WO2018172391A2 - Fourier spectrometer having a multi-mode quantum cascade laser, and method for spectroscopic analysis of a sample - Google Patents

Fourier spectrometer having a multi-mode quantum cascade laser, and method for spectroscopic analysis of a sample Download PDF

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WO2018172391A2
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Martin Hempel
Xiang LÜ
Klaus Biermann
Lutz SCHROTTKE
Holger T. GRAHN
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Definitions

  • the invention relates to a Fourier spectrometer equipped with a multimode quantum cascade laser and to a method for spectroscopic examination of a sample with the spectrometer.
  • Applications of the invention are given in spectroscopy.
  • Fourier spectrometers (or: FTI spectrometers, Fourier transform infrared spectrometers) are well-known spectrometers for infrared spectroscopy with a radiation source for generating laser light, an interferometer for generating a laser light-based interferogram, a detector device for detecting the interferogram after one Interaction with a sample and an evaluation device for Fourier transformation of the measured interferogram.
  • Single-mode QCLs allow for tunability in a spectral emission range of up to 240 GHz (see Han et al., Optics Letters, Vol. 39, pp. 3480-3483, 2014).
  • the continuous, reproducible adjustment of the single mode QCL resonator mode over the entire emission range while maintaining a high optical output power represents a technological challenge.
  • To adjust the sonorus mode of a single-mode QCL by the effective refractive index of the light mode of the single-mode QCL is changed by the approach of metallic material by means of piezo-positioner. Not only is this method relatively slow, it also provides low output powers and may also be too complicated for routine applications, such as in spectroscopy.
  • Multi-mode QCLs even have wider spectral coverage than single-mode QCL, e.g. in an emission range from 100 GHz to 300 GHz, and high output power.
  • the emission spectrum of the multimode QCL is composed of a plurality of narrow-band resonator modes between which spectral gaps exist.
  • the width of the spectral gaps is e.g. 20 GHz. Because of these gaps, multimode QCLs have hitherto been of limited use in spectroscopy applications, e.g. in the study of only slightly varying absorption bands. Since the tuning range of each resonator mode is below 6 GHz, conventional multi-mode QCLs for high-resolution spectroscopy have no advantage over single-mode QCLs.
  • a grating spectrometer with a QCL as a radiation source is described by R. Eichholz et al. in Applied Physics Letters (Vol. 99, pp. 141112-1 - 141112-3, 2011).
  • the QCL is operated in modulated continuous-wave mode, ie with a DC current on which a sinusoidal AC current is modulated, whereby a very small modulation of the emission frequency (order of magnitude 0.01 GHz) (modulation spectroscopy). If the emission frequency covers an absorption line of a gas under investigation, the derivative of a maximum is measured at the detector. To record a whole spectrum, the DC current has to be changed step by step.
  • the modulation spectroscopy according to R. Eichholz et al. thus has disadvantages by a relatively long measurement time and suitability primarily for narrow spectral lines.
  • the object of the invention is to provide an improved Fourier spectrometer with a radiation source in the form of a quantum cascade laser (QCL), with which disadvantages of conventional techniques are avoided.
  • the Fourier spectrometer is designed for sensitive absorption spectroscopy (ie high signal-to-noise ratio, SNR, and high dynamic range) including high-resolution transmission and reflection spectroscopy (eg, 0.1 GHz) in the THz range be suitable.
  • the QCL should be characterized in particular by a continuous (ie gapless) spectral coverage of a broad emission range, an increased optical output power, a simple tunability and / or a high reproducibility of the setting of emission frequencies.
  • a Fourier spectrometer for spectroscopic examination of a sample comprising a multimode quantum cascade laser (QCL) having an active QCL region in a laser cavity used to generate laser light with emission frequencies is configured according to a plurality of resonator modes of the laser resonator, an exciter configured to electrically excite the active QCL region by means of an electric pump current, and a tuner with which the resonator modes are adjustable, an interferometer with a beam splitter, a stationary one Interferometer mirror and a movable interferometer mirror, wherein the interferometer is arranged to generate an interferogram based on the laser light, a detector device for detecting the interferogram after an interaction with the sample and for detecting a Detektorigsig nals, which includes the detected interferogram, within a detector measurement time, and an evaluation device for detecting a spectrum of the sample by a Fourier transform of the detected interferogram.
  • QCL quantum cascade laser
  • the laser resonator may comprise a linear resonator, in particular a Fabry-Perot resonator with planar reflectors, or a circular resonator, in particular a ring resonator or a disc resonator.
  • the tuners of the multimode quantum cascade laser for periodic spectral variation of the resonator modes are configured with a timing period less than 1 min each in a spectral tuning interval at least equal to the spacing of adjacent resonator modes of the laser cavity, the active QCL region for generating the The emission frequencies of the laser light cover a spectral emission range of at least 50 GHz, in particular at least 70 GHz, and the detector means for averaging the time of the detector signal over the tuning period of the tuner designed the multi-mode quantum cascade laser.
  • the periodic variation of the resonator modes in the spectral tuning interval of the multimode QCL in the Fourier spectrometer comprises a continuous spectral shift of the resonator modes through the tuning interval.
  • the tuning interval includes the entire spectral gain profile of QCL or a portion of it.
  • the multimode QCL is tunable so that the spectral gaps between the resonator modes are closed over time.
  • the spectral gaps between the active resonator modes are closed, i. H.
  • the resonator modes which have an overlap with the gain profile of the QCL, therefore oscillate in the course of the laser process and determine the emission frequencies of the QCL.
  • the tuning of the QCL is performed spectrally continuously and periodically with the timing period less than 1 min.
  • a single resonator mode not only a single resonator mode but a plurality of resonator modes are concurrently tuned which cover the spectral emission range of the multimode QCL.
  • the resonator modes need not be shifted through the entire emission range, but only over the distance of adjacent resonator modes of the laser resonator of the multimode QCL, so that lower tuning requirements exist than conventional single mode QCL.
  • the tuning of the resonator modes takes place at least beyond the mode spacing of adjacent resonator modes of the laser resonator in the time tuning period less than 1 min, so that a continuous spectral coverage of the emission range is achieved on average over time, compared to conventional modulation techniques.
  • the inspection method comprises the steps of electrically exciting the active QCL region of the multimode QCL by means of an electric pumping current, wherein the resonator modes having the timing period less than 1 min are periodically varied in the spectral tuning interval at least equal to the spacing of adjacent resonator modes of the laser resonator is such that the emission frequencies of the laser light on a time average continuously cover the spectral emission range spanned by the resonator modes, and coupling the laser light from the laser resonator into the interferometer, generating the interferogram with the interferometer, interaction of the interferogram with the sample , Detecting the interferogram after the interaction of the interferogram with the sample and detection of the detector signal, which includes the detected interferogram, within the detector measurement time, and detection of the spectrum of the sample by a Fouri he transformation of the
  • the semiconductor heterostructure of the QCL active region of the multimode QCL is preferably realized with at least one of the following material systems: GalnAs / AllnAs on an InP substrate, GaAs / AIAs on a GaAs substrate, GaAs / AIGaAs on a GaAs substrate, AISb / InAs on an InAs substrate, or InGaAs / AllnAsSb, InGaAs / GaAsSb or InGaAs / AlInGaAs on InP substrates.
  • the semiconductor heterostructures each include a plurality, e.g. B. 1000 to 2000, semiconductor layers consisting of z. B. 50 to 300 identical repetitions of a sequence of z. B.
  • the detector means is designed for the inherent averaging of the detector signal by using a detector with a time constant which is greater than the time-voting period of the voting means.
  • the detector device for time averaging of the detector signal circuit components for signal averaging, z.
  • a boxcar integrator which may be configured for operation in synchronism with the periodic variation of the resonator modes, or a lock-in amplifier, which may be configured for operation in synchronism with the periodic variation of the resonator modes.
  • the timing period of the tuning device is less than 1/10, in particular less than 1/1000 of a measuring time of the spectrometer for recording the measuring spectrum (detector measuring time for detecting the detector signal, which represents the detected interferogram).
  • a measuring time of the spectrometer for recording the measuring spectrum detector measuring time for detecting the detector signal, which represents the detected interferogram.
  • an influence on the measurement result by the temporal averaging of the detector signal is negligible or completely excluded.
  • the tuning period of the tuner is less than 1 second, in particular less than 0.01 second.
  • the measurement is considerably accelerated with the Fourier spectrometer.
  • the tuning of the resonator modes of the multimode QCL used in accordance with the invention is preferably based on one of the mechanisms mentioned below.
  • the tuner is configured to periodically vary the pumping current of the QCL.
  • the variation of the pumping current is gradual, not erratic, e.g. B. ramped.
  • the tuning of the resonator modes preferably takes place according to a linear time function or a sinusoidal time function.
  • the linear time function is preferably in the form of a triangle function with ascending and descending ramps.
  • the effect of varying the pumping current is to modify the refractive index of the active region by so-called "frequency pulling" (or: frequency pulling, cavity pulling, see LA Dunbar et al., Applied Physics Letters, Vol. 141114 (2007), or H. Zhang et al., Journal of Applied Physics, Vol. 108, pp.
  • the duration of the interruption (shutdown) of the pumping current is chosen as a function of the available cooling capacity of the QCL cooling.
  • the tuner is for illuminating the multimode quantum cascade laser, in particular the active QCL region or a substrate of the active QCL region, with electro-magnetic radiation having an energy greater than the energy of the band gaps of the semiconductor materials used the active QCL region or substrate is configured with periodically varying amplitude, in particular, electromagnetic radiation in the visible or near infrared spectral region.
  • the tuning means for periodically varying the length of the laser resonator, z. B. using an external cavity with sliding mirror be set up.
  • the mentioned mechanisms for tuning the resonator modes of the multimode QCL used in accordance with the invention can be used in combination.
  • the tuning means of the Fourier spectrometer is configured for periodic spectral variation of the resonator modes with only a single control variable.
  • Fig. 1 (e) is a schematic illustration of a Fourier spectrometer according to a preferred embodiment of the invention
  • Figures 2 (a) and 2 (b) are graphs illustrating experimental results with a
  • Multi-mode QCL according to a preferred embodiment of the invention
  • FIGS. 3 (a) to 3 (c) are further graphs illustrating test results with FIG.
  • FIG. 4 shows an emission spectrum of a further example of a multimode QCL according to the invention.
  • the application of the invention is not limited to the exemplified materials and tuning mechanisms. Rather, the invention is in modified applications with other materials and with other tuning mechanisms, in particular based on irradiation of the active region with electromagnetic radiation having an energy greater than the energy of the band gaps of the used semiconductor materials for the active QCL region or Substrate is or a length variation of the laser resonator feasible.
  • a multi-mode QCL will not be described because it can be implemented as in a conventional multi-mode QCL.
  • a QCL formed by a GaAs / AIAs heterostructure on a GaAs substrate As described, reference is made to a QCL formed by a GaAs / AIAs heterostructure on a GaAs substrate.
  • the invention is not limited to this combination of semiconductors, but can be realized in accordance with other semiconductors. Details of the Fourier spectrometer and its operation are not described as far as they are known per se from conventional Fourier spectrometers
  • the multimode QCL is based, for example, on a Fabry-Perot laser resonator (FP laser resonator). This is formed by the active region of the QCL whose end faces form the reflectors of the FP laser resonator.
  • the active region comprises, in a manner known per se, a heterostructure of semiconductor layers, for example on a carrier substrate, which is connected to a pumping current source for injecting a pumping current.
  • Figure 1 (a) shows schematically a section of a typical FP spectrum comprising a plurality of equally spaced resonator modes. In practice, the number of active resonator modes is eg 10. The spectral positions of the FP resonator modes are given by cM
  • L opt nL is the optical path length in the laser resonator.
  • L opt is determined by the refractive index of the resonator n in the laser resonator and the geometric length of the laser resonator.
  • the order of the FP resonator mode M represents the number of intensity maxima of the standing wave in the laser resonator and is at least 100 for typical resonator lengths.
  • Adjacent FP resonator modes move virtually the same amount because for large mode orders dvM + i is approximately equal to dvM.
  • the entire continuously-covered frequency range is the product of the mode spacing and the number of active cavity modes, so that approximately the entire width of the gain profile of the active region is reached.
  • FIG. 1 (d) shows that a broadband, gapless emission spectrum is achieved over the time average when the optical path length increases continuously in a ramp over a time range ⁇ , thereby continuously shifting the resonator modes, ie tuning them, and the spectral power p is averaged over this time range ,
  • This process is also referred to as gapless time-averaged wideband operation (G-TAWB operation).
  • Figure 1 (e) shows schematically an embodiment of a spectrometer in the form of an FTIR spectrometer equipped with the multimode QCL according to the invention.
  • the tuning of Lop t is realized by ramp-shaped variations of the pump current with tuning periods in the range of eg 0.1 ⁇ 5 to 10 ⁇ 5.
  • the intensity variation detector is sensitive to a time scale of 10 ms, which is the time scale of the alternating design. and destructive interference due to the movement of the interferometer mirror of the FTIR (moveable mirror) spectrometer. Therefore, the detector means can not follow the signal variations contained in the emission spectrum of the QCL due to the fast tuning, so that the time average of a quasi-continuous spectrum is detected.
