Longitud de onda de barrido rápida, corriente de umbral baja, onda continua, cavidad externa, láser cuántico en cascada

Antecedentes

La región del infrarrojo medio (MIR) del espectro electromagnético es la región de la huella dactilar molecular, ya que las energías de transición ro-vibracionales fundamentales de la mayoría de las moléculas se encuentran en esta región espectral. La espectroscopia de absorción láser en la región MIR es importante para un número diverso de aplicaciones, como el análisis médico del aliento, la detección de contaminantes atmosféricos y la monitorización de efluentes industriales [1, 2, 3]. En particular, con el rápido desarrollo de los láseres MIR, el rendimiento de los instrumentos ópticos basados ​​en el método de espectroscopia se ha mejorado enormemente para proporcionar mediciones rápidas, sensibles y precisas.

Para la espectroscopia de absorción láser, se requiere un láser de frecuencia única sintonizable con un ancho de línea estrecho y una potencia moderada. Los láseres en cascada cuántica (QCL) de retroalimentación distribuida (DFB) [1] son ​​fuentes de luz adecuadas para estas aplicaciones debido a su ancho de línea muy estrecho [4], alta potencia de salida y funcionamiento de onda continua (CW) a temperatura ambiente. Sin embargo, un solo láser DFB tiene un rango de sintonización muy limitado de unos pocos cm ⁻¹ (~ 10 cm ⁻¹ ) mediante un ajuste lento de la temperatura, lo que limita su utilidad para las funciones de absorción de banda ancha y la detección de gases de múltiples especies [5]. Los arreglos DFB han logrado una capacidad de sintonización impresionante por encima de 220 cm ⁻¹ . Sin embargo, las matrices DFB necesitan litografía por haz de electrones para fabricar diferentes períodos de rejilla, lo cual es complejo y costoso. Además, las matrices DFB necesitan una combinación de haces de diferentes longitudes de onda para aplicaciones de detección [6, 7].

Los láseres de cascada cuántica de cavidad externa (EC-QCL) se utilizan ampliamente como fuentes de luz confiables y ampliamente sintonizables, que pueden proporcionar un rango de sintonización superior a 300 cm ⁻¹ [8] con escaneo lento por motor paso a paso. Para EC-QCL tradicional, la sintonización libre de salto de modo se puede lograr mediante el sistema de seguimiento de modo propuesto por Wysocki et al. [9]. La corriente del láser y la longitud de EC se modulan con rampas de voltaje triangulares emparejadas en fase durante el proceso de sintonización. Sin embargo, esto solo permite un ajuste sin salto de modo de ~ 1 cm ⁻¹ en cualquier longitud de onda dentro del rango de sintonización completo del EC-QCL [10]. Se necesita una tasa de sintonización de longitud de onda alta EC-QCL para reducir el tiempo de medición de mezclas químicas en la fase gaseosa. Los EC-QCL de barrido rápido se han diseñado con un sistema microeletromecánico intracavitario (MEMS) o un modulador acústico-óptico, que puede barrer> 100 cm ⁻¹ en una escala de tiempo inferior a ms [11]. Desafortunadamente, estos sistemas EC-QCL de barrido rápido tienen bajas resoluciones espectrales alrededor de ~ 1 cm ⁻¹ , que no es suficiente para las características de absorción estrechas.

Recientemente, M.C. desarrolló una fuente EC-QCL de longitud de onda de barrido para mediciones de características de absorción amplias. Phillips y col. [12, 13]. El EC-QCL de longitud de onda barrida se puede sintonizar más de 100 cm ⁻¹ a una tasa de barrido de 200 Hz con una potencia de salida promedio de 11 mW en el pico de la curva de sintonía al 50% del ciclo de trabajo. Sin embargo, la operación pulsada introduciría un ensanchamiento de línea debido a la corriente de chirrido. En este artículo, utilizamos el galvanómetro de barrido en la geometría de la cavidad de Littman-Metcalf para realizar un EC-QCL de longitud de onda de barrido rápido con un rango de sintonización de 135 cm ⁻¹ de 2105 a 2240 cm ⁻¹ (4,46–4,75 μm). El umbral de corriente era tan bajo como 250 mA en funcionamiento CW a temperatura ambiente. Se realizó una medición resuelta en el tiempo utilizando la técnica de infrarrojos por transformada de Fourier de barrido por pasos (FTIR) para el EC-QCL barrido repetidamente a 100 Hz. Se utilizó un analizador de espectro láser para evaluar la resolución espectral. Con una modulación de onda de diente de sierra, una resolución espectral de <0,2 cm ⁻¹ se puede lograr dentro del rango de sintonización.

