分光计光学头组件的制作方法

本申请涉及并要求2015年9月1日提交的美国专利申请No.14/842,642的优先权权益，其内容通过引用并入在本文中。

技术领域

本文中所描述的主题涉及一种与分光计一起使用的光学头组件，所述光学头组件包括与热电冷却器(TEC)的热侧面热连通的热块和与所述TEC的冷侧面热连通的冷板以及光源和光学元件。

背景技术：

光束指向稳定性对于维持分光计的校准状态和撞击在利用诸如可调谐二极管激光器(TDL)的激光器作为其光源的分光计内的光学检测器上的激光功率而言是至关重要的。诸如激光透镜的光学元件常常用于使由激光器发射的光束沿着样品池内的特定光束路径转向以供由检测器检测。然而，环境温度的波动可使激光透镜安装夹具的热膨胀改变激光透镜与激光器的相对对准，这进而对激光束对准稳定性具有负面影响。在典型的分光计现场安装中，特别是在诸如沙漠等的具有大温度波动的气候中，这些温度波动是特别成问题的。

附加地，特别是对于需要短焦长透镜的TDL分光计来说，激光透镜的温度可影响激光器的温度，从而使波长随环境温度而移位，也被称为激光漂移，这可导致偏离分光计的校准状态。在诸如共同拥有的美国专利7,704,301(其公开内容通过引用并入在本文中)的典型应用中，此类有害的激光波长移位可因量级为单位数mK的激光温度变化而发生。用于控制激光设定点温度的温度传感器通常无法检测到TDL上的这种热影响，从而使得不可能利用控制器来校正。

技术实现要素：

在第一方面中，提供了一种在分光计中使用的光学头组件，所述分光计被配置成表征样品气体内的一种或多种成分。所述组件包括：热电冷却器(TEC)，所述TEC在一端具有冷侧面并在相对端具有热侧面；冷板，所述冷板与所述TEC的所述冷侧面热连通；热块，所述热块与所述TEC的所述热侧面热连通；光源，所述光源与所述冷板热连通，使得所述TEC的温度的变化使所述光源的一个或多个特性改变；以及光学元件，所述光学元件与所述冷板热连通，被定位成使由所述光源发射的通过所述样品气体的光准直(使得所述光学元件的特性基于所述TEC的温度的变化而变化)。

可取决于所期望的配置相结合地或单独地使用以下变型。

所述光学元件可通过透镜座耦合到所述冷板。

所述组件可包括检测器，所述检测器与所述冷板热连通，被定位成检测由所述光源发射的通过所述光学元件之后的光。在一些变型中，也可提供检测器透镜，所述检测器透镜与所述冷板热连通，被定位为使得由所述光源发射的光在被所述检测器检测到之前通过所述光学元件和所述检测器透镜两者。在一些变型中，可提供与所述冷板热连通的光学元件滑板，所述光学元件滑板被配置成在至少一个维度上固定并选择性地移动所述光学元件，以允许所述光学元件使所述光源与所述检测器之间的光束路径对准。

所述检测器可采取包括以下各项中的一种或多种的各种形式：砷化铟镓(InGaAs)检测器、砷化铟(InAs)检测器、磷化铟(InP)检测器、硅(Si)检测器、硅锗(SiGe)检测器、锗(Ge)检测器、碲镉汞检测器(HgCdTe或MCT)、硫化铅(PbS)检测器、硒化铅(PbSe)检测器、热电堆检测器、多元件阵列检测器、单元件检测器、光电倍增管、互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器、电荷耦合器件(CCD)检测器、光电二极管、光电检测器或光声检测器。

所述组件可包括与所述冷板或所述光源热连通的温度传感器和至少一个远程温度控制器。

所述冷板和所述热块都可通过结合环氧树脂、金属焊料、激光烧结、机械夹子、弹簧力元件、范德华力、金属相互扩散或安装螺钉中的至少一种结合到所述TEC。

所述冷板可在至少两侧面(例如，四个侧面)上包围所述光源。

所述热块可包括基本上平行于所述TEC的所述热侧面的第一部分以及基本上垂直于所述TEC的所述热侧面的从所述第一部分的相对端朝向所述TEC的所述冷侧面延伸的至少两个臂。

所述冷板可以是单块材料或者它可包括多块耦合材料。类似地，所述热块可以是单块材料或者它可包括多块耦合材料。样品材料包括但不限于金属、陶瓷、玻璃、生长晶体、半导体材料、复合材料等。