  • the QCL can be adjusted to adjust one of the resonator modes at any desired emission frequency within the emission range.
  • QCL can not emit a continuous spectrum at a given time.
  • the QCL is tuned to a tuning period ⁇ while the detector signal from the spectrometer detector is averaged over that tuning period, as shown in Fig. 1 (d). If the tuning period ⁇ is significantly lower, e.g.
  • the FP resonator modes are tuned far enough to close the spectral gaps between them.
  • the mode spacing is e.g. in FP laser resonators with a length of 3 mm around 10 GHz. The tuning interval over the mode spacing is achieved depending on the actual QCL used and the operating conditions (see in particular Fig. 4 and description thereof).
  • the Fourier spectrometer 100 includes a multimode QCL 10, an interferometer 20, a detector device 30, and an evaluation device 40.
  • the components 20, 30, and 40 of the schematically shown device are e.g. B. constructed as a spectrometer Bruker type IFS 120 HR.
  • the multimode QCL 10 includes an active QCL region in a laser resonator 11, an excitation device in the form of a pumping current source 12 and a tuner 13, the part the pumping power source 12 is.
  • the active QCL region is z. B. constructed as described by L. Schrottke et al. 108, pp. 102102 (2016))
  • the active QCL region has, for example, a width of approximately 120 ⁇ m and a length of approximately 3 mm
  • the active QCL region is designed to generate laser light with emission frequencies according to the resonator modes of the laser resonator 11.
  • the tuner 13 is included in the pumping current source 12 and designed to produce a periodically varying pumping current.
  • the variation of the pumping current with the pumping current source 12 follows, for example, a ram-shaped time function (triangular pattern).
  • the pump current source 12 and the tuner 13 comprise, for example, an ILX Lightwave LDP-3840 driver source with a pulse width of 1 ⁇ 5 and a trigger frequency of 300 kHz.
  • the rectangular pulse shape is converted to a triangular pulse shape that gives a ramp time function of the pumping current.
  • the QCL 10 is equipped with a cooler (not shown) for setting an operating temperature of the QCL.
  • the operating temperature is preferably less than 200 K, in particular less than 100 K, particularly preferably in the range of 5 K to 10 K.
  • the operating temperature is set, for example, with a He cryostat or a Stirling cooler.
  • QCL 10 is mounted on the cooled carrier (cooled finger) of a 10 K continuous flow cryostat in front of the external emission port of spectrometer 100.
  • the volume between the output window of the cryostat and the entrance window of the evacuated spectrometer 100 is purged with nitrogen to reduce the absorption by humidity.
  • the interferometer 20 is formed by a beam splitter 21, a stationary interferometer mirror 22 and a movable interferometer mirror 23 which are positioned in Michelson arrangement. By periodically moving the movable interferometer mirror 23, as known from conventional Fourier spectrometers, an interferogram based on the laser light of the QCL 10 is generated.
  • the interferogram is subjected to an interaction with the sample 1 to be examined at the output of the interferometer 20.
  • the sample 1 is z. B. in a gas cell or a liquid cuvette.
  • the detector device 30 is arranged to detect the interferogram after interaction with the sample 1.
  • a detector signal is detected which contains the detected interferogram.
  • the detector measuring time for detecting a complete detector signal is z. B. 400 seconds.
  • the detector signal is time averaged to compensate for the variations in emission frequencies of the QCL 10.
  • the z. B. comprises a computer unit, the detector signal is subjected to a Fourier transform, resulting in the immediate spectrum of the sample 1.
  • the time averaging of the detector signal is realized, for example, by using in the spectrometer 100 a slow pyroelectric detector which can not follow the rapid intensity changes of the ramped time function of the pumping current.
  • the sensor of the detector is made of DTGS (deuterated triglycine sulfate) with the highest sensitivity for intensity variations between 10 Hz and 100 Hz. This corresponds to typical frequencies of the intensity variation due to the continuously periodically moving one
  • FIG. 1 The maximum resolution of the spectrometer 100 used (based, for example, on the Bruker IFS 120 HR device) is 0.105 GHz (0.0035 cm 1 ).
  • Figure 2 (a) shows the emission spectrum of the multimode QCL in G-TAWB operation at the highest resolution of the spectrometer (0.105 GHz) in relative units. Continuous coverage in an emission range of 72 GHz (from 4,686 THz to 4,758 THz) was achieved. To minimize any broadening effect in the spectrum, boxcar apodization, Mertz phase correction, and an aperture of 8 mm are used. The spectrum is not smooth, because not only the position of the resonator modes but also their power and number is a function of the pumping current.
  • FIG. 2 (b) shows the QCL emission spectrum of G-TAWB operation recorded at a spectral resolution of 0.3 GHz, a scanner speed of 10 kHz, and an aperture of 8 mm as compared to a high-power thermal source based on a heated SiC Rod, which is part of the commercially available spectrometer.
  • the QCL according to the invention exhibits a power output that is 1 to 2 orders of magnitude higher.
  • the spectrum of the thermal source is due to its low output power, which corresponds to the magnitude of the detector noise because of the high resolution, not smooth.
  • the thermal source power is comparable to that of a high pressure mercury lamp.
  • An important advantage of the inventive spectrometer 100 is the improved signal-to-noise ratio (SNR), which is a measure of the ability to detect a weak signal from a noisy detector signal.
  • SNR can be acquired from several consecutively recorded spectra taken under the same conditions, dividing the mean by the standard deviation for each frequency point.
  • Figure 3 (a) shows the SNR of the QCL 10 used in the present invention and the conventional thermal source calculated from ten successive measurements.
  • the QCL 10 Similar to the power of the emission spectra, the QCL 10 exhibits a frequency dependent varying SNR, which results from the varying power. In the case of the thermal source, its low output power, which is comparable to the detector noise, results in a low SNR. Over the entire frequency range, the QCL 10 SNR is significantly higher than the thermal source SNR.
  • the SNR of the QCL 10 according to the invention can be further increased by minimizing fluctuations in the operation of the tuner, in particular fluctuations in the pump flow.
  • the dynamic range In addition to the SNR, there is another important parameter of the spectrometer 100 in the dynamic range.
  • the detector noise is detected while the radiation from the radiation source is blocked.
  • the dynamic range can then be calculated by dividing the emission spectrum by the determined noise level. It is therefore a measure of maximum absorption that can be distinguished from noise.
  • the QCL 10 and the thermal source at the inlet opening of the sample chamber has been blocked whose low thermal emissivity ensures that no further thermal radiation is incident on the detector 30.
  • the dynamic range is between 50 and 750 depending on the frequency considered. This in turn represents a significant advantage over the thermal source, which has a dynamic range of about 3.5.
  • the output power of the multimode QCL 10 used in accordance with the invention may vary depending on the emission frequency. Advantageously, this does not affect the application of the multimode QCL 10 in the spectrometer 100, as will be illustrated below with reference to FIG.
  • Figure 3 (b) shows the transmission spectra taken with the multimode QCL 10 of the present invention and a conventional thermal source, respectively.
  • the spectral resolution is 0.3 GHz (0.01 cm -1 ), the scanning speed is 7.5 kHz and the measuring aperture is 8 mm
  • the transmission spectra were obtained by passing a spectrum recorded with the gas cell in the sample chamber of the spectrometer 100 through a then without the Gas cell recorded spectrum is divided.
  • the measurement using the multimode QCL 10 as a radiation source clearly shows the transmission spectrum of water vapor with only a spectrally slowly changing transmission curve.
  • the output power was too low compared to the noise level of the detector to make a significant measurement.
  • the measurements were repeated with a reduced noise level by changing the spectral resolution from 0.3 to 1.5 GHz and the mirror speed from 7.5 to 2.2 kHz.
  • Figure 3 (c) shows the resulting transmission spectra.
  • two measurements are shown in Figure 3 (c), each showing the QCL and the thermal source (th.s.).
  • the spectra in Figure 3 (c) show evaluable results using the thermal source.
  • the difference between the two nominally identical transmission spectra and the occurrence of negative values between 4.73 and 4.74 THz show that the rapidly varying modulations in the spectra are caused by noise.
  • the transmission spectra are smooth and highly reproducible using the multimode QCL 10 of the present invention as the radiation source, regardless of the frequency-varying output power.
  • Figure 4 shows the emission spectrum of another embodiment of a multimode QCL 10 used in accordance with the invention in G-TAWB operation which is similar in multilevel QCL in terms of wavefunction structure, center frequency, and waveguide / laser cavity dimensions to the embodiment described above.
  • the highest possible resolution (0.105 GHz), boxcar apodization, Mertz phase correction, and 8 mm aperture was used to acquire the spectrum in Figure 4 to allow any broadening effect in the spectrum minimize.
  • Figure 4 shows the emission spectrum of the multimode QCL 10 whose active region has AlAs barriers. The spectrum has a lower bandwidth, but continuously covers a frequency range of 60 GHz with a narrow gap at 4,724 THz. By optimizing the heterostructure, in particular its layer thicknesses, this gap can be closed.

Abstract

The invention relates to a Fourier spectrometer for spectroscopically analysing a sample, comprising: a multi-mode quantum cascade laser (QCL) that has an active QCL region in a laser resonator, which is configured to generate laser light with emission frequencies according to a plurality of resonator modes of said laser resonator, an excitation device configured to electrically excite said active QCL region using an electric pump current, and a tuning device by means of which the resonator modes can be set; an interferometer for producing an interferogram on the basis of the laser light; a detector device for detecting the interferogram following interaction with the sample and for acquiring a detector signal containing the detected interferogram, within a detector measuring time; and an evaluation device that is configured to acquire a spectrum of the sample using a Fourier transform of the detected interferogram. The QCL tuning device is designed to periodically and spectrally vary the resonator modes, with a tuning time period of less than 1 minute, in a spectral tuning interval which is at least equal to the spacing between consecutive resonator modes of the laser resonator, the active QCL region is configured to generate laser light with emission frequencies in the range of 1 THz to 6 THz, wherein the emission frequencies of the laser light cover a spectral emission range of at least 50 GHz, and the detector device is designed to temporally average the detector signal over the tuning time period of the QCL tuning device. The invention also relates to a method for spectroscopically analysing a sample using the spectrometer.

Description

Fourier-Spektrometer mit einem Mehrmoden-Quantenkaskadenlaser, und Verfahren zur spektroskopischen Untersuchung einer Probe  Fourier spectrometer with a multimode quantum cascade laser, and method for spectroscopic examination of a sample
Die Erfindung betrifft ein Fourier-Spektrometer, das mit einem Mehrmoden-Quantenkaskadenlaser ausgestattet ist, und ein Verfahren zur spektroskopischen Untersuchung einer Probe mit dem Spektrometer. Anwendungen der Erfindung sind in der Spektroskopie gegeben. Fourier-Spektrometer (oder: FTI -Spektrometer, Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer) sind allgemein bekannte Spektrometer für die Infrarotspektroskopie mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung von Laserlicht, einem Interferometer zur Erzeugung eines auf dem Laserlicht basierenden Interferogramms, einer Detektoreinrichtung zur Detektion des Interferogramms nach einer Wechselwirkung mit einer Probe und einer Auswertungseinrichtung zur Fourier- Transformation des gemessenen Interferogramms. The invention relates to a Fourier spectrometer equipped with a multimode quantum cascade laser and to a method for spectroscopic examination of a sample with the spectrometer. Applications of the invention are given in spectroscopy. Fourier spectrometers (or: FTI spectrometers, Fourier transform infrared spectrometers) are well-known spectrometers for infrared spectroscopy with a radiation source for generating laser light, an interferometer for generating a laser light-based interferogram, a detector device for detecting the interferogram after one Interaction with a sample and an evaluation device for Fourier transformation of the measured interferogram.
Zur Erzielung einer möglichst hohen spektralen Auflösung und Empfindlichkeit besteht bei einem herkömmlichen Fourier-Spektrometer ein Interesse an leistungsstarken, breitbandigen und durchstimmbaren Strahlungsquellen mit einer Emission im Terahertz-(THz)-Spektralbereich. Der- artige Strahlungsquellen mit einer breitbandigen Emission und einer kontinuierlichen Abdeckung dieses Emissionsbereichs sind zwar bekannt. Sie basieren beispielsweise auf geheizten SiC-Stäben oder auf Hochdruck-Quecksilberdampflampen. Derartige Strahlungsquellen weisen jedoch eine für viele praktische Anwendungen ungenügende Ausgangsleistung auf. Demgegenüber sind aufgrund ihrer hohen Ausgangsleistung Quantenkaskadenlaser (QCL), insbesondere THz- Quantenkaskadenlaser, vielversprechende Strahlungsquellen, die insbesondere aufgrund ihrer Schmalbandigkeit für spektroskopische Untersuchungen, z.B. für die Untersuchung von Energieübergängen in Atomen, Molekülen oder Festkörpern, besonders geeignet sind. Es sind Einzelmoden-QCL und Mehrmoden-QCL mit einer zeitlich kontinuierlichen Emission (CW-Emission, Dauerstrich-Emission) vorgeschlagen worden. To achieve the highest possible spectral resolution and sensitivity in a conventional Fourier spectrometer, there is an interest in high-performance, broadband and tunable radiation sources with an emission in the terahertz (THz) spectral range. Such radiation sources with broadband emission and continuous coverage of this emission range are known. They are based, for example, on heated SiC rods or on high-pressure mercury vapor lamps. However, such radiation sources have an insufficient output power for many practical applications. In contrast, because of their high output, quantum cascade lasers (QCLs), in particular THz quantum cascade lasers, are promising radiation sources which, in particular because of their narrowbandness, are suitable for spectroscopic studies, e.g. for the study of energy transitions in atoms, molecules or solids, are particularly suitable. Single-mode QCL and multi-mode QCL with continuous time emission (CW emission, CW emission) have been proposed.
