eng
Выпуск #6/2016
Д.Кэффи, T.Дэй, Ч. Ким, M.Ким, И.Варгафтман, В.Боули, Д.Линдл, Ч.Кеннеди, Д.Абель, Д.Мейер
Эксплуатационные характеристики компактных непрерывных квантовых каскадных лазеров на межзонных переходах с внешним резонатором и возможностью перестройки длины волны излучения в широком диапазоне
Эксплуатационные характеристики компактных непрерывных квантовых каскадных лазеров на межзонных переходах с внешним резонатором и возможностью перестройки длины волны излучения в широком диапазоне
Просмотры: 2752
Представлена конструкция компактного непрерывного квантового каскадного лазера на межзонных переходах (Interband Cascade Laser – ICL) с внешним резонатором (External-Cavity interband cascade Laser – ECicL).
DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.88.92
DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.88.92
Лазеры и устройства на их основе находят широкое применение в аналитическом и измерительном оборудовании, дистанционном зондировании земной поверхности, в качестве источников излучения в промышленных, медицинских и военных приложениях. Потребность в широкополосных источниках излучения видимого и ИК-диапазонов, а также технологический прорыв в области производства квантово-каскадных лазеров с внешним резонатором привели к возникновению коммерческого сегмента по производству перестраиваемых лазеров в спектральном диапазоне 4–12 мкм [1,[1]2]. Достигнуть лазерной генерации на длинах волн 3–4 мкм при комнатной температуре ранее было невозможным. Однако это является ключевым моментом в колебательной спектроскопии, обусловленной квантовыми переходами между колебательными уровнями энергии молекулярных связей N–H, C–H и O–H, которые имеют место во всех органических молекулах. Квантовый каскадный лазер на межзонных переходах (ICL) является инновационным полупроводниковым излучателем, покрывающим спектральный диапазон 2,9–4,2 мкм при рабочей температуре, сравнимой с комнатной [3–5]. В данной статье приведена информация о производстве, конструкции и производительности квантовых каскадных лазеров на межзонных переходах с внешним резонатором, отличающихся возможностью перестройки длины волны излучения в широком диапазоне.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕПОКРЫТЫХ ФАБРИ-ПЕРО ICL-ЧИПОВ
Пластины с чипами квантовых каскадных лазеров на межзонных переходах были выращены на подложке из антимонида галлия n-типа методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Структура активной среды сравнима с описанием, приведенным в работах [4] и [5], кроме небольшой разницы в составе и глубине квантовых ям GaInSb-структуры. Чип длиной 3 мм и шириной кромки 12 мкм был получен с помощью осаждения золота электролитическим методом. Далее он был установлен эпитаксиальной стороной вверх на медный радиатор и внутренне отличался Фабри-Перо резонатором с гранями без покрытия (первоначально работал как резонатор Фабри-Перо, при этом фронтальная и тыльная грани оставались без покрытия). На рис.1 показан график зависимости оптической мощности излучения от тока при непрерывной работе лазера и температуре радиатора 15°C. Пороговый ток составил 180 мА, причем мощность в 20 мВт с каждой грани резонатора можно было получить при токе 700 мА и выходном напряжении в 3,2 В. Спектр предпороговой усиленной спонтанной эмиссии (рис.2), полученный с помощью инфракрасного фурье-спектрометра при токе в 125 мА, демонстрирует центральное значение усиления на длине волны излучения 3,19 мкм (3130 см–1).
РАСПОЛОЖЕНИЕ ВНЕШНЕГО РЕЗОНАТОРА
Классический Фабри-Перо квантовый каскадный лазер на межзонных переходах непригоден для спектроскопии ввиду недопустимой ширины линии спектра и отсутствия возможности перестройки частоты. Для перестройки длины волны излучения должна использоваться дифракционная решетка (селектор длины волны), например в качестве зеркала на грани резонатора. Селектор позволяет получить узкую ширину линии на выходе лазера, которая может быть перестроена во всей полосе частот полупроводниковой активной среды с помощью вращения дифракционной решетки. Смонтированный ICL-чип (кристалл) был интегрирован во внешний резонатор производства компании Daylight Solutions, который специально создавался для квантовых каскадных лазеров. Его подробное описание представлено в работе [2]. На рис.3 схематически изображен внешний резонатор квантового каскадного лазера на межзонных переходах в конфигурации Литтроу.
