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).
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
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.
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
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.