КВАНТОВЫЕ КАСКАДНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ОСНОВЫ

  1. Что такое QCL? Квантово-каскадные лазеры (ККЛ) представляют собой полупроводниковые лазеры, которые...
  2. Для дополнительной информации
  3. Ссылки на интересные исследовательские работы:

Что такое QCL?

Квантово-каскадные лазеры (ККЛ) представляют собой полупроводниковые лазеры, которые излучают в средне- и длинноволновых ИК-диапазонах и находят новые применения в точном зондировании, спектроскопии, медицине и в военных целях (1). Их широкий диапазон настройки и быстрое время отклика позволяют создавать более быстрые и точные компактные детекторы микроэлементов и газоанализаторы, которые заменяют более медленные и большие FTIR, масс-спектроскопические и фототермические микроспектроскопические системы.

С тех пор, как в 1994 году был введен в эксплуатацию первый ККЛ, были приложены огромные усилия, чтобы сделать их более надежными, универсальными и технологичными. Квантовые каскадные лазеры используются в промышленном зондировании выхлопных газов, детекторах взрывчатых веществ на безопасном расстоянии, источниках света для инфракрасных систем визуализации, медицинских диагностических анализаторах дыхания и во многих других сенсорных и спектроскопических приложениях (2). Количество рынков для QCL растет все более быстрыми темпами, так как ученые и производители получают больше опыта с ними.

ККЛ работают принципиально иначе, чем диодные лазеры:

  • Диодные лазеры зависят от процесса электронно-дырочной рекомбинации: электрон из зоны проводимости рекомбинирует с дыркой в ​​валентной зоне, и в процессе испускается один фотон.
  • Диодные лазеры ограничены длиной волны около 2,5 мкм, поскольку длина волны определяется энергией рекомбинации или запрещенной зоны материальной системы, используемой для изготовления устройства. Различные комбинации материалов приводят к различным запрещенным зонам, но существует ограничение на материалы, которые можно использовать для создания диодного лазера.
  • Эта диаграмма иллюстрирует принцип, на котором работают QCL:

Эта диаграмма иллюстрирует принцип, на котором работают QCL:

Рисунок 1: Диаграмма энергетического диапазона квантового каскадного лазера

  • Квантовые каскадные лазеры состоят из десятков чередующихся слоев полупроводникового материала, образующих квантовые энергетические ямы, которые ограничивают электроны конкретными энергетическими состояниями. Когда каждый электрон проходит через среду генерации, он переходит от одной квантовой ямы к другой, управляемой напряжением, приложенным к устройству. В точно спроектированных местах, называемых «активной областью», электрон переходит из одного энергетического состояния валентной зоны в более низкое и в процессе излучает фотон. Электрон продолжает проходить через структуру, и когда он сталкивается со следующей активной областью, он снова переходит и испускает другой фотон. ККЛ может иметь до 75 активных областей, и каждый электрон генерирует столько фотонов, сколько он проходит через структуру.

Длина волны на выходе определяется структурой слоев, а не материалом генерации, и это означает, что изготовители устройств могут подгонять длину волны таким способом, который не может быть достигнут с помощью диодных лазеров. В то время как длина волны на выходе диодного лазера ограничена ~ 2,5 мкм, ККЛ работают на гораздо более длинных длинах волн: имеются устройства для производства инфракрасного излучения средней длины волны до 11 мкм, и около 25 мкм излучатели были изготовлены на экспериментальной основе. Этот диапазон передачи полезен из-за большого количества линий поглощения, демонстрируемых обычными целевыми газами, которые попадают в эту полосу.

Терагерцовые QCL в настоящее время коммерциализируются - некоторые излучают в диапазоне от 100 до 150 мкм. Более сложные молекулы газа поглощают на этих более длинных волнах, и в системах на основе QCL возможна более высокая точность измерений, чем в современных технологиях. ККЛ позволяют проводить дистанционное зондирование этих сложных молекул, в то время как для большинства традиционных методов требуется образец материала объекта. Некоторые технические проблемы остаются до того, как эти системы станут коммерчески жизнеспособными в больших масштабах, но технология быстро развивается.

Где используются QCL?

Возможно, наиболее важным применением для QCLs является измерение и измерение газа. Системы, основанные на широко настраиваемых QCL, могут использоваться для измерения нескольких видов газа, а узконаправленные системы могут обнаруживать и измерять концентрации газа в диапазоне частей на триллион.