Einzelmoden-QCL erlauben eine Verstimmbarkeit in einem spektralen Emissionsbereich von bis zu 240 GHz (siehe Han et al. in "Optics Letters", Bd. 39, S. 3480-3483, 2014). Die kontinuierliche, reproduzierbare Einstellung der einzelnen Resonatormode des Einzelmoden-QCL im gesamten Emissionsbereich bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hohen optischen Ausgangsleistung stellt jedoch eine technologische Herausforderung dar. Beispielsweise ist bekannt, eine einzelne Re- sonatormode eines Einzelmoden-QCL einzustellen, indem die effektive Brechzahl der Lichtmode des Einzelmoden-QCL durch die Annäherung metallischen Materials mittels Piezo-Positionierer verändert wird. Dieses Verfahren ist nicht nur relativ langsam, sondern bietet zu geringe Ausgangsleistungen und kann auch zu kompliziert für Routineanwendungen, wie z.B. in der Spektro- skopie, sein. Single-mode QCLs allow for tunability in a spectral emission range of up to 240 GHz (see Han et al., Optics Letters, Vol. 39, pp. 3480-3483, 2014). The continuous, reproducible adjustment of the single mode QCL resonator mode over the entire emission range while maintaining a high optical output power, however, represents a technological challenge. For example, it is known to provide a single reflection To adjust the sonorus mode of a single-mode QCL by the effective refractive index of the light mode of the single-mode QCL is changed by the approach of metallic material by means of piezo-positioner. Not only is this method relatively slow, it also provides low output powers and may also be too complicated for routine applications, such as in spectroscopy.
Praktische Anwendungen eines Einzelmoden-QCL im kontinuierlichen Betrieb (cw-Betrieb), z. B. zur Messung einer Gas-Absorptionslinie oder als lokaler Oszillator bei einer Heterodyn-Detektion von Schwarzkörper-Strahlung oder Strahlung aus dem Weltall sind bisher auf schmalbandige Ab- Stimmbereiche unterhalb 6 GHz beschränkt. Versuche, den Emissionsbereich eines Einzelmoden- QCL für praktische Anwendungen zu vergrößern, ergaben eine beschränkte Reproduzierbarkeit, eine hohe Komplexität der QCL-Abstimmung und geringe optische Ausgangsleistungen. Practical applications of a single mode QCL in continuous operation (cw operation), e.g. Example, for measuring a gas absorption line or as a local oscillator in a heterodyne detection of blackbody radiation or radiation from space are limited to narrowband Ab-Stimmbereiche below 6 GHz. Attempts to increase the emission range of a single-mode QCL for practical applications have resulted in limited reproducibility, high complexity of QCL tuning, and low optical output powers.
Mehrmoden-QCL haben sogar eine breitere spektrale Abdeckung als Einzelmoden-QCL, z.B. in einem Emissionsbereich von 100 GHz bis 300 GHz, und hohe Ausgangsleistungen. Das Emissionsspektrum der Mehrmoden-QCL setzt sich jedoch aus einer Vielzahl schmalbandiger Resonatormoden zusammen, zwischen denen spektrale Lücken existieren. Die Breite der spektralen Lücken beträgt z.B. 20 GHz. Aufgrund dieser Lücken sind Mehrmoden-QCL bisher für Anwendungen in der Spektroskopie nur beschränkt geeignet, z.B. bei der Untersuchung von nur gering variierenden Absorptionsbändern. Da der Abstimmbereich jeder Resonatormode unterhalb von 6 GHz liegt, haben herkömmliche Multimoden-QCL für hochauflösende Spektroskopie keinen Vorteil gegenüber Einzelmoden-QCL. Multi-mode QCLs even have wider spectral coverage than single-mode QCL, e.g. in an emission range from 100 GHz to 300 GHz, and high output power. However, the emission spectrum of the multimode QCL is composed of a plurality of narrow-band resonator modes between which spectral gaps exist. The width of the spectral gaps is e.g. 20 GHz. Because of these gaps, multimode QCLs have hitherto been of limited use in spectroscopy applications, e.g. in the study of only slightly varying absorption bands. Since the tuning range of each resonator mode is below 6 GHz, conventional multi-mode QCLs for high-resolution spectroscopy have no advantage over single-mode QCLs.
Von M. Wienold et al. wird in "Optics Express" (Bd. 22, S. 30410 - 30424, 2014) ein Breitband-THz- QCL mit einem Fabry-Perot-Resonator beschrieben, wobei die Emission des QCL mit einem Fou- rier-Spektrometer erfasst wird. Der Abstimmbereich der einzelnen Lasermoden des QCL deckt den Modenabstand des Resonators ab. Die kontinuierliche Abdeckung wird mittels einer kombinierten Strom- und Temperatur-Einstellung erreicht, also mittels zweier Steuergrößen. Der von M. Wienold et al. beschriebene QCL hat Nachteile aufgrund der Kompliziertheit der gleichzeitigen Strom- und Temperatur-Einstellung und des langsamen Ansprechens der Abstimmung. M. Wienold et al. In "Optics Express" (Vol. 22, pp. 30410-3042424, 2014) a broadband THz QCL with a Fabry-Perot resonator is described, the emission of the QCL being detected with a Fourier spectrometer. The tuning range of the individual laser modes of the QCL covers the mode spacing of the resonator. The continuous coverage is achieved by means of a combined current and temperature setting, ie by means of two control variables. The von Wienold et al. described QCL has drawbacks due to the complexity of the simultaneous current and temperature adjustment and the slow response of the vote.
Ein Gitterspektrometer mit einem QCL als Strahlungsquelle wird von R. Eichholz et al. in "Applied Physics Letters" (Bd. 99, S. 141112-1 - 141112-3, 2011) beschrieben. Der QCL wird im modulierten Dauerstrich-Betrieb, d. h. mit einem DC-Strom, auf den ein sinusförmiger AC-Strom aufmoduliert ist, betrieben, wodurch eine sehr kleine Modulation der Emissionsfrequenz (Größenordnung 0,01 GHz) bewirkt wird (Modulationsspektroskopie). Überstreicht die Emissionsfrequenz eine Absorptionslinie eines untersuchten Gases, wird am Detektor die Ableitung eines Maximums gemessen. Um ein ganzes Spektrum aufzunehmen, muss der DC-Strom schrittweise geändert werden. Die Modulationsspektroskopie gemäß R. Eichholz et al. hat somit Nachteile durch eine relativ lange Messzeit und eine Eignung vorrangig für schmale Spektrallinien. A grating spectrometer with a QCL as a radiation source is described by R. Eichholz et al. in Applied Physics Letters (Vol. 99, pp. 141112-1 - 141112-3, 2011). The QCL is operated in modulated continuous-wave mode, ie with a DC current on which a sinusoidal AC current is modulated, whereby a very small modulation of the emission frequency (order of magnitude 0.01 GHz) (modulation spectroscopy). If the emission frequency covers an absorption line of a gas under investigation, the derivative of a maximum is measured at the detector. To record a whole spectrum, the DC current has to be changed step by step. The modulation spectroscopy according to R. Eichholz et al. thus has disadvantages by a relatively long measurement time and suitability primarily for narrow spectral lines.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Fourier-Spektrometer mit einer Strahlungsquelle in Gestalt eines Quantenkaskadenlasers (QCL) bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Das Fourier-Spektrometer soll insbesondere für eine empfind- liehe Absorptionsspektroskopie (d.h. hohes Signal-Rausch-Verhältnis, SNR, und großer dynamischer Bereich) einschließlich Transmissions- und Reflektionsspektroskopie mit hoher Auflösung (z. B. 0,1 GHz) im THz-Bereich geeignet sein. Der QCL soll sich insbesondere durch eine kontinuierliche (d. h. lückenlose) spektrale Abdeckung eines breiten Emissionsbereichs, eine erhöhte optische Ausgangsleistung, eine einfache Abstimmbarkeit und/oder eine hohe Reproduzierbarkeit der Ein- Stellung von Emissionsfrequenzen auszeichnen. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur spektroskopischen Untersuchung einer Probe mit dem Spektrometer, mit dem jeweils Nachteile und Beschränkungen herkömmlicher Techniken vermieden werden. Diese Aufgaben werden durch ein Fourier-Spektrometer und ein Verfahren zu dessen Betrieb mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. The object of the invention is to provide an improved Fourier spectrometer with a radiation source in the form of a quantum cascade laser (QCL), with which disadvantages of conventional techniques are avoided. Specifically, the Fourier spectrometer is designed for sensitive absorption spectroscopy (ie high signal-to-noise ratio, SNR, and high dynamic range) including high-resolution transmission and reflection spectroscopy (eg, 0.1 GHz) in the THz range be suitable. The QCL should be characterized in particular by a continuous (ie gapless) spectral coverage of a broad emission range, an increased optical output power, a simple tunability and / or a high reproducibility of the setting of emission frequencies. Further objects of the invention are to provide an improved method for the spectroscopic examination of a sample with the spectrometer, which avoids the disadvantages and limitations of conventional techniques. These objects are achieved by a Fourier spectrometer and a method of operating the same having the features of the independent claims. Advantageous embodiments and applications of the invention will become apparent from the dependent claims.
Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch ein Fourier-Spektrometer zur spektroskopischen Untersuchung einer Probe gelöst, das einen Mehr- moden-Quantenkaskadenlaser (QCL) mit einer aktive QCL-Region in einem Laserresonator, die zur Erzeugung von Laserlicht mit Emissionsfrequenzen gemäß einer Vielzahl von Resonatormoden des Laserresonators konfiguriert ist, einer Anregungseinrichtung, die zur elektrischen Anregung der aktiven QCL-Region mittels eines elektrischen Pumpstroms konfiguriert ist, und einer Ab- Stimmeinrichtung, mit der die Resonatormoden einstellbar sind, ein Interferometer mit einem Strahlteiler, einem stationären Interferometer-Spiegel und einem beweglichen Interferometer- Spiegel, wobei das Interferometer zur Erzeugung eines auf dem Laserlicht basierenden Interfero- gramms angeordnet ist, eine Detektoreinrichtung zur Detektion des Interferogramms nach einer Wechselwirkung mit der Probe und zur Erfassung eines Detektorsignals, welches das detektierte Interferogramm beinhaltet, innerhalb einer Detektormesszeit, und eine Auswertungseinrichtung zur Erfassung eines Spektrums der Probe durch eine Fourier-Transformation des detektierten Interferogramms umfasst. Der Laserresonator kann einen linearen Resonator, insbesondere einen Fabry-Perot-Resonator mit ebenen Reflektoren, oder einen zirkulären Resonator, insbesondere einen Ring-Resonator oder einen Scheiben-Resonator, umfassen. According to a first general aspect of the invention, the above object is achieved by a Fourier spectrometer for spectroscopic examination of a sample comprising a multimode quantum cascade laser (QCL) having an active QCL region in a laser cavity used to generate laser light with emission frequencies is configured according to a plurality of resonator modes of the laser resonator, an exciter configured to electrically excite the active QCL region by means of an electric pump current, and a tuner with which the resonator modes are adjustable, an interferometer with a beam splitter, a stationary one Interferometer mirror and a movable interferometer mirror, wherein the interferometer is arranged to generate an interferogram based on the laser light, a detector device for detecting the interferogram after an interaction with the sample and for detecting a Detektorigsig nals, which includes the detected interferogram, within a detector measurement time, and an evaluation device for detecting a spectrum of the sample by a Fourier transform of the detected interferogram. The laser resonator may comprise a linear resonator, in particular a Fabry-Perot resonator with planar reflectors, or a circular resonator, in particular a ring resonator or a disc resonator.
