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      中紅外量子級聯激光器覆蓋更寬光譜

      時間:2017-02-05人氣: 作者: 鐳屏科技

      導讀: 量子級聯激光器(QCL)是人類智慧的證明,通過一種創新的方式將物質結構化(包含數百層重復順序材料的超晶格,形成一系列多量子阱異質結構),從而克服了看似不可改變的材料屬性


      量子級聯激光器(QCL)是人類智慧的證明,通過一種創新的方式將物質結構化(包含數百層重復順序材料的超晶格,形成一系列多量子阱異質結構),從而克服了看似不可改變的材料屬性(激光波長由體材料組分決定)。不像普通的半導體激光器中在p-n結處激發電子與空穴復合產生的單光子,QCL中的電子使得一個頻帶內的量化子帶之間產生無數的子帶間躍遷,從而形成光子“級聯”。通過調節QCL中超晶格的屬性,就能調諧發射波長。需要注意的是:帶間級聯激光器(ICL)與QCL有些相似,它通過帶間躍遷而不是子帶間躍遷產生光子,ICL本身也很有趣,但本文不做討論。

      QCL是當今最常用的中紅外(mid-IR)激光器之一(也是太赫茲輻射領域的潛力光源),因為它遠比像光參量振蕩器(OPO)和光參量放大器(OPA)這些中紅外光源更緊湊、更堅固。因此,對于那些在IR分子“指紋”光譜區使用的光譜儀器,以及表1中列出的許多其他應用而言,QCL是最為合適的光源。如果需要的話,這類儀器可以做成小型、電池供電且耐用的儀器,可在野外使用。

       

       

       

      表1:中紅外應用案例和需要的激光源

      “中紅外應用跨越多個市場,包括科學研究、生命科學、工業過程控制、環境監測,以及國防和安全。”美國Daylight Solutions公司科學產品總監Leigh Bromley說,這促進了QCL和基于QCL的儀器的產生。“中紅外應用多樣化的本質,包括從敏感分子的探測與成像,到保護飛機免受導彈攻擊等,正促使市場對各種中紅外激光系統的需求。”

      范圍與靈活性

      Bromley指出,QCL的靈活性使得它們非常適用于多種用途。QCL的靈活性包括中心波長從小于4μm到大于12μm,能夠適應脈沖或連續波(CW)操作,可獲得超過500cm-1范圍調諧的寬增益帶寬芯片,以及功率可以放大至數瓦。

      歸功于不斷進步的QCL芯片設計,單個QCL的調諧范圍在過去幾年中迅速增加。“今天,一些QCL通??梢蕴峁┏^500cm-1、或者大于中心波長30%的調諧范圍。”Bromley說,“然而,許多應用對更廣泛調諧范圍的持續渴求,已經在推動多QCL激光架構的發展。”

      他指出,Daylight Solutions公司的MIRcat就采用了多QCL架構,其在一個密封激光頭中集成了多達四個可調諧QCL模塊。所有QCL光路的良好光機設計和共軸軸線校準,確保了單個高度準直的輸出光束(見圖1)。MIRcat可以提供脈沖和/或CW運行;峰值或平均輸出功率高達約1W;相對強度噪聲(RIN)低至-145dBc/Hz;中紅外調諧范圍至>900cm-1(或者>6000nm)。

       

       

       

      圖1:用于進行IED探測研究的實驗裝置中,Daylight Solutions公司的MIRcat QCL(右上)被用作激光源。[1,2]

      Bromley介紹說,MIRcat QCL位于該公司紅外顯微鏡平臺的核心部分,該顯微鏡平臺結合了多QCL激光源和IR照相機,可以實現視頻速率離散頻率,以及進行生物組織、聚合物和半導體材料的高光譜中紅外成像,結合了用于高刷新率快速掃描激光引擎的分子傳感器,以及多品種分子探測。

      美國Block Engineering公司生產緊湊、密封封裝的脈沖外腔QCL(見圖2),用作該公司儀器內的“引擎”,其中包括開放路徑氣體傳感系統LaserWarn Detector,用于保護重要設施免受化學品的侵蝕或防止有毒物品泄漏,Block Engineering公司CEO Petro Kotidis說。

