Fast Swept-Wavelength, Low Threshold-Current, continuous-wave externe cavity Quantum Cascade Laser

Achtergrond

Het midden-infrarood (MIR) gebied van het elektromagnetische spectrum is het moleculaire vingerafdrukgebied, aangezien fundamentele ro-vibrationele overgangsenergieën van de meeste moleculen in dit spectrale gebied liggen. Laserabsorptiespectroscopie in het MIR-gebied is belangrijk voor een divers aantal toepassingen, zoals medische ademanalyse, detectie van luchtverontreinigende stoffen en monitoring van industrieel afvalwater [1,2,3]. Met name met de snelle ontwikkeling van MIR-lasers zijn de prestaties van optische instrumenten op basis van de spectroscopiemethode aanzienlijk verbeterd om snelle, gevoelige en nauwkeurige metingen te bieden.

Voor de laserabsorptiespectroscopie is een afstembare enkelfrequente laser met een smalle lijnbreedte en een bescheiden vermogen vereist. Distributed feedback (DFB) quantum cascade lasers (QCL's) [1] zijn geschikte lichtbronnen voor deze toepassingen vanwege hun zeer smalle lijnbreedte [4], hoog uitgangsvermogen en continue-golf (CW) werking bij kamertemperatuur. Een enkele DFB-laser heeft echter een zeer beperkt afstembereik van enkele cm ⁻¹ (~ 10 cm ⁻¹ ) via langzame temperatuurafstemming, wat het nut ervan voor breedbandabsorptiefuncties en gasdetectie voor meerdere soorten beperkt [5]. DFB-arrays hebben een indrukwekkende afstembaarheid bereikt van meer dan 220 cm ⁻¹ . DFB-arrays hebben echter elektronenstraallithografie nodig om verschillende roosterperioden te fabriceren, wat complex en duur is. Bovendien hebben DFB-arrays bundelcombinaties van verschillende golflengten nodig voor detectietoepassingen [6, 7].

Externe holte-kwantumcascadelasers (EC-QCL's) worden veel gebruikt als betrouwbare, breed afstembare lichtbronnen, die een afstembereik van meer dan 300 cm kunnen bieden ⁻¹ [8] met langzame scan door stappenmotor. Voor traditionele EC-QCL kan de modus-hop-vrije afstemming worden bereikt door het modusvolgsysteem dat werd voorgesteld door Wysocki et al. [9]. De laserstroom en de EC-lengte worden tijdens het afstemmingsproces gemoduleerd met fase-aangepaste driehoekige spanningshellingen. Dit maakt echter alleen modus-hop-vrije afstemming mogelijk van ~ 1 cm ⁻¹ op elke golflengte binnen het volledige afstembereik van de EC-QCL [10]. Om de meettijd van chemische mengsels in de gasfase te verkorten, is een EC-QCL met een hoge golflengte-afstemsnelheid nodig. Snel geveegde EC-QCL's zijn ontworpen met een intra-cavity micro-elektromechanisch systeem (MEMS) of akoesto-optische modulator, die> 100 cm ⁻¹ kan vegen op een sub-ms tijdschaal [11]. Helaas hebben deze snelle EC-QCL-systemen lage spectrale resoluties rond ~ 1 cm ⁻¹ , wat niet voldoende is voor de smalle absorptiekenmerken.

Onlangs is door M.C. Philips et al. [12, 13]. De swept-wavelength EC-QCL kan meer dan 100 cm worden afgestemd ⁻¹ met een zwaaisnelheid van 200 Hz met een gemiddeld uitgangsvermogen van 11 mW op het hoogtepunt van de afstemcurve bij een werkcyclus van 50%. Gepulseerde werking zou echter lijnverbreding introduceren vanwege de getjilpte stroom. In dit artikel gebruiken we de scanning galvanometer in de Littman-Metcalf-holtegeometrie om een ​​EC-QCL met snelle swept-wavelength te realiseren met een afstembereik van 135 cm ⁻¹ van 2105 tot 2240 cm ⁻¹ (4,46-4,75 urn). De drempelstroom was zo laag als 250 mA in CW-bedrijf bij kamertemperatuur. Tijdopgeloste meting met behulp van de step-scan Fourier-transformatie-infraroodtechniek (FTIR) werd uitgevoerd voor de EC-QCL die herhaaldelijk op 100 Hz werd geveegd. Laserspectrumanalysator werd gebruikt om de spectrale resolutie te evalueren. Met een zaagtandgolfmodulatie, een spectrale resolutie van < 0,2 cm ⁻¹ kan worden bereikt binnen het afstembereik.

