Schneller Quantenkaskadenlaser mit externer Kavität, kurzer Wellenlänge, niedriger Stromschwellenwert

Hintergrund

Der mittlere Infrarotbereich (MIR) des elektromagnetischen Spektrums ist der molekulare Fingerabdruckbereich, da die fundamentalen Schwingungsübergangsenergien der meisten Moleküle in diesem Spektralbereich liegen. Die Laserabsorptionsspektroskopie im MIR-Bereich ist für eine Vielzahl von Anwendungen wichtig, z. B. für die medizinische Atemanalyse, die Erfassung atmosphärischer Schadstoffe und die Überwachung von Industrieabwässern [1, 2, 3]. Insbesondere mit der schnellen Entwicklung von MIR-Lasern wurde die Leistung optischer Instrumente auf der Grundlage von Spektroskopieverfahren stark verbessert, um schnelle, empfindliche und genaue Messungen zu ermöglichen.

Für die Laserabsorptionsspektroskopie wird ein abstimmbarer Einfrequenzlaser mit schmaler Linienbreite und bescheidener Leistung benötigt. Quantenkaskadenlaser (QCLs) mit verteilter Rückkopplung (DFB) [1] sind aufgrund ihrer sehr schmalen Linienbreite [4], ihrer hohen Ausgangsleistung und ihres Dauerstrichbetriebs (CW) bei Raumtemperatur geeignete Lichtquellen für diese Anwendungen. Ein einzelner DFB-Laser hat jedoch einen sehr begrenzten Abstimmbereich von wenigen cm ⁻¹ . (~ 10 cm ⁻¹ ) über eine langsame Temperaturabstimmung, die ihre Nützlichkeit für Breitbandabsorptionsfunktionen und Multispezies-Gasdetektion einschränkt [5]. DFB-Arrays haben eine beeindruckende Abstimmbarkeit von über 220 cm ⁻¹ . erreicht . DFB-Arrays benötigen jedoch Elektronenstrahllithographie, um verschiedene Gitterperioden herzustellen, was komplex und teuer ist. Darüber hinaus benötigen DFB-Arrays Strahlkombinationen verschiedener Wellenlängen für Sensoranwendungen [6, 7].

Quantenkaskadenlaser mit externem Resonator (EC-QCLs) werden häufig als zuverlässige, breit abstimmbare Lichtquellen verwendet, die einen Abstimmbereich von mehr als 300 cm ⁻¹ . bieten können [8] mit langsamer Abtastung durch Schrittmotor. Für traditionelle EC-QCL kann die Mode-Hop-freie Abstimmung durch das Mode-Tracking-System erreicht werden, das von Wysocki et al. vorgeschlagen wurde. [9]. Der Laserstrom und die EC-Länge werden während des Abstimmvorgangs mit phasenangepassten dreieckigen Spannungsrampen moduliert. Dies ermöglicht jedoch nur eine modesprungfreie Abstimmung von ~ 1 cm ⁻¹ bei jeder Wellenlänge innerhalb des gesamten Abstimmbereichs des EC-QCL [10]. Eine hohe Wellenlängen-Abstimmungsrate EC-QCL wird benötigt, um die Messzeit von Chemikaliengemischen in der Gasphase zu verkürzen. Schnell gewobbelte EC-QCLs wurden mit einem mikroelektromechanischen System (MEMS) oder einem akustooptischen Modulator entwickelt, der> 100 cm ⁻¹ . durchstreichen kann auf einer Sub-ms-Zeitskala [11]. Leider haben diese schnell gewobbelten EC-QCL-Systeme niedrige spektrale Auflösungen von etwa ~ 1 cm ⁻¹ . , was für die engen Absorptionseigenschaften nicht ausreicht.

