Panjang Gelombang Sapu Cepat, Arus Ambang Rendah, Laser Kaskade Kuantum Rongga Eksternal Gelombang Kontinyu
Abstrak
Kami menyajikan laser kaskade kuantum rongga eksternal dengan arus ambang rendah dan penyetelan panjang gelombang yang cepat (EC-QCL) menggunakan galvanometer pemindaian dalam geometri rongga Littman-Metcalf. EC-QCL dapat berulang kali menyapu pada 100 Hz pada rentang penyetelan penuhnya sekitar 290 nm (2105 cm
−1
hingga 2240 cm
−1
), memberikan kecepatan pemindaian 59,3 μm s
−1
. Arus ambang gelombang kontinu (CW) dari EC-QCL serendah 250 mA dan daya keluaran maksimum adalah 20,8 mW pada 400 mA untuk chip penguatan QCL sepanjang 3 mm. Dengan modulasi gelombang gigi gergaji, resolusi pemindaian < 0.2 cm
−1
dapat dicapai dalam rentang penyetelan. Konsumsi daya yang rendah dan panjang gelombang sapuan cepat EC-QCL akan bermanfaat untuk banyak aplikasi.
Latar Belakang
Daerah mid-inframerah (MIR) dari spektrum elektromagnetik adalah daerah sidik jari molekul, karena energi transisi ro-getaran dasar dari sebagian besar molekul terletak di daerah spektral ini. Spektroskopi serapan laser di wilayah MIR penting untuk sejumlah aplikasi yang beragam seperti analisis napas medis, penginderaan polutan atmosfer, dan pemantauan limbah industri [1,2,3]. Khususnya, dengan perkembangan laser MIR yang cepat, kinerja instrumen optik berdasarkan metode spektroskopi telah sangat ditingkatkan untuk memberikan pengukuran yang cepat, sensitif, dan akurat.
Untuk spektroskopi serapan laser, diperlukan laser frekuensi tunggal yang dapat disetel dengan lebar garis yang sempit dan daya yang sederhana. Distributed feedback (DFB) quantum cascade lasers (QCLs) [1] adalah sumber cahaya yang cocok untuk aplikasi ini karena lebar garisnya yang sangat sempit [4], daya keluaran tinggi, dan operasi gelombang kontinu (CW) suhu kamar. Namun, laser DFB tunggal memiliki rentang penyetelan yang sangat terbatas, hanya beberapa cm
−1
(~ 10 cm
−1
) melalui penyetelan suhu lambat, yang membatasi kegunaannya untuk fitur penyerapan broadband dan deteksi gas multi-spesies [5]. Array DFB telah mencapai tunabilitas yang mengesankan lebih dari 220 cm
−1
. Namun, susunan DFB membutuhkan litografi berkas elektron untuk membuat periode kisi yang berbeda, yang rumit dan mahal. Selain itu, susunan DFB membutuhkan kombinasi sinar dari panjang gelombang yang berbeda untuk aplikasi penginderaan [6, 7].
Laser kaskade kuantum rongga eksternal (EC-QCLs) banyak digunakan sebagai sumber cahaya yang andal dan dapat disetel secara luas, yang dapat memberikan rentang penyetelan lebih dari 300 cm
−1
[8] dengan pemindaian lambat oleh motor stepper. Untuk EC-QCL tradisional, penyetelan bebas mode-hop dapat dicapai dengan sistem pelacakan mode yang diusulkan oleh Wysocki et al. [9]. Arus laser dan panjang EC dimodulasi dengan ramp tegangan segitiga fase-cocok selama proses penyetelan. Namun, ini hanya memungkinkan penyetelan bebas mode hop ~ 1 cm
−1
pada panjang gelombang apa pun di dalam rentang penyetelan penuh EC-QCL [10]. Tingkat penyetelan panjang gelombang tinggi EC-QCL diperlukan untuk mengurangi waktu pengukuran campuran kimia dalam fase gas. EC-QCL yang disapu dengan cepat telah dirancang dengan sistem mikro-eletromekanis intra-rongga (MEMS) atau modulator acousto-optic, yang dapat menyapu> 100 cm
−1
pada skala waktu sub-ms [11]. Sayangnya, sistem EC-QCL yang disapu dengan cepat ini memiliki resolusi spektral yang rendah sekitar ~ 1 cm
−1
, yang tidak cukup untuk fitur penyerapan sempit.
Baru-baru ini, sumber EC-QCL dengan panjang gelombang sapuan untuk pengukuran fitur penyerapan luas dikembangkan oleh M.C. Phillips dkk. [12, 13]. Panjang gelombang sapuan EC-QCL dapat disetel lebih dari 100 cm
−1
pada kecepatan sapuan 200 Hz dengan daya keluaran rata-rata 11 mW pada puncak kurva penyetelan pada siklus kerja 50%. Namun, operasi berdenyut akan memperkenalkan pelebaran garis karena arus berkicau. Dalam makalah ini, kami menggunakan galvanometer pemindaian dalam geometri rongga Littman-Metcalf untuk mewujudkan EC-QCL dengan panjang gelombang sapuan cepat dengan rentang penyetelan 135 cm
−1
dari 2105 hingga 2240 cm
−1
(4,46–4,75 μm). Arus ambang batas serendah 250 mA dalam operasi CW pada suhu kamar. Pengukuran time-resolved menggunakan teknik step-scan Fourier transform infrared (FTIR) dilakukan untuk EC-QCL berulang kali disapu pada 100 Hz. Penganalisis spektrum laser digunakan untuk mengevaluasi resolusi spektral. Dengan modulasi gelombang gigi gergaji, resolusi spektral < 0.2 cm
−1
dapat dicapai dalam rentang penyetelan.
