太赫兹量子级联激光器自混合干涉测量技术研究
发布时间：2022-01-23 09:52
太赫兹量子级联激光器（THz-QCL）是用于实现自混合干涉的半导体激光器。利用自混合干涉效应,实验测量了THz-QCL频谱、线宽增强因子以及反馈光耦合系数。搭建了THz-QCL自混合干涉光路,基于THz-QCL驱动电压,获得了具有高信噪比的自混合干涉信号及其随反馈光光程变化的曲线。通过对自混合干涉信号进行解析,准确获得了THz-QCL在不同工作电流和温度下的激射频谱,频谱的分辨率反比于反馈光光程的变化。基于自混合干涉信号,分析得到了THz-QCL的线宽增强因子以及反馈光耦合系数。所实现的自混合干涉测量技术有望发展为物质的太赫兹频谱识别和测量技术。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
F-P腔中自混合干涉模型示意图
实验装置如图2所示,其中AC表示交流。实验中THz-QCL的F-P谐振腔长2 mm,宽100 μm,厚度约为10 μm。在热沉温度为20 K,驱动电流为0.645 A(高于阈值电流25 mA)时,该QCL的标称频率为2.6 THz。将激光器安置在连续流低温恒温器(Janis ST-100)的载物台上,恒流源供电,激光器热沉温度被控制为20 K,在连续激射模式下工作。QCL放置在直径为50.8 mm、有效焦距为76.2 mm的离轴抛物面反射镜1的焦点处。光束经离轴抛物面反射镜1准直,入射到直径为50.8 mm、有效焦距为50.8 mm的离轴抛物面反射镜2上。在离轴抛物面反射镜2的焦平面上放置一平面反射镜,可使光束沿原光路返回到激光腔中。离轴抛物面反射镜2和平面反射镜安置在平移台 (Thorlabs NRT100) 上,平面反射镜到QCL的初始距离L0为60 cm。在光反馈条件下,一个由自混合效应引起的呈周期性变化的微弱信号叠加在THz-QCL端电压上,利用低噪声交流耦合差分放大器,去掉THz-QCL端电压中的直流分量,并放大其交流小信号,之后将其作为输入信号送入数据采集卡(NI-DAQ USB-6251 BNC)。通过Labview程序在计算机、平移台控制器和数据采集卡之间建立实时通信,平移台电机启动时数据采集卡启动采集数据,电机停止时数据采集卡停止采集并保存数据。实验中,设定交流耦合差分放大器的放大倍数是50;平移台的移动方向为远离QCL,即光程增加的方向,速度为10 mm·s-1;数据采集卡的采样频率为1000 Hz。
图3(a)是数据采集卡获取的THz-QCL端电压随外腔长度变化的自混合信号。此时,驱动电流I为0.645 A,激光器热沉温度为20 K。密集的信号放大图如插图所示,可以发现自混合信号以λ/2为周期振荡,由此估算激光器的激射频率与标称值十分接近。将VLFI-ΔLext曲线进行傅里叶变换,得到THz-QCL的激射频谱,如图3(b)所示,其中VLFI经傅里叶变换后为V′LFI。频谱显示,该QCL在这个工作电流和工作温度下单模激射,频率是2.6084 THz,与标称值吻合。这说明该QCL在阈值附近具有非常好的单模输出特性。与迈克耳孙干涉法测频谱相似,基于自混合干涉的频谱测量精度取决于反馈光程变化的长度ΔLtotal\:Δf=c/2ΔLtotal[19],其中Δf为有频谱分辨率。图4展示了驱动电流为0.645 A、激光器热沉温度为20 K时,不同ΔLtotal对频谱分辨率的影响。从图中可以看出,随着ΔLtotal的增加,频谱的半峰全宽不断减小,频谱的分辨率逐渐提升。本文使用的平移台满行程为100 mm,因此测量频谱的最高分辨率达1.5 GHz。若要得到更高的分辨率,可以选用行程更长的平移台或采用折叠光路的方法增加可变光程的范围。迄今为止,成功实现THz-QCL自混合效应的最长外腔长度可达10 m[20],这意味着基于自混合干涉的频谱测量分辨率可高达15 MHz。由此可见,高稳定性、高灵敏、高分辨率的特性使得基于THz-QCL的自混合干涉系统在物质频谱检测,特别是气体频谱分析方面具有优势。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光自混合测振的FSI测距误差补偿方法[J]. 柴晓博,吴腾飞,殷璞芙. 激光与光电子学进展. 2021(11)