Gemäß der Erfindung sind die Abstimmeinrichtung des Mehrmoden-Quantenkaskadenlasers zur periodischen spektralen Variation der Resonatormoden mit einer zeitlichen Abstimmperiode geringer als 1 min jeweils in einem spektralen Abstimmintervall konfiguriert, das mindestens gleich dem Abstand benachbarter Resonatormoden des Laserresonators ist, die aktive QCL-Region zur Erzeugung des Laserlichts mit den Emissionsfrequenzen im Bereich von 1 THz bis 6 THz abdeckeckend, konfiguriert, wobei die Emissionsfrequenzen des Laserlichts einen spektralen Emissionsbereich von mindestens 50 GHz, insbesondere mindestens 70 GHz, abdecken, und die Detektoreinrichtung zur zeitlichen Mittelung des Detektorsignals über die zeitliche Abstimmperiode der Abstimmeinrichtung des Mehrmoden-Quantenkaskadenlasers ausgelegt. According to the invention, the tuners of the multimode quantum cascade laser for periodic spectral variation of the resonator modes are configured with a timing period less than 1 min each in a spectral tuning interval at least equal to the spacing of adjacent resonator modes of the laser cavity, the active QCL region for generating the The emission frequencies of the laser light cover a spectral emission range of at least 50 GHz, in particular at least 70 GHz, and the detector means for averaging the time of the detector signal over the tuning period of the tuner designed the multi-mode quantum cascade laser.
Die periodische Variation der Resonatormoden im spektralen Abstimmintervall des Mehrmoden- QCL im erfindungsgemäßen Fourier-Spektrometer umfasst eine kontinuierliche spektrale Verschiebung der Resonatormoden durch das Abstimmintervall. Das Abstimmintervall umfasst das gesamte spektrale Verstärkungsprofil des QCL oder einen Teil von diesem. Vorteilhafterweise ist der Mehrmoden-QCL so abstimmbar, dass die spektralen Lücken zwischen den Resonatormoden im Zeitverlauf geschlossen werden. Es werden die spektralen Lücken zwischen den aktiven Resonatormoden geschlossen, d. h. den Resonatormoden, die einen Überlapp mit dem Verstärkungsprofil des QCL haben, daher im Zuge des Laserprozess anschwingen und die Emissionsfrequenzen des QCL bestimmen. Die Abstimmung des QCL wird spektral kontinuierlich und perio- disch mit der zeitlichen Abstimmperiode geringer als 1 min ausgeführt. The periodic variation of the resonator modes in the spectral tuning interval of the multimode QCL in the Fourier spectrometer according to the invention comprises a continuous spectral shift of the resonator modes through the tuning interval. The tuning interval includes the entire spectral gain profile of QCL or a portion of it. Advantageously, the multimode QCL is tunable so that the spectral gaps between the resonator modes are closed over time. The spectral gaps between the active resonator modes are closed, i. H. The resonator modes, which have an overlap with the gain profile of the QCL, therefore oscillate in the course of the laser process and determine the emission frequencies of the QCL. The tuning of the QCL is performed spectrally continuously and periodically with the timing period less than 1 min.
Abweichend von einem herkömmlichen Einzelmoden-QCL wird erfindungsgemäß nicht nur eine einzelne Resonatormode, sondern eine Vielzahl von Resonatormoden gleichzeitig abgestimmt, die den spektralen Emissionsbereich des Mehrmoden-QCL abdecken. Vorteilhafterweise müssen die Resonatormoden nicht durch den kompletten Emissionsbereich, sondern nur über den Abstand benachbarter Resonatormoden des Laserresonators des Mehrmoden-QCL verschoben werden, so dass geringere Anforderungen an die Abstimmung bestehen als bei herkömmlichen Einzelmoden- QCL. Im Unterschied zu herkömmlichen Mehrmoden-QCL erfolgt die Abstimmung der Resonatormoden mindestens über den Modenabstand benachbarter Resonatormoden des Laserresonators in der zeitlichen Abstimmperiode geringer als 1 min, so dass im zeitlichen Mittel schneller als bei herkömmlichen Modulationstechniken eine kontinuierliche spektrale Abdeckung des Emissionsbe- reichs erzielt wird. Unlike a conventional single-mode QCL, according to the invention, not only a single resonator mode but a plurality of resonator modes are concurrently tuned which cover the spectral emission range of the multimode QCL. Advantageously, the resonator modes need not be shifted through the entire emission range, but only over the distance of adjacent resonator modes of the laser resonator of the multimode QCL, so that lower tuning requirements exist than conventional single mode QCL. In contrast to conventional multimode QCL, the tuning of the resonator modes takes place at least beyond the mode spacing of adjacent resonator modes of the laser resonator in the time tuning period less than 1 min, so that a continuous spectral coverage of the emission range is achieved on average over time, compared to conventional modulation techniques.
Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur spektroskopischen Untersuchung einer Probe mit dem Fourier-Spektrometer gemäß dem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung bereitgestellt. Das Untersuchungsverfahren umfasst die Schritte elektrische Anregung der aktiven QCL-Region des Mehrmoden-QCL mittels eines elektrischen Pumpstroms, wobei die Resonatormoden mit der zeitlichen Abstimmperiode geringer als 1 min jeweils in dem spektralen Abstimmintervall periodisch variiert werden, das mindestens gleich dem Abstand benachbarter Resonatormoden des Laserresonators ist, so dass die Emissionsfrequenzen des Laserlichts im zeitlichen Mittel den spektralen Emissionsbereich kontinuierlich abde- cken, der von den Resonatormoden aufgespannt wird, und Auskopplung des Laserlichts aus dem Laserresonator in das Interferometer, Erzeugung des Interferogramms mit dem Interferometer, Wechselwirkung des Interferogramms mit der Probe, Detektion des Interferogramms nach der Wechselwirkung des Interferogramms mit der Probe und Erfassung des Detektorsignals, welches das detektierte Interferogramm beinhaltet, innerhalb der Detektormesszeit, und Erfassung des Spektrums der Probe durch eine Fourier-Transformation des detektierten Interferogramms. According to a second general aspect of the invention, there is provided a method for spectroscopic examination of a sample with the Fourier spectrometer according to the first general aspect of the invention. The inspection method comprises the steps of electrically exciting the active QCL region of the multimode QCL by means of an electric pumping current, wherein the resonator modes having the timing period less than 1 min are periodically varied in the spectral tuning interval at least equal to the spacing of adjacent resonator modes of the laser resonator is such that the emission frequencies of the laser light on a time average continuously cover the spectral emission range spanned by the resonator modes, and coupling the laser light from the laser resonator into the interferometer, generating the interferogram with the interferometer, interaction of the interferogram with the sample , Detecting the interferogram after the interaction of the interferogram with the sample and detection of the detector signal, which includes the detected interferogram, within the detector measurement time, and detection of the spectrum of the sample by a Fouri he transformation of the detected interferogram.
Die Halbleiter-Heterostruktur der aktiven QCL-Region des Mehrmoden-QCL wird vorzugsweise mit mindestens einem der folgenden Materialsysteme realisiert: GalnAs/AllnAs auf einem InP- Substrat, GaAs/AIAs auf einem GaAs-Substrat, GaAs/AIGaAs auf einem GaAs-Substrat, AISb/lnAs auf einem InAs-Substrat, oder InGaAs/AllnAsSb, InGaAs/GaAsSb oder InGaAs/AIInGaAs auf InP- Substraten. Die Halbleiter-Heterostrukturen umfassen jeweils eine Vielzahl, z. B. 1000 bis 2000, Halbleiterschichten, die sich aus z. B. 50 bis 300 identischen Wiederholungen einer Abfolge von z. B. 3 bis 20 Halbleiterschichten verschiedener Bandlücken und Dicken zusammensetzen. Die Anwendung des Mehrmoden-QCL für die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (insbesondere THz-Spektroskopie) bietet Vorteile hinsichtlich der hohen spektralen Auflösung und der Abstimmbarkeit in einem weiten Frequenzbereich. Des Weiteren bietet der erfindungsgemäß verwendete Mehrmoden-QCL gegenüber herkömmlichen THz-Quellen für die Fourier- Transmissions-Infrarotspektroskopie Vorteile aufgrund des verbesserten Signal-Rausch- Verhältnisses und eines um 1 bis 2 Größenordnungen vergrößerten Dynamikbereiches. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spektrometers ist die Detektoreinrichtung zur inhärenten zeitlichen Mittelung des Detektorsignals durch Verwendung eines Detektors mit einer Zeitkonstante ausgelegt, die größer als die zeitliche Abstimmperiode der Ab- Stimmeinrichtung ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Detektoreinrichtung zur zeitlichen Mittelung des Detektorsignals Schaltungskomponenten für die Signalmittelung, z. B. einen Boxcar- Integrator, der für einen Betrieb synchron zur periodischen Variation der Resonatormoden konfiguriert sein kann, oder einen Lock-in-Verstärker, der für einen Betrieb synchron zur periodischen Variation der Resonatormoden konfiguriert sein kann, umfassen. The semiconductor heterostructure of the QCL active region of the multimode QCL is preferably realized with at least one of the following material systems: GalnAs / AllnAs on an InP substrate, GaAs / AIAs on a GaAs substrate, GaAs / AIGaAs on a GaAs substrate, AISb / InAs on an InAs substrate, or InGaAs / AllnAsSb, InGaAs / GaAsSb or InGaAs / AlInGaAs on InP substrates. The semiconductor heterostructures each include a plurality, e.g. B. 1000 to 2000, semiconductor layers consisting of z. B. 50 to 300 identical repetitions of a sequence of z. B. 3 to 20 semiconductor layers composed of different band gaps and thicknesses. The application of multimode QCL for Fourier transform infrared spectroscopy (especially THz spectroscopy) offers advantages in terms of high spectral resolution and tunability in a wide frequency range. Furthermore, the multimode QCL used in the present invention offers advantages over conventional THz sources for Fourier transmission infrared spectroscopy because of the improved signal-to-noise ratio and dynamic range increased by 1 to 2 orders of magnitude. According to a preferred embodiment of the spectrometer according to the invention, the detector means is designed for the inherent averaging of the detector signal by using a detector with a time constant which is greater than the time-voting period of the voting means. Alternatively or additionally, the detector device for time averaging of the detector signal circuit components for signal averaging, z. A boxcar integrator, which may be configured for operation in synchronism with the periodic variation of the resonator modes, or a lock-in amplifier, which may be configured for operation in synchronism with the periodic variation of the resonator modes.
Vorzugsweise ist die zeitliche Abstimmperiode der Abstimmeinrichtung geringer als 1/10, insbesondere geringer als 1/1000 einer Messzeit des Spektrometers zur Aufnahme des Mess- Spektrums (Detektormesszeit zur Erfassung des Detektorsignals, welches das detektierte Inter- ferogramm repräsentiert). Vorteilhafterweise wird damit eine Beeinflussung des Messergebnisses durch die zeitliche Mittelung des Detektorsignals vernachlässigbar gering oder vollständig ausgeschlossen. Preferably, the timing period of the tuning device is less than 1/10, in particular less than 1/1000 of a measuring time of the spectrometer for recording the measuring spectrum (detector measuring time for detecting the detector signal, which represents the detected interferogram). Advantageously, an influence on the measurement result by the temporal averaging of the detector signal is negligible or completely excluded.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spektrometers beträgt die zeitliche Abstimmperiode der Abstimmeinrichtung weniger als 1 Sekunde, insbeson- dere weniger als 0,01 Sekunden. Vorteilhafterweise wird damit die Messung mit dem Fourier- Spektrometer erheblich beschleunigt. According to a further preferred embodiment of the spectrometer according to the invention, the tuning period of the tuner is less than 1 second, in particular less than 0.01 second. Advantageously, the measurement is considerably accelerated with the Fourier spectrometer.
Die Abstimmung der Resonatormoden des erfindungsgemäß verwendeten Mehrmoden-QCL basiert vorzugsweise auf einem der im Folgenden genannten Mechanismen. The tuning of the resonator modes of the multimode QCL used in accordance with the invention is preferably based on one of the mechanisms mentioned below.
Gemäß einem ersten, bevorzugten Abstimmmechanismus ist die Abstimmeinrichtung zur periodischen Variation des Pumpstroms des QCL konfiguriert. Die Variation des Pumpstroms ist graduell, nicht sprunghaft, z. B. rampenförmig. Die Abstimmung der Resonatormoden erfolgt vorzugsweise gemäß einer linearen Zeitfunktion oder einer sinusförmigen Zeitfunktion. Die lineare Zeitfunktion hat vorzugsweise die Gestalt einer Dreieck-Funktion mit auf- und absteigenden Rampen. Die Wirkung der Variation des Pumpstroms besteht in der Modifikation des Brechungsindex der aktiven Region durch so genanntes„Frequency Pulling" (oder: Frequenzziehen, Cavity Pulling, siehe LA. Dunbar et al. in„Applied Physics Letters", Bd. 90, S. 141114 (2007), oder H. Zhang et al. in„Journal of Applied Physics", Bd. 108, S. 93104 (2010)). Eine geänderte optische Verstärkung (oder ein geänderter Verlust) ergibt immer eine Modifikation des Brechungsindex, da beide Werte über die Kramers-Kronig-Beziehungen gekoppelt sind. Im Unterschied zu einer Temperatur-basierten Abstimmung ist dies vorteilhafterweise ein sehr schneller Prozess, da er an den Aufbau der Verstärkung in Mehrmoden-QCL gekoppelt ist. Daher ist dieser Mechanismus mit dem schnellen Abstimmen bei 300 kHz kompatibel, da er für den erfindungsgemäß verwendeten Mehrmoden-QCL vorgesehen sein kann. In Abhängigkeit von dem verwendeten Material, dem Verstärkungsprofil und seiner Abhängigkeit vom Pumpstrom kann der erreichbare Abstimmbereich variieren. According to a first preferred tuning mechanism, the tuner is configured to periodically vary the pumping current of the QCL. The variation of the pumping current is gradual, not erratic, e.g. B. ramped. The tuning of the resonator modes preferably takes place according to a linear time function or a sinusoidal time function. The linear time function is preferably in the form of a triangle function with ascending and descending ramps. The effect of varying the pumping current is to modify the refractive index of the active region by so-called "frequency pulling" (or: frequency pulling, cavity pulling, see LA Dunbar et al., Applied Physics Letters, Vol. 141114 (2007), or H. Zhang et al., Journal of Applied Physics, Vol. 108, pp. 93104 (2010).) Altered optical gain (or loss) always results in a refractive index modification both values over the Kramers-Kronig relationships are coupled. In contrast to a temperature-based tuning, this is advantageously a very fast process because it is coupled to the build-up of the gain in multimode QCL. Therefore, this mechanism is compatible with fast tuning at 300 kHz since it can be provided for the multimode QCL used in the present invention. Depending on the material used, the gain profile and its dependence on the pumping current, the achievable tuning range can vary.