Kürzlich wurde von M.C. Phillipset al. [12, 13]. Die gewobbelte Wellenlänge EC-QCL kann auf mehr als 100 cm ⁻¹ . abgestimmt werden bei einer Sweep-Rate von 200 Hz mit einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von 11 mW an der Spitze der Abstimmkurve bei einem Arbeitszyklus von 50 %. Jedoch würde ein gepulster Betrieb aufgrund des gechirpten Stroms eine Leitungsverbreiterung einführen. In diesem Artikel verwenden wir das Scanning-Galvanometer in der Littman-Metcalf-Hohlraumgeometrie, um eine schnelle gewobbelte Wellenlängen-EC-QCL mit einem Abstimmbereich von 135 cm ⁻¹ . zu realisieren von 2105 bis 2240 cm ⁻¹ (4,46–4,75 μm). Der Schwellenstrom betrug im CW-Betrieb bei Raumtemperatur nur 250 mA. Eine zeitaufgelöste Messung mit der Step-Scan-Fourier-Transformation-Infrarot-(FTIR)-Technik wurde für die EC-QCL durchgeführt, die wiederholt mit 100 Hz gesweept wurde. Zur Bewertung der spektralen Auflösung wurde ein Laserspektrumanalysator verwendet. Bei einer Sägezahnwellenmodulation eine spektrale Auflösung von < 0,2 cm ⁻¹ innerhalb des Abstimmbereichs erreicht werden.

Methoden

Das EC-System basiert auf der Littman-Metcalf-Konfiguration und besteht aus drei Hauptelementen, dem Verstärkungselement, in unserem Fall dem Fabry-Perot (FP) QCL-Chip mit Kollimationslinse, einem Beugungsgitter und einem Scanning-Galvanometer, sowie gezeigt in Abb. 1. Der dehnungskompensierte aktive QCL-Kern umfasst 30 Perioden mit In_0,67 Ga_0.33 As/In_0,36 Al_0,64 B. als Quantentöpfe bzw. Barrieren, ähnlich wie in [14] beschrieben. Die Bauelemente wurden in einer vergrabenen Heterostrukturkonfiguration unter Verwendung von metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) für das selektive Nachwachsen von Fe-dotiertem InP verarbeitet. Der FP-QCL-Verstärkungschip mit einer Stegbreite von 12 μm und einer Länge von 3 mm wurde verwendet, um die EC-QCL zu konstruieren. Hochreflektierende (HR) Beschichtung bestehend aus Al₂ O₃ /Ti/Au/Ti/Al₂ O₃ (200/10/100/10/120 nm) und Antireflexbeschichtung (AR) aus Al₂ O₃ /Ge (448/35 nm) wurden auf die hintere Facette bzw. die vordere Facette des Verstärkungschips aufgedampft. Der FP-QCL-Chip wurde mit der Epischicht-Seite nach unten auf einem SiC-Kühlkörper mit Indiumlot montiert, drahtgebondet und dann auf einen Halter montiert, der einen Thermistor in Kombination mit einem thermoelektrischen Kühler (TEC) enthielt, um die Kühlkörpertemperatur zu überwachen und einzustellen.

Schema der externen Hohlraumkonfiguration von Littman-Metcalf

Die von uns verwendete Littman-Konfiguration besteht aus einer Kollimationslinse mit einer Brennweite von 6 mm, einem Beugungsgitter mit 210 Rillen/mm und einem Scanning-Galvanometer (Thorlabs, GVS111). In der Littman-Konfiguration, wie in Abb. 1 gezeigt, wird Licht erster Ordnung in das Scanning-Galvanometer gebeugt, dann durch das Beugungsgitter in den FP-QCL-Chip zurückreflektiert, und das emittierte Einmoden-Laserlicht wird durch Reflexion nullter Ordnung von extrahiert das Beugungsgitter.

