11.4μm 外腔寬調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器研究

張宇露，黃 彥，高志強(qiáng)，周建發(fā)，劉 蓓，鐘 亮，徐 暠，陳 旭，史 青，彭泳卿

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

大氣污染帶來的環(huán)境氣體組分復(fù)雜多樣使氣體檢測的下限要求不斷提升，傳統(tǒng)的電化學(xué)檢測已經(jīng)無法滿足目前的氣體分析需求。光譜法作為一種新型的痕量氣體檢測手段正在飛速發(fā)展，其基于光譜學(xué)原理，利用光和氣體分子相互作用的特性來實(shí)現(xiàn)測量。絕大多數(shù)的氣體分子基頻吸收峰位于中紅外波段[1]（3μm～14μm），因此，對(duì)于該波段的激光光源有迫切需求。

目前，輸出中紅外波段的激光器主要有參量震蕩激光器與量子級(jí)聯(lián)激光器QCL（Quantum Cascade Laser）。參量震蕩固體激光器通過泵浦摻雜可激發(fā)中紅外波段激光粒子的光學(xué)晶體實(shí)現(xiàn)激光輸出，因其體積大、功耗高、波長精度不高使其在痕量氣體檢測儀的應(yīng)用中受限。而量子級(jí)聯(lián)激光器成為了該檢測領(lǐng)域中的主要光源，它屬于一類新型的半導(dǎo)體激光器。在高精密光譜檢測系統(tǒng)中，具有寬調(diào)諧范圍、窄的輸出線寬特征的外腔量子級(jí)聯(lián)激光器備受關(guān)注。

國內(nèi)外有諸多研究機(jī)構(gòu)對(duì)外腔量子級(jí)聯(lián)激光器EC-QCL（External Cavity Quantum Cascade Laser）開展研究，國外Daylight 公司、日本濱松等目前已有成熟的商業(yè)產(chǎn)品，具體所實(shí)現(xiàn)的參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 國內(nèi)外EC-QCL 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Table 1 Technicalities comparison QCL at home and abroad

從表1 可以看出，目前僅有Daylight 公司在波長11.2μm 有相關(guān)的產(chǎn)品.國內(nèi)外其它外腔量子級(jí)聯(lián)激光器的研究工作與產(chǎn)品主要集中在中心波長小于10μm 的波段范圍，這在一定程度上限制了光譜檢測氣體的種類，因?yàn)椴糠钟卸居泻怏w的吸收峰位于波長更長的波段。本文首次在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了中心波長11.4μm 中紅外波段827.7cm-1～928.7cm-1（波長10.7μm～12.08μm）寬調(diào)諧激光輸出，激光線寬小于1cm-1，該光源可有效解決三氯乙烯、光氣、萘等痕量有毒有害氣體同時(shí)在線檢測的難題。

1 外腔量子級(jí)聯(lián)激光器原理

1.1 量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)光原理

如圖1（a）所示，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器中通過導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的帶間復(fù)合躍遷產(chǎn)生光子，波長取決于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度；對(duì)于量子級(jí)聯(lián)激光器而言，在產(chǎn)生光子時(shí)并不會(huì)對(duì)空穴有需要，導(dǎo)帶和子帶之間的電子躍遷產(chǎn)生了光子，因而二者間隙不同，就會(huì)輸出不同的波長。電子在一個(gè)有源區(qū)量子阱中完成子帶間躍遷后，位于躍遷下能級(jí)的電子通過弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)注入到下一個(gè)有源區(qū)量子阱中的躍遷上能級(jí)，再次進(jìn)行躍遷，依此類推形成階梯式級(jí)聯(lián)，如圖1（b）所示。

圖1 QCL 基本原理示意圖Fig.1 The QCL schematic diagram of basic principle

由于導(dǎo)帶子帶間隙遠(yuǎn)小于禁帶寬度，因此，QCL 輸出波長比傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器更長，而且導(dǎo)帶子帶間隙可以通過改變材料量子阱厚度而改變。目前，通過改變QCL 的量子阱厚度已實(shí)現(xiàn)輸出波長從中紅外（約3μm）到太赫茲波段的覆蓋，使得QCL 具備了作為光譜氣體檢測光源的基礎(chǔ)。

1.2 外腔量子級(jí)聯(lián)激光器原理

EC-QCL 實(shí)質(zhì)是在量子級(jí)聯(lián)激光器的外部引入光學(xué)反饋元件，構(gòu)建兩個(gè)法布里-珀羅腔，量子級(jí)聯(lián)激光器芯片的自然解理面構(gòu)成激光器的內(nèi)腔，外部光學(xué)反饋元件與芯片端面構(gòu)成激光器外腔。外腔對(duì)激光縱模進(jìn)行選擇，構(gòu)成單縱模反饋，從而輸出單頻激光。因此，當(dāng)芯片具備寬帶光譜時(shí)，可以通過改變外腔參數(shù)，最終獲得寬光譜、窄線寬的激光輸出。

