Перестраиваемый лазерный модуль для средней инфракрасной области спектра

Заявляемая полезная модель относится к устройствам, излучающих электромагнитных волн в среднем инфракрасном диапазоне (2-5 мкм), и может быть использована для оптической спектроскопии газов и жидкостей в диапазоне максимальной интенсивности характеристических линии поглощения химических веществ. Основные сферы применения являются экологический мониторинг, медицинская диагностика и непрерывный контроль над технологическими процессами. Задачей заявляемой полезной модели является существенное повышение эффективности использования лазерного модуля для целей лазерной спектроскопии. Указанная задача решается посредством разработки перестраиваемого лазерного модуля для средней инфракрасной области спектра, включающего лазерного диода на основе гетероструктуры с тремя квантовыми ямами, GaInAsSb в качестве активной области и AlGaAsSb в качестве ограничительных слоев, помещенного в оптическом модуле с встроенным термохолодильником и терморезистором, а так же электронного блока, содержащего схему управляемого импульсного питания лазера и блока управления температуры лазера. Новый лазерный модуль излучает в среднем инфракрасном диапазоне (2-4 мкм), где находятся характеристические полосы поглощения наиболее важных органических и неорганических химических веществ, что позволяет повысить чувствительность спектроскопии на 2-3 порядка по сравнению с существующими аналогами лазерных модулей. Осуществлено простое и безопасное для пользователя управление длины волны излучения лазера в широком спектральном интервале.

Полезная модель относится к устройствам, излучающих электромагнитных волн в среднем инфракрасном диапазоне (2-4 мкм), и может быть использовано для оптической спектроскопии газов и жидкостей в диапазоне максимальной интенсивности характеристических линии поглощения химических веществ. Основные сферы применения являются экологический мониторинг, медицинская диагностика и непрерывный контроль над технологическими процессами.

В среднем инфракрасном спектральном диапазоне 2.0-5.0 мкм находятся основные характеристические линий поглощения природных и промышленных газов, таких как метан СН₄, сероводород H₂ S, аммиак NН₃, пропан С ₂Н₆ и другие, а так же ряд очень важных для медицинской диагностики органических веществ. Все эти линии хорошо известны современной молекулярной спектроскопии. Лазерная спектроскопия предъявляет очень высокие требования к излучателям. Они должны быть одночастотные в определенном диапазоне токов и температур, с узкой спектральной линией (<100 МГц), оптической мощностью больше 1 мВт, с широким диапазоном изменения длины волны излучения (50-80 нм для одного лазерного диода) и максимально-возможным диапазоном плавной перестройки (не менее 15 ангстрем).

В настоящее время для лазерной спектроскопии в основном используются лазерные модули на основе лазеров для ближней инфракрасной области спектра (0.8-1.6 мкм) (http://www.lasercomponents.com). Модули включают так же электронный блок управления тока лазера и внешний механический резонатор, позволяющий перестраивать длину волны излучения. Технология изготовления лазерных диодов для данного спектрального диапазона хорошо развита и в целом они отвечают требованиям лазерной спектроскопии, однако интенсивность полос поглощения газов и жидкостей в этой области на 2-3 порядка ниже, чем в средней ИК области. Данный факт сильно ограничивает их сферу применения. В лазерных спектрометрах на основе такого типа модулей применяется сложная и дорогая оптическая схема для обеспечения большого оптического пути, а так же сложный электронный блок, способный регистрировать очень маленькие изменения сигнала.

В настоящее время в области спектра 3-4 мкм применяются лазерные модули, содержащие лазерные диоды на основе узкозонных полупроводниковых материалах А^IVВ^VI (соли свинца) (http://www.lasercomponents.com). Однако в этих лазерах не удается получить высоких мощностей в связи с нестабильностью данных материалов при сильных токах и из-за их низкой теплопроводности. По оптической мощности, одномодовости и диапазону перестройки длины волны излучения, лазерные модули на основе солей свинца практически не удовлетворяют требования лазерной спектроскопии. Сфера их применения ограниченна до ряда научных групп, проводящих исследования в области спектроскопии. Лазерные модули для диапазона 2-3 мкм на рынке отсутствуют.

Задачей заявляемого технического решения являлось создание нового лазерного модуля, излучающего в среднем инфракрасном диапазоне (2-4 мкм), где находятся характеристические полосы поглощения целого ряда важных

органических и неорганических химических веществ, с возможностью перестройки длины волны излучения в широком спектральном интервале. Лазерные модули содержат лазерные гетероструктуры в системе полупроводниковых материалов А ³В⁵ с тремя квантовыми ямами. В активной области применяется четверной твердый раствор GaInAsSb с содержанием индия 6-18%. Широкозонный твердый раствор AlGaAsSb с содержанием алюминия 60% применялся в качестве электронного и оптического ограничения с двух сторон активной области. Конструкция лазерной гетероструктуры представлена на рис.1а. Для обеспечения сканирования частоты излучения в широком диапазоне, была создана конструкция лазера, позволяющего контролировать и управлять температуру. Лазерные диоды помещены в корпусе типа HHL (рис.2) с двухкаскадным встроенным термохолодильником. Электронный блок модуля содержит импульсный блок питания и блок управления температуры (рис.3). Импульсный блок питания дает возможность изменять частоту следования импульсов, длительность импульсов и ток через лазер. Блок управления температуры позволяет управлять температуру лазерного чипа с помощью встроенного термохолодильника и термосенсора в широких пределах. С помощью электронного блока модуля, пользователь может сканировать необходимый диапазон длин волн, используя модовую карту температурной и токовой перестройки лазера. Передняя панель электронного блока лазерного модуля представлена на рис.4., где

