Разработка и юстировка квантового каскадного лазера

Язык труда и переводы:
УДК:
681.7
Дата публикации:
19 ноября 2022, 23:02
Категория:
Фундаментальные проблемы создания новой техники
Авторы
Дёмкин Павел Павлович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Анфимов Дмитрий Романович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Голяк Игорь Семенович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Голяк Илья Семенович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Гылка Роман Андреевич
ЦПФ МГТУ им. НЭ. Баумана
Карпов Иван Александрович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Морозов Андрей Николаевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Фуфурин Игорь Леонидович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Разработка новых лазеров для исследования веществ в окружающей среде, в частности диагностики выдыхаемого человеком воздуха, является одной из важных задач развития лазерной спектроскопии. Для исследования многокомпонентных смесей представляется перспективным анализ ИК спектров, полученных с использованием широкополосных квантово-каскадных лазеров. Рассмотрена разработка перестраиваемого квантово-каскадных лазеров.
Ключевые слова:
ИК-спектрометрия, приборные устройства, квантово-каскадный лазер, разработка и проектирование
Основной текст труда

Квантово-каскадные лазеры (ККЛ) являются полупроводниковыми лазерами, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне [1]. В отличие от типичных полупроводниковых лазеров, которые излучают свет путем рекомбинации пар электрон-дырка через энергетический разрыв между материалами, ККЛ однополярные, а лазерная эмиссия достигается за счет перехода между энергетическими уровнями в сетки квантов [2].

Созданный научным коллективом ККЛ основан на чипе Alpes Lasers sb12746, основные характеристики чипа указаны приведены ниже:

  • резонатор — ячейка Фабри — Перо;
  • длина 3,0 мм;
  • ширина 22 мкм ;
  • сопротивление 141 Ом;
  • ширина спектральной линии 1 1 см–1;
  • диапазон перестройки  850...1040 см–1;
  • ширина импульса 300 нс;
  • частота следования импульсов 100 кГц.

Схема квантово-каскадной усиливающей среды приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема квантово-каскадной усиливающей среды для чипа Alpes Lasers sb12746

Чип расположен на охлаждаемой платформе с двумя закрепленными на ней инфракрасными асферическими коллимирующими линзами (рис. 2.). Данные линзы предназначены для формирования пучка лазера, и они имеют фокусное расстояние 0,7 мм.

Рис. 2. Расположение чипа Alpes Lasers sb12746  на платформе: а — 3D-модель платформы с обозначенными основными элементами; б — фотография платформы в экспериментальной сборке

Хотя квантово-каскадная усиливающая среда может использоваться для получения некогерентного света в суперлюминесцентной конфигурации, чаще всего она используется в сочетании с оптическим резонатором для формирования лазера [3].

Для формирования перестройки ККЛ используем схему с внешним резонатором в конфигурации Литтроу (рис. 3) [4]. В ней используется дифракционная решетка, чтобы выделить одельные длины волн в дипазоне (см. основные характеристики чипа Alpes Lasers sb12746). Основные характеристики дифракционной решетки приведены ниже:

  • угол клина решетки 35°;
  • оптимальный эффективный диапазон 9,0...11,0 мкм;
  • количество клиньев 150;
  • дисперсия 4,2 нм/мрад;
  • допуски по размерам ±0,5 мм.
Рис. 3. Схема резонатора в конфигурации Литтроу: а — схема внешнего резонатора в конфигурации Литтроу; б — 3D-модель конфигурации Литроу в сборке прибора; 1 — дифркционная решетка; 2 — квантово-каскадный лазер ; 3 — линзы

Для вращения дифракционной решетки использован поворотный двигатель Xeryon XRT-U 30. Основные характеристики поворотного двигателя приведены ниже:

  • разрешение энкодера 109 мкрад;
  • тип энкодераоптический;
  • точность позиционирования двигателя ± 0,017 %;
  • минимальный угол поворота двигателя 125 мкрад;
  • максимальная скорость двигателя 720 град/с;
  • минимальная скорость двигателя 0,008 град/с.

При температуре 25° с помощью ИК-Фурье-спектрометра был получен спектр излучения, перестраиваемого ККЛ (рис. 4). 

Рис. 4. Спектр перестройки квантово-каскадного лазера

Полученный результат показывает, что разработанный ККЛ можно использовать как источник излучения в диапазоне от 850 до 1040 см–1. Наибольшая относительная погрешность интенсивности излучения равна 3,9 %.

Грант
Работа выполнена в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 13 мая 2021 г. № 729
Литература
  1. Faist J., Capasso F., Sivco D.L., Sirtori C., Hutchinson A.L., Cho A.Y. Quantum cascade laser. Science, 1994, vol. 264, iss. 5158, pp. 553–556. DOI: https://doi.org/10.1126/science.264.5158.553
  2. Казаринов Р.Ф., Сурис Р.А. О возможности усиления электромагнитных волн в полупроводниках со сверхрешеткой. Физика и техника полупроводников, 1971, т. 5, вып. 4, с. 797–800.
  3. Zibik E., Ng W., Revin D., Wilson L., Cockburn J., Groom K., Hopkinson M. Broadband 6 μm < λ < 8 μm superluminescent quantum cascade light-emitting diodes. Applied Physics Letters, 2006, vol. 88, iss. 12, art. no. 121109. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2188371
  4. Maulini R., Beck M., Faist J., Gini E. Broadband tuning of external cavity bound-to-continuum quantum-cascade lasers. Applied Physics Letters, 2004, vol. 84, iss. 10, art. no. 1659. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1667609
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.