Die emittierte optische Leistung und das Spektrum des EC-QCL wurden mit einem kalibrierten Thermopile-Detektor bzw. einem FTIR-Spektrometer gemessen. Alle Messungen wurden durchgeführt, während der FP-QCL-Chip bei 25 °C im cw-Betrieb gehalten wurde.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a zeigt die gemessenen cw-Spektren bei verschiedenen Scanning-Galvanometer-Winkeln mit einem Injektionsstrom von 330 mA. Der Emissionspeak verschiebt sich von 2105 zu 2240 cm ⁻¹ durch Drehen des Galvanometers in Schritten von 0,1°. Abbildung 2b zeigt die gemessene Ausgangsleistung und das Side-Mode-Suppression-Ratio (SMSR) bei verschiedenen Scanning-Galvanometer-Winkeln wie in Abbildung 2a. Fast im gesamten Abstimmbereich wurde ein SMSR über 25 dB realisiert. Die durchschnittliche Ausgangsleistung betrug etwa 8 mW und das Ausgangsleistungsprofil stimmte mit dem Elektrolumineszenzspektrum überein. Abbildung 3 zeigt die Leistungs-Strom-Spannungs-Kurven (P-I-V), die für den EC-QCL im zentralen Bereich bei 2180 cm ⁻¹ . gemessen wurden . Der Schwellenstrom des EC-QCL betrug 250 mA, was einer Schwellenstromdichte (J _te ) von 0,833 kA/cm ² . Die maximale cw-Ausgangsleistung von 20,8 mW wurde bei 400 mA erreicht.

a Die normierten Emissionsspektren des EC-QCL gemessen bei 25 °C im cw-Betrieb mit einem Strom von 330 mA. Das nebenstehende Spektrum wurde mit dem Galvanometer-Drehschritt von 0,1° gemessen. b Gemessene Ausgangsleistung (rote Kurve) und SMSR (schwarzer Punkt) des EC-QCL bei verschiedenen Scanning-Galvanometerwinkeln

Die P-I-V-Eigenschaften der EC-QCL in der zentralen Region bei 2180 cm ⁻¹

EC-QCL-Scan-Charakterisierung

Wir haben einen Signalgenerator verwendet, um eine 100 Hz-Sinuswelle zu erzeugen. Durch die Implementierung der Sinuswelle auf dem Scanning-Galvanometer kann die EC-QCL-Wellenlänge im cw-Modus mit einem Strom von 330 mA wiederholt gesweept werden. Die Sinuswellenamplitude beträgt 3 V, was dem Gesamtabstimmungswinkel von 3° entspricht. Zur Demonstration der EC-QCL-Scan-Charakterisierung kann eine zeitaufgelöste Messung mit der Step-Scan-FTIR-Technik angewendet werden. Diese Technik wurde häufig verwendet, um wiederholt auftretende Prozesse zu untersuchen [15]. Wir synchronisieren das generierte Signal mit dem FTIR und die Messungen wurden mit einer spektralen Auflösung von 0,2 cm ⁻¹ . durchgeführt und 20 ns Zeitauflösung. Die zeitaufgelösten Emissionspeaks wurden in Abb. 4 aufgetragen. Die EC-QCL begann bei 2180 cm ⁻¹ . dann Abstimmung auf niedrigere Wellenzahlen. Nach 1/4 Perioden erreichte der Emissionspeak die minimale Wellenzahl. Die Wellenzahl ist von 2105 bis 2240 cm ⁻¹ . eingestellt in den nächsten Halbzeiten. Für die Littman-Konfiguration:

Die zeitaufgelösten Emissionsspitzen des EC-QCL im cw-Modus bei 330 mA und der Scanning-Galvanometer-Modulation bei 100 Hz

wobei λ die EC-QCL-Wellenlänge ist, d ist die Teilungsperiode, m ist die Beugungsordnung und α und β sind die in Abb. 1 gezeigten Winkel. Das Licht erster Ordnung wird zum Scanning-Galvanometer reflektiert und dann zurück in den FP-QCL-Chip reflektiert. Wenn sich das Scanning-Galvanometer um einen Winkel von θ dreht, wird die obige Formel zu:

In unserer Konfiguration m = 1, β = 7,7°, d = 4,76 μm, und der EC-QCL kann in einem Fast-Scan-Modus betrieben werden, wobei das Scanning-Galvanometer bei 100 Hz mit einer Geschwindigkeit von 12,6 rad/s gewobbelt wird und eine Wellenlängenabstimmungsrate von 59,3 μm s ⁻¹ .