Métodos

El sistema EC se basa en la configuración Littman-Metcalf y consta de tres elementos principales, el elemento de ganancia, en nuestro caso el chip QCL de Fabry-Perot (FP) con una lente de colimación, una rejilla de difracción y un galvanómetro de barrido, como como se muestra en la Fig. 1. El núcleo activo QCL compensado por deformación comprende 30 períodos con In _0.67 Ga _0,33 Como / en _0.36 Al _0,64 Como pozos cuánticos y barreras, respectivamente, similar al descrito en [14]. Los dispositivos se procesaron en una configuración de heteroestructura enterrada utilizando deposición de vapor químico metal-orgánico (MOCVD) para el recrecimiento selectivo de InP dopado con Fe. El chip de ganancia FP-QCL con un ancho de cresta de 12 μm y una longitud de 3 mm se utilizó para construir el EC-QCL. Recubrimiento de alta reflectividad (HR) que consiste en Al ₂ O ₃ / Ti / Au / Ti / Al ₂ O ₃ (200/10/100/10/120 nm) y revestimiento antirreflectante (AR) de Al ₂ O ₃ / Ge (448/35 nm) se evaporaron en la cara posterior y la cara frontal del chip de ganancia, respectivamente. El chip FP-QCL se montó con la depiladora hacia abajo en un disipador de calor de SiC con soldadura de indio, se unió con alambre y luego se montó en un soporte que contenía un termistor combinado con un enfriador termoeléctrico (TEC) para monitorear y ajustar la temperatura del disipador de calor.

Esquema de la configuración de la cavidad externa Littman-Metcalf

La configuración Littman que usamos consiste en una lente colimadora con una distancia focal de 6 mm, una rejilla de difracción con 210 ranuras / mm y un galvanómetro de barrido (Thorlabs, GVS111). En la configuración de Littman, como se muestra en la Fig.1, la luz de primer orden se difracta en el galvanómetro de barrido y luego se refleja de nuevo en el chip FP-QCL por la rejilla de difracción y la luz láser monomodo emitida se extrae a través de la reflexión de orden cero desde la rejilla de difracción.

La potencia óptica emitida y el espectro del EC-QCL se midieron con un detector de termopila calibrado y un espectrómetro FTIR, respectivamente. Todas las mediciones se tomaron con el chip FP-QCL mantenido a 25 ° C en operación cw.

Resultados y discusión

La Figura 2a muestra los espectros de onda continua medidos en diferentes ángulos del galvanómetro de barrido con la corriente de inyección de 330 mA. El pico de emisión cambia de 2105 a 2240 cm ⁻¹ girando el galvanómetro con el paso de 0,1 °. La Figura 2b muestra la potencia de salida medida y la relación de supresión de modo lateral (SMSR) en diferentes ángulos de galvanómetro de barrido iguales a los de la Figura 2a. Se realizó un SMSR por encima de 25 dB en casi todo el rango de sintonización. La potencia de salida promedio fue de aproximadamente 8 mW y el perfil de potencia de salida fue consistente con el espectro de electroluminiscencia. La Figura 3 muestra las curvas de potencia-corriente-voltaje (P-I-V) medidas para el EC-QCL en la región central a 2180 cm ⁻¹ . El umbral de corriente del EC-QCL era 250 mA, correspondiente a un umbral de densidad de corriente ( J _th ) de 0,833 kA / cm ² . La potencia de salida máxima de cw de 20,8 mW se obtuvo a 400 mA.

un Los espectros de emisión normalizados del EC-QCL medidos a 25 ° C en operación cw con la corriente de 330 mA. El espectro adyacente se midió con el paso de rotación del galvanómetro de 0,1 °. b Potencia de salida medida (curva roja) y SMSR (punto negro) del EC-QCL en diferentes ángulos del galvanómetro de barrido

Las características P-I-V del EC-QCL en la región central a 2180 cm ⁻¹

Caracterización de escaneo EC-QCL

Utilizamos un generador de señales para generar una onda sinusoidal de 100 Hz. Al implementar la onda sinusoidal en el galvanómetro de barrido, la longitud de onda EC-QCL se puede barrer repetidamente en modo cw con la corriente de 330 mA. La amplitud de la onda sinusoidal es de 3 V, que corresponde al ángulo de sintonización total de 3 °. Para una demostración de la caracterización de escaneo EC-QCL, se puede aplicar la medición resuelta en el tiempo usando la técnica FTIR de escaneo por pasos. Esta técnica se utilizó a menudo para estudiar procesos repetidos [15]. Realizamos la señal generada sincronizada con el FTIR, y las medidas se realizaron con una resolución espectral de 0,2 cm ⁻¹ y resolución de tiempo de 20 ns. Los picos de emisión resueltos en el tiempo se representaron en la Fig. 4. El EC-QCL comenzó en 2180 cm ⁻¹ luego sintonizando hacia números de onda más bajos. Después de 1/4 de período, el pico de emisión alcanzó el número de onda mínimo. El número de onda sintonizado de 2105 a 2240 cm ⁻¹ en los siguientes medios periodos. Para la configuración de Littman:

