Быстрый сканируемый по длине волны, низкопороговый CW EC-QCL с диапазоном настройки 135 см⁻¹ и разрешением <0,2 см⁻¹

Аннотация

Мы демонстрируем непрерывноволновый (CW) внешне-резонаторный квантово-каскадный лазер (EC-QCL), работающий при замечательно низком пороговом токе 250 мА и сканирующем длину волны на 100 Гц через полный диапазон 290 нм (2105–2240 см⁻¹). Устройство выдает до 20,8 мВт выходной мощности при 400 мА, и при управлении пилообразной токовой модуляцией достигает спектрального разрешения лучше 0,2 см⁻¹ по всему диапазону настройки. Этот низкоэнергетический, быстро-сканируемый EC-QCL готов принести пользу широкому спектру приложений, от детекции следовых газов до высокоразрешающей спектроскопии.

Введение

Среднеинфракрасный (СРК) спектральный окно, часто называемый молекулярной отпечатковой областью, содержит фундаментальные ро-вибрационные переходы большинства молекул. Следовательно, СРК лазерная абсорбционная спектроскопия подкрепляет множество критических приложений, включая медицинский анализ выдоха, мониторинг атмосферных загрязнителей и промышленный контроль выбросов. Недавние достижения в СРК лазерной технологии заметно улучшили скорость, чувствительность и точность спектроскопических инструментов.

Для абсорбционной спектроскопии узкополосный, настраиваемый одночастотный лазер необходим. Распределенная обратная связь (DBR) квантово-каскадные лазеры (QCL) превосходят в этом, предлагая ультра-узкие линейные ширины, высокую выходную мощность и комнатнотемпературную CW работу. Однако диапазон настройки одного DBR лазера ограничен всего несколькими волновыми числами (≈10 см⁻¹) через температурную настройку, что ограничивает широкополосные абсорбционные исследования и мульти-видовое детектирование. DBR массивы могут достигать настраиваемости 220 см⁻¹, но они требуют сложную электронно-лучевую литографию для каждого периода решетки и требуют оптику объединения лучей для мульти-длинноволнового сенсирования.

Внешне-резонаторные QCL (EC-QCL) предоставляют широко настраиваемую альтернативу, достигая диапазонов за 300 см⁻¹ со степпер-моторными медленными сканами. Беспрыжковую по модам настройку традиционно обеспечивает схема отслеживания мод, синхронизирующая ток и длину резонатора модуляции, однако этот метод ограничивает мгновенный шаг настройки примерно 1 см⁻¹ в полном диапазоне. Быстро-сканируемые EC-QCL с MEMS или акусто-оптическими модуляторами могут достигать скоростей сканирования выше 100 см⁻¹ в суб-миллисекундных интервалах, но их спектральное разрешение обычно остается около 1 см⁻¹, недостаточное для узких абсорбционных линий.

Недавняя система сканируемого по длине волны EC-QCL продемонстрировала >100 см⁻¹ настройку при 200 Гц со средней 11 мВт выходной мощностью при 50% коэффициенте заполнения, хотя импульсная работа вводит чирп-индуцированное расширение линии. В этой работе мы используем сканирующий гальванометр в Литтман-Металфе резонаторе для реализации быстрого, CW сканируемого по длине волны EC-QCL. Устройство покрывает 135 см⁻¹ (2105–2240 см⁻¹), сканирует на 100 Гц и поддерживает пороговый ток 250 мА при комнатной температуре. Временнно-разрешаемые ступенчато-сканируемые Фурье-преобразования инфракрасной (FTIR) измерения и анализ лазерного спектра подтверждают спектральное разрешение ниже 0,2 см⁻¹ с пилообразной модуляцией.

Методы

EC-QCL построен на Литтман-Металфе архитектуре, состоящей из Фабри-Перо (ФП) QCL усилительного кристалла, коллимирующей линзы, дифракционной решетки и сканирующего гальванометра (Thorlabs GVS111). QCL кристалл, 3-мм длинный гребень с 12 мкм шириной, fabriцирован через MOCVD на зарытом гетероструктурном In_0,67Ga_0,33As/In_0,36Al_0,64As латтис-согласованном стеке, содержащем 30 периодов. Высокорефлективное (HR) и антирефлективное (AR) покрытия наносятся на задние и передние грани соответственно: HR = Al₂O₃/Ti/Au/Ti/Al₂O₃ (200/10/100/10/120 нм) и AR = Al₂O₃/Ge (448/35 нм). Кристалл монтирован эпислой-вниз на SiC теплорассеивателе с индиевым паялом, проволоже-сварным, и терморегулируется через термистор-контролируемый ТЭО.