Wir verwendeten einen Laserspektrumanalysator (Bristol Modell 771), um die spektrale Auflösung zu bewerten. Aufgrund der minimalen Reaktionszeit von etwa 0,5 s für den Laserspektrumanalysator haben wir die Galvanometerfrequenz auf 0,02 Hz reduziert, wodurch der gesamte Wellenlängenabstimmungszyklus aufgezeichnet werden kann. Wie in Fig. 5a gezeigt, variierte durch Ändern des Galvanometerwinkels die Wellenlänge diskontinuierlich und der Modensprung etwa 0,5 cm ^–1 . konnte eindeutig identifiziert werden. Der Modensprung ist aufgrund der nicht idealen Antireflexionswirkung der AR-Beschichtung hauptsächlich mit den FP-Modi des QCL-Chips verbunden. Um den Modensprungabstand zu reduzieren, fügen wir dem DC-Treiberstrom auf dem QCL-Chip mit dem Galvanometer in einem festen Winkel eine Sägezahnwellenmodulation (0,02 Hz, 40 mA) hinzu. Die Wellenlängenabstimmung mit der Sägezahnwellenmodulation wurde in Fig. 5b gezeigt. In einer Periode wird die Wellenlänge sanft auf niedrigere Wellenzahlen abgestimmt, was die 0,5 cm ⁻¹ . kompensieren kann Modus hüpfen. Es ist jedoch anzumerken, dass die Wellenlängenabstimmung in einer Periode nicht linear ist, was der Temperaturschwankung des QCL-Kühlkörpers zugeschrieben wird. Die gemessene EC-QCL-Wellenlänge mit sowohl der Galvanometer-Abstimmung als auch der Sägezahnwellen-Modulation wurde in Fig. 5c gezeigt. Im Vergleich zu Fig. 5a hat sich der Modensprungabstand auf weniger als 0,2 cm ^–1 . verringert .

a Die gemessene EC-QCL-Wellenlänge mit der Galvanometerspannung von 20 mV und der Abstimmfrequenz von 0,02 Hz. Der Mode-Hop beträgt etwa 0,5 cm ⁻¹ . b Die gemessene EC-QCL-Wellenlängenabstimmung mit einer Sägezahnwellenmodulation (0,02 Hz, 40 mA), die die 0,5 cm ⁻¹ . kompensieren kann Modus hüpfen. c Die gemessene EC-QCL-Wellenlänge mit Galvanometer-Abstimmung und Sägezahnwellenmodulation

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir einen EC-QCL mit schneller Sweep-Wellenlänge entwickelt und seine Leistung untersucht, einschließlich Single-Mode-Auswahl, Abstimmbereich und Ausgangsleistung. Die zeitaufgelöste Step-Scan-FTIR-Technik und der Laserspektrumanalysator wurden verwendet, um den Abstimmbereich und die spektrale Auflösung zu messen. Der EC-QCL konnte wiederholt mit 100 Hz über seinen gesamten Abstimmbereich von 135 cm ⁻¹ . schwingen (ca. 290 nm) mit einer Scanauflösung von < 0,2 cm ⁻¹ , was mit einer Sägezahnwellenmodulation erreicht werden kann. Der CW-Schwellenwert des EC-QCL lag bei nur 250 mA bei einer maximalen Leistung von 20,8 mW. Der geringe Stromverbrauch und die schnelle gewobbelte Wellenlänge des Geräts könnten es zu einer vielversprechenden Lichtquelle für Anwendungen zur Spurengasmessung machen.

Abkürzungen

AR:

Antireflexion

CW:

Dauerstrich

DFB:

Verteiltes Feedback

EC-QCL:

Quantenkaskadenlaser mit externem Resonator

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer

Personal:

Hohes Reflexionsvermögen

MEMS:

Mikro-elektromechanisches System

MIR:

Mittleres Infrarot

MOCVD:

Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung

P-I-V:

Leistung-Strom-Spannung

QCLs:

Quantenkaskadenlaser

SMSR:

Seitenmodus-Unterdrückungsverhältnis

TEC:

Thermoelektrische Kühlbox