Fast Swept-Wavelength, Low Threshold-Current, Continuous-Wave External Cavity Quantum Cascade Laser

Resumo

Apresentamos um laser de cascata quântica de cavidade externa com baixa corrente de limiar e comprimento de onda rápido (EC-QCL) usando um galvanômetro de varredura na geometria da cavidade de Littman-Metcalf. O EC-QCL pode varrer repetidamente a 100 Hz em sua faixa de sintonia completa de cerca de 290 nm (2105 cm ⁻¹ a 2240 cm ⁻¹ ), fornecendo uma taxa de varredura de 59,3 μm s ⁻¹ . A corrente de limiar de onda contínua (CW) do EC-QCL foi tão baixa quanto 250 mA e a potência de saída máxima foi de 20,8 mW a 400 mA para um chip de ganho QCL de 3 mm de comprimento. Com uma modulação de onda dente de serra, uma resolução de varredura de <0,2 cm ⁻¹ pode ser alcançado dentro da faixa de ajuste. O baixo consumo de energia e o comprimento de onda de varredura rápido do EC-QCL serão benéficos para muitas aplicações.

Histórico

A região do infravermelho médio (MIR) do espectro eletromagnético é a região da impressão digital molecular, uma vez que as energias de transição ro-vibracional fundamentais da maioria das moléculas se encontram nesta região espectral. A espectroscopia de absorção a laser na região do MIR é importante para um número diverso de aplicações, como análise médica do hálito, detecção de poluentes atmosféricos e monitoramento de efluentes industriais [1,2,3]. Particularmente, com o rápido desenvolvimento de lasers MIR, o desempenho de instrumentos ópticos baseados no método de espectroscopia foi muito melhorado para fornecer medições rápidas, sensíveis e precisas.

Para a espectroscopia de absorção de laser, é necessário um laser de frequência única ajustável com largura de linha estreita e potência modesta. Lasers em cascata quântica de realimentação distribuída (DFB) (QCLs) [1] são fontes de luz adequadas para essas aplicações por causa de sua largura de linha muito estreita [4], alta potência de saída e operação de onda contínua (CW) em temperatura ambiente. No entanto, um único laser DFB tem um alcance de sintonia muito limitado de alguns cm ⁻¹ (~ 10 cm ⁻¹ ) via ajuste de temperatura lento, o que limita sua utilidade para recursos de absorção de banda larga e detecção de gás multiespécies [5]. Os arrays DFB alcançaram uma capacidade de ajuste impressionante acima de 220 cm ⁻¹ . No entanto, os arranjos DFB precisam de litografia de feixe de elétrons para fabricar diferentes períodos de grade, o que é complexo e caro. Além disso, os arranjos DFB precisam de combinação de feixe de diferentes comprimentos de onda para aplicações de detecção [6, 7].

Lasers de cascata quântica de cavidade externa (EC-QCLs) são amplamente usados como fontes de luz amplamente ajustáveis e confiáveis, que podem fornecer uma faixa de sintonia maior que 300 cm ⁻¹ [8] com varredura lenta por motor de passo. Para o EC-QCL tradicional, o ajuste livre de salto de modo pode ser obtido pelo sistema de rastreamento de modo proposto por Wysocki et al. [9]. A corrente do laser e o comprimento de EC são modulados com rampas de tensão triangulares com correspondência de fase durante o processo de ajuste. No entanto, isso só permite o ajuste sem salto de modo de ~ 1 cm ⁻¹ em qualquer comprimento de onda dentro da faixa de sintonia completa do EC-QCL [10]. Uma alta taxa de sintonização de comprimento de onda EC-QCL é necessária para reduzir o tempo de medição de misturas químicas na fase gasosa. EC-QCLs de varredura rápida foram projetados com sistema micro-eletromecânico intracavitário (MEMS) ou modulador ótico-acústico, que pode varrer> 100 cm ⁻¹ em uma escala de tempo sub-ms [11]. Infelizmente, esses sistemas EC-QCL de varredura rápida têm resoluções espectrais baixas em torno de ~ 1 cm ⁻¹ , o que não é suficiente para as características de absorção estreitas.

Recentemente, uma fonte EC-QCL de comprimento de onda de varredura para medições de características de absorção ampla foi desenvolvida por M.C. Phillips et al. [12, 13]. O comprimento de onda de varredura EC-QCL pode ser ajustado mais de 100 cm ⁻¹ a uma taxa de varredura de 200 Hz com uma potência de saída média de 11 mW no pico da curva de sintonia em 50% do ciclo de trabalho. No entanto, a operação pulsada introduziria o alargamento da linha devido à corrente chirpada. Neste artigo, usamos o galvanômetro de varredura na geometria da cavidade de Littman-Metcalf para realizar um EC-QCL de comprimento de onda de varredura rápido com uma faixa de sintonia de 135 cm ⁻¹ de 2105 a 2240 cm ⁻¹ (4,46-4,75 μm). A corrente de limiar era tão baixa quanto 250 mA em operação CW em temperatura ambiente. A medição resolvida no tempo usando a técnica de infravermelho com transformada de Fourier de varredura em etapas (FTIR) foi realizada para o EC-QCL varrido repetidamente a 100 Hz. Um analisador de espectro a laser foi usado para avaliar a resolução espectral. Com uma modulação de onda dente de serra, uma resolução espectral de <0,2 cm ⁻¹ pode ser alcançado dentro da faixa de ajuste.