Конфигурация использует 6 мм фокальное расстояние коллимирующую линзу, 210-щелей/мм дифракционную решетку и сканирующий гальванометр. Первого порядка дифракционное свето направляется к гальванометру, отражается решеткой и связывается обратно в ФП-QCL. Нулевого порядка отраженный луч составляет одночастотный лазерный выход. Оптическая мощность и спектральные характеристики записывают с использованием откалиброванного термопила детектора и FTIR спектрометра соответственно, с кристаллом, поддерживаемым при 25 °C во время CW работы.

Результаты и обсуждение

Рисунок 2a показывает CW спектры при 330 мА пока гальванометр шагает в 0,1° приращениях. Эмиссионный пик непрерывно сдвигается от 2105 до 2240 см⁻¹. Соответственно, Рисунок 2b строит выходную мощность и отношение подавления боковых мод (SMSR). SMSR выше 25 дБ поддерживается почти по всему диапазону настройки, и средняя выходная мощность достигает ~8 мВт, зеркаля профиль электролюминесценции.

Характеристика сканирования EC-QCL

100 Гц синусоидальное напряжение применяется к гальванометру, результатом 3° общий угол настройки. EC-QCL, управляемый при 330 мА, повторно сканирует в CW режиме. Синхронизируя эту модуляцию со ступенчато-сканируемым FTIR (0,2 см⁻¹ разрешение, 20 нс временное разрешение) получают временнно-разрешенный эмиссионный след на Рисунке 4. Лазер начинает при 2180 см⁻¹, спускается к минимуму после одной четверти цикла, а затем проходит полный диапазон 2105–2240 см⁻¹ во последующем полуцикле. Длины волны эволюция следует Литтман-Металфе дисперсионному соотношению:

$$ \lambda = \frac{d}{m}\left(\sin\alpha + \sin\beta\right) \quad (1) $$

При m = 1, β = 7,7°, и d = 4,76 мкм, мгновенная скорость настройки дана:

$$ \frac{d\lambda}{dt}=d\cos(\beta+\theta)\frac{d\theta}{dt} \quad (2) $$

При скорости гальванометра 12,6 рад с⁻¹, EC-QCL достигает скорости сканирования длины волны 59,3 мкм с⁻¹ (≈135 см⁻¹ за 100 Гц).

Для зондирования спектрального разрешения гальванометр замедляют до 0,02 Гц для анализатора лазерного спектра (Bristol Model 771) чтобы захватить полный цикл настройки. Рисунок 5a выявляет дискретные прыжки мод ~0,5 см⁻¹, приписываемые ФП резонаторным модам и несовершенному AR покрытию. Добавление пилообразной токовой модуляции (0,02 Гц, 40 мА) при фиксированном угле гальванометра сглаживает кривую настройки, компенсируя прыжки мод как показано на Рисунке 5b. Комбинированная настройка (Рисунок 5c) уменьшает интервал прыжков мод ниже 0,2 см⁻¹, подтверждая тонкое спектральное разрешение системы.

Заключение

Мы спроектировали быстрый, сканируемый по длине волны EC-QCL, доставляющий 135 см⁻¹ диапазон настройки при 100 Гц, CW порог 250 мА и пиковую выходную мощность 20,8 мВт. Временнно-разрешаемые FTIR и анализ лазерного спектра подтверждают спектральное разрешение лучше 0,2 см⁻¹ при комбинации с пилообразной токовой модуляции. Низкое энергопотребление устройства, быстрое сканирование и высокая спектральная верность позиционируют его как привлекательный источник света для детекции следовых газов и других высокоразрешающих СРК приложений.

Аббревиатуры

AR

Антирефлективное

CW

Непрерывноволновый

DFB

Распределенная обратная связь

EC-QCL

Внешне-резонаторный квантово-каскадный лазер

FTIR

Фурье-преобразование инфракрасный спектрометр

HR

Высокорефлективное

MEMS

Микро-электромеханическая система

MIR

Среднеинфракрасный

MOCVD

Металло-органическое химфосное осаждение

P-I-V

Мощность-ток-напряжение

QCLs

Квантово-каскадные лазеры

SMSR

Отношение подавления боковых мод

TEC

Термоэлектрический охладитель