Methoden

Het EC-systeem is gebaseerd op de Littman-Metcalf-configuratie en bestaat uit drie hoofdelementen, het versterkingselement, in ons geval de Fabry-Perot (FP) QCL-chip met een collimerende lens, een diffractierooster en een scanning galvanometer, als getoond in Fig. 1. De spanningsgecompenseerde QCL actieve kern omvat 30 perioden met In_0,67 Ga_0.33 Als/In_0.36 Al_0,64 Net als kwantumbronnen en barrières, vergelijkbaar met die beschreven in [14]. De apparaten werden verwerkt in een begraven heterostructuurconfiguratie met behulp van metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD) voor de selectieve hergroei van Fe-gedoteerde InP. De FP-QCL-versterkingschip met een randbreedte van 12 m en een lengte van 3 mm werd gebruikt om de EC-QCL te construeren. Hoogreflecterende (HR) coating bestaande uit Al₂ O₃ /Ti/Au/Ti/Al₂ O₃ (200/10/100/10/120 nm) en antireflectie (AR) coating van Al₂ O₃ /Ge (448/35 nm) werden verdampt op respectievelijk het achterste facet en het voorste facet van de gain-chip. De FP-QCL-chip werd met de epilaag naar beneden op een SiC-koellichaam met indiumsoldeer gemonteerd, draadgebonden en vervolgens gemonteerd op een houder met een thermistor in combinatie met een thermo-elektrische koeler (TEC) om de temperatuur van het koellichaam te bewaken en aan te passen.

Schema van Littman-Metcalf externe holteconfiguratie

De Littman-configuratie die we gebruikten, bestaat uit een collimerende lens met een brandpuntsafstand van 6 mm, een diffractierooster met 210 groeven/mm en een scanning galvanometer (Thorlabs, GVS111). In de Littman-configuratie zoals weergegeven in Fig. 1 wordt eerste-orde licht afgebogen in de scanning galvanometer en vervolgens teruggereflecteerd in de FP-QCL-chip door het diffractierooster en het uitgezonden single-mode laserlicht wordt geëxtraheerd door nulde-orde reflectie van het diffractierooster.

Het uitgezonden optische vermogen en spectrum van de EC-QCL werden gemeten met respectievelijk een gekalibreerde thermozuildetector en een FTIR-spectrometer. Alle metingen zijn gedaan met de FP-QCL-chip die onder cw-werking op 25°C werd gehouden.

Resultaten en discussie

Figuur 2a toont de gemeten cw-spectra bij verschillende scanning galvanometerhoeken met een injectiestroom van 330 mA. De emissiepiek verschuift van 2105 naar 2240 cm ⁻¹ door de galvanometer te draaien met de stap van 0,1°. Figuur 2b toont het gemeten uitgangsvermogen en de side-mode-suppression-ratio (SMSR) bij verschillende scangalvanometerhoeken, dezelfde als die in figuur 2a. Een SMSR van meer dan 25 dB werd in bijna het hele afstemmingsbereik gerealiseerd. Het gemiddelde uitgangsvermogen was ongeveer 8 mW en het uitgangsvermogenprofiel was consistent met het elektroluminescentiespectrum. Afbeelding 3 toont de stroom-stroom-spanning (P-I-V)-curves gemeten voor de EC-QCL in het centrale gebied op 2180 cm ⁻¹ . De drempelstroom van de EC-QCL was 250 mA, wat overeenkomt met een drempelstroomdichtheid (J _de ) van 0,833 kA/cm ² . Het maximale CW-uitgangsvermogen van 20,8 mW werd verkregen bij 400 mA.

een De genormaliseerde emissiespectra van de EC-QCL gemeten bij 25 °C in cw-bedrijf met een stroomsterkte van 330 mA. Het aangrenzende spectrum werd gemeten met de draaistap van de galvanometer van 0,1°. b Gemeten uitgangsvermogen (rode curve) en SMSR (zwart punt) van de EC-QCL bij verschillende scangalvanometerhoeken

De P-I-V-kenmerken van de EC-QCL in de centrale regio op 2180 cm ⁻¹

EC-QCL-scankarakterisering

We gebruikten een signaalgenerator om een ​​sinusvormige golf van 100 Hz te genereren. Door de sinusoïdale golf op de scanning galvanometer te implementeren, kan de EC-QCL-golflengte herhaaldelijk in cw-modus worden geveegd met een stroomsterkte van 330 mA. De sinusvormige golfamplitude is 3 V, wat overeenkomt met de totale afstemhoek van 3 °. Voor een demonstratie van de EC-QCL-scankarakterisering kan tijdsopgeloste meting met behulp van de step-scan FTIR-techniek worden toegepast. Deze techniek werd vaak gebruikt om herhaaldelijk opgetreden processen te bestuderen [15]. We maken het gegenereerde signaal gesynchroniseerd met de FTIR en de metingen zijn uitgevoerd met een spectrale resolutie van 0,2 cm ⁻¹ en 20 ns tijdresolutie. De in de tijd opgeloste emissiepieken zijn uitgezet in Fig. 4. De EC-QCL begon bij 2180 cm ⁻¹ dan afstemmen op lagere golfnummers. Na 1/4 perioden bereikte de emissiepiek het minimum golfgetal. Het golfgetal afgestemd van 2105 tot 2240 cm ⁻¹ in de volgende halve periodes. Voor de Littman-configuratie:

$$ \uplambda =d/{m}^{\ast}\left(\mathit{\sin}\upalpha +\mathit{\sin}\upbeta \right) $$ (1)

