Непрерывные квантово-каскадные лазеры на межзонных переходах с внешним резонатором
Введение
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 инфракрасных источниках излучения, источниках излучения видимого и ближнего ИК диапазонов, а так же технологический прорыв в области производства квантово-каскадных лазеров с внешним резонатором привели к возникновению коммерческого сегмента по производству перестраиваемых лазерных источников света в спектральном диапазоне 4-12 мкм [1,2]. Однако лазерное излучение в условиях комнатной температуры в диапазоне 3-4 мкм было невозможным, хотя это является ключевым моментом в колебательной спектроскопии, обусловленной квантовыми переходами между колебательными уровнями энергии молекулярных связей N-H, C-H и O-H, которые представлены во всех органических молекулах. Квантовый каскадный лазер на межзонных переходах (ICL) является инновационным полупроводниковым излучателем, покрывающим спектральный диапазон 2.9-4.2 мкм в условиях работы при комнатной температуре [4,5]. В данной статье приведено описание производства квантовых каскадных лазеров на межзонных переходах с внешним резонатором с возможностью перестройки длины волны излучения в широком диапазоне, дизайн корпуса и результаты работы лазера.
Технологический процесс изготовления непокрытых Фабри-Перо ICL чипов
Пластины с чипами квантовых каскадных лазеров на межзонных переходах были выращены на подложке из антимонида галлия с ориентацией n-типа методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Структура активной среды в общих положениях схожа с описанием, приведенным в источниках [4] и [5], кроме небольшой разницы в составе и глубине квантовых ям GaInSb структуры. Чип длиной 3 мм с шириной гребня 12 мкм, осажденный парами золота электролитическим методом, был установлен методом эпитаксиальной стороной вверх на медный радиатор и внутренне отличался Фабри-Перо резонатором с гранями без покрытия. На рисунке 1 показан график зависимости оптической мощности от тока при непрерывной работе лазера при температуре радиатора 15 градусов. Пороговый ток излучения составил 180 мА, причем 20 мВт выходной мощности достигались при токе 700 мА с каждой грани резонатора при выходном напряжении 3.2 В. Спектр предпороговой усиленной спонтанной эмиссии, полученный с помощью инфракрасного Фурье спектрометра при токе в 125 мА, обозначил центральное значение усиления на длине волны излучения 3.19 мкм (3130 см-1), как показано на рисунке 2.
Рис. 1. Зависимость мощности излучения от тока для непокрытого ICL чипа при температуре 15 0С
Рис. 2. Спектр предпороговой усиленной спонтанной эмиссии из Фабри-Перо ICL чипа при токе 125 мА и температуре 15 0С
Расположение внешнего резонатора
Классический Фабри-Перо квантовый каскадный лазер на межзонных переходах непригоден для спектроскопии, т.к. спектр излучения недостаточно узок, а перестройка частоты не удовлетворяет требованиям. Для перестройки длины волны излучения должна использоваться дифракционная решетка (селектор длины волны), например, в качестве зеркала на конце резонатора. Селектор позволяет получить узкую ширину линии на выходе лазера, которая может быть перестроена в диапазоне всей полосы частот полупроводниковой активной среды лазера с помощью вращения дифракционной решетки. Смонтированный ICL чип (кристалл) был интегрирован во внешний резонатор компании Daylight Solutions, который был специально разработан для квантовых каскадных лазеров и описан в источнике [2]. На рисунке 3 изображен схематическое изображение внешнего резонатора квантового каскадного лазера на межзонных переходах согласно конфигурации Литтроу.
Рис. 3. Схематическое изображение основных компонентов квантового каскадного лазера на межзонных переходах
Данный резонатор характеризуется длиной 25 мм, миниатюрным механизмом вращения дифракционной решетки и встроенным контроллером тока и температуры. На рисунке 4 показана лазерная головка каскадного лазера на межзонных переходах с внешним резонатором с возможностью перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Для реализации расположения внешнего резонатора 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 мА до 260 мА, и в результате это привело к отношению мощности излучения между покрытой стороной и стороной без антиотражающего покрытия в соотношении 7.5 раз. Изменение порогового значения тока при использовании антиотражающего покрытия было минимальным из-за относительно высоких оптических потерь в волноводе ICL чипа. Свет, излученный обеими сторонами, был сфокусирован парой идентичных антиотражающих асферических линз из селенида цинка с апертурой NA=0.78. В результате получился пучок излучения с близким к Гауссову распределению с высокой степенью эллиптичности в непосредственной близости от дифракционной решетки или зеркала обратной связи, в отличие от конфигурации Фабри-Перо резонатора, в котором присутствуют несколько пространственных мод на выходе.
