uniMIR
Ein Wellenlängenbereich von 10 bis 19 µm (entsprechend 1000 bis 526 cm-1) kann mit dem uniMIR DFB-QCL (Distributed Feedback Quantenkaskadenlaser) von mirSense abgedeckt werden. Zusammen mit der Universität Montpellier hält mirSense die exklusive Lizenz zur Herstellung der Laser in diesem Wellenlängenbereich. 2021 war mirSense mit den uniMIR Lasern und einem Wellenlängenbereich von 10 bis 17 µm Finalist bei den Prism Awards auf der Photonics West in der Kategorie „smart sensing“.
Das besondere an den Lasern ist der große Wellenlängenbereich von 10 bis 19 µm, welcher neue Forschungsbereiche eröffnet. Auch sind enge Linienbreiten mit einer hohen Empfindlichkeit möglich. Der Dauerstrichmodus (continuous wave, CW) ist für Wellenlängen bis 17,7 µm bei Ausgangsleistungen im Milliwatt-Bereich realisierbar.
Im Dauerstrichmodus liegt der Tuningbereich bei typischerweise 2 cm-1 mit einer schmalen Linienbreite von <100 MHz (<0,003 cm-1). Werden jedoch höhere Wellenlängen über 18 µm benötigt, lässt sich der Laser nur noch im Pulsbetrieb betreiben. Hier erhält man eine größere Tuningrange und höhere Betriebstemperatur.
Die langwelligen uniMIR Laser haben einen sehr geringen spektralen Chirp während des Impulses, typischerweise <0.04 cm-1 / 100 ns. Dadurch ist eine Intrapuls-Spektroskopie ohne Hochgeschwindigkeitsdetektoren oder Quasi-Dauerstrich-Spektroskopie (QCW = quasi continous wave spectroscopy) ohne Verschlechterung der spektralen Auflösung (bis zu 0.01 cm-1) – unter Verwendung der mirSense Elektronik für den gepulsten Betrieb – möglich.
Die uniMIR Laserchips sind auf einem thermoelektrischen Controller (TEC) angebracht, um eine konstante Temperatur des Laserchips zu garantieren. Beim Verändern der Temperatur können die Emissionswellenlängen ohne Modensprung eingestellt werden und gleichzeitig kann der Single-Mode Betrieb beibehalten werden. Der Laserchip und seine Elektronik befinden sich in einem versiegelten Gehäuse, dem sogenannten HHL (high heat load) mit integrierter Kollimationslinse und Thermistor zum Auslesen der Laserchip-Temperatur.
Wird ein größerer Abstimmbereich (tuning range) benötigt, so ist der gepulste Betrieb möglich. Beim Verwenden des gepulsten Betriebs ist der Stromverbrauch gering, der Betrieb in höheren Temperaturen ist möglich, sowie der Zugang zu einem größeren Abstimmbereich und größeren Wellenlängen.
Was sind DFB QCLs?
Distributed Feedback Quantenkaskadenlaser besitzen ein integriertes Gitter – das sogenannte Bragg-Grating – in der Laserkavität, bei der eine einzelne Mode selektiert wird. Sie sind somit einmodige Schmalbandlaser (single longitudinal mode narrow-band lasers). Quantenkaskadenlaser im Allgemeinen emittieren im mittleren Infrarot. Das Besondere an ihnen ist, dass
- durch die kaskadenartige Struktur das Elektron durch die Struktur wandert (keine Elektronen-Loch-Rekombination),
- das Elektron recycelt wird
- und somit ein Elektron mehrere Elektronen rauschleudern kann.
Der QCL besteht aus einer Aktiven/Gain (hier findet die Inversionspopulation statt) und einer Injektion/Relaxation (Elektronen werden recycelt), welche mehrmals wiederholt werden.
Des Weiteren gibt Fabry-Pérot Kavitäten (siehe powerMIR). Die External-Cavity QCLs (EC-QCLs) gehören nicht zum Portfolio von mirSense.
Warum ist es interessant, einen Wellenlängenbereich bis zu 19 µm zu verwenden?
Einen weiteren Wellenlängenbereich von mehr als 11 µm (tiefer als 909 cm-1) ermöglicht es, starke Schwingungsspektren von kleinen Kohlenwasserstoffen wie Ethen, Acetylen oder Propan, Spektroskopie an den sogenannten BTEX Molekülen (Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylole) durchzuführen oder Stickstoffoxid zu detektieren. Dieser tiefe Wellenzahl-Bereich, welcher ausschließlich von mirSense abgedeckt wird, ermöglicht auch neue Anwendungen in der Astrophysik, den Geowissenschaften, der Quantentechnologie, der Messtechnik und der Grundlagenphysik.