De in de tijd opgeloste emissiepieken van de EC-QCL werkten in cw-modus bij 330 mA en de scanning galvanometermodulatie bij 100 Hz

waarbij λ de EC-QCL-golflengte is, d is de roosterperiode, m is de diffractievolgorde, en α en β zijn de hoeken getoond in Fig. 1. Het eerste-orde licht wordt gereflecteerd naar de scanning galvanometer en vervolgens terug gereflecteerd in de FP-QCL-chip. Wanneer de scanning galvanometer een hoek van θ draait, verandert de bovenstaande formule in:

$$ \frac{\mathrm{d}\uplambda}{\mathrm{d}\mathrm{t}}={\mathrm{d}}^{\ast}\cos \left(\upbeta +\uptheta \right )\ast \frac{\mathrm{d}\uptheta}{\mathrm{d}\mathrm{t}} $$ (2)

In onze configuratie, m = 1, β = 7,7°, d = 4,76 m, en de EC-QCL kan werken in een snelle scanmodus waarbij de scangalvanometer wordt geveegd op 100 Hz met een snelheid van 12,6 rad/s, wat een afstemmingssnelheid van de golflengte oplevert van 59,3 μm s ⁻¹ .

We gebruikten een laserspectrumanalysator (Bristol Model 771) om de spectrale resolutie te evalueren. Vanwege de minimale responstijd van ongeveer 0,5 s voor de laserspectrumanalysator, hebben we de galvanometerfrequentie verlaagd tot 0,02 Hz, waarmee de volledige afstemmingscyclus van de golflengte kan worden vastgelegd. Zoals te zien is in figuur 5a, varieerde de golflengte discontinu door de hoek van de galvanometer te veranderen en de modussprong ongeveer 0,5 cm ⁻¹ duidelijk kon worden geïdentificeerd. De modushop wordt voornamelijk geassocieerd met de FP-modi van de QCL-chip vanwege het niet-ideale antireflectie-effect van de AR-coating. Om de afstand tussen modushopen te verkleinen, voegen we een zaagtandgolfmodulatie (0,02 Hz, 40 mA) toe aan de DC-stuurstroom op de QCL-chip met de galvanometer onder een vaste hoek. De golflengte-afstemming met de zaagtandgolfmodulatie werd getoond in figuur 5b. In één periode wordt de golflengte soepel afgestemd op lagere golfgetallen, die de 0,5 cm ⁻¹ kunnen compenseren modus hop. Er wordt echter opgemerkt dat de afstemming van de golflengte niet lineair is in één periode, wat wordt toegeschreven aan de temperatuurschommeling van het QCL-koellichaam. De gemeten EC-QCL-golflengte met zowel galvanometerafstemming als zaagtandgolfmodulatie werd getoond in figuur 5c. In vergelijking met Fig. 5a is de afstand tussen de modussprongen afgenomen tot minder dan 0,2 cm ⁻¹ .

een De gemeten EC-QCL-golflengte met de galvanometerspanning van 20 mV en de afstemfrequentie van 0,02 Hz. De modussprong is ongeveer 0,5 cm ⁻¹ . b De gemeten EC-QCL-golflengteafstemming met een zaagtandgolfmodulatie (0,02 Hz, 40 mA), die de 0,5 cm ⁻¹ kan compenseren modus hop. c De gemeten EC-QCL-golflengte met zowel galvanometerafstemming als zaagtandgolfmodulatie

Conclusies

Samenvattend hebben we een EC-QCL met snelle swept-golflengte ontworpen en de prestaties ervan onderzocht, inclusief single-mode selectie, afstemmingsbereik en uitgangsvermogen. De time-resolved step scan FTIR-techniek en laserspectrumanalysator werden toegepast om het afstembereik en de spectrale resolutie te meten. De EC-QCL kan herhaaldelijk worden geveegd op 100 Hz over het volledige afstembereik van 135 cm ⁻¹ (ongeveer 290 nm) met een scanresolutie van < 0,2 cm ⁻¹ , die kan worden bereikt met een zaagtandgolfmodulatie. De CW-drempel van de EC-QCL was slechts 250 mA met een maximaal vermogen van 20,8 mW. Het lage stroomverbruik en de snelle swept-wavelength-karakteristiek van het apparaat kunnen het een veelbelovende lichtbron maken voor toepassingen voor het detecteren van sporengas.

Afkortingen

AR:

Antireflectie

CW:

Continue golf

DFB:

Gedistribueerde feedback

EC-QCL:

Externe holte quantum cascade laser

FTIR:

Fourier-transformatie infrarood spectrometer

HR:

Hoge reflectiviteit

MEMS:

Micro-elektromechanisch systeem

MIR:

Midden-infrarood

MOCVD:

Metaal-organische chemische dampafzetting

P-I-V:

Vermogen-stroom-spanning

QCL's:

Quantum cascade lasers

SMSR:

Side-mode-onderdrukking-ratio

TEC:

Thermo-elektrische koeler