102947689SQ201180014189
公开日2013年2月27日 申请日期2011年3月17日 优先权日2010年3月18日
发明者罗伯特·肖 申请人:维特拉斯有限责任公司