目前常見的EC-QCL 腔型結(jié)構(gòu)有兩種，一種是Littrow 結(jié)構(gòu)，一種是Littman 結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 常用兩種外腔結(jié)構(gòu)Fig.2 Two external cavity structures

當(dāng)采用Littrow 這種外腔結(jié)構(gòu)時(shí)，返回激光芯片中的衍射光為一級(jí)衍射原路返回，是衍射光柵對(duì)芯片輸出的激光進(jìn)行了衍射選擇，部分零級(jí)光形成損耗，特定波長的光經(jīng)過光柵選擇原路返回，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)線寬壓窄和邊模抑制。相比Littrow 結(jié)構(gòu)，Littman 結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)可以調(diào)節(jié)的平面鏡，入射光入射到光柵，產(chǎn)生入射到平面鏡的一級(jí)衍射光，與平面鏡垂直入射的光線反射到光柵形成二次衍射后，返回到增益芯片有源區(qū)中，形成單縱模振蕩。該結(jié)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)平面鏡來實(shí)現(xiàn)波長的調(diào)諧，由于發(fā)生兩次衍射，輸出的激光線寬更窄，但是增加了損耗，整個(gè)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜[1,11,12]。

外腔量子級(jí)聯(lián)激光器的激射原理與其他激光器相同，其主要特點(diǎn)是具有外部模式選擇器件，在實(shí)現(xiàn)激光單縱模、窄線寬輸出的同時(shí)，保證激光器的寬調(diào)諧輸出。如圖3 所示的一種外腔結(jié)構(gòu)，是在傳統(tǒng)的Littrow 外腔下做的改進(jìn)[13]，最終的激光輸出端為激光芯片的后端面。其不僅可以避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)激光輸出方向不固定的缺點(diǎn)，且輸出端為激光芯片的自然結(jié)離面，有利于降低腔損耗，提升激光功率。

圖3 優(yōu)化后Littrow 腔Fig.3 The improved Littrow configuration

2 外腔量子級(jí)聯(lián)激光器研制

2.1 激光器元器件

外腔激光輸出波長是通過腔內(nèi)選模器件進(jìn)行選擇，而激光輸出性能主要由芯片的自發(fā)輻射譜決定。本文采用的量子級(jí)聯(lián)增益芯片為Alpes Lasers 公司的BG-11-14 寬譜芯片，其出廠激光芯片的輸出光譜覆蓋范圍為820 cm-1～935cm-1。寬譜激光芯片要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)寬度在百納秒量級(jí)，由Alpes Lasers 公司的S-2 脈沖電源提供驅(qū)動(dòng)，最高重復(fù)頻率1MHz，輸出電壓8V～20V 可調(diào)，脈寬可調(diào)，最大輸出峰值電流8A（平均電流2.5A）。

量子級(jí)聯(lián)激光芯片光電轉(zhuǎn)換效率較低[14,15]，大面積熱沉、自然風(fēng)冷等傳統(tǒng)的散熱方式不能滿足其需求，本文采用熱電制冷器（TEC）和熱敏電阻閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)激光器的恒溫工作。溫控方案如圖4 所示，采用的熱敏電阻為新疆理化所101@25℃熱敏電阻。由于寬調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器通常作為一個(gè)器件應(yīng)用于各類分析儀器中，其外界溫度環(huán)境較為復(fù)雜，一級(jí)TEC 不能滿足激光器溫控需求，因此采用RMT 公司的二級(jí)TEC，型號(hào)為2MC10-081-10，0 負(fù)載環(huán)境溫度為50℃時(shí)，最大溫差可實(shí)現(xiàn)1001。溫控部分驅(qū)動(dòng)為自主研制的控制器，溫度穩(wěn)定性可實(shí)現(xiàn)0.01℃，配套上位機(jī)軟件。圖5 和圖6 所示分別為激光芯片驅(qū)動(dòng)以及自主研發(fā)的溫度控制硬件電路。

圖4 激光器溫度控制方案Fig.4 The laser temperature control scheme

圖5 S-2 型脈沖電源Fig.5 The S-2 pulse power module

圖6 自主研制的溫控驅(qū)動(dòng)Fig.6 The temperature control driver independently developed

光柵、腔內(nèi)透鏡及其裝配件基本構(gòu)成了優(yōu)化后Littrow 結(jié)構(gòu)的外腔部分。本研究采用的腔內(nèi)透鏡為非球面透鏡C037TME-F，由Thorlabs 公司提供，透鏡的選擇是基于光譜透過率以及數(shù)值孔徑等因素，其在中遠(yuǎn)紅外波段透過率大于99.5%。閃耀光柵的選擇也極其重要，光柵刻線數(shù)影響著激光輸出的線寬[10]，本研究采用的是刻線數(shù)為150/mm 的閃耀光柵GR1325-15106，當(dāng)刻線方向與激光芯片偏振方向垂直時(shí)，光柵具有高達(dá)0.9 的一級(jí)光衍射效率，該光柵由Thorlabs 公司提供。

2.2 激光器樣機(jī)

