DE102017002874A1 - Fourier spectrometer with a multimode quantum cascade laser, and method for spectroscopic examination of a sample - Google Patents
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Abstract
Ein Fourier-Spektrometer zur spektroskopischen Untersuchung einer Probe umfasst einen Mehrmoden-Quantenkaskadenlaser (QCL), der eine aktive QCL-Region in einem Laserresonator, die zur Erzeugung von Laserlicht mit Emissionsfrequenzen gemäß einer Vielzahl von Resonatormoden des Laserresonators konfiguriert ist, eine Anregungseinrichtung, die zur elektrischen Anregung der aktiven QCL-Region mittels eines elektrischen Pumpstroms konfiguriert ist, und eine Abstimmeinrichtung enthält, mit der die Resonatormoden einstellbar sind, ein Interferometer zur Erzeugung eines auf dem Laserlicht basierenden Interferogramms, 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, die zur Erfassung eines Spektrums der Probe durch eine Fourier-Transformation des detektierten Interferogramms konfiguriert ist, wobei die Abstimmeinrichtung des QCL 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 ist, 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 die Detektoreinrichtung zur zeitlichen Mittelung des Detektorsignals über die zeitliche Abstimmperiode der Abstimmeinrichtung des QCL ausgelegt ist. Es wird auch ein Verfahren zur spektroskopischen Untersuchung einer Probe mit dem Spektrometer beschrieben.A Fourier spectrometer for spectroscopic examination of a sample comprises a multimode quantum cascade (QCL) laser that configures an active QCL region in a laser cavity configured to generate laser light having emission frequencies according to a plurality of resonator modes of the laser cavity electric stimulation of the active QCL region is configured by means of an electric pumping current, and includes a tuner, with which the resonator modes are adjustable, an interferometer for generating a laser light based interferogram, a detector means for detecting the interferogram after interaction with the sample and for detecting a detector signal containing the detected interferogram within a detector measurement time, and an evaluation device configured to acquire a spectrum of the sample by a Fourier transformation of the detected interferogram wherein the QCL tuning means is configured to periodically spectrally vary the resonator modes with a timing period of less than one minute each in a spectral tuning interval that is at least equal to the spacing of adjacent resonator modes of the laser cavity, the active QCL region for generating the laser light the emission frequencies in the range of 1 THz to 6 THz is configured, wherein the emission frequencies of the laser light cover a spectral emission range of at least 50 GHz, and the detector means is designed for averaging the time of the detector signal over the timing of the tuning of the QCL. A method for the spectroscopic examination of a sample with the spectrometer is also described.
Description
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.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-Spektrometer (oder: FTIR-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.Fourier spectrometers (or: FTIR 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 a 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. Derartige 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. Although such radiation sources with a broadband emission and a 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, due to their high output power, quantum cascade lasers (QCL), in particular THz quantum cascade lasers, are promising radiation sources which, in particular because of their narrowbandness, are suitable for spectroscopic investigations, 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
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 Abstimmbereiche 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. B. 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 tuning ranges 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
Ein Gitterspektrometer mit einem QCL als Strahlungsquelle wird von
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 empfindliche 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 Einstellung 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.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 expected to be suitable 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 , In particular, QCL should be characterized by continuous (i.e., gapless) spectral coverage of a broad emission range, increased optical output power, ease of tunability, and / or high reproducibility of emission frequency adjustment. 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.
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.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 Mehrmoden-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 Abstimmeinrichtung, 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 Interferogramms 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-Pérot-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 having emission frequencies according to a A plurality of resonator modes of the laser resonator is configured, an exciter, which is configured for electrically exciting the active QCL region by means of an electric pumping current, and a tuner, with which the resonator modes are adjustable, an interferometer with a beam splitter, a stationary interferometer mirror and a movable interferometer mirror, the interferometer being arranged to produce an interferogram based on the laser light, detector means for detecting the interferogram after interacting with the sample and detecting a detector signal, w which includes the detected interferogram within a detector measurement time, and an evaluation device for detecting a spectrum of the sample by a Fourier transformation of the detected interferogram. The laser resonator may comprise a linear resonator, in particular a Fabry-Pérot 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 periodisch 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.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 do not have to 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 with conventional single mode QCLs.
