快速扫描波长、低阈值电流、连续波外腔量子级联激光器

背景

电磁光谱的中红外 (MIR) 区域是分子指纹区域，因为大多数分子的基本旋转振动跃迁能量位于该光谱区域。中红外区域的激光吸收光谱对于多种应用非常重要，例如医疗呼吸分析、大气污染物传感和工业废水监测 [1,2,3]。特别是随着中红外激光器的快速发展，基于光谱法的光学仪器性能得到了极大的提升，可以提供快速、灵敏、准确的测量。

对于激光吸收光谱，需要具有窄线宽和适度功率的可调谐单频激光器。分布式反馈 (DFB) 量子级联激光器 (QCL) [1] 是适用于这些应用的光源，因为它们的线宽非常窄 [4]、高输出功率和室温连续波 (CW) 操作。然而，单个 DFB 激光器的调谐范围非常有限，只有几 cm ^-1 (~ 10 cm ⁻¹ ) 通过缓慢的温度调谐，这限制了其在宽带吸收特征和多物种气体检测中的有用性 [5]。 DFB 阵列在 220 cm ⁻¹ 范围内实现了令人印象深刻的可调性 .然而，DFB阵列需要电子束光刻来制造不同的光栅周期，这既复杂又昂贵。此外，DFB阵列需要不同波长的光束组合才能用于传感应用[6, 7]。

外腔量子级联激光器 (EC-QCL) 被广泛用作可靠、可广泛调谐的光源，可提供大于 300 cm ^-1 的调谐范围 [8] 步进电机慢速扫描。对于传统的 EC-QCL，可以通过 Wysocki 等人提出的模式跟踪系统实现无模式跳变调谐。 [9]。在调谐过程中，激光电流和 EC 长度通过相位匹配的三角电压斜坡进行调制。然而，这仅允许~ 1 cm ⁻¹ 的无跳模调谐 在 EC-QCL [10] 全调谐范围内的任何波长。需要高波长调谐率 EC-QCL 来减少气相中化学混合物的测量时间。快速扫描的 EC-QCL 已设计有腔内微机电系统 (MEMS) 或声光调制器，可扫描> 100 cm ⁻¹ 在亚毫秒的时间尺度上 [11]。不幸的是，这些快速扫描的 EC-QCL 系统在 ~ 1 cm ⁻¹ 附近具有低光谱分辨率 ，这对于窄吸收特征是不够的。

最近，M.C. 开发了一种用于测量宽吸收特征的扫描波长 EC-QCL 源。菲利普斯等人。 [12, 13]。扫描波长 EC-QCL 可以调谐超过 100 cm ⁻¹ 在 200 Hz 的扫描速率下，在 50% 占空比的调谐曲线峰值处的平均输出功率为 11 mW。然而，由于啁啾电流，脉冲操作会导致线路展宽。在本文中，我们使用 Littman-Metcalf 腔几何结构中的扫描振镜实现了快速扫描波长 EC-QCL，调谐范围为 135 cm ⁻¹ 从 2105 到 2240 cm ⁻¹ （4.46–4.75 微米）。在室温下连续工作时，阈值电流低至 250 mA。使用步进扫描傅里叶变换红外 (FTIR) 技术对以 100 Hz 重复扫描的 EC-QCL 进行时间分辨测量。激光光谱分析仪用于评估光谱分辨率。采用锯齿波调制，光谱分辨率为 <0.2 cm ⁻¹ 可以在调谐范围内实现。

方法

EC 系统基于 Littman-Metcalf 配置，由三个主要元件组成，增益元件，在我们的例子中是带有准直透镜、衍射光栅和扫描振镜的 Fabry-Perot (FP) QCL 芯片，如如图 1 所示。应变补偿 QCL 有源核心包括 30 个周期，分别以 In0.67Ga0.33As/In0.36Al0.64As 作为量子阱和势垒，类似于 [14] 中所述。这些器件使用金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 以掩埋异质结构配置进行处理，以选择性地再生长 Fe 掺杂的 InP。使用脊宽 12 μm 长 3 mm 的 FP-QCL 增益芯片构建 EC-QCL。蒸发了由 Al2O3/Ti/Au/Ti/Al2O3 (200/10/100/10/120 nm) 组成的高反射 (HR) 涂层和 Al2O3/Ge (448/35 nm) 的抗反射 (AR) 涂层分别位于增益芯片的背面和正面。 FP-QCL 芯片外延层朝下安装在 SiC 散热器上，采用铟焊料、引线键合，然后安装在包含热敏电阻和热电冷却器 (TEC) 的支架上，以监测和调节散热器温度。

Littman-Metcalf外腔结构示意图

我们使用的 Littman 配置由焦距为 6 毫米的准直透镜、具有 210 个凹槽/毫米的衍射光栅和扫描振镜（Thorlabs，GVS111）组成。在如图 1 所示的 Littman 配置中，一阶光被衍射到扫描振镜中，然后被衍射光栅反射回 FP-QCL 芯片，发射的单模激光通过零阶反射被提取出来。衍射光栅。