Métodos

O sistema EC é baseado na configuração Littman-Metcalf e consiste em três elementos principais, o elemento de ganho, em nosso caso o chip Fabry-Perot (FP) QCL com uma lente de colimação, uma rede de difração e um galvanômetro de varredura, como mostrado na Fig. 1. O núcleo ativo QCL com compensação de deformação compreende 30 períodos com In _0,67 Ga _0,33 Como / Em _0,36 Al _0,64 Assim como poços quânticos e barreiras, respectivamente, semelhantes ao descrito em [14]. Os dispositivos foram processados em uma configuração de heteroestrutura enterrada usando deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD) para a regeneração seletiva de InP dopado com Fe. O chip de ganho FP – QCL com largura de crista de 12 μm e comprimento de 3 mm foi usado para construir o EC-QCL. Revestimento de alta refletividade (HR) consistindo em Al ₂ O ₃ / Ti / Au / Ti / Al ₂ O ₃ (200/10/100/10/120 nm) e revestimento anti-reflexo (AR) de Al ₂ O ₃ / Ge (448/35 nm) foram evaporados na faceta traseira e frontal do chip de ganho, respectivamente. O chip FP – QCL foi montado com a camada de epilação voltada para baixo em um dissipador de calor de SiC com solda de índio, ligado por fio e montado em um suporte contendo um termistor combinado com um resfriador termoelétrico (TEC) para monitorar e ajustar a temperatura do dissipador de calor.

Esquemático da configuração da cavidade externa de Littman-Metcalf

A configuração Littman que usamos consiste em uma lente de colimação com comprimento focal de 6 mm, uma rede de difração com 210 sulcos / mm e um galvanômetro de varredura (Thorlabs, GVS111). Na configuração de Littman, conforme mostrado na Fig. 1, a luz de primeira ordem é difratada no galvanômetro de varredura, em seguida, refletida de volta para o chip FP-QCL pela rede de difração e a luz laser de modo único emitida é extraída através da reflexão de ordem zero de a rede de difração.

A potência óptica e o espectro emitidos pelo EC-QCL foram medidos com um detector de termopilha calibrado e um espectrômetro FTIR, respectivamente. Todas as medições foram feitas com o chip FP – QCL mantido a 25 ° C sob operação cw.

Resultados e discussão

A Figura 2a mostra os espectros cw medidos em diferentes ângulos de varredura do galvanômetro com a corrente de injeção de 330 mA. O pico de emissão muda de 2105 para 2240 cm ⁻¹ girando o galvanômetro com o passo de 0,1 °. A Figura 2b mostra a potência de saída medida e a razão de supressão de modo lateral (SMSR) em diferentes ângulos de galvanômetro de varredura iguais aos da Fig. 2a. Um SMSR acima de 25 dB foi realizado em quase toda a faixa de sintonia. A potência média de saída era de cerca de 8 mW e o perfil de potência de saída era consistente com o espectro de eletroluminescência. A Figura 3 representa as curvas de potência-corrente-tensão (P-I-V) medidas para o EC-QCL na região central a 2180 cm ⁻¹ . A corrente de limiar do EC-QCL era 250 mA, correspondendo a uma densidade de corrente de limiar ( J _th ) de 0,833 kA / cm ² . A potência de saída cw máxima de 20,8 mW foi obtida a 400 mA.

a O espectro de emissão normalizado do EC-QCL medido a 25 ° C em operação cw com a corrente de 330 mA. O espectro adjacente foi medido com o passo de rotação do galvanômetro de 0,1 °. b Potência de saída medida (curva vermelha) e SMSR (ponto preto) do EC-QCL em diferentes ângulos do galvanômetro de varredura

As características P-I-V do EC-QCL na região central em 2180 cm ⁻¹

Caracterização de varredura EC-QCL

Utilizamos um gerador de sinal para gerar uma onda senoidal de 100 Hz. Ao implementar a onda senoidal no galvanômetro de varredura, o comprimento de onda EC-QCL pode ser varrido repetidamente no modo cw com a corrente de 330 mA. A amplitude da onda sinusoidal é de 3 V, que corresponde ao ângulo de sintonia total de 3 °. Para uma demonstração da caracterização de varredura EC-QCL, a medição resolvida no tempo usando a técnica FTIR de varredura em etapas pode ser aplicada. Esta técnica era freqüentemente usada para estudar processos ocorridos repetidamente [15]. Tornamos o sinal gerado sincronizado com o FTIR, e as medições foram realizadas com uma resolução espectral de 0,2 cm ⁻¹ e resolução de tempo de 20 ns. Os picos de emissão resolvidos no tempo foram plotados na Fig. 4. O EC-QCL começou em 2180 cm ⁻¹ em seguida, sintonizando para números de onda mais baixos. Após 1/4 de períodos, o pico de emissão atingiu o número de onda mínimo. O número de onda ajustado de 2105 a 2240 cm ⁻¹ nos próximos semestres. Para a configuração Littman:
$$ \ uplambda =d / {m} ^ {\ ast} \ left (\ mathit {\ sin} \ upalpha + \ mathit {\ sin} \ upbeta \ right) $$ (1)