Данный резонатор имеет длину 25 мм, оснащён миниатюрным механизмом вращения дифракционной решетки и встроенным контроллером тока и температуры. На рис.4 показан каскадный лазер на межзонных переходах с внешним резонатором. Лицевая сторона чипа напротив дифракционной решетки была покрыта антиотражающим покрытием с использованием двухслойной пленки, в то время как задняя сторона осталась без покрытия. Антиотражающее покрытие увеличило пороговое значение лазерной генерации со 180 до 260 мА, и в результате это привело к увеличению мощности в 7,5 раз. Изменение порогового значения тока при использовании антиотражающего покрытия было минимальным из-за относительно высоких оптических потерь в волноводе ICL-чипа. Свет, исходящий от обеих сторон, был сфокусирован парой идентичных антиотражающих асферических линз из селенида цинка с апертурой NA=0,78. В сравнении с конфигурацией Фабри-Перо резонатора, в котором присутствуют несколько пространственных мод на выходе, получили пучок излучения с распределением, близким к гауссову. Кроме того, пучок обладал высокой степенью эллиптичности в непосредственной близости от дифракционной решетки или зеркала обратной связи.
Реплика дифракционной решетки, размещенная на стеклянной подложке с плотностью позолоченного напыления 300 г/мм, отличалась дифракционной эффективностью около 90% в первом порядке дифракции. Угловое положение дифракционной решетки и, как следствие, выходная длина волны излучения, изменялись посредством использования шагового двигателя и датчика абсолютного положения. Датчик и микропроцессор являлись основой системы обратной связи. Величины управляющего тока и температуры составляли 0,1 мА и 0,02 °C и устанавливались с помощью цифрового ПИД-регулятора (пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер).
РЕЖИМ РАБОТЫ КВАНТОВОГО КАСКАДНОГО ЛАЗЕРА С ВНЕШНИМ РЕЗОНАТОРОМ
Квантовый каскадный лазер с внешним резонатором может работать в импульсном и непрерывном режимах. Спектральная ширина линии в импульсном режиме, усредненная по одиночному импульсу, имела значение 1 см-1 на полуширине полного максимума (FWFM). Эта величина обусловлена флуктуациями, возникающими из-за нестационарного теплового нагрева усиливающей активной среды. При непрерывном режиме работы термические флуктуации длины волны излучения стремились к нулю, и в результате при всех углах дифракционной решетки на выходе было получено одномодовое излучение. Тем не менее, перестройка длины волны с помощью простого поворота дифракционной решетки осложнялась разрывом волны из-за перескока моды при вращении решетки, что приводило к отсутствию согласования между длиной оптического хода и углом решетки. Компания Daylight Solutions разработала режим перестройки длины волны излучения без перескока мод (mode-hop-free) в модифицированной конфигурации Литтроу, однако в настоящей работе подробности этого метода опускаются. Целью работы и исследования являлось достижение сужения спектральной ширины линии излучения и минимизация последствий грубой перестройки длины волны ввиду простого вращения дифракционной решётки во внешнем резонаторе. Стоит отметить, что на практике в условиях комнатной температуры непрерывный режим работы лазера чаще используется, чем импульсный режим с высокой скважностью. В связи с этим сотрудники компании Daylight Solutions сфокусировались на исследовании непрерывного режима работы каскадного лазера при различных углах дифракционной решетки, управляющих токах и температуре радиатора.