所述光学元件可以是准直透镜。在其它变型中，所述光学元件可以是以下各项中的一个或多个：衍射光学元件、透射光学元件、反射光学元件、波导光学元件、全息光学元件、声光元件、电光元件、半导体光学元件、体积相位光栅光学元件、光纤、空芯光导、实芯光导、棱镜、漫射器、光圈、分束器或合束器。

所述光源可包括从由以下各项构成的组中选择的一个或多个光源：可调谐二极管激光器、半导体激光器、半导体光学放大器、量子级联激光器、带内级联激光器、水平腔发射激光器、垂直腔表面发射半导体激光器、分布式反馈激光器、分布式布拉格反射器激光器、放大分布式反馈激光器、放大分布式布拉格反射器激光器、多元件光栅耦合分布式反馈激光器、多元件光栅耦合分布式布拉格反射器半导体激光器、气体放电激光器、液体激光器、固态激光器、二极管泵浦固态激光器、光纤激光器、和频混合非线性光学过程、差频混合非线性光学过程、光学参量振荡器、外腔二极管激光器、扩展腔二极管激光器、发光二极管、放大自发发射源、超连续光源或灯。

在相关方面中，提供了一种分光计，所述分光计包括热电冷却器(TEC)、冷板、热块、光源、光学元件、控制器和检测器。所述TEC在一端具有冷侧面并在相对端具有热侧面。所述冷板与所述TEC的所述冷侧面热连通。所述热块与所述TEC的所述热侧面热连通。所述光源与所述冷板热连通，使得所述TEC的温度的变化使所述光源的一个或多个特性改变。所述特性可包括例如波长和/或激光效率。提高量子阱温度降低半导体激光器的激光效率并且因此以恒定工作电流输出功率。量子阱温度取决于冷板温度、来自注入电流的电阻热产生并且取决于环境加热(主要是p侧面上的对流和辐射)。

所述光学元件与所述冷板热连通并且被定位成使由所述光源发射的通过所述样品气体的光准直(使得所述光学元件的特性基于所述TEC的温度的变化而变化)。所述控制器耦合到所述TEC和/或所述光源。所述检测器被定位成检测由所述光源发射的通过所述光学元件和所述样品气体之后的光。

在另一相关方面中，一种方法包括使分光计的光源以及检测器和光学元件中的至少一个中的一个或多个热稳定。所述热稳定包括控制在一端具有冷侧面并在相对端具有热侧面的热电冷却器(TEC)，所述TEC与所述冷侧面上的冷板热连通，所述冷板与所述光源和所述检测器和/或所述光学元件进一步热连通。

在可选变型中，所述分光计、所述TEC、所述检测器、所述光学元件可按照任何可行的组合并入在上面或在下面讨论的特征中的一个或多个。

当前主题提供许多技术优点。例如，当前主题允许减小形成分光计的各部分的激光器的基于热的波长移位。另外，当前主题是有利的原因在于它通过消除相对于激光器的激光透镜位置的热膨胀畸变来使得能实现改进的激光束指向稳定性。而且，当前主题通过提供温度稳定的光学器件来帮助改进针对环境温度变化的波长稳定性，并且因此由于光学器件非常靠近激光器脊和量子阱而改进相对于TDL分光计的校准状态的浓度测量结果的测量准确度和保真度。更进一步地，当前主题是有利的原因在于它允许相对于光学头组件对分光计温度具有较少总体热控制的更精确光谱学实现。此外，可使用较少的部件来以划算的方式做出本文中所提供的设计，并且这些设计可取决于所期望的应用在大小和形状方面变化。

在下面的附图和描述中阐述了本文中所描述的主题的一个或多个变型的细节。本文中所描述的其它特征和优点将根据本说明书和附图并根据权利要求书显而易见。

附图说明

图1是图示具有光学头组件的闭路分光计的图；

图2是图示具有光学头组件的开路分光计的图；

图3是图示具有在热侧面带热块并在冷侧面带冷板的TEC的光学头组件的分部的框图；

图4是图示光学头组件的横截面的框图；以及

图5是图示具有指示结构元件可移动的方向的箭头的光学头组件的顶视图的框图。

在附图中相同的附图标记指示相同的元件。

具体实施方式

当前主题描述可调谐二极管激光吸收光谱学(TDLAS)光学头组件，所述TDLAS光学头组件具有准直激光透镜，被用于光束转向，以与可调谐二极管激光器(TDL)处于热平衡的方式安装。此透镜安装配置将TDL、检测器和两个透镜置于热稳定状态，以防止它们受到环境温度影响。在所有光学部件处于热平衡的情况下存在可忽略的差热膨胀，从而防止不对准。此外，环境温度不会通过透镜对TDL产生影响，因为它们始终被维持在相同的相对温度下。应了解的是，虽然当前主题将特定类型的分光计和特定类型的光源作为示例来描述，但是本文中所描述的原理适用于热平衡是有益的其它类型的分光计和光源。