EC-QCL 的发射光功率和光谱分别用校准的热电堆检测器和 FTIR 光谱仪测量。所有测量均在 FP-QCL 芯片保持在 25°C 下连续工作时进行。

结果与讨论

图 2a 显示了在不同扫描振镜角度下测量的连续波谱，注入电流为 330 mA。发射峰从 2105 到 2240 cm ^-1 通过以 0.1° 的步长旋转检流计。图 2b 显示了在与图 2a 相同的不同扫描振镜角度下测量的输出功率和边模抑制比（SMSR）。几乎在整个调谐范围内都实现了高于 25 dB 的 SMSR。平均输出功率约为 8 mW，输出功率分布与电致发光光谱一致。图 3 描绘了在 2180 cm ^-1 中心区域为 EC-QCL 测量的功率-电流-电压 (P-I-V) 曲线 . EC-QCL 的阈值电流为 250 mA，对应于阈值电流密度 (J th) 0.833 kA/cm ² .在 400 mA 时获得 20.8 mW 的最大连续输出功率。

一 EC-QCL 的归一化发射光谱在 25°C 下在 cw 操作和 330 mA 电流下测量。相邻光谱是用 0.1° 的检流计旋转步长测量的。 b 不同扫描振镜角度下EC-QCL的实测输出功率（红色曲线）和SMSR（黑点）

EC-QCL 在 2180 cm ^-1 中心区域的 P-I-V 特性

EC-QCL 扫描表征

我们使用信号发生器生成 100 Hz 正弦波。通过在扫描振镜上实现正弦波，EC-QCL 波长可以在 cw 模式下以 330 mA 的电流重复扫描。正弦波振幅为 3 V，对应于 3° 的总调谐角。为了演示 EC-QCL 扫描特性，可以应用使用步进扫描 FTIR 技术的时间分辨测量。这种技术经常被用来研究重复发生的过程[15]。我们使生成的信号与 FTIR 同步，并以 0.2 cm ^-1 的光谱分辨率进行测量 和 20 ns 时间分辨率。时间分辨发射峰绘制在图 4 中。EC-QCL 从 2180 cm ^-1 开始 然后调整到较低的波数。 1/4周期后，发射峰达到最小波数。波数从 2105 调谐到 2240 cm ⁻¹ 在接下来的半个赛季。对于 Littman 配置：

EC-QCL 在 cw 模式下在 330 mA 和扫描振镜调制在 100 Hz 下的时间分辨发射峰

其中λ是EC-QCL波长，d 是光栅周期，m 是衍射级，α 和β 是图1 所示的角度。一阶光被反射到扫描振镜，然后反射回FP-QCL 芯片。当扫描振镜旋转θ角时，上式变为：

在我们的配置中，m =1, β =7.7°, d =4.76 μm，EC-QCL 可以在快速扫描模式下工作，扫描振镜以 100 Hz 的频率扫描，速率为 12.6 rad/s，提供 59.3 μm s ^{-1 的波长调谐率上> .}

我们使用激光光谱分析仪（Bristol 771 型）来评估光谱分辨率。由于激光光谱分析仪的最小响应时间约为 0.5 秒，我们将振镜频率降低到 0.02 Hz，这可以记录完整的波长调谐周期。如图 5a 所示，通过改变振镜角度，波长不连续变化，模式跳变约 0.5 cm ^-1 可以清楚地识别。由于增透膜的抗反射效果不理想，模式跳变主要与 QCL 芯片的 FP 模式相关。为了减少跳模间隔，我们在 QCL 芯片上的直流驱动电流中添加了锯齿波调制（0.02 Hz，40 mA），检流计处于固定角度。锯齿波调制的波长调谐如图 5b 所示。在一个周期内，波长被平滑地调谐到较低的波数，这可以补偿 0.5 cm ⁻¹ 模式跳跃。然而，值得注意的是，波长调谐在一个周期内并不是线性的，这是由于 QCL 散热器的温度波动造成的。使用振镜调谐和锯齿波调制测量的 EC-QCL 波长如图 5c 所示。与图 5a 相比，模跳间距减小到小于 0.2 cm ^-1 .

一 测得的 EC-QCL 波长，检流计电压为 20 mV，调谐频率为 0.02 Hz。模式跳跃大约为 0.5 cm ⁻¹ . b 使用锯齿波调制（0.02 Hz，40 mA）测量的 EC-QCL 波长调谐，可补偿 0.5 cm ⁻¹ 模式跳跃。 c 振镜调谐和锯齿波调制测量的EC-QCL波长

结论

总之，我们设计了一种快速扫描波长 EC-QCL 并研究了其性能，包括单模选择、调谐范围和输出功率。应用时间分辨步进扫描FTIR技术和激光光谱分析仪测量调谐范围和光谱分辨率。 EC-QCL 可以在 135 cm ⁻¹ 的整个调谐范围内以 100 Hz 的频率重复扫描 （约 290 纳米），扫描分辨率为 <0.2 厘米 ⁻¹ ，这可以通过锯齿波调制来实现。 EC-QCL 的 CW 阈值低至 250 mA，最大功率为 20.8 mW。该器件的低功耗和快速扫描波长特性使其成为痕量气体传感应用中很有前景的光源。

缩写

AR：

防反射

CW：

连续波

DFB：

分布式反馈

EC-QCL：

外腔量子级联激光器

FTIR：

傅里叶变换红外光谱仪

人力资源：

高反射率

MEMS：

微机电系统

MIR：

中红外

MOCVD：

金属有机化学气相沉积

P-I-V：

电源-电流-电压

QCL：

量子级联激光器

短信：

边模抑制比

TEC：

热电冷却器