В ходе исследований для предотвращения самопроизвольной генерации лазерного излучения инжекционный ток был ограничен до 260 мА. Оптическая мощность ECicL-лазера измерялась пироэлектрическим датчиком, а выходной спектр был получен с помощью перестраиваемого монохроматора на основе MCT-детектора (HgCdTe-кадмий-ртуть-теллур). Температура лазера, измеренная термистором, расположенным на верхушке радиатора в нескольких миллиметрах от чипа, учитывалась системой контроля температуры. Электроника, управляющая лазером, а также другие измерительные датчики контролировались с помощью компьютера в автоматическом режиме. Производительность ECicL-лазера была исследована при двух значениях температуры радиатора: 10°C и 15°C. Дифракционная решётка перемещалась в режиме сканирования во всём диапазоне перестройки длины волны излучения при каждом значении температуры и нескольких значениях тока. Оптическая мощность и спектр излучения измерялись при нескольких дискретных углах дифракционной решетки. Визуализация излучения подтвердила, что каждый спектр отличался одной узкой спектральной линией, соответствующей одномодовому выходному излучению. Форма спектральной линии для каждой длины волны излучения была оценена в сравнении с распределением Гаусса. Ввиду того, что разрешение монохроматора было уменьшено с целью минимизации времени получения данных, величины длин волн излучения (оптические частоты) были определены с точностью до 0,003 нм (±1 см–1). Рис.5 и 6 отображают полученные результаты при температурах радиатора 10°C и 15°C соответственно. Приведена зависимость оптической мощности от длины волны излучения при нескольких фиксированных значениях тока, а также зависимость оптической мощности от тока при разных длинах волн. Для всех приведенных условий входная мощность составила менее 0,8 Вт. Данные показывают, что длину волны излучения ECicL лазера возможно перестраивать в диапазоне 3090–3200 см–1 (3,13–3,24 мкм) при обоих значениях температуры. При 10°C и токе в 260 мА максимальная выходная мощность составила 4 мВт, в то время как оптическая мощность соответствовала значению 1,5 мВт и сохранялась во всем диапазоне перестройки длины волны излучения.
Изгибы на кривых, показанные на графиках "мощность – ток", и неравномерности на графике "мощность – длина волны излучения" вызваны перескоками мод. Эти эффекты обусловлены влиянием разных режимов работы резонатора с учетом решеток обратной связи и паразитного эталона, связанного с ненулевым коэффициентом отражения антиотражающего покрытия. Стоит отметить, что подобные неравномерности скорее характерны для внешнего резонатора нежели для усиливающей среды. Как и ожидалось, повышение температуры негативно сказалось на величине диапазона перестройки длины волны излучения, максимальной выходной мощности и пороговых значениях тока. Тем не менее, подобные лазеры при рабочих температурах 10–15°С и мощности в несколько милливатт, легко могут применяться во многих лабораторных установках, а также в полевых условиях, где достижение рабочего диапазона температуры возможно благодаря использованию одностадийного термоэлектрического охлаждения. Таким образом, использование лазера, о котором шла речь выше, оптимально для приложений, где требуется непрерывный режим излучения, при этом температурные условия должны быть близки к диапазону 10–15°С для достижения наилучших результатов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной статье описаны первые испытания перестраиваемого ECicL-лазера при комнатных условиях в диапазоне перестройки ~110 см–1 (0,11 мкм) с центральной длиной волны излучения около 3,2 мкм. При этом выходная оптическая мощность составляла несколько милливатт во всем диапазоне перестройки длины волны, а максимальная входная мощность – < 1 Вт. Компания Daylight Solutions в настоящее время занимается разработкой импульсного ECicL-лазера, параметры которого будут оптимальны для применения в спектроскопии среднего разрешения. Кроме того, ведутся разработки импульсного ECicL-лазера с непрерывной перестройкой длины волны для спектроскопии высокого разрешения. Параллельно вносятся улучшения и доработки в конструкцию лазера и технологический процесс его изготовления, а также в расширение рабочего спектрального диапазона.
ЛИТЕРАТУРА
1. Pushkarsky M., Weida M., Day T., Arnone D., Pritchett R., Caffey D. Performance characteristics of a compact widely tunable external cavity quantum cascade laser. – Rev. Laser Eng., 2008, v.36, p.80–83.