1 - разъем для подключения лазера;

2 - жидкокристаллический дисплей;

3 - потенциометр для установки тока лазера;

4 - красный светодиод, сигнализирующий о выключенном состоянии питания лазера или о разрыве цепи;

5 - зеленый светодиод, сигнализирующий о работе блока питания в режиме коротких импульсов;

6 - зеленый светодиод, сигнализирующий о работе блока питания в режиме меандра;

7 - переключатель режима работы блока питания;

8 - зеленый светодиод, сигнализирующий о включенном состоянии питания лазера;

9 - разъем выхода синхронизирующего сигнала;

10 - переключатель включения/выключения питания лазера;

11 - переключатель режима работы ЖК дисплея;

12 - разъем для внешнего питания +12 В электронного блока;

13 - зеленый светодиод, сигнализирующий о работе ЖК дисплея в режиме индикации заданной температуры лазерного чипа;

14 - переключатель включения/выключения охлаждения лазера;

15 - зеленый светодиод, сигнализирующий о работе ЖК дисплея в режиме индикации реальной (измеренной) температуры лазерного чипа;

16 - зеленый светодиод, сигнализирующий о включенном состоянии охлаждения лазера;

17 - зеленый светодиод, сигнализирующий о работе ЖК дисплея в режиме индикации тока через лазерный диод;

18 - потенциометр для установки температуры лазерного чипа.

Устройство работает следующим образом.

Лазер подключается к разъему электронного блока. Стабилизированный блок питания AC/DC+12 В подключается к разъему 12 и включается в розетку 220

В. Если необходимо, кабель синхронизации подключается одним концом к разъему 9, а вторым концом к осциллографу или синхронного усилителя сигнала фотоприемника. С помощью переключателя 7 выбирается один из двух режимов работы импульсного питания лазера: режим коротких импульсов или режим меандра. Режим работы ЖК дисплея переключается в положение T_adjust . С помощью потенциометра 18 устанавливается желаема температура лазерного чипа. Затем режим работы ЖК дисплея переключается в положение T_measur. На дисплее отобразится температура лазерного чипа до включения охлаждения (приблизительно равна комнатной температуре). Охлаждение включается переключателем 14. На дисплее отображается изменение температуры лазерного чипа. Через несколько секунд устанавливается выбранная температура. Дальше электронный блок стабилизирует эту температуру.

После установки температуры приступаем к установки требуемого тока через лазерный диод. Режим работы дисплея устанавливается в положении I (ток в мА). С помощью потенциометра 3 устанавливаем необходимый ток и включаем питание лазера (переключатель 10). На базе предприятия изготовитель лазерного модуля (в случае на базе ООО «Сканирующие лазерные системы» проводится составление детальной модовой картой данного лазера (двумерный график зависимости длины волны и интенсивности излучения от тока и температуры лазерного диода). Используя данную модовую карту, клиент легко может подобрать и установить с помощью электронного блока токовый и температурный режим, обеспечивающий излучение в том спектральном диапазоне, который ему необходим для спектроскопии конкретного газа. Меняя температуру, он может сканировать интересующий его спектральный диапазон. Для иллюстрации на рис.5

представлена перестройка конкретного лазера при изменении температуры лазерного чипа.

Был изготовлен опытный образец заявляемого устройства и проведены его испытания. Лазерный модуль не имеет прямых аналогов в средней ИК области спектра, где находятся характеристические полосы поглощения подавляющего большинства химических соединении. Устройство обеспечивает потребителям легкое и удобное управление длины волны излучения лазера в широком спектральном диапазоне. При этом система настроена таким образом, что ток и температуру лазера можно менять только в допустимом для данного лазера рабочем интервале, что предотвращает возможность его повреждения из за ошибки пользователя.

Технический эффект заявляемой полезной модели по сравнению с лазерными модулями для ближней ИК области спектра состоит в улучшении чувствительности к измеряемым веществам, за счет более интенсивного (на 2-3 порядка) поглощение в средней ИК области спектра. Спектры поглощения веществ прописываются легко при оптических путях всего нескольких сантиметров без необходимости использования сложных электронных схем для улучшения соотношения сигнал/шум.

Технический эффект по сравнению с лазерными модулями для средней ИК области на основе солей свинца, состоит в увеличении за счет использования других материалов и конструкции лазерной гетероструктуры мощности (в 10 раз), одномодовости (чистоты модового состава), диапазона перестройки длины волны излучения, легкости управления и отсутствия потребности в криогенном охлаждении.

Положительный эффект по сравнению с Фурье спектрометрами, которые могут рассматриваться отчасти как аналоги по своему назначению состоит в компактности и низкой себестоимости предлагаемой полезной модели.

1. Перестраиваемый лазерный модуль для средней инфракрасной области спектра (2-4 мкм), включающий лазерный диод на основе гетероструктуры с тремя квантовыми ямами, GaInAsSb в качестве активной области и AlGaAsSb в качестве ограничительных слоев, помещенный в оптическом модуле с встроенным термохолодильником и терморезистором, а также электронный блок, содержащий схему управляемого импульсного питания лазера и блока управления температуры лазера, позволяющий сканировать заданный спектральный диапазон и прописывать полосы поглощения исследуемых газов или жидкостей.

2. Заявляемое устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутое устройство имеет конструкцию лазерной гетероструктуры, выполненную из материалов GaInAsSb и AlGaAsSb.

3. Заявляемое устройство по п.1, отличающееся от лазерных модулей для средней ИК области на основе солей свинца материалами и конструкцией лазерной гетероструктурой, отсутствием потребности в криогенном охлаждении, повышенной мощности и диапазона перестройки длины волны излучения.