Квантово-каскадный лазер с непрерывной разверткой и быстрой разверткой, с низким пороговым током, непрерывный непрерывный режим с внешним резонатором

Фон

Средняя инфракрасная (MIR) область электромагнитного спектра - это область молекулярных отпечатков пальцев, поскольку энергии основных вращательно-колебательных переходов большинства молекул лежат в этой спектральной области. Лазерная абсорбционная спектроскопия в MIR-диапазоне важна для множества приложений, таких как медицинский анализ дыхания, определение атмосферных загрязнителей и мониторинг промышленных стоков [1,2,3]. В частности, с быстрым развитием лазеров MIR, характеристики оптических инструментов, основанных на методе спектроскопии, были значительно улучшены, чтобы обеспечить быстрые, чувствительные и точные измерения.

Для лазерной абсорбционной спектроскопии требуется перестраиваемый одночастотный лазер с узкой шириной линии и небольшой мощностью. Квантовые каскадные лазеры (ККЛ) с распределенной обратной связью (DFB) [1] являются подходящими источниками света для этих приложений из-за их очень узкой ширины линии [4], высокой выходной мощности и работы в непрерывном режиме (CW) при комнатной температуре. Однако одиночный DFB-лазер имеет очень ограниченный диапазон настройки в несколько см ⁻¹ . (~ 10 см ⁻¹ ) посредством медленной настройки температуры, что ограничивает его полезность для широкополосных абсорбционных функций и обнаружения многовидовых газов [5]. Массивы DFB достигли впечатляющей настраиваемости более 220 см ⁻¹ . Однако массивы DFB нуждаются в электронно-лучевой литографии для изготовления различных периодов решеток, что является сложным и дорогостоящим. Более того, массивы DFB нуждаются в объединении лучей с разными длинами волн для приложений зондирования [6, 7].

Квантовые каскадные лазеры с внешним резонатором (EC-QCL) широко используются в качестве надежных, широко настраиваемых источников света, которые могут обеспечивать диапазон настройки более 300 см ⁻¹ [8] с медленным сканированием шаговым двигателем. Для традиционного EC-QCL настройка без скачков режимов может быть достигнута с помощью системы отслеживания режимов, которая была предложена Wysocki et al. [9]. Ток лазера и длина EC модулируются согласованными по фазе треугольными линейными изменениями напряжения во время процесса настройки. Однако это допускает только настройку без скачков режима на ~ 1 см ⁻¹ . на любой длине волны в пределах полного диапазона перестройки EC-QCL [10]. EC-QCL необходим для сокращения времени измерения химических смесей в газовой фазе. EC-QCL с быстрой разверткой были разработаны с внутрирезонаторной микроэлектромеханической системой (MEMS) или акустооптическим модулятором, который может качать> 100 см ⁻¹ на временной шкале менее миллисекунд [11]. К сожалению, эти системы EC-QCL с быстрой разверткой имеют низкое спектральное разрешение около ~ 1 см ⁻¹ . , чего недостаточно для узких характеристик поглощения.

Недавно M.C. Филлипс и др. [12, 13]. EC-QCL с разверткой длины волны может быть настроен более чем на 100 см ⁻¹ при частоте развертки 200 Гц при средней выходной мощности 11 мВт на пике кривой настройки при рабочем цикле 50%. Однако импульсный режим приведет к уширению линии из-за чирпированного тока. В этой статье мы используем сканирующий гальванометр в геометрии резонатора Литтмана-Меткалфа для реализации быстродействующего ККЛ с разверткой по длине волны и диапазоном настройки 135 см ⁻¹ от 2105 до 2240 см ⁻¹ (4,46–4,75 мкм). Пороговый ток при работе в непрерывном режиме при комнатной температуре составлял всего 250 мА. Измерение с временным разрешением с использованием метода инфракрасного преобразования Фурье с пошаговым сканированием (FTIR) было выполнено для EC-QCL с многократной разверткой на частоте 100 Гц. Анализатор спектра лазера использовался для оценки спектрального разрешения. При модуляции пилообразной волны спектральное разрешение <0,2 см ⁻¹ может быть достигнуто в пределах диапазона настройки.