图1和图2是示出用于实现当前主题的示例分光计的图100、200。虽然连同检测气体内的吸收介质一起对下文进行描述，但是应了解的是，当前主题也可被应用于检测液体内的吸收介质。本文中所描述的主题可以是和/或形成光谱分析系统的一部分，所述光谱分析系统包括吸收光谱分析系统、发射光谱分析系统、荧光光谱分析系统、傅里叶变换红外光谱分析系统、非色散红外(NDIR)光谱分析系统、腔增强光谱分析系统、腔衰荡光谱(CRDS)分析系统、集成腔输出光谱(ICOS)分析系统、光声光谱分析系统和拉曼光谱分析系统中的任一个。

在一些情况下，分光计测量从表面(例如在样品池等中)反射出来的光。这样的分光计可采取各种形式，包括例如赫里奥特(Herriott)池、离轴光学谐振器、同轴光学谐振器、椭圆形光收集器、怀特(White)池、球形池、非赫里奥特纵向流样品池、环向或球状形横向流池等、光学腔、空芯光导、光束被反射至少一次的多次通过配置或当光穿过样品池时光未被反射的单次通过配置(在此类情况下，如在下面进一步描述的，检测器110、检测器透镜座345和检测器光学元件340将不形成光学头组件160的一部分)。

在其它变型中，如图2中所图示当前主题可以是不包括专用样品池的开路系统的一部分。虽然图2中所图示的变型包括反射器/反射表面135，但是可以理解的是，当前主题也适用于光源105与检测器110相对(并且堆叠/管可包括所发射的光通过的相对窗口)的跨堆叠/跨管布置。

此类开路系统可被用于各种应用，包括大气污染物研究、围栏线监测、罐覆盖、生产线/罐泄漏检测、工业气体纯度应用以及燃烧过程的监测和控制，尤其是在排气烟囱上。跨通路系统可被用于诸如检测潜在爆炸危险的应用。

光源105可提供经由路径长度115被导向检测器110的连续或脉冲光。光源105可形成光学头组件160的一部分。在一些变型中，光学头组件105也包括检测器(如图1中所图示)。

光源105可包括例如以下各项中的一个或多个：可调谐二极管激光器、半导体激光器、半导体光学放大器、量子级联激光器、带内级联激光器、水平腔激光器、垂直腔表面发射半导体激光器、分布式反馈激光器、分布式布拉格反射器激光器、放大分布式反馈激光器、放大分布式布拉格反射器激光器、多元件光栅耦合分布式反馈激光器、多元件光栅耦合分布式布拉格反射器半导体激光器、气体放电激光器、液体激光器、固态激光器、二极管泵浦固态激光器、光纤激光器、和频混合非线性光学过程、差频混合非线性光学过程、光学参量振荡器、外腔二极管激光器、扩展腔二极管激光器、发光二极管、放大自发发射源、超连续光源、灯等。光源105可以是非激光器光类型的并且可包括发光二极管(LED)、灯和/或能够通过非线性光学相互作用和/或通过光谱过滤来产生频率可调谐光的另一器件中的一个或多个。灯的示例可包括但不限于热源、放电源、激光辅助或激光驱动等离子体源、荧光源、超发光源、放大自发发射(ASE)源、超连续源和光谱宽源等。

检测器110可包括例如砷化铟镓(InGaAs)检测器、砷化铟(InAs)检测器、磷化铟(InP)检测器、硅(Si)检测器、硅锗(SiGe)检测器、锗(Ge)检测器、碲镉汞检测器(HgCdTe或MCT)、硫化铅(PbS)检测器、硒化铅(PbSe)检测器、热电堆检测器、多元件阵列检测器、单元件检测器、光电倍增管、互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器、电荷耦合器件(CCD)检测器、光电二极管、光电检测器、光声检测器等。