       

       

       

      圖2:(a)LaserTune是Block Engineering生產的一款封裝好的QCL,它是該公司的LaserWarn“觸發式報警裝置”開放路徑氣體傳感系統(b)的光源。

      Kotidis稱,LaserTune QCL可以在掃頻模式或在5.4~12.8μm范圍內任意選定的波長下運行。該范圍內的調諧能在小于40ms的時間內完成,光譜分辨率約1~2cm-1。該系統具有優于1mrad的光束指向穩定性,脈沖頻率高達3MHz,脈寬3~300ns。

      QCL可以與外部探測器(同樣由Block公司生產)組合,以創建用于IR分析和光譜評估的實驗室工具,或者可以與采樣和氣體或液體流動池集成,用于加工、工業和環境應用。Kotidis列出的LaserTune的主要應用包括:紅外顯微(其中,微型樣品的分析是通過在衍射極限尺寸下對目標成像而實現的)、光纖耦合和原子力顯微,這利用的是發射器的寬光譜覆蓋范圍和快速光譜掃描能力。

      單獨的QCL激光器

      QCL既可以如上文所述以模塊形式提供,用于在野外應用中實現長壽命和耐用性,也可用于其他形式的實驗中。除了密封和準直的QCL模塊外,QCL還能以其他形式提供,如瑞士Alpes Lasers公司提供的裸芯片QCL(未焊接、未連接)、板載芯片(焊接在基座上),以及可更換激光器的實驗室外殼。

      最新版本包含一個溫度能達到-30℃的珀爾帖冷卻器,鍍有抗反射硒化鋅窗口,在3.5~12μm之間具有高透射率,用于各種脈沖或CW QCL板載芯片;此外還包含一個溫度傳感器(須對封裝采用外部空氣冷卻或水冷,移除珀爾帖冷卻器的熱量)。Alpes公司還生產價格低廉的脈沖QCL,其采用尺寸僅為38.8mm×25.4mm×20.5mm的TO-3 can封裝形式。

      英國Stratium公司生產的Bruar,是一款安裝在基板上的脈沖QCL芯片,峰值功率50mW,能夠發射2.8μm、3.3μm和10.0μm的幾種波長,設計用于氣體傳感、精密計量和光譜學應用,能夠精確探測甲烷(CH4)、氯化氫(HCL)、甲醛(CH2O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、一氧化氮(NO)以及其他痕量氣體。

      美國AdTech Optics公司生產分布反饋(DFB)式基座上芯片QCL,波長非可調諧,常備波長有4.34μm、4.54μm、4.58μm、4.72μm、5.26μm、6.23μm、7.83μm、9.47μm或10.26μm,也能夠根據要求定制設計和制造其他波長。AdTech公司的QCL所能提供的波長范圍,與密閉封裝或TO-3 can封裝以及VHL封裝(小外殼,頂部有個窗口用于傳輸QCL發射的未準直光)的QCL所提供的波長相似。

      美國Thorlabs公司生產法布里-珀羅腔QCL和DFB QCL。,法布里-珀羅腔QCL具有適用于醫療成像、照明和顯微應用的寬帶輸出;DFB QCL具有更窄的輸出波段,并且還能在窄頻率范圍內調諧。采用金屬C-mount封裝的產品,只有6.4mm×4.3mm×7.9mm這種尺寸,激光器與C-mount電氣隔離。這些QCL在使用上非常靈活,如果客戶需要,Thorlabs公司也提供安裝座、驅動器和溫度控制。由于QCL沒有內置監控光電二極管,它們必須在恒電流模式下運行。

      內置到模塊中適用于野外應用的QCL,通常能夠抵御一定的惡劣環境,但是在實驗室中使用的QCL,必須妥善處理以免造成損壞。Thorlabs建議避免靜電電擊和焊接煙霧,以及塵埃和其他微粒,實驗室QCL應該與合適的電流源配套使用,并且需要配備實現溫度管理功能的硬件。注意還要避免摔碰激光器。