Рис. 4. Изображение квантового каскадного лазера на межзонных переходах с внешним резонатором компании Daylight Solutions
Реплика дифракционной решетки, размещенная на стеклянной подложке с плотностью позолоченного напыления 300г/мм, имела 90% дифракционную эффективность в первом порядке дифракции. Угловое положение дифракционной решетки, и как следствие, выходная длина волны излучения, контролировались комбинацией шагового электродвигателя и датчика абсолютного положения, работающих в замкнутом контуре под управлением микропроцессором. Управляющий ток и температура были установлены в значениях 0.1 мА и 0,02 °C цифровым ПИД-регулятором (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) ввиду флуктуаций, возникающих 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 координации между длиной оптического хода и углом решетки. Хотя компания Daylight Solutions разработала режим перестройки длины волны излучения без перескока мод (mode-hop-free) в модифицированной конфигурации Литтроу, настоящая работа не была направлена на описание именно этого режима работы. Целью работы и исследования было достижение сужения спектральной ширины линии излучения и минимизация последствия грубой перестройки длины волны ввиду простого вращения дифракционной решётки во внешнем резонаторе. Вследствие большей востребованности непрерывного режима работы лазера при комнатной температуре, чем импульсного режима с высокой скважностью компания Daylight Solutions сфокусировалась на непрерывном режиме работы каскадного лазера при различных углах дифракционной решетки, управляющих токах и температуре радиатора охлаждения.
В настоящей работе инжекционный ток был ограничен до 260 мА для предотвращения самопроизвольной генерации лазерного излучения чипа. Оптическая мощность ECicL лазера была измерена пироэлектрическим измерителем мощности, а выходной спектр был снят 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, была включена в систему температурного контроля. Драйвер, управляющий лазером, и другие измерительные датчики управлялись с помощью компьютера сбора данных в автоматическом режиме.
Производительность ECicL лазера была исследована при двух значениях температуры радиатора 10 °C и 15 °C. Дифракционную решетку сканировали при каждом значении температуры во всем диапазоне перестройки длины волны излучения при нескольких значениях тока, а оптическая мощность и спектр излучения измерялись при нескольких дискретных углах дифракционной решетки. Визуализация излучения подтвердила, что каждый спектр продемонстрировал одну узкую спектральную линию, соответствующую одномодовому выходному излучению. Каждая длина волны излучения была оценена в сравнении с Гауссовой формой распределения. В виду того что разрешение монохроматора было заведомо занижено для минимизации времени получения всех данных, то значения длин волн излучения (оптические частоты) имеют точность до 0.003 нм (±1 см-1). Рисунок 5 и 6 отображает полученные результаты при температурах радиатора 10 °C и 15 °C градусов 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 составляет менее 0.8 Вт. Данные показывают, что длина волны излучения ECicL лазера способна перестраиваться в диапазоне 3090-3200 см-1 (3.13-3.24 мкм) при обоих значениях температуры. При 10 °С и токе в 260 мА максимальная выходная мощность достигает 4 мВт, в то время как оптическая мощность составляет порядка 1.5 мВт и доступна во всем диапазоне перестройки длины волны излучения.
Изгибы на кривых в графиках зависимости мощности от тока и неравномерность на кривых графика мощности от длины волны излучения – это перескоки мод, обусловленные компромиссом между разными режимами работы резонатора с учетом решеток обратной связи и паразитного эталона, связанного с ненулевым коэффициентом отражения антиотражающего покрытия. В общем стоит отметить, что подобные неравномерности скорее характерны для внешнего резонатора нежели для усиливающей среды. Как и ожидалось, повышение температуры негативно сказывается на диапазоне перестройки длины волны излучения, максимальной выходной мощности и пороговых значениях токах. Тем не менее, подобные лазеры при условии работы при температуре 10-15 0С и мощности в несколько мВт, легко применимы для многих лабораторных установок, а также в полевых условиях, где достижение рабочего диапазона температуры возможно благодаря использованию одностадийного термоэлектрического охлаждения. Таким образом, компактный непрерывный квантовый каскадный лазер на межзонных переходах с внешним резонатором с возможностью перестройки длины волны излучения в широком диапазоне оптимален для применений, требующих непрерывное излучение и температурные условия в диапазоне 10-15 0С для достижения наилучших результатов.
Рис. 5. Зависимость мощности и длины волны излучения от инжекционного тока для ECicL лазера при температуре 10 0С
Рис. 6. Зависимость мощности и длины волны излучения от инжекционного тока для ECicL лазера при температуре 15 0С
Заключение
В этой статье описана первая демонстрация работы перестраиваемого ECicL лазера при использовании при комнатной температуре в диапазоне перестройки ~110см-1 (0.11мкм) с центральной длиной волны излучения около 3.2 мкм, выходной оптической мощностью несколько мВт во всем диапазоне перестройки длины волны и максимальной входной мощностью <1 Вт. Компания Daylight Solutions уже трудится над разработкой импульсного ECicL лазера оптимального для применений в спектроскопии, требующей среднего разрешения, а также над разработкой импульсного ECicL лазера с непрерывной перестройкой длины волны для высокоразрешающей спектроскопии. Параллельно вносятся улучшения и доработки в дизайн лазера и технологический процесс изготовления, а также в расширение рабочего спектрального диапазона 3-4 мкм.