Методы

Система EC основана на конфигурации Литтмана-Меткалфа и состоит из трех основных элементов, элемента усиления, в нашем случае чипа QCL Фабри-Перо (FP) с коллимирующей линзой, дифракционной решетки и сканирующего гальванометра, а также Показано на рис. 1. Активный сердечник ККЛ с компенсацией деформации содержит 30 периодов с In _0,67 Ga _0,33 Как / В _0,36 Al _0,64 Так же как квантовые ямы и барьеры соответственно аналогично описанному в [14]. Устройства были обработаны в конфигурации скрытой гетероструктуры с использованием химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) для селективного повторного выращивания InP, легированного Fe. Чип усиления FP – QCL с шириной гребня 12 мкм и длиной 3 мм использовался для создания EC-QCL. Покрытие с высоким коэффициентом отражения (HR), состоящее из Al ₂ О ₃ / Ti / Au / Ti / Al ₂ О ₃ (200/10/100/10/120 нм) и просветляющее (AR) покрытие из Al ₂ О ₃ / Ge (448/35 нм) испарялись на задней грани и передней грани чипа усиления, соответственно. Чип FP-QCL монтировался эпитаксиальным слоем вниз на SiC-радиатор с индиевым припоем, соединялся проволокой, а затем устанавливался на держателе, содержащем термистор в сочетании с термоэлектрическим охладителем (TEC) для контроля и регулировки температуры радиатора.

Схема конфигурации внешнего резонатора Литтмана-Меткалфа

Используемая нами конфигурация Литтмана состоит из коллимирующей линзы с фокусным расстоянием 6 мм, дифракционной решетки с 210 штрихами / мм и сканирующего гальванометра (Thorlabs, GVS111). В конфигурации Литтмана, как показано на рис. 1, свет первого порядка дифрагирует в сканирующем гальванометре, затем отражается обратно в чип FP-QCL дифракционной решеткой, а излучаемый одномодовый лазерный свет извлекается посредством отражения нулевого порядка от дифракционная решетка.

Излучаемая оптическая мощность и спектр EC-QCL измерялись откалиброванным детектором на термобатареях и FTIR-спектрометром соответственно. Все измерения проводились, когда микросхема FP – QCL выдерживалась при температуре 25 ° C в непрерывном режиме.

Результаты и обсуждение

На рис. 2а показаны измеренные непрерывные спектры при различных углах сканирования гальванометра при токе инжекции 330 мА. Пик излучения смещается с 2105 до 2240 см ⁻¹ . вращением гальванометра с шагом 0,1 °. На рис. 2b показаны измеренная выходная мощность и коэффициент подавления боковых мод (SMSR) при различных углах сканирования гальванометра, таких же, как на рис. 2а. SMSR выше 25 дБ был реализован практически во всем диапазоне перестройки. Средняя выходная мощность составляла около 8 мВт, а профиль выходной мощности соответствовал спектру электролюминесценции. На рисунке 3 показаны кривые мощность-ток-напряжение (P-I-V), измеренные для EC-QCL в центральной области на 2180 см ^-1 . . Пороговый ток EC-QCL составлял 250 мА, что соответствует пороговой плотности тока ( Дж _th ) 0,833 кА / см ² . Максимальная выходная мощность в непрерывном режиме 20,8 мВт была получена при 400 мА.

а Нормализованные спектры излучения EC-QCL, измеренные при 25 ° C в непрерывном режиме с током 330 мА. Смежный спектр измерялся с шагом поворота гальванометра 0,1 °. б Измеренная выходная мощность (красная кривая) и SMSR (черная точка) EC-QCL при разных углах сканирования гальванометра

ВАХ EC-QCL в центральной области на 2180 см ⁻¹

Характеристики сканирования EC-QCL

Мы использовали генератор сигналов для генерации синусоидальной волны 100 Гц. Путем реализации синусоидальной волны на сканирующем гальванометре длина волны EC-QCL может многократно качаться в непрерывном режиме с током 330 мА. Амплитуда синусоидальной волны составляет 3 В, что соответствует общему углу настройки 3 °. Для демонстрации характеристик сканирования EC-QCL может быть применено измерение с временным разрешением с использованием техники FTIR пошагового сканирования. Этот метод часто использовался для изучения многократно происходящих процессов [15]. Мы синхронизируем сгенерированный сигнал с FTIR, и измерения проводились со спектральным разрешением 0,2 см ⁻¹ . и временное разрешение 20 нс. Пики эмиссии с временным разрешением показаны на рис. 4. EC-QCL начинается при 2180 см ^-1 . затем настройка на более низкие волновые числа. Через 1/4 периода пик эмиссии достиг минимального волнового числа. Волновое число настроено от 2105 до 2240 см ⁻¹ . в следующие полупериоды. Для конфигурации Littman:

Пики излучения с временным разрешением EC-QCL работали в непрерывном режиме при 330 мА и модуляции сканирующего гальванометра при 100 Гц

где λ - длина волны EC-QCL, d период решетки, м - порядок дифракции, а α и β - углы, показанные на рис. 1. Свет первого порядка отражается в сканирующий гальванометр, а затем отражается обратно в микросхему FP – QCL. Когда сканирующий гальванометр поворачивается на угол θ, приведенная выше формула превращается в:

В нашей конфигурации м =1, β =7,7 °, d =4,76 мкм, а EC-QCL может работать в режиме быстрого сканирования с разверткой сканирующего гальванометра на частоте 100 Гц со скоростью 12,6 рад / с, обеспечивая скорость перестройки длины волны 59,3 мкм / с ^-1 .

Мы использовали анализатор спектра лазера (Bristol Model 771) для оценки спектрального разрешения. Из-за минимального времени отклика около 0,5 с для анализатора спектра лазера мы снизили частоту гальванометра до 0,02 Гц, что позволяет регистрировать полный цикл настройки длины волны. Как показано на рис. 5а, при изменении угла наклона гальванометра длина волны изменялась прерывисто и скачкообразно изменялась примерно на 0,5 см ⁻¹ . можно было четко идентифицировать. Скачок мод в первую очередь связан с режимами FP QCL-микросхемы из-за неидеального антиотражающего эффекта просветляющего покрытия. Чтобы уменьшить интервал скачков между модами, мы добавляем модуляцию пилообразной волны (0,02 Гц, 40 мА) к управляющему постоянному току на микросхеме QCL с гальванометром под фиксированным углом. Перестройка длины волны с модуляцией пилообразной волны показана на рис. 5б. За один период длина волны плавно настраивается на более низкие волновые числа, которые могут компенсировать 0,5 см ⁻¹ режим прыжок. Однако следует отметить, что настройка длины волны не является линейной за один период, что объясняется колебанием температуры радиатора QCL. Измеренная длина волны EC-QCL с настройкой гальванометра и модуляцией пилообразной волны показана на рис. 5c. По сравнению с рис. 5a, шаг скачков мод уменьшился до менее 0,2 см ⁻¹ . .

а Измеренная длина волны EC-QCL при напряжении гальванометра 20 мВ и частоте настройки 0,02 Гц. Скачок моды составляет около 0,5 см ⁻¹ . б Измеренная настройка длины волны EC-QCL с модуляцией пилообразной волны (0,02 Гц, 40 мА), которая может компенсировать 0,5 см ⁻¹ режим прыжок. c Измеренная длина волны EC-QCL с настройкой гальванометра и модуляцией пилообразной волны

Выводы

Таким образом, мы разработали EC-QCL с быстрой разверткой по длине волны и исследовали его характеристики, включая выбор одного режима, диапазон настройки и выходную мощность. Для измерения диапазона настройки и спектрального разрешения применялись методика ступенчатого сканирования FTIR с временным разрешением и анализатор спектра лазера. EC-QCL может многократно качаться на частоте 100 Гц в полном диапазоне настройки 135 см ^-1 . (около 290 нм) с разрешением сканирования <0,2 см ^-1 , что может быть достигнуто с помощью модуляции пилообразной волны. Порог CW для EC-QCL был всего 250 мА при максимальной мощности 20,8 мВт. Низкое энергопотребление и быстрое изменение длины волны устройства могут сделать его многообещающим источником света для приложений обнаружения следовых газов.

Сокращения

AR:

Антибликовое

CW:

Непрерывная волна

DFB:

Распределенная обратная связь

EC-QCL:

Квантово-каскадный лазер с внешним резонатором

FTIR:

Инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье

HR:

Высокая отражательная способность

MEMS:

Микроэлектромеханическая система

МИР:

Средний инфракрасный

MOCVD:

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы

P-I-V:

Мощность-ток-напряжение

QCL:

Квантовые каскадные лазеры

SMSR:

Коэффициент подавления боковой моды

TEC:

Термоэлектрический охладитель