QCL с распределенной обратной связью (DFB QCL) способны настраивать длину волны до нескольких десятков см-1. QCL внешней полости (EC-QCL) расширяют диапазон настройки до ~ 1000 см-1 и используются для обнаружения и измерения нескольких видов газов (3), (4). Эти типы QCL используются как для локального, так и для дистанционного зондирования многочисленных видов газа, включая CO, CO2, NH3, CH4, NOX и SO2.

Поскольку они требуют относительно малой мощности и настолько малы, системы на основе QCL заменяют более крупные и более медленные системы FTIR и масс-спектроскопии как для лабораторных, так и для полевых работ. Применения повышенной прочности включают в себя непрерывный мониторинг выхлопных газов на промышленной основе, например, измерение загрязняющих веществ в штабеле или обнаружение попутного газа в скважине на нефтяных буровых платформах.

Конкретные примеры приложений, в которых QCL превосходят, включают:

  • Мощные ККЛ 4 мкм, используемые в противодействии тепловым ракетам
  • Импровизированные взрывные устройства (СВУ) часто изготавливаются из соединений, которые поглощают в терагерцовом диапазоне; Прочные и портативные детекторы на основе THz QCL могут непрерывно сканироваться перед движущимся конвоем или использоваться для поиска угроз в местах общего сбора
  • Мониторинг выбросов промышленных выхлопов в режиме реального времени для контроля процесса
  • Дистанционное зондирование промышленных выхлопных труб для обеспечения соблюдения экологических норм
  • Компактные и быстрые бортовые приборы для мониторинга и измерения следовых атмосферных газов в исследованиях, касающихся глобального изменения климата

Системы на базе QCL также находят применение в растущей области медицинской диагностики (5). Следовые газы, присутствующие на дыхании пациента, могут указывать на диабет, астму и другие респираторные проблемы, дисфункцию почек и печени, и другие показатели регулярно обнаруживаются. Такое приложение требует чрезвычайно короткого времени отбора проб, относительно небольшого размера и точных результатов, чтобы избежать ошибочного диагноза.

В настоящее время QCL все еще являются специализированными устройствами. Производство трудно оптимизировать, а небольшие партии дают высокую себестоимость. По мере того, как ценность этих устройств будет более широко реализована и будет создано больше приложений, QCL станут более доступными и доступными.

Внедрение QCL требует от разработчиков системы уделения особого внимания электронике привода и управления температурой. Текущий шум от драйвера QCL приводит к расширению ширины линии лазера, что снижает общую чувствительность и точность системы, а изменение температуры вызывает смещение длины волны. Чтобы полностью реализовать точность, которая стала возможной благодаря QCL, важно, чтобы они работали от драйверов с очень низким уровнем шума и высокостабильных регуляторов температуры. Посетите наш Основы драйвера QCL страница для получения дополнительной информации об этих важных компонентах любой системы на основе QCL.

Для дополнительной информации

Физическая страница QCL Северо-Западного университета подробно описывает конструкцию и надежность QCL:
http://cqd.eecs.northwestern.edu/research/qcl.php ,

Ссылки на интересные исследовательские работы:

(1) Zeller, et. и др., DFB лазеры от 760 нм до 16 мкм для сенсорных применений (Датчики 2010, 10, ISSN 1424-8220)
(2) Титтель, Бахиркин, Костерев и Высоцкий, Последние достижения в области обнаружения следовых газов с использованием квантовых и межзонных каскадных лазеров (Квантовый институт риса, Университет Райса, 2006)
(3) Высоцкий, et. и др., Широко перестраиваемые квантовые каскадные лазеры с внешним резонатором без скачков мод для спектроскопии высокого разрешения и химического зондирования (Прикладная физика Б, 2008)
(4) Сойбель, Мансур, Спирсанд, Форухар, Разработка лазеров среднего ИК диапазона для лазерного дистанционного зондирования (Лаборатория реактивного движения, Калифорнийский технологический институт, 2005)
(5) Бахиркин и др. и др., Средне-инфракрасный квантово-каскадный лазер на основе внеосевой интегрированной выходной спектроскопии резонатора для обнаружения биогенного оксида азота (Университет Райса, 2004)

Что такое QCL?
Где используются QCL?