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中红外量子级联激光器覆盖更宽光谱
录入时间:2016/9/8 10:39:20

 

 

/John Wallace

 

 

量子级联激光器(QCL)是人类智慧的证明,通过一种创新的方式将物质结构化(包含数百层重复顺序材料的超晶格,形成一系列多量子阱异质结构),从而克服了看似不可改变的材料属性(激光波长由体材料组分决定)。不像普通的半导体激光器中在p-n结处激发电子与空穴复合产生的单光子,QCL中的电子使得一个频带内的量化子带之间产生无数的子带间跃迁,从而形成光子级联。通过调节QCL中超晶格的属性,就能调谐发射波长。需要注意的是:带间级联激光器(ICL)与QCL有些相似,它通过带间跃迁而不是子带间跃迁产生光子,ICL本身也很有趣,但本文不做讨论。

 

QCL是当今最常用的中红外(mid-IR)激光器之一(也是太赫兹辐射领域的潜力光源),因为它远比像光参量振荡器(OPO)和光参量放大器(OPA)这些中红外光源更紧凑、更坚固。因此,对于那些在IR分子指纹光谱区使用的光谱仪器,以及表1中列出的许多其他应用而言,QCL是最为合适的光源。如果需要的话,这类仪器可以做成小型、电池供电且耐用的仪器,可在野外使用。

 

1:中红外应用案例和需要的激光源

 

中红外应用跨越多个市场,包括科学研究、生命科学、工业过程控制、环境监测,以及国防和安全。美国Daylight Solutions公司科学产品总监Leigh Bromley说,这促进了QCL和基于QCL的仪器的产生。中红外应用多样化的本质,包括从敏感分子的探测与成像,到保护飞机免受导弹攻击等,正促使市场对各种中红外激光系统的需求。

 

范围与灵活性

Bromley指出,QCL的灵活性使得它们非常适用于多种用途。QCL的灵活性包括中心波长从小于4μm到大于12μm,能够适应脉冲或连续波(CW)操作,可获得超过500cm-1范围调谐的宽增益带宽芯片,以及功率可以放大至数瓦。

 

归功于不断进步的QCL芯片设计,单个QCL的调谐范围在过去几年中迅速增加。今天,一些QCL通常可以提供超过500cm-1、或者大于中心波长30%的调谐范围。”Bromley说,然而,许多应用对更广泛调谐范围的持续渴求,已经在推动多QCL激光架构的发展。

 

他指出,Daylight Solutions公司的MIRcat就采用了多QCL架构,其在一个密封激光头中集成了多达四个可调谐QCL模块。所有QCL光路的良好光机设计和共轴轴线校准,确保了单个高度准直的输出光束(见图1)。MIRcat可以提供脉冲和/CW运行;峰值或平均输出功率高达约1W;相对强度噪声(RIN)低至-145dBc/Hz;中红外调谐范围至>900cm-1(或者>6000nm)。

1:用于进行IED探测研究的实验装置中,Daylight Solutions公司的MIRcat QCL(右上)被用作激光源。[1,2]

 

Bromley介绍说,MIRcat QCL位于该公司红外显微镜平台的核心部分,该显微镜平台结合了多QCL激光源和IR照相机,可以实现视频速率离散频率,以及进行生物组织、聚合物和半导体材料的高光谱中红外成像,结合了用于高刷新率快速扫描激光引擎的分子传​​感器,以及多品种分子探测

 

美国Block Engineering公司生产紧凑、密封封装的脉冲外腔QCL(见图2),用作该公司仪器内的引擎,其中包括开放路径气体传感系统LaserWarn Detector,用于保护重要设施免受化学品的侵蚀或防止有毒物品泄漏,Block Engineering公司CEO Petro Kotidis说。

 

 

2:(aLaserTuneBlock Engineering生产的一款封装好的QCL,它是该公司的LaserWarn“触发式报警装置开放路径气体传感系统(b)的光源。