[2]基于掩埋光栅一级分布反馈结构的太赫兹量子级联激光器[J]. 常高垒,朱欢,俞辰韧,朱海卿,徐刚毅,何力. 光学学报. 2021(02)
[3]基于激光自混调频特性的振动测量方法[J]. 殷璞芙,吴腾飞,柴晓博. 激光与光电子学进展. 2021(07)
本文编号：3604108
【文章来源】：光学学报. 2020,40(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
F-P腔中自混合干涉模型示意图
实验装置如图2所示,其中AC表示交流。实验中THz-QCL的F-P谐振腔长2 mm,宽100 μm,厚度约为10 μm。在热沉温度为20 K,驱动电流为0.645 A(高于阈值电流25 mA)时,该QCL的标称频率为2.6 THz。将激光器安置在连续流低温恒温器(Janis ST-100)的载物台上,恒流源供电,激光器热沉温度被控制为20 K,在连续激射模式下工作。QCL放置在直径为50.8 mm、有效焦距为76.2 mm的离轴抛物面反射镜1的焦点处。光束经离轴抛物面反射镜1准直,入射到直径为50.8 mm、有效焦距为50.8 mm的离轴抛物面反射镜2上。在离轴抛物面反射镜2的焦平面上放置一平面反射镜,可使光束沿原光路返回到激光腔中。离轴抛物面反射镜2和平面反射镜安置在平移台 (Thorlabs NRT100) 上,平面反射镜到QCL的初始距离L0为60 cm。在光反馈条件下,一个由自混合效应引起的呈周期性变化的微弱信号叠加在THz-QCL端电压上,利用低噪声交流耦合差分放大器,去掉THz-QCL端电压中的直流分量,并放大其交流小信号,之后将其作为输入信号送入数据采集卡(NI-DAQ USB-6251 BNC)。通过Labview程序在计算机、平移台控制器和数据采集卡之间建立实时通信,平移台电机启动时数据采集卡启动采集数据,电机停止时数据采集卡停止采集并保存数据。实验中,设定交流耦合差分放大器的放大倍数是50;平移台的移动方向为远离QCL,即光程增加的方向,速度为10 mm·s-1;数据采集卡的采样频率为1000 Hz。
图3(a)是数据采集卡获取的THz-QCL端电压随外腔长度变化的自混合信号。此时,驱动电流I为0.645 A,激光器热沉温度为20 K。密集的信号放大图如插图所示,可以发现自混合信号以λ/2为周期振荡,由此估算激光器的激射频率与标称值十分接近。将VLFI-ΔLext曲线进行傅里叶变换,得到THz-QCL的激射频谱,如图3(b)所示,其中VLFI经傅里叶变换后为V′LFI。频谱显示,该QCL在这个工作电流和工作温度下单模激射,频率是2.6084 THz,与标称值吻合。这说明该QCL在阈值附近具有非常好的单模输出特性。与迈克耳孙干涉法测频谱相似,基于自混合干涉的频谱测量精度取决于反馈光程变化的长度ΔLtotal\:Δf=c/2ΔLtotal[19],其中Δf为有频谱分辨率。图4展示了驱动电流为0.645 A、激光器热沉温度为20 K时,不同ΔLtotal对频谱分辨率的影响。从图中可以看出,随着ΔLtotal的增加,频谱的半峰全宽不断减小,频谱的分辨率逐渐提升。本文使用的平移台满行程为100 mm,因此测量频谱的最高分辨率达1.5 GHz。若要得到更高的分辨率,可以选用行程更长的平移台或采用折叠光路的方法增加可变光程的范围。迄今为止,成功实现THz-QCL自混合效应的最长外腔长度可达10 m[20],这意味着基于自混合干涉的频谱测量分辨率可高达15 MHz。由此可见,高稳定性、高灵敏、高分辨率的特性使得基于THz-QCL的自混合干涉系统在物质频谱检测,特别是气体频谱分析方面具有优势。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光自混合测振的FSI测距误差补偿方法[J]. 柴晓博,吴腾飞,殷璞芙. 激光与光电子学进展. 2021(11)
[2]基于掩埋光栅一级分布反馈结构的太赫兹量子级联激光器[J]. 常高垒,朱欢,俞辰韧,朱海卿,徐刚毅,何力. 光学学报. 2021(02)
[3]基于激光自混调频特性的振动测量方法[J]. 殷璞芙,吴腾飞,柴晓博. 激光与光电子学进展. 2021(07)
本文编号：3604108
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