激光器整機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7 所示，采用腔型為優(yōu)化后的Littrow，為確保激光器的連續(xù)可調(diào)，光柵夾持在可以精密調(diào)節(jié)的光學(xué)鏡架上。

2.3 激光輸出特性

在環(huán)境溫度25℃、激光芯片溫度控制在18℃、芯片電壓14.25V、脈寬300ns、占空比5%條件下對(duì)搭建的激光輸出線寬、調(diào)諧范圍、功率特性、波長及功率穩(wěn)定性進(jìn)行測試。

本項(xiàng)目所獲得激光輸出線寬小于1cm-1，滿足痕量光譜氣體檢測需求，典型波數(shù)910cm-1處線寬測試結(jié)果如圖8 所示，采用的測試設(shè)備為Bristol 公司的771B-MIR 中遠(yuǎn)紅外激光頻譜儀。外腔量子級(jí)聯(lián)激光器輸出調(diào)諧范圍與線寬是影響檢測氣體種類和下限的關(guān)鍵參數(shù)。如前文所述，理想狀態(tài)下的外腔選模激光輸出是單縱模，但是在圖8 中，有明顯的多縱模輸出現(xiàn)象。當(dāng)激光芯片的狀態(tài)是非常穩(wěn)定的連續(xù)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，只有在激光芯片開機(jī)啟動(dòng)的一瞬間存在模式競爭的問題，線寬會(huì)非常接近單縱模，一般線寬在1Hz 量級(jí)。但是本研究中芯片驅(qū)動(dòng)為脈沖驅(qū)動(dòng)，芯片處于不停的關(guān)閉啟動(dòng)狀態(tài)中，每個(gè)周期都存在模式競爭，而每個(gè)周期中外部環(huán)境因素的微小不同，如振動(dòng)、溫度以及腔長等，都會(huì)帶來被選出的模式狀態(tài)不同，多個(gè)周期的累積效果就會(huì)帶來線寬的展寬，最終表現(xiàn)為多個(gè)激光縱模的輸出，脈沖工作模式激光線寬為1cm-1～5cm-1，即GHz 量級(jí)。

通過光學(xué)調(diào)整架調(diào)整光柵轉(zhuǎn)角，中遠(yuǎn)紅外激光頻譜儀實(shí)時(shí)檢測激光器輸出波長，獲得該激光器的光譜調(diào)諧范圍為827.7cm-1～928.7cm-1，具體如圖9 所示，激光器總調(diào)諧范圍為101cm-1，在此范圍內(nèi)三氯乙烯、光氣、萘等痕量有毒有害氣體均有良好的氣體吸收峰。驅(qū)動(dòng)電壓14.25V 時(shí)，在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)激光輸出功率隨波長的變化特性如圖10 所示，激光器在中心波數(shù)880.05cm-1（波長11.363μm）處有最高輸出平均功率1.846mW，峰值功率36.9mW。我們可以看到激光輸出功率分布特點(diǎn)為中間強(qiáng)，兩邊弱，這是由于激光芯片自身的譜線強(qiáng)度分布具有這樣的規(guī)律，越到邊緣處，腔內(nèi)越難達(dá)到激光輸出的條件，最終達(dá)到調(diào)諧范圍的上限。所以在外腔激光中，當(dāng)光柵由中心波數(shù)向兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，激光輸出的波數(shù)隨之變化，但也帶來了功率的下降。

圖7 外腔量子級(jí)聯(lián)激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.7 The internal structure of EC-QCL

圖8 波數(shù)910cm-1 時(shí)激光線寬Fig.8 The line width at 910cm-1

圖9 外腔量子級(jí)聯(lián)激光器歸一化波數(shù)調(diào)諧結(jié)果Fig.9 The normalized spectrum of external cavity quantum cascade laser

激光器整機(jī)穩(wěn)定性是決定其是否可實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素，將光柵衍射角固定輸出波數(shù)為880.05cm-1處，激光器溫度18℃，每隔10 分鐘，測試激光器輸出平均功率和波數(shù)，2 個(gè)小時(shí)內(nèi)，激光器輸出平均功率和波數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系如圖11 所示，穩(wěn)定性良好。

圖10 功率隨波數(shù)變化特性Fig.10 Power vs.wavenumber curve

圖11 外腔量子級(jí)聯(lián)激光器穩(wěn)定性Fig.11 The stability of external cavity quantum cascade laser

3 結(jié)束語

本文針對(duì)目前對(duì)長波寬調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器的需求，開展了中心波長為11.4μm 的外腔量子級(jí)聯(lián)激光器研制，最終實(shí)現(xiàn)激光輸出調(diào)諧范圍827.7cm-1～928.7cm-1（波長10.7μm～12.08μm），激光線寬小于1cm-1，是國內(nèi)首次報(bào)道該波段激光的寬調(diào)諧輸出。該激光器激光輸出性能滿足目前光譜痕量氣體檢測需求，是三氯乙烯、光氣、萘等痕量有毒有害氣體同時(shí)在線檢測的理想光源，對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)向小型化、輕量化方向發(fā)展有著重要影響。