2. Day T., Weida M., Arnone D., Pushkarsky M., Pritchett R., Caffey D. High-performance results and applications of miniaturized external-cavity quantum cascade lasers (ECqcL). – Proc. SPIE, 2009, 7230, 72301M1–8.
3. Yang R. Q. Infrared laser based on intersubband transitions in quantum wells. – Superlattices Microstruct, 1995, v. 17 (1), p.77–83.
4. Kim M., Canedy C. L., Bewley W.W., Kim C.S., Lindle J.R. et al. Interband cascade laser emitting at λ = 3.75 μm in continuous wave above room temperature. – Appl. Phys. Lett., 2008, v.92 (19), p.19111.
5. Vurgaftman I., Canedy C.L., Kim C.S., Kim M., Bewley W.W. et al. Midinfrared interband cascade lasers operating at ambient temperatures. – N.J.Phys., 2009, v.11 (12), p.125015.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕПОКРЫТЫХ ФАБРИ-ПЕРО ICL-ЧИПОВ
Пластины с чипами квантовых каскадных лазеров на межзонных переходах были выращены на подложке из антимонида галлия n-типа методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Структура активной среды сравнима с описанием, приведенным в работах [4] и [5], кроме небольшой разницы в составе и глубине квантовых ям GaInSb-структуры. Чип длиной 3 мм и шириной кромки 12 мкм был получен с помощью осаждения золота электролитическим методом. Далее он был установлен эпитаксиальной стороной вверх на медный радиатор и внутренне отличался Фабри-Перо резонатором с гранями без покрытия (первоначально работал как резонатор Фабри-Перо, при этом фронтальная и тыльная грани оставались без покрытия). На рис.1 показан график зависимости оптической мощности излучения от тока при непрерывной работе лазера и температуре радиатора 15°C. Пороговый ток составил 180 мА, причем мощность в 20 мВт с каждой грани резонатора можно было получить при токе 700 мА и выходном напряжении в 3,2 В. Спектр предпороговой усиленной спонтанной эмиссии (рис.2), полученный с помощью инфракрасного фурье-спектрометра при токе в 125 мА, демонстрирует центральное значение усиления на длине волны излучения 3,19 мкм (3130 см–1).
РАСПОЛОЖЕНИЕ ВНЕШНЕГО РЕЗОНАТОРА
Классический Фабри-Перо квантовый каскадный лазер на межзонных переходах непригоден для спектроскопии ввиду недопустимой ширины линии спектра и отсутствия возможности перестройки частоты. Для перестройки длины волны излучения должна использоваться дифракционная решетка (селектор длины волны), например в качестве зеркала на грани резонатора. Селектор позволяет получить узкую ширину линии на выходе лазера, которая может быть перестроена во всей полосе частот полупроводниковой активной среды с помощью вращения дифракционной решетки. Смонтированный ICL-чип (кристалл) был интегрирован во внешний резонатор производства компании Daylight Solutions, который специально создавался для квантовых каскадных лазеров. Его подробное описание представлено в работе [2]. На рис.3 схематически изображен внешний резонатор квантового каскадного лазера на межзонных переходах в конфигурации Литтроу.
Данный резонатор имеет длину 25 мм, оснащён миниатюрным механизмом вращения дифракционной решетки и встроенным контроллером тока и температуры. На рис.4 показан каскадный лазер на межзонных переходах с внешним резонатором. Лицевая сторона чипа напротив дифракционной решетки была покрыта антиотражающим покрытием с использованием двухслойной пленки, в то время как задняя сторона осталась без покрытия. Антиотражающее покрытие увеличило пороговое значение лазерной генерации со 180 до 260 мА, и в результате это привело к увеличению мощности в 7,5 раз. Изменение порогового значения тока при использовании антиотражающего покрытия было минимальным из-за относительно высоких оптических потерь в волноводе ICL-чипа. Свет, исходящий от обеих сторон, был сфокусирован парой идентичных антиотражающих асферических линз из селенида цинка с апертурой NA=0,78. В сравнении с конфигурацией Фабри-Перо резонатора, в котором присутствуют несколько пространственных мод на выходе, получили пучок излучения с распределением, близким к гауссову. Кроме того, пучок обладал высокой степенью эллиптичности в непосредственной близости от дифракционной решетки или зеркала обратной связи.
