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.
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.
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-1. Обычно 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
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.
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.
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.
Рисунок 6. Влияние скорости модуляции
© Alpes Lasers
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке Alpes Lasers на территории РФ