Os picos de emissão resolvidos no tempo do EC-QCL operaram no modo cw a 330 mA e a modulação do galvanômetro de varredura a 100 Hz

onde λ é o comprimento de onda EC-QCL, d é o período de grade, m é a ordem de difração, e α e β são os ângulos mostrados na Fig. 1. A luz de primeira ordem é refletida para o galvanômetro de varredura e então refletida de volta para o chip FP – QCL. Quando o galvanômetro de varredura gira em um ângulo de θ, a fórmula acima muda para:
$$ \ frac {\ mathrm {d} \ uplambda} {\ mathrm {d} \ mathrm {t}} ={\ mathrm {d}} ^ {\ ast} \ cos \ left (\ upbeta + \ uptheta \ right ) \ ast \ frac {\ mathrm {d} \ uptheta} {\ mathrm {d} \ mathrm {t}} $$ (2)
Em nossa configuração, m =1, β =7,7 °, d =4,76 μm, e o EC-QCL pode operar em um modo de varredura rápida com o galvanômetro de varredura varrido a 100 Hz com a taxa de 12,6 rad / s, fornecendo uma taxa de sintonia de comprimento de onda de 59,3 μm s ⁻¹ .

Usamos um analisador de espectro a laser (Bristol modelo 771) para avaliar a resolução espectral. Devido ao tempo mínimo de resposta de cerca de 0,5 s para o analisador de espectro a laser, reduzimos a frequência do galvanômetro para 0,02 Hz, que pode registrar o ciclo completo de sintonia do comprimento de onda. Conforme mostrado na Fig. 5a, mudando o ângulo do galvanômetro, o comprimento de onda variou descontinuamente e o modo saltou cerca de 0,5 cm ⁻¹ poderiam ser claramente identificados. O salto de modo está principalmente associado aos modos FP do chip QCL devido ao efeito anti-reflexo não ideal do revestimento AR. A fim de reduzir o espaçamento de saltos de modo, adicionamos uma modulação de onda dente de serra (0,02 Hz, 40 mA) à corrente de condução DC no chip QCL com o galvanômetro em um ângulo fixo. O ajuste do comprimento de onda com a modulação de onda dente de serra foi mostrado na Fig. 5b. Em um período, o comprimento de onda é suavemente ajustado para números de onda mais baixos, o que pode compensar 0,5 cm ⁻¹ salto de modo. No entanto, nota-se que o ajuste do comprimento de onda não é linear em um período, o que é atribuído à flutuação da temperatura do dissipador de calor QCL. O comprimento de onda EC-QCL medido com ajuste de galvanômetro e modulação de onda dente de serra foi mostrado na Fig. 5c. Em comparação com a Fig. 5a, o espaçamento do salto do modo diminuiu para menos de 0,2 cm ⁻¹ .

a O comprimento de onda EC-QCL medido com a tensão do galvanômetro de 20 mV e a frequência de ajuste de 0,02 Hz. O salto do modo é de cerca de 0,5 cm ⁻¹ . b O ajuste de comprimento de onda EC-QCL medido com uma modulação de onda dente de serra (0,02 Hz, 40 mA), que pode compensar 0,5 cm ⁻¹ salto de modo. c O comprimento de onda EC-QCL medido com ajuste de galvanômetro e modulação de onda dente de serra

Conclusões

Em resumo, projetamos um EC-QCL de comprimento de onda de varredura rápido e investigamos seu desempenho, incluindo seleção de modo único, faixa de ajuste e potência de saída. A técnica FTIR de varredura por etapas resolvidas no tempo e o analisador de espectro a laser foram aplicados para medir a faixa de sintonia e a resolução espectral. O EC-QCL pode varrer repetidamente a 100 Hz em sua faixa de sintonia completa de 135 cm ⁻¹ (cerca de 290 nm) com uma resolução de varredura de <0,2 cm ⁻¹ , que pode ser alcançado com uma modulação de onda dente de serra. O limite CW do EC-QCL foi tão baixo quanto 250 mA com uma potência máxima de 20,8 mW. O baixo consumo de energia e a característica de comprimento de onda de varredura rápida do dispositivo podem torná-lo uma fonte de luz promissora para aplicações de detecção de gases traço.

Abreviações

AR:: Anti-reflexo
CW:: Onda continua
DFB:: Feedback distribuído
EC-QCL:: Laser de cascata quântica de cavidade externa
FTIR:: Espectrômetro infravermelho com transformada de Fourier
RH:: Alta refletividade
MEMS:: Sistema microeletromecânico
MIR:: Infravermelho médio
MOCVD:: Deposição de vapor químico orgânico de metal
P-I-V:: Potência-corrente-tensão
QCLs:: Lasers em cascata quântica
SMSR:: Proporção de supressão de modo lateral
TEC:: Resfriador termoelétrico

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