Anwendungsbereich
In der nachfolgenden Tabelle werden einige Wellenlängen und deren Anwendungen dargestellt:
| Application family | Wavelength | Measurable species | QCL product datasheet when available | |
|---|---|---|---|---|
| OH Hydroxyl radical spectroscopy | ~18.8 µm | ~531 cm-1 | Hydroxyl radical (OH) | UN0530Q003HNA |
| Fundamental science | ~ 17.7 µm | ~ 565 cm-1 | UN0565C002HNA | |
| Carbon emissions | ~ 15 µm | Carbon dioxide (CO2) | ||
| Fluoro | ~ 10.5 µm | ~ 948 cm-1 | Sulfur hexafluoride (SF6) | |
| VOC | ~ 13.7 µm | ~ 729 cm-1 | Toluene | UN0746C005HNA |
| VOC | ~ 14.4 µm | ~ 694 cm-1 | Toluene | |
| VOC | ~ 14.3 µm | ~ 697 cm-1 | Ethylbenzene | |
| VOC | ~ 13 µm | ~ 769 cm-1 | m-Xylene | UN0746C005HNA |
| VOC | ~ 12.6 µm | ~ 795 cm-1 | p-Xylene | UN0746C005HNA |
| VOC | ~ 13.5 µm | ~ 741 cm-1 | o-Xylene | UN0746C005HNA |
| Nitrogen | ~ 10.7 µm | ~ 930 cm-1 | Ammonia (NH3) | |
| Nitrogen | ~ 17.2 µm | ~ 581 cm-1 | Nitrous Oxide (N2O) | |
| Nitrogen | ~ 10.6 µm | ~ 941 cm-1 | Hydrazine (N2H4) | |
| Nuclear | ~ 11.3 µm | ~ 885 cm-1 | Methyl Iodid (CH3I) | UN0885C010HNA |
| Toxic | ~ 11.8 µm | ~ 850 cm-1 | Phosgene (COCl2) | |
| Toxic | ~ 14 µm | ~ 713 cm-1 | Hygrogen Cyanide (HCN) | UN0713C005HNA |
Specifications
| General Information | |
|---|---|
| Laser type | QCL single mode Distributed Feedback lasers (DFB) (1) |
| Mode of operation | CW or pulsed |
| Typical Optical Power | 5-10mW typical for wavelength under 15 microns 1-5mW typical for wavelength above 15 microns Up to 20mW with a Fabry-Pérot laser (1) |
| Full accessible wavelength range | ~3 cm-1 typically |
| Continuous tuning range | >1 cm-1 typically |
| Side mode suppression ratio | SMSR > 25 dB |
| Linewidth (FWHM) | < 100 Mhz (free-running with suitable electronics for CW lasers) |
| Divergence | < 10mrad |
| Beam quality | TM00 |
| Output beam diameter (window output) | Typically 4 mm |
| Polarization | Linear vertically polarized |
| Example for DFB lasers | Single Mode DFB QCL 885 cm-1 = 11µm | Single Mode DFB QCL 746 cm-1 = 13µm | Single Mode DFB QCL 713 cm-1 = 14µm |
|---|---|---|---|
| Application | Methyliodid CH3I | Xylene & Propane C8H10 C3H8 | Hydrogen Cyanide (HCN) |
| Laser type | QCL single mode DFB | QCL single mode DFB | QCL single mode DFB |
| Mode of operation | CW | CW | CW |
| Guaranteed minium optical power at 885 cm-1 | 10 mW (with the base plate of the HHL-package at +20°C) | 5 mW (with the base plate of the HHL-package at +20°C) | 6 mW (with the base plate of the HHL-package at +20°C) |
| Full accessible wavelength range | >3cm-1 | ~ 3cm-1 | ~ 3cm-1 |
| Continuous tuning range | > 1 cm-1 | > 0.5 cm-1 | > 1 cm-1 |
| Side mode suppression ratio | SMSR > 25 dB | SMSR > 25 dB | SMSR > 25 dB |
| Linewidth (FWHM) | < 100 Mhz (free-running with suitable electronics) | < 100 Mhz (free-running with suitable electronics) | < 100 Mhz (free-running with suitable electronics) |
| Divergence | < 10mrad | < 10mrad | < 10mrad |
| Beam quality | TM00 | TM00 | TM00 |
| Output beam diameter (window output) | Typically 4 mm | Typically 4 mm | Typically 4 mm |
| Polarization | Linear vertically polarized | Linear vertically polarized | Linear vertically polarized |