Die periodische Variation des Pumpstroms (Zeitfunktion des Pumpstroms) kann sich durch periodische Unterbrechungen des Pumpstroms (Pumpstrom = 0) jeweils zwischen zwei Phasen der rampenförmigen Variation des Pumpstroms auszeichnen, insbesondere wie es vom gepulsten Betrieb herkömmlicher QCL bekannt ist. Die Dauer der Unterbrechung (Abschaltung) des Pumpstroms wird in Abhängigkeit von der verfügbaren Kühlleistung der QCL-Kühlung gewählt. The periodic variation of the pumping current (time function of the pumping current) can be characterized by periodic interruptions of the pumping current (pumping current = 0) in each case between two phases of the ramped variation of the pumping current, in particular as is known from the pulsed operation of conventional QCL. The duration of the interruption (shutdown) of the pumping current is chosen as a function of the available cooling capacity of the QCL cooling.
Gemäß einem zweiten Abstimmmechanismus ist die Abstimmeinrichtung für eine Beleuchtung des Mehrmoden-Quantenkaskadenlasers, insbesondere der aktiven QCL- egion oder eines Substrats der aktiven QCL-Region, mit elektro-magnetischer Strahlung mit einer Energie, die größer als die Energie der Bandlücken der verwendeten Halbleitermaterialien für die aktive QCL-Region oder des Substrats ist, insbesondere elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder nahen infraroten Spektralbereich, mit periodisch variierender Amplitude konfiguriert. According to a second tuning mechanism, the tuner is for illuminating the multimode quantum cascade laser, in particular the active QCL region or a substrate of the active QCL region, with electro-magnetic radiation having an energy greater than the energy of the band gaps of the semiconductor materials used the active QCL region or substrate is configured with periodically varying amplitude, in particular, electromagnetic radiation in the visible or near infrared spectral region.
Gemäß einer dritten Variante kann die Abstimmeinrichtung zur periodischen Variation der Länge des Laserresonators, z. B. unter Verwendung einer externen Kavität mit verschiebbarem Spiegel, eingerichtet sein. Die genannten Mechanismen zur Abstimmung der Resonatormoden des erfindungsgemäß verwendeten Mehrmoden-QCL können in Kombination verwendet werden. Vorzugsweise ist die Abstimmeinrichtung des Fourier-Spektrometers jedoch zur periodischen spektralen Variation der Resonatormoden mit ausschließlich einer einzigen Steuergröße konfiguriert. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: According to a third variant, the tuning means for periodically varying the length of the laser resonator, z. B. using an external cavity with sliding mirror, be set up. The mentioned mechanisms for tuning the resonator modes of the multimode QCL used in accordance with the invention can be used in combination. Preferably, however, the tuning means of the Fourier spectrometer is configured for periodic spectral variation of the resonator modes with only a single control variable. Further details and advantages of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figuren 1(a) bis 1(d): schematische Emissionsspektren eines Mehrmoden-QCL mit variierenden Figures 1 (a) to 1 (d): schematic emission spectra of a multimode QCL with varying
Resonatormoden; Fig. 1(e): eine schematische Illustration eines Fourier-Spektrometers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; resonator; Fig. 1 (e) is a schematic illustration of a Fourier spectrometer according to a preferred embodiment of the invention;
Figuren 2(a) und 2(b): Kurvendarstellungen zur Illustration experimenteller Ergebnisse mit einem Figures 2 (a) and 2 (b) are graphs illustrating experimental results with a
Mehrmoden-QCL gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;  Multi-mode QCL according to a preferred embodiment of the invention;
Figuren 3(a) bis 3(c): weitere Kurvendarstellungen zur Illustration von Testergebnissen mit dem FIGS. 3 (a) to 3 (c) are further graphs illustrating test results with FIG
Mehrmoden-QCL gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und Figur 4: ein Emissionsspektrum eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Mehrmoden-QCL.  Multi-mode QCL according to a preferred embodiment of the invention; and FIG. 4 shows an emission spectrum of a further example of a multimode QCL according to the invention.
Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden insbesondere unter Bezug auf die Abstimmung des Mehrmoden-QCL und ein erfindungsgemäßes, mit dem Mehrmoden-QCL ausgestattetes Fou- rier-Spektrometer beschrieben. Es wird betont, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf die beispielhaft genannten Materialien und Abstimmmechanismen beschränkt ist. Vielmehr ist die Erfindung bei abgewandelten Anwendungen mit anderen Materialien und mit anderen Abstimmmechanismen, insbesondere basierend auf einer Bestrahlung der aktiven Region mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Energie, die größer als die Energie der Bandlücken der ver- wendeten Halbleitermaterialien für die aktive QCL-Region oder des Substrats ist oder einer Längenvariation des Laserresonators realisierbar. Details of the invention are described below in particular with reference to the tuning of the multimode QCL and an inventive multi-mode QCL-equipped Fourier spectrometer. It is emphasized that the application of the invention is not limited to the exemplified materials and tuning mechanisms. Rather, the invention is in modified applications with other materials and with other tuning mechanisms, in particular based on irradiation of the active region with electromagnetic radiation having an energy greater than the energy of the band gaps of the used semiconductor materials for the active QCL region or Substrate is or a length variation of the laser resonator feasible.
Einzelheiten des Auf baus eines Mehrmoden-QCL werden nicht beschrieben, da dieser an sich wie bei einem herkömmlichen Mehrmoden-QCL realisiert sein kann. Beispielhaft wird auf einen QCL Bezug genommen, der durch eine GaAs/AIAs-Heterostruktur auf einem GaAs-Substrat gebildet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Halbleiterkombination beschränkt, sondern entsprechend mit anderen Halbleitern realisierbar. Einzelheiten des Fourier-Spektrometers und seines Betriebs werden nicht beschrieben, soweit diese an sich von herkömmlichen Fourier- Spektrometern bekannt sind Details of the construction of a multi-mode QCL will not be described because it can be implemented as in a conventional multi-mode QCL. By way of example, reference is made to a QCL formed by a GaAs / AIAs heterostructure on a GaAs substrate. However, the invention is not limited to this combination of semiconductors, but can be realized in accordance with other semiconductors. Details of the Fourier spectrometer and its operation are not described as far as they are known per se from conventional Fourier spectrometers
Der Mehrmoden-QCL basiert beispielsweise auf einem Fabry-Perot-Laserresonator (FP- Laserresonator). Dieser wird durch die aktive Region des QCL gebildet, deren Endflächen die Reflektoren des FP-Laserresonators bilden. Die aktive Region umfasst in an sich bekannter Weise eine Heterostruktur aus Halbleiter-Schichten, z.B. auf einem Trägersubstrat, die zur Injektion ei- nes Pumpstroms mit einer Pumpstromquelle verbunden ist. Figur 1(a) zeigt schematisch einen Ausschnitt eines typischen FP-Spektrums, das eine Vielzahl gleich beabstandeter Resonatormoden umfasst. In der Praxis beträgt die Anzahl der aktiven Resonatormoden z.B. 10. Die spektralen Positionen der FP-Resonatormoden werden gegeben durch cM The multimode QCL is based, for example, on a Fabry-Perot laser resonator (FP laser resonator). This is formed by the active region of the QCL whose end faces form the reflectors of the FP laser resonator. The active region comprises, in a manner known per se, a heterostructure of semiconductor layers, for example on a carrier substrate, which is connected to a pumping current source for injecting a pumping current. Figure 1 (a) shows schematically a section of a typical FP spectrum comprising a plurality of equally spaced resonator modes. In practice, the number of active resonator modes is eg 10. The spectral positions of the FP resonator modes are given by cM
m = rr— wobei Lopt = nL die optische Weglänge im Laserresonator ist. Lopt wird durch die Brechzahl der Resonatormode n im Laserresonator und die geometrische Länge des Laserresonators bestimmt. Die Ordnung der FP-Resonatormode M repräsentiert die Anzahl von Intensitätsmaxima der ste- henden Welle im Laserresonator und beträgt mindestens 100 für typische Resonatorlängen. m = rr- where L opt = nL is the optical path length in the laser resonator. L opt is determined by the refractive index of the resonator n in the laser resonator and the geometric length of the laser resonator. The order of the FP resonator mode M represents the number of intensity maxima of the standing wave in the laser resonator and is at least 100 for typical resonator lengths.
Wenn Lopt um einen Betrag dLopt variiert wird, z. B. durch eine Variation des Pumpstroms, so ändert sich die Frequenz einer FP-Resonatormode gemäß
Figure imgf000011_0001
If L opt is varied by an amount dL opt , e.g. B. by a variation of the pump current, the frequency of a FP resonator changes according to
Figure imgf000011_0001
Benachbarte FP-Resonatormoden bewegen sich praktisch um denselben Betrag, da für große Moden-Ordnungen dvM+i annähernd gleich dvM ist.  Adjacent FP resonator modes move virtually the same amount because for large mode orders dvM + i is approximately equal to dvM.
Wenn die gemeinsame Verschiebung aller Resonatormoden den Modenabstand erreicht, wie in den Figuren 1(b) und 1(c) illustriert ist, ist der gesamte, kontinuierlich abgedeckte Frequenzbereich das Produkt des Modenabstands und der Anzahl der aktiven Resonatormoden, so dass angenähert die gesamte Breite des Verstärkungsprofils der aktiven Region erreicht wird. When the common displacement of all the resonator modes reaches the mode spacing, as illustrated in Figures 1 (b) and 1 (c), the entire continuously-covered frequency range is the product of the mode spacing and the number of active cavity modes, so that approximately the entire width of the gain profile of the active region is reached.
Figur 1(d) zeigt, dass im zeitlichen Mittel ein breitbandiges, lückenloses Emissionsspektrum erzielt wird, wenn die optische Weglänge kontinuierlich rampenförmig über einen Zeitbereich Δΐ vergrößert, dadurch die Resonatormoden kontinuierlich verschoben, also abgestimmt, und die spektrale Leistung p über diesen Zeitbereich gemittelt wird. Dieser Vorgang wird auch als lückenloser, zeitlich gemittelter Breitbandbetrieb (gapless time-averaged wideband Operation, G-TAWB Operation) bezeichnet. FIG. 1 (d) shows that a broadband, gapless emission spectrum is achieved over the time average when the optical path length increases continuously in a ramp over a time range Δΐ, thereby continuously shifting the resonator modes, ie tuning them, and the spectral power p is averaged over this time range , This process is also referred to as gapless time-averaged wideband operation (G-TAWB operation).
Figur 1(e) zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Spektrometers in Gestalt eines FTIR- Spektrometers, das mit dem erfindungsgemäßen Mehrmoden-QCL ausgestattet ist. Die Abstimmung von Lopt wird durch rampenförmige Variationen des Pumpstroms mit Abstimmperioden im Bereich von z.B. 0.1 μ5 bis 10 μ5 realisiert. Dazu im Gegensatz ist der Detektor für Intensitätsvaria- tionen mit einer Zeitskala von 10 ms empfindlich, die der Zeitskala der alternierenden konstrukti- ven und destruktiven Interferenzen aufgrund der Bewegung des Interferometerspiegels des FTIR- Spektrometers (beweglicher Spiegel) entspricht. Daher kann die Detektoreinrichtung den im Emissionsspektrum des QCL enthaltenen Signalvariationen aufgrund der schnellen Abstimmung nicht folgen, so dass das zeitliche Mittel eines quasi-kontinuierlichen Spektrums detektiert wird. Figure 1 (e) shows schematically an embodiment of a spectrometer in the form of an FTIR spectrometer equipped with the multimode QCL according to the invention. The tuning of Lop t is realized by ramp-shaped variations of the pump current with tuning periods in the range of eg 0.1 μ5 to 10 μ5. In contrast, the intensity variation detector is sensitive to a time scale of 10 ms, which is the time scale of the alternating design. and destructive interference due to the movement of the interferometer mirror of the FTIR (moveable mirror) spectrometer. Therefore, the detector means can not follow the signal variations contained in the emission spectrum of the QCL due to the fast tuning, so that the time average of a quasi-continuous spectrum is detected.
