Главная / Библиотека / Как настраивать квантовые каскадные лазеры?

Как настраивать квантовые каскадные лазеры

Теги каскадный лазер alpes lasers квантово-каскадные лазеры
Как настраивать квантовые каскадные лазеры?

Короткие импульсы для узких полос

Длина волны излучения лазера с распределенной обратной связью (DFB лазеры) определяется периодом его Брэгговкой решетки, которая, в свою очередь, испытывает влияние температуры. В случае импульсных лазеров во время генерации импульса внезапное начало рассеяния электричества приводит к увеличению температуры, что вызывает чирп.

При включении данный эффект изменяет длину волны излучения. Скорость перестройки составляет примерно 14 млн-1/нс в начале импульса и быстро замедляется через несколько нс; точные скорости различны для каждого лазера. Отсюда следует, что для получения узкой ширины линии на медленном детекторе длительность импульса должна быть минимальной.

рис 1
Рисунок 1. Поведение при включении

Используя импульсный генератор QCL, поставляемый Alpes Lasers, можно создавать импульсы длительностью до 22 нс. Специальная электроника позволяет обеспечить более короткие импульсы. Однако нелинейное электрическое поведение QCL приводит к тому, что типичное время нарастания и спада импульса составляет порядка 8 нс, что затрудняет получение очень коротких импульсов. В итоге может показаться, что эффективная ширина линии зависит от амплитуды импульса. Это связано с тем, что в начале импульса обычно наблюдается сильный выброс; это особенно заметно при малой амплитуде и очень коротких импульсах. Таким образом достигается очень короткий импульс, хотя, на самом деле, он ниже порогового значения, а превышает его только кратковременный начальный выброс. Дальнейшее увеличение амплитуды показывает истинную длину импульса. На рисунке 2 изображена типичная форма короткого импульса: фактическое спектральное поведение варьируется в зависимости от расположения порога относительно плеча, появляющегося через 7,9 нс.

рис 2
Рисунок 2. Типичная форма короткого импульса

Внутриимпульсная модуляция

Длина волны излучения лазера с распределенной обратной связью определяется периодом его Брэгговкой решетки, которая, в свою очередь, испытывает влияние температуры. В случае импульсных лазеров во время генерации импульса внезапное начало рассеяния электричества приводит к увеличению температуры, что вызывает чирп. В схеме внутриимпульсной модуляции этот чирп разрешается быстрым детектором для регистрации поглощения. Окончательное разрешение этого метода зависит от скорости сканирования (которая зависит от лазера) и времени интеграции детектора. Диапазон сканирования может достигать 2,5 см-1Обычно этот метод используется при длительности импульсов от 200 нс до 1 мкс, которые выдерживает не каждый лазерный чип.

Схема прерывистой непрерывной модуляции

Особенность квантовых каскадных лазеров – малая собственная ширина линии (до 1 кГц). Однако для достижения низкой эффективной ширины линии важна схема драйвера.

Три распространенных схемы драйвера: межимпульсная модуляция, внутриимпульсная модуляция и модуляция непрерывного сигнала. У каждого есть свои ограничения: для схем с короткими импульсами требуются либо драйверы быстрого тока (в межимпульсной схеме), либо быстрые детекторы (во внутриимпульсной схеме), чтобы избежать чирпирования, присущего импульсным лазерам; непрерывная модуляции более требовательна к самому лазеру и требует хорошего теплоотвода.

Ниже описывается новая схема, получившая название прерывистой непрерывной модуляции (ICW), которая позволяет выполнять спектроскопию с медленными детекторами и драйверами при использовании лазеров в корпусах TO-3, которые дешевле корпусов LLH и HHL непрерывных лазеров.

1. Обзор схем модуляции

рис 3

Рисунок 3. Сравнение схема модуляции

Изображение слева показывает типичную схему непрерывной модуляции. Управляющий ток модулируется по пилообразной схеме для создания частотной модуляции с периодом 200 мкс, за которым следует падение ниже порогового значения с последующим повторением. Эта схема позволяет использовать медленное частотное сканирование: если диапазон сканирования составляет 1 см-1, то детектор с временным разрешением в 1 мкс даст спектральное разрешение 0,005 см-1

Такую непрерывную модуляцию можно использовать с охлаждаемыми лазерами, например, в корпусе HHL. Однако, бывают ситуации, когда большие размеры и потребляемая мощность, необходимые для работы лазера в режиме постоянного включения, слишком велики, чтобы их можно было поддерживать на нужном уровне.

Схема прерывистого непрерывного лазера, представленная справа, уменьшает среднее рассеивание в лазере, снижая ток до нуля с длительной паузой между импульсами, которая позволяет лазеру остыть. При этом общее рассеивание ограничено, что позволяет использовать лазер в корпусе TO-3.

