Будущее квантово-каскадных лазеров

Первая экспериментальная демонстрация квантово-каскадного лазера была проведена в 1994 году командой Лаборатории Белла во главе с Федерико Капассо, профессором прикладной физики Роберта Уоллеса в Гарвардском университете. Он отметил, что спустя почти 30 лет с момента изобретения квантово-каскадные лазеры «являются единственными источниками излучения с широким спектральным диапазоном и возможностью настройки в средней инфракрасной области спектра. Благодаря компактности и возможности работы при комнатной температуре они широко применяются в науке и технике, в частности, в спектроскопии, химии атмосферы для исследований изменения климата, анализе остаточных газов, мониторинге загрязнения, исследовании химического состава образца, диагностике в таких областях, как медицина, сырьевой сектор и сектор утилизации отходов, а также в обороне, в частности, в средствах инфракрасного противодействия».

Рисунок 1. Основная структура молекулы с вибрацией и вращением в диапазоне 2-12 мкм

На сегодняшний день длина волны лазерного излучения составляет от 2,63 мкм до 250 мкм в стандартных рабочих условиях, хотя диапазон большей части имеющихся в продаже квантово-каскадных лазеров, как правило, составляет 4-12 мкм.

Уникальность квантово-каскадных лазеров заключается в том, что они могут разблокировать все диапазоны частот в средней инфракрасной области спектра.

Квантово-каскадные лазеры

Традиционные полупроводниковые лазерные диоды используют p-n-переходы между полупроводниками для генерации светового излучения. Напротив, рабочий переход в квантово-каскадных лазерах происходит между состояниями внутри данной квантовой ямы. Преимущество этой конструкции заключается в том, что электрон, испускающий фотон, проникает в следующую квантовую яму, и, в результате, один электрон может генерировать несколько фотонов, что значительно повышает их продуктивность.

Туннелирование из одной квантовой ямы в другую создает «каскад квантовых ям»; глубина квантовой ямы может быть спроектирована путем регулирования толщины слоев кристалла в процессе изготовления для получения желаемой длины волны излучения фотонов при рабочем переходе лазера. Основное преимущество этого подхода заключается в том, что, поскольку длина волны излучения зависит только от толщины слоя, а не от составляющих материалов, как в случае традиционных полупроводниковых лазеров, эта технология позволяет создавать лазеры с очень широким спектральным диапазоном (от 3 до 160 мкм).

По сравнению с традиционными системами инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (ИКФС), масс-спектрометрии и фототермической микроспектроскопии, квантово-каскадные лазеры обладают более коротким временем отклика и гораздо более широким спектральным диапазоном, охватывающим как среднюю, так и длинноволновую области ИК излучения. Эти функции позволяют создавать более быстрые и точные компактные микроэлементные анализаторы и газоанализаторы, благодаря чему квантово-каскадные лазеры идеально подходят для различных сенсорных и спектроскопических применений.

Спектроскопия и ИК-область «отпечатков пальцев»

Одной из технологий с использованием квантово-каскадных лазеров является ИК-спектроскопия, с помощью которой уже более ста лет определяют химические характеристики веществ путем измерения поглощения или пропускания. Все элементы, связанные ковалентной связью, демонстрируют уникальные наборы полос поглощения в ИК-спектре, что можно увидеть благодаря встроенным режимам вибрации и вращения, обусловленным молекулярной структурой. Различные полосы поглощения, обусловленные молекулярными связями, образуют уникальный спектр, известный как «спектр отпечатков пальцев» (диапазон 5-14 мкм), в котором можно обнаружить колебательные резонансы большей части жидкостей, газов, пластмасс, стекла и биологических тканей.