Durch die kontinuierliche Abstimmbarkeit der Resonatormoden des Mehrmoden-QCLs, die mindestens gleich dem Abstand der Resonatormoden ist, kann der QCL so justiert werden, dass eine der Resonatormoden bei jeder gewünschten Emissionsfrequenz innerhalb des Emissionsbereichs eingestellt wird. Allerdings kann ein QCL im Gegensatz zu herkömmlichen Breitbandquellen für Spektrometer zu einem gegebenen Zeitpunkt kein kontinuierliches Spektrum emittieren. Um eine herkömmliche Strahlungsquelle in einem Spektrometer zu ersetzen, wird der QCL mit einer Abstimmperiode Δΐ durchgestimmt, während das Detektorsignal der Spektrometer-Detektorein- richtung über diese Abstimmperiode gemittelt wird, wie in Fig. 1(d) gezeigt ist. Wenn die Abstimmperiode Δΐ wesentlich geringer, z.B. kleiner als 1/100, vorzugsweise kleiner als 1/1000 als die Messzeit des Spektrometers zur Aufnahme eines Mess-Spektrums ist, erscheint das Emissionsspektrum aufgrund der Mittelung kontinuierlich, so dass der G-TAWB-Betrieb erhalten wird. Um den Emissionsbereich, der von den Resonatormoden aufgespannt wird, kontinuierlich abzudecken, werden die FP-Resonatormoden weit genug abgestimmt, um die spektralen Lücken zwischen diesen zu schließen. Der Modenabstand beträgt z.B. in FP-Laserresonatoren mit einer Länge von 3 mm rund 10 GHz. Das Abstimmintervall über dem Modenabstand wird in Abhängigkeit von dem konkret verwendeten QCL und den Betriebsbedingungen erzielt (siehe insbesondere Fig. 4 und deren Beschreibung). By continuously tuning the resonator modes of the multimode QCL which is at least equal to the spacing of the resonator modes, the QCL can be adjusted to adjust one of the resonator modes at any desired emission frequency within the emission range. However, unlike conventional broadband sources for spectrometers, QCL can not emit a continuous spectrum at a given time. To replace a conventional radiation source in a spectrometer, the QCL is tuned to a tuning period Δΐ while the detector signal from the spectrometer detector is averaged over that tuning period, as shown in Fig. 1 (d). If the tuning period Δΐ is significantly lower, e.g. is smaller than 1/100, preferably smaller than 1/1000, as the measuring time of the spectrometer for taking a measuring spectrum, the emission spectrum appears continuous due to the averaging so that the G-TAWB operation is obtained. In order to continuously cover the emission region spanned by the resonator modes, the FP resonator modes are tuned far enough to close the spectral gaps between them. The mode spacing is e.g. in FP laser resonators with a length of 3 mm around 10 GHz. The tuning interval over the mode spacing is achieved depending on the actual QCL used and the operating conditions (see in particular Fig. 4 and description thereof).
Konkrete Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mehrmoden-QCL und des erfindungsgemäßen Fourier-Spektrometers 100, z.B. gemäß Figur 1(e) werden z.B. wie folgt realisiert. Das Fou- rier-Spektrometer 100 enthält einen Mehrmoden-QCL 10, ein Interferometer 20, eine Detek- toreinrichtung 30 und eine Auswertungseinrichtung 40. Die Komponenten 20, 30 und 40 des schematisch gezeigten Geräts sind z. B. wie bei einem Spektrometer vom Typ Bruker IFS 120 HR aufgebaut. Concrete embodiments of the multimode QCL according to the invention and the Fourier spectrometer 100 according to the invention, e.g. according to Fig. 1 (e), e.g. realized as follows. The Fourier spectrometer 100 includes a multimode QCL 10, an interferometer 20, a detector device 30, and an evaluation device 40. The components 20, 30, and 40 of the schematically shown device are e.g. B. constructed as a spectrometer Bruker type IFS 120 HR.
Der Mehrmoden-QCL 10 enthält eine aktive QCL-Region in einem Laserresonator 11, eine Anre- gungseinrichtung in Gestalt einer Pumpstromquelle 12 und eine Abstimmeinrichtung 13, die Teil der Pumpstromquelle 12 ist. Die aktive QCL-Region ist z. B. aufgebaut, wie sie von L. Schrottke et al. in„Applied Physics Letters", Bd. 108, S. 102102 (2016)) beschrieben ist. Die aktive QCL-Region hat z. B. eine Breite von ungefähr 120 μιτι und eine Länge von ungefähr 3 mm. Die aktive QCL- Region ist zur Erzeugung von Laserlicht mit Emissionsfrequenzen gemäß den Resonatormoden des Laserresonators 11 ausgelegt. The multimode QCL 10 includes an active QCL region in a laser resonator 11, an excitation device in the form of a pumping current source 12 and a tuner 13, the part the pumping power source 12 is. The active QCL region is z. B. constructed as described by L. Schrottke et al. 108, pp. 102102 (2016)) The active QCL region has, for example, a width of approximately 120 μm and a length of approximately 3 mm The active QCL region is designed to generate laser light with emission frequencies according to the resonator modes of the laser resonator 11.
Zur periodischen Abstimmung der Resonatormoden ist die Abstimmeinrichtung 13 in der Pumpstromquelle 12 enthalten und zur Erzeugung eines periodisch variierenden Pumpstroms ausgelegt. Die Variation des Pumpstroms mit der Pumpstromquelle 12 folgt beispielsweise einer ram- penförmigen Zeitfunktion (Dreieck-Muster). Die Pumpstromquelle 12 und die Abstimmeinrichtung 13 umfassen beispielsweise eine Treiberquelle vom Typ ILX Lightwave LDP-3840 mit einer Pulsbreite von 1 μ5 und einer Triggerfrequenz von 300 kHz. Unter Verwendung eines Glättungs- Kondensators wird die rechteckige Pulsform in eine dreieckige Pulsform umgewandelt, die eine rampenförmige Zeit-Funktion des Pumpstroms ergibt. For periodic tuning of the resonator modes, the tuner 13 is included in the pumping current source 12 and designed to produce a periodically varying pumping current. The variation of the pumping current with the pumping current source 12 follows, for example, a ram-shaped time function (triangular pattern). The pump current source 12 and the tuner 13 comprise, for example, an ILX Lightwave LDP-3840 driver source with a pulse width of 1 μ5 and a trigger frequency of 300 kHz. Using a smoothing capacitor, the rectangular pulse shape is converted to a triangular pulse shape that gives a ramp time function of the pumping current.
Der QCL 10 ist mit einer Kühleinrichtung (nicht gezeigt) ausgestattet, mit der eine Betriebstemperatur des QCL eingestellt wird. Die Betriebstemperatur ist vorzugsweise geringer als 200 K, insbesondere geringer als 100 K, besonders bevorzugt im Bereich von 5 K bis 10 K. Die Betriebstemperatur wird beispielsweise mit einem He-Kryostaten oder einem Stirling-Kühler eingestellt. The QCL 10 is equipped with a cooler (not shown) for setting an operating temperature of the QCL. The operating temperature is preferably less than 200 K, in particular less than 100 K, particularly preferably in the range of 5 K to 10 K. The operating temperature is set, for example, with a He cryostat or a Stirling cooler.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der QCL 10 auf dem gekühlten Träger (gekühlter Finger) eines bei 10 K betriebenen Kryostaten mit kontinuierlichem Durchfluss vor dem externen Emissionsport des Spektrometers 100 montiert. Das Volumen zwischen dem Ausgangsfenster des Kryostaten und dem Eingangsfenster des evakuierten Spektrometers 100 wird mit Stickstoff ge- spült, um die Absorption durch Luftfeuchte zu reduzieren. In a preferred embodiment, QCL 10 is mounted on the cooled carrier (cooled finger) of a 10 K continuous flow cryostat in front of the external emission port of spectrometer 100. The volume between the output window of the cryostat and the entrance window of the evacuated spectrometer 100 is purged with nitrogen to reduce the absorption by humidity.
Das Interferometer 20 wird durch einen Strahlteiler 21, einen stationären Interferometer-Spiegel 22 und einen beweglichen Interferometer-Spiegel 23 gebildet, die in Michelson-Anordnung positioniert sind. Durch periodische Bewegung des beweglichen Interferometer-Spiegels 23 wird, wie es von herkömmlichen Fourier-Spektrometern bekannt ist, ein auf dem Laserlicht des QCL 10 basierende Interferogramm erzeugt. The interferometer 20 is formed by a beam splitter 21, a stationary interferometer mirror 22 and a movable interferometer mirror 23 which are positioned in Michelson arrangement. By periodically moving the movable interferometer mirror 23, as known from conventional Fourier spectrometers, an interferogram based on the laser light of the QCL 10 is generated.
Das Interferogramm wird am Ausgang des Interferometers 20 einer Wechselwirkung mit der zu untersuchenden Probe 1 unterzogen. Die Probe 1 ist z. B. in einer Gaszelle oder einer Flüssigkeits- küvette angeordnet. Die Detektoreinrichtung 30 ist zur Detektion des Interferogramms nach der Wechselwirkung mit der Probe 1 angeordnet. Es wird ein Detektorsignal erfasst, welches das detektierte Interfero- gramm beinhaltet. Die Detektormesszeit zur Erfassung eines vollständigen Detektorsignals beträgt z. B. 400 Sekunden. Das Detektorsignal wird zeitlich gemittelt, um die Schwankungen der Emissionsfrequenzen des QCL 10 auszugleichen. Mit der Auswertungseinrichtung 40, die z. B. eine Computer-Einheit umfasst, wird das Detektorsignal einer Fourier-Transformation unterzogen, wodurch sich unmittelbar das Spektrum der Probe 1 ergibt. Die zeitliche Mittelung des Detektorsignals wird beispielsweise realisiert, indem im Spektrometer 100 ein langsamer pyroelektrischer Detektor verwendet wird, der nicht den schnellen Intensitätsänderungen der rampenförmigen Zeitfunktion des Pumpstroms folgen kann. Der Sensor des Detektors ist z.B. aus DTGS (deuteriertes Triglycinsulfat) hergestellt, wobei die höchste Empfindlichkeit für Intensitätsvariationen zwischen 10 Hz und 100 Hz gegeben ist. Dies entspricht typischen Frequenzen der Intensitätsvariation aufgrund des sich kontinuierlich periodisch bewegendenThe interferogram is subjected to an interaction with the sample 1 to be examined at the output of the interferometer 20. The sample 1 is z. B. in a gas cell or a liquid cuvette. The detector device 30 is arranged to detect the interferogram after interaction with the sample 1. A detector signal is detected which contains the detected interferogram. The detector measuring time for detecting a complete detector signal is z. B. 400 seconds. The detector signal is time averaged to compensate for the variations in emission frequencies of the QCL 10. With the evaluation device 40, the z. B. comprises a computer unit, the detector signal is subjected to a Fourier transform, resulting in the immediate spectrum of the sample 1. The time averaging of the detector signal is realized, for example, by using in the spectrometer 100 a slow pyroelectric detector which can not follow the rapid intensity changes of the ramped time function of the pumping current. For example, the sensor of the detector is made of DTGS (deuterated triglycine sulfate) with the highest sensitivity for intensity variations between 10 Hz and 100 Hz. This corresponds to typical frequencies of the intensity variation due to the continuously periodically moving one
Spiegels 23 des Interferometers 20 im Spektrometer 100. Die maximale Auflösung des verwendeten Spektrometers 100 (basierend z.B. auf dem Gerät vom Typ Bruker IFS 120 HR) beträgt 0.105 GHz (0.0035 cm 1). Figur 2(a) zeigt das Emissionsspektrum des Mehrmoden-QCL im G-TAWB-Betrieb bei der höchsten Auflösung des Spektrometers (0.105 GHz) in relativen Einheiten. Eine kontinuierliche Abdeckung in einem Emissionsbereich von 72 GHz (von 4.686 THz bis 4.758 THz) wurde erzielt. Um jeglichen Verbreiterungseffekt im Spektrum zu minimieren, wird die Boxcar-Apodisation, die Mertz- Phasenkorrektur, und eine Apertur von 8 mm verwendet. Das Spektrum ist nicht glatt, da nicht nur die Position der Resonatormoden, sondern auch deren Leistung und Anzahl eine Funktion des Pumpstroms ist. Aus diesem Grund wird im dargestellten Beispiel lediglich in einem Teil des sich von 4.6 bis 4.8 THz erstreckenden 200 GHz-breiten Emissionsspektrums, das in der Nebenabbildung von Fig. 2(a) gezeigt ist, eine lückenlose Abdeckung erzielt. Figur 2(b) zeigt das mit einer spektralen Auflösung von 0.3 GHz , einer Scanner-Geschwindigkeit von 10 kHz und einer Apertur von 8 mm aufgenommene Emissionsspektrum des QCL bei G-TAWB- Betrieb im Vergleich zu einer thermischen Hochleistungsquelle, basierend auf einem geheizten SiC-Stab, die Teil des kommerziell verfügbaren Spektrometers ist. Im Vergleich zur thermischen Quelle zeigt der erfindungsgemäße QCL eine 1 bis 2 Größenordnungen höhere Ausgangsleistung. Des Weiteren ist das Spektrum der thermischen Quelle aufgrund ihrer geringen Ausgangsleistung, die der Größenordnung des Detektorrauschens wegen der hohen Auflösung entspricht, nicht glatt. Bei einer Frequenz von ungefähr 4.7 THz ist die Leistung der thermischen Quelle vergleichbar mit der Leistung einer Hochdruck-Quecksilberlampe. Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Spektrometers 100 ist das verbesserte Signal- Rausch-Verhältnis (SNR), das ein Maß für die Fähigkeit ist, ein schwaches Signal aus einem verrauschten Detektorsignal zu erfassen. Das SNR kann aus mehreren, aufeinanderfolgend aufgezeichneten Spektren erfasst werden, die unter den gleichen Bedingungen aufgenommen wurden, wobei von diesen für jeden Frequenzpunkt der Mittelwert durch die Standardabweichung divi- diert wird. Figur 3(a) zeigt das SNR des erfindungsgemäß verwendeten QCL 10 und der herkömmlichen thermischen Quelle, berechnet jeweils aus zehn aufeinanderfolgenden Messungen. Ähnlich zu den Leistungen der Emissionsspektren zeigt sich bei dem QCL 10 ein frequenzabhängig variierendes SNR, was sich aus der variierenden Leistung ergibt. Im Fall der thermischen Quelle ergibt sich aufgrund deren geringer Ausgangsleistung, die vergleichbar mit dem Detektor-Rauschen ist, ein niedriges SNR. Im gesamten Frequenzbereich ist das SNR des QCL 10 signifikant höher als das SNR der thermischen Quelle. Mirror 23 of the interferometer 20 in the spectrometer 100. The maximum resolution of the spectrometer 100 used (based, for example, on the Bruker IFS 120 HR device) is 0.105 GHz (0.0035 cm 1 ). Figure 2 (a) shows the emission spectrum of the multimode QCL in G-TAWB operation at the highest resolution of the spectrometer (0.105 GHz) in relative units. Continuous coverage in an emission range of 72 GHz (from 4,686 THz to 4,758 THz) was achieved. To minimize any broadening effect in the spectrum, boxcar apodization, Mertz phase correction, and an aperture of 8 mm are used. The spectrum is not smooth, because not only the position of the resonator modes but also their power and number is a function of the pumping current. For this reason, in the illustrated example, gapless coverage is achieved only in a part of the 200 GHz wide emission spectrum extending from 4.6 to 4.8 THz, which is shown in the sub-figure of Fig. 2 (a). FIG. 2 (b) shows the QCL emission spectrum of G-TAWB operation recorded at a spectral resolution of 0.3 GHz, a scanner speed of 10 kHz, and an aperture of 8 mm as compared to a high-power thermal source based on a heated SiC Rod, which is part of the commercially available spectrometer. In comparison with the thermal source, the QCL according to the invention exhibits a power output that is 1 to 2 orders of magnitude higher. Furthermore, the spectrum of the thermal source is due to its low output power, which corresponds to the magnitude of the detector noise because of the high resolution, not smooth. At a frequency of about 4.7 THz, the thermal source power is comparable to that of a high pressure mercury lamp. An important advantage of the inventive spectrometer 100 is the improved signal-to-noise ratio (SNR), which is a measure of the ability to detect a weak signal from a noisy detector signal. The SNR can be acquired from several consecutively recorded spectra taken under the same conditions, dividing the mean by the standard deviation for each frequency point. Figure 3 (a) shows the SNR of the QCL 10 used in the present invention and the conventional thermal source calculated from ten successive measurements. Similar to the power of the emission spectra, the QCL 10 exhibits a frequency dependent varying SNR, which results from the varying power. In the case of the thermal source, its low output power, which is comparable to the detector noise, results in a low SNR. Over the entire frequency range, the QCL 10 SNR is significantly higher than the thermal source SNR.
Vorteilhafterweise kann das SNR des erfindungsgemäßen QCL 10 weiter gesteigert werden, indem Fluktuationen bei dem Betrieb der Abstimmeinrichtung, insbesondere Fluktuationen im Pump- ström minimiert werden. Advantageously, the SNR of the QCL 10 according to the invention can be further increased by minimizing fluctuations in the operation of the tuner, in particular fluctuations in the pump flow.
Neben dem SNR besteht im Dynamikbereich ein weiterer wichtiger Parameter des Spektrometers 100. Um den Dynamikbereich zu berechnen, wird das Detektorrauschen erfasst, während die Strahlung von der Strahlungsquelle blockiert ist. Der Dynamikbereich kann dann berechnet wer- den, indem das Emissionsspektrum durch den ermittelten Rauschpegel dividiert wird. Er ist daher ein Maß der maximalen Absorption, die vom Rauschen unterschieden werden kann. In addition to the SNR, there is another important parameter of the spectrometer 100 in the dynamic range. In order to calculate the dynamic range, the detector noise is detected while the radiation from the radiation source is blocked. The dynamic range can then be calculated by dividing the emission spectrum by the determined noise level. It is therefore a measure of maximum absorption that can be distinguished from noise.
Um den Rauschpegel des Detektors 30 zu erfassen, wurde der QCL 10 und die thermische Quelle an der Eingangsöffnung der Probenkammer, z.B. mit einer Aluminiumfolie, blockiert, deren gerin- ge thermische Emissivität sicherstellt, dass keine weitere thermische Strahlung auf den Detektor 30 fällt. Mit einem ermittelten Rauschpegel der aufgezeichneten Spektren im Bereich von 0.04 relativen Einheiten und einer Variation der QCL-Ausgangsleistung im Bereich von 2 bis 30 relativen Einheiten (Figur 2(b)), beträgt der Dynamikbereich zwischen 50 und 750 je nach betrachteter Frequenz. Dies stellt wiederum einen erheblichen Vorteil gegenüber der thermischen Quelle dar, die einen Dynamikbereich von etwa 3.5 aufweist. Die Ausgangsleistung des erfindungsgemäß verwendeten Mehrmoden-QCL 10 kann in Abhängigkeit von der Emissionsfrequenz variieren. Vorteilhafterweise wird dadurch die Anwendung des Mehrmoden-QCL 10 im Spektrometer 100 nicht beeinträchtigt, wie im Folgenden unter Bezug auf Figur 3 dargestellt wird. In order to detect the noise level of the detector 30, the QCL 10 and the thermal source at the inlet opening of the sample chamber, eg with an aluminum foil, has been blocked whose low thermal emissivity ensures that no further thermal radiation is incident on the detector 30. With a determined noise level of the recorded spectra in the range of 0.04 relative units and a variation of QCL output power in the range of 2 to 30 relative units (Figure 2 (b)), the dynamic range is between 50 and 750 depending on the frequency considered. This in turn represents a significant advantage over the thermal source, which has a dynamic range of about 3.5. The output power of the multimode QCL 10 used in accordance with the invention may vary depending on the emission frequency. Advantageously, this does not affect the application of the multimode QCL 10 in the spectrometer 100, as will be illustrated below with reference to FIG.
Auch um die Realisierbarkeit von spektroskopischen Messungen mit Hilfe des erfindungsgemäß verwendeten Mehrmoden-QCL 10 zu zeigen, wurde ein Transmissionsspektrum einer Gaszelle aufgenommen, die mit Wasserdampf gesättigte Luft bei atmosphärischem Druck gefüllt ist (Länge der Gaszelle: 10 cm). In diesem Fall wird aufgrund der starken Druckverbreiterung der Wasser- Absorptionslinien eine schwach variierende Transmissionskurve erwartet. Das Fehlen von spektral schnell variierenden Kurvenabschnitten im Transmissionsspektrum gilt dann als Zeichen dafür, dass das strukturierte Emissionsspektrum des Mehrmoden-QCL 10 die Genauigkeit der Messung nicht beeinträchtigt. Also to demonstrate the feasibility of spectroscopic measurements using the multimode QCL 10 used in the present invention, a transmission spectrum of a gas cell filled with water vapor saturated air at atmospheric pressure was recorded (gas cell length: 10 cm). In this case, a weakly varying transmittance curve is expected due to the strong pressure broadening of the water absorption lines. The absence of spectrally rapidly varying curve sections in the transmission spectrum then serves as a sign that the structured emission spectrum of the multimode QCL 10 does not affect the accuracy of the measurement.
Figur 3(b) zeigt die Transmissionsspektren, die mit dem erfindungsgemäßen Mehrmoden-QCL 10 bzw. einer herkömmlichen thermischen Quelle aufgenommen wurden. Die spektrale Auflösung beträgt 0.3 GHz (0.01 cm"1), die Scanner-Geschwindigkeit beträgt 7.5 kHz und die Messapertur beträgt 8 mm. Die Transmissionsspektren wurden erhalten, indem ein mit der Gaszelle in der Probenkammer des Spektrometers 100 aufgenommenes Spektrum durch ein anschließend ohne die Gaszelle aufgenommenes Spektrum dividiert wird. Figure 3 (b) shows the transmission spectra taken with the multimode QCL 10 of the present invention and a conventional thermal source, respectively. The spectral resolution is 0.3 GHz (0.01 cm -1 ), the scanning speed is 7.5 kHz and the measuring aperture is 8 mm The transmission spectra were obtained by passing a spectrum recorded with the gas cell in the sample chamber of the spectrometer 100 through a then without the Gas cell recorded spectrum is divided.
Die Messung, bei der der Mehrmoden-QCL 10 als Strahlungsquelle verwendet wird, zeigt deutlich das Transmissionsspektrum von Wasserdampf mit einer sich nur spektral langsam ändernden Transmissionskurve. Bei Verwendung der thermischen Quelle war die Ausgangsleistung zu gering im Vergleich zum Rauschpegel des Detektors, um eine signifikante Messung auszuführen. Um die Richtigkeit des erhaltenen Ergebnisses zu bestätigen, wurden die Messungen mit einem verringerten Rauschpegel wiederholt, indem die spektrale Auflösung von 0.3 auf 1.5 GHz und die Spiegelgeschwindigkeit von 7.5 auf 2.2 kHz geändert wurden. The measurement using the multimode QCL 10 as a radiation source clearly shows the transmission spectrum of water vapor with only a spectrally slowly changing transmission curve. Using the thermal source, the output power was too low compared to the noise level of the detector to make a significant measurement. To confirm the accuracy of the result obtained, the measurements were repeated with a reduced noise level by changing the spectral resolution from 0.3 to 1.5 GHz and the mirror speed from 7.5 to 2.2 kHz.
Figur 3(c) zeigt die sich ergebenden Transmissionsspektren. Um die Reproduzierbarkeit der Messung zu zeigen, sind in Figur 3(c) zwei Messungen gezeigt, die jeweils den QCL und die thermische Quelle (th.s.) zeigen. Im Unterschied zur Messung bei hoher spektraler Auflösung zeigen die Spektren in Figur 3(c) bei Verwendung der thermischen Quelle auswertbare Ergebnisse. Der Unterschied zwischen den beiden nominell identischen Transmissionsspektren und das Auftreten von negativen Werten zwischen 4.73 und 4.74 THz zeigen jedoch, dass die schnell variierenden Modulationen in den Spek- tren durch Rauschen verursacht werden. Im Gegensatz zu den starken Modulationen durch Rauschen bei Nutzung der thermischen Quelle sind die Transmissionsspektren bei Verwendung des erfindungsgemäßen Mehrmoden-QCL 10 als Strahlungsquelle ungeachtet der frequenzabhängig variierenden Ausgangsleistung glatt und gut reproduzierbar. Figur 4 zeigt das Emissionsspektrum eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß verwendeten Mehrmoden-QCL 10 bei G-TAWB-Betrieb, das hinsichtlich seiner Wellenfunktion- Struktur, der Mittenfrequenz und der Wellenleiter/Laserresonator-Dimensionen ähnlich zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Mehrmoden-QCL ist. Wie in Fig. 2(a) wurde für die Aufnahme des Spektrums in Figur 4 die höchstmögliche Auflösung (0.105 GHz), die Boxcar- Apodisation, die Mertz-Phasenkorrektur, und eine Apertur von 8 mm verwendet, um jeglichen Verbreiterungseffekt in dem Spektrum zu minimieren. Figur 4 zeigt das Emissionsspektrum des Mehrmoden-QCL 10, dessen aktive Region AlAs-Barrieren aufweist. Das Spektrum weist eine geringere Bandbreite auf, deckt jedoch kontinuierlich einen Frequenzbereich von 60 GHz mit einer engen Lücke bei 4.724 THz ab. Durch Optimierung der Heterostruktur, insbesondere von deren Schichtdicken, kann diese Lücke geschlossen werden. Figure 3 (c) shows the resulting transmission spectra. In order to show the reproducibility of the measurement, two measurements are shown in Figure 3 (c), each showing the QCL and the thermal source (th.s.). In contrast to the measurement at high spectral resolution, the spectra in Figure 3 (c) show evaluable results using the thermal source. However, the difference between the two nominally identical transmission spectra and the occurrence of negative values between 4.73 and 4.74 THz show that the rapidly varying modulations in the spectra are caused by noise. In contrast to the strong modulations of noise using the thermal source, the transmission spectra are smooth and highly reproducible using the multimode QCL 10 of the present invention as the radiation source, regardless of the frequency-varying output power. Figure 4 shows the emission spectrum of another embodiment of a multimode QCL 10 used in accordance with the invention in G-TAWB operation which is similar in multilevel QCL in terms of wavefunction structure, center frequency, and waveguide / laser cavity dimensions to the embodiment described above. As in Figure 2 (a), the highest possible resolution (0.105 GHz), boxcar apodization, Mertz phase correction, and 8 mm aperture was used to acquire the spectrum in Figure 4 to allow any broadening effect in the spectrum minimize. Figure 4 shows the emission spectrum of the multimode QCL 10 whose active region has AlAs barriers. The spectrum has a lower bandwidth, but continuously covers a frequency range of 60 GHz with a narrow gap at 4,724 THz. By optimizing the heterostructure, in particular its layer thicknesses, this gap can be closed.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination oder Unterkombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. The features of the invention disclosed in the foregoing description, drawings and claims may be significant to the realization of the invention in its various forms both individually and in combination or sub-combination.

