太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器（THz-QCL）是用于實(shí)現(xiàn)自混合干涉的半導(dǎo)體激光器。利用自混合干涉效應(yīng),實(shí)驗(yàn)測(cè)量了THz-QCL頻譜、線寬增強(qiáng)因子以及反饋光耦合系數(shù)。搭建了THz-QCL自混合干涉光路,基于THz-QCL驅(qū)動(dòng)電壓,獲得了具有高信噪比的自混合干涉信號(hào)及其隨反饋光光程變化的曲線。通過對(duì)自混合干涉信號(hào)進(jìn)行解析,準(zhǔn)確獲得了THz-QCL在不同工作電流和溫度下的激射頻譜,頻譜的分辨率反比于反饋光光程的變化�；谧曰旌细缮嫘盘�(hào),分析得到了THz-QCL的線寬增強(qiáng)因子以及反饋光耦合系數(shù)。所實(shí)現(xiàn)的自混合干涉測(cè)量技術(shù)有望發(fā)展為物質(zhì)的太赫茲頻譜識(shí)別和測(cè)量技術(shù)。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報(bào). 2020,40(11)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

F-P腔中自混合干涉模型示意圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,其中AC表示交流。實(shí)驗(yàn)中THz-QCL的F-P諧振腔長(zhǎng)2 mm,寬100 μm,厚度約為10 μm。在熱沉溫度為20 K,驅(qū)動(dòng)電流為0.645 A(高于閾值電流25 mA)時(shí),該QCL的標(biāo)稱頻率為2.6 THz。將激光器安置在連續(xù)流低溫恒溫器(Janis ST-100)的載物臺(tái)上,恒流源供電,激光器熱沉溫度被控制為20 K,在連續(xù)激射模式下工作。QCL放置在直徑為50.8 mm、有效焦距為76.2 mm的離軸拋物面反射鏡1的焦點(diǎn)處。光束經(jīng)離軸拋物面反射鏡1準(zhǔn)直,入射到直徑為50.8 mm、有效焦距為50.8 mm的離軸拋物面反射鏡2上。在離軸拋物面反射鏡2的焦平面上放置一平面反射鏡,可使光束沿原光路返回到激光腔中。離軸拋物面反射鏡2和平面反射鏡安置在平移臺(tái) (Thorlabs NRT100) 上,平面反射鏡到QCL的初始距離L0為60 cm。在光反饋條件下,一個(gè)由自混合效應(yīng)引起的呈周期性變化的微弱信號(hào)疊加在THz-QCL端電壓上,利用低噪聲交流耦合差分放大器,去掉THz-QCL端電壓中的直流分量,并放大其交流小信號(hào),之后將其作為輸入信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡(NI-DAQ USB-6251 BNC)。通過Labview程序在計(jì)算機(jī)、平移臺(tái)控制器和數(shù)據(jù)采集卡之間建立實(shí)時(shí)通信,平移臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)采集卡啟動(dòng)采集數(shù)據(jù),電機(jī)停止時(shí)數(shù)據(jù)采集卡停止采集并保存數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中,設(shè)定交流耦合差分放大器的放大倍數(shù)是50;平移臺(tái)的移動(dòng)方向?yàn)檫h(yuǎn)離QCL,即光程增加的方向,速度為10 mm·s-1;數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為1000 Hz。

圖3(a)是數(shù)據(jù)采集卡獲取的THz-QCL端電壓隨外腔長(zhǎng)度變化的自混合信號(hào)。此時(shí),驅(qū)動(dòng)電流I為0.645 A,激光器熱沉溫度為20 K。密集的信號(hào)放大圖如插圖所示,可以發(fā)現(xiàn)自混合信號(hào)以λ/2為周期振蕩,由此估算激光器的激射頻率與標(biāo)稱值十分接近。將VLFI-ΔLext曲線進(jìn)行傅里葉變換,得到THz-QCL的激射頻譜,如圖3(b)所示,其中VLFI經(jīng)傅里葉變換后為V′LFI。頻譜顯示,該QCL在這個(gè)工作電流和工作溫度下單模激射,頻率是2.6084 THz,與標(biāo)稱值吻合。這說明該QCL在閾值附近具有非常好的單模輸出特性。與邁克耳孫干涉法測(cè)頻譜相似,基于自混合干涉的頻譜測(cè)量精度取決于反饋光程變化的長(zhǎng)度ΔLtotal\:Δf=c/2ΔLtotal[19],其中Δf為有頻譜分辨率。圖4展示了驅(qū)動(dòng)電流為0.645 A、激光器熱沉溫度為20 K時(shí),不同ΔLtotal對(duì)頻譜分辨率的影響。從圖中可以看出,隨著ΔLtotal的增加,頻譜的半峰全寬不斷減小,頻譜的分辨率逐漸提升。本文使用的平移臺(tái)滿行程為100 mm,因此測(cè)量頻譜的最高分辨率達(dá)1.5 GHz。若要得到更高的分辨率,可以選用行程更長(zhǎng)的平移臺(tái)或采用折疊光路的方法增加可變光程的范圍。迄今為止,成功實(shí)現(xiàn)THz-QCL自混合效應(yīng)的最長(zhǎng)外腔長(zhǎng)度可達(dá)10 m[20],這意味著基于自混合干涉的頻譜測(cè)量分辨率可高達(dá)15 MHz。由此可見,高穩(wěn)定性、高靈敏、高分辨率的特性使得基于THz-QCL的自混合干涉系統(tǒng)在物質(zhì)頻譜檢測(cè),特別是氣體頻譜分析方面具有優(yōu)勢(shì)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于激光自混合測(cè)振的FSI測(cè)距誤差補(bǔ)償方法[J]. 柴曉博,吳騰飛,殷璞芙.  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2021(11)
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本文編號(hào)：3604108