Реплика дифракционной решетки, размещенная на стеклянной подложке с плотностью позолоченного напыления 300 г/мм, отличалась дифракционной эффективностью около 90% в первом порядке дифракции. Угловое положение дифракционной решетки и, как следствие, выходная длина волны излучения, изменялись посредством использования шагового двигателя и датчика абсолютного положения. Датчик и микропроцессор являлись основой системы обратной связи. Величины управляющего тока и температуры составляли 0,1 мА и 0,02 °C и устанавливались с помощью цифрового ПИД-регулятора (пропорционально-интегрально-дифференциальный контроллер).
РЕЖИМ РАБОТЫ КВАНТОВОГО КАСКАДНОГО ЛАЗЕРА С ВНЕШНИМ РЕЗОНАТОРОМ
Квантовый каскадный лазер с внешним резонатором может работать в импульсном и непрерывном режимах. Спектральная ширина линии в импульсном режиме, усредненная по одиночному импульсу, имела значение 1 см-1 на полуширине полного максимума (FWFM). Эта величина обусловлена флуктуациями, возникающими из-за нестационарного теплового нагрева усиливающей активной среды. При непрерывном режиме работы термические флуктуации длины волны излучения стремились к нулю, и в результате при всех углах дифракционной решетки на выходе было получено одномодовое излучение. Тем не менее, перестройка длины волны с помощью простого поворота дифракционной решетки осложнялась разрывом волны из-за перескока моды при вращении решетки, что приводило к отсутствию согласования между длиной оптического хода и углом решетки. Компания Daylight Solutions разработала режим перестройки длины волны излучения без перескока мод (mode-hop-free) в модифицированной конфигурации Литтроу, однако в настоящей работе подробности этого метода опускаются. Целью работы и исследования являлось достижение сужения спектральной ширины линии излучения и минимизация последствий грубой перестройки длины волны ввиду простого вращения дифракционной решётки во внешнем резонаторе. Стоит отметить, что на практике в условиях комнатной температуры непрерывный режим работы лазера чаще используется, чем импульсный режим с высокой скважностью. В связи с этим сотрудники компании Daylight Solutions сфокусировались на исследовании непрерывного режима работы каскадного лазера при различных углах дифракционной решетки, управляющих токах и температуре радиатора.
В ходе исследований для предотвращения самопроизвольной генерации лазерного излучения инжекционный ток был ограничен до 260 мА. Оптическая мощность ECicL-лазера измерялась пироэлектрическим датчиком, а выходной спектр был получен с помощью перестраиваемого монохроматора на основе MCT-детектора (HgCdTe-кадмий-ртуть-теллур). Температура лазера, измеренная термистором, расположенным на верхушке радиатора в нескольких миллиметрах от чипа, учитывалась системой контроля температуры. Электроника, управляющая лазером, а также другие измерительные датчики контролировались с помощью компьютера в автоматическом режиме. Производительность ECicL-лазера была исследована при двух значениях температуры радиатора: 10°C и 15°C. Дифракционная решётка перемещалась в режиме сканирования во всём диапазоне перестройки длины волны излучения при каждом значении температуры и нескольких значениях тока. Оптическая мощность и спектр излучения измерялись при нескольких дискретных углах дифракционной решетки. Визуализация излучения подтвердила, что каждый спектр отличался одной узкой спектральной линией, соответствующей одномодовому выходному излучению. Форма спектральной линии для каждой длины волны излучения была оценена в сравнении с распределением Гаусса. Ввиду того, что разрешение монохроматора было уменьшено с целью минимизации времени получения данных, величины длин волн излучения (оптические частоты) были определены с точностью до 0,003 нм (±1 см–1). Рис.5 и 6 отображают полученные результаты при температурах радиатора 10°C и 15°C соответственно. Приведена зависимость оптической мощности от длины волны излучения при нескольких фиксированных значениях тока, а также зависимость оптической мощности от тока при разных длинах волн. Для всех приведенных условий входная мощность составила менее 0,8 Вт. Данные показывают, что длину волны излучения ECicL лазера возможно перестраивать в диапазоне 3090–3200 см–1 (3,13–3,24 мкм) при обоих значениях температуры. При 10°C и токе в 260 мА максимальная выходная мощность составила 4 мВт, в то время как оптическая мощность соответствовала значению 1,5 мВт и сохранялась во всем диапазоне перестройки длины волны излучения.