      許多QCL制造商為QCL提供自產的激光驅動器和溫度控制器。美國Wavelength Electronics公司是該領域的專家,提供用于包括QCL在內的一系列激光器的驅動器、溫度控制設備和其他配件。在一個案例中,該公司生產不同形式的QCL2000 2A QCL驅動器,包括帶有顯示器和旋鈕的實驗室儀器版本,以及帶有散熱片的小得多的密封盒(見圖3)。兩種版本都可以與計算機聯網,實現自動控制和監視。

       

       

       


      圖3:Wavelength Electronics公司生產的QCL2000 2A QCL驅動器,可提供實驗室版本(a)和用于集成到系統中的小型密封盒版本(b)。

      基于QCL的即用系統

      正如前面提到的,一些QCL公司將自產的QCL集成到光譜儀和其他儀器中,用于科學、工業和國防應用。例如,上文介紹的Daylight Solutions公司的MIRcat QCL,其脈沖版本已被集成到該公司的Spero成像顯微鏡中。Bromley介紹說,Spero設計用于測量高清紅外成像和光譜數據,用于識別和定量分析分子、化合物的化學成分和包含不同成分的樣品。

      “有別于基于FTIR(傅立葉變換紅外)的顯微鏡系統采用的低亮度非相干熱源需要冗長掃描以建立光譜和圖像,MIRcat激光器的高輸出功率和亮度,允許使用大畫幅、室溫微測輻射熱計相機。”Bromley說,“使用這些相機能夠實現視頻速率離散頻率成像。同樣地,可以通過以分立波長步長調諧MIRcat,迅速構建高光譜數據立方體,并在每個波長記錄中紅外圖像。實時成像的能力,以及根據中紅外光譜響應(化學成分)解析圖像內容,正將圖像分析吞吐量和對紅外顯微的化學特異性帶到新水平,并為如組織病理學和癌癥診斷之類的領域帶來新的、改變游戲規則的能力。”

      Block Engineering公司的LaserWarn開放路徑氣體傳感系統,采用人眼安全、的不可見光QCL,創造了針對有威脅的氣態化學物的“觸發式報警裝置”,Kotidis說。該傳感系統的覆蓋距離長達2~3km,當在保護區域內任何地方,有危險化學品穿越“觸發式報警裝置”時,系統便會在不到一秒鐘的時間內報警。

      “該系統提供目前可達到的最敏感化學探測能力,并且能以24/7的連續模式在室內或室外工作,無需耗材。”Kotidis解釋道,“這款產品的商業應用案例包括:監控工廠排放以便進行更好的過程控制,減少環境污染,并符合環境排放要求。政府和安全應用的例子包括:保護交通樞紐、使館、政府設施和前線作戰軍事基地免授化學攻擊。”

      Kotidis補充說,使這種應用成為可能的QCL性能包括:超寬可調諧性,這確保了利用少數幾臺激光器探測大量化學品的能力;QCL橫跨中紅外波段的亞秒級掃描,提供實時探測;能夠無耗材工作,這是在偏遠地區持續運行所必不可少的要求。

      展望未來

      量子級聯激光器有著光明的未來,這種未來的景象之一正在美國Pendar Technologies公司呈現,該公司已開發了包含許多不同波長QCL的單芯片。

      “QCL陣列繼續發展,作為集成到最現代和最緊湊傳感器中的潛在改變游戲規則的解決方案,” Pendar公司化學分析和安全事業部副總裁Mark Witinski說, “目前的前沿包括擴展波長覆蓋,以適應IR的更寬部分;便于堅固集成的整體化和小型化光束合束技術;以及定制電子元件,足夠緊湊用于新儀器,但也足夠強大以恰當地驅動電光效率相當低的QCL。

      Pendar Technologies公司目前正在開發一款單電子調諧QCL陣列,覆蓋從6.7~11μm的整個長波紅外區。一旦完成,它將支撐該公司將于2017年推出的天然氣和凝聚相便攜式檢測平臺。”

       


       

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