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 Emissionsbereichs erzielt wird. In contrast to conventional multimode QCL, the tuning of the resonator modes at least over the mode spacing of adjacent resonator modes of the laser resonator in the timing period is less than 1 min, so that a continuous spectral coverage of the emission range is achieved on average over time than in 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 abdecken, 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 temporal average continuously cover the spectral emission range spanned by the resonator modes and outcoupling of the laser light from the laser resonator into the interferometer, generation of the interferogram with the interferometer, interaction of the interferogram with the sample, detection of the interferogram after interaction of the interferogram with the sample and detection of the detector signal containing the detected interferogram within the detector measurement time, and detection of the spectrum of the sample by a Fourier 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, AlSb/InAs auf einem InAs-Substrat, oder InGaAs/AllnAsSb, InGaAs/GaAsSb oder InGaAs/AllnGaAs 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.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, AlSb / InAs on an InAs substrate, or InGaAs / AllnAsSb, InGaAs / GaAsSb or InGaAs / AllnGaAs 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.
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.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.
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 Abstimmeinrichtung 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.According to a preferred embodiment of the spectrometer according to the invention, the detector device is designed for the inherent averaging of the detector signal by using a detector with a time constant which is greater than the time-setting period of the tuner. 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 Interferogramm 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 tuner is less than 1/10, in particular less than 1/1000 of a measurement time of the spectrometer for recording the measurement spectrum (detector measurement time for detection of the detector signal representing 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, insbesondere 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 timing 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
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-Region 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.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.
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.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.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
1(a) bis1(d) : schematische Emissionsspektren eines Mehrmoden-QCL mit variierenden Resonatormoden; -
1(e) : eine schematische Illustration eines Fourier-Spektrometers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
2(a) und2(b) : Kurvendarstellungen zur Illustration experimenteller Ergebnisse mit einem Mehrmoden-QCL gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
3(a) bis3(c) : weitere Kurvendarstellungen zur Illustration von Testergebnissen mit dem Mehrmoden-QCL gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und -
4 : ein Emissionsspektrum eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Mehrmoden-QCL.
-
1 (a) to1 (d) : schematic emission spectra of a multimode QCL with varying resonator modes; -
1 (e) Fig. 1 is a schematic illustration of a Fourier spectrometer according to a preferred embodiment of the invention; -
2 (a) and2 B) : Graphs illustrating experimental results with a multi-mode QCL according to a preferred embodiment of the invention; -
3 (a) to3 (c) : further graphs illustrating test results with the multimode QCL according to a preferred embodiment of the invention; and -
4 : An emission spectrum of another 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 Fourier-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 verwendeten Halbleitermaterialien für die aktive QCL-Region oder des Substrats ist oder einer Längenvariation des Laserresonators realisierbar.Details of the invention are described below with particular reference to the tuning of the multimode QCL and a Fourier spectrometer equipped with the multimode QCL according to the invention. 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, particularly based on irradiation of the active region with electromagnetic radiation having an energy greater than the energy of the band gaps of the semiconductor material used for the active QCL region or the substrate or a length variation of the laser resonator feasible.
Einzelheiten des Aufbaus 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/AlAs-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 sindDetails of the structure of a multi-mode QCL will not be described because it can be realized as in a conventional multi-mode QCL. By way of example, reference is made to a QCL formed by a GaAs / AlAs 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 eines Pumpstroms mit einer Pumpstromquelle verbunden ist.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, e.g. on a carrier substrate connected to a pumping power source for injecting a pumping current.
Wenn Lopt um einen Betrag dLopt variiert wird, z. B. durch eine Variation des Pumpstroms, so ändert sich die Frequenz einer FP-Resonatormode gemäß
Wenn die gemeinsame Verschiebung aller Resonatormoden den Modenabstand erreicht, wie in den
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 Δt durchgestimmt, während das Detektorsignal der Spektrometer-Detektoreinrichtung über diese Abstimmperiode gemittelt wird, wie in
Wenn die Abstimmperiode Δt 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.If the tuning period Δt 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.
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
Konkrete Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mehrmoden-QCL und des erfindungsgemäßen Fourier-Spektrometers
Der Mehrmoden-QCL
Zur periodischen Abstimmung der Resonatormoden ist die Abstimmeinrichtung
Der QCL
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der QCL
Das Interferometer
Das Interferogramm wird am Ausgang des Interferometers
Die Detektoreinrichtung
Die zeitliche Mittelung des Detektorsignals wird beispielsweise realisiert, indem im Spektrometer
Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Spektrometers
Vorteilhafterweise kann das SNR des erfindungsgemäßen QCL
Neben dem SNR besteht im Dynamikbereich ein weiterer wichtiger Parameter des Spektrometers
Um den Rauschpegel des Detektors
Die Ausgangsleistung des erfindungsgemäß verwendeten Mehrmoden-QCL
Auch um die Realisierbarkeit von spektroskopischen Messungen mit Hilfe des erfindungsgemäß verwendeten Mehrmoden-QCL
Die Messung, bei der der Mehrmoden-QCL
Im Unterschied zur Messung bei hoher spektraler Auflösung zeigen die Spektren in Figur
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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