Metode
Sistem EC didasarkan pada konfigurasi Littman-Metcalf, dan terdiri dari tiga elemen utama, elemen penguatan, dalam kasus kami chip QCL Fabry–Perot (FP) dengan lensa collimating, kisi difraksi, dan galvanometer pemindaian, sebagai ditunjukkan pada Gambar. 1. Inti aktif QCL kompensasi regangan terdiri dari 30 periode dengan In0,67 Ga0,33 Sebagai/Dalam0,36 Al0,64 Seperti sumur kuantum dan hambatan, masing-masing, mirip dengan yang dijelaskan dalam [14]. Perangkat diproses dalam konfigurasi heterostruktur terkubur menggunakan deposisi uap kimia organik logam (MOCVD) untuk pertumbuhan kembali selektif InP yang didoping Fe. Chip penguatan FP–QCL dengan lebar punggungan 12 μm dan panjang 3 mm digunakan untuk membuat EC-QCL. Lapisan reflektifitas tinggi (HR) yang terdiri dari Al2 O3 /Ti/Au/Ti/Al2 O3 (200/10/100/10/120 nm) dan lapisan anti-refleksi (AR) Al2 O3 /Ge (448/35 nm) masing-masing diuapkan pada sisi belakang dan sisi depan chip penguatan. Chip FP–QCL dipasang dengan lapisan epilayer menghadap ke bawah pada unit pendingin SiC dengan solder indium, diikat dengan kawat, kemudian dipasang pada dudukan yang berisi termistor yang dikombinasikan dengan pendingin termoelektrik (TEC) untuk memantau dan menyesuaikan suhu unit pendingin.
Skema konfigurasi rongga luar Littman-Metcalf
Konfigurasi Littman yang kami gunakan terdiri dari lensa kolimasi dengan panjang fokus 6 mm, kisi difraksi dengan 210 alur/mm, dan galvanometer pemindai (Thorlabs, GVS111). Dalam konfigurasi Littman seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, cahaya orde pertama didifraksikan ke dalam galvanometer pemindaian kemudian dipantulkan kembali ke dalam chip FP–QCL oleh kisi difraksi dan sinar laser mode tunggal yang dipancarkan diekstraksi melalui refleksi orde nol dari kisi difraksi.
Daya optik yang dipancarkan dan spektrum dari EC-QCL masing-masing diukur dengan detektor thermopile terkalibrasi dan spektrometer FTIR. Semua pengukuran dilakukan dengan chip FP–QCL ditahan pada suhu 25 °C di bawah operasi cw.
Hasil dan Diskusi
Gambar 2a menunjukkan spektrum cw yang diukur pada sudut pemindaian galvanometer yang berbeda dengan arus injeksi 330 mA. Puncak emisi bergeser dari 2105 menjadi 2240 cm
−1
dengan memutar galvanometer dengan langkah 0,1°. Gambar 2b menunjukkan daya keluaran terukur dan rasio mode-samping (SMSR) pada sudut pemindaian galvanometer yang berbeda sama seperti pada Gambar 2a. SMSR di atas 25 dB direalisasikan di hampir seluruh rentang penyetelan. Daya keluaran rata-rata sekitar 8 mW dan profil daya keluaran konsisten dengan spektrum elektroluminesensi. Gambar 3 menggambarkan kurva daya-arus-tegangan (P-I-V) yang diukur untuk EC-QCL di wilayah tengah pada 2180 cm
−1
. Arus ambang batas EC-QCL adalah 250 mA, sesuai dengan rapat arus ambang batas (Jth ) sebesar 0,833 kA/cm
2
. Daya keluaran cw maksimum sebesar 20,8 mW diperoleh pada 400 mA.