Как правило, поглощение в ИК-диапазоне измерялось с помощью ИКФС-спектрометра, состоящего из широкополосного источника излучения в ИК-диапазоне и сканирующего интерферометра. Система квантово-каскадных лазеров существенно упрощена: из установки полностью удален интерферометр, а источник излучения в ИК-диапазоне заменен настраиваемым квантово-каскадным лазером. Таким образом, в настоящее время квантово-каскадные лазеры широко используются в химическом анализе и химической визуализации благодаря значительно более низкой стоимости и упрощенности системы. Кроме того, квантово-каскадные лазеры обладают большей мощностью, чем другие когерентные источники излучения с диапазоном в «области отпечатков пальцев», обеспечивая достаточную яркость для бесконтактного обнаружения веществ на больших расстояниях (до сотен метров) с очень малыми оптическими потерями. Высокая яркость квантово-каскадных лазеров обеспечивает оптимальное соотношение сигнал/шум для исключения необходимости использования высокочувствительных криогенных детекторов и, следовательно, исключения неудобства подачи жидкого азота.

Применение

Благодаря небольшому размеру, низкому энергопотреблению и расширенной функциональности по сравнению с традиционными полупроводниковыми лазерами, квантово-каскадные лазеры все чаще используются в нескольких областях применения, включая:

Промышленный контроль (онлайн-измерение газа). Высокая мощность излучения квантово-каскадных лазеров обеспечивает значительную длину оптического пути, что необходимо для мониторинга крупных внутренних и наружных объектов, таких как транспортные терминалы, химические заводы, нефтеперерабатывающие заводы и военные базы. Для анализа сложных молекул газа, которые поглощают в более широком диапазоне спектра, в настоящее время введены в коммерческий оборот терагерцовые квантово-каскадные лазеры, диапазон которых составляет от 100 до 150 мкм, что обеспечивает большую точность измерений, чем при использовании текущих технологий.

Оборона и безопасность. Основным видом применения квантово-каскадных лазеров в сфере обороны является противоракетная оборона вертолетов или самолетов, а именно средства инфракрасного противодействия, в которых мощные квантово-каскадные лазеры с диапазоном 4 мкм используются для противодействия ракетам с инфракрасной головкой самонаведения. 

Мониторинг окружающей среды. Повышенное содержание загрязняющих веществ (оксидов азота (NOx), монооксида углерода (CO), аммиака (NH3), летучих органических веществ (VOC) и т.д.), в атмосфере Земли, выброс которых возникает в результате использования транспорта, промышленности и сельского хозяйства, может приводить к возникновению болезней, аллергии, а иногда и к смерти. Доступны компактные (портативные) и точные приборы, принципом работы которых является лазерная абсорбционная спектроскопия. Эти приборы можно использовать для обнаружения содержания нескольких газов в режиме реального времени (оксида серы SO2, монооксида углерода (CO), диоксида углерода (CO2), аммиака (NH3), летучих органических веществ (VOC), оксидов азота (NOx), метана (CH4) и т.д.

Здравоохранение. Системы со встроенными квантово-каскадными лазерами также можно применять в расширяющейся области медицинской диагностики в силу обнаружения резких и сильных пиков поглощения в диапазоне 3-12 мкм из-за возникновения в этом диапазоне основных частот колебаний различных молекул биологических тканей. Соответственно, исследование биологической ткани может быть проведено путем анализа спектра поглощения, образованного этими молекулами (так называемого «спектра отпечатков пальцев»), что позволяет определить составляющие молекулы и проанализировать их состав. Например, газовые примеси, присутствующие в выдыхаемом пациентом воздухе, могут указывать на диабет, астму и другие заболевания дыхательных путей, дисфункцию почек и печени, а также на иные заболевания.

Транспорт. Измерение уровней оксида азота в выбросах от транспорта приобретает все большую важность, поскольку транспорт является одним из основных источников выбросов парниковых газов. Преимуществом квантово-каскадных лазеров является очень узкая полоса пропускания, при которой может быть достигнута достаточно высокая селективность по отношению к компоненту измерения. В настоящее время доступны газоанализаторы со встроенным квантово-каскадным лазером для прямого одновременного измерения в режиме реального времени четырех соответствующих азотсодержащих компонентов выхлопных газов (оксида азота(II) (NO), оксида азота(IV) (NO2), оксида азота (I) (N2O) и аммиака (NH3) с высокой селективностью и чувствительностью и без перекрестных помех.