Изгибы на кривых, показанные на графиках "мощность – ток", и неравномерности на графике "мощность – длина волны излучения" вызваны перескоками мод. Эти эффекты обусловлены влиянием разных режимов работы резонатора с учетом решеток обратной связи и паразитного эталона, связанного с ненулевым коэффициентом отражения антиотражающего покрытия. Стоит отметить, что подобные неравномерности скорее характерны для внешнего резонатора нежели для усиливающей среды. Как и ожидалось, повышение температуры негативно сказалось на величине диапазона перестройки длины волны излучения, максимальной выходной мощности и пороговых значениях тока. Тем не менее, подобные лазеры при рабочих температурах 10–15°С и мощности в несколько милливатт, легко могут применяться во многих лабораторных установках, а также в полевых условиях, где достижение рабочего диапазона температуры возможно благодаря использованию одностадийного термоэлектрического охлаждения. Таким образом, использование лазера, о котором шла речь выше, оптимально для приложений, где требуется непрерывный режим излучения, при этом температурные условия должны быть близки к диапазону 10–15°С для достижения наилучших результатов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной статье описаны первые испытания перестраиваемого ECicL-лазера при комнатных условиях в диапазоне перестройки ~110 см–1 (0,11 мкм) с центральной длиной волны излучения около 3,2 мкм. При этом выходная оптическая мощность составляла несколько милливатт во всем диапазоне перестройки длины волны, а максимальная входная мощность – < 1 Вт. Компания Daylight Solutions в настоящее время занимается разработкой импульсного ECicL-лазера, параметры которого будут оптимальны для применения в спектроскопии среднего разрешения. Кроме того, ведутся разработки импульсного ECicL-лазера с непрерывной перестройкой длины волны для спектроскопии высокого разрешения. Параллельно вносятся улучшения и доработки в конструкцию лазера и технологический процесс его изготовления, а также в расширение рабочего спектрального диапазона.
ЛИТЕРАТУРА
1. Pushkarsky M., Weida M., Day T., Arnone D., Pritchett R., Caffey D. Performance characteristics of a compact widely tunable external cavity quantum cascade laser. – Rev. Laser Eng., 2008, v.36, p.80–83.
2. Day T., Weida M., Arnone D., Pushkarsky M., Pritchett R., Caffey D. High-performance results and applications of miniaturized external-cavity quantum cascade lasers (ECqcL). – Proc. SPIE, 2009, 7230, 72301M1–8.
3. Yang R. Q. Infrared laser based on intersubband transitions in quantum wells. – Superlattices Microstruct, 1995, v. 17 (1), p.77–83.
4. Kim M., Canedy C. L., Bewley W.W., Kim C.S., Lindle J.R. et al. Interband cascade laser emitting at λ = 3.75 μm in continuous wave above room temperature. – Appl. Phys. Lett., 2008, v.92 (19), p.19111.
5. Vurgaftman I., Canedy C.L., Kim C.S., Kim M., Bewley W.W. et al. Midinfrared interband cascade lasers operating at ambient temperatures. – N.J.Phys., 2009, v.11 (12), p.125015.
Отзывы читателей