a Spektrum emisi yang dinormalisasi dari EC-QCL diukur pada 25 °C dalam operasi cw dengan arus 330 mA. Spektrum yang berdekatan diukur dengan langkah putar galvanometer 0,1°. b Daya keluaran terukur (kurva merah) dan SMSR (titik hitam) EC-QCL pada sudut galvanometer pemindaian yang berbeda
Karakteristik P-I-V dari EC-QCL di wilayah tengah pada 2180 cm
−1
Karakterisasi Pemindaian EC-QCL
Kami menggunakan generator sinyal untuk menghasilkan gelombang sinusoidal 100 Hz. Dengan menerapkan gelombang sinusoidal pada galvanometer pemindaian, panjang gelombang EC-QCL dapat disapu berulang kali dalam mode cw dengan arus 330 mA. Amplitudo gelombang sinusoidal adalah 3 V yang sesuai dengan sudut tala total 3°. Untuk demonstrasi karakterisasi pemindaian EC-QCL, pengukuran yang diselesaikan dengan waktu menggunakan teknik FTIR pemindaian langkah dapat diterapkan. Teknik ini sering digunakan untuk mempelajari proses yang terjadi berulang kali [15]. Kami membuat sinyal yang dihasilkan disinkronkan dengan FTIR, dan pengukuran dilakukan dengan resolusi spektral 0,2 cm
−1
dan resolusi waktu 20 ns. Puncak emisi yang diselesaikan dengan waktu diplot pada Gambar. 4. EC-QCL dimulai pada 2180 cm
−1
kemudian menyetel ke arah bilangan gelombang yang lebih rendah. Setelah 1/4 periode, puncak emisi mencapai bilangan gelombang minimum. Bilangan gelombang disetel dari 2105 hingga 2240 cm
−1
pada setengah periode berikutnya. Untuk konfigurasi Littman:
Puncak emisi EC-QCL yang diselesaikan dengan waktu yang dioperasikan dalam mode cw pada 330 mA dan modulasi galvanometer pemindaian pada 100 Hz
di mana adalah panjang gelombang EC-QCL, d adalah periode kisi, m adalah orde difraksi, dan dan adalah sudut yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Cahaya orde pertama dipantulkan ke galvanometer pemindaian kemudian dipantulkan kembali ke dalam chip FP–QCL. Ketika galvanometer pemindaian berputar dengan sudut , rumus di atas berubah menjadi:
Dalam konfigurasi kami, m = 1, = 7,7°, d = 4.76 μm, dan EC-QCL dapat beroperasi dalam mode pemindaian cepat dengan galvanometer pemindaian menyapu 100 Hz dengan kecepatan 12,6 rad/dtk, memberikan tingkat penyetelan panjang gelombang 59,3 μm s
−1
.
Kami menggunakan penganalisis spektrum laser (Bristol Model 771) untuk mengevaluasi resolusi spektral. Karena waktu respons minimum sekitar 0,5 s untuk penganalisis spektrum laser, kami mengurangi frekuensi galvanometer menjadi 0,02 Hz yang dapat merekam siklus penyetelan panjang gelombang yang lengkap. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a, dengan mengubah sudut galvanometer, panjang gelombang bervariasi secara terputus-putus dan mode hop sekitar 0,5 cm
−1
dapat diidentifikasi dengan jelas. Lompatan mode terutama dikaitkan dengan mode FP chip QCL karena efek antirefleksi yang tidak ideal dari lapisan AR. Untuk mengurangi jarak mode hop, kami menambahkan modulasi gelombang gigi gergaji (0,02 Hz, 40 mA) ke arus penggerak DC pada chip QCL dengan galvanometer pada sudut tetap. Penyetelan panjang gelombang dengan modulasi gelombang gigi gergaji ditunjukkan pada Gambar 5b. Dalam satu periode, panjang gelombang disetel dengan mulus ke bilangan gelombang yang lebih rendah, yang dapat mengimbangi 0,5 cm
−1
mode melompat. Namun, perlu dicatat bahwa penyetelan panjang gelombang tidak linier dalam satu periode, yang dikaitkan dengan fluktuasi suhu heat sink QCL. Panjang gelombang EC-QCL yang diukur dengan penyetelan galvanometer dan modulasi gelombang gigi gergaji ditunjukkan pada Gambar 5c. Dibandingkan dengan Gambar 5a, jarak hop mode telah berkurang menjadi kurang dari 0,2 cm
−1
.
a Panjang gelombang EC-QCL terukur dengan tegangan galvanometer 20 mV dan frekuensi penyetelan 0,02 Hz. Lompatan mode sekitar 0,5 cm
−1
. b Penyetelan panjang gelombang EC-QCL terukur dengan modulasi gelombang gigi gergaji (0,02 Hz, 40 mA), yang dapat mengimbangi 0,5 cm
−1
mode melompat. c Panjang gelombang EC-QCL yang diukur dengan penyetelan galvanometer dan modulasi gelombang gigi gergaji
Kesimpulan
Singkatnya, kami telah merancang EC-QCL dengan panjang gelombang sapuan cepat dan menyelidiki kinerjanya, termasuk pemilihan mode tunggal, rentang penyetelan, dan daya keluaran. Teknik FTIR pemindaian langkah yang diselesaikan dengan waktu dan penganalisis spektrum laser diterapkan untuk mengukur rentang penyetelan dan resolusi spektral. EC-QCL dapat berulang kali menyapu pada 100 Hz pada rentang penyetelan penuh 135 cm
−1
(sekitar 290 nm) dengan resolusi pemindaian < 0.2 cm
−1
, yang dapat dicapai dengan modulasi gelombang gigi gergaji. Ambang CW EC-QCL serendah 250 mA dengan daya maksimum 20,8 mW. Konsumsi daya yang rendah dan karakteristik panjang gelombang sapuan yang cepat dari perangkat ini dapat menjadikannya sumber cahaya yang menjanjikan untuk aplikasi sensor jejak gas.