 

Kotidis称,LaserTune QCL可以在扫频模式或在5.4~12.8μm范围内任意选定的波长下运行。该范围内的调谐能在小于40ms的时间内完成,光谱分辨率约1~2cm-1。该系统具有优于1mrad的光束指向稳定性,脉冲频率高达3MHz,脉宽3~300ns

 

QCL可以与外部探测器(同样由Block公司生产)组合,以创建用于IR分析和光谱评估的实验室工具,或者可以与采样和气体或液体流动池集成,用于加工、工业和环境应用。Kotidis列出的LaserTune的主要应用包括:红外显微(其中,微型样品的分析是通过在衍射极限尺寸下对目标成像而实现的)、光纤耦合和原子力显微,这利用的是发射器的宽光谱覆盖范围和快速光谱扫描能力。

 

单独的QCL激光器

 

QCL既可以如上文所述以模块形式提供,用于在野外应用中实现长寿命和耐用性,也可用于其他形式的实验中。除了密封和准直的QCL模块外,QCL还能以其他形式提供,如瑞士Alpes Lasers公司提供的裸芯片QCL(未焊接、未连接)、板载芯片(焊接在基座上),以及可更换激光器的实验室外壳。

 

最新版本包含一个温度能达到-30℃的珀尔帖冷却器,镀有抗反射硒化锌窗口,在3.5~12μm之间具有高透射率,用于各种脉冲或CW QCL板载芯片;此外还包含一个温度传感器(须对封装采用外部空气冷却或水冷,移除珀尔帖冷却器的热量)。Alpes公司还生产价格低廉的脉冲QCL,其采用尺寸仅为38.8mm×25.4mm×20.5mmTO-3 can封装形式。

 

英国Stratium公司生产的Bruar,是一款安装在基板上的脉冲QCL芯片,峰值功率50mW,能够发射2.8μm3.3μm10.0μm的几种波长,设计用于气体传感、精密计量和光谱学应用,能够精确探测甲烷(CH4)、氯化氢(HCL)、甲醛(CH2O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、一氧化氮(NO)以及其他痕量气体。

 

美国AdTech Optics公司生产分布反馈(DFB)式基座上芯片QCL,波长非可调谐,常备波长有4.34μm4.54μm4.58μm4.72μm5.26μm6.23μm7.83μm9.47μm10.26μm,也能够根据要求​​定制设计和制造其他波长。AdTech公司的QCL所能提供的波长范围,与密闭封装或TO-3 can封装以及VHL封装(小外壳,顶部有个窗口用于传输QCL发射的未准直光)的QCL所提供的波长相似。

 

美国Thorlabs公司生产法布里-珀罗腔QCLDFB QCL。,法布里-珀罗腔QCL具有适用于医疗成像、照明和显微应用的宽带输出;DFB QCL具有更窄的输出波段,并且还能在窄频率范围内调谐。采用金属C-mount封装的产品,只有6.4mm×4.3mm×7.9mm这种尺寸,激光器与C-mount电气隔离。这些QCL在使用上非常灵活,如果客户需要,Thorlabs公司也提供安装座、驱动器和温度控制。由于QCL没有内置监控光电二极管,它们必须在恒电流模式下运行。

 

内置到模块中适用于野外应用的QCL,通常能够抵御一定的恶劣环境,但是在实验室中使用的QCL,必须妥善处理以免造成损坏。Thorlabs建议避免静电电击和焊接烟雾,以及尘埃和其他微粒,实验室QCL应该与合适的电流源配套使用,并且需要配备实现温度管理功能的硬件。注意还要避免摔碰激光器。

 