Claims

Ansprüche 1. Fourier-Spektrometer (100), das zur spektroskopischen Untersuchung einer Probe (1) konfiguriert ist, umfassend Claims 1. A Fourier spectrometer (100) configured for spectroscopic examination of a sample (1) comprising
- einen Mehrmoden-Quantenkaskadenlaser (QCL) (10), der eine aktive QCL-Region in einem Laserresonator (11), die zur Erzeugung von Laserlicht mit Emissionsfrequenzen gemäß einer Vielzahl von Resonatormoden des Laserresonators (11) konfiguriert ist, eine Anregungseinrichtung (12), die zur elektrischen Anregung der aktiven QCL-Region mittels eines elektrischen Pumpstroms konfiguriert ist, und eine Abstimmeinrichtung (13) umfasst, mit der die Resonatormoden einstellbar sind, a multimode quantum cascade laser (QCL) (10) having an active QCL region in a laser cavity (11) configured to generate laser light having emission frequencies in accordance with a plurality of resonator modes of the laser cavity (11), excitation means (12) , which is configured for the electrical excitation of the active QCL region by means of an electric pumping current, and a tuning device (13), with which the resonator modes are adjustable,
- ein Interferometer (20) mit einem Strahlteiler (21), einem stationären Interferometer-Spiegel (22) und einem beweglichen Interferometer-Spiegel (23), wobei das Interferometer (20) zur Erzeugung eines auf dem Laserlicht basierenden Interferogramms angeordnet ist, an interferometer (20) having a beam splitter (21), a stationary interferometer mirror (22) and a movable interferometer mirror (23), the interferometer (20) being arranged to produce an interferogram based on the laser light,
- eine Detektoreinrichtung (30), die zur Detektion des Interferogramms nach einer Wechselwirkung mit der Probe (1) und zur Erfassung eines Detektorsignals, welches das detektierte Interferogramm beinhaltet, innerhalb einer Detektormesszeit konfiguriert ist, und a detector means (30) configured to detect the interferogram after interaction with the sample (1) and to detect a detector signal containing the detected interferogram within a detector measurement time, and
- eine Auswertungseinrichtung (40), die zur Erfassung eines Spektrums der Probe (1) durch eine Fourier-Transformation des detektierten Interferogramms konfiguriert ist,  an evaluation device (40) which is configured to acquire a spectrum of the sample (1) by a Fourier transformation of the detected interferogram,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
- die Abstimmeinrichtung (13) des Mehrmoden-Quantenkaskadenlasers (10) zur periodischen spektralen Variation der Resonatormoden mit einer zeitlichen Abstimmperiode geringer als 1 min jeweils in einem spektralen Abstimmintervall konfiguriert ist, das mindestens gleich dem Abstand benachbarter Resonatormoden des Laserresonators (11) ist,  - the tuner (13) of the multimode quantum cascade laser (10) is configured for periodic spectral variation of the resonator modes with a timing period less than 1 min each in a spectral tuning interval that is at least equal to the spacing of adjacent resonator modes of the laser resonator (11),
- die aktive QCL-Region zur Erzeugung des Laserlichts mit den Emissionsfrequenzen im Bereich von 1 THz bis 6 THz konfiguriert ist, wobei die Emissionsfrequenzen des Laserlichts einen spektralen Emissionsbereich von mindestens 50 GHz abdecken, und the active QCL region is configured to generate the laser light having the emission frequencies in the range of 1 THz to 6 THz, the emission frequencies of the laser light covering a spectral emission range of at least 50 GHz, and
- die Detektoreinrichtung (30) zur zeitlichen Mittelung des Detektorsignals über die zeitliche Abstimmperiode der Abstimmeinrichtung (13) des Mehrmoden-Quantenkaskadenlasers (10) ausge- legt ist.  - The detector means (30) for the temporal averaging of the detector signal over the timing period of the tuner (13) of the multimode quantum cascade laser (10) is laid out.
2. Fourier-Spektrometer gemäß Anspruch 1, bei dem - die Detektoreinrichtung (30) zur inhärenten zeitlichen Mittelung des Detektorsignals durch Verwendung eines Detektors mit einer Zeitkonstante ausgelegt ist, die größer als die zeitliche Abstimmperiode ist. 2. Fourier spectrometer according to claim 1, wherein - The detector means (30) is designed for the inherent averaging of the detector signal by using a detector with a time constant which is greater than the timing period.
3. Fourier-Spektrometer gemäß Anspruch 1, bei dem 3. Fourier spectrometer according to claim 1, wherein
- die Detektoreinrichtung (30) zur zeitlichen Mittelung des Detektorsignals Schaltungskomponenten für die Signalmittelung enthält.  - The detector means (30) for time averaging of the detector signal circuit components for the signal averaging contains.
4. Fourier-Spektrometer gemäß Anspruch 3, bei dem 4. Fourier spectrometer according to claim 3, wherein
- die Schaltungskomponenten für die Signalmittelung einen Boxcar-Integrator oder einen Lock-In- Verstärker umfassen. - The circuit components for the signal averaging a boxcar integrator or a lock-in amplifier include.
5. Fourier-Spektrometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 5. Fourier spectrometer according to one of the preceding claims, in which
- die zeitliche Abstimmperiode der Abstimmeinrichtung (13) gleich oder geringer ist als 1/10 der Detektormesszeit der Detektoreinrichtung (30).  - The timing period of the tuning device (13) is equal to or less than 1/10 of the detector measuring time of the detector device (30).
6. Fourier-Spektrometer gemäß Anspruch 5, bei dem 6. Fourier spectrometer according to claim 5, wherein
- die zeitliche Abstimmperiode der Abstimmeinrichtung (13) gleich oder geringer ist als 1/1000 der Detektormesszeit der Detektoreinrichtung (30).  - The timing period of the tuner (13) is equal to or less than 1/1000 of the detector measurement time of the detector device (30).
7. Fourier-Spektrometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 7. Fourier spectrometer according to one of the preceding claims, in which
- die zeitliche Abstimmperiode der Abstimmeinrichtung (13) weniger als 1 Sekunde beträgt.  - The timing period of the tuner (13) is less than 1 second.
8. Fourier-Spektrometer gemäß Anspruch 7, bei dem 8. Fourier spectrometer according to claim 7, wherein
- die zeitliche Abstimmperiode der Abstimmeinrichtung (13) weniger als 0,01 Sekunden beträgt. - The timing period of the tuner (13) is less than 0.01 seconds.
9. Fourier-Spektrometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 9. Fourier spectrometer according to one of the preceding claims, in which
- die Abstimmeinrichtung (13) zur periodischen Variation des Pumpstroms konfiguriert ist.  - The tuning device (13) is configured for periodically varying the pumping current.
10. Fourier-Spektrometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 10. Fourier spectrometer according to one of the preceding claims, in which
- die Abstimmeinrichtung (13) zur Beleuchtung des Mehrmoden-Quantenkaskadenlasers (10), insbesondere der aktiven QCL-Region oder des Substrats der aktiven QCL-Region, mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Energie, die größer als die Energie der Bandlücken der verwendeten Halbleitermaterialien für die aktive QCL-Region oder des Substrats ist, insbesondere elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder nahen infraroten Spektralbereich, mit periodisch variierender Amplitude konfiguriert ist. - The tuning means (13) for illuminating the multimode quantum cascade laser (10), in particular the active QCL region or the substrate of the active QCL region, with electromagnetic radiation having an energy greater than the energy of the band gaps of the used Semiconductor materials for the active QCL region or the substrate, in particular electromagnetic radiation in the visible or near infrared spectral range, is configured with periodically varying amplitude.
11. Fourier-Spektrometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 11. Fourier spectrometer according to one of the preceding claims, in which
- die Abstimmeinrichtung (13) zur periodischen Variation der Länge des Laserresonators (11) konfiguriert ist.  - The tuning device (13) is configured for periodically varying the length of the laser resonator (11).
12. Fourier-Spektrometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 12. Fourier spectrometer according to one of the preceding claims, in which
- die Abstimmeinrichtung (13) zur periodischen spektralen Variation der Resonatormoden mit ausschließlich einer einzigen Steuergröße konfiguriert ist. - The tuner (13) is configured for periodic spectral variation of the resonator modes with only a single control variable.
13. Fourier-Spektrometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mehr- moden-Quantenkaskadenlaser (10) mindestens eines der Merkmale aufweist: 13. Fourier spectrometer according to one of the preceding claims, in which the multimode quantum cascade laser (10) has at least one of the features:
- der Laserresonator (11) umfasst einen linearen Resonator, insbesondere einen Fabry-Perot-Re- sonator, oder einen zirkulären Resonator, insbesondere einen Ring-Resonator, und - The laser resonator (11) comprises a linear resonator, in particular a Fabry-Perot resonator, or a circular resonator, in particular a ring resonator, and
- der spektrale Emissionsbereich erstreckt sich über mindestens 70 GHz.  - The spectral emission range extends over at least 70 GHz.
14. Verfahren zum Betrieb eines Fourier-Spektrometers (100) gemäß einem der vorherge- henden Ansprüche, umfassend die Schritte 14. A method of operating a Fourier spectrometer (100) according to any one of the preceding claims comprising the steps
- elektrische Anregung der aktiven QCL-Region mittels eines elektrischen Pumpstroms, wobei die Resonatormoden mit der zeitlichen Abstimmperiode geringer als 1 min jeweils in dem spektralen Abstimmintervall periodisch variiert werden, das mindestens gleich dem Abstand benachbarter Resonatormoden des Laserresonators (11) ist, so dass die Emissionsfrequenzen des Laserlichts im zeit- liehen Mittel den spektralen Emissionsbereich kontinuierlich abdecken, der von den Resonatormoden aufgespannt wird, und  electrical stimulation of the active QCL region by means of an electric pumping current, wherein the resonator modes with the timing period less than 1 min are periodically varied in the spectral tuning interval at least equal to the distance of adjacent resonator modes of the laser resonator (11), so that the Emission frequencies of the laser light in Zeithehen mean continuously cover the spectral emission range, which is spanned by the resonator modes, and
- Auskopplung des Laserlichts aus dem Laserresonator (11) in das Interferometer (20),  - Coupling of the laser light from the laser resonator (11) in the interferometer (20),
- Erzeugung des Interferogramms mit dem Interferometer (20),  Generation of the interferogram with the interferometer (20),
- Wechselwirkung des Interferogramms mit der Probe (1),  Interaction of the interferogram with the sample (1),
- Detektion des Interferogramms nach der Wechselwirkung des Interferogramms mit der Probe (1) und Erfassung des Detektorsignals, welches das detektierte Interferogramm beinhaltet, innerhalb der Detektormesszeit, und - Detection of the interferogram after the interaction of the interferogram with the sample (1) and detection of the detector signal, which includes the detected interferogram, within the detector measurement time, and
- Erfassung des Spektrums der Probe (1) durch eine Fourier-Transformation des detektierten Interferogramms. - Detecting the spectrum of the sample (1) by a Fourier transform of the detected interferogram.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem 15. The method according to claim 14, wherein
- die zeitlichen Abstimmperiode gleich oder kleiner als 1/10 der Detektormesszeit zur Erfassung des Detektorsignals ist, welches das detektierte Interferogramm beinhaltet.  - The timing period is equal to or less than 1/10 of the detector measurement time for detecting the detector signal, which includes the detected interferogram.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem 16. The method according to claim 15, wherein
- die zeitlichen Abstimmperiode gleich oder kleiner als 1/1000 der Detektormesszeit zur Erfassung des Detektorsignals ist, welches das detektierte Interferogramm beinhaltet.  - The timing period is equal to or less than 1/1000 of the detector measurement time for detecting the detector signal, which includes the detected interferogram.
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