路径长度115可穿过一个或多个体积。在图1中示出的示例中，路径长度115可两次穿过光学池125的体积120，所述光学池125包括窗口或其它至少部分地辐射透射表面130和至少部分地限定体积120的至少一个反射器(例如，反射镜等)135或其它至少部分地辐射反射表面135。至少一个反射器135可以是反射镜、角隅棱镜回复反射器、多反射光路由棱镜等。反射器的至少一个表面135和/或多个表面可以具有无限曲率半径、正曲率半径、负半径曲率、抛物面形状、椭圆面形状、双曲面形状、圆柱面形状、球面形状、随机面形状等。至少一个反射表面135可以由金属、玻璃、陶瓷、半导体材料、复合材料、合金、介质材料、多层介质材料等制成。

在一些实施方式中，可从气体源获得样品气体，所述气体源在图1的示例中是管道140，以便例如经由从源接收样品气体的样品提取端口或阀145递送到体积120。体积120中的气体可经由第二出口阀或端口150离开。

可包括一个或多个可编程处理器等的控制器155可与光源105和检测器110中的一个或多个进行通信以便控制光115的发射并且接收由检测器110产生的信号，所述信号表示作为波长的函数的撞击在检测器110上的光的强度。在各种实施方式中，控制器155可以是执行控制光源105并且从检测器110接收信号两者的单个单元，或者它可以是划分这些功能的多于一个单元。控制器155或这些控制器与光源105和检测器110之间的通信可以通过有线通信链路、无线通信链路或其任何组合。在一些情况下，控制器155也可以用于使用由检测器110产生的信号来量化吸收介质的量。在其它变型中，量化可由至少一个远程数据处理器确定。

可使体积120维持在稳定的温度和压力下。可替选地，体积120可包括一个或多个温度和/或压力传感器以确定该体积内的当前温度和压力以用于在一个或多个计算中使用来补偿相对于分光仪器的验证或校准条件的温度和/或压力变化。在一些情况下，此类传感器可形成光学头组件160的一部分或者耦合到光学头组件160。此外，可通过加热元件和压力控制元件或质量流量控制器来将体积120调整到预设温度和压力。

控制器155或可替选地一个或多个其它数据处理器与其它部件并置或者与其进行无线、有线等通信。

图3是图示包括热块305、热电冷却器(TEC)310和冷板315的光学头组件160的分部的框图300。热块305与TEC 310的热侧面热连通(直接地或经由一个或多个传热元件间接地)并且冷板315与TEC310的冷侧面热连通(直接地或经由一个或多个传热元件间接地)。图3中的箭头表示热量的流动。在一些变型中，热块305和冷板315中的一个或多个可由诸如金属、陶瓷、玻璃、复合材料或类似导热材料的单块材料制成，然而在其它情况下，热块305和冷板315中的一个或两个包括热连通(并被配置成传递热量)的由以下材料中的至少一种制成的多个部件：金属(例如，铝等)、合金、粉末烧结材料(例如，铝、CuW烧结金属等)、陶瓷(例如，BeO陶瓷等)、玻璃、生长晶体、半导体或复合材料(例如，Cu:金刚石等)或类似导热材料。在一些变型中，

更进一步地，热块305和冷板315都可由变化的几何形状制成。例如，热块305可在一些变型中包括安装和散热腿，所述安装和散热腿为光学系统的剩余部分提供刚性安装表面，然而同时协助来自热块的热侧面的热量移除。

可使用具有良好导热性以及优异强度的环氧树脂或金属焊料来使冷板315和散热器305结合到TEC 310。在当前应用情况下，机械稳定性可能比导热性更重要，因为应用可以不需要冷板315的快速动态冷却，并且因为在环氧树脂固化期期间使用施加的压缩力来使环氧树脂结合线最小化。为了实现结合线的优异强度，对冷板315和热块305表面(通常为诸如铝的非常导热的金属)具有良好粘合性是有益的。用金属焊料使TEC 310结合具有类似的机械强度，但是可能需要各种烘烤和焊接工艺来实现尽可能强的结合线。此类工艺也可以被称为光学接触或称为扩散结合。在仍然其它的变型中，可使用一个或多个安装螺钉、机械夹子、范德华力、金属层相互扩散和/或弹簧力元件来将冷板315和散热器305中的一个或多个固定到TEC 310。范德华力的使用尤其可消除环氧树脂、金属或其它填充材料的使用，从而通过对于分子力相互作用使两个表面足够近接触来实现良好的传热和机械强度。