Рисунок 2. Основные области применения измерений в среднем ИК-диапазоне

Проект производства квантово-каскадных лазеров

В настоящее время квантово-каскадные лазеры, безусловно, являются наиболее универсальными лазерами среднего ИК-диапазона, способными также работать в терагерцовом диапазоне. Кроме того, квантово-каскадные лазеры гораздо более компактны и надежны, чем другие лазеры среднего ИК-диапазона, такие как оптический параметрический генератор (ОПГ) или оптический параметрический усилитель (ОПУ). 

Универсальность квантово-каскадных лазеров обуславливает широкий ассортимент продуктов, которые компании предлагают в качестве оригинальных решений для достижения общей цели – создания компактного и устойчивого прибора. Кроме того, каждая компания продвигает свою собственную бизнес-модель. По словам профессора Антуана Мюллера, генерального директора Alpes Lasers (швейцарской инжиниринговой компании, которая первой начала производить передовые источники излучения), недавно разработанные ими квантово-каскадные лазеры для формирования оптических гребенок изготавливаются со специально разработанной линейной дисперсией для получения многомодового оптического волокна, генерирующего оптические гребенки высокой мощности, охватывающие широкий спектральный диапазон.

Квантово-каскадный лазер для формирования оптических гребенок – это автономное устройство, которое объединяет в волноводе лазер с накачкой и микрорезонатор. Это обеспечивает значительно большую компактность квантово-каскадных лазеров для формирования оптических гребенок по сравнению с лазерами, в основе работы которых заложены прежние технологии. Благодаря этим характеристикам квантово-каскадные лазеры для формирования оптических гребенок являются уникальными и идеально подходят для широкого спектра новых видов применений, включая исследование полос ИК-спектров аминов (с центром около 6,02 мкм), необходимых в фармацевтической промышленности (рисунок 3).

Рисунок 3. Лазеры для формирмирования оптических гребенок могут быть помещены в корпуса HHL: перекрывающиеся спектры двух квантово-каскадных лазеров для формирмирования оптических гребенок около 8 мкм (внизу слева) с мультигетеродинным исследованием спектра оптических биений (внизу справа) для спектроскопии с двумя гребенками

В Японии транснациональная компания Hamamatsu Photonics производит три типа квантово-каскадных лазеров в среднем ИК-диапазоне (4-10 мкм) для молекулярного анализа газов и абсорбционной спектроскопии. Лазер первого типа — это квантово-каскадный лазер с распределенной обратной связью, для создания которого была специально разработана и затем внедрена особая технология. В квантово-каскадном импульсном лазере первого типа применяется развертка по длине волны за счет конфигурации внешнего резонатора; лазер второго типа — это квантово-каскадный лазер с распределенной обратной связью и частотной модуляцией со встроенной линзой, которая обеспечивает коллимированный луч в герметичном корпусе-«бабочка»; лазер третьего типа — это квантово-каскадный лазер с распределенной обратной связью и частотной модуляцией с резонансно-фотонной схемой депопуляции и распределенной обратной связью для обеспечения стабильного одномодового излучения при комнатной температуре.

Компания Thorlabs предлагает широкий спектр квантово-каскадных и межзонных каскадных лазеров среднего ИК-диапазона: как лазеры с резонатором Фабри-Перо, подходящие для визуализации, освещения и микроскопии в области медицины, так и лазеры с распределенной обратной связью с четко определенной центральной длиной волны, обеспечивающие работу в одном пространственном режиме, подходят для исследования химического состава, оптической связи и других применений.

Трудности

В настоящее время квантово-каскадные лазеры все еще являются в некоторой степени узкопрофильными устройствами, и их производители сталкиваются с двумя основными проблемами. Производство трудно оптимизировать, поскольку оно требует от разработчиков особого внимания к драйверам и датчикам контроля температуры. Шум тока от драйвера квантово-каскадного лазера увеличивает ширину полосы излучения, что снижает общую чувствительность и точность системы, а изменение температуры приводит к изменению длины волны. Для обеспечения абсолютной точности важно оснастить квантово-каскадный лазер драйверами со сверхнизким уровнем шума и высокостабильными регуляторами температуры. 

© Alpes Lasers, Thorlabs, Hamamatsu Photonics

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке квантово-каскадных лазеров на территории РФ