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

Los picos de emisión resueltos en el tiempo del EC-QCL operaron en modo cw a 330 mA y la modulación del galvanómetro de barrido a 100 Hz

donde λ es la longitud de onda EC-QCL, d es el período de rejilla, m es el orden de difracción, y α y β son los ángulos que se muestran en la Fig. 1. La luz de primer orden se refleja en el galvanómetro de barrido y luego se refleja de nuevo en el chip FP-QCL. Cuando el galvanómetro de barrido gira un ángulo de θ, la fórmula anterior se convierte en:

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

En nuestra configuración, m =1, β =7,7 °, d =4,76 μm, y el EC-QCL puede funcionar en modo de barrido rápido con el galvanómetro de barrido barrido a 100 Hz con una frecuencia de 12,6 rad / s, lo que proporciona una frecuencia de sintonización de longitud de onda de 59,3 μm s ⁻¹ .

Utilizamos un analizador de espectro láser (Bristol Modelo 771) para evaluar la resolución espectral. Debido al tiempo de respuesta mínimo de aproximadamente 0,5 s para el analizador de espectro láser, redujimos la frecuencia del galvanómetro a 0,02 Hz, que puede registrar el ciclo completo de sintonización de longitud de onda. Como se muestra en la Fig. 5a, al cambiar el ángulo del galvanómetro, la longitud de onda variaba de manera discontinua y el modo saltaba alrededor de 0,5 cm ⁻¹ podría identificarse claramente. El salto de modo se asocia principalmente con los modos FP del chip QCL debido al efecto antirreflectante no ideal del revestimiento AR. Para reducir el espaciado de los saltos de modo, agregamos una modulación de onda de diente de sierra (0.02 Hz, 40 mA) a la corriente de conducción de CC en el chip QCL con el galvanómetro en un ángulo fijo. La sintonización de la longitud de onda con la modulación de la onda de diente de sierra se muestra en la Fig. 5b. En un período, la longitud de onda se ajusta suavemente a números de onda más bajos, lo que puede compensar los 0,5 cm ⁻¹ salto de modo. Sin embargo, se observa que el ajuste de la longitud de onda no es lineal en un período, lo que se atribuye a la fluctuación de temperatura del disipador de calor QCL. La longitud de onda de EC-QCL medida con la sintonización del galvanómetro y la modulación de la onda de diente de sierra se muestra en la Fig. 5c. En comparación con la Fig. 5a, el espaciado de los saltos de modo ha disminuido a menos de 0,2 cm ⁻¹ .

un La longitud de onda de EC-QCL medida con el voltaje del galvanómetro de 20 mV y la frecuencia de sintonización de 0.02 Hz. El salto de modo es de aproximadamente 0,5 cm ⁻¹ . b El ajuste de longitud de onda EC-QCL medido con una modulación de onda de diente de sierra (0,02 Hz, 40 mA), que puede compensar los 0,5 cm ⁻¹ salto de modo. c La longitud de onda EC-QCL medida con sintonización de galvanómetro y modulación de onda de diente de sierra

Conclusiones

En resumen, hemos diseñado un EC-QCL de longitud de onda de barrido rápido e investigado su rendimiento, incluida la selección de modo único, el rango de sintonización y la potencia de salida. Se aplicaron la técnica FTIR de escaneo por pasos de resolución temporal y el analizador de espectro láser para medir el rango de sintonización y la resolución espectral. El EC-QCL podía barrer repetidamente a 100 Hz en su rango de sintonización completo de 135 cm ⁻¹ (aproximadamente 290 nm) con una resolución de escaneo de <0,2 cm ⁻¹ , que se puede lograr con una modulación de onda de diente de sierra. El umbral de CW del EC-QCL era tan bajo como 250 mA con una potencia máxima de 20,8 mW. El bajo consumo de energía y la característica de longitud de onda de barrido rápido del dispositivo podrían convertirlo en una fuente de luz prometedora para aplicaciones de detección de gases traza.

Abreviaturas

AR:

Antirreflejos

CW:

Onda continua

DFB:

Comentarios distribuidos

EC-QCL:

Láser de cascada cuántica de cavidad externa

FTIR:

Espectrómetro de infrarrojos por transformada de Fourier

HR:

Alta reflectividad

MEMS:

Sistema microeletromecánico

MIR:

Infrarrojo medio

MOCVD:

Deposición de vapor químico metalorgánico

P-I-V:

Potencia-corriente-voltaje

QCL:

Láseres de cascada cuántica

SMSR:

Relación de supresión de modo lateral

TEC:

Nevera termoeléctrica

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