图4是图示光学头组件160的另外的元件的框图400。如所图示，冷板315可具有用于使得它能够作为部件工作台的形状，所述部件工作台又形成光学头组件的一部分。光源105可被定位成通过光学元件325发射光，所述光学元件325又被安装在结构元件330(其也被图示在图4的图400中)上或者通过结构元件330以其它方式粘附。光学元件325可用于使光束转向，使得它具有期望的形状和空间方向。在一些变型中，光学元件325可以是准直透镜。在其它变型中，光学元件325可以是下列中的一个或多个：衍射光学元件、透射光学元件、反射光学元件、波导光学元件、全息光学元件、声光元件、电光元件、半导体光学元件、体积相位光栅光学元件、光纤、空芯光导、实芯光导、棱镜、漫射器、光圈、分束器或合束器。

在一些情况下，冷板315可包围或者以其它方式遮蔽光源105的两个或更多个侧面/面。图4图示从光源105起的光束路径，所述光束路径由光学元件325成形和定向并且被反射回(未示出)到检测器透镜340，所述检测器透镜340进而使光束聚焦/成形以供由检测器110检测。

结构元件330可以是冷板315的一部分或者它可以是耦合到其(并热连通)的一个或多个部件。在一些变型中，结构元件330包括可用于将结构元件330固定到冷板315的安装孔355(被图示在图5的示图500中)。结构元件330可包括例如一个或多个滑块元件以改变光学元件325相对于光源105的X和Y位置以允许光束指向对准(如用虚线所示)。在一些变型中，结构元件330可包括螺纹，所述螺纹允许光学元件325被拧入或者拧出以调整光束焦点。此外，光学元件325可经由结构元件330与冷板315热连通。

光学头组件160也可包括与冷板315热连通的检测器110。检测器110可通过检测器透镜座345被安装到或粘附到冷板315，所述检测器透镜座345进而可使检测器透镜340固定。检测器透镜座345可包括螺纹部分以允许检测器透镜340的焦点被调整(通过改变检测器透镜340相对于检测器335的位置)。在其它变型中，检测器透镜340可被不动固定(例如，结合等)到检测器透镜座345。

光学头组件160也可包括用于计算光源105的温度的温度传感器350(例如，热敏电阻等)，所述温度可用于确定是否改变光源105的一个或多个操作参数。温度传感器350可被包封或者以其它方式与冷板315或光源105热连通以感测光源105的尽可能准确的温度。为了更有效地使光源105与环境温度变化隔离，可消除冷板315与热块305之间或者与环境温度热连通的其它部件之间的导热路径。在这样的配置中(并且如图3中所图示)，对光学部件的唯一环境影响是经由通过光学头的包封空间的自然对流。这样的实施方式可能需要TEC 310它本身维持所有光学部件相对于样品池组件的机械安装位置。在一些变型中，TEC 310可填满灌封材料，所述灌封材料消除湿气侵入并显著地增加TEC 310在剪切载荷下的强度。

附加地，在TEC 310的冷侧面的冷板315可在一些变型中与环境空气自然对流隔离以相对于环境温度添加附加热隔离。

在以上描述中并在权利要求书中，诸如“……中的至少一个”或“……中的一个或多个”的短语可以继之以元件或特征的联合列表而出现。术语“和/或”也可以出现在两个或更多个元件或特征的列表中。除非另外隐式地或显式地与使用它的上下文矛盾，否则这样的短语旨在单独地意指所列举的元件或特征中的任一个或者与其它记载的元件或特征中的任一个相结合地意指所记载的元件或特征中的任一个。例如，短语“A和B中的至少一个”、“A和B中的一个或多个”以及“A和/或B”各自旨在意指“仅A、仅B或A和B一起”。类似的解释也意在供包括三个或更多个项目的列表使用。例如，短语“A、B和C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”以及“A、B和/或C”各自旨在意指“仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起或A及B和C一起”。此外，在上面并在权利要求书中使用术语“基于”旨在意指“至少部分地基于”，使得未记载的特征或元件也是可允许的。

可取决于所期望的配置在系统、装置、方法和/或物品中具体实现本文中所描述的主题。上述描述中所阐述的实施方式不表示与本文中所描述的主题一致的所有实施方式。替代地，它们仅仅是和与所描述的主题有关的方面一致的一些示例。尽管已经在上面详细地描述了几个变型，然而其它修改或添加也是可能的。特别地，除了本文中所阐述的那些特征和/或变型之外还可以提供其它特征和/或变型。例如，上面所描述的实施方式可针对所公开的特征的各种组合和子组合和/或上面所公开的若干另外的特征的组合和子组合。此外，在附图中描绘和/或在本文中描述的逻辑流程不一定要求所示出的特定次序或顺序次序来实现所希望的结果。其它实施方式可以在以下权利要求书的范围内。