Прерывисто-непрерывные лазеры должны быть способны работать в непрерывном режиме при достаточной мощности охлаждения. Прерывисто-непрерывный режим может быть применен к любому непрерывному лазеру в корпусе LLH или HHL. Кроме того, прерывисто-непрерывный режим может быть применен к аналогичной микросхеме, установленной в корпусе TO-3, но в этом случае чистый непрерывный режим, как правило, невозможен.

2. Зависимость параметров

Общая настройка почти не зависит от температуры крепежа, но зависит от рабочего цикла. На рисунке 4 показана относительная настройка для разных температур и межимпульсное разделение для одинаковой длительности импульсов.

Конечные точки настройки и скорость настройки зависят от рабочего цикла. На рисунке 5 показана абсолютная настройка относительно рабочего цикла. По мере того, как расстояние от импульса к импульсу становится меньше, поведение приближается к результату монохроматической непрерывной волны.

рис 4

Рисунок 4. Температурная зависимость

3. Аппаратные решения

Импульсы прямоугольной и пилообразной формы могут быть созданы с помощью программируемых драйверов непрерывного лазера. Если у Вас есть такой драйвер, для данного применения Вы можете использовать его с лазером из каталога Alpes Lasers. Каждый непрерывный лазер, установленный на креплениях NS, может использоваться в режиме медленного чирпа в корпусах HHL или LLH.

Поскольку длинный электрический импульс работает за счет нагрева лазера, можно с уверенностью предположить, что длины волн, доступные в режиме непрерывном режиме, также будут доступны в прерывистом непрерывном режиме, но при базовой температуре примерно на 10°C ниже. Точный температурный сдвиг будет зависеть от рабочего цикла и используемого в лазере тока. 

рис 5

Рисунок 5. Зависимость рабочего цикла

Настройка инжектора постоянного тока

Поскольку настройка квантового каскадного лазера выполняется путем изменения температуры активной области, небольшой подпороговый постоянный ток смещения может использоваться для управления длиной волны излучения импульсного лазера за счет его нагрева. Если у Вас есть газовая ячейка, Вы также можете выполнить тестовую процедуру запуска.

Тестовая процедура запуска

Для запуска:

1. Запустите лазер. Для начала рекомендуется установить температуру 15 °C, чтобы влага внутри корпуса не конденсировалась на лазерном чипе. Используйте текущие настройки, как указано в тестовых данных Alpes. Если отслеживаете выходную мощность с помощью детектора, на нем должен появиться сигнал.

2. С помощью изменения температуры настройте лазер на самую высокую частоту (самую короткую длину волны), которая представляет интерес.

3. Сбросьте ток до значений, подходящих для нужной температуры и длины волны, а затем уменьшите его еще немного, но не ниже порогового значения (чтобы Вы все еще видели сигнал на детекторе)

4. Поместите газовую ячейку между лазером и детектором и убедитесь, что на детекторе все еще есть сигнал. Запишите значение амплитуды сигнала детектора.

5. Включите инжектор постоянного тока на низких значениях (возможно, 0,001 А) и запишите сигнал детектора; продолжайте дальше с шагом 0,001 A и фиксируйте значения на приемнике для каждого шага, пока не достигнете 0,06 A или какого-либо другого значения, которое было обсуждено/согласовано с Alpes.

Вышеупомянутая процедура производила спектральное сканирование лазера в диапазоне длин волн, определяемом зависимостью скорости сканирования лазера от тока (см-1/А, основное свойство лазера). Диапазон 60 мА может быть эквивалентен 1,2 см-1 изменению длины волны лазера. Если ваша начальная точка (временная, текущая) была правильной, Вы должны увидеть интересующую Вас линию в построенном графике. Если нет, попробуйте еще раз с новым температурным / импульсным током. Продолжайте оптимизировать параметры температуры и привода:

  • Уменьшите или увеличьте длину импульса и повторите сканирование; таким образом будет известно влияние этих параметров на мощность и ширину лазерной линии; изучите их, чтобы оптимизировать измерения
  • Если возможно, повторите измерение с газовой ячейкой с выбранным газом при низком давлении (1 Торр). Это значительно сузит линию и позволит учесть явное спектральное разрешение самого лазера c драйвером и узнать, есть ли у драйвера какие-либо кольцевые модуляции или двойные импульсы (из-за чего ширина линии будет казаться больше).

В конце концов, когда Вы откалибруете и оптимизируете спектр лазера в зависимости от температуры и тока, обнаруженные Вами значения будут намного более точными, чем значения в данных, предоставленных Alpes (потому что могут быть расхождения в калибровке тока или температуры и потому, что данные Alpes имеют несколько дискретных настроек, и Ваши данные относятся к вашему оборудованию по отношению к выбранному газу).

Прямая непрерывная модуляция

Непрерывный лазер устанавливается на фиксированную длину волны после переходного времени в 10 мс; поэтому Вы можете модулировать лазер сигналом медленнее 100 Гц и ожидать, что длина волны на выходе точно будет соответствовать входному току в соответствии с соотношением, измеренным в его табличных данных.