许多QCL制造商为QCL提供自产的激光驱动器和温度控制器。美国Wavelength Electronics公司是该领域的专家,提供用于包括QCL在内的一系列激光器的驱动器、温度控制设备和其他配件。在一个案例中,该公司生产不同形式的QCL2000 2A QCL驱动器,包括带有显示器和旋钮的实验室仪器版本,以及带有散热片的小得多的密封盒(见图3)。两种版本都可以与计算机联网,实现自动控制和监视。

 

 

3Wavelength Electronics公司生产的QCL2000 2A QCL驱动器,可提供实验室版本(a)和用于集成到系统中的小型密封盒版本(b)。

 

基于QCL的即用系统

正如前面提到的,一些QCL公司将自产的QCL集成到光谱仪和其他仪器中,用于科学、工业和国防应用。例如,上文介绍的Daylight Solutions公司的MIRcat QCL,其脉冲版本已被集成到该公司的Spero成像显微镜中。Bromley介绍说,Spero设计用于测量高清红外成像和光谱数据,用于识别和定量分析分子、化合物的化学成分和包含不同成分的样品。

 

有别于基于FTIR(傅立叶变换红外)的显微镜系统采用的低亮度非相干热源需要冗长扫描以建立光谱和图像,MIRcat激光器的高输出功率和亮度,允许使用大画幅、室温微测辐射热计相机。”Bromley说,使用这些相机能够实现视频速率离散频率成像。同样地,可以通过以分立波长步长调谐MIRcat,迅速构建高光谱数据立方体,并在每个波长记录中红外图像。实时成像的能力,以及根据中红外光谱响应(化学成分)解析图像内容,正将图像分析吞吐量和对红外显微的化学特异性带到新水平,并为如组织病理学和癌症诊断之类的领域带来新的、改变游戏规则的能力。

 

Block Engineering公司的LaserWarn开放路径气体传感系统,采用人眼安全、的不可见光QCL,创造了针对有威胁的气态化学物的触发式报警装置Kotidis说。该传感系统的覆盖距离长达2~3km,当在保护区域内任何地方,有危险化学品穿越触发式报警装置时,系统便会在不到一秒钟的时间内报警。

 

该系统提供目前可达到的最敏感化学探测能力,并且能以24/7的连续模式在室内或室外工作,无需耗材。”Kotidis解释道,这款产品的商业应用案例包括:监控工厂排放以便进行更好的过程控制,减少环境污染,并符合环境排放要求。政府和安全应用的例子包括:保护交通枢纽、使馆、政府设施和前线作战军事基地免授化学攻击。

 

Kotidis补充说,使这种应用成为可能的QCL性能包括:超宽可调谐性,这确保了利用少数几台激光器探测大量化学品的能力;QCL横跨中红外波段的亚秒级扫描,提供实时探测;能够无耗材工作,这是在偏远地区持续运行所必不可少的要求。

 

展望未来

 

量子级联激光器有着光明的未来,这种未来的景象之一正在美国Pendar Technologies公司呈现,该公司已开发了包含许多不同波长QCL的单芯片。

 

“QCL阵列继续发展,作为集成到最现代和最紧凑传感器中的潜在改变游戏规则的解决方案,” Pendar公司化学分析和安全事业部副总裁Mark Witinski说, 目前的前沿包括扩展波长覆盖,以适应IR的更宽部分;便于坚固集成的整体化和小型化光束合束技术​​;以及定制电子元件,足够紧凑用于新仪器,但也足够强大以恰当地驱动电光效率相当低的QCL

 

Pendar Technologies公司目前正在开发一款单电子调谐QCL阵列,覆盖从6.7~11μm的整个长波红外区。一旦完成,它将支撑该公司将于2017年推出的天然气和凝聚相便携式检测平台。

 

参考文献

1. C. A. Kendziora et al., "Broadband infrared imaging spectroscopy for standoff detection of trace explosives," Proc. SPIE, 9836, 98362G (May 25, 2016); doi:10.1117/12.2224049.

2. R. Furstenberg et al., Appl. Phys. Lett., 93, 224103 (2008).


 

 

 


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