Так как модуляция длины волны является тепловым эффектом, она будет подавляться на скоростях, превышающих 1 МГц и монотонно уменьшаться между 100 Гц и 1 МГц. Рисунок 6 иллюстрирует данные для амплитуды конкретного лазера; точные значения будут варьироваться от одного лазера к другому.

рис 6

Рисунок 6. Влияние скорости модуляции

 

© Alpes Lasers

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке Alpes Lasers на территории РФ

Online заявка

 

Теги каскадный лазер alpes lasers квантово-каскадные лазеры
Новые статьи
Характеристика свойств субхондральной кости человека с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК)

Дегенеративные заболевания суставов часто характеризуются изменениями свойств суставного хряща и субхондральной кости. Эти изменения часто связаны с толщиной субхондральной пластинки и морфологией трабекулярной кости. Таким образом, оценка целостности субхондральной кости может дать важные сведения для диагностики патологий суставов. В данном исследовании изучается потенциал оптической спектроскопии для характеристики свойств субхондральной кости человека. Образцы остеохондральной кости (n = 50 – количество образцов) были извлечены из коленного сустава трупа человека (n = 13) в четырех анатомических точках и подвергнуты БИК-спектроскопии(в ближней инфракрасной области). Затем образцы были исследованы с помощью микрокомпьютерной томографии для определения морфометрических характеристик субхондральной кости, включая: толщину пластинки (Sb.Th), толщину трабекул (Tb.Th), объемную долю (BV/TV) и индекс модели структуры (SMI). Связь между свойствами субхондральной кости и спектральными данными в 1-м (650 - 950 нм), 2-м (1100 - 1350 нм) и 3-м (1600-1870 нм) оптических окнах была исследована с помощью многомерного метода частичных наименьших квадратов (PLS) регрессии. Значимые корреляции (p < 0.0001) и относительно низкие ошибки прогнозирования были получены между спектральными данными в 1-м оптическом окне и Sb.Th (R2 = 92.3%, ошибка = 7.1%), Tb.Th (R2 = 88.4%, ошибка = 6.7%), BV/TV (R2 = 83%, ошибка = 9.8%) и SMI (R2 = 79.7%, ошибка = 10.8%). Таким образом, БИК-спектроскопия в 1-м тканевом оптическом окне способна характеризовать и оценивать свойства субхондральной кости и потенциально может быть адаптирована во время артроскопии.

Моделирование нервного волокна на основе оптического волновода

Миелинизированные аксоны являются многообещающими кандидатами для передачи нервных сигналов и света ввиду их волноводных структур. С другой стороны, с появлением таких заболеваний, как рассеянный склероз и нарушений формирования и передачи нервных сигналов из-за демиелинизации, понимание свойств миелинизированного аксона как волновода приобретает большую важность. Настоящее исследование направлено на то, чтобы показать, что профиль показателя преломления (ПП) миелинизированного аксона играет существенную роль в передаче лучей в нем. 

Оптимизация обнаружения сверхслабых световых потоков

В ходе исследования, описанного в данной статье, были объединены статистическая модель, анализ шумов детектора и эксперименты по калибровке. Согласно результатам, видимый свет может быть обнаружен с помощью ПЗС камеры с электронным умножителем с соотношением сигнал/шум, равным 3, для потоков с количеством фотонов менее 30 фотонов с−1 см−2.

Диагностика импульсного плазменного потока

Импульсные плазменные потоки в плазменных ускорителях широко используются для решения ряда научных и практических задач. Особый интерес среди применений импульсных плазменных потоков представляют термоядерный синтез и астрофизические исследования, например, экспериментальное исследование взаимодействия импульсного плазменного потока с материалами.

Полные высокопроизводительные настольные системы сканирования HSI PUSH-BROOM

Применение гиперспектральной визуализации заметно расширилось за последние годы. Тем не менее, остается общая проблема, а именно: предоставление полного интегрированного решения для фиксации 2-D гиперспектральных изображений в компактном настольном формате, которое предоставляет подробную спектральную информацию для определения компонентов, количества и их распределения в плоскости сканирования.

Автофлуоресцентная микроскопия — идентификация бактериальных сигналов на образцах горных пород
Распространенным методом обнаружения микробов в жидких и нежидких образцах является окрашивание флуоресцентными красителями, при котором образцы окрашиваются флуорофором, возбуждаемым фотонами от источника света. Флуорофоры — это молекулы, которые проявляют флуоресценцию, и могут быть биомолекулами естественного происхождения (в этом случае флуоресценция называется автофлуоресценцией), флуоресцентными красителями (синтезированными молекулами) или минералами. Конкретные применения красителей включают обнаружение и перечисление бактерий, визуализацию экспрессии генов и обнаружение биомолекул, которые иначе невозможно было бы отследить.
У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б

г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3